现场总线的产生及其发展趋势(ppt 67页)
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一、什么是现场总线 二、现场总线的技术特点与优点 三、现场总线的产生与发展趋势 四、以太网与工业控制网络 五、工业以太网
什么是现场总线
❖ 现场总线是应用在生产现场、连 接智能现场设备和自动化测量控 制系统的数字式、双向传输、多 分支结构的通信网络
现场总线是通信网络
❖ 位于生产控制现场和网络结构的底层 ❖ 现场总线是低带宽的控制网络 ❖ 它与上层的Internet、企业内部网
➢ 开放性 ➢源自文库通用性 ➢ 可靠性
❖ 智能仪表为现场总线的出现奠定了基础
现场总线的产生
4～20 mA V/I
传感 放大 信号 调理
模拟仪表
•结构简单； •信号传输标准统一。
4～20
传感
mA
微处
放大 信号
V/I D/A 理器 A/D 调理
智能仪表（70年代末）
•性能提高，成本增加； •单向模拟传输方式未变。
用户具有系统集成的主动权
❖ 无需专用的驱动程序 ❖ 不必为传输协议的不兼容而一筹莫展 ❖ 不必为接口的不公开而担心系统的扩展和集成 ❖ 不必被某一品牌的产品所“框死” ❖ 可以选择性价比高、服务质量好的产品 ❖ 用户是真正的“上帝”，拥有真正的选择主动权
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现场总线技术产生的背景
❖ 现场总线技术产生于二十世纪八十年代 ❖ 是为满足日益急迫的企业综合自动化的需求
现场总控制系统FCS
❖ 采用开放式数字通信网络
➢ 突破传统DCS中的专用通信网络结构
❖ 网络集成的测量控制系统
➢ 单个分散的测量控制设备变成网络节点 ➢ 现场总线为纽带 ➢ 构成共同完成任务的网络系统与控制系统 ➢ 实现现场测量控制设备之间的信息共享
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2.1 FCS的结构特点
AI
PID
据库共享
对环境的高度适应
❖ 专为现场环境设计 ❖ 可支持多种传输介质
➢ 双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等
❖ 可两线制供电 ❖ 支持本质安全与防爆
2.3 现场总线带来的益处
❖ 节省硬件数量与投资 ❖ 节省安装费用 ❖ 节省维护开销 ❖ 用户具有系统集成自主权 ❖ 提高了系统的准确性和可靠性
气动、模拟
模拟
按回路运行 按过程运行 过程优化 管控一体化
五十年代 1960 1980 1998
与一般通信技术的区别
❖ 一般通信技术只是能实现信息的传输 ❖ 现场总线是一种控制系统框架
➢ 一种全新的控制系统结构，即： ➢ 现场总线还包括网络上的所有设备能够进行信息互
访与互换 ➢ 总线上的设备之间能够进行互操作和系统集成
制信号的输出等全部在现场 实现，无需主机参与 • 实现了完全分散
操作站
LAN
服务器
现场总线
差压变送器
AI 110 FT
模拟量输入功能块
调节阀
PID 控 制 功 能 块
PID 110 FC
AO 110 模拟量输出功能块
开放式系统
❖ 通信协议完全公开，任何人、任何单位均可采用 ❖ 不同厂家的设备遵守相同的技术规范 ❖ 不同厂家的设备可实现信息互访（即互操作） ❖ 用户可按需要，选用不同厂家的现场总线设备 ❖ 不同设备之间可实现资源共享 ❖ 与其他网络（如互联网）相联，可实现网络与数
Intranet相连 ❖ 构成企业综合自动化的通信网络平台
现场总线对控制系统带来的革命
❖ 基地式仪表控制系统 ❖ 单元组合式模拟仪表控制系统 ❖ 集中式数字控制系统 ❖ 集散控制系统DCS、PLC ❖ 基于现场总线的分散控制系统
各阶段测控仪表能力指数
测控能力指数
现场总线
数字 开放标准
DCS
数字/模拟混合 电动单元
➢ 用户可选择性价比高的产品
现场设备的智能化和综合功能
❖ 测量，包括多变量测量与处理 ❖ 多参数补偿 ❖ 工程量处理 ❖ 设备自诊断 ❖ 设备状态的控制 ❖ 控制算法可在现场设备中实现 ❖ 根据远程命令进行仪表调校 ——集多种功能于一身，一表多用
分散控制
• 由网络构成控制系统 • 信号的测量、控制算法、控
