现场总线控制系统FCS.docx

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现场总线控制系统FCS

第一章现场总线控制系统（FCS）

第一节概述

现场总线控制系统（FieldbusControlSystem，FCS）是继基地式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散控制系统（DCS）后的新一代控制系统。

由于它适应了工业控制系统向数字化、分散化、网络化、智能化发展的方向，给自动化系统的最终用户带来更大实惠和更多方便，并促使目前生产的自动化仪表、集散控制系统、可编程控制器（PLC）产品面临体系结构、功能等方面的重大变革，导致工业自动化产品的又一次更新换代，因而现场总线技术被誉为跨世纪的自控新技术。

一、现场总线的发展

随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展，信息交换的领域正在迅速覆盖从工厂的现场设备层到控制、管理的各个层次，从工段、车间、工厂、企业乃至世界各地的市场。

信息技术的飞速发展，引起了自动化系统结构的变革，逐步形成以网络集成自动化系统为基础的企业信息系统。

现场总线（Fieldbus）就是顺应这一形势发展起来的新技术。

1、什么是现场总线

现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。

它在制造业、流程工业、交通、楼宇等方面的自动化系统中具有广泛的应用前景。

现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自都具有了数字计算和数字通信能力，采用双绞线等作为总线，把多个测量控制仪表连接成的网络系统，并按公开、规的通信协议，在位于现场的多个微机化测量控制设备之间以及现场仪表与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息交换，形成各种适应实际需要的自动控制系统。

简而言之，它把单个分散的测量控制设备变成网络节点，以现场总线为纽带，把它们连接成可以相互沟通信息、共同完成自控任务的网络系统与控制系统。

它给自动化领域带来的变化，正如众多分散的计算机被网络连接在一起，使计算机的功能、作用发生的变化。

现场总线则使自控系统与设备具有了通信能力，把它们连接成网络系统，加入到信息网络的行列。

因此把现场总线技术说成是一个控制技术新时代的开端并不过分。

现场总线是20世纪80年代中期在国际上发展起来的。

随着微处理器与计算机功能的不断增强和价格的急剧降低，计算机与计算机网络系统得到迅速发展，而处于生产过程底层的测控自动化系统，采用一对一连线，用电压、电流的模拟信号进行测量控制，或采用自封闭式的集散系统，难以实现设备之间以及系统与外界之间的信息交换，使自动化系统成为“自动化孤岛”。

要实现整个企业的信息集成，要实施综合自动化，就必须设计出一种能在工业现场环境运行的、性能可靠、造价低廉的通信系统，形成工厂底层网络，完成现场自动化设备之间的多点数字通信，实现底层现场设备之间以及生产现场与外界的信息交换。

现场总线就是在这种实际需求的驱动下应运而生的。

它作为过程自动化、制造自动化、楼宇、交通等领域现场智能设备之间的互连通信网络，沟通了生产过程现场控制设备之间及其与更高控制管理层网络之间的联系，为彻底打破自动化系统的信息孤岛创造了条件。

现场总线控制系统既是一个开放通信网络，又是一种全分布控制系统。

它作为智能设备的联系纽带，把挂接在总线上、作为网络节点的智能设备连接为网络系统，并进一步构成自动化系统，实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控、优化及控管一体化的综合自动化功能，这是一项以智能传感器、控制、计算机、数字通信、网络为主要容的综合技术。

由于现场总线适应了工业控制系统向分散化、网络化、智能化发展的方向，它一经产生便成为全球工业自动化技术的热点，受到全世界的普遍关注。

现场总线的出现，导致目前生产的自动化仪表、集散控制系统、可编程控制器在产品的体系结构、功能结构方面的较大变革，自动化设备的制造厂家被迫面临产品更新换代的又一次挑战。

传统的模拟仪表将逐步让位于智能化数字仪表，并具备数字通信功能。

出现了一批集检测、运算、控制功能于一体的变送控制器；出现了可集检测温度、压力、流量于一身的多变量变送器；出现了带控制模块和具有故障信息的执行器；并由此大大改变了现有的设备维护管理方法。

2、现场总线的发展

50年代以前，由于当时的生产规模较小，检测控制仪表尚处于发展的初级阶段，所采用的仅仅是安装在生产设备现场、只具备简单测控功能的基地式气动仪表，其信号仅在本仪表起作用，一般不能传送给别的仪表或系统，即各测控点只能成为封闭状态，无法与外界沟通信息，操作人员只能通过生产现场的巡视，了解生产过程的状况。

