現(xiàn)場總線-現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)概述

1、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)概述現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)概述0 0 緒論緒論0.1 0.1 微機測控技術(shù)主要研究對象微機測控技術(shù)主要研究對象 微機測控技術(shù)主要研究如何將檢測與傳感技術(shù)、計算機微機測控技術(shù)主要研究如何將檢測與傳感技術(shù)、計算機技術(shù)和自動控制理論應用于工業(yè)生產(chǎn)過程并設計出所需要的技術(shù)和自動控制理論應用于工業(yè)生產(chǎn)過程并設計出所需要的微機測控系統(tǒng)。微機測控系統(tǒng)。 0.2 0.2 微機測控系統(tǒng)的組成與特點微機測控系統(tǒng)的組成與特點0.2.1 0.2.1 微機測控系統(tǒng)的一般概念微機測控系統(tǒng)的一般概念 微機測控系統(tǒng)就是利用微型計算機來實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自微機測控系統(tǒng)就是利用微型計算機來實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動測試與控制的動測

2、試與控制的系統(tǒng)。系統(tǒng)。 控制器 D/A 執(zhí)行機構(gòu) 被控對象 測量變送 A/D r e u c 被控量 計算機 生產(chǎn)過程 微機測控系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)圖微機測控系統(tǒng)的微機測控系統(tǒng)的工作原理工作原理可歸納為以下可歸納為以下3步：步： 實時數(shù)據(jù)采集實時數(shù)據(jù)采集：通過測量變送裝置完成被控量的：通過測量變送裝置完成被控量的瞬時值的檢測和輸入。瞬時值的檢測和輸入。 實時控制決策實時控制決策：對采集的數(shù)據(jù)進行分析和處理，：對采集的數(shù)據(jù)進行分析和處理，按預定的控制策略決定采取何種控制行為。按預定的控制策略決定采取何種控制行為。 實時控制輸出實時控制輸出：根據(jù)控制決策，向執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出：根據(jù)控制決策，向執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出實時控

3、制信號，完成系統(tǒng)控制任務。實時控制信號，完成系統(tǒng)控制任務。實時實時的含義是指信號的輸入、計算、輸出都要在一定的的含義是指信號的輸入、計算、輸出都要在一定的時間間隔內(nèi)完成。時間間隔內(nèi)完成。（軟實時（軟實時RTOSRTOS、硬實時、硬實時RTOSRTOS）在線在線是指：在微機測控系統(tǒng)中，生產(chǎn)過程與計算機直接是指：在微機測控系統(tǒng)中，生產(chǎn)過程與計算機直接連接并受計算機的控制，有時也稱為聯(lián)機方式。連接并受計算機的控制，有時也稱為聯(lián)機方式。 0.2.20.2.2 微機測控系統(tǒng)的組成微機測控系統(tǒng)的組成 微機測控系統(tǒng)主要由被控對象、過程輸入輸出通道微機測控系統(tǒng)主要由被控對象、過程輸入輸出通道及計算機系統(tǒng)三部分

4、組成。及計算機系統(tǒng)三部分組成。 過程輸入輸出通道也叫生產(chǎn)過程通道，包括模擬量過程輸入輸出通道也叫生產(chǎn)過程通道，包括模擬量輸入輸出通道、數(shù)字量輸入輸出通道、測量變送、執(zhí)行輸入輸出通道、數(shù)字量輸入輸出通道、測量變送、執(zhí)行機構(gòu)、電氣開關等裝置。機構(gòu)、電氣開關等裝置。0.2.3 0.2.3 微機測控系統(tǒng)的微機測控系統(tǒng)的軟件組成軟件組成 系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件 （RTOS） 應用軟件應用軟件 （組態(tài)、先控）（組態(tài)、先控）0.2.4 0.2.4 微機測控系統(tǒng)的微機測控系統(tǒng)的特點特點 靈活性靈活性（規(guī)模、復雜度）（規(guī)模、復雜度） 適應性適應性（嵌入式）（嵌入式） CPU 存儲器 人機接口 系統(tǒng)支持板 內(nèi) 部 總

5、線 模擬量輸入通道 模擬量輸出通道 數(shù)字量輸入通道 數(shù)字量輸出通道 測量變送 執(zhí)行機構(gòu) 電氣開關 電氣開關 被控對象 計算機系統(tǒng) 生產(chǎn)過程 微機測控系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)框圖 0.3 0.3 微機測控系統(tǒng)的典型形式微機測控系統(tǒng)的典型形式 0.3.1 0.3.1 操作指導控制系統(tǒng)操作指導控制系統(tǒng) 這種形式的系統(tǒng)屬于開環(huán)系統(tǒng)，計算機按照一定的時間這種形式的系統(tǒng)屬于開環(huán)系統(tǒng)，計算機按照一定的時間間隔對生產(chǎn)現(xiàn)場的參數(shù)進行采樣、處理、顯示、打印或報警，間隔對生產(chǎn)現(xiàn)場的參數(shù)進行采樣、處理、顯示、打印或報警，操作人員根據(jù)這些結(jié)果進行設定值的修改操作人員根據(jù)這些結(jié)果進行設定值的修改或必要的操作?；虮匾牟僮?。 計 算

