（模式识别与智能系统专业论文）现场总线profibus协议研究及其终端仪表技术实现(1).pdf

重庆入学硕士学位论文 中文摘要 摘要 工业生产过程中，由于生产规模日益扩大，生产工艺目趋复杂，需要测量、 控制的工艺参数愈来愈多，必须采用先进的工业过程控制系统及智能仪表来实现 生产过程自动化。而迅速有效地收集和传送现场的生产与管理数据，及时、准确、 可靠地获得现场设备的各种信息则是现代控制系统的基本要求。为此，需要将现 场的控制计算机、p l c 等智能程度高、处理速度快的控制设备以及各种智能设备 和智能传感器连接起来。 随着信息技术的飞速发展，工业自动化系统结构的深刻变革。信息交换的范 围也迅速覆盖从工厂的管理、控制到现场设备的各个层次，并逐步形成了全分布 式网络集成自动化系统和以此为基础的企业信息系统。现场总线技术正是一项适 应这种需要的革命性新技术，这一技术在自动化领域受到了广泛关注并将成为自 动化领域的发展方向。 现场总线是安装在生产过程区域的现场设备、仪表与控制室内的自动控制装 置、系统之间的一种串行、数字式、多点通信的数据总线。它位于生产控制和网 络结构的底层，与工厂现场设备直接连接，一方面将现场测量控制设备互连为通 信网络，实现不同网段、不同现场通信设备之问的信息共享；另一方面又将现场 运行的各种信息传到远离现场的控制室，并进一步与操作终端、上层控制管理网 络连接和信息共享。从而沟通了生产过程现场级控制设备之间及其与更高控制管 理层之间的联系。现场总线在制造业、流程工业、冶金、电力、交通、楼宇等自 动化系统中有着广泛的应用前景。 本文通过研究现场总线的发展，将现场总线p r o f i b u s 作为主要研究目标。 p r o f i b u s 是目前国际上通用的现场总线标准之一，以其独特的技术特点、严格的 认证规范、开放的标准、众多厂商的支持和不断发展的应用行规，已成为最重要 的现场总线标准。 对p r o f i b u s 的研究目的在于开发基于p r o f i b u s 的智能仪表。本文主要在对 p r o f i b u s 的协议和工作原理进行研究后，深入理解p r o f i b u s p a 行规，从行规中选 择出与相关智能仪表有关的参数，为智能仪表的软硬件开发提供技术支持。 关键词：现场总线，智能仪表，p r o f i b u s ，p r o f i u b s p a ，行规 ! i 堕盔堂堡主兰堡笙塞 薹壅塑鐾 a b s t r a c t ht h ep r o c e s so ft h ei n d u s t r i a lp r o d u c t i o n o w i n gt ot h ei n c r e a s i n ge x p a n s i o no f t h ep r o d u c t i o ns c a l e , t h eg r o w i n gc o m p l e x i t yo ft h ep r o d u c t i o nc r a f ta n dt h em a j o r i t y o f 出ec r a f tr e i c e f e f l c en u m b e rt om e a s u r ea n dc o n t r 0 1 t h ea u t o m a t i o no ft h ep r o d u c t i o n p r o c e s sm u s tb er e a l i z e db ya d o p t i n gt h ep r o g r e s s i v ei n d u s t r i a lp r o c e s sc o n t r o ls y s t e m a n dt h ei n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t t h ec a r d i n a lr e q u i r e m e n t so ft h ec o n t e m p o r a r yc o n t r o l s y s t e ma r et or a p i d l ya n de f f i c i e n t l yc o l l e c ta n dt r a n s x m tt h ef i e l dp r o d u c t i o nd a t aa n d t h em a n a g e r i a ld a t a , op r o m p t l ya n d p r e c i s e l ya c h i e v et h ev a r i e t yo fi n f o r m a t i o nf r o m t h ef i e l df a c i l i t i e s t h e r e f o r e ，t h eh i g h - i n t e l l i g e n t , h i g h s p e e d i n g p r o c e s s i n gc o n t r o l f a c i l i t i e s ，l i k et h ef i e l dc o n t r o lc o m p u t e ra n dp l ce t c ，a n dt h