现场总线控制系统.docx
《现场总线控制系统.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《现场总线控制系统.docx（16页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
现场总线控制系统
南阳理工学院
自动控制仪表课程报告
学院（系）：
机械与汽车工程学院
专业：
测控技术与仪器（升）
学生：
***
指导教师：
**
完成日期2015年12月
自动控制仪表课程报告
现场总线控制系统
Fieldbuscontrolsystem
总计：
自动控制仪表课程报告20页
插图：
14幅
自动控制仪表课程报告
现场总线控制系统
Fieldbuscontrolsystem
学 院（系）：
机械与汽车工程学院
专业：
测控技术与仪器（升）
学生姓名：
***
学号：
1%%%%%%%
指导教师（职称）：
（高级工程师）
评阅教师：
完成日期：
2015年12月
南阳理工学院
NanyangInstituteofTechnology
现场总线控制系统
测控技术与仪器（升）***
[摘 要]技术自推广以来，已经在世界范围内应用于工业控制的各个领域。
现场总线的技术推广有了三、四年的时间，已经或正在应用于冶金、汽车制造、烟草机械、环境保护、石油化工、电力能源、纺织机械等各个行业。
应用的总线协议主要包括、、Foundation、、Interbus_S等。
在汽车行业，现场总线控制技术应用的非常普遍，近两年国内新的和旧的生产线的改造，大部分都采用了现场总线的控制技术。
国外设计的现场总线控制系统已应用很广泛，从单机设备到整个生产线的输送系统，全部采用现场总线的控制方法。
而国内的应用仍大多集中中生产线的输送系统、随着技术的不断发展和观念的更新必然会逐步扩展其应用领域。
[关键词]现场总线；工业控制；应用广泛
Fieldbuscontrolsystem
Measurement&ControlTechnologyandInstrumentsMajor（l）***
Abstract：
Fieldbustechnology,sincethepromotionhasbeenallovertheworldshouldbeusedinindustrialcontrolfields.Fieldbustechnologypopularizationhasthreeorfouryears,hasbeenorarebeingusedinmetallurgy,automobilemanufacturing,tobaccomachinery,environmentalprotection,petrochemical,electricpower,textilemachineryandotherindustries.ApplicationofbusprotocolmainlyincludesthePROFIBUS,DeviceNet,Foundation,Fieldbus,Interbus_S,etc.Intheautomotiveindustry,thefieldbuscontroltechnologyapplicationisverycommon,inthepasttwoyearsthedomesticnewandtheoldproductionlineofautoproductionlinetransformation,mostlyusingthefieldbuscontroltechnology.Designoffieldbuscontrolsystemhasbeenappliedabroadisverybroad,fromthesingledevicetothetransmissionsystemofthewholeproductionline,adoptsthecontrolmethodofthefieldbus.Anddomesticapplicationsaremostlyconcentratedintheproductionlineofconveyingsystem,withthecontinuousdevelopmentoftechnologyandisboundtorenewideasgraduallyexpandingitsapplicationfield.
Keywords：
Fieldbus;Industrialcontrol;Widelyused
