现场总线技术第一章-现场总线技术概述(第3版)课件.ppt

1、第一章现场总线技术概述现场总线技术概述主要内容主要内容o1.1 1.1 自动控制系统的发展及其体系结构自动控制系统的发展及其体系结构o1.2 DCS1.2 DCS的结构及其分类的结构及其分类o1.3 1.3 现场总线控制系统现场总线控制系统o1.4 FCS1.4 FCS与与DCSDCS的比较的比较o1.5 1.5 现场总线技术的现状及其发展前景现场总线技术的现状及其发展前景o现场总线（现场总线（Fieldbus）是是20世纪世纪90年代发展形成的年代发展形成的。用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化、家。用于过程自动化、制造自动化、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。庭自动化

2、等领域的现场设备互连的通信网络。o是现场通信网络与控制系统的集成，并由此产生新是现场通信网络与控制系统的集成，并由此产生新一代的现场总线控制系统一代的现场总线控制系统FCS（Fieldbus Control System）。）。o自动化领域的现场局域网。自动化领域的现场局域网。l现场总线技术是为了满足控制（测控）系统向现场总线技术是为了满足控制（测控）系统向 数数字化发展的需要而产生的。字化发展的需要而产生的。l 数字化的优点：信息量更丰富数字化的优点：信息量更丰富 l 控制系统的控制系统的4个发展阶段：个发展阶段：模拟仪表控制系统；模拟仪表控制系统；直接数字控制系统；直接数字控制系统；集散控

3、制系统；集散控制系统；现场总线控制系统现场总线控制系统 1.1 1.1 自动控制系统的发展及其体系结构自动控制系统的发展及其体系结构(1)(1)模拟仪表控制系统模拟仪表控制系统 Analog Control System Analog Control System o出现于出现于2020世纪世纪5050年代之前年代之前 o基地式仪表：简单测控功能基地式仪表：简单测控功能 o单元组合式仪表：统一的模拟信号，单元组合式仪表：统一的模拟信号，0.020.1MPa，010mA，15V，420mAo典型的单回路控制系统：控制算法简单典型的单回路控制系统：控制算法简单 模拟仪表控制系统模拟仪表控制系统 A

4、nalog Control System Analog Control System 常规模拟单回路调节（控制）系统常规模拟单回路调节（控制）系统 u 调节仪表调节仪表 u 测量仪表测量仪表 u 执执 行行 器器u统一的模拟信号，如统一的模拟信号，如420mADC(2)直接数字控制系统直接数字控制系统 Direct Digital Control System o出现于出现于2020世纪世纪6060年代初年代初 o随着计算机的发展和普及而得到应用随着计算机的发展和普及而得到应用 o多回路控制：控制功能增强，算法先进多回路控制：控制功能增强，算法先进 o执行机构、测量变送仪表仍采用模拟量执行机构

5、、测量变送仪表仍采用模拟量 （420mA）o需要模需要模/数（数（A/DA/D）、数）、数/模（模（D/AD/A）转换）转换 o计算机控制生产过程计算机控制生产过程DDCDDC系统的结构图系统的结构图o 用计算机代替模拟控制仪表用计算机代替模拟控制仪表 o 可实现复杂控制算法和协调控制可实现复杂控制算法和协调控制 o 缺点：控制功能集中导致危险性加大缺点：控制功能集中导致危险性加大(3)集散控制系统集散控制系统 Distributed Control System o出现于出现于20世纪世纪70年代中期年代中期 o 随着大规模集成电路和微处理器的发展和成随着大规模集成电路和微处理器的发展和成熟

6、而得熟而得 到应用到应用 o控制功能分散到多个子系统（控制站）控制功能分散到多个子系统（控制站）o组成：包括过程控制站、操作站（人机界面组成：包括过程控制站、操作站（人机界面）和通）和通 信系统信系统 o集中操作、分散控制集中操作、分散控制-集散控制系统集散控制系统o典型的典型的DCS结构结构 l操作站操作站 l 通信系统通信系统 l过程控制站过程控制站pDCS的缺点的缺点o是数字模拟混合系统是数字模拟混合系统:现场仪表使用模拟现场仪表使用模拟信号信号 o互换性差互换性差:标准不统一标准不统一 o价格贵。价格贵。(4)现场总线控制系统现场总线控制系统 Fieldbus Control Syst

