现场总线控制系统设计
现场总线控制系统的组成及特点
现场总线控制系统的组成及特点一、现场总线控制系统的概念（FCS）现场总线控制是工业.aspx”title=“设备”style=“text-decoration:underline;color:blue”>设备自动化控制的一种计算机局域网络。
它是依靠具有检测、控制、通信能力的微处理芯片，数字化仪表（设备）在现场实现彻底分散控制，并以这些现场分散的测量，控制设备单个点作为网络节点，将这些点以总线形式连接起来，形成一个现场总线控制系统。
它是属于最底层的网络系统，是网络集成式全分布控制系统，它将原来集散型的DCS 系统现场控制机的功能，全部分散在各个网络节点处。
为此，可以将原来封闭、专用的系统变成开放、标准的系统。
使得不同制造商的产品可以互连，是DCS 系统的更新换代，大大简化系统结构，降低成本，更好满足了实事性要求，提高了系统运行的可靠性。
不同通信协议的现场总线控制系统一般通过工业PC 机内总线插槽的PC 接口板与现场总线网段连接。
二、现场总线控制系统的组成现场总线控制系统由测量系统、控制系统、管理系统三个部分组成，而通信部分的硬、软件是它最有特色的部分。
1、现场总线控制系统：它的软件是系统的重要组成部分，控制系统的软件有组态软件、维护软件、仿真软件、设备软件和监控软件等。
首先选择开发组态软件、控制操作人机接口软件MMI。
通过组态软件，完成功能块之间的连接，选定功能块参数，进行网络组态。
在网络运行过程中对系统实时采集数据、进行数据处理、计算。
优化控制及逻辑控制报警、监视、显示、报表等。
2、现场总线的测量系统：其特点为多变量高性能的测量，使测量仪表具有计算能力等更多功能，由于采用数字信号，具有高分辨率，准确性高、抗干扰、抗畸变能力强，同时还具有仪表设备的状态信息，可以对处理过程进行调整。
3、设备管理系统：可以提供设备自身及过程的诊断信息、管理信息、设。
基于现场总线控制的建筑智能化设计
普通建筑
￥ ５０ ０ ７ ，０
部分集成建筑
￥ ８ｏ ｏ ７ｏ ３， ｏ
修改、 升级和添加
运 转 和 维 护
￥２ ， ９ １９ ７ ３
￥ １ ５ ２， ０ ２
￥２， ９ １６ ７ ３
￥ ，５ ５２ ０
￥ ８ ５ ８， ２ ０
￥ ．５ ３７ ０
Ｗｏｋ 和 Ｂ Ｃ ｅ 对 比总 线 技 术 中 的其 他 技 术 优 势 在 于 具 体 有 ｒｓ Ａ ｎｔ
２ 设计与 实用性
现阶段的建筑智 能化设计 以满足 建筑维护及客户 的需求， 择优性价 比高的智 能化技术和 智能化产 品进行系统集成，并未
有突 出系 统集 成 的重 点 。 当今 形 势 下 的智 能 建 筑 集成 应 该 以节
设 备 、 统 、 料 、 间使 用 、 工 、 为感 官 等 多方 面 的 综 合 考 系 材 空 施 人
可少 。 普通建筑 、 部分集成建筑与完全集成建筑的生命周期花费
比较 （ １ ： 表 ）
表 １ 普通建 筑、 部分集成建筑与完全集成建筑 的生命周期花费 比较
生命周期花费部分
对 比首 次 成 本
各系统中硬件通过数字信 号得 以灵活控制，又可 以将整个系统 的实用性赋 予前瞻性的剖析 。
如何缩小智能化系统设计与实用性的脱节也是设计时最应 注意的问题 ， 由于现阶段多方面 的因素 的影响， 使得智 能化设计 与施工还没有一整套十分成熟的技术，首要重点应该在确保经 济、 实用的同时， 考虑节能、 环保的设计 。
虑 。多方面因素的影响就会难 以避 免的造成智能化设计与智能 化系统的实用性相脱节 ： 系统设计过于冗繁， 集成工 作量庞大 ， 且远超过建筑所需控制范 围； 网络主干、 集成控制技术部分设计 缺少可扩性、 开放性和灵活性 ， 无法 为建筑未来可能需要的系统 扩充奠定 良好的基础 。 而现场控制总线技术是很好的标杆 ， 帮助 衡量建筑 中各系统的协调和集 中管理 ，本质在于现场总线技术 是集计算机 自控技术 、 通信技术、 集成 电路技术及智能传感技术 的综合，基于现场总线控制技术 的 自动化系统网络结构即能使
低耦合现场总线控制系统设计与实现
Ｉ
Ｉ
ｌ
合、 易 于实现和应用开发 的 Ｆ Ｃ Ｓ 。该 系 统 的 核 心 服 务 器 以 Ｐ Ｃ为 平 台设 计 ， 运用 数据库技术管理系统监控 信息 ， 选 用
ｍｏ ｄ ｂ ｕ ｓ 协 议 现 场 总线 ， 远程监控设备采用客 户机／ 服 务 器
ｌ ： 潞 ０ ０ １ ｌ Ｉ ： 璐 ０ ０ ２ ｌ ｌ ：
ＦＣ Ｓ服 务器 设 计 。ＦＣ Ｓ服 务 器 基 于 Ｐ Ｃ平台设计 ， 其 主 要