随着生产规模的扩大，操作人员需要综合掌握多点的运行参数与信息，需要同时按多点的信息实行操作控制，于是出现了气动、电动系列的单元组合式仪表，出现了集中控制室。

生产现场各处的参数通过统一的模拟信号，如0.02～0.1MPa的气压信号，0～10mA，4～20mA的直流电流信号，1～5V直流电压信号等，送往集中控制室。

操作人员可以坐在控制室纵观生产流程各处的状况，可以把各单元仪表的信号按需要组合成复杂控制系统。

由于模拟信号的传递需要一对一的物理连接，信号变化缓慢，提高计算速度与精度的开销、难度都较大，信号传输的抗干扰能力也较差，人们开始寻求用数字信号取代模拟信号，出现了直接数字控制。

由于当时的数字计算机技术尚不发达，价格昂贵，人们企图用一台计算机取代控制室的几乎所有的仪表盘，出现了集中式数字控制系统。

但由于当时数字计算机的可靠性还较差，一旦计算机出现某种故障，就会造成所有控制回路瘫痪、生产停工的严重局面，这种危险也集中的系统结构很难为生产过程所接受。

随着计算机可靠性的提高，价格的大幅度下降，出现了数字调节器、可编程控制器以及由多个计算机递阶构成的集中管理、分散控制相结合的集散控制系统。

这就是今天正在被许多企业采用的DCS系统。

DCS系统中，测量变送仪表一般为模拟仪表，因而它是一种模拟数字混合系统。

这种系统在功能、性能上较模拟仪表、集中式数字控制系统有了很大进步，可在此基础上实现装置级、车间级的优化控制。

但是，在DCS系统形成的过程中，由于受计算机系统早期存在的系统封闭这一缺陷的影响，各厂家的产品自成系统，不同厂家的设备不能互连在一起，难以实现互换与互操作，组成更大围信息共享的网络系统存在很多困难。

新型的现场总线控制系统则突破了DCS系统信由专用网络的封闭系统来实现所造成的缺陷，把基于封闭、专用的解决方案变成了基于公开化、标准化的解决方案，即可以把来自不同厂商而遵守同一协议规的自动化设备，通过现场总线网络连接成系统，实现综合自动化的各种功能；同时把DCS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，依靠现场智能设备本身便可实现基本控制功能。

现场总线之所以具有较高的测控能力指数，一是得益于仪表的微机化，二是得益于设备的通信功能。

把微处理器置入现场自控设备、使设备具有数字计算和数字通信能力，一方面提高了信号的测量、控制和传输精度，同时为丰富控制信息的容，实现其远程传送创造了条件。

在现场总线的环境下，借助设备的计算、通信能力，在现场就可进行许多复杂计算，形成真正分散在现场的完整的控制系统，提高控制系统运行的可靠性。

还可借助现场总线网段以及与之有通信连接的其他网段，实现异地远程自动控制，如操作远在数百公里之外的电气开关等。

还可提供传统仪表所不能提供的如阀门开关动作次数、故障诊断等信息，便于操作管理人员更好、更深入地了解生产现场和自控设备的运行状态。

1984年，美国仪表协会（ISA）下属的标准与实施工作组中的ISA／SP50开始制定现场总线标准；1985年，国际电工委员会决定由ProwayWorkingGroup负责现场总线体系结构与标准的研究制定工作；1986年，德国开始制定过程现场总线（ProcessFieldbus）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。

1992年，由Siemens，Rosemount，ABB，Foxboro，Yokogawa等80家公司联合，成立了ISP（InteroperableSystemProtocol）组织，着手在PROFIBUS的基础上制定现场总线标准。

1993年，以Honeywell，Balley等公司为首，成立了WorldFIP（FactoryInstrumentationProtocol）组织，有120多个公司加盟该组织，并以法国标准FIP为基础制定现场总线标准。

此时各大公司均已清醒地认识到，现场总线应该有一个统一的国际标准，现场总线技术势在必行。

但总线标准的制定工作并非一帆风顺，由于行业与地域发展历史等原因，加之各公司和企业集团受自身商业利益的驱使，致使总线的标准化工作进展缓慢。

1994年，ISP和WorldFIP北美部分合并，成立了现场总线基金会（FieldbusFoundation，简标FF），推动了现场总线标准的制定和产品开发，于1996年第一季度颁布了低速总线H1的标准，安装了示系统，将不同厂商的符合FF规的仪表互连为控制系统和通信网络，使H1低速总线开始步入实用阶段。

