現(xiàn)場(chǎng)總線-現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)概述

現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)概述

0緒論0.1微機(jī)測(cè)控技術(shù)主要研究對(duì)象微機(jī)測(cè)控技術(shù)主要研究如何將檢測(cè)與傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制理論應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程并設(shè)計(jì)出所需要的微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)。0.2微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的組成與特點(diǎn)0.2.1微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的一般概念微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)就是利用微型計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)測(cè)試與控制的系統(tǒng)。微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)圖微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的工作原理可歸納為以下3步：①實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集：通過(guò)測(cè)量變送裝置完成被控量的瞬時(shí)值的檢測(cè)和輸入。②實(shí)時(shí)控制決策：對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，按預(yù)定的控制策略決定采取何種控制行為。③實(shí)時(shí)控制輸出：根據(jù)控制決策，向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出實(shí)時(shí)控制信號(hào)，完成系統(tǒng)控制任務(wù)。實(shí)時(shí)的含義是指信號(hào)的輸入、計(jì)算、輸出都要在一定的時(shí)間間隔內(nèi)完成。（軟實(shí)時(shí)RTOS、硬實(shí)時(shí)RTOS）在線是指：在微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中，生產(chǎn)過(guò)程與計(jì)算機(jī)直接連接并受計(jì)算機(jī)的控制，有時(shí)也稱為聯(lián)機(jī)方式。0.2.2

微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的組成微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)主要由被控對(duì)象、過(guò)程輸入輸出通道及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)三部分組成。

過(guò)程輸入輸出通道也叫生產(chǎn)過(guò)程通道，包括模擬量輸入輸出通道、數(shù)字量輸入輸出通道、測(cè)量變送、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電氣開(kāi)關(guān)等裝置。0.2.3微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的軟件組成系統(tǒng)軟件

（RTOS）應(yīng)用軟件

（組態(tài)、先控）0.2.4微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的特點(diǎn)靈活性（規(guī)模、復(fù)雜度）適應(yīng)性（嵌入式）微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)框圖

0.3微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的典型形式0.3.1操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)這種形式的系統(tǒng)屬于開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)按照一定的時(shí)間間隔對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的參數(shù)進(jìn)行采樣、處理、顯示、打印或報(bào)警，操作人員根據(jù)這些結(jié)果進(jìn)行設(shè)定值的修改或必要的操作。

操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)原理圖

0.3.2直接數(shù)字控制系統(tǒng)直接數(shù)字控制（簡(jiǎn)稱DDC）系統(tǒng)的基本思想是：利用微型計(jì)算機(jī)對(duì)多個(gè)被控參數(shù)進(jìn)行巡回檢測(cè)，并與給定值比較，然后按照預(yù)定的控制規(guī)律進(jìn)行計(jì)算，最后發(fā)出控制信息完成對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的控制，使被控參數(shù)穩(wěn)定在給定值上。直接數(shù)字控制系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制中最普遍的一種應(yīng)用方式。它要求實(shí)時(shí)性好、可靠性高、適應(yīng)性強(qiáng)。

直接數(shù)字控制系統(tǒng)原理框圖

0.3.3監(jiān)督計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)監(jiān)督計(jì)算機(jī)控制（簡(jiǎn)稱SCC）系統(tǒng)的基本思想是：微型計(jì)算機(jī)根據(jù)原始工藝信息和其它參數(shù)，按照描述生產(chǎn)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，自動(dòng)改變模擬調(diào)節(jié)器或DDC微型計(jì)算機(jī)的給定值，從而使生產(chǎn)過(guò)程始終處于最優(yōu)工況。

監(jiān)督計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)原理框圖a)SCC+模擬調(diào)節(jié)器系統(tǒng)

b)SCC+DCC系統(tǒng)

它有兩種不同的結(jié)構(gòu)形式：一種是SCC+模擬控制器，另一種是SCC+DDC控制系統(tǒng)。它是操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)和DDC系統(tǒng)的綜合和發(fā)展，SCC系統(tǒng)較DDC系統(tǒng)更接近生產(chǎn)變化實(shí)際情況，它不僅可以進(jìn)行定值控制，還可以進(jìn)行順序控制、最優(yōu)控制等。0.3.4分散控制系統(tǒng)分散控制系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱DCS）的基本思想是：利用分散控制、集中操作、分而自制、綜合協(xié)調(diào)的原則，將測(cè)控系統(tǒng)分為分散過(guò)程控制級(jí)、集中操作監(jiān)控級(jí)和綜合信息管理級(jí)等三級(jí)，構(gòu)成一分級(jí)形式的分布式控制系統(tǒng)。

