微型計算機控制技術(shù)（第2版）課件：網(wǎng)絡(luò)集成計算機控制系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò)集成計算機控制系統(tǒng)01FCS與DCS的比較現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)簡介集散控制系統(tǒng)簡介0302現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)簡介集散控制系統(tǒng)簡介FCS與DCS的比較DCS概述現(xiàn)代控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史實際上經(jīng)歷了一個由控制分散、管理分散，控制分散、管理集中，控制集中、管理集中到控制分散、管理集中的過程。隨著現(xiàn)代化工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)過程的控制規(guī)模不斷擴大，復(fù)雜程度不斷增加，工藝過程不斷強化，因而對過程控制和生產(chǎn)管理系統(tǒng)提出了越來越高的要求。信息技術(shù)的飛速發(fā)展，也導(dǎo)致了自動化領(lǐng)域的深刻變革，并逐漸形成了自動化領(lǐng)域的開放系統(tǒng)互連通信網(wǎng)絡(luò)，形成了全分布式網(wǎng)絡(luò)集成化自控系統(tǒng)。以微處理器為基礎(chǔ)的分散型控制系統(tǒng)(Distributedcontrolsystem，簡稱DCS)，正是在這種背景下產(chǎn)生的，它是繼直接作用式氣動儀表、氣動單元組合儀表、電動單元組合儀表和組件組裝式儀表之后的新一代控制系統(tǒng)。今天的分散型控制系統(tǒng)已經(jīng)不是過去的那種模擬控制系統(tǒng)，而是采用了計算機技術(shù)的數(shù)字控制系統(tǒng)。今天的集中管理手段也不僅僅是依靠指示儀表、記錄儀表和操作開關(guān)，而是采用先進的CRT顯示設(shè)備、打印機和鍵盤來管理。分散控制系統(tǒng)又稱為計算機分布式控制系統(tǒng)、集散型控制系統(tǒng)，它是生產(chǎn)過程監(jiān)視、控制技術(shù)發(fā)展和計算機與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用的產(chǎn)物。分散式控制系統(tǒng)指的是一種多機系統(tǒng)，即多臺計算機分別控制不同的對象或設(shè)備，各自構(gòu)成子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)間有通信或網(wǎng)絡(luò)互連關(guān)系。從整個系統(tǒng)來說，在功能上、邏輯上、物理上以及地理位置上都是分散的?？傊杂嬎銠C網(wǎng)絡(luò)為核心組成的控制系統(tǒng)都是分散式控制系統(tǒng)，它是控制技術(shù)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)和CRT顯示技術(shù)的結(jié)晶。DCS概述集散控制系統(tǒng)由集中管理部分、分散控制監(jiān)測部分和通信部分組成。集中管理部分可分為操作員工作站、工程師工作站和管理計算機；分散控制監(jiān)測部分按功能分為控制站、監(jiān)測站；通信部分則完成控制指令及各種信息的傳遞和數(shù)據(jù)資源的共享。圖11－1所示為一個分散控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)。集散控制系統(tǒng)最基本的特征就是實現(xiàn)了系統(tǒng)的分散控制和集中管理，它以高可靠性和完善的控制管理功能代替了大部分原有的常規(guī)儀表控制系統(tǒng)。由于計算機技術(shù)的開放模式、集成技術(shù)、和現(xiàn)場總線技術(shù)對DCS應(yīng)用和發(fā)展的影響，促使目前的DCS技術(shù)向集成化、綜合化、智能化的方向發(fā)展。集散控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域的各個行業(yè)，它們的硬件和軟件千差萬別，但是它們的基本構(gòu)成方式和構(gòu)成要素是相同、相似的。DCS在體系上是功能分層的，按照自下而上的功能分層。集散控制系統(tǒng)一般可以分為四層：現(xiàn)場控制級、過程裝置控制級、車間操作管理級、全廠優(yōu)化和調(diào)度管理級。信息自下向上集中，自上向下分散，構(gòu)成系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)。DCS的分散過程控制級

分散過程控制裝置是集散控制系統(tǒng)的核心，也是集散系統(tǒng)中變化形式最多的部分，它的功能越來越強，發(fā)展趨勢是集常規(guī)、邏輯和批量控制于一體，成為多功能控制器。1、分散過程控制裝置的類型按照組成分散過程控制裝置的設(shè)備不同，可以分為7類，即將單回路控制器、多回路控制器、數(shù)據(jù)采集裝置、可編程邏輯控制器、輸入輸出裝置等幾大類設(shè)備任意組合，形成不同類型的分散控制裝置。2、分散過程控制裝置的構(gòu)成特點分散控制裝置具有分散控制、遞階控制等特點（1）整體式系統(tǒng)的構(gòu)成：即分散過程控制裝置本身有操作器，構(gòu)成閉環(huán)，自成系統(tǒng)，在沒有外部信息交互的情況下，仍然可以獨立完成控制功能，系統(tǒng)可靠性較高。（2）分散式系統(tǒng)的構(gòu)成：分散式系統(tǒng)采用通訊系統(tǒng)，它的操作接口在系統(tǒng)上層，下層按照負荷分散的原則組成水平型結(jié)構(gòu)，操作器與控制器分散，可以實現(xiàn)降級操作到操作級，增加了可靠性，操作靈活性大。（3）冗余系統(tǒng)的構(gòu)成：由于分散過程控制裝置直接與生產(chǎn)過程聯(lián)系，它直接影響過程控制的好壞，因此經(jīng)常采用冗余結(jié)構(gòu)。DCS的分散過程控制級相當于現(xiàn)場控制級和過程控制裝置級，由單回路、多回路控制器、多功能控制器、數(shù)據(jù)采集裝置等組成，它的主要功能是分散的過程控制。其結(jié)構(gòu)具有以下4點特征：

