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1、现场总线控制系统第1讲,Fieldbus Control System，FCS,信息学院自动化系凌志浩,0 绪论0.1 微机测控技术主要研究对象 微机测控技术主要研究如何将检测与传感技术、计算机技术和自动控制理论应用于工业生产过程并设计出所需要的微机测控系统。0.2 微机测控系统的组成与特点0.2.1 微机测控系统的一般概念 微机测控系统就是利用微型计算机来实现生产过程的自动测试与控制的系统。,微机测控系统典型结构图,微机测控系统的工作原理可归纳为以下3步：实时数据采集：通过测量变送装置完成被控量的瞬时值的检测和输入。实时控制决策：对采集的数据进行分析和处理，按预定的控制策略决定采取何种控制行
2、为。实时控制输出：根据控制决策，向执行机构发出实时控制信号，完成系统控制任务。实时的含义是指信号的输入、计算、输出都要在一定的时间间隔内完成。（软实时RTOS、硬实时RTOS）在线是指：在微机测控系统中，生产过程与计算机直接连接并受计算机的控制，有时也称为联机方式。微机测控系统的组成 微机测控系统主要由被控对象、过程输入输出通道及计算机系统三部分组成。,过程输入输出通道也叫生产过程通道，包括模拟量输入输出通道、数字量输入输出通道、测量变送、执行机构、电气开关等装置。0.2.3 微机测控系统的软件组成 系统软件（RTOS）应用软件（组态、先控）0.2.4 微机测控系统的特点 灵活性（规模、复杂度
3、）适应性（嵌入式）,微机测控系统组成结构框图,0.3 微机测控系统的典型形式 0.3.1 操作指导控制系统 这种形式的系统属于开环系统，计算机按照一定的时间间隔对生产现场的参数进行采样、处理、显示、打印或报警，操作人员根据这些结果进行设定值的修改或必要的操作。,操作指导控制系统原理图,0.3.2 直接数字控制系统 直接数字控制（简称DDC）系统的基本思想是：利用微型计算机对多个被控参数进行巡回检测，并与给定值比较，然后按照预定的控制规律进行计算，最后发出控制信息完成对生产过程的控制，使被控参数稳定在给定值上。直接数字控制系统是计算机在工业生产过程控制中最普遍的一种应用方式。它要求实时性好、可靠
4、性高、适应性强。,直接数字控制系统原理框图,0.3.3 监督计算机控制系统 监督计算机控制（简称SCC）系统的基本思想是：微型计算机根据原始工艺信息和其它参数，按照描述生产过程的数学模型，自动改变模拟调节器或DDC微型计算机的给定值，从而使生产过程始终处于最优工况。,监督计算机控制系统原理框图a)SCC+模拟调节器系统 b)SCC+DCC系统,它有两种不同的结构形式：一种是SCC+模拟控制器，另一种是SCC+DDC控制系统。它是操作指导控制系统和DDC系统的综合和发展，SCC系统较DDC系统更接近生产变化实际情况，它不仅可以进行定值控制，还可以进行顺序控制、最优控制等。,0.3.4 分散控制系
5、统 分散控制系统（简称DCS）的基本思想是：利用分散控制、集中操作、分而自制、综合协调的原则，将测控系统分为分散过程控制级、集中操作监控级和综合信息管理级等三级，构成一分级形式的分布式控制系统。,分散控制系统原理框图,0.3.5 现场总线控制系统 现场总线控制系统（简称FCS）其结构模式为“工作站现场总线智能仪表”二层结构，成本低、可靠性高，可实现真正的开放式互连系统结构。,FCS控制层原理图,1 现场总线的概述（FieldBus）,a.包含CPUb.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
6、等功能,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
7、、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,网络体系,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15V或420mA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
8、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
9、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ProwayWorkingGroup负责现场
10、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（ProcessFieldbus）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
