毕业设计(论文)现场总线技术及其应用研究.doc
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1、目录1现场总线技术概述61.1现场总线的定义:61.2 现场总线技术产生的意义61.3 现场总线技术的发展现状与展望61.3.1 现场总线技术的发展现状61.3.2 现场总线技术的应用展望82现场总线的种类92.1基金会现场总线92.2 LonWorks92.3 Profibus102.4 CAN112.5 HART112.6 RS-485123各种现场总线的特点和应用领域133.1 PROFIBUS现场总线134.现场总线控制系统的发展154.1现场总线控制系统体系结构154.2自动控制领域的发展过程154.2.1第一代过程控制体系154.2.2第二代过程控制体系154.2.3第三代过程控制
2、体系154.2.4第四代过程控制体系164.2.5第五代过程控制体系164.3现场总线协议控制器164.4智能化配电系统164.5现场总线崛起的过程174.6现场总线的技术基础174.7多现场总线技术174.8 现场总线的技术特点194.8.1 系统的开放性194.8.2 互可操作性与互用性194.8.3 现场设备的智能化与功能自治性194.8.4 系统结构的高度分散性194.8.5 对现场环境的适应性194.9现场总线控制系统与其他控制系统的比较204.9.1 模拟仪表控制系统204.9.2 集中式数字控制系统214.9.3 集散控制系统(DCS)214.9.4 现场总线控制系统(FCS)2
3、15现场总线技术的优势225.1现场总线的优点225.1.1节省硬件数量与投资225.1.2节省安装费用225.1.3节省维护开销225.1.4用户具有高度的系统集成主动权225.1.5提高了系统的准确性与可靠性235.2现场总线系统与传统的DCS相比,具有以下技术特点和优势。245.2.1 全数字通信245.2.2 控制分散245.2.3 开放性、互操作性245.2.4 多分支结构255.2.5 现场设备状态可控255.2.6 降低了系统及工程成本255.3基于现场总线的自动化监控及信息集成系统主要优点255.3.1增强了现场级信息集成能力255.3.2开放式、互操作性、互换性、可集成性25
4、5.3.3系统可靠性高、可维护性好265.3.4降低了系统及工程成本266现场总线的发展趋势276.1现场总线的发展不会被计算机通信技术取代276.1.1现场总线与一般计算机通信在功能上的不同276.1.2现场总线与一般计算机通信在要求上的不同276.1.3现场总线与一般计算机通信在结构上的不同286.2国内现场总线的发展趋势297工业以太网317.1前言317.2工业以太网的研究现状317.2.1以太网集线器317.2.2在以太网的协议中加入实时功能327.2.3工业以太网的研究课题327.3工业以太网的应用实例327.4现场总线与工业以太网的区别338结束语33现场总线技术及其应用研究中文
5、摘要:现场总线技术自70年代诞生至今,由于它在多方面的优越性,得到大范围的推广,导致了自动控制领域的一场革命。本文从多个方面介绍了现场总线技术的种类、现状、应用领域及前景。现场总线FF(Field Bus)的概念起源于70年代,当时主要考虑将操作室的现场信号和到控制仪器的控制信号由一组总线以数字信号形式传送,不必每个信号都用一组信号线。随着仪表智能化和通讯数字化技术的发展,数字通信网络延伸到工业过程现场成为可能,由全数字现场控制系统代替数字与模拟分散型控制系统已成为工业化控制系统发展的必然趋势。 现场总线已经发展成为集计算机网络、通信技术、现场控制、生产管理等内容为一体的现场总线控制系统FCS
6、(Field-bus Control System)。它将通信线一直延伸到生产现场生产设备,用于过程和制造自动化的现场设备或现场仪表互连的现场通信网络,将传统的DCS三层网络结构变成两层网络结构,降低了成本,提高了可靠性,实现了控制管理一体化的结构体系。English summary :Fieldbus technology since the 70 birth date, because of its superiority in many ways to get a wide range of promotion, led to a revolution in the field of a
7、utomatic control. This article describes several aspects of the types of field bus technology, status, applications and prospects.Fieldbus FF (Field Bus) concept originated in the 70s, the main consideration was the operating room on-site signals and control signals to control the instrument by a te
8、am bus to the digital signal is transmitted, each signal having a set of signal lines are used . Intelligent instrumentation and communication with the digital technology, digital communication network extends to the field of industrial process possible, by the all-digital on-site instead of digital
9、 and analog control system Distributed control system industrial control systems have become an inevitable trend.Fieldbus has developed into computer networks, communication technology, field control, production management, etc. as one of the field bus control system FCS (Field-bus Control System).
