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控制仪表及装置. 第八章 现场总线控制系统. 现场总线 控制系统. 第一节 概述 第二节 几种流行的现场总线 第三节 实时工业以太网 第四节 现场总线控制系统. 它是现场仪表之间以及现场仪表与监控计算机之间的全数字、串行双向、多站点的开放型通信系统。. 现场总线是数字化、智能化、网络化向现场 设备发展的产物。. 现场总线是企业实现综合自动化、信息化、 管控一体化的需要 。 （ TQCSE）. 高新技术的发展为现场总线的产生奠定了基 础 。. 第一节 概述. >什么是现场总线？. >现场总线的产生和发展.
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控制仪表及装置 第八章 现场总线控制系统
现场总线 控制系统 第一节 概述 第二节 几种流行的现场总线 第三节 实时工业以太网 第四节 现场总线控制系统
它是现场仪表之间以及现场仪表与监控计算机之间的全数字、串行双向、多站点的开放型通信系统。它是现场仪表之间以及现场仪表与监控计算机之间的全数字、串行双向、多站点的开放型通信系统。 现场总线是数字化、智能化、网络化向现场 设备发展的产物。 现场总线是企业实现综合自动化、信息化、 管控一体化的需要 。（TQCSE） 高新技术的发展为现场总线的产生奠定了基 础 。 第一节 概述 >什么是现场总线？ >现场总线的产生和发展
现场仪表信号：从模拟→混合→全数字信号 4...20 mA
>现场总线技术特点 开放性：现场总线的一致性、公开性。 互操作与互用性：现场设备间的信息沟通、互可操作及不同厂家设备的相互替换。 功能自治性：传感测量、补偿计算、信息处理与控制功能在现场仪表中完成。 高度分散性：构成一种全分散性的控制系统结构。 环境适应性：支持各种传输介质、两线制和本安防爆。 丰富的现场信息和智能化提高了设备诊断、维护、管理能力，减少卡件、机柜、端子、线缆，节省开支，提高了可靠性。
各行业使用现场总线设备情况 行业 石油天然气 能源 医药 化工 百分比 29% 22% 13% 9% 造纸 教育 材料 其它 食品 9% 4% 3% 3% 8%
现场总线系统的优势 安装 100% 100% 22% 费用可节省40%左右 27% 57% 12% 50% 工程费用engineering 22% 调试费用commissioning 51% 23% 硬件费用Hardware 0% PROFIBUS 4...20mA 调试 硬件 工程
几点说明 现场总线技术是DCS技术的继承和发展，而不是对DCS的否定或取代。工业上已出现DCS与现场总线系统混合使用的控制系统。 。 现场总线的优点主要是仪表的智能化、网络化、控制的分散化等先进技术所带来的好处，而不单单是节省电缆。 现场总线不能解决企业自动化的所有问题，例如ESD、MES、ERP等等，而是作为底层网络与其它自动化装置一起更好地实现企业综合自动化。
现场总线标准的制订工作起步很早，各大集团公司意见不一，经多年争论，2000年颁布了涵盖多种规范的总线标准，2003年扩展为10种类型的现场总线。现场总线标准的制订工作起步很早，各大集团公司意见不一，经多年争论，2000年颁布了涵盖多种规范的总线标准，2003年扩展为10种类型的现场总线。 工业控制总线标准主要由IEC 的几个技术委员会负责。IEC TC65 制订了用于工业控制系统的IEC 61158。目前流行的PROFIBUS、FF等现场总线也纳入了IEC标准。 IEC TC17B制订了用于低压开关和电气控制装置的IEC 62026。广为使用的DEVICENET、AS-I等总线也纳入了IEC标准。 >现场总线标准