➢ 信号的检错、纠错机制得以实现
❖ 可进行多参数传输，消除了模拟信号的传输瓶颈
➢ 现场设备的测量、控制信息以及其他非控制信息如设 备类型、型号、厂商信息、量程、设备运行状态等都 可以通过一对导线传输到现场总线网络上的任何智能 设备，如中央控制器等。
设备状态可控
❖ 操作员在控制室即可了解现场设备或现场仪表的 工作状况
Multi-Controllers AO
DCS
AO
PID
AI
FCS
2.2 现场总线系统的技术特点
❖ 全数字通信 ❖ 多分支结构 ❖ 系统的开放性 ❖ 互可操作性和互用性 ❖ 现场设备的智能化与功能自治性 ❖ 系统结构的高度分散性 ❖ 对现场环境的高度适应性
全数字通信
❖ 抗干扰能力和鲁棒性都比较高，传输精度也得到 显著提高
➢ 传统控制系统中设备的连接都是一对一的
❖ 布线简单，工程安装周期缩短、维护也很方便 ❖ 很强的系统扩展性
➢ 主机能自动识别设备的增加或删减 ➢ 无需架设新的线缆 ➢ 无需系统停机
互换与互可操作
❖ 不同设备间，除了能实现信息互访外，还能理解 信息的含义，并能根据信息要求进行操作
❖ 不同厂家的相同类型的设备可以互相替换 ❖ 可统一组态，无需专用的驱动程序 ❖ 解决了设备的垄断性和产品故障处理的时效性 ❖ 为系统集成的自主性提供了产品保障
现场总线的产生
通信 信号 通信
接口
微处 理器
传感
A/D
放大 信号 调理
具有双向通信功能的智能仪表
双向数字传输方式： — 传输精度高； — 功能强，成本低； — 协议不统一，无法互换。
现场总线标准化
（20世纪80年代中期）
成为控制领域的研究方向
❖ 现场总线研究开发之热始于20世纪90年代中期 ❖ 信息时代各项技术发展对测控系统提出的要求
❖ 可对现场设备进行工艺参数调整、零点量程调校、 组态信息调整等
❖ 通过对现场设备状态趋势分析预测故障 ❖ 发生故障时能及时找到故障点，及时替换新的设
备，即：现场设备始终处于操作员的远程监视与 可控状态，提高了系统的可靠性和可维护性。
一对多的总线型结构
❖ 现场总线是多分支结构，其网络拓扑可为总线型、 星型、树形等多种形式，以总线型为主。
➢ 计算机技术 ➢ 网络与通信技术 ➢ 自动控制技术
❖ 网络化、信息化给自控技术的发展提供的机遇 ❖ 各国投入巨额资金与人力在开发这一技术，形成
什么是现场总线
❖ 现场总线是应用在生产现场、连 接智能现场设备和自动化测量控 制系统的数字式、双向传输、多 分支结构的通信网络
现场总线是通信网络
❖ 位于生产控制现场和网络结构的底层 ❖ 现场总线是低带宽的控制网络 ❖ 它与上层的Internet、企业内部网
➢ 开放性 ➢源自文库通用性 ➢ 可靠性
❖ 智能仪表为现场总线的出现奠定了基础
现场总线的产生
4～20 mA V/I
传感 放大 信号 调理
模拟仪表
•结构简单； •信号传输标准统一。
4～20
传感
mA
微处
放大 信号
V/I D/A 理器 A/D 调理
智能仪表（70年代末）
•性能提高，成本增加； •单向模拟传输方式未变。
用户具有系统集成的主动权
❖ 无需专用的驱动程序 ❖ 不必为传输协议的不兼容而一筹莫展 ❖ 不必为接口的不公开而担心系统的扩展和集成 ❖ 不必被某一品牌的产品所“框死” ❖ 可以选择性价比高、服务质量好的产品 ❖ 用户是真正的“上帝”，拥有真正的选择主动权
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现场总线技术产生的背景
❖ 现场总线技术产生于二十世纪八十年代 ❖ 是为满足日益急迫的企业综合自动化的需求
现场总控制系统FCS
❖ 采用开放式数字通信网络
➢ 突破传统DCS中的专用通信网络结构
❖ 网络集成的测量控制系统
➢ 单个分散的测量控制设备变成网络节点 ➢ 现场总线为纽带 ➢ 构成共同完成任务的网络系统与控制系统 ➢ 实现现场测量控制设备之间的信息共享
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2.1 FCS的结构特点
AI
PID
据库共享
对环境的高度适应
❖ 专为现场环境设计 ❖ 可支持多种传输介质
➢ 双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等
