現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

1、南 陽 理 工 學(xué) 院 自動控制儀表課程報(bào)告學(xué)院（系）： 機(jī)械與汽車工程學(xué)院 專 業(yè)： 測控技術(shù)與儀器（升）學(xué) 生： * 指導(dǎo)教師 ： * * 完成日期 2015 年 12 月自動控制儀表課程報(bào)告 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) Fieldbus control system 總 計(jì)：自動控制儀表課程報(bào)告 20 頁 插 圖： 14 幅 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)自動控制儀表課程報(bào)告 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) Fieldbus control system 學(xué)院（系）： 機(jī)械與汽車工程學(xué)院 專 業(yè)： 測控技術(shù)與儀器（升） 學(xué) 生 姓 名： * 學(xué) 號： 1% 指 導(dǎo) 教 師（職稱）： （高級工程師） 評 閱 教 師： 完 成

2、日 期： 2015年12月 南陽理工學(xué)院Nan yang Institute of Technology 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)測控技術(shù)與儀器（升） *摘要 現(xiàn)場總線技術(shù)自推廣以來，已經(jīng)在世界范圍內(nèi)應(yīng)用于工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域?，F(xiàn)場總線的技術(shù)推廣有了三、四年的時(shí)間，已經(jīng)或正在應(yīng)用于冶金、汽車制造、煙草機(jī)械、環(huán)境保護(hù)、石油化工、電力能源、紡織機(jī)械等各個(gè)行業(yè)。應(yīng)用的總線協(xié)議主要包括PROFIBUS、DeviceNet、Foundation、Fieldbus、Interbus_S 等。 在汽車行業(yè)，現(xiàn)場總線控制技術(shù)應(yīng)用的非常普遍，近兩年國內(nèi)新的汽車生產(chǎn)線和舊的生產(chǎn)線的改造，大部分都采用了現(xiàn)場總線的控制技術(shù)。國

3、外設(shè)計(jì)的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)已應(yīng)用很廣泛，從單機(jī)設(shè)備到整個(gè)生產(chǎn)線的輸送系統(tǒng)，全部采用現(xiàn)場總線的控制方法。而國內(nèi)的應(yīng)用仍大多集中中生產(chǎn)線的輸送系統(tǒng)、隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和觀念的更新必然會逐步擴(kuò)展其應(yīng)用領(lǐng)域。關(guān)鍵詞 現(xiàn)場總線；工業(yè)控制；應(yīng)用廣泛Fieldbus control systemMeasurement & Control Technology and Instruments Major（l） *Abstract：Field bus technology, since the promotion has been all over the world should be used in

4、industrial control fields. Fieldbus technology popularization has three or four years, has been or are being used in metallurgy, automobile manufacturing, tobacco machinery, environmental protection, petrochemical, electric power, textile machinery and other industries. Application of bus protocol m

5、ainly includes the PROFIBUS, DeviceNet, Foundation, Fieldbus, Interbus_S, etc. In the automotive industry, the field bus control technology application is very common, in the past two years the domestic new and the old production line of auto production line transformation, mostly using the field bu

6、s control technology. Design of field bus control system has been applied abroad is very broad, from the single device to the transmission system of the whole production line, adopts the control method of the field bus. And domestic applications are mostly concentrated in the production line of conv

7、eying system, with the continuous development of technology and is bound to renew ideas gradually expanding its application field.Key words：Fieldbus; Industrial control; Widely used目 錄1 引言11.1 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)概述12 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)12.1 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)12.2 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的特點(diǎn)22.3 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的關(guān)鍵要點(diǎn)23 現(xiàn)場總線技術(shù)33.1 現(xiàn)場總線的概念33.2 現(xiàn)場總線的技術(shù)特征34 現(xiàn)

8、場總線系統(tǒng)與現(xiàn)場總線的聯(lián)系44.1 現(xiàn)場總線技術(shù)是FCS的核心45 現(xiàn)場總線系統(tǒng)帶來的變革和典型應(yīng)用55.1 變革55.2 典型應(yīng)用56 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)市場前景分析66.1 市場需求66.2 企業(yè)效益6結(jié)束語7參考文獻(xiàn)8附錄9一 基金會現(xiàn)場總線9二 PROFIBUS現(xiàn)場總線11致謝15 1引言1.1 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)概述現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是從八十年代中期發(fā)展起來的。經(jīng)歷了十幾年的時(shí)間，現(xiàn)場總線控制技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于汽車、造紙、紡織、煙草、機(jī)械、石油化工、電力、樓宇自控等各個(gè)控制領(lǐng)域?，F(xiàn)場總線控制技術(shù)由于其巨大的技術(shù)優(yōu)勢，被認(rèn)為是工業(yè)控制發(fā)展的必然趨勢，將逐步取代傳統(tǒng)的PLC點(diǎn)對點(diǎn)接線的控制方