6、機 模擬量輸入通道 數(shù)字量輸入通道 顯示器 打印機 調(diào)節(jié)器 生 產(chǎn) 過 程 操作指導控制系統(tǒng)原理圖 0.3.2 0.3.2 直接數(shù)字控制系統(tǒng)直接數(shù)字控制系統(tǒng) 直接數(shù)字控制（簡稱直接數(shù)字控制（簡稱DDCDDC）系統(tǒng)的基本思想是：）系統(tǒng)的基本思想是：利用微型計算機對多個被控參數(shù)進行巡回檢測，并利用微型計算機對多個被控參數(shù)進行巡回檢測，并與給定值比較，然后按照預定的控制規(guī)律進行計算，與給定值比較，然后按照預定的控制規(guī)律進行計算，最后發(fā)出控制信息完成對生產(chǎn)過程的控制，使被控最后發(fā)出控制信息完成對生產(chǎn)過程的控制，使被控參數(shù)穩(wěn)定在給定值上。參數(shù)穩(wěn)定在給定值上。直接數(shù)字控制系統(tǒng)是計算機直接數(shù)字控制系統(tǒng)是計算

7、機在工業(yè)生產(chǎn)過程控制中最普遍的一種應用方式。它在工業(yè)生產(chǎn)過程控制中最普遍的一種應用方式。它要求實時性好、可靠性高、適應性強。要求實時性好、可靠性高、適應性強。 計 算 機 模擬量輸入通道 數(shù)字量輸出通道 顯示器 打印機 被 控 對 象 報警 操作臺 模擬量輸出通道 數(shù)字量輸出通道 直接數(shù)字控制系統(tǒng)原理框圖 0.3.3 0.3.3 監(jiān)督計算機控制系統(tǒng)監(jiān)督計算機控制系統(tǒng) 監(jiān)督計算機控制（簡稱監(jiān)督計算機控制（簡稱SCCSCC）系統(tǒng)的基本思想是：微）系統(tǒng)的基本思想是：微型計算機根據(jù)原始工藝信息和其它參數(shù)，按照描述生產(chǎn)型計算機根據(jù)原始工藝信息和其它參數(shù)，按照描述生產(chǎn)過程的數(shù)學模型，自動改變模擬調(diào)節(jié)器或過

8、程的數(shù)學模型，自動改變模擬調(diào)節(jié)器或DDCDDC微型計算微型計算機的給定值，從而使生產(chǎn)過程始終處于最優(yōu)工況。機的給定值，從而使生產(chǎn)過程始終處于最優(yōu)工況。 記 錄 顯 示 打 印 工 藝 數(shù) 據(jù) S C C 計 算 機 模 擬 調(diào) 節(jié) 器 生 產(chǎn) 過 程 調(diào) 節(jié) 測 量 給 定 記 錄 顯 示 打 印 工 藝 數(shù) 據(jù) S C C 計 算 機 D D C 計 算 機 生 產(chǎn) 過 程 調(diào) 節(jié) 測 量 給 定 監(jiān)督計算機控制系統(tǒng)原理框圖a) SCC+模擬調(diào)節(jié)器系統(tǒng) b) SCC+DCC系統(tǒng) 它它有兩種不同的結(jié)構(gòu)形式：一種是有兩種不同的結(jié)構(gòu)形式：一種是SCC+模擬控制器模擬控制器，另一種是，另一種是SCC

9、+DDC控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)。它是操作指導控制系統(tǒng)和它是操作指導控制系統(tǒng)和DDC系統(tǒng)的綜合和發(fā)展系統(tǒng)的綜合和發(fā)展，SCC系統(tǒng)較系統(tǒng)較DDC系統(tǒng)更接近生產(chǎn)變化實際情況，它不僅可以進行定值控制，還可以進行系統(tǒng)更接近生產(chǎn)變化實際情況，它不僅可以進行定值控制，還可以進行順序控制、最優(yōu)控制等。順序控制、最優(yōu)控制等。0.3.4 0.3.4 分散控制系統(tǒng)分散控制系統(tǒng) 分散控制系統(tǒng)（簡稱分散控制系統(tǒng)（簡稱DCSDCS）的基本思想是：利用分）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，將測散控制、集中操作、分而自制、綜合協(xié)調(diào)的原則，將測控系統(tǒng)分為控系統(tǒng)分為分散過程控制級分散過程控制級、集中操作

