05 第5章 DCS现场总线.pptx

第1页：第五章DCS现场总线封面

本章为《集散控制系统》第五章，围绕现场总线的基本概念、现状及发展，现场总线的标准，以及现场总线的特点展开。

第2页：知识点与学习目标

知识点

• 了解现场总线的基本概念、现状及发展
• 了解现场总线的标准
• 掌握现场总线的特点

第3页：现场总线控制系统FCS

现场总线控制系统（简称 FCS）其结构模式为「工作站—现场总线智能仪表」二层结构，成本低、可靠性高，可实现真正的开放式互连系统结构。

图示为 FCS 控制层原理图。

第4页：现场总线的概述（FieldBus）

传统控制系统中现场仪表（I/O）与控制器采用一对一连接，传输 4~20mA、0~10mA、24VDC 等模拟信号。

80 年代开始智能现场设备普遍应用：包含 CPU、能直接数字通信、具有很强的功能，例如智能化变送器除信号测量和变送外，还具有自诊断、报警、在线标定甚至 PID 运算等功能，待传输的信息量急剧增加。

现场总线技术的初始想法：设想全部或大部分现场设备都具有直接进行通信的能力，并具有统一的通信协议，只需一根通信电缆就可将分散的现场设备连接起来，完成对现场设备的监控。

第5页：现场总线定义

按照国际电工委员会 IEC61158 标准的定义，现场总线是应用在制造或过程区域现场装置与控制室内自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。

• 网络节点包括 IPC、PLC 以及各种智能化的现场控制设备；
• 基于统一、规范的通信协议，通过同一总线实现相互间的数据传输与信息共享；
• 通信总线在现场设备中的延伸，位于生产控制网络结构的底层。

第6页：现场总线的发展（一）

现场总线的发展：

1. 早期的控制系统主要是模拟仪表控制系统，设备之间传输的信号为 1～5V 或 4～20mA 的直流模拟信号，信号精度较低，传输过程中易受干扰；
2. 出现以单片机、计算机和 PLC 为控制器的集中数字控制系统，内部传输数字信号，克服了模拟仪表信号精度低的缺点，提高了抗干扰能力，但整个系统的可靠性低、风险高度集中，任务增加时会使系统性能下降；
3. 又出现以集中管理、分散控制为核心思想的集散控制系统（DCS），在 20 世纪末期逐步占据了主导地位。

第7页：2、现场总线的发展（二）

在 DCS 中管理与控制相分离：上位机用于集中监视管理功能，多台下位机下放分散到现场实现分布式控制功能，上下位机之间以控制网络互联，克服了集中数字控制系统对控制器处理能力和可靠性要求很高的缺点。

由于不同的 DCS 厂家出于垄断经营的目的而对其控制通讯网络采用专用的封闭形式，不同厂家的 DCS 系统之间以及 DCS 与上层的 Intranet、Internet 之间难以实现网络互联和信息共享，因此 DCS 系统实质上是一种专用封闭的、不能互联的分布式控制系统，且价格昂贵，用户对此提出了开放性和降低成本的迫切要求。

第8页：现场总线的发展（三）

现场总线控制系统（FCS）顺应了用户对开放性和降低成本的要求，采用现场总线这一开放的、可互连的网络技术将现场各种控制器和仪表设备相互连接，把控制功能彻底下放到现场，降低了安装成本和维护费用；FCS 实质上是一种开放的、可以互连的、低成本的、彻底分散的分布式控制系统。

标准制定进程：1984 年美国仪表协会（ISA）下属 ISA/SP50 开始制定现场总线标准；1985 年国际电工委员会决定由 Proway Working Group 负责现场总线体系结构与标准的研究制定；1986 年德国开始制定过程现场总线（Process Fieldbus）标准，简称为 PROFIBUS，由此拉开了现场总线标准制定及其产品开发的序幕；与此同时 WorldFIP 等组织也开始从事相关标准制定和研究。

第9页：现场总线的结构

现场总线按照国际标准化组织（ISO）制定的开放系统互连（OSI）参考模型建立，将七层简化成三层，分别由 OSI 参考模型的第一层物理层、第二层数据链路层、第七层应用层组成，网络通信流量与差错控制由数据链路层完成。