9、法?，F(xiàn)場總線技術(shù)的控制系統(tǒng)（Fieldbus Control System-FCS）是以現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)發(fā)展起來的全數(shù)字控制系統(tǒng)。實(shí)際上就是以現(xiàn)場總線技術(shù)為核心，以基于現(xiàn)場總線的智能I/O 或智能傳感器、智能儀表為控制主體、以計(jì)算機(jī)為監(jiān)控指揮中心的系統(tǒng)編程、組態(tài)、維護(hù)、監(jiān)控等功能為一體的工作平臺?，F(xiàn)場總線的技術(shù)基礎(chǔ)是一種全數(shù)字化、雙向、多站的通信系統(tǒng)，是應(yīng)用于各種計(jì)算機(jī)控制領(lǐng)域的工業(yè)總線，因現(xiàn)場總線潛在著巨大的商機(jī)，世界范圍內(nèi)的各大公司投入相當(dāng)大的人力、物力、財(cái)力來進(jìn)行開發(fā)研究。當(dāng)今現(xiàn)場總線技術(shù)一直是國際上各大公司激烈競爭的領(lǐng)域，由于現(xiàn)場總線技術(shù)的不斷創(chuàng)新，過程控制系統(tǒng)由第四代的DCS發(fā)展至今的

10、FCS（Fieldbus Control System）系統(tǒng),已被稱為第五代過程控制系統(tǒng)。而FCS和DCS的真正區(qū)別在于其現(xiàn)場總線技術(shù)?，F(xiàn)場總線技術(shù)以數(shù)字信號取代模擬信號，在3C（Computer計(jì)算機(jī)、Control控制、Commcenication通信）技術(shù)的基礎(chǔ)上，大量現(xiàn)場檢測與控制信息就地采集、就地處理、就地使用，許多控制功能從控制室移至現(xiàn)場設(shè)備。由于國際上各大公司在現(xiàn)場總線技術(shù)這一領(lǐng)域的競爭，仍未形成一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，目前，在現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)都是遵守OSI參考模型。2 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)2.1現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS是以現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)的開放式、全數(shù)字式的控制系統(tǒng)。它

11、通常由以下3部分組成：現(xiàn)場智能儀表、控制器；現(xiàn)場總線系統(tǒng)；監(jiān)控、組態(tài)計(jì)算機(jī)。其中現(xiàn)場智能儀表、控制器、計(jì)算機(jī)等都通過現(xiàn)場總線網(wǎng)卡及通信協(xié)議軟件連接到網(wǎng)上，故現(xiàn)場總線網(wǎng)卡及通信協(xié)議軟件是FCS的基礎(chǔ)和神經(jīng)中樞。與此同時(shí)，組態(tài)技術(shù)包含有系統(tǒng)組態(tài)、數(shù)據(jù)庫組態(tài)及控制算法組態(tài)，生成的參數(shù)及算法不僅可以在控制器中運(yùn)行，還可以在遠(yuǎn)程IO或智能設(shè)備上運(yùn)行。國際電工協(xié)會（IEC）的SP50委員會對現(xiàn)場總線有以下三點(diǎn)要求：同一數(shù)據(jù)鏈路上過程控制單元（PCU）、 PLC等與數(shù)字1/ O設(shè)備互連；現(xiàn)場總線控制器可對總線上的多個(gè)操作站、傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)等進(jìn)行數(shù)據(jù)存?。煌ㄐ琶襟w安裝費(fèi)用較低?，F(xiàn)場總線是一種串行的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通

12、訊鏈路，它溝通了生產(chǎn)過程領(lǐng)域的基本控制設(shè)備（即現(xiàn)場級設(shè)備）與更高層次自動控制領(lǐng)域的自動化控制設(shè)備（即車間級設(shè)備）之間的聯(lián)系?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)主要包括一些實(shí)際應(yīng)用的設(shè)備，如PLC、掃描器、電源、輸入輸出站、終端電阻等。其它系統(tǒng)也可以包括變頻器、智能儀表、人機(jī)界面等。 系統(tǒng)中的主控器（Host）可以是PLC或PC，通過總線接口對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行管理和控制。其總線接口，有時(shí)可以稱為掃描器?？梢允欠謩e的卡件，也可以集成于PLC中?？偩€接口作為網(wǎng)絡(luò)管理器和作為主控器到總線的網(wǎng)關(guān)，管理來自總線節(jié)點(diǎn)的信息報(bào)告，并且轉(zhuǎn)換為主控器能夠讀懂的某種數(shù)據(jù)格式傳送到主控器?？偩€接口的缺省地址通常設(shè)為"0"

