现场总线控制系统 第一章

二、现场总线控制系统的基本结构
NT 服务器
企业管理层 （数据络） 局域网 Internet
过程监控层 （数据网络） 监控工作站 现场总线接口 现场控制层 （控制网络）
调节阀 差压变送器 差压变送器 差压变送器 温度变送器
其它工作站
现场总线网段
现场总线控制系统的体系结构
最底层是Infranet控制网（构成FCS，现场总 线控制系统），各控制节点下放分散到现场，构 成一种彻底的分布式控制系统体系结构。 网络拓扑结构可以选择总线型、星型和环型 等不同形式；通信介质不受限制，可用双绞线、 电力线、光纤、无线和红外线等多种介质。 由FCS构成的Infranet控制网很容易与Intranet （企业内部局域网）和Internet（全球信息网）互 连，形成一个完整的企业网络三级体系结构。
过程控制站 子系统
DCS的基本组成 的基本组成
四、现场总线控制系统（FCS） 现场总线控制系统（ ）
20世纪90年代后期，在DCS的基础上形成了现场总 线控制系统。
现场总线控制系统的基本结构
第二节 集散控制系统
一、DCS的结构 DCS的结构
操作人员、管理人员 集中操作和管理 数据通信 分散过程控制装置 工业生产过程 过程界面 DCS 人机界面
Type5 FF HSE现场总线（原FF的H2，FisherRosemount公司支持） Type6 Swift-Net现场总线（被撤销） Type7 WorldFIP现场总线（德国Alstom公司支持） Type8 INTERBUS现场总线（德国Phoenix Contact 公司支持） Type9 FF H1现场总线 Type10 PROFINET现场总线（实时以太网） Type11 TC net（实时以太网） Type12 EtherCAT（实时以太网） （实时以太网） Type13 Ethernet PowerLink（实时以太网） （实时以太网） Type14 EPA（实时以太网） （实时以太网）
一、模拟仪表控制系统（ACS） 模拟仪表控制系统（ ）
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：4~20mA的模拟信号标准。
r
+ -
e
模拟调节仪表
执行机构
被控对象
y
测量变送仪表 常规模拟单回路控制系统
传统控制系统的接线方式
二、直接数字控制系统（DDC） 直接数字控制系统（ ）
根据分散过程控制装置部分、集中操作和管理 系统部分、通信部分不同结构，组成不同的五类 DCS产品（略）。
第三节 现场总线控制系统
一、现场总线的基本概念
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进行双向、串行、多节点、 数字式数据交换的通信技术。（国际电工委员会， International Electrotechnical Commission，IEC） 现场总线是将自动化最底层的现场控制器和 现场智能仪表设备互连的实时控制通信网络，主 要目的是用于控制、报警和事件报告等工作。
(2) 可靠性好：数字信号 可靠性差：模拟信号 可靠性 传输抗干扰能力强， 传输不仅精度低，而 精度高。 且容易受干扰。
FCS 操作员在控制室既可以 （3）了解现场设备过现场仪 可维 表的工作情况，也能对 设备进行参数调整，还 护性 可以预测或寻找故障， 使设备始终处于操作员 的过程监控与可控状态 之中。 （4）控制功能分散在各个智 分散 能仪器中。 控制
第一章 现场总线技术概述
主要内容
自动控制系统发展及其体系结构 集散控制系统 现场总线控制系统 FCS与DCS的比较 现场总线的现状与发展 工业以太网 工业控制网络的集成
第一节 自动控制系统的发展及其体系结构
控制系统经历四个阶段：
模拟仪表控 制系统 直接数字控 制系统 集散控制系 统
现场总线控制 系统
(12)1999年6月15日，IEC执委会作出决议：修改现 有技术报告包括构筑不同框架的协议以及其所需的 服务，并且至少应包括一种其他协议，在4个月内作 为FDIS（相当于国内报批）阶段递交投票。执委会 同意省略CDV（相当于国内送审）阶段以满足目标 设定时间，若4个月后有可能准备不好文件，或在投 票阶段最后投票失败，现有的技术报告 (指FF的H1) 将转化为IEC标准。 (13)2000年1月4日，IEC中央办公室公布投票表决结 果，显示经过修改后的IEC61158己正式获得通过。 投票情况如下：95票赞成，4票反对，1票弃权 。长 达15年之久的，环绕着国际标准的现场总线大战以 妥协而告终，结果是出现了多种标准。
(1)现场总线是一项新技术，正处在“百花齐放”的 时期。 (2)新的数字技术与模拟技术相比，可以实现更多更 强大的功能。 (3)仪表和执行器层的通信在数字化后已不仅仅是物 理信号的传输，还包括了许多控制与管理的内容。 (4)仪表和执行器层的通信在数据的数量上大大增加、 内容上大大丰富了，任何规约都不能面面俱到。 (5)数字化的仪表和执行器能够满足更多领域的应用 需求，但一种规约难以满足各种不同应用的需求。 (6)功能的加强和应用领域的扩大使得产品带上了系
