第8章现场总线综合应用举例

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现场总线技术及控制系统应用与集成

张劲松

[文章摘要]本文介绍了现场总线的概念，说明了现场控制系统FCS作为新一代网络集成式全分布控制系统的特点及其优势，从应用的角度分析了现场总线的技术特点，针对应用现场总线的一些问题进行了探讨。并介绍了如何实现DCS与FCS 的网络集成问题。

[关键词] 现场总线、现场控制系统、网络集成、现场总线应用

概述：

随着控制、计算机、通信、网络、信息等技术的飞速发展，引起了自动化系统结构的变革，逐步形成了以网络集成自动化系统为基础的企业信息系统。现场总线的出现标志着工业控制技术领域新时代的开始。现场总线是90年代初期兴起的一种先进工业控制技术，和DCS相比是一种全数字化、全分散式、全开放、可互操作和开放式互联网络的新一代控制系统；是计算机技术，通信技术和控制技术的综合与集成;它将通信线一直延伸到生产现场生产设备，用于过程自动化和制造自动化的现场设备或现场仪表互连的现场通信网络，它将传统的DCS三层网络结构变成两层网络结构“工作站现场总线智能现场仪表”，降低了成本，提高了可靠性，实现了控制管理一体化的结构体系。目前各类现场总线产品有40多种，本文将从应用的角度出发，对现场总线系统进行分析之后，针对应用现场总线系统时工程中关心的有关问题开展讨论，介绍了如何实现DCS与FCS 的网络集成问题。

集中式于现场总线用全数字的双向通信代替了传统4-

20mA模拟信号，将点对点接线方式改用一根通信电

缆同时连接多台设备，并且还能通过总线对设备供电。因此现场总线能够极大地简化布线和降低初装成本。现场总线使现场级的控制得到加强，实现控制功能的彻底分散。它通过一套标准的通信协议，将现场设备和控制系统完善地结合在一起，以一种现场设备和控

现场总线在电力系统领域的应用

对于一个国家来说，工业发展状况在很大程度上体现了一个国家的科技水平和综合国力，因此大力发展工业是每个国家都十分重视的事情。工业的发展对科学技术不断提出新的要求，随着数字化的程度不断加深，工业运作现场与监督监测装置之间的信息互通和仪器仪表数据的实时传送等问题都成了必须要面对而且需要得到充分解决的重要问题。现场总线正是在人们对于工业通信技术的不断诉求中诞生并且迅速成长起来的。新时期的科技发展有着他本身鲜明的特点，那就是快速的产生和疾速的消亡，不断更新换代的技术就好像大自然对于物种的选择一样不断的筛选出更适宜人们生产需求的产品，从而促使着现场总线技术像当今的计算机产业一样飞速的向前发展，在越来越多的领域造福人类，为迈进工业化的脚步增添了坚定稳重。

现场总线即是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。

由现场总线的定义可知，现场总线就是一种运用于工业领域以通信为目标的具有传输信号作用的交换链，被传输的信号通常是数字形式。现场总线的网络拓扑结构可以分为环形拓扑结构、星形拓扑结构、总线型拓扑结构和树形拓扑结构。其中总线型拓扑结构如下：

图1 总线型拓扑结构

一般的总线控制系统由测量系统、控制系统、管理系统三部分组成。硬件方面他由通信介质、执行器、控制器等器件组成；软件方面他由系统平台软件和系统应用软件两部分组成。

图2 总线控制系统

正因为总线控制系统拥有如此完善和特色鲜明的控制系统，因此他被广泛的应用于制造业、流程工业、交通、楼宇、电力等方面，有关于总线的应用部分将在后面做更详细的说明。总线控制系统的组成和拓扑结构决定了他超越其他通讯方式的一些特点，使得现场总线被越来越广泛的应用到当下的工业生产和监督中。

