现场总线系统设计规划与应用
现场总线介绍
Lonworks技术采用的LonTalk 协议被封 装在被称为Neuron Chip 的神经元芯片内得 以实现，该项技术已广泛应用楼宇自动化、 家庭自动化、保安系统、办公设备、运输设 备、工业过程控制等领域。
（2）现场总线的产生
现场总线是综合自动化的发展需要.. T(time to market); Q(quality) ; C(cost); S(service) ;
要实现整个生产过程的信息集成，实施综 合自动化，就必须设计出一种能在工业现场环 境运行的、性能可靠、造价低廉的通信系统。 以实现现场自动化智能设备之间的多点数 字通信，形成工厂底层网络系统，实现底层现 场设备之间以及生产现场与外界的信息交换。 于是，现场总线应运而生。
现场总线介绍
华东理工大学自动化系 王学武
主要内容
概念 产生 现场总线的含义 特点和优点 几种总线简介 现场总线的产生历程 现场总线市场分析 现场总线产业发展现状 现场总线技术的发展趋势 国内现场总线发展概况
（1）概念
什么是现场总线？ 应用在生产现场、在测量控制设备之间实现双 向串行多节点数字通信的开放型控制网络技术。
ARC高级过程自动化分析师Paula Hollywood（研究报告主要作者）说，“最初， 现场总线的主要优点被描述为降低布线、设备 安装和调试成本……，而最终用户在项目运行 成本（OpEx）上实际享受到的好处则更多，因 为双向数字通信使通信质量改进以及所链接智 能设备能够实现远程诊断使生产过程效率提高。 ARC开展的2006年现场总线最终用户问卷 调查也表明，设备维护技术人员和生产现场操 作人员效率的提高，是迄今为止现场总线能带 来的最大好处。”
市场研究最后得出结论，现场总线最重要 的优点在维护和运行中体现出来。该技术本身 并不能降低成本；但根据ARC的解释，它充当 了“一个能明显降低运行成本且有助于实现运 行卓越，使设备管理效率达到新的水平的使能 技术。”
第8章现场总线综合应用举例
使用现场总线技术要考虑的几个问题
组成和设计FCS的方法
系统控制点数的确定 主站选择
➢ 主站模板 ➢ 大中型PLC ➢ PAC 从站选择 ➢ 从站数量的选择 ➢ 类型选择 ➢ 老系统改造中旧设备的继续使用
Your Success is Our Goal
8.1 8.1.1 8.1.2 8.1.3
Your Success is Our Goal
8.1 8.1.1 8.1.2 8.1.3
8.18.41.4 8.2
8.2.1 8.2.2 8.2.3 8.3 8.3.1 8.3.2
使用现场总线技术要考虑的几个问题
组成和设计FCS的方法
控制系统设计 ➢ 硬件系统设计
✓ 硬件配置 ✓ 电气柜装配 ✓ 现场设计
现场总线技术应用综合举例
XU QIYI
QFNU-ZDH
8.1 8.1.1 8.1.2 8.1.3 8.1.4
8.2 8.2.1 8.2.2 8.2.3
8.3 8.3.1 8.3.2
本章内容
使用现场总线技术要考虑的几个问题 常用产品介绍 综合举例
Your Success is Our Goal
8.83.3 8.3.1 8.3.2
现场总线技术应用综合举例 烟厂大型制丝险种使用现场总线技术的例子 具体DP网络
Your Success is Our Goal
8.1 8.1.1 8.1.2 8.1.3 8.1.4
8.2 8.2.1 8.2.2 8.2.3
8.3 8.38.13.1 8.3.2
PROFIBUS和AS-i常用产品介绍
DP常用产品
Siemens公司 ➢ 主站 ➢ 从站
BECKHOFF公司 ➢ 主站 ➢ 从站
现场总线概述
现场总线概述一、现场总线简介随着操纵、运算机、通信、网络等技术的进展，信息互换沟通的领域正在迅速覆盖从工厂的现场设备层到操纵、治理的各个层次、覆盖从工段、车间、工厂、企业乃至世界各地的市场。
信息技术的飞速进展，引发了自动化系统结构的变革，慢慢形成以网络集成自动化系统为基础的企业信息系统。
现场总线确实是顺应这一形势进展起来的新技术。
现场总线是现今自动化领域技术进展的热点之一，被誉为自动化领域的运算机局域网。
它的显现，标志着工业操纵领域又一个新时期的开始，并将对该领域的进展产生重要阻碍。
现场总线是应用在生产现场、在微型运算机化测量操纵设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层操纵网络。
它在制造业、流程工业、交通、楼宇等方面的自动化系统中具有普遍的应用背景。
现场总线技术将专用于微处置器置入传统的测量操纵仪表，使它们各自具有数字计算和通信能力，采纳可进行简单连接的双绞线等作为总线，把多个测量操纵仪表连接成的网络系统，并按公布、标准的通信协议，在位于现场的多个微型运算机化测量操纵设备之间和现场仪表与远程监控运算机之间，实现数据传输与信息互换，形成各类适应实际需要的自动操纵系统。
