现场总线绪论

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前言

现场总线简介：

现场总线式工业数据控制网络的总线技术，即可与上层的企业内部网、互联网相联，也可与生产控制网络结构的底层设备相联。
现场总线技术广泛应用于工业生产的各个领域。

据不完全统计世界上已出现现场总线100多种，宣称开放型总线的就有40多种，还出现了如现场总线基金会、Profibus协会、LonMark协会、工业以太网协会、工业自动化开放网络联盟等，以及各式各样的企业、国家、地区及国际现场总线标准。

因为现场总线等同于工业的网络通讯标准，也代表着工业自动化的未来，谁占领了总线制高点，等同于控制工控上下游的产品通信标准，这个制高点能使得企业及其背后的国家地区在工控革命中取得胜利，现场总线标准的竞争白热化进行中，围绕着总线标准的竞争也被称为“现场总线战争（fieldbus wars）”

一、现场总线是什么？

1.现场总线产生的背景

• 现场总线（Fieldbus）是20世纪90年代在国际上发展形成用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互联通信网络。
• 现场总线技术是为了满足控制（测控）系统向数字化发展的需要而产生的。
• 现场总线是一种多网段、多种通信介质和多种通信速率的控制网络，称为工业控制网络。
• 主要类型有FF总线、CAN总线、LonWorks总线、PROFIBUS总线、工业以太网总线等

工业控制的发展：从20世纪40年代时简单的单表、单机控制，到现在大规模、高智能化的现场总线控制系统。

（1）传统标准信号时代

模拟仪表控制系统
Analog Control System

• 出现于20世纪50年代之前
• 基地式仪表：简单测控功能
• 单元组合式仪表：统一的模拟信号，0.02~ 0.1MPa，0 ~ 10mA，1~5V，4 ~20mA
• 典型的单回路控制系统：控制算法简单

单一控制系统（炉温控制系统）

原理图：

如图所示控制系统原理是通过电位计和热电偶检测到的温度，进行比较，然后控制电动机，旋转阀门控制进气量的大小，从而控制炉温。

传输系统大部分是沿用4－20mA的模拟信号，系统受环境干扰大（如：电磁干扰），数据监控及时性低，控制系统有很大的滞后性，往往要通过模型计算和现场调参才能形成较好的运行情况，系统通过监测和调整这些参数，控制系统可以维持或接近期望的运行状态，但系统存在着易失控、可靠性低的情况。

电动化检测仪表阶段

• 随着生产规模的扩大，操作人员需要综合掌握多点的运行参数与信息，并按照这些信息对多个点实行操作控制于是出现了气动、电动系列的单元组合式仪表，出现了集中控制室。
• 生产现场各处的参数通过统一的模拟信号，如0.002 ~ 0.01MPa的气压信号，1 ~ 5V直流电压信号，0 ~ 10mA、4~20mA的直流电流信号等，送往集中控制室，在控制柜上连接。
• 操作人员坐在控制室就可以纵观生产流程各处的状况，可以把各单元仪表的信号按需要组合成复杂控制系统。
  
  操作人员掌握多点的运行参数与信息，并通过集中控制室按照这些信息对多个点实现操作控制，监控和调整这些参数，使得控制系统维持接近期望的状态运行。

（2）直接数字控制系统

由于模拟信号的传递需要一对一的物理连接，信号传递速度缓慢，提高计算速度和精度的花费和难度均较大，信号传输的抗干扰能力也比较差，随着集成电路和计算机的快速发展，这时就出现了直接数字系统（Direct Digit Control，简称为DDC系统），寻求用数字信号来取代模拟信号。

• 用计算机代替模拟控制仪表
• 可实现复杂控制算法和协调控制
• 缺点：控制功能集中导致危险性加大
  

简单来说DDC系统就是将电气化集中控制室更换成计算机控制，现场的传感器大多数是沿用4－20mA的模拟信号，在与计算机连接部分使用数模转换，由于早期的数字计算机技术尚不发达，价格昂贵，人们企图用一台计算机取代控制室的几乎所有仪表盘，出现了集中式数字控制系统。

