现场总线技术概述

现场总线技术概述主要内容第一节自动控制系统的发展及其体系结构第二节DCS的结构及其分类第三节现场总线的概念及分类第四节现场总线的特点和优点第五节现场总线标准的制定第六节现场总线的现状第一节自动控制系统的发展及其体系结构回顾自动控制系统发展的历史，可以看到它与工业生产过程本身的发展有着极为密切的联系。工业生产本身的发展，诸如工艺流程的变革，设备的更新换代，生产规模的扩大，以及快速反应、临界稳定工业、能力综合平衡工艺的开发成功，均对自动化提出更高的要求，经济全球化，激烈的市场竞争又给自动化提出新的目标。另一方面，微电子、自动控制、计算机、通信及网络等技术的发展，又为新型控制系统的出现提供了技术的保证。可以说，自动控制系统经历了一个从简单到复杂，从局部到全局，从非智能、低智能到高智能的发展过程。1.模拟仪表控制系统（ACS）20世纪50年代以前，系统采用基地式气动仪表、单元组合式仪表，这些仪表采用统一的模拟信号。2.直接数字控制（DDC）20世纪60年代初，人们利用数字计算机和外围设备取代传统的模拟控制仪表，除以数字形式实现常规控制规律外，还采用更先进的控制技术，如复杂控制算法和协调控制等。3.集散控制系统（DCS）20世纪70年代中期，出现了数字调节器、PLC以及多个计算机递阶构成的集中分散相结合的集散控制系统。4.现场总线控制系统（FCS）20世纪90年代后期，人们在DCS的基础上开始开发一种适用于工业环境的网络结构和网络协议的现场总线及现场总线仪表。第二节DCS的结构及其分类一、DCS的结构从系统的组成结构分析，它们都是由三部分组成（硬件组成）：分散过程控制装置部分操作管理装置部分通信系统部分1.分散过程控制装置部分由多回路控制器、多功能控制器、可编程序逻辑控制器及数据采集装置等组成。主要功能是分散的过程控制，是系统与过程之间的接口。其结构特征如下：需适应恶劣的工业生产过程环境分散控制实时性独立性2.集中操作和管理系统部分该部分的主要功能是汇集各分散过程控制装置送来的信息，通过监视和操作，把操作和命令下送各分散控制装置。信息用于分析、研究、打印、存储并作为确定生产计划、调度的依据。特征：信息量大、易操作、容错性好等。主要由操作站、管理机和外部设备（如打印机）等组成，相当于车间操作管理级和全厂优化及调度管理级，实现人机接口。3.通信系统部分连接分散过程控制装置以及集中操作和管理系统等进行信息交换和数据共享的计算机通信网络，是DCS控制系统的中枢。特点：实时性好、动态响应快，可靠性高，适应性强等。对通信系统的要求除了传输速率和传输距离外，还有开放性，所谓“开放性”，就是允许不同厂商的DCS互相通信，各厂商产品的通信应符合国际标准。二、DCS的结构分类根据分散过程控制装置、集中操作和管理装置和通信系统的不同结构，DCS控制系统的分类：1.模件化控制站+与MAP兼容的宽带、载带局域网+信息综合管理系统最新结构的大型集散控制系统，通过宽带和载带网络，可在很广的地域内应用。通过现场总线，系统可与现场总线仪表通信和操作，从而形成真正的开放互连、互操作性的系统。将成为分布式控制系统的主流结构，也是第三代DCS控制系统的典型结构。2.分散过程控制站+局域网+信息管理系统由于采用局域网技术，使通信能力增强。这是第二代DCS控制系统的典型结构。3.分散过程控制站+高速数据公路+操作站+上位机第一代集散控制系统的典型结构。经过对操作站、过程控制站、通信系统性能的改善和扩展，系统的性能已有较大提高。4.PLC+通信系统＋操作管理站在制造业广泛应用的结构，尤其适用于有大量逻辑顺序控制的过程。分布式控制系统制造商为适应逻辑顺序控制的特点，现已有不少产品可以下挂各种PLC，组成PLC+DCS形式，应用于既有逻辑顺序控制又有连续控制的场合。5.单回路控制器+通信系统+操作管理站适用于中、小企业的小型集散控制系统结构。它用单回路控制器(或双回路、四回路控制器)作为盘装仪表、信息的监视由操作管理站或仪表面板实施，有较大灵活性和较高性价比。