工业控制网络讲解
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HIT Rockwell Automation Lab
FCS控制系统组成（4）
设备功能软件——使总线设备实现自身功能（不包 括现场总线通信部分）的软件，如电动机保护器本 身的软件部分； 监控组态软件——运行于监控计算机(通常也称为上 位机)上的软件，具有实时显示现场设备运行状态参 数、故障报警信息，并进行数据记录、趋势图分析 及报表打印等功能，RSview32等。
工业控制网络概述
哈尔滨工业大学 罗克韦尔自动化实验室
2003年10月第二版
HIT Rockwell Automation Lab
工业过程控制系统的发展
50年代－基地式气动仪表控制系统 50年代末－4－20mA电动模拟信号控制系统 60年代－计算机控制系统 70年代中期－DCS（集散控制系统） 80年代－FCS（现场总线控制系统）
控制层
Embedded
设备层
机器
自动化
企业
HIT Rockwell Automation Lab
FCS控制系统结构
Computer 2
Remote Access Router Device
Information
Internet
Display Station
EtherNet®
Controller3
Controller4
(德国Bosch，ISO11898 ，Philips)
(美国Echelon)
Dupline
(瑞士Carlo Gavazzi)
*
*
设备层现场总线: IEC62026 - (IEC17B Committee)
DeviceNet
(Rockwell, Omron, Cutler-Hammer,….)
AS-i SDS
HIT Rockwell Automation Lab
现场总线的特点（3）
（5）现场总线是结构与功能高度分散的系统 a. 现场总线的系统结构具有高度分散性，这是由上述 （4）、（3）两点决定的； b. 现场总线的系统功能实现了高度分散。 现场总线废弃了DCS的控制站及其输入／输出单元， 从根本上改变了DCS集中与分散相结合的集散控制系统体 系，通过将控制功能高度分散到现场设备这一途径，实现 了彻底的分散控制。
HIT Rockwell Automation Lab
工业过程控制系统的发展（2）
人们一般把 50年代前的气动信号控制系统 ＰＣＳ称作第一代控制系统 ,把 4～ 2 0ｍＡ等 电动模拟信号控制系统称为第二代控制系统 ,把 数字计算机集中式控制系统称为第三代 控制系 统,而把 70年代中期以来的集散式分布控制系统 ＤＣＳ称作第四代控制系统。
现场总线的定义
根据IEC的标准定义：“安装在制造和过程 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、双向串行传输、多路通 信的数据总线称为现场总线。
HIT Rockwell Automation Lab
FCS控制系统结构
信息
Open
Leabharlann Baidu
Level of Data Integration
Modular
HIT Rockwell Automation Lab
现场总线的特点
（1）现场总线是现场通信网络 a.现场总线将通信线（总线电缆）延伸到工业现场（制造 或过程区域），或总线电缆就是直接安装在工业现场的； b.现场总线完全适应于工业现场环境，因为它就是为此而 设计的。 （2）现场总线是数字通信网络 在现场总线（系统）中，同层的或／和不同层的总线设备 之间均采用数字信号进行通信。 传统的DCS的通信网络介于操作站与控制站之间，而现场 仪表与控制站中的输入／输出单元之间采用的是一对一的模 拟信号传输。
(美国Rockwell Automation)
类型3：PROFIBUS
(德国Siemens)
类型4：P-NET
(丹麦Process Data)
类型5：FF HSE
(美国Fisher-Rosemount)
类型6：Swiftnet
(美国Boeing)
类型7：World FIP
(法国Alstom)
类型8：Interbus
组态通信软件——为通过计算机将设备配置、网络 组态信息传送至总线设备而使用的软件（将配置与组 态 信 息 根 据 现 场 总 线 协 议 ／ 规 范 （ Protocol ／ Specification）的通信要求进行处理，再从计算机通过 总线电缆传送至总线设备），如：RSLinx；
HIT Rockwell Automation Lab
HIT Rockwell Automation Lab