13、;電源，是網(wǎng)絡(luò)上每個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸和接收信息所必須的。通常輸入通道與內(nèi)部芯片所用電源為同一個(gè)電源，習(xí)慣稱為總線電源。而輸出通道使用獨(dú)立的電源，稱為輔助電源。 圖1現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示，最底層的Infranet控制網(wǎng)即FCS，各控制器節(jié)點(diǎn)下放分散到現(xiàn)場，構(gòu)成一種徹底 的分布式控制體系結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)任意，可為總線形、星形、環(huán)形等，通訊介質(zhì)不受限制，可用雙絞線、電力線、無線、紅外線等各種形式。FCS形成的Infranet控制網(wǎng)很容易與Intranet企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)和Internet全球信息網(wǎng)互連，構(gòu)成一個(gè)完整的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)三級體系結(jié)構(gòu)。2.2 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的特點(diǎn) 第一，F(xiàn)CS 的信號傳輸實(shí)現(xiàn)

14、了全數(shù)字化，從最底層的傳感器和執(zhí)行器都采用現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，逐層向上直至最高層均為通信網(wǎng)絡(luò)互連;第二，F(xiàn)CS 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是全分散式，F(xiàn)CS 廢棄了DCS的輸入/輸出單元和控制站，由現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表取而代之，即把DCS 控制站的功能化整為零，分散地分配給現(xiàn)場儀表，從而構(gòu)成虛擬控制站，實(shí)現(xiàn)徹底的分散控制;第三，F(xiàn)CS 的現(xiàn)場設(shè)備具有互操作性，不同廠商的現(xiàn)場設(shè)備既可互連也可互換，并可以統(tǒng)一組態(tài)，徹底改變傳統(tǒng)DCS 控制層的封閉性和專用性;第四，F(xiàn)CS 的通信網(wǎng)絡(luò)為開放式互連網(wǎng)絡(luò)，既與同層網(wǎng)絡(luò)互連，也可與不同層網(wǎng)絡(luò)互連，用戶可極其方便地共享網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫;第五，F(xiàn)CS 的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)了全開放，無專利許可要

15、求，可供任何人使用，從總線標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品檢驗(yàn)到信息發(fā)布全是公開的，面向世界任何一個(gè)制造商和用戶。2.3 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的關(guān)鍵要點(diǎn)（1）現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的核心是現(xiàn)場總線協(xié)議，即現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)一種類型的總線，只要其總線協(xié)議一經(jīng)確定，相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)與有關(guān)的設(shè)備也就被確定。就其總線協(xié)議的基本原理而言，各類總線都是一樣的，都以解決雙向串行數(shù)字化通訊傳輸為基本依據(jù)。 用現(xiàn)場總線在控制現(xiàn)場建立一條可靠性的數(shù)據(jù)通信線路，實(shí)現(xiàn)各智能傳感器之間及智能傳感器與主控機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信，把單個(gè)分散的智能傳感器變成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。（2）現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)是數(shù)字智能傳感器數(shù)字智能傳感器是FCS 系統(tǒng)的硬件支撐，是基礎(chǔ)，道理很簡單，

16、智能傳感器中的數(shù)據(jù)處理有助于減輕主控站的工作負(fù)擔(dān)，經(jīng)過智能傳感器預(yù)處理的數(shù)據(jù)通過現(xiàn)場總線匯集到主機(jī)上，進(jìn)行更高級的處理，提高了信號傳輸?shù)臏?zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性和快速性。（3）現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)是信息處理現(xiàn)場化無論采用什么類型控制系統(tǒng)，系統(tǒng)需要處理的信息量至少是一樣多的。實(shí)際上，采用現(xiàn)場總線后，可以從現(xiàn)場得到更多的信息?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)的信息量沒有減少，甚至增加了，而傳輸信息的線纜卻大大減少了。這就要求一方面要大大提高線纜傳輸信息的能力，另一方面要讓大量信息在現(xiàn)場就地完成處理，減少現(xiàn)場與控制機(jī)房之間的信息往返?？梢哉f現(xiàn)場總線的實(shí)質(zhì)就是信息處理的現(xiàn)場化，也是智能化儀表和現(xiàn)場總線所追求的目標(biāo)。3 現(xiàn)場總線的

17、技術(shù)3.1現(xiàn)場總線的概念現(xiàn)場總線是將自動化最底層的現(xiàn)場控制器和現(xiàn)場智能儀表設(shè)備互連的實(shí)時(shí)控制通訊網(wǎng)絡(luò)，遵循ISO的OSI開放系統(tǒng)互連參考模型的全部或部分通訊協(xié)議。FCS則是用開放的現(xiàn)場總線控制通訊網(wǎng)絡(luò)將自動化最底層的現(xiàn)場控制器和現(xiàn)場智能儀表設(shè)備互連的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。 圖2現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)圖3.2 現(xiàn)場總線的技術(shù)特征傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，現(xiàn)場儀表和控制器之間均采用一對一的物理連接。這種傳輸方式一方面要給現(xiàn)場安裝、調(diào)試及維護(hù)帶來困難，另一方面難以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場儀表的在線參數(shù)整定和故障診斷，無法實(shí)時(shí)掌握現(xiàn)場儀表的實(shí)際情況，使得處于最底層的模擬變送器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)成了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)。如圖2，現(xiàn)場總線

