现场总线技术概述

1、现场总线现场总线课件课件机械工业出版社机械工业出版社 教师教师: 刘望生刘望生 Email: Office: 机控楼机控楼222室室一、考试与成绩评定 平时（点名、小测验） 30 期末（开卷）考试 70二、联系方式 QQ ： 147865851 Tel：一章第一章 现场总线技术概述现场总线技术概述主要内容n1.0 DCS1.0 DCS的结构及其分类的结构及其分类n1.1 1.1 现场总线的产生现场总线的产生n1.2 1.2 现场总线的概念及分类现场总线的概念及分类n1.3 1.3 现场总线的特点和优点现场总线的特点和优点n1.4 1.4 现场总线标准的制定现场总线标准

2、的制定n1.5 1.5 现场总线的现状现场总线的现状1.0 DCS的结构及其分类n1.0.1 DCS1.0.1 DCS控制系统结构控制系统结构 n从系统的组成结构分析，它们都是由三部分组成（硬件组成）：n 分散过程控制装置部分n 操作管理装置部分n 通信系统部分 n （1 1）分散过程控制装置部分）分散过程控制装置部分n 由多回路控制器、多功能控制器、可编程序逻辑控制器及数据采集装置等组成。n 主要功能是分散的过程控制，是系统与过程之间的接口。其结构特征如下：n 需适应恶劣的工业生产过程环境n 分散控制n 实时性 n 独立性 n（2 2）集中操作和管理系统部分）集中操作和管理系统部分n 该部分

3、的主要功能是汇集各分散过程控制装置送来的信息，通过监视和操作，把操作和命令下送各分散控制装置。信息用于分析、研究、打印、存储并作为确定生产计划、调度的依据。n特征：信息量大、易操作、容错性好等。n 主要由操作站、管理机和外部设备（如打印机）等组成，相当于车间操作管理级和全厂优化及调度管理级，实现人机接口。n （3 3）通信系统部分）通信系统部分n连接分散过程控制装置以及集中操作和管理系统等进行信息交换和数据共享的计算机通信网络，是DCS控制系统的中枢。n特点：实时性好、动态响应快，可靠性高，适应性强等。n对通信系统的要求除了传输速率和传输距离外，还有开放性，所谓“开放性”，就是允许不同厂商的D

4、CS互相通信，各厂商产品的通信应符合国际标准。 1.0.2 DCS的结构分类n根据分散过程控制装置、集中操作和管理装置根据分散过程控制装置、集中操作和管理装置和通信系统的不同结构，和通信系统的不同结构，DCSDCS控制系统的分类：控制系统的分类：n（1 1）模件化控制站）模件化控制站+ +与与MAPMAP兼容的宽带、基带局兼容的宽带、基带局域网域网+ +信息综合管理系统信息综合管理系统n最新结构的大型集散控制系统，通过宽带和基带网络，可在很广的地域内应用。通过现场总线，系统可与现场总线仪表通信和操作，从而形成真正的开放互连、互操作性的系统。将成为分布式控制系统的主流结构，也是第三代DCS控制系

5、统的典型结构。 n（2 2）分散过程控制站）分散过程控制站+ +局域网局域网+ +信息管理系统信息管理系统n由于采用局域网技术，使通信能力增强。这是第二代DCS控制系统的典型结构。n（3 3）分散过程控制站）分散过程控制站+ +高速数据公路高速数据公路+ +操作站操作站+ +上位机上位机n第一代集散控制系统的典型结构。经过对操作站、过程控制站、通信系统性能的改善和扩展，系统的性能已有较大提高。n（4 4）PLC +PLC +通信系统操作管理站通信系统操作管理站n在制造业广泛应用的结构，尤其适用于有大量逻辑顺序控制的过程。分布式控制系统制造商为适应逻辑顺序控制的特点，现已有不少产品可以下挂各种P

6、LC，组成PLC十DCS形式，应用于既有逻辑顺序控制又有连续控制的场合。n（5 5）单回路控制器）单回路控制器+ +通信系统通信系统+ +操作管理站操作管理站n适用于中、小企业的小型集散控制系统结构。它用单回路控制器(或双回路、四回路控制器)作为盘装仪表、信息的监视由操作管理站或仪表面板实施，有较大灵活性和较高性价比。1.1 现场总线的产生n在过程控制领域中：n从20世纪50年代至今一直都在使用着一种信号标准，那就是4一2OmA的模拟信号标准。n20世纪70年代，数字式计算机引入到测控系统中，而此时的计算机提供的是集中式控制处理。n20世纪80年代，微处理器在控制领域得到应用，微处理器被嵌入到

