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1、第第l章章 现场总线概述现场总线概述 讨论内容概述：讨论内容概述：1.1 现场总线简介 1.2 现场总线的特点 1.3 以现场总线为基础的企业网络系统 参考文献：参考文献：1阳宪惠现场总线技术及其应用现场总线技术及其应用(第二版第二版).北京：清华出版社 2史久根等CAN现场总线系统设计技术现场总线系统设计技术.北京：国防工业出版社 3雷 霖现场总线控制网络技术现场总线控制网络技术.北京：电子工业出版社，2004 4甘永梅，李庆丰，刘晓娟等现场总线技术现场总线技术及其应用及其应用.北京：机械工业出版社，2004 5李正军现场总线及其应用技术现场总线及其应用技术北京：机械工业出版社，2006 6
2、王黎明等CAN现场总线系统的设计与应用现场总线系统的设计与应用.北京：电子工业出版社，2008 7饶运涛等现场总线现场总线CAN原理与应用技术原理与应用技术（第（第2版）版）.北京：北京航空航天大学出版社，2007 通过网络可以做些什么？通过网络可以做些什么？浏览网页、收发电子邮件、网络聊天（QQ、MSN、飞信等）。网上购物：淘宝、京东、当当、卓越、各种团购网站。网上金融：炒股、基金买卖、网银、在线支付。网上在线听、读、看（音频、文本、图片、视频）或下载。手机上网（目前的各种智能手机）。正在兴起的“物联网”。显然，计算机网络的应用正在改变着人们的工作方式与生活方式，并进一步引起世界范围内产业结
3、构的变化，促进了全球信息产业的发展，在经济、文化、科研、军事、政治、教育和社会生活等各个领域发挥着越来越重要的作用。计算机网络计算机网络、通信通信与控制技术控制技术的发展，导致自动化系统产生了深刻的变革，也就是说，以计算机网络为主的技术在生产领域引起了深刻的变革：信息技术信息技术迅速渗透到生产现场的设备层渗透到生产现场的设备层，覆盖从生产车间到企业管理的各个方面，沟通从原料供应、生产制造到生产调度、资源规划乃至市场销售的各个环节，逐步形成了逐步形成了以控制网络为基础的企业信息系统以控制网络为基础的企业信息系统。测控总线技术课程主要讨论的是：生产现场中的底层控制网络生产现场中的底层控制网络现场总
4、线(fieldbus)。它是顺应自动化系统的变革趋势而发展起来的新技术。1.1 现场总线简介现场总线简介1.1.1 什么是现场总线什么是现场总线 与其他技术一样，现场总线技术也是逐步发展起来的一种新技术。现场总线原来原来是指现场设备现场设备之间公用的信号公用的信号传输线传输线。之后之后被定义为应用在生产现场，在测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统双向串行多节点数字通信的系统。技术发展至今至今，现场总线已经成为控制网络控制网络技术技术的代名词，广泛应用于离散制造业、流程工业、交通、楼宇、国防、环境保护以及农、林、牧等各行各业的自动化系统自动化系统中。什么是现场总线？什么是现场总线？现
5、场总线以测量控制设备作为网络节点网络节点，以双绞线等传输介质传输介质为纽带，把位于生产现场生产现场、具备数字计算和数字通信能力具备数字计算和数字通信能力的测控设备连接测控设备连接成网络系统成网络系统，按公开、规范的通信协议公开、规范的通信协议，在多个测量控制设备之间以及现场仪表与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息交换，形成形成适应各种应用需要的自动控制系统。适应各种应用需要的自动控制系统。现场总线给自动化领域带来的变化现场总线给自动化领域带来的变化就像计算机网络给单台计算机带来的变化一样，它使测控设备连成测控网络并与计算机网络连接，使控制网络成为信息网络的重要组成部分。现场总线产生的背景现
6、场总线产生的背景：现场总线是20世纪80年代中期发展起来的。随着微处理器与计算机功能功能的不断增强增强和价格价格的急剧降低降低，计算机与计算机网络系统得到迅速发展。迅速发展。而处于生产过程底层的测控自动化系统，或采用一对一连线，用电压、电流（模拟信号）进行测量控制；或采用自封闭式的集散系统。这些方式难以实现设备之间以及系统与外界之间的信息交换，使自动化系统成成为为“信息孤岛信息孤岛”。设想一下你成为“信息孤岛”（没带手机、无法上网。）时会怎样？要实现整个企业的信息集成，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、造价低廉的工厂底层网络，行的