１ 低 耦 合 现 场 总 线 控 制 系统 总体 结构 设 计
该 Ｆ Ｃ Ｓ系统 采 用 操 作 站 一 现 场 智 能 设 备 的二 层 结 构 模式 ， 连接 这 两 层 设 备 的 是 Ｆ Ｃ Ｓ服 务 器 ， 如 图 １所 示 。 Ｆ Ｃ Ｓ服 务 器 下 接 ｍｏ ｄ ｂ ｕ ｓ 通信 协议 现场总 线 ， 上 接 局 域 网
～
基于Ｐ Ｃ平 台
Ｆ Ｃ Ｓ 服 务 器
要求 ， 但Ｆ Ｃ Ｓ核 心 服 务 器 设 备 成 本 较 高 ， 操 作 站 监 控 界
ＭＯＤＢ Ｕ Ｓ 协 议 总 线
面开发专业性强 ， 给 中小 型 Ｆ ＣＳ的 广 泛 应 用 带 来 了 一 定 困难 。针 对 这 种 情 况 ， 本文设 计 实现 了一种 全开放 、 低 耦
图 １ 现 场 总线 控 制 系统 结 构
模 式 。应 用 开 发 者 只需 面 向数 据 库 独 立 开 发 所 需 的 监 控
界面即可进行监控 。
２ 基于 Ｐ Ｃ平台的 Ｆ Ｃ Ｓ服务 器 设 计
低耦 合 现 场 总 线 控 制 系 统 设 计 的 核 心 内 容 是 低 耦 合
第１ ３ 卷 第１ 期
现场总线控制系统的设计与应用
Ｏ 引 吾 生产 过 程控 制 在经 历 了 自动 控制 、集 中控 制 与分 散
用户在任何地方都可 以通过Ｉ Ｎ Ｔ Ｅ Ｒ Ｎ Ｅ Ｔ ￣生产过程进行远程 系统组态 、调试和故障诊断 。
控 制之后 ，随着控制技 术 、计算 机技术 、通信 技术 以及 网 络技 术 的快速 发展 ，上世 纪八十 年代 ｍ现 的基 于现场 总线
的控 制系统 在近几年 内 日趋完善 。现场总线 技术 自推 广以 来 ，已经在全 世界范 围内应用于 冶金 、汽 车制造 、石油化
ｃ ｏ ｎ ｖ ｅ ｎ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ａ ｎ ｄ ｅ ｌ ａ ｂ ｏ ｒ ａ ｔ ｅ ｄ Ｆ Ｆ ｓ ｏ ｍｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｐ ｒ ｏ ｂ ｌ ｅ ｍｓ ， ａ ｓ ｗｅ ｌ ｌ ａ ｓ ａ ｄ ｖ ａ ｎ ｔ ａ ｇ ｅ ｓ ａ ｎ ｄ ｄ ｉ ｓ ａ ｄ ｖ ａ ｎ ｔ ａ ｇ ｅ ｓ ｉ ｎ ｈｅ ｔ ｐ ｒ ｏ ｊ ｅ ｃ ｔ ．
ｌ 现 场 总线 技 术 简 介
现场 总线是一种 连接智能仪 表和 自动 化系统 间双 向和 多支路 的数 字通讯 系统 。它应用 于过程控 制的现场 设备 的 局 域 网 ，并通过此 网络建立起一 种具有控 制现场智 能设备
能 力 的 系统 。
即现场设 备都接在 主干 电缆上 。在实 际应用 中这 四种结构
ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ， Ｆ Ｆ ｗｉ ｒ ｉ ｎ ｇ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ， Ｓ ｉ ｍｕ ｌ ｔ ａ ｎ ｅ ｏ ｕ ｓ ｌ ｙ ｉ ｎ ｔ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｅ ｄ ｈｅ ｔ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｃ ｅ ｓ ｂ ｅ ｔ ｗｅ ｅ ｎ ｈｅ ｔ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｏ ｆ ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｎ ｄ ｈｅ ｔ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍｓ ｗｉ ｈ ｔ
现场总线及其所组成的控制系统
３现场 总线 企 业 网
现场 总线 以其所 具有 的开放 性 ，网络 化等 优点 ， 使 它与 Ｉｔ ｎ ｔ ｎｒ ｅ 的结合 成 为可能 ，也是今 后控 制系统 ｅ 的 发 展 方 向 。 而 企 业 内 部 网络 系 统 Ｉｔ ｎ ｔＩｔ — ｎｒ ｅ ｎｅ ａ — ｒ
现场 总线 控制 系统 就是 以现场 总线技 术为核 心 ，
并 根据 实 际需 要进 行 简化 了 的体 系结构 系统 ，主要
包 括 物理层 、数据 链路 层 、应 用层 和用 户层 。它 具
