1、現(xiàn)場總線技術(shù) Fieldbus Technology,課程簡介,特點：涉及工程概念和設(shè)計方法的內(nèi)容 較多，理論內(nèi)容較少 （技術(shù)規(guī)范多，公式推導少） 重點：設(shè)計與應(yīng)用 主要介紹的總線類型：Modbus（經(jīng)典），Profibus（標準），Industrial EtherNet（趨勢）,第1章 現(xiàn)場總線技術(shù)概述,現(xiàn)場總線是20世紀90年代發(fā)展形成的，用于過程自動化、制造業(yè)自動化、樓宇自動化、家庭自動化等領(lǐng)域的現(xiàn)場設(shè)備互連的通信網(wǎng)絡(luò) 現(xiàn)場總線是目前自動化領(lǐng)域研究和應(yīng)用的熱點之一 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是現(xiàn)場總線與控制系統(tǒng)的集成 Fieldbus Control System,本章的主要內(nèi)容,1.1 現(xiàn)場總線

2、的由來 1.2 現(xiàn)場總線的定義和分類 1.3 現(xiàn)場總線的特點 1.4 現(xiàn)場總線技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展,1.1 現(xiàn)場總線的由來,現(xiàn)場總線技術(shù)是為了滿足控制（測控）系統(tǒng)向 數(shù)字化發(fā)展的需要而產(chǎn)生的 數(shù)字化的優(yōu)點：信息量更豐富 控制系統(tǒng)的4個發(fā)展階段： 模擬儀表控制系統(tǒng)； 直接數(shù)字控制系統(tǒng)； 集散控制系統(tǒng)； 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng),模擬儀表控制系統(tǒng) Analog Control System,出現(xiàn)于20世紀50年代之前 基地式儀表：功能簡單 統(tǒng)一的模擬信號：0.020.1MPa，010mA，15V，420mA 典型的單回路控制系統(tǒng)：控制算法簡單,模擬儀表控制系統(tǒng) Analog Control System,常規(guī)

3、模擬單回路調(diào)節(jié)（控制）系統(tǒng) 調(diào)節(jié)儀表：輸入輸出 測量儀表：輸出 420mADC 執(zhí)行器：輸入,直接數(shù)字控制系統(tǒng) Direct Digital Control System,出現(xiàn)于20世紀60年代初 隨著計算機的發(fā)展和普及而得到應(yīng)用 多回路控制：控制功能增強，算法先進 執(zhí)行機構(gòu)、測量變送儀表仍采用模擬量 （420mA） 需要模/數(shù)（A/D）、數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換,直接數(shù)字控制系統(tǒng) Direct Digital Control System,用計算機代替模擬控制儀表 可實現(xiàn)復雜控制算法和協(xié)調(diào)控制 缺點：控制功能集中導致危險性加大,集散控制系統(tǒng) Distributed Control System,

4、出現(xiàn)于20世紀70年代中期 隨著大規(guī)模集成電路和微處理器的發(fā)展和成熟而得到應(yīng)用 控制功能分散到多個子系統(tǒng)（控制站） 組成：包括過程控制站、操作站（人機界面）和通信系統(tǒng) 集中操作、分散控制-集散控制系統(tǒng),集散控制系統(tǒng) Distributed Control System,現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) Fieldbus Control System,出現(xiàn)于20世紀90年代后期 在DCS的基礎(chǔ)上進一步數(shù)字化 控制功能進一步向下（現(xiàn)場設(shè)備）分散 用串行數(shù)字化接口代替測量變送儀表和執(zhí)行機構(gòu)的模擬量接口（420mA） 雙向通信方式使傳輸?shù)男畔⒘看蟠筘S富,現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) Fieldbus Control System

5、,傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的主要缺點,（1）信息集成能力不強 控制器與現(xiàn)場設(shè)備之間通過I/O連線 連接，傳送420mA模擬量信號或24VDC 開關(guān)量信號，并以此監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備。這樣，控制器獲取信息量有限，如設(shè)備參數(shù)、故 障記錄等有用數(shù)據(jù)很難得到。,傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的主要缺點,（2）系統(tǒng)開放性、可集成性差 除現(xiàn)場設(shè)備采用標準的420mA或者24VDC連接，系統(tǒng)其它軟、硬件通常只能 使用同一家產(chǎn)品。不同廠家產(chǎn)品之間缺乏 互操作性、互換性，因此可集成性差。,傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的主要缺點,（3）成本高、可靠性差 對于大范圍的分布式控制系統(tǒng)，大量 的I/O電纜及敷設(shè)施工，不僅增加成本， 更是增加了系統(tǒng)的故障點，降低了系統(tǒng)的 可

