現場總線與控制網絡長安大學王會峰2013年9月FieldBusandControlNetwork2023/8/171現場總線與控制網絡長安大學FieldBusandCon主要內容現場總線簡介、特點與優點數據通信基礎與網絡互聯主要現場總線的介紹現場總線的典型應用現場總線控制系統現場總線與工業以太網的互連技術2023/8/172主要內容現場總線簡介、特點與優點2023/8/42參考書目1.李正軍.《現場總線及其應用技術》機械工業出版社，20052.陽憲惠.《現場總線技術及其應用》清華大學出版社，19983.甘永梅.《現場總線技術及其應用》機械工業出版社，20004.楊寧.《集散控制系統及現場總線》北航出版社，20015.鄔寬明.《現場總線技術應用選編》北航出版社，20012023/8/173參考書目1.李正軍.《現場總線及其應用技術》2023/8/參考書目2023/8/174參考書目2023/8/44要求及考試上課認真做筆記認真完成課后作業平時成績 30％實驗成績60%平時表現及作業40%期末筆試 70％2023/8/175要求及考試上課認真做筆記2023/8/45第一講現場總線概述2023/8/176第一講現場總線概述2023/8/461.1現場總線的現狀和發展現場總線

現場總線是用于現場儀表與控制系統和控制室之間的一種全分散、全數字化、智能、雙向、互聯、多變量、多點、多站的通信網絡。IEC對現場總線的定義

現場總線是一種應用于生產現場，在現場設備之間、現場設備與控制裝置之間實行雙向、串行、多節點數字通信的技術。涉及智能儀表、控制、計算機、數據通信技術2023/8/1771.1現場總線的現狀和發展現場總線2023/8/471.1.1現場總線的產生

---控制系統的發展趨勢第一代：氣動信號控制系統(50年代之前)第二代：電動模擬信號控制系統(50年代至今),4－20mA的模擬量標準信號。第三代：計算機集中控制系統(70年代)第四代：集散式分布控制系統(80年代)2023/8/1781.1.1現場總線的產生

---控第五代：現場總線控制系統(FCS)

突破了DCS系統采用通信專用網絡的局限，采用了基于公開化、標準化的解決方案，克服了封閉系統所造成的缺陷；把DCS的集中與分散相結合的集散系統結構，變成了新型全分布式結構，把控制功能徹底下放到現場。開放性、分散性與數字通訊是現場總線系統最顯著的特征。

1.1.1現場總線的產生

---控制系統的發展趨勢2023/8/179第五代：現場總線控制系統(FCS)1.1.1現場總線的產生傳統的現場級與車間級自動化監控及信息集成系統

2023/8/1710傳統的現場級與車間級自動化監控及信息集成系統2023/8/DCS與FCS2023/8/1711DCS與FCS2023/8/411微處理器技術的迅猛發展和廣泛應用，使儀表和現場控制設備在性能和功能上有顯著的提高；對系統維護管理、測試和監視需求的日益增加；控制領域在控制精度、可操作性、可維護性、可移植性等方面的要求。1.1.1現場總線的產生---產生背景2023/8/1712微處理器技術的迅猛發展和廣泛應用，使儀表和現場控制設備在性能現場通信網絡

用于過程及制造自動化的現場設備或現場儀表互連的通信網絡現場設備互連

現場設備或儀表指傳感器、變送器和執行器等。這些設備通過一對傳輸線互連，傳輸線可以使用雙絞線、同軸電纜、光纖和電源線等互操作性

對不同廠商不同品牌的現場設備統一組態，構成所需要的控制回路，并且具備相互操作的功能1.1.2現場總線的本質2023/8/1713現場通信網絡1.1.2現場總線的本質2023/8/413分散功能塊

FCS廢棄了DCS的輸入/輸出單元和控制站，把DCS控制站的功能塊分散地分配給現場儀表，從而構成虛擬控制站 例如：流量變送器不僅具有流量信號變換、補償和累加輸入模塊，而且有PID控制和運算功能塊。調節閥的基本功能是信號驅動和執行，還內含輸出特性補償模塊，或PID控制和運算模塊，甚至閥門特性自檢驗和自診斷功能。1.1.2現場總線的本質2023/8/1714分散功能塊1.1.2現場總線的本質2023/8/414通信線供電