ev a r i e t yo ft h ei n t e l l i g e n t e q u i p m e n t , o rt h ei n t e l l i g e n tt r a n s d u c e rs h o u l db ei n t e r c o n n e c t e d w i t ht h es w i f tg r o w t ho fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h ep r o f o u n dr e v o l u t i o no f t h ei n d u s t r i a la u t o m a t i o ns y s t e mf l a m e ，t h es c o p eo ft h ei n f o r m a t i o ne x c h a n g ea l s o r a p i d l yc o v e r se v e r yl e v e lf r o mt h et o t a l b r a n c h e d - n e t w o r kc o l l e c t i v ea u t o m a t i o n s y s t e ma n de n t e r p r i s ei n f o r m a t i o ns y s t e mb a s e d o nt h ef o r m e r t h ef i e l d b u s t e c h n o l o g y , w h i c hc a l l sa ne x t e n s i v ea t t e n t i o nt oi t s e l fi nt h ea u t o m a t i o nw o r l da n dw i l l b e c o m et h ed e v e l o p i n gt r e n di n t h a tw o r l d ，i st h ef i g h tr e v o l u t i o n a r yt e c h n o l o g y a d j u s 血gt ot h en e c e s s a r y t h ef i e l d b u si st h ek i n do fs e r i a l ，d i g i t a la n dm u l t y p o i n t sd a t ab u sa m o n gt h e f i e l df a c i l i t i e s ，i n w u m e n ta n dt h ea u t o c o n t r o le q u i p m e n ts y s t e mi nt h ec o n t r o lr o o m e q u i p p e di nt h ep r o d u c t i o np r o c e s sf i e l d t h ef i e l d b u si sl o c a t e da tt h eb a s el a y e ro f t h ep r o d u c t i o nc o n l r o la n dn e t w o r kf r a m ea n di sd i r e c t l yc o n n e c t e dw i t ht h ef a c t o r y f i e l df a c i l i t i e s ；f o ro n et h i n g t l l ef i e l dm e a s u r e m e n tc o n t r o lf a c i l i t i e sw o u l db e i n t e r c o n n e c t e dt or e m a i nac o m m u n i c a t i o nn e t w o r ks ot h a tt h ei n f o r m a t i o nb e t w e e n t h ed i f f e r e n tn e t b a n da n dt h ed i f f e r e n tf i e l dc o m m u n i c a t i o nf a c i l i t i e sc o u l db es h a r e d f o ra n o t h e r , t h ev a r i e t yo ft h er u n n i n gi n f o r m a t i o no nt h es p o tw o u l db et r a n s m i t t e dt o t h ec o n t r o lr o o mf a rf r o mt h es p o ta n dt h e nc o n n e c t e dw i t ht h ec o n t r o lt e r m i n a l sa n d t h eh i g h 1 e v e lc o n t r o l m a n a g e dn e t w o r kt or e a l i z ei n f o r m a t i o ns h a r e ，s ot h a tt h e r e l a t i o nb e t w e e nt h ef i e l dc o n t r o lf a c i l i t i e so ft h ep r o d u c t i o np r o c e s sa n dt h e h i g h e r ，c o n t r o l l e da d m i n i s t r a t i v el e v e lc o u l dm u t u a l l yb eu n d e r s t o o d 。