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1、第l章 現場總線概述,討論內容概述： 1.1 現場總線簡介 1.2 現場總線的特點 1.3 以現場總線為基礎的企業(yè)網絡系統,參考文獻： 1陽憲惠現場總線技術及其應用(第二版). 北京：清華出版社 2史久根等CAN現場總線系統設計技術. 北京：國防工業(yè)出版社 3雷 霖現場總線控制網絡技術. 北京：電子工業(yè)出版社，2004 4甘永梅，李慶豐，劉曉娟等現場總線技術及其應用. 北京：機械工業(yè)出版社，2004 5李正軍現場總線及其應用技術北京：機械工業(yè)出版社，2006,6王黎明等CAN現場總線系統的設計與應用.北京：電子工業(yè)出版社，2008 7饒運濤等現場總線CAN原理與應用技術（
2、第2版）. 北京：北京航空航天大學出版社，2007,通過網絡可以做些什么？,瀏覽網頁、收發(fā)電子郵件、網絡聊天（QQ、MSN、飛信等）。。。 網上購物：淘寶、京東、當當、卓越、各種團購網站。。。 網上金融：炒股、基金買賣、網銀、在線支付。。。 網上在線聽、讀、看（音頻、文本、圖片、視頻）或下載。。。 手機上網（目前的各種智能手機）。。。 正在興起的“物聯網” 。。。,顯然，計算機網絡的應用正在改變著人們的工作方式與生活方式，并進一步引起世界范圍內產業(yè)結構的變化，促進了全球信息產業(yè)的發(fā)展，在經濟、文化、科研、軍事、政治、教育和社會生活等各個領域發(fā)揮著越來越重要的作用。
3、計算機網絡、通信與控制技術的發(fā)展，導致自動化系統產生了深刻的變革，也就是說，以計算機網絡為主的技術在生產領域引起了深刻的變革：,信息技術迅速滲透到生產現場的設備層，覆蓋從生產車間到企業(yè)管理的各個方面，溝通從原料供應、生產制造到生產調度、資源規(guī)劃乃至市場銷售的各個環(huán)節(jié)，逐步形成了以控制網絡為基礎的企業(yè)信息系統。 測控總線技術課程主要討論的是：生產現場中的底層控制網絡現場總線(fieldbus)。它是順應自動化系統的變革趨勢而發(fā)展起來的新技術。,1.1 現場總線簡介,1.1.1 什么是現場總線 與其他技術一樣，現場總線技術也是逐步發(fā)展起來的一種新技術。 現場總線原來是指現場設備之間公用的信
4、號傳輸線。 之后被定義為應用在生產現場，在測量控制設備之間實現雙向串行多節(jié)點數字通信的系統。 技術發(fā)展至今，現場總線已經成為控制網絡技術的代名詞，廣泛應用于離散制造業(yè)、流程工業(yè)、交通、樓宇、國防、環(huán)境保護以及農、林、牧等各行各業(yè)的自動化系統中。,什么是現場總線？ 現場總線以測量控制設備作為網絡節(jié)點，以雙絞線等傳輸介質為紐帶，把位于生產現場、具備數字計算和數字通信能力的測控設備連接成網絡系統，按公開、規(guī)范的通信協議，在多個測量控制設備之間以及現場儀表與遠程監(jiān)控計算機之間，實現數據傳輸與信息交換，形成適應各種應用需要的自動控制系統。 現場總線給自動化領域帶來的變化就像計算機網
5、絡給單臺計算機帶來的變化一樣，它使測控設備連成測控網絡并與計算機網絡連接，使控制網絡成為信息網絡的重要組成部分。,現場總線產生的背景： 現場總線是20世紀80年代中期發(fā)展起來的。 隨著微處理器與計算機功能的不斷增強和價格的急劇降低，計算機與計算機網絡系統得到迅速發(fā)展。而處于生產過程底層的測控自動化系統，或采用一對一連線，用電壓、電流（模擬信號）進行測量控制；或采用自封閉式的集散系統。這些方式難以實現設備之間以及系統與外界之間的信息交換，使自動化系統成為“信息孤島”。 設想一下你成為“信息孤島”（沒帶手機、無法上網。。。）時會怎樣？,要實現整個企業(yè)的信息集成，實施綜合自動化，就必須設
