第3章现场总线技术概述

2007.2V2.0现场总线技术及应用教程CopyrightbyWangYonghua1本章内容3.1现场总线的产生背景3.2现场总线及现场总线控制系统的定义3.3现场总线的特点3.4现场总线的优点3.5现场总线的国际标准及其制定过程3.6现场总线与IT计算机网络的区别3.7DCS、PLC、FCS的特点和区别3.8现场总线技术的现状和发展趋势●现场总线技术概述2007.2V2.0现场总线技术及应用教程CopyrightbyWangYonghua23.1现场总线的产生背景1.时代进步的要求和技术基础技术进步的要求在信息时代的背景下，要求对生产系统实施最好的控制，要求获取更多、更好、更实时化的生产过程及设备的信息。回顾：其实从20世纪60年代的直接数字式控制系统、集中式数字控制系统，到20世纪80年代以来的计算机分布式控制系统（DCS）的盛行，无论哪一次技术变革，无不体现在对控制过程及结果的实时性、信息量、速度、精确性等要求的提高和改善，所以现场总线技术也是催生出来的技术。技术基础：3C如果没有电子计算机（Computer）技术、控制（Control）技术和通信（Communication）技术的发展，而且发展到今天这样的水平，则也不会有今天的现场总线技术。●现场总线技术概述2007.2V2.0现场总线技术及应用教程CopyrightbyWangYonghua33.1现场总线的产生背景2.技术准备现场智能设备的出现及发展随着微电子技术和大规模集成电路以及超大规模集成电路的迅猛发展，微处理器在过程控制装置、变送器、调节阀等仪器仪表中的应用和智能化程度不断增加，这些智能化的装置可实施信号采集、显示、处理、传输及优化控制等功能，有些还具有自动量程转换、自动调零、自校正、自诊断等功能，信息存储量大的智能设备还提供故障诊断报告、历史数据查询和趋势图等功能。传输技术的发展现代化的工业过程控制对控制系统及仪表装置在速度、精度、成本等诸多方面的更高要求，导致了用数字信号传输技术替代现行的模拟信号传输技术。通信技术的发展这使得传送数字化信息的网络技术在工业控制领域的广泛应用成为可能－这种现场数字信号传输网络技术就是所谓的现场总线技术。●现场总线技术概述2007.2V2.0现场总线技术及应用教程CopyrightbyWangYonghua43.1现场总线的产生背景3.技术开发和标准制定的战争技术开发由于现场总线技术给工业自动控制领域及相关产业所带来的这场必然变革，其背后必定蕴藏着无限的商机和巨大的商业利益，所以世界上所有的大的电气设备及系统制造商都投入了大量的人力、财力和物力，加入了这场激烈的围绕着现场总线标准和技术的战争。近20年来，国际上出现了200多种现场总线，其中有影响的也有几十种。标准之争每种现场总线都力争使自己成为国家或地区的总线标准，以扩张其势力范围，加强自己的竞争地位，有些总线还成立了自己的国际组织，力图在制造商和用户中创造影响。尽管国际电工委员会从1985年就开始着手制定现场总线的国际标准，但由于巨大的、潜在的国家利益和集团利益，各大公司互不相让，使得现场总线的国际标准耗时15年，而最终以妥协的方式通过。●现场总线技术概述2007.2V2.0现场总线技术及应用教程CopyrightbyWangYonghua53.1现场总线的产生背景4.过去的骄傲值得一提的是，我国是开发和使用现场总线最早的国家之一。早在1962年，为解决原子弹爆炸现场的数据收集问题，而这些数据采集点是分散在方圆十数千米范围内的，中国的技术人员想出了用一根双绞线把核爆现场的许多探测站连在一起有中控室进行控制核数据采集的方案，实现了最早的现场总线控制系统。由于军事保密以及以后其他的原因等，我国在工业现场总线技术的开发和标准制定方面并没有走在前面。●现场总线技术概述2007.2V2.0现场总线技术及应用教程CopyrightbyWangYonghua63.2现场总线及现场总线控制系统的定义1.