第一讲现场总线概述

1、LOGO 现场总线技术现场总线技术主讲主讲 ：白金：白金2014年年2月月13一一现场总线的定义现场总线的定义二二现场总现的优点和局限性现场总现的优点和局限性三三本课程的学习内容及要求本课程的学习内容及要求五五现场总线的应用领域现场总线的应用领域四四本节课你将会学习到以下内容本节课你将会学习到以下内容现场总线的发展史现场总线的发展史绪绪 论论一、初步认识现场总线一、初步认识现场总线1、工业自动化技术及控制系统的发展历史、工业自动化技术及控制系统的发展历史 基地式气动仪表基地式气动仪表 （20世纪世纪50年代）年代） 安装在生产现场，只具备简单的测控功能，各个安装在生产现场，只具备简单的测控功能

2、，各个测控点为封闭状态，不能与外界进行信息沟通。测控点为封闭状态，不能与外界进行信息沟通。需操作人员巡视现场进行记录了解现场情况。需操作人员巡视现场进行记录了解现场情况。 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（20世纪世纪60年代）年代） 所有的现场信号以电压标准信号所有的现场信号以电压标准信号15V或电流标准或电流标准信号信号420mA集中送往控制室，在大型的控制盘上连集中送往控制室，在大型的控制盘上连接。操作人员可以在控制室观测生产流程的状况。接。操作人员可以在控制室观测生产流程的状况。v缺点：模拟信号传递需要一对一的物理连接，信号变缺点：模拟信号传递需要一对一的物理连接

3、，信号变化缓慢，计算速度慢，精度低，信号抗干扰能力差。化缓慢，计算速度慢，精度低，信号抗干扰能力差。直接数字控制直接数字控制(Direct Digit Control)简称为简称为DDC系统系统 用一台计算机对被控参数进行检测，再根据设用一台计算机对被控参数进行检测，再根据设定值和控制算法进行运算，然后输出到执行机构定值和控制算法进行运算，然后输出到执行机构对生产进行控制，使被控参数稳定在给定值上。对生产进行控制，使被控参数稳定在给定值上。 缺点：计算机的可靠性较差，当计算机出现某种缺点：计算机的可靠性较差，当计算机出现某种故障，则所有的控制回路都要瘫痪。故障，则所有的控制回路都要瘫痪。DCS

4、 集散控制系统和集散控制系统和PLC控制系统（控制系统（20世纪世纪70年代年代后期）：后期）： 由多个计算机构成，核心思想是由多个计算机构成，核心思想是“集中管理，分集中管理，分散控制散控制”，上位机用于集中监视和管理，若干下位，上位机用于集中监视和管理，若干下位机实现分布式控制。机实现分布式控制。 缺点：缺点：DCS发展过程中，受到利益的驱动，和计算发展过程中，受到利益的驱动，和计算机早期封闭性的缺陷影响，不同厂家的设备之间不机早期封闭性的缺陷影响，不同厂家的设备之间不能互联，不具备互操作性和互换性。能互联，不具备互操作性和互换性。典型的典型的DCS控制系统控制系统 FCS现场总线控制系统

5、（现场总线控制系统（20世纪世纪80年代）年代） 采用总线通信的拓扑结构，整个系统处于全开放、采用总线通信的拓扑结构，整个系统处于全开放、全数字、全分散的机制平台上。全数字、全分散的机制平台上。v IEC61158（国际电工委员会）给出的标准定（国际电工委员会）给出的标准定义：安装在制造或过程区域的现场装置与控制室义：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、多点通内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线称为现场总线。信的数据总线称为现场总线。2、现场总线的定义、现场总线的定义 其他定义：其他定义： 定义一：现场总线一般是指用于连接现场设备如定义一

6、：现场总线一般是指用于连接现场设备如传感器、执行器、及传感器、执行器、及PLC、调节器、驱动控制器、调节器、驱动控制器等现场设备之间的网络。等现场设备之间的网络。 定义二：现场总线是一种数字通信链路，它沟通定义二：现场总线是一种数字通信链路，它沟通了生产过程领域的基本控制设备（现场设备）及了生产过程领域的基本控制设备（现场设备）及其更高层次领域的自动化设备（车间级设备）之其更高层次领域的自动化设备（车间级设备）之间的联系。间的联系。v定义三：现场总线是应用在生产现场，在微机化定义三：现场总线是应用在生产现场，在微机化测量控制设备之间实现双向、串行、多节点数字测量控制设备之间实现双向、串行、多节

