第四章 现场总线控制系统(FCS)

第四章现场总线控制系统（FCS）
第一节现场总线控制系统基础
现场总线控制系统(FCS)是基于现场总线技术的计算机控制系统，它是集计算机技术、网络技术和控制技术为一体的先进的计算机控制系统。

是一种全分散、全数字、全开放的控制系统。

它适用于工业过程控制、制造业及楼宇自动化等领域，将逐渐成为计算机控制系统的主流形式。

一、现场总线控制系统的特点
根据IEC标准和现场总线基金会的定义，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。

现场总线控制系统是在现场总线的基础上发展起来的，它所带来的改进首先体现在现场通信网络方面，其次在结构、装置、功能等方面也有优势。

概括地说，它具有以下技术特点：
(1)FCS采用的现场总线是一个全数字化的现场通信网络。

现场总线是用于过程控制系统和制造自动化系统中现场设备或现场仪表间互连的数字化通信网络，其传输抗干扰性强，测量精度高，大大提高了控制系统的性能。

(2)FCS的现场总线网络是开放式互连网络。

用户可以自由集成不同制造商的通信网络，通过网络将不同厂商生产的现场设备和功能块设备有机地融合为一体，构成统一的现场总线控制系统。

(3)FCS的所有现场设备直接通过一对传输线(现场总线)互连。

一对传输线互连多台现场设备，双向传输数据信息，大大减少连线数量，从而降低安装费用，更易于维护，并提高了可靠性。

(4)FCS普遍采用智能仪表，增强了系统的自治性，系统控制功能更加分散。

智能化的现场设备具有更加完善的功能，包括部分控制功能，从而将较简单的控制任务改由现场设备完成，使现场设备既有检测、变换功能，又有运算和控制功能，一机多用。

这样既节约了成本，又使控制更加安全和可靠。

FCS废除了DCS的I／O单元和控制站，把DCS控制站的功能块分散到现场设备，实现了彻底的分散控制。

二、FCS与DCS的分析比较
FCS系统利用现场总线技术，针对现存的DCS的某些不足，改进控制系统的结构，提高了性能和通用性。

传统DCS的主要问题是开放性差，功能分散不够，需要用大量的电缆传递模拟信号等。

但是，DCS发展了二三十年，已经在许多领域成熟应用，其强大的功能和可靠性已经得到验证和承认，并且已经占有了相当大的市场。

与DCS相比，FCS具有技术上的优势，但是还处于发展和成熟之中，许多问题还有待解决。

当今工业控制领域，DCS和FCS共存的情况还将维持一段较长的时间。

在技术上，FCS与DCS相比，具有以下几点优势：
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(1)FCS的信号传输实现了全数字化，从最底层的传感器和执行器就采用现场总线网络，逐层向上直至最高层均为通信网络互连。

(2)FCS的系统结构是全分散式，FCS废弃了DCS的输入输出单元和控制站，由现场设备或现场仪表取而代之，即把DCS控制站的功能化整为零，分散地分配给现场仪表，实现彻底的分散控制。

(3)FCS的现场设备具有互操作性，不同厂商的现场设备既可互连也可互换，并可以统一组态，彻底改变传统DCS控制层的封闭性和专用性。

(4)FCS的通信网络为开放式互连网络，既可与同层网络互连，也可与不同层网络互连，用户可极其方便地共享网络数据库。

(5)FCS的技术和标准实现了全开放、专利许可要求，可供任何人使用，从总线标准、产品检验到信息发布全是公开的，面向世界任何一个制造商和用户。

另一方面，由于FCS是一种新技术，目前真正意义上的现场总线的统一国际标准尚不具备，因此FCS与成熟的DCS相比，还存在下列的一些不足。

(1)由于现场总线标准本身尚在发展中，从而给产品的开发和测试带来难度。

这在一定程度上造成产品开发商多、生产商少，产品品种单一而且价格昂贵。

虽然IEC已经确定了8种总线作为标准，但是仍然让设备生产商和用户无所适从，只有真正意义上的现场总线标准确立，FCS才可以走向成熟。

(2)现阶段，在某些场合中FCS还无法提供DCS已有的控制功能。

由于软硬件水平的限制，其功能块的功能还不是很强，品种也不够齐全；用现场仪表还只能组成一般的控制回路如单回路、串级、比例控制等，对于复杂的、先进的控制算法还无法在仪表中实现，对于单回路内有多输入、多输出的情况缺乏较好的解决方案。

