清华大学自动化系王俊杰教授

现场总线控制系统的发展与未来

清华大学自动化系王俊杰教授2009年9月2007－5－201什么是总线技术？

总线是一种连接多种设备的数据传输高速通道。

在计算机中为了把CPU与外部设备如：键盘、显示卡、声卡、打印机、光盘机等连接起来并互相传送数据，采用ISA总线、PCI总线和USB总线。

—

ISA总线(Industrial

Standard

Architecture)即工业标准结构总线，是早期使用的一种总线接口技术，由于传输速率低，CPU资源占用大，己不再采用。

—PCI总线（PeripheralComponentInterconnect）即外部设备互联总线，它传输速度高，数据吞吐量大，功耗低。是目前广泛采用的技术。

—USB（UniversalSerialBus）即通用串行总线，已经被广泛应用于鼠标、键盘、打印机、扫描仪、Modem、音箱等各种设备。它一般是外置式的，具有不占用计算机扩展槽和热插拔的优点，因而安装更为方便。也是目前广泛采用的技术。

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⁲现场总线（FIELDBUS

）

是一种用于工业现场环境下的工业测量和控制数据的传输总线。

⁲现场总线控制系统FCS（FieldbusControlSystem）是连接工业生产现场自动化设备和系统的数字式、双向传输、多分支结构的控制网络数据通信系统。现场总线控制系统FCS是目前工业控制系统发展的方向！什么是现场总线技术？什么是现场总线控制系统FCS？31.制控系统发展简介

19世纪初

蒸汽机出现以后，开始了工业革命，机器产生后的运行、操作对控制提出了要求，于是早期出现了机构、电气控制系统。例如蒸汽机汽缸活塞和气门、曲轴的联合运动就是采用机构控制来完成的。一些开关量的位式控制则是由电气控制完成的。

20世纪50-60年代出现了从传统的机构、电气控制系统发展到以模拟信号为主的电子装置和自动化仪表控制系统。

□以电子技术的进步为基础

20世纪70-80年代

直接数字控制（DDC）和分布式控制系统（DCS）的出现，把分散的单回路测控系统采用计算机进行了统一管理，集中实现了参数显示报警、回路调节，工况联锁，历史数据存储和工艺流程动态显示等多种功能。在大型的控制系统中，往往还带有操作指导和专家系统软件。

□以计算机和网络技术的进步为基础4

20世纪90年代至今

现场总线控制系统（FCS）正在成为自动化领域中控制系统的主导技术。

□以计算机、通信和控制技术的进步为基础的。人们称为3C技术（Conpunter

ComunicationControl）图1.1控制系统发展过程1.制控系统发展简介5￭

仪表控制系统（ICS）精馏段提馏段图1.1精馏塔仪表控制系统图精馏塔的调节回路：·TC—温度调节器温度调节回路1路·PC—压力调节器压力调节回路1路·FC—流量调节器流量定值调节回路2路·LC—液位调节器液位调节回路2路问题：大型系统，控制回路多，仪表数量多，接线复杂、故障率高。1.制控系统发展简介6￭直接数字控制系统（DDC）特点：是以工业控制计算机为核心，加上信号输入/输出（I/O）单元，信号调理模块及传感器、变送器和执行器构成控制系统。

可完成多回路的监控任务。

工业控制计算机（IPC）代替了调节器、给定单元、显示、记录单元、报警单元和操作单元等。问题：信号过于集中，I/O单元和信号调理模块有故障，会影响较大。

一套DDC装置可以构成多回路控制系统，如上述精馏塔的6个控制回路完全可以用一套DDC装置进行控制。1.制控系统发展简介7图1.3直接数字控制（DDC）系统方块图测量传感器1.制控系统发展简介8￭

分布式控制系统（DCS）特点：是一种数字和模拟的混合系统，模拟仪表分散在工业现场，计算机在控制室中。实现了分散控制和集中管理的结合，达到了管控一体化的目的。生产控制和经营管理的有机结合，能滿足大多数流程工业控制的要求。问题：系统封闭自成体系，各种DCS无法达到开放和互操作的目的。

