第8章計算機網(wǎng)絡控制系統(tǒng)

1第8章計算機網(wǎng)絡控制系統(tǒng)?8.1分布式控制系統(tǒng)8.2現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)8.3工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)分布式控制系統(tǒng)（DistributedControlSystem，DCS）也稱集散控制系統(tǒng)，是對生產(chǎn)過程進行集中管理和分散控制的計算機控制系統(tǒng)。現(xiàn)在DCS已在石油、化工、電力、冶金以及智能建筑等現(xiàn)代自動化控制系統(tǒng)中得到了廣泛應用。8.1分布式控制系統(tǒng)28.1.1DCS的發(fā)展概況：

DCS自1975年問世以來已經(jīng)歷了近四十年的發(fā)展，其可靠性、實用性得到不斷提高，功能日益增強，如控制器的處理能力、網(wǎng)絡通信能力、控制算法、畫面顯示及綜合管理能力等技術的發(fā)展非常迅速。自DCS誕生至今，其發(fā)展大致經(jīng)歷了三個階段，目前新一代DCS即FCS正逐漸取代原有的DCS，開始在控制領域日益占據(jù)主導位置。3第一代DCS（初創(chuàng)期）誕生于1975一1980年間。注重控制功能的實現(xiàn)，設計重點是現(xiàn)場控制站。系統(tǒng)的直接控制功能比較成熟可靠，而系統(tǒng)的人機界面功能則相對較弱。在實際運行中，采用CRT操作站進行現(xiàn)場工況的監(jiān)視。功能上更接近儀表控制系統(tǒng)，其特點是分散控制，集中監(jiān)視。4第一代DCS是由過程控制單元、數(shù)據(jù)采集單元、CRT操作站、上位管理計算機及連接各個單元和計算機的高速數(shù)據(jù)通道五部分組成，這也奠定了DCS的基礎體系結構。第一代DCS的典型結構如圖8-1所示。5

第一代DCS中，各個廠家的系統(tǒng)均由專有產(chǎn)品構成，包括高速數(shù)據(jù)通道、現(xiàn)場控制站、人機界面工作站以及各類功能性的工作站等，還沒有形成一個統(tǒng)一的標準，但是相對于儀表控制系統(tǒng)和直接數(shù)字控制系統(tǒng)來說，在對復雜回路的控制方面、整體的協(xié)調(diào)優(yōu)化以及系統(tǒng)的可靠性和靈活性方面都有著巨大的進步，所以一經(jīng)推出就顯示了強大的生命力，得到了迅速的發(fā)展。

這一時期典型的DCS系統(tǒng)有Honeywell的TDC—2000系統(tǒng)，F(xiàn)oxboro公司的Spectrum系統(tǒng)，Yokogawa(橫河)公司的ECNTUM系統(tǒng)，Bailey公司的Network—90系統(tǒng)以及Siemens公司的TelepermM系統(tǒng)等。

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第二代DCS（成熟期）1980—1985年這一階段是DCS的成熟期。這期間隨著各種高新技術，特別是信息技術和計算機網(wǎng)絡技術的飛速發(fā)展、硬件和軟件技術的不斷更新，這個時期的DCS在功能上逐步走向完善，第二代DCS基本結構如圖8-2所示。7

第二代DCS的現(xiàn)場控制站性能和功能比第一代DCS的過程控制單元有了很大的提高和擴展。不僅有連續(xù)控制功能，可以組成多個控制回路，而且有邏輯控制、順序控制等功能，可以實現(xiàn)一些優(yōu)化控制和生產(chǎn)管理功能。計算機運行速度和數(shù)據(jù)采集速度加快，進一步提高了控制水平。第二代DCS的工程師站既可離線組態(tài)，也可以在線組態(tài)。監(jiān)控計算機站作為現(xiàn)場控制站的上位機，除了進行各現(xiàn)場控制站之間的協(xié)調(diào)之外，還可實現(xiàn)現(xiàn)場控制站無法完成的復雜控制算法，提高了系統(tǒng)控制性能。

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第二代DCS系統(tǒng)最大的特點是引入了局域網(wǎng)(LAN)作為系統(tǒng)骨干，按照節(jié)點的概念組織過程控制站、中央控制站、系統(tǒng)管理站以及網(wǎng)關，這使得系統(tǒng)的規(guī)模、容量進一步增加，系統(tǒng)的擴展也有了更大的余地，也更為方便。第二代DCS采用局域網(wǎng)完成通信功能，由于局域網(wǎng)傳輸速率高并且有豐富的網(wǎng)絡軟件，從而提高了DCS的整體性能，擴展了集中管理的功能。但是第二代DCS在網(wǎng)絡協(xié)議方面仍然沒有統(tǒng)一的標準。這一時期，主要代表產(chǎn)品有Honeywell公司的TDC一3000系統(tǒng)，westinghouse公司的wDpF系統(tǒng)，Yokogawa公司的CENTUM-XL系統(tǒng)等。

9第三代DCS（擴展期）

第三代DCS是以1987年Foxboro公司推出的以I/Aseries系統(tǒng)為代表，該系統(tǒng)采用了ISO標準MAP（制造自動化規(guī)約）網(wǎng)絡。擴展期DCS系統(tǒng)的典型代表還有Honywell公司的TDC—3000UCN，Yokogawa公司的CENTUM—XL和/1xl，Bailey公司的INFI—90系統(tǒng)，WestingHouse的WDPFII系統(tǒng)等。

第一、二代DCS基本上為封閉系統(tǒng)，不同系統(tǒng)之間無法互連。第三代DCS局域網(wǎng)遵循開放系統(tǒng)互連(OSI)參考模型的7層通信協(xié)議，符合國際標準，向上可以與生產(chǎn)管理網(wǎng)絡互連，生產(chǎn)管理計算機再通過生產(chǎn)管理網(wǎng)絡互連；向下支持現(xiàn)場總線，即現(xiàn)場總線儀表可與現(xiàn)場控制站或輸入輸出總線互連。10