分散控制系統(tǒng)原理框圖

0.3.5現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱FCS）其結(jié)構(gòu)模式為“工作站——現(xiàn)場(chǎng)總線智能儀表”二層結(jié)構(gòu)，成本低、可靠性高，可實(shí)現(xiàn)真正的開(kāi)放式互連系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

FCS控制層原理圖

1現(xiàn)場(chǎng)總線的概述（FieldBus）

傳統(tǒng)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)儀表(I/O)控制器一對(duì)一連接4~20mA0~10mA24VDC……80年代開(kāi)始智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備普遍應(yīng)用a.包含CPUb.能直接數(shù)字通信c.具有很強(qiáng)的功能例如，智能化變送器除了具有常規(guī)意義上的信號(hào)測(cè)量和變送功能以外，往往它還具有自診斷、報(bào)警、在線標(biāo)定甚至PID運(yùn)算等功能……智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與主機(jī)系統(tǒng)間待傳輸?shù)男畔⒘考眲≡黾印，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的初始想法：設(shè)想全部或大部分現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備都具有直接進(jìn)行通信的能力，并具有統(tǒng)一的通信協(xié)議，只需一根通信電纜就可將分散的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接起來(lái)，完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)控。3C技術(shù)的發(fā)展微機(jī)化儀器儀表的成熟和應(yīng)用1.現(xiàn)場(chǎng)總線概述

現(xiàn)場(chǎng)總線是當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)。它的出現(xiàn)標(biāo)志著工業(yè)控制技術(shù)領(lǐng)域又一個(gè)新時(shí)代的開(kāi)始?，F(xiàn)有的多數(shù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，為提高其性能價(jià)格比，在實(shí)現(xiàn)其內(nèi)部操作時(shí)都采用了微處理器和數(shù)字化元件，于是就提出了必須在這些領(lǐng)域的數(shù)字設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)數(shù)字通信的要求。采用現(xiàn)場(chǎng)總線的目的就是為了滿足這種要求，為工業(yè)領(lǐng)域中的測(cè)量和調(diào)節(jié)控制設(shè)備提供實(shí)現(xiàn)串行數(shù)字通信的手段。1.現(xiàn)場(chǎng)總線概述現(xiàn)場(chǎng)總線(Fieldbus)的概念：是連接智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的全數(shù)字、雙向、多站的通信系統(tǒng)。主要解決工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間的數(shù)字通信以及這些現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備和高級(jí)控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問(wèn)題。主要用于：制造業(yè)、流程工業(yè)、交通、樓宇等方面的自動(dòng)化系統(tǒng)中。

現(xiàn)場(chǎng)總線定義現(xiàn)場(chǎng)總線是連接智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)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)。它的關(guān)鍵標(biāo)志是能支持雙向、多節(jié)點(diǎn)、總線式的全數(shù)字通訊。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)包括IPC、PLC以及各種智能化的現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備基于統(tǒng)一、規(guī)范的通信協(xié)議通過(guò)同一總線實(shí)現(xiàn)相互間的數(shù)據(jù)傳輸與信息共享網(wǎng)絡(luò)體系通信總線在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中的延伸生產(chǎn)控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

位于的底層2.現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展

（1）早期的控制系統(tǒng)主要是模擬儀表控制系統(tǒng)，設(shè)備之間傳輸?shù)男盘?hào)為1～5V或4～20mA的直流模擬信號(hào)，信號(hào)的精度較低，傳輸過(guò)程中易受干擾。（2）出現(xiàn)以單片機(jī)、計(jì)算機(jī)和PLC為控制器的集中數(shù)字控制系統(tǒng)，其內(nèi)部傳輸?shù)氖菙?shù)字信號(hào)，克服了模擬儀表中信號(hào)精度較低的缺點(diǎn)，提高了抗干擾能力。整個(gè)系統(tǒng)的可靠性低，風(fēng)險(xiǎn)高度集中。另外，當(dāng)任務(wù)增加時(shí)會(huì)使系統(tǒng)性能下降。（3）又出現(xiàn)以集中管理、分散控制為核心思想的集散控制系統(tǒng)（DCS），在20世紀(jì)末期逐步占據(jù)了主導(dǎo)地位。2.現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展

在DCS中管理與控制相分離，上位機(jī)用于集中監(jiān)視管理功能，多臺(tái)下位機(jī)下放分散到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)分布式控制功能，上下位機(jī)之間以控制網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)以實(shí)現(xiàn)相互之間的信息傳遞，克服了集中數(shù)字控制系統(tǒng)對(duì)控制器的處理能力和可靠性要求很高的缺點(diǎn)。由于不同的DCS廠家出于壟斷經(jīng)營(yíng)的目的而對(duì)其控制通訊網(wǎng)絡(luò)采用專用的封閉形式，不同廠家的DCS

