現(xiàn)場總線概述(dhl)

1、控制系統(tǒng)的發(fā)展過程控制系統(tǒng)的發(fā)展過程 在工業(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展過程中，每一代新的控制系統(tǒng)的推出都在工業(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展過程中，每一代新的控制系統(tǒng)的推出都是針對老一代控制系統(tǒng)存在的缺陷而給出的解決方案，同時(shí)也代表是針對老一代控制系統(tǒng)存在的缺陷而給出的解決方案，同時(shí)也代表著技術(shù)的進(jìn)步和效能的提高。工業(yè)控制系統(tǒng)在其發(fā)展過程中大致可著技術(shù)的進(jìn)步和效能的提高。工業(yè)控制系統(tǒng)在其發(fā)展過程中大致可劃分為以下幾個(gè)階段：劃分為以下幾個(gè)階段： （1 1）初級控制系統(tǒng)）初級控制系統(tǒng) 2020世紀(jì)世紀(jì)5050年代以前，由于工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模較年代以前，由于工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模較小，各類檢測、控制儀表處于發(fā)展的初級階段，生產(chǎn)設(shè)備以機(jī)械設(shè)小，

2、各類檢測、控制儀表處于發(fā)展的初級階段，生產(chǎn)設(shè)備以機(jī)械設(shè)備為主，所用的設(shè)備主要是安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場、具有簡單測控功能的備為主，所用的設(shè)備主要是安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場、具有簡單測控功能的基地式儀表，信號基本上都是在本儀表內(nèi)基地式儀表，信號基本上都是在本儀表內(nèi)起作用（主要是顯示功起作用（主要是顯示功能），一般不能傳送給別的儀表或系統(tǒng)，各測控點(diǎn)為封閉狀態(tài)，無能），一般不能傳送給別的儀表或系統(tǒng)，各測控點(diǎn)為封閉狀態(tài)，無法與外界溝通信息，操作人員只能通過對生產(chǎn)現(xiàn)場的巡檢來了解生法與外界溝通信息，操作人員只能通過對生產(chǎn)現(xiàn)場的巡檢來了解生產(chǎn)過程的運(yùn)行狀況。此階段的控制系統(tǒng)均簡單、初級控制系統(tǒng)。產(chǎn)過程的運(yùn)行狀況。此階段的控制

3、系統(tǒng)均簡單、初級控制系統(tǒng)。 電動單元儀表通常以雙絞線為傳輸介質(zhì)，信號被送到集中控制室（通電動單元儀表通常以雙絞線為傳輸介質(zhì)，信號被送到集中控制室（通常稱為儀表室或機(jī)房）后，操作人員可以坐在控制室內(nèi)觀察生產(chǎn)流程中各常稱為儀表室或機(jī)房）后，操作人員可以坐在控制室內(nèi)觀察生產(chǎn)流程中各處的生產(chǎn)參數(shù)并了解整個(gè)生產(chǎn)過程。由于單元組合儀表具有統(tǒng)一的輸入輸處的生產(chǎn)參數(shù)并了解整個(gè)生產(chǎn)過程。由于單元組合儀表具有統(tǒng)一的輸入輸出信號標(biāo)準(zhǔn)，在此階段自動化系統(tǒng)可以根據(jù)生產(chǎn)需要，由各種功能單元進(jìn)出信號標(biāo)準(zhǔn)，在此階段自動化系統(tǒng)可以根據(jù)生產(chǎn)需要，由各種功能單元進(jìn)行組合，完成各種相對復(fù)雜的控制。行組合，完成各種相對復(fù)雜的控制。（4

4、 4）集散控制系統(tǒng)（）集散控制系統(tǒng)（DCSDCS） 隨著計(jì)算機(jī)可靠性的提高和價(jià)格的下降，自控領(lǐng)域又出現(xiàn)了新型控隨著計(jì)算機(jī)可靠性的提高和價(jià)格的下降，自控領(lǐng)域又出現(xiàn)了新型控制方案制方案集散控制系統(tǒng)，它由數(shù)字調(diào)節(jié)器、可編程控制（集散控制系統(tǒng)，它由數(shù)字調(diào)節(jié)器、可編程控制（PLCPLC）以及多）以及多臺計(jì)算機(jī)構(gòu)成，當(dāng)一臺計(jì)算機(jī)出故障時(shí)，其他計(jì)算機(jī)立即接替該計(jì)算機(jī)臺計(jì)算機(jī)構(gòu)成，當(dāng)一臺計(jì)算機(jī)出故障時(shí)，其他計(jì)算機(jī)立即接替該計(jì)算機(jī)的工作，使系統(tǒng)繼續(xù)正常運(yùn)行。在集散系統(tǒng)中系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)被分散到多臺的工作，使系統(tǒng)繼續(xù)正常運(yùn)行。在集散系統(tǒng)中系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)被分散到多臺計(jì)算機(jī)承擔(dān)，避免了集中控制系統(tǒng)的高風(fēng)險(xiǎn)，提高了系統(tǒng)的可靠性。

