现场总线发展史教学资料

现场总线发展史

精品资料

现场总线发展史

院系：电气工程系

专业：电气自动化

班级：电气1304

学号：1020113433

姓名：胡兵兵

论文提交日期：二〇一五年六月

注：封面、中文摘要不编页码。

精品资料

摘要

现场总线系统由于采用了智能现场设备，能够把原先DCS系统中处于控制室的控制模块、各输入输出模块置入现场设备，加上现场设备具有通信能力，现场的测量变送仪表可以与阀门等执行机构直接传送信号，实现了彻底的分散控制。同时也由于它的设备标准化，功能模块化，设计简单，使得现场总线在经济飞速发展、市场不断更新的今天，占有了一席之地。

关键词：现场总线；网络控制系统；CCS；DCS；FCS。

引言

随着计算机、信息技术的飞速发展，20世纪末世界最重大的变化是全球市场的逐渐形成，从而导致竞争空前加剧，产品技术含量高、更新换代快。在计算机自动控制系统急速发展的今天，特别是现场总线已经普遍地渗透到自动控制的各个领域，我们更应该知道现场总线的发展历程，以更好的让其在我国发展。

1 早期控制系统的发展

1.1无网络系统

仪器仪表的发展已有悠久的历史。据《韩非子•有度》记载，中国在战国时期已有了利用天然磁铁制成的指南仪器，称为司南。古代的仪器在很长的历史时期中多属用以定向、计时或供度量衡用的简单仪器。

工业仪表最早出现在20世纪30年代，最初只用于化工、石油炼制、热能动力和冶金等连续性的热力生产过程，因此当时称为热工仪表。当时的工业仪表的结构形式主要是机械式或液动式，仪表体积较大，只能实现就地检测、记录和简单的控制，也没有网络雏形。

1.2 网络控制系统出现

19世纪，由于发明了测量电流的仪表，才使电学与磁学的研究迅速走上正轨，获得了一个又一个重大的发现，促进了电气时代的来临，同时也为气动式仪表的出现奠定了理论基础。到了30年代末和40年代初，出现了气动仪表，并使用了统一的压力信号，遂有了带远程发送器的仪器。它能在远距离外的二次仪表上重现读数，从而能集中在中心控制室进行检测、记录和控制。气动式仪表已具有网络的雏形。50年代又出现电动式的动圈式毫伏计、电子电位差计电气机械式调节器和整套的电子管调节仪表，它传送的是模拟电流环信号（4-20mA）。

电动仪表的广泛使用标志了电气自动控制时代的到来。但是就电动仪表而言，它对于工业控制网络需要的电缆较多。

2 现场总线的前身

2.1 中央控制计算机系统CCS

70年代数字计算机的应用，产生了巨大的技术优势，人们在测量、模拟和逻辑控制领域率先使用，从而产生了第三代过程控制体系CCS（Computer Control System），中央控制计算机系统可分为SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)——监视控制与计算机采集系统和DDL（Direct Digital Control）直接数字控制计算机系统。

CCS充分发挥了计算机的特长，于是人们普遍认为计算机能做好一切事情，自然而然地产生了被称为“集中控制”的中央控制计算机系统，需要指出的是系统的信号传输系统依然是大部分沿用4—20mA的模拟信号。但是时隔不久人们发现，随着控制的集中和可靠性方面的问题，失控的危险也集中了，稍有不慎就会使整个系统瘫痪。这种危险的集中系统结构很难为生产过程所接受。

2.2 集散式控制计算机系统DCS

随着半导体制造技术的飞速发展，微处理器的普遍使用，计算机技术可靠性的大幅度增加以及价格的大幅度下降，出现了数字调节器、可编程控制器（PLC）以及由多个计算机递阶构成的集中、分散相结合的集散式计算机控制系统

DCS(Distributed Control System).

分散控制是DCS最主要的特征。该系统将若干台微机分散应用于过程控制，全部信息通过通信网络由上位管理计算机监控，实现最优化控制，整个装置继承了常规仪表分散控制和计算机集中控制的优点，克服了常规仪表功能单一，人-机联系差以及单台微型计算机控制系统危险性高度集中的缺点，既实现了在管理、操作和

显示三方面集中，又实现了在功能、负荷和危险性三方面的分散。DCS系统在现代化生产过程控制中起着重要的作用。图1.16为集散控制系统的体系结构

由上图可知，DCS系统有以下一系列的特点和优点：

①分散性：其含义是指分散控制、地域分散、设备分散、功能分散和危险分散。硬件积木化和软件模块化是分散性的具体体现。目的是为了使危险分散，进而提高系统的可靠性和安全性。

②集中性：其含义是指集中监视、操作和管理。用通信网络把分散的设备构成统一的整体，用分布式数据库实现全系统的信息集成，进而达到信息共享。人们可以同时在多台操作站上集中监视、操作和管理。

③自治性：其含义是指系统中的各台设备均可独立地工作。控制站自主地进行输入、运算、控制和输出，操作员站自主地实现监视、操作和管理，工程师站可以在线或离线组态。

④协调性：其含义是指系统中的各台设备用通信网络和数据库互连在一起，相互传送信息，相互协调工作，以实现系统的总体功能。DCS的分散和集中、自治和协调不是互相对立，而是互相补充。

⑤灵活性和扩展性：硬件采用积木式结构，可以灵活地配置成小、中、大各类系统，并可以根据企业的发展逐步扩展系统。软件采用模块式结构，提供输入、输出、运算和控制功能块，可以灵活地组态构成简单、复杂各类控制系统，并可以根据生产工艺流程的改变，随时修改控制方案。

⑥可靠性和适应性：分散性带来系统的可靠性，并采用一系列冗余技术、热拔插技术、故障诊断和故障屏蔽技术。采用高性能的元器件、先进的制造工艺和抗干扰技术，使DCS能够适应恶劣的工作环境。

⑦先进性和继承性：硬件上采用先进的计算机、通信网络和人机接口；软件上采用先进的操作系统、数据库、网络管理和控制语言；控制算法上采用自适应、预测、推理、优化等先进控制技术。DCS更新换代比较快，继承性体现在新、老系统互相兼容，可以给用户带来更好的利益

但是，在DCS系统形成的过程中，发现它也有许多的缺陷。以下为它的主要缺陷：

① DCS采用独家封闭的通信协议，各个厂家的DCS系统有的通信方式不同，为了各自的垄断利益，不同厂家的DCS之间以及其上层Internet网络之间难以实现互联和信息共享，通讯标准不统一，互不兼容，呈封闭式，从这个角度来讲DCS 是不开放的，这是限制其进一步发展最主要的因素。

②多年来，DCS基本上是采用一对一的接线方式，，即一台仪表，一对传输线，单向传输一个信号，实际上只能做到半分散，同时它又造成了系统接线庞杂，