18、采用數(shù)字信號傳輸，允許在一條通信線纜上掛接多個(gè)現(xiàn)場設(shè)備，而不再需要A/D、D/A等I/O組件。當(dāng)需要增加現(xiàn)場控制設(shè)備時(shí)，現(xiàn)場表可就近連接在原有的通信線上，無需增設(shè)其它任何組件。從結(jié)構(gòu)上看，DCS實(shí)際上是“半分散”、“半數(shù)字”的系統(tǒng)，而FCS采用的是一個(gè)“全分散”、“全數(shù)字”的系統(tǒng)架構(gòu)。FCS的技術(shù)特征可以歸納為以下幾個(gè)方面：全數(shù)字化通信現(xiàn)場信號都保持著數(shù)字特性，現(xiàn)場控制設(shè)備采用全數(shù)字化通信。開放型的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)可以與任何遵守相同標(biāo)準(zhǔn)的其它設(shè)備或系統(tǒng)相連?；タ刹僮餍耘c互用性互操作性的含義是指來自不同制造廠的現(xiàn)場設(shè)備可以互相通信、統(tǒng)一組態(tài)；而互用性則意味著不同生產(chǎn)廠家的性能類似的設(shè)備可進(jìn)行互換而實(shí)現(xiàn)互

19、用?，F(xiàn)場設(shè)備的智能化總線儀表除了能實(shí)現(xiàn)基本功能之外，往往還具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)分析及故障自診斷功能，系統(tǒng)可以隨時(shí)診斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)架構(gòu)的高度分散性它可以把傳統(tǒng)控制站的功能塊分散地分配給現(xiàn)場儀表，構(gòu)成一種全分布式控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。 圖3 FCS結(jié)構(gòu)示意圖4 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)與現(xiàn)場總線的聯(lián)系4.1現(xiàn)場總線技術(shù)是FCS的核心 現(xiàn)場總線技術(shù)的控制系統(tǒng)（Fieldbus Control System-FCS）是以現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)發(fā)展起來的全數(shù)字控制系統(tǒng)。實(shí)際上就是以現(xiàn)場總線技術(shù)為核心，以基于現(xiàn)場總線的智能I/O 或智能傳感器、智能儀表為控制主體、以計(jì)算機(jī)為監(jiān)控指揮中心的系統(tǒng)編程、組態(tài)、維護(hù)、監(jiān)

20、控等功能為一體的工作平臺。 圖4為 FCS 基本構(gòu)成圖 FCS 的關(guān)鍵是現(xiàn)場總線技術(shù)與現(xiàn)場總線智能傳感器，國內(nèi)企業(yè)應(yīng)吸取在PLC、DCS 技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化方面發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，把握機(jī)遇，開發(fā)出擁有自主知識產(chǎn)權(quán)、基于現(xiàn)場總線技術(shù)的控制系統(tǒng)，將國內(nèi)工業(yè)自動化裝備提高到一個(gè)新的水平，使我國自動化行業(yè)在未來國際自動化技術(shù)領(lǐng)域中及市場份額上都占有一席之地。5 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)帶來的變革及典型應(yīng)用5.1變革綜上所述，現(xiàn)場總線對當(dāng)今的自動化帶來以下7 個(gè)方面的變革:（1）用一對通信線連接多臺數(shù)字儀表代替一對信號線只能連接一臺模擬儀表;（2）用多變量、雙向、數(shù)字通信方式代替單變量、單向、模擬傳輸方式;（3）用多功能

21、的現(xiàn)場數(shù)字儀表代替單功能的現(xiàn)場模擬儀表;（4）用分散式的虛擬控制站代替集中式的控制站;（5）用現(xiàn)場控制系統(tǒng)FCS 代替集散控制系統(tǒng)DCS;（6）變革傳統(tǒng)的信號標(biāo)準(zhǔn)、通信標(biāo)準(zhǔn)和系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn);（7）變革傳統(tǒng)的自動化系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)方法和安裝調(diào)試方法。5.2應(yīng)用 現(xiàn)場總線技術(shù)是控制、計(jì)算機(jī)、通訊技術(shù)的交叉與集成，幾乎涵蓋了所有連續(xù)、離散工業(yè)領(lǐng)域，如過程自動化、制造加工自動化、樓半自動化、家庭自動化等。它的出現(xiàn)和快速發(fā)展體現(xiàn)了控制領(lǐng)域?qū)档统杀尽⑻岣呖煽啃?、增?qiáng)可維護(hù)性和提高數(shù)據(jù)采集的智能化的要求。下面以Profibus 為例，說明現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的典型應(yīng)用。PROFIBUS 是一種國際化開放式不依賴