10、監(jiān)控級集中操作監(jiān)控級和和綜合信綜合信息管理級息管理級等三級，構(gòu)成一分級形式的分布式控制系統(tǒng)。等三級，構(gòu)成一分級形式的分布式控制系統(tǒng)。 管理 微機 網(wǎng)間鏈接 工程師操作站 操作員操作站 監(jiān)控 計算機 網(wǎng)間 鏈接 現(xiàn)場 工作站 PLC 控制器 智能 調(diào)節(jié)器 其他 裝置 綜合信息管理級 集中操作監(jiān)控級 分散過程控制級 到其它局域網(wǎng) LAN 分散控制系統(tǒng)原理框圖 0.3.5 0.3.5 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（簡稱現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（簡稱FCSFCS）其結(jié)構(gòu)模式為）其結(jié)構(gòu)模式為“工工作站作站現(xiàn)場總線智能儀表現(xiàn)場總線智能儀表”二層結(jié)構(gòu)，成本低、可靠二層結(jié)構(gòu)，成本低、可靠性高，可

11、實現(xiàn)真正的開放式互連系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。性高，可實現(xiàn)真正的開放式互連系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 操作站 服務器 H2 現(xiàn)場總線 現(xiàn)場設備 124 網(wǎng)橋 32 32 H1 現(xiàn)場總線 H1 現(xiàn)場總線 H1 H1 H1 H1 現(xiàn)場設備 現(xiàn)場設備 LAN FCS控制層原理圖 1 現(xiàn)場總線的概述（FieldBusFieldBus） 3C技術(shù)的發(fā)展技術(shù)的發(fā)展微機化儀器儀表的成熟和應用微機化儀器儀表的成熟和應用1.1.現(xiàn)場總線概述現(xiàn)場總線概述 現(xiàn)場總線是當今自動化領域技術(shù)發(fā)展的熱點現(xiàn)場總線是當今自動化領域技術(shù)發(fā)展的熱點之一，被譽為自動化領域的之一，被譽為自動化領域的計算機局域網(wǎng)計算機局域網(wǎng)。它的。它的出現(xiàn)標志著工業(yè)控制技術(shù)領域又一個

12、新時代的開出現(xiàn)標志著工業(yè)控制技術(shù)領域又一個新時代的開始。始。 現(xiàn)有的多數(shù)現(xiàn)場設備，為提高其性能價格現(xiàn)有的多數(shù)現(xiàn)場設備，為提高其性能價格比，在實現(xiàn)其內(nèi)部操作時都采用了微處理器和數(shù)比，在實現(xiàn)其內(nèi)部操作時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域的數(shù)字字化元件，于是就提出了必須在這些領域的數(shù)字設備之間實現(xiàn)數(shù)字通信的要求。采用現(xiàn)場總線的設備之間實現(xiàn)數(shù)字通信的要求。采用現(xiàn)場總線的目的就是為了滿足這種要求，為工業(yè)領域中的測目的就是為了滿足這種要求，為工業(yè)領域中的測量和調(diào)節(jié)控制設備提供實現(xiàn)串行數(shù)字通信的手段。量和調(diào)節(jié)控制設備提供實現(xiàn)串行數(shù)字通信的手段。1.1.現(xiàn)場總線概述現(xiàn)場總線概述現(xiàn)場總線現(xiàn)

13、場總線(Fieldbus)的概念：的概念： 是連接智能現(xiàn)場設備和自動化系統(tǒng)的全數(shù)字、是連接智能現(xiàn)場設備和自動化系統(tǒng)的全數(shù)字、雙向、多站的通信系統(tǒng)。雙向、多站的通信系統(tǒng)。主要解決工業(yè)現(xiàn)場的智主要解決工業(yè)現(xiàn)場的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機構(gòu)等現(xiàn)場設備間能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機構(gòu)等現(xiàn)場設備間的數(shù)字通信以及這些現(xiàn)場控制設備和高級控制系的數(shù)字通信以及這些現(xiàn)場控制設備和高級控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問題統(tǒng)之間的信息傳遞問題 。主要用于：主要用于： 制造業(yè)、流程工業(yè)、交通、樓宇等方面的自動化制造業(yè)、流程工業(yè)、交通、樓宇等方面的自動化系統(tǒng)中。系統(tǒng)中。 現(xiàn)場總線定義網(wǎng)網(wǎng)絡絡節(jié)節(jié)點點包括包括IPCIPC、PLC

14、PLC以及各種智能化的現(xiàn)場控制設備以及各種智能化的現(xiàn)場控制設備 基于統(tǒng)一、規(guī)范的通信協(xié)議基于統(tǒng)一、規(guī)范的通信協(xié)議 通過同一總線實現(xiàn)相互間的數(shù)據(jù)傳輸與信息共享通過同一總線實現(xiàn)相互間的數(shù)據(jù)傳輸與信息共享 網(wǎng)網(wǎng)絡絡體體系系通信總線在現(xiàn)場設備中的延伸通信總線在現(xiàn)場設備中的延伸 生產(chǎn)控制生產(chǎn)控制網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu) 位于位于的底層的底層 2.2.現(xiàn)場總線的發(fā)展現(xiàn)場總線的發(fā)展 （1）早期的控制系統(tǒng)主要是）早期的控制系統(tǒng)主要是模擬儀表控制系統(tǒng)模擬儀表控制系統(tǒng)，設備，設備之間傳輸?shù)男盘枮橹g傳輸?shù)男盘枮?5V或或420mA的直流模擬信號，的直流模擬信號，信號的精度較低，傳輸過程中易受干擾。信號的精度較低，傳輸過程

