網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控系統(tǒng)課件

1、2022年7月17日1第1章 網(wǎng)絡(luò)化的計算機監(jiān)督與控制系統(tǒng)概述1.1 網(wǎng)絡(luò)化的計算機監(jiān)督與控制系統(tǒng)概念1.2 網(wǎng)絡(luò)化的計算機監(jiān)督與控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀 1.3 網(wǎng)絡(luò)化的計算機監(jiān)督與控制系統(tǒng)的主要技術(shù)問題 1.4 網(wǎng)絡(luò)化計算機監(jiān)督與控制系統(tǒng)設(shè)計 2022年7月17日21.1網(wǎng)絡(luò)化的計算機監(jiān)督與控制系統(tǒng)概念典型的監(jiān)督與控制系統(tǒng) 可以完成實時控制可以對控制過程實行優(yōu)化監(jiān)控計算機直接控制計算機生產(chǎn)過程設(shè)備 監(jiān)督控制系統(tǒng)框圖2022年7月17日3監(jiān)控計算機：采集現(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)備的信息，決定直接控制計算機的最優(yōu)設(shè)定值。（信息來源于生產(chǎn)過程）直接控制計算機和監(jiān)控計算機是主從關(guān)系。直接控制計算機接收命令。（作

2、用于生產(chǎn)過程）2022年7月17日4網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)督控制系統(tǒng)是利用監(jiān)督控制系統(tǒng)作為單元，組成的功能及規(guī)模更強大的系統(tǒng)。具備網(wǎng)絡(luò)化的功能，各計算機之間是隨時可以進行信息交換。2022年7月17日5監(jiān)控計算機1監(jiān)控計算機2監(jiān)控計算機3直接控制計算機1直接控制計算機2直接控制計算機3多計算機的監(jiān)督控制系統(tǒng)2022年7月17日6Modem下位機電話網(wǎng)Modem遠程監(jiān)控計算機下位機下位機下位機RS232-RS485轉(zhuǎn)換器.子系統(tǒng)1子系統(tǒng)2以太網(wǎng)一個網(wǎng)絡(luò)化的管理監(jiān)督控制系統(tǒng)上位機1本地監(jiān)控計算機上位機2現(xiàn)場總線網(wǎng)關(guān)485總線PLC1PLC2PLC3PLCn.2022年7月17日7網(wǎng)絡(luò)化的計算機監(jiān)督與控制系統(tǒng)的主

3、要優(yōu)點：資源共享，包括程序和數(shù)據(jù)的共享。 可靠性高，系統(tǒng)對故障的免疫力強。 網(wǎng)絡(luò)化處理的效率較高，有很高的性能價格比，即以較低的價格達到較高的性能，尤其是微處理機價格低廉。 維護方便，微型計算機維護方便。 擴充容易，不用修改軟件，只需增加硬件。 2022年7月17日8.網(wǎng)絡(luò)化的計算機監(jiān)督與控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀集散控制系統(tǒng)RS485總線監(jiān)督控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（SCADA）現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)2022年7月17日9網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控系統(tǒng)繼承于集散控制系統(tǒng)一個實際的集散控制系統(tǒng)：日本的 系統(tǒng)如下： 最小系統(tǒng)2022年7月17日10集散控制系統(tǒng)的定義集散控制系統(tǒng)-又稱分散型綜合控制系統(tǒng)（DCS）系統(tǒng)，是對生產(chǎn)

4、過程進行集中監(jiān)視、操作、管理和分散控制的一種全新的分布式計算機控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)將若干臺微機分散應(yīng)用于過程控制，全部信息通過通信網(wǎng)絡(luò)由上位管理計算機監(jiān)控，實現(xiàn)最優(yōu)化控制，通過CRT裝置、通信總線、鍵盤、打印機等，進行集中操作、顯示和報警。整個裝置繼承了常規(guī)儀表分散控制和計算機集中控制的優(yōu)點，克服了常規(guī)儀表功能單一、人一機聯(lián)系差，以及單臺微型計算機控制系統(tǒng)危險性高度集中的缺點，既在管理、操作和顯示三方面集中，又在功能、負荷和危險性三方面分散。2022年7月17日11分散控制方式：儀表間相距過遠、儀表盤尺寸過大、無法全面了解信息；集中控制方式：危險過集中，計算機出現(xiàn)故障時整個生產(chǎn)裝置癱瘓；集散控制方