適應(yīng)惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境；工業(yè)現(xiàn)場存在大量的沖擊、噪聲、電磁、機械震動的干擾，設(shè)備的工作環(huán)境比較惡劣，因此需要選擇工業(yè)級的專用設(shè)備。比如專門應(yīng)用于工業(yè)的IPC，它在設(shè)計時考慮了惡劣的工作環(huán)境，其元件容量大，機箱采用鋼板，安裝了防塵罩和大功率排風扇等。

分散控制；

實時性；硬件時鐘頻率快，軟件算法精練實用

獨立性；在上一級設(shè)備出現(xiàn)故障的情況下，還可以正常運行，可靠性要求高。

DCS的集中操作管理級DCS的集中操作管理級相當于車間操作管理級和全廠優(yōu)化和調(diào)度管理級，由操作站、管理機和外圍設(shè)備組成，它的主要功能是集中各個分散過程控制裝置送來的信息，把操作命令送到各個分散過程控制裝置。它的結(jié)構(gòu)有3條特征：（1）信息量大：因為它負責整個系統(tǒng)信息的收集與下傳，因此一般具有大存儲容量，需采用數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)、分布式數(shù)據(jù)庫技術(shù)及并行處理技術(shù)等。（2）易操作性：操作界面友好，簡單直觀，大量運用組態(tài)軟件。（3）容錯性好：應(yīng)該具有防止誤操作的保護措施，可以從硬件和軟件兩方面入手，硬件設(shè)置密匙，對操作人員進行權(quán)限分級，對誤操作不予反應(yīng)等。DCS的綜合信息管理級管理級包含的內(nèi)容比較廣泛，一般來說，它可能是一個發(fā)電廠的廠級管理計算機，也可能是若干個機組的管理計算機。它所面向的使用者是廠長、經(jīng)理、總工程師、值長等行政管理或運行管理人員。廠級管理系統(tǒng)的主要任務(wù)是監(jiān)測企業(yè)各部分的運行情況，利用歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)預(yù)測可能發(fā)生的各種情況，從企業(yè)全局利益出發(fā)輔助企業(yè)管理人員進行決策，幫助企業(yè)實現(xiàn)其規(guī)劃目標。對管理計算機的要求是，具有能夠?qū)刂葡到y(tǒng)做出高速反應(yīng)的實時操作系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)大量數(shù)據(jù)的高速處理與存儲，具有能夠連續(xù)運行可冗余的高可靠性，能夠長期保存生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并具有優(yōu)良的、高性能的、方便的人機接口，豐富的數(shù)據(jù)庫管理軟件，過程數(shù)據(jù)收集軟件，人機接口軟件以及生產(chǎn)管理系統(tǒng)生成等工具軟件，以實現(xiàn)整個工廠的網(wǎng)絡(luò)化和計算機的集成化。管理級是屬廠級的，其功能也可分成實時監(jiān)控和日常管理兩部分。實時監(jiān)控功能屬全廠各機組和公用輔助工藝系統(tǒng)的運行管理層，承擔全廠性能監(jiān)視、運行優(yōu)化、全廠負荷分配和日常運行管理等任務(wù)，主要為值長服務(wù)。日常管理功能即承擔全廠的管理決策、計劃管理、行政管理等任務(wù)，主要是為廠長和各管理部門服務(wù)。DCS的數(shù)據(jù)通信集散控制系統(tǒng)的各個子系統(tǒng)需要進行信息的交換，而這些信息的交換是通過通訊系統(tǒng)實現(xiàn)的，沒有通訊系統(tǒng)，整個系統(tǒng)就會各自為政，一盤散沙，通訊系統(tǒng)就好比是人體的神經(jīng)感覺系統(tǒng)，沒有它，就談不上系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度、協(xié)調(diào)運行，因此通訊系統(tǒng)的性能優(yōu)劣是衡量一個集散控制系統(tǒng)先進與否的重要標準。DCS的數(shù)據(jù)通訊，指各級的計算機、微處理器與外部設(shè)備的通信、級與級之間的通信。由于集散控制系統(tǒng)是用于工業(yè)生產(chǎn)過程的控制與管理，因此，它所采用的通信網(wǎng)絡(luò)具有特殊的要求：（1）實時性好，動態(tài)響應(yīng)快。工業(yè)生產(chǎn)是一個實時的過程，集散控制系統(tǒng)采用的通信網(wǎng)絡(luò)要有良好的實時性和快速的響應(yīng)性，開關(guān)、閥門、電機的運轉(zhuǎn)都應(yīng)在毫秒級；（2）可靠性高，不言而喻，集散控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)要具有極高的可靠性，否則會給工業(yè)生產(chǎn)帶來巨大的損失；（3）適應(yīng)惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境。工業(yè)現(xiàn)場的氣候條件、電磁環(huán)境要比其他環(huán)境惡劣許多，它的通信網(wǎng)絡(luò)必須能夠克服這些因素的影響，保持正常的工作；（4）開放系統(tǒng)互聯(lián)和互操作性。目前通訊系統(tǒng)突出強調(diào)通訊的開放性和互操作性，“開放”，就是允許與其他廠商的產(chǎn)品通訊，這就要求通訊有一個統(tǒng)一的標準、協(xié)議。“互操作性”指工業(yè)現(xiàn)場的變送器、執(zhí)行器可以互換。DCS是以微型機為核心的4C技術(shù)競相發(fā)展并緊密結(jié)合的產(chǎn)物，而通信技術(shù)在DCS中占有重要的地位。所謂DCS，即分散過程控制單元以對過程對象加以控制，同時集中監(jiān)視和操作管理單元以達到綜合信息全局管理的目的。