现场总线产生的因素(1/2)
2.现场总线产生的因素
(1)模拟仪表的缺点
*一对一结构：一对传输线，一台仪表，单向传输一个信号； 安装接线庞杂，工程费用高，维护困难；
*可靠性差：模拟信号传输易受干扰，精度低；
(2)现场总线仪表的优点
*一对N结构：一对传输线，N台仪表，双向传输多个信号； 安装接线简单，工程费用低，维护容易；
(P+F, Siemens)
*
HIT Rockwell Automation Lab
*可靠性高：数字信号传输抗干扰强，精度高； *可控状态：操作人员在控制室既可了解其工作状况，也能对其进行
参数调整，还可预测故障； *综合功能：现场总线仪表既有检测、变换和补偿功能，
又有控制和运算功能；
*分散控制：功能块分散在现场仪表中，实现了彻底的分散控制。
HIT Rockwell Automation Lab
HIT Rockwell Automation Lab
工业过程控制系统的发展（8）
操作站 LAN
服务器 H1 H1
总线卡
H2
H1 现场总线
新一代FCS系统结构
网桥
H2 现场总线
124台设备 H1 现场总线 32 H1 现场总线
32台设备
32台设备
HIT Rockwell Automation Lab
HIT Rockwell Automation Lab
现场总线的标准(2/4)
目前国际上是多种现场总线并存，IEC于2000年1月4日公布
IEC现场总线标准(IEC61158) 的 投票结果。
IEC61158采用以下8种现场总线：
类型1：IEC61158技术报告
(即FF H1)
类型2：ControlNet
工业过程控制系统的发展（6）
操作站 LAN
DCS系统结构
控制站
I/O
4-20 mA
PLC
4-20 mA
Analyzer
HIT Rockwell Automation Lab
工业过程控制系统的发展（7）
现场总线控制系统ＦＣＳ作为新一代控制系统 , 一方面 ,突破了ＤＳＣ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。
HIT Rockwell Automation Lab
工业过程控制系统的发展（5）
回顾DCS应用三十年来的情况 ,虽然很 多公司相继开发出一代又一代的产品 ,功能 不断改进 ,在通信方式上 ,管理级和监控级 是数字总线通信 ,而处于现场的控制级和检 测级仍是 4～ 2 0 m A模拟量通信。
HIT Rockwell Automation Lab
现场总线产生的因素(2/2)
(3)微处理器技术的发展 (4)集成电路技术的发展 (5)计算机技术的发展 (6)通信网络技术的发展 (7)用户需求和市场竞争
HIT Rockwell Automation Lab
现场总线的标准(1/4)
现场总线将网络化、信息化的概念引入控制领域中，构建 完整的控制网络和信息网络，实现控制灵活、分散控制、信息 共享、优化企业生产过程，实现企业的量化管理，减少安装、 维护成本，提高设备可靠性，提高生产效率。当今不少国家的 自动化公司都投入巨大的人力、物力、财力全方位地进行现场 总线技术研究与应用开发，形成了剧烈的市场竞争，这使现场 总线技术出现了复杂的局面，形成了多种现场总线技术标准， 据统计目前国际上至少有超过40种的现场总线标准。IEC（国 际电工委员会）1984年开始着手试图制订单一的国际总线标准 ，但一直未能实现。
(德国Phoenix Contact)
注：IEC现场总线标准的8种类型都是平等的，并要求类型2~8对类型1 提供接口，但不要求类型2~8之间提供接口。
HIT Rockwell Automation Lab
现场总线的标准(3/4)
其余现场总线：
HART CAN LON (Lon Works)
(美国Fisher-Rosemount)
HIT Rockwell Automation Lab
工业过程控制系统的发展（3）
第三代数字计算机集中式控制系统一般是 以微处理器、PC或工控机为核心，总线系列 一 般 采 用 S-100 、 STD 、 PC 中 的 ISA 、 PCI 、 MULTIBUS总线等。这些总线由于采用集中 式控制方式，降低了系统的可靠性。同时， 现场太多、太长的接线，使得系统的抗干扰 能力降低。如直接数字控制（DDC）系统和 监督控制（SCC）系统。
HIT Rockwell Automation Lab
现场总线的特点（2）
（3）现场总线是开放互连网络
a. 现场总线标准、协议／规范是公开的，所有制造 商都必须遵守；