考虑现场总线的通信特点，有些现场总线还设置了一个现场总线访问子层。

第10页：工厂自动化信息网络分层结构

图示为工厂自动化信息网络分层结构：工厂管理级、车间监控级、现场设备级。

• 工厂管理级：工厂骨干网，连接 ASCII 打印机、绘图仪等设备；
• 车间监控级：车间监控网；
• 现场设备级：现场级网络。

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第13页：现场总线的结构特点

图示为现场总线的结构特点：IPC、PLC、I/O 子系统经 Ethernet/Highway 与 Fieldbus Controller/Gateway 相连，下接 Fieldbus 现场设备。

DCS 实际上是「半分散」、「半数字」的系统，FCS 采用的是一个完全分散的控制方式。

第14页：现场总线控制系统兴起与五代划分

现场总线控制系统兴起于 90 年代，采用现场总线作为系统的底层控制网络，沟通生产过程现场仪表、控制设备及其与更高控制管理层次之间的联系，通常把 FCS 称为第五代控制系统。

• 50 年代之前的气动仪表控制系统称作第一代；
• 以单元组合仪表为基础的常规仪表控制系统称为第二代；
• 集中型计算机控制系统称为第三代；
• 70 年代中期以后发展起来的 DCS 为第四代。

作为新一代控制系统：一方面 FCS 突破了 DCS 采用专用通信网络的局限，采用基于开放式、标准化的通信技术；另一方面 FCS 变革了 DCS 中「集散」系统结构，形成全分布式系统构架，把控制功能彻底下放到现场。DCS 以其成熟的发展、完备的功能及广泛的应用，目前在工业控制领域仍扮演着极其重要的角色。

第15页：现场总线的技术特征

现场总线的技术特征：

1. 全数字化通信
2. 开放型的互联网络
3. 互可操作性与互用性
4. 现场设备的智能化
5. 系统结构的高度分散性
6. 对现场环境的适应性

第16页：现场总线的特点

现场总线的特点：

• 现场控制设备具有通信功能，便于构成工厂底层控制网络；
• 通信标准的公开、一致，使系统具备开放性，设备间具有互可操作性；
• 功能块与结构的规范化使相同功能的设备间具有互换性；
• 控制功能下放到现场，使控制系统结构具备高度的分散性。

第17页：现场总线的优点

现场总线的优点：

• 使自控设备与系统步入了信息网络的行列，为其应用开拓了更为广阔的领域；
• 一对双绞线上可挂接多个控制设备，便于节省安装费用；
• 节省维护开销；
• 提高了系统的可靠性；
• 为用户提供了更为灵活的系统集成主动权。

第18页：现场总线国际标准化概况

现场总线技术在历经群雄并起、分散割据的初始阶段后，尽管已有一定范围的磋商合并，但由于行业与地域发展等历史原因，加上各公司和企业集团受自身利益的驱使，致使现场总线的国际化标准工作进展缓慢，至今尚未形成完整统一的国际标准。

1999 年形成了一个由 8 个类型组成的 IEC61158 现场总线国际标准；IEC 61158 成了国际上制订时间最长、意见分歧最大的国际标准之一。

第19页：IEC61158现场总线标准的8种类型

IEC 61158 现场总线标准（8 种类型）

以上 8 种总线采用完全不同的通信协议。

说明：IEC 61158 国际标准只是一种模式，8 种类型都是平等的；各组织按照 IEC 技术报告 Type1 的框架组织各自的行规，但不改变各组织专有的行规（Profile）；Type2～Type8 需要对 Type1 提供接口，而标准本身不要求 Type2～Type8 之内提供接口。

第20页：现场总线标准IEC61158 Ed.3

2003 年 4 月，IEC61158 Ed.3 现场总线标准第 3 版正式成为国际标准，规定 10 种类型的现场总线。

第21页：IEC 61158 Type1现场总线

IEC 61158 Type1 是 IEC 推荐的现场总线标准，采用 ISO/OSI 的简化模型，网络协议由物理层、数据链路层、应用层与用户层构成。

用户层

考虑到现场装置的控制功能和具体应用而增加的层。

第22页：物理层功能、传输介质与总线类型

物理层提供机械、电气、功能性和规程性功能；传输介质有双绞线、同轴电缆、光纤和无线传输。

第23页：数据链路层与应用层

数据链路层

负责实现链路活动调度，数据的接收发送，活动状态的响应，总线上各设备间的链路时间同步等。总线访问控制采用链路活动调度器 LAS 方式，LAS 拥有总线上所有设备的清单，由它来掌管总线段上各设备对总线的操作。