5、式：控制功能分散、操作管理集中DCS。集散控制中危險分散的方法：將控制功能分散到多臺計算機上，采取雙重化冗余措施。現(xiàn)場控制站危險分散的設(shè)計原則2022年7月17日12集散系統(tǒng) 特點控制設(shè)備的分散,監(jiān)視和管理操作的集中,開放的系統(tǒng)結(jié)構(gòu).硬件單元化：系統(tǒng)分級。第一級現(xiàn)場級。直接數(shù)字控制裝置，采集現(xiàn)場信息。第二級操作站級。微型計算機控制直接數(shù)字裝置。第三級管理級。高檔微機，對整體系統(tǒng)進行監(jiān)督管理和信息處理。軟件與模塊化：采用組態(tài)方式生成各種控制系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活，易于擴展。一般只需兩級，規(guī)模大的需要第三級?？煽啃愿?，功能分散。降低了成本，提高了性能/價格比。直接數(shù)字控制裝置安裝在現(xiàn)場。減少了現(xiàn)場單元

6、到操作站的電纜連接。 集散控制系統(tǒng)(DCS)存在的問題是控制站雖然放在離現(xiàn)場比較近的地方，但它仍是一種集中式控制，它與現(xiàn)場設(shè)備仍須大量電纜連接。2022年7月17日13集散控制系統(tǒng)的發(fā)展 初創(chuàng)期(1975l980年)成熟期(19801985年) 擴展期(1985年以后)2022年7月17日14國際著名廠商TDC-2000 TDC3000 SPECTRUM I/A series CENTUM 愛默生電氣公司 WDPFPROVOX2022年7月17日15國際著名廠商2022年7月17日16DCS系統(tǒng)操作臺2022年7月17日17DCS系統(tǒng)控制單元2022年7月17日18DCS系統(tǒng)用戶界面2022年

7、7月17日19集散控制系統(tǒng)的現(xiàn)場控制站DCS系統(tǒng)中，它是一個完整的計算機，實際運行中可以在不與操作站及網(wǎng)絡(luò)相連的情況下，完成過程控制策略，保證生產(chǎn)裝置正常運行。控制站作為一個完整的計算機，它的主要I/O設(shè)備為現(xiàn)場的輸入、輸出處理設(shè)備，以及過程輸入/輸出（P I/O）量，包括信號變換與信號調(diào)理，A/D、D/A轉(zhuǎn)換等。它在第二代和第三代產(chǎn)品中已陸續(xù)采用了嵌入式技術(shù)，并采用單片機等完成量程調(diào)整、遠程I/O數(shù)據(jù)傳輸、小型化及減少P I/O卡硬件規(guī)格等功能，直至連接智能化的現(xiàn)場變送器或接受采用現(xiàn)場總線提供的數(shù)字信號。2022年7月17日20集散控制系統(tǒng)的現(xiàn)場控制站主要設(shè)備：現(xiàn)場控制單元。主要任務(wù)：進行數(shù)

8、據(jù)采集及處理，對被控對象實施閉環(huán)反饋控制、順序控制和批量控制。用戶可以根據(jù)不同的應(yīng)用需求，選擇配置不同的現(xiàn)場控制單元以構(gòu)成現(xiàn)場控制站。以面向連續(xù)生產(chǎn)的過程控制為主，順序邏輯控制為輔，構(gòu)成一個可以實現(xiàn)多種復(fù)雜控制方案的現(xiàn)場控制站; 以順序控制、聯(lián)鎖控制功能為主的現(xiàn)場控制站； 構(gòu)成對大批量過程信號進行總體信息采集的現(xiàn)場控制站。2022年7月17日21DCS操作員站和工程師站DCS操作站具有操作員功能、工程師功能、通信功能和高級語言功能等，其中工程師功能中包括系統(tǒng)組態(tài)、系統(tǒng)維護、系統(tǒng)通用功能。2022年7月17日22實際的DCS操作站是典型的計算機，它與控制站不同，有著豐富的外圍設(shè)備和人機界面。70