简而言之，它把单个分散的测量操纵设备变成网络节点，以现场总线为纽带，连接成能够彼此沟通信息、一起完成自控任务的网络系统与操纵系统。
它给自动化领域带来的转变正如众多分散的运算机被网络连接在一路，使运算机的功能、加入到信息网络的行列。
因此把现场总线技术说成是一个操纵技术新时期的开端并只是分。
利用现场总线技术给用户带来的益处：1节省硬件本钱2设计组态安装调试简便3系统的平安靠得住性好4减少故障停机时刻5用户对系统配置设备选型有最大的自主权6系统保护设备改换和系统扩充方便7完善了企业信息系统为实现企业综合自动化提供了基础二、现场总线的种类在过去的10年内，显现了许多的总线产品，较流行的有：德国Bosch公司设计的CAN 网络（Controller Area Network）,美国Echelon公司设计的LonWorks网络（Local Operation Network），按德国标准生产的Profibus(Profess FieldBus)总线，Rosemount公司设计的Hart （Highway Addressable Remote Transducer）总线，罗克韦尔自动化公司的DeviceNet 和ControlNet等。
plc现场总线课程设计
plc现场总线课程设计一、教学目标本课程的教学目标旨在让学生掌握PLC现场总线的基本原理、结构组成、工作方式及其在工业自动化中的应用。
通过本课程的学习，学生应能理解并应用PLC 现场总线的各项技术，具备分析和解决实际问题的能力。
1.掌握PLC现场总线的定义、分类及特点。
2.理解PLC现场总线的结构组成和工作原理。
3.熟悉PLC现场总线在工业自动化中的应用场景。
4.了解PLC现场总线的发展趋势。
5.能够分析PLC现场总线系统的组成和功能。
6.能够根据实际需求设计PLC现场总线系统。
7.能够对PLC现场总线系统进行调试和维护。
情感态度价值观目标：1.培养学生对新技术的敏感度和好奇心。
2.使学生认识到PLC现场总线在工业自动化中的重要性。
3.培养学生热爱科学、勇于创新的精神。
二、教学内容本课程的教学内容主要包括PLC现场总线的原理、结构、应用和技术发展等方面。
具体教学大纲如下：1.PLC现场总线概述–PLC现场总线的定义–PLC现场总线的分类及特点–PLC现场总线的发展历程2.PLC现场总线的结构与原理–PLC现场总线的结构组成–PLC现场总线的工作原理–PLC现场总线的信息传递与通信协议3.PLC现场总线在工业自动化中的应用–PLC现场总线在工业自动化中的重要性–PLC现场总线在各领域的应用案例4.PLC现场总线技术的发展趋势–国内外PLC现场总线技术的研究动态–新型PLC现场总线技术的探讨5.实践操作与案例分析–PLC现场总线系统的调试与维护–PLC现场总线应用案例的分析与讨论三、教学方法为了提高教学效果，本课程将采用多种教学方法相结合的方式，包括：1.讲授法：通过讲解PLC现场总线的原理、结构和应用，使学生掌握基本知识。
2.案例分析法：分析实际案例，让学生更好地理解PLC现场总线在工业自动化中的应用。
3.实验法：学生进行PLC现场总线系统的调试和维护，提高学生的实践能力。
4.讨论法：鼓励学生积极参与课堂讨论，培养学生的思考能力和团队协作精神。
现场总线网络课程设计
现场总线网络课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生掌握现场总线网络的基本概念、原理及分类；2. 了解现场总线网络在工业控制系统中的应用；3. 掌握现场总线网络的关键技术及其优缺点。
技能目标：1. 学会使用现场总线网络进行数据通信与设备控制；2. 能够分析现场总线网络在实际应用中遇到的问题，并提出解决方案；3. 培养学生运用所学知识进行现场总线网络设计与调试的能力。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对现场总线网络技术的兴趣，激发他们学习自动化领域的热情；2. 培养学生的团队协作意识，提高他们沟通交流、解决问题的能力；3. 引导学生关注现场总线网络技术的发展趋势，增强他们的创新意识。
分析课程性质、学生特点和教学要求：本课程为自动化专业高年级学生开设，旨在让学生深入了解现场总线网络技术，为后续专业课程学习和工程实践打下基础。
课程性质具有较强的理论性和实践性。
学生已具备一定的自动化基础知识，具备一定的自学和动手能力。
教学要求注重理论与实践相结合，以培养学生的实际应用能力和创新能力为核心。
