1、第八章 现场总线控制系统,第一节 现场总线概述,3,2019/1/11,随着控制技术、计算机技术和通信技术的飞速发展，数字化作为一种趋势正在从工业生产过程的的决策层、管理层、监控层和控制层一直渗透到现场设备。现场总线的出现，是数字通信技术迅速占领工业过程控制系统中模拟量信号的最后一块领地。一种全数字化、全分散式、可互操作的和全开放式的新型控制系统现场总线控制系统（FCS）已经成为当今的热点。,6,2019/1/11,7,2019/1/11,根据国际电工委员会IEC标准和现场总线基金会FF（Fieldbus Foundation）的定义：现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、
2、多分支结构的通信网络。 现场总线有两种应用方式，分别用代码H1和H2表示。 H1方式主要用于代替直流010mA或420mA以实现数字传输，它的传输速度较低，每秒几千波特，但传输距离较远，可达1900米，称为低速方式； H2方式主要用于高性能的通信系统，它的传输速度高，达到 1兆波特，传输距离一般不超过750米，称为高速方式。,8,2019/1/11,由现场总线与现场智能设备组成的控制系统称为现场总线控制系统FCS（Fieldbus Control System）。 把这一集通信、计算机、控制技术和现场智能设备作为一个整体的技术，称为现场总线技术。,9,2019/1/11,一、现场总线的特点,现
3、场通信网络 现场设备互连 互操作性 分散功能块 现场总线供电 开放式互联网络,10,2019/1/11,1现场通信网络,现场总线作为一种数字式通信网络一直延伸到生产现场中的现场设备，使以往（包括DCS）采用点到点式的模拟量信号传输或开关量信号的单向并行传输变为多点一线的双向串行数字式传输。,11,2019/1/11,2现场设备互连,现场设备是指连接在现场总线上的各种仪表设备，按功能可分为变送器、执行器、服务器和网桥、辅助设备等，这些设备可以通过一对传输线即现场总线直接在现场互连，相互交换信息，这在DCS中也是不可以的。,12,2019/1/11,常用现场设备,变送器 常用的变送器有温度、压力、
4、流量、物位、分析等，每类又有多个品种。这种智能型变送器既有检测、变换和补偿功能，又有PID控制和运算功能。 执行器常用的执行器有电动和气动两大类，每类又有多个品种。执行器的基本功能是控制信号的驱动和执行，还内含调节阀的输出特性补偿、PID控制和运算，另外还有阀门特性自动校验和自动诊断功能。,13,2019/1/11,常用现场设备,服务器和网桥服务器下接 H1和 H2，上接局域网 LAN（Local Area Network）；网桥上接H2，下接H1。 辅助设备辅助设备有 H1/气压转换器、H1/电流转换器、电流/H1转换器、安全栅、总线电源、便携式编程器等。,14,2019/1/11,3互操作
5、性,现场设备种类繁多，没有任何一家制造厂可以提供一个工厂所需的全部现场设备。所以，不同厂商产品的交互操作与互换是不可避免的。用户不希望为选用不同的产品而在硬件或软件上花力气，而希望选用各厂商性能价格比最优的产品集成在一起，实现“即接即用”，能对不同品牌的现场设备统一组态，构成所需要的控制回路。,15,2019/1/11,4分散功能块,FCS废弃了传统的DCS输入/输出单元和控制站，把DCS控制站的功能块分散地分配给现场仪表，从而构成虚拟控制站。由于功能分散在多台现场仪表中，并可统一组态，用户可以灵活选用各种功能块构成所需控制系统，实现彻底的分散控制。 虚拟控制站其中差压变送器除了含有模拟量输入
6、功能块（AI110），还含有PID控制功能块，调节阀除了含有模拟量输出功能块（AO110），还含有PID控制功能块（PID110），这3个功能块即构成流量控制回路。,17,2019/1/11,18,2019/1/11,5现场总线供电,现场总线除了传输信息之外，还可以完成为现场设备供电的功能。总线供电不仅简化了系统的安装布线，而且还可以通过配套的安全栅实现本质安全系统 ，为现场总线控制系统在易燃易爆环境中应用奠定了基础。,19,2019/1/11,6开放式互连网络,现场总线为开放式互连网络，既可与同层网络互连，也可与不同层网络互连。现场总线协议不象DCS那样采用封闭专用的通信协议，而是采用公开化
