第九现场总线与分布式控制系统

1、9.1 现场总线的概念9.2 工业控制系统的发展9.3 现场总线控制系统9.4 现场总线技术9.1 现场总线的概念现场总线：是应用在制造或过程区域中的现场装置与控制室内自动装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。现场总线的特点：抗干扰能力强，具有实时性和确定性；9.2 工业控制系统的发展第1代控制系统为计算机集中控制系统(CCS)：采用一台计算机实现全部过程控制的功能。第2代控制系统为分布式控制系统(DCS)：分布式控制系统的核心思想是集中管理、分散控制，即管理与控制相分离，上位机用于集中监视管理功能，若干台下位机分散到现场，实现分布式控制，上、下位机之间用控制网络互连，以实现相互之间的信

2、息传递。第3代控制系统为现场总线控制系统：用开放的、具有可互操作的现场总线将现场各控制器及仪表设备相互连起来，构成的控制系统。这种控制系统将控制功能彻底下放到现场，降低了安装和维护费用。9.3 现场总线控制系统一、生产自动化系统的网络结构由于不同层次的自动化系统对通信系统的要求大不相同，所以使用分层方法组织控制系统比使用单个通用总线更合适，如图1-1所示。二、采用现场总线的优点FCS的控制功能更加分散：它可以由现场仪表组成自治的控制回路，现场中各设备具有足够的自主性，彼此之间通过通信网络进行交换信息，协调完成控制功能，实现了真正的分布式控制；现场总线作为一种数字化的串行网络，具有良好的抗干扰能

3、力，大大提高了控制系统的可靠性；现场总线系统采用彻底分散的分布式结构，简化了系统的结构，这样既节省了大量布线费用，又便于系统的安装、调试和维护，降低系统的安装维护成本；现场总线系统具有开放性的特点，能够保证良好的互换性和互操作性；9.4 现场总线技术现场总线技术是计算机数字通信技术向工业自动化领域的延伸，它的发展将促使自动化系统结构发生重大变革。现场总线技术以其实用性、可靠性、开放性的优点，必然成为未来自动化技术发展的主流。目前具有较大影响的现场总线有：基金会现场总线Lonworks;Profibus;HART;CAN-bus;一、基金会现场总线基金会现场总线(FF)是国际上几家现场总线经过激

4、烈竞争后形成的的一种现场总线，由现场总线基金会推出。它的参考模型由物理层、数据链路层、应用层和用户层构成，其中物理层有两种协议，分别为H1和H2。H1协议：是用于过程控制的低速总线，传输速率为31.25kbps，传输距离为200m、450m、1200m、1900m 4种(加中继器可以延长)，可用总线供电,支持本质安全设备和非本质安全总线设备；H2：高速总线，其传输速率为1Mbps(此时传输距离为750m)或2.5Mbps(此时传输距离为500m)。H1和H2每段节点数可达32个，使用中继器后可达240个，H1和H2可通过网桥互连;FF的突出特点：设备的互操作性、改善的过程数据、更早的预测维护及

5、可靠的安全性。二、LonworksLonworks是由美国Echelon公司于20世纪90年代初推出的现场总线协议，它采用ISO/OSI-RM全部7层通信协议，这是在现场总线中唯一一个提供全部服务的现场总线。可以应用在Sensorbus、Devicebus、Fieldbus等总线中；在Lonworks控制网络中，各节点使用同一个通信协议进行通信。每个节点都包含内置的智能芯片，用来完成协议的监督控制功能；Lonworks控制网络可以有330000个或更多的节点，用来完成各种功能；Lonworks可以使用多种介质，具有多种拓扑结构；Lonworks的所有这些功能都由其核心技术-神经元芯片完成，该芯

6、片由三个8位CPU构成，一个CPU处理物理层和数据链路层中的协议，一个CPU处理处理网络层、传输层、会话层、表示层和应用层中的协议，最后一个CPU为应用程序提供操作系统服务，相当于完成用户层协议，所有这些协议都是LonTalk协议集的子协议； Lonworks控制网络不需要类似传统控制系统中的中央控制器，具有很高的系统可靠性和系统响应，降低了系统的成本和运行费用；三、ProfibusProfibus-PA (Process Automaton)用于过程自动化的低速数据传输，其基本特性同FF的H1总线，可以提供总线供电和本质安全，并得到了专用集成电路(ASIC)和软件的支持；Profibus-D

7、P与Profibus-PA兼容，基本特性同FF的H2总线，可实现高速传输，适用于分散的外部设备和自控设备之间的高速数据传输，用于连接Profibus-PA和加工自动化；Profibus-FMS适用于一般自动化的中速数据传输，主要用于传感器、执行器、电气传动、PLC、纺织和楼宇自动化等；后两个系列用R5-485通信标淮，传输速率为9.6kbps12Mbps，传输距离为1001200m(与传输速率有关)，在12Mbps时为100m，1.5Mbps时为400m。介质存取控制的基本方式为主站之间的令牌方式和主站与从站之间的主从方式以及综合这两种方式的混合方式。Profibus是一种比较成熟的总线，在工

8、程上的应用十分广泛。过程现场总线Profibus由Siemenss公司提出并极力倡导，已先后成为德国国家标准DIN19245和欧洲标准EN50170, 由Profibus-PA、Profibus-DP和Profibus-FMS等三部分组成本质安全是指通过设计等手段使生产设备或生产系统本身具有安全性，即使在误操作或发生故障的情况下也不会造成事故的功能。 四、HARTHART通信模型由物理层、数据链路层和应用层等三层构成；HART总线是在现有模拟信号传输线上实现数字通信的总线，属于模拟系统向数字系统转变的工业过程控制的过渡性产品；HART采用统一的设备描述语言DDL。现场设备开发商采用这种标准语言

9、来描述设备特性，由HART基金会负责登记管理这些设备描述并把它们编为设备描述字典；HART能利用总线供电，可满足防爆要求；HART是 Highway Addressable Remote Transduer的缩写最早由Rosemout公司开发并得到80多家著名仪表公司的支持，于1993年成立了HART通信基金会。五、CAN-busCAN-bus 是一种多主方式的串行通信总线，基本设计规范要求高位速率，高抗电磁干扰性，而且能够检测出产生的任何错误；当信号传输距离达到10km时，CAN-bus仍可提供高达5kbps的数据传输速率 作为一种技术先进、可靠性高、功能完善、成本合理的远程网络通信控制方式，CAN-bus已经被广泛应用到