第二章 現(xiàn)場總線概述

現(xiàn)場總線（Fieldbus）技術(shù)概述本章內(nèi)容第一節(jié)、現(xiàn)場總線簡介第二節(jié)、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS第三節(jié)、現(xiàn)場總線在工業(yè)控制過程中的應(yīng)用第四節(jié)、現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展趨勢第一節(jié)現(xiàn)場總線簡介1.1概念網(wǎng)絡(luò)節(jié)點：測量控制設(shè)備遠程監(jiān)測計算機傳輸介質(zhì)總線協(xié)議在測量控制設(shè)備之間實現(xiàn)雙向串行多節(jié)點數(shù)字通信的技術(shù)現(xiàn)場總線（FieldBus）FB-NET的特點：設(shè)備之間采用網(wǎng)絡(luò)式連接系統(tǒng)的開放性互可操作性通信的實時性與準確性現(xiàn)場設(shè)備的智能與功能自治性對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性1.2FB_NET通用現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)FB_NETControlNet和Ethernet/IP現(xiàn)場總線系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)FB_NETProfibus現(xiàn)場總線FB_NETP-NET現(xiàn)場總線FB_NETHSE（HighSpeedEthernet）采用高速以太網(wǎng)技術(shù)開發(fā)H2現(xiàn)場總線FB_NETWorldFIP現(xiàn)場總線物理層采用IEC61158.2標準，它廣泛應(yīng)用于發(fā)電與輸配電、加工自動化、鐵路運輸、地鐵和過程自動化領(lǐng)域。系統(tǒng)分為三級，即過程級、控制級和監(jiān)控級FB_NETH1總線支持多種傳輸媒體：雙絞線、電纜、光纜和無線媒體。傳輸速率為31.25Kbps，通信距離最大為1900米。該總線支持總線供電和本質(zhì)安全。協(xié)議由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層以及考慮到現(xiàn)場裝置的控制功能和具體應(yīng)用而增加的用戶層組成。FB_NETPROFInet現(xiàn)場總線將工廠自動化和企業(yè)信息管理層IT技術(shù)有機地融為一體，使用的EthernetTCP/IP技術(shù)FB_NET有什么想法？暈眩木有？FB_NET總結(jié)下上述FB-NET的共同點都有什么？1.2現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)的特征雙向串行多節(jié)點全數(shù)字開放標準

自動化領(lǐng)域的計算機局域網(wǎng)傳統(tǒng)方式:現(xiàn)場級設(shè)備與控制器之間連接采用一對一的I/O接線方式，傳遞4-20mA或24VDC信號。

模擬儀表的缺點一對一結(jié)構(gòu)

一對傳輸線，一臺儀表，單向傳輸一個信號安裝接線龐雜，工程費用高，維護困難可靠性差模擬信號傳輸易受干擾，精度低采用數(shù)字式通信方式取代設(shè)備級的4-20mA(模擬量)/24VDC(開關(guān)量)信號；使用一根電纜連接所有現(xiàn)場設(shè)備。1.2現(xiàn)場總線的主要特征1.3FCS的特征◆FCS的信號傳輸實現(xiàn)了全數(shù)字化、雙向、串行、多節(jié)點◆FCS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是全分散式，它廢棄了DCS的輸入／輸出單元和控制站，由現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表取而代之