t h ef i e l d b u si n t h ea u t o m a t i o ns y s t e ml i k em a n u f a c t u r i n g ，f l o wi n d u s t r y , m e t a l l u r g y , e l e c t r i c i t y , t r a n s p o r t a t i o na n db u i l d i n ge t c ，r e m a i na l le x t e n s i v ea p p l i c a t i o nf u t u r e 重庆大学硕士学何论文 英文摘要 t h r o l l l 曲t h es t u d yt o w a r dt h ef i e l d b u s d e v e l o p m e n ti nt h es u b j e c t ，t h ep r o f i b u s i sc o n s i d e r e da st h em a i ns t u d yg o a l a tt h e p r e s e n t ，t h ep r o f i b u si s o n eo ft h e i n t e m a t i o n a i l ya p p l i c a b l ef i e l d b u ss t a n d a r d s f a m o u sf o ri t su n i q u et e c h n o l o g y c h a r a c t e r i s t i c ，s e v e r e l ya c c r e d i t e dr u l e ，o p e nc r i t e r i o n ，t h es u p p o r t so ft h em a j o r i t yo f f a c t o r ym e r c h a n ta n dt h ec o n t i n u o u s l yd e v e l o p i n ga p p l i c a t i o np r o f i l e ，t h ep r o f i b u sh a s b e e nt h em o s ti m p o r t a n tf i e l d b u s s t a n d a r d s t h es t u d yt o w a r dt h ep r o f i b u sa i m st od e v e l o pt h ei n t e l l i g e n ti n t r u m e n tb a s e do n t h ep r o f i b u s a f t e rs t u d ym a i n l yt o w a r dt h ep r o f i b u s p r o t o c o la n dt h er u n n i n g p r i n c i p l ei nt h es u b j e c t t h ep r o f o u n du n d e r s t a n d i n go ft h ep r o f i b u s p ap r o f i l ec o u l d b ea c h i e v e df r o mw h i c hw ec o u l dp i c ko u tt h er e f e r e n c en u m b e rr e l a t e dt ot h e i n t e l l i g e n ti n s t r u m e n ta n ds u p p l yt e c h n o l o g ys u p p o r tf o rt h es o f t w a r ea n dh a d w r e d e v e l o p m e n to ft h ei n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t k e y w o r d s ：f i e l d b u s ，i n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t , p r o f i b u s ，p r o f i u b s p a ，p r o f i l e m 重庆人学硕士学位论文 1 引言 1 引言 自从地球上有了人类，人类就没有停止过对科学技术进步的追求，并不断地 在科技进步中实现社会生产力的巨大飞跃。在当代，随着计算机技术、通信技术 和微电子技术的迅猛发展，及其相互间的渗透与结合，使信息技术得到了高速发 展，并将人类社会带入信息社会。