系統(tǒng)之間以及DCS與上層的Intranet、Internet之間難以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)和信息共享，因此DCS

系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是一種專用封閉的、不能互聯(lián)的分布式控制系統(tǒng)，且DCS價(jià)格昂貴，用戶對(duì)此提出了開(kāi)放性和降低成本的迫切要求。2.現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展

（4）現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）正是順應(yīng)了上述的用戶要求，采用了現(xiàn)場(chǎng)總線這一開(kāi)放的、可互連的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將現(xiàn)場(chǎng)的各種控制器和儀表設(shè)備相互連接，把控制功能徹底下放到現(xiàn)場(chǎng)，降低了安裝成本和維護(hù)費(fèi)用。因此，F(xiàn)CS

系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是一種開(kāi)放的、可以互連的、低成本的、徹底分散的分布式控制系統(tǒng)。

1984年，美國(guó)儀表協(xié)會(huì)（ISA）下屬的標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)施工作組中的ISA/SP50開(kāi)始制定現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)；1985年，國(guó)際電工委員會(huì)決定由Proway

Working

Group負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)總線體系結(jié)構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)的研究制定工作；1986年，德國(guó)開(kāi)始制定過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)總線（Process

Fieldbus）標(biāo)準(zhǔn)，簡(jiǎn)稱為PROFIBUS，由此拉開(kāi)了現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)制定及其產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的序幕。與此同時(shí)，其他一些組織或機(jī)構(gòu)（如WorldFip等）也開(kāi)始從事現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)的制定和研究。2.現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)起源于歐洲，目前以歐、美、日地區(qū)最為發(fā)達(dá)，世界上已出現(xiàn)過(guò)的總線種類近200種。經(jīng)過(guò)近20年的競(jìng)爭(zhēng)和完善，目前較有生命力的有10多種，并仍處于激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)之中。加之眾多自動(dòng)化儀表制造商在開(kāi)發(fā)智能儀表通信技術(shù)中已形成的不同特點(diǎn)，使得統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的制訂困難重重。由于較長(zhǎng)時(shí)期沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)用戶影響最大的就是難以把不同制造商生產(chǎn)的儀表集成在一個(gè)系統(tǒng)中。因此，現(xiàn)場(chǎng)總線在過(guò)程控制中實(shí)際應(yīng)用，一直延誤到20世紀(jì)90年代后期才逐步實(shí)現(xiàn)。1996年到1998年，國(guó)際性組織FF（現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)）和PNO（Profibus國(guó)際組織）先后發(fā)布了適于過(guò)程自動(dòng)化的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)H1、H2(HSE)和Profibus-PA,H1和PA都在實(shí)際工程中開(kāi)始應(yīng)用。1999年底，包含8種現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)在內(nèi)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC-61158開(kāi)始生效，除H1、HSE和PA外，還有WorldFIP、Interbus、ControlNet、P-NET、SwiftNet等五種。誕生于不同領(lǐng)域的總線技術(shù)往往對(duì)這一特定的領(lǐng)域的適用性就好一些。如Profibus較適合于工廠自動(dòng)化，CAN適用于汽車工業(yè)，F(xiàn)F總線（FoundationFieldbus）主要適用于過(guò)程控制，LON適用于樓宇自動(dòng)化等。2.現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展3.現(xiàn)場(chǎng)總線的結(jié)構(gòu)

按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）制定的開(kāi)放系統(tǒng)互連（OSI）參考模型建立的。將七層簡(jiǎn)化成三層，分別由OSI參考模型的第一層物理層，第二層數(shù)據(jù)鏈路層，第七層應(yīng)用層組成，網(wǎng)絡(luò)通信流量與差錯(cuò)控制由數(shù)據(jù)鏈路層完成。考慮現(xiàn)場(chǎng)總線的通信特點(diǎn)，有些現(xiàn)場(chǎng)總線還設(shè)置了一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線訪問(wèn)子層，如圖所示。

工廠自動(dòng)化信息網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)：工廠管理級(jí)、車間監(jiān)控級(jí)、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)

IBMCompatibleASCIIPrinterPlotterTowerboxDataASCIIPrinterASCIIPrinter工廠管理級(jí)工廠骨干網(wǎng)車間監(jiān)控網(wǎng)車間監(jiān)控級(jí)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)3.13.2現(xiàn)場(chǎng)總線的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)IPC、PLC……I/O子系統(tǒng)…………Ethernet/HighwayFiledbusController/GetwayFiledbusDCS實(shí)際上是“半分散”、“半數(shù)字”的系統(tǒng)FCS采用的是一個(gè)完全分散的控制方式