6、計出一種能在工業(yè)現場環(huán)境運行的、性能可靠、造價低廉的工廠底層網絡，完成現場自動化設備之間的多點數字通信，實現底層現場設備之間以及生產現場與外界的信息交換。（要求） 現場總線在這種實際需求的驅動下應運而生。（通過現場總線來實現） 作為現場設備之間互連的控制網絡，現場總線溝通了生產過程現場設備之間及其與更高控制管理層網絡之間的聯系，為徹底打破自動化系統的信息孤島創(chuàng)造了條件。（結果）,現場總線是一項以數字通信、計算機網絡、自動控制為主要內容的綜合技術。 它作為現場設備之間信息溝通的紐帶，把掛接在總線上、作為網絡節(jié)點的設備連接為實現相應測量功能的自動化系統，可實現諸如PID控制、補償計算、參數
7、修改、報警、顯示、監(jiān)控、優(yōu)化及控管一體化的自動化功能，從而使自動控制系統發(fā)生了質變。 我們通過對控制系統的回顧來體會現場總線使自動控制系統發(fā)生了質變這一觀點。,現場總線控制系統（FCS，Fieldbus Control System）屬于網絡化控制系統（NCS，Networked Control System），這是新一代控制系統。 在此之前的控制系統的發(fā)展歷程是： 基地式氣動儀表控制系統； 電動單元組合式模擬儀表控制系統； 集中式數字控制系統； 集散控制系統（DCS）。 它們的特征簡單回顧如下。,基地式氣動儀表控制系統： 50年代以前，由于當時的生產規(guī)模較小，檢測
8、控制儀表處于發(fā)展的初級階段，采用的是直接安裝在生產設備上、只具備簡單測控功能的基地式氣動儀表，其信號僅在本儀表內起作用，一般不能傳送給別的儀表或系統，即各測控點只能處于封閉狀態(tài)，無法與外界進行信息溝通，操作人員只能通過生產現場的巡視，了解生產過程的狀況。,電動單元組合式模擬儀表控制系統： 隨著生產規(guī)模的擴大，操作者需綜合掌握多個測控點的運行參數與信息，同時按多點的信息實行操作控制，于是出現了氣動、電動系列的單元組合式儀表，出現了集中控制室。 生產現場各測控點的參數通過統一的模擬信號（如0.0020.01MPa的氣壓信號，010mA、420mA的直流電流信號，15V 直流電壓信號等）送往集中
9、控制室。操作人員可坐在控制室縱觀生產流程各測控點的狀況，同時，可把各單元儀表的信號按需要組合成復雜控制系統。,集中式數字控制系統： 模擬信號的傳遞需要一對一的物理連接，因此信號傳輸緩慢，抗干擾能力也較差。 當用數字信號取代模擬信號時，就出現了直接數字控制技術。 但是，由于當時的數字計算機技術尚不發(fā)達，價格昂貴，因此采用了用一臺計算機取代控制室中幾乎所有儀表盤的方式，這樣就出現了集中式數字控制系統。 但這種結構形式的控制系統中的數字計算機一旦出現故障，就會造成所有控制回路癱瘓、生產過程終止。這種危險的集中式數字控制系統的結構很難為生產過程接受。,集散控制系統（DCS）： 隨著計算機可
10、靠性的提高，價格的大幅下降，出現了數字調節(jié)器、可編程控制器 (PLC)以及由多個計算機遞階構成的集中、分散相結合的集散控制系統（DCS）。 DCS在功能和性能上較組合式模擬儀表、集中式數字控制系統有了很大的提高，可在此基礎上實現裝置級、車間級的優(yōu)化控制。 但DCS仍然存在缺點，主要體現在：,,在DCS形成過程中，由于受計算機系統早期存在的系統封閉這一缺陷的影響，各廠家的產品自成系統，不同廠家的設備不能互連，難以實現互換與互操作，并且在組成更大范圍信息共享的網絡系統時存在很多困難。,新型的現場總線系統： 現場總線系統克服了DCS中采用專用網絡的缺陷，把基于封閉、專用的解決方案變成了基于公開
