第二章 现场总线概述

现场总线（Fieldbus）技术概述本章内容第一节、现场总线简介第二节、现场总线控制系统FCS第三节、现场总线在工业控制过程中的应用第四节、现场总线技术的发展趋势第一节现场总线简介1.1概念网络节点：测量控制设备远程监测计算机传输介质总线协议在测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的技术现场总线（FieldBus）FB-NET的特点：设备之间采用网络式连接系统的开放性互可操作性通信的实时性与准确性现场设备的智能与功能自治性对现场环境的适应性1.2FB_NET通用现场总线网络结构FB_NETControlNet和Ethernet/IP现场总线系统体系结构FB_NETProfibus现场总线FB_NETP-NET现场总线FB_NETHSE（HighSpeedEthernet）采用高速以太网技术开发H2现场总线FB_NETWorldFIP现场总线物理层采用IEC61158.2标准，它广泛应用于发电与输配电、加工自动化、铁路运输、地铁和过程自动化领域。系统分为三级，即过程级、控制级和监控级FB_NETH1总线支持多种传输媒体：双绞线、电缆、光缆和无线媒体。传输速率为31.25Kbps，通信距离最大为1900米。该总线支持总线供电和本质安全。协议由物理层、数据链路层、应用层以及考虑到现场装置的控制功能和具体应用而增加的用户层组成。FB_NETPROFInet现场总线将工厂自动化和企业信息管理层IT技术有机地融为一体，使用的EthernetTCP/IP技术FB_NET有什么想法？晕眩木有？FB_NET总结下上述FB-NET的共同点都有什么？1.2现场总线网络的特征双向串行多节点全数字开放标准

自动化领域的计算机局域网传统方式:现场级设备与控制器之间连接采用一对一的I/O接线方式，传递4-20mA或24VDC信号。

模拟仪表的缺点一对一结构

一对传输线，一台仪表，单向传输一个信号安装接线庞杂，工程费用高，维护困难可靠性差模拟信号传输易受干扰，精度低采用数字式通信方式取代设备级的4-20mA(模拟量)/24VDC(开关量)信号；使用一根电缆连接所有现场设备。1.2现场总线的主要特征1.3FCS的特征◆FCS的信号传输实现了全数字化、双向、串行、多节点◆FCS的系统结构是全分散式，它废弃了DCS的输入／输出单元和控制站，由现场设备或现场仪表取而代之

◆FCS的现场设备具有互操作性

◆FCS的通信网络为开放式互连网络，既可同层网络互连，也可与不同层网络互连，用户可极方便地共享网络数据资源◆对现场环境的适应性1.4现场总线系统的结构特点传统控制系统的结构模型1.4现场总线系统的结构模型1.4现场智能仪表内部结构模型现场总线简介小结现场总线定义（FieldBus）现场总线通信协议现场总线控制系统（FCS）★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）之间的联系★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—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层协议的子集是用现场总线这一开放的、具有互操作性的网络将现场各个控制器和仪表及仪表设备互联，构成现场总线控制系统，同时控制功能彻底下放到现场，降低了安装成本和维修费用。FCS实质上是一种开放的、具有互操作性的、彻底分散的分布式控制系统1.5现场总线的发展历程◆全功能数字网络—提供从物理层到用户层的所有功能，标准化工作比较完善◆传感器网络—以CAN（ControllerAreaNetwork）网络为基础的现场总线◆数字信号串行线—最简单的数据总线，不提供应用层和用户层现场总线的分类工业过程控制系统的发展50年代－基地式气动仪表控制系统50年代末－4－20mA电动模拟信号控制系统60年代－计算机控制系统70年代中期－DCS（集散控制系统）80年代－FCS（现场总线控制系统）I/O4-20mAAnalyzerPLC4-20mA控制站操作站LAN工业过程控制系统的发展DCS系统结构DCS系统将现场传感器、仪表信号与控制站直接相连，每条线路只能传输一路信号，布线复杂，连接可靠性差。一旦控制站出现故障，整个系统将无法运行。（总线）局部控

制网络TDC-3000计算机局部控制网络TDC-3000计算机局部控制网络现场总线技术始发于二十世纪八十年代，但对该项技术的开发之热是近二十年之举

早期的现场总线技术与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1.5现场总线的发展历程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Why？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）制定现场总线标准的国际标准化组织IECISO1.5现场总线的发展历程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现场总线标准化工作的现状Why？1.5现场总线的发展历程最早成为国际标准的是CAN，它属于ISO标准：ISO11898IEC/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）

