工业控制网络与现场总线-福伊特培训讲义

工业控制网络与现场总线技术培训讲义1 现场总线的概述（FieldBus ）传统控制系统现场仪表(I/O)控制器一对一连接4~20mA 0~10mA 24VDC ……80年代开始智能现场设备普遍应用a.包含CPU b.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……智能现场设备与主机系统间待传输的信息量急剧增加。

现场总线技术的初始想法：设想全部或大部分现场设备都具有直接进行通信的能力，并具有统一的通信协议，只需一根通信电缆就可将分散的现场设备连接起来，完成对现场设备的监控。

3C 技术的发展微机化仪器仪表的成熟和应用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：是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统。

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。

现场总线定义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。

网络节点包括IPC、PLC以及各种智能化的现场控制设备基于统一、规范的通信协议通过同一总线实现相互间的数据传输与信息共享网络体系通信总线在现场设备中的延伸生产控制网络结构位于的底层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1～5V或4～20mA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，国际电工委员会决定由Proway Working Group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（Process Fieldbus）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。

2.现场总线的发展现场总线技术起源于欧洲，目前以欧、美、日地区最为发达，世界上已出现过的总线种类近200种。

经过近20年的竞争和完善，目前较有生命力的有10多种，并仍处于激烈的市场竞争之中。

加之众多自动化仪表制造商在开发智能仪表通信技术中已形成的不同特点，使得统一标准的制订困难重重。

由于较长时期没有统一标准，对用户影响最大的就是难以把不同制造商生产的仪表集成在一个系统中。

因此，现场总线在过程控制中实际应用，一直延误到20世纪90年代后期才逐步实现。

2.现场总线的发展1996年到1998年，国际性组织FF（现场总线基金会）和PNO（Profibus国际组织）先后发布了适于过程自动化的现场总线标准H1、H2(HSE)和Profibus-PA,H1和PA都在实际工程中开始应用。

1999年底，包含8种现场总线标准在内的国际标准IEC-61158开始生效，除H1、HSE和PA外，还有WorldFIP、Interbus、ControlNet、P-NET、SwiftNet等五种。

诞生于不同领域的总线技术往往对这一特定的领域的适用性就好一些。

如Profibus较适合于工厂自动化，CAN适用于汽车工业，FF总线（Foundation Fieldbus）主要适用于过程控制，LON适用于楼宇自动化等。

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。

工厂自动化信息网络分层结构：工厂管理级、车间监控级、现场设备级IBM Compatible ASCII Printer PlotterTower boxDataASCII Printer ASCII Printer工厂管理级工厂骨干网车间监控网车间监控级现场级网络现场设备级3.13.2 现场总线的结构特点IPC 、PLC……I/O 子系统…………Ethernet/Highway FiledbusController/GetwayFiledbusDCS 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。

4 现场总线的技术特征(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4.1 现场总线的特点z现场控制设备具有通信功能，便于构成工厂底层控制网络。

z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。

z功能块与结构的规范化使相同功能的设备间具有互换性。

z控制功能下放到现场，使控制系统结构具备高度的分散性。

传统4-20 mA 一个变量一个方向数字信号多变量双向ControllerControl SystemNetworkFieldbus Input/OutputSubsystemControllerControl SystemNetwork现场总线控制系统特点实现数字化、双向通信支持多变量传输取消数字/模拟转换传统现场总线将控制和I/O 移到现场仪表Controller Control SystemNetworkFieldbus 4-20 mA Input/OutputSubsystem PIDPIDAI AI AO AO Controller Control System Network 现场总线控制系统的特点实现分布式控制功能控制在现场（Control In Field ）传统的4-20 mA信号配线每个设备需要一个安全栅和一个根电缆现场总线配线多个设备需要一个安全栅和一个根电缆Controller Control SystemNetworkFieldbus4-20 mAInput/OutputSubsystemI.S.I.S.I.S.I.S.ControllerControl SystemNetwork现场总线控制系统特点降低安装成本传统4-20 mA视野止于I/O子系统现场总线视野扩展到现场仪表Controller Control SystemNetworkFieldbusRemote Input/Output Subsystem ControllerControl SystemNetwork现场总线控制系统特点控制设备信息扩展（过程信息，质量信息，诊断信息，等）支持资产管理及优化应用OK!BAD!故障报告块不在服务状态组态错误内存错误仪表需要维护未定义错误对执行机构的回读检查etc诊断信息源资源块转换块4.2现场总线的优点z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；z一对双绞线上可挂接多个控制设备，便于节省安装费用；z节省维护开销；z提高了系统的可靠性；z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基本情况——现场总线技术在历经了群雄并起，分散割据的初始阶段后，尽管已有一定范围的磋商合并，但由于行业与地域发展等历史原因，加上各公司和企业集团受自身利益的驱使，致使现场总线的国际化标准工作进展缓慢，至今尚未形成完整统一的国际标准。

1999年形成了一个由8个类型组成的IEC61158现场总线国际标准IEC 61158成了国际上制订时间最长、意见分歧最大的国际标准之一IEC61158现场总线标准※IEC 61158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 ）。