允許現場儀表直接從通信線上獲取能量，對于要求本征安全的低功耗現場儀表，可采用這種供電方式開放式互連網絡

既可與同層網絡互連，也可以與不同層網絡互連，還可以實現網絡數據庫的共享1.1.2現場總線的本質2023/8/1715通信線供電1.1.2現場總線的本質2023/8/4151.1.3現場總線的特點和優點

---現場總線的結構特點由于采用智能現場設備，能夠把DCS系統中處于控制室的控制模塊、各輸入輸出模塊置入現場設備中，在現場直接完成采集和控制。由于不需要其他的模數轉換器件，且一對電線能傳輸多個信號，因而簡化了系統結構，節約了設備及安裝維護費用。2023/8/17161.1.3現場總線的特點和優點

---現場總線的結構2023/8/17172023/8/4171.1.3現場總線的特點和優點

---FCS與DCS的詳細對比結構

FCS:一對多：一對傳輸線接多臺儀表，雙向傳輸多個信號

DCS:一對一：一對傳輸線接一臺儀表，單向傳輸一個信號2023/8/17181.1.3現場總線的特點和優點

---FCS與DCS1.1.3現場總線的特點和優點

---FCS與DCS的詳細對比可靠性

FCS:可靠性好：數字信號傳輸抗干擾能力強，精度高；

DCS:可靠性差：模擬信號傳輸不僅精度低，而且容易受干擾2023/8/17191.1.3現場總線的特點和優點

---FCS與DCS1.1.3現場總線的特點和優點

---FCS與DCS的詳細對比失控狀態

FCS:操作員在控制室既可以了解現場設備或現場儀表的工作狀況，也能對設備進行參數調整，還可以預測或尋找故障，使設備始終處于操作員的遠程監視與可控狀態之中； DCS:操作員在控制室既不能了解模擬儀表的工作狀態，也不能對其進行參數調整，更不能預測故障，導致操作員對儀表處于“失控”狀態2023/8/17201.1.3現場總線的特點和優點

---FCS與DCS1.1.3現場總線的特點和優點

---FCS與DCS的詳細對比互換性

FCS:用戶可以自由選擇不同制造商提供的性能價格比最優的現場設備和儀表，并將不同品牌的儀表互連； DCS:盡管模擬儀表統一了信號標準(4-20mADC)，可大部分參數仍由制造廠自定，致使不同品牌的儀表互換難度較大2023/8/17211.1.3現場總線的特點和優點

---FCS與DCS1.1.3現場總線的特點和優點

---FCS與DCS的詳細對比儀表

FCS:智能儀表，除了具有模擬儀表的檢測、變換、補償等功能外，還具有數字通信能力，并且具有控制和運算的能力； DCS:模擬儀表只具有檢測、變換、補償等功能控制

FCS:控制功能分散在各個智能儀表中； DCS:所有控制功能集中在控制站中2023/8/17221.1.3現場總線的特點和優點

---FCS與DCSIFixPrimaryServerIFixSecondaryServerABBOPCServeriFixOPCClientIFixClient1IFixClient2Gateway3NICAC800MAC800MAC800MMISERPABBAC800MiFIX典型ABB的AC800M系統組成2023/8/1723IFixPrimaryServerIFixSecondPlantNetwork/IntranetFirewall

Client/serverNetworkThirdpartyapplicationserverWorkplacesEnterpriseOptimization

SuiteMobile

Operator

ConnectivityServerControlNetwork

RedundantEngineeringWorkplaceApplicationServerAspectServerThirdpartycontrollers,serversetcSerial,OPCorfieldbusFieldBusFieldBusAC800MHIAC800MAC800M2023/8/1724PlantNetwork/IntranetFirew系統的開放性

