第4章 现场总线控制网络

第4章现场总线控制网络周鸣争安徽工程大学计算机与信息学院1安徽工程大学研究生课程主要内容1概述2现场总线控制网络3FCS的软件结构4FCS的功能块组态的实现5FCS的布线与安装6FCS的发展趋势2安徽工程大学研究生课程1概述

第4章现场总线控制网络3安徽工程大学研究生课程1现场总线的定义

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数字通信的总线，也有把它称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络技术。

现场总线是工业数据通信与控制网络技术的代名词，是测控领域的通信与网络技术是控制网络技术的重要组成部分。它主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题，所以现场总线既是通信网络，又是自控网络。

概述4安徽工程大学研究生课程（1）ISASP50（美国仪表协会标准）中对现场总线的定义

—现场总线是一种串行的数字数据通信链路，它沟通了过程控制领域的基本控制设备（即场地级设备）之间以及与更高层次自动控制领域的自动化控制设备（即车间级设备）之间的联（2）国际电工委员会IEC标准和现场总线基金会FF的定义

—现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络概述5安徽工程大学研究生课程现场总线的本质特征—现场通信网络—现场设备互联—互操作性—分散功能块—通信线供电—开放式互联网络概述6安徽工程大学研究生课程概述7安徽工程大学研究生课程概述2发展历程：

现场总线技术的开发始于20世纪80年代但对该项技术的开发之热是近年之举。与PLC同时出现的Culter-Hammer推出的DirectrolGeneralElectric的GeniusI/OPhoenix的Interbus-S，TURCK的Sensoplex丹麦ProcessData公司83年推出的P-Net；德国Siemens公司84年推出的Profibus(ProcessFieldbus的简称)法国Alstom公司87年推出的FIP(FactoryInstrumentationProtocol)等都属于早期推出且至今仍有较大影响的总线技术8安徽工程大学研究生课程概述

今年来，欧洲、北美、亚洲的许多国家都投入巨额资金与人力进行研究开发。已经形成了各式各样的企业、国家、地区、及国际现场总线标准。根据相关资料统计，已出现的现场总线一百多种，其中宣称为开放型总线的就有40多种。由于行业、地域、经济利益等多种原因，本应是唯一的一个标准统一、开放互连的控制通信网络，目前情况却是在不同领域形成多个颇具影响力的总线标准。9安徽工程大学研究生课程

概述3现场总线组织现场总线基金会（FieldbusFoundation）LonMark协会,Profibus协会，工业以太网协会IEA（IndustrialEthernetAssociation），工业自动化开放网络联盟IAONA（IndustrialAutomationOpenNetworkAlliance）SocietyofAutomotiveEngineers（SAE）10安徽工程大学研究生课程4现场总线标准的国际标准化组织：IEC和ISO（1）IEC/TC65负责测量和控制系统数据通信国际标准化工作的SC65C/WG6，是最先开始现场总线标准化工作的组织它于1984年就开始着手总线标准的制定，致力于推出世界上单一的现场总线标准，也因此而历经坎坷，历经了16年的艰难历程，出现了波及全球的现场总线标准大战。IEC61158-2诞生于1993年，之后的标准制定就陷于混乱。2000年初宣布，IEC现场总线国际标准子集有八种：IEC61158；

ControlNet；Profibus；P-Net；HighSpeedEthernet；NewcomerSwiftNet；WorldFIP；

Interbus-S概述11安徽工程大学研究生课程（2）最早成为国际标准的是CAN，它属于ISO标准：ISO11898（3）IEC/17B为负责制定低压开关装置与控制装置用控制设备之间的接口标准的组织,已通过的IEC62026国际标准包括：第2部分ASI、第3部分DeviceNet、第4部分智能分布式系统SDS（SmartDistributedSystem）、第5部分Seriplex（4）其它有实力、有发展前景的控制网络技术工业以太网；LonWorks；Modbus；蓝牙、无线局域网；消费电子总线CEBus；光总线等；（过渡型总线HART）概述12安徽工程大学研究生课程5特点（1）技术特点