◆FCS的現(xiàn)場設(shè)備具有互操作性

◆FCS的通信網(wǎng)絡(luò)為開放式互連網(wǎng)絡(luò)，既可同層網(wǎng)絡(luò)互連，也可與不同層網(wǎng)絡(luò)互連，用戶可極方便地共享網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)資源◆對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性1.4現(xiàn)場總線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型1.4現(xiàn)場總線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型1.4現(xiàn)場智能儀表內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型現(xiàn)場總線簡介小結(jié)現(xiàn)場總線定義（FieldBus）現(xiàn)場總線通信協(xié)議現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）★ISASP50（美國儀表協(xié)會標準）中對現(xiàn)場總線的定義—現(xiàn)場總線是一種串行的數(shù)字數(shù)據(jù)通信鏈路，它溝通了過程控制領(lǐng)域的基本控制設(shè)備（即場地級設(shè)備）之間以及與更高層次自動控制領(lǐng)域的自動化控制設(shè)備（即車間級設(shè)備）之間的聯(lián)系★國際電工委員會IEC標準和現(xiàn)場總線基金會FF的定義—現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)—現(xiàn)場總線一般采用國際標準組織ISO的開放系統(tǒng)互聯(lián)（OSI）協(xié)議，OSI協(xié)議是為計算機聯(lián)網(wǎng)而制定的7層參考模型，只要網(wǎng)絡(luò)中所有要處理的要素都是通過共同的路徑進行通信的，那么不管它是不是計算機網(wǎng)絡(luò)都可以使用該協(xié)議—各廠家在實際制定自己的通信協(xié)議時，往往依據(jù)側(cè)重點的不同，僅實現(xiàn)該7層協(xié)議的子集是用現(xiàn)場總線這一開放的、具有互操作性的網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場各個控制器和儀表及儀表設(shè)備互聯(lián)，構(gòu)成現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，同時控制功能徹底下放到現(xiàn)場，降低了安裝成本和維修費用。FCS實質(zhì)上是一種開放的、具有互操作性的、徹底分散的分布式控制系統(tǒng)1.5現(xiàn)場總線的發(fā)展歷程◆全功能數(shù)字網(wǎng)絡(luò)—提供從物理層到用戶層的所有功能，標準化工作比較完善◆傳感器網(wǎng)絡(luò)—以CAN（ControllerAreaNetwork）網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的現(xiàn)場總線◆數(shù)字信號串行線—最簡單的數(shù)據(jù)總線，不提供應(yīng)用層和用戶層現(xiàn)場總線的分類工業(yè)過程控制系統(tǒng)的發(fā)展50年代－基地式氣動儀表控制系統(tǒng)50年代末－4－20mA電動模擬信號控制系統(tǒng)60年代－計算機控制系統(tǒng)70年代中期－DCS（集散控制系統(tǒng)）80年代－FCS（現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)）I/O4-20mAAnalyzerPLC4-20mA控制站操作站LAN工業(yè)過程控制系統(tǒng)的發(fā)展DCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)DCS系統(tǒng)將現(xiàn)場傳感器、儀表信號與控制站直接相連，每條線路只能傳輸一路信號，布線復(fù)雜，連接可靠性差。一旦控制站出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)將無法運行。（總線）局部控

制網(wǎng)絡(luò)TDC-3000計算機局部控制網(wǎng)絡(luò)TDC-3000計算機局部控制網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場總線技術(shù)始發(fā)于二十世紀八十年代，但對該項技術(shù)的開發(fā)之熱是近二十年之舉

早期的現(xiàn)場總線技術(shù)與PLC同時出現(xiàn)的、Culter-Hammer推出的DirectrolGeneralElectric的GeniusI/OPhoenix的Interbus-S，TURCK的Sensoplex丹麥ProcessData公司83年推出的P-Net；德國Siemens公司84年推出的Profibus(ProcessFieldbus的簡稱)法國Alstom公司87年推出的FIP(FactoryInstrumentationProtocol)等都屬于早期推出且至今仍有較大影響的總線技術(shù)1.5現(xiàn)場總線的發(fā)展歷程已經(jīng)形成了各式各樣的企業(yè)、國家、地區(qū)、及國際現(xiàn)場總線標準根據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計，已出現(xiàn)的現(xiàn)場總線一百多種，其中宣稱為開放型總線的就有40多種Why？現(xiàn)場總線組織現(xiàn)場總線基金會（FieldbusFoundation）LonMark協(xié)會,Profibus協(xié)會，工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)會IEA（IndustrialEthernetAssociation），工業(yè)自動化開放網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟IAONA（IndustrialAutomationOpenNetworkAlliance）SocietyofAutomotiveEngineers（SAE）制定現(xiàn)場總線標準的國際標準化組織IECISO1.5現(xiàn)場總線的發(fā)展歷程IEC/TC65負責測量和控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信國際標準化工作的SC65C/WG6，是最先開始現(xiàn)場總線標準化工作的組織。它于1984年就開始著手總線標準的制定，致力于推出世界上單一的現(xiàn)場總線標準，也因此而歷經(jīng)坎坷，歷經(jīng)了16年的艱難歷程，出現(xiàn)了波及全球的現(xiàn)場總線標準大戰(zhàn)IEC61158-2誕生于1993年，之后的標準制定就陷于混亂2000年初宣布，IEC現(xiàn)場總線國際標準子集有八種：IEC61158；ControlNet；Profibus；P-Net；HighSpeedEthernet；NewcomerSwiftNet；WorldFIP；Interbus-S現(xiàn)場總線標準化工作的現(xiàn)狀Why？1.5現(xiàn)場總線的發(fā)展歷程最早成為國際標準的是CAN，它屬于ISO標準：ISO11898IEC/17B為負責制定低壓開關(guān)裝置與控制裝置用控制設(shè)備之間的接口標準的組織,已通過的IEC62026國際標準包括。第2部分ASI第3部分DeviceNet；第4部分智能分布式系統(tǒng)SDS（SmartDistributedSystem）;第5部分Seriplex其它有實力、有發(fā)展前景的控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)工業(yè)以太網(wǎng)；LonWorks；Modbus；藍牙、無線局域網(wǎng)；消費電子總線CEBus；光總線等；（過渡型總線HART）