7、、标准化、规范化的通信协议，只要符合现场总线协议，就可以把不同制造商的现场设备互连成系统。开放式互连网络还体现在网络数据库的共享，通过网络对现场设备和功能块统一组态。,20,2019/1/11,二、 IEC 61158现场总线标准,Type 1 IEC61158技术规范，基金会现场总线（FF）的H1为其子集 Type 2 Control Net现场总线 Type 3 Profibus现场总线 Type 4 PNet现场总线 Type 5 FF HSE (High Speed Ethernet) Type 6 Swift Net现场总线 Type 7 WorldFIP现场总线 Type 8 In
8、terbus现场总线,21,2019/1/11,三、 几种典型的现场总线,CAN （Control Area Network）控制局域网络 Lon Works是局部操作网络（Local Operating Network） ProFibus是过程现场总线（Process Field Bus） WorldFIP为世界工厂仪表仪器(World Factory Instrument Protocol) HART是可寻址远程传感器数据通道（Highway Addressable Remote Transducer） FF是现场总线基金会（Fieldbus Foundation）,22,2019/1/1
9、1,23,2019/1/11,CAN,CAN是控制局域网络Control Area Network的缩写，它是由德国Bosch公司推出、最早用于汽车内部监测部件与控制部件的数据通信网络。现在已经逐步应用到其它控制领域。CAN规范现已被国际标准化组织采纳，成为ISO11898标准。CAN协议也是建立在OSI模型基础上的，它采用了OSI底层的物理层、数据链路层和高层的应用层，其信号传输介质为双绞线。最高通信速率为1Mbps（通信距离40m），最远通信距离可达10km（通信速率为5kbps），节点总数可达110个。,24,2019/1/11,CAN,CAN的信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数为
10、8个，因而传输的时间短，受干扰的概率低，每帧信息均采用循环冗余校验CRC及其它检错措施，通信误码率极低。CAN节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能，这时故障节点与总线脱离，使其它节点的通信不受影响。,25,2019/1/11,Lon Works,Lon Works是局部操作网络Local Operating Network的缩写。它是由美国 Echelon公司研制、于1990年正式公布的现场总线网络。它采用了ISO/OSI模型中完整的七层通信协议，采用了面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，其最高通信速率为1.25MbpS（通信距离不超过130m），最远通信距
11、离为27000m（通信速率为78kbps），节点总数可达32000个。网络的传输介质可以是双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电力线等。,26,2019/1/11,Lon Works,Lon Wors的信号传输采用可变长帧结构。每帧的有效字节可由0288个。 Lon Works所采用的Lon Talk通信协议被封装在称之为Neuron的神经元芯片中。芯片中有3个8位CPU，一个用于实现ISO/OSI模型中的第1层和第2层的功能，称为媒体访问控制处理器；第二个用于完成36层的功能，称为网络处理器；第三个对应于第7层，称为应用处理器。芯片中还具有信息缓冲区，以实现CPU之间的信息传递，并作为网络
12、缓冲区和应用缓冲区。,27,2019/1/11,PROFIBUS,PROFIBUS是过程现场总线Process Field Bus的缩写。它是德国国家标准 DIN 19245和欧洲标准 EN 50170所规定的现场总线标准。PROFIBUS由三个兼容部分组成，PRMUSDP是一种高速低成本通信系统。它按照OSI参考模型定义了物理层、数据键路层和用户接口； PROFIBUSPA专为过程自动化设计，可使变送器与执行器连接在一根总线上，并提供本质安全和总线供电特性。PROFIBUSPA采用扩展的PROFIBUSDP协议，另外还有现场设备描述的PA行规； PROFIBUSFMS根据OSI参考模型定义了