11、化、標準化的解決方案。即可以把來自不同廠商而遵守同一協議規(guī)范的自動化設備，通過現場總線網絡連成系統，實現綜合自動化的各種功能（就像帶有網卡的戴爾、聯想等品牌的計算機都能連到同一個網絡中一樣）。 同時，把DCS的模擬數字混合系統的結構形式，變成了新型的全分布式網絡結構形式。把控制功能徹底下放到現場，在生產現場實現PID等基本控制功能。,1.1.2 現場總線系統適應了綜合自動化的發(fā)展需要 隨著計算機技術和信息技術的飛速發(fā)展，20世紀末，全球市場逐漸形成，導致競爭加劇，要求產品的技術含量更高、更新換代更快。對處于全球市場中的工業(yè)生產提出了如下要求： 加快新產品的開發(fā)，按市場需求調整產品的上
12、市時間（T，time to market）； 改善質量（Q，quality）； 降低成本（C，cost）； 不斷完善售前售后服務（S，service）。,為適應市場競爭需要，在追求TQCS的過程中逐漸形成了計算機集成制造系統。即采用系統集成、信息集成的觀點來組織工業(yè)生產。把市場、生產計劃、制造過程、企業(yè)管理、售后服務看作需統一考慮的生產過程，并采用計算機、自動化、通信等技術來實現整個過程的綜合自動化，以改善生產加工、管理決策等。在集成信息的基礎上進一步優(yōu)化資源配置與生產操作，增加產量，改善TQCS，提高企業(yè)的市場應變能力和競爭能力。,由于計算機集成制造系統把整個生產過程看作是信息的
13、采集、傳送及加工處理過程，因而信息技術成為工業(yè)生產制造過程的重要因素。 在計算機與網絡技術基礎上發(fā)展起來的現場總線技術為計算機集成制造提供了條件。現場總線是實現整個生產過程信息集成，實施綜合自動化的重要基礎，能適應信息時代自動化系統智能化、網絡化、綜合自動化的發(fā)展需求。,主要討論： 現場總線系統的結構特點 現場總線系統的技術特點 現場總線的優(yōu)點 現場總線的缺點 即從不同的角度討論現場總線系統的特點。,1.2 現場總線的特點,1.2.1 現場總線系統的結構特點 現場總線控制系統與傳統控制系統結構對比如下： 由圖能看出些什么？,,,,由上述結構圖可看出現場總線系
14、統的結構特點主要體現在： （1）傳統模擬控制系統按控制回路進行連接。位于控制室的控制器與位于現場的測量變送器之間，控制器與位于現場的執(zhí)行器、開關、馬達之間均為一對一的物理連接。而在現場總線控制系統中，設備之間采用網絡式連接，各現場設備作為總線上的一個網絡節(jié)點，同時掛接在一條總線上。,（2）現場總線系統中采用的是智能現場設備，因此能夠把原先DCS中處于控制室的控制計算功能模塊（如PID等）、輸入輸出功能模塊（如AI、AO等）置入現場設備，加上現場設備具有通信能力，現場的測量變送儀表可以與閥門等執(zhí)行機構直接傳送信號，因而控制系統的功能能夠不依賴控制室的計算機或控制儀表而直接在現場完成，實現了徹
15、底的分散控制。,（3）由于采用數字信號替代模擬信號，因而可實現一對電線上傳輸多個信號（包括多個運行參數值、多個設備狀態(tài)、故障信息），同時又為多個設備提供電源；現場設備以外不再需要模擬/數字、數字/模擬轉換部件。這樣就為簡化系統結構、節(jié)約硬件設備、節(jié)約連接電纜與各種安裝、維護費用創(chuàng)造了條件。,1.2.2 現場總線系統的技術特點 現場總線系統在技術上具有以下5個特點。 （1）系統的開放性 開放是指對相關規(guī)范的一致與公開，強調對標準的共識與遵從。 系統的開放性體現在通信協議公開，不同廠商提供的設備之間可實現網絡互連和信息交換。用戶可按自己的需要，把來自不同供應商的產品組成適合控制應用
16、需求的系統。 現場總線的出現，就是要致力于建立統一的工廠底層網絡的開放系統。通過現場總線構筑自動化領域的開放互連系統。,（2）互可操作性 互可操作性，是指網絡中互連的設備之間可實現數據信息傳送與交換。如A設備可以接收B設備的數據，也可以控制C設備的動作與所處狀態(tài)。 （3）通信的實時性與確定性 許多測控任務都有嚴格的時序要求和實時性要求。這就要求現場總線系統能提供相應的通信機制以滿足控制系統的實時性要求。 現場總線中的媒體訪問控制機制、通信模式、網絡管理與調度方式等影響通信實時性。（后面的章節(jié)將會述及這些內容）,（4）現場設備的智能化與功能自治性 智能化主要體現在現場設備
