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1、第第2 2章章 现场总线简介现场总线简介2.1.1 2.1.1 现场总线的产生现场总线的产生在过程控制领域中：在过程控制领域中：l从从20世纪世纪50年代至今一直都在使用着一种信号年代至今一直都在使用着一种信号标准，那就是标准，那就是4-20mA的模拟信号标准的模拟信号标准。l20世纪世纪70年代，年代，数字式计算机数字式计算机引入到引入到测控系统测控系统中，而此时的计算机提供的是集中式控制处理。中，而此时的计算机提供的是集中式控制处理。l20世纪世纪80年代，微处理器在控制领域得到应用，年代，微处理器在控制领域得到应用，微处理器被微处理器被嵌入到嵌入到各种仪器设备中各种仪器设备中，形成了分，
2、形成了分布式控制系统。布式控制系统。数字式智能化仪表数字式智能化仪表：l随着微处理器的发展和广泛应用；随着微处理器的发展和广泛应用；l具备自动量程转换、自动调零、自校正、自诊具备自动量程转换、自动调零、自校正、自诊断等功能，还能提供故障诊断、历史信息报告、断等功能，还能提供故障诊断、历史信息报告、状态报告、趋势图等功能。状态报告、趋势图等功能。2.1.1 2.1.1 现场总线的产生现场总线的产生l数字化信息的网络技术发展，要求仪表能在当数字化信息的网络技术发展，要求仪表能在当地处理信息，并在必要时允许被管理和访问，地处理信息，并在必要时允许被管理和访问，这些也这些也使现场仪表与上级控制系统的通
3、信量大使现场仪表与上级控制系统的通信量大增增。l另外，从实际应用的角度出发，控制界也不断另外，从实际应用的角度出发，控制界也不断在在控制精度、可操作性、可维护性、可移植性控制精度、可操作性、可维护性、可移植性等方面提出新需求。由此，导致了等方面提出新需求。由此，导致了现场总线的现场总线的产生产生。2.1.1 2.1.1 现场总线的产生现场总线的产生2.1.2 2.1.2 现场总线的发展现场总线的发展从现场设备仪表的发展来看，控制系统经历了从现场设备仪表的发展来看，控制系统经历了:l基地式仪表控制系统基地式仪表控制系统l单元组合式模拟仪表控制系统单元组合式模拟仪表控制系统l集中式数字控制系统集中
4、式数字控制系统l集散控制系统集散控制系统DCS、PLCl现场总线系统现场总线系统 各阶段测控仪表能力指数各阶段测控仪表能力指数 现场总线开放标准数字DCS电动单元气动、模拟模拟按回路运行 按过程运行过程优化管控一体化五十年代 1960 1980 1998数字/模拟混合测控能力指数 2.1.4 2.1.4 现场总线控制系统结构现场总线控制系统结构2.2 2.2 现场总线的概念及分类现场总线的概念及分类2.2.1 2.2.1 现场总线的定义现场总线的定义(四种四种)：l用于现场仪表与控制主机系统之间的一种用于现场仪表与控制主机系统之间的一种开放开放的、的、全数字化全数字化的、的、双向双向、多站多站
5、的通信系统；的通信系统；l广义上是控制系统与现场检测仪表、执行装置广义上是控制系统与现场检测仪表、执行装置进行双向数字通信的串行总线系统；进行双向数字通信的串行总线系统；l基于智能化仪表及现场总线的控制系统基于智能化仪表及现场总线的控制系统FCSFCS；l一种数字化的串行双向通信系统。一种数字化的串行双向通信系统。2.2.2 IEC2.2.2 IEC定义定义l一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备与控制装置之间进行双向、串行、多节点、设备与控制装置之间进行双向、串行、多节点、数字式的数据交换的通信技术。数字式的数据交换的通信技术。现场总线控制系统现
