现场总线助力工业4.0

4.2 现场总线在锅炉控制系统中的应用
4.2.2. 工艺流程简介 燃料和空气按一定比例进入锅炉内燃烧，生成热量传给蒸
发系统产生饱和蒸汽，经过过热器使饱和蒸汽成为有一定 温度和压力的过热蒸汽，并且汇集到过热联箱，经主气阀 供负荷设备使用； 燃烧过程中产生的烟气除了将饱和蒸汽变成过热蒸汽外， 通过省煤器预热锅炉的给水，通过烟道引导，经过除尘器 和引风机处理，达到国家排放标准，最后通过烟囱进入大 气。
3
一 现场总线技术简介
1.1. 现场总线产生的历史背景
➢ 第一代工业控制体系结构(气动信号标准：0.2～1kgf/cm2)；
➢ 第二代工业控制体系结构—ACS (电气信号：4～20mA)；
➢ 第三代工业控制体系结构—CCS (集中式控制)； ➢ 第四代工业控制体系结构—DCS(分布式控制体系结构)； ➢ 第五代工业控制体系结构—FCS(现场总线控制系统)。
现场总线助力工业4.0
学院：电子信息工程 专业：控制工程 日期：2016年5月16日
1
目录
一、现场总线技术简介 二、工业4.0概述 三、现场总线 助力工业4.0之智能工厂 四、现场总线在工业应用实例 五、结束语
2
一、现场总线技术简介
1.1 现场总线产生的历史背景 1.2现场总线定义 1.3. 现场总线主要特点 1.4. 现场总线国际标准化状况
推出 084 PLC
辛那提屠宰场使用
1800
1900
2000 今天
从工业 1.0 到工业 4.0
时间轴 8
2.2 工业发展史
第一次 工业革命
机械化
第二次 工业革命
机械化电气化
第三次 工业革命
电气化自动化
第四次 工业革命
复杂程度
自动化智能化
1784 年，出现了第一 台机械织布机
1800
从工业 1.0 到工业 4.0
18
三.现场总线助力工业4.0之智能工厂
挑战：但是现场总线通讯协议百家争鸣，布建工业
以太网络并非易事，此外打造智能工厂必须以既有的 设备、系统为基础。目前工厂自动化市场由西门子 (Siemens)、洛克威尔(Rockwell)、Beckhoff等工业自 动化大厂所主导，这些大厂经长期的可靠度及稳定性 验证，此生态不太可能有变化，因此工业以太网络使 用的网络协议标准便需兼容于大厂所制定的 PROFINET、PROFIBUS、EtherNet/IP、DeviceNet、 EtherCAT等多种通讯协议。
息共享； ➢ 主、辅工作站集中在中央控制室，便于设备和人员的集
中管理。
28
4.3 小结
1. 从工厂底层自动化及信息集成技术角度看，现场总 线技术不是一项单纯的以芯片换电缆的技术，是计算 机及其数字化通信技术向工厂底层，即设备层的延伸。 如同其他领域发生的一样，现场总线技术是工厂底层 通信技术的一次数字化革命，也必将对工业4.0的实现 起到重大影响。
14
2.3.2 工业4.0架构—四大主题
智能工厂：
有四大关键点：
一是要连接所有网络以拿到数据。
二是要有智能机器。
三是大数据，将所有设备、所有人连接后，所有数据都大批量传 送到 智能终端上。
四是分析，得到数据后从中抓取出应用趋势来，提高设备状态的 检测和预测水平。
15
三.现场总线助力工业4.0之智能工厂
污染环境，自动化改造的任务十分紧迫； 我国工业锅炉控制系统发展大致经过五个阶段：
手工控制阶段； 专用仪表控制阶段 ； 电动单元组合控制阶段； 计算机控制阶段（分布式控制系统DCS）； 现场总线控制阶段 。 经典的PID 控制往往不易达到最佳的控制状态采用更先进 的控制策略势在必行。
24
5
二、工业4.0概述
2.1 什么是工业4.0？ 2.2 工业发展史 2.3 工业4.0架构
6
2.1 什么是工业4.0
工业4.0是德国政府推行的“新一轮智能 工厂计划”，是以智能制造为主题的第 四次工业革命。
7
2.2 工业发展史
第一次 工业革命
创造了机器工厂的 “蒸汽时代”
第二次 工业革命
