第1章 概述缩略稿.docx
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第1章概述缩略稿
第1章概述
测量与控制技术、通信网络技术、计算机技术、芯片技术的高度发展，使得自动化领域在设备制造、控制方式、系统集成、系统维护等方面发生了深刻的变革，并直接导致了现场总线这一新技术的产生和发展。
时至今日，建立在现场总线基础上的现场总线控制系统，正在逐步取代传统的模拟仪表控制系统、直接数字控制系统和集散控制系统，并从根本上改变了传统控制系统的结构，对自动化产品及控制系统的设计方法也产生了巨大冲击，为自动化系统的最终用户带来更大的实惠和方便。
1．1现场总线的基本概念
现场总线的原始思想非常简单，就是想用一个开放的、互可操作的、多点的数字通信系统代替已使用很久的4~20mA标准。
但是，这样一个概念的实现却异常困难，不仅涉及众多技术领域，单就理解现场总线的含义和复杂性，就花去工业界近十年的时间。
导致对这一概念长时间酝酿的原因有两个。
首先，不同的国际标准化组织对各自设计的现场总线的优缺点存在激烈争论；第二，现场总线远不只是简单代替4~20mA标准。
由此看来，要想真正掌握现场总线这一新兴技术并不是一件简单的事。
为了便于学习现场总线，我们首先简单介绍一下其产生和发展过程，然后给出它的定义。
1．1．1现场总线的由来
事实上，现场总线的产生与发展，与计算机在工业控制领域的应用密切相关。
这里将通过回顾计算机在控制系统中的应用历程，帮助我们理解现场总线技术。
1．数据采集与处理
计算机在控制系统中的应用始于20世纪50年代，此时的计算机主要是对大量的过程参数进行巡回检测、数据记录、数据计算、越限报警以及对大量数据进行累积和实时分析。
典型系统结构如图1-1所示。
在这种应用结构中，计算机并不直接参与控制，对生产过程不会产生直接影响，但其作用还是很明显的。
它表现在能对整个生产过程进行集中监视，故对指导生产过程控制有一定的积极作用，同时可进行越限报警，以确保生产过程的安全。
此外，这种应用方式可以得到大量统计数据，有利于对生产过程进行研究，以便建立和改善生产过程的数学模型，即找到生产过程中各参数（包括被控量、干扰、控制量）之间关系的数学表达式。
这样就为计算机直接参与控制创造了条件。
2．直接数字控制系统
20世纪60年代以前，虽然计算机已经应用于控制系统，但仍不能称之为过程计算机控制，其根本原因在于它不直接参与过程控制，充其量不过是一个离线数据分析工具而已。
60年代以后，由于计算机上提供了与过程装置之间的接口，人们开始试验用直接连接的方法，使计算机与变送器、执行器之间的信号传送都不用人工干预，并获得了成功，其结构如图1-2所示。
在这种系统中，主要是由计算机参与闭环控制过程，无需模拟控制器，计算机通过过程输入通道对一个或多个被控参数进行巡回检测，并根据确定的控制规律进行运算，然后发出控制信号，通过输出通道直接操纵控制阀等执行机构，构成闭环控制回路。
一般情况下，这类控制系统有一个功能较齐全的运行操作台，设定、显示、报警等集中在这个控制台上，操作方便。
也就是说，计算机配备上变送器、执行器和信号连接装置就完全可以实现过程的检测、监视、控制和管理了。
这种计算机控制系统能够替代模拟控制仪表，实现由模拟技术到数字技术的转换，而系统的功能却保持不变。
因此，该系统已经成为计算机控制技术的基础，通常称为直接数字控制系统（DDC，DirectDigitalControl）。
然而，在DDC系统中，由于计算机与过程装置之间的双向信号流动是通过硬性物理连接装置来实现的，其中流动的信号都是电气信号，因此计算机不可能与现场装置离得太远，所以每台计算机所控制和管理的过程装置数量很少。
当单台计算机控制着几十甚至几百个回路时，除可能因运算量大，计算机负荷过载外，危险也集中了，一旦计算机发生故障，将导致生产过程全面瘫痪。
因此，DDC在多数情况下的应用为单回路控制。
3．监督计算机控制系统