9、年代中期，CRT顯示器技術(shù)已成熟，以外部存儲器為特征，第二代DCS操作站還具有如下特點：操作站和工程師站（或稱工作站）分開，也有公司將操作站的歷史數(shù)據(jù)存儲用硬盤（歷史模件）和高級語言應(yīng)用站（應(yīng)用模件）分別獨立掛在通信網(wǎng)絡(luò)上；操作系統(tǒng)除采用DOS系統(tǒng)以外，有的產(chǎn)品采用Unix等操作系統(tǒng)；實時數(shù)據(jù)庫儲存性能逐漸完善；在人機界面方面，逐漸過渡為以GUI圖形用戶界面為平臺并采用鼠標、組態(tài)時制作流程圖和控制回路圖等方法，采用菜單、窗口、CAD等技術(shù)，使人機界面友好。2022年7月17日23DCS操作站的功能（三大功能）工程功能完成系統(tǒng)生成、系統(tǒng)維護、系統(tǒng)測試和系統(tǒng)管理；操作功能監(jiān)視、記錄、運行；通信功能

10、完成現(xiàn)場控制站于上位機之間的數(shù)據(jù)交換。主要介紹操作功能操作運行中的操作畫面（1）總貌畫面反映生產(chǎn)過程總體狀況。（2）分組畫面對應(yīng)顯示各內(nèi)部儀表狀態(tài)，操作中觀察其 它回路中的關(guān)聯(lián)變化。（3）回路調(diào)整畫面（4）報警畫面（5）趨勢分組畫面（6）流程子畫面2022年7月17日24操作站嵌入型臺式操作站 桌面型操作站信息報警站工程師站 控制站 顯示器 標準鍵盤 主機 操作站主機柜 工作臺 2022年7月17日25 DCS 操作站一般分為操作員站和工程師站兩種。工程師站主要是技術(shù)人員與控制系統(tǒng)的人機接口，可以對應(yīng)用系統(tǒng)進行監(jiān)視。工程師站為用戶提供了一個靈活的、功能齊全的工作平臺，通過組態(tài)軟件來實現(xiàn)用戶所要

11、求的各種控制策略。有些小型DCS的工程師站可以用一個操作員站代替。2022年7月17日26操作站的基本功能2022年7月17日27數(shù)據(jù)通信及網(wǎng)絡(luò)在DCS系統(tǒng)誕生時，主要解決一個生產(chǎn)裝置中幾個控制站和一個或幾個操作站之間的數(shù)據(jù)通信問題；第二代DCS則解決多個裝置的DCS互聯(lián)問題；第三代DCS則解決一個工廠的多個車間互聯(lián)及與全廠計算機管理網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的問題，這是總的設(shè)計思想。在實際應(yīng)用中，如石化行業(yè)，DCS一直多用在一個生產(chǎn)裝置范圍內(nèi)的多機通信系統(tǒng)中，而且控制站和操作站均集中放置在控制室內(nèi)。 在DCS中采用數(shù)字通信技術(shù)，還有在控制站內(nèi)采用站內(nèi)通信總線及遠程I/O總線，以及在第三代DCS的控制站內(nèi)增加了

12、連接PLC、分析儀和現(xiàn)場智能儀表的接口卡，使DCS與現(xiàn)場儀表之間的接線減少，并對現(xiàn)場儀表進行設(shè)備管理，這為DCS向下兼容并與現(xiàn)場總線通信技術(shù)融合打下基礎(chǔ)。2022年7月17日28DCS工程設(shè)計步驟（1）方案論證：c) 系統(tǒng)的選型。如規(guī)模、生產(chǎn)廠家等。b) 硬件配置。（可提出幾種配置方案）a) 制定系統(tǒng)功能規(guī)范，其中包括：系統(tǒng)功能，即信號處理功能、輸入量的通道數(shù)和輸出量的路數(shù)。顯示功能、操作功能、報警功能、控制功能、管理功能、通信功能和可擴展功能等；系統(tǒng)的性能指標，如信號處理指標、控制品質(zhì)指標、通信功能指標、可靠性指標等；環(huán)境要求，如濕度、溫度、抗震動抗沖擊、電源等指標。2022年7月17日29

13、（3）工程設(shè)計及文件設(shè)計（2）方案設(shè)計 根據(jù)廠方提供的技術(shù)資料，結(jié)合生產(chǎn)工藝過程實際，確定系統(tǒng)的硬件配置，列出詳細的訂貨清單。a) 設(shè)計與建立應(yīng)用技術(shù)文檔文件。 b) 系統(tǒng)應(yīng)用軟件設(shè)計c) 機房或控制室設(shè)計2022年7月17日30RS485總線監(jiān)督控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（SCADA）集散控制系統(tǒng)是專用系統(tǒng)，擴展需要配套的軟硬件；價格一般都很昂貴；不適合中小行系統(tǒng)。RS485總線監(jiān)督控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由一些軟件開發(fā)商開發(fā)的監(jiān)督控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（SCADA Supervisory Control And Data Acquisition）是一種兩級計算機控制系統(tǒng)。它是基于PC的監(jiān)督與控制軟件，是一種

