現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的體系結構精選課件

現(xiàn)場總線概述

精1現(xiàn)場總線概述

精1精2精21.1現(xiàn)場總線的現(xiàn)狀與發(fā)展現(xiàn)場總線是用于現(xiàn)場儀表與控制系統(tǒng)和控制室之間的一種全分散、全數(shù)字化、智能、雙向、互聯(lián)、多變量、多點、多站的通信網絡。按照IEC對現(xiàn)場總線（fieldbus）一詞的定義，現(xiàn)場總線是一種應用于生產現(xiàn)場，在現(xiàn)場設備之間、現(xiàn)場設備與控制裝置之間實行雙向、串行、多節(jié)點數(shù)字通信的技術。這是由IEC/TC65負責測量和控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信部分國際標準化工作的SC65/WG6定義的。精31.1現(xiàn)場總線的現(xiàn)狀與發(fā)展現(xiàn)場總線是用于現(xiàn)場儀表與控制系現(xiàn)場總線是當今自動化領域技術發(fā)展的熱點之一，被譽為自動化領域的計算機局域網。它作為工業(yè)數(shù)據(jù)通信網絡的基礎，溝通了生產過程現(xiàn)場級控制設備之間及其與更高控制管理層之間的聯(lián)系。它不僅是一個基層網絡，而且還是一種開放式、新型全分布式控制系統(tǒng)。這項以智能傳感、控制、計算機、數(shù)據(jù)通信為主要內容的綜合技術，已受到世界范圍的關注而成為自動化技術發(fā)展的熱點，并將導致自動化系統(tǒng)結構與設備的深刻變革。精4現(xiàn)場總線是當今自動化領域技術發(fā)展的熱點之一，被譽為自動化領域是美國通用汽車公司(GM)提出的一種用于制造自動化的局域網協(xié)議。

網絡的骨干精5是美國通用汽車公司(GM)提出的一種用于制造自動化的局域網協(xié)1.2.2現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的體系結構智能速度控制器：執(zhí)行器條形碼識別器：輸入設備控制、網關上位機：監(jiān)控與三層網絡相連遠程訪問路由設備顯示工作站信息量減少

圖3羅克韋爾推出的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

精61.2.2現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的體系結構智能速度控制器條形碼1.2.2現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的體系結構圖4FFHSE網絡架構（體系結構）鏈接設備：核心網橋、網關時間發(fā)布鏈路調度器

31.25kbps100Mbps主機系統(tǒng)以太網交換機高速以太網

組態(tài)、監(jiān)控現(xiàn)場信息控制信息

精71.2.2現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的體系結構圖4FFHSE

1.1.1現(xiàn)場總線的產生

在過程控制領域中，從20世紀50年代至今一直都在使用著一種信號標準，那就是4~20mA的模擬信號標準。20世紀70年代，數(shù)字式計算機引入到測控系統(tǒng)中，而此時的計算機提供的是集中式控制處理。20世紀80年代微處理器在控制領域得到應用，微處理器被嵌入到各種儀器設備中，形成了分布式控制系統(tǒng)。精8

1.1.1現(xiàn)場總線的產生

在過程控制領域中，從20世紀精9精9智能設備以微處理器為核心，實施信息采集、顯示、處理、傳輸及優(yōu)化控制等功能。一些具有專家輔助推斷分析與決策能力的數(shù)字式智能化儀表產品，其本身具備了諸如自動量程轉換、自動調零、自校正、自診斷等功能，還能提供故障診斷、歷史信息報告、狀態(tài)報告、趨勢圖等功能。另外，從實際應用的角度，控制界也不斷在控制精度、可操作性、可維護性、可移植性等方面提出新需求。由此，導致了現(xiàn)場總線的產生?；诂F(xiàn)場總線的分布式控制系統(tǒng)（FCS），將是繼DCS后的又一代控制系統(tǒng)。精10智能設備以微處理器為核心，實施信息采集、顯示、處理、傳輸及優(yōu)精11精11現(xiàn)場總線與4-20mA系統(tǒng)的區(qū)別？4-20mAP.S.現(xiàn)場總線P.S.現(xiàn)場總線設備在總線上并聯(lián)連接，所有設備通過總線接收、發(fā)送數(shù)字信號現(xiàn)場總線設備可以向網絡上其它設備提供任意多信息總線具有循環(huán)冗余檢錯的(CRC)功能，可以保證接收設備獲得正確數(shù)據(jù)多節(jié)點現(xiàn)場總線無需點對點的布線精12現(xiàn)場總線與4-20mA系統(tǒng)的區(qū)別？4-20mAP.S.現(xiàn)場總精13精13精14精14精15精151.1.2現(xiàn)場總線的本質

由于標準實質上并未統(tǒng)一，所以對現(xiàn)場總線也有不同的定義。但現(xiàn)場總線的本質含義主要表現(xiàn)在以下6個方面。1．現(xiàn)場通信網絡用于過程以及制造自動化的現(xiàn)場設備或現(xiàn)場儀表互連的通信網絡。2．現(xiàn)場設備互連現(xiàn)場設備或現(xiàn)場儀表是指傳感器、變送器和執(zhí)行器等，這些設備通過一對傳輸線互連，傳輸線可以使用雙絞線、同軸電纜、光纖和電源線等，并可根據(jù)需要因地制宜地選擇不同類型的傳輸介質。精161.1.2現(xiàn)場總線的本質由于標準實質上并未統(tǒng)一，所以對3．互操作性現(xiàn)場設備或現(xiàn)場儀表種類繁多，沒有任何一家制造商可以提供一個工廠所需的全部現(xiàn)場設備，所以，互相連接不同制造商的產品是不可避免的?，F(xiàn)場設備互連是基本的要求，只有實現(xiàn)互操作性，用戶才能自由地集成FCS。例如，汽車機械制造設備，電氣自動化設備。4．分散功能塊FCS廢棄了DCS的輸入/輸出單元和控制站，把DCS控制站的功能塊分散地分配給現(xiàn)場儀表，從而構成虛擬控制站。由于功能塊分散在多臺現(xiàn)場儀表中，并可統(tǒng)一組態(tài)，供用戶靈活選用各種功能塊，構成所需的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)徹底的分散控制。精173．互操作性精175．通信線供電通信線供電方式允許現(xiàn)場儀表直接從通信線上攝取能量，對于要求本征安全的低功耗現(xiàn)場儀表，可采用這種供電方式。6．開放式互連網絡現(xiàn)場總線為開放式互連網絡，它既可與同層網絡互連，也可與不同層網絡互連，還可以實現(xiàn)網絡數(shù)據(jù)庫的共享。精185．通信線供電精181.1.3現(xiàn)場總線的特點和優(yōu)點

1．現(xiàn)場總線的結構特點現(xiàn)場總線打破了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的結構形式。傳統(tǒng)模擬控制系統(tǒng)采用一對一的設備連線，按控制回路分別進行連接。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)由于采用數(shù)字信號替代模擬信號，因而可實現(xiàn)一對電線上傳輸多個信號，如運行參數(shù)值、多個設備狀態(tài)、故障信息等。用一根通信線直接互連N個現(xiàn)場設備，從而構成了現(xiàn)場設備的互連網絡。

精191.1.3現(xiàn)場總線的特點和優(yōu)點

1．現(xiàn)場總線的結構特點精精20精201.2.2現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的體系結構離散量/模擬量輸入/輸出設備指示燈：狀態(tài)指示光電傳感器：檢測開關操作員接口：輸入操作命令閥和交流驅動器：執(zhí)行器，輸出設備變送器（傳感器）：輸入設備控制器：主站、從站人機界面：輸入/輸出設備參數(shù)、命令、顯示