6、靠性。,傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的主要缺點,（4）可維護性不高 由于現(xiàn)場級設(shè)備信息不全，現(xiàn)場級設(shè)備的在線故障診斷、報警、記錄功能不強。 另一方面也很難完成現(xiàn)場設(shè)備的遠程參數(shù)設(shè)定、修改等參數(shù)化功能，影響了系統(tǒng)的可維護性。 現(xiàn)場總線技術(shù)就是為了克服上述缺點而產(chǎn)生和發(fā)展的,現(xiàn)場設(shè)備的串行通信接口是現(xiàn)場總線技術(shù)的原形,由于嵌入式技術(shù)的發(fā)展，許多測量變送儀表和執(zhí)行機構(gòu)等現(xiàn)場設(shè)備實現(xiàn)了智能化，即內(nèi)置微處理器，完成諸如線性化、量程轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波甚至回路調(diào)節(jié)等功能。 因此，對于這些智能現(xiàn)場設(shè)備增加一個串行數(shù)據(jù)接口（如RS-232/485）是非常方便的。有了這樣的接口， 控制器就可以按其規(guī)定協(xié)議，通過串行通信方式（而不是并

7、行I/O方式）完成對現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)控。 如果設(shè)想全部或大部分現(xiàn)場設(shè)備都具有串行通信接口并具有統(tǒng)一的通信協(xié)議，控制器只需一根通信電纜就可將分散的現(xiàn)場設(shè)備連接，從而完成對所有現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)控。 這就是產(chǎn)生現(xiàn)場總線技術(shù)的初始想法和技術(shù)基礎(chǔ),現(xiàn)場總線技術(shù)的產(chǎn)生,基于以上初始想法，設(shè)想使用一根通信電纜，將所有具有統(tǒng)一的通信協(xié)議和通信接口的現(xiàn)場設(shè)備連接，這樣，在設(shè)備層傳遞的不再是模擬量信號，而是基于現(xiàn)場總線的數(shù)字化信號，進而構(gòu)成由數(shù)字化通信網(wǎng)絡(luò)連接起來的控制系統(tǒng)。 發(fā)展至今，已經(jīng)出現(xiàn)了至少幾十種現(xiàn)場總線。,1.2 現(xiàn)場總線的定義及分類,現(xiàn)場總線的定義（4種）： 用于現(xiàn)場儀表與控制主機系統(tǒng)之間的一種開放的、全數(shù)

8、字化的、雙向、多站的通信系統(tǒng)； 廣義上是控制系統(tǒng)與現(xiàn)場檢測儀表、執(zhí)行裝置進行雙向數(shù)字通信的串行總線系統(tǒng)； 基于智能化儀表及現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)FCS； 一種數(shù)字化的串行雙向通信系統(tǒng)。,1.2 現(xiàn)場總線的定義及分類,IEC（國際電工委員會）定義： 一種應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場，在現(xiàn)場 設(shè)備之間、現(xiàn)場設(shè)備與控制裝置 之間進行雙向、串行、多節(jié)點、 數(shù)字式的數(shù)據(jù)交換的通信技術(shù)。,總線的分類,毫米級：芯片內(nèi)總線 厘米級：芯片間總線、元件總線 分米級：機箱內(nèi)總線（Multi-bus、 STD、PCL、ISA、PCI等） 十米級：機柜間總線（RS-232、GPIB、VME、VXI等） 百千米級：現(xiàn)場總線（Modbus、