10、Communication line will extend to the production site has been producing equipment for process and manufacturing automation equipment or field instrument field-site communication network interconnection, the traditional DCS network structure into a two-tier network architecture, reduce costs, Improv
11、e the reliability, control and management to achieve the integration of architecture.关键词:现场总线技术、自动控制、发展趋势致谢: 本课题在选题及研究过程中得到刘萍老师的悉心指导,刘老师多次询问研究进程,并为我指点迷津,帮助我开拓思路,精心点拨热忱鼓励。刘老师一丝不苟的作风严谨求实的态度踏踏实实的精神不仅授我以文,而且教我做人,对刘老师的感激之情是无法用言语表达的!感谢萧申昕老师、杨彦老师、李林老师等对我的教育培养,他们细心指导我的学习,在此,我要向诸位老师深深地鞠上一躬!许多同学及朋友为我提供了良好的研究条
12、件和精确资料,谨向各位同仁表示诚挚的敬意和谢忱!感谢我的父母,焉得湲草,言树之背,养育之恩,无以回报,你们永远健康快乐是我最大的心愿!在论文即将完成之际,我的心情无法平静。从开始进入课题到论文的顺利完成,有多少可敬的师长、同学、朋友、给了我无言的帮助,在这里请接受我诚挚的谢意!前 言现场总线(Fieldbus)是80年代末、90年代初国际上发展形成的,用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。它作为工厂数字通信网络的基础,沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。它不仅是一个基层网络,而且还是一种开放式、新型全分布控制系统。这项以智能传感、
13、控制、计算机、数字通讯等技术为主要内容的综合技术,已经受到世界范围的关注,成为自动化技术发展的热点,并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革。现场总线控制系统(FCS)是顺应智能现场仪表而发展起来的。它的初衷是用数字通讯代替420mA模拟传输技术,但随着现场总线技术与智能仪表管控一体化(仪表调校、控制组态、诊断、报警、记录)的发展,在控制领域内引起了一场前所未有的革命。控制专家们纷纷预言:FCS将成为21世纪控制系统的主流。1现场总线技术概述1.1现场总线的定义:目前,公认的现场总线技术概念描述如下:现场总线是安装在生产过程区域的现场设备/仪表与控制室内的自动控制装置/系统之间的一种串行、数字式
14、、多点通信的数据总线。其中,生产过程包括断续生产过程和连续生产过程两类。或者,现场总线是以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点,用总线相连接,实现相互交换信息,共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统。1.2 现场总线技术产生的意义(1)现场总线(Fieldbus)技术是实现现场级控制设备数字化通信的一种工业现场层网络通信技术;是一次工业现场级设备通信的数字化革命。现场总线技术可使用一条通信电缆将现场设备(智能化、带有通信接口)连接,用数字化通信代替4-20mA/24VDC信号,完成现场设备控制、监测、远程参数化等功能。(2)传统的现场级自动化监控系统采用一对一连线的、4-2
15、0mA/24VDC信号,信息量有限,难以实现设备之间及系统与外界之间的信息交换,使自控系统成为工厂中的信息孤岛,严重制约了企业信息集成及企业综合自动化的实现。(3)基于现场总线的自动化监控系统采用计算机数字化通信技术,使自控系统与设备加入工厂信息网络, 构成企业信息网络底层,使企业信息沟通的覆盖范围一直延伸到生产现场。在CIMS系统中,现场总线是工厂计算机网络到现场级设备的延伸,是支撑现场级与车间级信息集成的技术基础。 1.3 现场总线技术的发展现状与展望1.3.1 现场总线技术的发展现状从20世纪90年代以后,现场总线技术得到了迅猛发展,出现了群雄并起、百家争鸣的局面。目前已开发出有40多种
16、现场总线,如Interbus、Bitbus、DeviceNet、MODbus、Arcnet、P-Net、FIP、ISP等,其中最具有影响力的有5种,分别是FF、Lon Works、Profibus、CAN和HART。FCS(Filedbus control system)则是基于现场总线的自动控制系统,即以现场总线作为工厂底层网络,通过网络集成而构成的自动控制系统网络,按照公开、规范的通讯协议在智能设备之间、智能设备与远程计算机之间实现数据传输和信息交换,从而实现控制与管理一体化的综合自动控制系统。纵观控制系统的发展过程,任何一种新的控制系统的出现都是针对旧的控制系统存在的缺陷而给出的解决方案
