网络化控制系统 第一讲

1、课程简介特点：涉及工程概念和设计方法的内容 较多，理论内容较少 （技术规范多，公式推导少）重点：设计与应用主要介绍的总线类型：Modbus CAN（经典），Profibus（标准），Lonworks （专业） Industrial EtherNet（趋势）第1章 现场总线技术概述现场总线是20世纪90年代发展形成的，用于过程自动过程自动化、制造业自动化、楼宇自动化、家庭自动化化、制造业自动化、楼宇自动化、家庭自动化等领域的现场设备互连的通信网络现场总线是目前自动化领域研究和应用的热点之一现场总线控制系统是现场总线与控制系统的集成 Fieldbus Control System本章的主要内容1.

2、1 现场总线的由来1.2 现场总线的定义和分类1.3 现场总线的特点1.4 现场总线技术的现状及发展1.1 现场总线的由来现场总线技术是为了满足控制（测控）系统向 数字化发展的需要而产生的数字化的优点：信息量更丰富控制系统的4个发展阶段： 模拟仪表控制系统； 直接数字控制系统； 集散控制系统； 现场总线控制系统模拟仪表控制系统 Analog Control System出现于20世纪50年代之前基地式仪表：功能简单统一的模拟信号：0.020.1MPa，010mA，15V，420mA 典型的单回路控制系统：控制算法简单模拟仪表控制系统 Analog Control System 常规模拟单回路调

3、节（控制）系统 调节仪表：输入输出 测量仪表：输出 420mADC 执行器：输入直接数字控制系统 Direct Digital Control System出现于20世纪60年代初随着计算机的发展和普及而得到应用多回路控制：控制功能增强，算法先进执行机构、测量变送仪表仍采用模拟量 （420mA）需要模/数（A/D）、数/模（D/A）转换直接数字控制系统 Direct Digital Control System用计算机代替模拟控制仪表 可实现复杂控制算法和协调控制 缺点：控制功能集中导致危险性加大集散控制系统 Distributed Control System出现于20世纪70年代中期随着大

4、规模集成电路和微处理器的发展和成熟而得到应用控制功能分散到多个子系统（控制站）组成：包括过程控制站、操作站（人机界面）和通信系统集中操作、分散控制-集散控制系统集散控制系统 Distributed Control System现场总线控制系统 Fieldbus Control System出现于20世纪90年代后期在DCS的基础上进一步数字化控制功能进一步向下（现场设备）分散用串行数字化接口代替测量变送仪表和执行机构的模拟量接口（420mA）双向通信方式使传输的信息量大大丰富现场总线控制系统 Fieldbus Control System传统控制系统的主要缺点（1）信息集成能力不强 控制器与现

5、场设备之间通过I/O连线 连接，传送420mA模拟量信号或24VDC 开关量信号，并以此监控现场设备。这样，控制器获取信息量有限，如设备参数、故 障记录等有用数据很难得到。 传统控制系统的主要缺点（2）系统开放性、可集成性差 除现场设备采用标准的420mA或者24VDC连接，系统其它软、硬件通常只能 使用同一家产品。不同厂家产品之间缺乏 互操作性、互换性，因此可集成性差。 传统控制系统的主要缺点（3）成本高、可靠性差 对于大范围的分布式控制系统，大量 的I/O电缆及敷设施工，不仅增加成本， 更是增加了系统的故障点，降低了系统的 可靠性。 传统控制系统的主要缺点（4）可维护性不高 由于现场级设备

6、信息不全，现场级设备的在线故障诊断、报警、记录功能不强。 另一方面也很难完成现场设备的远程参数设定、修改等参数化功能，影响了系统的可维护性。 现场总线技术就是为了克服上述缺点而产生和发展的 现场设备的串行通信接口是现场总线技术的原形 由于嵌入式技术的发展，许多测量变送仪表和执行机构等现场设备实现了智能化，即内置微处理器，完成诸如线性化、量程转换、数字滤波甚至回路调节等功能。因此，对于这些智能现场设备增加一个串行数据接口（如RS-232/485）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（而不是并行I/O方式）完成对现场设备的监控。如果设想全部或大部分现场设备都具

7、有串行通信接口并具有统一的通信协议，控制器只需一根通信电缆就可将分散的现场设备连接，从而完成对所有现场设备的监控。这就是产生现场总线技术的初始想法和技术基础这就是产生现场总线技术的初始想法和技术基础现场总线技术的产生 基于以上初始想法，设想使用一根通信电缆，将所有具有统一的通信协议和通信接口的现场设备连接，这样，在设备层传递的不再是模拟量信号，而是基于现场总线的数字化信号，进而构成由数字化通信网络连接起来的控制系统。发展至今，已经出现了至少几十种现场总线。 1.2 现场总线的定义及分类现场总线的定义（4种）：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；广义上是