現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)興起于90年代，它采用現(xiàn)場(chǎng)總線作為系統(tǒng)的底層控制網(wǎng)絡(luò)，溝通生產(chǎn)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)儀表、控制設(shè)備及其與更高控制管理層次之間的聯(lián)系，相互間可以直接進(jìn)行數(shù)字通信，通常我們把FCS稱為第五代控制系統(tǒng)。※50年代之前的氣動(dòng)儀表控制系統(tǒng)稱作第一代※單元組合儀表為基礎(chǔ)的常規(guī)儀表控制系統(tǒng)稱為第二代※集中型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)稱為第三代※第四代控制系統(tǒng)是指70年代中期以后發(fā)展起來(lái)的DCS作為新一代控制系統(tǒng)：一方面：FCS突破了DCS采用專用通信網(wǎng)絡(luò)的局限，采用了基于開(kāi)放式、標(biāo)準(zhǔn)化的通信技術(shù)，克服了封閉系統(tǒng)所造成的缺陷；另一方面：FCS進(jìn)一步變革了DCS中“集散”系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，形成了全分布式系統(tǒng)構(gòu)架，把控制功能徹底下放到現(xiàn)場(chǎng)。

需要提醒的是，DCS以其成熟的發(fā)展、完備的功能及廣泛的應(yīng)用，在目前的工業(yè)控制領(lǐng)域內(nèi)仍然扮演著極其重要的角色。(1)全數(shù)字化通信

(2)開(kāi)放型的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)

(3)互可操作性與互用性

(4)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的智能化

(5)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性

(6)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性

4現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)特征

4.1現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備具有通信功能，便于構(gòu)成工廠底層控制網(wǎng)絡(luò)。通信標(biāo)準(zhǔn)的公開(kāi)、一致，使系統(tǒng)具備開(kāi)放性，設(shè)備間具有互可操作性。功能塊與結(jié)構(gòu)的規(guī)范化使相同功能的設(shè)備間具有互換性?？刂乒δ芟路诺浆F(xiàn)場(chǎng)，使控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具備高度的分散性。4.2

現(xiàn)場(chǎng)總線的優(yōu)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)總線使自控設(shè)備與系統(tǒng)步入了信息網(wǎng)絡(luò)的行列，為其應(yīng)用開(kāi)拓了更為廣闊的領(lǐng)域；一對(duì)雙絞線上可掛接多個(gè)控制設(shè)備，便于節(jié)省安裝費(fèi)用；節(jié)省維護(hù)開(kāi)銷；提高了系統(tǒng)的可靠性；為用戶提供了更為靈活的系統(tǒng)集成主動(dòng)權(quán)。5.現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化概況基本情況——現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在歷經(jīng)了群雄并起，分散割據(jù)的初始階段后，盡管已有一定范圍的磋商合并，但由于行業(yè)與地域發(fā)展等歷史原因，加上各公司和企業(yè)集團(tuán)受自身利益的驅(qū)使，致使現(xiàn)場(chǎng)總線的國(guó)際化標(biāo)準(zhǔn)工作進(jìn)展緩慢，至今尚未形成完整統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

1999年形成了一個(gè)由8個(gè)類型組成的IEC61158現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158成了國(guó)際上制訂時(shí)間最長(zhǎng)、意見(jiàn)分歧最大的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)之一IEC61158現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)※IEC61158國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)只是一種模式，8種類型都是平等的※各組織按照IEC技術(shù)報(bào)告Type1的框架組織各自的行規(guī)，但不改變各組織專有的行規(guī)（Profile）?！鵌EC標(biāo)準(zhǔn)的其中Type2～Type8需要對(duì)Type1提供接口，而標(biāo)準(zhǔn)本身不要求Type2～Type8之內(nèi)提供接口，用戶在應(yīng)用各類型時(shí)仍可使用各自的行規(guī)，其目的就是為了保護(hù)各自的利益。IEC61158Type1：IEC61158技術(shù)報(bào)告★Type2：ControlNetType3：Profibus★