一、现场总线的定义(四种)用于现场仪表与控制主机系统之间的一种开放的、全数字化的、双向、多站的通信系统；广义上是控制系统与现场检测仪表、执行装置进行双向数字通信的串行总线系统；基于智能化仪表及现场总线的控制系统FCS；一种数字化的串行双向通信系统。第三节现场总线的概念及分类IEC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进行双向、串行、多节点、数字式的数据交换的通信技术。二、现场总线的分类总线按照长度分类:（1）毫米级：芯片内总线（2）厘米级：芯片间总线、元件总线（3）分米级：机箱内总线（Multi-bus、STD、PCL、ISA、PCI等）（4）十米级：机柜间总线（RS232、GPIB、VME、VXI等）（5）千米级：现场总线（FF、Profibus等）现场总线按照数据通信宽度分类：（1）传感器现场总线（数据宽度为位）：适用于简单的开关装置和输入输出位的这类通信：Seriplex总线、AS-i总线等。（2）装置现场总线（数据宽度为字节）：适用于以字节为单位的装置类通信：Interbus总线、DriveNET总线和CAN总线等。（3）全服务的现场总线（数据宽度为数据流或模块Block）：以报文通信为主，除了对装置进行读取数据外，还包括一些对装置的操作和控制功能：FF总线、Lonworks总线、Hart总线等。现场总线按照应用行业分类（1）过程控制（连续生产过程）用现场总线：FF的HI、Profibus-PA等（2）离散控制用现场总线：Profibus-DP、Device-NET等（3）楼宇自动化用现场总线：Lonworks等（4）车辆制造业用现场总线：CAN等（5）飞机制造业用现场总线：SwiftNet等（6）农业及养殖业用现场总线：P-Net等三、现场总线的本质（1）现场通信网络用于过程以及制造自动化的现场设备或现场仪表互连的通信网络。（2）现场设备互连传感器、变送器和执行器等，这些设备通过一对传输线互连。（3）互操作性现场设备或现场仪表种类繁多，互相连接不同制造商的产品是不可避免的。性能价格比最优的产品，并将其集成在一起，实现“即接即用”;用户希望对不同品牌的现场设备统一组态，构成所需要的控制回路。（4）分散功能块FCS废弃了DCS的输入/输出单元和控制站，把DCS控制站的功能块分散地分配给现场仪表，从而构成就地控制站。例如：流量变送器不仅具有流量信号变换、补偿和累加输人模块，而且有PID控制和运算功能块。调节阀的基本功能是信号驱动和执行，还内含输出特性补偿模块，也可以有PID控制和运算模块，甚至有阀门特性自检验和自诊断功能。由于功能块分散在多台现场仪表中，并可统一组态，供用户灵活选用各种功能块，构成所需的控制系统，实现彻底的分散控制。（5）通信线供电通信线供电方式允许现场仪表直接从通信线上获取能量，对于要求本征安全的低功耗现场仪表，可采用这种供电方式。（6）开放式互连网络既可与同层网络互连，也可与不同层网络互连，还可以实现网络数据库的共享。不同制造商的网络实现互连，用户通过网络对现场设备和功能块统一组态，把不同厂商的网络及设备融为一体，构成统一的FCS。第四节现场总线的特点和优点一、现场总线的结构特点现场总线控制系统由于采用了现场总线设备，能够把原先DCS系统中处于控制室的控制模块、输入输出模块置于现场总线设备，加上现场总线设备具有通信能力，现场的测量变送仪表可以与阀门等执行器直接传送信号，因而控制系统功能能够不依赖控制室的计算机或控制仪表，直接在现场完成，实现了彻底的分散控制。由于采用数字信号替代模拟信号，因而可实现一对电线上传输多个信号(包括多个运行参数值、多个设备状态、故障信息)，同时又为多个现场总线设备提供电源；现场总线设备以外不再需要A/D、D/A转换部件。这样就为简化系统结构、节约硬件设备、节约连接电缆与各种安装、维护费用创造了条件。FCS和DCS的详细对比FCSDCS(1)结构一对多：一对传输线接多台仪表，双向传输多个信号。