计算机控制技术chapter8

1、计算机控制技术电子教案第8章 工业控制网络 8.1 集散控制系统集散控制系统 8.2 现场总线概述现场总线概述 8.3 五种有影响的现场总线五种有影响的现场总线 8.4 OSI参考模型与现场总参考模型与现场总线通信模型线通信模型 8.5 FF现场总线技术现场总线技术 8.6 现场总线控制系统设计现场总线控制系统设计 8.1 集散控制系统概述 集散控制系统(DCS)，亦称分散型控制系统或分散型综合控制系统(TDCS)。它是综合了计算机技术、通信技术、CRT显示技术和过程控制技术的新型控制系统。其设计原则是控制分散、操作集中、危险分散、管理集中、分级管理、分而自治。集散控制系统具有技术先进、功能完

2、备、应用灵活、操作方便、运行可靠等多方面显著特点，为计算机控制开创了一个崭新的应用领域，并得到了越来越普遍的应用。 8.1.1 集散控制系统的产生 利用常规模拟仪表组成的控制系统，虽然具有高可靠性、低成本等优点，但是随着生产规模的日益大型化、复杂化，它的局限性越来越明显，主要表现在：不易实现复杂控制规律，不易实现集中监视和操作，不易组成分级控制的通信联系等。 为了克服模拟控制仪表的上述缺点，随着计算机技术的发展，从20世纪五六十年代开始，出现了两类计算机控制系统：计算机直接数字控制(DDC,Direct Di Gital Control)和监督计算机控制(SCC,Supervisory Com

3、puter Control)系统。所谓DDC系统,就是使用一台DDC主计算机代替多台模拟调节器，实现对多个过程参数值的控制；而SCC系统则是由SCC主计算机根据现场及其他参数，按一定规律自动改变模拟调节器或DDC系统的给定值，使生产过程处于最优工作状态。以上两种计算机控制系统的原理如图81、图82所示。 图81 DDC系统原理框图 控制室现场操作台DDC主机输入通道输出通道图82 SCC系统原理框图 操作台控制室现场SCC主机模拟调节器组或DDC计算机输入通道 它们虽然具有易于实现复杂规律，易于通信，易于实现集中监视以及操作、控制精度高等显著优点，但由于它们还属于“集中型”系统，一台计算机要控

4、制几十甚至几百个回路，同时保存并处理着整个生产过程的全部信息，所以存在着危险集中的严重问题，一旦主机发生故障，必将影响整个系统的正常工作，甚至造成瘫痪事故发生。 70年代中期开始出现的集散控制系统，以美国霍尼维尔公司的TDC2000和日本横河公司的CENTUM系统为典型代表，开始了分级分布系统在工业过程控制领域中的应用。这一类系统从计算机控制角度讲，属于分布式计算机控制系统(DCCS，Distributed Computer Control System)；从控制与管理的角度讲，它们是一类分散型综合控制系统(TDCS，Total Distributed Control System)， 简称集

5、散系统(DCS，Distributed Control System)；从其本质和内部机理上讲，是以微处理机为核心的计算机控制系统；从其外部构成方式和应用角度上讲，它类似于单元组合式仪表控制系统，使系统的组态及扩展都十分容易。 集散系统在功能上真正实现了管理集中和控制分散，既实现了操作、管理和监视的纵向分级集中，又实现了控制、危险的横向分散，从根本上提高了系统的可靠性。DCS系统是目前公认的最理想的工业控制系统之一，在国内外冶金、电力、石油、化工、建筑等工业生产中得到了广泛的应用。至今全球DCS系统的生产厂家近百个，表81、表82中所列为一些典型产品。表81 国外DCS系统典型产品 表82 部