以基 于现 场总 线 的智 能 Ｉ ／ 智 能传 感 器 、智 能 仪 ０或 表 为控 制 主体 、以计 算 机为 监控 指挥 中心 的系统 编 程 、组 态 、维 护 、监 控 等功 能 为 一 体 的Ｔ 作 平 台 。 当前 ，模 拟信 号 电缆用 高 容量 的现 场 总线 网络 ，已 被 以现场 总线 为基 础 的全数 字 控制 系统 所代 替 ，有 效减 轻 了现场 信号 电缆 连接 的费用 和 ＿作量 ，提高 Ｔ
Ａｂ ｔａ ｔ Ｔ ｅｐ ｐ ｒｉｔ ｄ ｃ ｄ ｂ ｉｆ ｅｓ ｕ ｔ ｒｌ ｈ ｒ ｃｅｉｔ ｓ ｃ ｍｐ ｓｔ ｎ ａ ｄｅ ｔｒ ｒ ｅｎ ｔ ｏ ｋｏ ｅｄ ｂ ｓ ｏ ｔ ｌ ｓ ｃ ： ｈ ａ ｅ ｒ ｕ ｅ ｒｅ ｙｔ ｔ ｃｕ ａ ａ ａ ｔｒ ｉ ， ｏ ｏ ｉ ｏ ｎ ｎ ｅｐ ｉ ｅｗ ｒ ｆ ｌ ｕ ｎｒ ｒ ｎｏ ｌ ｈ ｒ ｃ ｓｃ ｉ ｓ ｉ ｆ ｃ ｏ ｓ ｓ ｍ， ｎ ｔ ｃ ｒ ｃ ｎ ｌｇ ｎ ｐ ｌ ａｉｎｗａ ｅ ｅａｓ ｉ ｅ ． ｙ ｔ ａ ｄｉ ｏ ｅｔ ｈ ｏｏ ｙ ａ ｄ ａ ｐ ｉ ｔ ｙｗ ｒ ｌｏｇｖ ｎ ｅ ｓ ｅ ｃ ｏ Ｋｅ ｒ ｓ ｆ ｌ ｕ ；ｔ ｃｕ ａ ｈ ｒｃｅ ｉｔ ｓｅ ｔｒ ｒ ｅｎ ｔ ｏ ｋ ａ ｐ ｉａｉｎ ｙｗｏ ｄ ： ｅｄ ｂ ｓ ｒ ｔｒ ｌ ａ ａ ｔｒ ｉ ； ｅ ｐ ｓ ｅｗ ｒ ：ｐ ｌ ｔ ｉ ｓｕ ｃ ｓｃ ｎ ｉ ｃ ｏ
现场总线控制系统(FCS)
现场总线控制系统（FCS）随着复杂过程工业的不断发展，工业过程控制对大量现场信号的采集、传递和数据转换以及对精度、可靠性、管控一体化都提出了更新、更高的要求。
现有的DCS已不能满足这些要求；况且现有的DCS具有诸如控制不能彻底分散、故障相对集中、系统不彻底开放、成本较高等缺点。
于是通过数字通信技术、传感器技术和微处理器技术的融合，把传统的数字信号和模拟信号的混合系统变成全数字信号系统，从而产生了新一代的控制系统FCS。
1、智能传感器和现场总线是组成FCS的两个重要部分FCS用现场总线在控制现场建立一条高可靠性的数据通信线路，实现各智能传感器之间及智能传感器与主控机之间的数据通信，把单个分散的智能传感器变成网络节点。
智能传感器中的数据处理有助于减轻主控站的工作负担，使大量信息处理就地化，减少了现场仪表与主控站之间的信息往返，降低了对网络数据通信容量的要求。
经过智能传感器预处理的数据通过现场总线汇集到主机上，进行更高级的处理(主要是系统组态、优化、管理、诊断、容错等)，使系统由面到点，再由点到面，对被控对象进行分析判断，提高了系统的可靠性和容偌能力。
这样FCS把各个智能传感器连接成了可以互相沟通信息，共同完成控制任务的网络系统与控制系统，能更好地体现DCS中的'信息集中，控制分散'的功能，提高了信号传输的准确性、实时性和快速性。
以现场总线技术为基础，以微处理器为核心，以数字化通信为传输方式的现场总线智能传感器与一般智能传感器相比，需有以下功能：共用一条总线传递信息，具有多种计算、数据处理及控制功能，从而减少主机的负担。
取代4-20mA模拟信号传输，实现传输信号的数字化，增强信号的抗干扰能力。
采用统一的网络化协议，成为FCS的节点，实现传感器与执行器之间信息交换。
系统可对之进行校验、组态、测试，从而改善系统的可靠性。
接口标准化，具有'即插即用'特性。
现场总线智能传感器是未来工业过程控制系统的主流仪表，它与现场总线组成FCS的两个重要部分，将对传统的控制系统结构和方法带来革命性的变化。
现场总线控制系统工程设计问题考虑
采 用什 么样 的系统结 构配 置 需要考虑 两 方面 问题 。 １ 系统 结构形 式 ） ８ 系统是 否分层 ，分为几层 ，车间层 是否 需要 监控？ ．
ｂ 系统 有无 从 站 ，有 多 少从 站及 如何 分布 ，从 站 设备 如 ． 何 连 接 ，现场 设 备是 否具 有 总线 接 口，可否 采用 分散 式 Ｉ 连 接 ／ Ｏ 从 站 等 。这 需 根据 现场 设 备 的地 理 分布 进 行 分组 ，并确 定 从 站 数 目及其 功 能的划 分。 Ｃ 系 统 有无 主站 及其 数 量 、 分布 和连 接 如何 ？ 这 需根 据 ． 系统可 靠性要 求及 工程费 用情 况决定 。 ２ 总 线类 型选择 ） ａ 根据 系统 是离 散控 制 还 是流 程控 制 ，以及 系统 控 制 要 ． 求 研 究不 同现 场 总 线 的技 术特 点 ，结合 控 制 需要 选 择相 应 的 现 场 总线技 术。 ｂ 根据 系统 对 实 时性 的 要 求 以及 传 输距 离 ，决定 现 场 总 ． 线 的数据传 输速 率 、供 电方式等 。 ｃ 确 定是 否需 要车 间级监 控和 监控 站。 ． ｄ 根据 系统 可 靠性 要 求 ，结 合工 程经 费 ，决定 主 站形 式