7、点数字化通信系统。也被称为开放式、数字化、多点通化通信系统。也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。信的底层控制网络。 现场总线的作用现场总线的作用 现场总线技术将通用的或专用的微处理器置现场总线技术将通用的或专用的微处理器置入传统的测量控制仪表，使他们具有数字计算和入传统的测量控制仪表，使他们具有数字计算和数字通信能力；采用一定的通信介质作为总线，数字通信能力；采用一定的通信介质作为总线，按照公开的，规范的通信协议，在位于现场的多按照公开的，规范的通信协议，在位于现场的多个微机化测量控制设备之间及现场仪表与远程监个微机化测量控制设备之间及现场仪表与远程监控计算机之间，实现数据传输和信

8、息交换，形成控计算机之间，实现数据传输和信息交换，形成适应实际需要的自动控制系统。适应实际需要的自动控制系统。 计算机网络和工业控制网络的区别计算机网络和工业控制网络的区别 计算机网络：用通信的手段将空间上分散的，具计算机网络：用通信的手段将空间上分散的，具有自治功能的多个计算机系统相互连接进行通信，有自治功能的多个计算机系统相互连接进行通信，实现资源共享和协同工作的系统。实现资源共享和协同工作的系统。 工业控制网络：在一个企业范围内将信号检测、工业控制网络：在一个企业范围内将信号检测、数据传输、处理、存储、计算、控制能设备或系数据传输、处理、存储、计算、控制能设备或系统连接在一起，以实现企业

9、内部的资源共享，信统连接在一起，以实现企业内部的资源共享，信息管理、经营决策等。息管理、经营决策等。 现场总线在工业控制网络中的位置和作用：现场总线在工业控制网络中的位置和作用： 现场总线属于工业控制网络中的底层，是构成现场总线属于工业控制网络中的底层，是构成整个工业网络的基础。整个工业网络的基础。二、现场总线的优点二、现场总线的优点1、FCS实现全数字化通信实现全数字化通信vFCS采用全数字化、双向传输的通信方式。从最采用全数字化、双向传输的通信方式。从最底层的传感器、变送器和执行器就采用现场总线底层的传感器、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。网络，逐层向

10、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，采用一对数字仪表，采用一对N连接。连接。2、FCS实现彻底的全分散式控制实现彻底的全分散式控制 FCS废弃了废弃了DCS的输入输出单元，由现场的输入输出单元，由现场仪表取而代之，即把仪表取而代之，即把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现场总线上的数字仪表。从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，实现彻底的分散控制。而构成虚拟控制站，实现彻底的分散控制。3 3、FCSFCS实现不同厂商产品互联、互操作实现不同厂商产品互

11、联、互操作v FCSFCS的现场设备只要采用同一总线标准，不同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可互换，并可以统一组态，厂商的产品既可互联也可互换，并可以统一组态，从而彻底改变传统从而彻底改变传统DCSDCS控制层的封闭性和专用性。控制层的封闭性和专用性。FCSFCS允许用户选用各制造商性能价格比最优的产品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，因而具有很好的可集成性。集成控制系统，因而具有很好的可集成性。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v FCSFCS采用总线连接方式替代传统的采用总线连接方式替代传统的DCSDCS一

12、对一的一对一的I/OI/O连线，对于大规模的连线，对于大规模的I/OI/O系统来说，减少了系统来说，减少了DCSDCS由接线点造成的不可靠因素。同时，数字化的现由接线点造成的不可靠因素。同时，数字化的现场设备替代模拟仪表，场设备替代模拟仪表，FCSFCS具有现场设备的在线故具有现场设备的在线故障诊断、报警、记录功能，可完成现场设备的远障诊断、报警、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，因而增强系统的程参数设定、参数修改等工作，因而增强系统的可维护性。可维护性。5 5、FCSFCS降低系统工程成本降低系统工程成本v FCSFCS对于大范围、大规模分布式控制系统来说，对于大范围、

