第6章-现场总线控制系统.ppt

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第6章现场总线控制系统,第一节概述第二节几种流行的现场总线第三节实时工业以太网第四节现场总线控制系统,第一节概述,直接数字控制系统原理框图,分散控制系统原理框图,模拟式仪表控制系统,4.20mA,现场仪表信号：

从模拟混合全数字信号,a.包含CPUb.能直接数字通信c.具有很强的功能,例如，智能化变送器除了具有常规意义上的信号测量和变送功能以外，往往它还具有自诊断、报警、在线标定甚至PID运算等功能,现场总线控制系统（简称FCS）其结构模式为“工作站现场总线智能仪表”二层结构，成本低、可靠性高，可实现真正的开放式互连系统结构。

FCS控制层原理图,各行业使用现场总线设备情况,化工,石油天然气,能源,医药,食品,造纸,教育,材料,行业,百分比,其它,29%,22%,13%,9%,9%,4%,3%,3%,8%,工程费用engineering,调试费用commissioning,硬件费用Hardware,51%,23%,27%,22%,22%,12%,0%,50%,100%,硬件,调试,工程,100%,57%,4.20mA,PROFIBUS,安装,费用可节省40%左右,现场总线系统的优势,1.现场总线概述,现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。

它的出现标志着工业控制技术领域又一个新时代的开始。

现有的多数现场设备，为提高其性能价格比，在实现其内部操作时都采用了微处理器和数字化元件，于是就提出了必须在这些领域的数字设备之间实现数字通信的要求。

采用现场总线的目的就是为了满足这种要求，为工业领域中的测量和调节控制设备提供实现串行数字通信的手段。

1.现场总线概述,现场总线（Fieldbus）的概念：

主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。

主要用于：

制造业、流程工业、交通、楼宇等方面的自动化系统中。

现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。

它的关键标志是能支持双向、多节点、总线式的全数字通讯。

2.现场总线的发展,

（1）早期的控制系统主要是模拟仪表控制系统，设备之间传输的信号为15V或420mA的直流模拟信号，信号的精度较低，传输过程中易受干扰。

（2）出现以单片机、计算机和PLC为控制器的集中数字控制系统，其内部传输的是数字信号，克服了模拟仪表中信号精度较低的缺点，提高了抗干扰能力。

整个系统的可靠性低，风险高度集中。

另外，当任务增加时会使系统性能下降。

（3）又出现以集中管理、分散控制为核心思想的集散控制系统（DCS），在20世纪末期逐步占据了主导地位。

2.现场总线的发展,在DCS中管理与控制相分离，上位机用于集中监视管理功能，多台下位机下放分散到现场实现分布式控制功能，上下位机之间以控制网络互联以实现相互之间的信息传递，克服了集中数字控制系统对控制器的处理能力和可靠性要求很高的缺点。

由于不同的DCS厂家出于垄断经营的目的而对其控制通讯网络采用专用的封闭形式，不同厂家的DCS系统之间以及DCS与上层的Intranet、Internet之间难以实现网络互联和信息共享，因此DCS系统实质上是一种专用封闭的、不能互联的分布式控制系统，且DCS价格昂贵，用户对此提出了开放性和降低成本的迫切要求。

2.现场总线的发展,（4）现场总线控制系统（FCS）正是顺应了上述的用户要求，采用了现场总线这一开放的、可互连的网络技术将现场的各种控制器和仪表设备相互连接，把控制功能彻底下放到现场，降低了安装成本和维护费用。

因此，FCS系统实质上是一种开放的、可以互连的、低成本的、彻底分散的分布式控制系统。

1984年，美国仪表协会（ISA）下属的标准与实施工作组中的ISA/SP50开始制定现场总线标准；1985年，国际电工委员会IEC决定由ProwayWorkingGroup负责现场总线体系结构与标准的研究制定工作；1986年，德国开始制定过程现场总线（ProcessFieldbus）标准，简称为PROFIBUS，由此拉开了现场总线标准制定及其产品开发的序幕。