❖ 可两线制供电 ❖ 支持本质安全与防爆
2.3 现场总线带来的益处
❖ 节省硬件数量与投资 ❖ 节省安装费用 ❖ 节省维护开销 ❖ 用户具有系统集成自主权 ❖ 提高了系统的准确性和可靠性
气动、模拟
模拟
按回路运行 按过程运行 过程优化 管控一体化
五十年代 1960 1980 1998
与一般通信技术的区别
❖ 一般通信技术只是能实现信息的传输 ❖ 现场总线是一种控制系统框架
➢ 一种全新的控制系统结构，即： ➢ 现场总线还包括网络上的所有设备能够进行信息互
访与互换 ➢ 总线上的设备之间能够进行互操作和系统集成
制信号的输出等全部在现场 实现，无需主机参与 • 实现了完全分散
操作站
LAN
服务器
现场总线
差压变送器
AI 110 FT
模拟量输入功能块
调节阀
PID 控 制 功 能 块
PID 110 FC
AO 110 模拟量输出功能块
开放式系统
❖ 通信协议完全公开，任何人、任何单位均可采用 ❖ 不同厂家的设备遵守相同的技术规范 ❖ 不同厂家的设备可实现信息互访（即互操作） ❖ 用户可按需要，选用不同厂家的现场总线设备 ❖ 不同设备之间可实现资源共享 ❖ 与其他网络（如互联网）相联，可实现网络与数
Intranet相连 ❖ 构成企业综合自动化的通信网络平台
现场总线对控制系统带来的革命
❖ 基地式仪表控制系统 ❖ 单元组合式模拟仪表控制系统 ❖ 集中式数字控制系统 ❖ 集散控制系统DCS、PLC ❖ 基于现场总线的分散控制系统
各阶段测控仪表能力指数
测控能力指数
现场总线
数字 开放标准
DCS
数字/模拟混合 电动单元
➢ 用户可选择性价比高的产品
现场设备的智能化和综合功能
❖ 测量，包括多变量测量与处理 ❖ 多参数补偿 ❖ 工程量处理 ❖ 设备自诊断 ❖ 设备状态的控制 ❖ 控制算法可在现场设备中实现 ❖ 根据远程命令进行仪表调校 ——集多种功能于一身，一表多用
分散控制
• 由网络构成控制系统 • 信号的测量、控制算法、控
➢ 信号的检错、纠错机制得以实现
❖ 可进行多参数传输，消除了模拟信号的传输瓶颈
➢ 现场设备的测量、控制信息以及其他非控制信息如设 备类型、型号、厂商信息、量程、设备运行状态等都 可以通过一对导线传输到现场总线网络上的任何智能 设备，如中央控制器等。
设备状态可控
❖ 操作员在控制室即可了解现场设备或现场仪表的 工作状况
Multi-Controllers AO
DCS
AO
PID
AI
FCS
2.2 现场总线系统的技术特点
❖ 全数字通信 ❖ 多分支结构 ❖ 系统的开放性 ❖ 互可操作性和互用性 ❖ 现场设备的智能化与功能自治性 ❖ 系统结构的高度分散性 ❖ 对现场环境的高度适应性
全数字通信
❖ 抗干扰能力和鲁棒性都比较高，传输精度也得到 显著提高
➢ 传统控制系统中设备的连接都是一对一的
❖ 布线简单，工程安装周期缩短、维护也很方便 ❖ 很强的系统扩展性
➢ 主机能自动识别设备的增加或删减 ➢ 无需架设新的线缆 ➢ 无需系统停机
互换与互可操作
❖ 不同设备间，除了能实现信息互访外，还能理解 信息的含义，并能根据信息要求进行操作
❖ 不同厂家的相同类型的设备可以互相替换 ❖ 可统一组态，无需专用的驱动程序 ❖ 解决了设备的垄断性和产品故障处理的时效性 ❖ 为系统集成的自主性提供了产品保障
现场总线的产生
通信 信号 通信
接口
微处 理器
传感
A/D
放大 信号 调理
具有双向通信功能的智能仪表
双向数字传输方式： — 传输精度高； — 功能强，成本低； — 协议不统一，无法互换。
现场总线标准化
（20世纪80年代中期）
成为控制领域的研究方向
❖ 现场总线研究开发之热始于20世纪90年代中期 ❖ 信息时代各项技术发展对测控系统提出的要求
❖ 可对现场设备进行工艺参数调整、零点量程调校、 组态信息调整等
❖ 通过对现场设备状态趋势分析预测故障 ❖ 发生故障时能及时找到故障点，及时替换新的设
备，即：现场设备始终处于操作员的远程监视与 可控状态，提高了系统的可靠性和可维护性。
一对多的总线型结构
❖ 现场总线是多分支结构，其网络拓扑可为总线型、 星型、树形等多种形式，以总线型为主。
➢ 计算机技术 ➢ 网络与通信技术 ➢ 自动控制技术
❖ 网络化、信息化给自控技术的发展提供的机遇 ❖ 各国投入巨额资金与人力在开发这一技术，形成