精211.2.2現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的體系結構離散量/模擬量輸入/輸圖1-1FCS與DCS結構比較PROFIBUS-DPH1DeviceNet現(xiàn)場總線現(xiàn)場設備現(xiàn)場設備網橋LonWorks現(xiàn)場總線CANBUS服務器LAN操作站4~20mALAN傳統(tǒng)的模擬儀表控制站操作站現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)（如DCS）結構對比如圖1-1所示。精22圖1-1FCS與DCS結構比較PROFIBUS-DPH12．現(xiàn)場總線的技術特點（1）系統(tǒng)的開放性開放是指對相關標準的一致性、公開性，強調對標準的共識與遵從。（2）互可操作性與互用性這里的互可操作性，是指實現(xiàn)互連設備間、系統(tǒng)間的信息傳送與溝通，可實行點對點，一點對多點的數(shù)字通信。而互用性則意味著不同生產廠家的性能類似的設備可進行互換而實現(xiàn)互用。（3）現(xiàn)場設備的智能化與功能自治性它將傳感測量、補償計算、工程量處理與控制等功能分散到現(xiàn)場設備中完成，僅靠現(xiàn)場設備即可完成自動控制的基本功能，并可隨時診斷設備的運行狀態(tài)。精232．現(xiàn)場總線的技術特點精23（4）系統(tǒng)結構的高度分散性由于現(xiàn)場設備本身已可完成自動控制的基本功能，使得現(xiàn)場總線已構成一種新的全分布式控制系統(tǒng)的體系結構。（5）對現(xiàn)場環(huán)境的適應性作為工廠網絡底層的現(xiàn)場總線，是專為在現(xiàn)場環(huán)境工作而設計的，它可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等，具有較強的抗干擾能力。精24（4）系統(tǒng)結構的高度分散性精243．現(xiàn)場總線的優(yōu)點由于現(xiàn)場總線的以上特點，特別是現(xiàn)場總線系統(tǒng)結構的簡化，使控制系統(tǒng)從設計、安裝、投運到正常生產運行及檢修維護，都體現(xiàn)出優(yōu)越性。（1）節(jié)省硬件數(shù)量與投資由于現(xiàn)場總線系統(tǒng)中分散在設備前端的智能設備能直接執(zhí)行多種傳感、控制、報警和計算功能，因而可減少變送器的數(shù)量，不再需要單獨的控制器、計算單元等。（2）節(jié)省安裝費用現(xiàn)場總線系統(tǒng)的接線十分簡單，由于一對雙絞線或一條電纜上通?？蓲旖佣鄠€設備，因而電纜、端子、槽盒、橋架的用量大大減少，連線設計與接頭校對的工作量也大大減少。精253．現(xiàn)場總線的優(yōu)點精25（3）節(jié)約維護開銷由于現(xiàn)場控制設備具有自診斷與簡單故障處理的能力，并通過數(shù)字通信將相關的診斷維護信息送往控制室，用戶可以查詢所有設備的運行，診斷維護信息，以便早期分析故障原因并快速排除，縮短了維護停工時間，同時由于系統(tǒng)結構簡化、連線簡單而減少了維護工作量。（4）用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動權用戶可以自由選擇不同廠商所提供的設備來集成系統(tǒng)。（5）提高了系統(tǒng)的準確性與可靠性由于現(xiàn)場總線設備的智能化、數(shù)字化，與模擬信號相比，它從根本上提高了測量與控制的準確度，減少了傳送誤差。精26（3）節(jié)約維護開銷精261.1.4現(xiàn)場總線標準的制定

國際電工委員會極為重視現(xiàn)場總線標準的制定，早在1984年就籌備成立了IEC/TC65/SC65C/WG6工作組，開始起草現(xiàn)場總線標準。IEC61158標準將采用的8種類型為：精271.1.4現(xiàn)場總線標準的制定

國際電工委員會極為重視現(xiàn)場精28精28從IEC61158現(xiàn)場總線標準長達15年的制定經歷中，以及IEC各國家委員會全力以赴積極參與和激烈爭論的程度來看，在數(shù)字技術時代，標準已不僅僅是一個產品的規(guī)范，它還起著引導和促進高新技術發(fā)展的特殊作用。精29從IEC61158現(xiàn)場總線標準長達15年的制定經歷中，以及1.1.5現(xiàn)場總線的現(xiàn)狀

國際電工技術委員會/國際標準協(xié)會（IEC/ISA）自1984年起著手現(xiàn)場總線標準工作，但統(tǒng)一的標準至今仍未完成。1．多種總線共存現(xiàn)場總線國際標準IEC61158中采用了8種協(xié)議類型，以及其他一些現(xiàn)場總線。每種總線都有其產生的背景和應用領域。精301.1.5現(xiàn)場總線的現(xiàn)狀

國際電工技術委員會/國際標準協(xié)2．每種總線各有其應用領域每種總線都力圖拓展其應用領域，以擴張其勢力范圍。在一定應用領域中已取得良好業(yè)績的總線，往往會進一步根據(jù)需要向其他領域發(fā)展。如PROFIBUS在DP的基礎上又開發(fā)出PA，以適用于流程工業(yè)。3．每種總線各有其國際組織大多數(shù)總線都成立了相應的國際組織，力圖在制造商和用戶中創(chuàng)造影響，以取得更多方面的支持，同時也想顯示出其技術是開放的。精312．每種總線各有其應用領域精314．每種總線均有其支持背景每種總線都以一個或幾個大型跨國公司為背景，公司的利益與總線的發(fā)展息息相關，如PROFIBUS以Siemens公司為主要支持，ControlNet以Rockwell公司為主要背景，WorldFIP以Alstom公司為主要后臺。精324．每種總線均有其支持背景精32RockwellAutomation

羅克韋爾公司是世界著名的電子控制和通訊公司，年銷售額達70億美元，在工業(yè)自動化，航空電子及通訊和電子商務等領域中處于全球領先地位。羅克韋爾公司目前擁有員工約40000名，分布在全球40多個國家和地區(qū)的450多個城市。公司的全球網絡使公司能夠與世界各地的客戶緊密合作，充分了解他們的需求，并且作為合作伙伴向他們提供先進的技術，產品和系統(tǒng)以及快捷可靠的服務與支持。

通過以下介紹，您會更多的了解我們的公司性質，產品和服務，以及公司在全球的發(fā)展。您能了解羅克韋爾公司的品牌，公司所從事的事業(yè)，以及將來公司如何與您并肩努力來滿足您在業(yè)務上的需要。公司期待著加強公司在全世界的伙伴關系。在羅克韋爾，公司為實現(xiàn)客戶的成功而奮斗。您成功，我們也成功。董事長兼首席執(zhí)行官

DonH.Davis精33RockwellAutomation

董事長兼首WorldFIP（法國Alstom公司支持）精34WorldFIP（法國Alstom公司支持）精34

阿爾斯通（ALSTOM）是全球發(fā)電和軌道交通基礎設施領域的領先企業(yè)，其創(chuàng)新環(huán)保的領先技術已成為行業(yè)的參照基準。

阿爾斯通建造了世界上運行最快的列車和動力最高的全自動地鐵列車。

阿爾斯通還為水電、燃氣、燃煤和核電等利用各類能源的發(fā)電廠提供總包整合電廠解決方案和相關服務。阿爾斯通集團是世界500強之一，在全球70多個國家和地區(qū)擁有近六萬伍千名員工。2006/07財年的銷售業(yè)績達190億歐元。5．設備制造商參加多個總線組織大多數(shù)設備制造商都積極參加不止一個總線組織，有些公司甚至參加2~4個總線組織。精35阿爾斯通（ALSTOM）是全球發(fā)電和軌道交通基礎設施領域的6．多種總線均作為國家和地區(qū)標準每種總線大多將自己作為國家或地區(qū)標準，以加強自己的競爭地位。7．協(xié)調共存在激烈的競爭中出現(xiàn)了協(xié)調共存的前景。8．工業(yè)以太網引入工業(yè)領域工業(yè)以太網的引入成為新的熱點。工業(yè)以太網正在工業(yè)自動化和過程控制市場上迅速增長，幾乎所有遠程I/O接口技術的供應商均提供一個支持TCP/IP協(xié)議的以太網接口，如Siemens、Rockwell、GEFanuc等，他們銷售各自的PLC產品，但同時提供與遠程I/O和基于PC的控制系統(tǒng)相連接的接口。精366．多種總線均作為國家和地區(qū)標準精361.4現(xiàn)場總線應用領域

汽車總裝生產線現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

精371.4現(xiàn)場總線應用領域1.4現(xiàn)場總線應用領域

精381.4現(xiàn)場總線應用領域精381.4現(xiàn)場總線應用領域

大豆分離蛋白現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

精391.4現(xiàn)場總線應用領域1.4現(xiàn)場總線應用領域基于現(xiàn)場總線的企業(yè)能源計量系統(tǒng)

精401.4現(xiàn)場總線應用領域基于現(xiàn)場總線的企業(yè)能源計量系統(tǒng)1.4現(xiàn)場總線應用領域

上海世博園區(qū)配電網現(xiàn)場總線監(jiān)控系統(tǒng)配置圖打印機后臺系統(tǒng)站控單元GPS

調度中心間隔1保護測控單元間隔2保護測控單元間隔3保護測控單元間隔n保護測控單元其它智能裝置CT\PT數(shù)字量控制輸出CT\PTCT\PTCT\PT數(shù)字量數(shù)字量數(shù)字量控制輸出控制輸出控制輸出

精411.4現(xiàn)場總線應用領域上海世1.4現(xiàn)場總線應用領域低壓開關柜傳統(tǒng)方式與現(xiàn)場總線智能化方式的比較

精421.4現(xiàn)場總線應用領域低壓開關柜傳統(tǒng)方式與現(xiàn)場總線智能化1.4現(xiàn)場總線應用領域基于以太網的CBZ-8000變電站自動化系統(tǒng)

精431.4現(xiàn)場總線應用領域基于以太網的CBZ-8000變電站1.4現(xiàn)場總線應用領域基于現(xiàn)場總線的配電網自動化系統(tǒng)

精441.4現(xiàn)場總線應用領域基于現(xiàn)場總線的配電網自動化系統(tǒng)精1.1.6現(xiàn)場總線網絡的實現(xiàn)

