1现场总线技术概述(12)解析

随着微处理器的发展和广泛应用，产生了以IC代替常 规电子线路，以微处理器为核心，实施信息采集、显 示、处理、传输及优化控制等功能的智能设备。一些 具有专家辅助推断分析与决策能力的数字式智能化仪 表产品，其本身具备了诸如自动量程转换、自动调零 、自校正、自诊断等功能，还能提供故障诊断、历史 信息报告、状态报告、趋势图等功能。
主要由操作站、管理机和外部设备（如打印 机）等组成，相当于车间操作管理级和全厂优化 及调度管理级，实现人机接口。
（3）通信系统部分
连接分散过程控制装置以及集中操作和管理系 统等进行信息交换和数据共享的计算机通信网 络，是DCS控制系统的中枢。
特点：实时性好、动态响应快，可靠性高，适 应性强等。 对通信系统要求：传输速率、传输距离、开放 性。所谓“开放性”，就是允许不同厂商的DCS 互相通信，各厂商产品的通信应符合国际标准
（4）系统结构的高度分散性 现场总线已构成一种新的全分散性控制系统的 体系结构，提高了可靠性。
（5）对现场环境的适应性
可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外 线、电力线等多种传输介质，具有较强的抗干扰能力 ，采用两线制实现供电与通信，并可满足本质安全防 爆要求。
1.4.4 现场总线的优点(优越性)
制造业广泛应用，尤其适用于有大量逻辑顺序控制的 过程。分布式控制系统制造商为适应逻辑顺序控制的 特点，现已有不少产品可以下挂各种PLC，组成PLC十 DCS形式，应用于既有逻辑顺序控制又有连续控制的 场合。
（5）单回路控制器+通信系统+操作管理站
适用于中、小企业的小型集散控制系统结构。它用单 回路控制器(或双回路、四回路控制器)作为盘装仪表 、信息的监视由操作管理站或仪表面板实施，有较大 灵活性和较高性价比。
1.2.2 DCS的结构分类
根据分散过程控制装置、集中操作和管理装置 和通信系统的不同结构，DCS控制系统的分类： （1）模件化控制站+与MAP兼容的宽带、载带局域 网+信息综合管理系统
MAP（Mobile Application Platform）移动应用中间件
最新结构的大型集散控制系统，通过宽带和载带网络 ，可在很广的地域内应用。通过现场总线，系统可与 现场总线仪表通信和操作，从而形成真正的开放互连 、互操作性的系统。将成为分布式控制系统的主流结 构，也是第三代DCS控制系统的典型结构。
适用于以字节为单位的装置类通信：
Interbus总线、DriveNET总线和CAN总线等。
（3）全服务的现场总线（数据宽度为数据流或 模块Block）： 以报文通信为主，除了对装置进行读取数
据外，还包括一些对装置的操作和控制功能
：FF总线、Lonworks总线、Hart总线等。
现场总线按照应用行业分类
FCS DCS
一对多：一对传输 一对一：一对传输 (1)结构 线接多台仪表，双 线接一台仪表，单 向传输多个信号。 向传输一个信号。 可靠性好：数字信 可靠性差：模拟信 可靠性 号传输抗干扰能力 号传输精度低、易 强，精度高。 受干扰。 (2)
FCS
在控制室既可了解现场设 备的工作情况，也能对设 （3） 备进行参数调整，还可以 失控 预测或寻找故障，使设备 状态 始终处于操作员的过程监 控与可控状态之中。
1.3现场总线控制系统
1.3.1 现场总线的产生
从20世纪50年代至今一直都在使用着一种信号标 准，那就是4一2OmA的模拟信号标准。 20世纪70年代，数字式计算机引人到测控系统中 ，而此时的计算机提供的是集中式控制处理。 20世纪80年代，微处理器在控制领域得到应用， 微处理器被嵌人到各种仪器设备中，形成了分布 式控制系统。
（2）分散过程控制站+局域网+信息管理系统 由于采用局域网技术，使通信能力增强。这是 第二代DCS控制系统的典型结构。 （3）分散过程控制站+高速数据公路+操作站+ 上位机 第一代集散控制系统的典型结构。经过对操作 站、过程控制站、通信系统性能的改善和扩展 ，系统的性能已有较大提高。
（4）PLC +通信系统＋操作管理站