b. 现场总线网络是开放的，既可实现同层网络互连 ，也可实现不同层网络互连，而不管其制造商是哪 一家； （4） 现场总线是现场设备互连网络 通过一根通信线将所需的各个现场设备（如变送器 ／传感器、执行器、控制器）互相连接起来，即用 一根通信线直接互连N个现场设备，从而构成了现场 设备的互连网络。
HIT Rockwell Automation Lab
工业过程控制系统的发展（4）
进入 7 0年代 ,大规模集成电路问世 ,微处理 器的诞生 ,控制技术、显示技术、计算机技术、 通信技术等的进一步发展 ,人们为了继承常规模 拟仪表和计算机控制技术的优点 ,进一步提高控 制系统的安全性和可靠性并降低成本 ,开发研制 了以微处理器为基础的新型过程控制系统—— 集散控制系统(Distributed Control System), 简称 DCS。
1. 导线和连接附件大量减少 2. 仪表和输入／输出转换器（卡件）大量减 少 3. 设计、安装和调试周期短，费用大大降低 4. 维护开销大幅度下降 5. 系统可靠性提高 6. 系统测量与控制的精度提高
HIT Rockwell Automation Lab
现场总线的优点（2）
7. 系统具有优异的远程监控功能 8. 系统具有强大的（远程）故障诊断功能 9. 设备配置、网络组态和系统集成方便自由 10. 现场设备更换和系统扩展更为方便 11.为企业信息系统的构建创造了重要条件
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罗克韦尔推出的现场总线控制系统体系结构
FCS控制系统组成
HIT Rockwell Automation Lab
FCS控制系统组成（2）
组态工具软件——为用计算机进行设备配置、网络 组 态 提 供 平 台 的 工 具 软 件 ， 如 ： RSNetworx For DeviceNet， RSNetworx For ControlNet；
Control
Computer 1
ControlNetTM
I/O Controller1
Device
Controller2
DeviceNetTM
I/O
Smart Speed
Operator HMI Photoelectric Controller
Interface
Sensor
Bar Code Reader
FCS控制系统组成（3）
控制器编程软件——为用户程序提供编程环境的软 件平台，RSLogix 5／500／5000系列编程软件； 用户程序软件——根据系统的工艺流程及其他要求 而编写的PLC（控制器）应用程序； 设备接口通信软件——根据现场总线协议／规范而 编写的用于总线设备之间通过总线电缆进行通信的 软件；
（6）现场设备的互操作性与互换性 a.互操作性：不同厂商的现场设备可以互连，互相之间 可以进行信息交换并可统一组态； b. 互换性：不同厂商的性能类似的现场设备可以互相替 换
现场总线中现场设备的互操作性与互换性是DCS无 法具备的。
HIT Rockwell Automation Lab
现场总线的优点
FCS控制系统组成（4）
设备功能软件——使总线设备实现自身功能（不包 括现场总线通信部分）的软件，如电动机保护器本 身的软件部分； 监控组态软件——运行于监控计算机(通常也称为上 位机)上的软件，具有实时显示现场设备运行状态参 数、故障报警信息，并进行数据记录、趋势图分析 及报表打印等功能，RSview32等。
工业控制网络概述
哈尔滨工业大学 罗克韦尔自动化实验室
2003年10月第二版
HIT Rockwell Automation Lab
工业过程控制系统的发展
50年代－基地式气动仪表控制系统 50年代末－4－20mA电动模拟信号控制系统 60年代－计算机控制系统 70年代中期－DCS（集散控制系统） 80年代－FCS（现场总线控制系统）
控制层
Embedded
设备层
机器
自动化
企业
HIT Rockwell Automation Lab
FCS控制系统结构
Computer 2
Remote Access Router Device
Information
Internet
Display Station
EtherNet®
Controller3
Controller4
(德国Bosch，ISO11898 ，Philips)
(美国Echelon)
Dupline
(瑞士Carlo Gavazzi)
*
*
设备层现场总线: IEC62026 - (IEC17B Committee)
DeviceNet
(Rockwell, Omron, Cutler-Hammer,….)
