現(xiàn)場(chǎng)總線第一章

第一章

現(xiàn)場(chǎng)總線概述第一節(jié)概述一、什么是現(xiàn)場(chǎng)總線1、控制系統(tǒng)的組成及發(fā)展過(guò)程⑴、控制系統(tǒng)的組成⑵、控制系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程控制系統(tǒng)發(fā)展的四個(gè)階段：電動(dòng)單元組合式模擬儀表控制系統(tǒng)集中式數(shù)字控制系統(tǒng)集散式數(shù)字控制系統(tǒng)(DCS)現(xiàn)場(chǎng)總線（FCS）控制系統(tǒng)

集中式數(shù)字控制(DDC)系統(tǒng)示意圖中心主控機(jī)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)連線現(xiàn)場(chǎng)連線控制變量被控變量集中式數(shù)字(DDC)控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)

系統(tǒng)可靠性差：一旦中央控制機(jī)出現(xiàn)故障，會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)的癱瘓。

抗干擾能力差：太多、太長(zhǎng)的現(xiàn)場(chǎng)連線，使干擾很難克服。

系統(tǒng)規(guī)模小：采用這種結(jié)構(gòu)很難開(kāi)發(fā)大規(guī)模的系統(tǒng)。

集散式數(shù)字控制系統(tǒng)(DCS)示意圖監(jiān)控計(jì)算機(jī)CRT操作站基本調(diào)節(jié)器基本調(diào)節(jié)器基本調(diào)節(jié)器

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)DHW

集散式數(shù)字控制系統(tǒng)(DCS)存在的問(wèn)題DCS不是一個(gè)真正的分散系統(tǒng)，而是一個(gè)“半分散”系統(tǒng)，在一定程度上存在著集中控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)。由于是一個(gè)模擬數(shù)字混合系統(tǒng)，而不是全數(shù)字化系統(tǒng)，因此，在控制精度、抗干擾能力、計(jì)算速度上存在一定問(wèn)題。專用的DHW高速通道的組網(wǎng)方式是借用LAN通用局域網(wǎng)技術(shù)，組網(wǎng)復(fù)雜、成本高、升級(jí)改造困難。2、現(xiàn)場(chǎng)總線的定義國(guó)際電工委員會(huì)IEC(International

ElectrotechnicalCommission)

61158的標(biāo)準(zhǔn)定義：現(xiàn)場(chǎng)總線是安裝在制造和過(guò)程區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)裝置與控制室內(nèi)的自動(dòng)控制裝置之間的數(shù)字式、串行、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線。更確切地說(shuō)，現(xiàn)場(chǎng)總線是用于現(xiàn)場(chǎng)儀表與控制室之間的一種“全數(shù)字、雙向、多變量、多點(diǎn)、多站的通信系統(tǒng)”。因?yàn)樗c現(xiàn)場(chǎng)傳感器和執(zhí)行器連接，所以在整個(gè)系統(tǒng)中處于最底層。3、現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)－FCS（Fieldbuscontrolsystem）示意圖監(jiān)控中心監(jiān)控室現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化設(shè)備（傳感器、執(zhí)行器）

現(xiàn)場(chǎng)總線的本質(zhì)含義表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：現(xiàn)場(chǎng)通信系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備互連互操作性分散功能模塊開(kāi)放式互連網(wǎng)絡(luò)

4、現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)相比現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)有如下特點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化通信實(shí)現(xiàn)不同廠家產(chǎn)品的互操作實(shí)現(xiàn)了真正的分布式控制傳輸?shù)男畔⒘控S富減少了I/O變送器提高了測(cè)試精度增加了系統(tǒng)的自治性現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)與集散式控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)對(duì)比示意圖如下：

（a）DCS控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖監(jiān)控中心控制單元控制單元控制單元現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化設(shè)備（傳感器、執(zhí)行）（傳感器、執(zhí)行）（傳感器、執(zhí)行）控制室監(jiān)控中心監(jiān)控室現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化設(shè)備（傳感器、執(zhí)行器）（b）FCS控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的核心技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間的互連現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的管理（監(jiān)測(cè)、診斷、維護(hù)等）現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備及現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)工具

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)是基礎(chǔ)二、

現(xiàn)場(chǎng)總線與局域網(wǎng)1、現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)與局域網(wǎng)的聯(lián)系(1)、技術(shù)上的聯(lián)系 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)使用了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。（2）、系統(tǒng)連接上的聯(lián)系 實(shí)際應(yīng)用中較多采用LAN-FIELDBUS結(jié)構(gòu)

（3）、現(xiàn)場(chǎng)總線與局域網(wǎng)有進(jìn)一步融合的趨勢(shì) →工業(yè)以太網(wǎng)的出現(xiàn)