7、em o出现于出现于20世纪世纪90年代后期年代后期 o在在DCS的基础上进一步数字化的基础上进一步数字化 o控制功能进一步向下（现场设备）分散控制功能进一步向下（现场设备）分散o用串行数字化接口代替测量变送仪表和执行用串行数字化接口代替测量变送仪表和执行机构机构 的模拟量接口的模拟量接口 o双向通信方式使传输信息量大大丰富双向通信方式使传输信息量大大丰富FCS的体系结构的体系结构pFCS的新特征的新特征 o FCS用现场总线替代用现场总线替代DCS中的中的I/O总线，并且总线，并且直接用直接用 于生产现场；于生产现场；o FCS用现场总线数字仪表替代用现场总线数字仪表替代DCS中的现场中的现

8、场模拟仪表，模拟仪表，实现更复杂的功能。实现更复杂的功能。1.2 DCS1.2 DCS的结构及其分类的结构及其分类一、一、DCS的结构的结构 在系统的组成结构方面，在系统的组成结构方面，DCSDCS都由三部分组成：都由三部分组成：l分散过程控制装置部分分散过程控制装置部分 l(集中集中)操作管理装置部分操作管理装置部分 l通信系统部分通信系统部分1.分散过程控制装置部分分散过程控制装置部分p 由多回路控制器、多功能控制器、可编程序逻由多回路控制器、多功能控制器、可编程序逻 辑辑控制器及数据采集装置等组成。控制器及数据采集装置等组成。p 主要功能：主要功能：分散的过程控制，是系统与过程之间的接口

9、。分散的过程控制，是系统与过程之间的接口。p 结构特征结构特征：l适应恶劣的工业生产过程环境适应恶劣的工业生产过程环境 l分散控制分散控制 l实时性实时性 l独立性独立性2.集中操作和管理系统部分集中操作和管理系统部分 o主要功能主要功能 l汇集各分散过程控制装置送来的信息，通过监视汇集各分散过程控制装置送来的信息，通过监视和操作，把和操作，把 操作和命令下送各分散控制装置。操作和命令下送各分散控制装置。(信息用于分析、研究、信息用于分析、研究、打印、存储并作为确定生打印、存储并作为确定生产计划、调度的依据。产计划、调度的依据。)o特征：特征：信息量大、易操作、容错性好等。信息量大、易操作、容

10、错性好等。o组成：组成：由操作站、管理机和外部设备（如打印机由操作站、管理机和外部设备（如打印机）等组）等组 成，相当于车间操作管理级和全厂优化及成，相当于车间操作管理级和全厂优化及调度管理级，调度管理级，实现人机接口。实现人机接口。3.通信系统部分通信系统部分 o 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。o特点特点：实时性好、动态响应快，可靠性高，适应性 强等。o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、二、DCS的结构

11、分类的结构分类o根据分散过程控制装置、集中操作和管理装置和根据分散过程控制装置、集中操作和管理装置和 通信通信系统的不同结构，系统的不同结构，DCS控制系统的分类：控制系统的分类：1.模块化控制站模块化控制站+与与MAPMAP兼容的宽带、载带局域网兼容的宽带、载带局域网+信息信息综合管理系统综合管理系统 2.2.分散过程控制站分散过程控制站+局域网局域网+信息管理系统信息管理系统 3.3.分散过程控制站分散过程控制站+高速数据公路高速数据公路+操作站操作站+上位机上位机 4.PLC+4.PLC+通信系统操作管理站通信系统操作管理站 5.5.单回路控制器单回路控制器+通信系统通信系统+操作管理站

12、操作管理站 1.3 1.3 现场总线控制系统现场总线控制系统一、现场总线的基本概念一、现场总线的基本概念p现场总线的定义现场总线的定义：一种应用于生产现场，在现场一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设设备之间、现场设 备与控制装置之间进行双向、备与控制装置之间进行双向、串行、多节点、数字串行、多节点、数字 式的数据交换的通信技术；式的数据交换的通信技术；p广义上是控制系统与现场检测仪表、执行装置进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；行双向数字通信的串行总线系统；p基于智能化仪表及现场总线的控制系统基于智能化仪表及现场总线的控制系统FCSFCS；p一种数字