8、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；基于智能化仪表及现场总线的控制系统FCS；一种数字化的串行双向通信系统。1.2 现场总线的定义及分类IEC（国际电工委员会）定义： 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。总线的分类毫米级：芯片内总线厘米级：芯片间总线、元件总线分米级：机箱内总线（Multi-bus、 STD、PCL、ISA、PCI等）十米级：机柜间总线（RS-232、GPIB、VME、VXI等）百千米级：现场总线（Modbus、FF、Profibus等）按数据通信宽度分类（1）传感器现场总线（

9、数据宽度为位-Bit）： 适用于简单的开关装置和输入输出位的 通信,如Seriplex总线、AS-i总线等。（2）装置现场总线（数据宽度为字节-Byte）： 适用于以字节为单位的装置类通信,如 Interbus总线、Device-Net总线和CAN总线等。按数据通信宽度分类（3）全服务的现场总线（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,如FF(Foundation Fieldbus)总线、Lonworks总线、Hart总线等。按应用行业分类（1）过程控制（连续生产过程）用现场 总线：FF的H1、Profibus-PA

10、等（2）离散控制用现场总线： Profibus-DP、Device-Net等（3）楼宇自动化用现场总线：Lonworks等（4）车辆制造业用现场总线：CAN等（5）飞机制造业用现场总线：SwiftNet等（6）农业及养殖业用现场总线：P-Net等1.3 现场总线的特点现场总线控制系统的结构特点FCS与DCS的对比现场总线的技术特点现场总线的主要优点现场总线控制系统的结构特点（1）现场总线控制系统由于采用了现场总线设备，能够把原来DCS系统中处于控制室的控制模块、输入输出模块置于设备现场，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，因而控制功能能够不依赖控制室

11、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。现场总线控制系统的结构特点 （2）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与DCS的结构对比FCS与DCS的详细对比FCSDCS(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

12、拟信号传输不仅精度低，而且容易受干扰。FCS与DCS的详细对比FCSDCS（3）失控状态操作员在控制室既可以了解现场设备过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。FCS与DCS的详细对比FCSDCS （5） 互换性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

13、信号标准（420mADC），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。现场总线的技术特点（1）系统的开放性 通信协议公开，各不同厂商的设备之间可实现信息交换。（2）互可操作性与互用性 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，实现相互替换。现场总线的技术特点（3）现场设备的智能化与功能自治性 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。（4

14、）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，提高了可靠性。现场总线的技术特点（5）对现场环境的适应性 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。现场总线技术的主要优点（1）FCSFCS实现全数字化通信实现全数字化通信 DCS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一对一模拟信号(如420mADC)传输方式，因此DCS是一个“半数字信号”系统。 FCS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

15、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。现场总线技术的主要优点（2）FCSFCS实现彻底的全分散式控制实现彻底的全分散式控制 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。 FCS舍弃了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数字仪表。从而构成虚拟控制站，实现彻底的分散控制。现场总线技术的主要

16、优点（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联、互操作 DCS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。现场总线技术的主要优点（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 FCS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

17、/O系统来说，减少了DCS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，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。现场总线技术的主要优点（5 5）FCSFCS降低系统工程成本降低系统工程成本 FCS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。1.2 相关名词术语1.2.1 总线的基本概念（1）总线与总线段（2）

18、主设备与从设备（3）总线上的控制信号（4）总线协议1.2.1 总线的基本概念（1）总线（总线（busbus）与总线段）与总线段(bus segment)(bus segment)从广义说，总线总线就是传输信号或信息的公共 路径，是遵循同一技术规范的连接与操作方式。一组设备通过总线连在一起称为总线段总线段。 可以通过总线段相互连接把多个总线段连接成一个网网络络系统。（2 2）主设备与从设备）主设备与从设备可在总线上发起信息传输的设备叫做“总线主设主设备备”(bus mastermaster) ，又称命令者。不能在总线上主动发起通信、只能挂接在总线上、 对总线信息进行接收查询的设备称为总线从设备(

19、bus slaverslaver)，也称基本设备。在总线上可能有多个主设备，某一设备既可以是 主设备，也可以是从设备，但不能同时既是主设备又是从设备。1.2.1 总线的基本概念（3 3）控制信号（三种类型）控制信号（三种类型）（a）控制连接在总线上的设备，让其进行所规定的操作，如设备清零、初始化、启动和停止等。（b）用于改变总线操作的方式，如改变数据流的方向，选择数据字段的宽度和字节等。（c）表明地址和数据的含义，如对于地址，可用于指定某一地址空间，或表示出现了广播操作；对于数据，可用于指定它能否转译成辅助地址或命令。（4 4）总线协议）总线协议管理主、从设备使用总线的一套规则称为“总线协议”