9、FF、Profibus等）,按數(shù)據(jù)通信寬度分類,（1）傳感器現(xiàn)場總線（數(shù)據(jù)寬度為位-Bit）： 適用于簡單的開關(guān)裝置和輸入輸出位的 通信,如Seriplex總線、AS-i總線等。 （2）裝置現(xiàn)場總線（數(shù)據(jù)寬度為字節(jié)-Byte）： 適用于以字節(jié)為單位的裝置類通信,如 Interbus總線、Device-Net總線和CAN總線等。,按數(shù)據(jù)通信寬度分類,（3）全服務(wù)的現(xiàn)場總線（數(shù)據(jù)寬度為數(shù)據(jù)流或模塊Block）： 以報文通信為主，除了對裝置進行讀取 數(shù)據(jù)外，還包括一些對裝置的操作和控制 功能,如FF(Foundation Fieldbus)總線、Lonworks總線、Hart總線等。,按應(yīng)用行業(yè)分類

10、,（1）過程控制（連續(xù)生產(chǎn)過程）用現(xiàn)場 總線：FF的H1、Profibus-PA等 （2）離散控制用現(xiàn)場總線： Profibus-DP、Device-Net等 （3）樓宇自動化用現(xiàn)場總線：Lonworks等 （4）車輛制造業(yè)用現(xiàn)場總線：CAN等 （5）飛機制造業(yè)用現(xiàn)場總線：SwiftNet等 （6）農(nóng)業(yè)及養(yǎng)殖業(yè)用現(xiàn)場總線：P-Net等,1.3 現(xiàn)場總線的特點,現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點 FCS與DCS的對比 現(xiàn)場總線的技術(shù)特點 現(xiàn)場總線的主要優(yōu)點,現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點,（1）現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)由于采用了現(xiàn)場總線設(shè)備，能夠把原來DCS系統(tǒng)中處于控制室的控制模塊、輸入輸出模塊置于設(shè)備現(xiàn)場，加上

11、現(xiàn)場總線設(shè)備具有通信能力，現(xiàn)場的測量變送儀表可以與閥門等執(zhí)行器直接傳送信號，因而控制功能能夠不依賴控制室的計算機或控制儀表，直接在現(xiàn)場完成，實現(xiàn)了徹底的分散控制。,現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點,（2）由于采用數(shù)字信號替代模擬信號，因而可實現(xiàn)一對電線上傳輸多個信號(包括多個運行參數(shù)值、多個設(shè)備狀態(tài)、故障信息)，同時又為多個現(xiàn)場總線設(shè)備提供電源；現(xiàn)場總線設(shè)備以外不再需要A/D、D/A轉(zhuǎn)換部件。這樣就為簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、節(jié)約硬件設(shè)備、節(jié)約連接電纜與各種安裝、維護費用創(chuàng)造了條件。,FCS與DCS的結(jié)構(gòu)對比,FCS與DCS的詳細對比,FCS與DCS的詳細對比,FCS與DCS的詳細對比,現(xiàn)場總線的技術(shù)特點,（1

12、）系統(tǒng)的開放性 通信協(xié)議公開，各不同廠商的設(shè)備之間可實現(xiàn)信息交換。 （2）互可操作性與互用性 互可操作性是指實現(xiàn)互連設(shè)備間、系統(tǒng)間的信息傳送與溝通；而互用性則意味著不同制造商性能類似的設(shè)備可進行更換，實現(xiàn)相互替換。,現(xiàn)場總線的技術(shù)特點,（3）現(xiàn)場設(shè)備的智能化與功能自治性 將傳感測量、補償計算、工程量處理與控制等功能分散到現(xiàn)場總線設(shè)備中完成。 （4）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性 現(xiàn)場總線已構(gòu)成一種新的全分散性控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，提高了可靠性。,現(xiàn)場總線的技術(shù)特點,（5）對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性 可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等多種傳輸介質(zhì)，具有較強的抗干擾能力，采用兩線制實現(xiàn)供電與通信，并

13、可滿足本質(zhì)安全防爆要求。,現(xiàn)場總線技術(shù)的主要優(yōu)點,（1）FCS實現(xiàn)全數(shù)字化通信 DCS采用層次化的體系結(jié)構(gòu)，通信網(wǎng)絡(luò)分布于各層并采用數(shù)字通信方式，唯有生產(chǎn)現(xiàn)場層的常規(guī)模擬儀表仍然是一對一模擬信號(如420mADC)傳輸方式，因此DCS是一個“半數(shù)字信號”系統(tǒng)。 FCS采用全數(shù)字化、雙向傳輸?shù)耐ㄐ欧绞?。從最底層的傳感器、變送器和?zhí)行器就采用現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，逐層向上直到最高層均為通信網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。多條分支通信線延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場，用來連接現(xiàn)場數(shù)字儀表，采用一對N連接。,現(xiàn)場總線技術(shù)的主要優(yōu)點,（2）FCS實現(xiàn)徹底的全分散式控制 在DCS中，生產(chǎn)現(xiàn)場的多臺模擬儀表集中接于輸入輸出單元，每臺儀表只有單一的信號變