在信息社会中，信息是一项重要的生产要素和 资本，在社会各行各业的生存和发展中发挥着巨大的作用，世界各国的许多知名 企业都把加强信息基础建设放在企业经营发展战略的重要位置，力求加快自身信 息化建设的步伐。因此，企业信息化是企业在2 】世纪中信息经济取得成功的关键 因素之一。 在信息技术飞速发展的同时，自动化领域也发生了深刻的技术变革，产生了 自动化领域的开放系统互联通信网络现场总线控制网络，形成了全分布式网 络集成自动化系统。由现场总线构成的控制系统成为工业企业网中控制网络的典 型模式。现场总线控制系统( f i e l d u sc o n t r o ls y s t e m ，f c s ) 利用现场总线这一开 放的、具有互操作性的网络将现场各控制器及仪表设备互连，构成现场总线控制 系统，同时控制功能彻底下放到现场，降低了安装成本和维护费用，为实现企业 “综合自动化”奠定了现场级的过程控制基础。基于计算机网络技术、现场总线 技术、控制系统技术等融合的现场总线控制网络技术，属于综合性、实用性技术， 网此现场总线控制技术已经成为世界上新的控制技术热点和智能系统的一种新技 术基础，被誉为新世纪的自控技术。 基于现场总线的控制系统是一个开放的，全分布的通信网络，它作为智能设 备的联系纽带，把挂接在总线上、作为网络节点的智能设备连接成网络系统，并 通过组态进一步构成自动化系统，实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、 显示、优化和测量、控制管理一体化的综合自动化功能。由于大规模集成电 路的发展，许多传感器、执行机构、驱动装置等现场设备智能化，即内嵌c p u 控 制器，完成诸如线性化、量程转换、数字滤波甚至四路调节等功能。因此，对于 这些智能现场设备增加一个串行数据接口( 如r s 4 8 5 r s 2 3 2 ) 是非常方便的。有 了这样的接口，控制器就可以按其规定协议，通过串行通信方式而不是i o 方式 完成对现场设备的监控。如果全部或大部分现场设备都具有了串行通信接口，并 具有统一的通信协议，控制器只需要一根通信电缆就可以把分散的现场设备连接 起来，完成对所有现场设备的监控，这就是现场总线技术的思想。 现场总线技术是当前全球性的变革技术，开发基于现场总线标准的自动化仪 器仪表，是我国仪器仪表产业的发展是一次极好的机会。本研究就是利用符合 重庆大学硕士学位论文 1 引言 i e c 6 1 1 5 8 国际标准的现场总线p r o f i b u s 技术，开发智能仪表。希望通过项目实施， 一方面可以为全面更新和替代我国目前以模拟数字混合技术为主的仪器仪表主导 产品作出一点努力。另一方面也为推进我国新一代工业自动化控制系统和智能仪 表产业化进程，缩小与国际自动化技术水准的差距，加速行业技术进步作出贡献。 重庆大学硕士学位论文 2 研究的目的及意义 2 研究的目的及意义 工业自动化控制系统及智能仪表己广泛用于冶金、电力、石油、化工、煤炭、 机械、轻工、纺织、医药、环境保护、农业等国民经济部门。国内对工业自动化 控制系统及智能仪表的研究方兴未艾，本章在简单介绍智能仪表的发展状况的基 础上，分析进行基于现场总线的智能仪表的研究的意义，并论述本课题的研究方 法，提出本课题的研究目的和内容。 2 1 智能仪表的发展状况 随着计算机技术、控制技术、通信技术及c r t 技术的不断进步，d c s 向集 成化、综合化、智能化方向发展，迫切需要开放、可靠、易用、经济的工业控制 网络，并能达到信息广泛共享、管理控制的一体化。而智能变送器和其它智能仪 表的发展和广泛应用，使得有必要采用数字通信取代原有的4 m a 2 0 m a 信号传 递。于是针对智能仪表和其它自动化设备建立数字化、双向和多支的工业通信控 制网络被提到了日程上。从8 0 年代起，现场总线作为新型工业通信控制网络便应 运而生，并在控制领域内引起了一场前所末有的革命。 现场总线工业过程控制系统及智能仪表是一项高科技产业。而现场总线技术 又是构成现场总线工业过程控制系统及智能仪表的关键技术。现场总线技术是建 立在传感器技术，微电子技术，计算机通信技术基础之上的新技术。构成现场总 线网络系统的前提条件是现场级设备必须做到智能化，低功耗，有串行通信功能 且通信协议必须符合相关标准。现场总线技术的引入不仅提高了现场级设备的整 体性能和可靠性，而且还大大节省了系统的安装设计和施工布线费用，更加便于 系统的管理和维护。现场总线技术代表了自动化发展的方向，是工业现场级设备 通信的一场数字化革命。通过现场总线技术可实现自动化产品的全面更新换代， 并进而将对整个产业界带来潜在的巨大经济效益，因而引起了广泛的关注，成为 全世晃自动化技术发展的热点。也是我国实施新型工业化的重要技术装备和手段。 基于现场总线的关键性，符合现场总线协议国际标准的智能仪表是目前国际 工业自动化的带动性产品，是过程工业自动化的发展方向，国外以平均每年3 0 的增长率发展。过去几年，我国每年进口各类工业自动化控制仪表及装置都占当 年仪器仪表进口总额的2 5 以上。随着我国工业界对工业过程自动化和管控一体 化、系统开放性、可互操作性、仪表智能化功能的要求逐年增加，特别是今后一 段时间，国内将实施大量的大型工程项目，如：钢铁、石油、化工、能源、输油 输气管线、环保等，这些重点工程的新建和技术改造使现场总线工业过程控制系 里星型苎堡堂焦丝壅 ! 