計算機網(wǎng)絡(luò)連接了這些過程控制單元（也稱I/O站）、監(jiān)視操作站（也稱操作員站）和系統(tǒng)的管理單元（也稱工程師站）。當I/O站、操作員站和工程師站分布在一個局部區(qū)域時，連接它們的網(wǎng)絡(luò)稱為局部網(wǎng)絡(luò)（LAN：LocalAreaNetwork）。計算機局部網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，極大地促進了DCS的發(fā)展。然而DCS所完成的是工業(yè)控制，因此其通信系統(tǒng)與一般辦公室用局部網(wǎng)絡(luò)有所不同，工業(yè)控制用通信系統(tǒng)有如下幾個特點：DCS的數(shù)據(jù)通信(1)快速實時響應(yīng)能力DCS的通信網(wǎng)絡(luò)是工業(yè)計算機局部網(wǎng)絡(luò)，它能及時傳輸現(xiàn)場過程信息和操作管理信息，因此網(wǎng)絡(luò)必須具有良好的實時性，一般辦公自動化計算機局部網(wǎng)響應(yīng)時間可在幾秒范圍內(nèi)，而工業(yè)計算機網(wǎng)的響應(yīng)時間應(yīng)在0.01～0.5s，高優(yōu)先級信息對網(wǎng)絡(luò)存取時間則不應(yīng)超過10ms。(2)具有極高的可靠性DCS的通信系統(tǒng)必須連續(xù)運行，通信系統(tǒng)的任何中斷和故障都可能造成停產(chǎn)，甚至引起設(shè)備和人身事故。因此通信系統(tǒng)必須具有極高的可靠性。一般DCS通信系統(tǒng)采用雙網(wǎng)備份方式，以提高可靠性。(3)適應(yīng)惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境DCS的通信系統(tǒng)必須在惡劣的工業(yè)環(huán)境中正常工作，工業(yè)現(xiàn)場存在各種干擾，這些干擾一般可分為四類，它們是①電源干擾：它是由電源系統(tǒng)竄入網(wǎng)絡(luò)的脈沖，其上升時間約為1μs，峰值為2.5kV；②雷擊干擾：雷擊時，靠近傳輸線任意一點的干擾電位，大約是10μs上升到5000V、20μs下降到2500V的脈沖，俗稱10/20μs脈沖。(4)分層結(jié)構(gòu)DCS構(gòu)成實例這里介紹一種用YS-80可編程調(diào)節(jié)器和PC/486工控機構(gòu)成小型集散控制系統(tǒng)的具體方法。1、系統(tǒng)組成系統(tǒng)構(gòu)成如圖11－2。采用PC/486工控機作為主操作站，配有三通道監(jiān)視器接口模板。三個監(jiān)視器分別用于三臺鍋爐的工藝狀態(tài)顯示。PC機的并行口連接打印機，用于過程參數(shù)曲線打印。PC機的并行口連接打印機，用于過程參數(shù)曲線打印、事故狀態(tài)報警打印和日、月、年報表打印。PC機通過其串行口及網(wǎng)絡(luò)通信控制器CC網(wǎng)絡(luò)上的各控制站進行信息交換，實現(xiàn)集中管理。各控制站分別由三臺YS-80單回路可編程調(diào)節(jié)器和以單片機為微處理器的STD/8031工控機組成。三臺YS-80單回路可編程調(diào)節(jié)器分別用于三臺鍋爐汽包的水位控制，由其通信接口直接掛在網(wǎng)絡(luò)上，通過網(wǎng)絡(luò)修改其參數(shù)值。以單片機為微處理器的STD工控機與輔助設(shè)備的運行監(jiān)控，是通過單片機的串行口實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換的。DCS構(gòu)成實例2、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及通信接口網(wǎng)絡(luò)通信控制器CCD是實現(xiàn)系統(tǒng)功能的重要部件，它向上聯(lián)系主操作站，向下和通信物理介質(zhì)一起構(gòu)成現(xiàn)場總線RBUS。主站和網(wǎng)絡(luò)通信控制器CCD之間采用主從結(jié)構(gòu)，RS－232作為通信總線，以命令響應(yīng)/請求方式進行工作，即命令由主站發(fā)往CCD，CCD響應(yīng)后通過RBUS向各控制站發(fā)出相應(yīng)的信息。CCD同樣可以請求主站響應(yīng)，將各控制站的信息發(fā)往主站，CCD和各控制站之間采用令牌方式進行工作，即CCD和各控制站均須相應(yīng)的通信字符才可互相交換數(shù)據(jù)。CCD的數(shù)據(jù)緩沖器容量是根據(jù)現(xiàn)場信息量的大小來確定的。運行在CCD的任務(wù)有6個，即自身管理任務(wù)、令牌任務(wù)、與各控制站的信息收/發(fā)任務(wù)及與主站的信息收/發(fā)任務(wù)?，F(xiàn)場總線的物理結(jié)構(gòu)及其接口現(xiàn)場總線采用環(huán)行網(wǎng)絡(luò)。接口的電氣隔離電壓達1.5千伏，為分散互聯(lián)的各控制站之間以及控制站與PC機之間提供隔離，以提高系統(tǒng)抗干擾能力和可靠性，適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場的復(fù)雜環(huán)境。在通信故障期間，各控制站仍然按既定的方式不間斷工作，充分體現(xiàn)分散性特點?？紤]到主站PC機和各控制站的通信接口結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)通信控制器CCD與現(xiàn)場總線RBUS及主站的接口均為RS-232結(jié)構(gòu)，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖11－3所示。DCS構(gòu)成實例控制站與CCD的通信接口8251是一種常規(guī)的通信控制器，它能將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為一定格式的串行數(shù)據(jù)，同樣可以將一定格式的串行數(shù)據(jù)裝配成為并行數(shù)據(jù)，并提供足夠的聯(lián)絡(luò)信號。