４ 其他 ．
现场 总 线工 程 还应 结 合项 目特 点 ，考 察 各种 现 场总 线控 制 系 统市 场 占有率 和 价格 、智 能仪 表 及 电源 配套 程 度 、技 术 支持 和 售后 服 务水 平 、 系统 兼 容性 及 接 口的难 易程 度 等 ，进 行全 面 分析 选择 。 对 于 跨 国项 目 ，还 应 考虑 项 目所在 国的经 济 发 展水 平 、是 否受 到经济 和技 术制 裁、 工程运 行维 护成本 等 因素 。
社 ．０ ０ ２０．
现场总线控制系统设计
现场总线网络与控制设计
选用现场总线技术的原因
- 时代及技术进步的要求； - 彻底分散控制，提高系统的可靠性； - 提高整个系统的智能化水平； - 大幅度节约系统成本的要求。
系统设计—前期准备
1.总线选择
(1)现场总线的类型
根据具体的情况选择相应的现场总线；考查该现场总线的 先进性；调研该现场总线的市场占有率；考查该现场总线的 技术和服务。
1
保证系统实时性、 多任务、和多回路
分布特性。
2
保证系统设备的 互联、互操作和
互换性
考虑如:网络节点数、节 点的位置分布、总线速率 和传输能力。
考虑如:总线设备之间遵 从的协议;考虑网络的升 级和设备替换。
现场总线设计原则
现场总线系统设计要保证系统运行的可靠性。在特殊的场 合，总线系统要采用屏蔽、防爆、甚至要求有冗余备份。
监测节点设计
温室农作物主要受到环境中的温度、湿度、光照、二氧 化碳浓度、土壤湿度和PH值等因素的影响。通过传感器对 这些参数因子进行定时测量，并通过主控制器内置的模拟 信号处理电路对采集到的信号进行调整处理，由通信接口 传输到上位机。
通信接口部分采用具有SPI接口的独立CAN控制器MCP2510 和收发器PCA82C251，实现与CAN总线的数据通信。
(2)冗余要求
对于有冗余要求的控制系统，应选择具有冗余功能的电源、 主站、从站、耦合器、光缆等设备。
(3)本质安全要求 (4)系统实时性要求
系统设计—前期准备
2.系统控制点数确定
系统控制点主要类型包括：开关量输入点、输出点和模拟量 输入点、输出点。更重要的是知道每个从站的控制点数。
3.主站选择
主站有三种： ①可以插入人工控机中的现场总线主站模块； ②集成有主站功能的大中型PLC; ③集成了主站功能和商用计算机功能的一体化嵌入式超小
基于现场总线技术的现代化水厂生产网络控制系统设计
（ ＤＪａ ｔｎ ｉｅ ｓｔ Ｘｉ ｎ ７ ０ ９．Ｃｂｎ ） Ｘｉ ｉｏ ｏ ｇ Ｕｎｖ
Ａｂ ｔ ａ ｔ ｓ ｒ ｃ ：Ｔｈ ｅ ＰＲＯＦＩ ＢＵＳ ｆｅｄ ｂ ｓ ｉ ｉ ｌｏ ｕ ｅ ｎ ｔ ｒ ｓ ｎ ｔ ｒ ｏ ｔ ｏ ｓ ｓｅ ｂ ｓ ｄ ｏ１ Ｐ ｌ ｕ ｓ ｎ ｒ ｄ ｃ ｄ ａ ｄ ａ ｗａ ｅ ｗｏ ｋ ｅ ｗｏ ｋ ｃ ｎ ｒ ［ ｙ ｔ ｍ ａ ｅ ］ ＲＯＦＩ ｉ ｒ ＢＵＳ ｆ ｌ ｕ ｅ ｈ ｏ ｏ ｙ ｉ ｏ ｓ ｒ ｃ ｅ ｉ ｄ ｂ ｓ ｔ ｅ ｎ ｌｇ ｓ ｃ ｎ ｔｕ ｔ ｄ，ｈ ｎ ｅ ｃ ｍ ｒ ］ ｅ ｔ ｈ ａ ｄ ｄ ｃ ｎ ｒ ｌ ｅ ｏ ｔＯ ｆｗ￣ ｅ ｗｏ ｋ ａ ｅ ｌ ｅ ． ｅ ｅ ｃ ｅ ａ ｉ ｄ ｗａ ｃ ｎ ｅ ｅ ｔ ａ ｉ ｄ ｃ ｎ ｒ ］ｏ ｔ ｒ ｒ ｓａ ｅ ｒ ａ ｉ ｄ ｚ ｚ ＇ － ｚ Ｋｅ ｒ ｓ ｆ ｌ ｕ ； ｆ ｚ ｙ ｃ ｎ ｒ ［ ｃ ｍｐ ｔ ｒｎ ｔ ｒ ｙ ｗｏ ｄ ： ｉ ｄ ｂ ｓ ｕ ｚ ｏ ｔ ｏ ； ｏ ｕ ｅ ｅ ｗｏ ｋ ｅ
１ 概 述 自来 水 厂水 生产 系统 是一 个 多变 量 （ 流 量 、温 如 度、压力等 ） 、多任务 （ 水 的输送 、投药 ／ 氯控 制 、 如 加
方面 传统 Ｄ Ｓ系统 的 现 场 底层 传 感 器 和数 据 采 集 Ｃ 器之 间采 用一对 一 物理 连线和 模拟 信 号 传输 ，导致太
浅谈现场总线控制系统
浅谈现场总线控制系统随着科技的不断发展，现场总线控制系统在工业自动化中扮演着越来越重要的角色。
现场总线控制系统是指一种基于数字通信技术的控制系统，它通过在工业现场设备之间建立通信网络，实现数据的传输和控制指令的下发，从而实现对生产过程的监控和控制。
本文将从现场总线控制系统的基本原理、应用场景以及发展趋势等方面进行较为详细的介绍。