图1.4DCS控制系统方块图调度决策层操作控制层设备层1.制控系统发展简介9￭

现场总线控制系统（FCS）

特点：全数字化的网络结构，以智能化仪表为节点的彻底的分散性系统。

可实现点对点、点对多点和广播式通信，多种通信介质、多种网络拓扑结构，具有开放性和互操作性。

一种全新的设计、安装布线、调试和运行的方式。

代表了新一代控制系统发展的方向。最近几年发展很快，己在60万顿乙烯装置、大型炼钢设备上采用全套进口的现场总线控制系统。国内独立研发现场总线系统己经开始，并取得了一定的成绩。图1.5FCS控制系统方块图（总线拓扑结构）1.制控系统发展简介102.现场总线的定义和技术特点￭现场总线是一种工业数据总线，根据国际电工委员会（IEC）的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。￭

现场总线控制系统（FCS）的特点

（1）数字化的信号传输以串行数字通信取代传统的4-20mA模拟信号，实现了高速、双向、多变量、多站点之间的数据交换。报文内容丰富，可靠性高，在数据传输方式和连线方法上较原有系统有重大改变。

（2）分散的系统结构把DCS控制站中的功能全部分散到了每个智能节点（智能仪表）中，每个节点都带有CPU和存储器，可独立完成测量、数据处理、调节、诊断等功能，任一节点的故障不会危及全局。11

（3）方便的互操作性和互换性

互操作是指实现不同设备之间和系统之间的信息传递与沟通，

互换是指不同厂家的同类产品可以互相替代，异构为一个系统。

（4）开放的互联网络技术标准，通信协议，产品检验方法都是公开的，面向所有的制造商和用户。开放性更是指对相关标准的一致性的要求，强调对标准的共识和遵从。

（5）多种传输媒介和网络拓扑结构双绞线、同轴电缆、光纤、电力线、无线射频，各种媒介通过网桥互联。总线型、星型、环型等。仅布线工程一项可节省40％。在1996年美国ISA展览会上，主要展出了现场总线技术新产品。展会上打出的标语称：“你将站在控制领域新纪元的起点上。”2.现场总线的定义和技术特点123.现场总线标准的制定技术标准的制定十分重要，它是保证互操作性和互换性的基本条件，也是具有开放式通信协议的重要指标。

￭标准的制定从1984年就开始了，一直到1999年7月才完成，在加拿大的渥太华，IECTC65（国际电工委员会负责工业测量和控制的第65标准化技术委员会）通过了IEC61158决议，确定了8种现场总线为国际标准。

Type1

IEC技术报告即FF的H1(各大公司支持）

基金会现场总线（FF）的低速型H1

，主要用于设备层，

31.25kbps，两线传输，有本安防暴型（FF的一个子集）。

1984年通过标准草案，1999年1月全面定义了通信协议中各层的含义。

Type2

ControlNet

（美国Rockwell公司支持）结构分为三层，DeviceNet

为设备层，ControlNet

为控制层，Ethernet/IP为信息层。1995年推出。13

Type3

Profibus

（德国Siemens公司支持）结构分为三层，AS-i为设备层，Profibus–FMS（现场总线报文规范，用于一般自动化系统）、Profibus–PA

（过程自动化）和Profibus–DP（加工自动化）为操作层。

1987年开始研制，1991年推出标准，1994年推出Profibus–PA标准。

Type4

P-Net

（丹麦Process-Data公司支持）

1983年推出，是一种多主控制器的主从模式系统，每段最多可有32个主控制器，采用虚拟令牌传递方式。每段最长为1200m，可连接125个从设备，使用屏蔽双绞线电缆，数据双向传输，速率为76.8kbps。主要应用在农业、食品等行业。3.现场总线标准的制定14

Type5

FFHSE

（各大公司支持，FF的H2）

基金会现场总线FF的高速型H2

，工业以太网标准，1M、2.5M、

100Mbps速率，CSMA/CD和TCP/IP协议。应用于各种工业领域监控层，

2000年3月制定出规范。

Type6

SwiftNet

（美国SHIPSTAR协会制定波音公司支持）结构简单，实时性强，可靠性高，应用于航空航天领域。可用于采集同步、高速的飞行数据，数据的读写采用“生产者/消费者”模式。

1996年研制，1998年推出。

Type7

WorldFIP

（法国Alston公司支持）三层结构，使用双绞线，传输速率有31.25k、1M、2.5Mbps，对应的通信距离为5km、1km和500m。一个网络最多可连4个子段，每个子段有32个节点，最多可连256个节点。主要用于发电、加工、运输等行业的自动化工程中。1987年推出。3.现场总线标准的制定15

