現場總線控制系統的發展與未來

清華大學自動化系王俊杰教授2009年9月2007－5－201什么是總線技術？

總線是一種連接多種設備的數據傳輸高速通道。

在計算機中為了把CPU與外部設備如：鍵盤、顯示卡、聲卡、打印機、光盤機等連接起來并互相傳送數據，采用ISA總線、PCI總線和USB總線。

—

ISA總線(Industrial

Standard

Architecture)即工業標準結構總線，是早期使用的一種總線接口技術，由于傳輸速率低，CPU資源占用大，己不再采用。

—PCI總線（PeripheralComponentInterconnect）即外部設備互聯總線，它傳輸速度高，數據吞吐量大，功耗低。是目前廣泛采用的技術。

—USB（UniversalSerialBus）即通用串行總線，已經被廣泛應用于鼠標、鍵盤、打印機、掃描儀、Modem、音箱等各種設備。它一般是外置式的，具有不占用計算機擴展槽和熱插拔的優點，因而安裝更為方便。也是目前廣泛采用的技術。

2

?現場總線（FIELDBUS

）

是一種用于工業現場環境下的工業測量和控制數據的傳輸總線。

?現場總線控制系統FCS（FieldbusControlSystem）是連接工業生產現場自動化設備和系統的數字式、雙向傳輸、多分支結構的控制網絡數據通信系統?，F場總線控制系統FCS是目前工業控制系統發展的方向！什么是現場總線技術？什么是現場總線控制系統FCS？31.制控系統發展簡介

19世紀初

蒸汽機出現以后，開始了工業革命，機器產生后的運行、操作對控制提出了要求，于是早期出現了機構、電氣控制系統。例如蒸汽機汽缸活塞和氣門、曲軸的聯合運動就是采用機構控制來完成的。一些開關量的位式控制則是由電氣控制完成的。

20世紀50-60年代出現了從傳統的機構、電氣控制系統發展到以模擬信號為主的電子裝置和自動化儀表控制系統。

□以電子技術的進步為基礎

20世紀70-80年代

直接數字控制（DDC）和分布式控制系統（DCS）的出現，把分散的單回路測控系統采用計算機進行了統一管理，集中實現了參數顯示報警、回路調節，工況聯鎖，歷史數據存儲和工藝流程動態顯示等多種功能。在大型的控制系統中，往往還帶有操作指導和專家系統軟件。

□以計算機和網絡技術的進步為基礎4

20世紀90年代至今

現場總線控制系統（FCS）正在成為自動化領域中控制系統的主導技術。

□以計算機、通信和控制技術的進步為基礎的。人們稱為3C技術（Conpunter

ComunicationControl）圖1.1控制系統發展過程1.制控系統發展簡介5?

儀表控制系統（ICS）精餾段提餾段圖1.1精餾塔儀表控制系統圖精餾塔的調節回路：·TC—溫度調節器溫度調節回路1路·PC—壓力調節器壓力調節回路1路·FC—流量調節器流量定值調節回路2路·LC—液位調節器液位調節回路2路問題：大型系統，控制回路多，儀表數量多，接線復雜、故障率高。1.制控系統發展簡介6?直接數字控制系統（DDC）特點：是以工業控制計算機為核心，加上信號輸入/輸出（I/O）單元，信號調理模塊及傳感器、變送器和執行器構成控制系統。

可完成多回路的監控任務。

工業控制計算機（IPC）代替了調節器、給定單元、顯示、記錄單元、報警單元和操作單元等。問題：信號過于集中，I/O單元和信號調理模塊有故障，會影響較大。

一套DDC裝置可以構成多回路控制系統，如上述精餾塔的6個控制回路完全可以用一套DDC裝置進行控制。1.制控系統發展簡介7圖1.3直接數字控制（DDC）系統方塊圖測量傳感器1.制控系統發展簡介8?

分布式控制系統（DCS）特點：是一種數字和模擬的混合系統，模擬儀表分散在工業現場，計算機在控制室中。實現了分散控制和集中管理的結合，達到了管控一體化的目的。生產控制和經營管理的有機結合，能滿足大多數流程工業控制的要求。問題：系統封閉自成體系，各種DCS無法達到開放和互操作的目的。

圖1.4DCS控制系統方塊圖調度決策層操作控制層設備層1.制控系統發展簡介9?