在DDC方式中，对生产过程产生直接影响的被控参数设定值是预先设定的，并且存入微型计算机内存中，这个设定值不能根据过程条件和生产工艺信息的变化及时修改，故直接数字控制方式无法使生产过程处于最优工况，这显然是不够理想的。
监督计算机控制（SCC，SupervisoryComputerControl）系统中，计算机根据原始工艺信息和其它参数，按照描述生产过程的数学模型或其它方法，自动地改变模拟控制器或以直接数字方式工作的微型计算机中的设定值，从而使生产过程始终处于最优工况。
监督计算机控制方式的控制效果，主要取决于数学模型的优劣。
数学模型一般是针对某一目标函数设计的，如果数学模型能使一目标函数达到最优，那么，这种控制方式就能实现最优控制。
当数学模型不理想时，控制效果也不会太好。
监督控制的结构形式如图1-3所示。
SCC一般由两级计算机组成，第一级计算机与生产过程连接，并承担测量和控制任务，即完成DDC控制。
因此要求可靠性高，抗干扰性强，能独立工作。
第二级计算机按照生产过程工况、操作条件的变更信息和数学模型进行必要的转换，给第一级计算机提供最佳设定值和最优控制量等各种控制信息。
第一级计算机和第二级计算机之间的数据通信，通常采用串行数据链路规程，传送速率一般较低。
4．集散控制系统
工业生产过程中，管理的集中性和控制的分散性，进一步推动了计算机控制技术的发展。
20世纪70年代中期出现了集散控制系统（DCS，DistributedControlSystem），它是以微型计算机为核心，采用单元组合方式，根据不同需要灵活组合的一个完整系统。
即基础级是以微型计算机为核心的基本控制站，实现DDC控制。
各基本控制站通过网络和上级监控计算机、CRT操作站等联系起来。
监控级可采用高性能的32位微型计算机，CRT操作站的核心部件也是微处理器。
到了20世纪八、九十年代，DCS已在自动化领域中占据主导地位，其基本结构如图1-4所示。
从整体逻辑结构上讲，DCS是一个分支树型结构，整个系统既集中又分散，现场控制站分布在各个工业现场，通过数字通信网络联系起来，可在中央控制室通过监控计算机、操作站等进行集中监视、维护和管理。
其重要特点是：
采用网络技术实现数据的高速远距离传送；采用分布的、相对独立的控制站在一定程度上避免了多回路集中控制的风险；通过控制站的冗余设计提高了控制系统的可靠性。
因此，目前DCS被广泛应用于大型厂矿企业中。
5．现场总线控制系统
前面讲述的DCS系统虽然已经在控制室内实现了数字化，但处于现场的大量变送器、执行器仍然是模拟的，每台现场仪表都必须各自用2芯或4芯电缆将4~20mA的直流模拟信号通往控制站，随着测点的增加，所需控制电缆数势必随之增长。
另外，大量测控信息必须通过控制站才能实现控制和管理，并没有实现真正意义上的分布式控制，也就是说，没有将控制回路完全下放到生产现场的变送器或执行器上，只是实现了控制站的相对分散。
20世纪80年代，随着通信网络技术、微型计算机技术的发展，通用或专用的微处理器开始逐步进入测量与控制仪表，使之具有数字计算和数字通信能力。
逐步放弃常规的4~20mA模拟信号传输标准，采用一定的媒体作为通信线路，按照公开、规范的通信协议，在位于现场的多个设备之间，以及现场设备与远程监控计算机之间，实现全数字传输和信息交换，形成各种适应实际需要的控制系统成为一种趋势，现场总线控制系统（FCS，FieldbusControlSystem）正是在这种背景下产生的。
1．1．2现场总线的定义
数字技术的发展完全不同于模拟技术，数字技术标准的制定往往早于产品开发。
为保证新兴产业的健康发展，国际权威组织国际电工委员会（IEC，InternationalElectrotechnicalCommission）极为重视现场总线标准的制定，早在1984年就筹备成立了专门的工作组（IEC/SC65C/WG6）起草现场总线标准，并对现场总线做出如下定义。