现场总线标准化工作的现状1.5现场总线的发展历程现场总线可采用多种介质（多种有线和无线方式）传送数字信号。在两根导线上可挂接多至几十个自控设备，能节省大量线缆、槽架、连接件。减少系统设计、安装、维护的工作量现场总线形成真正分散在现场的完整控制系统，提高了控制系统运行的可靠性。丰富了控制设备的信息内容，提供了如阀门动作次数、故障诊断等信息。为控制信息进入公用数据网络创造了条件，沟通了现场控制设备之间及其与更高控制管理层网络之间的联系,便于实现管控一体化控制网络与数据网络的结合，便于实现信号的远程传送与异地远程自动控制。现场总线的技术特点1.5现场总线的发展历程1.6ＦＢ数据通信系统及控制网络现场总线的结构图发送设备传输介质接收设备控制网络控制网络控制网络数据通信系统数据通信在应用中一般指计算机通信工业数据通信在工业生产过程中，利用数据传输技术传递数据信息数据通信网络采用多节点，串行数据通信方式FB数据传输总线分类传感器总线数据位级ASI总线设备总线字节级CAN总线现场总线数据块级PROFIBUSFB控制网络将多个分散在生产现场，具有数字通信能力的测量控制仪表作为网络节点，采用公开、规范的通信协议，以现场总线作为通信连接的纽带，把现场控制设备连接成可以相互沟通信息，共同完成自控任务的网络系统和控制系统。网络化的控制系统ＦＣＳ采用开放式数字通信网络网络集成的测量控制系统单个分散的测量控制设备变成网络节点现场总线为纽带构成共同完成任务的网络系统与控制系统实现现场测量控制设备之间的信息共享现场总线的最大优势——构成控制网络系统控制系统结构

现场总线控制系统的特点改变了传统控制系统的结构形式采用总线式串行通信现场设备具备数字计算和数字通信能力，提高了信号的测量、控制和传输精度。第二节现场总线控制系统

FCS现场总线是一种控制系统框架一种全新的控制系统结构，即:现场总线控制系统FCS(FieldbusControlSystem)代替了传统控制系统DCS实现现场通信网络与控制系统的集成FCS控制系统结构设备层控制层LevelofDataIntegration信息自动化机器企业ModularOpenEmbedded信息层罗克韦尔推出的现场总线控制系统体系结构InternetPhotoelectricSensorEtherNet®ControlNetTMDeviceNetTMInformationDeviceControlComputer2Computer1Controller4Controller3Controller1Controller2BarCodeReaderSmartSpeedControllerHMIOperatorInterfaceI/OI/ORemoteAccessRouterDeviceDisplayStationFCS控制系统结构FCS控制系统组成现场总线系统与传统控制系统比较简化了系统结构现场总线系统与传统控制系统比较第三节、现场总线技术在工业控制过程中的应用1.现场总线的应用概述现场总线技术的应用领域十分广泛，凡属设备间需要数据通信的场合都需要它连续、离散制造业，如电力、石化、冶金、纺织、造纸，过程自动化仪表；火车、汽车、轮船、机器人、数控机床；智能传感器楼宇自控、仓储；智能交通、环境监测（大气、水污染监测网络）农、林、水利、养殖等其技术与产品在工业控制计算机、测控板卡、仪器仪表、系统集成、应用系统等领域都有良好的发展前景

现代企业系统构成及运行机制2现代企业网络系统现代企业的分层体系结构

层次机构管理控制范围职责基本功能6公司级公司全面管理完成公司的任务、进行全面管理公司管理、财务、市场和销售、研究与开发5工厂级计划、生产实现企业功能，计划和调度生产产品设计和工艺、厂级生产管理、厂级资源管理、厂级设备管理、厂级产品制造4车间部门分配管理原材料和资源协调生产和提供作业，获取并分配资源部门级生产管理、部门级资源管理、部门级设备管理、部门级产品制造、装运发货、废次品处理3单元级协调多台机器的运转和操作编排和管理车间下发的作业，监督各种支持服务单元级车间生产2工作站级发送机器工作命令控制和协调车间设备的工作工作站级车间生产1设备级启动机器实现对车间设备的各种命令设备级车间生产2现代企业网络系统

企业网的层次结构2现代企业网络系统企业网络系统基本组成2现代企业网络系统企业网的实现2现代企业网络系统全分布、网络集成式控制系统

FCS形成的现场控制层2现代企业网络系统现场设备控制3.企业网络系统的三个层次（流程性企业）功能结构-三个层次3.企业网络系统的三个层次（制造型企业）功能结构-三个层次分散与集成制造执行层MES现场控制层FCS企业资源归化层3.企业网络系统的三个层次（制造加工型企业）机组控制系统结构４现场总线技术应用（１）组成：DCS和现场总线控制系统DCS控制器通过Profibus实现对智能变送器、执行器和本地控制器之间的实时数据通信。Profibus-DP设备：电动执行机构、电动机、阀。Profibus-PA设备：气动定位器、压力变送器。现场总线控制系统实现数据传输和就地设备控制。华能九台电厂2×660MW机组锅炉现场总线技术的智能汽车（SAE-J1939）４现场总线技术应用（２）现场总线技术的智能汽车（SAE-J1939）４现场总线技术应用（２）现场总线技术的控制系统（电力、冶金、机械加工行业）４现场总线技术应用（３）现场总线技术的汽车运输管理－－数据语音混合通信应用４现场总线技术应用（４）基阵线导系统战斗部或操雷、内测供电系统控制舵机鳍舵动力系统控制系统自导系统引信接收线圈爆发器引信辐射线圈螺旋桨燃料仓燃烧室现场总线技术的智能水下航行器（AUV）４现场总线技术应用（５）４现场总线技术应用（６）基于LonWorks技术的智能楼宇、连锁酒店系统第四节、现场总线技术的

发展趋势1.注重系统的开放性封闭、自成一体的系统定会消亡2.注重应用系统设备间的互操作性早期的总线技术多注重在通信协议上，而