自动化设备第三章 现场总线控制技术

纵观控制系统的发展史，不难发现，每一代新的控制系统 都是针对老一代控制系统存在的缺陷而给出的解决方案， 最终在用户需求和市场竞争两大外因的推动下占领市场的 主导地位。 1.基地式气动仪表控制阶段PCS(Pneumatic Control System)
20世纪50年代以前，由于当时的生产规模较小，检测控制 仪表还处于发展的初级阶段，所采用的仅仅是安装在生产 现场的设备，它们只具有简单测控功能，其信号仅在本仪 表内起作用，一般不能传送给别的仪表或系统，即各测控 点只能成为封闭状态，无法与外界沟通信息，操作人员只 能通过对生产现场的巡视，了解生产过程的状况。 2.模拟仪表控制系统ACS(Analogous Control System)
第三章 现场总线控制技术 第一节 现场总线控制技术概述
随着计算机、控制器、通信和CRT显示器技术的发展，信 息交换沟通的领域正迅速覆盖从工厂的现场设备到控制管 理的各个层次，覆盖从工段、车间、工厂、企业至世界各 地的市场。控制领域也因此发生了一次技术变革，这次变 革使传统的控制系统(如集散式控制系统)无论在结构上， 还是在性能上都发生了巨大的飞跃，这次变革的基础就是 现场总线控制技术的产生，现场总线控制技术也称为工控 局域网。现场总线控制技术是20世纪80年代起步，90年代 迅速发展起来的工业控制技术。 一、自动控制系统的发展过程
集散式控制系统(ＤＣＳ)在20世纪80～90年代占主导地位。 其核心思想是集中管理、分散控制，即管理与控制相分离， 上位机用于集中监视管理功能，若干下位机分散到现场实 现分布式控制，各上、下位机之间用控制网络互联以实现 相互之间的信息传递。因此这种集散式控制系统体系结构 有利地克服了集中式数字控制系统中对控制器处理能力和 可靠性要求高的缺点。
集中式数字控制系统在20世纪70～80年代占主导地位。采 用单片机，PLC或微机作为控制器，控制器内部传输的是 数字信号，因此克服了模拟仪表控制系统中模拟信号精度 低的缺陷，提高了系统的抗干扰能力。
集中式数字控制系统的优点是易于根据全局情况进行控制 计算和判断，在控制方式、控制机的选择上可以统一调度 和安排；不足的是对控制器本身要求很高，必须具有足够 的处理能力和极高的可靠性，当系统任务增加时，控制器 的效率和可靠性将急剧下降，一旦控制器出现某种故障， 就会造成所有控制回路瘫痪、生产停产的严重局面，这种 系统很难为生产过程所接受。 4.集散式控制系统DCS(Distributed Control System)
1.现场总线控制技术体系结构 现场总线控制系统是将自动化设备最底层的现场控制器和 现场智能仪表设备互联的实时控制通信网络，遵循ISO的O SI开放系统参考模型的全部或部分协议。 现场总线控制系统是最底层的控制网络，即FCS，各节点 分散到现场，构成一种彻底的分布式控制体系结构。网络 拓扑结构任意，可为总线型、星形、环形等，通信介质不 受限制，可用双绞线、电力线、无线及红外线等各种形式。 FCS形成的底层控制网很容易与企业内部网和全球信息网 互联，构成一个完整的企业网络三级体系结构。
2.现场总线控制技术与局域网的区别 1)功能比较。FCS连接自动化设备最底层的现场控制器和 现场智能仪表设备，网线上传输的是小批量的数据信息， 如检测信息、状态信息、控制信息等，传输速率低，但实 时性高。简而言之，现场总线控制是一种实时控制网络。 局域网用于连接局部区域的计算机，网线上传输的是大批 量的数字信息，如文本、声音、图像等，传输速率高，但 不要求实时性。从这个意义而言，局域网是一种高速信息 网络。
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2)实现方式比较。现场总线控制可采用各种通信介质，如 双绞线、电力线、无线及红外线等，实现成本低。局域网 需要专用电缆，如同轴电缆、光纤等，实现成本高。 三、现场总线控制技术标准 1.制定标准的主要机构 (１)国际 1)国际标准化组织。国际标准化组织(International Organizat ion for Standardization)简称ISO，是一个全球性的非政府组 织，是国际标准化领域中一个十分重要的组织。
在集散式控制系统中，分布控制思想的实现正是得益于网 络技术的发展和应用，遗憾的是，不同的DCS厂家为达到 垄断经营的目的而对其控制通信网络采用各自专用的封闭 形式，从而使不同厂家的DCS系统之间以及DCS与上层信 息网络之间难以实现网络互联和信息共享。因此集散式控 制系统从该角度而言，实质是一种封闭专用的、并不具有 可互联操作的分布式控制系统，而且造价昂贵。在这种情 况下，用户对网络控制系统提出了开放性和降低成本的迫 切要求。 5.现场总线控制系统FCS(Fieldbus Control System)
现场总线控制系统(ＦＣＳ)正是顺应以上潮流而诞生的， 它用现场总线控制这一开放的、具有可互联操作的网络技 术，将现场各控制器及仪表设备互联，构成现场总线控制 系统，同时控制功能彻底下放到现场，降低了安装成本和 维护费用，因此现场总线控制系统(ＦＣＳ)实质上是一种 开放的、具有互联操作性、完全分散的分布式控制系统， 有望成为21世纪控制系统的主导产品。 二、现场总线控制技术
现场总线控制技术是连接现场智能设备和自动化控制设备 的双向串行、数字式多点通信网络，它也被称为现场低层 设备控制网络(ＩＮＦＲＡＮＥＴ)。 现场总线控制技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪 表，使他们各自都具有数据计算和数据通信能力，采用可 进行简单连接的双绞线等作为总线，把多个测量控制仪表 和自动化控制设备连接成网络系统，并按公开、规范的通 信协议，在位于现场的多个微机化测量控制设备之间以及 现场仪表与远程监控计算机之间，实现数据传输和信息交 换，形成各种适应实际需要的自动控制系统。
随着生产规模的扩大，操作人员需要综合掌握多点的运行 参数与信息，需要同时按多点的信息实行操作控制，于是 出现了气动、电动系列的单元组合式仪表，出现了集中控 制室，生产现场各处的参数通过统一的模拟信号，如：0.0 2～0.1MPa的气动信号，4～20mA的电流信号等，送往集 中控制室，操作人员可以坐在控制室内纵观生产流程各处 的状况，可以把各单元仪表的信号按需要组合成复杂控制 系统。模拟仪表控制系统在20世纪60～70年代占主导地位。 其缺点是模拟信号精度低，易受干扰。 3.集中式数字控制系统CCS(Computer Control System)