在生产现场的测量控制设备之间实现双向、串行、多点数字通信的系统称为现场总线，也被称为控制领域的计算机局域网。
我们可以认为现场总线就是一直延伸到现场测控设备的通信总线，它使得许多现场设备（如变送器、调节阀、基地式控制器、记录仪、PLC、便携式终端等）与控制室自动化设备可以在同一总线上进行双向、多信息数字通信。
形象一点说，现场总线是用全数字化、双向、多变量的通信方式来代替了目前普遍使用的4~20mA单变量、单向模拟传输方式。
通常，我们将建立在现场总线基础上的控制系统称为FCS，其基本结构如图1-5所示。
FCS是一种新型的网络集成式全分布控制系统。
现场总线作为设备的联系纽带，把挂接在总线上的、作为网络节点的智能设备连接成网络系统，并通过组态进一步成为控制系统，实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控、优化以及测、控、管一体化的综合自动化功能。
由此可以看到，现场总线是一个以智能传感器、自动控制、计算机、通信、网络等技术为主要内容的多学科交叉的新兴技术，在过程工业、制造工业、楼宇自动化、交通运输、电力配送等领域都有广泛的应用前景，被誉为21世纪最有希望的自动化技术。
与SCC、DCS等其它类型控制系统相比，建立在现场总线基础上的FCS具有更大的优越性，为了便于理解，我们将在下一节里专门进行介绍。
1．2现场总线的特点
长久以来，过程控制现场的设备之间主要采用点对点连接，用模拟电压、电流信号进行测量与控制，难以实现设备与设备之间、系统与外界的信息交换。
现场总线的出现，将从根本上改变这种状况。
1．2．1现场总线的基本特性
采用全数字通信的现场总线，不同于DDC、PLC、DCS等系统，它是在吸收了这些系统优点的基础上发展起来的一门新技术，具有很强的生命力和优越性。
⑴开放性。
开放是指相关标准的一致性、公开性，强调对标准的共识与遵从。
所谓开放系统，是指它可以与任何遵守相同标准的其它设备或系统连接。
现场总线标准是公开的、一致的，对用户是透明的。
不同厂家的设备或网络之间可以实现信息交换，用户可根据自己的需要，使用来自不同厂家的产品，组成大小可调整的、开放的互连系统。
⑵互可操作性与互换性。
互可操作性是指互连的设备之间、系统之间可以相互通信或操作；而互换性则意味着不同厂家生产的性能类似的设备可以相互替换。
⑶设备智能化。
全数字化通信的前提是设备具有数字信号处理能力，以微处理器为基础的现场总线设备，不仅能够满足这一要求，而且能够实现各种功能，如滤波、标度变换、报警、修正补偿、状态诊断以及自动控制等。
另外，从图1-6中可以看出，由于减少了A/D与D/A转换环节，也使得测控精度得到提高。
⑷彻底分散。
现场总线构成一种全分布式控制系统结构，从根本上改变了集中与分散相结合的DCS结构。
例如，在FCS中可将PID运算等植入现场仪表中，实现现场自主调节。
⑸现场环境适应性。
现场总线是为适应现场环境而专门设计的。
支持双绞线、同轴电缆、光缆、电力线和无线传输媒体；能实现两线制供电；可满足本质安全要求等，具有较强的抗干扰能力。
⑹系统可靠性。
现场总线采用数字传送，避免了4~20mA模拟传输所带来的问题，如共模抑制、噪声、绝缘等，提高了系统可靠性。
⑺信息一致性。
当几个用户共享同一物理信息时，所有用户有相同的过程“图像”。
采用广播方式传送的现场总线允许对连到总线上的设备状态同时采样，总线上的信息对连在总线上的所有用户有同等可用性。
⑻经济性。
建立在现场总线基础上的FCS，不仅电缆费用急剧减小，而且由于减少了I/O卡、端子板、安全栅（I.S.）和控制室占用空间等，系统总成本也降低了。
图1-7给出了在本安场合中FCS与DCS之间硬件的区别。
⑼易于安装和维护。
在FCS中，不同用途或地点的系统子组合可分别进行测试和快速集成；增加现场设备只是简单地安装一个连接器到网络电缆上，而不是铺设新的电缆以及在控制设备上增加新的电路板。
传统控制系统中，操作员只能看到I/O点上的信息，而且是单向的。