?控制網(wǎng)與信息網(wǎng)的關(guān)系的討論目前的一般性結(jié)論：采用TCP/IPEthernet的理由：硬件成本低與internet連接容易帶寬提高容易TCP/IP和Ethernet的協(xié)議具有廣泛性現(xiàn)有現(xiàn)場(chǎng)總線容量較小Ethernet有一定的市場(chǎng)

不采用TCP/IPEthernet的理由：

TCP/IPEthernet發(fā)展多年但仍不能滿足控制過(guò)程的要求過(guò)程的連續(xù)性傳輸錯(cuò)誤后再傳輸?shù)目焖傩?/p>

對(duì)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的控制

對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制能力

提供有保證的通過(guò)能力2、現(xiàn)場(chǎng)總線與局域網(wǎng)的不同（1）、不同的技術(shù)領(lǐng)域現(xiàn)場(chǎng)總線屬于控制領(lǐng)域，用于實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)。（2）、基本功能和特點(diǎn)不同局域網(wǎng)屬于信息網(wǎng)，強(qiáng)調(diào)的是文本、聲音、圖像等信息的傳遞?，F(xiàn)場(chǎng)總線屬于控制網(wǎng)范疇，主要是作為過(guò)程自動(dòng)化、制造自動(dòng)化等領(lǐng)域現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化控制設(shè)備之間的通信和控制的一種網(wǎng)絡(luò)體系。

第二節(jié)現(xiàn)場(chǎng)總線的產(chǎn)生與發(fā)展一、

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的產(chǎn)生1、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是3C技術(shù)的結(jié)晶。2、克服了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的信息孤島現(xiàn)象。3、標(biāo)志著控制領(lǐng)域一個(gè)新時(shí)代的開(kāi)始。二、現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展趨勢(shì)現(xiàn)場(chǎng)總線從八十年代初的提出至今，已經(jīng)歷了近20年的發(fā)展歷史。目前主要現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)已有200多種。1、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一。通過(guò)協(xié)商、妥協(xié)于2000年1月發(fā)布了現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158，它包括了八種互不兼容的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，與此同時(shí)一些國(guó)外大公司還推出了自己的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。IEC61158不是真正意義的統(tǒng)一的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。

應(yīng)用中應(yīng)注意兩方面的問(wèn)題：現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)處于多種標(biāo)準(zhǔn)共存的局面，各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)選用適用的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。

繼續(xù)努力找到一個(gè)統(tǒng)一的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，目前已提出了工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。中國(guó)已進(jìn)入了現(xiàn)場(chǎng)總線時(shí)代，一些現(xiàn)場(chǎng)總線在國(guó)內(nèi)取得了良好的業(yè)績(jī)?nèi)鏑ANBUS、LONWORKS、PROFIBUS、FF等。2、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)（1）、標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步統(tǒng)一。（2）、開(kāi)放性、互操作性更好。（3）、可與現(xiàn)有系統(tǒng)相連，得到平滑過(guò)渡。

第三節(jié)幾種有影響的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)簡(jiǎn)介

現(xiàn)場(chǎng)總線發(fā)展至今，不少公司和集團(tuán)都推出了自己的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。其中應(yīng)用比較廣泛的有：

FF、PROFIBUS、LonWorks、CAN、INTERBUS、HART等。一、基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線（FoundationFieldbus）1、發(fā)展歷史 1994年，ISP與WorldFIP（1985年由Honeywell和Bailey等公司發(fā)起，以法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)FIP為基礎(chǔ)制定的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)）兩大組織合并，成立了現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)FF（FieldbusFoundation）。并把IEC/ISP50（美國(guó)儀器學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)）作為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的一部分。2、基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線的組成FF現(xiàn)場(chǎng)總線由兩類網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成分別為H1和HSE示意圖如下：I/O現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備PLC數(shù)據(jù)服務(wù)器連接設(shè)備工作站H1HSEFF-H1和FF-HSE現(xiàn)場(chǎng)總線示意圖

H1是帶寬為31.25kbit/s的底層總線用于連接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備如傳感器、執(zhí)行器及其它I/O設(shè)備等。HSE(HighSpeedEthernet)帶寬為100Mbit/s或1Gbit/s用于連接H1子網(wǎng)、數(shù)據(jù)服務(wù)器、工作站和高速控制器如PLC等。HSE上的工作站通過(guò)數(shù)據(jù)服務(wù)器訪問(wèn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。H1允許總線型、樹(shù)型、星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。HSE是標(biāo)準(zhǔn)的LAN結(jié)構(gòu)。鏈接設(shè)備用來(lái)互連31.25kbit/s總線并將其接入高速以太網(wǎng)(HSE)。