22、于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。廣泛適用于制造業(yè)自動化流程工業(yè)自動化和樓宇交通電力等其他領(lǐng)域自動化。 PROFIBUS 由三個(gè)兼容部分組成， 即PROFIBUS DP（ Decentralized Periphery），PROFIBUSPA（ProcessAutomation ） ， PROFIBUS-FMS(Fieldbus MessageSpecification)。這三個(gè)部分分別在三大典型系統(tǒng)中有所應(yīng)用：（1）連續(xù)的工藝過程自動控制，如石油化工，典型產(chǎn)品是ProfibusPA：專為過程自動化設(shè)計(jì)，可使傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)聯(lián)在一根總線上，并有本征安全規(guī)范。（2）分立的工藝動作自動控制，如汽車，典型

23、產(chǎn)品是PROFIBUS DP: 是一種高速低成本通信，用于設(shè)備級控制系統(tǒng)與分散式IO 的通信。使用PROFIBUSDP 可取代辦24VDC 或420mA 信號傳輸。（3）多點(diǎn)控制，如樓宇自動化，典型產(chǎn)品是 PROFIBUSFMS：用于監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，是一個(gè)令牌結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)多主網(wǎng)絡(luò)。與其它現(xiàn)場總線系統(tǒng)相比，PROFIBUS 的最大優(yōu)點(diǎn)在于具有穩(wěn)定的國際標(biāo)準(zhǔn)EN50170 作保證，并經(jīng)實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證具有普遍性。6 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)市場前景分析6.1市場需求目前，國內(nèi)各行業(yè)競爭激烈。企業(yè)逐步認(rèn)識到只有不斷引人新技術(shù)才能使企業(yè)得到持續(xù)穩(wěn)定地發(fā)展。企業(yè)有追求新技術(shù)、改造現(xiàn)有系統(tǒng)的需求?，F(xiàn)場總線技術(shù)是未來自動化技術(shù)發(fā)

24、展主流，基于現(xiàn)場總線的先進(jìn)控制系統(tǒng)以其明顯的技術(shù)優(yōu)勢和價(jià)格優(yōu)勢，在分布式控制系統(tǒng)市場中將逐步替代PLC產(chǎn)品。6.2企業(yè)效益對現(xiàn)場設(shè)備制造商參與基于現(xiàn)場總線的先進(jìn)控制系統(tǒng)開發(fā)的現(xiàn)場設(shè)備制造商將本企業(yè)傳統(tǒng)產(chǎn)品提高了一個(gè)技術(shù)水平。由于現(xiàn)場總線技術(shù)的開放性，企業(yè)開發(fā)的現(xiàn)場總線產(chǎn)品可以集成到任何現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中。對自動化系統(tǒng)集成商應(yīng)用現(xiàn)場總線的先進(jìn)控制系統(tǒng)的自動化系統(tǒng)集成商有條件以系統(tǒng)為平臺，利用自身在行業(yè)領(lǐng)域中的優(yōu)勢，開發(fā)出具有專用技術(shù)的控制系統(tǒng)，使系統(tǒng)集成增值，增加利潤并擴(kuò)大市場份額。結(jié)束語當(dāng)前，國際上各個(gè)自動化公司都在現(xiàn)場總線方面投入了巨大的資源進(jìn)行研究與開發(fā)，因?yàn)檫@是進(jìn)入下一代控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技

25、術(shù)，誰能夠?yàn)榻鉀Q現(xiàn)場總線目前存在的問題拿出完整有效的解決方案，誰就占據(jù)了市場的先機(jī)。另外，下一代控制系統(tǒng)要真正形成巨大的市場，除技術(shù)上要走向成熟之外，還要有一個(gè)能夠得到廣泛認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)。正如電子技術(shù)是單元式組合儀表控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，軟件技術(shù)是數(shù)字化控制系統(tǒng)如DCS、PLC等的關(guān)鍵技術(shù)一樣，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將是FCS的關(guān)鍵技術(shù)。可以說， 一套簡潔明了、高效可靠、標(biāo)準(zhǔn)化的網(wǎng)絡(luò)通信規(guī)約將是FCS能否真正成為下一代控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。轉(zhuǎn)眼這學(xué)期即將結(jié)束，控制儀表與裝置這門課也結(jié)束了。課程報(bào)告不僅是對這門課所學(xué)知識的一種檢驗(yàn)，而且也是對自己能力的一種提高。我不僅收獲了知識而且也鍛煉了品質(zhì)，通過這次認(rèn)真而又細(xì)致的課程