現(xiàn)場總線標準化工作的現(xiàn)狀1.5現(xiàn)場總線的發(fā)展歷程現(xiàn)場總線可采用多種介質(zhì)（多種有線和無線方式）傳送數(shù)字信號。在兩根導線上可掛接多至幾十個自控設(shè)備，能節(jié)省大量線纜、槽架、連接件。減少系統(tǒng)設(shè)計、安裝、維護的工作量現(xiàn)場總線形成真正分散在現(xiàn)場的完整控制系統(tǒng)，提高了控制系統(tǒng)運行的可靠性。豐富了控制設(shè)備的信息內(nèi)容，提供了如閥門動作次數(shù)、故障診斷等信息。為控制信息進入公用數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)造了條件，溝通了現(xiàn)場控制設(shè)備之間及其與更高控制管理層網(wǎng)絡(luò)之間的聯(lián)系,便于實現(xiàn)管控一體化控制網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合，便于實現(xiàn)信號的遠程傳送與異地遠程自動控制?，F(xiàn)場總線的技術(shù)特點1.5現(xiàn)場總線的發(fā)展歷程1.6ＦＢ數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)及控制網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場總線的結(jié)構(gòu)圖發(fā)送設(shè)備傳輸介質(zhì)接收設(shè)備控制網(wǎng)絡(luò)控制網(wǎng)絡(luò)控制網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信在應(yīng)用中一般指計算機通信工業(yè)數(shù)據(jù)通信在工業(yè)生產(chǎn)過程中，利用數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)傳遞數(shù)據(jù)信息數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)采用多節(jié)點，串行數(shù)據(jù)通信方式FB數(shù)據(jù)傳輸總線分類傳感器總線數(shù)據(jù)位級ASI總線設(shè)備總線字節(jié)級CAN總線現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)塊級PROFIBUSFB控制網(wǎng)絡(luò)將多個分散在生產(chǎn)現(xiàn)場，具有數(shù)字通信能力的測量控制儀表作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，采用公開、規(guī)范的通信協(xié)議，以現(xiàn)場總線作為通信連接的紐帶，把現(xiàn)場控制設(shè)備連接成可以相互溝通信息，共同完成自控任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)化的控制系統(tǒng)ＦＣＳ采用開放式數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)集成的測量控制系統(tǒng)單個分散的測量控制設(shè)備變成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點現(xiàn)場總線為紐帶構(gòu)成共同完成任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)實現(xiàn)現(xiàn)場測量控制設(shè)備之間的信息共享現(xiàn)場總線的最大優(yōu)勢——構(gòu)成控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的特點改變了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式采用總線式串行通信現(xiàn)場設(shè)備具備數(shù)字計算和數(shù)字通信能力，提高了信號的測量、控制和傳輸精度。第二節(jié)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

FCS現(xiàn)場總線是一種控制系統(tǒng)框架一種全新的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，即:現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS(FieldbusControlSystem)代替了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)DCS實現(xiàn)現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)與控制系統(tǒng)的集成FCS控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)備層控制層LevelofDataIntegration信息自動化機器企業(yè)ModularOpenEmbedded信息層羅克韋爾推出的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)InternetPhotoelectricSensorEtherNet?ControlNetTMDeviceNetTMInformationDeviceControlComputer2Computer1Controller4Controller3Controller1Controller2BarCodeReaderSmartSpeedControllerHMIOperatorInterfaceI/OI/ORemoteAccessRouterDeviceDisplayStationFCS控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)FCS控制系統(tǒng)組成現(xiàn)場總線系統(tǒng)與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)比較簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)現(xiàn)場總線系統(tǒng)與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)比較第三節(jié)、現(xiàn)場總線技術(shù)在工業(yè)控制過程中的應(yīng)用1.現(xiàn)場總線的應(yīng)用概述現(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，凡屬設(shè)備間需要數(shù)據(jù)通信的場合都需要它連續(xù)、離散制造業(yè)，如電力、石化、冶金、紡織、造紙，過程自動化儀表；火車、汽車、輪船、機器人、數(shù)控機床；智能傳感器樓宇自控、倉儲；智能交通、環(huán)境監(jiān)測（大氣、水污染監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)）農(nóng)、林、水利、養(yǎng)殖等其技術(shù)與產(chǎn)品在工業(yè)控制計算機、測控板卡、儀器儀表、系統(tǒng)集成、應(yīng)用系統(tǒng)等領(lǐng)域都有良好的發(fā)展前景

