现场总线控制系统的体系结构

现场总线概述1.1现场总线的现状与发展现场总线是用于现场仪表与控制系统和控制室之间的一种全分散、全数字化、智能、双向、互联、多变量、多点、多站的通信网络。按照IEC对现场总线（fieldbus）一词的定义，现场总线是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实行双向、串行、多节点数字通信的技术。这是由IEC/TC65负责测量和控制系统数据通信部分国际标准化工作的SC65/WG6定义的。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。它作为工业数据通信网络的基础，沟通了生产过程现场级控制设备之间及其与更高控制管理层之间的联系。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布式控制系统。这项以智能传感、控制、计算机、数据通信为主要内容的综合技术，已受到世界范围的关注而成为自动化技术发展的热点，并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革。是美国通用汽车公司(GM)提出的一种用于制造自动化的局域网协议。网络的骨干1.2.2现场总线控制系统的体系结构智能速度控制器：执行器条形码识别器：输入设备控制、网关上位机：监控与三层网络相连远程访问路由设备显示工作站信息量减少图3罗克韦尔推出的现场总线控制系统1.2.2现场总线控制系统的体系结构图4FFHSE网络架构（体系结构）链接设备：核心网桥、网关时间发布链路调度器31.25kbps100Mbps主机系统以太网交换机高速以太网组态、监控现场信息控制信息1.1.1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。智能设备以微处理器为核心，实施信息采集、显示、处理、传输及优化控制等功能。一些具有专家辅助推断分析与决策能力的数字式智能化仪表产品，其本身具备了诸如自动量程转换、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。另外，从实际应用的角度，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。基于现场总线的分布式控制系统（FCS），将是继DCS后的又一代控制系统。现场总线与4-20mA系统的区别？4-20mAP.S.现场总线P.S.–现场总线设备在总线上并联连接，所有设备通过总线接收、发送数字信号–现场总线设备可以向网络上其它设备提供任意多信息–总线具有循环冗余检错的(CRC)功能，可以保证接收设备获得正确数据–多节点现场总线无需点对点的布线1.1.2现场总线的本质由于标准实质上并未统一，所以对现场总线也有不同的定义。但现场总线的本质含义主要表现在以下6个方面。1．现场通信网络用于过程以及制造自动化的现场设备或现场仪表互连的通信网络。2．现场设备互连现场设备或现场仪表是指传感器、变送器和执行器等，这些设备通过一对传输线互连，传输线可以使用双绞线、同轴电缆、光纤和电源线等，并可根据需要因地制宜地选择不同类型的传输介质。3．互操作性现场设备或现场仪表种类繁多，没有任何一家制造商可以提供一个工厂所需的全部现场设备，所以，互相连接不同制造商的产品是不可避免的。现场设备互连是基本的要求，只有实现互操作性，用户才能自由地集成FCS。例如，汽车机械制造设备，电气自动化设备。4．分散功能块FCS废弃了DCS的输入/输出单元和控制站，把DCS控制站的功能块分散地分配给现场仪表，从而构成虚拟控制站。由于功能块分散在多台现场仪表中，并可统一组态，供用户灵活选用各种功能块，构成所需的控制系统，实现彻底的分散控制。5．通信线供电通信线供电方式允许现场仪表直接从通信线上摄取能量，对于要求本征安全的低功耗现场仪表，可采用这种供电方式。6．开放式互连网络现场总线为开放式互连网络，它既可与同层网络互连，也可与不同层网络互连，还可以实现网络数据库的共享。1.1.3现场总线的特点和优点1．现场总线的结构特点现场总线打破了传统控制系统的结构形式。传统模拟控制系统采用一对一的设备连线，按控制回路分别进行连接。现场总线控制系统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，如运行参数值、多个设备状态、故障信息等。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。1.2.2现场总线控制系统的体系结构离散量/模拟量输入/输出设备指示灯：状态指示光电传感器：检测开关操作员接口：输入操作命令阀和交流驱动器：执行器，输出设备变送器（传感器）：输入设备控制器：主站、从站人机界面：输入/输出设备参数、命令、显示图1-1FCS与DCS结构比较PROFIBUS-DPH1DeviceNet现场总线现场设备现场设备网桥LonWorks现场总线CANBUS服务器LAN操作站4~20mALAN传统的模拟仪表控制站操作站现场总线控制系统（FCS）与传统控制系统（如DCS）结构对比如图1-1所示。2．现场总线的技术特点（1）系统的开放性开放是指对相关标准的一致性、公开性，强调对标准的共识与遵从。（2）互可操作性与互用性这里的互可操作性，是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通，可实行点对点，一点对多点的数字通信。而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用。（3）现场设备的智能化与功能自治性它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。（4）系统结构的高度分散性由于现场设备本身已可完成自动控制的基本功能，使得现场总线已构成一种新的全分布式控制系统的体系结构。（5）对现场环境的适应性作为工厂网络底层的现场总线，是专为在现场环境工作而设计的，它可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力。