通信協議公開，各不同廠家的設備之間可進行互連并實現信息交換互可操作性與互用性現場設備的智能化與功能自治性系統結構的高度分散性對現場環境的適應性1.1.3現場總線的特點和優點

---現場總線的技術特點2023/8/1725系統的開放性1.1.3現場總線的特點和優點

---現節省硬件數量與投資節省安裝費用節約維護開銷用戶具有高度的系統集成主動權提高了系統的準確性與可靠性1.1.3現場總線的特點和優點

---現場總線的優點2023/8/1726節省硬件數量與投資1.1.3現場總線的特點和優點

-1.1.4現場總線標準的制定1984年，IEC開始起草現場總線標準；1993-1998年，制定IEC61158的現場總線物理層規范、鏈路服務定義及協議規范、應用層服務定義及協議規范1999年，修改IEC61158技術規范，形成8種類型新標準2000年，修改后的IEC61158最終獲得通過2023/8/17271.1.4現場總線標準的制定1984年，IEC開始起草現場新標準采用8種類型Type1IEC61158(FF的H1)Type2ControlNet(美國Rockwell公司)Type3PROFIBUS(德國Siemens公司)Type4P-Net(丹麥ProcessData公司)Type5FFHSE(Fisher-Rosemount公司)Type6SwiftBet(美國波音公司)Type7WorldFIP(法國Alstom公司)Type8INTERBUS(德國PhoenixContact公司)2023/8/1728新標準采用8種類型Type1IEC61158(FF的H11.1.5現場總線的現狀多種總線共存 世界市場對各種現場總線的需求：過程自動化：15%(FF,PROFIBUS-PA,WorldFIP)醫藥領域：18%(FF,PROFIBUS-PA,WorldFIP)加工制造：15%(PROFIBUS-DP,DeviceNet)交通運輸：15%(PROFIBUS-DP,DeviceNet)航空，國防：34%(PROFIBUS-FMS,LonWorks,ControlNet,DeviceNet)其它，如樓宇自動化，農業等2023/8/17291.1.5現場總線的現狀多種總線共存2023/8/4291.1.5現場總線的現狀每種總線各有其應用領域每種總線各有其國際組織每種總線均有其支持背景設備制造商參加多個總線組織多種總線均作為國家和地區的標準協調共存工業以太網引入工業領域2023/8/17301.1.5現場總線的現狀每種總線各有其應用領域2023/81.1.6現場總線網絡的實現制定標準時參照OSI七層協議標準；大多采用第1層(物理層)、第2層(數據鏈路層)和第7層(應用層)，并增加第8層用戶層。

物理層：定義了信號的編碼與傳送方式、傳送介質、接口的電氣及機械特性、信號傳輸速率等。 現場總線有兩種編碼方式：Manchester和NRZ，前者同步性好，但頻帶利用率低，后者剛好相反。前者采用基帶傳輸，后者采用頻帶傳輸。調制方式主要有CPFSK和COFSK。傳輸介質主要有：有線電纜、光纖和無線介質。2023/8/17311.1.6現場總線網絡的實現制定標準時參照OSI七層協議標1.1.6現場總線網絡的實現數據鏈路層

分為兩個子層：介質訪問控制層(MAC)和邏輯鏈路控制層(LLC)。MAC對傳輸介質傳送的信號進行發送和接收控制；LLC對數據鏈進行控制，保證數據傳送到指定的設備上。現場總線上的設備可以是主站，也可以是從站。