(3)目前FCS成功应用于各行业的实例不多，难以评估实际应用效果。

而DCS已经长期稳定可靠地运行于许多工业现场，其市场优势是FCS无法比拟的。

总的来说，FCS的这些劣势都是在实施推广过程中遇到的问题，但是FCS在技术上的优势已经得到大家的承认，FCS还是今后最有前途的控制系统。

由于以上这些原因，FCS取代DCS将是一个逐渐的过程。

在这一过程中，会出现一些过渡型的系统结构，如在DCS中以FCS取代DCS中的某些子系统。

用户将现场总线设备连接到独立的现场总线网络服务器，服务器配有DCS中连接操作站的上层网络接口，与操作站直接通信。

在DCS的软件系统中可增添相应的通信与管理软件。

这样不需要对原有控制系统作结构上的重大变动。

三、现场总线控制系统的结构
FCS是一个两级系统，即工作站级和现场级。

与DCS相比，其单独的控制级已经不存在，控制功能被分散到智能化的现场仪表中更彻底地实现了控制分散，从而提高了控制的可靠性和性能。

以现场总线基金会(FF)的标准为例，基于FF现场总线标准构成的FCS系统结构如图4－1所示，其中H2为高速总线，H1为低速总线。

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图4－1 FF现场总线控制系统结构
智能化现场设备和现场总线是组成FCS的两个重要部分。

现场级由现场总线智能化设备组成，现场总线智能化设备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，并根据实际情况内置各种控制算法模块，从而完成数据采集、回路控制功能，实现控制功能的彻底分散。

系统可对之进行校验、组态、测试，实施设备管理，从而改善系统的可靠性。

工作站级位于控制室，其中，工程师工作站用于组态操作、系统仿真和调试，操作员工作站用于工艺操作和系统监视报警、报表打印等，维护员工作站用于掌握现场设备的详细信息、查找和确认故障、进行预测性维护。

现场总线协议控制服务器是FCS的通信控制器，它连接现场总线网络和工作站的局域网，完成现场设备和工作站之间的通信。

网桥用于连接高速总线H2和低速总线H1。

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，实现各现场智能化设备之间及其与主控机之间的数据通信，把单个分散的现场设备变成网络节点。

现场智能设备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，减少了现场设备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。

经过现场设备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错能力。

这样，FCS把各现场设备连接成了可以互通信息，共同完成控制任务的网络型控制系统，更好地体现了DCS系统“信息集中，控制分散”的设计理念，提高了信号传输的准确性、实时性和快速性。

四、现场总线控制系统的基本设备
人们把现场总线的节点设备称为现场设备或现场仪表，节点设备的名称及功能随所应用的企业而定。

不同的现场总线标准构成的FCS，具体的设备可能不同，但是在FCS最基本的框架下，基本设备是相似的。

以现场总线基金会(FF)的FCS为例，用于过程自动化构成FCS
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的基本设备如下：
(1)变送器。

常用的有温度、压力、流量、物位和物性分析变送器5大类，每类又有多个品种。

FCS中的变送器已经超越传统变送器，它既有检测、变换和补偿功能，又具有PID算法等控制功能。

(2)执行器。

常用的执行器有电动、气动两大类，每类又有多个品种。

执行器的基本功能是信号驱动和执行，还内含调节阀输出特性补偿、PID控制和运算等功能。

另外有阀门特性自校验和自诊断功能。

(3)服务器和网桥。

对于FF现场总线而言，服务器下接HI和H2，上接局域网L厶Nt网桥上接H2，下接HI。

(4)辅助设备。

H1/汽压、H1／电流和电流／H1转换器、安全栅、总线电源、便携式编程器等等。

(5)监控设备。

工程师站供现场总线组态，操作员站供工艺操作与监视，计算机站用于优化控制和建模。

五、现场总线控制系统的设备管理
现场总线控制系统的设备管理(AMS：Asset Management Solutions)是指现场总线系统中的现场智能仪表的管理、操作和维护。

自动化仪表的设备管理是现场总线仪表发展引出的新概念。

随着工厂越来越严格的质量标准及法规要求，人们对现场测量和控制设备的要求随之提高，不仅要求现场设备能提供过程参数的测量信息，还要能提供包括设备自身及过程的某些诊断信息、管理信息等。