—系统的开放性—互操作性和互用性—系统结构的高度分散性—对现场环境的适应性—一对N结构—可控状态—互换性—综合功能—统一组态概述13安徽工程大学研究生课程（2）优点—节省硬件数量与投资—节省安装费用—节省维护开销—用户具有高度的系统集成主动权—提高了信号的测量、控制和传输精度概述14安徽工程大学研究生课程2现场总线控制网络

第4章现场总线控制网络15安徽工程大学研究生课程1定义

现场总线控制网络亦称现场总线控制系统（FieldbusControlSystem,FCS），是由现场总线和现场设备组成的控制系统，这是继电式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散控制系统DCS后的新一代控制系统。2组成（1）从物理结构来看，现场总线系统有两个主要组成部分：现场设备和传输介质，其中现场设备由现场微处理芯片及外围电路构成，传输介质可以使用双绞线、同轴电缆、光纤等（2）现场总线的拓扑结构有很多种，如总线型、环型、树型、星型、菊花链型等现场总线控制网络16安徽工程大学研究生课程现场总线控制网络17安徽工程大学研究生课程现场总线控制网络（3）从系统层次看FCS由以下部分组成控制系统：监控组态软件、维护软件仿真软件等；测量系统：完成参数测量；设备管理系统：提供设备自身及过程的诊断、管理信息。网络通信系统数据库（4）从功能结构上看，FCS由设备层、回路控制层、现场优化控制层和现场管理层组成。18安徽工程大学研究生课程现场总线控制网络操作站模拟量输出功能块控制功能块H1现场总线差压变送器模拟量输入功能块PIDI10…...AOI10AI110H1H1网桥H2现场总线…….现场节点服务器LAN（局域网）FCS结构19安徽工程大学研究生课程现场总线控制网络3现场总线设备的类型（1）临时设备工作在现场总线上的设备，占用一个地址。（2）静态块现场设备包含功能块应用的设备，占用一个永久地址。（3）静态块现场设备具有静态块现场设备的功能，同时有对功能块进行动态安装或删除的能力。（4）接口设备完成设备之间的接口功能，不包含功能块应用进程。（5）监视设备监听数据传送不能向网络上发送数据。20安徽工程大学研究生课程4现场总线的协议—现场总线一般采用国际标准组织ISO的开放系统互联（OSI）协议，OSI协议是为计算机联网而制定的7层参考模型，只要网络中所有要处理的要素都是通过共同的路径进行通信的，那么不管它是不是计算机网络都可以使用该协议—各厂家在实际制定自己的通信协议时，往往依据侧重点的不同，仅实现该7层协议的子集现场总线控制网络21安徽工程大学研究生课程现场总线控制网络—现场总线通信协议有如下要求：

通信介质的多样性：支持多种通信介质，以满足不同现场环境的要求。实时性：信息的传输不允许有较大时延或时延的不确定性。信息的完整性、精确性：要确保通信质量。可靠性：具备抗各种干扰的能力和完善的检错、纠错能力。可互操作性：不同制造商制造的现场仪表可在同一总线上互相通信和操作。数字特征：数据在各设备间以及网络上以0或1的数字信息串行地进行传输。22安徽工程大学研究生课程3FCS的软件结构

第4章现场总线控制网络23安徽工程大学研究生课程FCS的软件结构1FCS软件的组成

FCS软件一般包含有实施时数据库组态软件（通信组态、控制组态、监控软件）维护软件仿真软件现场设备管理软件24安徽工程大学研究生课程FCS的软件结构2实时数据库实时数据库作为其它应用软件平台和现场仪表、控制器和数据收集器，负责实时数据的读写、管理、归档和维护。3组态软件组态软件集成了图形技术、人机界面技术、数据库技术、控制技术和网络与通信技术，拥有丰富的工具箱、图库和操作向导，使系统开发人员不必依靠某种具体的计算机语言，只需通过可视化的组态方式，就可完成控制策略的设计。已成为监控系统主要的软件开发工具之一。以控制网络为基础，配以成熟的组态软件，是目前控制领域发展的一个重要方向。25安徽工程大学研究生课程FCS的软件结构