26、報(bào)告，我對待事情的態(tài)度更加嚴(yán)謹(jǐn)更加有耐心，并且我更希望把所做的事情做好做完美，我想這將是一種很重要的財(cái)富。課程報(bào)告的結(jié)束也是畢業(yè)設(shè)計(jì)的開始，相信這次課程報(bào)告會令我的畢業(yè)設(shè)計(jì)能加完美。參考文獻(xiàn)1李忠虎現(xiàn)場總線技術(shù)縱橫談J職大學(xué)報(bào)，2003(4)：23-242劉紫燕，馮麗現(xiàn)場總線技術(shù)與現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)D浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院(310027)：浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，20103羅安現(xiàn)場總線與現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)J自動化博覽，2008，25(6)：11-124吳勤勤.控制儀表及裝置M.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.1.附錄一 基金會現(xiàn)場總線按照基金會總線組織的定義，F(xiàn)F總線是一種全數(shù)字、串行、雙向傳輸?shù)耐ㄐ?/p>

27、系統(tǒng)，是一種能連接現(xiàn)場各種現(xiàn)場儀表的信號傳輸系統(tǒng)，其最根本的特點(diǎn)是專門針對工業(yè)過程自動化而開發(fā)的，在滿足要求苛刻的使用環(huán)境、本質(zhì)安全、總線供電等方面都有完善的措施。為此，有人稱FF總線為專門為過程控制設(shè)計(jì)的現(xiàn)場總線。在FF協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)中，F(xiàn)F分為低速H1總線和高速H2總線。H1主要針對過程自動化，傳輸速率31.25Kbps，傳輸距離可達(dá)1900m（可采用中繼器延長），支持總線供電和本質(zhì)安全防爆。高速總線協(xié)議H2主要用于制造自動化，傳輸速率分為1Mbps和2.5Mbps兩種。但原來規(guī)劃的H2高速總線標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)在已經(jīng)被現(xiàn)場總線基金會所放棄，取而代之的是基于以太網(wǎng)的高速總線HSE。FF總線的通信模型為了實(shí)現(xiàn)

28、通信系統(tǒng)的開放性，F(xiàn)F通信模型參考了OSI模型，如圖5。 圖5 FF通信模型H1總線的通信模型包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層，并在其上增加了用戶層。物理層采用了IEC61158-2的協(xié)議規(guī)范；數(shù)據(jù)鏈路層DLL規(guī)定如何在設(shè)備間共享網(wǎng)絡(luò)和調(diào)度通信，通過鏈路活動調(diào)度器LAS來管理現(xiàn)場總線的訪問；應(yīng)用層則規(guī)定了在設(shè)備間交換數(shù)據(jù)、命令、事件信息以及請求應(yīng)答中的信息格式。H1的應(yīng)用層分為兩個(gè)子層總線訪問子層FAS和總線報(bào)文規(guī)范子層FMS，功能塊應(yīng)用進(jìn)程只使用FMS，F(xiàn)AS負(fù)責(zé)把FMS映射到DLL。用戶層則用于組成用戶所需要的應(yīng)用程序，如規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的功能快、設(shè)備描述等。不過，數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層往往被看作為一個(gè)

29、整體，統(tǒng)稱為通信棧。HSE采用了基于Ethernet和TCP/IP的六層協(xié)議結(jié)構(gòu)的通信模型。其中，一四層為標(biāo)準(zhǔn)的Internet協(xié)議；第五層是現(xiàn)場設(shè)備訪問會話，為現(xiàn)場設(shè)備訪問代理提供會話組織和同步服務(wù)；第七層是應(yīng)用層，也劃分為FMS和現(xiàn)場設(shè)備訪問FDA二個(gè)子層，其中FDA的作用與H1的FAS相類似，也是基于虛擬通信關(guān)系為FMS提供通信服務(wù)。(2) H1總線協(xié)議H1總線的物理層根據(jù)IEC和ISA標(biāo)準(zhǔn)定義，符合ISA S50.02物理層標(biāo)準(zhǔn)、IEC1158-2物理層標(biāo)準(zhǔn)以及FF-816 31.25Kbps物理層行規(guī)規(guī)范。當(dāng)物理層從通信棧接收報(bào)文時(shí)，對數(shù)據(jù)幀加上前導(dǎo)碼和定界碼，并對其實(shí)行數(shù)據(jù)編碼，再

