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| 第1章 现场总线技术概述 |
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第1章现场总线技术概述1.1工业自动化技术及控制系统的发展历程1.2DCS、PLC和FCS三大控制系统的基本要点和区别1.3现场总线
基本概念1.4现场总线国际标准及其制定过程1.5现场总线的现状、研究开发热点和发展趋势1.6工业网络的定义、结构和应用1.1
工业自动化技术及控制系统的发展历程1.1.1工业类型的划分表1-1三种不同的工业类型及行业分布1.1工业自动化技术及控制系
统的发展历程1.1.2工业自动化技术及控制系统发展历程概述表1-2工业(流程工业)自动化技术的发展历程总览1.传统标准信号时代
2.数字控制系统1.1工业自动化技术及控制系统的发展历程3.集散控制系统图1-1制酸DCS的硬件系统配置图1.1工业自动化技
术及控制系统的发展历程4.PLC控制系统图1-2电热锅炉PLC控制系统硬件组成1.1工业自动化技术及控制系统的发展历程1)电
热管根据目标温度循环投入和退出，先投入先退出；2)低水位保护、断相保护、超电压保护；3)对出水温度、回水温度和炉壁温度进行监控，实
现多重保护；4)运行时间控制功能；5)多种运行方式选择功能，有常规模式、经济模式和半经济模式等4种运行方式；6)多参数设定和显示功
能；7)循环泵控制功能，要求两台循环泵交替运行；8)联网功能，系统留有和上位机的标准通信接口。1.1工业自动化技术及控制系统的发
展历程5.IPC和SCADA图1-3IPC控制系统硬件组成图1.1工业自动化技术及控制系统的发展历程6.现场总线(含实时以太
网)系统图1-?4典型FCS系统结构图1.1工业自动化技术及控制系统的发展历程1.1.3OPC和IEC61131-31.O
PC2.IEC61131-31.2DCS、PLC和FCS三大控制系统的基本要点和区别1.2.1三大控制系统的基本要点1.D
CS1)从上到下的树状大型系统，其中通信是关键；2)PID在控制站中，控制站连接计算机与现场仪表、控制装置等设备；3)整个系统为树
状拓扑和并行连线的链路结构，从控制站到现场设备之间有大量的信号电缆；4)信号系统为模拟量信号，A/D、D/A及带微处理器的智能仪表
系统的混合；5)设备信号到I/O板一对一物理连接，然后由控制站挂接到局域网(LAN)；6)可以做成很完善的冗余系统；1.2DCS
、PLC和FCS三大控制系统的基本要点和区别7)DCS是控制(工程师站)、操作(操作员站)、现场仪表(现场测控站)的3级结构。2.
PLC控制系统1)从上到下的结构，PLC控制系统既可以作为独立的DCS，也可以作为DCS的子系统；2)PID放在控制站中，可实现
连续多路PID控制等多种功能；3)可用一台PLC为主站，多台同类型PLC为从站；也可用多台PLC为主站，多台同类型PLC为从站，构
成大型PLC控制网络。3.FCS1)它可以在本质安全、危险区域、易变过程等过程控制系统中使用，也可以用于机械制造业和楼宇控制系统
中，应用范围非常广泛；1.2DCS、PLC和FCS三大控制系统的基本要点和区别2)现场设备高度智能化，提供全数字信号；3)使用一
条总线连接所有的设备；4)系统通信是互联的、双向的、开放的，系统是多变量、多节点、串行的数字系统；5)控制功能彻底分散。1.2.2
FCS与DCS的区别1)FCS是全开放的系统，其技术标准也是全开放的，FCS的现场设备具有互操作性，装置互相兼容，因此用户可以选
择不同厂商、不同品牌的产品，达到最佳的系统集成。2)FCS的信号传输实现了全数字化，其通信可以从最底层的传感器和执行器直到最高层，
为企业的MES和ERP提供强有力的支持，更重要的是它还可以对现场装置进行远程诊断、维护和组态。1.2DCS、PLC和FCS三大控
制系统的基本要点和区别3)FCS的结构为全分散式，它废弃了DCS中的I/O单元和控制站，把控制功能下放到现场设备，实现了彻底的分散
，系统扩展也变得十分容易。4)FCS的全数字化，控制系统精度高，可以达到±0.1%。5)FCS可以将PID闭环功能放到现场的变送器
或执行器中，加上数字通信，所以缩短了采样和控制周期，目前可以从DCS的每秒2~5次，提高到每秒10~20次，从而改善了调节性能。6
)由于FCS省去了大量的硬件设备、电缆和电缆安装辅助设备，节约了大量的安装和调试费用，所以它的造价要远低于DCS。1.2.3PL