13、化的串行双向通信系统。一种数字化的串行双向通信系统。二、现场总线控制系统的结构特点二、现场总线控制系统的结构特点o1.控制功能能够不依赖控制室的计算机或控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，实现了彻底的分制仪表，直接在现场完成，实现了彻底的分散控制。散控制。o2.为为简化系统结构、节约硬件设备、节约连简化系统结构、节约硬件设备、节约连接电缆接电缆 与各种安装、维护费用创造了条件。与各种安装、维护费用创造了条件。三、三、现场总线的技术特点现场总线的技术特点（1）系统的开放性）系统的开放性 l通信协议公开，各不同厂商的设备之间可实通信协议公开，各不同厂商的设备之间可实现信息

14、交换。现信息交换。（2）互可操作性与互用性）互可操作性与互用性 l互可操作性是指实现互连设备间、系统间的互可操作性是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟信息传送与沟 通；通；l互用性则意味着不同制造商性能类似的设备互用性则意味着不同制造商性能类似的设备可进行更换，可进行更换，实现相互替换。实现相互替换。（3）现场设备的智能化与功能自治性）现场设备的智能化与功能自治性 l将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到功能分散到 现场总线设备中完成。现场总线设备中完成。（4）系统结构的高度分散性）系统结构的高度分散性 l现场总线已构成一种新的全分散性控

15、制系统的现场总线已构成一种新的全分散性控制系统的体系结构，体系结构，提高了可靠性。提高了可靠性。（5）对现场环境的适应性）对现场环境的适应性 l可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线线、电力线 等多种传输介质，具有较强的抗干等多种传输介质，具有较强的抗干扰能力，采用两线制实现供电与通信。扰能力，采用两线制实现供电与通信。四、现场总线的分类四、现场总线的分类o总线总线按照按照长度分类长度分类:（1 1）毫米级毫米级：芯片内总线：芯片内总线 （2 2）厘米级厘米级：芯片间总线、元件总线：芯片间总线、元件总线 （3 3）分米级分米级：机箱内总线（：

16、机箱内总线（Multi-busMulti-bus、STDSTD、PCLPCL、ISAISA、PCIPCI等）等）（4 4）十米级十米级：机柜间总线（：机柜间总线（RS232RS232、GPIBGPIB、VMEVME、VXIVXI等）等）（5 5）千米级千米级：现场总线现场总线（FFFF、ProfibusProfibus等）等）p现场总线按照数据通信宽度分类现场总线按照数据通信宽度分类（1 1）传感器现场总线（数据宽度为位）传感器现场总线（数据宽度为位）：适用于简单的适用于简单的开关装置和输入输出位开关装置和输入输出位的这类通信：的这类通信：SeriplexSeriplex总线、总线、AS-iA

17、S-i总线等。总线等。（2 2）装置现场总线（数据宽度为字节）装置现场总线（数据宽度为字节）：适用于适用于以字节为单位以字节为单位的装置类通信：的装置类通信：InterbusInterbus总线总线、DriveNETDriveNET总线和总线和CANCAN总线等总线等。（3 3）全服务的现场总线（数据宽度为数据流或模块全服务的现场总线（数据宽度为数据流或模块BlockBlock）：以以报文通信报文通信为主，除了对装置进行读取数据外，还为主，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：包括一些对装置的操作和控制功能：FFFF总线、总线、LonworksLonworks总线、总线、

18、HartHart总线等。总线等。p现场总线按照应用行业分类现场总线按照应用行业分类（1 1）过程控制（连续生产过程）用现场总线过程控制（连续生产过程）用现场总线：FFFF的的HIHI、Profibus-PAProfibus-PA等等（2 2）离散控制用现场总线离散控制用现场总线：Profibus-DPProfibus-DP、Device-NETDevice-NET等等（3 3）楼宇自动化用现场总线楼宇自动化用现场总线：LonworksLonworks等等（4 4）车辆制造业用现场总线车辆制造业用现场总线：CANCAN等等（5 5）飞机制造业用现场总线飞机制造业用现场总线：SwiftNetSwi

19、ftNet等等（6 6）农业及养殖业用现场总线农业及养殖业用现场总线：P-NetP-Net等等1.4 FCS 1.4 FCS 与与 DCS DCS 的比较的比较 FCS相对于相对于DCS具有如下优越性：具有如下优越性：1 1FCSFCS实现全数字化通信实现全数字化通信2 2FCSFCS实现彻底的全分散式控制实现彻底的全分散式控制3.FCS3.FCS实现不同厂商产品互联、互操作实现不同厂商产品互联、互操作oFCSFCS的现场设备只要采用同一总线标准，不同厂的现场设备只要采用同一总线标准，不同厂商的产品商的产品 既可互联也可互换，并可以统一组态既可互联也可互换，并可以统一组态，从而彻底改变传统，从