FCS组态包括硬件和软件组态。硬件组态包括操作员站的选择及硬件配置、控制站的选择等；软件组态包括基本配置组态和应用软件组态。基本配置组态是给系统一个配置信息；应用软件组态包括控制策略组态和控制算法组态。系统监控软件组态的任务就是完成应用软件的组态。

（1）控制策略组态的功能◆提供多种器件库以及图形控制和功能组件（如PID等）；◆可组态各种显示功能；完成信息的显示、记录与处理◆创建画面，提供友好的人机界面。26安徽工程大学研究生课程FCS的软件结构（2）控制算法组态其组态方法是把用户常用的一些算法，编成一个个功能模块存储在系统中，用户根据需要从模块库中选取所需的功能模块和连接线，构成系统的控制回路。控制算法组态在用户编辑完成系统的控制回路后，在进行编译生成相应的组态目标文件，即执行信息文件。把该文件读入内存，即可在控制站上运行。因此，算法模块编写的是否合理，以及编译器的功能是否完善都影响到系统性能。27安徽工程大学研究生课程FCS的软件结构4监控系统软件（1）功能◆提供系统的人机接口◆构成工业过程的监控系统，实现对现场进行操作与监控。◆实现与信息管理网络的互连。◆实时趋势显示与事件报警。（2）组成◆组态开发平台软件：具有流程页面组态、动态报表组态、工艺参数报警组态、实时数据趋势、动画定义、数据显示等。28安徽工程大学研究生课程FCS的软件结构◆运行平台软件：对组态开发平台所产生的工程文件进行解释并执行。◆远程监控软件：实现信息的远程传输、显示、处理与控制（如Web)29安徽工程大学研究生课程4FCS的功能块组态的实现第4章现场总线控制网络30安徽工程大学研究生课程1FCS软件模块的类型在FCS系统中。采用功能块作为描述控制策略的基本方法，从用户角度看，FCS中有如下三种软件模块：（1）功能块：提供一个通用的结构来规定输入、输出、算法和控制参数；把输入参数通过这种模块化的函数，转化为输出参数。实现基本的自动化功能。常见的有：AI、PID、AO、AR等。（2）转换块：将功能块与I/O设备（如传感器、执行器等）隔离开来，它通过与设备独立的接口来访问I/O设备。将I/O数据转化为与I/O设备无关的表达方式。同时完成I/O数据的校准和线性化功能。FCS的功能块组态的实现31安徽工程大学研究生课程（3）资源块：用于定义功能块应用的一些硬件特性。将功能块与实际的物理硬件隔离，提供一套与硬件参数无关的执行过程。2功能块的属性（1）按信息类型分：●输入属性：来自操作员、现场设备或者其它功能块输入到本功能块的值。●输出属性：本功能块的输出值●内合属性：仅在功能块内部所使用的，实现运算、控制策略以及状态表达的一组参数。●方式属性：用于表达功能块工作方式的属性。FCS的功能块组态的实现32安徽工程大学研究生课程（2）按存储方式分：●动态属性：由功能块的算法计算出来的值具有动态属性。这类属性的值在断电时不需保存，电源恢复时可重新计算。●静态属性：静态属性的值具有确定的值。断电时必须保存。电源恢复时重新使用。●非易失属性：非易失属性的值是按一定频率改写的值。断电时必须将其最新的值保存在设备中。每一个属性都可以按照一定的数据格式在用于控制、趋势、报警以及诊断的功能块之间进行传输。3功能块的工作方式FCS的功能块组态的实现33安徽工程大学研究生课程工作方式决定了功能块由谁来控制以及进行什么样的控制。有时也决定了信息的处理方法和信息来源。一般有如下7种：（1）离线方式（O/S）：功能块停止运算。输出保持离线前的值或者预先设置的安全值。现场总线上所有的功能块都支持这种方式。（2）初始化手动（Iman)：该方式下功能块的输出跟随外部跟踪信号。（3）本地超驰（LO)：应用于控制或者输出功能块，以便跟踪某一信号。在该方式下，功能块的输出被设置为跟踪输入参数值。FCS的功能块组态的实现34安徽工程大学研究生课程

