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HITRockwellAutomationLab工业控制网络概述哈尔滨工业大学罗克韦尔自动化实验室2003年10月第二版HITRockwellAutomationLab工业过程控制系统的发展50年代－基地式气动仪表控制系统50年代末－4－20mA电动模拟信号控制系统60年代－计算机控制系统70年代中期－DCS（集散控制系统）80年代－FCS（现场总线控制系统）HITRockwellAutomationLab人们一般把50年代前的气动信号控制系统ＰＣＳ称作第一代控制系统,把4～20ｍＡ等电动模拟信号控制系统称为第二代控制系统,把数字计算机集中式控制系统称为第三代控制系统,而把70年代中期以来的集散式分布控制系统ＤＣＳ称作第四代控制系统。工业过程控制系统的发展（2）HITRockwellAutomationLab工业过程控制系统的发展（3）第三代数字计算机集中式控制系统一般是以微处理器、PC或工控机为核心，总线系列一般采用S-100、STD、PC中的ISA、PCI、MULTIBUS总线等。这些总线由于采用集中式控制方式，降低了系统的可靠性。同时，现场太多、太长的接线，使得系统的抗干扰能力降低。如直接数字控制（DDC）系统和监督控制（SCC）系统。HITRockwellAutomationLab进入70年代,大规模集成电路问世,微处理器的诞生,控制技术、显示技术、计算机技术、通信技术等的进一步发展,人们为了继承常规模拟仪表和计算机控制技术的优点,进一步提高控制系统的安全性和可靠性并降低成本,开发研制了以微处理器为基础的新型过程控制系统——集散控制系统(DistributedControlSystem),简称DCS。工业过程控制系统的发展（4）HITRockwellAutomationLab回顾DCS应用三十年来的情况,虽然很多公司相继开发出一代又一代的产品,功能不断改进,在通信方式上,管理级和监控级是数字总线通信,而处于现场的控制级和检测级仍是4～20mA模拟量通信。工业过程控制系统的发展（5）HITRockwellAutomationLabI/O4-20mAAnalyzerPLC4-20mA控制站操作站LAN工业过程控制系统的发展（6）DCS系统结构HITRockwellAutomationLab现场总线控制系统ＦＣＳ作为新一代控制系统,一方面,突破了ＤＳＣ系统采用通信专用网络的局限,采用了基于公开化、标准化的解决方案,克服了封闭系统所造成的缺陷;另一方面把ＤＣＳ的集中与分散相结合的集散系统结构,变成了新型全分布式结构,把控制功能彻底下放到现场。可以说,开放性、分散性与数字通讯是现场总线系统最显著的特征。工业过程控制系统的发展（7）HITRockwellAutomationLabH2网桥32H1H1H2H1操作站LAN总线卡服务器124台设备现场总线现场总线H132台设备现场总线H132台设备现场总线工业过程控制系统的发展（8）新一代FCS系统结构HITRockwellAutomationLab现场总线的定义根据IEC的标准定义：“安装在制造和过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、双向串行传输、多路通信的数据总线称为现场总线。HITRockwellAutomationLab设备层控制层LevelofDataIntegration信息自动化机器企业ModularOpenEmbeddedFCS控制系统结构HITRockwellAutomationLab罗克韦尔推出的现场总线控制系统体系结构InternetPhotoelectricSensorEtherNet®ControlNetTMDeviceNetTMInformationDeviceControlComputer2Computer1Controller4Controller3Controller1Controller2BarCodeReaderSmartSpeedControllerHMIOperatorInterfaceI/OI/ORemoteAccessRouterDeviceDisplayStationFCS控制系统结构HITRockwellAutomationLabFCS控制系统组成HITRockwellAutomationLab组态工具软件——为用计算机进行设备配置、网络组态提供平台的工具软件，如：RSNetworxForDeviceNet，RSNetworxForControlNet；组态通信软件——为通过计算机将设备配置、网络组态信息传送至总线设备而使用的软件（将配置与组态信息根据现场总线协议／规范（Protocol／Specification）的通信要求进行处理，再从计算机通过总线电缆传送至总线设备），如：RSLinx；FCS控制系统组成（2）HITRockwellAutomationLab控制器编程软件——为用户程序提供编程环境的软件平台，RSLogix5／500／5000系列编程软件；用户程序软件——根据系统的工艺流程及其他要求而编写的PLC（控制器）应用程序；设备接口通信软件——根据现场总线协议／规范而编写的用于总线设备之间通过总线电缆进行通信的软件；FCS控制系统组成（3）HITRockwellAutomationLab设备功能软件——使总线设备实现自身功能（不包括现场总线通信部分）的软件，如电动机保护器本身的软件部分；监控组态软件——运行于监控计算机(通常也称为上位机)上的软件，具有实时显示现场设备运行状态参数、故障报警信息，并进行数据记录、趋势图分析及报表打印等功能，RSview32等。FCS控制系统组成（4）HITRockwellAutomationLab现场总线的特点（1）现场总线是现场通信网络a.现场总线将通信线（总线电缆）延伸到工业现场（制造或过程区域），或总线电缆就是直接安装在工业现场的；b.现场总线完全适应于工业现场环境，因为它就是为此而设计的。