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采用现场总线实现的控制系统具有哪些特点优势?

现场总线技术是控制、计算机、通讯技术的交叉与集成,几乎涵盖了所有连续、离散工业领域,如过程自动化、制造加工自动化、楼宇自动化、家庭自动化等等。

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采用现场总线实现的控制系统相比传统的点对点模拟量/开关量信号传输的控制系统(如4-20mA、0-10V信号),具有以下显著特点和优势:

  1. 大幅减少布线和安装成本:

    • 用一根总线电缆取代大量并行线缆: 现场总线系统只需要一根通信电缆(通常是双绞线或光纤),就可以连接多个现场设备(传感器、执行器、阀门定位器、驱动器等),将它们串联或拓扑连接起来。这极大地减少了电缆数量、桥架、接线端子、电缆敷设和维护的工作量及成本。
    • 简化设计、施工和调试: 系统设计更简单清晰,现场布线工作量锐减,安装、布线、调试时间显著缩短,降低了工程总成本。
  2. 提高系统的可靠性和稳定性:

    • 故障诊断能力增强: 数字通信方式使得系统具有强大的在线诊断功能。控制室或工程师站可以实时检测总线状态、通信质量以及每个现场设备的运行状态、健康状况(如传感器偏差、执行器磨损、温度过高、通信中断等),便于快速、精准地定位故障点,提高维护效率,减少停机时间。
    • 减少接线故障点: 线缆数量少意味着接线点也大大减少,潜在故障点(如接触不良、断线、短路)的概率显著降低。
  3. 增强系统的灵活性和可扩展性:

    • 易于扩展和修改: 添加新的现场设备非常方便,通常只需在总线电缆上的适当位置接入新设备并进行配置即可,无需大量重新布线。
    • 支持设备互操作性与互换性: 大多数主流的现场总线标准(如PROFIBUS DP/PA, Foundation Fieldbus H1, Modbus等)都促进了设备供应商之间的互操作性。理论上,符合同一标准的设备可以互相替换,降低了用户对单一供应商的依赖(Vendor Lock-in)。
    • 灵活的拓扑结构: 支持多种网络拓扑(如总线型、树型、环型等),可以根据现场环境灵活布置。
  4. 提升信息获取能力:

    • 访问更多设备和过程信息: 现场总线不仅传输传统的测量值和控制值,还能传输大量的设备状态信息(如制造商信息、型号、序列号、配置参数、量程、诊断信息、标定状态等),实现资产的数字化。
    • 高级诊断与预测性维护: 丰富的设备状态信息和诊断数据使得进行预测性维护成为可能,帮助用户在设备完全失效前进行干预,提高设备的运行可靠性并优化维护策略。
  5. 实现分布式智能与控制:

    • 设备智能化: 现场设备具备更强的智能处理能力(拥有自己的微处理器)。
    • 控制下放: 复杂的控制算法(如PID控制回路)可以直接在智能变送器或定位器上执行,形成分布式控制系统。这减轻了中央控制器(DCS/PLC)的负担,缩短了控制周期,提高了响应速度,增强了控制回路的自治性(部分总线故障不会影响本地控制)。系统整体可靠性和响应性得以提升。
  6. 提高精度和信号质量:

    • 数字化传输抗干扰强: 数字信号传输比模拟信号传输具有更强的抗电磁干扰能力,减少了信号在传输过程中的衰减和噪声干扰,保证了数据的准确性和可靠性。
    • 避免信号转换损失: 测量值直接从传感器以数字形式传送,省去了传统系统中模数/数模转换环节带来的误差。
  7. 降低长期维护成本:

    • 虽然初期硬件投入可能较高,但得益于减少的布线成本、大幅降低的安装成本、缩短的调试时间、增强的诊断能力、优化的维护策略以及延长的设备寿命,现场总线系统的整体生命周期成本通常更低。

总结来说,现场总线控制系统通过数字化、网络化、智能化的方式,实现了信息的综合传输、处理的分散化、管理的集中化,为工业自动化带来了成本节约、可靠性提升、功能增强、管理优化的巨大变革,是现代工业控制系统发展的主流方向。

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