1
5
1引言
现场总线控制系统概述
现场总线控制系统是从八十年代中期发展起来的。
经历了十几年的时间，现场总线控制技术已经被广泛应用于汽车、造纸、纺织、烟草、机械、石油化工、电力、楼宇自控等各个控制领域。
现场总线控制技术由于其巨大的技术优势，被认为是工业控制发展的必然趋势，将逐步取代传统的PLC点对点接线的控制方法。
现场总线技术的控制系统（FieldbusControlSystem-FCS）是以现场总线为基础发展起来的全数字控制系统。
实际上就是以现场总线技术为核心，以基于现场总线的智能I/O或智能传感器、智能仪表为控制主体、以计算机为监控指挥中心的系统编程、组态、维护、监控等功能为一体的工作平台。
现场总线的技术基础是一种全数字化、双向、多站的通信系统，是应用于各种机控制领域的总线，因现场总线潜在着巨大的商机，世界范围内的各大公司投入相当大的人力、物力、财力来进行开发研究。
当今现场总线技术一直是国际上各大公司激烈竞争的领域，由于现场总线技术的不断创新，过程控制系统由第四代的DCS至今的FCS（FieldbusControlSystem）系统,已被称为第五代过程控制系统。
而FCS和DCS的真正区别在于其现场总线技术。
现场总线技术以数字信号取代模拟信号，在3C（Computer计算机、Control控制、Commcenication通信）技术的基础上，大量现场检测与控制信息就地采集、就地处理、就地使用，许多控制功能从控制室移至现场设备。
由于国际上各大公司在现场总线技术这一领域的竞争，仍未形成一个统一的标准，目前，在现场总线网络互联都是遵守OSI模型。
2现场总线控制系统
现场总线控制系统体系结构
现场总线控制系统FCS是以现场总线为基础的开放式、全数字式的控制系统。
它通常由以下3部分组成：
现场智能仪表、控制器；现场总线系统；监控、组态计算机。
其中现场智能仪表、控制器、计算机等都通过现场总线网卡及通信协议软件连接到网上，故现场总线网卡及通信协议软件是FCS的基础和神经中枢。
与此同时，组态技术包含有系统组态、数据库组态及控制算法组态，生成的参数及算法不仅可以在控制器中运行，还可以在远程I／O或智能设备上运行。
国际电工协会（IEC）的SP50委员会对现场总线有以下三点要求：
同一数据链路上过程控制单元（PCU）、PLC等与数字1/O设备互连；现场总线控制器可对总线上的多个操作站、传感器及执行机构等进行数据存取；通信媒体安装费用较低。
现场总线是一种串行的数字数据通讯链路，它沟通了生产过程领域的基本控制设备（即现场级设备）与更高层次自动控制领域的自动化控制设备（即车间级设备）之间的联系。
现场总线控制系统主要包括一些实际应用的设备，如PLC、扫描器、电源、输入输出站、终端电阻等。
其它系统也可以包括变频器、智能仪表、人机界面等。
系统中的主控器（Host）可以是PLC或PC，通过总线接口对整个系统进行管理和控制。
其总线接口，有时可以称为扫描器。
可以是分别的卡件，也可以集成于PLC中。
总线接口作为网络管理器和作为主控器到总线的网关，管理来自总线节点的信息报告，并且转换为主控器能够读懂的某种数据格式传送到主控器。
总线接口的缺省地址通常设为"0"电源，是网络上每个节点传输和接收信息所必须的。
通常输入通道与内部芯片所用电源为同一个电源，习惯称为总线电源。
而输出通道使用独立的电源，称为辅助电源。
图1现场总线控制系统体系结构
如图1所示，最底层的Infranet控制网即FCS，各控制器节点下放分散到现场，构成一种彻底的分布式控制体系结构，网络拓扑结构任意，可为总线形、星形、环形等，通讯介质不受限制，可用双绞线、电力线、无线、红外线等各种形式。
FCS形成的Infranet控制网很容易与Intranet企业内部网和Internet全球信息网互连，构成一个完整的企业网络三级体系结构。
现场总线控制系统的特点
第一，FCS的信号传输实现了全数字化，从最底层的传感器和执行器都采用现场总线网络，逐层向上直至最高层均为通信网络互连;第二，FCS的系统结构是全分散式，FCS废弃了DCS的输入/输出单元和控制站，由现场设备或现场仪表取而代之，即把DCS控制站的功能化整为零，分散地分配给现场仪表，从而构成虚拟控制站，实现彻底的分散控制;第三，FCS的现场设备具有互操作性，不同厂商的现场设备既可互连也可互换，并可以统一组态，彻底改变传统DCS控制层的封闭性和专用性;第四，FCS的通信网络为开放式互连网络，既与同层网络互连，也可与不同层网络互连，用户可极其方便地共享网络数据库;第五，FCS的技术和标准实现了全开放，无专利许可要求，可供任何人使用，从总线标准、产品检验到信息发布全是公开的，面向世界任何一个制造商和用户。