14、可組態(tài)的人機界面程序HMI(Human Machine Interface),又稱SCADA組態(tài)軟件。它很好地解決了中小企業(yè)中量大面廣的設(shè)備監(jiān)督與控制問題。2022年7月17日31這種系統(tǒng)在通用性上比集散控制系統(tǒng)前進了一步。這種軟件以工業(yè)控制機的WINDOWS操作系統(tǒng)為平臺，可以通過網(wǎng)絡(luò)連接不同廠家的遠距離智能I/O模塊、PLC、變頻調(diào)速器、智能儀表等。設(shè)計思想仍然采用先進的硬件積木化，軟件模塊化的思想；不同之處是硬件可以選用不同廠家的產(chǎn)品，軟件中集成了對各廠家生產(chǎn)的硬件模塊的驅(qū)動程序，用戶可用硬件組態(tài)的方法選用不同的設(shè)備。2022年7月17日32工控機定義工控機即工業(yè)控制計算機，英文簡稱IP

15、C，全稱Industrial Personal Computer。工控機通俗的說就是專門為工業(yè)現(xiàn)場而設(shè)計的計算機。是從PC機演變過來的，因為一些工作環(huán)境，比如說：工業(yè)現(xiàn)場，那里是的環(huán)境是很惡劣的，一般PC就工作不了，所在才產(chǎn)生了工業(yè)控制計算機，主要表現(xiàn)在：工控機插槽的可擴展性、抗震、防塵、防潮濕等等，隨著工控機所應(yīng)用的行業(yè)越來越廣，現(xiàn)在也超出了只應(yīng)用在工業(yè)現(xiàn)場的范圍，比如說現(xiàn)在很多網(wǎng)絡(luò)安全方面的硬件、數(shù)字監(jiān)控錄像機，等等，都用到了工控方面的產(chǎn)品。但現(xiàn)在，更時髦的叫法是產(chǎn)業(yè)電腦或工業(yè)電腦。2022年7月17日33工控機可以作為一個工業(yè)控制器在工業(yè)環(huán)境中可靠運行。早在80年代初期，美國AD公司就推

16、出了類似IPC的MAC-150工控機，隨后美國IBM公司正式推出工業(yè)個人計算機IBM7532。由于IPC的性能可靠、軟件豐富、價格低廉，而在工控機中異軍突起，后來居上，應(yīng)用日趨廣泛。目前，IPC已被廣泛應(yīng)用于通訊、工業(yè)控制現(xiàn)場、路橋收費、醫(yī)療、環(huán)保及人們生活的方方面面。 2022年7月17日34IPC的技術(shù)特點1、采用符合“EIA”標準的全鋼化工業(yè)機箱，增強了抗電磁干擾能力。 2、采用總線結(jié)構(gòu)和模塊化設(shè)計技術(shù)。CPU及各功能模塊皆使用插板式結(jié)構(gòu)，并帶有壓桿軟鎖定，提高了抗沖擊、抗振動能力。 3、機箱內(nèi)裝有雙風扇，正壓對流排風，并裝有濾塵網(wǎng)用以防塵。 4、配有高度可靠的工業(yè)電源，并有過壓、過流保

17、護。 5、電源及鍵盤均帶有電子鎖開關(guān)，可防止非法開、關(guān)和非法鍵盤輸入。 6、具有自診斷功能。 7、可視需要選配I/O模板。 8、設(shè)有“看門狗”定時器，在因故障死機時，無需人的干預(yù)而自動復(fù)位。 9、開放性好，兼容性好，吸收了PC機的全部功能，可直接運行PC機的各種應(yīng)用軟件。 10、可配置實時操作系統(tǒng)，便于多任務(wù)的調(diào)度和運行。 11、可采用無源母板（底板），方便系統(tǒng)升級。2022年7月17日35IPC的主要結(jié)構(gòu) 1、全鋼機箱 IPC的全鋼機箱是按標準設(shè)計的，抗沖擊、抗振動、抗電磁干擾，內(nèi)部可安裝同PC-bus兼容的無源底板。 2、無源底板 無源底板的插槽由ISA和PCI總線的多個插槽組成，ISA或