13、物理层、链路层和应用层，其中应用层包含了现场总线报文规范FMS（FieldBus Message Specification）和低层接口LLI（Lower Layer Interface），最高通信速率为12Mbps（通信距离不超过100m），最大通信距离为 1200m（通信速率为9.6kbps）。如果采用中继器可延长至10km ，其传输介质可以是双绞线或光缆。每个网络可挂32个节点，如带中继器，最多可挂127个节点。,28,2019/1/11,PROFIBUS,PROFIBUS采用定长或可变长帧结构，定长帧一般为8字节，可变长帧每帧的有效字节数为l244个。近年来，多家公司联合开发PROFI
14、BUS通信系统的专用集成电路芯片，目前已经能将PROFIBUSDP协议全部集成在一块芯片之中。,29,2019/1/11,WorldFIP,WorldFIP是世界工厂仪表协议World Factory Instrument Protocol的缩写。最初由Cegelec等几家法国公司在原有通信技术的基础上根据用户的要求所制定，随后即成为法国标准，后来又采纳了IEC物理层国际标准（IEC6ll582），并命名为WorldFIP。WorldFIP是欧洲现场总线标准EN50170-3。WorldFIP组织成立于1987年，目前包括有ALSTOM、Schneider、Honeywell等世界著名大公司在
15、内的100多个成员。WorldFIP协议按照OSI参考模型定义了物理层、数据链路层和应用层。WorldFIP采用有调度的总线访问控制，通信速率分别为31.35kbps、1Mbps、2.5Mbps，对应的最大通信距离分别为5000m、1000m、500m ，其通信介质为双绞线。如果采用光纤，其最大通信距离可达40km。每段现场总线的最大节点数为32个，使用分线盒可连接256个节点。整个网络最多可以使用3个中继器，连接4个网段。WorldFIP采用可变长帧结构，每帧的最大字节数为256个。适合于包括TCPIP在内的各种类型的协议数据单元。WorldFIP可以提供各种专用通信芯片。,30,2019/
16、1/11,HART,HART是可寻址远程传感器数据通路（Highway Addressable Remote Transducer）的缩写。最早由Rosemount公司开发，得到了80多家仪表公司的支持，并于1993年成立了HART 通信基金会。HART 协议参考了ISO/OSI参考模型的物理层、数据链路层和应用层。其主要特点是采用基于Bell 202通信标准的频移键控FSK技术。在现有的420mA模拟信号上叠加FSK数字信号，以1200HZ的信号表示逻辑1，以2200HZ的信号表示逻辑0，通信速率为1200bps，单台设备的最大通信距离为3000m，多台设备互连的最大通信距离为1500m ，
17、通信介质为双绞线，最大节点数为15个。 HART采用可变长帧结构，每帧最长为25个字节，寻址范围为015。当地址为0时，处于420mA与数字通信兼容状态。而当地址为l15时，则处于全数字状态。,31,2019/1/11,FF,是现场总线基金会Fieldbus Foundation的缩写。现场总线基金会是国际公认的、惟一不附属于某企业的、非商业化的国际标准化组织。其宗旨是制定单一的国际现场总线标准。FF协议的前身是以美国Fisher-Rosemount公司为首，联合 Foxboro、Yokogawa、ABB、Siemens等80家公司制定的ISP协议，和以Honeywell公司为首、联合欧洲等地
18、的150家公司制定的 Word FIP协议。迫于用户的压力，支持ISP和World FIP的两大集团于1994年9月握手言和，成立了现场总线基金会Fieldbus Foundation。FF总线以OSI参考模型为基础，取其物理层、链路层和应用层为FF通信模型的相应层次，并在此基础上增加了用户层。FF总线分为低速现场总线和高速现场总线两种通信速率。低速现场总线H1的传输速率为31.25kbps，高速现场总线HSE的传输速率为100Mbps，H1支持总线供电和本质安全特性，最大通信距离为1900m（如果加中继器可延长至9500m，最多可直接连接32个节点（非总钱供电）、13个节点（总线供电）、6个