第 1 章
现场总线技术概述
主要内容
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5
自动控制系统 DCS的结构及其分类 现场总线控制系统 FCS与DCS比较 现场总线的现状与发展
1.1 自动控制系统
1、模拟仪表控制系统(ACS)
2、直接数字控制系统(DDC)
3、集散控制系统(DCS)
4、现场总线控制系统(FCS)
（1）过程控制（连续生产过程）用现场总线 ：FF的HI、Profibus-PA等 （2）离散控制用现场总线：Profibus-DP、 Device-NET等 （3）楼宇自动化用现场总线：Lonworks等 （4）车辆制造业用现场总线：CAN等 （5）飞机制造业用现场总线：SwiftNet等 （6）农业及养殖业用现场总线：P-Net等
（5）通信线供电
通信线供电方式允许现场仪表直接从通信线上 获取能量，对于要求本征安全的低功耗现场仪表， 可采用这种供电方式。 （6）开放式互连网络 既可与同层网络互连，也可与不同层网络互连 ，还可以实现网络数据库的共享。不同制造商的网 络实现互连，用户通过网络对现场设备和功能块统 一组态，把不同厂商的网络及设备融为一体，构成 统一的FCS。
（3）FCS实现不同厂商产品互联、互操作
DCS系统的硬件、软件甚至现场级设备都是各制 造商自行研制开发的，不同厂商的产品由于通信协议 的专有与不兼容，彼此难以互联、互操作。而FCS的 现场设备只要采用同一总线标准，不同厂商的产品既 可互联也可互换，并可以统一组态，从而彻底改变传 统DCS控制层的封闭性和专用性。FCS允许用户选用各 制造商性能价格比最优的产品集成控制系统，因而具 有很好的可集成性。
（4）分散功能块
FCS废弃了DCS的输入/输出单元和控制站，把 DCS控制站的功能块分散地分配给现场仪表，从而 构成就地控制站。
例如：流量变送器不仅具有流量信号变换、补偿和累加 输人模块，而且有PID控制和运算功能块。调节阀的基 本功能是信号驱动和执行，还内含输出特性补偿模块， 也可以有PID控制和运算模块，甚至有阀门特性自检验 和自诊断功能。由于功能块分散在多台现场仪表中，并 可统一组态，供用户灵活选用各种功能块，构成所需的 控制系统，实现彻底的分散控制。
（4）十米级：机柜间总线（RS232、GPIB、VME、VXI 等） （5）千米级：现场总线（FF、Profibus等）
现场总线按照数据通信宽度分类
（1）传感器现场总线（数据宽度为位）： 适用于简单的开关装置和输入输出位的
这类通信：Seriplex总线、AS-i总线等。
（2）装置现场总线（数据宽度为字节）：
（1）FCS实现全数字化通信
DCS采用层次化的体系结构，通信网络分布于各层并采用 数字通信方式，唯有生产现场层的常规模拟仪表仍然是 —对一模拟信号(如4～20 mA DC)传输方式，因此DCS是 一个“半数字信号”系统。 FCS采用全数字化、双向传输的通信方式。从最底层的传 感器、变送器和执行器就采用现场总线网络，逐层向上 直到最高层均为通信网络互联。多条分支通信线延伸到 生产现场，用来连接现场数字仪表，采用一对N连接。
1.3.4 现场总线的本质
（1）现场通信网络
用于过程以及制造自动化的现场设 备或现场仪表互连的通信网络。 （2）现场设备互连 传感器、变送器和执行器等，这些 设备通过一对传输线互连。
（3）互操作性
现场设备或现场仪表种类繁多，互相连接不 同制造商的产品是不可避免的。性能价格比最优的 产品，并将其集成在一起，实现 “即接即用”;用户 希望对不同品牌的现场设备统一组态，构成所需要 的控制回路。
通信技术的发展，促使传送数字化信息的网络技术开 始得到广泛应用。与此同时，基于质量分析的维护管 理、与安全相关系统的测试记录、环境监视需求的增 加，都要求仪表能在当地处理信息，并在必要时允许
被管理和访问，使现场仪表与上级控制系统的通信量
大增。
另外，从实际应用的角度出发，控制界也不断在控制
精度、可操作性、可维护性、可移植性等方面提出新 需求。由此，导致了现场总线的产生。
1.3.5
