现场总线技术 刘泽祥主编 北京机械工业出版社

第一章 现场总线技术概述 主要内容

?1.0 DCS的结构及其分类 ?1.1 现场总线的产生

?1.2 现场总线的概念及分类 ?1.3 现场总线的特点和优点 ?1.4 现场总线标准的制定 ?1.5 现场总线的现状

1.0 DCS的结构及其分类

?1.0.1 DCS控制系统结构

?从系统的组成结构分析，它们都是由三部分组成（硬件组成）： ? 分散过程控制装置部分 ? 操作管理装置部分 ? 通信系统部分

? （1）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。 ? 主要功能是分散的过程控制，是系统与过程之间的接口。其结构特征如下： ? 需适应恶劣的工业生产过程环境 ? 分散控制 ? 实时性 ? 独立性

?（2）集中操作和管理系统部分 ? 该部分的主要功能是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。

? 主要由操作站、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。

? （3）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。 1.0.2 DCS的结构分类

?根据分散过程控制装置、集中操作和管理装置和通信系统的不同结构，DCS控制系统的分类： ?（1）模件化控制站+与MAP兼容的宽带、载带局域网+信息综合管理系统

?最新结构的大型集散控制系统，通过宽带和载带网络，可在很广的地域内应用。通过现场总

线，系统可与现场总线仪表通信和操作，从而形成真正的开放互连、互操作性的系统。将成为分布式控制系统的主流结构，也是第三代DCS控制系统的典型结构。

?（2）分散过程控制站+局域网+信息管理系统

?由于采用局域网技术，使通信能力增强。这是第二代DCS控制系统的典型结构。 ?（3）分散过程控制站+高速数据公路+操作站+上位机

?第一代集散控制系统的典型结构。经过对操作站、过程控制站、通信系统性能的改善和扩展，

系统的性能已有较大提高。

?（4）PIC +通信系统＋操作管理站

?在制造业广泛应用的结构，尤其适用于有大量逻辑顺序控制的过程。分布式控制系统制造商

为适应逻辑顺序控制的特点，现已有不少产品可以下挂各种PLC，组成PLC十DCS形式，应用于既有逻辑顺序控制又有连续控制的场合。

?（5）单回路控制器+通信系统+操作管理站

?适用于中、小企业的小型集散控制系统结构。它用单回路控制器(或双回路、四回路控制器)

作为盘装仪表、信息的监视由操作管理站或仪表面板实施，有较大灵活性和较高性价比。 1.1 现场总线的产生

?在过程控制领域中：

?从20世纪50年代至今一直都在使用着一种信号标准，那就是4一2OmA的模拟信号标准。 ?20世纪70年代，数字式计算机引人到测控系统中，而此时的计算机提供的是集中式控制处理。

?20世纪80年代，微处理器在控制领域得到应用，微处理器被嵌人到各种仪器设备中，形成了分布式控制系统。

?随着微处理器的发展和广泛应用，产生了以IC代替常规电子线路，以微处理器为核心，实施信息采集、显示、处理、传输及优化控制等功能的智能设备。一些具有专家辅助推断分析与决策能力的数字式智能化仪表产品，其本身具备了诸如自动量程转换、自动调零、自校正、自诊断等功能，还能提供故障诊断、历史信息报告、状态报告、趋势图等功能。

?通信技术的发展，促使传送数字化信息的网络技术开始得到广泛应用。与此同时，基于质量

分析的维护管理、与安全相关系统的测试记录、环境监视需求的增加，都要求仪表能在当地处理信息，并在必要时允许被管理和访问，这些也使现场仪表与上级控制系统的通信量大增。

?另外，从实际应用的角度出发，控制界也不断在控制精度、可操作性、可维护性、可移植性

等方面提出新需求。由此，导致了现场总线的产生。 1.2 现场总线的概念及分类

?1.2.1 现场总线的定义(四种)

?用于现场仪表与控制主机系统之间的一种开放的、全数字化的、双向、多站的通信系统； ?广义上是控制系统与现场检测仪表、执行装置进行双向数字通信的串行总线系统； ?基于智能化仪表及现场总线的控制系统FCS； ?一种数字化的串行双向通信系统。

IEC定义：

?一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备与控制装置之间进行双向、串行、多节点、数字式的数据交换的通信技术。

1.2.2 现场总线的分类

?总线按照长度分类:

（1）毫米级：芯片内总线

（2）厘米级：芯片间总线、元件总线

（3）分米级：机箱内总线（Multi-bus、STD、PCL、ISA、PCI等） （4）十米级：机柜间总线（RS232、GPIB、VME、VXI等） （5）千米级：现场总线（FF、Profibus等） 现场总线按照数据通信宽度分类

?（1）传感器现场总线（数据宽度为位）：

适用于简单的开关装置和输入输出位的这类通信：Seriplex总线、AS-i总线等。

?（2）装置现场总线（数据宽度为字节）：

适用于以字节为单位的装置类通信：Interbus总线、DriveNET总线和CAN总线等。

?（3）全服务的现场总线（数据宽度为数据流或模块Block）：

以报文通信为主，除了对装置进行读取数据外，还包括一些对装置的操作和控制功能：FF总线、Lonworks总线、Hart总线等。 现场总线按照应用行业分类

?（1）过程控制（连续生产过程）用现场总线：FF的HI、Profibus-PA等 ?（2）离散控制用现场总线：Profibus-DP、Device-NET等 ?（3）楼宇自动化用现场总线：Lonworks等 ?（4）车辆制造业用现场总线：CAN等 ?（5）飞机制造业用现场总线：SwiftNet等 ?（6）农业及养殖业用现场总线：P-Net等

1.2.3 现场总线的本质

?（1）现场通信网络

用于过程以及制造自动化的现场设备或现场仪表互连的通信网络。

?（2）现场设备互连

传感器、变送器和执行器等，这些设备通过一对传输线互连。

?（3）互操作性

现场设备或现场仪表种类繁多，互相连接不同制造商的产品是不可避免的。性能价格比最优的产品，并将其集成在一起，实现 “即接即用”;用户希望对不同品牌的现场设备统一组态，构成所需要的控制回路。

?（4）分散功能块

FCS废弃了DCS的输入/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，从而构成就地控制站。

?例如：流量变送器不仅具有流量信号变换、补偿和累加输人模块，而且有PID控制和运算功

能块。调节阀的基本功能是信号驱动和执行，还内含输出特性补偿模块，也可以有PID控制和运算模块，甚至有阀门特性自检验和自诊断功能。由于功能块分散在多台现场仪表中，并可统一组态，供用户灵活选用各种功能块，构成所需的控制系统，实现彻底的分散控制。

?（5）通信线供电

通信线供电方式允许现场仪表直接从通信线上获取能量，对于要求本征安全的低功耗现场仪表，可采用这种供电方式。

?（6）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，还可以实现网络数据库的共享。不同制造商的网络实现互连，用户通过网络对现场设备和功能块统一组态，把不同厂商的网络及设备融为一体，构成统一的FCS。 1.3 现场总线的特点和优点

?1.3.1 现场总线的结构特点

?现场总线控制系统由于采用了现场总线设备，能够把原先DCS系统中处于控制室的控制模

块、输入输出模块置于现场总线设备，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，因而控制系统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。

?由于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、节约连接电缆与各种安装、维护费用创造了条件。

FCS和DCS的详细对比

1.3.2 现场总线的技术特点

?（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；而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。

?（3）现场设备的智能化与功能自治性

?将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场总线设备中完成。 ?（4）系统结构的高度分散性 ?现场总线已构成一种新的全分散性控制系统的体系结构，提高了可靠性。