5、因計(jì)算機(jī)承擔(dān)，避免了集中控制系統(tǒng)的高風(fēng)險(xiǎn)，提高了系統(tǒng)的可靠性。因此，它被工業(yè)生產(chǎn)過程廣泛接受，這就是今天正在被許多企業(yè)采用的此，它被工業(yè)生產(chǎn)過程廣泛接受，這就是今天正在被許多企業(yè)采用的DCSDCS系統(tǒng)。在系統(tǒng)。在DCSDCS系統(tǒng)中，測量儀表、變送器一般為模擬儀表，控制器多為數(shù)系統(tǒng)中，測量儀表、變送器一般為模擬儀表，控制器多為數(shù)字式，因而它又是一種模擬數(shù)字混合系統(tǒng)。字式，因而它又是一種模擬數(shù)字混合系統(tǒng)。 這種系統(tǒng)與模擬式儀表控制系統(tǒng)、集中式數(shù)字控制系統(tǒng)相比較，在這種系統(tǒng)與模擬式儀表控制系統(tǒng)、集中式數(shù)字控制系統(tǒng)相比較，在功能、性能、可靠性上都有了很大的進(jìn)步，可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場裝置級、車間功能、性能、可靠

6、性上都有了很大的進(jìn)步，可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場裝置級、車間級的優(yōu)化控制。但是，在級的優(yōu)化控制。但是，在DCS系統(tǒng)形成的過程中，由于受早期計(jì)算機(jī)發(fā)系統(tǒng)形成的過程中，由于受早期計(jì)算機(jī)發(fā)展的影響，各廠家的產(chǎn)品自成封閉體系，即使同一種協(xié)議下仍然存在不展的影響，各廠家的產(chǎn)品自成封閉體系，即使同一種協(xié)議下仍然存在不同廠家的設(shè)備有不同的信號傳輸方式且不能互連的現(xiàn)象，因此實(shí)現(xiàn)互換同廠家的設(shè)備有不同的信號傳輸方式且不能互連的現(xiàn)象，因此實(shí)現(xiàn)互換與互操作有一定的局限性。與互操作有一定的局限性。 （5 5）現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（）現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCSFCS） 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)突破了現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)突破了DCS通信由專用網(wǎng)絡(luò)的封閉

7、系通信由專用網(wǎng)絡(luò)的封閉系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)所造成的缺陷，把基于封閉、專用的解決方案變統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)所造成的缺陷，把基于封閉、專用的解決方案變成了基于公開化、標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案，即可以將來自不同成了基于公開化、標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案，即可以將來自不同廠商而遵守同一協(xié)議規(guī)范的自動化設(shè)備通過現(xiàn)場總線控制廠商而遵守同一協(xié)議規(guī)范的自動化設(shè)備通過現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)把系統(tǒng)把DCS集中與分散結(jié)合的集散系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變成了新型全集中與分散結(jié)合的集散系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變成了新型全分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，把控制功能徹底下放到現(xiàn)場。分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，把控制功能徹底下放到現(xiàn)場。 現(xiàn)場總線之所以具有較高的測控性能，一是得益于儀表現(xiàn)場總線之所以具有較高的測控性能，一是得益于

8、儀表的智能化，二是得益于設(shè)備的通信化。的智能化，二是得益于設(shè)備的通信化。 把微處理器置入現(xiàn)場自控設(shè)備，使設(shè)備具有數(shù)字計(jì)算和把微處理器置入現(xiàn)場自控設(shè)備，使設(shè)備具有數(shù)字計(jì)算和數(shù)字通信能力，一方面提高了信號的測量、控制和傳輸精度，數(shù)字通信能力，一方面提高了信號的測量、控制和傳輸精度，另一方面豐富了測控信息的內(nèi)容，為實(shí)現(xiàn)其遠(yuǎn)程傳送創(chuàng)造了另一方面豐富了測控信息的內(nèi)容，為實(shí)現(xiàn)其遠(yuǎn)程傳送創(chuàng)造了條件。在現(xiàn)場總線的環(huán)境下，借助設(shè)備的計(jì)算、通信能力，條件。在現(xiàn)場總線的環(huán)境下，借助設(shè)備的計(jì)算、通信能力，在現(xiàn)場就可進(jìn)行許多復(fù)雜計(jì)算，形成真正分散在現(xiàn)場的完整在現(xiàn)場就可進(jìn)行許多復(fù)雜計(jì)算，形成真正分散在現(xiàn)場的完整的控制系統(tǒng)