30、經(jīng)過發(fā)送驅(qū)動器把所產(chǎn)生的物理信號傳送到總統(tǒng)的傳輸媒體上。相反，在接收信號時(shí)，需要進(jìn)行反向解碼。 圖6（a） 曼徹斯特編碼 圖6（b） 前導(dǎo)碼和定界碼如圖6，基金會現(xiàn)場總統(tǒng)采用曼徹斯特編碼技術(shù)將數(shù)據(jù)編碼加載到直流電壓或電流上形成“同步串行信號”。前導(dǎo)碼是一個(gè)8位的數(shù)字信號10101010，接收器采用這一信號同步其內(nèi)部時(shí)鐘。起始界定碼和結(jié)束界定碼標(biāo)明了現(xiàn)場總線信息的起點(diǎn)和終點(diǎn)，長度均為8個(gè)時(shí)鐘周期，二者都是由“0”、“1”、“N+”、“N”按規(guī)定的順序組成。圖7（a）表示了H1總線的配置思想，總線兩端分別連接一個(gè)終端器，形成對31.25KHz信號的通帶電路。發(fā)送設(shè)備產(chǎn)生的信號是31.25KHz、峰

31、峰值為1520mA的電流信號，如圖(b)；傳送給相當(dāng)于50的等效負(fù)載，產(chǎn)生一個(gè)調(diào)制在直流電源電壓上的0.751V的峰峰電壓，如圖(c)。H1支持總線供電和非總線供電二種方式。 圖7 H1總線上的信號波形通信棧包括數(shù)據(jù)鏈路層DLL、現(xiàn)場總線訪問子層FAS和現(xiàn)場總線報(bào)文規(guī)范FMS三部分。DLL最主要的功能是對總線訪問的調(diào)度，通過鏈路活動調(diào)度器LAS來管理總線的訪問，每個(gè)總線段上有一個(gè)LAS。H1總線的通信分為受調(diào)度/周期性通信和非調(diào)度/非周期性通信二類。前者一般用于在設(shè)備間周期性地傳送測量和控制數(shù)據(jù)，其優(yōu)先級最高，其它操作只在受調(diào)度傳輸之間進(jìn)行。FAS子層處于FMS和DLL之間，它使用DLL的調(diào)度

32、和非調(diào)度特點(diǎn)，為FMS和應(yīng)用進(jìn)程提供報(bào)文傳遞服務(wù)。FAS的協(xié)議機(jī)制可以劃為三層：FAS服務(wù)協(xié)議機(jī)制、應(yīng)用關(guān)系協(xié)議機(jī)制、DLL映射協(xié)議機(jī)制，它們之間及其與相鄰層的關(guān)系如圖8所示。FAS服務(wù)協(xié)議機(jī)制負(fù)責(zé)把發(fā)送信息轉(zhuǎn)換為FAS的內(nèi)部協(xié)議格式，并為該服務(wù)選擇一個(gè)合適的應(yīng)用關(guān)系協(xié)議機(jī)制。應(yīng)用關(guān)系協(xié)議機(jī)制包括客戶/服務(wù)器、報(bào)告分發(fā)和發(fā)布/接收三種由虛擬通信關(guān)系VCR來描述的服務(wù)類型，它們的區(qū)別主要在于FAS如何應(yīng)用數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行報(bào)文傳輸。DLL映射協(xié)議機(jī)制是對下層即數(shù)據(jù)鏈路層的接口。它將來自應(yīng)用關(guān)系協(xié)議機(jī)制的FAS內(nèi)部協(xié)議格式轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)鍵路層DLL可接受的服務(wù)格式，并送給DLL，反之亦然。 圖8 FAS協(xié)

33、議機(jī)制FMS描述了用戶應(yīng)用所需要的通信服務(wù)、信息格式和建立報(bào)文所必需的協(xié)議行為。針對不同的對象類型，F(xiàn)MS定義了相應(yīng)的FMS通信服務(wù)，用戶應(yīng)用可采用標(biāo)準(zhǔn)的報(bào)文格式集在現(xiàn)場總線上相互發(fā)送報(bào)文。用戶層定義了標(biāo)準(zhǔn)的基于模塊的用戶應(yīng)用，使得設(shè)備與系統(tǒng)的集成與互操作更加易于實(shí)現(xiàn)。用戶層由功能塊和設(shè)備描述語言兩個(gè)重要的部分組成。(3) FF總線的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)銯F現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浔容^靈活，通常包括點(diǎn)到點(diǎn)型拓?fù)?、總線型拓?fù)?、菊花鏈型拓?fù)?、樹型拓?fù)湟约斑@多種拓?fù)浣M合在一起構(gòu)成的混會型結(jié)構(gòu)。其中，總線線型和樹型拓?fù)湓诠こ讨惺褂幂^多。在總線型結(jié)構(gòu)中，總線設(shè)備通過支線電纜連接到總線段上，支線長度一般小于l20米，適用于