现场总线技术在变电站综合自动化中的应用探讨

收稿日期＂０ —０ —１２８６００
第一作者简介：太（９６，河南南阳人，刘１７一）男，平顶山燃气总公司工程师。
第１７卷第５期
刘
太等：现场总线技术在变电站综合自动化中的应用探讨
４９
按站内的一次设备（主变压器、线路、母线等）分布式配置，间各隔的设备相对独立，每个间隔设置一个智能单元，采用交流采样技术采集处理电流、电压、功功率、有无功功率、有功电能、无功电能、频率等参量信号，过Ｌｎｒ通ｏＷｏｓ网络实现互联，可按信ｋ并息传递优先级同变电站层的设备（Ｃ或工作站）行通信。直Ｐ进
现总技术在变电站综合自动化中的应用探讨场线
刘太董良师２，
（、顶山燃气总公司，南平顶山，６０１２平顶山自来水公司，南平顶山，６０１１平河４７０；、河４７０）
摘要：对几种常用现场总线的原理及特点做了简要介绍，结合变电站综合自动化，重点分析了Ｌｎ０— ＷｏｓＣＮ总线在实际配电系统中的应用，ｒ和Ａｋ最后以ＦＮ２０２ｋＪ＇００２０Ｖ变电站综合自动化系统１

现场总线简介

现场总线在火电厂的应用

一、现场总线是自动化发展的必然产物

80年代末期开始发展起来的现场总线技术和产品，以及由此组成的控制系统——现场总线控制系统(FCS，Fieldbus Control System)，引发了自动控制领域的革命。进入20世纪90年代，现场总线控制系统走向实用化。

根据国际电工委员会定义：现场总线是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。

过程领域：FCS的另一个前沿是过程控制自动化，典型用户是石油化工。它是模拟量的监控，它是由DCS与PLC发展而来的。电站自动化控制属于该领域。

现场总线的基础是智能现场装置，它们遵循统一的总线协议，实现双向数字通信，具有多种智能化功能，增加现场级的信息处理和控制能力的现场装置。

目前国内可选则的总线接口的变送器、执行机构、电机启动器、超声波液位（物位）、变频器等已有很多进口和国产品牌，所以以前由于智能现场装置所限制的现场总线应用可以说目前已得到解决。

二、现场总线的优势

开放的、全数字化和双向、多站的通讯网络，与多功能的智能化现场数字仪表是FCS的主要特征，它将使自动控制系统的效能产生巨大的飞跃，同时可降低设计、施工、调试、运行、维护和系统扩展等方面的综合费用。

目前对现场总线技术优点的认识体现在以下方面：

2．1 节约成本

采用现场总线后，控制系统的电缆、端子、电缆槽、桥架的用量减少，接线及查线的工作量减少。当需要增加现场总线设备时，可就近连接在现有现场总线网段上，既节省投资，又减少设计、安装的工作量。据有关典型试验工程的测算资料表明，可节约安装费用30%以上。另外，现场总线变送器和阀门定位器在安装前无需进行单表的校验调试，安装后只需在DCS的资源管理器中检查现场总线设备的参数就能确认现场总线设备是否正常，阀门的行程可在DCS中做回路调试时再进行检查，节省了调试时间和调试费用。

第8章现场总线与工业以太网控制网络技术

NRZ编码采用频带传输。调制方式主要有CPFSK和 COFSK。现场总线传输介质主要有有线电缆、光纤和无线介质。 2．数据链路层数据链路层又分为两个子层，即介质访问控制层（MAC）和逻辑链路控制层（LLC）。MAC功能是对传输介质传送的信号进行发送和接收控制，而LLC层则是对数据链进行控制，保证数据传送到指定的设备上。现场总线网络中的设备可以是主站，也可以是从站，主站有控制收发数据的权力，而从站则只有响应主站访问的权力。关于MAC层，目前有三种协议：（1）集中式轮询协议其基本原理是网络中有主站，主站周期性地轮询各个节点，被轮循的节点允许与其他节点通信。

现场总线控制系统（FCS）与传统控制系统（如DCS）结构对比如图8-1所示。
操作站 LAN 控制站操作站 LAN CANBUS 服务器 PROFIBUS-DP 4~20mA H1 现场设备
网桥
LonWorks 现场总线现场设备
传统的模拟仪表
DeviceNet 现场总线
图8-1 FCS与DCS结构比较