15、中易受干擾。 （2）出現(xiàn)以單片機、計算機和）出現(xiàn)以單片機、計算機和PLC為控制器的為控制器的集中數(shù)集中數(shù)字控制系統(tǒng)字控制系統(tǒng)，其內(nèi)部傳輸?shù)氖菙?shù)字信號，克服了模擬，其內(nèi)部傳輸?shù)氖菙?shù)字信號，克服了模擬儀表中信號精度較低的缺點，提高了抗干擾能力。整儀表中信號精度較低的缺點，提高了抗干擾能力。整個系統(tǒng)的可靠性低，風險高度集中。另外，當任務增個系統(tǒng)的可靠性低，風險高度集中。另外，當任務增加時會使系統(tǒng)性能下降。加時會使系統(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）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)（控制系統(tǒng)（DCS），在），在20世紀末期逐步占據(jù)了主導地世紀末期逐步占據(jù)

16、了主導地位。位。2.2.現(xiàn)場總線的發(fā)展現(xiàn)場總線的發(fā)展 在在DCS中中管理與控制管理與控制相相分離分離，上位機用于集中監(jiān)視，上位機用于集中監(jiān)視管理功能，多臺下位機下放分散到現(xiàn)場實現(xiàn)分布式控管理功能，多臺下位機下放分散到現(xiàn)場實現(xiàn)分布式控制功能，上下位機之間以控制網(wǎng)絡互聯(lián)以實現(xiàn)相互之制功能，上下位機之間以控制網(wǎng)絡互聯(lián)以實現(xiàn)相互之間的信息傳遞，間的信息傳遞，克服了集中數(shù)字控制系統(tǒng)克服了集中數(shù)字控制系統(tǒng)對控制器的對控制器的處理能力和可靠性要求很高的處理能力和可靠性要求很高的缺點缺點。 由于不同的由于不同的DCS廠家出于壟斷經(jīng)營的目的而對其控廠家出于壟斷經(jīng)營的目的而對其控制通訊網(wǎng)絡制通訊網(wǎng)絡采用專用的封閉

17、形式采用專用的封閉形式，不同廠家的，不同廠家的DCS 系系統(tǒng)之間以及統(tǒng)之間以及DCS與上層的與上層的Intranet、Internet之間之間難以難以實現(xiàn)網(wǎng)絡互聯(lián)和信息共享實現(xiàn)網(wǎng)絡互聯(lián)和信息共享，因此，因此DCS 系統(tǒng)實質(zhì)上是一系統(tǒng)實質(zhì)上是一種專用封閉的、不能互聯(lián)的分布式控制系統(tǒng)，且種專用封閉的、不能互聯(lián)的分布式控制系統(tǒng)，且DCS價格昂貴，用戶對此提出了價格昂貴，用戶對此提出了開放性開放性和降和降低成本低成本的迫切的迫切要求。要求。2.2.現(xiàn)場總線的發(fā)展現(xiàn)場總線的發(fā)展 （4）現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（）現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）正是順應了上述的用戶要求，采用）正是順應了上述的用戶要求，采用了現(xiàn)場總線這

18、一開放的、可互連的網(wǎng)絡技術(shù)將現(xiàn)場的各種控制器了現(xiàn)場總線這一開放的、可互連的網(wǎng)絡技術(shù)將現(xiàn)場的各種控制器和儀表設備相互連接，把控制功能徹底下放到現(xiàn)場，降低了安裝和儀表設備相互連接，把控制功能徹底下放到現(xiàn)場，降低了安裝成本和維護費用。因此，成本和維護費用。因此，F(xiàn)CS 系統(tǒng)實質(zhì)上是一種系統(tǒng)實質(zhì)上是一種開放開放的、可以的、可以互互連連的、的、低成本低成本的、的、徹底分散徹底分散的分布式控制系統(tǒng)。的分布式控制系統(tǒng)。 1984年，年，美國儀表協(xié)會美國儀表協(xié)會（ISA）下屬的標準與實施工作組中的）下屬的標準與實施工作組中的ISA/SP50開始制定現(xiàn)場總線標準；開始制定現(xiàn)場總線標準；1985年，年，國際電工委

19、員會國際電工委員會決定決定由由Proway Working Group負責現(xiàn)場總線體系結(jié)構(gòu)與標準的研究制負責現(xiàn)場總線體系結(jié)構(gòu)與標準的研究制定工作；定工作；1986年，年，德國德國開始制定過程現(xiàn)場總線（開始制定過程現(xiàn)場總線（Process Fieldbus）標準，簡稱為標準，簡稱為PROFIBUS，由此拉開了現(xiàn)場總線標準制定及其產(chǎn)，由此拉開了現(xiàn)場總線標準制定及其產(chǎn)品開發(fā)的序幕。與此同時，品開發(fā)的序幕。與此同時，其他一些組織或機構(gòu)其他一些組織或機構(gòu)（如（如WorldFip等）等）也開始從事現(xiàn)場總線標準的制定和研究。也開始從事現(xiàn)場總線標準的制定和研究。2.2.現(xiàn)場總線的發(fā)展現(xiàn)場總線的發(fā)展 現(xiàn)場總線技