第三代DCS在功能上實現(xiàn)了進一步擴展，增加了上層網(wǎng)絡，將生產(chǎn)的管理功能納入到系統(tǒng)中。在網(wǎng)絡方面，各個廠家已經(jīng)普遍采用了標準化的網(wǎng)絡產(chǎn)品，如各種實時網(wǎng)絡和以太網(wǎng)等。并且在組態(tài)方面多數(shù)DCS廠家實現(xiàn)了標準化，采用IEC61131一3所定義的五種組態(tài)語言標準。可以說，無論是在硬件還是軟件上，都采用了一系列高新技術，幾乎與“4C”技術的發(fā)展同步，使DCS得到更高層次的發(fā)展。新一代DCS采用微型無引線元件和軟印刷板電路，表面貼裝技術等新工藝，體積小，可靠性高；軟件上，還能使用C，F(xiàn)ORTRAN，PASCAL，BASIC等高級語言作為編程工具。11第四代DCSDCS發(fā)展到第三代，盡管采用了一系列新技術，但是生產(chǎn)現(xiàn)場級仍然沒有擺脫沿用了幾十年的常規(guī)模擬儀表。DCS從輸入輸出單元以上各層均采用計算機和數(shù)字通信技術，惟有生產(chǎn)現(xiàn)場層的常規(guī)模擬儀表仍然是一對一模擬信號(4mA~20mADC)傳輸，多臺模擬儀表集中連接于輸入輸出單元。生產(chǎn)現(xiàn)場層的模擬儀表與DCS各層形成極大的反差和不協(xié)調(diào)，并制約了DCS的發(fā)展。

因此，人們要變革現(xiàn)場模擬儀表改為現(xiàn)場數(shù)字儀表，并用現(xiàn)場總線互連。由此帶來DCS控制站的變革。即將控制站內(nèi)的軟功能模塊分散地分布在各臺現(xiàn)場數(shù)字儀表中，并可統(tǒng)一組態(tài)構成控制回路，實現(xiàn)徹底的分散控制，也就是說，由多臺現(xiàn)場數(shù)字儀表在生產(chǎn)現(xiàn)場構成虛擬控制站。新一代DCS技術變革的核心是現(xiàn)場總線。1220世紀90年代現(xiàn)場總線技術有了重大突破，公布了現(xiàn)場總線的國際標準，并生產(chǎn)出現(xiàn)場總線數(shù)字儀表。

現(xiàn)場總線技術的出現(xiàn)和發(fā)展標志著新一代DCS的產(chǎn)生，稱為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)。FCS革新了DCS的現(xiàn)場控制站和現(xiàn)場模擬儀表，用現(xiàn)場總線將現(xiàn)場數(shù)字儀表互連在一起，構成控制回路，形成現(xiàn)場控制級。即FCS用現(xiàn)場控制器取代了DCS的現(xiàn)場控制級，操作監(jiān)控級及其以上各級仍然同DCS。

第四代DCS系統(tǒng)的主要技術特征有：

DCS充分體現(xiàn)了信息化和集成化，信息化和集成化基本描述了當今DCS系統(tǒng)正在發(fā)生的變化；DCS變成真正的混合控制系統(tǒng)，過去DCS和PLC主要通過被控對象的特點（過程控制和邏輯控制）來進行劃分，但是，新的DCS己經(jīng)將這種劃分模糊化了，幾乎所有的第四代DCS都包含有過程控制、邏輯控制和批處理控制，實現(xiàn)了混合控制；新的DCS系統(tǒng)幾乎全部采用IEC61131一3標準進行組態(tài)軟件設計。

138.1.2DCS的體系結構

自1975年DCS誕生以來，隨著計算機、網(wǎng)絡、通信、屏幕顯示和控制技術的發(fā)展，DCS也得到不斷發(fā)展和更新。盡管不同廠家的DCS產(chǎn)品在硬件的互換性、軟件的兼容性以及操作的一致性上很難達到統(tǒng)一，但在系統(tǒng)基本結構方面卻具有相同或相似的結構體系。DCS按功能分層的層次結構充分體現(xiàn)了其分散控制和集中管理的設計思想。典型DCS系統(tǒng)如圖8-3所示1415

由分散控制功能的現(xiàn)場控制站（FieldControlStation）、進行集中監(jiān)視和操作的操作站（OperatorStation）、綜合信息管理（MIS）計算機以及高速信息通信總線組成。從下至上依次分為現(xiàn)場控制級、操作監(jiān)控級、生產(chǎn)管理級和工廠決策管理級。

現(xiàn)場控制級是DCS的基礎，其主要設備是現(xiàn)場控制站。

操作監(jiān)控級主要由操作員站、工程師站、監(jiān)控計算機和

計算機網(wǎng)關組成。

生產(chǎn)管理級，管理計算機根據(jù)工廠產(chǎn)品各部件的特點，協(xié)調(diào)各單元級的參數(shù)設定，進行總體協(xié)調(diào)和科學管理，使整個工廠的生產(chǎn)始終處于最佳狀態(tài)。

決策管理級，其主要設備是中央計算機，該層處于公司級。通過收集各部門的信息，進行綜合分析，及時作出決策，協(xié)助各級管理人員指揮調(diào)度，使公司各部門處于最佳運行狀態(tài)。168.1.3DCS的現(xiàn)場控制站