1. 熟悉现场总线网络的基本理论，为实际应用提供理论支持；2. 掌握现场总线网络的关键技术，为解决实际问题奠定基础；3. 提高团队协作、沟通交流和创新能力，为未来职业发展奠定基石。
二、教学内容1. 现场总线网络基本概念与原理- 现场总线网络定义、特点及分类- 现场总线网络的通信协议与标准2. 现场总线网络关键技术- 现场总线网络的拓扑结构- 数据传输与通信机制- 现场总线网络的设备控制与设备管理3. 现场总线网络在工业控制中的应用- 典型现场总线网络应用案例分析- 现场总线网络在工业控制系统中的优势与局限性4. 现场总线网络设计与实践- 现场总线网络设计与实施步骤- 现场总线网络调试与优化方法- 常用现场总线网络设备与工具的使用5. 现场总线网络发展趋势与新技术- 现场总线网络技术的发展趋势- 新型现场总线网络技术简介教学大纲安排与进度：第1周：现场总线网络基本概念与原理第2周：现场总线网络关键技术第3周：现场总线网络在工业控制中的应用第4周：现场总线网络设计与实践第5周：现场总线网络发展趋势与新技术教学内容与教材关联性：本章节内容紧密结合教材，按照课程目标选择和组织教学内容，保证科学性和系统性。
现场总线技术在控制系统中的应用
第20卷第3期电站系统工程V ol.20 No.3 2004年5月Power System Engineering May, 2004 文章编号：1005-006X(2004)03-0054-02现场总线技术在控制系统中的应用王晓东１ 白明友１ 张千里２ （１．哈尔滨理工大学，２．哈尔滨大电机研究所） 摘要：介绍了采用Fieldbus现场总线技术实现电气系统过程控制的步骤与方法，进而分析了现场总线技术在电气系统过程控制中应用的优势与特点。
详细介绍了系统的配置以及功能。
关键词：现场总线；水力机械试验台；控制系统中图分类号：TK323文献标识码：BApplication of Fieldbus Technology in Electrical Control SystemWANG Xiao-dong, BAI Ming-you, ZHANG Qian-liAbstract:The procedure, method and advantages of application of Fieldbus technology in electric control system are introduced. The configuration and functions of the system as well as its advantages are detailed.Key words: fieldbus; hydraulic test rig; control system某水力机械模型试验台由电气控制系统和测试系统两部分构成，其中电气控制系统的稳定性直接影响水力性能试验的研究。
电气控制系统以Profibus 为核心，以NaiS FP10SH PLC为主控制器，IPC（工业控制计算机）实现集中控制。
控制系统采用现场总线技术实现了先进的全数字控制方式，保证了系统的可靠性、安全性、易维护性。
针对此试验台电气控制系统的总体设计，分析了控制系统的设计要点，并详细介绍现场总线技术在该系统中的作用。
第十三章 现场总线控制系统的施工与设计讲解
每条支线 1台设备
120 90 60 30 1
每条支线 2台设备
90 60 30 1 1
每条支线 3台设备
60 30 1 1 1
每条支线 4台设备
30 1 1 1 1
现场总线的工程设计
现场总线网段设计
段设计的约束条件
总线功耗
总线供电的设备通常供电电压为9~32V，电流为 10~30mA。非总线供电的4线制设备也会从总线中 吸收一些电流，通常介于11~18mA之间。
L1 L2 Ln 1
L L 1max
2max
Ln max
式中，Ln为每一种电缆实际使用长度；Lnmax为每 一种电缆所允许的最大长度。
现场总线的工程设计
现场总线网段设计
段设计的约束条件
支线长度
ISA S50.02规范中的支线长度限制
设备总数
1~12 13~14 15~18 19~24 25~32
一个总线供电、本质安全的现场总线段，可以接 入 2~6个设备，其中1~4个设备在危险区；
一个总线供电、非本质安全的现场总线段，可以 接入1~12个设备。
现场总线的工程设计
现场总线网段设计
段设计的约束条件
距离约束
现场总线网段的最大允许长度取决于它所使用的 电缆类型。现场总线段的总长度是主干线的长度 和所有从主干线分支出去的支线长度的总和。因 此，“现场总线段的总长度=干线长度+全部支线 长度”。干线是两端都有终端器的主缆线路，支 线是干线的分支。
现场总线的工程设计
现场总线网段设计
基本概念及定义
具有多个网段的网络
现场总线的工程设计
现场总线网段设计
基本概念及定义