现场总线拓宽了操作员的监控范围，信息传送是双向的。
现场设备具有自诊断和简单故障处理能力，并能通过数字通信将相关的诊断维护信息送往控制室；操作员可以监控总线上所有设备的运行、诊断和维护信息，以便早期分析故障原因并快速排除。
以上只列举了现场总线的一些较普通的特性，其技术优越性将在本书以后章节中进行详细阐述。
可以肯定的是，随着这一技术的不断发展，越来越多的研究人员、企事业单位会认识到其重要性和远大前景。
现场总线是厂矿企业中所需要的一种底层控制网络。
涉及到网络就不可避免地使人联想到现在非常普及的信息技术（IT，InformationTechnology）网络，我们有必要了解它们之间的不同之处。
1．2．2现场总线与IT计算机网络技术的区别
用于测量和控制的数据通信既不同于以传递信息为主的邮电通信，也不同于一般信息技术的计算机网络通信。
现场总线传递信息是以引起物质或能量的运动为最终目的的，其数据通信是允许对事件进行实时响应的驱动通信，需要具有很高的可用性和数据完整性，当运行环境中存在电磁干扰、地电位差、易燃易爆等情况时，也能正常工作。
以下将从5个方面阐述现场总线与IT网络技术的差别。
⑴实时性。
所谓“实时”是指信号的输入、运算和输出都要在一定时间范围内完成，亦即系统（如计算机）对输入信息，以足够快的速度进行处理，并在一定时间内做出响应或进行控制，超出了这个时间，就失去了控制的时机，控制也就失去了意义。
应用于工业控制系统的现场总线，必须满足数据传输和系统响应的实时性要求。
通常情况下，过程控制系统的响应时间要求为0.01~0.5s；制造自动化系统的响应时间是0.5~2s，而IT网络的响应时间为2~6s。
因此，在IT网络的大部分应用中，实时性是可以忽略的。
例如，在过程控制系统中，主要通过现场设备（例如传感器、执行器等）实现与外部物理过程的不间断相互作用，其中包括从传感器中读取数据、完成计算和发送新的命令等。
一般说来，这些步骤是周期性进行的，响应时间在毫秒级，对数据通信实时性具有较高要求。
表1-1给出了部分传感器和执行器的时间特性和数据长度。
表1-1传感器和执行器时间特性
参数值
位数（bits）
响应时间
快变模拟量
12
1ms
慢变模拟量
12
1s
事件型逻辑输入
1
1ms
状态逻辑输入
1
20~100ms
ON/OFF执行器
1
20ms~1s
计数器/积算装置
16
1ms
⑵环境适应性与安全性。
在安装计算机网络时，都要考虑良好工作环境的设计问题，这样做的目的绝不是因为人的因素，而是现有网络设备的工作条件太苛刻。
直到今天，要使IT网络正常工作，仍有许多限制，有些限制在工业现场是不可能得到满足的。
尽管在控制和I/O层次上，IT网络已经占有了工业网络的一席之地，但在工业现场应用时，网络设备必须具有工业强度。
这里所说的工业强度包括：
设备使用低压电源，例如18~24VDC；具有抗噪声干扰能力，如工业现场的振动、交流声及大型电机和焊接机器人等产生的冲激噪声，极易造成数字通信失误；能在﹣45~85C环境中运行等。
现今为IT网络所设计的接插件、集线器和电缆等的抗干扰技术，不能满足上述要求。
工业控制系统中，特别是在易燃、易爆环境中，通常采用总线供电，电源电压及电流大小都要受到限制，作为负载的现场设备，其功率也要受到约束。
尽管在危险的地方IT网络可以使用防爆导线，但就目前而言，还没有验证其防爆性能的方案。
实际情况是，IT网络缺少相应的处理措施。
另外，IT网络根本没有考虑总线供电问题。
三重冗余设计已被控制领域认为是保证信息安全传输的基准，IT网络可以作到两重冗余设计，却难以实现三重冗余设计。
今天，商业领域使用的安全系统已经高度专业化，并且事实上是专用的。
除非IT网络由安全系统生产商进行设计，否则它在安全系统中的应用是非常有限的。
⑶额外开销。
IT网络的额外开销也是潜在的工业用户所关心的问题。
IT网络使用以太网协议，该协议需要32位地址长度，32位循环冗余帧检验码，以及最小为46个字节的报文长度。