6、分国产DCS系统 8.1.2 集散系统的基本结构 自 1 9 7 5 年 第 一 套 集 散 系 统TDC2000诞生至今，随着微型计算机技术，特别是数据通信技术的发展与应用，集散系统的能力与结构也在不断地发展与变化，其中大体经历了三个阶段。 1.第一代集散系统的基本结构 第一代集散系统始于1975年，其基本结构如图83所示，主要由5大部分组成。图83 第一代集散系统的基本结构 现场控制站现场监视站CRT操作站监控计算机高速通道控制器 (1)现场控制站：亦称过程控制单元(PCU)、现场控制单元(FCU)或基本控制器(BC)。它是集散系统的基本部件，一般由微处理器(CPU)、存储器(RAM、RO

7、M)、模拟量和数字量I/O接口、电源、通信接口及内部总线组成。通常有十几到几十种标准控制算法固化在ROM中，供组态时选用。第一代PCU主要完成对一个或多个回路的控制功能，它使集散系统获得了分散控制的能力。 (2)现场监视站：亦称过程接口单元(PIU)、数据采集单元(DAU)或现场监视单元。其主要作用是采集及处理非控制参数，并通过数据通道将采集到的数据送到操作站和上位机。它 使集散系统获得了分散数据采集与处理的能力。有些系统将PCU和DAU放在一个单元中。 (3)CRT操作站：它是系统中最主要的人机接口，主要由微处理器、存储器、CRT显示器、操作键盘及打印机组成，主要完成以系统生成、维护为主的工

8、程功能，以监视、运行、维护为主的操作功能，以及与PCU和上位机交换信息的通信功能。 (4)监控计算机：它是系统的主计算 机 ， 亦 称 上 位 机 ( H i G h L e v e l Computer)，能综合处理和管理整个系统的信息。 (5)高速数据通道(DHW，Data Hi Gh Way)：亦称数据高速公路或总线，是系统的通信命脉，一般由通信电缆和高速通道控制器(HTD，HiGh Way Traffic Director)组成。PCU、DAU、CRT、上位机等之间的信息交换均由HTD控制，通过DHW进行。总之，第一代集散系统主要是为克服集中式计算机直接数字控制系统的不足而产生的，因此

9、其主要的技术特征体现在分散控制上。其集中显示和操作比计算机集中控制系统更复杂也更先进。但由分散控制而引入的数据通信手段则处于较低级阶段。 第一代集散系统的典型产品有：美国霍尼维尔公司的TDC2000(Total Distributed Control)、泰勒公司的MOD、贝利公司的Network90，过程系统有限公司的MICON、福克斯波罗公司的Spectrum，日本东芝公司的TOSDIC、日立公司的UNITROL、横河公司的CENTUM和英国肯特公司的P4000等。 2. 第二代集散系统的基本结构 20世纪80年代始，由于大规模集成电路及网络技术的发展带动了集散系统的发展，使其在性能和规模上

10、都有所进步，从而形成了第二代集散系统。第二代集散系统的基本结构如图84所示，其主要结构特征是以局部网络为主干，系统中各单元都看作是网络节点工作站。局部网络节点又可挂接桥和网间连接器与同网或异网连接。因此，第一代系统不过是通过桥或网间连接器接入第二代系统局部网络上的子系统。 图84 第二代集散系统基本结构 主计算机GW第一代集散系统其 他工业网络GW中 央操作站系 统管理站GW现场过程控制站 第二代集散系统的主要组成部分如下： (1)局部网络：又称局域网(LAN)。它由传输介质(如同轴电缆、双绞线或光导纤维等)和节点组成。网络通信功能有较复杂的机制，各公司产品局部网的取名也有所不同，如霍尼维尔公

11、司的TDC3000系统取名为局部控制网络，横河公司的NEWCENTUM系统取名为HF总线。另外，各公司局部网的网络结构及通信协议也不尽相同。 (2)节点工作站:从网络拓扑结构的角度上讲，局域网的节点都可称为工作站，而这里是特指过程控制站。第二代集散系统的控制站是在第一代集散系统的控制单元基础上发展起来的，具有更完善的控制功能和通信功能。 (3)中央操作站:它由微机、显示器、键盘、打印机等组成，是全系统的人机接口，可完成对整个系统的信息进行综合、管理。 (4)系统管理站：亦称系统管理模件(SMM，System Mana Gement Module)。为了加强全系统的管理功能，有些集散系统在网络中