现场总线设备管理系统的目的就是充分发挥智能设备各种功能与信息的作用，让它们为提高过程控制和管理水平服务。

通常情况下，现场仪表通过现场总线将其控制信息、运行状态信息等传送到监控计算机，由安装在计算机内的AMS软件完成设备管理功能。

设备管理系统所能完成的功能包括：设备组态管理、故障诊断、调试标定所连设备以及自动维护系统的设备数据库。

设备组态管理用于改变设备的单个组态参数；或者将一个现存的组态方案整个地提交给设备。

AMS具备一些设备模板，模板中定义了每种特定设备类型的缺省组态参数。

用户可以设置修改这些设备的组态信息。

AMS向用户提供了详细的设备状态信息，如主变量越限、冷启动、组态更改等，甚至还可以提供设备内部各个芯片的故障信息以及通信故障信息。

根据这些信息，维护人员可以方便快速地排除现场故障。

通过查看设备的状态信息可以方便地对设备进行故障诊断。

除了修改设备组态参数，如量程上下限、工程单位等之外，AMS还为用户提供了一些设备调试的功能。

用户可以在控制室的设备管理计算机上完成设备自检、回路测试、设备标定等工作。

AMS还可用于在线的报警管理来管理设备报警，包括设置报警设备、报警参数、报警级别等。

AMS的另一特殊功能是记录跟踪。

记录跟踪自动地为每台设备生成历史记录，包括设备114
组态记录、调试前／调试后记录、诊断信息以及AMS维护记录等。

AMS所提供的设备标定工具可以对每台设备制定特殊的标定计划，以确定一台设备多久应测试以及允许的精度是多少。

此外，AMS中还保存有其他标定信息，诸如：工作序号、测试者、调试前／调试后数据和测试设备的数据。

所有这些数据都被快速准确地收集并置入数据库。

AMS还可提供设备自检和回路测试。

只要用户提出了请求，设备自检(Self Test)就由AMS 自动完成，并在完成测试后给用户提交一份测试结果。

设备自检是对设备内部各组件进行自测试。

回路测试(Loop Test)则是指AMS强制性地将设备输出锁定为某一确定值，用户通过测量回路中各点的电流值就能判断回路是否正常工作，以及问题出在什么地方。

AMS还具备生成报告、标定管理(Calibration Manager)、趋势报告、过程诊断、阀门链接诊断(Valve link)、电机诊断等相应功能。

标定管理软件可查询需要标定的设备，将标定内容下装到现场被标定设备，以及将现场设备的标定结果上装到AMS等。

AMS最终可以构成一个全厂现场设备的综合管理系统信息库，并在此基础上实现设备的可靠性分析以及预测性维护。

对于设备管理系统，涉及的信息内容包含以下几个方面。

(1)设备管理系统可以访问的组态参数。

除了被测量参数的单位、量程上下限、阻尼HART 仪表位号、最小量程间隔、报警级别、探询地址、设备Ⅲ、成组模式设置、写保护、设备型号、制造商设备版本号、通用版本号、设备序列号以及设备制造日期、设备材料等这些当前组态信息外，还可以看到设备的历史组态信息和离线组态信息。

(2)可获取现场设备的状态和诊断信息。

AMS实时读取的设备信息，包括过程测量信息和设备状态信息。

从而，用户可以实时检测设备状态和过程变量。

六、现场总线控制系统对测量、控制与管理一体化的影响
现场总线控制系统是测量、控制与管理一体化的重要方面，可以说，没有现场总线技术，就没有真正意义上的测量、控制与管理一体化技术。

首先，现场总线为自动化系统的测量功能、控制功能和管理功能以双向的、数字的方式联系起来提供了物理基础。

很明显，在DCS操作站上只能看到I／O卡，而FCS操作站一直可以看到变送器和阀门。

测量仪表可以为上层设备提供更加丰富的信息内容，不仅仅是实时的可靠的测量数据，还包括各种设备状态信息。

监控设备可以通过现场总线直接控制和调整现场仪表，可以修改信号调理的算法、对控制算法的组态。

其次，现场仪表的智能化一方面使控制系统中的测量和控制功能集成在一起，提高了相关性能，又由于控制功能的分散而分散了风险，从而提高了可靠性；另一方面，由于智能化的现场仪表以微机为核心构成，因而具有可重新配置能力、自我诊断能力、强大的通信能力，使上层设备对其实施监控、组态、控制成为可能。