堡塞塑旦塑丝童墨 统及智能仪表的需求将大量增加。 工业生产过程中，由于生产规模目益扩大，生产工艺日趋复杂、需要测量、 控制的工艺参数愈来愈多，必须采用先进的现场总线工业过程控制系统及智能仪 表来实现生产过程自动化。例如年产3 0 0 万吨钢的钢铁企业，约需1 5 套工业控制 系统，2 0 0 套程控器，6 万台过程检测控制仪表。3 0 0 m w 火力发电机组约需2 2 0 个品种、6 8 0 0 台过程检测控制仪表。年产3 0 万吨乙烯的石油化工企业约需2 8 万台过程检测控制仪表。年产3 0 万吨合成氨化工企业约需3 7 0 0 台过程检测控制 仪表。 国家有关部委提出的工业过程自动化高技术产业专项实施方案中，其发展目 标是：到2 0 0 3 年，国产控制系统、装置、软件及仪表能形成2 0 0 亿以上的销售额， 占领国内3 0 市场分额。在“十五”计划结束时，初步形成年销售4 0 0 亿，占领 国内5 0 市场分额的新产业。 依据仪器仪表行业“十五”发展规划，机械系统仪器仪表行业的工业总产值 和销售额年平均增长率为1 0 左右，到2 0 0 5 年，工业总产值达到6 0 0 亿元，国 内市场占有率达到5 0 以上。其中，智能化仪器仪表及控制系统将占3 0 左右， 达到1 8 0 亿元。 据行业调查资料预测，到2 0 0 5 年，智能压力差压变送器接近1 5 万台，市场 占有率达到7 0 ；国产智能阀门定位器年产6 万台，市场占有率达到6 0 ；国产 智能电动执行器年产1 5 万台，市场占有率达到6 0 ；现场总线工业控制系统年 产5 0 0 套，市场占有率达到5 0 。 2 2 基于现场总线标准智能仪表的研究意义 迅速有效地收集和传送现场的生产与管理数据，及时、准确、可靠地获得现 场设备的各种信息则是现代控制系统的基本要求。为此，需要将现场的控制计算 机、p l c 等智能程度高、处理速度快的控制设备以及各种智能设备和智能传感器 连接起来。现场总线技术正是一项适应这种需要的革命性新技术，这一技术在自 动化领域受到了广泛关注并将成为自动化领域的发展方向。全球已有一百多家著 名的公司投入了大量的人力和财力在这领域展开了激烈的竞争。现场总线技术 在全球工业自动化领域被称为是工业自动化技术的一场革命。通过现场总线技术 可实现自动化产品的全面更新换代，并进而将对整个产业界带来潜在的巨大经济 效益，因而引起了广泛的关注，成为全世界自动化技术发展的热点。也是我国实 施新型工业化的重要技术装备和手段。 随着电子技术、通信技术和计算机技术的发展，过程检测控制仪表的发展趋 势是数字化、智能化和网络化，可以毫不夸张地说，过程检测控制仪表的发展水 重庆大学硕士学位论文 2 研究的目的及意义 平是衡量一个国家工业经济发展和工业现代工业水平的重要标志之一。 f c s 系统执行的是自动控制与现场装置之间的双向数字通信。如果现场装置 不遵循统一一的总线协议，即相关的通信规约，不具备数字通信功能，那么所谓双 向数字通信只是一句空话，也不能称之为现场总线控制系统。所以，f c s 系统的 基础是数字智能现场装置。另外，现场总线的一大特点就是增加现场一级控制功 能，因此只有现场装置的多功能智能化才能保证f c s 系统的设计方便、系统简化、 利于维护等优越性。 f c s 系统的本质是信息处理现场化，对于一个控制系统，不管采用哪种控制 方式，系统处理的信息至少是一样多的。实际上，当采用现场总线后，可以从现 场得到更多的信息。现场总线系统的信息量增加，传输线缆减少，必然要求大量 信息在现场完成处理，减少现场与控制机房之间的信息往返。减少信息往返也是 网络设计和系统组态的条重要原则，这一切都要求现场装置的智能化。 综上所述，现场总线技术是当前全球性的变革技术，对我国工业自动化仪器 仪表产业的发展是一次极好的机会。通过实施开发用于f c s 的现场智能装置之一 的智能仪表，一方面可以全面更新和替代我国目前以模拟数字混合技术为主的仪 器仪表主导产品；另一方面也将大大推进我国新一代工业自动化控制系统和智能 仪表产业化进程，缩小与国际自动化技术水准的差距，加速行业技术进步。 2 3 研究目标 通过本课题的实施，将达到以下目标： 本项目拟开发研制的现场总线工业过程控制系统及智能仪表如下： ( 1 ) 研制开发具有自主产权的智能仪表。品种包括：智能电磁流量计、智能 电动执行器、智能调节阀及阀门定位器、智能压力，差压变送器、智能温度变送器、 智能无纸记录仪等 ( 2 ) 为研制开发具有自主产权的现场总线工业过程控制系统作技术准备。 2 4 主要研究内容 研制开发具有自主产权的基于p r o f i b u s p r o f m e t 现场总线的智能仪表。 1 1 智能电磁流量计 2 1 智能电动执行器 3 ) 智能调节阀及阀门定位器 4 ) 智能压力，差压变送器 5 1 智能温度变送器 6 ) 智能无纸记录仪。 重庆大学硕士学位论文2 研究的目的及意义 2 5 研究方法 本课题将针对当前成熟技术的应用情况和市场成熟情况，采用“现场总线一 p r o f i b u s 一仪器仪表一成套系统”的推进模式，开发基于p r o f i b u s p r o f l n e t 的自动 化仪器仪表，并尽快实现产业化。 