现场总线控制系统的关键要点
（1）现场总线控制系统的核心是现场总线协议，即现场总线标准一种类型的总线，只要其总线协议一经确定，相关的关键技术与有关的设备也就被确定。
就其总线协议的基本原理而言，各类总线都是一样的，都以解决双向串行数字化通讯
传输为基本依据。
用现场总线在控制现场建立一条可靠性的数据通信线路，实现各智能传感器之间及智能传感器与主控机之间的数据通信，把单个分散的智能传感器变成网络节点。
（2）现场总线控制系统的基础是数字智能传感器数字智能传感器是FCS系统的硬件支撑，是基础，道理很简单，智能传感器中的数据处理有助于减轻主控站的工作负担，经过智能传感器预处理的数据通过现场总线汇集到主机上，进行更高级的处理，提高了信号传输的准确性、实时性和快速性。
（3）现场总线控制系统的实质是信息处理现场化无论采用什么类型控制系统，系统需要处理的信息量至少是一样多的。
实际上，采用现场总线后，可以从现场得到更多的信息。
现场总线系统的信息量没有减少，甚至增加了，而传输信息的线缆却大大减少了。
这就要求一方面要大大提高线缆传输信息的能力，另一方面要让大量信息在现场就地完成处理，减少现场与控制机房之间的信息往返。
可以说现场总线的实质就是信息处理的现场化，也是智能化仪表和现场总线所追求的目标。
3现场总线的技术
现场总线的概念
现场总线是将自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备互连的实时控制通讯网络，遵循ISO的OSI开放系统互连参考模型的全部或部分通讯协议。
FCS则是用开放的现场总线控制通讯网络将自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备互连的实时网络控制系统。
图2现场总线结构图
现场总线的技术特征
传统计算机控制系统中，现场仪表和控制器之间均采用一对一的物理连接。
这种传输方式一方面要给现场安装、调试及维护带来困难，另一方面难以实现现场仪表的在线参数整定和故障诊断，无法实时掌握现场仪表的实际情况，使得处于最底层的模拟变送器和执行机构成了计算机控制系统中最薄弱的环节。
如图2，现场总线采用数字信号传输，允许在一条通信线缆上挂接多个现场设备，而不再需要A/D、D/A等I/O组件。
当需要增加现场控制设备时，现场表可就近连接在原有的通信线上，无需增设其它任何组件。
从结构上看，DCS实际上是“半分散”、“半数字”的系统，而FCS采用的是一个“全分散”、“全数字”的系统架构。
FCS的技术特征可以归纳为以下几个方面：
①全数字化通信――现场信号都保持着数字特性，现场控制设备采用全数字化通信。
②开放型的互联网络――可以与任何遵守相同标准的其它设备或系统相连。
③互可操作性与互用性――互操作性的含义是指来自不同制造厂的现场设备可以互相通信、统一组态；而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用。
④现场设备的智能化――总线仪表除了能实现基本功能之外，往往还具有很强的数据处理、状态分析及故障自诊断功能，系统可以随时诊断设备的运行状态。
⑤系统架构的高度分散性――它可以把传统控制站的功能块分散地分配给现场仪表，构成一种全分布式控制系统的体系结构。
图3FCS结构示意图
4现场总线控制系统与现场总线的联系
现场总线技术是FCS的核心
现场总线技术的控制系统（FieldbusControlSystem-FCS）是以现场总线为基础发展起来的全数字控制系统。
实际上就是以现场总线技术为核心，以基于现场总线的智能I/O或智能传感器、智能仪表为控制主体、以计算机为监控指挥中心的系统编程、组态、维护、监控等功能为一体的工作平台。
图4为FCS基本构成图
FCS的关键是现场总线技术与现场总线智能传感器，国内企业应吸取在PLC、DCS技术和产业化方面发展的经验教训，把握机遇，开发出拥有自主知识产权、基于现场总线技术的控制系统，将国内工业自动化装备提高到一个新的水平，使我国自动化行业在未来国际自动化技术领域中及市场份额上都占有一席之地。
5现场总线控制系统带来的变革及典型应用
变革
综上所述，现场总线对当今的自动化带来以下7个方面的变革:
（1）用一对通信线连接多台数字仪表代替一对信号线只能连接一台模拟仪表;