常用现场总线的种类
Profibus现场总线 LonWord现场总线 FF 现场总线 Can现场总线 CCLink现场总线 Hart现场总线 modbus现场总线
1.4 FCS与DCS比较
1.4.1 现场总线的结构特点 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、输入输出模块置于现场总线设备，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，实现了彻底的分散控制。
1.4.3 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 互可操作性是指实现互连设备间、系统间的 信息传送与沟通；而互用性则意味着不同制造商 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。
（2）FCS实现彻底的全分散式控制
在DCS中，生产现场的多台模拟仪表集中接于输 入／输出单元，每台仪表只有单一的信号变换功能， 而与控制有关的输入、输出、控制、运算等功能块都 集中于DCS的控制站内。从这个意义上讲，DCS只是一 个“半分散”系统。 FCS废弃了DCS的输入／输出单元，由现场仪表取 而代之，即把DCS控制站的功能化整为零，功能块分散 地分配给现场总线上的数字仪表。从而构成虚拟控制 站，实现彻底的分散控制。
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、数字式的数据交
换的通信技术。
1.3.3 现场总线的分类
总线按照长度分类: （1）毫米级：芯片内总线 （2）厘米级：芯片间总线、元件总线 （3）分米级：机箱内总线（Multi-bus、STD、PCL、 ISA、PCI等）
（1）现场总线通信 （2）数字仪表
1.2 DCS的结构及其分类
1.2.1 DCS控制系统结构
系统硬件组成结构，由三部分组成：
分散的过程控制装置部分
操作管理装置部分 通信系统部分
பைடு நூலகம்
（1）分散过程控制装置部分
组成：多回路控制器、多功能控制器、可 编程序控制器（PLC）及数据采集装置等。 主要功能：分散的过程控制，是系统与过 程之间的接口。其结构特征如下：
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(包括多个 运行参数值、多个设备状态、故障信息)， 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。
1.4.2FCS和DCS的详细对比
1.3.2
现场总线的概念及分类
1 现场总线的定义(四种)
用于现场仪表与控制主机系统之间的一种开放 的、全数字化的、双向、多站的通信系统； 广义上是控制系统与现场检测仪表、执行装置 进行双向数字通信的串行总线系统； 基于智能化仪表及现场总线的控制系统FCS；
一种数字化的串行双向通信系统。
IEC定义：
DCS
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 。
（4） 控制 控制功能分散在各个智能 所有的控制功能集中
仪器中。 在控制站中。
FCS
DCS
自由选择不同厂家的性尽管模拟仪表统一了信 能价格比最优的现场设号标准（4~20mA DC （5） 备和仪表，并将不同品），可是大部分技术参 互换性 牌的仪表互连，实现“数仍由制造厂自定，致 即插即用”。 使不同品牌的仪表不能 互换。 （6） 智能仪表除了具有模拟 仪表的检测、变换、补 模拟仪表只具有检测、 仪表 偿等功能外，还具有数 变换、补偿等功能。 字通信能力，并且具有 控制和运算能力。
需适应恶劣的工业生产过程环境 分散控制 实时性 独立性
（2）集中操作和管理系统部分
该部分的主要功能是汇集各分散过程控制装 置送来的信息，通过监视和操作，把操作和命令 下送各分散控制装置。信息用于分析、研究、打 印、存储并作为确定生产计划、调度的依据。 特征：信息量大、易操作、容错性好等。