重庆大学硕士学位论文 3 现场总线技术 3 现场总线技术 由于开发的智能仪表是基于现场总线控制系统，所以我们在研究智能仪表之 前，应该对现场总线技术有比较深入的研究。 现场总线是安装在生产过程区域的现场设备、仪表与控制室内的自动控制装 置、系统之间的一种串行、数字式、多点通信的数据总线。 3 1 现场总线的产生背景 在现代工业控制中，由于被控对象、测控装置等物理设备的地域分散性，以 及控制与监控等任务对实时性的要求，工业控制内在地需要一种分布实时控制系 统来实现控制任务闭。随着技术经济的发展，为了对生产系统实施最好的控制， 搜集更多、更好、更实时的生产过程信息，现场总线应运而生，并随着工业自动 化技术和通信网络技术的发展而日益成熟。 现场总线技术的出现，主要是在市场和用户的需求下产生的。数字通信网络 技术和工业自动化技术的发展，是现场总线发展的背景和基础条件。 3 1 1 工业自动化的发展 第一阶段：工业化时代 电气化： 2 0 世纪4 0 年代，3 - 1 5 p s i 的标准气动信号体制； 2 0 世纪5 0 年代，由于核冷战激化，通信、控制、计算机成为战略武器的中 枢神经。 电子化： 2 0 世纪6 0 年代，4 2 0 m a 标准d c 信号体制，模拟电子仪表与电动单元组合 的自控系统出现。总线概念被提出，包括：并行、串行。计算机、核技术、导弹 与航天领域最先使用总线技术。 2 0 世纪6 0 年代末，总线在工业自动化中得到发展，出现数字化及计算机控 制的自动控制d d c ，实现多回路控制、c r t 显示。以后分成：通用、分立制造、 连续过程三类自动化。 第二阶段：自动化时代 2 0 世纪7 0 年代后期，过程控制自动化领域实现了分散控制系统d c s ( d i s t r i b u i t e dc o n t r o ls y s t e m ) ，或集散控制系统t d c s ( t o t a ld i s t r i b u t e dc o n t r o l s y s t e m ) 。 2 0 世纪7 0 年代，与d c s 同时出现的p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 重庆火学硕士学位论文 3 现场总线技术 技术，出现在制造业自动化领域中，是带微处理器的智能仪表和执行端。这是一 个由系统集成商或用户自己设计的开放系统。 第三阶段：信息化时代 2 0 世纪8 0 年代后期，出现兼容数字与模拟通信的可寻址远程传感器数据公 路h a r t ( h i g h w a ya d d r e s s a b er e m o t et r a n s d u c e r ) 。1 9 9 3 年成立h c f ( h a r t c o m m u n i c a t i o nf o u n d a t i o n ) 。 2 0 世纪8 0 年代出现了现场总线控制系统f c s ，突破了d c s 从上到下的树状 拓扑结构，并把d c s 与p l c 结台起来；采取总线互通信的拓扑结构：进入开放、 分散、可开发的体制与全数字化的体制。 2 0 世纪9 0 年代，出现了高级f c s ，如p r o f i b u s 、f f 等。从此，现场总线技 术趋于成熟并走向实用化。【3 】 自动化发展从模拟量走向数字量，从单机走向集中；再从集中走向分散。每 一次发展，都反映了技术的进步和效能。特别是数字通信网络技术的兴起、发展 到成熟，使自动化技术，包括现场总线技术的发展有了质的变化。 3 ，1 2 数字通信网络的发展 最初的自动化控制系统都是由模拟的、简单的设备组成。由于c p u 价格昂贵， 所以需求最少数量c p u 的体系结构决定了设备所采用的信号格式。直到2 0 世纪 7 0 年代，网络才开始被引入到工业自动化领域中，而且壤早在直接数字控制 ( d d c ) 系统中的计算机与i 0 之间获得应用。后来，网络在集散控制系统( d c s ) 与可编程逻辑控制器( p l c ) 系统中用来连接控制器与操作站。然而，直到2 0 世 纪8 0 年代，在自动化控制系统底层上较小的设备，如变送器上，才出现数字通信。 真正的现场仪表数字通信总线网络直到2 0 世纪9 0 年代才开始被广泛接受。但是 由于数字通信网络的以下优点，使得数字通信网络开始主导自动化网络。h l 1 信息更多 数字通信的主要优点在于能在一根电缆上传输大量信息。几百个回路及监测 点的所有信息可以通过单一的网络双向进出控制器，不仅传送i o ，并将诊断、 组态、量程、识别以及其它信息在现场仪表和控制器间传递，于是通信可以实现 分散处理、控制和设备管理功能。 2 多挂按 数字通信能在一根取绞线上连接多台设备组成多挂接网络，每个节点的设备 被分配不同的地址通过通信介质与控制器相连，使设备共享通信介质。多挂接可 以显著减少电缆量，从而降低硬件与安装费用。 3 坚实可靠 数字信号由于只有两个有效的状态( o 和1 ) ，所以非常坚实可靠。它可以直 ：! ! i 坠堂堡主堂堡笙壅 ! 婴堑璺垡垫查 接传送或者进行编码，与4 2 0 m a 的模拟系统通过电流的变化传送信号相比，抗 畸变能力强，并有检错机制可以检测数字信号失真。 4 互操作性 数字通信可以比较容易地定义一种标准协议，让各种设备都能遵循，以使得 不同制造厂商所生产的设备可以实现互操作，从而可以在一起协调稳定工作。 