7、、性能可靠、造价低廉的工厂底层网络，完成现场自动化设备之间的多点数字通信，实完成现场自动化设备之间的多点数字通信，实现底层现场设备之间以及生产现场与外界的信现底层现场设备之间以及生产现场与外界的信息交换。（要求）息交换。（要求）现场总线在这种实际需求的驱动下应运而生。（通过现场总线来实现）作为现场设备之间互连的控制网络，现场总线沟通了生产过程现场设备之间及其与更高控制管理层网络之间的联系，为彻底打破打破自动化系统的信息孤岛信息孤岛创造了条件。（结果）现场总线是一项以数数字字通通信信、计计算算机机网网络络、自动控制自动控制为主要内容的综合技术综合技术。它作作为为现场设备之间信信息息沟沟通通的的纽
8、纽带带，把挂接在总线上、作为网络节点的设备连接为实现相应测量功能的自动化系统，可实现诸如PID控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控、优化及控管一体化的自动化功能，从而使自动控制系统发生了质变。我们通过对控制系统的回顾来体会现场总线使自动控制系统发生了质变这一观点。现场总线控制系统（FCS，Fieldbus Control System）属 于 网网 络络 化化 控控 制制 系系 统统（NCS，Networked Control System），这是新一代控制系统。在此之前的控制系统的发展历程是：基地式气动仪表控制系统；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电动单元组合式模
9、拟仪表控制系统；集中式数字控制系统；集中式数字控制系统；集散控制系统（集散控制系统（DCS）。）。它们的特征简单回顾如下。基地式气动仪表控制系统：基地式气动仪表控制系统：50年代以前，由于当时的生产规模较小，检测控制仪表处于发展的初级阶段，采用的是直接安装在生产设备上、只具备简单测控功能的基地式气动仪表基地式气动仪表，其信号仅在本仪表内起作用，一般不能传送给别的仪表或系统，即各测控点只能处于封闭状态，无法与外界进行信息沟通，操作人员只能通过生产现场的巡视，了解生产过程的状况。电动单元组合式模拟仪表控制系统：电动单元组合式模拟仪表控制系统：随着生产规模的扩大，操作者需综合掌握多个测控点的运行参数
10、与信息，同时按多点的信息实行操作控制，于是出现了气动、电动系列的单元组合式仪表单元组合式仪表，出现了集中控制室集中控制室。生产现场各测控点的参数通过统一的模拟模拟信号（信号（如0.0020.01MPa的气压信号气压信号，010mA、420mA的直流电流信号直流电流信号，15V 直直流电压信号流电压信号等）送往集中控制室。操作人员可坐在控制室纵观生产流程各测控点的状况，同时，可把各单元仪表的信号按需要组合成复杂控制系统。集中式数字控制系统：集中式数字控制系统：模拟信号的传递需要一对一的物理连接，因此信号传输缓慢，抗干扰能力也较差。当用数字信号取代模拟信号时，就出现了直接数字控制技术直接数字控制技
11、术。但是，由于当时的数字计算机技术尚不发达，价格昂贵，因此采用了用一台计算机取代控制室中几乎所有仪表盘的方式，这样就出现了集中式数字控制系统集中式数字控制系统。但这种结构形式的控制系统中的数字计算机一旦出现故障，就会造成所有控制回路瘫痪、生产过程终止。这种危险的集中式数字控制系统的结构很难为生产过程接受。集散控制系统（集散控制系统（DCS）：）：随着计算机可靠性的提高，价格的大幅下降，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、分散相结合的集散控制系统（集散控制系统（DCS）。DCS在功能和性能上较组合式模拟仪表、集中式数字控制系统有了很大的提高，可在此基础上实现
12、装置级、车间级的优化控制。但DCS仍然存在缺点，主要体现在缺点，主要体现在：在DCS形成过程中，由于受计算机系统早期存在的系统封闭这一缺陷的影响，各厂家的产品自成系统自成系统，不同厂家的设备不能互连不能互连，难以实现互换与互操作，并且在组成更大范围信息共享的网络系统时存在很多困难。新型的现场总线系统：新型的现场总线系统：现场总线系统克服了DCS中采用专用网络的缺陷，把基于封闭、专用封闭、专用的解决方案变成了基于公开化、标准化公开化、标准化的解决方案。即可以把来自不同厂商而遵守同一协议规范的自动化设备，通过现场总线网络连成系统，实现综合自动化的各种功能（就像带有网卡的戴尔、联想等品牌的计算机都能