20、而彻底改变传统DCS DCS 控制层的封闭性和专用控制层的封闭性和专用性。性。4.FCS4.FCS增强系统的可靠性、可维护性增强系统的可靠性、可维护性 oFCSFCS采用总线连接方式替代传统的采用总线连接方式替代传统的DCSDCS一对一的一对一的I/O 连线，减少了由接线点造成的不可靠因素。连线，减少了由接线点造成的不可靠因素。o同时，数字化的现场设备替代模拟仪表，同时，数字化的现场设备替代模拟仪表，FCSFCS具具有现场设备的在线故障诊断、报警、记录功能，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、参数修改等工可完成现场设备的远程参数设定、参数修改等工作，增强了系

21、统的可维护性。作，增强了系统的可维护性。5.FCS5.FCS降低系统工程成本降低系统工程成本o对于大范围、大规模分布式控制系统，对于大范围、大规模分布式控制系统，FCS节节省了省了 电缆、电缆、I/O装置及电缆敷设费用。装置及电缆敷设费用。FCS和和DCS的详细对比的详细对比FCSDCS结构结构一对多：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。可靠性可靠性可靠性好：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。失控状态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

22、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。FCSFCSDCSDCS控制功能控制功能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。互换性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（420mA DC），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。仪表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

23、和运算能力。模拟仪表只具有检测、变换、补偿等功能。1.5 1.5 现场总线的现状及发展前景现场总线的现状及发展前景一、现场总线标准的制定一、现场总线标准的制定o制定标准的机构制定标准的机构 世界上世界上 l国际标准化组织ISO(International Standard Organization)l国际电工委员会IEC(International Electrotechnical Commission)l国际电信联盟ITU（International Telegraphy Union）l欧洲电工标准化委员会CENELEC（欧洲标准EN）国内国内 l制订国家标准GB的组织是全国标准化委员会二、

24、现有的现场总线标准二、现有的现场总线标准 2004年年4月，月，IEC公布了现场总线标准第三版（即公布了现场总线标准第三版（即IEC 61158 Ed.3），规），规 定了定了10种类型的现场总线，分别是：种类型的现场总线，分别是：lType1 TS61158 现场总线现场总线 lType2 ControlNet 和和 Ethernet/IP 现场总线现场总线lType3 Profibus现场总线现场总线 lType4 P-NET现场总线现场总线 lType5 FF HSE现场总线现场总线 lType6 Swift-Net 现场总线现场总线 lType7 WorldFIP现场总线现场总线 lT

25、ype8 INTERBUS现场总线现场总线 lType9 FF H1现场总线现场总线 lType10 PROFInet现场总线现场总线o2006年年11月，全国工业测量和控制标准化技术月，全国工业测量和控制标准化技术委委 员会发布了中国第一个工业通信领域现场总员会发布了中国第一个工业通信领域现场总线技线技 术国家标准：术国家标准：l国家标准国家标准GB/T20540-2006 ProfibusGB/T20540-2006 Profibus规范规范 l国家标准化指导性技术文件国家标准化指导性技术文件GB/Z20541-2006 GB/Z20541-2006 ProfibusProfibus规范规

26、范三、现场总线技术的现状三、现场总线技术的现状 1.多种总线共存多种总线共存2.每种总线各有其应用领域每种总线各有其应用领域 3.每种总线各有其国际组织每种总线各有其国际组织 4.每种总线均有其支持背景每种总线均有其支持背景 5.设备制造商参加多个总线组织设备制造商参加多个总线组织 6.多种总线均作为国家和地区标准多种总线均作为国家和地区标准 7.协调共存协调共存 8.工业以太网引入工业领域工业以太网引入工业领域四、多种现场总线标准并存带来的问题四、多种现场总线标准并存带来的问题 o现场总线自出现以来，一直以开放性、全数字化、互现场总线自出现以来，一直以开放性、全数字化、互可操作性、智能化等特