7、各种仪器设备中，形成了分布式控制系统。n随着微处理器的发展和广泛应用，产生了以IC代替常规电子线路，以微处理器为核心，实施信息采集、显示、处理、传输及优化控制等功能的智能设备。一些具有专家辅助推断分析与决策能力的数字式智能化仪表产品，其本身具备了诸如自动量程转换、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、状态报告、趋势图等功能。n通信技术的发展，促使传送数字化信息的网络技术开始得到广泛应用。与此同时，基于质量分析的维护管理、与安全相关系统的测试记录、环境监视需求的增加，都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，这些也使现场仪表与上级控制系统的通信量大增。n另

8、外，从实际应用的角度出发，控制界也不断在控制精度、可操作性、可维护性、可移植性等方面提出新需求。由此，导致了现场总线的产生。n1.2.1 现场总线的定义(四种)n用于现场仪表与控制主机系统之间的一种开放的、全数字化的、双向、多站的通信系统；n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；n基于智能化仪表及现场总线的控制系统FCS；n一种数字化的串行双向通信系统。 1.2 现场总线的概念及分类IEC定义：n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、数字式的数据交换的通信技术。1.2.2 现场总线的分类n总线总线按照按照长度分类长度

9、分类: （1）毫米级：芯片内总线 （2）厘米级：芯片间总线、元件总线 （3）分米级：机箱内总线（Multi-bus、STD、PCL、ISA、PCI等） （4）十米级：机柜间总线（RS232、GPIB、VME、VXI等） （5）千米级：现场总线（FF、Profibus等）现场总线按照数据通信宽度分类现场总线按照数据通信宽度分类n（1）传感器现场总线（数据宽度为位）： 适用于简单的开关装置和输入输出位的这类通信：Seriplex总线、AS-i总线等。n（2）装置现场总线（数据宽度为字节）： 适用于以字节为单位的装置类通信：Interbus总线、DriveNET总线和CAN总线等。 n（3）全服务的

10、现场总线（数据宽度为数据流或模块Block）： 以报文通信为主，除了对装置进行读取数据外，还包括一些对装置的操作和控制功能：FF总线、Lonworks总线、Hart总线等。现场总线按照应用行业分类现场总线按照应用行业分类n（1）过程控制（连续生产过程）用现场总线：FF的HI、Profibus-PA等n（2）离散控制用现场总线：Profibus-DP、Device-NET等n（3）楼宇自动化用现场总线：Lonworks等n（4）车辆制造业用现场总线：CAN等n（5）飞机制造业用现场总线：SwiftNet等n（6）农业及养殖业用现场总线：P-Net等1.2.3 现场总线的本质n（1）现场通信网络

11、用于过程以及制造自动化的现场设备或现场仪表互连的通信网络。n（2）现场设备互连 传感器、变送器和执行器等，这些设备通过一对传输线互连。n（3）互操作性 现场设备或现场仪表种类繁多，互相连接不同制造商的产品是不可避免的。性能价格比最优的产品，并将其集成在一起，实现 “即接即用”;用户希望对不同品牌的现场设备统一组态，构成所需要的控制回路。n（4）分散功能块 FCS废弃了DCS的输入/输出单元和控制站，把DCS控制站的功能块分散地分配给现场仪表，从而构成就地控制站。n例如：流量变送器不仅具有流量信号变换、补偿和累加输人模块，而且有PID控制和运算功能块。调节阀的基本功能是信号驱动和执行，还内含输出

12、特性补偿模块，也可以有PID控制和运算模块，甚至有阀门特性自检验和自诊断功能。由于功能块分散在多台现场仪表中，并可统一组态，供用户灵活选用各种功能块，构成所需的控制系统，实现彻底的分散控制。n（5）通信线供电 通信线供电方式允许现场仪表直接从通信线上获取能量，对于要求本征安全的低功耗现场仪表，可采用这种供电方式。(30mA, 30V)n（6）开放式互连网络 既可与同层网络互连，也可与不同层网络互连，还可以实现网络数据库的共享。不同制造商的网络实现互连，用户通过网络对现场设备和功能块统一组态，把不同厂商的网络及设备融为一体，构成统一的FCS。1.3 现场总线的特点和优点n1.3.1 现场总线的结