Type1：IEC 61158 技术报告。 Type2：ControlNet，得到CI组织的支持。 Type3：Profibus，得到PNO组织的支持。 Type4：P - NET，得到该总线用户组织的支持。 Type5：FF - HSE，由FF组织制定。 Type6：Swiftnet，得到美国波音公司的支持。 Type7：WorldFIP，属欧洲标准EN50170。 Type8：Interbus，得到Interbus Club支持。 Type9：FF – H1，由FF组织制定。 Type10：Profinet，得到PNO组织的支持。 >IEC 61158 的标准现场总线
由上可知, IEC 61158标准考虑到各种不同的需求，一些大公司和集团也能以此为基础再图发展，开拓市场。 实际上，目前在工业自动化领域使用较多的是FF、PROFIBUS、ControlNet 和 Interbus，以及未被纳入61158标准的一些现场总线。 从2001年开始，现场技术发展的重点已不是去追求统一标准；而是集中在如何合理应用, 发现并解决问题,切实地推动FCS的实际应用。同时在推广应用过程中确定不同现场总线的适用场合、性能价格比等,以实现优化设计。
随着现场总线和工业以太网技术的迅速发展，IEC TC65 /SC65C的两个工作组又研究制定了新的现场总线标准 61158 和实时以太网标准61784 -2。 新版本总线标准 是以2003版本为基础，加入实时以太网解决方案。它共包含14类技术。 IEC 61158新标准于2007年公布。我国具有自主知识产权的EPA标准被列为61158 Type14。 以下将通过一些流行的现场总线说明特点、网络结构、通信模型和应用实例。
第二节 几种流行的现场总线 - Foundation Fieldbus - Profibus（Process Fieldbus） - LonWorks（Local Operating Networks） - CAN（Control Area Network） • HART（Highway Addressable Remote T Transducer）
用于现场级控制的FF-H1传输速率32.25Kbps,直接通信距离达1900 m，其现场仪表可完成检测、变送、调节、计算、报警、故障诊断等控制与信息处理任务。 FF-H1采用令牌传递的总线控制方式, 令牌传递由链路活动调度器(LAS) 控制, 以确保信息传递的及时性。 在应用层之上增加了用户层，用户层的功能块和设备描述使仪表的现场控制功能与仪表设备的互操作易于实现。 >Foundation Fieldbus FF总线的特点
为现场仪表提供两种供电方式：非总线供电和总线供电；支持本质安全防爆，可用于易燃、易爆的场合。为现场仪表提供两种供电方式：非总线供电和总线供电；支持本质安全防爆，可用于易燃、易爆的场合。 基于以太网的FF-HSE,在上层与H1基本一致，在底层则采用了流行的以太网+TCP/IP协议，HSE充分利用现有以太网技术，它满足了最终用户对互操作性、低成本和高速现场总线解决方案的要求。 HSE支持H1的所有功能，而且其功能模块中还包括新的应用于离散和I/O子系统的 “柔性功能模块”，使用标准语言(IEC 61131)编程。
FF总线的通信模型 • FF-H1： 用户层 用户层（应用程序） 现场总线报文规范子层FMS现场总线访问子层FAS 7 通 信 栈 6543 2 1 数据链路层 物理层 物理层 物理层规定物理连接性能,符合IEC61158-2标准，通信栈控制报文在现场总线的传输。链路层通过LAS来管理对总线的访问，FAS为报文规范子层提供服务，后者为用户层提供服务和报文格式。
FF-HSE： 用户层 应用层 FDA 传输层 TCP/UDP 网络层 IP 数据链路层 IEEE 802.2 IEEE 802.3u 物理层 物理层符合IEEE 802.3u标准，数据链路层符合IEEE 802.2规范。 网络层协议是IPV.4 标准， 传输层TCP是面向连接的协议， UDP是无连接协议。FDA的作用与H1的FMS相似。
FF总线的网络结构 操作站 HSE子网 其它总线网络 网关 路由器 交换机 ... HSE链接设备 HSE链接设备 HSE现场设备 H1总线 H1总线