18、PCI插槽的數(shù)量和位置根據(jù)需要有一定選擇，該板為四層結(jié)構(gòu)，中間兩層分別為地層和電源層，這種結(jié)構(gòu)方式可以減弱板上邏輯信號的相互干擾和降低電源阻抗。底板可插接各種板卡，包括CPU卡、顯示卡、控制卡、I/O卡等。 3、工業(yè)電源 為AT開關(guān)電源，平均無故障運行時間達到250，000小時。 4、CPU卡 IPC的CPU卡有多種，根據(jù)尺寸可分為長卡和半長卡，根據(jù)處理器可分為386、486、586、PII、PIII主板，用戶可視自己的需要任意選配。其主要特點是：工作溫度0-600C；裝有“看門狗”計時器；低功耗，最大時為5V/2.5A。 5、其他配件： IPC的其他配件基本上都與PC機兼容，主要有CPU、內(nèi)

19、存、顯卡、硬盤、軟驅(qū)、鍵盤、鼠標、光驅(qū)、顯示器等。2022年7月17日36國內(nèi)生產(chǎn)工控機的廠家有研祥、華北工控、研華、愛雷絲等。國外的工控機西門子的很出名。工控機箱標準長度為19英寸，高度為4U 。注：高度以U為單位（1U=1.75英寸=44.45毫米），通常有1U，2U，3U，4U，5U，7U幾種標準的服務(wù)器 2022年7月17日37很多網(wǎng)絡(luò)化計算機監(jiān)督與控制系統(tǒng)的下位自動化設(shè)備是可編程序邏輯控制器(Programmable Logic Controller，簡稱PLC)； 目前絕大多數(shù)PLC都具有數(shù)據(jù)通信與連網(wǎng)的能力，用PLC構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)化計算機監(jiān)督與控制系統(tǒng)是非常容易的。2022年7月17日

20、38現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)定義現(xiàn)場總線是指安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動控制裝置之間數(shù)字式、串行、多點通信的數(shù)據(jù)總線?，F(xiàn)場總線是以單個分散的數(shù)字化智能化的測量設(shè)備和控制設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點用總線相連接實現(xiàn)相互交換信息共同完成自動控制功能的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。2022年7月17日39現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的產(chǎn)生在復(fù)雜或大規(guī)模的應(yīng)用中需要使用大量的傳感器、執(zhí)行器和控制器等，它們通常分布在非常廣的范圍內(nèi)，如果在底層上采用傳統(tǒng)的星形拓撲結(jié)構(gòu)，那么安裝成本和介質(zhì)造價都將非常高；所以需要在底層設(shè)計一種造價低又能經(jīng)受工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的通信系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線就是在這種背景下產(chǎn)生的。現(xiàn)場總線的出現(xiàn)是計算機、通信和控制技

21、術(shù)發(fā)展的結(jié)晶，它徹底動搖并取代了20世紀60年代至80年代一直占據(jù)過程控制領(lǐng)域的420mA信號標準的地位。2022年7月17日404-20mA信號4-20mA信號是國際通用標準信號，是連接儀表、變送設(shè)備、控制設(shè)備、計算機采樣設(shè)備的一種標準。與此相對應(yīng)的信號有：010mA、05V、010V等。 2022年7月17日41遠距離傳輸模擬信號，使用電壓方式顯然不合理，因為有線路消耗存在壓降，當然可以以高傳輸阻抗減少傳輸電流來降低壓降的影響，但是系統(tǒng)的抗干擾能力大大降低。 雙絞線特性阻抗是50歐姆左右，相隔1CM寬的0.2平方毫米的導(dǎo)線特性阻抗300歐姆左右，所以負載電阻選擇50-300歐姆比較理想，為

22、了AD轉(zhuǎn)換方便，負載電阻上的信號最大量程值一般5-10V比較合適，那么權(quán)衡所有，負載電阻250歐姆，電流20mA，負載壓降5V比較滿意。 2022年7月17日42那么為什么選擇4-20mA而不是0-20mA呢？為了減少接線的復(fù)雜性，傳感器選擇2線要比多線簡單的多，2線既要傳輸信號，又要給傳感器供電，所以設(shè)計者從中借用4mA電流給傳感器放大電路供電，這樣4-20mA的標準就確定了。 2022年7月17日43什么是4-20mA兩線制?三線制？四線制？二線制傳輸方式中，供電電源、負載電阻、變送器是串聯(lián)的，即二根導(dǎo)線同時傳送變送器所需的電源和輸出電流信號；三線制方式中，電源正端和信號輸出的正端，它們共