20、(bus protocol)。协议是一套事先规定的、总线上所有设备必须共同遵守的规约。1.2.1 总线的基本概念1.2.2 通信术语数据通信数据通信的基本含义是指在2个或2个以上相互独立的计算机类设备之间传递数字化 信息。比如：工业控制机与PLC之间，计 算机与手机、PDA之间，校园网中计算机 与计算机之间等。在计算机内部的数据传递计算机内部的数据传递，如CPU与显示卡、CPU与硬盘之间等，一般不归于数据通信的范畴。 1.2.4 通信术语在计算机等数字化设备中，信息的基本描述形式为二进制数，而目前最基本、最常用的表述形式为8位数据位。若在2台计算机之间传递一条信息，从信息传递的方式上看，可以采

21、用串行通信串行通信方式或并行通信并行通信方式。 1.2.4 通信术语一条信息的各位数据被同时传送的通信方式称为并行通并行通信信。并行通信的特点是：各数据位同时传送，传送速度快、效率高，但有多少数据位就需多少根数据线，因此传送成本高，只适用于近距离（相距数米）的通信。一条信息的各位数据被逐位按顺序传送的通信方式称为串行通信串行通信。串行通信的特点是：各个数据位的传送是按位序顺序进行，最少只需一根数据传输线即可完成，成本低但传送速度慢。串行通信的距离可以从几米到几千米。 1.2.4 通信术语一般常说的数据通信就指的是串行数据通信一般常说的数据通信就指的是串行数据通信 1.2.4 通信术语（1）通信

22、系统的组成（2）数据通信基本原理（3）数据交换方式（1 1）通信系统的组成）通信系统的组成通信系统是传递信息所需的一切技术设备 的总和。它一般由信息源和信息接收者， 发送、接收设备，传输介质几部分组成。信息源和接收者信息源和接收者信息源和接收者是信息的产生者和使用者。在数字通信系统中传输的信息是数据，是数字化了的信息。这些信息可能是原始数据，也可能是经计算机处理后的结果，还可能是某些指令或标志。信息源可根据输出信号的性质不同分为模拟信息源和离散信息源。发送设备发送设备发送设备的基本功能是将信息源和传输媒介匹配起来，即将信息源产生的消息信号经过编码，并变换为便于传送的信号形式，送往传输媒介。信源

23、编码：把连续消息变换为数字信号；信道编码：使数字信号与传输介质匹配，提高传输的可靠性或有效性。发送设备还要包括为达到某些特殊要求所进行的各种处理，如多路复用、保密处理、纠错编码处理等。传输介质传输介质传输介质指发送设备到接收设备之间信号传递所经媒介。它可以是无线的，也可以是有线的(包括光纤)。有线和无线均有多种传输媒介，如电磁波、红外线为无线传输介质，各种电缆、光缆、双绞线等为有线传输介质。介质在传输过程中必然会引入某些干扰，如热噪声、脉冲干扰、衰减等。媒介的固有特性和干扰特性直接关系到变换方式的选取。接收设备接收设备接收设备的基本功能是完成发送设备的反变换，即进行解调、译码、解密等。它的任务

24、是从带有干扰的信号中正确恢复出原始信息来，对于多路复用信号，还包括解除多路复用，实现正确分路。以上所述是单向通信系统，但在大多数场合下，信源兼为收信者，通信的双方需要随时交流信息，因此要求双向通信。(2) 数据通信基本原理数据通信基本原理 A.通信方式按照信息的传输方向分为 ：(i)单工 (Simplex)方式 信息只能沿单方向传输的通信方式称为单工方式；(ii)半双工(Half duplex)方式 信息可以沿着两个方向传输，但在某一时刻只能沿一个方向传输的通信方式称为半双工方式；(iii)全双工 (Full duplex)方式 信息可以同时沿着两个方向传输的通信方式称为全双工方式。单工、半双

25、工和全双工通信方式单工、半双工和全双工通信方式 B. 传输模式基带传输 载波（带）传输 宽带传输 基带传输 基带传输是指在基本不改变数据信号频率的情况下，在数字通信中直接传送数据的基带信号，即按数据波的原样进行传输，不采用任何调制措施。它是目前广泛应用的最基本的数据传输方式。局域网、控制局域网载波（带）传输载波传输是先用数字信号对载波进行调制，然后进行传输的传输模式。最基本的调制方式有幅值键控 (ASK)，频移键控 (FSK)和相移键控 (PSK)3种。在载波传输中，发送设备首先要产生某个频率的信号作为基波来承载信息信号，这个基波就称为载波信号，基波频率就称为载波频率;然后按幅值键控、频移键控