17、的數字計算與數字通信能力。 功能自治性是指將傳感測量、補償計算、工程量處理與控制計算等功能分散到現場設備，借助現場設備即可完成自動控制的基本功能，并可隨時診斷設備的運行狀態(tài)。,（5）對現場環(huán)境的適應性 現場總線工作在生產現場，應具有對現場環(huán)境的適應性。 在高溫、嚴寒、粉塵環(huán)境下能保持正常工作狀態(tài)，具備抗震動、抗電磁干擾能力； 在易燃易爆環(huán)境下能保證本質安全，有能力支持總線供電。 上述技術特點是現場總線控制網絡有別于普通計算機網絡的重要方面。,1.2.3 現場總線的優(yōu)點 現場總線的特點使現場總線控制系統在設計、安裝、投運和檢修維護方面都體現出了優(yōu)越性。,（1）節(jié)省硬
18、件數量與投資 現場總線系統中，由于分散在現場的智能設備能直接執(zhí)行多種傳感、控制、報警和計算功能（即功能自治性的技術特點），因而可減少變送器數量（不再需要單獨的調節(jié)器、計算單元等），也不再需要DCS的信號調理、轉換、隔離等功能單元及其復雜接線（因為在DCS中，測量變送儀表一般仍然為模擬儀表，控制計算功能模塊（如PID等）和輸入、輸出功能模塊（如AI、AO等）處于控制室） ，還可以用工控PC機作為操作站，從而節(jié)省硬件投資，并可減少控制室占地面積。,（2）節(jié)省安裝費用 現場總線系統的接線簡單，一對雙絞線或一條電纜上通?？蓲旖佣鄠€設備，因而電纜、端子、槽盒、橋架的用量大大減少，連線設計與接頭校
19、對的工作量也大大減少。 當需要增加現場控制設備時，可就近連接在原有的電纜上而無需增設新的電纜，這既節(jié)省了投資，又減少了設計、安裝的工作量。 有關典型試驗工程的測算資料表明，可節(jié)約安裝費用60以上。,（3）節(jié)省維護開銷 由于現場控制設備具有自診斷與簡單故障處理能力并通過數字通信將相關的診斷維護信息送往控制室，用戶可以查詢所有設備的運行和診斷維護信息，以便盡早分析故障原因并快速排除，減少了維護停工時間。 同時，由于系統結構簡化，連線簡單而減少了維護工作量。 （4）用戶具有高度的系統集成主動權 用戶可自由選擇不同廠商提供的設備來集成系統（系統具有開放性的技術特點），即系統集成
20、過程中的主動權牢牢掌握在用戶手中。,（5）提高了系統的準確性與可靠性 與模擬信號相比，由于現場總線設備的智能化、數字化，因此從根本上提高了測量與控制的精度，減少了傳送誤差。 同時，由于系統結構簡化，設備與連線減少，現場儀表內部功能加強，因此減少了信號的往返傳輸，提高了系統的工作可靠性。 此外，由于設備的標準化，功能的模塊化，因而現場總線系統還具有設計簡單，易于重構等優(yōu)點。,現場總線系統也存在問題： 現場總線系統中，網絡成為系統的一個組成部分。而網絡通信中數據包的傳輸延時、通信系統的瞬時錯誤和數據包的丟失、各數據包發(fā)送與到達次序的不一致等都有可能破壞傳統控制系統原本具有的確定性，
21、有可能對控制系統的性能產生負面影響。 如何使控制網絡滿足控制系統對通信實時性、確定性的要求是現場總線系統在設計和運行中應該關注的重要問題。,1.3 以現場總線為基礎的企業(yè)網絡系統,1.3.1 企業(yè)網絡系統的基本組成 以現場總線為基礎的企業(yè)網絡系統如下圖所示。,,,,該系統按功能結構劃分為三個層次，從底向上依次為： 現場控制層（FCS，Field Control System）； 制造執(zhí)行層（MES，Manufacturing Execution System）； 企業(yè)資源規(guī)劃層（ERP，Enterprise Resource Planning）。 各層之間的網絡連接與信