Profibus包括Profibus-DP、-FMS、-PA，传输速率9.6Kbps~12Mbps,相应通信距离为1200 ~ 100m,可实现总线供电和本质安全防爆(PA)。 Profibus-DP用于现场控制器与分散I/O之间的数据通信； Profibus-FMS 用来解决车间级通信任务，此层将被Ethernet取代；Profibus–PA用于过程自动化,可连现场变送器、执行器。 Profibus采取主站之间的令牌传递方式和主从站之间的主、从通信方式。 Profibus-DP允许构成单主站或多主站系统。 >Profibus Profibus总线的特点
Profibus行规(用户接口)可使不同厂商生产的零部件互换使用, 从而保证各家厂商的现场设备的互换性和互操作性。PA 行规包括各种设备功能、行为的必要规范以及描述各类设备组态信息的数据单。 Profibus总线协议芯片已形成系列, 有多种集成芯片可供使用, 以满足不同需要，构成复杂程度各异的Profibus总线。 Siemens公司的 SPM2单片可用来构成简单的DP从站, ASPC2可构成DP主站, SIM1与SPC4可实现PA的功能。
Profibus总线的通信模型 专用应用行规 应用行规2 通用应用行规（可选） 应用行规1 PROFIBUS DP-V0~V2 通信协议 RS 485 (PROFIBUS DP) IEC 61158-2 (PROFIBUS PA) 传输特性 传输特性(物理层)的DP采用RS-485通信标准，PA采用IEC 61158-2(MBP)传输技术。通信协议(数据链路层):采用DP-V0~V2。应用行规说明各种设备的功能和行为，有通用和专用应用行规。
DP-V0提供DP基本功能，包括主站和从站的循环数据交换，以及站诊断、模块诊断等。DP-V0提供DP基本功能，包括主站和从站的循环数据交换，以及站诊断、模块诊断等。 DP-V1依据过程自动化的需求提供主、 从站间的非循环数据交换功能, 用于参数赋值、操作、现场设备的可视化和报警处理等。 DP-V2 依据驱动技术的需求提供同步从站模式和从站对从站的通信功能, 通过发布(生产)者/预定(消费)者的广播 方式进行通信。 通信协议 有DP-V0、 DP-V1 和DP-V0三种版本 ：
Profibus总线的网络结构 PROFIBUS-DP单主站系统 PLC或PC 1个DP主站 1~125个从站 DP主站 Profibus-DP DP从站
PROFIBUS-DP多主站系统 令牌传递 计算机 PLC PLC 主站 Profibus-DP 从站 采用主站之间的令牌传递和主从站之间的主、从通信方式。
DP-V1中的循环和非循环通信 令牌 PROFIBUS PROFIBUS PROFIBUS-DP 1类主站 PROFIBUS-DP 2类主站 DP-Master DP-Master DP-从站 1 DP-从站 2 DP-从站 3 Publisher Publisher Publisher (z.B. Lichtgitter) (z.B. Lichtgitter) (z.B. Lichtgitter) Slave Slave Slave 循环: 从站1 从站2 从站3 从站3 1 类主站的 循环访问 2类主站的 非循环访问
DP-V2中的从站对从站的数据交换 PROFIBUS-DP PROFIBUS - DP Master 1 类主站 Class 1 输出数据 通过广播的输入数据 发布者 预订者 预订者 (e.g. light array) (e.g. drive) (e.g. drive) 从站 从站 从站 从站对从站通信
通过DP/PA Coupler连接Profibus-PA PLC 计算机 主站 Profibus-PA Profibus-DP DP/PA耦合器 从站 PROFIBUS-PA有树结构、总线结构和两者的混合结构。 演示