6、场总线控制系统FCSFCSu采用开放式数字通信网络采用开放式数字通信网络l突破突破DCS中的专用通信网络结构中的专用通信网络结构u网络集成的测量控制系统网络集成的测量控制系统l单个分散的测量控制单个分散的测量控制设备设备变成网络变成网络节点节点l以现场总线为纽带以现场总线为纽带l构成共同完成任务的构成共同完成任务的网络系统网络系统与与控制系统控制系统l实现现场测量控制设备之间的信息共享实现现场测量控制设备之间的信息共享 与与DCSDCS的详细对比的详细对比FCSFCSDCSDCS(1)(1)结构结构 一对多一对多：一对传输线：一对传输线接多台仪表，接多台仪表，双向双向传传输多个信号。输多个信号
7、。一对一一对一：一对传输线接：一对传输线接一台仪表，一台仪表，单向单向传输一传输一个信号。个信号。(2)(2)可靠性可靠性可靠性好：数字信号可靠性好：数字信号传输传输抗干扰能力强抗干扰能力强，精度高精度高。可靠性差：模拟信号传可靠性差：模拟信号传输不仅输不仅精度低精度低，而且容，而且容易易受干扰受干扰。与与DCSDCS详细对比（续）详细对比（续）FCSFCSDCSDCS（3 3）失控失控状态状态操作员在控制室既可以了操作员在控制室既可以了解现场设备过现场仪表的解现场设备过现场仪表的工作情况，也能对设备进工作情况，也能对设备进行参数调整，还可以预测行参数调整，还可以预测或寻找故障，使设备始终或寻
8、找故障，使设备始终处于操作员的处于操作员的过程监控与过程监控与可控状态可控状态之中。之中。操作员在控制室既不操作员在控制室既不了解模拟仪表的工作了解模拟仪表的工作情况，也不能对其进情况，也不能对其进行参数调整，更不能行参数调整，更不能预测故障，导致操作预测故障，导致操作员对仪表处于员对仪表处于“失控失控”状态状态。（4 4）控制控制控制功能分散在各个智能控制功能分散在各个智能仪器中。仪器中。所有的控制功能集中所有的控制功能集中在控制站中。在控制站中。与与DCSDCS详细对比（续）详细对比（续）FCSFCSDCSDCS（5 5）互换性互换性用户可以自由选择不同制用户可以自由选择不同制造事故内提供
9、的性能价格造事故内提供的性能价格比最优的现场设备和仪表，比最优的现场设备和仪表，并将不同品牌的仪表互连，并将不同品牌的仪表互连，实现实现“即插即用即插即用”。尽管模拟仪表统一了信尽管模拟仪表统一了信号标准（号标准（420mA DC420mA DC），），可是大部分技术参数仍可是大部分技术参数仍由制造厂自定，致使不由制造厂自定，致使不同品牌的仪表同品牌的仪表不能互换不能互换。（6 6）仪表仪表智能仪表除了具有模拟仪智能仪表除了具有模拟仪表的检测、变换、补偿等表的检测、变换、补偿等功能外，还具有数字通信功能外，还具有数字通信能力，并且具有能力，并且具有控制和运控制和运算算能力。能力。模拟仪表只具有
10、检测、模拟仪表只具有检测、变换、补偿等功能。变换、补偿等功能。现场总线的技术特点现场总线的技术特点l全数字通信全数字通信l多分支结构多分支结构l系统的开放性系统的开放性l互可操作性与互用性互可操作性与互用性l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l系统结构的高度分散性系统结构的高度分散性l对现场环境的适应性对现场环境的适应性 全数字通信全数字通信u抗干扰能力和鲁棒性都比较高，传输精度也得抗干扰能力和鲁棒性都比较高，传输精度也得到显著提高到显著提高l信号的检错、纠错机制得以实现信号的检错、纠错机制得以实现u可进行多参数传输，消除模拟信号的传输瓶颈可进行多参数传输，消除模拟信号的