20、術(shù)起源于歐洲，目前以歐、美、現(xiàn)場總線技術(shù)起源于歐洲，目前以歐、美、日地區(qū)最為發(fā)達，世界上已出現(xiàn)過的總線種類近日地區(qū)最為發(fā)達，世界上已出現(xiàn)過的總線種類近200種。經(jīng)過近種。經(jīng)過近2020年的競爭和完善，目前較有生年的競爭和完善，目前較有生命力的有命力的有1010多種，并仍處于激烈的市場競爭之中。多種，并仍處于激烈的市場競爭之中。加之眾多自動化儀表制造商在開發(fā)智能儀表通信加之眾多自動化儀表制造商在開發(fā)智能儀表通信技術(shù)中已形成的不同特點，使得統(tǒng)一標準的制訂技術(shù)中已形成的不同特點，使得統(tǒng)一標準的制訂困難重重。困難重重。 由于較長時期沒有統(tǒng)一標準，對用戶影響最由于較長時期沒有統(tǒng)一標準，對用戶影響最大的就

21、是難以把不同制造商生產(chǎn)的儀表集成在一大的就是難以把不同制造商生產(chǎn)的儀表集成在一個系統(tǒng)中。因此，現(xiàn)場總線在過程控制中實際應個系統(tǒng)中。因此，現(xiàn)場總線在過程控制中實際應用，一直延誤到用，一直延誤到2020世紀世紀9090年代后期才逐步實現(xiàn)。年代后期才逐步實現(xiàn)。 1996 1996年到年到19981998年，國際性組織年，國際性組織FFFF（現(xiàn)場總線（現(xiàn)場總線基金會）和基金會）和PNOPNO（ProfibusProfibus國際組織）先后發(fā)布國際組織）先后發(fā)布了適于過程自動化的現(xiàn)場總線標準了適于過程自動化的現(xiàn)場總線標準H1H1、H2(HSE)H2(HSE)和和Profibus-PA,H1Profibu

22、s-PA,H1和和PAPA都在實際工程中開始應用。都在實際工程中開始應用。19991999年底，包含年底，包含8 8種現(xiàn)場總線標準在內(nèi)的國際標種現(xiàn)場總線標準在內(nèi)的國際標準準IEC-61158IEC-61158開始生效，除開始生效，除H1H1、HSEHSE和和PAPA外，還有外，還有WorldFIPWorldFIP、InterbusInterbus、ControlNetControlNet、P-NETP-NET、SwiftNetSwiftNet等五種。等五種。 誕生于不同領域的總線技術(shù)往往對這一特定誕生于不同領域的總線技術(shù)往往對這一特定的領域的適用性就好一些。如的領域的適用性就好一些。如Prof

23、ibusProfibus較適合于較適合于工廠自動化，工廠自動化， CANCAN適用于汽車工業(yè)，適用于汽車工業(yè)， FFFF總線總線（Foundation FieldbusFoundation Fieldbus）主要適用于過程控制，）主要適用于過程控制，LONLON適用于樓宇自動化等。適用于樓宇自動化等。2.現(xiàn)場總線的發(fā)展3.3.現(xiàn)場總線的結(jié)構(gòu)現(xiàn)場總線的結(jié)構(gòu) 按照國際標準化組織（按照國際標準化組織（ISO）制定的開放系統(tǒng)互連（）制定的開放系統(tǒng)互連（OSI）參）參考模型建立的。將七層簡化成三層，分別由考模型建立的。將七層簡化成三層，分別由OSI參考模型的第一層物理參考模型的第一層物理層，第二層數(shù)據(jù)鏈

24、路層，第七層應用層組成，網(wǎng)絡通信流量與差錯控層，第二層數(shù)據(jù)鏈路層，第七層應用層組成，網(wǎng)絡通信流量與差錯控制由數(shù)據(jù)鏈路層完成?？紤]現(xiàn)場總線的通信特點，有些現(xiàn)場總線還設制由數(shù)據(jù)鏈路層完成?？紤]現(xiàn)場總線的通信特點，有些現(xiàn)場總線還設置了一個現(xiàn)場總線訪問子層，如圖所示置了一個現(xiàn)場總線訪問子層，如圖所示。 工廠自動化信息網(wǎng)絡分層結(jié)構(gòu)：工廠管理級、車間監(jiān)控級、現(xiàn)場設備級工廠自動化信息網(wǎng)絡分層結(jié)構(gòu)：工廠管理級、車間監(jiān)控級、現(xiàn)場設備級 IBM CompatibleASCII PrinterPlotterTower boxDataASCII PrinterASCII Printer工廠管理級工廠骨干網(wǎng)車間監(jiān)控網(wǎng)車