现场总线的定义有人把它定义为应用于现场的控制系统与现场检测仪表、执行装置之间实行进行双向数字通信的串行总线系统。也有人把他称为应用于现场仪表与控制室主机系统之间的一种开放的、全数字的、双向、多点的通信系统。总之，在对现场总线的描述中，开放、全数字、串行通信等字眼是少不了的。国际电工委员会在IEC61158中给现场总线下了一个定义，我们可以认为它是关于现场战线的标准定义：安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线称为现场总线。在该定义中，首先说出了它的主要使用场合，即制造业自动化、批量流程控制、过程控制等行业，当然在楼宇自动化等行业也是它得心应手的应用场合；其次说出了系统中的主要角色是谁，即现场的自动装置和控制室内的自动控制装置，这里的现场设备或装置肯定是智能化的，不然完不成这么复杂的通信和控制任务，而控制室中的自动控制装置，即主站，更要完成对所有从站的管理和控制任务；第三点说它是一种数据总线技术，即一种通信协议，而该通信是数字式的（非模拟式的）、串行的（可以进行长距离的千米级通信，以适应工业现场的实际需求）、多点的（真正的分散控制）。这三点描述了现场总线技术中最实质性的方面。●现场总线技术概述2007.2V2.0现场总线技术及应用教程CopyrightbyWangYonghua73.2现场总线及现场总线控制系统的定义2.现场总线控制系统的定义定义：基于现场总线技术的全数字式的控制系统称为现场总线控制系统，即FCS（FieldbusControlSystem）。FCS是工业自动控制中的一种计算机局域网络，它以具有高度智能化的现场仪表和设备为基础，在现场实现彻底的分散，并以这些现场分散的测量点、控制设备点作为网络节点，将这些点以总线的形式连接起来，形成一个形成总线网络。组成：一般来说FCS由控制部分（主站）、测量部分（从站）、软件（组态、管理等）以及网络连接及集成设备组成。分析：其实说现场总线也好，现场总线控制系统也好，在大的方面，它们都是指这种应用于工业通信网络中的新的技术，在某种程度上，可能FCS更具体一些，范围更小一些。因为现在标准的现场总线有多种，每一种之间的技术协议和实现方法也有所差异，所以只要说到FCS，其实它已和某种现场总线连到了一起。因此，在我们说现场总线控制系统时，很多时候也只说现场总线。IEC61158中没有对FCS下一个明确的定义。●现场总线技术概述2007.2V2.0现场总线技术及应用教程CopyrightbyWangYonghua83.3现场总线的特点1.总体概述现场总线的特点主要体现在两方面一是在体系结构上成功实现了串行连接，一举克服了并行连接的许多不足。二是在技术上成功解决了开放竞争和设备兼容两大难题，实现了现场设备的高度智能化、互换性和控制系统的分散化。●现场总线技术概述2007.2V2.0现场总线技术及应用教程CopyrightbyWangYonghua93.3现场总线的特点2.现场总线的结构特点基础性作为工业通信网络中最底层的现场总线，往下它可以到达现场仪器仪表所处的装置、设备级，往上它可以有效地集成到Ethernet中，它构成了工业企业网络中的最基础的控制和通信环节。正是由于现场总线的出现和应用，才使得工业企业的信息管理、资源管理以及综合自动化真正到达了设备层，使真正的全方位的ERP得以实现。灵活性由于使用了高度智能化的现场设备和通信技术，在一条电缆上就能实现所有网络中信号的传递，系统设计完成或施工完成后，想去掉或增加一个或几个现场设备也是轻而易举的事情。分散性大部分控制系统的功能可以不依赖控制室的计算机而直接在现场完成，这样就实现了彻底的分散控制。●现场总线技术概述2007.2V2.0现场总线技术及应用教程CopyrightbyWangYonghua103.3现场总线的特点3.