（4）手动(Man）：功能块的输出不是控制算法计算出来的，而是操作员手动设置的。

（5）自动（Auto）：功能块采用本身的给定值（内给定），以及预定的控制算法来计算功能块的输出。本地给定值可以由操作员通过接口设备输入。

（6）串级（Cas）：功能块的输出按功能块的正常功能进行运算。如果该块有给定值，那么该给定值通过功能块连接来自另一个功能块。在该方式下，操作员不能改变给定值。

（7）远方串级(Raas）：功能块的输出按功能块的正常功能进行运算。如果该块有给定值，那么该给定值来自另一个控制设备。FCS的功能块组态的实现35安徽工程大学研究生课程FCS的功能块组态的实现通常将需要确定功能块所希望的工作方式称为正常方式。而将功能块实际所处的方式称为实际方式。将功能块在实际运行时允许出现的方式称为允许方式。当将功能块的工作方式从一种方式切换到另一种方式，则将后一种方式称为目标方式。目标方式可以手动设置也可以在运行期间由另一个功能块设置。目标方式必须包含在允许方式中，否则不允许设置。初始化手动和本地超驰方式不能设置为目标方式。一个功能块对象被组态时，它的默认方式是离线方式。当功能块组态完成之后，最终的有效目标方式将会被重新启动。36安徽工程大学研究生课程FCS的功能块组态的实现输入获取处理算法输出获取执行控制功能块控制输入参数（从其它功能块连接过来）输出参数（连接到其它功能块）内含参数事件输入事件输出4功能块的内部结构与连接（1）内部结构37安徽工程大学研究生课程FCS的功能块组态的实现（2）连接变换块1功能块1观测表传感器1趋势对象38安徽工程大学研究生课程5FCS的布线与安装

第4章现场总线控制网络39安徽工程大学研究生课程1FCS的设计步骤（1）确定控制方案（2）根据方案选择现场智能仪表（3）选择总线网络及器件（4）选择开发组态软件（5）根据控制策略，分配功能块位置；（6）通过组态软件完成功能块之间的连接（7）根据功能块的要求，确定各功能块相应参数（8）网络组态，分配网络节点号，决定链路活动的主管（9）下载组态信息，并启动现场总线系统运行。FCS的布线与安装40安徽工程大学研究生课程FCS的布线与安装2布线与安装现场总线对传输线的电气特性有一些特殊的要求。现场总线装置是通过总线供电的，需要考虑如何避免电源对数字信号传输所造成的影响（1）FCS的网络部件现场总线上连接的部件除了各种各样的现场总线设备，还包含如下一些辅助部件：◆电源现场总线电源分为4种：41安徽工程大学研究生课程FCS的布线与安装●非本安的现场总线电源●电源调理器和标准电源一起使用●非本安的现场总线电源外接本安栅●本质安全的现场总线电源用总线供电的现场设备，应确保有足够的电压驱动配置网段时应考虑以下情况：●每个设备的功耗情况；●设备在网络中的位置；●电源在网络中的位置；●每段电缆的阻抗；●电源的电压；42安徽工程大学研究生课程FCS的布线与安装◆电源阻抗器电源阻抗器接在电源与现场总线之间，防止电源将现场总线上的信号短路，还可以调整电源电压，实现主电源与后备电源之间的自动无扰切换。◆终端器终端器是在现场总线传输媒体的末端。每个网段有且只能有2个终端器，分别接在该段的两端，有时一个放在电源阻抗器或安全栅中。它有两个功能：●电流/电压转换●防止信号反射，提高信息传输可靠性。43安徽工程大学研究生课程FCS的布线与安装◆电缆

