现场总线第一章

第一章

现场总线概述第一节概述一、什么是现场总线1、控制系统的组成及发展过程⑴、控制系统的组成⑵、控制系统的发展过程控制系统发展的四个阶段：电动单元组合式模拟仪表控制系统集中式数字控制系统集散式数字控制系统(DCS)现场总线（FCS）控制系统

集中式数字控制(DDC)系统示意图中心主控机生产现场现场连线现场连线控制变量被控变量集中式数字(DDC)控制系统的缺点

系统可靠性差：一旦中央控制机出现故障，会造成整个系统的瘫痪。

抗干扰能力差：太多、太长的现场连线，使干扰很难克服。

系统规模小：采用这种结构很难开发大规模的系统。

集散式数字控制系统(DCS)示意图监控计算机CRT操作站基本调节器基本调节器基本调节器

工业现场DHW

集散式数字控制系统(DCS)存在的问题DCS不是一个真正的分散系统，而是一个“半分散”系统，在一定程度上存在着集中控制系统的缺点。由于是一个模拟数字混合系统，而不是全数字化系统，因此，在控制精度、抗干扰能力、计算速度上存在一定问题。专用的DHW高速通道的组网方式是借用LAN通用局域网技术，组网复杂、成本高、升级改造困难。2、现场总线的定义国际电工委员会IEC(International

ElectrotechnicalCommission)

61158的标准定义：现场总线是安装在制造和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、多点通信的数据总线。更确切地说，现场总线是用于现场仪表与控制室之间的一种“全数字、双向、多变量、多点、多站的通信系统”。因为它与现场传感器和执行器连接，所以在整个系统中处于最底层。3、现场总线控制系统－FCS（Fieldbuscontrolsystem）示意图监控中心监控室现场自动化设备（传感器、执行器）

现场总线的本质含义表现在以下几个方面：现场通信系统现场设备互连互操作性分散功能模块开放式互连网络

4、现场总线控制系统的特点

与传统的控制系统相比现场总线控制系统有如下特点：实现了全数字化通信实现不同厂家产品的互操作实现了真正的分布式控制传输的信息量丰富减少了I/O变送器提高了测试精度增加了系统的自治性现场总线控制系统与集散式控制系统的结构对比示意图如下：

（a）DCS控制系统结构示意图监控中心控制单元控制单元控制单元现场自动化设备现场自动化设备现场自动化设备（传感器、执行）（传感器、执行）（传感器、执行）控制室监控中心监控室现场自动化设备（传感器、执行器）（b）FCS控制系统结构示意图现场总线控制系统的核心技术现场设备现场设备间的互连现场总线控制系统的管理（监测、诊断、维护等）现场设备及现场总线控制系统的开发工具

现场总线技术的标准是基础二、

现场总线与局域网1、现场总线网络与局域网的联系(1)、技术上的联系 现场总线技术使用了计算机网络通信技术。（2）、系统连接上的联系 实际应用中较多采用LAN-FIELDBUS结构

（3）、现场总线与局域网有进一步融合的趋势 →工业以太网的出现

≜控制网与信息网的关系的讨论目前的一般性结论：采用TCP/IPEthernet的理由：硬件成本低与internet连接容易带宽提高容易TCP/IP和Ethernet的协议具有广泛性现有现场总线容量较小Ethernet有一定的市场

不采用TCP/IPEthernet的理由：

TCP/IPEthernet发展多年但仍不能满足控制过程的要求过程的连续性传输错误后再传输的快速性

对网络负载的控制

对设备的远程控制能力

提供有保证的通过能力2、现场总线与局域网的不同（1）、不同的技术领域现场总线属于控制领域，用于实现控制系统。（2）、基本功能和特点不同局域网属于信息网，强调的是文本、声音、图像等信息的传递。现场总线属于控制网范畴，主要是作为过程自动化、制造自动化等领域现场自动化控制设备之间的通信和控制的一种网络体系。

第二节现场总线的产生与发展一、

现场总线技术的产生1、现场总线技术是3C技术的结晶。2、克服了传统控制系统的信息孤岛现象。3、标志着控制领域一个新时代的开始。二、现场总线的发展趋势现场总线从八十年代初的提出至今，已经历了近20年的发展历史。目前主要现场总线技术标准已有200多种。1、现场总线技术标准的统一。通过协商、妥协于2000年1月发布了现场总线国际标准IEC61158，它包括了八种互不兼容的现场总线标准，与此同时一些国外大公司还推出了自己的现场总线标准。IEC61158不是真正意义的统一的现场总线标准。

应用中应注意两方面的问题：现场总线标准处于多种标准共存的局面，各个应用领域应选用适用的现场总线标准。

继续努力找到一个统一的现场总线标准，目前已提出了工业以太网标准。中国已进入了现场总线时代，一些现场总线在国内取得了良好的业绩如CANBUS、LONWORKS、PROFIBUS、FF等。2、现场总线技术的发展趋势（1）、标准进一步统一。（2）、开放性、互操作性更好。（3）、可与现有系统相连，得到平滑过渡。