现场总线的技术特点开放性开放性包括几个方面一是指系统通信协议和标准的一致性和公开性，这样可保证不同厂家设备之间的互连和替换。二是系统集成的透明性和开放性，用户可自主进行系统设计、集成和重构。三是产品竞争的公开性和公正性，用户可以按照自己的需要，选择不同厂家的质量信誉最好，而价格又合适的任何符合系统要求的设备，来组成自己的控制系统。交互性交互性指互操作性（interoperability）和互换性（interexchangability），这里也包含几层意思。一是指上层网络与现场设备之间具有相互沟通的能力。二是指设备之间具有相互沟通的能力，即具有互操作性。三是指不同厂家的同类产品可以相互替换，即具有互换性。自治性由于将传感测量、信号变换、补偿计算、工程量处理与部分控制功能下放到了现场设备中，因此现在的现场设备具备了高度的智能化，除实现上述基本功能外，它们还能随时诊断设备的运行状态，预测潜在的故障，实现高度的自治性。适应性工业现场总线是专为在工业现场使用而设计的，所以具有较强的抗干扰能力和极高的可靠性。在特定条件下，它还可以满足安全防爆的要求。●现场总线技术概述2007.2V2.0现场总线技术及应用教程CopyrightbyWangYonghua113.3现场总线的优点1.节约硬件数量与投资由于现场总线系统中的智能设备能直接执行传感、控制、报警和计算功能，因此可减少变送器的数量，不在需要单独的调节器和计算单元等，也不再需要传统控制系统中的信号调理、转换、隔离等功能单元及其复杂接线。另外最显著的是节省大量的信号电缆，从而可以节省大笔的电缆购置费用。2.节省安装费用由于节省了大量的电缆，因而也省去了大量的接线端子、槽盒和桥架，所以现场总线控制系统中的接线变的十分简单，系统中一根电缆上可以挂接多个设备，现场不再需要为信号电缆挖掘大的电缆沟或架设庞大的电缆桥架。由于主控设备体积的大幅度缩小，控制室的面积也可减小很多。同时接线设计与校对的工作量也大大降低。当现场需要增加控制设备时，则根本无需增加新的电缆，只要就近挂接在总线电缆上即可。据有关资料介绍，仅安装费用一项就可节约60%以上。●现场总线技术概述2007.2V2.0现场总线技术及应用教程CopyrightbyWangYonghua123.3现场总线的优点●现场总线技术概述2007.2V2.0现场总线技术及应用教程CopyrightbyWangYonghua133.3现场总线的优点3.节省维护费用由于现场总线控制系统结构简单，信号电缆接线极少，从而大大减少了系统维护的工作量。另外由于现场设备具有自诊断和简单故障的处理能力，并能自动将诊断信息和设备的运行信息送往控制室，所以维护和操作人员可以及时地了解、分析和处理故障，从而缩短了系统停机维护时间。在许多场合，技术人员还可以使用现场总线系统分析软件，对系统中所有的设备及有关参数进行分析、判断，以获取需要的信息。4.提高了系统的控制精度和可靠性由于现场总线设备的智能化、数字化，和模拟信号相比，它从根本上减少了传输误差，提高了检测和控制精度。同时由于系统的结构简化，设备与接线大量减少，现场仪表及装置的功能加强，减少了信号的往返传输，从而系统工作的可靠性也大大提高。5.提高了用户的自主选择权由于现场总线的开放性，用户可以任意选择不同设备厂商的产品来组成系统，而不必考虑系统或设备是否兼容等问题，从而使用户完全掌握了系统集成的主动权。●现场总线技术概述2007.2V2.0现场总线技术及应用教程CopyrightbyWangYonghua143.5现场总线的国际标准及其制定过程1.现场总线战争因为现场总线代表了工业自动化的未来，谁占领了这个制高点谁就能在即将到来的工控革命中取胜。所以在现场总线标准的竞争中达到了白热化的地步，在上个世纪九十年代，围绕着现场总线标准的竞争有时也称为“现场总线战争”（fieldbuswars）。2.工作组组成现场总线的标准化工作早在1985年就已开始着手进行，该标准由国际电工委员会（IEC）与美国仪表学