第16章現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)及儀表控制系統(tǒng)第二版化學(xué)工業(yè)出版社Contents16.1現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的發(fā)展16.2主要現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)16.3現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)16.4現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)16.1現(xiàn)場(chǎng)控制總線的發(fā)展（1）現(xiàn)場(chǎng)總線的產(chǎn)生現(xiàn)場(chǎng)總線是用于現(xiàn)場(chǎng)儀表與控制系統(tǒng)和控制室之間的一種全分散、全數(shù)字化、智能、雙向、互聯(lián)、多變量、多點(diǎn)和多站的通訊系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)總線的出現(xiàn)和產(chǎn)生是在與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)相比較的過程中，由其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)所決定的?，F(xiàn)行的DCS系統(tǒng)不能很好地滿足系統(tǒng)的開放和互聯(lián)要求。用戶對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的需求。16.1現(xiàn)場(chǎng)控制總線的發(fā)展（2）現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展過程現(xiàn)場(chǎng)總線思想產(chǎn)生于20世紀(jì)80年代中期，直到90年代初期才有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)推出，供設(shè)計(jì)和產(chǎn)品使用。在現(xiàn)場(chǎng)總線的開發(fā)和研究過程中，較為突出的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)有：HART、CAN、LonWorks

ProfiBus、FF16.1現(xiàn)場(chǎng)控制總線的發(fā)展（3）底層總線系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)總線發(fā)展過程中，一些企業(yè)還開發(fā)和研制了一些更為專用、比現(xiàn)場(chǎng)總線更為底層的總線系統(tǒng)，如：

ControlNet、DeviceNet、ASi16.1現(xiàn)場(chǎng)控制總線的發(fā)展（4）現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)特征

特征：系統(tǒng)徹底網(wǎng)絡(luò)化全分散式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的互操作性開放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)全開放優(yōu)點(diǎn)：一對(duì)N結(jié)構(gòu)、可靠性高、操作性好、綜合能力強(qiáng)、統(tǒng)一組態(tài)16.2主要現(xiàn)場(chǎng)總線（1）CAN總線系統(tǒng)CAN（控制器局域網(wǎng)ControllerAreaNet）是主要用于各種過程或設(shè)備監(jiān)測(cè)及控制的一種網(wǎng)絡(luò)。從物理結(jié)構(gòu)上看，CAN屬于總線型通訊網(wǎng)絡(luò)。16.2主要現(xiàn)場(chǎng)總線（1）CAN總線系統(tǒng)基于CAN總線的測(cè)控網(wǎng)絡(luò)典型系統(tǒng)示意16.2主要現(xiàn)場(chǎng)總線（1）CAN總線系統(tǒng)CAN總線具有的特性：①符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO11898規(guī)范的CAN總線規(guī)范2.0PART和PARTB；②以多主方式工作；③網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)可分成不同的優(yōu)先級(jí)，可以滿足不同的實(shí)時(shí)要求；④采用非破壞性總線裁決技術(shù)，大大地節(jié)省了總線沖突裁決的時(shí)間；⑤可以采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播的方式傳送和接受數(shù)據(jù)；⑥直接通訊距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km（此時(shí)速率為５5kbps）；⑦通訊速率最高可達(dá)１Mbps（此時(shí)傳輸距離最長(zhǎng)為４０m）；16.2主要現(xiàn)場(chǎng)總線（1）CAN總線系統(tǒng)⑧網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點(diǎn)數(shù)實(shí)際可達(dá)１１０個(gè)；⑨采用短幀結(jié)構(gòu)，每幀的有效字節(jié)數(shù)為８；⑩每幀信息都有CRC檢驗(yàn)及其他檢錯(cuò)措施；⑾通訊介質(zhì)采用雙絞線，無(wú)特殊要求；⑿在發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)，節(jié)點(diǎn)具有自動(dòng)關(guān)閉總線的功能；⒀采用犖犚犣編碼和解碼方式，并有位填充（插入）技術(shù)。16.2主要現(xiàn)場(chǎng)總線（1）CAN總線CAN網(wǎng)絡(luò)的通訊及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議主要由CAN控制器來(lái)完成；CAN控制器包含了所有控制CAN網(wǎng)絡(luò)通訊的單元和模塊；CAN網(wǎng)絡(luò)采用的是串行通信協(xié)議，因此可以非常有效地構(gòu)成分布式實(shí)時(shí)過程監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)，具有很高的可靠性。16.2主要現(xiàn)場(chǎng)總線（2）LonWorks總線系統(tǒng)LON是LocalOperatingNetwork的縮寫；LonWorks是美國(guó)Echelon公司推出的一種功能全面的測(cè)控網(wǎng)絡(luò)；16.2主要現(xiàn)場(chǎng)總線（2）LonWorks總線系統(tǒng)LonWorks的主要特性：①其基本組成元件的Neuron芯片同時(shí)具備通訊和控制功能，且固化了ISO/OSI的全部７層通訊協(xié)議，以及３４種常見的I/O控制對(duì)象；②網(wǎng)絡(luò)協(xié)議開放，對(duì)任何用戶平等；③網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇梢宰杂山M合；④可以使用所有已有的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；⑤改善了網(wǎng)絡(luò)通訊沖突的CSMA檢測(cè)方法；16.2主要現(xiàn)場(chǎng)總線（2）LonWorks總線系統(tǒng)⑥網(wǎng)絡(luò)通訊采用了面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法；⑦通訊介質(zhì)無(wú)限制；⑧通訊幀的有效字節(jié)數(shù)從０到２８８?jìng)€(gè)字節(jié)；⑨通訊速率可達(dá)1.25Mbps；⑩網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)數(shù)可達(dá)32000個(gè)；⑾直接通訊距離可達(dá)27000m。16.2主要現(xiàn)場(chǎng)總線（2）LonWorks總線系統(tǒng)LonWorks核心單元Neuron芯片功能框圖16.2主要現(xiàn)場(chǎng)總線（3）ProfiBus總線系統(tǒng)ProfiBus（ProcesFieldBus）總新系統(tǒng)是德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)具體應(yīng)用領(lǐng)域有不同的形式：