现场总线控制系统的基本原理现场总线控制系统的核心是现场总线，在现场总线控制系统中，各种工控设备如传感器、执行器、控制器等通过现场总线相互连接，形成一个统一的数据通信网络。
通过这个网络，工业自动化系统可以实现对各种设备的数据采集、信息传输和控制指令的下发。
1. 数据采集：现场总线控制系统可以通过各种传感器对现场设备的参数进行实时采集，比如温度、压力、流量等数据。
2. 数据传输：采集到的数据通过现场总线进行传输，可以实现远程监控和实时数据的传输。
3. 控制指令下发：控制器可以通过现场总线向执行器下发控制指令，实现对设备的控制。
现场总线控制系统在工业自动化中有着广泛的应用，下面我们来看一下它的主要应用场景：1. 工厂自动化：工厂中有大量的生产设备，通过现场总线控制系统可以实现这些设备之间的数据通信和控制指令的下发，提高生产效率和灵活性。
2. 过程控制：在化工、制药等行业，生产过程中的各种参数需要实时监控和调节，现场总线控制系统可以很好地满足这种需求。
3. 智能建筑：现场总线控制系统可以用于智能建筑中的空调、照明、安防等设备的智能控制，提高能源利用效率和舒适度。
4. 车辆控制：在交通运输领域，现场总线控制系统可以用于车辆的自动控制和智能交通系统。
以上只是现场总线控制系统的一些应用场景，随着技术的发展和行业的需求，它的应用领域还在不断扩展和深化。
随着工业自动化的普及和技术的不断进步，现场总线控制系统也在不断发展和完善，主要体现在以下几个方面：1. 通信技术的进步：随着通信技术的发展，现场总线控制系统的通信速度、稳定性、抗干扰能力等都得到了很大提升，可以更好地满足工业生产的需求。
现场总线控制系统设计
现场总线控制系统设计摘要：根据笔者开发项目现场总线系统的设计和试运经验,全面介绍了现场总线系统的设计原则和方法。
同时也介绍了与现场总线控制系统有关的术语和概念。
设计原则主要涉及系统的开放性、有效性、安全性、有效性与安全性平衡以及经济适用性等原则;设计方法包含了设计周期的两个部分———概念设计和详细设计。
详细设计主要涉及网络设计、设备选型、系统组态及文档创建等。
为同类系统的设计提供了可以借鉴的原则和方法。
关键词：现场总线控制系统;有效性;安全性;设计过程引言根据IEC61158标准定义:现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。
具有全数字化、全分布、双向传输、自诊断、低成本、开放性、互操作性、智能化等特点,在石油、石化等领域获得了成功的应用。
目前现场总线标准尚未统一,市场上主流产品有40种之多。
现场总线控制系统的工程设计是根据生产工艺特点从市场上选择一种符合生产要求的现场总线产品并根据设计原则构建现场总线控制系统。
笔者根据多年多套现场总线控制系统的设计、安装和试运经验,以苏丹穆格来得油田开发项目所使用的基金会现场总线系统为例,介绍现场总线控制系统的设计原则和设计方法,为现场总线控制系统的设计提供可以借鉴的经验。
1现场总线控制系统设计原则1.1有效性原则有效性是回路正常运行时间占总时间的百分比,其目的是尽量减少生产过程的损失。
获得高有效性的工程实现方法有分散、诊断和冗余。
分散包括网络分散、结构分散、设备物理位置分散、控制回路分散和有限停车等。
冗余要求控制器冗余、链路设备冗余、I/O卡件冗余、通信模件冗余、连接介质冗余、变送器冗余和电源冗余等。
除此之外,还有冗余分离、备份主设备等辅助备份技术。
系统诊断是指设计中对现场总线设备丰富的状态字节和判断能力的利用,从而迅速确定过程问题、故障设备；减少平均修复时间、系统错误停车；实现备份设备间的正确切换等。
现场总线控制系统设计
摘要基于现场总线的控制系统是热工控制系统的发展方向，目前基于现场总线的控制系统在电厂中还没有应用. 本文介绍了现场总线控制系统FCS（Field-bus Control System）的发展，以及FCS的结构及主要技术特点。
全面分析了CAN底层协议和应用层协议DeviceNet的技术特点、协议规范，根据现场对系统的要求，设计出一个基于CAN总线的控制系统，系统充分利用CAN总线的优点，具有较高的可靠性、良好的开放性和互换性。