（2）用多变量、双向、数字通信方式代替单变量、单向、模拟传输方式;
（3）用多功能的现场数字仪表代替单功能的现场模拟仪表;
（4）用分散式的虚拟控制站代替集中式的控制站;
（5）用现场控制系统FCS代替集散控制系统DCS;
（6）变革传统的信号标准、通信标准和系统标准;
（7）变革传统的自动化系统的体系结构、设计方法和安装调试方法。
应用
现场总线技术是控制、计算机、通讯技术的交叉与集成，几乎涵盖了所有连续、离散工业领域，如过程自动化、制造加工自动化、楼半自动化、家庭自动化等。
它的出现和快速发展体现了控制领域对降低成本、提高可靠性、增强可维护
性和提高数据采集的智能化的要求。
下面以Profibus为例，说明现场总线控制系统的典型应用。
PROFIBUS是一种国际化．开放式．不依赖于设备生产商的现场总线标准。
广泛适用于制造业自动化．流程工业自动化和楼宇．交通电力等其他领域自动化。
PROFIBUS由三个兼容部分组成，即PROFIBUS－DP（DecentralizedPeriphery），PROFIBUS－PA（ProcessAutomation），PROFIBUS-FMS（FieldbusMessageSpecification）。
这三个部分分别在三大典型系统中有所应用：
（1）连续的工艺过程自动控制，如石油化工，典型产品是Profibus—PA：
专为过程自动化设计，可使传感器和执行机构联在一根总线上，并有本征安全规范。
（2）分立的工艺动作自动控制，如汽车，典型产品是PROFIBUS–DP:
是一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与分散式I／O的通信。
使用PROFIBUS－DP可取代办24VDC或4－20mA信号传输。
（3）多点控制，如楼宇自动化，典型产品是PROFIBUS－FMS：
用于监控网络，是一个令牌结构．实时多主网络。
与其它现场总线系统相比，PROFIBUS的最大优点在于具有稳定的国际标准EN50170作保证，并经实际应用验证具有普遍性。
6现场总线控制系统市场前景分析
市场需求
目前，国内各行业竞争激烈。
企业逐步认识到只有不断引人新技术才能使企业得到持续稳定地发展。
企业有追求新技术、改造现有系统的需求。
现场总线技术是未来自动化技术发展主流，基于现场总线的先进控制系统以其明显的技术优势和价格优势，在分布式控制系统市场中将逐步替代PLC产品。
企业效益
对现场设备制造商参与基于现场总线的先进控制系统开发的现场设备制造商将本企业传统产品提高了一个技术水平。
由于现场总线技术的开放性，企业开发的现场总线产品可以集成到任何现场总线控制系统中。
对自动化系统集成商应用现场总线的先进控制系统的自动化系统集成商有条件以系统为平台，利用自身在行业领域中的优势，开发出具有专用技术的控制系统，使系统集成增值，增加利润并扩大市场份额。
结束语
当前，国际上各个自动化公司都在现场总线方面投入了巨大的资源进行研究与开发，因为这是进入下一代控制系统的关键技术，谁能够为解决现场总线目前存在
的问题拿出完整有效的解决方案，谁就占据了市场的先机。
另外，下一代控制系统要真正形成巨大的市场，除技术上要走向成熟之外，还要有一个能够得到广泛认可的标准。
正如电子技术是单元式组合仪表控制系统的关键技术，软件技术是数字化控制系统如DCS、PLC等的关键技术一样，网络技术将是FCS的关键技术。
可以说，一套简洁明了、高效可靠、标准化的网络通信规约将是FCS能否真正成为下一代控制系统的关键。
转眼这学期即将结束，控制仪表与装置这门课也结束了。
课程报告不仅是对这门课所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。
我不仅收获了知识而且也锻炼了品质，通过这次认真而又细致的课程报告，我对待事情的态度更加严谨更加有耐心，并且我更希望把所做的事情做好做完美，我想这将是一种很重要的财富。
课程报告的结束也是毕业设计的开始，相信这次课程报告会令我的毕业设计能加完美。
参考文献
[1]李忠虎．现场总线技术纵横谈[J]职大学报，2003（4）：
23-24．
[2]刘紫燕，冯丽．现场总线技术与现场总线控制系统[D]．浙江大学电气工程学院（310027）：
浙江大学电气工程学院，2010．
[3]罗安．现场总线与现场总线控制系统[J]．自动化博览，2008，25（6）：
11-12．
[4]吴勤勤.控制仪表及装置[M].北京：
化学工业出版社，.
