现场总线与数据通信基础
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风险高度集中
控制系统体系结构演变
4、集散控制系统（DCS）
随着计算机可靠性的提高和价格的下降，自控领域 又出现了新型控制方案——集散控制系统，它由数 字调节器、可编程控制器（PLC）以及多台计算机 构成，当一台计算机出故障时，其他计算机立即接 替该计算机的工作，使系统继续正常运行。在集散 系统中系统的风险被分散到多台计算机承担，避免 了集中控制系统的高风险，提高了系统的可靠性。 因此，它被工业生产过程广泛接受，这就是今天正 在被许多企业采用的DCS系统。在DCS系统中，测 量仪表、变送器一般为模拟仪表，控制器多为数字 式，因而它又是一种模拟数字混合系统。
全性好 低带宽
信息化与自动化层次
信息层 控制层 设备层
各类局域网802（IEEE），TCP/IP
实现控制系统网络化，容许符合标准的设备 方便接入。
传感器、I/O部件、变送器、阀门、驱动器 等，各设备厂商遵循公认的标准，设备可互 操作。
三层网络的特点
信息层（管理层）
高速报文传送 高容量数据共享
现场总线系统设计
现场总线概念
定义：现场总线（Fieldbus）是指将现场设备（如 数字传感器、变送器、仪表与执行机构等）与工业 过程控制单元、现场操作站等互连而成的计算机网 络，具有全数字化、分散、双向传输和多分支的特 点，是工业控制网络向现场级发展的产物。
自控领域的局域网，控制现场的底层网络。
控制层
支持I/O信息，报文的传输和诊断功能 开放性技术 能够设置信息的优先级 支持多主、广播和点对点 (Peer-to-Peer) 的通信方式 高速I/O信息和报文的传送 有效地数据共享 确定性和可重复性 (Determinism & Repeatability)
设备层
有类似于控制层的要求，但更强调降低安装费用、系统调试时间。
大部分是一对一 一般要求
控制网络的技术特点
要求有高实时性与良好的时间确定性； 传送信息多为短帧信息，且信息变换频繁； 容错能力强，可靠性、安全性好； 网络协议简单实用，工作效率高； 网络结构具有高度分散性； 控制设备的智能化与控制功能的自治性高； 与信息网络之间有高效率的通信，易于实现
控制系统体系结构演变
2、模拟仪表控制系统（PCS、ACS）
60年代至70年代后期，先后出现了以电子管、晶 体管、集成电路为核心的气动和电动单元组合式仪 表两大系列。它们分别以压缩空气和直流电源作为 动力，用于对防爆要求较高的化工生产和其他行业， 防爆等级为本质安全型，并以气压信号0.02MPa～ 0.1MPa，直流电流信号0mA～10mA、4mA～ 20mA，直流电压信号0V～5V，1V～5V等作为仪 表的标准信号，在仪表内部实行电压并联传输，外 部实行电流串联传输，以减小传输过程的干扰。
封闭
控制系统体系结构演变
5、现场总线控制系统（FCS）
现场总线控制系统突破了DCS通信由专用网络的 封闭系统来实现所造成的缺陷，把基于封闭、专 用的解决方案变成了基于公开化、标准化的解决 方案，即可以将来自不同厂商而遵守同一协议规 范的自动化设备通过现场总线控制系统把DCS集 中与分散结合的集散系统结构变成了新型全分布 式系统结构，把控制功能彻底下放到现场。
控制系统体系结构演变
3、集中式数字控制系统（CCS）
模拟信号的传递需要一对一的物理连接，信号变化缓慢， 提高计算速度与精度的开销、难度都较大，信号传输的 抗干扰能力也较差，因此，80年代初人们开始寻求用数 字信号取代模拟信号，研制出直接数字控制（Direct Digit Control，DDC）系统，用数字计算机代替控制室内 的仪表来完成控制系统功能。由于数字计算机价格昂贵， 人们总是用一台计算机取代控制室的所有仪表，于是出 现了集中式数字控制系统。这样，解决了信号传输及抗 干扰问题。
控制系统体系结构演变
控制系统体系结构演变
1、初级控制系统