現(xiàn)場總線是一個定義了硬件接口和通信協(xié)議的標準。參考國際標準化組織（ISO）的開放系統(tǒng)互聯(lián)（OSI）協(xié)議，采用其中的第1層、第2層和第7層，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層，并增設了第8層即用戶層。1．物理層物理層定義了信號的編碼與傳送方式、傳送介質、接口的電氣及機械特性、信號傳輸速率等?，F(xiàn)場總線有兩種編碼方式：Manchester和NRZ，現(xiàn)場總線傳輸介質主要有有線電纜、光纖和無線介質。精451.1.6現(xiàn)場總線網絡的實現(xiàn)

現(xiàn)場總線是一個定義了硬件接2．數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層又分為兩個子層，即介質訪問控制層（MAC）和邏輯鏈路控制層（LLC）。MAC功能是對傳輸介質傳送的信號進行發(fā)送和接收控制，而LLC層則是對數(shù)據(jù)鏈進行控制，保證數(shù)據(jù)傳送到指定的設備上。現(xiàn)場總線網絡中的設備可以是主站，也可以是從站，主站有控制收發(fā)數(shù)據(jù)的權利，而從站則只有響應主站訪問的權利。精462．數(shù)據(jù)鏈路層精463．應用層應用層的功能是進行現(xiàn)場設備數(shù)據(jù)的傳送及現(xiàn)場總線變量的訪問。4．用戶層用戶層是現(xiàn)場總線標準在OSI模型之外新增加的一層，是使現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)開放與可互操作性的關鍵。用戶層定義了從現(xiàn)場裝置中讀、寫信息和向網絡中其他裝置分派信息的方法，即規(guī)定了供用戶組態(tài)的標準“功能模塊”。精473．應用層精471.1.7現(xiàn)場總線技術的發(fā)展趨勢

發(fā)展現(xiàn)場總線技術已成為工業(yè)自動化領域廣為關注的焦點，自動化系統(tǒng)的網絡化是發(fā)展的大趨勢，現(xiàn)場總線技術受計算機網絡技術的影響是十分深刻的。具有發(fā)展前景的現(xiàn)場總線技術有：智能儀表與網絡設備開發(fā)的軟硬件技術；組態(tài)技術，包括網絡拓撲結構、網絡設備、網絡互連等；網絡管理技術，包括網絡管理軟件、網絡數(shù)據(jù)操作與傳輸；人機接口、軟件技術；現(xiàn)場總線系統(tǒng)集成技術。精481.1.7現(xiàn)場總線技術的發(fā)展趨勢

發(fā)展現(xiàn)場總線技術已成為在從現(xiàn)在起的未來10年內，可能出現(xiàn)幾大總線標準共存，甚至在一個現(xiàn)場總線系統(tǒng)內，幾種總線標準的設備通過路由網關互連實現(xiàn)信息共享的局面。精49在從現(xiàn)在起的未來10年內，可能出現(xiàn)幾大總線標準共存，甚至在一1.2企業(yè)網絡信息集成系統(tǒng)

1.2.1企業(yè)網絡信息集成系統(tǒng)的層次結構

現(xiàn)場總線本質上是一種控制網絡，現(xiàn)場總線網絡和Internet、Intranet等類型的信息網絡不同，控制網絡直接面向生產過程，因此要求有很高的實時性、可靠性、數(shù)據(jù)完整性和可用性。此外，現(xiàn)場總線還要完成與上層工廠信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換和傳遞。統(tǒng)一的企業(yè)網絡信息集成系統(tǒng)應具有3層結構，如圖1-2所示，從底向上依次為：過程控制層（PCS）、制造執(zhí)行層（MES）、企業(yè)資源規(guī)劃層（ERP）。精501.2企業(yè)網絡信息集成系統(tǒng)

1.2.1企業(yè)網絡信息集圖1-2企業(yè)網絡信息集成系統(tǒng)的層次結構圖

過程控制層PCS制造執(zhí)行層MES內部網Intranet(Ethernet)企業(yè)資源規(guī)劃層ERPInternet互聯(lián)網Internet現(xiàn)總線控制網絡精51圖1-2企業(yè)網絡信息集成系統(tǒng)的層次結構圖過程控制層1．過程控制層現(xiàn)場總線是將自動化最底層的現(xiàn)場控制器和現(xiàn)場智能儀表設備互連的實時控制通信網絡，遵循ISO的OSI開放系統(tǒng)互連參考模型的全部或部分通信協(xié)議?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)則是用開放的現(xiàn)場總線控制通信網絡將自動化最底層的現(xiàn)場控制器和現(xiàn)場智能儀表設備互連的實時網絡控制系統(tǒng)。過程控制層通信介質不受限制，可用雙絞線、同軸電纜、光纖、電力線、無線、紅外線等各種形式。精521．過程控制層精522．制造執(zhí)行層這一層從現(xiàn)場設備中獲取數(shù)據(jù)，完成各種控制、運行參數(shù)的監(jiān)測、報警和趨勢分析等功能，另外還包括控制組態(tài)的設計和下裝。3．企業(yè)資源規(guī)劃層其主要目的是在分布式網絡環(huán)境下構建一個安全的遠程監(jiān)控系統(tǒng)。精532．制造執(zhí)行層精534．現(xiàn)場總線與局域網的區(qū)別現(xiàn)場總線與數(shù)據(jù)網絡相比，主要有以下特點：（1）現(xiàn)場總線主要用于對生產、生活設備的控制，對生產過程的狀態(tài)檢測、監(jiān)視與控制，或實現(xiàn)“家庭自動化”等；數(shù)據(jù)網絡則主要用于通信、辦公，提供如文字、聲音和圖像等數(shù)據(jù)信息。（2）現(xiàn)場總線和數(shù)據(jù)網絡具有各自的技術特點：現(xiàn)場總線要求具備高度的實時性、安全性和可靠性，網絡接口盡可能簡單，成本盡量降低，數(shù)據(jù)傳輸量一般較??；數(shù)據(jù)網絡則需要適應大批量數(shù)據(jù)的傳輸與處理。（3）現(xiàn)場總線采用全數(shù)字式通信，具有開放式、全分布、互操作性（Interoperability）等特點?，F(xiàn)場總線與管理信息網絡特性比較如表1-2所示。精544．現(xiàn)場總線與局域網的區(qū)別精54表1-2現(xiàn)場總線與管理信息網絡特性比較精55表1-2現(xiàn)場總線與管理信息網絡特性比較精551.2.2現(xiàn)場總線的作用

現(xiàn)場總線控制網絡處于企業(yè)網絡的底層，或者說，它是構成企業(yè)網絡的基礎。而生產過程的控制參數(shù)與設備狀態(tài)等信息是企業(yè)信息的重要組成部分。企業(yè)網絡各功能層次的網絡類型如圖1-3所示。精561.2.2現(xiàn)場總線的作用

現(xiàn)場總線控制網絡處于企業(yè)網絡的圖1-3各功能層次的網絡類型以太網段資源規(guī)劃層(ERP)制造執(zhí)行層(MES)以太網段Internet現(xiàn)場控制層(FCS)控制網絡溫度變送器調節(jié)閥調節(jié)閥溫

度變送器溫

度變送器精57以太網段資源規(guī)劃層(ERP)制造執(zhí)行層(MES)以太網段In控制網絡的主要作用是為自動化系統(tǒng)傳遞數(shù)字信息。它所傳輸?shù)男畔热葜饕巧a裝置運行參數(shù)的測量值、控制量、閥門的工作位置、開關狀態(tài)、報警狀態(tài)、設備的資源與維護信息、系統(tǒng)組態(tài)、參數(shù)修改、零點量程調校信息等。精58控制網絡的主要作用是為自動化系統(tǒng)傳遞數(shù)字信息。精581.2.3現(xiàn)場總線與上層網絡的互聯(lián)

由于現(xiàn)場總線所處的特殊環(huán)境及所承擔的實時控制任務是普通局域網和以太網技術難以取代的，因而現(xiàn)場總線至今依然保持著它在現(xiàn)場控制層的地位和作用。但現(xiàn)場總線需要同上層與外界實現(xiàn)信息交換。目前，現(xiàn)場總線與上層網絡的連接方式一般有以下三種：一是采用專用網關完成不同通信協(xié)議的轉換，把現(xiàn)場總線網段或DCS連接到以太網上。圖1-4示出了通過網關連接現(xiàn)場總線網段與上層網絡的示意圖。精591.2.3現(xiàn)場總線與上層網絡的互聯(lián)

由于現(xiàn)場總線所處的特圖1-4通過網關連接現(xiàn)場總線網段與上層網絡監(jiān)視操作計算機服務器以太網段網關或控制器現(xiàn)場總線網段網橋現(xiàn)場總線網段精60監(jiān)視操作計算機服務器以太網段網關或控制器現(xiàn)場總線網段網橋現(xiàn)場二是將現(xiàn)場總線網卡和以太網卡都置入工業(yè)PC機的PCI插槽內，在PC機內完成數(shù)據(jù)交換。在圖1-5中采用現(xiàn)場總線的PCI卡，實現(xiàn)現(xiàn)場總線網段與上層網絡的連接。精61二是將現(xiàn)場總線網卡和以太網卡都置入工業(yè)PC機的PCI插槽內，圖1-5采用PCI卡連接現(xiàn)場總線網段與上層網絡PCI以太網段監(jiān)視操作計算機現(xiàn)場總線網段現(xiàn)場總線網段精62PCI以太網段監(jiān)視操作計算機現(xiàn)場總線網段現(xiàn)場總線網段精62三是將Web服務器直接置入PLC或現(xiàn)場控制設備內，借助Web服務器和通用瀏覽工具實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的動態(tài)交互。精63三是將Web服務器直接置入PLC或現(xiàn)場控制設備內，借助Web1.2.4現(xiàn)場總線網絡集成應考慮的因素