但这种控制系统的可靠性还较差，一旦计算机出现某种故障，就会造成所有控制回路瘫痪，因此这种系统结构很难为生产过程所接受。
当然，随着数字计算机技术的飞速发展，DDC系统的可靠性已经有了很大的提升，目前，市场上也有许多直接数字控制器，多用在楼宇自动化系统(Building Automation System，简称BAS)领域。

DDC在楼宇自动化系统中的应用

（3）集散控制系统（DCS）

20世纪70年代，随着计算机价格的大幅下降和可靠性的提高，出现了由多个计算机构成的集散控制系统（Distributed Control System ），其核心思想是集中管理、分散控制，即管理与控制相分离。
上位机用于集中监视和管理功能，若干台下位机实现分布式控制，各上、下位机之间通过控制网络互联实现相互之间的信息交换和传递。

• 出现于20世纪70年代中期
• 随着大规模集成电路和微处理器的发展和成熟而得 到应用
• 控制功能分散到多个子系统（控制站）
• 组成：包括过程控制站、操作站（人机界面）和通 信系统

集中操作、分散控制—集散控制系统

DCS系统的出现：随着计算机技术的不断发展，计算机的可靠性不断提高、价格不断下降，于是出现了由数字调节器、可编程控制器、以及多个计算机递阶构成的集中分散相结合的集散控制系统，这就是今天正在被许多企业采用的DCS系统(Distributed Control System，集散控制系统，简称DCS系统)。

DCS系统属于模拟数字混合系统，其中测量变送仪表一般采用模拟信号，而控制器一般采用数字信号。

这种系统在功能、性能上较模拟仪表、集中式数字控制系统有了很大进步，可在此基础上实现装置级、车间级的优化控制。

但是，在DCS系统形成的过程中，由于受计算机系统早期存在的系统封闭缺陷的影响，各厂家的产品自成系统，不同厂家的设备无法实现互联、互换与互操作，因而很难组成更大范围信息共享的网络系统。

-多模拟量和数字量输入输出模块-

1. 是数字模拟混合系统: 现场仪表使用模拟信号
2. 互换性差 : 标准不统一
3. 价格贵

-DCS的结构及其分类-

DCS的结构

在系统的组成结构方面，DCS都由三部分组成：
分散过程控制装置部分 
(集中)操作管理装置部分 
通信系统部分

#分散过程控制装置部分

• 由多回路控制器、多功能控制器、可编程序逻 辑控制器及数据采集装置等组成。
• 主要功能：
  分散的过程控制，是系统与过程之间的接口。
• 结构特征：
  适应恶劣的工业生产过程环境
  分散控制
  实时性
  独立性

#集中操作和管理系统部分

• 主要功能
  汇集各分散过程控制装置送来的信息，通过监视和操作，把 操作和命令下送各分散控制装置。(信息用于分析、研究、 打印、存储并作为确定生产计划、调度的依据。)
• 特征：信息量大、易操作、容错性好等。
• 组成：由操作站、管理机和外部设备（如打印机）等组 成，相当于车间操作管理级和全厂优化及调度管理级， 实现人机接口。

#通信系统部分

• 连接分散过程控制装置以及集中操作和管理系统等 进行信息交换和数据共享的计算机通信网络，是DCS 控制系统的中枢。
• 特点：实时性好、动态响应快，可靠性高，适应性强等。
• 对通信系统的要求除了传输速率和传输距离外，还有开放性，所谓“开放性”，就是允许不同厂商的DCS互相通信，各厂商产品的通信应符合国际标准。

DCS的分类

1. 模块化控制站+与MAP兼容的宽带、载带局域网+信息综合管理系统
2. 分散过程控制站+局域网+信息管理系统
3. 分散过程控制站+高速数据公路+操作站+上位机
4. PLC+通信系统＋操作管理站
5. 单回路控制器+通信系统+操作管理站