工业4.0代构建智能工厂正被全球制造业领域不约而同地选为下 一个中长期的发展愿景，同时也是我国制造业转型升级的重要 突破口，而智能工厂的精髓就在于网络在工 业领域的延伸，发 挥信息化的作用。
智能工厂不仅是生产的自动化，通过远程监控制程，确保生 产顺 畅，还可协助制造业者整合各厂生产管理、物流管理及仓 库管理，实时匹配产能的需求与规模，避免大兴土木，同时迅 速提高产能，满足客户定制化订单的实时生产 需求。
16
三.现场总线助力工业4.0之智能工厂
现场总线可从现场设备获取大量丰富信息，能够更好 的满足工厂自动化及CIMS系统的信息集成要求。现场 总线是数字化通信网络，可实现设备状态、故障、参 数信息传送。系统除完成远程控制，还可完成远程参 数化工作。
也是现代工业自动化生产体系中的重要组成部分和 工厂信息化的基础。它的构建也就成为智能工厂建设 的重要环节。
温度变送器
压力变送器 流量变送器
SY-2008GL
一体化操作站 中心工作站
显示 打印
显示
监
控
报警
器
手动/自动切换
带手操开关
Leabharlann Baidu
执行器
伺服放大器
现场各电气设备
锅炉现场
控制室
4.2 现场总线在锅炉控制系统中的应用
4.2.5. 控制系统的技术特点
➢ 由各子系统的计算机进行自动控制 ，降低了产品成本； ➢ 系统稳定、可靠、精度高、维护成本低、系统互换性； ➢ 采用现场总线技术，实现多级分层控制、集中管理、信
纵向集成（车间）
端到端集成（产业链）
横向集成（生态）
工业4.0 所要追求的就是 在企业内部实现所有环 节信息无缝链接，这是 所有智能化的基础。
横向集成是企业之间通过 价值链以及信息网络所实 现的一种资源整合，是为 了实现各企业间的无缝合 作，提供实时产品和服务
围绕产品全生命周期的价 值链创造，通过价值链上 不同企业资源的整合，实 现从产品设计、生产制造 、物流配送、使用维护的 产品全生命周期的管 理和服务。
17
三.现场总线助力工业4.0之智能工厂
迈向智能工厂的同时，需顺应工业控制市场的既定 潮流，由于制造现场可能混合采用不同供货商不同通 讯协议的控制系统，例如半导体业者的制程控制与废 水处理系统便未必选自同一供货商，又如石化业者因 园区建期分段，各期选用的控制系统也是不尽相同； 再如车厂、家电制造工厂，制造现场更是混合一般商 用计算机与工业控制器。
动、高效、安全、绿色地满足其需求的服务。
这个服务是什么呢？比如西门子生产一台高铁的牵引电机 ，以往就是直接卖一台电机而已，现在这台电机在运行过 程中，会不断的把数据传回给西门子的工厂，这样西门子 就知道你的电机现在的运行状况，以及什么时候需要检修 了。高铁厂商以往是怎么做的？一刀切，定一个时间，到 时间了不管该不该修都去修一下，更我们汽车保养没什么 差别。现在西门子可以告诉你什么时候需要修什么时候需 要养护，
CAN现场总线技术应用于造气炉控制系统，从根本上实现结 构分散、信息集中、管控一体化的全新分布式控制模式；
基于CAN现场总线的造气炉智能控制系统的产业化发展，将 为造气炉的高水平自动化提供强有力的技术支持。
23
4.2 现场总线在锅炉控制系统中的应用
4.2.1. 项目概述 我国的锅炉产业发展迅猛，但运行热效率低,浪费能源，
2. 工厂底层自动化及信息集成技术是实现全厂自动化 及CIMS系统的基础。现场总线技术的发展，使其传统 系统结构发生变革，并带来传统系统无法比拟的优异 特性。
29
五. 结束语
现场总线属于尚在发展之中的技术，我国在这一技术领域还 刚刚起步。 在工业4.0的大背景下，自动化系统与设备将朝着现 场总线体系结构的方向前进。也必然向着趋于开放统一的方向 发展，成为大家都遵守的标准规范。
同时，现场总线的发展也必将促进工业4.0蓝图的实现。
30
31
将人类带入分工明 确、大批量生产的 流水线模式和“电 气时代”
第三次 工业革命 应用电子信息技术， 进一步提高生产自动 化水平
第四次
工业革命
开始应用信息物理