①ProfiBus-FMS：符合德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)DIN19245T1+T2和歐洲標(biāo)準(zhǔn)PrEN50170;②ProfiBus-DP：符合德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)DIN19245T1+T2和歐洲標(biāo)準(zhǔn)PrEN50170;③ProfiBus-PA：符合德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)DIN19245T4和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC1158-2;16.2主要現(xiàn)場(chǎng)總線（3）ProfiBus總線系統(tǒng)

ProfiBus-FMS和ProfiBus-DP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議結(jié)構(gòu)16.2主要現(xiàn)場(chǎng)總線（4）FF總線系統(tǒng)FF總線系統(tǒng)是現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)（FieldbusFoundation）推出的總線系統(tǒng)。FF總線系統(tǒng)的通訊協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)是參照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO的開放系統(tǒng)互聯(lián)OSI模型，并對(duì)其進(jìn)行了改造而成的，保留了第１層的物理層、第２層的數(shù)據(jù)鏈路層和第７層的應(yīng)用層，而且對(duì)應(yīng)用層進(jìn)行了較大的改動(dòng)，分成了現(xiàn)場(chǎng)總線存取和應(yīng)用服務(wù)兩部分。此外，在第７層之上還增加了含有功能塊的用戶層。功能塊的引入，使得用戶可以擺脫復(fù)雜的編程工作，而直接簡(jiǎn)單地使用功能塊對(duì)系統(tǒng)及其設(shè)備進(jìn)行組態(tài)。這樣使得犉犉總線系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)不僅僅是信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)和通訊標(biāo)準(zhǔn)，更是一個(gè)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，這也FF總線系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)和其他現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵區(qū)別16.2主要現(xiàn)場(chǎng)總線（4）FF總線系統(tǒng)FF總線系統(tǒng)包含低速總線H1和高速總線H2：16.3現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（1）現(xiàn)場(chǎng)總線單元設(shè)備用于過程自動(dòng)化并構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS的基本設(shè)備有：