并且针对这种系统存在的问题进行了分析并提出措施.ABSTRACTField bus control system is the development direction of the thermal control system, field bus control system in the power plant has not been applied. This paper introduces a fieldbus control system (FCS Field-bus Control System), as well as the structure and main technical features of FCS. CAN bottom of a comprehensive analysis of the application layer protocol agreement and the technical features DeviceNet, norm, the scene of the system requirements, design of a control system based on CAN bus, CAN bus system to take full advantage of the merits of improving the system reliability and openness. This system also analyzes the problems and proposed measures.前言一般把现场总线系统Fieldbus Control System，FCS）称为第五代控制系统。
21 现场总线控制系统-
网络通信技术的发展> 现场总线的含义> 现场总线的特点
二、几种流行的现场总线
三、现场总线控制系统的体系结构
四、DeltV系统 四、DeltV系统
主要知识点
现场总线的产生、含义及特点 几种流行的现场总线 现场总线控制系统的体系结构 DeltV系统简介
一、现场总线的产生、含义及特点
> 现场总线的产生
一、过程控制仪表发展过程的简单回顾
基地式仪表（现场仪表） 基地式仪表（现场仪表） 测量显示、控制、执行组合成一个整体，成套性强 测量显示、控制、执行组合成一个整体， 单元组合仪表（积木仪表） 单元组合仪表（积木仪表） 气动单元传输慢，延迟大； 气动单元传输慢，延迟大；电动单元速度快但监控困难 计算机直接数字控制系统－ 计算机直接数字控制系统－风险集中 集散控制系统－自动化孤岛，电缆消耗量大， 集散控制系统－自动化孤岛，电缆消耗量大，安装维护费用 高
现场总线控制系统FCS是继 是继DCS之后出现的新 现场总线控制系统 是继 之后出现的新 一代控制系统，它代表的是一种数字化网络到现场、 一代控制系统，它代表的是一种数字化网络到现场、 控制管理到现场的发展方向。 将要取代DCS， 控制管理到现场的发展方向。FCS将要取代 将要取代 ， 或者说DCS已在吸纳 已在吸纳FCS。总之，FCS已经成为当 或者说 已在吸纳 。总之， 已经成为当 今世界范围内自动控制系统的热点。 今世界范围内自动控制系统的热点。
二、现场总线产生的两个要素
智能变送器的出现 1983年，Honeywell推出了智能化仪表－ST3000智能变送器， 这些带有微处理器芯片的仪表除了在原有模拟仪表的基础上 增加了复杂的计算功能之外，还在输出的4～20mA直流信号 上迭加了数字信号，使现场与控制室之间的连接由模拟信号 过渡到数字信号。
现场总线第1讲FieldbusControlSystemFCS
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。
※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； 另一方面：FCS进一步变革了DCS中“集散”系统结构，形成了全分
H1
H1 H1
H2 现场总线
现 场 设 备 124
H1 现场总线 网桥
32 现场设备 H1 现场总线
32 现场设备
FCS控制层原 理图
FieldBus） 1
现场总线的概述（ 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
a.包含CPU 传统控制bc系..具能统有直很接强数的字功通能信现场仪表
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
包括IPC、PLC以及各种智能化的现场控制设备
络 节
基于统一、规范的通信协议
点
通过同一总线实现相互间的数据传输与信息共享
网 络
位于
生产控制 网络结构
现场总线控制系统
现场总线控制系统现场总线控制系统 (Fieldbus Control System，FCS)。
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，其定义了硬件接口和通信协议的标准，是自动化领域内的局域网。