（2）现场总线是数字通信网络在现场总线（系统）中，同层的或／和不同层的总线设备之间均采用数字信号进行通信。传统的DCS的通信网络介于操作站与控制站之间，而现场仪表与控制站中的输入／输出单元之间采用的是一对一的模拟信号传输。HITRockwellAutomationLab（3）现场总线是开放互连网络a.现场总线标准、协议／规范是公开的，所有制造商都必须遵守；b.现场总线网络是开放的，既可实现同层网络互连，也可实现不同层网络互连，而不管其制造商是哪一家；（4）现场总线是现场设备互连网络通过一根通信线将所需的各个现场设备（如变送器／传感器、执行器、控制器）互相连接起来，即用一根通信线直接互连N个现场设备，从而构成了现场设备的互连网络。现场总线的特点（2）HITRockwellAutomationLab现场总线的特点（3）（5）现场总线是结构与功能高度分散的系统a.现场总线的系统结构具有高度分散性，这是由上述（4）、（3）两点决定的；b.现场总线的系统功能实现了高度分散。现场总线废弃了DCS的控制站及其输入／输出单元，从根本上改变了DCS集中与分散相结合的集散控制系统体系，通过将控制功能高度分散到现场设备这一途径，实现了彻底的分散控制。（6）现场设备的互操作性与互换性a.互操作性：不同厂商的现场设备可以互连，互相之间可以进行信息交换并可统一组态；b.互换性：不同厂商的性能类似的现场设备可以互相替换现场总线中现场设备的互操作性与互换性是DCS无法具备的。HITRockwellAutomationLab1.导线和连接附件大量减少2.仪表和输入／输出转换器（卡件）大量减少3.设计、安装和调试周期短，费用大大降低4.维护开销大幅度下降5.系统可靠性提高6.系统测量与控制的精度提高现场总线的优点HITRockwellAutomationLab7.系统具有优异的远程监控功能8.系统具有强大的（远程）故障诊断功能9.设备配置、网络组态和系统集成方便自由10.现场设备更换和系统扩展更为方便11.为企业信息系统的构建创造了重要条件现场总线的优点（2）HITRockwellAutomationLab2.现场总线产生的因素(1)模拟仪表的缺点*一对一结构：一对传输线，一台仪表，单向传输一个信号；安装接线庞杂，工程费用高，维护困难；*可靠性差：模拟信号传输易受干扰，精度低；(2)现场总线仪表的优点*一对N结构：一对传输线，N台仪表，双向传输多个信号；安装接线简单，工程费用低，维护容易；*可靠性高：数字信号传输抗干扰强，精度高；*可控状态：操作人员在控制室既可了解其工作状况，也能对其进行参数调整，还可预测故障；*综合功能：现场总线仪表既有检测、变换和补偿功能，又有控制和运算功能；*分散控制：功能块分散在现场仪表中，实现了彻底的分散控制。现场总线产生的因素(1/2)HITRockwellAutomationLab现场总线产生的因素(2/2)(3)微处理器技术的发展(4)集成电路技术的发展(5)计算机技术的发展(6)通信网络技术的发展(7)用户需求和市场竞争HITRockwellAutomationLab现场总线将网络化、信息化的概念引入控制领域中，构建完整的控制网络和信息网络，实现控制灵活、分散控制、信息共享、优化企业生产过程，实现企业的量化管理，减少安装、维护成本，提高设备可靠性，提高生产效率。当今不少国家的自动化公司都投入巨大的人力、物力、财力全方位地进行现场总线技术研究与应用开发，形成了剧烈的市场竞争，这使现场总线技术出现了复杂的局面，形成了多种现场总线技术标准，据统计目前国际上至少有超过40种的现场总线标准。IEC（国际电工委员会）1984年开始着手试图制订单一的国际总线标准，但一直未能实现。现场总线的标准(1/4)HITRockwellAutomationLab目前国际上是多种现场总线并存，IEC于2000年1月4日公布IEC现场总线标准(IEC61158)的投票结果。IEC61158采用以下8种现场总线：类型1：IEC61158技术报告(即FFH1)类型2：ControlNet(美国RockwellAutomation)类型3：PROFIBUS(德国Siemens)类型4：P-NET(丹麦ProcessData)类型5：FFHSE(美国Fisher-Rosemount)类型6：Swiftnet(美国Boeing)类型7：WorldFIP(法国Alstom)类型8：Interbus(德国PhoenixContact)注：IEC现场总线标准的8种类型都是平等的，并要求类型2~8对类型1提供接口，但不要求类型2~8之间提供接口。现场总线的标准(2/4)HITRockwellAutomationLab其余现场总线：HART(美国Fisher-Rosemount)CAN(德国Bosch，ISO11898，Philips)LON(LonWorks)(美国Echelon)Dupline(瑞士CarloGavazzi)**设备层现场总线:IEC62026-(IEC17BCommittee)DeviceNet(Rockwell,Omron,Cutler-Hammer,….)AS-i(P+F,Siemens)SDS*现场总线的标准(3/4)HITRockwellAutomationLab*每种总线的产生都有一定的应用背景，如Profibus在制造业，WorldFIP、FF、ControlNet在过程控制行业，P-Net在农业自动化领域。*每种总线都有一个或多个大公司的支持，公司的利益与总线的发展息息相关。如WorldFIP主要由Alstom公司支持，Profibus以Siemens为主要支持，ControlNet则以Rockwell公司为主要背景。*每种总线都力图开发其应用领域，以扩张其势力范围。大多数总线都成立了相应的国际组织，力图在制造商和用户中创造影响，以取得更多方面的支持。*每种总线大多将自己作为国家或地区标准，以加强自己的竞争地位，如P-Net已成为丹麦标准，Profibus已成为德国标准，Wor