YS-80單回路可編程調(diào)節(jié)器的通信接口線路即由8251和RS-232電流環(huán)轉(zhuǎn)換隔離電路構(gòu)成。CCD中也設(shè)計有原理與YS-80的通信接口相似的通信線路，以實現(xiàn)兩者的互連。這里只給出YS-80的通信線路，如圖11－4所示。該電路最終輸出只有兩根線，發(fā)送和接收均通過兩線傳輸。正常狀態(tài)下接收器開放。需發(fā)送時關(guān)閉接收器，發(fā)送結(jié)束后重新開放接收器。DCS構(gòu)成實例CCD與PC機的通信接口CCD中的通信采用8031中的串行通信接口，其原理、外圍的隔離、轉(zhuǎn)換電路也與YS-80的通信接口相似，以便于互連。CCD與PC機的接口直接采用RS-232接口。因CCD與PC機在安裝位置上基本位于同一處，所以用標準RS-232連接，在傳輸距離上不會超出其接口要求?，F(xiàn)場環(huán)行總線RBUS的形成如圖11－2所示，各控制站分別以通信口的“+”“-”端相連，最終連在CCD上構(gòu)成環(huán)行總線RBUS。

DCS構(gòu)成實例3、通信協(xié)議與YS-80的工作模式現(xiàn)場總線采用國際電工委員會IEC/SC65C規(guī)定的有關(guān)集散控制系統(tǒng)中的低層協(xié)議，它可為多臺現(xiàn)場控制站互連并與上位計算機機通信提供有效手段。采用YS-80的報文壓縮方式，自定義了一個適合于本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡化通信協(xié)議。該通信協(xié)議規(guī)定如下：協(xié)議約定：RS-232方式；波特率：300、500、1200、2400、4800、9600可選。協(xié)議報文：主從，令牌方式。報文結(jié)構(gòu)為令牌/通行字（占1個字節(jié)），長度/屬性（占1個字節(jié)），命令/響應(yīng)（占1個字節(jié)），數(shù)據(jù)（占9個字節(jié)），校驗（占1個字節(jié)），停止位（占1個字節(jié)）。YS-80的工作模式設(shè)定為：MODE2=2（YS-80的設(shè)定值由上位機系統(tǒng)設(shè)定）；MODE5=0（允許上位機系統(tǒng)設(shè)定）。上述所構(gòu)成的系統(tǒng)特點是：結(jié)構(gòu)簡單，易實現(xiàn)；組成靈活，易擴展；智能儀表與計算機均為通用產(chǎn)品，因此可基本實現(xiàn)板級與模板級更換，便于維修，技術(shù)性能穩(wěn)定。上述系統(tǒng)特別適合用于國內(nèi)企業(yè)組建控制系統(tǒng)和對現(xiàn)有控制設(shè)備進行技術(shù)改造，可用于實現(xiàn)工業(yè)窯、反應(yīng)器、精鎦塔、加熱爐、發(fā)酵罐、食品機構(gòu)、干燥器、蒸發(fā)器、造紙器、環(huán)保設(shè)備以及中小型鍋爐等的控制。

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)簡介集散控制系統(tǒng)簡介FCS與DCS的比較現(xiàn)場總線概述隨著計算機技術(shù)、微電子技術(shù)和通信技術(shù)的飛速發(fā)展，信息交換溝通的領(lǐng)域正在迅速覆蓋從工廠的現(xiàn)場設(shè)備層到控制、管理的各個層次，覆蓋了從工段、車間、工廠、企業(yè)乃至世界各地的市場。信息技術(shù)的飛速發(fā)展，引起了工業(yè)控制領(lǐng)域發(fā)生了一次新技術(shù)的變革，使得傳統(tǒng)的集散控制系統(tǒng)（DistributedControlSystem）無論在結(jié)構(gòu)上還是在性能上都發(fā)生了巨大的飛躍，逐步形成以網(wǎng)絡(luò)集成自動化系統(tǒng)為基礎(chǔ)的企業(yè)信息系統(tǒng)，現(xiàn)場總線（Fieldbus）技術(shù)就是在這種新的變革中孕育而生的。根據(jù)國際電工委員會（IEC）和美國儀表協(xié)會（ISA）的定義，現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的串行通訊網(wǎng)絡(luò)。它的關(guān)鍵標志是能支持雙向、多節(jié)點、總線式的全數(shù)字通信。它構(gòu)造了網(wǎng)絡(luò)集成式全分布式控制系統(tǒng)，同時它又是一種低帶寬的底層控制網(wǎng)絡(luò)，是計算機集成過程系統(tǒng)/計算機集成制造系統(tǒng)（CIPS/CIMS）的最低層。由于工業(yè)自動化控制系統(tǒng)特別強調(diào)其可靠性、安全性和實時性，所以用于測量和控制的數(shù)據(jù)通信不同于以傳遞信息為主要目標的郵電通信，也不同于一般信息技術(shù)的計算機網(wǎng)絡(luò)通信。用于測量和控制的數(shù)據(jù)通信的主要特點是：允許對事件進行實時響應(yīng)的事件驅(qū)動通信；很高的可用性；很高的數(shù)據(jù)完整性；在有電磁干擾和電位差的情況下能正常工作，以及使用工廠內(nèi)專用的傳輸線等?，F(xiàn)場總線概述現(xiàn)場級的控制網(wǎng)絡(luò)一般可以分為三個層次：SensorBus、DeviceBus和FieldBus。其中SensorBus面向的是簡單的數(shù)字傳感器和執(zhí)行機構(gòu)，主要傳輸狀態(tài)信息，網(wǎng)上交換的數(shù)據(jù)單元是位(bit)；DeviceBus面向的是模擬傳感器和執(zhí)行器，主要傳輸模擬信號的采集轉(zhuǎn)換值、校正與維護信息等，網(wǎng)上交換的數(shù)據(jù)單元是字節(jié)(Byte)；而FieldBus面向的是控制過程，除了傳輸數(shù)字與模擬信號的直接信息外，還可傳輸控制信息，即FieldBus上的結(jié)點可以是過程控制單元(PCU)，F(xiàn)ieldBus網(wǎng)絡(luò)交換的數(shù)據(jù)單元是幀(Frame)。