9、，提高了控制系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。的控制系統(tǒng)，提高了控制系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。 此外還可借助現(xiàn)場總線網(wǎng)段與其它網(wǎng)段進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)此外還可借助現(xiàn)場總線網(wǎng)段與其它網(wǎng)段進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)異地遠(yuǎn)程自動控制，如操作在幾百公里之外的電氣開關(guān)、進(jìn)異地遠(yuǎn)程自動控制，如操作在幾百公里之外的電氣開關(guān)、進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定等。系統(tǒng)還可提供如閥門開關(guān)動作次數(shù)、故障行參數(shù)的設(shè)定等。系統(tǒng)還可提供如閥門開關(guān)動作次數(shù)、故障診斷信息等，便于操作管理人員更好、更深入地了解生產(chǎn)現(xiàn)診斷信息等，便于操作管理人員更好、更深入地了解生產(chǎn)現(xiàn)場和自控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，這在傳統(tǒng)儀表控制系統(tǒng)中是無法場和自控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，這在傳統(tǒng)儀表控制系統(tǒng)中是無法實(shí)現(xiàn)的。實(shí)現(xiàn)的。

10、 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（Fieldbus Control System，縮寫為，縮寫為FCS） 420mAV/ID/AA/D放大放大調(diào)理調(diào)理微處微處理器理器傳感傳感信號信號結(jié)構(gòu)簡單；結(jié)構(gòu)簡單；信號傳輸標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一。信號傳輸標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一。420mAV/I放大放大調(diào)理調(diào)理傳感傳感信號信號性能提高，成本增加；性能提高，成本增加；單向模擬傳輸方式未變。單向模擬傳輸方式未變。通信通信信號信號具有雙向通信功能的智能儀表具有雙向通信功能的智能儀表A/D放大放大調(diào)理調(diào)理微處微處理器理器傳感傳感信號信號通信通信接口接口雙向數(shù)字傳輸方式：雙向數(shù)字傳輸方式： 傳輸精度高；傳輸精度高； 功能強(qiáng)，成本低；功能強(qiáng)，成

11、本低； 協(xié)議不統(tǒng)一，無法互換。協(xié)議不統(tǒng)一，無法互換。人人機(jī)機(jī)接接口口微微處處理理器器A/DD/AV/IV/I調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器4 420mA20mA4 420mA20mA4 420mA20mA變送器變送器a) 420mA標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)人人機(jī)機(jī)接接口口控制室儀表控制室儀表變送器變送器數(shù)字雙向傳輸數(shù)字雙向傳輸b) 現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)微微處處理理器器通通訊訊接接口口通通訊訊接接口口微微處處理理器器A/D放放大大調(diào)調(diào)理理傳傳感感器器I/VD/A微微處處理理器器A/D放放大大調(diào)調(diào)理理傳傳感感器器現(xiàn)場總線開放標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字DCS電動單元?dú)鈩?、模擬模擬按回路運(yùn)行 按過程運(yùn)行過程優(yōu)化管控一體化五十年代 1960 1980

12、 1998數(shù)字/模擬混合測控能力指數(shù)現(xiàn)場總線是低帶寬的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)現(xiàn)場總線是低帶寬的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)1現(xiàn)場總線是一種數(shù)字通信協(xié)議現(xiàn)場總線是一種數(shù)字通信協(xié)議2現(xiàn)場總線是開放式數(shù)字化多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場總線是開放式數(shù)字化多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)3 現(xiàn)場總線的線狀及樹型結(jié)構(gòu)現(xiàn)場總線的線狀及樹型結(jié)構(gòu) 總總線線類類型型 技技術(shù)術(shù)特特點(diǎn)點(diǎn) 主主要要應(yīng)應(yīng)用用場場合合 價(jià)價(jià)格格 支支持持公公司司 FF 功能強(qiáng)大，本安，實(shí)時(shí)性好，總線供電；但協(xié)議復(fù)雜，實(shí)際應(yīng)用少 流程控制 較貴 Honeywell，Rosemount，ABB,Foxboro,橫河,山武等 WorldFIP 有較強(qiáng)的抗干擾能力，實(shí)時(shí)性好，穩(wěn)定性好