25、間監(jiān)控級現(xiàn)場級網(wǎng)絡現(xiàn)場設備級3.13.2 現(xiàn)場總線的結(jié)構(gòu)特點現(xiàn)場總線的結(jié)構(gòu)特點IPC、PLCI/O子系統(tǒng)Ethernet/Highway FiledbusController/GetwayFiledbusDCSDCS實際上是實際上是“半分散半分散”、“半數(shù)字半數(shù)字”的系的系統(tǒng)統(tǒng)FCSFCS采用的是一個完全分散的控制方式采用的是一個完全分散的控制方式 (1) 全數(shù)字化通信全數(shù)字化通信 (2) 開放型的互聯(lián)網(wǎng)絡開放型的互聯(lián)網(wǎng)絡 (3) 互可操作性與互用性互可操作性與互用性 (4) 現(xiàn)場設備的智能化現(xiàn)場設備的智能化 (5) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性 (6) 對現(xiàn)場環(huán)境的適應性對現(xiàn)場環(huán)

26、境的適應性 4 現(xiàn)場總線的技術(shù)特征 4 4.1 1 現(xiàn)場總線的現(xiàn)場總線的特點特點 現(xiàn)場控制設備現(xiàn)場控制設備具有通信功能具有通信功能，便于構(gòu)成工廠底，便于構(gòu)成工廠底層控制網(wǎng)絡。層控制網(wǎng)絡。 通信標準通信標準的公開、一致，使系統(tǒng)具備開放性，的公開、一致，使系統(tǒng)具備開放性，設備間具有互可操作性。設備間具有互可操作性。 功能塊與結(jié)構(gòu)的功能塊與結(jié)構(gòu)的規(guī)范化規(guī)范化使相同功能的設備間具使相同功能的設備間具有互換性。有互換性。 控制功能控制功能下放到現(xiàn)場下放到現(xiàn)場，使控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具備高，使控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具備高度的分散性。度的分散性。4.2 現(xiàn)場總線的現(xiàn)場總線的優(yōu)點優(yōu)點 現(xiàn)場總線使自控設備與系統(tǒng)步入了信息網(wǎng)絡的現(xiàn)

27、場總線使自控設備與系統(tǒng)步入了信息網(wǎng)絡的行列，為其應用開拓了更為廣闊的領域；行列，為其應用開拓了更為廣闊的領域； 一對雙絞線上可掛接多個控制設備，一對雙絞線上可掛接多個控制設備， 便于節(jié)省便于節(jié)省安裝費用；安裝費用； 節(jié)省維護開銷；節(jié)省維護開銷； 提高了系統(tǒng)的可靠性；提高了系統(tǒng)的可靠性； 為用戶提供了更為靈活的系統(tǒng)集成主動權(quán)。為用戶提供了更為靈活的系統(tǒng)集成主動權(quán)。5. 現(xiàn)場總線國際標準化概況基本情況基本情況 19991999年形成了一個由年形成了一個由8 8個類型組成的個類型組成的IEC61158IEC61158現(xiàn)場總線國際標準現(xiàn)場總線國際標準 IEC 61158IEC 61158成了國際上制訂

28、時間最長、意見分歧最大的國際標準之一成了國際上制訂時間最長、意見分歧最大的國際標準之一 IEC61158現(xiàn)場總線標準現(xiàn)場總線標準現(xiàn)場總線標準:2003年年4月，月，IEC61158 Ed.3現(xiàn)場總線標準第現(xiàn)場總線標準第3版正版正式成為國際標準，規(guī)定式成為國際標準，規(guī)定10種類型的現(xiàn)場總線。種類型的現(xiàn)場總線。Type 1 TS61158現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線Type 2 ControlNet和和Ethernet/IP現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線Type 3 Profibus現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線Type 4 P-NET現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線Type 5 FF HSE現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線Type 6 SwiftNet現(xiàn)場總線現(xiàn)場總

29、線Type 7 World FIP現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線Type 8 Interbus現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線Type 9 FF H1現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線Type 10 PROFInet現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線IEC 61158 Type1現(xiàn)場總線 網(wǎng)網(wǎng)絡絡協(xié)協(xié)議議采用采用ISO/OSI的簡化模型。的簡化模型。 物理層(HSE)接收數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)，經(jīng)加工變?yōu)殡娦盘柡筮M行發(fā)送（傳輸；將接收到的電信號進行相反處理，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每個碼均有一次跳變，這樣就把一個碼分成兩半，以前半個碼的值為準。每個碼均有一次跳變，在每位開始的邊界跳變?yōu)?，在每位開始的邊界不跳變?yōu)? 。 數(shù)