圖11－5列出了幾種現(xiàn)場級網(wǎng)絡(luò)及其在控制網(wǎng)絡(luò)三個層次中所處的位置?，F(xiàn)場總線概述現(xiàn)場總線通信協(xié)議是參照國際標準化組織ISO制定的ISO/OSI開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型并經(jīng)簡化建立的（主要實現(xiàn)第1、2、7層功能），IEC/ISA(美國儀表協(xié)會)現(xiàn)場總線通信協(xié)議模型綜合了多種現(xiàn)場總線標準，規(guī)定了現(xiàn)場應(yīng)用進程之間的相互可互操作性、通信方式、層次化的通信服務(wù)功能劃分、信息的流向及傳遞規(guī)則。OSI參考模型共分7層，現(xiàn)場總線通信協(xié)議則根據(jù)自身特點加以簡化，采用了物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層，同時考慮到現(xiàn)場裝置的控制功能和具體運用又增加了用戶層。現(xiàn)場總線協(xié)議模型如圖11－6所示?，F(xiàn)場總線概述其各層功能定義如下：第一層：物理層提供機械、電氣、功能性和規(guī)程性功能，以便在數(shù)據(jù)鏈路實體之間建立、維護和拆除物理連接。物理層通過物理連接在數(shù)據(jù)鏈路實體之間提供透明的位流傳輸。對于現(xiàn)場總線的物理層規(guī)定了通信信號的大小和波形，并有基帶和寬帶兩種方式，物理層定義了所用導(dǎo)線媒體的類型和導(dǎo)線上的傳送速度?，F(xiàn)場總線的媒體有:雙絞線、同軸電線、光纖和無線傳輸。用現(xiàn)有的模擬電纜可構(gòu)成低速星形拓樸，對于新的電纜可構(gòu)成高速多引線和光纖拓樸。第二層：數(shù)據(jù)鏈路層分為媒體訪問控制(MAC，MediaAccessControl)子層和邏輯鏈路控制(LLC，LogicLinkControl)子層。MAC子層主要實現(xiàn)對共享總線媒體的“交通”管理，并檢測傳輸線路的異常情況。MAC子層是在節(jié)點間用來對幀的發(fā)送、接收信號進行控制，同時檢驗傳輸差錯?，F(xiàn)場總線的實時通信主要由數(shù)據(jù)鏈路層提供，所謂實時(time－critical)就是提供一個“時間窗”，在該時間窗內(nèi)，需要完成具有某個指定級別確定度的一個或多個動作。為了滿足實時性要求，IEC61158.3和IEC61158.4數(shù)據(jù)鏈路層標準中采用了不同于IT的全新的數(shù)據(jù)鏈路層服務(wù)定義和數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)范。第三層：應(yīng)用層直接為用戶服務(wù)，提供適用于應(yīng)用、應(yīng)用管理和系統(tǒng)管理的分布式信息服務(wù)。開放系統(tǒng)相互連接的管理包括初始化、維護、終止和記錄某些數(shù)據(jù)所需的功能，這些數(shù)據(jù)與為在應(yīng)用進程間傳送數(shù)據(jù)而建立的連接有關(guān)?，F(xiàn)場總線應(yīng)用層主要組成部分包括:應(yīng)用進程、應(yīng)用進程對象、應(yīng)用實體和應(yīng)用服務(wù)元素等。應(yīng)用層主要提供通信功能、特殊功能以及管理控制功能?，F(xiàn)場總線訪問子層(FAS，F(xiàn)ieldbusAccessSublayer)提供發(fā)布者/接收者、客戶/服務(wù)器和報告分發(fā)三種服務(wù)，現(xiàn)場總線報文規(guī)范(FMS，F(xiàn)ieldbusMessageSpecification)則提供對象字典服務(wù)、變量訪問服務(wù)和事件服務(wù)。現(xiàn)場總線的發(fā)展背景與趨勢在八十年代，現(xiàn)場總線技術(shù)最早在歐洲產(chǎn)生，它將數(shù)字通信總線一直延伸到現(xiàn)場儀表，使許多現(xiàn)場儀表，如變送器、調(diào)節(jié)閥、記錄儀、顯示器、PLC及其他自動化設(shè)備等可通過一條總線進行雙向、多點、多種信息的數(shù)字通信，從而取代目前使用的4～20mA單變量、單向模擬傳輸方式。數(shù)字通信技術(shù)的應(yīng)用帶來了控制系統(tǒng)和儀表通信標準的兼容問題。由于智能現(xiàn)場儀表的通信協(xié)議各不相同，用戶在使用不同制造商生產(chǎn)的智能儀表時會有很大的困難。因此在進入九十年代以后，一些企業(yè)集團和標準化組織開始了制定行業(yè)標準、地區(qū)性標準和國際標準的工作。由于標準化工作牽涉到巨大的經(jīng)濟和政治利益，國際上的現(xiàn)場總線標準之爭相當激烈。在工業(yè)自動化領(lǐng)域，各制造廠商分化為以ISP(InteroperableSystemProtocol，可互操作系統(tǒng)協(xié)議)和WorldFIP(FactoryInstrumentationProtocol，工廠儀表協(xié)議)為代表的兩大派別。兩大派別極力維護自身利益，長期不能統(tǒng)一。迫于用戶壓力和市場需求，在1994年9月，ISP和WorldFIP北美分部握手言和，成立了現(xiàn)場總線基金會FF（FieldbusFoundation）。FF的宗旨是促進產(chǎn)生一個單一的國際現(xiàn)場總線標準?，F(xiàn)場總線的發(fā)展背景與趨勢另一個方面，國際電工委員會極為重視總線標準的制定，1984年就籌備成立了IEC/TC65/SC65c/WG6工作組，開始起草現(xiàn)場總線標準。1993年IEC61158.2現(xiàn)場總線物理層成為國際標準，1998年2月IEC61158.3鏈路層服務(wù)定義和IEC61158.4鏈路層協(xié)議規(guī)范，1997年10月IEC61158.5用戶層服務(wù)定義和IEC61158.6應(yīng)用層協(xié)議規(guī)范相繼成為國際標準最終草案FDIS（FinalDraftofInternationalStandard）。但是因為實質(zhì)上它只包括了FF一種協(xié)議，在1998年9月，這四個現(xiàn)場總線的國際標準最終草案未獲通過。