另外，现场总线控制系统的设备管理(AMS)最终将现场仪表和管理功熊有机地结合在一起，AMS使测量、控制与管理一体化不仅仅停留在一般的过程数据交换层面上，而是更深入的对系统的每一个设备状态进行监测和管理，表现为一种真正意义上的整体特性。

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第二节艾默生(EMERSON)基金会现场总线系统
一、概述
基金会现场总线是一种全数字、串行、双向通信系统，它用于工厂网络底层网络或工厂自动化环境。

其适合的应用场合有基本和复杂管理控制的场合，以及与上述功能相关的、带很多离散控制的应用。

为满足过程自动化环境中不同的需求，引入两个与基金会现场总线相关的应用方式。

这两种应用方式采用不同的物理媒介和通信速度。

• H1的通信速率为31.25千字节/秒，通常用于连接现场设备。

它通过标准的双绞线实现通信和供电。

H1是目前最常采用的方案，因而也是本课程的重点部分。

• HSE（高速以太网）的通信速率为100兆字节/秒，通常用于连接输入/输出子系统，主系统，连接设备，网关和采用标准以太网电缆的现场设备。

目前它并不能通过电缆提供供电，尽管该项工作正在研发。

图4－2 现场总线网络
数字总线的优点
传统的模拟和离散现场仪表采用点对点接线方式：每个设备采用一对线缆。

同时也受限于传送单个信息—通常是通过线缆传送过程变量或控制输出。

数字总线则不同，基金会现场总线并不受到上述情况的制约。

多点接线。

基金会现场总线的一个线缆（称为网段）上最多可带32个设备—如果采用中继器，则更多。

在实际使用中，考虑到供电、过程模块化和回路执行速度等因素，一般每个H1网段上连接4到16个设备。

这意味着当您有1000个设备，如果采用传统技术您需要1000对线，而采用基金会现场总线时，您只需60到250对线。

这将为您节省大笔的接线费用成本（和116
接线装置）。

多变量仪表。

一个节点上可以处理来自同一现场设备上的多个变量。

例如，一个温度变送器可以与多达八个传感器的输入进行通信。

它同时降低了接线和仪表费用。

其他的好处还包括：多个设备的功能可以通过一个设备完成，这样可减少导线管。

（提高安全性并降低短时排放的风险）并可降低工程费用。

双向通信。

此外，信息传送是双向进行的。

阀门控制器可以接收来自主系统或其他控制源的控制输出，并将阀门当前位置发送出去，从而实现更为精确的控制。

而采用模拟量时，则必须增加另一对线方可实现该功能。

新型信息。

传统模拟量和离散量设备无法通知您它们是否运行正常，或是发送的过程信息是否有效。

其结果是：技术员不得不花大量的时间来确认设备的运行状态。

基金会现场总线设备则不同，它们可以告诉您其运行是否正常，发送的信息是好、差或不定状态。

这可使您免除大多数的例行检查工作，并有助于您在重大的过程问题发生之前发现故障情况。

采用PlantWeb结构体系时，艾默生的现场设备可提供状态信息，这可免除您的例行检查工作，从而有助于降低维护费用。

预诊断：在发生故障之前，检测或预测性能的恶化和失效状态。

这也有助于您提高工厂的正常运行时间和性能。

现场控制。

基金会现场总线也可以实现现场设备中完成部分或全部的控制算法选项，而不是由中央主系统来完成。

根据应用场合的不同，现场控制可降低成本并提高性能—即使是发生与主系统相关的失效时也可保证连续的自动控制。

基金会现场总线包括如下三大组织的标准：
• ANSI/ISA 50.02
• IEC 61158
• CENELEC EN50170:1996/A1
其技术由不受约束的、非盈利性组织现场总线协会管理，其150多个会员公司包括用户和所有全球主要的过程自动化供应商。

一些供应商甚至已经致力于将现场总线相关的专利技术融入到现场总线基金会，从而鼓励所有的基金会成员更多地采用现场这项技术。

此外，一些自动化供应商和用户已经合作开发不同品牌仪表和主系统之间的可扩展的互操作性测试—包括实验室和实际工厂中的测试。

可互操作性并不等同于可互换性。

可互换性意味着您可以随意用一个设备取代另一个设备，同时设备的功能相同。

另一方面，可互操作性则是不同生产商的不同设备可以协调工作—但各设备的功能可能不尽相同。

例如，您有两个不同生产商的压力变送器。

其中一个只具有模拟量输入功能，而另一个变送器还具备PID控制和客户诊断功能。

用功能少的变送器取代功能强的变送器时，您并不能保证整体性能不变。

但两个变送器可以协调工作在同一个现场总线段上。

一些通信协议最初是为工厂或办公自动化而设计，并且只适用于加工工厂的特定生态应
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用场合。