12、加上了专门用来配合主计算机和中央操作站进行系统管理的系统管理模件，如历史模件(HM，History Module)、应用模件(AM，Application Module)，计算模件(CM，Caculate Module)等，未采用硬件系统管理单元的第二代集散系统一般应用高性能管理软件来实现同样功能。 (5)主计算机:亦称管理计算机。它应是具有较强运算和管理功能的计算机，一般为小型机。无主机集散系统则应该加强中央操作站与节点工作站功能。 ( 6 ) 网 间 连 接 器 : 亦 称 门 路(GW,Gate Way)，它是LAN与其他子系统网络(如第一代集散系统的DHW)或其他工业网络(如可编程控制

13、器PLC网络)的接口装置，起着通信接转器、协议翻译及系统扩展器的作用。 第二代集散系统是应市场要求而产生的，20世纪70年代以来，工业自动化技术飞速发展，世界市场上产品竞争激烈，迫使生产厂家必须提高产品质量，提高生产效率，因此，必须实现全面的优化管理。局部网及各种管理模件等正是为适应这方面要求而引入的。同样，市场的竞争导致了生产周期变短，生产品种变换频繁，工艺过程变化大，这就要求控制系统不仅要有完善的连续控制和顺序控制功能，还必须增强批量控制功能。这就形成了第二代集散系统的主要技术特征：引入局部网和管理模件；引入或加强了批量控制功能。 第二代集散系统的典型代表有：霍尼维尔公司的TDC3000，

14、东芝公司的TOSDICADVANCEDSYSTEM，泰勒公司的MOD3000，贝利公司的第二代Network90，利兹公司的MAX1等。 3. 第三代集散系统的基本结构 网络技术特别是局部网络标准化的发展带动了集散系统的进步，第三代集散系统的主要变化是在局部网络中采用了MAP(Manufactuin Gautomation Protocal，制造自动化协议)，从而解决了第二代集散系统各公司产品相互不能兼容的缺点。第三代集散系统的另一进展是系统的智能化进一步向现场延伸，采用了智能变送器(Smart Transmitter)，并通过现场总线(FB，Fieldbus)与PCU或LAN的节点相连。由于

15、工业局部网的标准化协议尚未完全成熟，因此第三代集散系统仍处在发展初期，其基本结构如图85所示。 图85 第三代集散系统的基本结构DHW中 央操作站GWMAP协议LANFBPCU智能仪 表智 能变送器本地操作站主计算机 4. 集成式集散系统的基本结构 近年来，在计算机控制系统中出现了系统集成的新概念。这个概念是由从事计算机及应用技术的研究人员提出的。系统集成就是将以微处理器为基础的各类数字设备(如PCU、DAU、CRT、GW等)统一连接在数据总线DHW或局部网络LAN上，构成所谓的集成式分散系统(IDS，Inte Grated Distributed System)。微处理、智能仪表及通信技术的

16、发展，使这种系统成为可能。在国外已经出现了许多专营IDS系统的公司。IDS系统的基本结构如图86所示。图中桥用来连接同类网络，网间连接器W用来连接不同类型的网络，以便对IDS扩展PIU(Process Interface Unit)过程接口单元。图86 集成式集散系统的基本结构 主计算机中 央操作站管理模块GW桥PCUPCUPLCPIU 8.1.3 集散系统的特点 集散系统之所以能有较快的发展，是与其所具有的特点分不开的。与其他计算机控制系统相比较，集散系统主要具有以下几个特点： (1)在结构上实现了分级分散控制。纵向分级便于生产过程的集中监视、操作和管理，横向分散，提高了系统的可靠性。 (2

