第一章 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)概述

現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展背景

現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)幾種有影響的現(xiàn)場(chǎng)總線現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的現(xiàn)狀及其發(fā)展前景第一節(jié)現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展背景

自動(dòng)控制系統(tǒng)：在無(wú)人直接參與下可使生產(chǎn)過(guò)程或其他過(guò)程按期望規(guī)律或預(yù)定程序進(jìn)行的控制系統(tǒng)。自動(dòng)控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的主要手段。自動(dòng)控制系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用于人類社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域。在工業(yè)方面，對(duì)于冶金、化工、機(jī)械制造等生產(chǎn)過(guò)程中遇到的各種物理量，包括溫度、流量、壓力、厚度、張力、速度、位置、頻率、相位等，都有相應(yīng)的控制系統(tǒng)；在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用包括水位自動(dòng)控制系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動(dòng)操作系統(tǒng)等。在軍事技術(shù)方面，自動(dòng)控制的應(yīng)用實(shí)例有各種類型的伺服系統(tǒng)、火力控制系統(tǒng)、制導(dǎo)與控制系統(tǒng)等。在航天、航空和航海方面，除了各種形式的控制系統(tǒng)外，應(yīng)用的領(lǐng)域還包括導(dǎo)航系統(tǒng)、遙控系統(tǒng)和各種仿真器。一般把現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)稱為第五代控制系統(tǒng)，也稱作FCS——現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。它是繼基地式氣動(dòng)儀表控制系統(tǒng)、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)、集散控制系統(tǒng)（DCS）后的新一代控制系統(tǒng)。1、基地式氣動(dòng)儀表控制系統(tǒng)

由于生產(chǎn)規(guī)模小，檢測(cè)控制儀表等安裝在生產(chǎn)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)，僅具備簡(jiǎn)單測(cè)控功能的基地式氣動(dòng)儀表，其信號(hào)只能在儀表內(nèi)部起作用，一般不能傳給別的儀表或系統(tǒng)，無(wú)法和外界溝通信息。2、電動(dòng)單元組合式模擬儀表控制系統(tǒng)

隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，操作人員需要同時(shí)按多點(diǎn)的信息對(duì)生產(chǎn)過(guò)程實(shí)行操作控制，于是出現(xiàn)了氣動(dòng)、電動(dòng)系列的單元組合式儀表，這些儀表采用統(tǒng)一的模擬信號(hào)。3、集中式數(shù)字控制系統(tǒng)

模擬控制系統(tǒng)中的模擬信號(hào)的傳遞需一對(duì)一的物理連接，信號(hào)變化緩慢，很難提高控制系統(tǒng)的速度和精度，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了集中數(shù)字控制。4、集散控制系統(tǒng)（DCS）

這是針對(duì)大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程多參數(shù)和多控制回路特點(diǎn)而建立的一種集中、分散控制系統(tǒng)，可在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)裝置級(jí)、車間級(jí)的優(yōu)化控制，但難以組成更大范圍的信息共享。5、現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）第二節(jié)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)一、現(xiàn)場(chǎng)總線的基本概念

現(xiàn)場(chǎng)總線是安裝在制造或過(guò)程區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與控制室內(nèi)的自動(dòng)化控制裝置之間的數(shù)字式、串行、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備是指安裝在現(xiàn)場(chǎng)的工作設(shè)備如傳感器、變送器、執(zhí)行器、控制器等。具體說(shuō)來(lái)有開(kāi)關(guān)、閥門、氣缸、電機(jī)、燈光、溫度、壓力、流量等方面的信號(hào)檢測(cè)和參量控制。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，給每一臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備置入通用或?qū)Ｓ梦⑻幚砥?，使它們具有?shù)字計(jì)算和數(shù)字通信能力，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)總線智能化以后，整個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生了徹底變化，導(dǎo)致了現(xiàn)場(chǎng)總線的誕生?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備智能化后，采用一定的通信介質(zhì)作為總線，按照公開(kāi)、規(guī)范的通信協(xié)議，在位于現(xiàn)場(chǎng)的智能現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備之間及現(xiàn)場(chǎng)儀表與遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)之間，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與信息交換，形成適應(yīng)實(shí)際需要的自動(dòng)控制系統(tǒng)。簡(jiǎn)而言之，它把分散的測(cè)量控制設(shè)備變成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，以現(xiàn)場(chǎng)總線為紐帶，把它們連接成可以相互溝通信息、共同完成自控任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。二、現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