Type8

Interbus

（德国PhoenixContact公司支持）设备级的串行总线，主从模式，传输速率500kbps，接口为EIA-485标准，用于汽车、物流等工业控制系统中，1987年推出。￭

另外IECTC17B（国际电工委员会负责低压电器的第17B标准化技术委员会）也通过了3种现场总线国际标（IEC62026），它们是：

SDS

（美国Honeywell公司支持）智能分布系统

AS-i

（德国Siemens公司支持）执行器-传感器-接口

DeviceNet（美国Rockwell公司支持）设备网络

￭国际上另外一个组织ISO（国际标准化组织）也推出了ISO11898决议，认定控制局域网CAN总线为国际标准。（ControlAreaNetwork，德国RobertBosch公司支持）

当时总共有12种现场总线技术定为国际标准，它们各有特点，在不同的领域荻得了广泛的应用。3.现场总线标准的制定162003年4月IEC/SC65C/MT9小组又推出了现场总线国际标准的第三版IEC61158Ed.3。为了反映工业网络通信技术的最新发展，新版标准规定了10种类型现场总线（增加了2种)Type9：

PhL，DDL无定义，AL是FFH1的子集（应用层+用户层）

Type10：ProfiNet（Profibus的管理层）

在通信协议中：PhL(物理层)，DDL(数据链路层)，AL(应用层)3.现场总线标准的制定174.现场总线的发展方向—工业以太网□工业以太网（EtherNet）是一种发展方向。

以太网：

1975年产生，由美国3Com公司推出1982年由国际电气与电子工程师协会推出为行业标准（IEEE802.3）1990年2月被国际标准化组织和国际电工委员会所采纳，成为国际标准（ISO/IEC8802.3）

在这期间，以太网从最初的10Mbps发展到100Mbps和交互式以太网，现在正在发展千兆以太网并使用光纤为传输介质。可以说20年来以太网是发展最成功的网络技术。但以太网最初是为IT（信息技术）领域而开发的技术，发展到现在，它有完整的硬、软件系统，可持续发展潜力大，易于与Internet连接，而且应用广泛、技术成熟、价格便宜，主要用于信息层。18目前人们希望它能向下延伸，直接在控制层和设备层中使用，成为贯穿三层网络（设备层、控制层、管理层）的技术，即工业以太网技术。工厂管理层生产控制层设备监控层从工厂管理层到设备监控层的数据存取“e网到底”

EtherNet4.现场总线的发展方向—工业以太网19

工业以太网的发展必须要解决的问题：（1）以太网通信中的信道共享技术采用CSMA/CD（载波侦听多路访问/冲突检测）技术，在网络负荷较重时（大于40％），网络的确定性（Determinacy，通过网络传输的数据是否完整、准确)和实时性（Real-time，在规定的时间内通过网络传输的数据能否按时完整地到达目的地)还不能滿足要求。（2）以太网在网络连接的硬件上使用接插件（Connector），集线器（Hub），交换机（Switches）和普通电缆（Cable）等。它们都是为办公室的环境下，为信息的传输而设计的。还不符合工业环境下工业数据可靠传输的要求。（3）以太网的电磁兼容性（EMI）较差，在危险场所还不具备本质安全防爆功能。（4）以太网还不具备通过数据线向现场节点提供电能的功能。（5）还缺乏统一的应用层（用户层）协议。4.现场总线的发展方向—工业以太网20

目前己推出的几种典型工业以太网技术：

①HSE（FoundationFieldbus,FF，2000）②ModbusTCP/IP(Schneider，1999)③EtherNet/IP（ODVA，Rockwell，1999）④ProfiNet(SIEMENS,2001)⑤EPA（EthernetforPlantAutomation，CHINA，2004）

目前工业以太网（Industrial

EtherNet）或称实时以太网（RTE，RealTimeEtherNet，IEC61784-2通过）是工业控制网络发展的方向！4.现场总线的发展方向—工业以太网21在中国国家标准化管理委员会、全国工业过程测量与控制标准化技术委员会的支持下，由淅江大学、淅大中控公司、中科院沈阳自动化所、重庆邮电大学、清华大学、大连理工大学、上海自动化仪表研究所、机械工业仪器仪表综合技术经济研究所和北京华控技术公司组成的研发团队，在国家“863”计划CIMS主题系列课题的支持下，经过3年的技术攻关，提出了基于工业以太网的实时通信系统控制解决方案EPA（用于成套自动化装置的以太网）。目前己上报囯际有关组织，申请成为国际标准之一。4.现场总线的发展方向—工业以太网22