与此同时，其他一些组织或机构（如WorldFip等）也开始从事现场总线标准的制定和研究。

3.现场总线的结构,按照国际标准化组织（ISO）制定的开放系统互连（OSI）参考模型建立的。

将七层简化成三层，分别由OSI参考模型的第一层物理层，第二层数据链路层，第七层应用层组成，网络通信流量与差错控制由数据链路层完成。

考虑现场总线的通信特点，有些现场总线还设置了一个现场总线访问子层，如图所示。

3.1,3.2现场总线的结构特点,DCS实际上是“半分散”、“半数字”的系统FCS采用的是一个完全分散的控制方式,现场总线控制系统兴起于90年代，它采用现场总线作为系统的底层控制网络，沟通生产过程现场仪表、控制设备及其与更高控制管理层次之间的联系，相互间可以直接进行数字通信，通常我们把FCS称为第五代控制系统。

50年代之前的气动仪表控制系统称作第一代单元组合仪表为基础的常规仪表控制系统称为第二代集中型计算机控制系统称为第三代第四代控制系统是指70年代中期以后发展起来的DCS,作为新一代控制系统：

一方面：

FCS突破了DCS采用专用通信网络的局限，采用了基于开放式、标准化的通信技术，克服了封闭系统所造成的缺陷；另一方面：

FCS进一步变革了DCS中“集散”系统结构，形成了全分布式系统构架，把控制功能彻底下放到现场。

需要提醒的是，DCS以其成熟的发展、完备的功能及广泛的应用，在目前的工业控制领域内仍然扮演着极其重要的角色。

（1）全数字化通信,

（2）开放型的互联网络,（3）互可操作性与互用性,（4）现场设备的智能化,（5）系统结构的高度分散性,（6）对现场环境的适应性,4现场总线的技术特征,4.1现场总线的特点,现场控制设备具有通信功能，便于构成工厂底层控制网络。

通信标准的公开、一致，使系统具备开放性，设备间具有互可操作性。

功能块与结构的规范化使相同功能的设备间具有互换性。

控制功能下放到现场，使控制系统结构具备高度的分散性。

4.2现场总线的优点,现场总线使自控设备与系统步入了信息网络的行列，为其应用开拓了更为广阔的领域；一对双绞线上可挂接多个控制设备，便于节省安装费用；节省维护开销；提高了系统的可靠性；为用户提供了更为灵活的系统集成主动权。

5.现场总线国际标准化概况,IEC61158国际标准只是一种模式，8种类型都是平等的,各组织按照IEC技术报告Type1的框架组织各自的行规，但不改变各组织专有的行规（Profile）。

IEC标准的其中Type2Type8需要对Type1提供接口，而标准本身不要求Type2Type8之内提供接口，用户在应用各类型时仍可使用各自的行规，其目的就是为了保护各自的利益。

IEC61158Type1现场总线,IEC61158Type1是IEC推荐的现场总线标准,采用ISO/OSI的简化模型。

物理层,功能物理层提供机械、电气、功能性和规程性功能,传输介质有双绞线、同轴电缆、光纤和无线传输,传输速率为31.25kbps主要用于现场级它能够通过总线为现场仪表供电，并支持带总钱供电设备的本质安全。

H2总线主要面向过程控制级、远程I/O和其它高速数据传输的应用，其传输速率为1Mbps、2.5Mbps和100Mbps。

（HSE）,数据链路层应用层,数据链路层负责实现链路活动调度，数据的接收发送，活动状态的响应，总线上各设备间的链路时间同步等。

应用层主要提供通信功能、特殊功能以及管理控制功能。

用户层,标准功能块FB装置描述DD功能,标准规定32种功能块，现场装置使用这些功能块完成控制策略。

DD功能包括描述装置通信所需的所有信息，并且与主站无关，所以可使现场装置实现真正的互操作性,FF是Type1的一个子集。

8种现场总线的简单比较,主要应用于啤酒、食品、农业和饲养业等,主要用于航空和航天等领域,7.几个重要问题的分析,7.1FCS与DCS的比较,FCS是在DCS的基础上发展起来的，FCS顺应了自动控制系统的发展潮流，这已是业内人士和学术界的基本共识。