（4）现场总线控制系统（FCS）

随着3C技术的迅猛发展，使得解决自动化信息孤岛的问题成为可能。采用开放和标准化的解决方案，把不同厂家遵守同一协议规范的自动化设备连接成控制网络并组成系统，成为网络集成式控制系统的发展方向。

由于集成电路的发展，许多传感器、执行机构、驱动装置等现场设备越来越智能化，内置CPU控制器、能实现线性化、量程转换、数字滤波、回路调节等，因此对这些现场设备增加一个有统一通讯协议的接口，通过一根控制线将分散在现场的设备连接，就可以实现对所有现场设备的监控，这就是FCS系统。

1. 控制功能能够不依赖控制室的计算机或控制仪表，直接在现场完成，实现了彻底的分散控制。
2. 为简化系统结构、节约硬件设备、节约连接电缆 与各种安装、维护费用创造了条件。

1. 系统的开放性
   通信协议公开，各不同厂商的设备之间可实现信息交换。
2. 互可操作性与互用性
   互可操作性是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通；
   互用性则意味着不同制造商性能类似的设备可进行更换，实现相互替换。

2.FCS与DCS的比较

左侧为传统的DCS系统，右侧为FCS系统

FCS相对于DCS具有如下优越性

1. FCS实现全数字化通信

2. FCS实现彻底的全分散式控制
   

3. FCS实现不同厂商产品互联、互操作

   FCS的现场设备只要采用同一总线标准，不同厂商的产品 既可互联也可互换，并可以统一组态，
   从而彻底改变传统DCS 控制层的封闭性和专用性。
   

4. FCS增强系统的可靠性、可维护性

   1.FCS采用总线连接方式替代传统的DCS一对一的I/O 连线，减少了由接线点造成的不可靠因素。
   2.同时，数字化的现场设备替代模拟仪表，FCS具有现场设备的在线故障诊断、报警、记录功能，可完成现场设备的远程参数设定、参数修改等工作，增强了系统的可维护性
   

5. FCS降低系统工程成本
   对于大范围、大规模分布式控制系统，FCS节省了 电缆、I/O装置及电缆敷设费用。
   

FCS与DCS的详细对比

现场总线控制系统的出现：新型的现场控制总线系统(Fieldbus Control System，简称FCS系统)克服了DCS系统中采用专用网络所造成的缺陷，把基于封闭、专用的解决方案变成了基于公开化标准化的解决方案。

这样可以把来自不同厂商而遵守同一协议规范的自动化设备，通过现场总线网络连接成系统，实现综合自动化的各种功能，同时把DCS的模拟数字混合系统结构，变成了新型的全分布式网络系统结构。这里的全分布是指把控制功能彻底下放到现场，在生产现场实现PID等基本控制功能。

这样做的好处是优化了控制系统中各个控制器的计算负荷，最大限度的提升了系统的运行效率。

FCS与DCS、PLC的应用

PLC、DCS、FCS，统称”工业过程控制”的三大控制系统。

1. PLC侧重于分散的或者流水线为单位的离散型应用场景，如纺织机械、制药机械、物流产线、电梯控制等。

2. DCS主要应用于大规模、连续实时控制、可靠性要求高的应用场景，如石化、化工、电力等生产过程。

3. FCS主要集中在冶金、电力、水处理、乳品饮料、烟草、水泥、石化、矿山等各个行业，同时还有道路无人监控、楼宇自动化、智能家居等新技术领域。
   

    PLC是控制器，是孤⽴的产品，⽽DCS是系统。
    但PLC可以与DCS的控制站⽐较，PLC的循环周期在10毫秒左右，⽽DCS控制站在500毫秒左右，PLC的开放性更好，作为产品其独⽴⼯作的能⼒更强。
   

