第1章 现场总线概述

第1章 现场总线控制系统简介
什么是现场总线？
♦ IEC对Fieldbus的定义: 一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设 备与控制装置之间实行双向、串行、多节点数字通信 的数据总线通信技术。 ♦或者，现场总线是以单个分散的数字化、智能化的测 量和控制设备作为网络节点，用总线相连接，实现相 互交换信息，共同完成自动控制功能的网络系统与控 制系统。
罐区测量系统 燃烧炉管理系统 压缩机控制 透平控制 腐蚀监测 紧急停车系统(ESD)集成 火焰和气体系统集成 色谱仪 发电装置控制 泄漏检测 纸幅扫描仪 振动监测 管壁厚度监测
开放的IP和以太网SCADA结构
中央控制室 主站计算机
以太网电台
FF H1仪表 FF HSE设备和以太网电台
制定现场总线标准的国际标准化组织
IEC ISO
现场总线标准化工作
2000年初宣布，IEC现场总线国际标准子 集有八种： IEC 61158； ControlNet； Profibus； P-Net； HSE； Newcomer SwiftNet； WorldFIP； Interbus-S
其技术与产品在工业控制计算机、测控板卡、仪 器仪表、系统集成、应用系统等领域都有良好的 发展前景
现场总线对自动控制系统和自动化系统的影响 ◆传统的信号制将由4-20mA模拟信号制转换为 双向数字通信的现场总线信号制； ◆自动控制系统的体系结构，将由模拟与数字 的分散型控制系统(DCS)转换为全数字现场总线 控制系统(FCS)。 进而，自动控制系统的设计方 法和安装调试方式也将发生重大的变化； ◆现行的现场设备和仪表的产品结构将发生重 大变革； ◆现场总线把自动控制系统和设备带进了信息 网络之中，形成为企业信息网络的底层。从而， 为实现企业信息集成和企业综合自动化提供了 可行的基础。
现场总线技术的发展趋势
1.注重系统的开放性
封闭、自成一体的系统定会消亡
2.注重应用系统设备间的互操作性
早期的总线技术多注重在通信协议上，而近年来其技术发展逐渐转向 应用与用户层的相关规范，如设备描述、标准功能块等。 应用系统设备间的互连不只要完成数据通信，还要构成控制网络， 形成测量控制应用系统，而应用与用户层规范与设备间的互可操 作性直接相关。设备间的互操作依靠应用层协议 CAN是封装在芯片中的通信协议； 485只是物理层的电气接口规范， 由它们构成控制网络还需借助另外的协议规范 数据信号的传输、数据理解
现场总线系统
商务 (ERP)
“web”4层商源自网络以太网历史趋势数据库
执行 以太网 “web” OPC 数据服务器 控制 链路设备 设备网络 仪表 信息网络
3层
FF 控制网络 FF Fieldbus
2层
以太网
1层
过程
0层
现场总线特点
适应工业应用环境， 要求实时性强，可靠性高，安全性好。 多为短帧传送， 通信的传输速率相对较低。
工业以太网技术展望
未来的IO设备是网络服务器。 2000年3月，FF颁布了HSE规范，目前其产 品已经走向市场。 FF: “HSE是具有控制功能的Internet，它适 合于那些想把全球各处工厂连接起来的公 司，通过适当的网络安全保障，工程师和 操作员可以解决地球另一端的故障和紧急 情况。”
减少了接线与安装
4-20mA
IS
IS
IS
IS
IS
Fieldbus
传统的 4-20mA 仪表接线方式 ,
多台设备可以共用一个本安栅，一对接线
Feildbu机构
现场总线组织
现场总线基金会（Fieldbus Foundation） LonMark协会, Profibus协会， 工业以太网协会IEA（ Industrial Ethernet Association）， 工业自动化开放网络联盟IAONA（ Industrial Automation Open Network Alliance） Society of Automotive Engineers（SAE）
FF
FF规定了两类标准 H1：低速现场总线 传输：31.25Kbit/s, 1900m H2：高速现场总线 传输：1Mbit/s, 750m 2Mbit/s, 500m 传输信号：曼彻斯特编码
PROFIBUS
PROFIBUS是作为德国国标和欧洲标准的 现场总线。 PROFIBUS协议的三个主要部分
全分布、网络集成式控制系统
LAS
AI AO PID
现场总线系统是企业的底层网络
NT 服务器
企业管理层 （数据网络） 局域网 Internet
过程监控层 （数据网络） 监控工作站 现场总线接口 现场控制层 （控制网络）
调节阀 差压变送器 差压变送器 差压变送器 温度变送器
其它工作站
现场总线网段
FCS的现场总线