13、连到同一个网络中一样）。同时，把DCS的模拟数字混合系统模拟数字混合系统的结构形式，变成了新型的全分布式网络结构形式全分布式网络结构形式。把控制功能彻底下放到现场控制功能彻底下放到现场，在生产现场实现PID等基本控制功能。1.1.2 现场总线系统适应了综合自动化的发展现场总线系统适应了综合自动化的发展需要需要 随着计算机技术和信息技术的飞速发展，20世纪末，全球市场逐渐形成全球市场逐渐形成，导致竞争加剧，要求产品的技术含量更高、更新换代更快。对处于全球市场中的工业生产提出了如下要求：加快新产品的开发，按市场需求调整产品的上市时间（上市时间（T，time to market）；改善质量（质量（Q
14、，quality）；降低成本（成本（C，cost）；不断完善售前售后服务（服务（S，service）。为适应市场竞争需要，在追求TQCS的过程中逐渐形成了计算机集成制造系统计算机集成制造系统。即采用系统集成、信息集成系统集成、信息集成的观点来组织工业生产。把市场、生产计划、制造过程、企业管理、售后服务看作需统一考虑的生产过程，并采用计算机、自动化、通信等技术来实现整个过程的综合自动化，以改善生产加工、管理决策等。在集成信息的基础上进一步优化资源配置与生产操作，增加产量，改善TQCS，提高企业的市场应变能力和竞争能力。由于计算机集成制造系统计算机集成制造系统把整个生产过程看作是信息的采集、传送及
15、加工处理过程，因而信息技术成为工业生产制造过程的重要因素。在计算机与网络技术基础上发展起来的现现场总线技术为计算机集成制造提供了条件场总线技术为计算机集成制造提供了条件。现场总线是实现整个生产过程信息集成，实施综合自动化的重要基础，能适应信息时代自动化系统智能化、网络化、综合自动化的发展需求。主要讨论：现场总线系统的结构特点现场总线系统的结构特点 现场总线系统的技术特点现场总线系统的技术特点 现场总线的优点现场总线的优点 现场总线的缺点现场总线的缺点 即从不同的角度讨论现场总线系统的特点。1.2 现场总线的特点现场总线的特点 1.2.1 现场总线系统的结构特点现场总线系统的结构特点 现场总线控
16、制系统与传统控制系统结构对比如下：由图能看出些什么？由上述结构图可看出现场总线系统的结构特点主要体现在：（1）传统模拟控制系统按控制回路进行连接。位于控制室的控制器与位于现场的测量变送器之间，控制器与位于现场的执行器、开关、马达之间均为一对一的物理连接一对一的物理连接。而在现场总线控制系统中，设备之间采用网络式连接网络式连接，各现场设备作为总线上的一个网络节点，同时各现场设备作为总线上的一个网络节点，同时挂接在一条总线上挂接在一条总线上。（2）现场总线系统中采用的是智能现场设备，因此能够把原先DCS中处于控制室的控制计算功能模块（如PID等）、输入输出功能模块（如AI、AO等）置入现场设备，加
17、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，因而控制系统的功能能够不依赖控制室的计算机或控制仪表而直接在现场完成，实现了彻底的分散控分散控制制。（3）由于采用数字信号替代模拟信号，因而可实现一对电线上传输多个信号一对电线上传输多个信号（包括多个运行参数值、多个设备状态、故障信息），同同时又为多个设备提供电源时又为多个设备提供电源；现场设备以外不再需要模拟/数字、数字/模拟转换部件。这样就为简化系统结构、节约硬件设备、节约连接电简化系统结构、节约硬件设备、节约连接电缆与各种安装、维护费用缆与各种安装、维护费用创造了条件。1.2.2 现场总线系统的技术特点现场总线系
18、统的技术特点 现场总线系统在技术上具有以下5个特点。（1）系统的开放性）系统的开放性 开放开放是指对相关规范的一致与公开，强调对标准的共识与遵从。系统的开放性系统的开放性体现在通信协议公开，不同厂商提供的设备之间可实现网络互连和信息交换。用户可按自己的需要，把来自不同供应商的产品组成适合控制应用需求的系统。现场总线的出现，就是要致力于建立统一建立统一的工厂底层网络的开放系统的工厂底层网络的开放系统。通过现场总线构构筑自动化领域的开放互连系统筑自动化领域的开放互连系统。（2）互可操作性）互可操作性 互可操作性，是指网络中互连的设备之间可实现数据信息传送与交换。如A设备可以接收B设备的数据，也可以