34、現(xiàn)場設(shè)備物理分布比較分散、設(shè)備密度較低的應(yīng)用場合，分支上現(xiàn)場設(shè)備的拆裝對其它設(shè)備不會產(chǎn)生影響。在樹型結(jié)構(gòu)中，現(xiàn)場總線上的設(shè)備都是被獨(dú)立連接到公共的接線盆、端子、儀表板或I/O卡，適用于現(xiàn)場設(shè)備局部比較集中的應(yīng)用場合。H1總線連接以及HSE網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞謩e如圖9、10所示。圖9 H1總線上的設(shè)備連接 圖10 HSE設(shè)備連接示意圖二 PROFIBUS現(xiàn)場總線PROFIBUS共包括PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-DP和PROFIBUS-PA三個(gè)兼容系列，各系列的協(xié)議結(jié)構(gòu)如圖11所示。FMS定義了物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層和用戶接口，物理層提供了光纖和RS485兩種傳輸技術(shù)。DP定義了物理層、

35、數(shù)據(jù)鏈路層和用戶接口，其中的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層與FMS中的定義完全相同，二者采用了相同的傳輸技術(shù)和統(tǒng)一的總線控制協(xié)議(報(bào)文格式)。PA主要應(yīng)用于過程控制領(lǐng)域，相當(dāng)于FF的H1總線，它可支持總線供電和本質(zhì)安全，當(dāng)使用分段耦合器，PA裝置能很方便的連接到DP網(wǎng)絡(luò)上。圖11 PROFIBUS協(xié)議結(jié)構(gòu)PROFIBUS現(xiàn)場總線是世界上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線技術(shù)之一，既適合于自動化系統(tǒng)與現(xiàn)場I/O單元的通信，也可用于直接連接帶有接口的各種現(xiàn)場儀表及設(shè)備。DP和PA的完美結(jié)合使得PROFIBUS現(xiàn)場總線在結(jié)構(gòu)和性能上優(yōu)越于其它現(xiàn)場總線。(2)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)PROFIBUS提供了RS485傳輸、IEC11582傳

36、輸和光纖傳輸三種類型。RS-485傳輸用于PROFIBUSDP/FMS，其最大傳輸速率可達(dá)12Mbps，在不加中繼的情況下，傳輸速率與總線長度的對應(yīng)關(guān)系如下表所示：數(shù)據(jù)IEC11582的傳輸技術(shù)用于PROFIBUSPA，是一種位同步協(xié)議，通過±9mA對基本電流（約10mA）的調(diào)制，以31.25kbps的速率傳輸。PROFIBUS系統(tǒng)要橋接更長的距離或在電磁干擾很大的環(huán)境下應(yīng)用時(shí)，可使用光纖導(dǎo)體（塑料和玻璃）傳輸，光鏈路插頭可以實(shí)現(xiàn)RS485信號和光纖導(dǎo)體信號的相互轉(zhuǎn)換。(3)總線存取協(xié)議PROFIBUS總線包括的三個(gè)兼容系列均使用一致的總線存取協(xié)議，這是一種包括主站之間的令牌方式和主

37、站與從站之間的主從方式的混合協(xié)議，如圖12。 圖12 總線儲存協(xié)議令牌環(huán)是所有主站的組織鏈，按照它們的地址構(gòu)成邏輯環(huán)。在令牌環(huán)中，令牌在邏輯環(huán)中循環(huán)一周的最長時(shí)間是事先規(guī)定的，令牌需要在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)按照地址的升序在各主站中依次傳遞。主從方式允許主站在得到總線存取令牌時(shí)與從站進(jìn)行通信，每個(gè)主站均可向從站發(fā)送或索取信息。當(dāng)某主站得到令牌報(bào)文后，該主站可在一定時(shí)間內(nèi)執(zhí)行主站工作。在這段時(shí)間內(nèi)，它可依照主從關(guān)系表與所有從站通信，也可依照主主關(guān)系表與所有主站通信。(4)DP/PA的連接圖13為PROFIBUS DP與PA的典型結(jié)構(gòu)圖?；贗EC1158-2傳輸技術(shù)總線段與基于RS485傳輸技術(shù)總線段可以通過耦合裝置相連，耦合器使二者信號相適配。每段通常配一個(gè)電源裝置，電源裝置經(jīng)耦合器和PA總線為現(xiàn)場設(shè)備提供電源，這種供電方式可以限制PA總線段上的電流和電壓。如果需要外接電源設(shè)備，必須用適當(dāng)?shù)母綦x裝置，將總線供電設(shè)備與外接電源設(shè)備連接在本質(zhì)安全總線上，此時(shí)總線上的最大供電電壓和最大供電電流均具有明確的規(guī)定。按防爆等級和總線供電裝置，總線上的站點(diǎn)數(shù)量也將受到限制。圖13 DP/DA的鏈接PROFIBUS的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇梢允强偩€型、樹型和兩種拓?fù)涞幕旌稀＞€型結(jié)構(gòu)