20世纪50年代以前，由于工业生产规模较小，各 类检测、控制仪表处于发展的初级阶段，生产设备 以机械设备为主，所用的设备主要是安装在生产现 场、具有简单测控功能的基地式仪表，信号基本上 都是在本仪表内起作用（主要是显示功能），一般 不能传送给别的仪表或系统，各测控点为封闭状态， 无法与外界沟通信息，操作人员只能通过对生产现 场的巡检来了解生产过程的运行状况。
现场总线拓扑结构
星型
传输介质类型
传输介质
有线传输介质
无线传输介质
双绞线 同轴电缆 光纤
微波 卫星通信 红外线等
非 屏细 粗 单 多 屏 蔽 蔽缆 缆 模 模
传输介质比较
现场总线的特点
全数字通信 多分支结构 系统的开放性 交互性 现场设备的智能化和功能自治性 系统结构的高度分散性 对现场环境的高度适应性 多为短帧传送，实时性强，可靠性高，安
现场总线具有较高的测控性能，一是得益于仪表 的智能化，二是得益于设备的通信化。
控制网络 vs. 信息网络
数据传输
传输的及时性、 响应的实时性
完整性 可靠性 通信方式
互操作性
wk.baidu.com
控制网络 0.01~0.5s
恶劣环境也能保证 可广播或组播 必须解决
信息网络 2.0~6.0s （大部分甚至可忽略）
非恶劣环境
与信息网络的集成； DCS、FCS均属控制网络的范畴。
控制系统体系结构演变
控制器
远程传感器 和执行机构
集中控制
工控机
控制器 . . . 控制器
远程传感器 和执行机构
集散控制
现场总线 智能自治节点
现场总线控制
控制系统测控能力
现场智能仪表内部结构模型
4～20mA标准
现场总线标准
现场总线拓扑结构
典型现场总线简介
基金会现场总线（Foundation Fieldbus，FF）
1994年，由ISP和WorldFIP两大集团合并成立现场总 线基金会，拥有120多个成员如AB、ABB、Honeywell 等。
采用 ISO/OSI物理层，数据链路层和应用层，增加了 用户层。
有低速（H1，31.25kb/s,200m，400m，1200m， 1900m）与高速（H2，1Mbps, 2.5Mpbs,750m,500m） 之分，H2逐渐被HSE（100Mb/s，甚至更高）取代。
控制系统体系结构演变
4、集散控制系统（DCS）
随着计算机可靠性的提高和价格的下降，自控领域 又出现了新型控制方案——集散控制系统，它由数 字调节器、可编程控制器（PLC）以及多台计算机 构成，当一台计算机出故障时，其他计算机立即接 替该计算机的工作，使系统继续正常运行。在集散 系统中系统的风险被分散到多台计算机承担，避免 了集中控制系统的高风险，提高了系统的可靠性。 因此，它被工业生产过程广泛接受，这就是今天正 在被许多企业采用的DCS系统。在DCS系统中，测 量仪表、变送器一般为模拟仪表，控制器多为数字 式，因而它又是一种模拟数字混合系统。
全性好 低带宽
信息化与自动化层次
信息层 控制层 设备层
各类局域网802（IEEE），TCP/IP
实现控制系统网络化，容许符合标准的设备 方便接入。
传感器、I/O部件、变送器、阀门、驱动器 等，各设备厂商遵循公认的标准，设备可互 操作。
三层网络的特点
信息层（管理层）
高速报文传送 高容量数据共享
现场总线系统设计
现场总线概念
定义：现场总线（Fieldbus）是指将现场设备（如 数字传感器、变送器、仪表与执行机构等）与工业 过程控制单元、现场操作站等互连而成的计算机网 络，具有全数字化、分散、双向传输和多分支的特 点，是工业控制网络向现场级发展的产物。
自控领域的局域网，控制现场的底层网络。
控制层
支持I/O信息，报文的传输和诊断功能 开放性技术 能够设置信息的优先级 支持多主、广播和点对点 (Peer-to-Peer) 的通信方式 高速I/O信息和报文的传送 有效地数据共享 确定性和可重复性 (Determinism & Repeatability)
设备层
有类似于控制层的要求，但更强调降低安装费用、系统调试时间。
大部分是一对一 一般要求
控制网络的技术特点