現(xiàn)場控制站一般安裝在靠近生產(chǎn)現(xiàn)場的位置，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的采集與實時控制，即對過程輸入和輸出數(shù)據(jù)進行檢測和處理，更新數(shù)據(jù)庫；根據(jù)測量數(shù)據(jù)按照一定的控制邏輯，形成相應的控制命令，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的實時控制。同時將相關的信息上傳給操作站，并接受操作站的控制指令。系統(tǒng)通過通信總線實現(xiàn)現(xiàn)場控制站之間的數(shù)據(jù)交換?，F(xiàn)場控制站的基本組成如圖8-4所示。

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181.現(xiàn)場控制站的硬件

現(xiàn)場控制站實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與控制的核心是控制計算機。DCS一般把系統(tǒng)啟動、自檢、基本I/O驅動、各種控制與檢測功能模塊(子程序)、固定參數(shù)和系統(tǒng)通信、管理模塊等程序固化在只讀存儲器(ROM)中。有的DCS系統(tǒng)還將用戶組態(tài)的應用程序也固化在ROM中，只要一通電，控制站就可以正常運行，使用方便、可靠。系統(tǒng)程序由DCS制造廠家固化在系統(tǒng)ROM中，用戶無法更改。

與單回路控制儀表相比，控制站除了反饋控制功能、運算功能、報警功能與通信功能更加豐富外，最重要的特點是順序控制功能大大增強?，F(xiàn)場控制站內(nèi)的順序控制，除了能按照常規(guī)的開關條件切換外，還包括各種定時器、計數(shù)器，及豐富的算術運算式、邏輯關系運算式功能，能自動監(jiān)視連續(xù)量的變化。DCS將一些常用的功能子程序組成標準的功能模塊，如：PID模塊、串級控制模塊、解藕控制模塊等，通過組態(tài)軟件方便調(diào)用。

192.現(xiàn)場控制站的冗余結構

為了避免現(xiàn)場控制站發(fā)生故障時對整個生產(chǎn)過程造成較大的影響，DCS系統(tǒng)采取了將危險分散的預防措施。通過適當?shù)叵拗聘骺刂普净芈返臄?shù)目，將控制站發(fā)生故障的影響限制在有限范圍內(nèi)。此外，在可靠性要求較高的地方，對系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡、控制模塊、電源等重要設備進行冗余備份，采用雙重冗余備用措施確保系統(tǒng)的可靠性。如果當前工作設備發(fā)生故障，處于熱備份狀態(tài)的備用裝置立即無間斷、平滑地投入運行。冗余方式可以采用在線并聯(lián)方式，也可以采用離線熱備份方式。20常見的冗余設計有：

(1)電源冗余。

(2)主機冗余。

(3)網(wǎng)絡接口冗余。

(4)I/O模塊冗余。

為了縮短故障修復時間，現(xiàn)場控制單元的結構設計充分考慮了系統(tǒng)的可維護性?；槿哂嗟牟考捎猛耆恢碌臉藴什寮Y構，系統(tǒng)自檢時發(fā)現(xiàn)的故障模塊可在模塊面板上顯示標志出來。維護人員在系統(tǒng)運行中將故障模塊拉出，插入備份塊就可以完成故障硬件的替換、維修工作。218.1.4DCS的操作站

DCS操作站的主要功能有：組建和維護系統(tǒng)的工程功能；以監(jiān)視、運行、記錄為主的操作功能；現(xiàn)場控制站與上位計算機交換信息的通信功能以及運行數(shù)據(jù)存儲、管理功能。其中，DCS的工程功能通過工程師站實現(xiàn)，操作功能由操作員站實現(xiàn)。工程師站與操作員站共同組成DCS操作站。在規(guī)模較小的DCS和早期的DCS系統(tǒng)中，由中央計算機同時承擔工程師站和操作員站的職能，通過設置工程師密碼賦予工程師進行系統(tǒng)組建、維護和系統(tǒng)管理功能的工程功能。而現(xiàn)在的DCS控制系統(tǒng)工程師站和操作員站一般是分開的，也有工程師站下附帶一個操作員站的系統(tǒng)。

221.操作員站

操作員站的基本功能是操作、監(jiān)視和管理。

操作員站的軟件，除了系統(tǒng)軟件外，其應用軟件的用戶表現(xiàn)形式首先是為用戶提供豐富多彩、圖文并茂、形象直觀的動態(tài)畫面；其次是存儲各類數(shù)據(jù)和信息，方便用戶進行分類查找或打印工作。

操作員站的操作安全性非常重要，一般有鍵盤鎖、密碼、操作分區(qū)三種安全措施。

操作密碼相當于軟鎖，類似于上述鍵盤鎖的三個位置。在系統(tǒng)組態(tài)時為監(jiān)控員、工程師設置密碼，操作員無密碼，這樣也就規(guī)定了二者的操作權限。232.工程師站

DCS工程師站的主要功能有：

(1)系統(tǒng)組態(tài)。系統(tǒng)組態(tài)就是組建和變更操作員站和現(xiàn)場控制站的功能。通過對生產(chǎn)工藝流程的分析，進行設備統(tǒng)計和I/O端口的統(tǒng)計，利用與該DCS系統(tǒng)硬件配套的工程組態(tài)軟件進行組態(tài)，組態(tài)內(nèi)容包括操作站功能組態(tài)、現(xiàn)場控制站功能組態(tài)、和用戶自定義功能組態(tài)等。

(2)系統(tǒng)測試。主要功能是測試系統(tǒng)的邏輯算法是否正確、測試系統(tǒng)的網(wǎng)絡通信是否正常，測試系統(tǒng)外部設備連接是否正常。

(3)系統(tǒng)維護。對系統(tǒng)定期檢查或更改、生成組態(tài)文件存儲、數(shù)據(jù)恢復等。

(4)系統(tǒng)管理。主要是對系統(tǒng)文件的管理，如將組態(tài)文件加密，備分；對系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)的文件存儲、轉存、歸檔管理等。

248.1.5DCS的組態(tài)