LonWorks采用OSI 的全部7层通信规范，传输速率300bps~1 .5Mbps,通信距离为2700 m，它提供完整的开发平台和神经元芯片。 现场控制节点的核心器件是神经元芯片，同时具备通信和控制功能，一个神经元芯片加上收发器即可构成典型的现场控制节点。 >LonWorks LonWorks总线的特点 检测控制装置 MC143150/20Neuron芯片 I/O电路 Lon收发器 EEPROM/ROM(仅对MC143150) 网络介质
LonWorks 使用开放式通信协议 LonTalk, 是直接面向对象的网络协议, 它发送的报文都是很短的数据，可靠性、实时性较高。 LonWorks 采用的编程语言 Neuron C 是转为神经元芯片所设计, 它删除了标准C中一些不需要的功能, 增加了用于网络操作的语句和内部函数。 LonWorks技术为用户提供了一个简洁的访问网络服务工具实施网络管理任务,其功能为网络安装、网络维护和网络监控。
LonWorks总线的通信模型 作用 OSI模型 LON提供的服务 应用层 网络应用 标准网络变量类型 表示层 网络变量外部帧传输 数据表示 会话层 请求/响应，认证 远程传送控制 传输层 端对端可靠传输 应答，非应答，认证 网络层 传输分组 地址，路由 数据链路层 帧传输,介质访问 数据解码,CRC纠错,优先级 电气连接 物理层 介质，电气接口 物理层支持多种介质，链路层的介质访问控制采用改进的CSMA协议，网络层管理网络地址分配，传输层管理报文执行顺序, 会话层提供传输的请求/响应机制, 表示、应用层提供网络变量等服务。
LonWorks总线的网络结构 监控计算机 其它总线网络 1.25Mbps双绞线主干通道 网关 路由器 路由器 78Kbps双绞线 10Kbps电力线 现场节点 现场节点 现场节点 现场节点 现场节点
HART使用OSI参考模型的第1、2、7三层, 传输速率较低，一般为1200bps，新版本6.0已提高到9600bps，通信距离可达3000 m。 HART总线采用基于Bell 202 通信标准的FSK技术，在4~20mA的模拟信号上叠加了一个频率信号, 因此能同时传送模拟和数字信号而不相互干扰。 HART支持多主站通信, 在一根总线上也可连接多个现场智能仪表, 它能实现总线供电和本质安全防爆。 >HART HART总线的特点
HART总线的通信模型 模型分层 内 容 应用层 HRAT命令 HART通信协议规则 数据链路层 电气特性，介质 物理层 物理层规定了信号传输方式、电气特性、介质等； 数据链路层定义了HART 通信协议规则，包括信息格式及信息的接收与发送处理； 应用层规定了三类HART命令： 通用命令、普通应用命令和专用命令，为解决不同厂家设备的互换性及互操作问题，HART也采用设备描述语言。
HART至少需要一个主设备和一个现场仪表； 现场仪表和副主设备均为并联，连接点可置于网络的任意位置； 网络工作时，现场仪表可被更换，副主设备也可被连到网上。 HART总线的网络结构 现场仪表 副主设备 基本主设备 安全栅 现场仪表 现场仪表
上述几种现场总线均可构成现场控制系统, 但只有 FF-H1、Profibus-PA、HART三种总线可用于过程控制 (总线供电和本安防爆)。从发展趋势看，EPA有良好的应用前景。 能用现场仪表(变送器、执行器) 构成就地控制回路的只有FF-H1总线，因其功能模块具有变送、调节、计算、报警、故障诊断等功能。 从性能和成本综合考虑、是否要求由现场仪表实现就地控制以及控制设备来源(欧洲或美日)。 小结 适用于过程控制的现场总线 现场总线的选择
现场设备比较分散、需要就地控制。这是使用现场总线技术的关键，因为其优势是可节省大量现场布线开支，系统易于维护。现场设备比较分散、需要就地控制。这是使用现场总线技术的关键，因为其优势是可节省大量现场布线开支，系统易于维护。 系统对信息集成有较高的要求。在底层使用现场总线技术可将大量现场数据集成到管理层，为管理系统(CIMS)提供底层数据。 在实时性要求高的场合，应使用较高的数据传输率。根据防爆要求选用相应等级的总线供电方案。 FCS的应用场合