现场总线不仅是当今4C技术发展的结合点，也是过程控制技术、自动化仪表技术、计算机网络技术发展的交汇点。
现场总线控制系统用新一代的现场总线技术改进、完善或部分代替传统的DCS系统实现智能仪表、现场设备、通信网络和控制系统的集成。
由于现场总线系统采用了总线控制和智能现场设备，可以把DCS系统中位于控制室的输入输出模块、控制模块等转入现场设备，能够不依赖控制室计算机，直接在现场完成控制。
目前控制系统行业主要有五种现场总线技术：基金会现场总线、LonWorks 总线、Profibus现场总线、HART总线和CAN总线。
现场总线系统具有以下特点:(1).系统分散性程度高。
现场总线系统已构成一种新的全分散性控制系统的体系结构，从根本上改变了现有DCS集中与分散结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了系统的可靠性。
(2).互操作性和互用性。
互操作性是指现场总线系统实现了互连设备间、系统间的信息传送和沟通；互用性是指不同的生产厂家的性能类似的设备可实现相互替换。
(3).现场设备的智能化与功能自治性。
现场总线系统将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，依靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并能随时实时诊断现场设备的运行状态。
(4).统一开放性。
现场总线系统将微机处理器转入现场自控设备，使设备具有数字计算和数字通信能力，信号传输精度高，远程传输。
实现信号传输全数字化、控制功能分散、标准统一全开放。
由于现场总线系统以上特点，特别是系统结构的简化使现场总线系统从设计、安装、调试到正常生产运行及检修维护，都体现出其他控制系统无法比拟的优越性。
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现场总线控制系统设计
发表时间：2019-06-10T16:29:37.333Z 来源：《防护工程》2019年第5期作者：华启国
[导读] 根据IEC61158标准定义:现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。
安徽天康（集团）股份有限公司
摘要：根据笔者开发项目现场总线系统的设计和试运经验,全面介绍了现场总线系统的设计原则和方法。
同时也介绍了与现场总线控制系统有关的术语和概念。
设计原则主要涉及系统的开放性、有效性、安全性、有效性与安全性平衡以及经济适用性等原则;设计方法包含了设计周期的两个部分———概念设计和详细设计。
详细设计主要涉及网络设计、设备选型、系统组态及文档创建等。
为同类系统的设计提供了可以借鉴的原则和方法。
关键词：现场总线控制系统;有效性;安全性;设计过程
引言
根据IEC61158标准定义:现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。
具有全数字化、全分布、双向传输、自诊断、低成本、开放性、互操作性、智能化等特点,在石油、石化等领域获得了成功的应用。
目前现场总线标准尚未统一,市场上主流产品有40种之多。
现场总线控制系统的工程设计是根据生产工艺特点从市场上选择一种符合生产要求的现场总线产品并根据设计原则构建现场总线控制系统。
笔者根据多年多套现场总线控制系统的设计、安装和试运经验,以苏丹穆格来得油田开发项目所使用的基金会现场总线系统为例,介绍现场总线控制系统的设计原则和设计方法,为现场总线控制系统的设计提供可以借鉴的经验。
1现场总线控制系统设计原则
1.1有效性原则
有效性是回路正常运行时间占总时间的百分比,其目的是尽量减少生产过程的损失。
获得高有效性的工程实现方法有分散、诊断和冗余。
分散包括网络分散、结构分散、设备物理位置分散、控制回路分散和有限停车等。
冗余要求控制器冗余、链路设备冗余、I/O卡件冗余、通信模件冗余、连接介质冗余、变送器冗余和电源冗余等。
除此之外,还有冗余分离、备份主设备等辅助备份技术。
系统诊断是指设计中对现场总线设备丰富的状态字节和判断能力的利用,从而迅速确定过程问题、故障设备；减少平均修复时间、系统错误停车；实现备份设备间的正确切换等。
另外,还有短路保护、本质安全、故障安全等辅助技术。
容错是提高系统有效性的重要手段,容错是指系统在出现故障时仍能正常工作,同时又能查出故障的能力。
容错包括三种功能:故障检测、故障鉴别、故障隔离。
冗余是实现容错的工程方法。