19、节点（本质安全要求）。如果加中继器最多可连接240个节点。通信介质为双绞线、光缆或无线电。,32,2019/1/11,FF采用可变长帧结构，每帧的有效字节数为 0251个。目前已经有 Smar、 Fuji、National、Semiconductor、Siemens、Yokogawa等12家公司可以提供FF的通信芯片。目前，全世界已有120多个用户和制造商成为现场总线基金会的成员。基金会董事会囊括了世界上最主要的自动化设备供应商。基金会成员所生产的自动化设备占世界市场的90以上。基金会强调中立与公正。所有的成员均可以参加规范的制订和评估，所有的技术成果由基金会拥有和控制。由中立的第三方负责产品
20、的注册和测试等。因此，基金会现场总线具有一定的权威性、广泛性和公正性。,第二节 现场总线控制系统,34,2019/1/11,典型控制网络体系结构,工业控制网络的基本层次,35,2019/1/11,信息层 控制系统的最上层 通信的主要特点：通信数据量大，通信的发生较为集中，要求有高速链路支持，对实时性要求不高 通信范围从车间级到全厂级甚至因特网范围，与数据库技术、互联网技术、数据分析和处理技术紧密关联 可连接的设备包括控制器、PC、操作员站、高速I/O、其它局域网设备，通过网关设备可以连接入因特网。,36,2019/1/11,控制层 处于控制的中间层次 连接不同的可编程设备、控制器、人机终端等，
21、通过网关设备与信息层相连，很多应用实时性要求较高，包括I/O的实时刷新、互锁信息和控制器等之间报文的报文传递等 通信特点是要求有较高的网络速率，实时性要求高的情况下要求通信是确定的、可重复的,37,2019/1/11,设备层 控制网络的最底层 面向大量的现场设备，包括离散型的I/O（光电传感器、接近开关等），温度变送器、流量计等较为复杂的设备，通过扫描器或网关设备将数据传送到控制层 通信特点是速度要求不一定很高，有一定的智能和容错能力，要求网络节点设备的经济性、智能化，设备添加/删除简单方便，故障诊断和纠错容易，适应现场的不同恶劣条件,38,2019/1/11,一、 现场总线控制系统的结构,具
22、有两层结构的FCS 具有三层结构的FCS 由DCS扩充而成的FCS,39,2019/1/11,1、具有两层结构的FCS,40,2019/1/11,2、具有三层结构的FCS,41,2019/1/11,3、由DCS扩充而成的FCS,42,2019/1/11,FCS的核心是总线协议，即遵循国际通用的总线标准； FCS的基础是数字智能现场设备，它是FCS的硬件支持； FCS的本质是信息处理现场化，这是FCS效能的体现。,FCS的内涵,第三节 现场总线设备,44,2019/1/11,一、现场总线差压变送器,45,2019/1/11,二、现场总线温度变送器,46,2019/1/11,三、现场总线气压转换器
23、,47,2019/1/11,三、现场总线气压转换器,48,2019/1/11,四、现场总线接口,现场总线接口是一个高性能过程控制接口（PCI）。这个接口可以实现先进过程控制和多通道的通信管理。 现场总线接口是一个16位的ISA卡，可以插入工业或商用PC机。它具有独立的H1（31.25kbps）的主控通道，以及32位精简指令集RISC CPU。直接连接到PC机总线上，为现场总线和PC机应用进程之间提供高速通信功能。,第四节 FCS在火电厂的应用,50,2019/1/11,一、FCS目前的应用状况,FCS的应用火电厂仍滞后于其他行业，目前尚无真正的FCS的工程业绩。尽管如此，现场总线产品仍然在电力
24、科研部门和电厂中开始应用。 华能珞璜电厂和大亚湾核电站采用了法国Alspa P320系统，即WorldFIP现场总线控制系统。 热工研究院（西安）于1998年购进一套FF现场总线系统（Delta V系统）。 四川广安电厂采用ProfibusDP总线连接化学补给水处理和凝结水精处理两个PLC控制系统的PLC和监控站，并在化学补给水控制间实现对两个系统的互操。 陕西杨凌热电厂联合循环控制和监视系统采用了Profibus现场总线控制系统的新型产品SIMATIC PC S7。,51,2019/1/11,二、工程应用实例,52,2019/1/11,本章主要内容,介绍现场总线和现场总线控制系统的基本概念、现场总线标准、现场总线设备、现场总线控制系统的结构类型和设计方法及在火电厂中的应用。,53,2019/1/11,目的和要求,掌握现场总线和现场总线控制系统的基本概念。了解几种典型的现场总线和现场总线控制系统的几种结构类型，理解现场总线控制系统的内涵。,54,2019/1/11,重点和难点,现场总线和现场总线控制系统的基本概念； 现场总线控制系统的内涵。,