当数字网络进入自动化领域，为现场总线的产生奠定了条件。 3 1 3 现场总线的产生 在一个自动化工厂中，有着很多的通信任务请求，为了满足这些通信任务的 需要，传统的工业控制网络一般采用分层的体系结构。根据网络的地域大小，连 接的设备数量，网络的速度，网络的响应时间和有效负荷的大小，传统的工业控 制网络一般分为现场级，过程监控级和工厂管理级，如图3 1 。1 1 9 1 图3 1 工厂自动化的分层模型 f i 9 3 1i n d u s t r i a la u t o m a t i o nl a y e rm o d e l 现场级和过程监控层所组成的系统主要完成现场数据采集、存储、运算以及 特定的控制功能，对通信的响应时间要求较高，虽然在这两个层次所传输的数据 量都不大，但传输频率较高。传统的现场级和过程监控级大多采用基于p c 、p l c 以及d c s 的分布式控制系统。其主要缺点是：信息集成能力不强；系统不够开放， 可集成性差，不易保证可靠性；可维护性不高。 8 0 年代末，9 0 年代初发展形成的现场总线技术使得工厂自动化中的现场级和 过程控制级发生了革命性的变化。现场总线是专门用于现场仪表与控制系统和控 制室之间的一种全分散、全数字化、智能、双向、多变数、多点、多站的通信系 统，具有可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、通信速率快咀及开放性等诸多优 点。基于现场总线的自动化监控系统采用计算机数字化通信技术，使得工厂自动 化中三个层次之间的信息交互更加方便、快捷、可靠，极大地增强了现场级信息 重庆大学硕士学位论文 3 现场总线技术 的集成能力。现场总线的互可操作性的特点给了用户在同一个系统中选择不同厂 家提供的产品成为了可能 2 0 】。 现场总线的产生解决了自动化系统的“信息孤岛”问题。所谓信息孤岛就是 处于生产过程底层的测控自动化系统仍采用一对一联机，用电压、电流的模拟信 号进行测量和控制，难以实现设备与设备之间以及系统与外界之间的信息交换。 在微处理器与计算机功能的增强和价格的降低，以及计算机网络得到高速发展的 情况下，要实现整个企业的信息集成和综合自动化，就必须设计出一种能在工业 现场环境运行的、性能可靠的、造价低廉的通信系统，形成现场的底层网络，完 成现场自动化设备之间的多点数字通信。 按照国际电工委员会i e c s c 6 5 c 的定义，安装在制造或过程区域的现场装置 与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行和多点通信的数据总线称为现场 总线。根据使用场合和用途不同，现场总线又分为h 1 低速现场总线和h 2 高速现 场总线。i e c s c 6 5 c 最初定义h 1 总线为用于制造或过程区域的、通过两根传输 线向现场装置供电的低速串行总线，h 2 总线为无需解决两线制供电，用于装置间 传送信息的高速串行总线。h 1 和h 2 总线相辅相成构成了完整的工业自动化系统 信息通信网络。这一技术可将所有的工业现场设备( 变送器、执行器等) 与远程 的控制设备用根通信线联接在一起，使现场级设备与车问级控制设备构成一个 双向的全数字化的通信网络。通过这个网络可实现现场设备的状态监视，控制， 数据远程传输功能。现场总线技术使现场级设备的信息作为企业整个信息网络的 一部分，从而使企业信息的采集和控制直接延伸到生产现场。基于现场总线的控 制系统称为现场总线控制系统。现场总线把通用或专用的微处理器嵌入传统的测 量控制仪表，使之具有数字计算和数字通信能力，采用一定的介质作为通信总线， 在位于现场的多个设备之间以及现场设备与远程监控计算机之间，实现数据传输 和信息交换，形成适应实际需要的自动化控制系统。 现场总线控制系统利用现场系统这个开放的、具有互操作性的网络，将现场 各控制器及仪表设备互连，构成控制系统，同时控制功能彻底下放到现场，降低 安装成本和维护费用。因此，现场总线控制系统实质是一种开放的、具有互操作 性的、彻底分散的分布式控制系统，已成为2 l 世纪控制系统的主流。 314 现场总线的发展状况 过程控制网络的历史在很大程度上就是i e c 6 1 1 5 8 现场总线标准的历史。 在现场总线最开始出现时，每个制造商都独立地创建各自的协议。于是各种 不同的专有协议大量出现，但是它们互不兼容，只有同- n 造商的产品可以一起 工作。这种情况导致没有任何一个厂商能提供一系列的产品满足工厂的全部要求， 缺乏互操作性。很多工厂都意识到，一旦购买专有系统，工厂实际被制造商“锁 重庆大学硕士学位论文 3 现场总线技术 定”。被锁定会产生可怕的代价，使工厂发展受到限制，经营成本也会增加。所以 白1 9 8 5 年开始，不少i _ q k 专家便致力于制定一种独立于卖方的现场总线标准，重 要的是开发一个具有互操作性的现场总线，并使它能受到大量供货商的支持，而 且标准可以自由获得而不用需要支付昂贵的专利授权费。 由于过程控制的环境有其独特的需要，故没有一种现有的网络标准可以利用， 所以不得不开发新技术为标准，以满足总线供电、本质安全、使用常规的仪表电 缆进行远距离通信等要求。因为新标准会让竞争对手获得过去曾被锁定的某个供 货商专有技术上的客户，有些专利权的供货商不愿意看到新标准的出现。