以太网是IEEE 802.3支持的局域网标准，它只定义了物理层和数据链路层, 其上是网络层和传输层(TCP/IP) 。 以太网传输介质与速率分别为： 10BASE - 5 (粗缆，10Mbps)； 10BASE - 2 (细缆，10Mbps)； 10BASE-T、F(双绞线、光纤，10Mbps)；100BASE-X(双绞线、光纤, 100Mbps)；1000BASE-T(双绞线，1000Mbps) 1000BASE-X (光纤，1000Mbps) 第三节 实时工业以太网 Ethernet的特点
以太网是目前应用最为广泛的计算机网络技术, 几乎所有的编程语言都支持Ethernet的应用开发。 以太网的硬件产品价格低廉,其网卡的价格只有Profibus、FF等现场总线的十分之一。 人们对以太网的设计、应用积累了许多经验,软硬件资源丰富，技术十分成熟。 工业界对以太网的发展予以高度重视， 并给以大量的 技术投入，保证了以太网技术的持续向前发展。 以太网易于与Internet连接, 能实现办公自动化网络与工业控制网络的无缝连接。
通信的实时性即确定性。以太网采用介质控制方式为CSMA/CD, 在网络负荷较重时, 将影响数据的传输效率。可通过提高通信速率, 限制通信负荷以及采用交换式集线器和全双工通信, 使碰撞机率大大降低。 通信的稳定性和可靠性。以太网所用的接插件、集线器、交换机、电缆等是为办公室应用而设计的，不符合工业现场恶劣环境的要求。应设计用于工业现场、抗干扰性能好的产品。 Ethernet用于工控网要解决的关键技术
总线供电和本质安全防爆问题。目前以太网设备功耗都比较大, 只能采用非总线供电(或利用通信电缆中的另一对双绞线)和隔离防爆的方法, 应尽力研制低功耗的设备。 网络的安全性问题。以太网有可能受到病毒、黑客的入侵与非法操作的威胁，应采用网络隔离方法将控制网络与外部信息网分开，同时可采取用户密码、防火墙等多种安全措施。 通信的一致性和互可操作性。以太网只定义了物理层、数据链路层以及其上的 TCP/IP, 而没有工业控制现场设备通信所需的高层协议，应当建立完整的、有效的应用层与用户层规范，以满足开放系统互操作的要求。 FTP,SMTP,HTTP
Ethernet用于工控网络的几种技术方案 • Ethernet/IP (the ControlNet /DeviceNet objects on TCP/IP) (CI, Rockwell Automation等) • FF HSE (High Speed Ethernet) (FF, Emerson等) • Profinet (Profibus on Ethernet) (PI, Siemens等) • Modbus IDA (Modbus Interface for Distributed Automation) (IDA，Schneider Automation等) • EtherCAT (Ethernet Control Automation Tech • nology) (ETG, Beckhoff) • EPA (Ethernet for Plant Automation)
EPA=以太网（物理层＋链路层）＋ TCP / IP(网络层＋传输层）＋应用层＋用户层 经过一年半时间的攻关基本解决了：以太网实时通信、总线供电、可靠性与抗干扰、远距离传输、网络安全以及控制系统体系结构等难题。 开发了基于以太网的现场控制设备：EPA的通信模块、变送器、现场控制器、电动执行机构、能实现总线供电的集线器样机、基于以太网的软PLC、现场设备管理与组态软件、基于Web的现场设备诊断、维护软件等。 2001年11月成立课题攻关小组 (浙大中控、中科院沈阳所、清华大学等组成)。 EPA的进展