现场总线是当今自动化领域发展的热点之一，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、新型全分布式的控制系统。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。

第19课现场总线技术基础 (1)

总线分类 • 传送数据方式：串行总线和并行总线 • 应用场合：芯片总线、板内总线、机箱总线、设备互连总线、现场总线等
3
测控系统总线介绍
• 用途：全局总线和本地总线 • 标准化程度：标准和非标准（专用）总线
• 总线传送信息类型：地址总线、数据总线、控制总线、电源总线、模拟信号总线及标准信号总线等。
• 由于CAN总线的特点，其应用范围目前已不仅局限于汽车行业，已经在自动控制、航空航天、航海、过程工业、机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械及传感器等领域中得到了广泛应用。
CAN总线的主要特点
• 通信速率：5kb/s（10km），1Mb/s（40m)
• 采用点对点、点对多点及全局广播多种通信方式
19
目前现场总线标准种类繁多
• 现场总线百花齐放 – 由于刚开始没有一个统一的国际标准，各企业和企业集团相继开发自己的总线产品，制定现场总线标准 – 据不完全统计，目前市场上形形式式的现场总线有200多种 – 号称为开放标准的也有二、三十种 • 现场总线国际标准IEC61158包含了10种类型 – IEC1158原技术规范、FF、HSE、P-NET、 PROFIBUS、ProfiNet、ControlNet、Swiftbus、 Interbus、WorldFIP
2011-05-13 21
三、现场总线的技术特点与优点

现场总线总结

总线基本概念部分

1、现场总线的概念P1：

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。

2、现场总线的5个发展阶段P2：

》基地式气动仪表控制系统

》电动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

》现场总线控制系统FCS

3、现场总线分类P3：

(目前现场总线产品主要是低速总线产品，应用于运行速率较低的领域，对网络的性能要求不是很高。高速现场总线主要应用于控制网内的互连,连接控制计算机、PLC 等智能程度较高、处理速度快的设备，以及实现低速现场总线网桥间的连接,它是充分实现系统的全分散控制结构所必须的。) 传感器总线和设备总线统称为现场总线；

按通信帧的长短，把数据传输总线分为：传感器总线,设备总线和现场总线；

ASI总线，传感器总线，位级数据总线；

CAN总线，设备总线，字节级数据总线；

ControlNet，PROFIBUS，Foundation Fieldbus总线，现场总线，数据块级数据总线；4、现场总线的技术特点P8:

•1.系统的开放性

•2.可操作性与互用性

•3.现场设备的智能化与功能自治性

•5。对现场环境的适应性

5、现场总线的优势与劣势P9：

优势：1.节省硬件数量与投资；2。节省安装费用;3.节约维护开销；3.用户具有高度的系统集成主动权；4.提高了系统的准确性与可靠性

劣势：网络通信中数据包的传输延迟，通信系统的瞬时错误和数据包丢失，发送与到达次序的不一致等，都会破坏传统控制系统原本具有的确定性，是的控制系统的分析和综合变得更复杂，使控制系统的性能受到负面影响。

现场总线技术在城市轨道交通综合监控中的应用

一
、
口器件完成，而应用层的功能由处统的需要。它广泛应用于发电与输ＰＲＯＦＢＵＳ。考虑到通信速率及Ｉ理器来完成。通信具有突出的可靠配电、加工自动化、路运输、铁地铁通信距离等方面的优势，备最终设
现场总线作为一种底层控制网如下。络，与现场设备直接相连，一方面将
（）Ｆ现场总线。１Ｆ基金会现场总Ｍｂｔｓｉ／时为４０，用中继器延０可ｍ
现场测量控制设备互联为通信网络，线以ＩＯＯＩＳ／Ｓ开放系统互连模型为长至１ｍ。其传输介质可以是双０ｋ实现不同网段、不同现场通信设备基础，取其物理层、数据链路层、应绞线和光缆。主要应用领域有：ＤＰ间的信息共享；同时又将现场运行用层为Ｆ通信模型的相应层次，Ｆ并型适合于加工自动化领域的应用，
２世纪８年代以来，际上信距离分别为７０ｍ和５０ｍ。物标准模型的３层结构模型：即物理００国５０
的知名大公司先后推出了几种工理传输介质可支持双绞线、光缆和层、数据链路层和应用层，网络的