30、據(jù)鏈路層 應用層 實現(xiàn)與數(shù)據(jù)鏈路層連接。實現(xiàn)與數(shù)據(jù)鏈路層連接。保證數(shù)據(jù)的完整性，決定何時與何節(jié)點對話。格式控制 目標地址 源地址 參數(shù) 數(shù)據(jù) 校驗報文格式： 校驗一般采用CRC（循環(huán)冗余校驗碼）例子：假設待校驗數(shù)據(jù)為M(X)=1101，生成多項式G(X)=X3+X1+1，求CRC。方法：模2運算。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。計算過程：G(X)最高冪次方為3，則K=3； M(X)=M(X)本身，后面跟K個0，即1101000用模2計算方法求: M(X)/G(X) , 得到的余數(shù)XX

31、X(K位)即為CRC校驗碼。最終結(jié)果：M(X)XXX1101000101110111111110010111110101110101011001 注意：K位余數(shù)校驗后的CRC碼：1101001檢驗時：將上述結(jié)果除G(X)，余數(shù)為0，正確；余數(shù)不為0，錯誤。不同位發(fā)生的錯誤會使余數(shù)也不同。 用戶層用戶層標準功能塊標準功能塊FBFB裝置描述裝置描述DDDD功能功能 標準規(guī)定標準規(guī)定3232種功能塊，現(xiàn)場裝種功能塊，現(xiàn)場裝置使用這些功能塊完成控制策略。置使用這些功能塊完成控制策略。 DDDD功能包括描述裝置通信所需的功能包括描述裝置通信所需的所有信息，并且與主站無關，所以所有信息，并且與主站無關，所

32、以可使現(xiàn)場裝置實現(xiàn)真正的互操作性可使現(xiàn)場裝置實現(xiàn)真正的互操作性 管理層管理層PCPC網(wǎng)絡服務器網(wǎng)絡服務器操作站操作站網(wǎng)關網(wǎng)關網(wǎng)橋網(wǎng)橋PLCPLC等其等其它控制站它控制站Type1 FCSType1 FCS結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖EthernetEthernetTCP/IPTCP/IPH H2 2（HSEHSE）H H1 1低速現(xiàn)場總線低速現(xiàn)場總線8種現(xiàn)場總線的簡單比較種現(xiàn)場總線的簡單比較Type4 PNetType6 SwiftNetType2 ControlNetType3 ProfiBusType7 WorldFIPType8 InterBusType1 IEC總線(H1)Type5 FF H

33、ES (H2)6.滿足控制網(wǎng)絡要求的協(xié)議（1 1）以太網(wǎng)（）以太網(wǎng)（EthernetEthernet，IEEE 802.3 CSMA/CDIEEE 802.3 CSMA/CD）。）。（2 2）令牌總線（）令牌總線（Token Bus, IEEE 802.4Token Bus, IEEE 802.4）, ,令牌環(huán)令牌環(huán)（Token Ring, IEEE 802.5Token Ring, IEEE 802.5）（3 3）控制器局部網(wǎng)（）控制器局部網(wǎng)（CAN,CSMA/AMPCAN,CSMA/AMP）?？刂凭W(wǎng)絡一）?？刂凭W(wǎng)絡一般基于般基于CANCAN協(xié)議（如智能分布式系統(tǒng)協(xié)議（如智能分布式系統(tǒng),Sm

34、art ,Smart Distributed SystemDistributed System）；）；（4 4）設備網(wǎng)）設備網(wǎng)DeviceNetDeviceNet和令牌協(xié)議（如過程現(xiàn)場總和令牌協(xié)議（如過程現(xiàn)場總線，線，ProfibusProfibus；制造自動化協(xié)議，；制造自動化協(xié)議，Manufacturing Manufacturing Automation ProtocolAutomation Protocol；控制網(wǎng)，；控制網(wǎng)，ControlnetControlnet；分；分布式光纖數(shù)據(jù)接口，布式光纖數(shù)據(jù)接口，F(xiàn)iber Distributed Data Fiber Distribute

35、d Data InterfaceInterface）。）。主要主要MACMAC工作方式工作方式 （1 1）CSMA/CD(IEEE802.3)CSMA/CD(IEEE802.3)為沖突檢測載體監(jiān)為沖突檢測載體監(jiān)聽多重訪問，采用總線網(wǎng)絡，聽多重訪問，采用總線網(wǎng)絡， 其控制策略是其控制策略是競爭發(fā)送、廣播式傳輸、載體監(jiān)聽、沖突檢競爭發(fā)送、廣播式傳輸、載體監(jiān)聽、沖突檢測、沖突后退和再試發(fā)送；測、沖突后退和再試發(fā)送； （2 2）Token Bus(IEEE802.4)Token Bus(IEEE802.4)為令牌總線控制為令牌總線控制技術(shù)，總線上所有站形成一個邏輯環(huán)，令牌技術(shù)，總線上所有站形成一個邏輯