现场总线技术教学设计
现场总线技术教学设计
简介
现场总线（Fieldbus）技术是自动化控制领域中的一个重要技术，被广泛应用于工业领域中的控制、监测和通信功能。
本教学设计旨在通过理论授课和实践操作的方式，使学生了解现场总线技术的基本概念、体系结构、通信协议和应用实现方法，并掌握如何使用总线配置工具和现场总线网络建立方法。
教学目标
1.掌握现场总线技术的基本概念、体系结构和通信协议；
2.熟悉现场总线网络建立方法和总线配置工具的使用；
3.理解现场总线技术在控制、监测和通信领域的应用场景和优劣势。
教学内容
理论授课
1. 现场总线技术概述
1.1 传统现场控制系统的不足之处 1.2 现场总线技术的概念和优势
2. 现场总线技术体系结构
2.1 现场设备、传感器和执行器 2.2 控制器和控制系统 2.3 总线通信和控制数据流
3. 现场总线通信协议
3.1 现场总线通信协议介绍 3.2 现场总线通信协议特点和优缺点
4. 现场总线网络建立方法
1。
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1.监控层
• 主要功能：实时监测受控设备的运行状况，组态PLC上传
信息，并显示组态画面，同时对PLC进行程序的编制、更 改等任务。 • 网络形式：工业以太网。 • 主要硬件组成：工业控制计算机
• 软件组成：系统软件、上位组态软件、应用软件。
一
工业网络结构和组成
2.控制层
• 控制层是整个控制系统的核心，在整个控制系统中起着 “承上启下”的作用。它接受现场发来的数据信息，经过 CPU的运算与处理后，发出相应的指令对现场设备进行控 制。并把经处理的数据信息上传至上位机。 • 主要硬件组成：PLC及其网络主站模块、工业以太网模块 。 • 软件组成：PLC编程软件、应用软件。
用户层
报警或记录趋势 通讯栈确保安全通讯
用户层
通讯栈
通讯栈
物理层
在此处连接导线
现场总线设备 接线载体
物理层
现场总线设备
现场总线网络概览
e.g. Operator station
物理层组成部分:
H1通讯卡
总线电源配电器/电源调节器 电缆 终端电阻 接线盒 - 段保护器 - 现场总线安全栅 浪涌保护器
H1 现场总线 # 3 网段
控制室 PC
Green Liquor Storage LT 111 LT 112
H1 现场总线 # 2网段
LT 101
Re-Burned Purchased Lime Lime DT 109 SC 111 24 FT 110
19
SC 112 25
SC 110 23
20 FT 102 AT 103 IP 102
2 - 12
120 m
90 m
60 m
1m
45
常规应用
控制系统
24Vdc 24Vdc
OR
电源调节器
控制室
现场
现场接线器
安全区
46
危险区应用
控制系统
24Vdc
?
保护 ? 控制室
现场 现场接线器
危险区
基金会现场总线设备
47
现场隔离安全栅
Control system
24Vdc 24Vdc 24Vdc
组态DP主站和分布式I/O
WinCC变量组态
4
现场总线系统运行、维护
1
系统设备调试
1 检查设备 运行监控软件，在线监视设备的通信状态是否正常 2 检查位号和量程 各点位号应与实际一致，称对点；
3 检查PID的作用方式和调节阀的动作方向 4 检查UPS自动切换功能
4
现场总线系统运行、维护
现场总线系统设计原则
现场总线系统设计要保证系统运行的可靠性。在特殊的 场合，总线系统要采用屏蔽、防爆、甚至要求有冗余备份。
1
保证系统实时性、 多任务、和多回路 分布特性。
考虑如：网络节点数、节点的
位置分布、总线速率和传输能力
2
保证系统设备的互 联、互操作和互换 性
考虑如：总线设备之间遵从的协
议；考虑网络的升级和设备替换。
主站 从站
B+F公司 Siemens公司
3
软件设计开发组态
1
监控软件开发
监控软件可以为过程控制优化建立和组态自己的用户界面。开发工具
可以绘制各个生产或者工程监控画面，利用控件组态建立各种控制、显
示框、动画、声音等来对整个生产过程动态实时的显示运行状态。
监控软件的开发工具为软件组态提供范围广泛的各种功能。可用于一
2
系统测试运行
1 软件代码的下载测试包括PLC程序和上级监控软件程序； 2 网络系统通信功能测试； 3 实际现场总线控制系统的起动，低水平运行； 4 逐步投运全部功能；
三
典型现场总线设计开发
基金会总线技术（过程控制领域）
基金会现场总线工作情况
数据在两者之间传递
传感器、最后控制 元件或主机
传感器
在此处进行数据控制、
Power conditioner Control room
Ex e Trunk
Field
Zone 2/Zone 1