现场总线技术综合概述(ppt 59页)

电动单元组合式模拟仪表: 出现控制室，可以组织复杂系统集中式数字控制系统 70\80年代Fra Baidu bibliotek数字式比模拟式精度高，计算机代替众多仪表盘集散控制系统DCS 80\90年代，集中管理，分散控制，模拟数字混合，封闭系统 • 80年代中期，现场总线控制系统FCS 网络集成式、分布式、互操作、标准化，数字式，开放系统
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现场总线技术概述
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主要内容
1.1 现场总线定义 1.2 现场总线发展现状 1.3 现场总线特点 1.4 现场总线发展趋势 1.5 现场总线应用系统
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主要内容
1.1 现场总线定义 1.2 现场总线发展现状 1.3 现场总线特点 1.4 现场总线发展趋势 1.5 现场总线应用系统
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1.1 测控领域热点技术之一的现场总线
现场总线(Fieldbus)概念：
应用在生产现场、在微机化测量、控制设备之间、实现双向、串行、多节点、数字通信的开放型、控制网络技术。
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总线将分散的有通信能力的测量控制设备作为网络节点，连接成能相互沟通信息，共同完成自控任务的控制网络。
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现场总线 —— 控制网络
工业数据通信系统：在生产设备之间传递数字信息工业数据通信是形成控制网络的基础和支撑条件，是控制网络技术的重要组成部分.
• 它是有别于计算机网络，电视、电话网络的另一类网络

现场总线(Field bus)

PROFIBUS应用
• 2.车间监控层
• 车间级监控用来完成车间中生产设备之间的连接，如一个车间三条生产线主控制器之间的连接，完成车间级设备监控。车间级监控包括生产设备状态在线监控、设备故障报警及维护等。通常还具有诸如生产统计、生产调度等车间级生产管理功能。车间级监控通常要设立车间监控室，在操作员工作站及打印设备上。车间级监控网络可采用Profibus-FMS，它是一个多主网络，在这一级，数据传输速度不是最重要的，而是要能够传送大容量信息。
• 3.工厂管理层
• 车间操作员工作站可通过集线器与车间办公管理网连接，将车间生产数据送到车间管理层。车间管理网作为主网的一个子网，通过交换机、网桥或路由器等连接到厂区骨干网上，将车间数据集成到工厂管理层。
PROFIBUS标准
• 组成部分： • 1、PROFIBUS－DP • 2、PROFIBUS－PA（Process Automation ） 3、PROFIBUS-FMS (Fieldbus Message Specification ) • 用于分散外设间的高速传输，适合于加工自动化领域的应用。
PROFIBUS
现场总线（Field bus）
现场总线技术实际上是采用串行数据传输和连接方式代替传统的并联信号传输和连接方式的方法，它依次实现了控制层和现场总线设备层之间的数据传输，同时在保证传输实时性的情况下实现信息的可靠性和开放性。一般的现场总线具有以下几个特点：（1）布线简单（2）开放性（3）实时性（4）可靠性

现场总线控制系统应用实例

一、引言

现场总线控制系统是一种基于计算机网络技术的自动化控制系统，它通过将各种现场设备与控制系统连接起来，实现数据传输和控制指令的交互。它广泛应用于工业生产、楼宇自动化、交通运输等领域，提高了生产效率和自动化程度。本文将以几个实际应用案例为例，介绍现场总线控制系统在不同领域的应用情况。

二、工业生产领域

1. 汽车制造工厂

汽车制造工厂是一个典型的工业生产场景，其中各种机械设备、传感器和执行器需要进行数据交互和控制。现场总线控制系统在汽车制造工厂中的应用可以实现设备的远程监控和控制，提高生产线的自动化程度和生产效率。例如，通过现场总线系统可以实时监测机械设备的运行状态和温度，及时采取措施防止故障发生。同时，通过控制指令可以远程控制设备的启停和调整参数，提高生产线的灵活性和适应性。

