第一讲 现场总线简介
SUPCON Automation
浙大中控
现场总线简介
冯冬芹
浙江浙大中控技术有限公司
浙江大学工业自动化国家工程研究中心
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什么是现场总线
?现场总线是应用在生产现场、连接智能现场设备和自动化测量控制系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络
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现场总线特征
?双向?多节点?开放标准?全数字
?自动化领域的计算机局域网
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现场总线不仅是一种通信技术
?一般通信技术只是能实现信息的传输?现场总线还包括网络上的所有设备能够进行信息互访与互换
?总线上的设备之间能够进行互操作
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现场总线也不是简单以智能仪表代替
模拟仪表
?除了完成一般智能设备的功能外
–数据的采集、预处理–控制信号的输出–仪表自诊断
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现场设备的其他功能
?将现场设备的本身信息与状态信息通知网络上其他设备?完成控制算法
?有些设备对网络还具有网络调度功能
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现场总线是一种控制系统框架
?一种全新的控制系统结构，即：
–现场总线控制系统FCS
（Fieldbus Control System)代替传统控制系统DCS
?实现现场通信网络与控制系统的集成
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现场总线控制系统结构
Multi-Controllers
AO
PID
AI
PID
AO
AI
DCS FCS
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现场总线控制系统FCS
?采用开放式数字通信网络
–突破DCS 中的专用通信网络结构
?网络集成的测量控制系统
–单个分散的测量控制设备变成网络节点–现场总线为纽带
–构成共同完成任务的网络系统与控制系统–
实现现场测量控制设备之间的信息共享
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现场总线在企业信息网络中的位置
?企业信息网络的功能层次
资源规划与决策生产控制与管理
工厂底层设备现场总线控制网络
工厂局域网企业网Intranet
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现场总线是底层通信控制网络
?现场总线是低带宽的底层控制网络?位于生产控制和网络结构的底层?
它与上层的Internet 、企业内部网Intranet 相连
?构成企业综合自动化的通信网络平台
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现场总线系统是新一代网络集成式全分布控制系统
?基地式仪表控制系统
?单元组合式模拟仪表控制系统?集中式数字控制系统?集散控制系统DCS 、PLC ?现场总线系统
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各阶段测控仪表能力指数
现场总线
开放标准
数字DCS
电动单元
气动、模拟
模拟
按回路运行按过程运行
过程优化
管控一体化
五十年代1960 1980 1998
数字/模拟混合
测控能力指数
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现场总线系统是开放的测控网络
?现场总线系统被誉为自控领域的局域网，工厂的底层网Infranet ，是自动化领
域的通信、网络技术
?现场总线是构成自动化系统的纽带，网络所传输的是控制信息。
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测控网络特点
?适应工业应用环境?特点：
–实时性强–可靠性高–安全性好
–
多为短帧传送
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现场总线的特殊功能
?经济、安全、可靠地传输信息?正确使用所传信息?及时处理所传信息
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经济、安全、可靠地传输信息
?经济性
–信息、电源同时传输–介质廉价
?安全性
–解决防爆问题
?可靠性
–电磁、气候、机械环境适应性
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正确使用所传信息
?可互操作性：不同厂家的设备相互理解所传信息
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及时处理所传信息
?信息处理现场化，避免信息在网络上过多传输
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现场总线的特殊要求—实时性好
?包括三个方面?传输速度
–传输延迟大小
?响应时间
–对突发事件的处理能力
?系统巡回时间
–系统总体控制周期
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传输速度快
?指单位时间内传输的信息
–通常以每秒种传输的位数，即bps(bits per second)表示
?不同的现场总线传输速率不一样
–看主要的应用场合
–如FF H1用于连续、慢变化过程变量与控制信号的传输，为31.25Kbps
–HSE 则用于大量信息流传输、响应速度要求很高的场合，为100Mbps 或更高
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响应时间短，突发事件及时处理
?决定于仪表或执行器中断控制能力?决定于信息在通信协议各层次之间的传输时间
?等待网络空闲的时间
?避免网络上信息碰撞的时间
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巡回时间短
?简化技术：
–简化通信模型–简化信息内容–简化信息格式
?其他技术
–网络管理
–数据链路调度技术
–巡回时间确定、可预知
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现场总线的网络结构
?线状（总线、菊花链型）、星型、树型?以线状结构为多
总线型
树型
菊花链型
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星型结构
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线状结构优点：
?解决供电比较容易
?可解决防爆：网状结构中线缆越长，储能元件就越多
?可舍去协议中与路径有关有层次，有利于改进实时性
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线状结构缺点
?一条总线断会导致整个支路瘫痪
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现场总线的技术要求
?通信技术?网络技术?计算机技术?仪表智能化技术?自动控制技术
——以上技术的综合产物
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国外发展情况
?现场总线最早产生于二十世纪八十年代
–P-NET 产生于1983年–Profibus 产生于1984年
–FF 于1994年由WorldFIP （北美部分）与ISP 联合而成–……
?并在一定领域内得到大量应用
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国内迎头追赶
?国内起步较晚，但在积极追赶电动单元仪表
集散控制系统
现场总线控制系统
国外
60~70年代
70~80年代
90年代
70~80年代
90年代初
90年代中后期
国内
10+ 年
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国内应用现状
?已应用了一些各种现场总线标准的智能设备，但没有充分发挥它们的优越性。
?传统信号仍占约95%比重，控制系统的研究必须符合这个现实应用要求。
?现场总线具有优越性，并被工业应用领域所接受，技术革新的呼声很高。
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国内
?要求尽快开发出具有自主版权的新一代现场总线控制系统。
?国内控制领域专家早就关注现场总线的发展?国内尚未有自己的现场总线，还只是进行跟踪性的研究开发
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国内现场总线发展
?国家从“九五”开始支持现场总线的研究开发
–“96-749”、“96-728”等
–浙大中控、北京华控、中科院沈阳所等–形成了一大批成果
?但大规模的产品和应用尚未形成
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“九五”攻关的部分成果
1151变送器圆卡扭矩液位变送器圆卡扩散硅压力变送器圆卡
霍尔角度变送器圆卡浮筒液位变送器圆卡
投入式扩散硅压力变送器圆卡
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现场总线产品
智能温度变送器智能扩散硅压力变送器智能扭矩液位变送器
智能1151变送器智能浮筒液位变送器
智能霍尔角度变送器浙大中控
产生的效益
?与国外大公司竞
争，使其产品价格大幅度下降。?为国家节约外汇数十亿美元。
?走出了一条发展工控民族工业的道路。
1993
1995199719992001
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国外产品的价格
我们的产品价格
产品价格趋势
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现场总线推广应用进展缓慢
?两方面原因?技术因素?资金因素
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技术因素
?现场总线技术还需进一步改进与完善
–网络冗余技术、可靠性技术等
?现场总线系统可靠性仍需实际应用的检验
–大规模应用经验不足
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资金与市场因素
?现场总线系统价格仍然偏高，阻碍了先进技术的推广应用
?传统仪表仍大量使用，更新换代需要一定的周期
?传统自动化控制设备的技术、应用经验相对成熟，市场信誉相对稳定
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