11、传输瓶颈l现场设备的测量、控制信息以及其他非控制信息如现场设备的测量、控制信息以及其他非控制信息如设备类型、型号、厂商信息、量程、设备运行状态设备类型、型号、厂商信息、量程、设备运行状态等都可以通过一对导线传输到现场总线网络上的任等都可以通过一对导线传输到现场总线网络上的任何智能设备，如中央控制器等。何智能设备，如中央控制器等。设备状态可控设备状态可控l操作员在控制室即可了解现场设备或现场仪表操作员在控制室即可了解现场设备或现场仪表的工作状况的工作状况l可对现场设备进行工艺参数调整、零点量程调可对现场设备进行工艺参数调整、零点量程调校、组态信息调整等校、组态信息调整等l通过对现场设备状态趋势分
12、析预测故障通过对现场设备状态趋势分析预测故障l发生故障时能发生故障时能及时找到故障点及时找到故障点，替换，替换新的设备，新的设备，即：现场设备始终处于操作员的远程监视与可即：现场设备始终处于操作员的远程监视与可控状态，提高了系统的可靠性和可维护性。控状态，提高了系统的可靠性和可维护性。一对多的总线型结构一对多的总线型结构u现场总线是多分支结构，其网络拓扑可为总线现场总线是多分支结构，其网络拓扑可为总线型、星型、树形等多种形式，以型、星型、树形等多种形式，以总线型为主总线型为主。l传统控制系统中设备的连接都是一对一的传统控制系统中设备的连接都是一对一的u布线简单，工程安装周期缩短、维护也很方便布
13、线简单，工程安装周期缩短、维护也很方便u很强的系统扩展性很强的系统扩展性l主机能自动识别设备的增加或删减主机能自动识别设备的增加或删减l无需架设新的线缆无需架设新的线缆l无需系统停机无需系统停机 互换与互可操作互换与互可操作u不同设备间，除了能实现信息互访外，还能不同设备间，除了能实现信息互访外，还能理理解信息解信息的含义，并能根据信息要求进行操作的含义，并能根据信息要求进行操作u不同厂家的相同类型的设备可以互相替换不同厂家的相同类型的设备可以互相替换u可统一组态，无需专用的驱动程序可统一组态，无需专用的驱动程序u解决了设备的垄断性和产品故障处理的时效性解决了设备的垄断性和产品故障处理的时效性
14、u为系统集成的自主性提供了产品保障为系统集成的自主性提供了产品保障l用户可选择性价比高的产品用户可选择性价比高的产品 现场设备的智能化与综合功能现场设备的智能化与综合功能l测量，包括多变量测量与处理测量，包括多变量测量与处理l多参数补偿多参数补偿l工程量处理工程量处理l设备自诊断设备自诊断l设备状态的控制设备状态的控制l控制算法可在现场设备中实现控制算法可在现场设备中实现l根据远程命令进行仪表调校根据远程命令进行仪表调校集多种功能于一身，一表多用集多种功能于一身，一表多用 分散控制分散控制l由网络构成控制系统由网络构成控制系统l信号的测量、控制算法、控制信信号的测量、控制算法、控制信号的输出等
15、全部在现场实现，无号的输出等全部在现场实现，无需主机参与需主机参与l实现了完全分散实现了完全分散基于现场总线的分布式网络控制系统基于现场总线的分布式网络控制系统2.32.3现场总线的优点现场总线的优点（1 1）FCSFCS实现全数字化通信实现全数字化通信lDCSDCS采用层次化的体系结构，通信网络分布于各层并采采用层次化的体系结构，通信网络分布于各层并采用数字通信方式，唯有生产现场层的常规模拟仪表仍用数字通信方式，唯有生产现场层的常规模拟仪表仍然是然是对一模拟信号对一模拟信号(如如4 420 mA DC)20 mA DC)传输方式，因此传输方式，因此DCSDCS是一个是一个“半数字信号半数字信
16、号”系统系统。lFCSFCS采用全数字化、双向传输的通信方式采用全数字化、双向传输的通信方式。从最底层的。从最底层的传感器、变送器和执行器就采用现场总线网络，逐层传感器、变送器和执行器就采用现场总线网络，逐层向上直到最高层均为通信网络互联。多条分支通信线向上直到最高层均为通信网络互联。多条分支通信线延伸到生产现场，用来连接现场数字仪表，采用一对延伸到生产现场，用来连接现场数字仪表，采用一对N N连接。连接。（2 2）FCSFCS实现彻底的全分散式控制实现彻底的全分散式控制l在在DCS中，生产现场的多台模拟仪表集中接于输入中，生产现场的多台模拟仪表集中接于输入输出单元，每台仪表只有单一的信号变换