應用現(xiàn)場總線要適合企業(yè)的需要，選擇現(xiàn)場總線應考慮以下因素。1．控制網絡的特點（1）適應工業(yè)控制應用環(huán)境，要求實時性強，可靠性高，安全性好。（2）網絡傳輸?shù)氖菧y控數(shù)據(jù)及其相關信息，因而多為短幀信息，傳輸速率低。（3）用戶從滿足應用需要的角度去選擇、評判。精641.2.4現(xiàn)場總線網絡集成應考慮的因素

應用現(xiàn)場總線要適2．標準支持國際、國家、地區(qū)、企業(yè)標準。3．網絡結構支持的介質；網絡拓撲；最大長度/段；本質安全；總線供電；最大電流；可尋址的最大節(jié)點數(shù)；可掛接的最大節(jié)點數(shù)；介質冗余等。精652．標準支持精654．網絡性能傳輸速率；時間同步準確度；執(zhí)行同步準確度；媒體訪問控制方式；發(fā)布/預訂接收能力；報文分段能力（報文大小限制，最大數(shù)據(jù)/報文段）；設備識別；位號名分配；節(jié)點對節(jié)點的直接傳輸；支持多段網絡；可尋址的最大網段數(shù)。精664．網絡性能精665．測控系統(tǒng)應用考慮功能塊；應用對象；設備描述。6．市場因素供應商供貨的成套性、持久性、地區(qū)性、產品互換性和性能價格比。精675．測控系統(tǒng)應用考慮精677．其他因素一致性測試；一致性測試是協(xié)議測試的一個重要方面，是性能測試、互操作性測試和健壯性測試的基礎，是協(xié)議開發(fā)人員首要關心的問題，它測試協(xié)議的實現(xiàn)是否符合協(xié)議規(guī)范。一致性測試是一種黑盒測試，他不涉及協(xié)議的內部實現(xiàn)，只是從外面的行為來判斷協(xié)議的實現(xiàn)是否符合要求精687．其他因素精68互操作測試機制互操作測試評價被測實現(xiàn)與相連接相似實現(xiàn)之間在網絡操作環(huán)境中是否能夠正確地交互并且完成協(xié)議標準中規(guī)定的功能，從而確定被測設備是否支持所需要的功能事實上，在互操作測試中，被采用最多的形式是測試單位選擇經互操作認可的設備來與被測設備進行互操作測試。認可設備可能是終端設備、網絡設備或者應用軟件，也可能是一個單獨設備或者若干設備組合。精69互操作測試機制精691.3現(xiàn)場總線簡介由于技術和利益的原因，目前國際上存在著幾十種現(xiàn)場總線標準，比較流行的主要有:FF、CAN、DeviceNet、LonWorks、PROFIBUS、HART、INTERBUS、CC-Link、ControlNet、WorldFIP、P-Net、SwiftNet等現(xiàn)場總線。精701.3現(xiàn)場總線簡介由于技術和利益的原因，目前國際上存在著1.3.1基金會現(xiàn)場總線（FF）

基金會現(xiàn)場總線，即FoundationFieldbus，簡稱FF，這是在過程自動化領域得到廣泛支持和具有良好發(fā)展前景的技術。其前身是以美國Fisher-Rousemount公司為首，聯(lián)合:Foxboro、橫河、ABB(瑞士蘇黎世)、西門子等80家公司制訂的ISP協(xié)議和以Honeywell公司為首、聯(lián)合歐洲等地的150家公司制訂的WorldFIP協(xié)議。屈于用戶的壓力，這兩大集團于1994年9月合并，成立了現(xiàn)場總線基金會，致力于開發(fā)出國際上統(tǒng)一的現(xiàn)場總線協(xié)議。精711.3.1基金會現(xiàn)場總線（FF）

基金會現(xiàn)場總線，即Fo它以ISO/OSI開放系統(tǒng)互連模型為基礎，取其物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應用層為FF通信模型的相應層次，并在應用層上增加了用戶層?；饡F(xiàn)場總線分低速H1和高速H2兩種通信速率。H1的傳輸速率為31.25kbps，通信距離可達1900m（可加中繼器延長），可支持總線供電，支持本質安全防爆環(huán)境。H2的傳輸速率為1Mbps和2.5Mbps兩種，其通信距離為750m和500m。物理傳輸介質可支持雙絞線、光纜和無線發(fā)射，協(xié)議符合IEC1158-2標準。精72它以ISO/OSI開放系統(tǒng)互連模型為基礎，取其物理層、數(shù)據(jù)鏈1.3.2CAN

CAN是控制器局域網ControllerAreaNetwork的簡稱，最早由德國BOSCH公司提出，用于汽車內部測量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信。其總線規(guī)范現(xiàn)已被ISO國際標準組織制訂為國際標準，得到了Motorola、Intel、Philips、Siemens、NEC等公司的支持，已廣泛應用在離散控制領域。精731.3.2CAN

CAN是控制器局域網ControlleCAN協(xié)議也是建立在國際標準組織的開放系統(tǒng)互連模型基礎上的，不過，其模型結構只有3層，只取OSI的:物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應用層。其信號傳輸介質為雙絞線，通信速率最高可達1Mbps/40m，直接傳輸距離最遠可達10km/5kbps，可掛接設備最多可達110個。已有多家公司開發(fā)生產了符合CAN協(xié)議的通信芯片，如Intel公司的82527，Motorola公司的MC68HC908AZ60Z，Philips公司的SJA1000等。還有插在PC機上的CAN總線適配器，具有接口簡單、編程方便、開發(fā)系統(tǒng)價格便宜等優(yōu)點。精74CAN協(xié)議也是建立在國際標準組織的開放系統(tǒng)互連模型基礎上的，1.3.3DeviceNet（美國RockwellAutomation公司）

DeviceNet是一種低成本的通信連接，它將工業(yè)設備連接到網絡，從而免去了昂貴的硬接線。DeviceNet是一個開放式網絡標準。規(guī)范和協(xié)議都是開放的，廠商將設備連接到系統(tǒng)時，無需購買硬件、軟件或許可權。任何人都能以少量的復制成本從開放式DeviceNet供貨商協(xié)會（ODVA）獲得DeviceNet規(guī)范。精751.3.3DeviceNet（美國RockwellAu美國RockwellAutomation公司于1994年推出了DeviceNet網絡，實現(xiàn)低成本高性能的工業(yè)設備的網絡互連。DeviceNet基于CAN總線技術，它可連接：開關、光電傳感器、閥組、電動機起動器、過程傳感器、變頻調速設備、固態(tài)過載保護裝置、條形碼閱讀器、I/O和人機界面等，傳輸速率為125~500kbps，每個網絡的最大節(jié)點數(shù)是64個，干線長度100~500m。精76美國RockwellAutomation公司于1994年推DeviceNet總線的組織機構是“開放式設備網絡供貨商協(xié)會”，簡稱“ODVA”，其英文全稱為OpenDeviceNetVendorAssociation。它是一個獨立組織，管理DeviceNet技術規(guī)范，促進DeviceNet在全球的推廣與應用。2002年10月8日，DeviceNet現(xiàn)場總線被批準為國家標準。DeviceNet中國國家標準編號為GB/T18858.3-2002，名稱為《低壓開關設備和控制設備控制器——設備接口（CDI）第3部分：DeviceNet》。該標準于2003年4月1日開始實施。精77DeviceNet總線的組織機構是“開放式設備網絡供貨商協(xié)會

1.3.4LonWorks

LonWorks是又一具有強勁實力的現(xiàn)場總線技術，它是由美國Echelon公司推出并由它們與Motorola、Toshiba公司共同倡導，于1990年正式公布而形成的。它采用了ISO/OSI模型的全部七層通信協(xié)議，采用了面向對象的設計方法，通過網絡變量把網絡通信設計簡化為參數(shù)設置.