MAC層的三種協議：集中式輪詢協議、令牌總線協議和總線仲裁協議。應用層

分為兩子層：應用服務層(FMS)，用于為用戶提供服務；現場總線存取層(FAS)，用于實現數據鏈路的連接。2023/8/17321.1.6現場總線網絡的實現數據鏈路層2023/8/4321.1.6現場總線網絡的實現用戶層 定義了從現場裝置中讀寫信息和向網絡中其他裝置分派信息的方法，即規定了供用戶組態的標準“功能模塊”。2023/8/17331.1.6現場總線網絡的實現用戶層2023/8/4331.1.7現場總線的發展趨勢自動化系統和設備將朝著現場總線體系結構方向發展；在未來數年內幾大總線標準共存，甚至在一個系統內幾種標準的設備通過路由網關互連實現信息共享；我國在這一領域剛剛起步。2023/8/17341.1.7現場總線的發展趨勢自動化系統和設備將朝著現場總線1.1.7現場總線的發展趨勢具有發展前景的現場總線技術：智能儀表與網絡設備開發的軟硬件技術；組態技術、包括網絡拓撲結構、網絡設備、網絡互連等；網絡管理技術，包括網絡管理軟件、網絡數據操作與傳輸；人機接口、軟件技術；現場總線系統集成技術2023/8/17351.1.7現場總線的發展趨勢具有發展前景的現場總線技術：21.2.1企業網絡信息集成系統的層次結構1.2.2現場總線的作用1.2.3現場總線與上層網絡的互聯1.2.4現場總線網絡集成應考慮的因素1.2企業網絡信息集成系統2023/8/17361.2.1企業網絡信息集成系統的層次結構1.2企業網絡信現場總線網絡直接面向生產過程，因此要求很高的實時性、可靠性、數據完整性和可用性；因此一般只包括物理層、數據鏈路層和應用層；要完成與上層工廠信息系統的數據交換和傳遞；統一的企業網絡信息集成系統應具有三層結構，從底向上依次是：過程控制層(PCS)、制造執行層(MES)、企業資源規劃層(ERP)1.2.1企業網絡信息集成系統的層次結構2023/8/1737現場總線網絡直接面向生產過程，因此要求很高的實時性、可靠性、1.2.1企業網絡信息集成系統的層次結構現場總線現場總線控制網絡工業局域網企業網Internet過程控制層PCS制造執行層MES企業資源規劃層ERP2023/8/17381.2.1企業網絡信息集成系統的層次結構現場總線現場總線控工廠中的控制網絡系統典型結構簡化的CIMS網絡體系結構傳統的現場級與車間級自動化監控及信息集成系統基于現場總線的現場級與車間級自動化監控及信息集成系統2023/8/1739工廠中的控制網絡系統典型結構簡化的CIMS網絡體系結構20簡化的CIMS網絡體系結構2023/8/1740簡化的CIMS網絡體系結構2023/8/440傳統的現場級與車間級自動化監控及信息集成系統2023/8/1741傳統的現場級與車間級自動化監控及信息集成系統2023/8/4基于現場總線的現場級與車間級自動化監控及信息集成系統2023/8/1742基于現場總線的現場級與車間級自動化監控及信息集成系統2023資源規劃層(ERP)以太網段制造執行層(MES)以太網段現場控制層(FCS)Internet控制網絡各功能層次的網絡類型2023/8/1743資源規劃層(ERP)以太網段制造執行層(MES)以太網段現場1.2.1企業網絡信息集成系統的層次結構過程控制層

依照現場總線的協議標準，智能設備采用功能塊的結構，通過組態設計，完成數據采集、A/D轉換、數字濾波、溫度壓力補償、PID控制等功能。智能轉換模塊對傳統檢測儀表的電流電壓進行數字轉換和補償。過程控制層的拓撲結構

環形網：時延確定性好，重載時網絡效率高； 總線網：成本低，時延不確定，重載時效率低； 樹形網：可擴張性好，頻帶較寬，但節點間通信不便； 令牌總線網：物理上是總線網，邏輯上是令牌網。2023/8/17441.2.1企業網絡信息集成系統的層次結構過程控制層20231.2.1企業網絡信息集成系統的層次結構制造執行層

從現場設備中獲取數據，完成各種控制、運行參數的監測、報警和趨勢分析等功能，還包括控制組態的設計和下裝。 通過總線接口轉換器實現現場總線網段和以太網段的連接。2023/8/17451.2.1企業網絡信息集成系統的層次結構制造執行層20231.2.1企業網絡信息集成系統的層次結構企業資源規劃層 在分布式網絡環境下構建一個安全的遠程監控系統。 首先將中間監控層的數據庫中的信息轉入上層關系數據庫中，使遠程用戶能通過瀏覽器查詢網絡運行狀態，對生產過程進行實時的遠程監控； 對數據進行進一步的分析和整理，為相關的各種管理、經營決策提供支持，實現管控一體化。2023/8/17461.2.1企業網絡信息集成系統的層次結構企業資源規劃層201.2.1企業網絡信息集成系統的層次結構現場總線與數據局域網的區別用途不同