Type4：P－NetType5：FFHSE★

Type6：SwiftNETType7：WorldFIPType8：Interbus以上8種總線采用完全不同的通信協(xié)議！現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn):2003年4月，IEC61158Ed.3現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)第3版正式成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定10種類型的現(xiàn)場(chǎng)總線。Type1TS61158現(xiàn)場(chǎng)總線Type2ControlNet和Ethernet/IP現(xiàn)場(chǎng)總線Type3Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線Type4P-NET現(xiàn)場(chǎng)總線Type5FFHSE現(xiàn)場(chǎng)總線Type6SwiftNet現(xiàn)場(chǎng)總線Type7WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線Type8Interbus現(xiàn)場(chǎng)總線Type9FFH1現(xiàn)場(chǎng)總線Type10PROFInet現(xiàn)場(chǎng)總線IEC61158Type1現(xiàn)場(chǎng)總線IEC61158Type1是IEC推薦的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議物理層數(shù)據(jù)鏈路層應(yīng)用層用戶層——考慮到現(xiàn)場(chǎng)裝置的控制功能和具體應(yīng)用而增加的采用ISO/OSI的簡(jiǎn)化模型。

物理層功能——物理層提供機(jī)械、電氣、功能性和規(guī)程性功能

傳輸介質(zhì)——有雙絞線、同軸電纜、光纖和無(wú)線傳輸類型

低速現(xiàn)場(chǎng)總線H1高速現(xiàn)場(chǎng)總線H2傳輸速率為31.25kbps主要用于現(xiàn)場(chǎng)級(jí)它能夠通過(guò)總線為現(xiàn)場(chǎng)儀表供電，并支持帶總錢供電設(shè)備的本質(zhì)安全。H2總線主要面向過(guò)程控制級(jí)、遠(yuǎn)程I/O和其它高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用，其傳輸速率為1Mbps、2.5Mbps和100Mbps。(HSE)接收數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)，經(jīng)加工變?yōu)殡娦盘?hào)后進(jìn)行發(fā)送（傳輸；將接收到的電信號(hào)進(jìn)行相反處理，并將數(shù)據(jù)送交鏈路層。通常，采用曼徹斯特編碼或差分曼徹斯特編碼。01每個(gè)碼均有一次跳變，這樣就把一個(gè)碼分成兩半，以前半個(gè)碼的值為準(zhǔn)。每個(gè)碼均有一次跳變，在每位開(kāi)始的邊界跳變?yōu)?，在每位開(kāi)始的邊界不跳變?yōu)?。

數(shù)據(jù)鏈路層應(yīng)用層數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)鏈路活動(dòng)調(diào)度，數(shù)據(jù)的接收發(fā)送，活動(dòng)狀態(tài)的響應(yīng)，總線上各設(shè)備間的鏈路時(shí)間同步等。總線訪問(wèn)控制采用鏈路活動(dòng)調(diào)度器LAS方式，LAS擁有總線上所有設(shè)備的清單，由它來(lái)掌管總線段上各設(shè)備對(duì)總線的操作。

應(yīng)用層主要提供通信功能、特殊功能以及管理控制功能?，F(xiàn)場(chǎng)總線訪問(wèn)FAS現(xiàn)場(chǎng)總線報(bào)文規(guī)范FMS二子層構(gòu)成由FAS提供發(fā)布者/接收者publisher/subscriber模式客戶/服務(wù)器client/server模式報(bào)告分發(fā)模式的報(bào)文傳輸服務(wù)FMS提供對(duì)象字典OD服務(wù)、變量訪問(wèn)服務(wù)和事件服務(wù)等。為用戶層提供服務(wù)。實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)鏈路層連接。保證數(shù)據(jù)的完整性，決定何時(shí)與何節(jié)點(diǎn)對(duì)話。格式控制目標(biāo)地址源地址參數(shù)數(shù)據(jù)校驗(yàn)報(bào)文格式：

校驗(yàn)一般采用CRC（循環(huán)冗余校驗(yàn)碼）例子：假設(shè)待校驗(yàn)數(shù)據(jù)為M(X)=1101，生成多項(xiàng)式G(X)=X3+X1+1，求CRC。方法：模2運(yùn)算。減法：相同數(shù)減為0；相異數(shù)減為1，不考慮借位。

除法：相同位數(shù)比較，只要被除數(shù)的最高位為1，商1；相同位數(shù)比較，只要被除數(shù)的最高位為0，商0。計(jì)算過(guò)程：G(X)最高冪次方為3，則K=3；

M’(X)=M(X)本身，后面跟K個(gè)0，即1101000用模2計(jì)算方法求:M’(X)/G(X),得到的余數(shù)XXX(K位)即為CRC校驗(yàn)碼。最終結(jié)果：M(X)XXX1101000101110111111110010111110101110101011001注意：K位余數(shù)校驗(yàn)后的CRC碼：1101001檢驗(yàn)時(shí)：將上述結(jié)果除G(X)，余數(shù)為0，正確；余數(shù)不為0，錯(cuò)誤。不同位發(fā)生的錯(cuò)誤會(huì)使余數(shù)也不同。