11、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。,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P
12、rofibus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。,2.现场总线的发展,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。,3.1,3.2 现场总线的结构特点,DCS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
13、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。
14、,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。,(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 现场总线的技术特征,4.1 现场总线的特点,现场控制设备具有通信功能，便于构成工厂底层控制网络。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。功能块与结构的规范化使相同功能的设备间具有互换性。控制功能下放到现场，使控制系统结构具备高度的分散性。,4.2 现场总线的优点,现场总线使自控设备与系统步入了信息网络的行列，为其
15、应用开拓了更为广阔的领域；一对双绞线上可挂接多个控制设备，便于节省安装费用；节省维护开销；提高了系统的可靠性；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,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Type
16、1的框架组织各自的行规，但不改变各组织专有的行规（Profile）。,IEC标准的其中Type2Type8需要对Type1提供接口，而标准本身不要求Type2Type8之内提供接口，用户在应用各类型时仍可使用各自的行规，其目的就是为了保护各自的利益。,现场总线标准:,2003年4月，IEC61158 Ed.3现场总线标准第3版正式成为国际标准，规定10种类型的现场总线。Type 1 TS61158现场总线Type 2 ControlNet和Ethernet/IP现场总线Type 3 Profibus现场总线Type 4 P-NET现场总线Type 5 FF HSE现场总线Type 6 Swif
17、tNet现场总线Type 7 World FIP现场总线Type 8 Interbus现场总线Type 9 FF H1现场总线Type 10 PROFInet现场总线,IEC 61158 Type1现场总线,IEC 61158 Type1是IEC推荐的现场总线标准,采用ISO/OSI的简化模型。,物理层,功 能物理层提供机械、电气、功能性和规程性功能,传输介质有双绞线、同轴电缆、光纤和无线传输,传输速率为31.25kbps主要用于现场级它能够通过总线为现场仪表供电，并支持带总钱供电设备的本质安全。,H2总线主要面向过程控制级、远程I/O和其它高速数据传输的应用，其传输速率为1Mbps、2.5M
18、bps和100Mbps。,(HSE),接收数据链路层的数据，经加工变为电信号后进行发送（传输；将接收到的电信号进行相反处理，并将数据送交链路层。,通常，采用曼彻斯特编码或差分曼彻斯特编码。,每个码均有一次跳变，这样就把一个码分成两半，以前半个码的值为准。,每个码均有一次跳变，在每位开始的边界跳变为0，在每位开始的边界不跳变为1。,数据链路层 应用层,数据链路层负责实现链路活动调度，数据的接收发送，活动状态的响应，总线上各设备间的链路时间同步等。总线访问控制采用链路活动调度器LAS方式，LAS拥有总线上所有设备的清单，由它来掌管总线段上各设备对总线的操作。,应用层主要提供通信功能、特殊功能以及管
19、理控制功能。,FMS 提供对象字典OD服务、变量访问服务和事件服务等。为用户层提供服务。,实现与数据链路层连接。,保证数据的完整性，决定何时与何节点对话。,格式控制 目标地址 源地址 参数 数据 校验,报文格式：,校验一般采用CRC（循环冗余校验码）,例子：假设待校验数据为M(X)=1101，生成多项式G(X)=X3+X1+1，求CRC。方法：模2运算。减法：相同数减为0；相异数减为1，不考虑借位。除法：相同位数比较，只要被除数的最高位为1，商1；相同位数比较，只要被除数的最高位为0，商0。,计算过程：G(X)最高幂次方为3，则K=3；M(X)=M(X)本身，后面跟K个0，即1101000用模