19、控制C设备的动作与所处状态。（3）通信的实时性与确定性）通信的实时性与确定性 许多测控任务都有严格的时序要求时序要求和实时实时性要求性要求。这就要求现场总线系统能提供相应的通信机制以满足控制系统的实时性要求。现场总线中的媒体访问控制机制、通信模式、网络管理与调度方式等影响通信实时性。（后面的章节将会述及这些内容）（4）现场设备的智能化与功能自治性）现场设备的智能化与功能自治性 智能化主要体现在现场设备的数字计算与数字通信能力。功能自治性功能自治性是指将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制计算等功能分散到现场设备，借助现场设备即可完成自动控制的基本功能，借助现场设备即可完成自动控制的基本功能，并
20、可随时诊断设备的运行状态并可随时诊断设备的运行状态。（5）对现场环境的适应性）对现场环境的适应性 现场总线工作在生产现场，应具有对现场环境的适应性。在高温、严寒、粉尘环境下能保持正常工作状态，具备抗震动、抗电磁干扰能力；在易燃易爆环境下能保证本质安全，有能力支持总线供电。上述技术特点是现场总线控制网络有别于现场总线控制网络有别于普通计算机网络普通计算机网络的重要方面。1.2.3 现场总线的优点现场总线的优点 现场总线的特点使现场总线控制系统在设计、安装、投运和检修维护方面都体现出了优优越性越性。（1）节省硬件数量与投资）节省硬件数量与投资 现场总线系统中，由于分散在现场的智能设备能直接执行多种
21、传感、控制、报警和计算功能（即功能自治性的技术特点），因而可减少变送器数量（不再需要单独的调节器、计算单元等），也不再需要DCS的信号调理、转换、隔离等功能单元及其复杂接线（因为在DCS中，测量变送仪表一般仍然为模拟仪表，控制计算功能模块（如PID等）和输入、输出功能模块（如AI、AO等）处于控制室），还可以用工控PC机作为操作站，从而节省硬件投资，并可减少控制室占地面积。（2）节省安装费用）节省安装费用 现场总线系统的接线简单，一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计与接头校对的工作量也大大减少。当需要增加现场控制设备时，可就近连接在原有的
22、电缆上而无需增设新的电缆，这既节省了投资，又减少了设计、安装的工作量。有关典型试验工程的测算资料表明，可节约安装费用60以上。（3）节省维护开销）节省维护开销 由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理能力并通过数字通信将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行和诊断维护信息，以便尽早分析故障原因并快速排除，减少了维护停工时间。同时，由于系统结构简化，连线简单而减少了维护工作量。（4）用户具有高度的系统集成主动权）用户具有高度的系统集成主动权 用户可自由选择不同厂商提供的设备来集成系统（系统具有开放性的技术特点），即系统集成过程中的主动权牢牢掌握在用户手中。（5）提高了系统的准确
23、性与可靠性）提高了系统的准确性与可靠性 与模拟信号相比，由于现场总线设备的智现场总线设备的智能化、数字化，能化、数字化，因此从根本上提高了测量与控制的精度，减少了传送误差。同时，由于系统结构简化，设备与连线减由于系统结构简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强少，现场仪表内部功能加强，因此减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。此外，由于设备的标准化，功能的模块化，因而现场总线系统还具有设计简单，易于重构设计简单，易于重构等优点。现场总线系统也存在问题问题：现场总线系统中，网络成为系统的一个组成部分。而网络通信中数据包的传输延时、通信系统的瞬时错误和数据包的丢失、各数据包发送与到达次序
24、的不一致等都有可能破坏传统有可能破坏传统控制系统原本具有的确定性控制系统原本具有的确定性，有可能对控制系统的性能产生负面影响。如何使控制网络满足控制系统对通信实时通信实时性、确定性性、确定性的要求是现场总线系统在设计和运行中应该关注的重要问题。1.3 以现场总线为基础的企业网络系统以现场总线为基础的企业网络系统 1.3.1 企业网络系统的基本组成企业网络系统的基本组成 以现场总线为基础的企业网络系统如下图所示。该系统按功能结构划分为三个层次系统按功能结构划分为三个层次，从底向上依次为：现场控制层（FCS，Field Control System）；制造执行层（MES，Manufacturing