二、现场总线技术概述

现场总线的特点—结构特点

现场设备的串行通信接口是现场总线技术的原形，由于大规模集成的发展，许多传感器、执行机构、驱动裝置等现场设备智能化，在这些智能现场设备上增加一个串行数据接口（如 RS-232/485） 是非常方便的。

有了这样的接口，控制器就可以按其规定协议，通过串行通信方式，完成对现场设备的监控。如果全部或大部分现场设备都具有串行通信接口，并具有统一的通信协议，那么控制器只需一根通信电缆就可将分散的现场设备连接起来，完成对所有现场设备的监控，这就是现场总线技术的初始想法。

本系统中DCS和FCS系统通过网关相联，整合成一个系统，使得原企业的DCS系统升级集合了FCS系统。

1. 结构特点：
   把原先 DCS 中处于控制室的控制模块、I\0 模块置入现场总线设备，加上现场总线设备具有通信能力，现场的测量变送仪表可以与阀门等执行器直接传送信号，直接在现场完成，实现了彻底的分散控制。
2. 采用数字信号替代模拟信号，因而可实现一对电线上传输多个信号 （包括多个运行参数值、多个设备状态、故障信息），同时又为多个现场总线设备提供电源；现场总线设备以外不再需要 A/D、D/A 转换部件。这样就为简化系统结构，节约硬件设备。

现场总线的特点—技术特点

1. 系统的开放性：指通信协议公开，可以与遵守相同标准的其他设备或系统连接
2. 互操作性：实现互联系统间、设备间的信息传送与沟通
3. 互用性：不同制造厂商性能类似的设备可进行更换，实现相互替换
4. 系统功能自治性：仅靠现场总线设备即可完成自动控制的基本功能
5. 系统结构的分散性：已构成一种全新的分散性控制系统的体系结构
6. 对现场环境的适应性：具有较强的 抗干扰能力，能采用两线制实现供电与通信

现场总线的标准

现场总线的现状：
因为现场总线等同于工业的网络通讯标准，也代表着工业自动化的未来，谁占领了总线制高点，等同于控制工控上下游的产品通信标准，这个制高点能使得企业及其背后的国家地区在工控革命中取得胜利，现场总线标准竞争白热化进行，围绕着总线标准的竞争产生了现场总线的标准，而这个IEC61158总线标准，某种意义上也是个妥协的产物，因为其涵盖了8种协议类型，几乎囊括了世界上制造强国所推的总线协议，是大国经济、政治、技术竞争妥协的产物。

现场总线国际标准IEC61158中采用了8种协议类型，以及其他一些现场总线，标准采纳了经过市场考验的20种主要类型的现场总线、工业以太网和实时以太网，具体类型如下表。

现场总线的发展趋势

• 多种总线共存
  现场总线国际标准IEC61158中采用了8种协议类型，以及其他一些现场总线。
• 每种总线各有其应用领域
• 每种总线各有其国际组织和支持背景，多种总线均作为国家地区标准
• 设备制造商参加多个总线组织，多个总线协调共存
• 工业以太网引入工业领域
• 工业无线网络的研发和应用

1. 统一的技术规范和组态技术是现场总线发展的长远目标
2. 现场总线设备将具有更强的性能和更好的经济性
3. 性价比越来越高，应用越来越广泛
4. 工业以太网技术将逐步成为现场总线技术的主流

几种流行现场总线的对比

开关量、信号量及设备应用比较

数据宽度，代表通信数据量的大小，比如位信号、字节信号、数据流，越往后传输数据量越大
上下箭头代表该总线涵盖的设备应用范围。
通过该图，我们能够大致的对总线的通信数据及其应用有了了解。

总结

本文对现场总线进行了介绍，对什么是现场总线及相关技术进行了介绍，以及现场总线的起源、现状和发展趋势做了简单介绍，下一章会对工业控制系统网络、工业网络的结构、控制系统网络的各层级、工业网络与通信基础知识进行展开。
后续会对主流的一些总线技术及工业以太网技术的原理及其应用进行讲解。