現場總線控制系統（FCS）

特點：全數字化的網絡結構，以智能化儀表為節點的徹底的分散性系統。

可實現點對點、點對多點和廣播式通信，多種通信介質、多種網絡拓撲結構，具有開放性和互操作性。

一種全新的設計、安裝布線、調試和運行的方式。

代表了新一代控制系統發展的方向。最近幾年發展很快，己在60萬頓乙烯裝置、大型煉鋼設備上采用全套進口的現場總線控制系統。國內獨立研發現場總線系統己經開始，并取得了一定的成績。圖1.5FCS控制系統方塊圖（總線拓撲結構）1.制控系統發展簡介102.現場總線的定義和技術特點?現場總線是一種工業數據總線，根據國際電工委員會（IEC）的標準和現場總線基金會（FF）的定義：

現場總線是連接智能現場設備和自動化系統的數字式、雙向傳輸、多分支結構的通信網絡。?

現場總線控制系統（FCS）的特點

（1）數字化的信號傳輸以串行數字通信取代傳統的4-20mA模擬信號，實現了高速、雙向、多變量、多站點之間的數據交換。報文內容豐富，可靠性高，在數據傳輸方式和連線方法上較原有系統有重大改變。

（2）分散的系統結構把DCS控制站中的功能全部分散到了每個智能節點（智能儀表）中，每個節點都帶有CPU和存儲器，可獨立完成測量、數據處理、調節、診斷等功能，任一節點的故障不會危及全局。11

（3）方便的互操作性和互換性

互操作是指實現不同設備之間和系統之間的信息傳遞與溝通，

互換是指不同廠家的同類產品可以互相替代，異構為一個系統。

（4）開放的互聯網絡技術標準，通信協議，產品檢驗方法都是公開的，面向所有的制造商和用戶。開放性更是指對相關標準的一致性的要求，強調對標準的共識和遵從。

（5）多種傳輸媒介和網絡拓撲結構雙絞線、同軸電纜、光纖、電力線、無線射頻，各種媒介通過網橋互聯?？偩€型、星型、環型等。僅布線工程一項可節省40％。在1996年美國ISA展覽會上，主要展出了現場總線技術新產品。展會上打出的標語稱：“你將站在控制領域新紀元的起點上。”2.現場總線的定義和技術特點123.現場總線標準的制定技術標準的制定十分重要，它是保證互操作性和互換性的基本條件，也是具有開放式通信協議的重要指標。

?標準的制定從1984年就開始了，一直到1999年7月才完成，在加拿大的渥太華，IECTC65（國際電工委員會負責工業測量和控制的第65標準化技術委員會）通過了IEC61158決議，確定了8種現場總線為國際標準。

Type1

IEC技術報告即FF的H1(各大公司支持）

基金會現場總線（FF）的低速型H1

，主要用于設備層，

31.25kbps，兩線傳輸，有本安防暴型（FF的一個子集）。

1984年通過標準草案，1999年1月全面定義了通信協議中各層的含義。

Type2

ControlNet

（美國Rockwell公司支持）結構分為三層，DeviceNet

為設備層，ControlNet

為控制層，Ethernet/IP為信息層。1995年推出。13

Type3

Profibus

（德國Siemens公司支持）結構分為三層，AS-i為設備層，Profibus–FMS（現場總線報文規范，用于一般自動化系統）、Profibus–PA

（過程自動化）和Profibus–DP（加工自動化）為操作層。

1987年開始研制，1991年推出標準，1994年推出Profibus–PA標準。

Type4

P-Net

（丹麥Process-Data公司支持）

1983年推出，是一種多主控制器的主從模式系統，每段最多可有32個主控制器，采用虛擬令牌傳遞方式。每段最長為1200m，可連接125個從設備，使用屏蔽雙絞線電纜，數據雙向傳輸，速率為76.8kbps。主要應用在農業、食品等行業。3.現場總線標準的制定14

Type5

FFHSE

（各大公司支持，FF的H2）

基金會現場總線FF的高速型H2

，工業以太網標準，1M、2.5M、

100Mbps速率，CSMA/CD和TCP/IP協議。應用于各種工業領域監控層，

2000年3月制定出規范。

Type6

SwiftNet

（美國SHIPSTAR協會制定波音公司支持）結構簡單，實時性強，可靠性高，應用于航空航天領域。可用于采集同步、高速的飛行數據，數據的讀寫采用“生產者/消費者”模式。

1996年研制，1998年推出。

Type7

WorldFIP

（法國Alston公司支持）三層結構，使用雙絞線，傳輸速率有31.25k、1M、2.5Mbps，對應的通信距離為5km、1km和500m。一個網絡最多可連4個子段，每個子段有32個節點，最多可連256個節點。主要用于發電、加工、運輸等行業的自動化工程中。1987年推出。3.現場總線標準的制定15

Type8

Interbus

（德國PhoenixContact公司支持）設備級的串行總線，主從模式，傳輸速率500kbps，接口為EIA-485標準，用于汽車、物流等工業控制系統中，1987年推出。?