精78

1.3.4LonWorks

LonWorks是又一具有其通信速率從300bps至1.5Mbps不等，直接通信距離可達到2700m（78kbps，雙絞線），支持雙絞線、同軸電纜、光纖、射頻、紅外線、電源線等多種通信介質，并開發(fā)相應的本安防爆產品，被譽為通用控制網絡。LonWorks技術所采用的LonTalk協(xié)議被封裝在稱之為Neuron的芯片中并得以實現(xiàn)。精79其通信速率從300bps至1.5Mbps不等，直接通信距離可1.3.5PROFIBUS

PROFIBUS是作為德國國家標準DIN19245和歐洲標準EN50170的現(xiàn)場總線，ISO/OSI模型也是它的參考模型。由PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA組成了PROFIBUS系列。精801.3.5PROFIBUS

PROFIBUS是作為德國國DP型用于分散外設間的高速傳輸，適合于加工自動化領域的應用。FMS意為現(xiàn)場信息規(guī)范，適用于紡織、樓宇自動化、可編程控制器、低壓開關等一般自動化，PA型則是用于過程自動化的總線類型，它遵從IEC1158-2標準。該項技術是由西門子公司為主的十幾家德國公司、研究所共同推出的。精81DP型用于分散外設間的高速傳輸，適合于加工自動化領域的應用。PROFIBUS支持主-從系統(tǒng)、純主站系統(tǒng)、多主多從混合系統(tǒng)等幾種傳輸方式。PROFIBUS的傳輸速率為9.6kbps~12Mbps，最大傳輸距離在9.6kbps時為1200m，1.5Mbps時為200m，可用中繼器延長至10km。其傳輸介質可以是雙絞線，也可以是光纜，最多可掛接127個站點。精82精821.3.6HART（可尋址遠程傳感高速通道的開放通信協(xié)議）

HART是HighwayAddressableRemoteTransducer的縮寫，最早由Rosemount公司開發(fā)并得到80多家著名儀表公司的支持，于1993年成立了HART通信基金會。這種被稱為可尋址遠程傳感高速通道的開放通信協(xié)議，其特點是在現(xiàn)有模擬信號傳輸線上實現(xiàn)數(shù)字通信，屬于模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉變過程中工業(yè)過程控制的過渡性產品，因而在當前的過渡時期具有較強的市場競爭能力，得到了較好的發(fā)展。HART能利用總線供電，可滿足本安防爆要求。

精831.3.6HART（可尋址遠程傳感高速通道的開放通信協(xié)議1.3.7INTERBUS

INTERBUS是德國跨國集團Phoenix公司推出的較早的現(xiàn)場總線，廣泛地應用于汽車工業(yè)、煙草工業(yè)、倉儲及傳送技術、造紙工業(yè)、包裝工業(yè)和食品工業(yè)等。1996年成為歐洲標準EN50254，2000年2月成為國際標準IEC61158。INTERBUS的技術發(fā)起人為德國菲尼克斯公司。

精841.3.7INTERBUS

INTERBUS是德國跨國集1.3.8CC-Link

1．開放式現(xiàn)場總線CC-Link背景在1996年11月，以三菱電機為主導的多家公司以“多廠家設備環(huán)境、高性能、省配線”理念開發(fā)、公布和開放了現(xiàn)場總線CC-Link，第一次正式向市場推出了CC-Link這一全新的多廠商、高性能、省配線的現(xiàn)場網絡。精851.3.8CC-Link

1．開放式現(xiàn)場總線CC-LinCC-Link是Control&CommunicationLink（控制與通信鏈路系統(tǒng)）的簡稱。即：在工控系統(tǒng)中，可以將控制和信息數(shù)據(jù)同時以10Mbps高速傳輸?shù)默F(xiàn)場網絡。1998年，汽車行業(yè)的馬自達、五十鈴、雅馬哈、通用、鈴木等也成為了CC-Link的用戶，而且CC-Link迅速進入中國市場。2000年11月，CC-Link協(xié)會（CC-LinkPartnerAssociation簡稱CLPA）在日本成立。主要負責CC-Link在全球的普及和推進工作。為了全球化的推廣能夠統(tǒng)一進行，CLPA（CC-Link協(xié)會）在全球設立了眾多的駐點，分布在美國、歐洲、中國、中國臺灣、新加坡、韓國等國家和地區(qū)，負責在不同地區(qū)在各個方面推廣和支持CC-Link用戶和成員的工作。精86CC-Link是Control&CommunicatioCLPA由“Woodhead”、“Contec”、“Digital”、“NEC”、“松下電工”和“三菱電機”等6個常務理事會員發(fā)起。到2002年3月底，CLPA在全球擁有252家會員公司，其中包括浙大中控、中科軟大等幾家中國大陸地區(qū)的會員公司。CC-Link是一個技術先進、性能卓越、應用廣泛、使用簡單、成本較低的開放式現(xiàn)場總線，其在中國的技術發(fā)展和應用有著廣闊的前景。精87CLPA由“Woodhead”、“Contec”、“Digi1.3.9ControlNet

ControlNet是由在北美（包括美國、加拿大等）地區(qū)的工業(yè)自動化領域中技術和市場占有率穩(wěn)居第一位的美國羅克韋爾自動化公司（RockwellAutomation）于1997年推出的一種新的面向控制層的實時性現(xiàn)場總線網絡。精881.3.9ControlNet

ControlNet是由ControlNet是一種最現(xiàn)代化的開放網絡，它提供如下功能：（1）在同一鏈路上同時支持I/O信息，控制器實時互鎖以及對等通信報文傳送和編程操作。（2）對于離散和連續(xù)過程控制應用場合，均具有確定性和可重復性。ControlNet上可連接以下典型的設備：邏輯控制器（例如可編程邏輯控制器、軟控制器等）；精89ControlNet是一種最現(xiàn)代化的開放網絡，它提供如下功能I/O機架和其他I/O設備；人機界面設備；操作員界面設備；電動機控制設備；變頻器；機器人；氣動閥門；過程控制設備；網橋/網關等。精90I/O機架和其他I/O設備；精901.3.10WorldFIP

WorldFIP的北美部分與ISP合并成為FF以后，WorldFIP的歐洲部分仍保持獨立，總部設在法國，該協(xié)議符合法國國家標準和歐洲標準EN50170的第三部分。精911.3.10WorldFIP

WorldFIP的北美部分到目前為止，WorldFIP協(xié)會已擁有100多個成員，生產350多種WorldFIP現(xiàn)場總線產品。WorldFIP產品在法國的市場占有率大約60%，在歐洲市場占有大約25%的份額，WorldFIP廣泛用于發(fā)電與輸配電、制造自動化、鐵路運輸、地鐵等自動化領域。精92精921.3.11P-Net

P-Net現(xiàn)場總線由丹麥Process-DataA/S公司提出，1984年開發(fā)出第一個多主控器現(xiàn)場總線的產品，主要應用于農業(yè)、水產、飼養(yǎng)、林業(yè)、食品等行業(yè)，現(xiàn)已成為歐洲標準EN50170的第一部分、IEC61158類型4。P-Net采用了ISO/OSI模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網絡層、服務器和應用層。精931.3.11P-Net

P-Net現(xiàn)場總線由丹麥Proc1.3.12SwiftNet

SwiftNet是SHIPSTAR協(xié)會應波音公司的要求開發(fā)的一種現(xiàn)場總線。它主要用于航空和航天等領域。該總線是一種結構簡單、實時性高的總線，它的ISO/OSI參考模型只有物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，沒有定義應用層。精941.3.12SwiftNet

SwiftNet是SHIP1.3.13AS-i

AS-i（Actuator-Sensorinterface）是執(zhí)行器-傳感器接口的英文縮寫。它是一種用來在控制器（主站、Master）和傳感器/執(zhí)行器（從站、Slave）之間雙向交換信息、主從結構的總線網絡，它屬于現(xiàn)場總線下面設備級的底層通信網絡。精951.3.13AS-i

AS-i（Actuator-Sen一個AS-i總線中的主站最多可以帶31個從站，從站的地址為5位，可以有32個地址，但“0”地址留作地址自動分配時的特殊用途。一個AS-i的主站又可以通過網關（Gateway）和PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線連接，作為它的一個從站。AS-i總線用于具有開關量特征的傳感器/執(zhí)行器中，也可用于各種開關電器中。精96一個AS-i總線中的主站最多可以帶31個從站，從站的地址為5AS-i總線的發(fā)展是由11家公司聯(lián)合資助和規(guī)劃的，并得到德國科技部的支持，現(xiàn)已成立了AS-i國際協(xié)會（AS-InternationalAssociation），它的任務是規(guī)劃AS-i部件的開發(fā)和系統(tǒng)的定義，進行有關標準化的工作，組織產品的標準測試和軟件認證，以保證AS-i產品的開放性和互操作性。精97AS-i總線的發(fā)展是由11家公司聯(lián)合資助和規(guī)劃的，并得到德國1.3.14RS-485

盡管RS-485不能稱為現(xiàn)場總線，但是作為現(xiàn)場總線的鼻祖，還有許多設備繼續(xù)沿用這種通信協(xié)議。采用RS-485通信具有設備簡單、低成本等優(yōu)勢，仍具有一定的生命力。以RS-485為基礎的OPTO-22命令集等也在許多系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。精981.3.14RS-485

盡管RS-485不能稱為現(xiàn)場總作業(yè)：1、說明現(xiàn)場總線的本質是什么？2、說明現(xiàn)場總線的結構特點，試比較DCS結構與FCS結構。思考題：1、計算機網絡與工業(yè)控制的聯(lián)系以及區(qū)別。2、ERP的最終目的是什么？3、目前存在多種現(xiàn)場總線標準，你對哪一種現(xiàn)場總線標準感興趣？為什么？精99作業(yè)：精99現(xiàn)場總線概述