AS-i SDS
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现场总线的特点（3）
（5）现场总线是结构与功能高度分散的系统 a. 现场总线的系统结构具有高度分散性，这是由上述 （4）、（3）两点决定的； b. 现场总线的系统功能实现了高度分散。 现场总线废弃了DCS的控制站及其输入／输出单元， 从根本上改变了DCS集中与分散相结合的集散控制系统体 系，通过将控制功能高度分散到现场设备这一途径，实现 了彻底的分散控制。
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工业过程控制系统的发展（2）
人们一般把 50年代前的气动信号控制系统 ＰＣＳ称作第一代控制系统 ,把 4～ 2 0ｍＡ等 电动模拟信号控制系统称为第二代控制系统 ,把 数字计算机集中式控制系统称为第三代 控制系 统,而把 70年代中期以来的集散式分布控制系统 ＤＣＳ称作第四代控制系统。
现场总线的定义
根据IEC的标准定义：“安装在制造和过程 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、双向串行传输、多路通 信的数据总线称为现场总线。
HIT Rockwell Automation Lab
FCS控制系统结构
信息
Open
Leabharlann Baidu
Level of Data Integration
Modular
HIT Rockwell Automation Lab
现场总线的特点
（1）现场总线是现场通信网络 a.现场总线将通信线（总线电缆）延伸到工业现场（制造 或过程区域），或总线电缆就是直接安装在工业现场的； b.现场总线完全适应于工业现场环境，因为它就是为此而 设计的。 （2）现场总线是数字通信网络 在现场总线（系统）中，同层的或／和不同层的总线设备 之间均采用数字信号进行通信。 传统的DCS的通信网络介于操作站与控制站之间，而现场 仪表与控制站中的输入／输出单元之间采用的是一对一的模 拟信号传输。
(美国Rockwell Automation)
类型3：PROFIBUS
(德国Siemens)
类型4：P-NET
(丹麦Process Data)
类型5：FF HSE
(美国Fisher-Rosemount)
类型6：Swiftnet
(美国Boeing)
类型7：World FIP
(法国Alstom)
类型8：Interbus
组态通信软件——为通过计算机将设备配置、网络 组态信息传送至总线设备而使用的软件（将配置与组 态 信 息 根 据 现 场 总 线 协 议 ／ 规 范 （ Protocol ／ Specification）的通信要求进行处理，再从计算机通过 总线电缆传送至总线设备），如：RSLinx；
HIT Rockwell Automation Lab
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现场总线产生的因素(1/2)
2.现场总线产生的因素
(1)模拟仪表的缺点
*一对一结构：一对传输线，一台仪表，单向传输一个信号； 安装接线庞杂，工程费用高，维护困难；
*可靠性差：模拟信号传输易受干扰，精度低；
(2)现场总线仪表的优点
*一对N结构：一对传输线，N台仪表，双向传输多个信号； 安装接线简单，工程费用低，维护容易；
(P+F, Siemens)
*
HIT Rockwell Automation Lab
*可靠性高：数字信号传输抗干扰强，精度高； *可控状态：操作人员在控制室既可了解其工作状况，也能对其进行
参数调整，还可预测故障； *综合功能：现场总线仪表既有检测、变换和补偿功能，
又有控制和运算功能；
*分散控制：功能块分散在现场仪表中，实现了彻底的分散控制。
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工业过程控制系统的发展（8）
操作站 LAN
服务器 H1 H1
总线卡
H2
H1 现场总线
新一代FCS系统结构
网桥
H2 现场总线
124台设备 H1 现场总线 32 H1 现场总线
32台设备
32台设备
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现场总线的标准(2/4)
目前国际上是多种现场总线并存，IEC于2000年1月4日公布
IEC现场总线标准(IEC61158) 的 投票结果。
IEC61158采用以下8种现场总线：
类型1：IEC61158技术报告
(即FF H1)
类型2：ControlNet
工业过程控制系统的发展（6）
操作站 LAN
DCS系统结构
控制站
I/O
4-20 mA
PLC
4-20 mA
Analyzer
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工业过程控制系统的发展（7）
现场总线控制系统ＦＣＳ作为新一代控制系统 , 一方面 ,突破了ＤＳＣ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。
HIT Rockwell Automation Lab
工业过程控制系统的发展（5）