用戶層標(biāo)準(zhǔn)功能塊FB裝置描述DD功能標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定32種功能塊，現(xiàn)場(chǎng)裝置使用這些功能塊完成控制策略。

DD功能包括描述裝置通信所需的所有信息，并且與主站無(wú)關(guān)，所以可使現(xiàn)場(chǎng)裝置實(shí)現(xiàn)真正的互操作性

管理層PC網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器操作站網(wǎng)關(guān)網(wǎng)橋PLC等其它控制站Type1FCS結(jié)構(gòu)示意圖EthernetTCP/IPH2（HSE）H1低速現(xiàn)場(chǎng)總線FF是Type1的一個(gè)子集。8種現(xiàn)場(chǎng)總線的簡(jiǎn)單比較Type4P－NetType6SwiftNet用于有限領(lǐng)域的專用現(xiàn)場(chǎng)總線，功能相對(duì)比較簡(jiǎn)單主要應(yīng)用于啤酒、食品、農(nóng)業(yè)和飼養(yǎng)業(yè)等主要用于航空和航天等領(lǐng)域Type2ControlNetType3ProfiBus由PLC為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)發(fā)展而來(lái)的現(xiàn)場(chǎng)總線，從本質(zhì)上講它們以遠(yuǎn)程I/O技術(shù)為基礎(chǔ)，通常不具備通過(guò)總線向現(xiàn)場(chǎng)裝置供電和本質(zhì)安全性能。Type7WorldFIPType8InterBusType1IEC總線(H1)IEC和FFHSE是由傳統(tǒng)DCS發(fā)展起來(lái)的現(xiàn)場(chǎng)總線，總線功能較為復(fù)雜和全面。它們是IEC推薦的國(guó)際現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。

Type5FFHES(H2)其它HART適用于過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域的過(guò)渡性產(chǎn)品LonWorks廣泛應(yīng)用于樓宇自動(dòng)化、能源計(jì)量管理、交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)CAN廣泛應(yīng)用于離散控制領(lǐng)域，如汽車內(nèi)部測(cè)量與執(zhí)行部件間的數(shù)據(jù)通信6.滿足控制網(wǎng)絡(luò)要求的協(xié)議（1）以太網(wǎng)（Ethernet，IEEE802.3CSMA/CD）。（2）令牌總線（TokenBus,IEEE802.4）,令牌環(huán)（TokenRing,IEEE802.5）（3）控制器局部網(wǎng)（CAN,CSMA/AMP）。控制網(wǎng)絡(luò)一般基于CAN協(xié)議（如智能分布式系統(tǒng),SmartDistributedSystem）；（4）設(shè)備網(wǎng)DeviceNet和令牌協(xié)議（如過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)總線，Profibus；制造自動(dòng)化協(xié)議，ManufacturingAutomationProtocol；控制網(wǎng)，Controlnet；分布式光纖數(shù)據(jù)接口，F(xiàn)iberDistributedDataInterface）。主要MAC工作方式

