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现场总线技术FieldbusTechnology机电信息工程学院孙进生sunjinsheng@dlnu.edu.cn0411-87509520课程简介类别：任选考核方式：考查（大作业+答辩）学时：32其中：讲课-16，上机讲课-8，讨论-6，考查-2学分：2课程简介教材：《现场总线技术》刘泽祥主编参考教材：《现场总线技术及其应用》阳宪惠主编《现场总线控制网络技术》雷霖主编《现场总线控制》周明主编先修课程：数据通信与网络、PLC、集散控制系统课程简介特点：涉及工程概念和设计方法的内容较多，理论内容较少（技术规范多，公式推导少）重点：设计与应用主要介绍的总线类型：Modbus（经典），Profibus（标准），IndustrialEtherNet（趋势）第1章现场总线技术概述现场总线是20世纪90年代发展形成的，用于过程自动化、制造业自动化、楼宇自动化、家庭自动化等领域的现场设备互连的通信网络现场总线是目前自动化领域研究和应用的热点之一现场总线控制系统是现场总线与控制系统的集成FieldbusControlSystem本章的主要内容1.1现场总线的由来1.2现场总线的定义和分类1.3现场总线的特点1.4现场总线技术的现状及发展1.1现场总线的由来现场总线技术是为了满足控制（测控）系统向数字化发展的需要而产生的数字化的优点：信息量更丰富控制系统的4个发展阶段：模拟仪表控制系统；直接数字控制系统；集散控制系统；现场总线控制系统模拟仪表控制系统AnalogControlSystem出现于20世纪50年代之前基地式仪表：功能简单统一的模拟信号：0.02~0.1MPa，0~10mA，1~5V，4~20mA典型的单回路控制系统：控制算法简单模拟仪表控制系统AnalogControlSystem模拟调节仪表执行器被控对象测量变送仪表+-RYUE常规模拟单回路调节（控制）系统调节仪表：输入输出测量仪表：输出4~20mADC执行器：输入直接数字控制系统DirectDigitalControlSystem出现于20世纪60年代初随着计算机的发展和普及而得到应用多回路控制：控制功能增强，算法先进执行机构、测量变送仪表仍采用模拟量（4~20mA）需要模/数（A/D）、数/模（D/A）转换直接数字控制系统DirectDigitalControlSystem操作台计算机AO、DOAI、DI被控对象执行机构测量变送用计算机代替模拟控制仪表可实现复杂控制算法和协调控制缺点：控制功能集中导致危险性加大集散控制系统DistributedControlSystem出现于20世纪70年代中期随着大规模集成电路和微处理器的发展和成熟而得到应用控制功能分散到多个子系统（控制站）组成：包括过程控制站、操作站（人机界面）和通信系统集中操作、分散控制---集散控制系统集散控制系统DistributedControlSystem过程控制站1被控对象1测量执行过程控制站n被控对象n测量执行通信接口通信接口通信接口操作站---模拟信号------数字信号---通信介质（线路）现场总线控制系统FieldbusControlSystem出现于20世纪90年代后期在DCS的基础上进一步数字化控制功能进一步向下（现场设备）分散用串行数字化接口代替测量变送仪表和执行机构的模拟量接口（4~20mA）双向通信方式使传输的信息量大大丰富现场总线控制系统FieldbusControlSystem现场总线接口通信接口通信接口操作站现场总线监控网络控制回路传统控制系统的主要缺点（1）信息集成能力不强控制器与现场设备之间通过I/O连线连接，传送4~20mA模拟量信号或24VDC开关量信号，并以此监控现场设备。这样，控制器获取信息量有限，如设备参数、故障记录等有用数据很难得到。传统控制系统的主要缺点（2）系统开放性、可集成性差除现场设备采用标准的4~20mA或者24VDC连接，系统其它软、硬件通常只能使用同一家产品。不同厂家产品之间缺乏互操作性、互换性，因此可集成性差。传统控制系统的主要缺点（3）成本高、可靠性差对于大范围的分布式控制系统，大量的I/O电缆及敷设施工，不仅增加成本，更是增加了系统的故障点，降低了系统的可靠性。传统控制系统的主要缺点（4）可维护性不高由于现场级设备信息不全，现场级设备的在线故障诊断、报警、记录功能不强。另一方面也很难完成现场设备的远程参数设定、修改等参数化功能，影响了系统的可维护性。现场总线技术就是为了克服上述缺点而产生和发展的现场设备的串行通信接口是现场总线技术的原形由于嵌入式技术的发展，许多测量变送仪表和执行机构等现场设备实现了智能化，即内置微处理器，完成诸如线性化、量程转换、数字滤波甚至回路调节等功能。因此，对于这些智能现场设备增加一个串行数据接口（如RS-232/485）是非常方便的。有了这样的接口，控制器就可以按其规定协议，通过串行通信方式（而不是并行I/O方式）完成对现场设备的监控。如果设想全部或大部分现场设备都具有串行通信接口并具有统一的通信协议，控制器只需一根通信电缆就可将分散的现场设备连接，从而完成对所有现场设备的监控。这就是产生现场总线技术的初始想法和技术基础现场总线技术的产生基于以上初始想法，设想使用一根通信电缆，将所有具有统一的通信协议和通信接口的现场设备连接，这样，在设备层传递的不再是模拟量信号，而是基于现场总线的数字化信号，进而构成由数字化通信网络连接起来的控制系统。发展至今，已经出现了至少几十种现场总线。1.2现场总线的定义及分类现场总线的定义（4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。1.2现场总线的定义及分类IEC（国际电工委员会）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。总线的分类毫米级：芯片内总线厘米级：芯片间总线、元件总线分米级：机箱内总线（Multi-bus、STD、PCL、ISA、PCI等）十米级：机柜间总线（RS-232、GPIB、VME、VXI等）百千米级：现场总线（Modbus、FF、Profibus等）按数据通信宽度分类（1）传感器现场总线（数据宽度为位-Bit）：适用于简单的开关装置和输入输出位的通信,如Seriplex总线、AS-i总线等。（2）装置现场总线（数据宽度为字节-Byte）：适用于以字节为单位的装置类通信,如Interbus总线、Device-Net总线和CAN总线等。按数据通信宽度分类（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,如FF(FoundationFieldbus)总线、Lonworks总线、Hart总线等。按应用行业分类（1）过程控制（连续生产过程）用现场总线：FF的H1、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1.3现场总线的特点现场总线控制系统的结构特点FCS与DCS的对比现场总线的技术特点现场总线的主要优点现场总线控制系统的结构特点（1）现场总线控制系统由于采用了现场总线设备，能够把原来DCS系统中处于控制室的控制模块、输入输出模块置于设备现场，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。现场总线控制系统的结构特点（2）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与DCS的结构对比FCS与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。FCS与DCS的详细对比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。FCS与DCS的详细对比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。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。现场总线的技术特点（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。现场总线的技术特点（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。现场总线技术的主要优点（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一对一模拟信号(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。现场总线技术的主要优点（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舍弃了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。现场总线技术的主要优点（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。现场