为了能够检测网络中不同设备所发生的通信冲突，IT网络使用这样大的报文长度是必须的。
而工业网络的每个网段上只有少量节点，因此，现场总线并不需要支持使用长报文、长地址传递数据。
⑷逻辑链路控制服务形式。
现场总线拥有两种逻辑链路控制（LLC）服务形式，即面向连接的服务和无连接的服务。
面向连接的服务提供很高的服务质量，在连接的每一端，服务提供者始终监视着发送和接收的数据单元，并增加了差错恢复和避免重读等特性。
非连接服务十分简单，它支持点对点、多点及广播等不同工作方式，它无需启动时间就能实现通信。
然而，IT网络中的两个自主系统之间只建立暂时的一对一工作方式。
⑸通信要求。
IT计算机网络通信与现场总线的现场装置之间的网络通信，其要求有所不同，前者通信量较后者大。
但FCS通信系统的信流最终都要变成物流、能流、动作流程，任何通信差错都可能带来严重后果。
因此，现场总线采用的网络技术不仅要先进，更重要的是必须成熟和实用。
FCS对数据通信的要求十分严格，但它仍然是信息系统，不能简单地把它与普及的Ethernet、Internet等信息技术通信对立起来。
某些场合FCS不宜用IT通信，但有些场合FCS却需要IT通信。
应该理解的是，IT网络本身并没有提供完整的网络解决方案。
但是，由于网络协议对网络用户来说是透明的，尽管用户听说过许多这方面的名词，如TCP/IP，但并不一定十分了解，只要应用信息可靠、安全、准时的流入和流出，用户并不关心网络的层次或规范。
现在的情况是，如果想用IT网络解决工业控制中的问题，不仅仅是以相对较小的成本获得处理大量数据的能力，要想将其移植到工业平台上，如上所述，还存在许多问题需要解决。
工业系统如炼钢厂、核反应堆等一旦投入运行，通常不允许出现不可控制的失误。
所以，工控领域的每项新技术，都要经过长时间的实验和试运行，当实际应用的可靠性达到一定程度时，才有工程师敢于将新技术应用于重要工程。
企业将新的控制技术直接列入自己的新投资项目中，这种情况是很少见的。
正是由于控制工程师仍然对使用IT网络感到忧虑，至今还没有一个IT网络的工业实现方案为全球所认可。
1．3现场总线的现状
现场总线协议最先出现在核领域和军事领域，以CAMAC和MIL-STD1553为标志，仪器仪表领域提出HPIB总线是在1978年。
这三种总线的概念与今天所提的现场总线存在较大差别，它们之中只有MIL-STD1553是串行总线。
尽管如此，由于这一新技术蕴涵着巨大的市场潜力，在当时技术尚不成熟的情况下，发达国家和一些大型的控制设备制造商为抢先占领市场，就纷纷开始推出各自的现场总线技术和产品，并出现了许多有影响的现场总线标准化国际组织，如：
国际标准化组织（ISO）、国际电工委员会、现场总线基金会（FF，FieldbusFoundation）、WorldFIP（WorldFactoryInstrumentationProtocol）协会等。
成立于1947年的ISO，是国际上制定国际标准的权威机构之一。
1978年，ISO建立了一个“开放系统互连”分技术委员会，起草了“开放系统互连参考模型”的建议草案，1983年成为正式国际标准ISO7498，1986年又对该标准进行了进一步的完善和补充。
ISO提出的网络层次结构建议，是世界上已出现的各种网络协议走向国际化标准的重要步骤。
ISO把此建议称为开放系统互连（OSI，OpenSystemInterconnection）参考模型，该模型使用七个层次来描述通信系统，由低到高分别为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层，顺序编号依次为第1、2、…、7层。
每一层执行通信中的一个特别任务，且与上下两层都有接口，所有通信由称作协议的数据交换规则进行控制。
现场总线作为应用于工业现场底层的控制网络，并没有用到参考模型描述的所有层次。