DCS系統(tǒng)的組態(tài)包括硬件組態(tài)和軟件組態(tài)。

1.系統(tǒng)的硬件組態(tài)

硬件組態(tài)是針對整個控制系統(tǒng)的硬件結構進行組態(tài)，它是整個組態(tài)的第一步。硬件組態(tài)是根據(jù)系統(tǒng)的規(guī)模及控制要求進行硬件的選擇，主要包括通信系統(tǒng)的選擇、人機接口的選擇、過程接口的選擇、集散控制系統(tǒng)與PLC及上位機的通信接口選擇、電源系統(tǒng)的選擇、上位機與可編程邏輯控制器的選擇、集散控制系統(tǒng)控制單元的選擇等等。集散控制系統(tǒng)在進行硬件組態(tài)時，應綜合考慮各方面的因素。在滿足控制系統(tǒng)性能要求的前提下，選擇性能價格比最佳的配置；其次應考慮DCS未來的發(fā)展趨勢，包括監(jiān)控一體化的生產(chǎn)管理系統(tǒng)，方便系統(tǒng)以后的更新升級；另外，還應考慮到操作人員的易操作性、系統(tǒng)的易維護性等相關方面的情況。

252.DCS系統(tǒng)的應用軟件組態(tài)

軟件組態(tài)是對各個部件的特性、標識、符號以及所安裝的有關軟件系統(tǒng)進行描述，建立數(shù)據(jù)連接關系。也就是在系統(tǒng)硬件和軟件的基礎上，將系統(tǒng)提供的功能塊用軟件組態(tài)的方式連接起來。

軟件組態(tài)的常用方式有：

（1）直接在DCS系統(tǒng)上通過工程師站組態(tài)。

（2）通過填寫組態(tài)表格進行組態(tài)工作。在一般工程中，由于受工廠調(diào)試時間和施工現(xiàn)場條件的限制，用戶并不能通過工程師站直接進行組態(tài)。為此，DCS廠家為用戶提供了針對系統(tǒng)的組態(tài)表，用戶可以通過填寫表格來進行組態(tài)準備工作。

（3）利用PC機進行組態(tài)。有些生產(chǎn)廠商允許用戶利用PC機進行組態(tài)。這些生產(chǎn)廠為用戶提供一套軟件和轉換設備，用戶可以在PC機上模擬操作站進行軟件組態(tài)，并將組態(tài)結果轉化成DCS可以接受的編碼。與填寫表格相比，使用PC機可以縮短鍵入過程，節(jié)約工廠調(diào)試時間。

26應用軟件的組態(tài)包括以下幾個部分：

（1）網(wǎng)絡組態(tài)文件（NCF）組態(tài)

NCF組態(tài)就是對系統(tǒng)操作環(huán)境和操作特性的定義，它包括單元名稱組態(tài)、區(qū)域名稱組態(tài)、操作站名稱組態(tài)、LCN節(jié)點組態(tài)、系統(tǒng)參數(shù)組態(tài)和卷目組態(tài)。

（2）數(shù)據(jù)點組態(tài)

數(shù)據(jù)點組態(tài)就是將工藝過程數(shù)據(jù)點及系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)點進行參數(shù)組態(tài)，其內(nèi)容隨系統(tǒng)構成和工藝過程以及控制要求的不同而不同。它一般包括：HG數(shù)據(jù)點組態(tài)、邏輯塊組態(tài)、應用模塊數(shù)據(jù)點組態(tài)、計算機模塊數(shù)據(jù)點組態(tài)、數(shù)據(jù)點分配及PM組態(tài)、網(wǎng)絡數(shù)據(jù)點組態(tài)。

（3）用戶畫面、格式報表和鍵定義組態(tài)

根據(jù)用戶要求，采用圖形生成器（編輯器）設計顯示畫面、表格及報表，并對鍵盤功能進行定義。它一般包括工藝流程、控制畫面、報警提示畫面、過程趨勢曲線畫面、提示信息畫面、記錄與表格畫面、生產(chǎn)和統(tǒng)計報表等。

27（4）區(qū)域數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫組組態(tài)

一般DCS數(shù)據(jù)庫組態(tài)軟件提供完整的建立數(shù)據(jù)庫功能。數(shù)據(jù)庫組態(tài)包括兩個部分：數(shù)據(jù)原始記錄輸入或修改；數(shù)據(jù)庫下裝文件的生成。通過歷史數(shù)據(jù)庫組態(tài)，可以指定哪些點的哪些參數(shù)需要保存歷史數(shù)據(jù)，以及歷史數(shù)據(jù)的記錄精度和保存的時間等信息。

（5）控制算法組態(tài)

控制算法是指對集散控制系統(tǒng)中的控制器的功能塊的連接組合，是面向控制過程的?？刂扑惴ńM態(tài)的特點是實現(xiàn)“軟連接”。控制算法組態(tài)一般采用兩種方式：功能框表填充法和高級程序設計語言編程。

框表填充法一般采用菜單提示問題填空，功能框表填充連接等非過程方式將組態(tài)信息裝入控制器。該方法是集散控制系統(tǒng)中最常用的方法，其特點是簡單明了，易懂易學。

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采用高級程序設計語言時，集散控制系統(tǒng)采用的高級語言一般有BASIC、FORTRAN、C、梯形邏輯控制語言和一些專用控制語言。這些高級語言通過提供一些特殊專門語句來完成控制器中各軟件模塊的連接。這種組態(tài)方式方便靈活，易于實現(xiàn)一些復雜的控制算法，但要求用戶具有一定的編程能力。