Ex i spur Live-workable
Zone 0/Zone 1
FISCO or Entity field devices
48
Ff基金会现场总线应用在Zone 1的易燃易爆环境中？
下的实例应用：拖放画面方便并可将它们以画面层次结构布置；通常分 为三个层次（概览区、工作区、功能按钮区）。
3
软件设计开发组态
2
系统和设备组态
组态就是把已经准备好的不同子系统或功能单元进行组合，使整个
系统或单元达到用户要求的整体应用效果和功能状态。组态时构造整个
网络控制系统的核心部分。
STEP 7 硬件组态界面
1. 现场总线技术最适合使用的场合
行业选择 系统规模和分布 系统类型 系统功能要求
1. 选择什么样的现场总线技术？
根据具体的应用情况选择； 该现场总线技术的先进性？ 市场占有率？ 在我国的应用情况； 技术支持
1. 组成和设计FCS的方法
总体选择
现场总线类型 是否有冗余要求？ 是否有本质安全要求？ 系统实时性的要求
IP 104A
IP 104B Cooler
21 TT 104 TT 105 AT 106 AT 107A
Heater CV-101 A/O
AT 107B LT 108 SC 108 22
H1 现场总线 # 1网段
41
估计网段长度
主干线长度 分支长度
Remarks Remote Instrument Measurement Trunk Spur Enclosure Length Length RIE - 1 20+35+70+255+50 430 m 30 m RIE - 2 20+75+200+75+30 400 m 30 m RIE - 3 15+35+330+85+30 495 m 30 m RIE - 4 20+35+70+255+50 430 m 30 m RIE - 5 20+75+200+75+30 400 m 30 m RIE - 6 15+35+330+85+30 495 m 30 m RIE - 7 20+40+190+200+30 480 m 30 m RIE - 8 20+130+160+50 340 m 30 m RIE - 9 15+90+190+30 325 m 30 m RIE - 10 20+65+420+30 535 m 30 m RIE - 11 20+5+20+170+50 265 m 30 m RIE - 12 15+20+75+75+50 235 m 30 m Note: From the above taking contingency in to account let us take the worst case (Trunk 550 Meters and Spur 30meters)
主站 从站
BECKHOFF公司
主站 从站
主站 从站
WAGO 软件产品 诊断工具
2 PROFIBUS和AS-i常用产品
1. PA常用产品
E+H公司
所有的仪器仪表都能提供PA接口 性能好 软件产品
2 PROFIBUS和AS-i常用产品
1. AS-i常用产品
ifm公司
现场总线系统设计 规划与应用
现场总线系统设计规划与应用
一 二 三
工业网络结构和组成 现场总线系统设计过程 典型现场总线设计开发
一
工业网络结构和组成
自动化控制系统典型控制模式：
--- 集中监测和分散控制
监控层
控制系统分为三个层次：
控制层
1. 2. 3.
监控层 控制层
设备层
设备层
一
工业网络结构和组成
如何设计H1网段？
网段负载 会受以下各因素的影响：
1. 工厂的布局
– 距离 (电压降…) – 危险区（防爆措施…） – 控制关联性
2. 安全/HAZOP（危险与可操作性 ）约束 3. 执行速度要求
– 宏循环 – 回路/模块执行要求
39
初步的 P&ID图
了解设备的分布和相关性
40
使用P & ID 图纸来帮助确定现场总线的接线
一
工业网络结构和组成
3.设备层
• 设备层在控制系统的底层，是整个控制系统的关键环节，
主要远程IO模块、变频及伺服控制器、打印机、现场执行 机构（如电动机、电磁阀等）等，通过现场总线与控制层
中的PLC相联系，将输入信号发送给PLC，将PLC输出指令 发送到现场设备。 • 网络形式：现场总线Profibus-DP、直接点对点联接。
1
现场总线系统设计原则
现场总线系统设计要保证系统运行的可靠性。在特殊的 场合，总线系统要采用屏蔽、防爆、甚至要求有冗余备份。
3
充分考虑监控和通 信软件的功能
现场总线系统设备厂家一般可
提供给用户相应的系统软件。
4
兼顾设计的先进性 和经济性
设计实际监控系统时，要在系统
先进性和经济性上折中考虑。
2
现场总线网络与控制设计
1
网络设计主要考虑因素 现场仪表设备分布情况 控制任务执行设备的选择和安装地点