26、、相移键控等不同方式改变载波信号的幅值、频率、相位，形成调制信号后发送。宽带传输 由于基带网不适于传输语言、图像等信息，随着多媒体技术的发展，计算机网络传输数据、文字、语音、图像等多种信号的任务愈来愈重，因此提出了宽带传输的要求。宽带传输与基带传输的主要区别:一是数据传输速率不同，基带网的数据传输速率范围为0l0Mbit/s，宽带网可达0400Mbit/s;二是宽带网可划分为多条基带信道，能提供良好的通信路径。一般宽带局域网可与有线电视系统共建，以节省投资。 C. 二进制数据表示方法基带传输中数据的表示方法 (i)信息传输有平衡传输和非平衡传输。(ii)根据对零电平的关系，信息传输可以分为归零

27、传输和不归零传输。(iii)根据信号的极性，信息传输分为单极性传输和双极性传输。 单极性码 双极性码常用的数据表示方法常用的数据表示方法a)平衡、归零、双极性b)平衡、归零、单极性c)平衡、不归零、单极性d)非平衡、归零、双极性e)非平衡、归零、单极性f)非平衡、不归零、单极性数据表示方法数据表示方法 载带传输中的数据表示方法(1)调幅方式 调幅方式AM (Amplitude Modulation)又称为幅移键控法 ASK (Amplitude-Shift Keying)(2)调频方式 调频方式FM (Frequency Modulation)又称为频移键控法FSK (Frequency-Sh

28、ift Keying)(3)调相方式 调相方式PM (Phase Modulation)又称为相移键控法PSK (Phase-Shift Keying) 数据调制方式数据调制方式（a）调幅调幅 （b）调频调频 （c）调相调相1.2.3报文与协议OSI 七层网络协议1.报文 通信过程中传送的信息2.协议 一套事先约定好的共同遵守的规范3.总线协议 总线上的设备如何使用总线的规定4.语法 数据的结构格式及次序1.2.3报文与协议OSI 七层网络协议5. 数据流中每个部分的含义6. 时序 与数据发送的先后次序和数据的发送速率有关，收发双方往往需要以某种方式校对时钟周期，协调数据处理的快慢。1.2.4

29、 差错控制n为什么要进行差错控制n传输错误的种类有哪些n差错控制方法n奇偶校验为什么要进行差错控制？ 分布控制系统的通信网络是在条件比较恶劣的工业环境下工作的，因此，在信息传输过程中，各种各样的干扰可能造成传输错误。这些错误轻则会使数据发生变化，重则会导致生产过程事故。因此必须采取一定的措施来检测错误并纠正错误，检错和纠错统称为差错控制差错控制。传输错误的种类：突发错误：由突发噪声引起的，误码连续成片出现；随机错误：由随机噪声引起的，误码与其前后的代码是否出错无关。差错控制方法：在传输信息中附加冗余度在传输方法中附加冗余度 1.4 现场总线的现状及发展现场总线标准的制定现有现场总线标准（国际、

30、国内）现场总线发展中存在的问题现场总线技术的发展趋势现场总线标准的制定标准化的重要性 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。制定标准的机构(一)世界上 国际标准化组织ISO (International Standard Organization) 国际电工委员会IEC (International Electrotechnical Commission) 国际

31、电信联盟ITU （ International Telegraphy Union） 欧洲电工标准化委员会CENELEC（欧洲标准EN）(二)国内 制订国家标准GB的组织是全国标准化委员会现有的现场总线标准 2004年4月，IEC公布了现场总线标准 第三版（即IEC61158 Ed.3），规定了10种类型的现场总线，分别是：Type1 TS61158 现场总线Type2 ControlNet 和 Ethernet/IP 现场总线Type3 Profibus现场总线Type4 P-NET现场总线现有的现场总线标准Type5 FF HSE现场总线Type6 Swift-Net 现场总线Type7 W

32、orldFIP现场总线Type8 INTERBUS现场总线Type9 FF H1现场总线Type10 PROFInet现场总线现有的现场总线标准2006年11月，全国工业测量和控制标准化技术委员会发布了中国第一个工业通信领域现场总线技术国家标准：国家标准GB/T20540-2006Profibus规范国家标准化指导性技术文件GB/Z20541-2006Profibus规范现场总线发展中存在的问题(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。(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。(3)有的公司早期投人大量资金使得产品间世较

33、早。(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。(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。 多标准多标准 = = 无标准！无标准！现场总线发展中存在的问题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。现场总线发展中存在的问题（1）多标准共