5.现场总线的发展方向—无线工业控制网络工业环境下利用无线传输数据的优势□降低安装、运行维护成本、减少接插件故障，移动自由不受限制，投运快速。□美国能源部的研究估计，无线传感器网络会为工业现场节能10%和降低排放或泄漏15%。

目前美国仪表系统和自动化学会的ISASP100标准委员会正在加紧制定在现场工业控制环境下实现无线工业控制网络系统的标准。着重在三方面制定标准：无线工业控制网络系统对环境的技术要求；无线工业控制网络系统技术的生命周期；无线工业控制网络系统技术面向现场仪表和设备的应用。在SP100标委会下设有五个主要的分标委会：射频物理学基础、可互操作性，用户要求、用户指南和系统集成，并分头制定标准。23

5.现场总线的发展方向—无线工业控制网络

SP100规定的无线工业控制网络五种应用类型安全

0类：紧急动作（恒为关键）信息时间性的重要程度控制

1类：闭环调节控制（通常关键）2类：闭环监督控制（经常非关键）

3类：开环控制（由人工控制）

监测监控4类：标记、产生短期操作结果（例如：基于事件的维护）

5类：记录和下载/上载不产生直接的操作结果（例如：历史数据采集、事件顺序记录SOE、预防性维护）24

5.现场总线的发展方向—无线工业控制网络

ZigBee技术

是一种新兴的依据IEEE802.15.4标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信的短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，主要用于近距离无线信号连接。在现场层无线网络中，同样属于无线短程网的ZigBee（IEEE802.15.4）要比蓝牙（IEEE802.15.1）更具广泛的应用前景。这主要是基于以下原因：ZigBee的应用开发门槛远低于蓝牙（BlueTeeth），其最复杂的网络协调器节点的软件开发工作量仅为蓝牙节点开发的10%，其最简单的精简功能设备（RFD）即一般节点的软件开发工作量仅为蓝牙的2%；

ZigBee的功耗远低于蓝牙，这是因为就发射的频宽比来讲，ZigBee为0.01，蓝牙为0.99，即ZigBee的发射时间只占其周期的1%，而蓝牙却占99%；

ZigBee的网络节点容量远多于蓝牙。25ZigBee网络拓扑模型网络协调器全功能设备(FFD,Router):可以支持任何一种拓扑结构，可以作为网络协商者和普通协商者，并且可以和任何一种设备进行通信

精简功能设备(RFD)：只支持星型结构，不能成为任何协商者，可以和网络协商者进行通信，实现简单。

星型网状型簇状型26我们使用IAONA(工业自动化开放网络联盟)主席KaiLorentz先生的话作为总结

“自动化是一个非常大的领域，要想有一个完美的能适合各种应用的总线解决方案几乎是不可能的，因此现在市场形成了针对不同应用领域的各种专门的解决方案，我们认为这是一个自然的过程，然而以太网在其中具有很多的共性，如TCP/IP、通用物理层等，这些共性给使用者带来实在的利益，例如他们可以使用一个网络浏览器来查看各种自动化设备，我们认为这将是工业以太网带来的深远的影响，即在支持TCP/IP和标准协议的基础上，不同的协议可共存。”

6.总结277.现场总线控制系统举例—AS-I总线

AS-i（Actuator-Sensor-Interface）是执行器－传感器－接口的英文缩写。它是一种用来在控制器（主站）和传感器∕执行器（从站）之间双向交换信息的总线网络，它属于现场总线（Fieldbus）下面底层（设备层）的监控网络系统。一个AS-i总线系统通过它主站中的网关可以和多种现场总线（如FF、Profibus、等）相连接。AS-i主站可以作为上层现场总线的一个节点服务器，在它下面又可以挂接一批AS-i从站。AS-i总线系统的主要技术指标如下：（1）网络结构：总线型、树型和环型。（2）传输介质：非屏蔽、非绞接的2芯电缆，既传输数据又提供电源。当用扁平电缆时，可使用特殊的穿刺安装专利技术进行连接。（3）电缆长度：≤100m，可使用中继器增加长度，最多可用2个中继器。（4）从站数量：每个AS-i网络最多可有31个从站（或62个从站）。（5）从站可接的元件数：每个从站最多可接4个传感器∕执行器，整个网络最多可接124个传感器/执行器（或248个传感器∕执行器)。28