另外， 某些公司希望自己现有的现场总线技术能被采纳为国际的现场总线标准。这些因 素推迟了单一的现场总线标准的出现，所以，现在若干相互竞争互不兼容点总线 技术被包括在一个含有多个部分、但并不完整的标准之内。 目前国际上现有各种总线及总线标准不下二百多种。1 9 9 9 年i e c t c 6 5 ( 负 责工业测量和控制的第6 5 标准化技术委员会) 已正式通过了i e c 6 1 1 5 8 标准，该 标准包括8 种流行的现场总线协议，同时也是具有一定影响和已占有一定市场份 额的总线： 类型1i e c 技术报告，即f f 的h 1 类型2 c o n t r o ln e t ( 美国r o c k w e l l 公司支持) 类型3p r o f i b u s ( 德国s i e m e n s 公司支持) 类型4p n e t ( 丹麦p r o c e s sd a t a 公司支持) 类型5f f h s e ( 原f f 的h 2 ，即f f 的高速e t h e r n e t ) 类型6s w i f t n e t ( 美国波音公司支持) 类型7w o r l df 1 p ( 法国a l s t o n 公司支持) 类型8i n t e r b u s ( 德国p h o e n i xc o n t a c t 公司支持) 经过长达1 5 年的争论，i e c 6 1 1 5 8 用于工业控制系统的现场总线国际标准于 2 0 0 0 年初终于获得通过，现场总线之争逐渐随之退潮，砸c s c 6 5 c ，w g 6 现场总 线标准委员会到此也完成了历史使命。为了进一步完善i e c 6 1 1 5 8 标准， i e c s c 6 5 c 成立了m t 9 现场总线修订小组，继续这方面的工作。m t 9 工作组在 原来8 种类型现场总线的基础上不断完善扩充，于2 0 0 1 年8 月制定出由1 0 种类 型现场总线组成的第三版现场总线标准，该标准目前包括1 0 种技术类型旧 类型1i e c 技术报告，即f f 的h 1 类型2c o n t r o ln e t ( 美国r o c k w e l l 公司支持) 类型3p r o f i b u s ( 德国s i e m e n s 公司支持) 类型4p n e t ( 丹麦p r o c e s sd a t a 公司支持) 类型5f f h s e ( 原f f 的h 2 ，即f f 的高速e t h e m e t ) 重庆大学硕士学位论文 3 现场总线技术 类型6s w i f t n e t ( 美国波音公司支持) 类型7w o r l df i p ( 法国a l s t o n 公司支持) 类型8i n t e r b u s ( 德国p h o e n i x c o n t a c t 公司支持) 类型9f fa p p l i c a t i o nl a y e r 类型1 0p r o f m e t 标准一旦建立，工厂在集成上就开始真正受益，从而避免因受制于某个单一 的制造商而须付出的昂贵代价。标准的建立，也已经使得多个供货商可提供兼容 的设备。这样就导致了竞争的开放市场，并进而导致价格的降低，工厂从而摆脱 专有解决方案所造成的对单一供货商的依赖。采用了新标准的工厂在设备及软件 方面可有更多的选择，选择的拓宽为工厂的各种应用找到解决方案，特别某些应 用需要多个供货商的设备，标准就显得更为重要。各设备高在标准通过后，可以 不再在通信协议上做文章，使设备商能够专心致力于真正的创新。 3 2 现场总线的技术特点 现场总线技术代表了自动化发展的方向，其主要特点意味着将掀起一场工业 现场级设备通信的数字化革命。基于现场总线的自动化监控及信息集成系统主要 特点如下： 系统的开放性 开放系统是指通信协议公开。一个开放系统，是指它可以与世界上任何地方 遵守相同标准的其它设备或系统连接。用户可按自己的需要和考虑，把来自不同 供货商的产品组成大小随意的系统。通过现场总线构筑自动化领域的开放互连系 统。 互操作性与互用性 互操作性是指实现互连的设备之问、系统之间的信息传送与沟通；而互用则 意味着不同生产厂家的性能类似的设备可实现相互替换。 现场设备的智能化和功能自治性 将系统的传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中 完成，并完成自动控制的基本功能，随时诊断设备的运行状态。 系统结构的高度分散性 现场总线已构成一种新的全分散性控制系统的体系结构，简化了系统结构， 提高了可靠性。 对现场环境的适应性 现场总线是专为现场环境设计的，可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、 红外线、电力线等多种介质，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现供电与 重庆火学硕士学位论文 3 现场总线技术 通信，并可满足本质安全防爆要求。 3 3 现场总线的优点 由于现场总线的以上特点，特别是现场总线系统结构的简化，使控制系统的 设计、安装、投运到正常生产运行及其检修维护，都体现出优越性。基于现场总 线的自动化监控及信息集成系统主要优点如下： ( 1 ) 节省硬件数量与投资 由于分散在现场的