现场总线(第1讲)Fieldbus Control System,FCS

2.现场总线的发展
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Profibus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。
FCS控制层原 理图
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 4~20mA 断、报警、在线标定甚至PID运 a.包含CPU 0~10mA 算等功能…… 24VDC b.能直接数字通信 …… 传统控制系统 现场仪表 (I/O)控制器 c.具有很强的功能 一对一连接
1 现场总线的概述（FieldBus）
80年代开始
智能现场设备普遍应用
现场总线技术的初始想法：
设想全部或大部分现场设备都 具有直接进行通信的能力，并 具有统一的通信协议，只需一 根通信电缆就可将分散的现场 设备连接起来，完成对现场设 备的监控。
智能现场设备与主机系 统间待传输的信息量急 剧增加。
3C技术的发展
位于 生产控制 的底层
网络结构
通信总线在现场设备中的延伸
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1～5V或4～20mA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。
报警 操作台 显示器 打印机 计 算 机 模拟量输入通道 数字量输出通道 模拟量输出通道 数字量输出通道
直接数字控制系统原理框图
被 控 对 象
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。
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。
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。
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、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。
Ethernet/Highway Filedbus
IPC、PLC……
Controller/Getway
I/O子系统 Filedbus
……
……
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。
内 部 总 线
模拟量输入通道 模拟量输出通道 数字量输入通道 数字量输出通道
测量变送 执行机构 电气开关 电气开关 被 控 对 象
生产过程
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。
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。
模拟量输入通道 计 算 机 显示器 调节 打印机
操作指导控制系统原理图
生 产 过 程
数字量输入通道
器
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、可靠性高、适应性强。
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
包括IPC、PLC以及各种智能化的现场控制设备 基于统一、规范的通信协议 通过同一总线实现相互间的数据传输与信息共享
工艺数据 记录 显示 打印 S C C 计 算 机 给定 模拟 调节器 调节 生 产 过 程 工艺数据 记录 显示 打印 S C C 计 算 机 给定 调节 DDC 计算机 测量 生 产 过 程
测量
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。
※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；
工厂自动化信息网络分层结构：工厂管理级、车间监控级、现场设备级
工厂管理级
Plotter ASCII Printer
Data
Tower box
IBM Compatible
工厂骨干网
车间监控级
ASCII Printer
ASCII Printer
车间监控网
现场设备级
现场级网络
3.1
3.2 现场总线的结构特点
计算机 r e 控制器 D/A u 执行机构 被控对象 被控量
微机测控系统典型结 构图
生产过程 c
A/D
测量变送
微机测控系统的工作原理可归纳为以下3步： ①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。 ②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为。 ③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。 0.2.2 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 CPU 系统软件 （RTOS） 存储器 应用软件 （组态、先控） 人—机接口 0.2.4 微机测控系统的 系统支持板 特点 计算机系统 灵活性（规模、复杂度） 适应性（嵌入式）
0.3.4 分散控制系统 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。
综合信息管理级 管理 微机 网间 链接 LAN 到其它局域网
集中操作监控级
工程师 操作站
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。
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Proway Working Group负责现场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（Process Fieldbus） 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。
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。
操作员 操作站
监控 计算机
网间 链接
分散过程控制级
现场 工作站
PLC 控制器
Fra Baidu bibliotek智能 调节器
其他 装置
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。
操作站 LAN H2 H1 H1 服务器 现场设备 124 H1 网桥 H1 H1 32 现场设备 H1 32 现场设备 现场总线 现场总线 现场总线
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。