C、DCS和FCS之间的融合1.3现场总线基本概念1.3.1现场总线的产生背景1.3.2现场总线的定义1.3.3现场总线的
特点1.现场总线的结构特点(1)基础性(2)灵活性图1-5现场总线控制系统与传统控制系统结构的比较(3)分散性2.现场总线的技术
特点1.3现场总线基本概念(1)开放性(2)交互性(3)自治性(4)适应性1.3.4现场总线的优点1.极大提高了生产过程的信息
化水平2.节约硬件数量与投资3.节省安装费用图1-??6现场总线控制系统节省硬件及电缆的示意图1.3现场总线基本概念4.节省维
护费用5.提高了系统的控制精度和可靠性6.提高了用户的自主选择权1.4现场总线国际标准及其制定过程1.4.1前3版标准1)Ty
pe2)Type3)Type4)Type5)Type6)Type7)Type8)Type8Interbus(德国Phoeni
xContact公司支持)。1.4.2第4版标准1.4现场总线国际标准及其制定过程表1-3IEC61158第4版1.4现
场总线国际标准及其制定过程表1-?4IEC61158第4版现场总线类型1.4现场总线国际标准及其制定过程1.4.3配套标准I
EC617841)IEC2)IEC3)IEC4)IEC5)IEC61784-5工业控制系统中通信网络安装行规。表1-5IEC6
1784-1现场总线的CPF1.4现场总线国际标准及其制定过程表1-??6IEC61784-2实时以太网的CPF1.4.4I
EC620261.5现场总线的现状、研究开发热点和发展趋势1.技术飞速发展，应用日益普及2.多种总线技术共存，由相互竞争逐步走
向合作3.加大研究和开发力度，保持技术和市场优势4.实时工业以太网的开发及应用5.现场总线安全技术的研究和开发6.对FCS中本质安
全技术的研究7.通用的设备管理工具的研究和开发8.总线转换接口的开发9.更多的组态和分析诊断软件的开发和使用10.工业无线网络的研
发和应用1.6工业网络的定义、结构和应用1.6.1工业网络的定义1.6.2现场总线在工业网络中的位置和作用1.工业网络的结构
图1-7工业网络系统的层次结构及现场总线的位置1.6工业网络的定义、结构和应用图1-??8企业信息流图2.现场总线在工业网络
中的位置和作用1.6工业网络的定义、结构和应用1)接近开关、光电开关等各类位置传感器；2)条形码阅读器等输入设备；3)温度、流量
、压力、物位等检测传感器、变送器；4)PLC；5)电机控制设备；6)变频器；7)控制、调节阀；8)工作站、HMI(人机界面)等；9
)机器人；10)网桥、网关等网络连接设备。1.6工业网络的定义、结构和应用1)进行过程数据采集即对被控设备中的每个过程量和状态
信息进行实时采集，获得所有设备监测、过程控制、状态检测的现场信息。2)进行直接的数字控制根据控制模式、控制算法实施联锁控制、顺序
控制和批量控制。3)进行设备和系统的监测和诊断根据过程变量和状态信息，分析并确定是否对被控装置实施调节，同时判断计算机和控制板卡
的状态和性能，在必要时实施报警和错误诊断及处理。4)实施安全性和冗余方面的措施一旦发现计算机硬件系统或控制板卡有故障，可及时在热
备份下切换到备用件，以确保整个系统安全可靠地运行。1.6.3工业控制网络的简单分类1.6工业网络的定义、结构和应用1)传统的控
制网络如分布式控制系统(DCS)和基于PLC的控制系统。2)基于现场总线技术主要指基于IEC61158第2版和IEC620
26等标准中的PROFIBUSDP/PA、FF、CC-Link、CAN、ControlNET、AS-i、DeviceNET、In
terbus等。3)基于实时工业以太网技术如PROFINET、EtherCAT、Ethernet/IP、HSE等。4)基于工业无
线网络技术如WSANs、IEEE802.11(a/b/g)RFieldbus等。本章小结习题和思考题1.工业企业的类型是
如何划分的？1.6工业网络的定义、结构和应用2.DCS、PLC、IPC和FCS等控制系统的特点是什么？3.从现场总线的产生过程，深入体会现场总线技术的实质内涵。4.现场总线的定义是什么？5.简述现场总线的结构特点和技术特点。6.现场总线技术的使用带来了哪些好处？7.试说出几种常用的现场总线。8.什么是工业网络？工业网络是由哪些主要部分组成的？9.现场总线在工业网络中处于什么位置？它的主要作用是什么？ |
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