傳統(tǒng)模擬控制系統(tǒng)采用一對(duì)一設(shè)備連接，位于現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量變送器和控制室內(nèi)的控制器之間，控制器與執(zhí)行器、開(kāi)關(guān)等之間，都是一對(duì)一連接。現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)采用數(shù)字串行通信后，在兩根普通導(dǎo)線制成的雙絞線即可掛接幾十個(gè)自控設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和控制室之間通信。三、現(xiàn)場(chǎng)總線的優(yōu)點(diǎn)可大大節(jié)約連接導(dǎo)線、維護(hù)和安裝費(fèi)用，可以用低廉的造價(jià)組成一個(gè)系統(tǒng)。一個(gè)傳統(tǒng)的4mA～20mA控制回路通常只能傳輸代表過(guò)程變量的一個(gè)信號(hào)?，F(xiàn)場(chǎng)總線能夠在傳送多個(gè)過(guò)程變量的同時(shí)，一并傳送儀表的標(biāo)識(shí)符和簡(jiǎn)單的診斷信息，具有監(jiān)視與控制能力強(qiáng)、可靠性與故障容限高、實(shí)時(shí)響應(yīng)性好和對(duì)環(huán)境要求低等優(yōu)點(diǎn)。數(shù)字信號(hào)的精確性：數(shù)字信息可排除模擬信息傳輸和轉(zhuǎn)換中所產(chǎn)生的誤差。由于現(xiàn)場(chǎng)總線是雙向的，因此能夠從中心控制室對(duì)現(xiàn)場(chǎng)智能儀表進(jìn)行控制，使遠(yuǎn)程調(diào)整、診斷和維護(hù)成為可能，甚至能夠在故障發(fā)生前進(jìn)行預(yù)測(cè)。四、現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)

系統(tǒng)的開(kāi)放性互操作性與互用性現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的智能化與功能自治性系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性

五、現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)

過(guò)去的控制系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備沒(méi)在自治能力，為了指揮一群非智能設(shè)備工作，就必須有一臺(tái)強(qiáng)大的中央控制器，因此過(guò)去的控制系統(tǒng)往往都是集中式控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)由于采用了智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，故每個(gè)設(shè)備都具備智能。智能設(shè)備工作時(shí)可以單獨(dú)進(jìn)行、分小組進(jìn)行、集中進(jìn)行、根據(jù)具體情況動(dòng)態(tài)地組合，實(shí)現(xiàn)真正意義上的集中、分散控制。第三節(jié)幾種有影響的現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS總線

PROFIBUS總線是應(yīng)用最廣泛的一種現(xiàn)場(chǎng)總線，目前有三種：PROFIBUS-DP總線、PROFIBUS-PA總線、PROFIBUS-FMS總線。PROFIBUS-DP總線的最大傳輸率為12Mbps，應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)級(jí)，高速、廉價(jià)的傳輸形式適用于自控系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的實(shí)時(shí)通信。PROFIBUS-FMS用于車間級(jí)，即中-下層，可提供較大數(shù)據(jù)量的通信服務(wù)。PROFIBUS-PA專為過(guò)程控制設(shè)計(jì)，一般用于有爆炸危險(xiǎn)的環(huán)境中?；饡?huì)現(xiàn)場(chǎng)總線（FF）

LonWorks總線CAN總線

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的現(xiàn)狀及其發(fā)展前景現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的現(xiàn)狀

1、多種總線共存2、總線應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展3、不斷成立總線國(guó)際組織4、每種總線都以企業(yè)為支撐5、一個(gè)設(shè)備制造商參加多個(gè)總線組織6、各種總線相繼成為自己國(guó)家或地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)7、在競(jìng)爭(zhēng)中協(xié)調(diào)共存8、以太網(wǎng)成為新熱點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展趨勢(shì)

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)趨向簡(jiǎn)單化大量采用成熟、開(kāi)放和通用的技術(shù)新型的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)（如DCS、PLC）之間并不是完全取而代之的關(guān)系，而是繼承、融合、提高的關(guān)系。

現(xiàn)場(chǎng)總線（Fieldbus）是近年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線，它主要解決工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間的數(shù)字通信以及這些現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備和高級(jí)控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問(wèn)題。由于現(xiàn)場(chǎng)總線簡(jiǎn)單、可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用等一系列突出的優(yōu)點(diǎn)。微處理器的出現(xiàn)，特別是微控制器的發(fā)展為現(xiàn)場(chǎng)總線的產(chǎn)生和發(fā)