融合系统 (CPS)、 网络化、 智能化
复杂程度
1784 年，出现了第一 台机械织布机
1969 年，美国 Modicon 公司
传送带方式于 1870 年开始在辛
1.2. 现场总线定义 现场总线是现场仪表与控制室系统之间的一种开放
的、全数字化、双向、多站的通信系统，主要用于工厂 低层设备(传感器及传动装置等)的数据通信。
4
一 现场总线技术简介
1.3. 现场总线主要特点
1) 系统可靠性高； 2) 实现开放式互连网络；
3) 安装与接线费用低；
4) 调节性能提高； 5) 系统组态简单。
炉
常
换
调
报
显
键
串
温
规
向
节
警
示
盘
行
监
仪
阀
阀
输
器
接
测
表
站
出
口
探
头
21
4.1 现场总线在煤化工控制领域中的应用
CAN现场总线控制系统设计
打印机 CAN总线
工业控制机(IPC) CAN适配器
Internet 企业局域网
CAN控制器
传执 感行 器器
间歇造气炉
CAN控制器
传执 感行 器器
间歇造气炉
22
4.1 现场总线在煤化工控制领域中的应用
时间轴 10
2.3 工业4.0架构
工业4.0
一个网络信息物理系统（CPS） 三个集成
纵向集成
横向集成
端对端集成
四大主题
智能生产 九大技术 机器人
智能工厂 模拟技术
智能物流 系统整合
智能服务 增强技术
物联网
网络安全 云计算
大数据
3D打印
11
2.3.1 工业4.0架构—三个集成
纵向集成、端到端集成及横向集成的演进路
12
2.3.2 工业4.0架构—四大主题
智能生产： 主要涉及整个企业的生产物流管理、人机互动以及3D 技术在工业生产过程中的应用等。 智能物流： 主要是通过物联网、互联网等整合物流资源，充分发挥 现有物流资源供应链的质量和效率。
13
2.3.2 工业4.0架构—四大主题
智能服务： 主要指能够自动辨识用户的显性和隐性需求，并且主
1.4. 现场总线国际标准化状况
早在1985年，IEC(国际电工委员会)开始着手制订国际性 现场总线标准，并将此标准命名为FieldBus；之后，ISA(美国 仪表学)SP50委员会也加入到此标准的制订工作中。目前，较 流行的现场总线主要有FF、Profibus、LonWorks、CAN、 HART、P-Net等。
1969 年，美国 Modicon 公司
传送带方式于 1870 年开始在辛
推出 084 PLC
辛那提屠宰场使用
1900
2000 今天
工业发展史的自动化维度
时间轴 9
2.2 工业发展史
第一次 工业革命
解放“工” 机器替代体 力活
第二次 工业革命
解放“工” 机器替代体 力活
第三次 工业革命
解放“员” 机器替代以定 规则下的繁琐 劳动
25
4.2.3. 工艺流程图 主气阀 过热联箱
煤 斗
水
给
冷
煤
壁
机
管
磨
煤
机
蔗 渣
喷
播
器
上联箱 过热器 汽包
上 锅 筒
对 流 管 束
下 锅 筒
下联箱
炉排
二 次 风 机
给 水 泵 省煤器
引风机
空 气 预 热 器
烟囱
除尘器 送 风 机
4.2.4 SY-2008GL锅炉监控器原理框图
按键
键盘
鼠标
测温热电阻 测温热电偶 压力传感器 流量传感器 液位变送器 液位开关 含氧量变送器
第四次 工业革命
解放“师” 机器替代部分 可创造性劳动
复杂程度
1784 年，出现了第一 台机械织布机
1969 年，美国 Modicon 公司
传送带方式于 1870 年开始在辛
推出 084 PLC
辛那提屠宰场使用
1800
1900
2000 今天
从工业 1.0 到工业 4.0 工业发展史的解放人的工作程度
19
四. 现场总线在工业应用实例
4.1 现场总线在煤化工控制领域中的应用 4.2 现场总线在锅炉控制系统中的应用 4.3 小结
20
4.1 现场总线在煤化工控制领域中的应用
硬件节点设计
CAN Field Bus
R
R
CAN驱动器82C250
CAN控制器SJA1000
Intel 16—80C196KC