第三节几种有影响的现场总线技术简介

现场总线发展至今，不少公司和集团都推出了自己的现场总线标准。其中应用比较广泛的有：

FF、PROFIBUS、LonWorks、CAN、INTERBUS、HART等。一、基金会现场总线（FoundationFieldbus）1、发展历史 1994年，ISP与WorldFIP（1985年由Honeywell和Bailey等公司发起，以法国标准FIP为基础制定的现场总线标准）两大组织合并，成立了现场总线基金会FF（FieldbusFoundation）。并把IEC/ISP50（美国仪器学会标准）作为统一标准的一部分。2、基金会现场总线的组成FF现场总线由两类网络构成分别为H1和HSE示意图如下：I/O现场设备现场设备PLC数据服务器连接设备工作站H1HSEFF-H1和FF-HSE现场总线示意图

H1是带宽为31.25kbit/s的底层总线用于连接现场设备如传感器、执行器及其它I/O设备等。HSE(HighSpeedEthernet)带宽为100Mbit/s或1Gbit/s用于连接H1子网、数据服务器、工作站和高速控制器如PLC等。HSE上的工作站通过数据服务器访问现场设备。H1允许总线型、树型、星型拓扑结构。HSE是标准的LAN结构。链接设备用来互连31.25kbit/s总线并将其接入高速以太网(HSE)。

3、特点（1）互可操作性：基金会现场总线使用标准功能模块。以模块为基础，使来自不同厂家的设备可以无缝的集成在一起。基金会现场总线是开放的，来自不同生产厂家的经过FF会认证的设备互可操作。（2）节省硬件开支：FF现场总线将控制分散到现场设备可以减少I/O设备和控制器及其它设备如本质安全栅（I.S.）等。如下图中本质安全栅（I.S.）的个数得以减少。

（3）方便安装：现场总线允许多台设备挂接在一对电缆上。这样可以减少电缆、安全栅和安装盒可简化安装过程。（4）改善测量及控制精度：由于采用了数字通讯，增加了信息量。由于控制模块置于现场设备内减少了失真，提高了测量及控制精度。（5）提高控制的可靠性：带有微处理器的现场总线设备具有自诊断和通讯能力，由于控制分布在现场设备中，使控制更为可靠。4、主要应用领域 主要应用于制造和过程自动化领域。

二、

LonWorks现场总线1、发展历史1991年由美国Echelon公司推出了LON(LocalOperatingNetworks)技术，又称LonWorks技术，它是90年代先进的现场总线技术之一。

LonWorks技术被认为是现场总线的开拓者和领导者，目前世界上已安装有500多万个LonWorks节点，LonTalk协议也被接纳为欧洲CENTC247、CENTC205的一部分。

2、LonWorks技术的主要内容 LonWorks技术涵盖如下技术内容

3、LonWorks技术的特点（1）系统完整性好（2）LonWorks产品丰富，易于系统集成（3）系统开放性好（4）易于与上层网络连接，系统的可扩展性强4、主要应用领域 智能建筑领域、电力控管系统、铁路信号系统。三、PROFIBUS现场总线

1、发展历史1987年，以Siemens，Rosemount，横河等几家著名公司为首成立了一个专门委员会ISP（InteroperableSystemProtocal），并制定了过程现场总线PROFIBUS（ProcessFieldBus）。德国政府认可并确定其为国家标准。

PROFIBus（ProcessFieldBus）是欧洲开放式现场总线标准（EN50170）。2、PROFIBUS现场总线的组成Profibus—FMS（FieldbusMessageSpecification）Profibus-PA（ProcessAutomation）Profibus-DP（DistributivePeripheral）三部分组成。

如下图所示应用范围：3、主要特点：

（1）、PROFIBus的最大优点在于具有稳定的国际标准EN50170作保证。（2）、具有三种总线系统结构可适用于不同的应用环境，根据不同的应用对象,可灵活选取不同规格的总线系统。4、主要应用领域过程自动化领域四、INTERBUS现场总线1、发展历史

INTERBUS总线技术是德国PhoenixContact公司研究和开发的一种现场总线，它主要应用于制造业中。1996年成为DIN19825德国标准，1998年成为EN50254欧洲标准，2000年成为IEC61158国际标准中八种现场总线标准之一。2、INTERBUS总线的组成 CAN总线的结构示意图远程总线主控制模板（主设备）总线终端I/OI/OI/OI/OI/OI/O总线终端I/OI/OI/OI/O总线终端本地总线INTERBUS环3、INTERBUS总线的特点（1）、简单、经济、开放的总线形式。（2）、简化硬件连接。（3）、操作方便、可靠性高。4、应用领域

工业自动化生产线，机器人控制等。五、CAN现场总线1、发展历史

控制局域网络C