精100現(xiàn)場總線概述

精1精101精21.1現(xiàn)場總線的現(xiàn)狀與發(fā)展現(xiàn)場總線是用于現(xiàn)場儀表與控制系統(tǒng)和控制室之間的一種全分散、全數(shù)字化、智能、雙向、互聯(lián)、多變量、多點、多站的通信網絡。按照IEC對現(xiàn)場總線（fieldbus）一詞的定義，現(xiàn)場總線是一種應用于生產現(xiàn)場，在現(xiàn)場設備之間、現(xiàn)場設備與控制裝置之間實行雙向、串行、多節(jié)點數(shù)字通信的技術。這是由IEC/TC65負責測量和控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信部分國際標準化工作的SC65/WG6定義的。精1021.1現(xiàn)場總線的現(xiàn)狀與發(fā)展現(xiàn)場總線是用于現(xiàn)場儀表與控制系現(xiàn)場總線是當今自動化領域技術發(fā)展的熱點之一，被譽為自動化領域的計算機局域網。它作為工業(yè)數(shù)據(jù)通信網絡的基礎，溝通了生產過程現(xiàn)場級控制設備之間及其與更高控制管理層之間的聯(lián)系。它不僅是一個基層網絡，而且還是一種開放式、新型全分布式控制系統(tǒng)。這項以智能傳感、控制、計算機、數(shù)據(jù)通信為主要內容的綜合技術，已受到世界范圍的關注而成為自動化技術發(fā)展的熱點，并將導致自動化系統(tǒng)結構與設備的深刻變革。精103現(xiàn)場總線是當今自動化領域技術發(fā)展的熱點之一，被譽為自動化領域是美國通用汽車公司(GM)提出的一種用于制造自動化的局域網協(xié)議。

網絡的骨干精104是美國通用汽車公司(GM)提出的一種用于制造自動化的局域網協(xié)1.2.2現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的體系結構智能速度控制器：執(zhí)行器條形碼識別器：輸入設備控制、網關上位機：監(jiān)控與三層網絡相連遠程訪問路由設備顯示工作站信息量減少

圖3羅克韋爾推出的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

精1051.2.2現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的體系結構智能速度控制器條形碼1.2.2現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的體系結構圖4FFHSE網絡架構（體系結構）鏈接設備：核心網橋、網關時間發(fā)布鏈路調度器

31.25kbps100Mbps主機系統(tǒng)以太網交換機高速以太網

組態(tài)、監(jiān)控現(xiàn)場信息控制信息

精1061.2.2現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的體系結構圖4FFHSE

1.1.1現(xiàn)場總線的產生

在過程控制領域中，從20世紀50年代至今一直都在使用著一種信號標準，那就是4~20mA的模擬信號標準。20世紀70年代，數(shù)字式計算機引入到測控系統(tǒng)中，而此時的計算機提供的是集中式控制處理。20世紀80年代微處理器在控制領域得到應用，微處理器被嵌入到各種儀器設備中，形成了分布式控制系統(tǒng)。精107

1.1.1現(xiàn)場總線的產生

在過程控制領域中，從20世紀精108精9智能設備以微處理器為核心，實施信息采集、顯示、處理、傳輸及優(yōu)化控制等功能。一些具有專家輔助推斷分析與決策能力的數(shù)字式智能化儀表產品，其本身具備了諸如自動量程轉換、自動調零、自校正、自診斷等功能，還能提供故障診斷、歷史信息報告、狀態(tài)報告、趨勢圖等功能。另外，從實際應用的角度，控制界也不斷在控制精度、可操作性、可維護性、可移植性等方面提出新需求。由此，導致了現(xiàn)場總線的產生。基于現(xiàn)場總線的分布式控制系統(tǒng)（FCS），將是繼DCS后的又一代控制系統(tǒng)。精109智能設備以微處理器為核心，實施信息采集、顯示、處理、傳輸及優(yōu)精110精11現(xiàn)場總線與4-20mA系統(tǒng)的區(qū)別？4-20mAP.S.現(xiàn)場總線P.S.現(xiàn)場總線設備在總線上并聯(lián)連接，所有設備通過總線接收、發(fā)送數(shù)字信號現(xiàn)場總線設備可以向網絡上其它設備提供任意多信息總線具有循環(huán)冗余檢錯的(CRC)功能，可以保證接收設備獲得正確數(shù)據(jù)多節(jié)點現(xiàn)場總線無需點對點的布線精111現(xiàn)場總線與4-20mA系統(tǒng)的區(qū)別？4-20mAP.S.現(xiàn)場總精112精13精113精14精114精151.1.2現(xiàn)場總線的本質

由于標準實質上并未統(tǒng)一，所以對現(xiàn)場總線也有不同的定義。但現(xiàn)場總線的本質含義主要表現(xiàn)在以下6個方面。1．現(xiàn)場通信網絡用于過程以及制造自動化的現(xiàn)場設備或現(xiàn)場儀表互連的通信網絡。2．現(xiàn)場設備互連現(xiàn)場設備或現(xiàn)場儀表是指傳感器、變送器和執(zhí)行器等，這些設備通過一對傳輸線互連，傳輸線可以使用雙絞線、同軸電纜、光纖和電源線等，并可根據(jù)需要因地制宜地選擇不同類型的傳輸介質。精1151.1.2現(xiàn)場總線的本質由于標準實質上并未統(tǒng)一，所以對3．互操作性現(xiàn)場設備或現(xiàn)場儀表種類繁多，沒有任何一家制造商可以提供一個工廠所需的全部現(xiàn)場設備，所以，互相連接不同制造商的產品是不可避免的?，F(xiàn)場設備互連是基本的要求，只有實現(xiàn)互操作性，用戶才能自由地集成FCS。例如，汽車機械制造設備，電氣自動化設備。4．分散功能塊FCS廢棄了DCS的輸入/輸出單元和控制站，把DCS控制站的功能塊分散地分配給現(xiàn)場儀表，從而構成虛擬控制站。由于功能塊分散在多臺現(xiàn)場儀表中，并可統(tǒng)一組態(tài)，供用戶靈活選用各種功能塊，構成所需的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)徹底的分散控制。精1163．互操作性精175．通信線供電通信線供電方式允許現(xiàn)場儀表直接從通信線上攝取能量，對于要求本征安全的低功耗現(xiàn)場儀表，可采用這種供電方式。6．開放式互連網絡現(xiàn)場總線為開放式互連網絡，它既可與同層網絡互連，也可與不同層網絡互連，還可以實現(xiàn)網絡數(shù)據(jù)庫的共享。精1175．通信線供電精181.1.3現(xiàn)場總線的特點和優(yōu)點

1．現(xiàn)場總線的結構特點現(xiàn)場總線打破了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的結構形式。傳統(tǒng)模擬控制系統(tǒng)采用一對一的設備連線，按控制回路分別進行連接?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)由于采用數(shù)字信號替代模擬信號，因而可實現(xiàn)一對電線上傳輸多個信號，如運行參數(shù)值、多個設備狀態(tài)、故障信息等。用一根通信線直接互連N個現(xiàn)場設備，從而構成了現(xiàn)場設備的互連網絡。

精1181.1.3現(xiàn)場總線的特點和優(yōu)點

1．現(xiàn)場總線的結構特點精精119精201.2.2現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的體系結構離散量/模擬量輸入/輸出設備指示燈：狀態(tài)指示光電傳感器：檢測開關操作員接口：輸入操作命令閥和交流驅動器：執(zhí)行器，輸出設備變送器（傳感器）：輸入設備控制器：主站、從站人機界面：輸入/輸出設備參數(shù)、命令、顯示