提高系统的诊断覆盖率水平,也可以提高系统有效性。
有效性不影响系统的安全性,但系统的有效性低可能会导致装置和工厂无法进行正常生产。
1.2 安全性原则
安全性是指系统在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。
总线控制系统的安全性原则不同于安全相关系统。
工程化的设计方法有现场系统诊断功能的利用、正确组态以及安全联锁功能的分散等。
诊断包括通信故障诊断、取代差错检查、通信故障停车以及操作员通知等。
正确组态包括设备组态和联锁组态。
此处的分散是指将停车联锁功能置于现场总线控制设备或去往阀门定位器的通信中,从而实现安全分散。
附加的安全性实现方法还有执行器位置反馈引用、动力源丢失保持以及冗余外输设计中的不一致检查等。
1.3经济适用原则
提高系统的有效性和可靠性,必然增加系统的成本。
多余的冗余以及富余的安全等级是一种浪费。
科学的设计方法就是根据实际的生产过程,选择合理的系统冗余度。
现场总线控制系统具有强大的诊断判断功能,合理地组态,充分地利用可以在提高安全性,增加有效性的前提下,实现设计系统经济适用及够用的原则。
2 现场总线控制系统的设计方法
现场总线控制系统的工程设计与常规控制系统一样分为概念设计和详细设计两个阶段。
2.1 概念设计
现场总线变送器具有多通道和多制式的特点,可实现传统系统中多个变送器的功能。
现场总线阀门定位器自带软限位参数,可减少系统的离散输入。
现场总线变送器自带控制功能模块,统一了总线系统控制点和测量点。
模拟和数字信号在现场总线系统中都以数字信号出现。
因此,总线系统对模拟和数字以及输入和输出信号不再区别,工程设计初期不再像传统DCS那样分别计算检测、报警及控制“点”的数量,而只需根据工艺过程对控制系统的要求计算检测和控制设备的总数,并根据设备的物理和逻辑分布确定现场总线系统的初步拓扑结构,通信端口数,链路设备或接口模板数。
并以此为基础生成系统设备物资清单。
2.2 详细设计
2.2.1 主站级网络设计
操作员对整个工厂的监视依赖于主站级网络的建立和运行,在控制回路使用位于不同现场级网络的设备时,跨越主站级网络的桥接必须使用。
为此,工程设计时操作员站应备份,网络介质应冗余,集线器电源应独立,以确保系统有效性。
主站级网络冗余有三个层次:介质冗余、整体网络冗余和以太网设备冗余。
介质冗余完全工作在物理介质层,与使用协议无关。
设备和端口的冗余是在较介质冗余更高的层次上实施的,与使用协议有关。
2.2.2 现场级网络设计
现场网络的拓扑结构主要有总线型和树形两种。
区域内设备密度较低且分布范围较广时宜选用总线拓扑结构。
根据设备清单确定现场网络数量,并计算网络端口和现场电源数量。
依据选定的拓扑结构和电缆类型选择安装附件,原则上一条支线只连接一台设备。
尽可能地让同一回路的设备处于同一网段中,避免不同网段间使用桥接功能,从而提高性能。
现场级网络的设计应以贯穿故障条件下对系统影响最小为原则。
现代工厂是区域和车间的合理划分,区域应有属于主站级网络的独立子网,子网由路由器相连。
即使在冗余控制器或链路系统中,中央控
制器或链路设备中不应超过30个控制回路。
每个现场级网络应只包括一个或少数几个控制单元,最多只能有16台设备,对应最多8个回路。
2.2.3 总线电源设计
按照IEC611582要求,电源必须有输出阻抗,传统电源中应加装包含终端器的阻抗模块。
为了提高系统有效性,总线电源和阻抗模块应冗余布置,且能无扰切换,实现冗余后的阻抗值应符合系统通信要求,此时内置中端器不能使用,必须使用一个独立外部中端器。
主电源和备份电源以及阻抗模块之间的设计布局应有一定的安全间隔,以免单点电源故障使总线系统瘫痪。
总线设备的工作电压大约为9～32VDC,功耗一般为12mA。
选择电源的额定电流应不小于300mA。
为便于系统的组网和安装,总线电源、阻抗模块、终端器一般集成在链路设备中,并采用多端口结构。
3 结束语
现场总线控制系统在硬件设计过程中，通过应用一些基本方法，进行控制系统可靠性设计、计算；并采用了几种设计方法，大大提高了控制系统的可靠性、降低了故障率。
本控制系统通过多个现场实际应用，运行非常稳定，没有出现用户投诉产品的质量问题。
参考文献：
1] 李海泉，李刚编著.系统可靠性分析与设计[M].北京：科学出版社，2003年.
[2] 顾履平等著.实用可靠性技术[M].北京：机械工业出版社，1992.
[3] 谢云山，龚建宇，刘春雷等.ADM3053在CAN隔离接口应用中的EMC设计[J].自动化与仪器仪表，2012(5)．。