13、 工業(yè)過程控制 一般 Alstone Profibus PA 本安，總線供電，實(shí)際應(yīng)用較多；但支持的傳輸介質(zhì)較少，傳輸方式單一 過程自動化 較貴 Siemens Profibus DP/FMS 速度較快，組態(tài)配置靈活 車間級通訊、工業(yè)、樓宇自動化 一般 Siemens InterBus 開放性好， 與PLC 的兼容性好， 協(xié)議芯片內(nèi)核由國外廠商壟斷 過程控制 較便宜 獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)商支持 P-NET 系統(tǒng)簡單，便宜，再開發(fā)簡易，擴(kuò)展性好；但響應(yīng)較慢，支持廠商較少 農(nóng)業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)、食品加工業(yè) 便宜 PROCES-DATA A/S SwiftNET 安全性好，速度快 航空 較貴 Boeing CAN

14、 采用短幀，抗干擾能力強(qiáng)，速度較慢，協(xié)議芯片內(nèi)核由國外廠商壟斷 汽車檢測、控制 較便宜 Philips, siemens, Honeywell 等 LonWorks 支持OSI 七層協(xié)議，實(shí)際應(yīng)用較多，開發(fā)平臺完善，協(xié)議芯片內(nèi)核由國外廠商壟斷 樓宇自動化、工業(yè)、能源 較便宜 Echelon 互連網(wǎng)Internet企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)Intranet底層控制網(wǎng)Infranet企業(yè)資源規(guī)劃層ERP制造執(zhí)行層MES現(xiàn)場控制層FCSEthernet現(xiàn)場控制層FCS制造執(zhí)行層MESEthernet資源規(guī)劃層ERPEthernet調(diào)節(jié)閥溫度變送器溫度變送器溫度變送器調(diào)節(jié)閥Internet控制網(wǎng)絡(luò) 車間監(jiān)控層 現(xiàn)場設(shè)

15、備層管 理層資 源 規(guī) 劃 與 決 策（EPR）生 產(chǎn) 控 制 與 管 理（EMS）工廠底層設(shè)備（FCS）監(jiān)視操作計(jì)算機(jī)以太網(wǎng)段Server網(wǎng)關(guān)/控制器網(wǎng)橋控制網(wǎng)段控制網(wǎng)段監(jiān)視操作計(jì)算機(jī)PCI控制網(wǎng)段控制網(wǎng)段以太網(wǎng)段圖圖1.5 1.5 總線形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)總線形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(a)星形 (b)樹形圖1.6 星形和樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 圖圖1.7 1.7 環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（4 4）網(wǎng)狀形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)）網(wǎng)狀形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 網(wǎng)狀形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也是常見的一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)狀形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也是常見的一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖如圖1.81.8所示，所示，各結(jié)點(diǎn)通過物理通道連接成不規(guī)則的形狀，各結(jié)點(diǎn)之間有多各結(jié)點(diǎn)通過物理通道連接成不規(guī)則的形狀，

16、各結(jié)點(diǎn)之間有多余線路可供選擇。余線路可供選擇。 圖1.9 網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)的分類 圖圖1.10 1.10 同軸電纜的結(jié)構(gòu)同軸電纜的結(jié)構(gòu)表1.1 同軸電纜分類電纜類型電纜類型電纜電阻電纜電阻適用網(wǎng)絡(luò)類型適用網(wǎng)絡(luò)類型RG-8RG-8505010Base510Base5以太網(wǎng)以太網(wǎng)RG-11RG-11505010Base510Base5以太網(wǎng)以太網(wǎng)RG-58RG-58505010Base210Base2以太網(wǎng)以太網(wǎng)RG-59RG-597575ARCnetARCnet網(wǎng)、有線網(wǎng)、有線電視電視（a a） 單模光纖傳輸原理單模光纖傳輸原理 （b b） 單模光纖傳輸原理單模光纖傳輸原理 圖圖1.11 1.11 光纖傳輸原理光纖傳輸原理 層號層號層名層名英文名英文名工作任務(wù)工作任務(wù)接口要求接口要求操作內(nèi)操作內(nèi)容容第第7 7層層應(yīng)用層應(yīng)用層Application Application LayerLayer管理、協(xié)管理、協(xié)同同應(yīng)用操作應(yīng)用操作信息交信息交換換第第6 6層層表示層表示層Presentation Presentation LayerLayer編譯編譯數(shù)據(jù)表達(dá)數(shù)據(jù)表達(dá)數(shù)據(jù)構(gòu)數(shù)據(jù)構(gòu)造造第第5 5層層會話層會話層Session Session LayerLayer同步同步對話結(jié)構(gòu)對話結(jié)構(gòu)會話管會話管理理第第4 4層層傳輸層傳輸