2. 石油化工厂

石油化工厂是一个复杂的工业生产场景，涉及到各种化工设备、管

道和控制系统。现场总线控制系统在石油化工厂中的应用可以实现设备的集中监控和控制，提高生产过程的安全性和稳定性。例如，通过现场总线系统可以实时监测管道的压力和流量，及时发现异常情况并采取措施。同时，通过控制指令可以远程控制设备的开关和调整工艺参数，提高生产效率和产品质量。

三、楼宇自动化领域

1. 商业综合体

商业综合体是一个集购物、娱乐、办公于一体的大型建筑群，其中涉及到多个子系统的控制和管理。现场总线控制系统在商业综合体中的应用可以实现各个子系统的集中控制和监测，提高楼宇设施的管理效率和能源利用率。例如，通过现场总线系统可以实时监测楼宇的温度、湿度和照明情况，根据需求自动调整空调和照明设备的工作状态，节约能源并提供舒适的室内环境。

现场总线技术

简介：文章介绍了现场总线技术的发展过程，分析了现场总线技术的特点及其优点，介绍了几种典型的总线技术，并对总线技术的发展趋势做了展望。

关键字：现场总线技术

现场总线（Fieldbus）是80年代末、90年代初国际上发展形成的，用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。它作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布控制系统。这项以智能传感、控制、计算机、数字通讯等技术为主要内容的综合技术，已经受到世界范围的关注，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。国际上许多实力、有影响的公司都先后在不同程度上进行了现场总线技术与产品的开发。现场总线设备的工作环境处于过程设备的底层，作为工厂设备级基础通讯网络，要求具有协议简单、容错能力强、安全性好、成本低的特点 :具有一定的时间确定性和较高的实时性要求,还具有网络负载稳定，多数为短帧传送、信息交换频繁等特点。由于上述特点，现场总线系统从网络结构到通讯技术，都具有不同上层高速数据通信网的特色。

一般把现场总线系统称为第五代控制系统，也称作FCS——现场总线控制系统。人们一般把50年代前的气动信号控制系统PCS称作第一代，把4～20mA等电动模拟信号控制系统称为第二代，把数字计算机集中式控制系统称为第三代，而把70年代中期以来的集散式分布控制系统DCS称作第四代。现场总线控制系统FCS作为新一代控制系统，一方面，突破了DCS系统采用通信专用网络的局限，采用了基于公开化、标准化的解决方案，克服了封闭系统所造成的缺陷；另一方面把DCS的集中与分散相结合的集散系统结构，变成了新型全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场。可以说，开放性、分散性与数字通讯是现场总线系统最显著的特征。

现场总线技术及其应用

总线访问子层
数据链路层物理层
ຫໍສະໝຸດ Baidu
OSI 参考模型与现场总线协议的结构
现场总线的结构
物理层

规定传输介质、传输速率、每条线可接仪表数量、最大传输距离、电源及连接方式和信号类型本安型与非本安型：网络通讯段数量、长度不同 H1b标准与4-20mA标准：设备电路不同连接的设备类型不同规定了物理层与数据层间的接口：包括数据结构、差错识别处理、噪声检查，通过帧数据的校验保证信息的正确性和完整性。控制对传输介质的访问。
用户层

现场总线的发展概况
现场总线的发展是综合自动化的发展需要

计算机集成制造系统：未来生成制造业的发展趋势。综合自动化：在信息采集、加工的基础上，运用网络和数据库技术，实现信息集成，在集成信息的基础上进一步优化生产与操作，增加产量，改善TQCS，提供企业竞争能力。传输信号的数字化：以微处理器为核心进行仪表的数字化 1984年美国仪表协会开始制定现场总线标准 1985年国际电工委员会决定由PWG负责现场总线标准研究 1986年德国开始制定过程现场总线标准 1992年80家公司开始联合，成立ISP组织 1993年120个公司组织成立FIP组织 1994年成立成立现场基金会组织FF,1996年颁布低速总线标准H1 各行业公司推出自己的标准：CAN,LonWorks。
智能仪表为现场总线的出现奠定了基础