17、)完善了系统功能。由于采用了高性能的上位机，使系统可以方便地实现各种复杂控制功能和决策管理功能。 (3)系统构成方式简便。硬件积木化，软件模块化，应用灵活，扩展方便，通过连接部件还可以与其他同类或不同类系统连接，方便了用户，提高了效率。 (4)应用了局部网络技术。由此可以实现全系统的信息综合利用，资源共享，相互协调。 (5)获得了很高的可靠性。通过系统的分散结构特征，使用冗余技术、自诊断技术和可靠性元器件等手段，使系统得到了极高的可靠性。其中利用率可达99.9999%，平均无故障时间可大于50000h。 8.1.4 集散系统的发展方向与趋势 集散系统是随着4C (Computer/Contro

18、l/ /Communication/CRT)技术的发展而发展起来的，因此随着科学技术的不断发展，随着工业控制领域市场的竞争与要求，集散系统的性能指标及性能价格比将进一步提高。根据目前的发展趋势，系统近期将着重在以下几个方面得到改进和完善： (1)操作性能进一步提高，操作、管理、组态、开发将更加方便。软件更加丰富，各种高性能的控制管理软件，特别是人工智能专家系统，如人工智能(AI，Artificial Intelli Gence)在集散控制系统中得到广泛应用。 (2)加强网络标准，统一通信规程，加上现场总线的规格化，系统硬件、软件的标准化，形成开放型的集散系统。另外，网络的开发应用也会使集成式集

19、散系统得到发展。 (3)系统规模在向大的方向发展的同时也向小规模系统发展。基本控制单元也将向小回路甚至单回路的方向发展。可编程控制器成为集散系统的一个节点。 总之，集散系统的出现给工业生产带来许多好处，但事物总是要发展的。这里介绍继集散系统后的新的控制网络现场总线，它比集散系统有更广阔的应用前景。 8.2 现场总线概述 现场总线(Fieldbus)是近年来迅速发展起来的一种工业数据总线,它主要解决现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备与高级控制系统之间的信息传递问题。由于现场总线具有简单、可靠、经济实用等一系列突出的优点，因而成为当今自动化领域技术发展

20、的热点之一。它的出现标志着工业控制技术领域又一个新时代的开始，并将对该领域的发展产生重要影响。 8.2.1 现场总线的含义 根据国际电工委员会IEC(International Electrotechnical Commission)标准和现场总线基金会FF(Fieldbus Foundation)的定义，现场总线是指连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。现场总线的含义表现在以下五个方面。 1.现场通信网络 传统的分散型控制系统(DCS,Distributed Control System)的通信网络截止于控制站或输入输出单元，现场仪表仍然是一对一模拟信号传输，

21、如图87所示。现场总线是用于过程自动化和制造自动化的现场设备或现场仪表互连的现场通信网络，把通信线一直延伸到生产现场或生产设备，如图88所示。图中现场设备或现场仪表是指传感器、变送器或执行器等，这些设备通过一对传输线互连，传输线可以使用双绞线、同轴电缆和光缆等。 图87 传统DCS控制层 分析仪传统仪表LANPLC控制站操作站G图88 第一代FCS控制层服务器32现场设备H1 现场总线H1 现场总线LAN32现场设备124现场设备H1H1H1网桥H2 现场总线操作站 2.互操作性 互操作性的含义是来自不同制造厂的现场设备，不仅可以相互通信，而且可以统一组态，构成所需的控制回路，共同实现控制策略

22、。也就是说，用户选用各种品牌的现场设备集成在一起，实现“即接即用”。现场设备互连是基本要求，只有实现操作性，用户才能自由地集成FCS(Field Control System)。 3. 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、补偿和累加输入功能块，而且PID有控制和运算功能块；调节阀除了具有信号驱动和执行功能外，还内含输出特性补偿功能块、PID控制和运算功能块，甚至有阀门特性自校验和自诊断功能。 由于功能块分散在多台现场仪表中，并可以统一组态，因此用户可以灵活选用各种功能块，构成所需