20、2计算方法求:M(X)/G(X),得到的余数XXX(K位)即为CRC校验码。最终结果：M(X)XXX,校验后的CRC码：1101001,检验时：将上述结果除G(X)，余数为0，正确；余数不为0，错误。不同位发生的错误会使余数也不同。,用户层,标准功能块FB装置描述DD功能,标准规定32种功能块，现场装置使用这些功能块完成控制策略。,DD功能包括描述装置通信所需的所有信息，并且与主站无关，所以可使现场装置实现真正的互操作性,FF是Type1的一个子集。,8种现场总线的简单比较,主要应用于啤酒、食品、农业和饲养业等,主要用于航空和航天等领域,6.满足控制网络要求的协议,（1）以太网（Etherne
21、t，IEEE 802.3 CSMA/CD）。（2）令牌总线（Token Bus,IEEE 802.4）,令牌环（Token Ring,IEEE 802.5）（3）控制器局部网（CAN,CSMA/AMP）。控制网络一般基于CAN协议（如智能分布式系统,Smart Distributed System）；（4）设备网DeviceNet和令牌协议（如过程现场总线，Profibus；制造自动化协议，Manufacturing Automation Protocol；控制网，Controlnet；分布式光纤数据接口，Fiber Distributed Data Interface）。,主要MAC工作方式
22、,（1）CSMA/CD(IEEE802.3)为冲突检测载体监听多重访问，采用总线网络，其控制策略是竞争发送、广播式传输、载体监听、冲突检测、冲突后退和再试发送；（2）Token Bus(IEEE802.4)为令牌总线控制技术，总线上所有站形成一个逻辑环，令牌在总线网络上传送，收到令牌的站，决定是否发送或接收，然后再将令牌传给下一站；（3）Token Ring(IEEE802.5)为令牌环控制技术，令牌在环形网络上传送，收到 令牌的站，决定是否发送或接收，然后再将令牌传给下一站。,6.1 载波侦听多路访问,载波侦听多路访问（CSMA，Carrier Sense Multiple Access）是
23、一种适合于总线结构的具有信道检测功能的分布式介质访问控制方法，其控制手段称之为“载波侦听”。,CSMA/CD又被称之为“先听后讲，边听边讲”，其具体工作过程概括如下：,（1）先侦听信道，如果信道空闲则发送信息。（2）如果信道忙，则继续侦听，直到信道空闲时立即发送。（3）发送信息后进行冲突检测，如发生冲突，立即停止发送，并向总线上发出一串阻塞信号（连续几个字节全1），通知总线上各站点冲突已发生，使各站点重新开始侦听与竞争。（4）已发出信息的各站点收到阻塞信号后，等待一段随机时间，重新进入侦听发送阶段。,CSMA/CD发送过程流程图,6.2 令牌环网络,令牌环网络（Token-Ring）系统在19
24、85年由IBM公司率先推出。令牌环网的拓扑结构为环形，采用专用的令牌环介质访问控制方式，传输介质为屏蔽双绞线（STP）、非屏蔽双绞线（UTP）或者光纤，传输速率为4Mbps或者16Mbps。令牌环网络系统遵循IEEE802.2和IEEE802.5标准，在传输效率、实时性、地理范围等网络性能上都优于采用CSMA/CD介质访问控制方式的以太网。令牌环网络的覆盖范围没有限制，但站点数却受到一定限制。使用STP时可连接2260台设备，而使用UTP时只能连接272台设备。,6.2 令牌环访问控制方式,令牌环是一种适用于环形网络的分布式介质访问控制方式，已由IEEE802委员会建议成为局域网控制协议标准之
25、一，即IEEE802.5标准。在令牌环网中，令牌也叫通行证，它具有特殊的格式和标记。令牌有“忙（Busy）”和“空闲（Free）”两种状态。具有广播特性的令牌环访问控制方式，还能使多个站点接收同一个信息帧，同时具有对发送站点自动应答的功能。,传送过程（C发送给A）,6.2 令牌总线访问控制方式,令牌总线访问控制方式（Token-Bus）是在综合了CSMA/CD访问控制方式和令牌环访问控制方式的优点基础上形成的一种介质访问控制方式。令牌总线控制方式主要用于总线型或树型网络结构中。该方式是在物理总线上建立一个逻辑环。一个总线结构网络，如果指定每一个站点在逻辑上相互连接的前后地址，就可构成一个逻辑环
26、。如图中ABDEA（C站点没有连入令牌总线中）。,总线结构中的令牌环,返回本节,7.几个具体问题的分析,7.1 FCS与DCS的比较,FCS是在DCS的基础上发展起来的，FCS顺应了自动控制系统的发展潮流，这已是业内人士和学术界的基本共识。FCS在开放性、控制分散等诸多方面都优于传统DCS，代表着自动控制系统的发展方向与潮流。DCS则代表传统与成熟，DCS以其成熟的发展、完备的功能及广泛的应用而占居着一个尚不可完全替代的地位。,影响FCS发展、制约FCS应用的原因主要有3方面：,技术原因 商务原因 用户原因,7.2 现场总线技术与计算机通信技术的比较,现场总线是用于现场仪表和控制室系统之间的一