精1201.2.2現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的體系結構離散量/模擬量輸入/輸圖1-1FCS與DCS結構比較PROFIBUS-DPH1DeviceNet現(xiàn)場總線現(xiàn)場設備現(xiàn)場設備網橋LonWorks現(xiàn)場總線CANBUS服務器LAN操作站4~20mALAN傳統(tǒng)的模擬儀表控制站操作站現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)（如DCS）結構對比如圖1-1所示。精121圖1-1FCS與DCS結構比較PROFIBUS-DPH12．現(xiàn)場總線的技術特點（1）系統(tǒng)的開放性開放是指對相關標準的一致性、公開性，強調對標準的共識與遵從。（2）互可操作性與互用性這里的互可操作性，是指實現(xiàn)互連設備間、系統(tǒng)間的信息傳送與溝通，可實行點對點，一點對多點的數(shù)字通信。而互用性則意味著不同生產廠家的性能類似的設備可進行互換而實現(xiàn)互用。（3）現(xiàn)場設備的智能化與功能自治性它將傳感測量、補償計算、工程量處理與控制等功能分散到現(xiàn)場設備中完成，僅靠現(xiàn)場設備即可完成自動控制的基本功能，并可隨時診斷設備的運行狀態(tài)。精1222．現(xiàn)場總線的技術特點精23（4）系統(tǒng)結構的高度分散性由于現(xiàn)場設備本身已可完成自動控制的基本功能，使得現(xiàn)場總線已構成一種新的全分布式控制系統(tǒng)的體系結構。（5）對現(xiàn)場環(huán)境的適應性作為工廠網絡底層的現(xiàn)場總線，是專為在現(xiàn)場環(huán)境工作而設計的，它可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等，具有較強的抗干擾能力。精123（4）系統(tǒng)結構的高度分散性精243．現(xiàn)場總線的優(yōu)點由于現(xiàn)場總線的以上特點，特別是現(xiàn)場總線系統(tǒng)結構的簡化，使控制系統(tǒng)從設計、安裝、投運到正常生產運行及檢修維護，都體現(xiàn)出優(yōu)越性。（1）節(jié)省硬件數(shù)量與投資由于現(xiàn)場總線系統(tǒng)中分散在設備前端的智能設備能直接執(zhí)行多種傳感、控制、報警和計算功能，因而可減少變送器的數(shù)量，不再需要單獨的控制器、計算單元等。（2）節(jié)省安裝費用現(xiàn)場總線系統(tǒng)的接線十分簡單，由于一對雙絞線或一條電纜上通?？蓲旖佣鄠€設備，因而電纜、端子、槽盒、橋架的用量大大減少，連線設計與接頭校對的工作量也大大減少。精1243．現(xiàn)場總線的優(yōu)點精25（3）節(jié)約維護開銷由于現(xiàn)場控制設備具有自診斷與簡單故障處理的能力，并通過數(shù)字通信將相關的診斷維護信息送往控制室，用戶可以查詢所有設備的運行，診斷維護信息，以便早期分析故障原因并快速排除，縮短了維護停工時間，同時由于系統(tǒng)結構簡化、連線簡單而減少了維護工作量。（4）用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動權用戶可以自由選擇不同廠商所提供的設備來集成系統(tǒng)。（5）提高了系統(tǒng)的準確性與可靠性由于現(xiàn)場總線設備的智能化、數(shù)字化，與模擬信號相比，它從根本上提高了測量與控制的準確度，減少了傳送誤差。精125（3）節(jié)約維護開銷精261.1.4現(xiàn)場總線標準的制定

國際電工委員會極為重視現(xiàn)場總線標準的制定，早在1984年就籌備成立了IEC/TC65/SC65C/WG6工作組，開始起草現(xiàn)場總線標準。IEC61158標準將采用的8種類型為：精1261.1.4現(xiàn)場總線標準的制定

國際電工委員會極為重視現(xiàn)場精127精28從IEC61158現(xiàn)場總線標準長達15年的制定經歷中，以及IEC各國家委員會全力以赴積極參與和激烈爭論的程度來看，在數(shù)字技術時代，標準已不僅僅是一個產品的規(guī)范，它還起著引導和促進高新技術發(fā)展的特殊作用。精128從IEC61158現(xiàn)場總線標準長達15年的制定經歷中，以及1.1.5現(xiàn)場總線的現(xiàn)狀

國際電工技術委員會/國際標準協(xié)會（IEC/ISA）自1984年起著手現(xiàn)場總線標準工作，但統(tǒng)一的標準至今仍未完成。1．多種總線共存現(xiàn)場總線國際標準IEC61158中采用了8種協(xié)議類型，以及其他一些現(xiàn)場總線。每種總線都有其產生的背景和應用領域。精1291.1.5現(xiàn)場總線的現(xiàn)狀

國際電工技術委員會/國際標準協(xié)2．每種總線各有其應用領域每種總線都力圖拓展其應用領域，以擴張其勢力范圍。在一定應用領域中已取得良好業(yè)績的總線，往往會進一步根據(jù)需要向其他領域發(fā)展。如PROFIBUS在DP的基礎上又開發(fā)出PA，以適用于流程工業(yè)。3．每種總線各有其國際組織大多數(shù)總線都成立了相應的國際組織，力圖在制造商和用戶中創(chuàng)造影響，以取得更多方面的支持，同時也想顯示出其技術是開放的。精1302．每種總線各有其應用領域精314．每種總線均有其支持背景每種總線都以一個或幾個大型跨國公司為背景，公司的利益與總線的發(fā)展息息相關，如PROFIBUS以Siemens公司為主要支持，ControlNet以Rockwell公司為主要背景，WorldFIP以Alstom公司為主要后臺。精1314．每種總線均有其支持背景精32RockwellAutomation

羅克韋爾公司是世界著名的電子控制和通訊公司，年銷售額達70億美元，在工業(yè)自動化，航空電子及通訊和電子商務等領域中處于全球領先地位。羅克韋爾公司目前擁有員工約40000名，分布在全球40多個國家和地區(qū)的450多個城市。公司的全球網絡使公司能夠與世界各地的客戶緊密合作，充分了解他們的需求，并且作為合作伙伴向他們提供先進的技術，產品和系統(tǒng)以及快捷可靠的服務與支持。

通過以下介紹，您會更多的了解我們的公司性質，產品和服務，以及公司在全球的發(fā)展。您能了解羅克韋爾公司的品牌，公司所從事的事業(yè)，以及將來公司如何與您并肩努力來滿足您在業(yè)務上的需要。公司期待著加強公司在全世界的伙伴關系。在羅克韋爾，公司為實現(xiàn)客戶的成功而奮斗。您成功，我們也成功。董事長兼首席執(zhí)行官

DonH.Davis精132RockwellAutomation

董事長兼首WorldFIP（法國Alstom公司支持）精133WorldFIP（法國Alstom公司支持）精34

阿爾斯通（ALSTOM）是全球發(fā)電和軌道交通基礎設施領域的領先企業(yè)，其創(chuàng)新環(huán)保的領先技術已成為行業(yè)的參照基準。

阿爾斯通建造了世界上運行最快的列車和動力最高的全自動地鐵列車。

阿爾斯通還為水電、燃氣、燃煤和核電等利用各類能源的發(fā)電廠提供總包整合電廠解決方案和相關服務。阿爾斯通集團是世界500強之一，在全球70多個國家和地區(qū)擁有近六萬伍千名員工。2006/07財年的銷售業(yè)績達190億歐元。5．設備制造商參加多個總線組織大多數(shù)設備制造商都積極參加不止一個總線組織，有些公司甚至參加2~4個總線組織。精134阿爾斯通（ALSTOM）是全球發(fā)電和軌道交通基礎設施領域的6．多種總線均作為國家和地區(qū)標準每種總線大多將自己作為國家或地區(qū)標準，以加強自己的競爭地位。7．協(xié)調共存在激烈的競爭中出現(xiàn)了協(xié)調共存的前景。8．工業(yè)以太網引入工業(yè)領域工業(yè)以太網的引入成為新的熱點。工業(yè)以太網正在工業(yè)自動化和過程控制市場上迅速增長，幾乎所有遠程I/O接口技術的供應商均提供一個支持TCP/IP協(xié)議的以太網接口，如Siemens、Rockwell、GEFanuc等，他們銷售各自的PLC產品，但同時提供與遠程I/O和基于PC的控制系統(tǒng)相連接的接口。精1356．多種總線均作為國家和地區(qū)標準精361.4現(xiàn)場總線應用領域

汽車總裝生產線現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

精1361.4現(xiàn)場總線應用領域1.4現(xiàn)場總線應用領域

精1371.4現(xiàn)場總線應用領域精381.4現(xiàn)場總線應用領域

大豆分離蛋白現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

精1381.4現(xiàn)場總線應用領域1.4現(xiàn)場總線應用領域基于現(xiàn)場總線的企業(yè)能源計量系統(tǒng)

精1391.4現(xiàn)場總線應用領域基于現(xiàn)場總線的企業(yè)能源計量系統(tǒng)1.4現(xiàn)場總線應用領域

上海世博園區(qū)配電網現(xiàn)場總線監(jiān)控系統(tǒng)配置圖打印機后臺系統(tǒng)站控單元GPS

調度中心間隔1保護測控單元間隔2保護測控單元間隔3保護測控單元間隔n保護測控單元其它智能裝置CT\PT數(shù)字量控制輸出CT\PTCT\PTCT\PT數(shù)字量數(shù)字量數(shù)字量控制輸出控制輸出控制輸出

精1401.4現(xiàn)場總線應用領域上海世1.4現(xiàn)場總線應用領域低壓開關柜傳統(tǒng)方式與現(xiàn)場總線智能化方式的比較

精1411.4現(xiàn)場總線應用領域低壓開關柜傳統(tǒng)方式與現(xiàn)場總線智能化1.4現(xiàn)場總線應用領域基于以太網的CBZ-8000變電站自動化系統(tǒng)

精1421.4現(xiàn)場總線應用領域基于以太網的CBZ-8000變電站1.4現(xiàn)場總線應用領域基于現(xiàn)場總線的配電網自動化系統(tǒng)

精1431.4現(xiàn)場總線應用領域基于現(xiàn)場總線的配電網自動化系統(tǒng)精1.1.6現(xiàn)場總線網絡的實現(xiàn)