17、功能，而与输出单元，每台仪表只有单一的信号变换功能，而与控制有关的输入、输出、控制、运算等功能块都集中控制有关的输入、输出、控制、运算等功能块都集中于于DCS的控制站内。从这个意义上讲，的控制站内。从这个意义上讲，DCS只是一个只是一个“半分散半分散”系统系统。lFCS放弃放弃了了DCS的的I/O单元单元，由现场仪表取而代之，即，由现场仪表取而代之，即把把DCS控制站的功能化整为零，控制站的功能化整为零，功能块分散地分配给功能块分散地分配给现场总线上的数字仪表。从而构成虚拟控制站，实现现场总线上的数字仪表。从而构成虚拟控制站，实现彻底的分散控制彻底的分散控制。（3 3）FCSFCS实现不同厂商
18、产品互联、互操作实现不同厂商产品互联、互操作lDCSDCS系统的硬件、软件甚至现场级设备都是各制造商自系统的硬件、软件甚至现场级设备都是各制造商自行研制开发的，不同厂商的产品由于通信协议的专有行研制开发的，不同厂商的产品由于通信协议的专有与不兼容，彼此难以互联、互操作。而与不兼容，彼此难以互联、互操作。而FCSFCS的现场设备的现场设备只要采用同一总线标准，不同厂商的产品既可互联也只要采用同一总线标准，不同厂商的产品既可互联也可互换，并可以统一组态可互换，并可以统一组态，从而彻底改变传统，从而彻底改变传统DCSDCS控制控制层的封闭性和专用性。层的封闭性和专用性。FCSFCS允许用户选用各制造
19、商性能允许用户选用各制造商性能价格比最优的产品集成控制系统，因而具有很好的可价格比最优的产品集成控制系统，因而具有很好的可集成性。集成性。（4 4）FCSFCS增强系统的可靠性、可维护性增强系统的可靠性、可维护性lFCS采用总线连接方式采用总线连接方式替代传统的替代传统的DCS一对一的一对一的I/O连连线，对于大规模的线，对于大规模的I/O系统来说，系统来说，减少了减少了DCS由由接线点接线点造成的不可靠因素。同时，造成的不可靠因素。同时，数字化的现场设备数字化的现场设备替代模替代模拟仪表，拟仪表，FCS具有现场设备的在线故障诊断、报警、具有现场设备的在线故障诊断、报警、记录功能，可完成现场设
20、备的远程参数设定、参数修记录功能，可完成现场设备的远程参数设定、参数修改等工作，因而增强系统的可维护性。改等工作，因而增强系统的可维护性。（5）FCS降低系统工程成本降低系统工程成本lFCS对于大范围、大规模分布式控制系统来说，对于大范围、大规模分布式控制系统来说，节省节省了电缆、了电缆、I/O装置及电缆敷设费用装置及电缆敷设费用。以每。以每23台现场仪台现场仪表接到一根电缆计算，平均可减少表接到一根电缆计算，平均可减少1/2到到2/3的输入输出的输入输出卡、输入输出柜和隔离器等。因此，现场总线仪表与卡、输入输出柜和隔离器等。因此，现场总线仪表与控制室间的电缆连接和安装等费用估计可节约控制室间
21、的电缆连接和安装等费用估计可节约50。2.42.4现场总线标准的制定现场总线标准的制定现有的现场总线国际标准现有的现场总线国际标准 2004 2004年年4 4月，月，IECIEC公布了现场总线标准第三版公布了现场总线标准第三版（即（即IEC61158 EdIEC61158 Ed3 3），规定了），规定了1010种类型的现种类型的现场总线，分别是：场总线，分别是：lType1 TS61158 Type1 TS61158 现场总线现场总线lType2 ControlNet Type2 ControlNet 和和 Ethernet/IP Ethernet/IP 现场总线现场总线lType3 Pro