23、用一個地線，其電流信號是從I+和V-兩端之間得到的。四線制方式中，供電電源、負載電阻是分別與變送器相連的，即供電電源和變送器輸出信號分別用二根導(dǎo)線傳輸。2022年7月17日44什么是有源和無源 有源是指各類變送器或者信號源等設(shè)備已經(jīng)有一組供電回路給它供電。直接輸出一組420mA正負兩線的信號回路,給采集設(shè)備直接測量。無源是指各類變送器或者信號源等設(shè)備沒有供電回路給它供電。必須要有采集設(shè)備供給它工作電源，才可以輸出一組420mA正負兩線的信號回路,給采集設(shè)備直接測量。2022年7月17日45現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的類型我國應(yīng)用比較廣的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)有：以ProfiBus總線技術(shù)和AS-i執(zhí)行器傳感器

24、接口產(chǎn)品組成的控制系統(tǒng)；以ControlNet與DeviceNet產(chǎn)品組成的控制系統(tǒng)。還有CAN、FF、Lonwork、1-Wire(單總線)等其他類型的現(xiàn)場總線產(chǎn)品； 2022年7月17日46現(xiàn)場總線的技術(shù)特點系統(tǒng)的開放性開放系統(tǒng)是指通信協(xié)議公開，各不同廠家的設(shè)備之間可進行互連并實現(xiàn)信息交換，現(xiàn)場總線開發(fā)者就是要致力于建立統(tǒng)一的工廠底層網(wǎng)絡(luò)的開放系統(tǒng)。這里的開放是指對相關(guān)標準的一致、公開性，強調(diào)對標準的共識與遵從。一個開放系統(tǒng)，它可以與任何遵守相同標準的其它設(shè)備或系統(tǒng)相連。一個具有總線功能的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)必須是開放的，開放系統(tǒng)把系統(tǒng)集成的權(quán)利交給了用戶。用戶可按自己的需要和對象把來自不同供

25、應(yīng)商的產(chǎn)品組成大小隨意的系統(tǒng)。 2022年7月17日47互可操作性互用性這里的互可操作性，是指實現(xiàn)互連設(shè)備間、系統(tǒng)間的信息傳送與溝通，可實行點對點，一點對多點的數(shù)字通信。而互用性則意味著不同生產(chǎn)廠家的性能類似的設(shè)備可進行互換而實現(xiàn)互用。 2022年7月17日48現(xiàn)場設(shè)備的智能化與功能自治性它將傳感測量、補償計算、工程量處理與控制等功能分散到現(xiàn)場設(shè)備中完成，僅靠現(xiàn)場設(shè)備即可完成自動控制的基本功能，并可隨時診斷設(shè)備的運行狀態(tài)。 2022年7月17日49系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性由于現(xiàn)場設(shè)備本身已可完成自動控制的基本功能，使得現(xiàn)場總線已構(gòu)成一種新的全分布式控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。從根本上改變了現(xiàn)有DCS集中與

26、分散相結(jié)合的集散控制系統(tǒng)體系，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了可靠性。 2022年7月17日50對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性工作在現(xiàn)場設(shè)備前端，作為工廠網(wǎng)絡(luò)底層的現(xiàn)場總線，是專為在現(xiàn)場環(huán)境工作而設(shè)計的，它可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等，具有較強的抗干擾能力，能采用兩線制實現(xiàn)送電與通信，并可滿足本質(zhì)安全防爆要求等。 2022年7月17日51現(xiàn)場總線的優(yōu)點 節(jié)省硬件數(shù)量與投資：由于現(xiàn)場總線系統(tǒng)中分散在設(shè)備前端的智能設(shè)備能直接執(zhí)行多種傳感、控制、報警和計算功能，因而可減少變送器的數(shù)量，不再需要單獨的控制器、計算單元等，也不再需要DCS系統(tǒng)的信號調(diào)理、轉(zhuǎn)換、隔離技術(shù)等功能單元及其復(fù)雜接線，還可以用工