23、要的控制系统，实现彻底的分散控制，如图89所示。其中差压变送器含有模拟量输入功能块(AI110)，调节阀含有PID控制功能块(PID110)及模拟量输出功能块(AO110)，这3个功能块构成流量控制回路。图89 现场总线的分散功能 差压变送器模拟量输入块模拟量输出块服务器LAN现场总线操作站AI110PID110PID控制块调节阀FTFCAO110 4.通信线供电 现场总线的常用传输是双绞线，通信线供电方式允许现场仪表直接从通信线上摄取能量，这种低功耗现场仪表可以用于本质安全环境，与其配套的还有安全栅。有的企业生产现场有可燃性物质，所有现场设备必须严格遵循安全防爆标准，现场总线也不例外。 5.

24、 开放式网络互连 现场总线为开放式互连网络，既可与同类网络互连，也可与不同类网络互连。开放式互连网络还体现在网络数据库共享，通过网络对现场设备和功能块统一组态，天衣无缝地把不同厂商的网络及设备融为一体，构成统一的现场总线控制系统。 8.2.2 现场总线对自动化领域的变革 1.现场总线给当今的自动化领域带来的变革 现场总线是用于工业控制的新型系统。它有如下特点： (1)用一对通信线连接多台数字仪表取代一对信号线只能连接一台仪表。 (2) 用多变量、双向、 数字通信方式取代单变量、单向、模拟传输方式。 (3)用多功能的现场数字仪表取代单功能的 现场模拟仪表。 (4)用分散式的虚拟控制站代替集中式控

25、制站。 (5)用现场总线控制系统FCS代 替传统的分散控制系统DCS。 (6) 变革传统的信号标准、通信标准和系统标准。 (7) 变革传统的 自动化系统体系结构、设计方法和安装调试方法。 自动化领域的这场变革，其深度和广度都将超过历史上任何一次，必将开创自动化控制的新纪元。 2.FCS对S的变革 FCS对DCS的变革表现在： (1) FCS的信号传输实现了全数字化，从最底层的传感器和执行器就采用现场总线网络，逐层向上直至最高层均为通信网络互连。 (2) 图88所示的FCS的系统结构为全分散式，它废弃了图87所示的DCS的输入/输出单元和控制站，由现场设备或现场仪表取而代之，即把DCS控制站的功

26、能化整为零，分散地分配给现场仪表，从而构成了虚拟控制站，实现了彻底的分散控制。 (3)FCS的现场设备具有互操作性，彻底改变了传统DCS控制层的封闭性和专用性，使不同厂商的现场设备既可互连也可互换，还可统一组态。 (4)FCS的通信网络为开放式互连网络， 用户可非常方便地共享网络数据库，使同层网络可以互连，也可以使不同网络互连。 (5)FCS 的技术和标准实现了全开放，无专利许可要求，可供任何人使用。现场总线开发者只需致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统。 8.2.3 现场总线产生的原因 现场总线对自动化领域中传统的模拟仪表分散控制系统DCS的变革，是在分析、比较模拟仪表和现场总线利弊的基础

27、之上产生的。 1.模拟仪表的缺点 模拟仪表有以下缺点： (1)一对一结构。一对传输线，一台仪表，单向传输一个信号，如图87所示。 (2)可靠性差。模拟信号传输不仅精度低，而且易受干扰。 (3)失控状态。操作员在控制室既不了解现场模拟仪表工作状况，也不能对其进行参数调整,更不能预测故障，导致操作员对其处于“失控”状态。 (4)互换性差。尽管模拟仪表统一了信号标准420mA(DC)，可是大部分技术参数仍由制造厂自定，致使不同品牌的仪表无法互换。 2. 现场总线的优点 现场总线具有以下优点： (1)一对N结构。一对传输线，N台仪表，双向传输多个信号，如图88所示。 (2)可靠性高。由于现场总线设备的