（1）CSMA/CD(IEEE802.3)為沖突檢測(cè)載體監(jiān)聽(tīng)多重訪問(wèn)，采用總線網(wǎng)絡(luò)，其控制策略是競(jìng)爭(zhēng)發(fā)送、廣播式傳輸、載體監(jiān)聽(tīng)、沖突檢測(cè)、沖突后退和再試發(fā)送；（2）TokenBus(IEEE802.4)為令牌總線控制技術(shù)，總線上所有站形成一個(gè)邏輯環(huán)，令牌在總線網(wǎng)絡(luò)上傳送，收到令牌的站，決定是否發(fā)送或接收，然后再將令牌傳給下一站；（3）TokenRing(IEEE802.5)為令牌環(huán)控制技術(shù)，令牌在環(huán)形網(wǎng)絡(luò)上傳送，收到令牌的站，決定是否發(fā)送或接收，然后再將令牌傳給下一站。6.1載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)（CSMA，CarrierSenseMultipleAccess）是一種適合于總線結(jié)構(gòu)的具有信道檢測(cè)功能的分布式介質(zhì)訪問(wèn)控制方法，其控制手段稱之為“載波偵聽(tīng)”。CSMA/CD又被稱之為“先聽(tīng)后講，邊聽(tīng)邊講”，其具體工作過(guò)程概括如下：（1）先偵聽(tīng)信道，如果信道空閑則發(fā)送信息。（2）如果信道忙，則繼續(xù)偵聽(tīng)，直到信道空閑時(shí)立即發(fā)送。（3）發(fā)送信息后進(jìn)行沖突檢測(cè)，如發(fā)生沖突，立即停止發(fā)送，并向總線上發(fā)出一串阻塞信號(hào)（連續(xù)幾個(gè)字節(jié)全1），通知總線上各站點(diǎn)沖突已發(fā)生，使各站點(diǎn)重新開(kāi)始偵聽(tīng)與競(jìng)爭(zhēng)。（4）已發(fā)出信息的各站點(diǎn)收到阻塞信號(hào)后，等待一段隨機(jī)時(shí)間，重新進(jìn)入偵聽(tīng)發(fā)送階段。CSMA/CD發(fā)送過(guò)程流程圖6.2令牌環(huán)網(wǎng)絡(luò)令牌環(huán)網(wǎng)絡(luò)（Token-Ring）系統(tǒng)在1985年由IBM公司率先推出。令牌環(huán)網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為環(huán)形，采用專用的令牌環(huán)介質(zhì)訪問(wèn)控制方式，傳輸介質(zhì)為屏蔽雙絞線（STP）、非屏蔽雙絞線（UTP）或者光纖，傳輸速率為4Mbps或者16Mbps。令牌環(huán)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)遵循IEEE802.2和IEEE802.5標(biāo)準(zhǔn)，在傳輸效率、實(shí)時(shí)性、地理范圍等網(wǎng)絡(luò)性能上都優(yōu)于采用CSMA/CD介質(zhì)訪問(wèn)控制方式的以太網(wǎng)。令牌環(huán)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍沒(méi)有限制，但站點(diǎn)數(shù)卻受到一定限制。使用STP時(shí)可連接2～260臺(tái)設(shè)備，而使用UTP時(shí)只能連接2～72臺(tái)設(shè)備。6.2令牌環(huán)訪問(wèn)控制方式令牌環(huán)是一種適用于環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的分布式介質(zhì)訪問(wèn)控制方式，已由IEEE802委員會(huì)建議成為局域網(wǎng)控制協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)之一，即IEEE802.5標(biāo)準(zhǔn)。在令牌環(huán)網(wǎng)中，令牌也叫通行證，它具有特殊的格式和標(biāo)記。令牌有“忙（Busy）”和“空閑（Free）”兩種狀態(tài)。具有廣播特性的令牌環(huán)訪問(wèn)控制方式，還能使多個(gè)站點(diǎn)接收同一個(gè)信息幀，同時(shí)具有對(duì)發(fā)送站點(diǎn)自動(dòng)應(yīng)答的功能。傳送過(guò)程（C發(fā)送給A）6.2令牌總線訪問(wèn)控制方式令牌總線訪問(wèn)控制方式（Token-Bus）是在綜合了CSMA/CD訪問(wèn)控制方式和令牌環(huán)訪問(wèn)控制方式的優(yōu)點(diǎn)基礎(chǔ)上形成的一種介質(zhì)訪問(wèn)控制方式。令牌總線控制方式主要用于總線型或樹(shù)型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中。該方式是在物理總線上建立一個(gè)邏輯環(huán)。一個(gè)總線結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，如果指定每一個(gè)站點(diǎn)在邏輯上相互連接的前后地址，就可構(gòu)成一個(gè)邏輯環(huán)。如圖中A→B→D→E→A（C站點(diǎn)沒(méi)有連入令牌總線中）?？偩€結(jié)構(gòu)中的令牌環(huán)返回本節(jié)7.幾個(gè)具體問(wèn)題的分析

7.1FCS與DCS的比較

FCS是在DCS的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，F(xiàn)CS順應(yīng)了自動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展潮流，這已是業(yè)內(nèi)人士和學(xué)術(shù)界的基本共識(shí)。FCS在開(kāi)放性、控制分散等諸多方面都優(yōu)于傳統(tǒng)DCS，代表著自動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向與潮流。DCS則代表傳統(tǒng)與成熟，DCS以其成熟的發(fā)展、完備的功能及廣泛的應(yīng)用而占居著一個(gè)尚不可完全替代的地位。影響FCS發(fā)展、制約FCS應(yīng)用的原因主要有3方面：①技術(shù)原因②商務(wù)原因③用戶原因7.2現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)與計(jì)算機(jī)通信技術(shù)的比較

現(xiàn)場(chǎng)總線是用于現(xiàn)場(chǎng)儀表和控制室系統(tǒng)之間的一種全數(shù)字化、雙向、多分支結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)通信系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)通信技術(shù)的發(fā)展會(huì)從各個(gè)方面影響現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展。但是，二者在基本功能、信號(hào)傳輸要求和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上均有所不同。(1)基本功能