3、特點(diǎn)（1）互可操作性：基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線使用標(biāo)準(zhǔn)功能模塊。以模塊為基礎(chǔ)，使來(lái)自不同廠家的設(shè)備可以無(wú)縫的集成在一起。基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線是開(kāi)放的，來(lái)自不同生產(chǎn)廠家的經(jīng)過(guò)FF會(huì)認(rèn)證的設(shè)備互可操作。（2）節(jié)省硬件開(kāi)支：FF現(xiàn)場(chǎng)總線將控制分散到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可以減少I(mǎi)/O設(shè)備和控制器及其它設(shè)備如本質(zhì)安全柵（I.S.）等。如下圖中本質(zhì)安全柵（I.S.）的個(gè)數(shù)得以減少。

（3）方便安裝：現(xiàn)場(chǎng)總線允許多臺(tái)設(shè)備掛接在一對(duì)電纜上。這樣可以減少電纜、安全柵和安裝盒可簡(jiǎn)化安裝過(guò)程。（4）改善測(cè)量及控制精度：由于采用了數(shù)字通訊，增加了信息量。由于控制模塊置于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備內(nèi)減少了失真，提高了測(cè)量及控制精度。（5）提高控制的可靠性：帶有微處理器的現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備具有自診斷和通訊能力，由于控制分布在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中，使控制更為可靠。4、主要應(yīng)用領(lǐng)域 主要應(yīng)用于制造和過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域。

二、

LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線1、發(fā)展歷史1991年由美國(guó)Echelon公司推出了LON(LocalOperatingNetworks)技術(shù)，又稱LonWorks技術(shù)，它是90年代先進(jìn)的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)之一。

LonWorks技術(shù)被認(rèn)為是現(xiàn)場(chǎng)總線的開(kāi)拓者和領(lǐng)導(dǎo)者，目前世界上已安裝有500多萬(wàn)個(gè)LonWorks節(jié)點(diǎn)，LonTalk協(xié)議也被接納為歐洲CENTC247、CENTC205的一部分。

2、LonWorks技術(shù)的主要內(nèi)容 LonWorks技術(shù)涵蓋如下技術(shù)內(nèi)容

3、LonWorks技術(shù)的特點(diǎn)（1）系統(tǒng)完整性好（2）LonWorks產(chǎn)品豐富，易于系統(tǒng)集成（3）系統(tǒng)開(kāi)放性好（4）易于與上層網(wǎng)絡(luò)連接，系統(tǒng)的可擴(kuò)展性強(qiáng)4、主要應(yīng)用領(lǐng)域 智能建筑領(lǐng)域、電力控管系統(tǒng)、鐵路信號(hào)系統(tǒng)。三、PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線

1、發(fā)展歷史1987年，以Siemens，Rosemount，橫河等幾家著名公司為首成立了一個(gè)專門(mén)委員會(huì)ISP（InteroperableSystemProtocal），并制定了過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS（ProcessFieldBus）。德國(guó)政府認(rèn)可并確定其為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

PROFIBus（ProcessFieldBus）是歐洲開(kāi)放式現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)（EN50170）。2、PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線的組成Profibus—FMS（FieldbusMessageSpecification）Profibus-PA（ProcessAutomation）Profibus-DP（DistributivePeripheral）三部分組成。

如下圖所示應(yīng)用范圍：3、主要特點(diǎn)：

（1）、PROFIBus的最大優(yōu)點(diǎn)在于具有穩(wěn)定的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)EN50170作保證。（2）、具有三種總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可適用于不同的應(yīng)用環(huán)境，根據(jù)不同的應(yīng)用對(duì)象,可靈活選取不同規(guī)格的總線系統(tǒng)。4、主要應(yīng)用領(lǐng)域過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域四、INTERBUS現(xiàn)場(chǎng)總線1、發(fā)展歷史

INTERBUS總線技術(shù)是德國(guó)PhoenixContact公司研究和開(kāi)發(fā)的一種現(xiàn)場(chǎng)總線，它主要應(yīng)用于制造業(yè)中。1996年成為DIN19825德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，1998年成為EN50254歐洲標(biāo)準(zhǔn)，2000年成為IEC61158國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中八種現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)之一。2、INTERBUS總線的組成 CAN總線的結(jié)構(gòu)示意圖遠(yuǎn)程總線主控制模板（主設(shè)備）總線終端I/OI/OI/OI/OI/OI/O總線終端I/OI/OI/OI/O總線終端本地總線INTERBUS環(huán)3、INTERBUS總線的特點(diǎn)（1）、簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、開(kāi)放的總線形式。（2）、簡(jiǎn)化硬件連接。（3）、操作方便、可靠性高。4、應(yīng)用領(lǐng)域

工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線，機(jī)器人控制等。五、CAN現(xiàn)場(chǎng)總線1、發(fā)展歷史

控制局域網(wǎng)絡(luò)C