（6）特殊控制功能程序的編制

有時為了完成某些特殊功能，須采用高級語言，如BASIC、FORTRAN、C或專用控制語言編制所需的程序。該命令由命令處理菜單下的字處理軟件完成。

總之，不同散控制系統(tǒng)都有自己的組態(tài)方式，且都有一定的特點。具體組態(tài)方式需要根據(jù)使用時的具體情況來確定。

298.2現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(fieldbuscontro1system，F(xiàn)CS)是一種以現(xiàn)場總線為基礎的分布式網(wǎng)絡自動化系統(tǒng)，它既是現(xiàn)場通信網(wǎng)絡系統(tǒng)，也是現(xiàn)場自動化系統(tǒng)。現(xiàn)場總線(fieldbus)和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)的產(chǎn)生，不僅變革了傳統(tǒng)的單一功能的模擬儀表，將其改為綜合功能的數(shù)字儀表，而且變革了傳統(tǒng)的計算機控制系統(tǒng)，將輸入、輸出、運算和控制功能分散分布到現(xiàn)場總線儀表中，形成了全數(shù)字的徹底的分散控制系統(tǒng)。308.2.1現(xiàn)場總線概述

現(xiàn)場總線使傳統(tǒng)的自動化儀表和傳統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)在產(chǎn)品體系結構和功能、系統(tǒng)的設計以及安裝、調(diào)試等方面產(chǎn)生了較大的變革，將傳統(tǒng)的模擬儀表變?yōu)閿?shù)字儀表，并將單一的信號檢測功能變?yōu)榧瘷z測、運算、控制和通信于一體的綜合功能?，F(xiàn)場總線的產(chǎn)生，不僅促使了具有綜合功能的數(shù)字通信儀表的出現(xiàn)，而且促使了現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的產(chǎn)生。311.現(xiàn)場總線的產(chǎn)生

在工業(yè)生產(chǎn)控制中，要實現(xiàn)整個生產(chǎn)過程的信息集成，與外界信息交換，在被控現(xiàn)場直接構成測量、控制和通信一體化的綜合自動化系統(tǒng)，就必須設計出一種能在工業(yè)被控現(xiàn)場惡劣環(huán)境下運行、性能可靠、造價低廉的現(xiàn)場通信網(wǎng)絡。該網(wǎng)絡的節(jié)點就是具有信號輸入輸出、運算、控制和通信功能的各種現(xiàn)場儀表或現(xiàn)場設備，并在被控現(xiàn)場直接構成分布式網(wǎng)絡自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場與外界的信息交換?，F(xiàn)場總線就是在這種背景下產(chǎn)生的。32七十年代以前，控制系統(tǒng)中采用模擬量對現(xiàn)場數(shù)據(jù)和控制信號進行轉換、傳遞，其精度差、受干擾影響大，因而整個控制系統(tǒng)的控制效果及系統(tǒng)穩(wěn)定性在控制要求較高時難以得到保證。七十年代末，隨著大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，微處理器技術得到很大發(fā)展。微處理器功能強、體積小、可靠性高、通過適當?shù)慕涌陔娐酚糜诳刂葡到y(tǒng)，控制效果得到提高，但是仍然屬于集中式控制系統(tǒng)。隨著過程控制技術、自動化儀表技術和計算機網(wǎng)絡技術的成熟和發(fā)展，新的控制系統(tǒng)（如集散控制系統(tǒng)）無論在結構上還是在性能上都發(fā)生了巨大的飛躍，其基礎就是現(xiàn)場總線技術的產(chǎn)生?，F(xiàn)場總線是連接現(xiàn)場智能設備和自動化控制設備的一種雙向串行、數(shù)字式、多節(jié)點通信網(wǎng)絡，也被稱為現(xiàn)場底層設備控制網(wǎng)絡。33

?1984年，Intel公司提出了一種計算機分布式控制總線-位總線（BITBUS）。

?1985年由Honeywell和Bailey等大公司發(fā)起，成立了WorldFIP，制定了FIP協(xié)議。

?1987年，由Siemens，Rosemount，橫河等幾家著名公司牽頭也成立了一個專門委員會，采用互操作系統(tǒng)協(xié)議（ISP）并制定了PROFIBUS協(xié)議。

?后來美國儀器儀表學會也制定了現(xiàn)場總線標準IEC/ISA

SP50。

?隨著現(xiàn)場總線技術的發(fā)展，逐漸形成了兩個互相競爭的現(xiàn)場總線集團：一個是以Siemens、Rosemount,橫河為首的ISP集團；另一個是由Honeywell、Bailey等公司牽頭的WorldFIP集團。

?1994年，兩大集團合并，成立現(xiàn)場總線基金會（Fieldbus

Foundation），簡稱FF。342.現(xiàn)場總線的定義

根據(jù)國際電工委員會（InternationlaElectrotechnicalCommission,IEC）標準和現(xiàn)場總線基金會（FieldbusFoundation，F(xiàn)F）的定義，現(xiàn)場總線是連接現(xiàn)場設備和自動化系統(tǒng)之間的數(shù)字式、串行、多點通訊的數(shù)據(jù)總線。一般認為，現(xiàn)場總線是指計算機網(wǎng)絡與生產(chǎn)過程專用網(wǎng)絡，或工業(yè)控制網(wǎng)絡與生產(chǎn)現(xiàn)場基層的自動化測控設備之間傳送信息的共同通路，它把通信線一直延伸到被控現(xiàn)場或被控設備，在被控現(xiàn)場直接構成現(xiàn)場通信網(wǎng)絡，是現(xiàn)場通信網(wǎng)絡與控制系統(tǒng)的集成。目前國際上有40多種現(xiàn)場總線，但沒有任何一種現(xiàn)場總線能覆蓋所有的應用面。目前應用比較多的有基金會現(xiàn)場總線（FF）、LonWorks、Profibus、WorldFIP及CAN總線等。

35

現(xiàn)場線的節(jié)點是現(xiàn)場儀表或現(xiàn)場設備，現(xiàn)場總線數(shù)字儀表除了具有傳統(tǒng)模擬儀表的構成外，還有A/D、D/A、微處理器及總線接口。