13、构特点n现场总线控制系统由于采用了现场总线设备，能够把原先DCS系统中处于控制室的控制模块、输入输出模块置于现场总线设备，加上现场总线设备具有通信能力，现场的测量变送仪表可以与阀门等执行器直接传送信号，因而控制系统功能能够不依赖控制室的计算机或控制仪表，直接在现场完成，实现了彻底的分散控制。n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(包括多个运行参数值、多个设备状态、故障信息)，同时又为多个现场总线设备提供电源；现场总线设备以外不再需要A/D、D/A转换部件。这样就为简化系统结构、节约硬件设备、节约连接电缆与各种安装、维护费用创造了条件。 FCS和DCS的详细对比FCSD

14、CS(1)结构 一对多：一对传输线接多台仪表，双向传输多个信号。一对一：一对传输线接一台仪表，单向传输一个信号。(2)可靠性可靠性好：数字信号传输抗干扰能力强，精度高。可靠性差：模拟信号传输不仅精度低，而且容易受干扰。FCSDCS（3）失控状态操作员在控制室既可以了解现场设备及现场仪表的工作情况，也能对设备进行参数调整，还可以预测或寻找故障，使设备始终处于操作员的过程监控与可控状态之中。操作员在控制室既不了解模拟仪表的工作情况，也不能对其进行参数调整，更不能预测故障，导致操作员对仪表处于“失控”状态。（4）控制控制功能分散在各个智能仪器中。所有的控制功能集中在控制站中。FCSDCS（5）互换性

15、用户可以自由选择不同制造事故内提供的性能价格比最优的现场设备和仪表，并将不同品牌的仪表互连，实现“即插即用”。尽管模拟仪表统一了信号标准（420mA DC），可是大部分技术参数仍由制造厂自定，致使不同品牌的仪表不能互换。（6）仪表智能仪表除了具有模拟仪表的检测、变换、补偿等功能外，还具有数字通信能力，并且具有控制和运算能力。模拟仪表只具有检测、变换、补偿等功能。1.3.2 现场总线的技术特点n（1）系统的开放性n通信协议公开，各不同厂商的设备之间可实现信息交换。n（2）互可操作性与互用性 n互可操作性是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通；而互用性则意味着不同制造商性能类似的设备可进行更换

16、，实现相互替换。n（3）现场设备的智能化与功能自治性 n将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场总线设备中完成。n（4）系统结构的高度分散性n现场总线已构成一种新的全分散性控制系统的体系结构，提高了可靠性。n（5）对现场环境的适应性 n可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等多种传输介质，具有较强的抗干扰能力，采用两线制实现供电与通信，并可满足本质安全防爆要求。1.3.3 现场总线的优点(优越性)n（1）FCS实现全数字化通信nDCS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然是对一模拟信号(如420 mA DC)传输方

17、式，因此DCS是一个“半数字信号”系统。nFCS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。多条分支通信线延伸到生产现场，用来连接现场数字仪表，采用一对N连接。n（2）FCS实现彻底的全分散式控制n 在DCS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功能，而与控制有关的输入、输出、控制、运算等功能块都集中于DCS的控制站内。从这个意义上讲，DCS只是一个“半分散”系统。nFCS废弃了DCS的输入输出单元，由现场仪表取而代之，即把DCS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

18、数字仪表。从而构成虚拟控制站，实现彻底的分散控制。n（3）FCS实现不同厂商产品互联、互操作nDCS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与不兼容，彼此难以互联、互操作。而FCS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，从而彻底改变传统DCS控制层的封闭性和专用性。FCS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。n（4）FCS增强系统的可靠性、可维护性nFCS采用总线连接方式替代传统的DCS一对一的I/O连线，对于大规模的I/O系统来说，减少了DCS由接线点造成的不可靠

19、因素。同时，数字化的现场设备替代模拟仪表，FCS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程参数设定、参数修改等工作，因而增强系统的可维护性。n（5）FCS降低系统工程成本nFCS对于大范围、大规模分布式控制系统来说，节省了电缆、I/O装置及电缆敷设费用。以每23台现场仪表接到一根电缆计算，平均可减少1/2到2/3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用估计可节约50。1.4 现场总线标准的制定n标准化的重要性：n标准化是经济建设、科技进步、国际贸易和社会发展的重要技术基础。它不仅与人民生活和工农业生产密切相关，也与国际贸易和科