另外IECTC17B（國際電工委員會負責低壓電器的第17B標準化技術委員會）也通過了3種現場總線國際標（IEC62026），它們是：

SDS

（美國Honeywell公司支持）智能分布系統

AS-i

（德國Siemens公司支持）執行器-傳感器-接口

DeviceNet（美國Rockwell公司支持）設備網絡

?國際上另外一個組織ISO（國際標準化組織）也推出了ISO11898決議，認定控制局域網CAN總線為國際標準。（ControlAreaNetwork，德國RobertBosch公司支持）

當時總共有12種現場總線技術定為國際標準，它們各有特點，在不同的領域荻得了廣泛的應用。3.現場總線標準的制定162003年4月IEC/SC65C/MT9小組又推出了現場總線國際標準的第三版IEC61158Ed.3。為了反映工業網絡通信技術的最新發展，新版標準規定了10種類型現場總線（增加了2種)Type9：

PhL，DDL無定義，AL是FFH1的子集（應用層+用戶層）

Type10：ProfiNet（Profibus的管理層）

在通信協議中：PhL(物理層)，DDL(數據鏈路層)，AL(應用層)3.現場總線標準的制定174.現場總線的發展方向—工業以太網□工業以太網（EtherNet）是一種發展方向。

以太網：

1975年產生，由美國3Com公司推出1982年由國際電氣與電子工程師協會推出為行業標準（IEEE802.3）1990年2月被國際標準化組織和國際電工委員會所采納，成為國際標準（ISO/IEC8802.3）

在這期間，以太網從最初的10Mbps發展到100Mbps和交互式以太網，現在正在發展千兆以太網并使用光纖為傳輸介質?？梢哉f20年來以太網是發展最成功的網絡技術。但以太網最初是為IT（信息技術）領域而開發的技術，發展到現在，它有完整的硬、軟件系統，可持續發展潛力大，易于與Internet連接，而且應用廣泛、技術成熟、價格便宜，主要用于信息層。18目前人們希望它能向下延伸，直接在控制層和設備層中使用，成為貫穿三層網絡（設備層、控制層、管理層）的技術，即工業以太網技術。工廠管理層生產控制層設備監控層從工廠管理層到設備監控層的數據存取“e網到底”

EtherNet4.現場總線的發展方向—工業以太網19

工業以太網的發展必須要解決的問題：（1）以太網通信中的信道共享技術采用CSMA/CD（載波偵聽多路訪問/沖突檢測）技術，在網絡負荷較重時（大于40％），網絡的確定性（Determinacy，通過網絡傳輸的數據是否完整、準確)和實時性（Real-time，在規定的時間內通過網絡傳輸的數據能否按時完整地到達目的地)還不能滿足要求。（2）以太網在網絡連接的硬件上使用接插件（Connector），集線器（Hub），交換機（Switches）和普通電纜（Cable）等。它們都是為辦公室的環境下，為信息的傳輸而設計的。還不符合工業環境下工業數據可靠傳輸的要求。（3）以太網的電磁兼容性（EMI）較差，在危險場所還不具備本質安全防爆功能。（4）以太網還不具備通過數據線向現場節點提供電能的功能。（5）還缺乏統一的應用層（用戶層）協議。4.現場總線的發展方向—工業以太網20

目前己推出的幾種典型工業以太網技術：

①HSE（FoundationFieldbus,FF，2000）②ModbusTCP/IP(Schneider，1999)③EtherNet/IP（ODVA，Rockwell，1999）④ProfiNet(SIEMENS,2001)⑤EPA（EthernetforPlantAutomation，CHINA，2004）

目前工業以太網（Industrial

EtherNet）或稱實時以太網（RTE，RealTimeEtherNet，IEC61784-2通過）是工業控制網絡發展的方向！4.現場總線的發展方向—工業以太網21在中國國家標準化管理委員會、全國工業過程測量與控制標準化技術委員會的支持下，由淅江大學、淅大中控公司、中科院沈陽自動化所、重慶郵電大學、清華大學、大連理工大學、上海自動化儀表研究所、機械工業儀器儀表綜合技術經濟研究所和北京華控技術公司組成的研發團隊，在國家“863”計劃CIMS主題系列課題的支持下，經過3年的技術攻關，提出了基于工業以太網的實時通信系統控制解決方案EPA（用于成套自動化裝置的以太網）。目前己上報囯際有關組織，申請成為國際標準之一。4.現場總線的發展方向—工業以太網22