设计之初，没有一种协议考虑到过程控制的全部要求。

因而它们都不是实现安全而高效的过程控制的最佳选择。

然而，基金会现场总线H1则是为满足过程工业的要求而专门设计的。

• 它能够适应加工厂中恶劣而危险的环境。

• 它能够通过同一对线进行供电和通信。

• 它可以利用工厂中现有的接线。

• 它支持本质安全。

简而言之，它是为您的生产过程量身打造。

值得您信赖的控制。

基金会现场总线还提供确定性过程控制：按时间顺序控制通信，不会受到总线上其他通信量的影响而延迟。

如果消息没能成功发送，它将再次尝试。

控制的安全性并不仅于此。

当现场总线设备与主系统的连接断开时，它们能够通过总线维持安全而高效的控制。

最为重要的一点：基金会现场总线的性能和可靠性能满足实时性要求高的过程控制的需要。

及时通知用户。

基金会现场总线设备可告知设备信息是否良好，并且发送该状态信息与过程变量。

要使工厂运行在最安全的模式下，控制策略和操作员都需要知道这种通过主机发送的状态信息，因而在故障模式下他们可以安全而及时地采用相应的措施。

二、现场总线通信
基金会现场总线的一个最重要特点是：它具有采集和传输大量信息的能力—不只是过程变量和控制信号，还包括其他类型的仪表和过程数据。

在实现不同生产商设备间可互操作性和与现有接线兼容的同时，它还实现了一致性和可靠性。

本课程将描述实现该功能的关系技术特点。

基金会现场总线通信模式可分为如下三部分：
• 物理层
• 数据链路层
• 用户层
物理层、数据链路层和应用层共同组成通信协议栈。

应用层位于该栈的最上方，它允许您与其他层和系统中的其他应用程序进行数据交换。

物理层：
基金会现场总线通信模型中第一个功能层就是物理层，它将线缆上的消息转换成物理信号或是将物理信号转换成消息。

物理层还为所有基金会现场总线设备提供公共的电气接口。

现场总线H1总线要求9-32伏直流供电并且每个设备的供电电流约为12-20mA。

其通信速度约为31.25 kbaud。

基金会现场总线的物理层由经认证的标准定义（IEC 1158-2和ANSI/ISA 50.02, part 2）。

它能够在现有的现场接线作长距离运行，支持两线制设备，并提供本质安全选项。

简而言之，它是常规的过程自动化环境的理想选择。

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图4－3 现场总线H1网段
数据链路层和应用层：
通信模型中的第二部分结合多种技术控制现场总线上的数据传输。

数据链路层和应用层支持标准的数据“打包”方式，以及通信时间的管理和功能块的执行。

它们在实现过程控制的同时实现了标准化和可互操作性。

用户层：
用户层位于通信栈的上层，它允许您与其他层和其他应用进行数据交换。

用户层包括资源块，传感器块和功能块，它描述、执行设备功能，比如控制和诊断。

无需客户编程，设备描述可支持主系统与上述块进之间的识别与数据交换。

三、现场总线块
您可以将现场总线块看作是小型的、密封软件模块。

每个块都定义了一套特定功能或信息类型的输入和/或输出。

您不必管理它们是如何将输入转换成输出的内部处理过程，那是供应商考虑的事情，他们将这些块作为现场总线设备或主系统一部分提供给您。

基金会现场总线采用三种块：
• 资源块
• 传感器块
• 功能块
各块的功能。

资源块和传感器块提供大量与设备、传感器、执行机构及其性能相关的信息。

功能块是实现开放、可互操作性且独立于设备控制的引擎。

同时，这三种块更便于您提高设备性能和过程控制。

资源块：
资源块与整个设备相关联。

它包含诸如生产商、设备类型和序列号之类的信息。

每个设备都包含一个资源块。

此外，资源块还常常提供设备健康状态或状况的整个信息。

访问该附加信息可能是基金
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