在這種情況下，1999年7月IEC/TC65/SC65c/WG6工作組修改了IEC61158中Type3～Type6（就是上面的IEC61158.3－6）四個技術(shù)規(guī)范，著手制定一個多功能單一標準的現(xiàn)場總線，即將原來的IEC61158中Type3～Type6的技術(shù)規(guī)范內(nèi)容并入Type1,其它的總線標準作為Type3－6進入IEC61158。最終現(xiàn)場總線國際標準成為了一個包含多種協(xié)議的框架。每一種總線的前途將由市場和用戶來決定。這其中的Type1就是FF－H1，其中的Type5就是FF－HSE（High-SpeedEthernet，高速以太網(wǎng)）。2000年初IEC61158現(xiàn)場總線國際標準正式獲得通過，它包括8種主要的現(xiàn)場總線，具體如下：類型1：IEC技術(shù)報告（FF－H1）；類型2：ControlNet（美國Rockwell公司支持）；類型3：Profibus（德國Siemens公司支持）；類型4：P－Net（丹麥ProcessData公司支持）；類型5：FF－HSE（原FF－H2）；類型6：SwiftNet（美國波音公司支持）；類型7：WorldFIP（法國Alston公司支持）；類型8：Interbus(德國PhoenixContact公司支持)；現(xiàn)場總線的發(fā)展背景與趨勢現(xiàn)場總線的國際標準雖然制定出來了，但它與IEC(國際電工委員會)于1984年開始制定現(xiàn)場總線時的初衷是相違背的。IEC的最初想法是制定單一的現(xiàn)場總線國際標準。究其根本原因，不外乎每種總線標準的背后均有一定實力的跨國公司支持，并已占據(jù)了一定的市場。IEC61158發(fā)展歷程至少給了兩點啟示，工業(yè)自動化技術(shù)應(yīng)用于各行各業(yè)，使用一種現(xiàn)場總線技術(shù)不可能滿足所有行業(yè)的技術(shù)要求；現(xiàn)場總線不同于計算機網(wǎng)絡(luò)，人們將會面對一個多種總線技術(shù)標準共存的現(xiàn)實。技術(shù)發(fā)展很大程度上受到市場規(guī)律、商業(yè)利益的制約，技術(shù)標準不單是一個技術(shù)規(guī)范，也是一個商業(yè)利益的妥協(xié)產(chǎn)物。這對國內(nèi)發(fā)展總線應(yīng)用很有啟發(fā)意義，針對不同的應(yīng)用現(xiàn)場，可以考慮不同的標準?，F(xiàn)場總線技術(shù)是控制領(lǐng)域的一次革命，它對企業(yè)的生產(chǎn)方式、管理模式都將產(chǎn)生深刻的變革。它的出現(xiàn)，對我國自動化領(lǐng)域既是機遇又是挑戰(zhàn)。國內(nèi)研究開發(fā)現(xiàn)場總線，首先必須對世界技術(shù)的發(fā)展狀況和我國的實際情況有充分的認識和了解，分析各種有利和不利的條件。目前，國際上現(xiàn)場總線技術(shù)已經(jīng)呈現(xiàn)出競爭十分激烈的局面。各大廠商為了自己的利益，都在發(fā)展和維護自己的產(chǎn)品，并積極參與和把持標準的制定工作，希望能主導(dǎo)現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展。這導(dǎo)致在現(xiàn)有的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和應(yīng)用水平上，現(xiàn)場總線領(lǐng)域己經(jīng)很難統(tǒng)一。由于種種原因，今后現(xiàn)場總線的發(fā)展將呈現(xiàn)以下特點：多種總線并存，在相互競爭的同時相互取長補短；每種現(xiàn)場總線將形成其特定的應(yīng)用領(lǐng)域，未來能占有市場的總線將集中在少數(shù)有競爭力的總線上；工業(yè)以太網(wǎng)的引入成為新熱點。工業(yè)以太網(wǎng)被應(yīng)用于自動化領(lǐng)域，顯然得益于總線標準之爭。以太網(wǎng)的優(yōu)勢在于其擁有一個標準IEEE802.3。但是根據(jù)CSMA/CD機理，它不能滿足工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信的實時性和確定性要求，這是將工業(yè)以太網(wǎng)用于工業(yè)自動化領(lǐng)域的一個障礙，對于底層設(shè)備的高實時性要求的情況，工業(yè)以太網(wǎng)可能還要做很多的工作?，F(xiàn)場總線的發(fā)展背景與趨勢從目前的趨勢看，工業(yè)以太網(wǎng)進入現(xiàn)場控制級是勿庸置疑的。目前工業(yè)以太網(wǎng)在自動化領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在企業(yè)的上層管理中，而底層則是結(jié)合現(xiàn)有的現(xiàn)場總線技術(shù)，成為一種混合式的現(xiàn)場控制系統(tǒng)。國內(nèi)科研單位的有利條件是，由于現(xiàn)場總線技術(shù)還是一種新興技術(shù)，還處于發(fā)展階段，尤其在高速現(xiàn)場總線領(lǐng)域還有很大的發(fā)展空間，只要積極努力，還是能夠和國外進行競爭的。但不利的條件是我國綜合技術(shù)力量薄弱，科研力量規(guī)模小、資金少，無力研制復(fù)雜的現(xiàn)場總線專用芯片，在硬件技術(shù)上基本上只能采用已有的產(chǎn)品。因此很難和國外企業(yè)進行正面的競爭。FF在現(xiàn)場總線領(lǐng)域處于主流地位，受到絕大多數(shù)用戶的支持，F(xiàn)F－HSE現(xiàn)場總線標準是IEC61158通過的8種國際現(xiàn)場總線技術(shù)標準之一，而且HSE協(xié)議底層采用高速以太網(wǎng)+TCP/IP協(xié)議，代表了當今現(xiàn)場總線技術(shù)發(fā)展的方向。