与此同时，在不同行业还陆续派生出一些有影响的总线标准。

它们大都在公司标准的基础上逐渐形成，并得到其他公司、厂商、用户以至于国际组织的支持。

如德国Bosch公司推出CAN（ControlAreaNetwork），美国Echelon公司推出的LonWorks等。

大千世界，众多行业，需求各异，加上要考虑已有各种总线产品的投资效益和各公司的商业利益，预计在今后一段时期，会出现几种现场总线标准共存、同一生产现场有几种异构网络互连通讯的局面。

但发展共同遵从的统一的标准规，真正形成开放互连系统，是大势所趋。

3、现场总线的特点

⑴系统的开放性：

开放是指对相关标准的一致性、公开性，强调对标准的共识与遵从。

一个开放系统，是指它可以与世界上任何地方遵守相同标准的其他设备或系统连接。

通信协议一致公开，各不同厂家的设备之间可实现信息交换。

现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统。

用户可按自己的需要和考虑，把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。

通过现场总线构筑自动化领域的开放互连系统。

⑵互可操作性与互用性：

互可操作性，是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通；而互用则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可实现相互替换。

⑶现场设备的智能化与功能自治性：

它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。

⑷系统结构的高度分散性：

现场总线已构成一种新的全分散性控制系统的体系结构。

从根本上改变了现有DCS集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。

⑸对现场环境的适应性：

工作在生产现场前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专为现场环境而设计的，可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现供电与通信，并可满足本质安全防爆要求等。

⑹节省硬件数量与投资：

由于现场总线系统中分散在现场的智能设备能直接执行多种传感、控制、报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的调节器、计算单元等，也不再需要DCS的信号调理、转换、隔离等功能单元及其复杂接线，还可以用工控PC机作为操作站，从而节省了一大笔硬件投资，并可减少控制室的占地面积。

⑺节省安装费用：

现场总线系统的接线十分简单，一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计与接头校对的工作量也大大减少。

当需要增加现场控制设备时，无需增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上，既节省了投资，也减少了设计、安装的工作量。

据有关典型试验工程的测算资料表明，可节约安装费用60％以上。

⑻节省维护开销：

由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力，并通过数字通讯将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行，诊断维护信息，以便早期分析故障原因并快速排除，缩短了维护停工时间，同时由于系统结构简化，连线简单而减少了维护工作量。

⑼用户具有高度的系统集成主动权：

用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统。

避免因选择了某一品牌的产品而被“框死”了使用设备的选择围，不会为系统集成中不兼容的协议、接口而一筹莫展。

使系统集成过程中的主动权牢牢掌握在用户手中。

⑽提高了系统的准确性与可靠性：

由于现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的精确度，减少了传送误差。

同时，由于系统的结构简化，设备与连线减少，现场仪表部功能加强，减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。

4、几种有影响的现场总线技术

⑴基金会现场总线

基金会现场总线（FF，FoundationFieldbus）是在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景的技术。

其前身是以美国Fisher-Rosemount公司为首，联合Foxboro、横河、ABB、西门子等80家公司制订的ISP协议和以Honeywell公司为首，联合欧洲等地的150家公司制订的worldFIP协议。

这两大集团于1994年9月合并，成立了现场总线基金会，致力于开发出国际上统一的现场总线协议。

它以ISO／OSI开放系统互连模型为基础，取其物理层、数据链路层、应用层为FF通信模型的相应层次，并在应用层上增加了用户层。

用户层主要针对自动化测控应用的需要，定义了信息存取的统一规则，采用设备描述语言规定了通用的功能块集。

由于这些公司是该领域自控设备的主要供应商，对工业底层网络的功能需求了解透彻，也具备足以左右该领域现场自控设备发展方向的能力，因而由它们组成的基金会所颁布的现场总线规具有一定的权威性。

基金会现场总线分低速Hl和高速H2两种通信速率。

H1的传输速率为31.25kbps，通信距离可达1900m（可加中继器延长），可支持总线供电，支持本质安全防爆环境，H2的传输速率可为1Mbps和2.5Mbps两种，其通信距离分别为750m和500m。

物理传输介质可支持双绞线、光缆和无线发射，协议符合IEC1158-2标准。

其物理媒介的传输信号采用曼彻斯特编码。

基金会现场总线的主要技术容包括FF通信协议；用于完成开放互连模型中第2～7层通信协议的通信栈（CommunicationStack）；用于描述设备特征、参数、属性及操作接口的DDL设备描述语言、设备描述字典；用于实现测量、控制、工程量转换等应用功能的功能块；实现系统组态、调度、管理等功能的系统软件技术以及构筑集成自动化系统、网络系统的系统集成技术。