①變送器②執(zhí)行器③服務(wù)器和網(wǎng)橋④輔助設(shè)備⑤監(jiān)控設(shè)備16.3現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（1）現(xiàn)場(chǎng)總線單元設(shè)備由現(xiàn)場(chǎng)總線儀表單元組成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有如下結(jié)構(gòu)：16.3現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（2）現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS是在集散控制系統(tǒng)DCS的思想上，集成了新一代的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)而產(chǎn)生的。FCS將傳統(tǒng)的儀表單元微計(jì)算機(jī)化，并用現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)的方式代替了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳統(tǒng)連接方式，從根本上改變了控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和關(guān)聯(lián)方式。16.3現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（2）現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)：DDC、DCS、FCS16.3現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（2）現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)：DDC、DCS、FCS16.3現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（2）現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)：DDC、DCS、FCS16.3現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（2）現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)DCS的出現(xiàn)解決了DDC控制過于集中、系統(tǒng)危險(xiǎn)性也過于集中的問題；現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS的出現(xiàn)，從根本上解決了控制系統(tǒng)接線的問題，采用雙絞線即可將所有的現(xiàn)場(chǎng)總線儀表單元連接在一起。此外，在FCS中系統(tǒng)的危險(xiǎn)性也降到了最低。16.3現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（2）現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基于FF現(xiàn)場(chǎng)總線的典型FCS結(jié)構(gòu)圖16.3現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（2）現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于LonWorks的典型FCS結(jié)構(gòu)圖16.3現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（3）現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)集成與擴(kuò)展現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS是現(xiàn)場(chǎng)通訊網(wǎng)絡(luò)與控制的集成，其節(jié)點(diǎn)是現(xiàn)場(chǎng)儀表單元或現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)儀表單元如基于現(xiàn)場(chǎng)總線的傳感器、變送器、執(zhí)行器和控制器等；現(xiàn)場(chǎng)總線的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備：只要帶有現(xiàn)場(chǎng)總線接口的控制設(shè)備均可使用。16.3現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（3）現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)集成與擴(kuò)展將網(wǎng)絡(luò)化處理的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)儀表通過現(xiàn)場(chǎng)總線連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)一定控制作用的系統(tǒng)是現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)集成的過程和目的。較全面的集成系統(tǒng)如：16.3現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（3）現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)集成與擴(kuò)展為完成較大控制任務(wù)和實(shí)現(xiàn)對(duì)控制過程的全面管理，還必須將其與上層控制系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合在一起。這是工業(yè)控制系統(tǒng)發(fā)展的需要，也是企業(yè)綜合自動(dòng)化的必然。

右圖是基于現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)和LAN網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的現(xiàn)代控制管理系統(tǒng)的信息關(guān)系。

16.3現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（3）現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)集成與擴(kuò)展在現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS自身集成的基礎(chǔ)上，再將上層的管理和協(xié)調(diào)集成在一起，其控制系統(tǒng)如：16.3現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（3）現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)集成與擴(kuò)展計(jì)算機(jī)集成控制系統(tǒng)實(shí)例16.4現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)（1）控制系統(tǒng)的組織重構(gòu)指用于實(shí)現(xiàn)各種控制作用的子系統(tǒng)或單元能夠根據(jù)不同工作的需要，進(jìn)行重新組織和調(diào)整，以適應(yīng)實(shí)際生產(chǎn)的需要和變化。16.4現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)（1）控制系統(tǒng)的組織重構(gòu)如果計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了組織重構(gòu)的目的，即可方便地實(shí)現(xiàn)如下功能：

①提高控制系統(tǒng)的靈活性；②增強(qiáng)控制系統(tǒng)的適應(yīng)性；③改善控制系統(tǒng)的可靠性；④為系統(tǒng)從事控制任務(wù)的協(xié)同實(shí)現(xiàn)提供了支持平臺(tái)和條件。16.4現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)（2）控制系統(tǒng)的工作協(xié)調(diào)化計(jì)算機(jī)支持的協(xié)同工作（ComputerSupportedCollaborativeWorks，CSCW）是近年來(lái)發(fā)展極為迅速和備受關(guān)注的技術(shù)?？刂葡到y(tǒng)的協(xié)調(diào)工作包括多種任務(wù)目標(biāo)的群決策、多個(gè)部