现场总线与控制网络
Field Bus and Control Network
西安建筑科技大学
段中兴 郑普亮 2012年2月
主要内容
现场总线简介、特点与优点 数据通信基础与网络互联 主要现场总线的介绍 现场总线的典型应用 现场总线控制系统 现场总线与工业以太网的互连技术
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1.1.5 现场总线的现状
1. 多种总线共存 世界市场对各种现场总线的需求：
过程自动化：15%(FF,PROFIBUS-PA,WorldFIP) 医药领域：18%(FF,PROFIBUS-PA,WorldFIP) 加工制造：15%(PROFIBUS-DP,DeviceNet) 交通运输：15%(PROFIBUS-DP,DeviceNet) 航空，国防：34%(PROFIBUS-FMS,LonWorks, ControlNet,DeviceNet) 其它，如楼宇自动化，农业等
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1.1.3 现场总线的特点和优点
---现场总线的结构特点
由于采用智能现场设备，能够把DCS系统中 处于控制室的控制模块、各输入输出模块置 入现场设备中，在现场直接完成采集和控制。 由于不需要其他的模数转换器件，且一对电 线能传输多个信号，因而简化了系统结构， 节约了设备及安装维护费用。
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1.1.6 现场总线网络的实现
数据链路层
分为两个子层：介质访问控制层(MAC)和逻辑链路控制 层(LLC)。MAC对传输介质传送的信号进行发送和接收 控制；LLC对数据链进行控制，保证数据传送到指定的 设备上。现场总线上的设备可以是主站，也可以是从站。 MAC层的三种协议：集中式轮询协议、令牌总线协议和 总线仲裁协议。
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典型ABB的AC800M系统组成
iFIX
IFix Client 1 Gateway IFix Client 2 3 NIC MIS
ERP
IFix Primary Server
iFix OPC Client
IFix Secondary Server
ABB AC800M
Client/server Network
Connectivity Server
Aspect Server
Application Server
Engineering Work place
Control Network
AC 800M
Serial, OPC or fieldbus Field Bus
AC 800M
1.1.6 现场总线网络的实现
制定标准时参照OSI七层协议标准； 大多采用第1层(物理层)、第2层(数据链路 层)和第7层(应用层)，并增加第8层用户层。
物理层：定义了信号的编码与传送方式、传送介质、
接口的电气及机械特性、信号传输速率等。 现场总线有两种编码方式：Manchester和NRZ， 前者同步性好，但频带利用率低，后者刚好相反。前 者采用基带传输，后者采用频带传输。调制方式主要 有CPFSK和COFSK。传输介质主要有：有线电缆、 光纤和无线介质。
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1.1.1 现场总线的产生
---控制系统的发展趋势 第一代：气动信号控制系统(50年代之前) 第二代：电动模拟信号控制系统(50年代 至今),4－20mA的模拟量标准信号。 第三代：计算机集中控制系统(70年代) 第四代：集散式分布控制系统(80年代)
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1.1.7 现场总线的发展趋势
自动化系统和设备将朝着现场总线体系结构 方向发展； 在未来数年内几大总线标准共存，甚至在一 个系统内几种标准的设备通过路由网关互连 实现信息共享； 我国在这一领域刚刚起步。
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1.1.4 现场总线标准的制定
1984年，IEC开始起草现场总线标准； 1993-1998年，制定IEC61158的现场总 线物理层规范、链路服务定义及协议规范、 应用层服务定义及协议规范 1999年，修改IEC61158技术规范，形成8 种类型新标准 2000年，修改后的IEC61158最终获得通 过
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1.1.2 现场总线的本质
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 而构成虚拟控制站 例如： 流量变送器不仅具有流量信号变换、补偿和累加 输入模块，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，或PID控制和运算模块，甚至 阀门特性自检验和自诊断功能。
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DCS与FCS
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1.1.1 现场总线的产生---产生背景
微处理器技术的迅猛发展和广泛应用，使 仪表和现场控制设备在性能和功能上有显 著的提高； 对系统维护管理、测试和监视需求的日益 增加； 控制领域在控制精度、可操作性、可维护 性、可移植性等方面的要求。
互可操作性与互用性 现场设备的智能化与功能自治性 系统结构的高度分散性 对现场环境的适应性
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1.1.3 现场总线的特点和优点 ---现场总线的优点
节省硬件数量与投资 节省安装费用 节约维护开销 用户具有高度的系统集成主动权 提高了系统的准确性与可靠性
应用层
分为两子层：应用服务层(FMS)，用于为用户提供服务； 现场总线存取层(FAS)，用于实现数据链路的连接。
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1.1.6 现场总线网络的实现
用户层 定义了从现场装置中读写信息和向网络中其他装置 分派信息的方法，即规定了供用户组态的标准“功 能模块”。
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参考书目
1. 李正军.《现场总线及其应用技术》
机械工业出版社，2005
2. 阳宪惠. 《现场总线技术及其应用》
清华大学出版社，1998 3. 甘永梅.《现场总线技术及其应用》 机械工业出版社，2000 4. 杨宁.《集散控制系统及现场总线》 北航出版社，2001 5. 邬宽明.《现场总线技术应用选编》 北航出版社，2001
AC800M
ABB OPC Server
AC800M
AC800M
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Plant Network / Intranet
Workplaces
Firewall
Enterprise Optimization Suite
Third party application server Mobile Operator
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1.1.1 现场总线的产生 ---控制系统的发展趋势
第五代：现场总线控制系统(FCS)
突破了DCS系统采用通信专用网络的局限，
采用了基于公开化、标准化的解决方案，克 服了封闭系统所造成的缺陷； 把DCS的集中与分散相结合的集散系统结 构，变成了新型全分布式结构，把控制功能 彻底下放到现场。 开放性、分散性与数字通讯是现场总线系 统最显著的特征。
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新标准采用8种类型
Type1 Type2 Type3 Type4 Type5 Type6 Type7 Type8 公司) IEC61158(FF的H1) ControlNet(美国Rockwell公司) PROFIBUS(德国Siemens公司) P-Net(丹麦Process Data公司) FF HSE(Fisher-Rosemount公司) SwiftBet(美国波音公司) WorldFIP(法国Alstom公司) INTERBUS(德国Phoenix Contact
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1.1.2 现场总线的本质
5. 通信线供电 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，也可以与不同层网 络互连，还可以实现网络数据库的共享
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1.1.3 现场总线的特点和优点
---FCS与DCS的详细对比
1. 结构
FCS: 一对多：一对传输线接多台仪表，双 向传输多个信号 DCS: 一对一：一对传输线接一台仪表， 单向传输一个信号
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1.1.3 现场总线的特点和优点
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参考书目
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要求及考试
上课认真做笔记 认真完成课后作业
平时成绩
实验成绩 平时表现及作业
30％
60% 40%
期末笔试
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70％
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第一讲 现场总线概述
1.1 现场总线的现状和发展
现场总线 现场总线是用于现场仪表与控制系统和控制室 之间的一种全分散、全数字化、智能、双向、 互联、多变量、多点、多站的通信网络。 IEC对现场总线的定义 现场总线是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实行双向、串 行、多节点数字通信的技术。 涉及智能仪表、控制、计算机、数据通信技术
---FCS与DCS的详细对比
2. 可靠性
FCS: 可靠性好：数字信号传输抗干扰能力 强，精度高； DCS: 可靠性差：模拟信号传输不仅精度 低，而且容易受干扰