現(xiàn)場總線的傳輸介質通常采用一般的雙絞線，并可以通過總線供電；也可以選用同軸電纜、光纜或無線方式，甚至可以借用動力電纜(如建筑物中的照明電纜)。傳輸速率因類型而異，低速為幾十kbps，中速為幾百kbps，高速為幾Mbps?，F(xiàn)場總線的拓撲結構一般有總線形、樹形或環(huán)形結構。

現(xiàn)場總線標準不僅規(guī)定了通信協(xié)議，而且規(guī)定了控制協(xié)議；既可以共享現(xiàn)場總線節(jié)點(現(xiàn)場儀表或現(xiàn)場設備)內(nèi)部的數(shù)據(jù)，也可以共享現(xiàn)場總線節(jié)點內(nèi)部的功能塊，以便在現(xiàn)場總線組成控制回路?？傊F(xiàn)場總線有別于一般的通信總線，它不僅是一種通信技術，而且是一種控制技術。

368.2.2現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）的特點

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）是指現(xiàn)場總線和現(xiàn)場設備組成的控制系統(tǒng)，它采用現(xiàn)場通信網(wǎng)絡把通信延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場及設備，通過一對傳輸線互連變送器、執(zhí)行器、服務器和網(wǎng)橋、輔助設備、監(jiān)控等現(xiàn)場設備。實現(xiàn)了基于同一總線標準的不同品牌產(chǎn)品統(tǒng)一組態(tài)，即實現(xiàn)了“即接即用”功能。同時實現(xiàn)了功能塊分散化，將DCS的I/O單元和控制站分散到現(xiàn)場設備中，構成虛擬控制站。FCS結構如圖8-5所示。37

38

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)的模擬儀表控制系統(tǒng)、傳統(tǒng)的計算機控制系統(tǒng)的結構形式，具有獨特的特點和優(yōu)點。主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）FCS的信號傳輸“數(shù)字化”。（2）系統(tǒng)的分散性。（3）產(chǎn)品的互操作性。

（4）系統(tǒng)的開放性。（5）FCS現(xiàn)場儀表或現(xiàn)場設備的環(huán)境適應性。（6）現(xiàn)場設備的經(jīng)濟性。

（7）FCS設備的易維護性。（8）FCS系統(tǒng)的高可靠性。

總之，現(xiàn)場總線是3C技術（計算機、通訊、控制）的融合。其技術特點是：信號輸出全數(shù)字、控制功能全分散、標準統(tǒng)一全開放。新型的全數(shù)字控制系統(tǒng)的出現(xiàn)，能充分發(fā)揮上層系統(tǒng)調(diào)度、優(yōu)化、決策的功能。有利于企業(yè)實施綜合自動化策略，使企業(yè)從粗放型向集約型轉化。398.2.3幾種常用的現(xiàn)場總線技術

FCS系統(tǒng)的基礎是現(xiàn)場總線，目前國際上存在多種現(xiàn)場總線標準。自20世紀80年代以來，一些現(xiàn)場總線技術已經(jīng)發(fā)展成熟并得到廣泛應用。這些現(xiàn)場總線技術各具特點，并形成了自己的產(chǎn)品系列，占有相當大的市場份額。下面介紹幾種常用的現(xiàn)場總線。401、基金會（FF）現(xiàn)場總線

基金會現(xiàn)場總線(foundationfieldbus，F(xiàn)F)是為適應生產(chǎn)自動化，尤其是過程自動化而設計的。其前身是以美國Fisher-Rosemount公司為首，聯(lián)合Foxboro、橫河、ABB、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。

1994年9月這兩大集團合并，成立了現(xiàn)場總線基金會，致力于開發(fā)國際上統(tǒng)一的現(xiàn)場總線協(xié)議。FF標準由現(xiàn)場總線基金會(fieldbusfoundation)組織開發(fā)，它綜合了通信技術和控制技術。FF的協(xié)議規(guī)范建立在ISO/OSI層間通訊模型之上，它由3個主要的功能部分組成：物理層、通信層和用戶層。用戶層主要針對自動化測控應用的需要，定義了信息存取的統(tǒng)一規(guī)則，采用設備描述語言規(guī)定了通用的功能塊集。

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(1)FFH1的通信模型及技術概述

國際標準化組織(InternationalStandardizationOrganization，ISO)制定了開放系統(tǒng)互連(opensysteminterconnection，OSI)參考模型，該模型從下到上分為7個層次，依次分別為物理層(1)、數(shù)據(jù)鏈路層(2)、網(wǎng)絡層(3)、傳輸層(4)、會話層(5)、表示層(6)和應用層(7)。

42(2)FF高速總線HSE

HSE高速以太網(wǎng)傳輸速率為10M/100Mbps，取代了早期的H2總線。

HSE通信模型的層次結構中省略了ISO-OSI7層參考模型中的第5、6兩層，另外增加了用戶層。HSE通信模型中的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層采用IEEE802的局域網(wǎng)(LAN)的協(xié)議標準，網(wǎng)絡層采用IP(Internetprotocol，互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議)，傳輸層采用TCP(transmissioncontrolprotocol，傳輸控制協(xié)議)或UDP(userdatagramprotocol，用戶數(shù)據(jù)報文協(xié)議。

HSE通信模型的體系結構與H1的體系結構在很多方面相同，但是增加了幾個HSE特有的組件，用來完成HSE新增的功能，包括管理HSE通信棧中的互聯(lián)網(wǎng)標準、管理用于將設備連接到HSE子網(wǎng)絡的冗余HSE接口、利用UDP（用戶數(shù)據(jù)報文協(xié)議）無連接服務傳輸系統(tǒng)管理內(nèi)核協(xié)議報文、管理HSE通信等。