20、技合作的开展密切相关，标准化是实现现代化大规模生产的重要保证，是规范市场秩序，连接国内外市场的重要手段。因此，现场总线的标准，特别是国际标准受到了大家的重视。一、制订标准的机构n(一)世界上n国际标准化组织ISO (International Standard Organization)n国际电工委员会IEC (International Electrotechnical Commission)及国际电信联盟ITU （ International Telegraphy Union）n欧洲电工标准化委员会CENELEC（欧洲标准EN）n(二)国内n制订国家标准GB的组织是全国标准化委员会二、制订

21、现场总线标准的机构n(一)IEC/TC65/SC65C/WG6n(1)IEC/TC65是国际电工委员会第65分技术委员会，它成立于1969年。其工作任务是制订有关连续和批量过程的工业过程测量和系统的元件的标准，协调影响测量和控制系统匹配的相关元件特性的标准化工作，在国际领域内对采用电动、气动、液动、机械的方式工作的装置和系统或其他测量和 (或)控制系统开展上述标准化工作。n(2)SC65C是IEC/TC65下的分委员会 (SC是SubCommittee的缩写，而SC65C是SC65下边的一个组织)，负责测量和控制系统的数字数据通信的标准化工作。n(3)WG6是SC65C下的工作组 (WG是Wo

22、rkingGroup的缩写，WG6是第6工作组)，成立于1988年，负责工业过程计算机子系统间的通信的标准化工作。现场总线技术标准化的具体工作是由WG6来负责的。n(二)IEC/TCl7/SCl7BnIEC/TCl7是分管电器的标准化委员会，其下的SCl7B是负责低压电器的分委员会，也制订了与之有关的现场总线的标准。n(三)IEC/TC22是分管电力电子的标准化委员会三、制订现场总线的程序和阶段n现场总线标准的制订需经历若干阶段n(l)NP阶段:相当于国内标准制定过程中的上计划阶段;n(2)CD阶段:相当于国内的征求意见阶段; n(3)CDV阶段:相当于国内送审阶段;n(4)FDIS阶段:相当

23、于国内报批阶段。 四、有关投票表决的规定n根据IEC的有关章程，投票表决是否有效须符合以下规定:n(1)参加投票表决的国家有两类，即有投票权资格的国家称为P成员国;及有观察员资格的国家称为O成员国。n(2)投票表决需要有75%以上的赞成率方能通过 (只计P成员国)。n(3)若反对率超过25%(计P与0成员国)则反对有效，标准不能通过。五、制订国际标准的历程n(1)1983年现场总线的概念首先在欧洲兴起。n(2)1984年IEC就开始制订现场总线的国际标准，稍后即成立了推广及试用的组织IFC。n(3)1989年Profibus成为德国国家标准。n(4)1990年FIP成为法国国家标准。n(5)1

24、992年ISP成立。ISP是可互操作系统协议 (Interoperable System Protocol)的简称。n(6)1993年IEC61158-2物理层规范通过表决成为国际标准，但关键的链路层因与Profibus有分歧，遭到德国与欧洲一些小国的抵制而未获通过，理由是LAS(链路活动调度器Linkage Active Scheduler)没有冗余。n(7)1993年WorldFIP成立。WorldFIP是世界工厂仪表协议 (World Factory Instrumentation protocol)简称。它基于法国的FIP,它也有100多家公司参加,由Honeywell公司牵头。n(8

25、)1994年6月，ISP与WorldFIP感到二大阵营旗鼓相当，谁也胜不了谁，于是握手言和，合并成为现场总线基金会 (FieldbusFoundation)简称FF，它推出的基金会现场总线(FoundationFieldbus)也简称FF，但前者代表一个组织;而后者代表现场总线。二者不可混淆起来。当时，WorldFIP的北美部分参加了现场总线基金会FF，但WorldFIP的欧洲部分仍保持独立。n(9)1994年因FF已成立，IFC解散了。现场总线基金会FF成立以后，现场总线国际标准理应顺利产生，但事实并非如此。n(10)1996年12月30日，对经过改进后的链路层又进行了一次投票表决，但还是因

26、为与Profibus不一致而遭到德国与一些欧洲小国家的反对，投票结果是赞成率为75，理应通过;但反对率为27，超过了25，又不能通过。n对数据链路层标准进行重新表决，投票截止日期为1997年10月31日。n1998年2月20日由执委会的15个成员国投票表决，这样就便链路层及应用层的4个规范及服务定义 (IEC61158-3-6)进人了FDIS阶段，如果这次表决成功，就成为国际标准了。n(11)1998年9月30日经过投票表决，结果是68赞成，32反对，由于反对率又超过25,因此又被否决了。1998年10月在IEC/TC65于美国休斯敦召开的年会上，IEC/SC65/WG6组长RHCaro以投反