3．现场总线的优点由于现场总线的以上特点，特别是现场总线系统结构的简化，使控制系统从设计、安装、投运到正常生产运行及检修维护，都体现出优越性。（1）节省硬件数量与投资由于现场总线系统中分散在设备前端的智能设备能直接执行多种传感、控制、报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的控制器、计算单元等。（2）节省安装费用现场总线系统的接线十分简单，由于一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计与接头校对的工作量也大大减少。（3）节约维护开销由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力，并通过数字通信将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行，诊断维护信息，以便早期分析故障原因并快速排除，缩短了维护停工时间，同时由于系统结构简化、连线简单而减少了维护工作量。（4）用户具有高度的系统集成主动权用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统。（5）提高了系统的准确性与可靠性由于现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的准确度，减少了传送误差。1.1.4现场总线标准的制定国际电工委员会极为重视现场总线标准的制定，早在1984年就筹备成立了IEC/TC65/SC65C/WG6工作组，开始起草现场总线标准。IEC61158标准将采用的8种类型为：Type1IEC61158（FF的H1）技术报告Type2ControlNet（美国Rockwell公司支持）现场总线Type3PROFIBUS（德国Siemens公司支持）现场总线Type4P-Net（丹麦ProcessData公司支持）现场总线Type5FFHSE（即原FF的H2，Fisher-Rosemount公司支持）现场总线Type6SwiftNet（美国波音公司支持）现场总线Type7WorldFIP（法国Alstom公司支持）现场总线Type8INTERBUS（德国PhoenixContact公司支持）现场总线从IEC61158现场总线标准长达15年的制定经历中，以及IEC各国家委员会全力以赴积极参与和激烈争论的程度来看，在数字技术时代，标准已不仅仅是一个产品的规范，它还起着引导和促进高新技术发展的特殊作用。1.1.5现场总线的现状国际电工技术委员会/国际标准协会（IEC/ISA）自1984年起着手现场总线标准工作，但统一的标准至今仍未完成。1．多种总线共存现场总线国际标准IEC61158中采用了8种协议类型，以及其他一些现场总线。每种总线都有其产生的背景和应用领域。2．每种总线各有其应用领域每种总线都力图拓展其应用领域，以扩张其势力范围。在一定应用领域中已取得良好业绩的总线，往往会进一步根据需要向其他领域发展。如PROFIBUS在DP的基础上又开发出PA，以适用于流程工业。3．每种总线各有其国际组织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，同时也想显示出其技术是开放的。4．每种总线均有其支持背景每种总线都以一个或几个大型跨国公司为背景，公司的利益与总线的发展息息相关，如PROFIBUS以Siemens公司为主要支持，ControlNet以Rockwell公司为主要背景，WorldFIP以Alstom公司为主要后台。RockwellAutomation罗克韦尔公司是世界著名的电子控制和通讯公司，年销售额达70亿美元，在工业自动化，航空电子及通讯和电子商务等领域中处于全球领先地位。罗克韦尔公司目前拥有员工约40000名，分布在全球40多个国家和地区的450多个城市。公司的全球网络使公司能够与世界各地的客户紧密合作，充分了解他们的需求，并且作为合作伙伴向他们提供先进的技术，产品和系统以及快捷可靠的服务与支持。通过以下介绍，您会更多的了解我们的公司性质，产品和服务，以及公司在全球的发展。您能了解罗克韦尔公司的品牌，公司所从事的事业，以及将来公司如何与您并肩努力来满足您在业务上的需要。公司期待着加强公司在全世界的伙伴关系。在罗克韦尔，公司为实现客户的成功而奋斗。您成功，我们也成功。董事长兼首席执行官DonH.DavisWorldFIP（法国Alstom公司支持）阿尔斯通（ALSTOM）是全球发电和轨道交通基础设施领域的领先企业，其创新环保的领先技术已成为行业的参照基准。阿尔斯通建造了世界上运行最快的列车和动力最高的全自动地铁列车。阿尔斯通还为水电、燃气、燃煤和核电等利用各类能源的发电厂提供总包整合电厂解决方案和相关服务。阿尔斯通集团是世界500强之一，在全球70多个国家和地区拥有近六万伍千名员工。2006/07财年的销售业绩达190亿欧元。5．设备制造商参加多个总线组织大多数设备制造商都积极参加不止一个总线组织，有些公司甚至参加2~4个总线组织。6．多种总线均作为国家和地区标准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。7．协调共存在激烈的竞争中出现了协调共存的前景。8．工业以太网引入工业领域工业以太网的引入成为新的热点。工业以太网正在工业自动化和过程控制市场上迅速增长，几乎所有远程I/O接口技术的供应商均提供一个支持TCP/IP协议的以太网接口，如Siemens、Rockwell、GEFanuc等，他们销售各自的PLC产品，但同时提供与远程I/O和基于PC的控制系统相连接的接口。1.4现场总线应用领域汽车总装生产线现场总线控制系统1.4现场总线应用领域1.4现场总线应用领域大豆分离蛋白现场总线控制系统1.4现场总线应用领域基于现场总线的企业能源计量系统1.4现场总线应用领域上海世博园区配电网现场总线监控系统配置图打印机后台系统站控单元GPS调度中心间隔1保护测控单元间隔2保护测控单元间隔3保护测控单元间隔n保护测控单元其它智能装置CT\PT数字量控制输出CT\PTCT\PTC