432、Profibus總線

PROFIBUS是過程現(xiàn)場總線（ProcessFieldBus）的縮寫。它是德國國家標準DIN19245和歐洲標準EN50170所規(guī)定的現(xiàn)場總線標準，于1989年正式成為現(xiàn)場總線的國際標準。是一種國際化，開放式，不依賴于設備生產(chǎn)商的現(xiàn)場總線標準。傳輸速率為9.6kbps-12Mbps，廣泛適用于制造業(yè)自動化、過程控制自動化和智能樓宇、交通電力及其他自動化領域。PROFIBUS是一種可用于工廠自動化車間級監(jiān)控和現(xiàn)場設備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場總線技術，可實現(xiàn)現(xiàn)場設備層到車間級監(jiān)控的分散式數(shù)字控制和現(xiàn)場通信網(wǎng)絡，從而為實現(xiàn)工廠綜合自動化和現(xiàn)場設備智能化提供了可行的解決方案。PROFIBUS由3個兼容部分組成，分別為PROFIBUS－DP、PROFIBUS－FMS和PROFIBUS－PA。

44（1）Profibus的基本構成

Profibus根據(jù)應用特點分為Profibus-DP、Profibus-FMS和Profibus-PA三個兼容版本。其中，Profibus-DP使用高速、廉價的通信連接，實現(xiàn)自動控制系統(tǒng)和設備級分散的I/O之間的通信，使用ProflbusDP模塊可取代價格昂貴的24V或0～20mA并行信號線。PROFIBUS－FMS用于車間級監(jiān)控網(wǎng)絡，它是令牌結構的實時多主網(wǎng)絡，用來完成控制器和智能現(xiàn)場設備之間的通信以及控制器之間的信息交換。Profibus-FMS解決了車間級通用性通信任務，它可以提供大量的通信服務，完成中等傳輸速度的循環(huán)和非循環(huán)通信任務，可用于紡織工業(yè)、樓宇自動化、電氣傳動、傳感器和執(zhí)行器、可編程序控制器、低壓開關設備等一般自動化控制。Profibus-PA適用于過程自動化，它采用標準的本質安全的傳輸技術，用于對安全性要求高的場合及由總線供電的站點。

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（2）Profibus協(xié)議結構

Profibus協(xié)議根據(jù)ISO7498國際標準以OSI為參考模型。Profibus-DP使用第1層、第2層和用戶接口，第3層到第7層未加以描述，這種結構確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目焖俸陀行?。用戶接口?guī)定了用戶及系統(tǒng)以及不同設備可以調(diào)用的應用功能，并詳細說明了各種Profibus-DP設備的設備行為，支持RS485傳輸技術或光纖。

Profibus-PA數(shù)據(jù)傳輸采用擴展的Profibus-DP協(xié)議，還使用了描述現(xiàn)場設備行為的行規(guī)。根據(jù)IEC1158-2標準，這種傳輸技術可確保其本質安全性，并使現(xiàn)場設備通過總線供電。利用分段式耦合器，Profibus-PA設備能很方便地集成到Profibus-DP網(wǎng)絡中。

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(3)總線訪問協(xié)議

Profibus總線均使用單一的總線訪問協(xié)議，通過OSI參考模型的第2層實現(xiàn)，其功能包括數(shù)據(jù)的可靠性以及傳輸協(xié)議和報文的處理。在Profibus中，第2層稱為現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)鏈路(FieldbusDataLlnk，F(xiàn)DL)。媒體存取控制(MAC)具體控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)某绦?，MAC必須確保在任何時刻只能有一個站點發(fā)送數(shù)據(jù)。Profibus協(xié)議的設計旨在滿足媒體存取控制的基本要求。

Profibus總線訪問協(xié)議包括主站之間的令牌傳遞方式和主站與從站之間的主從方式。473、控制器局域網(wǎng)（CAN）總線

CAN是ControllerAreaNetwork的縮寫（以下稱為CAN），是ISO國際標準化的一種串行通信協(xié)議。

在現(xiàn)代汽車工業(yè)中，出于對安全性、舒適性、使用方便性和低成本的要求，各種各樣的電子控制系統(tǒng)被開發(fā)了出來。

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(wǎng)，而CAN總線的出現(xiàn)為分布式控制系統(tǒng)實現(xiàn)各節(jié)點之間實時、可靠的數(shù)據(jù)通信提供了強有力的技術支持。CAN具有實時性強、傳輸距離較遠、抗電磁干擾能力強、成本低等優(yōu)點。CAN總線也是基于OSI模型，但進行了優(yōu)化，采用了OSI的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應用層，提高了實時性。支持點對點、一點對多點、廣播模式通信。各節(jié)點可隨時發(fā)送消息，當節(jié)點出錯時，可自動關閉，抗干擾能力強，可靠性高。

48(1)CAN總線性能特點

①CAN總線是一種多主總線，網(wǎng)絡上任意節(jié)點均可在任意時刻主動地向網(wǎng)絡上其他節(jié)點發(fā)送信息，而不分主從，通信方式靈活，可以方便地構成多機備份系統(tǒng)。

②CAN總線以報文為單位進行數(shù)據(jù)傳送，報文的優(yōu)先級結合在11位標識符中，具有最低二進制數(shù)的標識符具有最高的優(yōu)先級。網(wǎng)絡上的節(jié)點信息分成不同的優(yōu)先級，可滿足不同的實時要求。

③CAN總線采用非破壞性總線仲裁技術。

④CAN總線通過報文濾波可實現(xiàn)點對點、一點對多點及全局廣播等幾種方式傳送、接收數(shù)據(jù)，無需專門的”調(diào)度”。

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⑤CAN協(xié)議的一個最大特點是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對通信數(shù)據(jù)塊進行編碼。