应用层

主要提供通信功能、特殊功能以及管理控制功能，由现场总线访问 FAS 与现场总线报文规范 FMS 两个子层构成：FAS 提供发布者/接收者（publisher/subscriber）模式、客户/服务器（client/server）模式和报告分发模式的报文传输服务；FMS 提供对象字典 OD 服务、变量访问服务和事件服务等，为用户层提供服务，实现与数据链路层连接。

第24页：用户层标准功能块FB与装置描述DD

功能块 FB

标准规定 32 种功能块，现场装置使用这些功能块完成控制策略。

装置描述 DD

包括描述装置通信所需的所有信息，并且与主站无关，可使现场装置实现真正的互操作性。

Type1 FCS 结构示意图：管理层 PC、网络服务器、操作站经 Ethernet（TCP/IP）与网关、网桥相连，下接 H2（HSE）与 H1 低速现场总线，并可与 PLC 等其它控制站互联；FF 是 Type1 的一个子集。

第25页：8种现场总线的简单比较

8 种现场总线的简单比较

第26页：满足控制网络要求的协议

满足控制网络要求的协议：

1. 以太网（Ethernet，IEEE 802.3 CSMA/CD）；
2. 令牌总线（Token Bus，IEEE 802.4）、令牌环（Token Ring，IEEE 802.5）；
3. 控制器局部网（CAN，CSMA/AMP），控制网络一般基于 CAN 协议（如智能分布式系统 Smart Distributed System）；
4. 设备网 DeviceNet 和令牌协议（如过程现场总线 Profibus、制造自动化协议 MAP、控制网 ControlNet、分布式光纤数据接口 FDDI）。

第27页：主要MAC工作方式

主要 MAC 工作方式：

1. CSMA/CD（IEEE802.3）：冲突检测载体监听多重访问，采用总线网络，控制策略是竞争发送、广播式传输、载体监听、冲突检测、冲突后退和再试发送；
2. Token Bus（IEEE802.4）：令牌总线控制技术，总线上所有站形成一个逻辑环，令牌在总线网络上传送，收到令牌的站决定是否发送或接收，然后再将令牌传给下一站；
3. Token Ring（IEEE802.5）：令牌环控制技术，令牌在环形网络上传送，收到令牌的站决定是否发送或接收，然后再将令牌传给下一站。

第28页：7、FCS与DCS的比较

FCS 是在 DCS 的基础上发展起来的，FCS 顺应了自动控制系统的发展潮流。FCS 在开放性、控制分散等诸多方面都优于传统 DCS，代表着自动控制系统的发展方向与潮流；DCS 则代表传统与成熟，以其成熟的发展、完备的功能及广泛的应用而占居着一个尚不可完全替代的地位。

影响 FCS 发展、制约 FCS 应用的原因主要有 3 方面：① 技术原因；② 商务原因；③ 用户原因。

第29页：系统组成

图示为现场总线系统的组成：现场设备（传感器、A/D、微处理器、现场总线接口）经传输介质接入现场总线，与现场节点和工作站相连。

第30页：现场总线技术的发展趋势

从现场总线技术本身来分析，它有两个明显的发展趋势：

1. 寻求统一的现场总线国际标准；
2. Industrial Ethernet 走向工业控制网络。

统一、开放的 TCP/IP Ethernet 是 20 多年来发展最成功的网络技术。过去认为 Ethernet 与工业网络在实时性、环境适应性、总线馈电等方面的要求存在差距，只能得到有限应用；事实上这些问题正在迅速得到解决，国内对 EPA 技术（Ethernet for Process Automation）也取得了很大的进展。随着 FF HSE 的成功开发以及 PROFInet 的推广应用，可以预见 Ethernet 技术将会十分迅速地进入工业控制系统的各级网络。

第31页：中国现场总线标准化工作的现状

中国现场总线标准化工作的现状：

• 多种现场总线共存，由用户根据各自需要进行选择；
• 对国际标准 IEC61158 的文本结构作适当调整，形成多种总线的标准文本，并根据中国用户应用和产品开发的需要建立相应的行业标准；
• 同时跟踪并参与国际 IEC 现场总线标准技术的新发展；
• 2001 年，中国将 FF、PROFIBUS、HART 等立项为行业标准，其中 PROFIBUS 标准中文本已于 2001 年 11 月批准为中国的行业标准，编号为 JB/T10308.3-2001。