回顾DCS应用三十年来的情况 ,虽然很 多公司相继开发出一代又一代的产品 ,功能 不断改进 ,在通信方式上 ,管理级和监控级 是数字总线通信 ,而处于现场的控制级和检 测级仍是 4～ 2 0 m A模拟量通信。
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现场总线产生的因素(2/2)
(3)微处理器技术的发展 (4)集成电路技术的发展 (5)计算机技术的发展 (6)通信网络技术的发展 (7)用户需求和市场竞争
HIT Rockwell Automation Lab
现场总线的标准(1/4)
现场总线将网络化、信息化的概念引入控制领域中，构建 完整的控制网络和信息网络，实现控制灵活、分散控制、信息 共享、优化企业生产过程，实现企业的量化管理，减少安装、 维护成本，提高设备可靠性，提高生产效率。当今不少国家的 自动化公司都投入巨大的人力、物力、财力全方位地进行现场 总线技术研究与应用开发，形成了剧烈的市场竞争，这使现场 总线技术出现了复杂的局面，形成了多种现场总线技术标准， 据统计目前国际上至少有超过40种的现场总线标准。IEC（国 际电工委员会）1984年开始着手试图制订单一的国际总线标准 ，但一直未能实现。
(德国Phoenix Contact)
注：IEC现场总线标准的8种类型都是平等的，并要求类型2~8对类型1 提供接口，但不要求类型2~8之间提供接口。
HIT Rockwell Automation Lab
现场总线的标准(3/4)
其余现场总线：
HART CAN LON (Lon Works)
(美国Fisher-Rosemount)
HIT Rockwell Automation Lab
工业过程控制系统的发展（3）
第三代数字计算机集中式控制系统一般是 以微处理器、PC或工控机为核心，总线系列 一 般 采 用 S-100 、 STD 、 PC 中 的 ISA 、 PCI 、 MULTIBUS总线等。这些总线由于采用集中 式控制方式，降低了系统的可靠性。同时， 现场太多、太长的接线，使得系统的抗干扰 能力降低。如直接数字控制（DDC）系统和 监督控制（SCC）系统。
HIT Rockwell Automation Lab
现场总线的特点（2）
（3）现场总线是开放互连网络
a. 现场总线标准、协议／规范是公开的，所有制造 商都必须遵守；
b. 现场总线网络是开放的，既可实现同层网络互连 ，也可实现不同层网络互连，而不管其制造商是哪 一家； （4） 现场总线是现场设备互连网络 通过一根通信线将所需的各个现场设备（如变送器 ／传感器、执行器、控制器）互相连接起来，即用 一根通信线直接互连N个现场设备，从而构成了现场 设备的互连网络。
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工业过程控制系统的发展（4）
进入 7 0年代 ,大规模集成电路问世 ,微处理 器的诞生 ,控制技术、显示技术、计算机技术、 通信技术等的进一步发展 ,人们为了继承常规模 拟仪表和计算机控制技术的优点 ,进一步提高控 制系统的安全性和可靠性并降低成本 ,开发研制 了以微处理器为基础的新型过程控制系统—— 集散控制系统(Distributed Control System), 简称 DCS。
1. 导线和连接附件大量减少 2. 仪表和输入／输出转换器（卡件）大量减 少 3. 设计、安装和调试周期短，费用大大降低 4. 维护开销大幅度下降 5. 系统可靠性提高 6. 系统测量与控制的精度提高
HIT Rockwell Automation Lab
现场总线的优点（2）
7. 系统具有优异的远程监控功能 8. 系统具有强大的（远程）故障诊断功能 9. 设备配置、网络组态和系统集成方便自由 10. 现场设备更换和系统扩展更为方便 11.为企业信息系统的构建创造了重要条件
HIT Rockwell Automation Lab
罗克韦尔推出的现场总线控制系统体系结构
FCS控制系统组成
HIT Rockwell Automation Lab
FCS控制系统组成（2）
组态工具软件——为用计算机进行设备配置、网络 组 态 提 供 平 台 的 工 具 软 件 ， 如 ： RSNetworx For DeviceNet， RSNetworx For ControlNet；
Control
Computer 1
ControlNetTM
I/O Controller1
Device
Controller2
DeviceNetTM
I/O
Smart Speed
Operator HMI Photoelectric Controller
Interface
Sensor
Bar Code Reader
FCS控制系统组成（3）
控制器编程软件——为用户程序提供编程环境的软 件平台，RSLogix 5／500／5000系列编程软件； 用户程序软件——根据系统的工艺流程及其他要求 而编写的PLC（控制器）应用程序； 设备接口通信软件——根据现场总线协议／规范而 编写的用于总线设备之间通过总线电缆进行通信的 软件；
（6）现场设备的互操作性与互换性 a.互操作性：不同厂商的现场设备可以互连，互相之间 可以进行信息交换并可统一组态； b. 互换性：不同厂商的性能类似的现场设备可以互相替 换
现场总线中现场设备的互操作性与互换性是DCS无 法具备的。
HIT Rockwell Automation Lab
现场总线的优点