由于采用高速以太網(wǎng)+TCP/IP協(xié)議棧，對硬件的開發(fā)能力要求較低，可以采用大量現(xiàn)有的成熟的硬件產(chǎn)品，如I/O板、計算機等，而不需開發(fā)復(fù)雜的專用電路。另外，以太網(wǎng)技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛，成本相對低廉。隨著現(xiàn)場總線國際標準的完成和應(yīng)用環(huán)境的形成和完善，采用現(xiàn)場總線的智能儀表和系統(tǒng)會迅速增加，傳統(tǒng)儀表和DCS系統(tǒng)終將被智能儀表和開放控制系統(tǒng)取代，F(xiàn)CS將成為二十一世紀自動控制系統(tǒng)的主流，其發(fā)展方向是加入Internet、Intranet大家族中。現(xiàn)場總線標準(l)FF現(xiàn)場總線(類型1和5)FF現(xiàn)場總線包括低速總線H1和高速總線HSE(原H2)。FF現(xiàn)場總線的應(yīng)用領(lǐng)域以過程自動化為主。如：化工、電廠實驗系統(tǒng)、廢水處理、油田等行業(yè)。(2)Profibus現(xiàn)場總線(類型3)80年代初德國制訂的一種現(xiàn)場總線標準，分為PROFIBUS－DP(分散外圍設(shè)備)，適用于加工制造自動化領(lǐng)域的應(yīng)用，實現(xiàn)分散外設(shè)之間的高速數(shù)據(jù)傳輸；PROFIBUS－FMS(現(xiàn)場總線報文規(guī)范)，適用于樓宇自動化等領(lǐng)域；PROFIBUS－PA(過程自動化)，適用于流程自動化領(lǐng)域。這3種類型均使用單一的總線訪問協(xié)議，它只采用了OSI模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層及應(yīng)用層。Profibus支持主從模式、純主站模式、多主多從模式等，主站對總線有控制權(quán)，可主動發(fā)信息，主站間通過傳遞令牌來傳遞對總線的控制權(quán)。取得控制權(quán)的主站，可向從站發(fā)送、獲取信息。(3)P－NET現(xiàn)場總線(類型4)P－NET的設(shè)計開始于1983年。P－NET采用OSI參考模型中的1，2，3，4，7層，是一種多主站主從式總線(每段最多可容納32個主站)，使用屏蔽雙絞線電纜RS485，每段總線最長1200米，每段最多可連125個設(shè)備，總線分段之間使用中繼器。數(shù)據(jù)以NRZ(不歸零位)編碼異步傳輸，傳輸速率76.5Kbit/S。P－NET總線訪問采用一種“虛擬令牌傳遞”的方式，總線訪問權(quán)通過虛擬令牌在主站之間循環(huán)傳遞，即通過主站的訪問計數(shù)器和空閑總線位周期計數(shù)器確定令牌的持有者和持有令牌的時間。這種令牌傳遞方式是一種基于時間的循環(huán)機制，比報文傳遞令牌方式的傳遞效率更高。P－NET對從站的通信程序僅需幾千字節(jié)的編碼，結(jié)構(gòu)簡單，不需采用專門芯片，比其他總線更易于開發(fā)和轉(zhuǎn)化?！靶∠到y(tǒng)低成本”是P－NET的主要特征之一。(4)CAN（ControllerAreaNetwork控制局域網(wǎng)絡(luò)）

由德國Bosch公司于1993年推出，應(yīng)用于汽車監(jiān)控、開關(guān)量控制、制造業(yè)等。介質(zhì)訪問方式為非破壞性位仲裁方式，適用于實時性要求很高的小型網(wǎng)絡(luò)，且開發(fā)工具廉價。Motorola、Intel、Philips均生產(chǎn)獨立的CAN芯片和帶有CAN接口的80C51芯片。CAN型總線產(chǎn)品有AB公司的DeviceNet、臺灣研華的ADAM數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品等。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

一般把現(xiàn)場總線系統(tǒng)稱為第五代控制系統(tǒng)，也稱作FCS—現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。人們一般把50年代前的氣動信號控制系統(tǒng)PCS稱作第一代，把4~20mA等電動模擬信號控制系統(tǒng)稱為第二代，把數(shù)字計算機集中式控制系統(tǒng)稱為第三代，而把70年代中期以來的集散式分布控制系統(tǒng)DCS稱作第四代?，F(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)備互連的實時控制通訊網(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?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)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)備互連的實時網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS作為新一代控制系統(tǒng)，一方面，突破了DCS系統(tǒng)采用通信專用網(wǎng)絡(luò)的局限，采用了基于公開化、標準化的解決方案，克服了封閉系統(tǒng)所造成的缺陷;另一方面把DCS的集中與分散相結(jié)合的集散系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，變成了新型全分布式結(jié)構(gòu)，把控制功能徹底下放到現(xiàn)場?？梢哉f，開放性、分散性與數(shù)字通訊是現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)最顯著的特征。此外現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)還具有以下特點：（1）一對N結(jié)構(gòu)一對傳輸線，N臺儀表，雙向傳輸多個信號。這種一對N結(jié)構(gòu)使得接線簡單、工程周期短、安裝費用低、維護方便。