27、对票中的6个国家 (丹麦、波兰、斯洛伐克、罗马尼亚、卢森堡与捷克)所附的意见为非技术性意见为由，要求TEC在统计最终投票表决结果时， 不计入上述6国的反对票。1998年11月SC65秘书长向IEC/65C各成员国发出65C/210/ Q文件，要求各成员国对上述6个国家的反对意见是否有技术理由进行表态，再次投票 进行表决，若有50%以上的国家支持不计人这6个国家的反对票，则就可以通过成为国 际标准。1999年1月投票结果为15票赞成，9票反对，2票缺席，1票弃权，此结果向 IEC有关部门报告，以期作出最后的裁决。n(12)1999年6月15日TEC执委会作出决议，即修改现有技术报告包括构筑不同框

28、架的协议以及其所需的服务，并且至少应包括一种其他协议，在4个月内作为FDIS递交投票。执委会同意省略CDV阶段以满足目标设定时间，并提出若4个月后有可能准备不好文件，或在投票阶段最后投票失败，现有的技术报告 (指FF的HI)将转化为IEC标准。n(13)2000年7月SC65/Wm在加拿大渥太华召开了现场总线标准制定工作会议，会议决定保留IEC技术报告并作为类型1，其他行规将按照技术报告的格式作为类型2-8加人IEC61158。n (14)2000年底对IEC61158进行了投票表决。根据2000年1月4日IEC中央办公室公布投票表决的结果，显示经过修改后的IEC61158己正式获得通过。投票

29、情况如下:P成员国投票99个，95票赞成，4票反对 (法国、加拿大、日本与俄罗斯)，1票弃权 (意大利)。长达15年之久的，环绕着国际标准的现场总线大战以妥协而告终，结果是出现了多种标准。六、现有的现场总线国际标准n2004年4月，IEC公布了现场总线标准第三版（即IEC61158 Ed3），规定了10种类型的现场总线，分别是：nType1 TS61158 现场总线nType2 ControlNet 和 Ethernet/IP 现场总线nType3 Profibus现场总线nType4 P-NET现场总线nType5 FF HSE现场总线nType6 Swift-Net 现场总线nType7

30、WorldFIP现场总线nType8 INTERBUS现场总线nType9 FF H1现场总线nType10 PROFInet现场总线七、产生多标准的原因n(1)各种现场总线都是受国际上一些处于垄断地位的跨国大公司所支持。n(2)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。n(3)有的公司早期投人大量资金使得产品问世较早。n(4)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。n(5)IEC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。1.5 现场总线的现状n（1）多种总线共存n（2）每种总线各有其应

31、用领域n（3）每种总线各有其国际组织n（4）每种总线均有其支持背景n（5）设备制造商参加多个总线组织n（6）多种总线均作为国家和地区标准n（7）协调共存n（8）工业以太网引入工业领域八. 多种现场总线标准并存带来的问题 n现场总线自出现以来，一直以开放性、全数字化、互可操作性、智能化等特点著称，用户对现场总线的应用与推广充满信心。而现场总线标准的门户之争日见白热化，多种现场总线互不兼容，不同协议的产品之间无法实现高速的实时数据传输，“自动化孤岛现象并未真正得到解决。而且近20年的标准之争和市场大战最终形成了多种标准共存的局面，这种情况无论在技术层面还是市场层面都给用户带来了疑问和困惑。 （1）

32、多标准共存与现场总线的开放性相背离n 一般认为DCS和PLC属于封闭性系统，而FCS是开放性系统，所以它一出现就受到用户的肯定。但实际上FCS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。（2）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互可操作性无疑受到用户青睐，但现有的10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进行互操作的。虽说可以通过网关（Gateway）通信或通过OPC协议进

33、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性的要求。 （3）现场总线的局限性过程控制层PCS（Process Control System）包含了现场总线；中间的制造执行层MES（Manufacturing Execution System）主要用于监控、优化和调度，在管控一体化中起到承上启下的作用；最上层是企业资源规划管理层ERP（Enterprise Resource Planning）用于企业的计划、销售、库存、财务、人事及企业的经营、管理和决策等。（4）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IEC61158 Ed3规定中7类经典现场总线，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，可以说多标准形同无