27、点著称，用户对现场总线的应可操作性、智能化等特点著称，用户对现场总线的应用与推广充满信心。而现场总线标准的门户之争日见用与推广充满信心。而现场总线标准的门户之争日见白热化，多种现场总线互不兼容，不同协议的产品之白热化，多种现场总线互不兼容，不同协议的产品之间无法实现高速的实时数据传输，间无法实现高速的实时数据传输，“自动化孤岛自动化孤岛 现象现象并未真正得到解决。而且近并未真正得到解决。而且近2020年的标准之争和市场大年的标准之争和市场大战最终形成了多种标准共存的局面，这种情况无论在战最终形成了多种标准共存的局面，这种情况无论在技术层面还是市场层面都给用户带来了疑问和困惑。技术层面还是市场层

28、面都给用户带来了疑问和困惑。（1 1）多标准共存与现场总线的开放性相背离）多标准共存与现场总线的开放性相背离o 一般认为一般认为DCSDCS和和PLCPLC属于封闭性系统，而属于封闭性系统，而FCSFCS是开放性是开放性系统。但实际上系统。但实际上FCSFCS的开放性是针对自己来说是开放的，异的开放性是针对自己来说是开放的，异种现场总线之间却不是开放的。因此，多种标准现场总线种现场总线之间却不是开放的。因此，多种标准现场总线的共存使得现场总线事实上并不具备开放性的特点。的共存使得现场总线事实上并不具备开放性的特点。（2 2）多标准共存难以体现现场总线的互操作性）多标准共存难以体现现场总线的互操

29、作性 现场设备种类繁多，一个制作商不可能提供生产过程的现场设备种类繁多，一个制作商不可能提供生产过程的全部设备，用户也不希望受制于某一个制作商。互可操作全部设备，用户也不希望受制于某一个制作商。互可操作性无疑受到用户青睐，但现有的性无疑受到用户青睐，但现有的1010种现场总线国际标准中种现场总线国际标准中，不同的现场级现场总线之间是不能进行互操作的。虽说，不同的现场级现场总线之间是不能进行互操作的。虽说可以通过网关（可以通过网关（GatewayGateway）通信或通过通信或通过OPCOPC协议进行互操作协议进行互操作，但这种互操作不能直接在现场仪表间进行，而且不能满，但这种互操作不能直接在现

30、场仪表间进行，而且不能满足系统对实时性的要求。足系统对实时性的要求。（3 3）现场总线的局限性）现场总线的局限性 过程控制层过程控制层PCSPCS（Process Control SystemProcess Control System）包含了包含了现场总线；中间的制造执行层现场总线；中间的制造执行层MESMES（Manufacturing Manufacturing Execution SystemExecution System）主要用于监控、优化和调度，在管控主要用于监控、优化和调度，在管控一体化中起到承上启下的作用；最上层是企业资源规划管一体化中起到承上启下的作用；最上层是企业资源规划

31、管理层理层ERPERP（Enterprise Resource PlanningEnterprise Resource Planning）用于企业的计用于企业的计划、销售、库存、财务、人事及企业的经营、管理和决策划、销售、库存、财务、人事及企业的经营、管理和决策等。等。（4 4）多标准共存阻碍现场总线技术的推广）多标准共存阻碍现场总线技术的推广 目前的现场总线国际标准目前的现场总线国际标准IEC61158 EdIEC61158 Ed3 3规定中规定中7 7类经典现类经典现场总线，它们各具特点，但又都有不足之处，没有一种能覆场总线，它们各具特点，但又都有不足之处，没有一种能覆盖所有的应用范围。因

32、此，可以说多标准形同无标准，在这盖所有的应用范围。因此，可以说多标准形同无标准，在这种情况给仪表制造商、设计部门和用户带来了很大不便。用种情况给仪表制造商、设计部门和用户带来了很大不便。用户要随时注意国际上各种现场总线及相关技术的动态，承担户要随时注意国际上各种现场总线及相关技术的动态，承担着由国际标准的变化给用户带来的风险，这种态势使得一些着由国际标准的变化给用户带来的风险，这种态势使得一些打算进行技术改造的企业处于观望状态，这样势必影响现场打算进行技术改造的企业处于观望状态，这样势必影响现场总线技术的推广。总线技术的推广。习习 题题1.1.简述自动控制系统的发展历史。简述自动控制系统的发展历史。2.2.什么是现场总线？现场总线出现的历史背景是怎样的？什么是现场总线？现场总线出现的历史背景是怎样的？3 3.与与DCSDCS系统相比，系统相比，FCSFCS有哪些特点？有哪些优越性？有哪些特点？有哪些优越性？4 4.分析现场总线的现状，展望其发展前景。分析现场总线的现状，展望其发展前景。