現(xiàn)代企業(yè)系統(tǒng)構(gòu)成及運行機制2現(xiàn)代企業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)現(xiàn)代企業(yè)的分層體系結(jié)構(gòu)

層次機構(gòu)管理控制范圍職責基本功能6公司級公司全面管理完成公司的任務(wù)、進行全面管理公司管理、財務(wù)、市場和銷售、研究與開發(fā)5工廠級計劃、生產(chǎn)實現(xiàn)企業(yè)功能，計劃和調(diào)度生產(chǎn)產(chǎn)品設(shè)計和工藝、廠級生產(chǎn)管理、廠級資源管理、廠級設(shè)備管理、廠級產(chǎn)品制造4車間部門分配管理原材料和資源協(xié)調(diào)生產(chǎn)和提供作業(yè)，獲取并分配資源部門級生產(chǎn)管理、部門級資源管理、部門級設(shè)備管理、部門級產(chǎn)品制造、裝運發(fā)貨、廢次品處理3單元級協(xié)調(diào)多臺機器的運轉(zhuǎn)和操作編排和管理車間下發(fā)的作業(yè)，監(jiān)督各種支持服務(wù)單元級車間生產(chǎn)2工作站級發(fā)送機器工作命令控制和協(xié)調(diào)車間設(shè)備的工作工作站級車間生產(chǎn)1設(shè)備級啟動機器實現(xiàn)對車間設(shè)備的各種命令設(shè)備級車間生產(chǎn)2現(xiàn)代企業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

企業(yè)網(wǎng)的層次結(jié)構(gòu)2現(xiàn)代企業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)企業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)基本組成2現(xiàn)代企業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)企業(yè)網(wǎng)的實現(xiàn)2現(xiàn)代企業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)全分布、網(wǎng)絡(luò)集成式控制系統(tǒng)

FCS形成的現(xiàn)場控制層2現(xiàn)代企業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)現(xiàn)場設(shè)備控制3.企業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的三個層次（流程性企業(yè)）功能結(jié)構(gòu)-三個層次3.企業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的三個層次（制造型企業(yè)）功能結(jié)構(gòu)-三個層次分散與集成制造執(zhí)行層MES現(xiàn)場控制層FCS企業(yè)資源歸化層3.企業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的三個層次（制造加工型企業(yè)）機組控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)４現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用（１）組成：DCS和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)DCS控制器通過Profibus實現(xiàn)對智能變送器、執(zhí)行器和本地控制器之間的實時數(shù)據(jù)通信。Profibus-DP設(shè)備：電動執(zhí)行機構(gòu)、電動機、閥。Profibus-PA設(shè)備：氣動定位器、壓力變送器?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和就地設(shè)備控制。華能九臺電廠2×660MW機組鍋爐現(xiàn)場總線技術(shù)的智能汽車（SAE-J1939）４現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用（２）現(xiàn)場總線技術(shù)的智能汽車（SAE-J1939）４現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用（２）現(xiàn)場總線技術(shù)的控制系統(tǒng)（電力、冶金、機械加工行業(yè)）４現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用（３）現(xiàn)場總線技術(shù)的汽車運輸管理－－數(shù)據(jù)語音混合通信應(yīng)用４現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用（４）基陣線導系統(tǒng)戰(zhàn)斗部或操雷、內(nèi)測供電系統(tǒng)控制舵機鰭舵動力系統(tǒng)控制系統(tǒng)自導系統(tǒng)引信接收線圈爆發(fā)器引信輻射線圈螺旋槳燃料倉燃燒室現(xiàn)場總線技術(shù)的智能水下航行器（AUV）４現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用（５）４現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用（６）基于LonWorks技術(shù)的智能樓宇、連鎖酒店系統(tǒng)第四節(jié)、現(xiàn)場總線技術(shù)的

發(fā)展趨勢1.注重系統(tǒng)的開放性封閉、自成一體的系統(tǒng)定會消亡2.注重應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)備間的互操作性早期的總線技術(shù)多注重在通信協(xié)議上，而