計(jì)算機(jī)通信的基本功能：可靠地傳遞信息?，F(xiàn)場(chǎng)總線的功能則是包括了更多的內(nèi)容：①高效、低成本地實(shí)現(xiàn)儀表及自控設(shè)備間的全數(shù)字化通信，以體現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)性②解決現(xiàn)場(chǎng)裝置的總線供電問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)性現(xiàn)場(chǎng)總線的本質(zhì)安全規(guī)范，以體現(xiàn)其安全性；③解決現(xiàn)場(chǎng)總線的環(huán)境適應(yīng)性問(wèn)題，如電磁干擾、環(huán)境溫度、適度、振動(dòng)等因素，以體現(xiàn)其可靠性；④現(xiàn)場(chǎng)儀表及現(xiàn)場(chǎng)控制裝置要盡可能地就地處理信息，不要將信息過(guò)多地在網(wǎng)絡(luò)上往返傳遞，以體現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)——信息處理現(xiàn)場(chǎng)化。

（2）信號(hào)傳輸要求

二者在速度要求上是一致的，但現(xiàn)場(chǎng)總線不僅要求傳輸速度快，還要求響應(yīng)快，即需要滿足控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。一般通信系統(tǒng)也會(huì)有實(shí)時(shí)性的要求，但這是一種“軟”的要求，即只要大部分時(shí)間滿足要求就行了。過(guò)程控制對(duì)實(shí)時(shí)性的要求是“硬”的，因?yàn)樗婕鞍踩仨氃谌魏螘r(shí)間都及時(shí)響應(yīng)，不允許有不確定性?，F(xiàn)場(chǎng)總線的實(shí)時(shí)性主要體現(xiàn)在響應(yīng)時(shí)間和循環(huán)周期二個(gè)方面：響應(yīng)時(shí)間是指系統(tǒng)發(fā)生特殊請(qǐng)求或發(fā)生突發(fā)事件時(shí)，儀表將信息傳輸?shù)街骺卦O(shè)備或其它現(xiàn)場(chǎng)儀表所需的時(shí)間。這往往需要涉及：現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的中斷和處理能力，傳輸時(shí)間，優(yōu)先級(jí)控制等多種因素。過(guò)程控制系統(tǒng)通常并不要求這個(gè)時(shí)間達(dá)到最短，但它要求最大值是預(yù)先可知的。過(guò)程控制系統(tǒng)通常需要周期性地與現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備進(jìn)行信息交流，循環(huán)周期是指系統(tǒng)與所有現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備都至少完成一次通信所需的時(shí)間。這個(gè)時(shí)間往往具有一定的隨機(jī)性，過(guò)程控制系統(tǒng)同樣希望其最大值是可預(yù)知的?，F(xiàn)場(chǎng)總線通常采用以下二種技術(shù)來(lái)保證其實(shí)時(shí)性：一是簡(jiǎn)化技術(shù)。 簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場(chǎng)總線一般將網(wǎng)絡(luò)形式簡(jiǎn)化成線形； 簡(jiǎn)化通信模型，一般只利用了OSI/RM中的2～3層； 簡(jiǎn)化節(jié)點(diǎn)信息，通常簡(jiǎn)化到只有幾字節(jié)。經(jīng)過(guò)以上簡(jiǎn)化，可以極大地提高通信傳遞速度。二是采用網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性，并保證其可預(yù)知性。 例如:采用主-從訪問(wèn)方式，只要限制網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模，就可以將響應(yīng)時(shí)間控制在指定的時(shí)間內(nèi)?？偠灾?，實(shí)時(shí)性要求是現(xiàn)場(chǎng)總線區(qū)別于一般計(jì)算機(jī)通信的主要因素。改善現(xiàn)場(chǎng)總線的實(shí)時(shí)性，減少響應(yīng)時(shí)間的不確定性是現(xiàn)場(chǎng)總線的重要發(fā)展趨勢(shì)。

（3）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是網(wǎng)絡(luò)狀的，節(jié)點(diǎn)間的通信路徑是不固定的；大部分現(xiàn)場(chǎng)總線的結(jié)構(gòu)是線狀的，節(jié)點(diǎn)間的通信路徑是比較固定的。如果線狀結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)總線上某支路斷開(kāi)了以后，這條支路就可能完全癱瘓，而一般的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)則沒(méi)有這種問(wèn)題，信息還可以通過(guò)選擇其它路由進(jìn)行傳遞。FB采用線狀結(jié)構(gòu)的原因在于：

①容