22、息交換，構成完整的企業(yè)網絡。,圖中，ERP與MES層大多采用以太網構成信息網絡，網絡節(jié)點多為各種計算機及外設，它們之間的網絡集成、它們與外界互聯網之間的信息交互解決得較好，信息集成相對容易。 圖中H1、PROFIBUS、LonWorks等現場總線網段與工廠現場設備連接，構成FCS，是企業(yè)網絡的基礎。目前FCS采用的控制網絡種類較多，再加上DCS、PLC、SCADA等，控制網絡從通信協議到網絡節(jié)點類型都與數據網絡存在較大差異。這使得控制網絡之間、控制網絡與外部互聯網之間實現信息交換的難度加大，互聯和互操作存在較多障礙。,根據前面的分析，企業(yè)網絡系統各層次的信息傳遞示意如下圖所示。該圖可看成是
23、前圖的簡化形式。,從圖中可見，除現場控制層FCS外，上面的ERP和MES都采用以太網。,,,,1.3.2 現場總線系統在企業(yè)網絡中的作用 早期企業(yè)網絡系統的結構復雜，功能層次較多，包括從過程控制、監(jiān)控、調度、計劃、管理到經營決策等。 隨著互聯網的發(fā)展和普及，企業(yè)網絡系統的結構層次趨于扁平化，同時對功能層次的劃分也更為簡化。底層為控制網絡所處的現場控制層(FCS)，最上層為企業(yè)資源規(guī)劃層(ERP)，而將傳統概念上的監(jiān)控、計劃、管理、調度等多項控制與管理功能交錯的部分，都包括在中間的制造執(zhí)行層(MES)中。,現場總線系統在企業(yè)網絡中的作用主要是為自動化系統傳遞數字信息，借助現場總線把控制設
24、備連成控制系統。 通過現場總線傳輸的數字信息主要包括生產裝置運行參數的測量值、控制量、閥門的工作位置、開關狀態(tài)、報警狀態(tài)、設備的資源與維護信息、系統組態(tài)、參數修改、零點量程調校信息等。它們是企業(yè)信息的重要組成部分。 企業(yè)的管控一體化系統需要控制信息的參與，生產的優(yōu)化調度需要集成不同裝置的生產數據。這些都需要在現場控制層內部，在FCS與制造執(zhí)行層（MES）、企業(yè)資源規(guī)劃層（ERP）各層間，方便地實現數據傳輸與信息共享。,1.3.3 現場總線與上層網絡的互聯 由于現場總線所處的特殊環(huán)境及所承擔的實時控制任務是普通局域網和以太網難以取代的，因而現場總線至今依然保持著它在現場控制層的地位和
25、作用。 但是，現場總線需要同上層的信息網絡、與外界的互聯網實現信息交換，以拓寬控制網絡的作用范圍，實現企業(yè)的管控一體化。,目前，現場總線與上層網絡的連接方式一般有以下三種： 一是采用專用網關完成不同通信協議的轉換，把現場總線網段或DCS連接到以太網中。 下圖給出了通過網關連接現場總線網段與上層網絡的示意圖。,,二是將現場總線網卡和以太網卡都置入工業(yè)PC的PCI插槽（廣義上應該是PC的IO總線插槽）內，在PC內完成數據交換，如下圖所示。,,三是將Web服務器直接置入PLC或現場控制設備內，借助Web服務器和通用瀏覽工具實現數據信息的動態(tài)交互。 這是互聯網技術在生產現場直接應用的結果，但它需要有一直延伸到工廠底層的以太網支持。正是因為控制設備內嵌Web服務器，使得現場總線的設備有條件直接通向互聯網，與外界直接溝通信息。而在這之前，現場總線設備是不能直接與外界溝通信息的。,現場總線與上層信息網絡的連接使互聯網信息共享的范圍延伸到設備層，同時也拓寬了測量控制系統的視野和工作范圍，為實現跨地區(qū)的遠程控制與遠程故障診斷創(chuàng)造了條件。 人們可以在千里之外查察看生產現場的運行狀態(tài)，方便地實現偏遠地段生產設備的無人值守，遠程診斷生產過程或設備的故障，在辦公室查詢并操作家中的各類電器等設備。,
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