27、种全数字化、双向、多分支结构的计算机通信系统，计算机通信技术的发展会从各个方面影响现场总线的发展。但是，二者在基本功能、信号传输要求和网络结构上均有所不同。,(1)基本功能,计算机通信的基本功能：可靠地传递信息。现场总线的功能则是包括了更多的内容：高效、低成本地实现仪表及自控设备间的全数字化通信，以体现其经济性 解决现场装置的总线供电问题，实现性现场总线的本质安全规范，以体现其安全性；解决现场总线的环境适应性问题，如电磁干扰、环境温度、适度、振动等因素，以体现其可靠性；现场仪表及现场控制装置要尽可能地就地处理信息，不要将信息过多地在网络上往返传递，以体现现场总线技术发展趋势信息处理现场化。,（
28、2）信号传输要求,二者在速度要求上是一致的，但现场总线不仅要求传输速度快，还要求响应快，即需要满足控制系统的实时性要求。一般通信系统也会有实时性的要求，但这是一种“软”的要求，即只要大部分时间满足要求就行了。过程控制对实时性的要求是“硬”的，因为它往往涉及安全，必须在任何时间都及时响应，不允许有不确定性。,现场总线的实时性主要体现在响应时间和循环周期二个方面：,响应时间是指系统发生特殊请求或发生突发事件时，仪表将信息传输到主控设备或其它现场仪表所需的时间。这往往需要涉及：现场设备的中断和处理能力，传输时间，优先级控制等多种因素。过程控制系统通常并不要求这个时间达到最短，但它要求最大值是预先可知
29、的。过程控制系统通常需要周期性地与现场控制设备进行信息交流，循环周期是指系统与所有现场控制设备都至少完成一次通信所需的时间。这个时间往往具有一定的随机性，过程控制系统同样希望其最大值是可预知的。,现场总线通常采用以下二种技术来保证其实时性：一是简化技术。简化网络结构，现场总线一般将网络形式简化成线形；简化通信模型，一般只利用了OSI/RM中的23层；简化节点信息，通常简化到只有几字节。经过以上简化，可以极大地提高通信传递速度。二是采用网络管理技术来实现实时性，并保证其可预知性。例如:采用主-从访问方式，只要限制网络的规模，就可以将响应时间控制在指定的时间内。总而言之，实时性要求是现场总线区别于
30、一般计算机通信的主要因素。改善现场总线的实时性，减少响应时间的不确定性是现场总线的重要发展趋势。,（3）网络结构,计算机通信系统的结构是网络状的，节点间的通信路径是不固定的；大部分现场总线的结构是线 状的，节点间的通信路径是比较固定的。,如果线状结构的现场总线上某支路断开了以后，这条支路就可能完全瘫痪，而一般的网络系统则没有这种问题，信息还可以通过选择其它路由进行传递。,FB采用线状结构的原因在于：容易实现对现场仪表的总线供电。一条线状结构现场总线支路上的电源负载是确定的，沿总线电源电压的变化也是可以预料的。容易实现本安防爆规范。目前的本安防爆主导理论还是认为，电缆的分布电感、电容以及由于电磁
31、感应产生的火花能量，都是随着电缆的长度而增加。现场总线由于限制电缆的长度和总线上负载的数量，可以较好的解决本安防爆问题，同时这也对现场总线的应用产生了一定的限制。,总之：现场总线并不仅仅是一项通信技术，它是通信技术、仪表智能化技术及自动控制技术的结合产物。目前并不是所有的现场总线都满足了上述要求，但这些要求是用于过程控制的现场总线所追求的目标。,(4)系统组成,现场设备 传输介质,现场总线接口,微处理器,传感器,A/D,现场节点,工作站,现场总线,(5)工业自动化网络与办公自动化网络的区别,现代分布式系统是大量的设备按照某种操作要求连接起来的，涉及的领域包括工业自动化网络，楼宇自动化网络，办公
32、和家庭自动化网络，智能车用系统等。网络分为两种：控制网络和数据网络。数据网络：数据包大，发送频率相对比较低，常是瞬间传送大量数据，要求以高数据传送速度来传输比较大的文件。对实时性没有苛刻的限制。控制网络：控制网络在许多节点之间高频率的发送大量比较小的数据包来满足实时性的要求。因而，区分数据网络和控制网络的关键因素是看网络是否具有支持实时应用的能力。,控制网络要求确定性和可重复性。确定性是指有限制的延迟和有保证的传送，也就是说一个报文能在可预测的时间周期内成功的发送出去。可重复性是指网络的传输能力不受网络上节点的动态改变（增加节点或者删除节点）和网络负载的改变而影响。这正是普通局域网不适合作为控制网的原因。,8 现场总线技术的发展趋势,从现场总线技术本身来分析，它有两个明显的发展趋势：一是寻求统一的现场总线国际标准二是Industrial Ethernet走向工业控制网络,工业以太网的发展,国际上形成的工业以太网技术的四大阵营：主要用于离散制造控制系统的是：Modbus-IDA工业以太网Ethernet/IP工业以太网PROFInet工业以太网主要用于过程控制系统的是：Foundation Fieldbus HSE工业以太网,本讲结束,
