现场总线控制系统

分布控制系统(DCS)的更新换代产品现场总线控制系统01系统定义国际标准化技术特征FF总线目录030204基本信息现场总线控制系统（FieldbusControlSystem,FCS）是分布控制系统(DCS)的更新换代产品，并且已经成为工业生产过程自动化领域中一个新的热点。现场总线技术是20世纪90年代兴起的一种先进的工业控制技术，它将现今络通信与管理的观念引入工业控制领域。从本质上说，它是一种数字通信协议，是连按智能现场设备和自动化系统的数字式、全分散、双向传输、多分支结构的通信络。它是控制技术、仪表工业技术和计算机络技术三者的结合，具有现场通信络、现场设备互连、互操作性、分散的功能块、通信线供电和开放式互连络等技术特点。这些特点不仅保证了它完全可以适应工业界对数字通信和自动控制的需求，而且使它与Internet互连构成不同层次的复杂络成为可能，代表了今后工业控制体系结构发展的一种方向。系统定义系统定义现场总线和现场总线控制系统的定义现场总线是顺应智能现场仪表而发展起来的一种开放型的数字通信技术，其发展的初衷是用数字通信代替一对一的I/O连接方式，把数字通信络延伸到工业过程现场。根据IEC和美国仪表协会ISA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、多分支结构的通信络，它的关键标志是能支持双向、多节点、总线式的全数字通信。随着现场总线技术与智能仪表管控一体化(仪表调校、控制组态、诊断、报警、记录)的发展，这种开放型的工厂底层控制络构造了新一代的络集成式全分布计算机控制系统，即现场总线控制系统(简称FCS)。FCS作为新一代控制系统，采用了基于开放式、标准化的通信技术，突破了DCS采用专用通信络的局限；同时还进一步变革了DCS中“集散”系统结构，形成了全分布式系统架构，把控制功能彻底下放到现场。简而言之，现场总线是把控制系统最基础的现场设备变成络节点连接起来，实现自下而上的全数字化通信，可以认为是通信总线在现场设备中的延伸，把企业信息沟通的覆盖范围延伸到了工业现场。技术特征技术特征传统计算机控制系统中，现场仪表和控制器之间均采用一对一的物理连接。这种传输方式一方面要给现场安装、调试及维护带来困难，另一方面难以实现现场仪表的在线参数整定和故障诊断，无法实时掌握现场仪表的实际情况，使得处于最底层的模拟变送器和执行机构成了计算机控制系统中最薄弱的环节。如图4.1，现场总线采用数字信号传输，允许在一条通信线缆上挂接多个现场设备，而不再需要A/D、D/A等I/O组件。当需要增加现场控制设备时，现场仪表可就近连接在原有的通信线上，无需增设其它任何组件。从结构上看，DCS实际上是“半分散”、“半数字”的系统，而FCS采用的是一个“全分散”、“全数字”的系统架构。FCS的技术特征可以归纳为以下几个方面：①全数字化通信――现场信号都保持着数字特性，现场控制设备采用全数字化通信。②开放型的互联络――可以与任何遵守相同标准的其它设备或系统相连。③互可操作性与互用性――互操作性的含义是指来自不同制造厂的现场设备可以互相通信、统一组态；而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用。④现场设备的智能化――总线仪表除了能实现基本功能之外，往往还具有很强的数据处理、状态分析及故障自诊断功能，系统可以随时诊断设备的运行状态。⑤系统架构的高度分散性――它可以把传统控制站的功能块分散地分配给现场仪表，构成一种全分布式控制系统的体系结构。国际标准化国际标准化现场总线标准经历了十多年的纷争，1999年8月形成了一个由8个类型组成的IEC现场总线国际标准，分别是：TS、ControlNet、PROFIBUS、P－Net、FF－HSE、SwiftNet、WorldFIP和Interbus。IEC国际标准只是一种模式，它不改变各组织专有的行规，各种类型都是平等的，其中Type2～Type8需要对Type1提供接口，而标准本身不要求Type2～Type8之间提供接口，目的就是为了保护各自的利益。2001年8月制定出由10种类型现场总线组成的第三版现场总线标准，在原来8种现场总线基础上增加FFH1和PROFInet。归纳起来，P－Net和SwiftNe是用于有限领域的专用现场总线，ControlNet、PROFIBUS、WorldFIP和Interbus是由PLC为基础的控制系统发展起来的现场总线，FFH1和HSE是由传统DCS发展起来的现场总线，总线功能较为复杂和全面，它们是IEC推荐的国际现场总线标准。在楼宇自控领域，Lonworks和CAN总线具有一定的优势；在过程自动化领域，过渡型的HART协议也将是近期内智能化仪表主要的过渡通信协议。相比较而言，FF和PROFIBUS是过程自动化领域中最具竞争力的现场总线，它们得到了众多著名自动化仪表设备厂商的支持，也具有相当广泛的应用基础。FF总线FF总线基金会现场总线按照基金会总线组织的定义，FF总线是一种全数字、串行、双向传输的通信系统，是一种能连接现场各种现场仪表的信号传输系统，其最根本的特点是专门针对工业过程自动化而开发的，在满足要求苛刻的使用环境、本质安全、总线供电等方面都有完善的措施。为此，有人称FF总线为专门为过程控制设计的现场总线。在FF协议标准中，FF分为低速H1总线和高速H2总线。H1主要针对过程自动化，传输速率31.25Kbps，传输距离可达1900m（可采用中继器延长），支持总线供电和本质安全防爆。高速总线协议H2主要用于制造自动化，传输速率分为1Mbps和2.5Mbps两种。但原来规划的H2高速总线标准已经被现场总线基金会所放弃，取而代之的是基于以太的高速总线HSE。FF总线的通信模型为了实现通信系统的开放性，FF通信模型参考了OSI模型，如图4.2。H1总线的通信模型包括物理层、数据链路层、应用层，并在其上增加了用户层。物理层采用了IEC-2的协议规范；数据链路层DLL规定如何在设备间共享络和调度通信