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1、第2章 现场总线简介,2.1.1 现场总线的产生,在过程控制领域中：从20世纪50年代至今一直都在使用着一种信号标准，那就是4-20mA的模拟信号标准。20世纪70年代，数字式计算机引入到测控系统中，而此时的计算机提供的是集中式控制处理。20世纪80年代，微处理器在控制领域得到应用，微处理器被嵌入到各种仪器设备中，形成了分布式控制系统。,数字式智能化仪表：随着微处理器的发展和广泛应用；具备自动量程转换、自动调零、自校正、自诊断等功能，还能提供故障诊断、历史信息报告、状态报告、趋势图等功能。,2.1.1 现场总线的产生,数字化信息的网络技术发展，要求仪表能在当地处理信息，并在必要时允许被管理和访
2、问，这些也使现场仪表与上级控制系统的通信量大增。另外，从实际应用的角度出发，控制界也不断在控制精度、可操作性、可维护性、可移植性等方面提出新需求。由此，导致了现场总线的产生。,2.1.1 现场总线的产生,2.1.2 现场总线的发展,从现场设备仪表的发展来看，控制系统经历了:基地式仪表控制系统单元组合式模拟仪表控制系统集中式数字控制系统集散控制系统DCS、PLC现场总线系统,各阶段测控仪表能力指数,2.1.4 现场总线控制系统结构,2.2 现场总线的概念及分类,2.2.1 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
3、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。,2.2.2 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。,现场总线控制系统FCS,采用开放式数字通信网络突破DCS中的专用通信网络结构网络集成的测量控制系统单个分散的测量控制设备变成网络节点以现场总线为纽带构成共同完成任务的网络系统与控制系统实现现场测量控制设备之间的信息共享,与DCS的详细对比,与DCS详细对比（续）,与DCS详细对比（续）,现场总线的技术特点,全数字通信多分支结构系统的开放性
4、互可操作性与互用性现场设备的智能化与功能自治性系统结构的高度分散性对现场环境的适应性,全数字通信,抗干扰能力和鲁棒性都比较高，传输精度也得到显著提高信号的检错、纠错机制得以实现可进行多参数传输，消除模拟信号的传输瓶颈现场设备的测量、控制信息以及其他非控制信息如设备类型、型号、厂商信息、量程、设备运行状态等都可以通过一对导线传输到现场总线网络上的任何智能设备，如中央控制器等。,设备状态可控,操作员在控制室即可了解现场设备或现场仪表的工作状况可对现场设备进行工艺参数调整、零点量程调校、组态信息调整等通过对现场设备状态趋势分析预测故障发生故障时能及时找到故障点，替换新的设备，即：现场设备始终处于操作
5、员的远程监视与可控状态，提高了系统的可靠性和可维护性。,一对多的总线型结构,现场总线是多分支结构，其网络拓扑可为总线型、星型、树形等多种形式，以总线型为主。传统控制系统中设备的连接都是一对一的布线简单，工程安装周期缩短、维护也很方便很强的系统扩展性主机能自动识别设备的增加或删减无需架设新的线缆无需系统停机,互换与互可操作,不同设备间，除了能实现信息互访外，还能理解信息的含义，并能根据信息要求进行操作不同厂家的相同类型的设备可以互相替换可统一组态，无需专用的驱动程序解决了设备的垄断性和产品故障处理的时效性为系统集成的自主性提供了产品保障用户可选择性价比高的产品,现场设备的智能化与综合功能,测量，
6、包括多变量测量与处理多参数补偿工程量处理设备自诊断设备状态的控制控制算法可在现场设备中实现根据远程命令进行仪表调校集多种功能于一身，一表多用,分散控制,由网络构成控制系统信号的测量、控制算法、控制信号的输出等全部在现场实现，无需主机参与实现了完全分散,基于现场总线的分布式网络控制系统,2.3现场总线的优点,（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对一模拟信号(如420 mA DC)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
7、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放弃了DCS的I/O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
8、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
9、，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23台现场仪表接到一根电缆计算，平均可减少1/2到2/3的输入输出卡、输入输出柜和隔离器等。因此，现场总线仪表与控制室间的电缆连接和安装等费用估计可节约50。,2.4现场总线标准的制定,现有的现场总线国际标准 2004年4月，IEC公布了现场总线标准第三版（即IEC61158 Ed3），规定了10种类型的现场总线，分别是：Type1 TS61158 现场总线Type2 ControlNet 和 Ethernet/IP 现场总线Type3 Profibus
10、现场总线Type4 P-NET现场总线,现有的现场总线国家标准（续）,Type5 FF HSE现场总线Type6 Swift-Net 现场总线Type7 WorldFIP现场总线Type8 INTERBUS现场总线Type9 FF H1现场总线Type10 PROFInet现场总线,主要的现场总线比较,产生多标准的原因,各种现场总线都是受国际上一些处于垄断地位的跨国大公司所支持。跨国大公司为了他们的长远利益和保持他们的垄断地位又不得不去开发现场总线，以领导新潮流。有的公司早期投人大量资金使得产品间世较早。一些小国家在技术上和经济上很大程度地依赖于一些跨国的大公司。IEC是多极化的组织，其代表都
11、来自各个国家的一些大公司，不可避免地出现斗争的复杂性和反复性。,2.5现场总线的现状,多种总线共存每种总线各有其应用领域每种总线各有其国际组织每种总线均有其支持背景设备制造商参加多个总线组织多种总线均作为国家和地区标准协调共存工业以太网引入工业领域,国内现场总线研究,国内起步较晚，但在积极追赶,电动单元仪表,集散控制系统,现场总线控制系统,国外,6070年代,7080年代,90年代,7080年代,90年代初,90年代中后期,国内,10+年,国内应用现状,已应用了一些各种现场总线标准的智能设备，但没有充分发挥它们的优越性。传统信号仍占约95%比重，控制系统的研究必须符合这个现实应用要求。现场总线具有优越性，并被工业应用领域所接受，技术革新的呼声很高。,国内研究现状,要求尽快开发出具有自主版权的新一代现场总线控制系统。国内控制领域专家早就关注现场总线的发展国内尚未有自己的现场总线，还只是进行跟踪性的研究开发,国内现场总线发展,国家从“九五”开始支持现场总线的研究开发“96-749”、“96-728”等浙大中控、北京华控、中科院沈阳所等形成了一大批成果但大规模的产品和应用尚未形成,