17、,并在用户需求和市场竞争等外部因素的推动下占据主导地位,现场总线和现场总线控制系统的产生和发展也经历了同样的过程。 早期的控制系统主要是模拟仪表控制系统,设备之间传输的信号为15V或420mA的直流模拟信号,信号的精度较低,传输过程中易受干扰。随着电子技术和计算机技术的发展,以单片机、计算机和可编程序控制器(PLC)为控制器的集中数字控制系统逐步取代了模拟仪表控制系统,集中数字控制系统中控制器内部传输的是数字信号,克服了模拟仪表控制系统中模拟信号精度较低的缺点,提高了系统的抗干扰能力。但是集中数字控制系统对控制器的要求很高,必须具有足够的处理能力和很高的可靠性,当系统任务增加时控制器的效率和可
18、靠性会下降。以集中管理、分散控制为核心思想的集散控制系统(DCS)在20世纪末期逐步占据了主导地位。在集散控制系统中管理与控制相分离,上位机用于集中监视管理功能,多台下位机下放分散到现场实现分布式控制功能,上下位机之间以控制网络互联以实现相互之间的信息传递,克服了集中数字控制系统对控制器的的处理能力和可靠性要求很高的缺点。在集散控制系统中分布式控制功能的实现正是得益于网络技术的发展和应用,然而,由于不同的DCS厂家出于垄断经营的目的而对其控制通讯网络采用专用的封闭形式,不同厂家的DCS 系统之间以及DCS与上层的Intranet、Internet之间难以实现网络互联和信息共享,因此DCS 系统
19、实质上是一种专用封闭的、不能互联的分布式控制系统,且DCS价格昂贵,用户对此提出了开放性和降低成本的迫切要求。现场总线控制系统FCS正是顺应了上述的用户要求,采用了现场总线这一开放的、可互连的网络技术将现场的各种控制器和仪表设备相互连接,把控制功能彻底下放到现场,降低了安装成本和维护费用。因此FCS系统实质上是一种开放的、可以互连的、彻底分散的分布式控制系统。1984年,美国仪表协会(ISA)下属的标准与实施工作组中的ISA/SP50开始制定现场总线标准;1985年,国际电工委员会决定由Proway Working Group负责现场总线体系结构与标准的研究制定工作;1986年,德国开始制定过
20、程现场总线(Process Fieldbus)标准,简称为PROFIBUS,由此拉开了现场总线标准制定及其产品开发的序幕。1992年,由Siemens,Rocemount,ABB,Foxboro,Yokogawa等80家公司联合,成立了ISP(Interoperable System Protocol)组织,着手在PROFIBUS的基础上制定现场总线标准。1993年,以Honeywell,Bailey等公司为首,成立了World FIP(Factory Instrumentation Protocol)组织,有120多个公司加盟该组织,并以法国标准FIP为基础制定现场总线标准。1994年,IS
21、P和World FIP的北美分部合并成立了现场总线基金会(Fieldbus Foundation简称FF),推动了现场总线标准的制定和产品开发,并于1996年第一季度颁布了低速总线H1的标准,安装了示范系统,将不同厂商的符合FF规范的设备互连构成控制系统和通讯网络,使H1低速总线开始步入实用阶段。与此同时,在不同行业还陆续派生出一些有影响的总线标准。它们大都在某些公司标准的基础上逐渐形成,并得到其他公司、厂商、用户及国际组织的支持。如德国Bosch公司推出的CAN(Control Area Network),美国Echelon公司推出的LonWorks等。预计在今后的一段时期内,会出现几种现场
22、总线标准共存、同一生产现场有几种异构网络互连通讯的局面。但是发展共同遵从的统一的标准规范,真正形成开放的互连系统,将是现场总线技术的发展趋势。 现场总线技术是工业控制领域出一种新兴的控制技术,它是计算机技术,通信技术,集成电路技术及智能传感技术几种技术的结合,是当今自动控制技术发展的热点,代表了工业控制 领域今后的一种发展方向。它的出现,将使传统的控制系统无论在结构上还是在性能上出现巨大的飞跃,可以说现场总线是控制领域的一场革命,它代表了一种有突破意义的新的控制思想,它将开辟一个新的时代。现场总线出现于80年代中后期,从本质上来说,它是一种数字通信协议,是一种应用于生产现场、在智能化控制设备之
23、间实行双向串行通信、多节点的数字通信的系统,是一种开放的、数字化的、多点通信的低层控制网络。它使得自控系统和设备有了通信能力。现场总线控制系统FCS(Fieldbus Control System)是继基地式气动仪表控制系统,电动单元组合式模拟仪表控制系统,集中实式数字控制系统集散式控制系统DCS后的新一代控制系统。现代工业控制思想的核心是“分散控制,集中监控”使得“危险分散,控制分散”,但即使是现在流行的DCS 控制,其与工业过程打交道的过程控制站仍然还是集中的,现场信号的检测、传输和控制还是采用的420mA的模拟信号,这正是对分散控制,集中监控思想的违背。而FCS 控制系统真正做到了这一点
24、,把控制彻底地下放到现场,现场的智能仪表就能完成诸如数据采集,数据处理,控制运算和数据输出大部分现场功能,只有一些现场仪表无法完成的高级控制功能才由上位机来完成。而且现场节点之间可以相互通信实现互操作,现场节点也可以把自己的诊断数据传送给上位机,有益于设备管理。1.3.2 现场总线技术的应用展望 现场总线技术的产生促进了现场设备的数字化和网络化,使现场控制的功能更加强大。由于采用了现场总线技术而带来了过程控制系统的开放性,使得系统成为具有测量、控制、执行和过程诊断等综合能力的控制网络。为更好适应工业过程控制的需要,今后现场总线技术会从以下几个方面发展:(1)基于现场总线的一次仪表和二次仪表的研
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