现场总线应用系统
现场总线技术的应用领域十分广泛，凡属设备间 需要数据通信的场合都需要它
连续、离散制造业，如电力、石化、冶金、纺织、造 纸，过程自动化仪表；火车、汽车、轮船、机器人、 数控机床；智能传感器 楼宇自控、仓储； 智能交通、环境监测（大气、水污染监测网络） 农、林、水利、养殖等
基金会HSE
链路设备 控制器 网关设备 V S D V S D V S D
工业以太网面临的问题
通信实时性 环境适应性与可靠性 （结构、连接器） 总线供电 （5类线中的空闲线，10-36V） 本质安全 （防爆安全栅）
非确定性问题的解决措施
提高通信速率 控制网络负荷 （负荷<30% 实时） 网络分段技术 （以太网交换机） 提供适应工业环境的元件 （密封、坚固、抗震、锁紧、控温）
FF (Foundation FieldBus) ModBus PROFIBUS (Process Field Bus) LON (Local Operating Network) CAN (Control Area Network) HART (Highway Addressable Remote Transducer)
其他标准
最早成为国际标准的是CAN，它属于ISO标准： ISO11898 其它有实力、有发展前景的控制网络技术 工业以太网；LonWorks；Modbus；蓝牙、无线局 域网；消费电子总线CEBus；光总线等； （过 渡型总线HART） 到2007年为止，现场总线的国际标准共有25种， 其中包括IEC61158的20种、 IEC62026的4种以及 ISO的CAN 1种。
现场总线技术的发展趋势（续）
3.注重控制网络与公用数据网络的结合
HSE；Profinet；连接 modbus的透明工厂；第3 代的Lonworks等。 各种控制网络都在向数据网络挂靠
4.注重使测控设备具备网络浏览功能
具有网络浏览功能的PLC；具有网络浏览功能 的远程数据终端 借助通用浏览器工具得到专用设备的数据信息 控制设备走向开放的窗口。
使用现场总线技术给用户带来的好处
节省硬件成本； 设计、组态、安装、调试简便； 系统的安全、可靠性好，减少故障停机时间； 系统维护、设备更换和系统扩充方便； 用户对系统配置、设备选型有最大的自主权； 完善了企业信息系统，为实现企业综合自动化 提供了基础
FCS的本质
1. 现场通信网络 2. 现场设备互连 3. 互操作性 4. 分散功能块 5. 通信线供电 6. 开放式互连网络
互操作的以太网HSE
仅以太网和TCP/IP不足以实现互操作 是标准应用层和用户层 在控制器层的互操作性 成套单元的集成
完全冗余
双网卡的操作站
主交换机
从交换机
冗余的单一端口 链路设备 单个双端口的 链路设备
冗余的双端口 链路设备
混合模式
弱链条 损失完整性
不支持状态传播 不同的数据类型和对象结构
现场总线技术
学时：20 考试：笔试 教材：张凤登《现场总线技术与应用》 科学出版社 2008年9月第一版 主讲：尹逊和 yinxunhe@ 电子信息工程学院 自控系
课程的主要内容
1. 2. 3. 4. 5. 现场总线概述 数据通信基础与体系结构 Profibus现场总线 FF现场总线 工业以太网技术
在美国Austin的以太网技术 人员比全球范围内的现场 总线技术人员还多
HSE将用在哪里？
网关 操作台 链路设备 流量计算机 控制器 设备服务器 条形码读码器 单回路调节器 无纸记录仪 本机面板 报警器 票证打印机 称重仪 PLCs 远程I/O
工业以太网的优势
可满足控制系统各个层次的要求，利于管 控一体化。 设备成本下降。 用户拥有成本下降。（维护） 易与Internet集成。 广泛的开发技术支持。 大量的现有软件资源。
以太网的优势
高速 10M/s、100M/s及更快 比其它媒介处理更多信息 普遍认知 很多书籍 很多经验丰富的技术人员 很多可选的媒介 铜线 光纤 短距离无线 长距离无线 ADSL连接性 拨号连接性 多协议 HSE 其它
现场总线技术的发展趋势（续）
5.以太网已直接进入控制网络
以太网技术进入控制网络的优势 以太网技术进入控制网络要解决的问题 E网到底可行，E网打尽不现实 我国的EPA标准
6.多种通信方式下的数据传输与数据集成， 管控一体化目标下的数据综合利用
有线、无线通信方式的结合； 控制网络、数据网络、电话网络、无线局域网的互连； 充分利用现有的网络资源 数据集成，综合利用：共同构成测量控制系统；发布 运行、调度信息
PROFIBUS DP（Distributed I/Os） PROFIBUS PA (Process Automation) PROFIBUS FMS (Fieldbus Message Specification）