这是由于工业现场大量使用的是传感器、控制器、执行器等，它们通常零散地分布在一个较大的范围内，由它们构成的控制网络，单个节点面向控制的信息量不大，信息传输任务相对比较简单，但实时性、环境适应性要求较高。
如果使用ISO/OSI七层模型，层间操作与转换非常复杂，时间开销与网络接口造价也显得过高。
因此，现场总线在既遵循开放系统互连的原则，又充分兼顾测量与控制应用特点的情况下，将通信模型主要集中在四个层次上：
1物理层。
数据通信媒体，替代4~20mA模拟信号标准。
2数据链路层。
监督各种设备之间的通信，并能进行全部错误检测。
3应用层。
将数据变成所有网上设备都能理解的报文，并提供过程控制服务。
4用户层。
连接分离的各个厂区并提供应用环境，实现高层控制功能。
自现场总线的概念产生以来，已经形成了50多种较有影响的现场总线协议，它们大都以ISO/OSI参考模型作为基本框架，并根据应用行业的需要施加某些特殊规定后形成标准，并在较大范围内取得了用户与设备制造商的认可。
由于标准，特别是国际标准，对产品的研发、生产、销售和应用至关重要，迫切需要国际标准化组织开发一个统一的、开放的现场总线国际标准。
通过这一标准可以集成多种检测仪表和控制系统，能够实现完全可互换性和互可操作性，不同仪器仪表制造商生产的各种产品可以实现无缝连接。
时至今日，这一令人胆怯的任务没有获得预期的高潮。
一个重要原因是一些设备制造商觉察到开放的通信协议可能影响到他们的市场地位，因此不断提升自己的专用协议产品，缺少对统一现场总线标准的兴趣。
为保证设备和工厂的正常运行能力，自动化终端用户要依靠系统供应商，只能被动地追随他们。
正因为如此，二十多年过去了，始终未能推出一个统一的标准。
1．3．1现场总线国际标准
长期以来，有关现场总线的标准问题争论不休，互连、互通、互操作以及实时性问题很难解决。
不仅已有的50多种现场总线仍然没有走向统一，而且仍在不断推出新的标准，如FlexRay。
从各种数字技术的发展经历来看，国际标准开发组织影响力较大，因此这里将简单介绍由它们推出的现场总线国际标准。
1．国际电工委员会制定的现场总线国际标准
⑴IEC61158。
IEC作为一个国际标准化组织，对批准一个标准是严格的。
按照其规定，一个标准需要经过9个程序或阶段，层层过关。
在表决方法上，必须有75%以上有表决权的国家投赞成票且反对票（包括观察员国在内）少于25%，这个标准才能通过。
因此，尽管1984年IEC就成立了制定现场总线标准的工作组（IEC/SC65C/WG6），因为各国意见很不一致，工作进展十分缓慢。
经过十多年的努力，IEC61158.2现场总线物理层规范正式成为国际标准；IEC61158.3数据链路层服务定义和IEC61158.4数据链路层协议规范经过5轮投票于1998年2月成为国际标准最终草案（FDIS，FinalDraftofInternationalStandards）；IEC61158.5应用层服务定义和IEC61158.6应用层协议规范于1997年10月成为FDIS。
1998年9月，对IEC61158.3~6这四个FDIS草案进行的最后一轮表决，决定是否成为国际标准，投票结果是68%的国家赞成，32%的国家反对，现场总线标准未获通过。
在随后的10月份，IEC/TC65召开年会，经过对投票结果的充分讨论和协商，决定将四个FDIS文件于1999年第一季度作为技术规范（TS，TechnicalSpecification）出版，于是诞生了IEC61158现场总线标准第一版TS61158。
长期的争论并未到此结束，各国代表为了各自利益，要求修改IEC61158第一版的技术规范，使其至少包含另外一种行规（profile）。
因此，IEC/SC65C/WG6工作组着手制定单一标准的、多功能的现场总线标准。
修改后的IEC61158标准第二版，于2000年1月，经IEC各国委员会投票表决最终通过。
IEC6115
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