一对一：一对传输线接一台仪表，单向传输一个信号。(2)可靠性可靠性好：数字信号传输抗干扰能力强，精度高。可靠性差：模拟信号传输不仅精度低，而且容易受干扰。FCSDCS（3）失控状态操作员在控制室既可以了解现场设备过现场仪表的工作情况，也能对设备进行参数调整，还可以预测或寻找故障，使设备始终处于操作员的过程监控与可控状态之中。操作员在控制室既不了解模拟仪表的工作情况，也不能对其进行参数调整，更不能预测故障，导致操作员对仪表处于“失控”状态。（4）控制控制功能分散在各个智能仪器中。所有的控制功能集中在控制站中。FCSDCS（5）互换性用户可以自由选择不同制造事故内提供的性能价格比最优的现场设备和仪表，并将不同品牌的仪表互连，实现“即插即用”。尽管模拟仪表统一了信号标准（4~20mADC），可是大部分技术参数仍由制造厂自定，致使不同品牌的仪表不能互换。（6）仪表智能仪表除了具有模拟仪表的检测、变换、补偿等功能外，还具有数字通信能力，并且具有控制和运算能力。模拟仪表只具有检测、变换、补偿等功能。二、现场总线的技术特点（1）系统的开放性通信协议公开，各不同厂商的设备之间可实现信息交换。（2）互可操作性与互用性互可操作性是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通；而互用性则意味着不同制造商性能类似的设备可进行更换，实现相互替换。（3）现场设备的智能化与功能自治性将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场总线设备中完成。（4）系统结构的高度分散性现场总线已构成一种新的全分散性控制系统的体系结构，提高了可靠性。（5）对现场环境的适应性可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等多种传输介质，具有较强的抗干扰能力，采用两线制实现供电与通信，并可满足本质安全防爆要求。三、现场总线的优点(优越性)（1）FCS实现全数字化通信DCS采用层次化的体系结构，通信网络分布于各层并采用数字通信方式，唯有生产现场层的常规模拟仪表仍然是—对一模拟信号(如4～20mADC)传输方式，因此DCS是一个“半数字信号”系统。FCS采用全数字化、双向传输的通信方式。从最底层的传感器、变送器和执行器就采用现场总线网络，逐层向上直到最高层均为通信网络互联。多条分支通信线延伸到生产现场，用来连接现场数字仪表，采用一对N连接。（2）FCS实现彻底的全分散式控制在DCS中，生产现场的多台模拟仪表集中接于输入／输出单元，每台仪表只有单一的信号变换功能，而与控制有关的输入、输出、控制、运算等功能块都集中于DCS的控制站内。从这个意义上讲，DCS只是一个“半分散”系统。FCS废弃了DCS的输入／输出单元，由现场仪表取而代之，即把DCS控制站的功能化整为零，功能块分散地分配给现场总线上的数字仪表。从而构成虚拟控制站，实现彻底的分散控制。（3）FCS实现不同厂商产品互联、互操作DCS系统的硬件、软件甚至现场级设备都是各制造商自行研制开发的，不同厂商的产品由于通信协议的专有与不兼容，彼此难以互联、互操作。而FCS的现场设备只要采用同一总线标准，不同厂商的产品既可互联也可互换，并可以统一组态，从而彻底改变传统DCS控制层的封闭性和专用性。FCS允许用户选用各制造商性能价格比最优的产品集成控制系统，因而具有很好的可集成性。（4）FCS增强系统的可靠性、可维护性FCS采用总线连接方式替代传统的DCS一对一的I/O连线，对于大规模的I/O系统来说，减少了DCS由接线点造成的不可靠因素。同时，数字化的现场设备替代模拟仪表，FCS具有现场设备的在线故障诊断、报警、记录功能，可完成现场设备的远程参数设定、参数修改等工作，因而增强系统的可维护性。（5）FCS降低系统工程成本FCS对于大范围、大规模分布式控制系统来说，节省了电缆、I/O装置及电缆敷设费用。以每2～3台现场仪表