要求有高实时性与良好的时间确定性； 传送信息多为短帧信息，且信息变换频繁； 容错能力强，可靠性、安全性好； 网络协议简单实用，工作效率高； 网络结构具有高度分散性； 控制设备的智能化与控制功能的自治性高； 与信息网络之间有高效率的通信，易于实现
控制系统体系结构演变
2、模拟仪表控制系统（PCS、ACS）
60年代至70年代后期，先后出现了以电子管、晶 体管、集成电路为核心的气动和电动单元组合式仪 表两大系列。它们分别以压缩空气和直流电源作为 动力，用于对防爆要求较高的化工生产和其他行业， 防爆等级为本质安全型，并以气压信号0.02MPa～ 0.1MPa，直流电流信号0mA～10mA、4mA～ 20mA，直流电压信号0V～5V，1V～5V等作为仪 表的标准信号，在仪表内部实行电压并联传输，外 部实行电流串联传输，以减小传输过程的干扰。
封闭
控制系统体系结构演变
5、现场总线控制系统（FCS）
现场总线控制系统突破了DCS通信由专用网络的 封闭系统来实现所造成的缺陷，把基于封闭、专 用的解决方案变成了基于公开化、标准化的解决 方案，即可以将来自不同厂商而遵守同一协议规 范的自动化设备通过现场总线控制系统把DCS集 中与分散结合的集散系统结构变成了新型全分布 式系统结构，把控制功能彻底下放到现场。
控制系统体系结构演变
3、集中式数字控制系统（CCS）
模拟信号的传递需要一对一的物理连接，信号变化缓慢， 提高计算速度与精度的开销、难度都较大，信号传输的 抗干扰能力也较差，因此，80年代初人们开始寻求用数 字信号取代模拟信号，研制出直接数字控制（Direct Digit Control，DDC）系统，用数字计算机代替控制室内 的仪表来完成控制系统功能。由于数字计算机价格昂贵， 人们总是用一台计算机取代控制室的所有仪表，于是出 现了集中式数字控制系统。这样，解决了信号传输及抗 干扰问题。
控制系统体系结构演变
控制系统体系结构演变
1、初级控制系统
20世纪50年代以前，由于工业生产规模较小，各 类检测、控制仪表处于发展的初级阶段，生产设备 以机械设备为主，所用的设备主要是安装在生产现 场、具有简单测控功能的基地式仪表，信号基本上 都是在本仪表内起作用（主要是显示功能），一般 不能传送给别的仪表或系统，各测控点为封闭状态， 无法与外界沟通信息，操作人员只能通过对生产现 场的巡检来了解生产过程的运行状况。
现场总线拓扑结构
星型
传输介质类型
传输介质
有线传输介质
无线传输介质
双绞线 同轴电缆 光纤
微波 卫星通信 红外线等
非 屏细 粗 单 多 屏 蔽 蔽缆 缆 模 模
传输介质比较
现场总线的特点
全数字通信 多分支结构 系统的开放性 交互性 现场设备的智能化和功能自治性 系统结构的高度分散性 对现场环境的高度适应性 多为短帧传送，实时性强，可靠性高，安
现场总线具有较高的测控性能，一是得益于仪表 的智能化，二是得益于设备的通信化。
控制网络 vs. 信息网络
数据传输
传输的及时性、 响应的实时性
完整性 可靠性 通信方式
互操作性
wk.baidu.com
控制网络 0.01~0.5s
恶劣环境也能保证 可广播或组播 必须解决
信息网络 2.0~6.0s （大部分甚至可忽略）
非恶劣环境
与信息网络的集成； DCS、FCS均属控制网络的范畴。
控制系统体系结构演变
控制器
远程传感器 和执行机构
集中控制
工控机
控制器 . . . 控制器
远程传感器 和执行机构
集散控制
现场总线 智能自治节点
现场总线控制
控制系统测控能力
现场智能仪表内部结构模型
4～20mA标准
现场总线标准
现场总线拓扑结构
典型现场总线简介
基金会现场总线（Foundation Fieldbus，FF）
1994年，由ISP和WorldFIP两大集团合并成立现场总 线基金会，拥有120多个成员如AB、ABB、Honeywell 等。
采用 ISO/OSI物理层，数据链路层和应用层，增加了 用户层。
有低速（H1，31.25kb/s,200m，400m，1200m， 1900m）与高速（H2，1Mbps, 2.5Mpbs,750m,500m） 之分，H2逐渐被HSE（100Mb/s，甚至更高）取代。