14、換功能，而與控制有關(guān)的輸入、輸出、控制、運算等功能塊都集中于DCS的控制站內(nèi)。從這個意義上講，DCS只是一個“半分散”系統(tǒng)。 FCS舍棄了DCS的輸入輸出單元，由現(xiàn)場儀表取而代之，即把DCS控制站的功能化整為零，功能塊分散地分配給現(xiàn)場總線上的數(shù)字儀表。從而構(gòu)成虛擬控制站，實現(xiàn)徹底的分散控制。,現(xiàn)場總線技術(shù)的主要優(yōu)點,（3）FCS實現(xiàn)不同廠商產(chǎn)品互聯(lián)、互操作 DCS系統(tǒng)的硬件、軟件甚至現(xiàn)場級設(shè)備都是各制造商自行研制開發(fā)的，不同廠商的產(chǎn)品由于通信協(xié)議的專有與不兼容，彼此難以互聯(lián)、互操作。而FCS的現(xiàn)場設(shè)備只要采用同一總線標準，不同廠商的產(chǎn)品既可互聯(lián)也可互換，并可以統(tǒng)一組態(tài)，從而徹底改變傳統(tǒng)DCS控

15、制層的封閉性和專用性。FCS允許用戶選用各制造商性能價格比最優(yōu)的產(chǎn)品集成控制系統(tǒng)，因而具有很好的可集成性。,現(xiàn)場總線技術(shù)的主要優(yōu)點,（4）FCS增強系統(tǒng)的可靠性、可維護性 FCS采用總線連接方式替代傳統(tǒng)的DCS一對一的I/O連線，對于大規(guī)模的I/O系統(tǒng)來說，減少了DCS由接線點造成的不可靠因素。同時，數(shù)字化的現(xiàn)場設(shè)備替代模擬儀表，F(xiàn)CS具有現(xiàn)場設(shè)備的在線故障診斷、報警、記錄功能，可完成現(xiàn)場設(shè)備的遠程參數(shù)設(shè)定、參數(shù)修改等工作，因而增強系統(tǒng)的可維護性。,現(xiàn)場總線技術(shù)的主要優(yōu)點,（5）FCS降低系統(tǒng)工程成本 FCS對于大范圍、大規(guī)模分布式控制系統(tǒng)來說，節(jié)省了電纜、I/O裝置及電纜敷設(shè)費用。以每23臺

16、現(xiàn)場儀表接到一根電纜計算，平均可減少1/2到2/3的輸入輸出卡、輸入輸出柜和隔離器等。因此，現(xiàn)場總線儀表與控制室間的電纜連接和安裝等費用估計可節(jié)約50。,1.4 現(xiàn)場總線的現(xiàn)狀及發(fā)展,現(xiàn)場總線標準的制定 現(xiàn)有現(xiàn)場總線標準（國際、國內(nèi)） 現(xiàn)場總線發(fā)展中存在的問題 現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展趨勢,現(xiàn)場總線標準的制定,標準化的重要性 標準化是經(jīng)濟建設(shè)、科技進步、國際貿(mào)易和社會發(fā)展的重要技術(shù)基礎(chǔ)。它不僅與人民生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)密切相關(guān)，也與國際貿(mào)易和科技合作的開展密切相關(guān)，標準化是實現(xiàn)現(xiàn)代化大規(guī)模生產(chǎn)的重要保證，是規(guī)范市場秩序，連接國內(nèi)外市場的重要手段。因此，現(xiàn)場總線的標準，特別是國際標準受到了大家的重視。,制