FCS在开放性、控制分散等诸多方面都优于传统DCS，代表着自动控制系统的发展方向与潮流。

DCS则代表传统与成熟，DCS以其成熟的发展、完备的功能及广泛的应用而占居着一个尚不可完全替代的地位。

影响FCS发展、制约FCS应用的原因主要有3方面：

技术原因商务原因用户原因,7.2现场总线技术与计算机通信技术的比较,现场总线是用于现场仪表和控制室系统之间的一种全数字化、双向、多分支结构的计算机通信系统，计算机通信技术的发展会从各个方面影响现场总线的发展。

但是，二者在基本功能、信号传输要求和网络结构上均有所不同。

（1）基本功能,计算机通信的基本功能：

可靠地传递信息。

现场总线的功能则是包括了更多的内容：

高效、低成本地实现仪表及自控设备间的全数字化通信，以体现其经济性解决现场装置的总线供电问题，实现性现场总线的本质安全规范，以体现其安全性；解决现场总线的环境适应性问题，如电磁干扰、环境温度、适度、振动等因素，以体现其可靠性；现场仪表及现场控制装置要尽可能地就地处理信息，不要将信息过多地在网络上往返传递，以体现现场总线技术发展趋势信息处理现场化。

（2）信号传输要求,二者在速度要求上是一致的，但现场总线不仅要求传输速度快，还要求响应快，即需要满足控制系统的实时性要求。

一般通信系统也会有实时性的要求，但这是一种“软”的要求，即只要大部分时间满足要求就行了。

过程控制对实时性的要求是“硬”的，因为它往往涉及安全，必须在任何时间都及时响应，不允许有不确定性。

现场总线的实时性主要体现在响应时间和循环周期二个方面：

响应时间是指系统发生特殊请求或发生突发事件时，仪表将信息传输到主控设备或其它现场仪表所需的时间。

这往往需要涉及：

现场设备的中断和处理能力，传输时间，优先级控制等多种因素。

过程控制系统通常并不要求这个时间达到最短，但它要求最大值是预先可知的。

过程控制系统通常需要周期性地与现场控制设备进行信息交流，循环周期是指系统与所有现场控制设备都至少完成一次通信所需的时间。

这个时间往往具有一定的随机性，过程控制系统同样希望其最大值是可预知的。

现场总线通常采用以下二种技术来保证其实时性：

一是简化技术。

简化网络结构，现场总线一般将网络形式简化成线形；简化通信模型，一般只利用了OSI/RM中的23层；简化节点信息，通常简化到只有几字节。

经过以上简化，可以极大地提高通信传递速度。

二是采用网络管理技术来实现实时性，并保证其可预知性。

例如:

采用主-从访问方式，只要限制网络的规模，就可以将响应时间控制在指定的时间内。

总而言之，实时性要求是现场总线区别于一般计算机通信的主要因素。

改善现场总线的实时性，减少响应时间的不确定性是现场总线的重要发展趋势。

（3）网络结构,计算机通信系统的结构是网络状的，节点间的通信路径是不固定的；大部分现场总线的结构是线状的，节点间的通信路径是比较固定的。

如果线状结构的现场总线上某支路断开了以后，这条支路就可能完全瘫痪，而一般的网络系统则没有这种问题，信息还可以通过选择其它路由进行传递。

FB采用线状结构的原因在于：

容易实现对现场仪表的总线供电。

一条线状结构现场总线支路上的电源负载是确定的，沿总线电源电压的变化也是可以预料的。

容易实现本安防爆规范。

目前的本安防爆主导理论还是认为，电缆的分布电感、电容以及由于电磁感应产生的火花能量，都是随着电缆的长度而增加。

现场总线由于限制电缆的长度和总线上负载的数量，可以较好的解决本安防爆问题，同时这也对现场总线的应用产生了一定的限制。

总之：

现场总线并不仅仅是一项通信技术，它是通信技术、仪表智能化技术及自动控制技术的结合产物。

目前并不是所有的现场总线都满足了上述要求，但这些要求是用于过程控制的现场总线所追求的目标。

7.3工业自动化网络与其他网络的区别,现代分布式系统是大量的设备按照某种操作要求连接起来的，