5.現場總線的發展方向—無線工業控制網絡工業環境下利用無線傳輸數據的優勢□降低安裝、運行維護成本、減少接插件故障，移動自由不受限制，投運快速?！趺绹茉床康难芯抗烙?，無線傳感器網絡會為工業現場節能10%和降低排放或泄漏15%。

目前美國儀表系統和自動化學會的ISASP100標準委員會正在加緊制定在現場工業控制環境下實現無線工業控制網絡系統的標準。著重在三方面制定標準：無線工業控制網絡系統對環境的技術要求；無線工業控制網絡系統技術的生命周期；無線工業控制網絡系統技術面向現場儀表和設備的應用。在SP100標委會下設有五個主要的分標委會：射頻物理學基礎、可互操作性，用戶要求、用戶指南和系統集成，并分頭制定標準。23

5.現場總線的發展方向—無線工業控制網絡

SP100規定的無線工業控制網絡五種應用類型安全

0類：緊急動作（恒為關鍵）信息時間性的重要程度控制

1類：閉環調節控制（通常關鍵）2類：閉環監督控制（經常非關鍵）

3類：開環控制（由人工控制）

監測監控4類：標記、產生短期操作結果（例如：基于事件的維護）

5類：記錄和下載/上載不產生直接的操作結果（例如：歷史數據采集、事件順序記錄SOE、預防性維護）24

5.現場總線的發展方向—無線工業控制網絡

ZigBee技術

是一種新興的依據IEEE802.15.4標準，在數千個微小的傳感器之間相互協調實現通信的短距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的無線網絡技術，主要用于近距離無線信號連接。在現場層無線網絡中，同樣屬于無線短程網的ZigBee（IEEE802.15.4）要比藍牙（IEEE802.15.1）更具廣泛的應用前景。這主要是基于以下原因：ZigBee的應用開發門檻遠低于藍牙（BlueTeeth），其最復雜的網絡協調器節點的軟件開發工作量僅為藍牙節點開發的10%，其最簡單的精簡功能設備（RFD）即一般節點的軟件開發工作量僅為藍牙的2%；

ZigBee的功耗遠低于藍牙，這是因為就發射的頻寬比來講，ZigBee為0.01，藍牙為0.99，即ZigBee的發射時間只占其周期的1%，而藍牙卻占99%；

ZigBee的網絡節點容量遠多于藍牙。25ZigBee網絡拓撲模型網絡協調器全功能設備(FFD,Router):可以支持任何一種拓撲結構，可以作為網絡協商者和普通協商者，并且可以和任何一種設備進行通信

精簡功能設備(RFD)：只支持星型結構，不能成為任何協商者，可以和網絡協商者進行通信，實現簡單。

星型網狀型簇狀型26我們使用IAONA(工業自動化開放網絡聯盟)主席KaiLorentz先生的話作為總結

“自動化是一個非常大的領域，要想有一個完美的能適合各種應用的總線解決方案幾乎是不可能的，因此現在市場形成了針對不同應用領域的各種專門的解決方案，我們認為這是一個自然的過程，然而以太網在其中具有很多的共性，如TCP/IP、通用物理層等，這些共性給使用者帶來實在的利益，例如他們可以使用一個網絡瀏覽器來查看各種自動化設備，我們認為這將是工業以太網帶來的深遠的影響，即在支持TCP/IP和標準協議的基礎上，不同的協議可共存?！?/p>

6.總結277.現場總線控制系統舉例—AS-I總線

AS-i（Actuator-Sensor-Interface）是執行器－傳感器－接口的英文縮寫。它是一種用來在控制器（主站）和傳感器∕執行器（從站）之間雙向交換信息的總線網絡，它屬于現場總線（Fieldbus）下面底層（設備層）的監控網絡系統。一個AS-i總線系統通過它主站中的網關可以和多種現場總線（如FF、Profibus、等）相連接。AS-i主站可以作為上層現場總線的一個節點服務器，在它下面又可以掛接一批AS-i從站。AS-i總線系統的主要技術指標如下：（1）網絡結構：總線型、樹型和環型。（2）傳輸介質：非屏蔽、非絞接的2芯電纜，既傳輸數據又提供電源。當用扁平電纜時，可使用特殊的穿刺安裝專利技術進行連接。（3）電纜長度：≤100m，可使用中繼器增加長度，最多可用2個中繼器。（4）從站數量：每個AS-i網絡最多可有31個從站（或62個從站）。（5）從站可接的元件數：每個從站最多可接4個傳感器∕執行器，整個網絡最多可接124個傳感器/執行器（或248個傳感器∕執行器)。28