現(xiàn)場總線是一個定義了硬件接口和通信協(xié)議的標準。參考國際標準化組織（ISO）的開放系統(tǒng)互聯(lián)（OSI）協(xié)議，采用其中的第1層、第2層和第7層，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層，并增設了第8層即用戶層。1．物理層物理層定義了信號的編碼與傳送方式、傳送介質、接口的電氣及機械特性、信號傳輸速率等?，F(xiàn)場總線有兩種編碼方式：Manchester和NRZ，現(xiàn)場總線傳輸介質主要有有線電纜、光纖和無線介質。精1441.1.6現(xiàn)場總線網絡的實現(xiàn)

現(xiàn)場總線是一個定義了硬件接2．數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層又分為兩個子層，即介質訪問控制層（MAC）和邏輯鏈路控制層（LLC）。MAC功能是對傳輸介質傳送的信號進行發(fā)送和接收控制，而LLC層則是對數(shù)據(jù)鏈進行控制，保證數(shù)據(jù)傳送到指定的設備上。現(xiàn)場總線網絡中的設備可以是主站，也可以是從站，主站有控制收發(fā)數(shù)據(jù)的權利，而從站則只有響應主站訪問的權利。精1452．數(shù)據(jù)鏈路層精463．應用層應用層的功能是進行現(xiàn)場設備數(shù)據(jù)的傳送及現(xiàn)場總線變量的訪問。4．用戶層用戶層是現(xiàn)場總線標準在OSI模型之外新增加的一層，是使現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)開放與可互操作性的關鍵。用戶層定義了從現(xiàn)場裝置中讀、寫信息和向網絡中其他裝置分派信息的方法，即規(guī)定了供用戶組態(tài)的標準“功能模塊”。精1463．應用層精471.1.7現(xiàn)場總線技術的發(fā)展趨勢

發(fā)展現(xiàn)場總線技術已成為工業(yè)自動化領域廣為關注的焦點，自動化系統(tǒng)的網絡化是發(fā)展的大趨勢，現(xiàn)場總線技術受計算機網絡技術的影響是十分深刻的。具有發(fā)展前景的現(xiàn)場總線技術有：智能儀表與網絡設備開發(fā)的軟硬件技術；組態(tài)技術，包括網絡拓撲結構、網絡設備、網絡互連等；網絡管理技術，包括網絡管理軟件、網絡數(shù)據(jù)操作與傳輸；人機接口、軟件技術；現(xiàn)場總線系統(tǒng)集成技術。精1471.1.7現(xiàn)場總線技術的發(fā)展趨勢

發(fā)展現(xiàn)場總線技術已成為在從現(xiàn)在起的未來10年內，可能出現(xiàn)幾大總線標準共存，甚至在一個現(xiàn)場總線系統(tǒng)內，幾種總線標準的設備通過路由網關互連實現(xiàn)信息共享的局面。精148在從現(xiàn)在起的未來10年內，可能出現(xiàn)幾大總線標準共存，甚至在一1.2企業(yè)網絡信息集成系統(tǒng)

1.2.1企業(yè)網絡信息集成系統(tǒng)的層次結構

現(xiàn)場總線本質上是一種控制網絡，現(xiàn)場總線網絡和Internet、Intranet等類型的信息網絡不同，控制網絡直接面向生產過程，因此要求有很高的實時性、可靠性、數(shù)據(jù)完整性和可用性。此外，現(xiàn)場總線還要完成與上層工廠信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換和傳遞。統(tǒng)一的企業(yè)網絡信息集成系統(tǒng)應具有3層結構，如圖1-2所示，從底向上依次為：過程控制層（PCS）、制造執(zhí)行層（MES）、企業(yè)資源規(guī)劃層（ERP）。精1491.2企業(yè)網絡信息集成系統(tǒng)

1.2.1企業(yè)網絡信息集圖1-2企業(yè)網絡信息集成系統(tǒng)的層次結構圖

過程控制層PCS制造執(zhí)行層MES內部網Intranet(Ethernet)企業(yè)資源規(guī)劃層ERPInternet互聯(lián)網Internet現(xiàn)總線控制網絡精150圖1-2企業(yè)網絡信息集成系統(tǒng)的層次結構圖過程控制層1．過程控制層現(xiàn)場總線是將自動化最底層的現(xiàn)場控制器和現(xiàn)場智能儀表設備互連的實時控制通信網絡，遵循ISO的OSI開放系統(tǒng)互連參考模型的全部或部分通信協(xié)議。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)則是用開放的現(xiàn)場總線控制通信網絡將自動化最底層的現(xiàn)場控制器和現(xiàn)場智能儀表設備互連的實時網絡控制系統(tǒng)。過程控制層通信介質不受限制，可用雙絞線、同軸電纜、光纖、電力線、無線、紅外線等各種形式。精1511．過程控制層精522．制造執(zhí)行層這一層從現(xiàn)場設備中獲取數(shù)據(jù)，完成各種控制、運行參數(shù)的監(jiān)測、報警和趨勢分析等功能，另外還包括控制組態(tài)的設計和下裝。3．企業(yè)資源規(guī)劃層其主要目的是在分布式網絡環(huán)境下構建一個安全的遠程監(jiān)控系統(tǒng)。精1522．制造執(zhí)行層精534．現(xiàn)場總線與局域網的區(qū)別現(xiàn)場總線與數(shù)據(jù)網絡相比，主要有以下特點：（1）現(xiàn)場總線主要用于對生產、生活設備的控制，對生產過程的狀態(tài)檢測、監(jiān)視與控制，或實現(xiàn)“家庭自動化”等；數(shù)據(jù)網絡則主要用于通信、辦公，提供如文字、聲音和圖像等數(shù)據(jù)信息。（2）現(xiàn)場總線和數(shù)據(jù)網絡具有各自的技術特點：現(xiàn)場總線要求具備高度的實時性、安全性和可靠性，網絡接口盡可能簡單，成本盡量降低，數(shù)據(jù)傳輸量一般較??；數(shù)據(jù)網絡則需要適應大批量數(shù)據(jù)的傳輸與處理。（3）現(xiàn)場總線采用全數(shù)字式通信，具有開放式、全分布、互操作性（Interoperability）等特點?，F(xiàn)場總線與管理信息網絡特性比較如表1-2所示。精1534．現(xiàn)場總線與局域網的區(qū)別精54表1-2現(xiàn)場總線與管理信息網絡特性比較精154表1-2現(xiàn)場總線與管理信息網絡特性比較精551.2.2現(xiàn)場總線的作用

現(xiàn)場總線控制網絡處于企業(yè)網絡的底層，或者說，它是構成企業(yè)網絡的基礎。而生產過程的控制參數(shù)與設備狀態(tài)等信息是企業(yè)信息的重要組成部分。企業(yè)網絡各功能層次的網絡類型如圖1-3所示。精1551.2.2現(xiàn)場總線的作用

現(xiàn)場總線控制網絡處于企業(yè)網絡的圖1-3各功能層次的網絡類型以太網段資源規(guī)劃層(ERP)制造執(zhí)行層(MES)以太網段Internet現(xiàn)場控制層(FCS)控制網絡溫度變送器調節(jié)閥調節(jié)閥溫

度變送器溫

度變送器精156以太網段資源規(guī)劃層(ERP)制造執(zhí)行層(MES)以太網段In控制網絡的主要作用是為自動化系統(tǒng)傳遞數(shù)字信息。它所傳輸?shù)男畔热葜饕巧a裝置運行參數(shù)的測量值、控制量、閥門的工作位置、開關狀態(tài)、報警狀態(tài)、設備的資源與維護信息、系統(tǒng)組態(tài)、參數(shù)修改、零點量程調校信息等。精157控制網絡的主要作用是為自動化系統(tǒng)傳遞數(shù)字信息。精581.2.3現(xiàn)場總線與上層網絡的互聯(lián)

由于現(xiàn)場總線所處的特殊環(huán)境及所承擔的實時控制任務是普通局域網和以太網技術難以取代的，因而現(xiàn)場總線至今依然保持著它在現(xiàn)場控制層的地位和作用。但現(xiàn)場總線需要同上層與外界實現(xiàn)信息交換。目前，現(xiàn)場總線與上層網絡的連接方式一般有以下三種：一是采用專用網關完成不同通信協(xié)議的轉換，把現(xiàn)場總線網段或DCS連接到以太網上。圖1-4示出了通過網關連接現(xiàn)場總線網段與上層網絡的示意圖。精1581.2.3現(xiàn)場總線與上層網絡的互聯(lián)

由于現(xiàn)場總線所處的特圖1-4通過網關連接現(xiàn)場總線網段與上層網絡監(jiān)視操作計算機服務器以太網段網關或控制器現(xiàn)場總線網段網橋現(xiàn)場總線網段精159監(jiān)視操作計算機服務器以太網段網關或控制器現(xiàn)場總線網段網橋現(xiàn)場二是將現(xiàn)場總線網卡和以太網卡都置入工業(yè)PC機的PCI插槽內，在PC機內完成數(shù)據(jù)交換。在圖1-5中采用現(xiàn)場總線的PCI卡，實現(xiàn)現(xiàn)場總線網段與上層網絡的連接。精160二是將現(xiàn)場總線網卡和以太網卡