1996年在芝加哥举行的ISA96展览会上，由现场总线基金会组织实施，首次向世界展示了来自40多家厂商的70多种符合FF协议的产品，并将这些分布在不同楼层展览大厅不同展台上的FF展品，用醒目的橙红色电缆，互连为七段现场总线的演示系统，各展台现场设备之间可实地进行现场互操作，展现了基金会现场总线的基本概貌。

⑵LonWorks

LonWorks是又一具有强劲实力的现场总线技术。

它是由美国Echelon公司推出并由它与摩托罗拉、东芝公司共同倡导，于1990年正式公布而形成的。

它采用了ISO／OSI模型的全部七层通讯协议，采用了面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，其通信速率从300bps至1.5Mbps不等，直接通信距离可达2700m（78kbps，双绞线）；支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电力线等多种通信介质，并开发了相应的本质安全防爆产品，被誉为通用控制网络。

LonWorks技术所采用的LonTalk协议被封装在称之为Neuron的神经元芯片中而得以实现。

集成芯片中有3个8位CPU，一个用于完成开放互连模型中第1和第2层的功能，称为媒体访问控制处理器，实现介质访问的控制与处理；第二个用于完成第3～6层的功能，称为网络处理器，进行网络变量的寻址、处理、背景诊断、路径选择、软件计时、网络管理，并负责网络通信控制，收发数据包等。

第三个是应用处理器，执行操作系统服务与用户代码。

芯片中还具有存储信息缓冲区，以实现CPU之间的信息传递，并作为网络缓冲区和应用缓冲区。

Echelon公司的技术策略是鼓励各OEM开发商运用LonWorks技术和神经元芯片，开发自己的应用产品，据称目前已有2600多家公司在不同程度上卷入了LonWorks技术，1000多家公司已经推了LonWorks产品，并进一步组织起LonMARK互操作协会，开发推广LonWorks技术与产品。

它已被广泛应用在楼字自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、交通运输、工业过程控制等行业。

另外，在开发智能通信接口、智能传感器方面，Lonworks神经元芯片也具有独特的优势。

⑶PROFIBUS

PROFIBUS是德国国家标准DIN19245和欧洲标准EN50170的现场总线标准。

由PROFIBUS-DP，PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-PA组成了PROFIBUS系列。

DP型用于分散外设间的高速数据传输，适合于加工自动化领域的应用。

FMS意为现场信息规，PROFIBUS-FMS适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等。

而PA型则是用于过程自动化的总线类型，它遵从IEC1158-2标准。

该项技术是由西门子公司为主的十几家德国公司、研究所共同推出的。

它采用了OSI模型的物理层、数据链路层。

FMS还采用了应用层。

传输速率为9.6kbps～12Mbps，最大传输距离在12Mbps时为100m，1.5Mbps时为400m，可用中继器延长至10km。

其传输介质可以是双绞线，也可以是光缆。

最多可挂接127个站点。

可实现总线供电与本质安全防爆。

⑷CAN

CAN是控制局域网络（ControIAreaNetwork）的简称，最早由德国BOSCH公司推出，用于汽车部测量与执行部件之间的数据通信。

其总线规现已被ISO国际标准组织制订为国际标准。

由于得到了Motorola，Intel，Philip，Siemence，NEC等公司的支持，它广泛应用在离散控制领域。

CAN协议也是建立在国际标准组织的开放系统互连模型基础上的，不过，其模型结构只有三层，即只取OSI底层的物理层、数据链路层和顶层的应用层。

其信号传输介质为双绞线。

通信速率最高可达1Mbps／40m，直接传输距离最远可达10km／5kbps。

可挂接设备数最多可达110个。

CAN的信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个，因而传输时间短，受干扰的概率低。

当节点严重错误时，具有自动关闭的功能，以切断该节点与总线的联系，使总线上的其他节点及其通信不受影响，具有较强的抗干扰能力。

⑸HART

HART是HighwayAddressableRemoteTransducer的缩写，最早由Rosemount公司开发并得到八十多家著名仪表公司的支持，于1993年成立了HART通信基金会。

这种被称为可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议，其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡性产品，因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力，得到了较快发展。

它规定了一系列命令，按命令方式工作。

它有三类命令，第一类称为通用命令，这是所有设备都理解、执行的命令；第二类称为一般行为命令，所提供的功能可以在许多现场设备中实现，这类命令包括最常用的现场设备的功能库；第三类称为特殊设备命令，以便在某些设备中实现特殊功能，这类命令既可以在基金会中开放使用，又可以为开发此命令的公司所独有。