27、控PC機作為操作站，從而節(jié)省了一大筆硬件投資，由于控制設(shè)備的減少，還可減少控制室的占地面積。 變送器：將物理測量信號或普通電信號轉(zhuǎn)換為標準電信號輸出或能夠以通訊協(xié)議方式輸出的設(shè)備。一般分為：溫度/濕度變送器，壓力變送器，差壓變送器，液位變送器，電流變送器，電量變送器，流量變送器，重量變送器等。2022年7月17日52節(jié)省安裝費用：現(xiàn)場總線系統(tǒng)的接線十分簡單，由于一對雙絞線或一條電纜上通?？蓲旖佣鄠€設(shè)備，因而電纜、端子、槽盒、橋架的用量大大減少，連線設(shè)計與接頭校對的工作量也大大減少。當需要增加現(xiàn)場控制設(shè)備時，無需增設(shè)新的電纜，可就近連接在原有的電纜上，既節(jié)省了投資，也減少了設(shè)計、安裝的工作量。據(jù)

28、有關(guān)典型試驗工程的測算資料，可節(jié)約安裝費用60%以上。 2022年7月17日53節(jié)省維護開銷：由于現(xiàn)場控制設(shè)備具有自診斷與簡單故障處理的能力，并通過數(shù)字通訊將相關(guān)的診斷維護信息送往控制室，用戶可以查詢所有設(shè)備的運行，診斷維護信息，以便早期分析故障原因并快速排除?？s短了維護停工時間，同時由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化，連線簡單而減少了維護工作量。 2022年7月17日54用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動權(quán)：用戶可以自由選擇不同廠商所提供的設(shè)備來集成系統(tǒng)。避免因選擇了某一品牌的產(chǎn)品被“框死”了設(shè)備的選擇范圍，不會為系統(tǒng)集成中不兼容的協(xié)議、接口而一籌莫展，使系統(tǒng)集成過程中的主動權(quán)完全掌握在用戶手中。 2022年7月17

29、日55提高了系統(tǒng)的準確性與可靠性：由于現(xiàn)場總線設(shè)備的智能化、數(shù)字化，與模擬信號相比，它從根本上提高了測量與控制的準確度，減少了傳送誤差。同時，由于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡化，設(shè)備與連線減少，現(xiàn)場儀表內(nèi)部功能加強:減少了信號的往返傳輸，提高了系統(tǒng)的工作可靠性。此外，由于它的設(shè)備標準化和功能模塊化，因而還具有設(shè)計簡單，易于重構(gòu)等優(yōu)點。 2022年7月17日56典型現(xiàn)場總線簡介 基金會現(xiàn)場總線，即FoudationFieldbus,簡稱FF，這是在過程自動化領(lǐng)域得到廣泛支持和具有良好發(fā)展前景的技術(shù)。其前身是以美國Fisher-Rousemount公司為首，聯(lián)合Foxboro、橫河、ABB、西門子等80家公司制訂

30、的ISP協(xié)議和以Honeywell公司為首，聯(lián)合歐洲等地的150家公司制訂的WordFIP協(xié)議。屈于用戶的壓力，這兩大集團于1994年9月合并，成立了現(xiàn)場總線基金會，致力于開發(fā)出國際上統(tǒng)一的現(xiàn)場總線協(xié)議。它以ISO/OSI開放系統(tǒng)互連模型為基礎(chǔ)，取其物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層為FF通信模型的相應(yīng)層次，并在應(yīng)用層上增加了用戶層。 2022年7月17日57基金會現(xiàn)場總線分低速H1和高速H2兩種通信速率。H1的傳輸速率為 3125Kbps,通信距離可達 1900m (可加中繼器延長),可支持總線供電，支持本質(zhì)安全防爆環(huán)境。H2的傳輸速率為 1Mbps和 2 5Mbps兩種，其通信距離為750m和50

31、0m。物理傳輸介質(zhì)可支持雙絞線、光纜和無線發(fā)射，協(xié)議符合IEC1158-2標準。其物理媒介的傳輸信號采用曼徹斯特編碼，每位發(fā)送數(shù)據(jù)的中心位置或是正跳變，或是負跳變。2022年7月17日58LonWorks LonWorks是又一具有強勁實力的現(xiàn)場總線技術(shù)，它是由美國Ecelon公司推出并由它們與摩托羅拉、東芝公司共同倡導(dǎo)，于1990年正式公布而形成的。它采用了ISO/OSI模型的全部七層通訊協(xié)議，采用了面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法，通過網(wǎng)絡(luò)變量把網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計簡化為參數(shù)設(shè)置，其通訊速率從300bps至15Mbps不等，直接通信距離可達到2700m(78kbps，雙絞線),支持雙絞線、同軸電纜、光纖、射頻、