17、定標準的機構(gòu),(一)世界上 國際標準化組織ISO (International Standard Organization) 國際電工委員會IEC (International Electrotechnical Commission) 國際電信聯(lián)盟ITU （ International Telegraphy Union） 歐洲電工標準化委員會CENELEC（歐洲標準EN） (二)國內(nèi) 制訂國家標準GB的組織是全國標準化委員會,現(xiàn)有的現(xiàn)場總線標準,2004年4月，IEC公布了現(xiàn)場總線標準 第三版（即IEC61158 Ed.3），規(guī)定了10種類型的現(xiàn)場總線，分別是： Type1 TS61158 現(xiàn)

18、場總線 Type2 ControlNet 和 Ethernet/IP 現(xiàn)場總線 Type3 Profibus現(xiàn)場總線 Type4 P-NET現(xiàn)場總線,現(xiàn)有的現(xiàn)場總線標準,Type5 FF HSE現(xiàn)場總線 Type6 Swift-Net 現(xiàn)場總線 Type7 WorldFIP現(xiàn)場總線 Type8 INTERBUS現(xiàn)場總線 Type9 FF H1現(xiàn)場總線 Type10 PROFInet現(xiàn)場總線,現(xiàn)有的現(xiàn)場總線標準,2006年11月，全國工業(yè)測量和控制標準化技術(shù)委員會發(fā)布了中國第一個工業(yè)通信領(lǐng)域現(xiàn)場總線技術(shù)國家標準： 國家標準GB/T20540-2006Profibus規(guī)范 國家標準化指導性技術(shù)文件

19、GB/Z20541-2006Profibus規(guī)范,現(xiàn)場總線發(fā)展中存在的問題,(1)各種現(xiàn)場總線都是受國際上一些處于壟斷地位的跨國大公司所支持。 (2)跨國大公司為了他們的長遠利益和保持他們的壟斷地位又不得不去開發(fā)現(xiàn)場總線，以領(lǐng)導新潮流。 (3)有的公司早期投人大量資金使得產(chǎn)品間世較早。 (4)一些小國家在技術(shù)上和經(jīng)濟上很大程度地依賴于一些跨國的大公司。 (5)IEC是多極化的組織，其代表都來自各個國家的一些大公司，不可避免地出現(xiàn)斗爭的復雜性和反復性。 多標準 = 無標準！,現(xiàn)場總線發(fā)展中存在的問題,現(xiàn)場總線自出現(xiàn)以來，一直以開放性、全數(shù)字化、互可操作性、智能化等特點著稱，用戶對現(xiàn)場總線的應(yīng)用與

20、推廣充滿信心。而現(xiàn)場總線標準的門戶之爭日見白熱化，多種現(xiàn)場總線互不兼容，不同協(xié)議的產(chǎn)品之間無法實現(xiàn)高速的實時數(shù)據(jù)傳輸，“自動化孤島現(xiàn)象并未真正得到解決。而且近20年的標準之爭和市場大戰(zhàn)最終形成了多種標準共存的局面，這種情況無論在技術(shù)層面還是市場層面都給用戶帶來了疑問和困惑。,現(xiàn)場總線發(fā)展中存在的問題,（1）多標準共存與現(xiàn)場總線的開放性相背離 一般認為DCS和PLC屬于封閉性系統(tǒng)，而FCS是開放性系統(tǒng)，所以它一出現(xiàn)就受到用戶的肯定。但實際上FCS的開放性是針對自己來說是開放的，異種現(xiàn)場總線之間卻不是開放的。因此，多種標準現(xiàn)場總線的共存使得現(xiàn)場總線事實上并不具備開放性的特點。,現(xiàn)場總線發(fā)展中存在的問題,（2）多標準共存難以體現(xiàn)現(xiàn)場總線的互操作性 現(xiàn)場設(shè)備種類繁多，一個制作商不可能提供生產(chǎn)過程的全部設(shè)備，同時，用戶也不希望受制于某一個制作商?，F(xiàn)場總線的主要特點之一互可操作性無疑受到用戶青睞，但現(xiàn)有的10種現(xiàn)場總線國際標準中，不同種類的現(xiàn)場級現(xiàn)場總線之間是不能進行互操作的。雖說可以通過網(wǎng)關(guān)（Gateway）通信或通過OPC協(xié)議進行互操作，但這種互操作不能直接在現(xiàn)場儀表間進行，而且不