25、 Execution System）；企业资源规划层（ERP，Enterprise Resource Planning）。各层之间的网络连接与信息交换，构成完整的企业网络。图中，ERP与与MES层大多采用以太网构成层大多采用以太网构成信息网络信息网络，网络节点多为各种计算机及外设，它们之间的网络集成、它们与外界互联网之间的信息交互解决得较好，信息集成相对容易信息集成相对容易。图中H1、PROFIBUS、LonWorks等现场总线网段与工厂现场设备连接，构成FCS，是企业网络的基础。目前FCS采用的控制网络种类较多，再加上DCS、PLC、SCADA等，控制网络从通信协议到网络节点类型都与数据网络
26、存在较大差异。这使得控制网络之间、控制控制网络之间、控制网络与外部互联网之间实现信息交换的难度加网络与外部互联网之间实现信息交换的难度加大，互联和互操作存在较多障碍大，互联和互操作存在较多障碍。根据前面的分析，企业网络系统各层次的信息传递示意如下图所示。该图可看成是前图的简化形式。从图中可见，除现场控制层FCS外，上面的ERP和MES都采用以太网。1.3.2 现场总线系统在企业网络中的作用现场总线系统在企业网络中的作用 早期企业网络系统的结构复杂，功能层次早期企业网络系统的结构复杂，功能层次较多，较多，包括从过程控制、监控、调度、计划、管理到经营决策等。随着互联网的发展和普及，企业网络系统随着
27、互联网的发展和普及，企业网络系统的结构层次趋于扁平化，同时对功能层次的划的结构层次趋于扁平化，同时对功能层次的划分也更为简化。底层分也更为简化。底层为控制网络所处的现场控制层(FCS)，最上层最上层为企业资源规划层(ERP)，而将传统概念上的监控、计划、管理、调度等多项控制与管理功能交错的部分，都包括在中中间间的制造执行层(MES)中。现场总线系统在企业网络中的作用作用主要是为自动化系统传递数字信息，借助现场总线把控制设备连成控制系统。通过现场总线传输的数字信息主要包括主要包括生产装置运行参数的测量值、控制量、阀门的工作位置、开关状态、报警状态、设备的资源与维护信息、系统组态、参数修改、零点量
28、程调校信息等。它们是企业信息的重要组成部分是企业信息的重要组成部分。企业的管控一体化系统需要控制信息的参与，生产的优化调度需要集成不同装置的生产数据。这些都需要需要在现场控制层内部，在FCS与制造执行层（MES）、企业资源规划层（ERP）各层间，方便地实现数据传输与信息共享。1.3.3 现场总线与上层网络的互联现场总线与上层网络的互联 由于现场总线所处的特殊环境及所承担的实时控制任务是普通局域网和以太网难以取代的，因而现场总线至今依然保持着它在现场控现场总线至今依然保持着它在现场控制层的地位和作用制层的地位和作用。但是，现场总线需要同上层的信息网络、与外界的互联网实现信息交换，以拓宽控制网络的
29、作用范围，实现企业的管控一体化。目前，现场总线与上层网络的连接方式一般有以下三种：一是采用专用网关完成不同通信协议的转一是采用专用网关完成不同通信协议的转换换，把现场总线网段或把现场总线网段或DCS连接到以太网中。连接到以太网中。下图给出了通过网关连接现场总线网段与上层网络的示意图。二是将现场总线网卡和以太网卡都置入工二是将现场总线网卡和以太网卡都置入工业业PC的的PCI插槽（广义上应该是插槽（广义上应该是PC的的IO总线插总线插槽）内，在槽）内，在PC内完成数据交换，内完成数据交换，如下图所示。三是将是将Web服务器直接置入服务器直接置入PLC或现场控或现场控制设备内，借助制设备内，借助We
30、b服务器和通用浏览工具服务器和通用浏览工具实现数据信息的动态交互实现数据信息的动态交互。这是互联网技术在生产现场直接应用的结果，但它需要有一直延伸到工厂底层的以太网支持。正是因为控制设备内嵌Web服务器，使得现场总线的设备有条件直接通向互联网，与外界直接沟通信息。而在这之前，现场总线设备是不能直接与外界沟通信息的。现场总线与上层信息网络的连接使互联网信息共享的范围延伸到设备层，同时也拓宽了测量控制系统的视野和工作范围，为实现跨地区的远程控制与远程故障诊断创造了条件。人们可以在千里之外查察看生产现场的运行状态，方便地实现偏远地段生产设备的无人值守，远程诊断生产过程或设备的故障，在办公室查询并操作家中的各类电器等设备。