32、紅外線、電源線等多種通信介質(zhì)，并開發(fā)相應(yīng)的本安防爆產(chǎn)品，被譽為通用控制網(wǎng)絡(luò)。 2022年7月17日59Profibus Profibus是作為德國國家標準DIN 19245和歐洲標準prEN 50170的現(xiàn)場總線。ISO/OSI模型也是它的參考模型。由Profibus -Dp、Profibus -FMS、Profibus-PA組成了Profibus系列。DP型用于分散外設(shè)間的高速傳輸，適合于加工自動化領(lǐng)域的應(yīng)用。FMS意為現(xiàn)場信息規(guī)范，適用于紡織、樓宇自動化、可編程控制器、低壓開關(guān)等一般自動化，而PA型則是用于過程自動化的總線類型，它遵從IEC1158-2標準。該項技術(shù)是由西門子公司為主的十幾

33、家德國公司、研究所共同推出的。它采用了OSI模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層，由這兩部分形成了其標準第一部分的子集，DP型隱去了37層，而增加了直接數(shù)據(jù)連接擬合作為用戶接口，F(xiàn)MS型只隱去第36層，采用了應(yīng)用層，作為標準的第二部分。PA型的標準目前還處于制定過程之中，其傳輸技術(shù)遵從IEC1158-2 (1 )標準，可實現(xiàn)總線供電與本質(zhì)安全防爆。 2022年7月17日60Porfibus支持主從系統(tǒng)、純主站系統(tǒng)、多主多從混合系統(tǒng)等幾種傳輸方式。主站具有對總線的控制權(quán)，可主動發(fā)送信息。對多主站系統(tǒng)來說，主站之間采用令牌方式傳遞信息，得到令牌的站點可在一個事先規(guī)定的時間內(nèi)擁有總線控制權(quán)，共事先規(guī)定好令牌在各

34、主站中循環(huán)一周的最長時間。按Profibus的通信規(guī)范，令牌在主站之間按地址編號順序，沿上行方向進行傳遞。主站在得到控制權(quán)時，可以按主從方式，向從站發(fā)送或索取信息，實現(xiàn)點對點通信。主站可采取對所有站點廣播 (不要求應(yīng)答 ),或有選擇地向一組站點廣播。 Profibus的傳輸速率為9612kbps最大傳輸距離在12kbps時為1000m，15Mbps時為400m，可用中繼器延長至10km。其傳輸介質(zhì)可以是雙絞線，也可以是光纜，最多可掛接 127個站點。2022年7月17日61CAN CAN是控制網(wǎng)絡(luò)ControlAreaNetwork的簡稱，最早由德國BOSCH公司推出，用于汽車內(nèi)部測量與執(zhí)行部

35、件之間的數(shù)據(jù)通信。其總線規(guī)范現(xiàn)已被ISO國際標準組織制訂為國際標準，得到了Motorola、Intel、Philips、Siemens、NEC等公司的支持，已廣泛應(yīng)用在離散控制領(lǐng)域。 CAN協(xié)議也是建立在國際標準組織的開放系統(tǒng)互連模型基礎(chǔ)上的，不過，其模型結(jié)構(gòu)只有3層，只取OSI底層的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和頂層的應(yīng)用層。其信號傳輸介質(zhì)為雙絞線，通信速率最高可達 1Mbps/40m，直接傳輸距離最遠可達 1 0km/kbps,可掛接設(shè)備最多可達 110個。 CAN的信號傳輸采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個，因而傳輸時間短，受干擾的概率低。當節(jié)點嚴重錯誤時，具有自動關(guān)閉的功能以切斷該節(jié)點與總線的聯(lián)系，使總線上的其它節(jié)點及其通信不受影響，具有較強的抗干擾能力。2022年7月17日621.通信網(wǎng)絡(luò) (1)如何確保通信的實時性與確定性網(wǎng)絡(luò)化的監(jiān)督與控制系統(tǒng)應(yīng)能及時地，在規(guī)定的時間內(nèi)傳輸現(xiàn)場過程信息和操作管理信息。根據(jù)不同的應(yīng)用要求響應(yīng)時間也不同，工業(yè)控制中的響應(yīng)時間通常在毫秒量級。1.3 網(wǎng)絡(luò)化的計算機監(jiān)督與控制系統(tǒng)的主要技術(shù)問題2022年7月17日63(2)如何確保系統(tǒng)具有高可靠性通信系統(tǒng)的任何故障都可能造