起草EPA国家标准《用于工业测量与控制系统的EPA系统结构和通信标准》。2004.05国家标准化技术委员会TC 124通过了对此标准的评审。 2003年9月，IEC/SC65/WG1 西班牙马德里会议上，浙大中控代表中国汇报了EPA工作情况，04年1月，在法国召开的WG 11、12、13工作组会议上,中国代表团作了EPA技术及其安全策略的专题讲座得到了与会专家的高度重视。 SC65 建议将六个实时工业以太网协议提案(EPA,EtherCAT,Modbus TCP等)以PAS(PubliclyAvai- lableSpecification)规范形式发布。05年5月加拿大会议正式列为国际标准第14类型CPF14。07年将成为第四版61158标准的Type 14。
基于Ethernet的工控网络结构 质量,财务,设备,供销管理 Intranet/Internet 管理 计算机 管理 计算机 互联网 服务器 管理层 通用Ethernet 操作员站 工程师站 网络 服务器 控制层 通用Ethernet 交换机 现场层 过程Ethernet(EPA) e网到底
第四节 现场总线控制系统 >现场总线控制系统的组成 现场总线控制网络包括现场测控仪表、通信设备、电缆、上位计算机以及通信和组态软件。 现场仪表：具有标准通信接口的智能变送、控制、显示、执行仪表。 上位监控计算机：符合工业标准，具有通信接口(或网卡)、操作系统的工业控制计算机。 通信设备和软件：通信转换装置、网卡及监控界面与现场仪表之间数据交换软件(DDE、OPC等)。 用户组态软件：制作监控界面，实现显示、操作、报警、制表、打印等功能。
用户应用软件 网络通信软件 监控计算机 其它网络 不同子网 通信接口卡 路由器 网关 现场仪表 现场总线控制系统示意图
通信软件 DDE(Dinamic data exchange)：动态数据交换基于消息机制，用于控制系统实时数据通信。 当数据量大时，效率较低。微软公司已停止发展 DDE技术，但仍给予支持。 目前大多数监控软件也支持DDE。 OPC (OLE for Process Control)： 用于过程控制的OLE以Active X、COM&DCOM、XML及.NET技术为基础。 OPC是一个开放的软件接口规范，用于客户程序和服务器之间的数据通信。 OPC 使监控软件能高效、稳定地对硬件设备进行存取操作, 系统应用软件之间也可灵活地进行信息交换。
应用软件X OPC接口 应用软件Z OPC接口 ... OPC客户 ... 应用软件 X 应用软件 Z 驱动程序 ... OPC服务器 设备A OPC服务器 设备B OPC服务器 设备N ... 设备 A 设备 B 设备 N • 传统应用系统体系结构 • 基于OPC技术的应用系统体系结构
监控组态软件 • 监控组态软件是面向监控和数据采集(SCADA)的软件平台工具，主要用来构建人机图形界面，功能多样,使用灵活。它具有数据采集、实时监控、实时数据库、通信及联网、开放数据接口等功能，并广泛支持各种I/O设备。 • 知名的监控组态软件在国际上有Wonderware公司的Intouch、Intellution公司的iFix、西门子公司的WinCC、NI公司的LabView、Iconics公司的Genesis等等。Into uch是在上世纪80年代末推出的第一个商品化组态软件。 国内有三维科技股份有限公司的力控软件、北京亚控科技发展有限公司的组态王、北京昆仑通态自动化软件科技有限公司的MCGS等。
系统开放、模块结构、配置灵活、扩展方便。选用不同的I/O卡, 可连接符合总线标准的多种现场设备。 硬件安装简单、快捷。采用即插即用技术，可带电插拔，维护方便。 软件功能丰富、多样。具有资源管理器、图形界面设计、先进控制软件、数据库管理和设备管理系统。 本安I/O卡、集成隔离安全栅、IO卡件的每个通道均与现场隔离，系统可靠性高。 拖－放式、图形组态(IEC61131控制语言标准)方式使得系统组态易于实现。 支持OPC标准，Delta V可方便地与厂内局域网连接。 >现场总线控制系统实例 基于FF总线的控制系统 Delta V