36、環(huán)，令牌在總線網(wǎng)絡上傳送，收到令牌的站，決定是在總線網(wǎng)絡上傳送，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；否發(fā)送或接收，然后再將令牌傳給下一站； （3 3）Token Ring(IEEE802.5)Token Ring(IEEE802.5)為令牌環(huán)控制為令牌環(huán)控制技術(shù)，令牌在環(huán)形網(wǎng)絡上傳送，收到技術(shù)，令牌在環(huán)形網(wǎng)絡上傳送，收到 令牌的令牌的站，決定是否發(fā)送或接收，然后再將令牌傳站，決定是否發(fā)送或接收，然后再將令牌傳給下一站。給下一站。 6.1 載波偵聽多路訪問 載波偵聽多路訪問（CSMA，Carrier Sense Multiple Access）是一種適合于總線結(jié)構(gòu)的具有信道

37、檢測功能的分布式介質(zhì)訪問控制方法，其控制手段稱之為“載波偵聽”。 CSMA/CD又被稱之為“先聽后講，邊聽邊講”，其具體工作過程概括如下：（1）先偵聽信道，如果信道空閑則發(fā)送信息。（2）如果信道忙，則繼續(xù)偵聽，直到信道空閑時立即發(fā)送。（3）發(fā)送信息后進行沖突檢測，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（連續(xù)幾個字節(jié)全1），通知總線上各站點沖突已發(fā)生，使各站點重新開始偵聽與競爭。（4）已發(fā)出信息的各站點收到阻塞信號后，等待一段隨機時間，重新進入偵聽發(fā)送階段。站點要求發(fā)送有載波？發(fā)送一幀信息有沖突？發(fā)出阻塞信號沖突 16？延時處理放棄發(fā)送另作處理一次發(fā)送結(jié)束圖4.3 CSMA/CD發(fā)

38、送過程流程圖YNYNNYCSMA/CD發(fā)送過程流程圖發(fā)送過程流程圖6.2 令牌環(huán)網(wǎng)絡 令牌環(huán)網(wǎng)絡（Token-Ring）系統(tǒng)在1985年由IBM公司率先推出。令牌環(huán)網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)為環(huán)形，采用專用的令牌環(huán)介質(zhì)訪問控制方式，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)絡系統(tǒng)遵循IEEE802.2和IEEE802.5標準，在傳輸效率、實時性、地理范圍等網(wǎng)絡性能上都優(yōu)于采用CSMA/CD介質(zhì)訪問控制方式的以太網(wǎng)。令牌環(huán)網(wǎng)絡的覆蓋范圍沒有限制，但站點數(shù)卻受到一定限制。使用STP時可連接2260臺設備，而使用UTP時只能連接272臺設備。6.

39、2 令牌環(huán)訪問控制方式 令牌環(huán)是一種適用于環(huán)形網(wǎng)絡的分布式介質(zhì)訪問控制方式，已由IEEE802委員會建議成為局域網(wǎng)控制協(xié)議標準之一，即IEEE802.5標準。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)訪問控制方式，還能使多個站點接收同一個信息幀，同時具有對發(fā)送站點自動應答的功能。BACD（a）BACD（b）BACD（c）FreeToken站點BusyTokenFreeToken傳送過程（傳送過程（C發(fā)送給發(fā)送給A）6.2 令牌總線訪問控制方式 令牌總線訪問控制方式（令牌總線訪問控制方式（Token-Bus

40、）是在綜合了）是在綜合了CSMA/CD訪問控制方式和令牌環(huán)訪問控制方式的訪問控制方式和令牌環(huán)訪問控制方式的優(yōu)點基礎上形成的一種介質(zhì)訪問控制方式。優(yōu)點基礎上形成的一種介質(zhì)訪問控制方式。令牌總線控制方式主要用于總線型或樹型網(wǎng)絡結(jié)令牌總線控制方式主要用于總線型或樹型網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)中。該方式是在物理總線上建立一個邏輯環(huán)。一構(gòu)中。該方式是在物理總線上建立一個邏輯環(huán)。一個總線結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡，如果指定每一個站點在邏輯上相個總線結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡，如果指定每一個站點在邏輯上相互連接的前后地址，就可構(gòu)成一個邏輯環(huán)。如圖中互連接的前后地址，就可構(gòu)成一個邏輯環(huán)。如圖中ABDEA（C站點沒有連入令牌總線中）站點沒有連入令牌總線中）。A前E后BC前無后無E前D后AB前A后DD前B后EBUS總線結(jié)構(gòu)中的令牌環(huán)總線結(jié)構(gòu)中的令牌環(huán)返回本節(jié)返回本節(jié)7. 幾個具體問題的分析幾個具體問題的分析 7.1 FCS與與DCS的比較的比較 7.2 現(xiàn)場總線技術(shù)與計算機通信技術(shù)的比較現(xiàn)場總線技術(shù)與計算機通信技術(shù)的比較（2 2）信號傳輸要求信號傳輸要求 （3）網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)）網(wǎng)絡結(jié)構(gòu) 容易實現(xiàn)對現(xiàn)場儀表的總線供電。容易實現(xiàn)對現(xiàn)場儀表的總線供電。 一條線狀結(jié)構(gòu)現(xiàn)場總線支路上的電源負載是確定的，沿總線電源電壓的一條線狀結(jié)構(gòu)