22、fibusType3 Profibus现场总线现场总线lType4 P-NETType4 P-NET现场总线现场总线 现有的现场总线国家标准（续）现有的现场总线国家标准（续）lType5 FF HSEType5 FF HSE现场总线现场总线lType6 Swift-Net Type6 Swift-Net 现场总线现场总线lType7 WorldFIPType7 WorldFIP现场总线现场总线lType8 INTERBUSType8 INTERBUS现场总线现场总线lType9 FF H1Type9 FF H1现场总线现场总线lType10 PROFInetType10 PROFInet现场总
23、线现场总线 主要的现场总线比较主要的现场总线比较产生多标准的原因产生多标准的原因l各种现场总线都是受国际上一些处于各种现场总线都是受国际上一些处于垄断垄断地位的跨国地位的跨国大公司所支持。大公司所支持。l跨国大公司为了他们的长远利益和保持他们的垄断地跨国大公司为了他们的长远利益和保持他们的垄断地位又不得不去开发现场总线，以领导新潮流。位又不得不去开发现场总线，以领导新潮流。l有的公司早期投人大量资金使得产品间世较早。有的公司早期投人大量资金使得产品间世较早。l一些小国家在技术上和经济上很大程度地依赖于一些一些小国家在技术上和经济上很大程度地依赖于一些跨国的大公司。跨国的大公司。lIECIEC是
24、多极化的组织，其代表都来自各个国家的一些大是多极化的组织，其代表都来自各个国家的一些大公司，不可避免地出现斗争的复杂性和反复性。公司，不可避免地出现斗争的复杂性和反复性。2.52.5现场总线的现状现场总线的现状l多种总线多种总线共存共存l每种总线各有其应用领域每种总线各有其应用领域l每种总线各有其国际组织每种总线各有其国际组织l每种总线均有其支持背景每种总线均有其支持背景l设备制造商参加多个总线组织设备制造商参加多个总线组织l多种总线均作为国家和地区标准多种总线均作为国家和地区标准l协调共存协调共存l工业以太网引入工业领域工业以太网引入工业领域 国内现场总线研究国内现场总线研究l国内起步较晚，
25、但在积极追赶国内起步较晚，但在积极追赶 电动单元仪表集散控制系统现场总线控制系统国外6070年代7080年代90年代7080年代90年代初90年代中后期国内10+年国内应用现状国内应用现状l已应用了一些各种现场总线标准的智能设备，已应用了一些各种现场总线标准的智能设备，但没有充分发挥它们的优越性。但没有充分发挥它们的优越性。l传统信号仍占约传统信号仍占约95%95%比重，控制系统的研究必比重，控制系统的研究必须符合这个现实应用要求。须符合这个现实应用要求。l现场总线具有优越性，并被工业应用领域所接现场总线具有优越性，并被工业应用领域所接受，技术革新的呼声很高。受，技术革新的呼声很高。国内研究现
26、状国内研究现状l要求尽快开发出具有自主版权的新一代现场总要求尽快开发出具有自主版权的新一代现场总线控制系统。线控制系统。l国内控制领域专家早就关注现场总线的发展国内控制领域专家早就关注现场总线的发展l国内尚未有自己的现场总线，还只是进行跟踪国内尚未有自己的现场总线，还只是进行跟踪性的研究开发性的研究开发 国内现场总线发展国内现场总线发展u国家从国家从“九五九五”开始支持现场总线的研究开发开始支持现场总线的研究开发l“96-749”96-749”、“96-728”96-728”等等l浙大中控、北京华控、中科院沈阳所等浙大中控、北京华控、中科院沈阳所等l形成了一大批成果形成了一大批成果u但大规模的产品和应用尚未形成但大规模的产品和应用尚未形成