一般推荐使用屏蔽双绞线。电缆的允许长度与电缆的类型有关。其中IEC/ISA物理层标准中指定的电缆类型如下表，推荐使用A、B型。电缆型号特性规格号最大长度A型屏蔽双绞线（31.25kbs）#18AWG1900mB型多股屏蔽双绞线H1（31.25kbs）#22AWG1200mC型非屏蔽双绞线（31.25kbs）#22AWG400mD型多芯屏蔽线（31.25kbs）#16AWG200m44安徽工程大学研究生课程FCS的布线与安装（2）布线与安装◆电缆总长度的限制这些限制主要取决于电缆的类型、网络的拓扑结构和挂接设备的数量与类型。总长度是指干线长度与支线长度之和。在混合使用不同电缆时一般要求：L1/L1max+L2/L2max+…+Ln/Lnmax<1PC机控制器设备1设备2设备3干线支线1支线2支线3设备445安徽工程大学研究生课程FCS的布线与安装分支线越短越好，分支的总长度取决于分支数目和每个分支上的设备个数，建议按下表取值。设备总数1个设备/分支2个设备/分支3个设备/分支4个设备/分支25~321m1m1m1m19~2430m1m1m1m15~1860m30m1m1m13~1490m60m30m1m1~12120m90m60m30m46安徽工程大学研究生课程FCS的布线与安装◆网络的扩充如果网络总线长度超过1900米，使用中继器进行扩充。但在任何两个设备之间最多可以使用4个中继器（受现场总线物理层协议中前导码个数的限制），构成5个网段。可得到9500米总长。◆屏蔽、接地与极性当使用屏蔽电缆时，要将各支线的屏蔽与干线的屏蔽连接在一起，最后集中于一点进行接地。屏蔽层不能当作电源线。在总线供电的网络中，信号电压是叠加在供电的直流电压之上，应将所有设备当作有极性的要求，双绞线和所有的连接点都应注明极性。47安徽工程大学研究生课程FCS的布线与安装◆本质安全本质安全技术是在易燃易爆环境下使用电气设备时保证安全的一种方法。其基本思想是限制电气设备中的能量，使其所产生的电火花或发热量不足以点燃易燃易爆物质。因此现场总线需要使用专用的安全栅或电流隔离器。对本质安全系统，由每个安全栅引出的现场总线只能安装2—6台设备电流隔离器采用了变压器或光/电隔离器，将危险场所的电路与地完全隔离。安全栅和电流隔离器一般是不允许安装在危险场所的位于危险场所的终端器必须是本质安全的，对于电缆的电气特性都有一定的要求。48安徽工程大学研究生课程FCS的布线与安装◆在线安装与拆除在拆除现场设备时，应注意避免总线的短路、碰屏蔽或接地。把一个现场设备在线连接到总线上，应按照以下步骤进行：●在工作室将设备与带有系统组态软件的计算机连接；●为该设备分配一个标签。●将设备拆下计算机，安装到现场与正在工作的现场总线连接。●把组态下载到该设备上。启动工作。49安徽工程大学研究生课程FCS的布线与安装◆实际安装的一些要求●选择类型恰当、尺寸合理的电缆；●从整体上确定连接箱的位置；●合理地选择每网段上的电源和终端器●尽量将同一个控制回路的设备安排在同一网段上；●总线网段或各支线网段不宜过长；●同一网段上不宜接过多的设备；●避免多级配线；●通信速度不同的设备不能连接在同一网段上；●非现场设备不允许连接在现场总线上；●在查找故障时，应使用高阻抗的仪表。50安徽工程大学研究生课程6FCS的发展趋