在一个现场设备常可发现同时存在这三类命令。

HART采用统一的设备描述语言DDL。

现场设备开发商采用这种标准语言来描述设备特性，由HART基金会负责登记管理这些设备描述并把它们编为设备描述字典，主设备运用DDL技术来理解这些设备的特性参数而不必为这些设备开发专用接口。

但由于这种模拟数字混合信号制，导致难以开发出一种能满足各公司要求的通信接口芯片。

HART能利用总线供电，可满足本质安全防爆要求，并可组成由手持编程器与管理系统主机作为主设备的双主设备系统。

在后面的章节中，将较为详细地介绍基金会现场总线技术及应用实例。

二、基金会现场总线的特征

基金会现场总线系统是为适应自动化系统、特别是过程自动化系统在功能、环境与技术上的需要而专门设计的。

它可以工作在工厂生产的现场环境下，能适应本质安全防爆的要求，还可通过传输数据的总线为现场设备提供工作电源。

这种现场总线标准是由现场总线基金会（FieldbusFoundation）组织开发的。

它得到了世界上主要自控设备供应商的广泛支持，在北美、亚太、欧洲等地区具有较强的影响力。

现场总线基金会的目标是致力于开发出统一标准的现场总线，并已于1996年一季度颁布了低速总线H1的标准，安装了示系统，将不同厂商的符合FF规的仪表互连为控制系统和通信网络。

使Hl低速总线步入实用阶段。

基金会现场总线的系统是开放的，可由来自不同制造商的测量、控制设备构成。

这些制造商所设计开发的设备遵循相同的协议规。

在产品开发期间，通过一致性测试，确保产品与协议规的一致性。

当把不同制造商的产品连接于同一网络系统时，作为网络节点的各设备间应可实现互操作。

同时还允许不同厂商生产的相同功能设备之间进行相互替换。

基金会现场总线的最大特色就在于它不仅仅是一种总线，而且是一个系统。

是网络系统，也是自动化系统。

它作为新型自动化系统，区别于以前各种自动化系统的特征就在于它所具有的开放型数字通信能力，它使自动化系统具备了网络化特征。

而它作为一种通信网络，有别于其他网络系统的特征则在于它位于工业生产现场，其网络通信是围绕完成各种自动化任务进行的。

基金会现场总线系统作为全分布式自动化系统，要完成的主要功能是对工业生产过程各个参数进行测量、信号变送、控制、显示、计算等，实现对生产过程的自动检测、监视、自动调节、顺序控制和自动保护，保障工业生产处于安全、稳定、经济的运行状态。

这里的全分布式自动化系统是相对DCS而言的。

目前在工业生产中广为采用DCS。

它打破了计算机控制系统发展初期由单台计算机统管整个车间甚至工厂的集中控制模式，把整个生产过程分解为多个子系统，由多台计算机共同协作完成自控系统功能，每台计算机或微处理器独立承担其中某一部分功能，这种系统的优点是针对集中控制模式中危险也集中的弊端，但在其系统的物理结构上，仍然为数字控制器与模拟变送器组成的模拟一数字混合系统。

模拟变送器位于工艺设备的生产现场，而控制器一般位于集中控制室。

从构成控制系统的信号流的角度来看，在现场把被控参数转换为测量信号后，被送往位于集中控制室的控制器，经控制运算后，再把所得到的操作信号由控制室送往位于生产现场的调节阀或控制电机，这样，即使是一个简单回路控制系统，其信号的必经路径也将会较长，因而会引发许多弊端和隐患。

比如在控制室与现场之间的连线出现断线或短路故障时，控制室的计算机或控制器将对生产现场失去控制，而单凭现场仪表又不能实现控制功能，会给生产造成影响。

现场总线的全分布式自动化系统则把控制功能完全下放到现场。

仅由现场仪表即可构成完整的控制功能。

由于基金会现场总线的现场变送、执行仪表（以下也称之为现场设备）部都具有微处理器，现场设备部可以装人控制计算模块，只需通过都处于现场的变送、执行器之间连接，便可组成控制系统。

这个意义上的全分布无疑将增强系统的可靠性和系统组织的灵活性。

当然，这种控制系统还可以与别的系统或控制室的计算机进行信息交换，构成各种高性能的控制系统。

基金会现场总线系统作为低带宽的通信网络，把具备通信能力、同时具有的控制、测量等功能的现场自控设备作为网络的节点，由现场总线把它们互连为网络。

通过网络上各节点间的操作参数与数据调用，实现信息共享与系统的各项自动化功能。

各网络节点的现场设备具备通信接收、发