現場總線主要用于對生產、生活設備的控制； 數據網絡主要用于通信、辦公，提供文字、聲音和圖像等數據信息。技術要求不同

現場總線要求具備高度的實時性、安全性和可靠性，網絡接口盡可能簡單，成本盡量降低，數據量一般較小； 數據網絡則需要大批量數據傳輸和處理。2023/8/17471.2.1企業網絡信息集成系統的層次結構現場總線與數據局域現場總線與管理信息網絡的特性比較特性現場總線管理信息網絡監視與控制能力強弱可靠性與故障容限高高實時響應快中信息報文長度短長OSI相容性低中、高體系結構與協議復雜性低中、高通信功能級別中級大范圍通信速率低、中高抗干擾能力強中2023/8/1748現場總線與管理信息網絡的特性比較特性現場總線管理信息網絡監視第一種方式：采用專用網關完成不同通信協議的轉換，把現場總線網段或DCS網段連接到以太網上。第二種方式：將現場總線網卡和以太網卡都置入工業PC機插槽上，在PC機內實現數據交換。第三種方式：將Web服務器直接置入PLC或現場總線設備內，借助Web服務器和通用瀏覽工具實現數據信息的動態交互。1.2.2現場總線與上層網絡的互聯2023/8/1749第一種方式：采用專用網關完成不同通信協議的轉換，把現場總線網采用專用網關2023/8/1750采用專用網關2023/8/450將現場總線網卡和以太網卡都置入工業PC機插槽上2023/8/1751將現場總線網卡和以太網卡都置入工業PC機插槽上2023/8/控制網絡的特點適應工業控制應用環境，要求實時性強，可靠性高，安全性好；網絡傳輸的使測控數據及其相關信息，短幀，傳輸速率低標準支持(國際、國家、地區、企業標準)網絡結構

介質、拓撲結構、節點數等網絡性能

傳輸速率、時間同步準確度、訪問控制方式等測控系統應用考慮市場及其他因素1.2.4現場總線網絡集成應考慮的因素2023/8/1752控制網絡的特點1.2.4現場總線網絡集成應考慮的因素2021.3現場總線簡介基金會現場總線(FF)PROFIBUSLonWorksCANHARTDeviceNet2023/8/17531.3現場總線簡介基金會現場總線(FF)2023/8/451.3.1基金會現場總線(FF)前身為以Fisher-Rousemount公司為首，聯合Foxboro、橫河、ABB、西門子等公司的ISP協議，以及以Honeywell為首的WorldFIP協議，合并后成立現場總線基金會；以ISO/OSI開放系統互連模型為基礎，取其物理層、數據鏈路層、應用層，并增加用戶層；分低速H1(31.25Kbps,距離1900m)和高速H2(1Mbps,750m和2.5Mbps,500m)兩種通信速率；介質支持雙絞線、光纜和無線發射，傳輸信號采用曼徹斯特編碼2023/8/17541.3.1基金會現場總線(FF)前身為以Fisher-Ro1.3.2PROFIBUS德國國家標準和歐洲標準；參考模型也是ISO/OSI模型；由PROFIBUS-DP、-FMS和-PA組成；

PROFIBUS-DP型用于分散外設間的高速傳輸，適用于加工自動化領域的應用；

PROFIBUS-FMS為現場信息規范，適用于紡織、樓宇自動化、PLC等一般自動化；

PROFIBUS-PA用于過程自動化。傳輸速率為9.6Kbps-12Mbps，最大傳輸距離為9.6Kbps時1200m，1.5Mbps時200m，可用中級器延長至10km，傳輸介質為雙絞線、光纜。2023