附录
一基金会现场总线
按照基金会总线组织的定义，FF总线是一种全数字、串行、双向传输的通信系统，是一种能连接现场各种现场仪表的信号传输系统，其最根本的特点是专门针对工业过程自动化而开发的，在满足要求苛刻的使用环境、本质安全、总线供电等方面都有完善的措施。
为此，有人称FF总线为专门为过程控制设计的现场总线。
在FF协议标准中，FF分为低速H1总线和高速H2总线。
H1主要针对过程自动化，传输速率，传输距离可达1900m（可采用中继器延长），支持总线供电和本质安全防爆。
高速总线协议H2主要用于制造自动化，传输速率分为1Mbps和两种。
但原来规划的H2高速总线标准现在已经被现场总线基金会所放弃，取而代之的是基于以太网的高速总线HSE。
FF总线的通信模型为了实现通信系统的开放性，FF通信模型参考了OSI模型，如图5。
图5FF通信模型
H1总线的通信模型包括物理层、数据链路层、应用层，并在其上增加了用户层。
物理层采用了IEC61158-2的协议规范；数据链路层DLL规定如何在设备间共享网络和调度通信，通过链路活动调度器LAS来管理现场总线的访问；应用层则规定了在设备间交换数据、命令、事件信息以及请求应答中的信息格式。
H1的应用层分为两个子层――总线访问子层FAS和总线报文规范子层FMS，功能块应用进程只使用FMS，FAS负责把FMS映射到DLL。
用户层则用于组成用户所需要的应用程序，如规定标准的功能快、设备描述等。
不过，数据链路层和应用层往往被看作为一个整体，统称为通信栈。
HSE采用了基于Ethernet和TCP/IP的六层协议结构的通信模型。
其中，一～四层为标准的Internet协议；第五层是现场设备访问会话，为现场设备访问代理提供会话组织和同步服务；第七层是应用层，也划分为FMS和现场设备访问FDA二个子层，其中FDA的作用与H1的FAS相类似，也是基于虚拟通信关系为FMS提供通信服务。
（2）H1总线协议
H1总线的物理层根据IEC和ISA标准定义，符合ISA物理层标准、IEC1158-2物理层标准以及FF-816物理层行规规范。
当物理层从通信栈接收报文时，对数据帧加上前导码和定界码，并对其实行数据编码，再经过发送驱动器把所产生的物理信号传送到总统的传输媒体上。
相反，在接收信号时，需要进行反向解码。
图6（a）曼彻斯特编码图6（b）前导码和定界码
如图6，基金会现场总统采用曼彻斯特编码技术将数据编码加载到直流电压或电流上形成“同步串行信号”“0”、“1”、“N+”、“N－”按规定的顺序组成。
图7（a）表示了H1总线的配置思想，总线两端分别连接一个终端器，形成对信号的通带电路。
发送设备产生的信号是、峰峰值为15～20mA的电流信号，如图（b）；传送给相当于50Ω的等效负载，产生一个调制在直流电源电压上的～1V的峰峰电压，如图（c）。
H1支持总线供电和非总线供电二种方式。
图7H1总线上的信号波形
通信栈包括数据链路层DLL、现场总线访问子层FAS和现场总线报文规范FMS三部分。
DLL最主要的功能是对总线访问的调度，通过链路活动调度器LAS来管理总线的访问，每个总线段上有一个LAS。
H1总线的通信分为受调度/周期性通信和非调度/非周期性通信二类。
前者一般用于在设备间周期性地传送测量和控制数据，其优先级最高，其它操作只在受调度传输之间进行。
FAS子层处于FMS和DLL之间，它使用DLL的调度和非调度特点，为FMS和应用进程提供报文传递服务。
FAS的协议机制可以划为三层：
FAS服务协议机制、应用关系协议机制、DLL映射协议机制，它们之间及其与相邻层的关系如图8所示。
FAS服务协议机制负责把发送信息转换为FAS的内部协议格式，并为该服务选择一个合适的应用关系协议机制。
应用关系协议机制包括客户/服务器、报告分发和发布/接收三种由虚拟通信关系VCR来描述的服务类型，它们的区别主要在于FAS如何应用数据链路层进行报文传输。
DLL映射协议机制是对下层即数据链路层的接口。
它将来自应用关系协议机制的FAS内部协议格式转换成数据键路层DLL可接受的服务格式，并送给DLL，反之亦然。
图8FAS协议机制
FMS描述了用户应用所需要的通信服务、信息格式和建立报文所必需的协议行为。
针对不同的对象类型，FMS定义了相应的FMS通信服务，用户应用可采用标准的报文格式集在现场总线上相互发送报文。
用户层定义了标准的基于模块的用户应用，使得设备与系统的集成与互操作更加易于实现。
用户层由功能块和设备描述语言两个重要的部分组成。
（3）FF总线的网络拓扑
FF现场总线的网络拓扑比较灵活，通常包括点到点型拓扑、总线型拓扑、菊花链型拓扑、树型拓扑以及这多种拓扑组合在一起构成的混会型结构。
其中，总线线型和树型拓扑在工程中使用较多。
在总线型结构中，总线设备通过支线电缆连接到总线段上，支线长度一般小于l20米，适用于现场设备物理分布比较分散、设备密度较低的应用场合，分支上现场设备的拆装对其它设备不会产生影响。
在树型结构中，现场总线上的设备都是被独立连接到公共的接线盆、端子、仪表板或I/O卡，适用于现场设备局部比较集中的应用场合。
H1总线连接以及HSE网络拓扑分别如图9、10所示。
图9H1总线上的设备连接图10HSE设备连接示意图
二PROFIBUS现场总线
PROFIBUS共包括PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-DP和PROFIBUS-PA三个兼容系列，各系列的协议
升级会员 