⑥采用短幀結構，數(shù)據(jù)幀中的數(shù)據(jù)字段長度最多為8bit。傳輸時間短，受干擾概率低，抗干擾能力強，從而滿足工控領域中傳送控制命令、工作狀態(tài)和測量數(shù)據(jù)的的一般要求，保證了系統(tǒng)的實時性。

⑦每幀信息都有CRC校驗及其他檢錯措施，保證較低的數(shù)據(jù)出錯率。

⑧節(jié)點在錯誤嚴重時具有自動關閉輸出功能，退出網(wǎng)絡通信，從而使其他節(jié)點操作不受影響。50(2)CAN總線的分層結構

CAN總線遵循OSI參考模型，但出于對實時性和降低成本等因素的考慮，CAN總線只采用了其中的數(shù)據(jù)鏈路層(包括邏輯鏈路控制子層、媒體訪問控制子層)和物理層。CAN總線的分層結構和功能如圖8-7所示。

511）CAN總線的物理層

CAN總線的物理層主要內(nèi)容是規(guī)定了通信介質的機械、電氣、功能和規(guī)程特性。

2）CAN總線的數(shù)據(jù)鏈路層

數(shù)據(jù)鏈路層包括邏輯鏈路控制子層和媒體訪問控制子層。邏輯鏈路控制（logiclinkcontrol，LLC）子層主要功能如下：

①接收濾波：報文標識符ID描述報文的含義，但不確定報文的目的地，報文接收器通過報文濾波確定此報文是否與其有關。

②超載通知：如果報文的接收器要求延遲下一個數(shù)據(jù)幀或遠程幀，即在先行和后續(xù)數(shù)據(jù)幀(或遠程幀)之間附加延時，則通過發(fā)送超載幀來實現(xiàn)，最多可產(chǎn)生兩個超載幀。

③恢復管理：若發(fā)送期間丟失幀或有錯誤幀，自動恢復重發(fā)功能。

52CAN總線的媒體訪問控制(mediumaccesscontrol,MAC)子層的主要功能是對發(fā)送數(shù)據(jù)進行包裝、發(fā)送媒體訪問管理、接收媒體訪問管理、接收數(shù)據(jù)拆裝。

CAN總線節(jié)點的基本構成由CAN收發(fā)器、通信控制器、微處理器、輸入和輸出電路組成，如圖8-8所示。

534、LonWorks（LON）總線

LonWorks(localoperatingnelwork)是由美國Echelon公司開發(fā)，并與Motorola和東芝公司共同倡導的一種局部操作網(wǎng)絡。

LonWorks技術具有完整的控制網(wǎng)絡系統(tǒng)開發(fā)平臺，提供有設計、配置安裝和維護控制網(wǎng)絡所需的硬件和軟件，包括LonTalk通信協(xié)議、Neuron芯片、NeuronC語言、通信設備和系統(tǒng)開發(fā)工具等等。LonWorks采用了ISO/OSI模型的全部七層通訊協(xié)議，采用面向對象的設計方法，通過網(wǎng)絡變量把網(wǎng)絡通信設計簡化為參數(shù)設置，其通訊速率從300bps至15Mbps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，被譽為通用控制網(wǎng)絡。

LonWorks在樓宇自動化、家庭自動化、智能通信產(chǎn)品等方面具有獨特的優(yōu)勢。54（1）LonWorks控制網(wǎng)絡的基本組成

LonWorks控制網(wǎng)絡要由現(xiàn)場節(jié)點、通信介質和通信協(xié)議3大基本要素組成。

①Lonworks現(xiàn)場控制節(jié)點。這些節(jié)點可以直接采用神經(jīng)元芯片（Neuron）作為通信處理器和測控處理器的節(jié)點。神經(jīng)元芯片（Neuron）是一個超大規(guī)模集成電路元件，是LonWorks網(wǎng)絡技術的核心器件，它實現(xiàn)網(wǎng)絡功能和執(zhí)行節(jié)點中的特定應用程序。一個典型的節(jié)點包含神經(jīng)元芯片、電源、通過網(wǎng)絡介質通信的收發(fā)器及與被監(jiān)控設備接口的應用電路。

②通信介質。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。

③通信協(xié)議。Lonworks技術提供有公開的并遵守國際標準化組織(ISO)的分層體系結構要求的LonTalk協(xié)議。

圍繞這3個基本要素，Echelon公司提供了開發(fā)、制造、安裝、運行和維護LonWorks控制網(wǎng)絡的全套產(chǎn)品。

55（2）LonTalk通信協(xié)議

LonTalk協(xié)議是為LON總線設計的專用協(xié)議。它提供了OSI參考模型的所有七層協(xié)議。

表8-1列出了LonTalk協(xié)議與OSI參考模型的對應關系。

56LonTalk協(xié)議提供了四種基本報文服務，即應答、無應答重發(fā)、無應答和請求/響應，使用何種通信報文服務方式應綜合考慮網(wǎng)絡效率、響應時間、安全性以及可靠性等方面。數(shù)據(jù)包可具有優(yōu)先級，便于關鍵性信息能夠及時傳送。LonTalk協(xié)議支持消息鑒別認證服務，從而提高數(shù)據(jù)的安全性。

現(xiàn)場總線連接自動化系統(tǒng)最底層的現(xiàn)場控制器和現(xiàn)場智能儀表設備。網(wǎng)線上傳輸?shù)氖切∨繑?shù)據(jù)信息，如檢測信息、狀態(tài)信息、控制信息等。傳輸速率低，傳輸?shù)男畔㈤L度較小，實時性要求高。另外對于環(huán)境惡劣的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場，還必須解決環(huán)境適應性問題，而現(xiàn)場總線具有很強的可靠性和安全性要求，可以采用各種通訊介質，如雙絞線、電力線、光纖、無線、紅外線等，實現(xiàn)成本