如果增加現(xiàn)場儀表或現(xiàn)場設(shè)備，只需并行掛到電纜上，無需架設(shè)新的電纜。（2）可靠性高數(shù)字信號傳輸抗干擾性強、精度高,無需采用抗干擾和提高精度的措施。（3）可控狀態(tài)操作員在控制室即可以了解現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表的工作狀況，也能對其進行參數(shù)調(diào)整，還可以預(yù)測和尋找事故，提高了系統(tǒng)的可靠性、可控性和可維護性。（4）互換性用戶可以自由選擇不同制造商所提供的性能價格比最優(yōu)的現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表，并將不同品牌的儀表進行互換。即使某臺儀表發(fā)生故障，換上其他品牌的同類儀表，系統(tǒng)仍能照常工作，實現(xiàn)即接即用。

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（5）互操作性用戶把不同制造商的各種品牌的儀表集成在一起，進行統(tǒng)一組態(tài)，構(gòu)成它所需要的控制回路。用戶不必絞盡腦汁，為集成不同品牌的產(chǎn)品而在硬件或軟件上花費力氣或增加額外投資。（6）綜合功能現(xiàn)場儀表既有檢測、變換和補償功能，也有控制和運算功能。實現(xiàn)了一表多用，不僅方便了用戶，也節(jié)省了成本。（7）分散控制控制站功能分散到現(xiàn)場儀表中，通過現(xiàn)場儀表可構(gòu)成控制回路，實現(xiàn)徹底的分散控制。提高了系統(tǒng)的可靠性、自治性和靈活性。（8）統(tǒng)一組態(tài)由于現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表引入了功能塊的概念，所有制造商都使用相同的功能塊，并統(tǒng)一組態(tài)方法。這樣就使組態(tài)非常簡單，用戶不需要因為現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表的不同而采用不同的組態(tài)方法。（9）開放式系統(tǒng)現(xiàn)場總線為開放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，所有的技術(shù)和標準都是公開的，所有制造商都必須遵循。這樣，用戶可以自由集成不同制造商的通信網(wǎng)絡(luò)，既可以與同層網(wǎng)絡(luò)互連，也可以與不同層網(wǎng)絡(luò)互連，另外，用戶可以極其方便地共享網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫。（10）低成本相對DCS而言，F(xiàn)CS開放的體系結(jié)構(gòu)和OEM技術(shù)將大大縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，且徹底分散的分布式結(jié)構(gòu)將1對1模擬信號傳輸方式變?yōu)?對N的數(shù)字信號傳輸方式，節(jié)省了模擬信號傳輸過程中大量的A/D、D/A轉(zhuǎn)換裝置、布線安裝成本和維護費用。因此從總體上來看，F(xiàn)CS的成本大大低于DCS的成本?，F(xiàn)場總線對ＤＣＳ結(jié)構(gòu)的影響1．現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)與DCS網(wǎng)絡(luò)的集成現(xiàn)場總線并不是在所有的控制場合下都能發(fā)揮它的優(yōu)點,例如小規(guī)模數(shù)字模擬混合系統(tǒng),特別是現(xiàn)場和控制室距離較近的情況。因為混合控制在同一集中的CPU中實現(xiàn)將比較方便,小系統(tǒng)所冒控制集中的風險也不大。而現(xiàn)場總線控制分散的特點需要幾種設(shè)備來實現(xiàn),因此顯得繁瑣。實際上，在當前和今后的一段時間內(nèi),工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)將面臨現(xiàn)場總線與DCS網(wǎng)絡(luò)共存的局面。由于近一段時間內(nèi)現(xiàn)場總線與ＤＣＳ并存，另外大部分現(xiàn)場總線生產(chǎn)商同時是ＤＣＳ生產(chǎn)商，因此ＤＣＳ為保持其競爭能力，采用了一些現(xiàn)場總線的技術(shù)對其ＤＣＳ進行改造，產(chǎn)生了一些介于傳統(tǒng)ＤＣＳ和現(xiàn)場總線之間的控制系統(tǒng)?，F(xiàn)在有許多ＤＣＳ開發(fā)商宣稱他們的ＤＣＳ控制系統(tǒng)兼容現(xiàn)場總線。按照DCS對現(xiàn)場總線兼容程度的不同，可以將兼容現(xiàn)場總線的ＤＣＳ劃分為三類：初步兼容現(xiàn)場總線的DCS、異質(zhì)兼容現(xiàn)場總線的DCS和同質(zhì)兼容現(xiàn)場總線的DCS。初步兼容現(xiàn)場總線的ＤＣＳ是指在ＤＣＳ中使用現(xiàn)場總線的智能儀表,將總線儀表的變量輸入或輸出到ＤＣＳ控制系統(tǒng)。異質(zhì)兼容現(xiàn)場總線的ＤＣＳ使用網(wǎng)關(guān)設(shè)備將大部分的現(xiàn)場總線功能映射到現(xiàn)存的ＤＣＳ系統(tǒng)中，而那些未映射入ＤＣＳ的現(xiàn)場總線功能將丟失。如果ＤＣＳ能夠兼容現(xiàn)場總線的所有特征，那么我們就說這種ＤＣＳ是同質(zhì)兼容現(xiàn)場總線的ＤＣＳ。

現(xiàn)場總線對ＤＣＳ結(jié)構(gòu)的影響DCS屬非開放式專用網(wǎng)絡(luò),DCS主機是DCS系統(tǒng)的控制、通信中心。而在新型的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)體系中,整個DCS系統(tǒng)將作為其中的一個特殊子網(wǎng)存在,DCS主機則是一個普通的節(jié)點。與現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)集成時有