Type15 MODBUS-RTPS（实时以太网） （实时以太网） Type16 SERCOS I,II（现场总线） （现场总线） Type17 VNET/IP（实时以太网） （实时以太网） Type18 CC-Link（现场总线） （现场总线） Type19 SERCOS III（实时以太网） （实时以太网） Type20 HART（现场总线） （现场总线） 除上述外，还有IEC TC17B通过的3 除上述外，还有IEC TC17B通过的3种现场总线 国际标准：SDS（Smart Distributed System） 国际标准： （ System） 、Device Net、AS-I（Actuator Sensor Interface）。 （ Interface）
二、现有的现场总线国际标准
1.IEC现场总线国际标准 现场总线国际标准
国际电工技术委员会/国际标准协会（IEC/ISA） 自1984年起着手于现场总线标准工作。2000年通过 8种类型，2003年通过10种类型，至2007年 IEC61158第四版标准（IEC61158 Ed.4-2007）采纳 了经过市场考验的的20种主要类型的现场总线、工 业以太网和实时以太网。具体类型如下： Type1 TS61158 现场总线 Type2 ControlNet 和 Ethernet/IP 现场总线（美国 Rockwell公司支持） Type3 Profibus现场总线（德国Siemens公司支持） Type4 P-NET现场总线（丹麦Process Data公司支持）
20世纪70年代，数字式计算机引入到测控系统 中，进行集中式控制处理。
CRT 计算机 A/D 过程对象 DDC的结构图 的结构图 D/A
三、集散控制系统（DCS） 集散控制系统（ ）
20世纪80年代，微处理器在控制领域得到应用， 嵌入到各种仪器设备，形成分布式控制系统。
上位计算机 接口 通信网络 接口 数据通道 接口 过程控制站 子系统 操作站 接口
现场总线控制系统与传统控制系统的工程成本对比
四、现场总线的技术特点
1.系统的开放性 通信协议公开，各不同厂商的设备之间可实 现信息交换。 2.互可操作性与互用性 互连设备间、系统间的信息传送与沟通；不 同制造商性能类似的设备可进行更换，实现相互 替换。 3.现场设备的智能化与功能自治性 将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制 等功能分散到现场总线设备中完成。
三、现场总线控制系统的结构特点
现场总线控制系统与传统控制系统的结构对比
1.现场总线控制系统由于采用了现场总线设备，能 够把原先DCS系统中处于控制室的控制模块、输 入输出模块置入现场总线设备，加上现场总线设 备具有通信能力，现场的测量变送仪表可以与阀 门等执行器直接传送信号，因而控制系统功能能 够不依赖控制室的计算机或控制仪表，直接在现 场完成，实现彻底的分散。 2.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，同时又为多个现场总线 设备提供电源；现场总线设备以外不再需要A/D 、D/A转换部件。这样就为简化系统结构、节约 硬件设备、节约连接电缆与各种安装维护费用创 造了条件。
DCS 操作员在控制室既不 了解模拟仪表的工作 情况，也不能对其进 行参数调整，更不能 预测故障，导致操作 员对仪表处于“失控” 状态。 所有的控制功能集中 在控制站中。
FCS 用户可以自由选择不 （5） 同制造商提供的性能 互连与 价格比最优的现场设 备和仪表，并将不同 互操作 品牌的仪表互连，实 性 现“即插即用”。
DCS的三大组成部分 的三大组成部分
1.分散过程控制装置部分
(1)适应环境(2)分散控制(3)实时性(4)独立性
2.集中操作和管理系统部分
(1)信息量大(2)易操作性(3)安全性好
3.通信系统部分
(1)DCS中枢(2)实时性好，动态响应快，可靠性高， (1)DCS (2) 适应性强
二、DCS分类 DCS分类
(7)1993年，WorldFIP（World Factory Instrumentation protocol，世界工厂仪表协议），它基于法国的FIP， 有100多家公司参加，Honeywell公司牵头。 (8)1994年6月，ISP与WorldFIP感到两大阵营旗鼓相 当，于是握手言和，合并成为现场总线基金会 FF(Fieldbus Foundation) ，它推出的基金会现场总线 (Foundation Fieldbus) 。当时WorldFIP的北美部分参 加了现场总线基金会，但其欧洲部分仍保持独立。 (9)1994年，因FF已成立，IFC解散了。 (10)1996年12月30日，对经过改进后的链路层又进 行了一次投票表决，但还是因为与Profibus不一致而 遭到德国和一些欧洲小国家的反对，又未能通过。 (11)1998年9月30日，经过投票表决，结果是68赞成， 32反对。由于反对率又超过25，又被否决了。