13、大规模分布式控制系统来说，节省了电缆、节省了电缆、I/OI/O装置及电缆敷设费用。以每装置及电缆敷设费用。以每2 23 3台现场仪表接到一根电缆计算，平均可减少台现场仪表接到一根电缆计算，平均可减少1/21/2到到2/32/3的输入输出卡、输入输出柜和隔离器等。因此，的输入输出卡、输入输出柜和隔离器等。因此，现场总线仪表与控制室间的电缆连接和安装等费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用估计可节约5050。三、三、10种现场总线标准种现场总线标准 2004 2004年年4 4月，月，IECIEC公布了现场总线标准第三版（即公布了现场总线标准第三版（即IEC61158 EdIE

14、C61158 Ed3 3），规定了），规定了1010种类型的现场总线：种类型的现场总线：vType1 TS61158 Type1 TS61158 现场总线现场总线vType2 ControlNetType2 ControlNet 和和 Ethernet/IP Ethernet/IP 现场总线现场总线vType3 ProfibusType3 Profibus现场总线现场总线vType4 P-NETType4 P-NET现场总线现场总线vType5 FF HSEType5 FF HSE现场总线现场总线vType6 Swift-Net Type6 Swift-Net 现场总线现场总线vType7 W

15、orldFIPType7 WorldFIP现场总线现场总线vType8 INTERBUSType8 INTERBUS现场总线现场总线vType9 FF H1Type9 FF H1现场总线现场总线vType10 PROFInetType10 PROFInet现场总线现场总线四、现场总线的应用领域四、现场总线的应用领域v 汽车工业 v 继电保护与电力监控v 半导体芯片和半导体产品制造v 水处理v 食品饮料制造 v 机器人v 物流业/搬运业 v 智能楼宇v 制药业 v 暖通空调v 包装业v 轨道交通/城市交通v 石油与化工 v 能源与环境监控及管理v 钢铁/冶金 v（煤矿）安全v 造纸业 v 家庭用

16、品五、现场总线发现的现状五、现场总线发现的现状1 1、多标准共存与现场总线的开放性相背离、多标准共存与现场总线的开放性相背离v 一般认为一般认为DCSDCS和和PLCPLC属于封闭性系统，而属于封闭性系统，而FCSFCS是是开放性系统，所以它一出现就受到用户的肯定。开放性系统，所以它一出现就受到用户的肯定。但实际上但实际上FCSFCS的开放性是针对自己来说是开放的，的开放性是针对自己来说是开放的，异种现场总线之间却不是开放的。因此，多种标异种现场总线之间却不是开放的。因此，多种标准现场总线的共存使得现场总线事实上并不具备准现场总线的共存使得现场总线事实上并不具备开放性的特点。开放性的特点。2

17、2、多标准共存难以体现现场总线的互操作性、多标准共存难以体现现场总线的互操作性 现场设备种类繁多，一个制作商不可能提供生现场设备种类繁多，一个制作商不可能提供生产过程的全部设备，同时，用户也不希望受制于某产过程的全部设备，同时，用户也不希望受制于某一个制作商。现场总线的主要特点之一一个制作商。现场总线的主要特点之一互可操互可操作性无疑受到用户青睐，但现有的作性无疑受到用户青睐，但现有的1010种现场总线国种现场总线国际标准中，不同种类的现场级现场总线之间是不能际标准中，不同种类的现场级现场总线之间是不能进行互操作的。虽说可以通过网关（进行互操作的。虽说可以通过网关（GatewayGateway

18、）通）通信或通过信或通过OPCOPC协议进行互操作，但这种互操作不能协议进行互操作，但这种互操作不能直接在现场仪表间进行，而且不能满足系统对实时直接在现场仪表间进行，而且不能满足系统对实时性的要求。性的要求。 3 3、多标准共存阻碍现场总线技术的推广、多标准共存阻碍现场总线技术的推广 目前的现场总线国际标准目前的现场总线国际标准IEC61158 EdIEC61158 Ed3 3规定规定中的经典现场总线，它们各具特点，但又都有不足中的经典现场总线，它们各具特点，但又都有不足之处，没有一种能覆盖所有的应用范围。因此，可之处，没有一种能覆盖所有的应用范围。因此，可以说多标准形同无标准，在这种情况给仪表制造商、以说多标准形同无标准，在这种情况给仪表制造商、设计部门和用户带来了