28、智能化、数字化,与模拟信号相比，它从根本上提高了测控精度，减少了传输误差。同时，由于系统的结构简单，设备与连线减少，现场仪表内部功能的加强，减少了信号的往返传输，提高了系统的可靠性。 (3)可控状态。操作员在控制室既可了解现场设备或现场仪表的工作状况，也能对其进行参数调整，还可预测或诊断故障，始终处于操作员的远程监视与可控状态。 (4)互可操作性与互换性。互可操作性是指实现互连设备间、系统间的信息传递与沟通；而互换性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。 (5)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，仅靠现场设备就可完成自

29、动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。 (6)系统结构的高度分散性。现场总线已构成一种新的全分散型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。 (7)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。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。 另外，由于现场总线系统结构的简化，使控制系统从设计、安装、投运到正常生产运行及其检修维护都体现出优越性。 3.微处理器技术、通信网络技术和集成电路技术的发展每台现场设备或现场仪表

30、就是一台微处理器，既有CPU、内存和通信等数字信号处理，又有非电量信号检测、变换和放大等模拟信号处理。由于必须把现场设备安装在生产现场，而且工作环境十分恶劣，对于易燃易爆场所，必须提供总线供电的本质安全。这势必要求微处理器体积小、功能全、性能好、可靠性高、耗电少。另外，现场通信网络分布于生产现场，由网络节点构成虚拟控制站，这就要求采用先进的网络技术和分布式的数据库技术。 8.2.4 现场总线发展过程 在20世纪80年代中期，国外就提出了现场总线，但研究工作进展缓慢，且没有国际标准可以遵循。许多国际组织对现场总线标准化做了不少工作，下面简述部分国际组织研究现场总线标准化工作，以便了解现场总线发展

31、的过程。 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Proway Workin G Group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(Process Fieldbus)标准，简称为PROFIBUS，由此拉开了现场总线标准制定和产品开发的序幕。 1992年，Siemens、Rosemount、ABB、Foxboro、Yoko Gawa等80家公司联合成立了ISP(Interoperable System Protocol)组织，并着手在PROFIBUS的基础上制定现场总

32、线标准。1993年，以Honeywell、Bailey等公司为首，成立了WorldFIP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，由于行业和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World FIP北美部分 合 并 ， 成 立 了 现 场 总 线 基 金 会(Fieldbus Foundation，简称FF)，推动了现场总线标准的制定和产品开发，并于1996年第一季度颁

33、布了低速总线H1的标准，安装了示范系统，将不同厂商的符合FF规范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。 另外，值得一提的是HART(HiGhway Addressable Remote Transducer，可寻址远程传感器高速公路)协议，它最初由美国Rosemount公司开发，已应用38年。HART协议作为一个公开性协议，已有70多家公司支持并使用，如E+H、Moore Products、AllenBradley、Siemens、FisherRosemount、SMAR公司等，并成立专门机构发展HART协议，从事互可操作性及标准化工作，以前是HUG(HARTU se

34、r Group)，现在由HCF(HART Communication Foundation， 1993年成立)接替。HART协议的特点是具有与现场总线类似的体系结构，具有总线式数字通信，兼容现存的420mA模拟系统，是从模拟系统向现场总线过渡的一块垫脚石。HART通信是在模拟信号上叠加FSK数字信号，使模拟与数字可同时通信，可在一根双绞线上连接多台现场设备，构成多站网络。HART协议被认为是事实上的工业标准，但它并不是现场总线，是一个过渡性协议。 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。它们大都是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的。大千世

35、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，预计在今后的一段时间内，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信的局面，但发展统一的标准规范形成开放互连系统是大势所趋。 9.2.5 现场总线的设备 现场总线的设备分为现场设备和开发设备两类，设备名称及类型随总线及应用而定。本节以用于过程自动化的基金会现场总线(FF)为例，对其加以说明。 1.现场设备 FF现场设备有变送器、执行器、终端器、电源、本质安全栅、中继器、网桥和操作站等。常用的变送器有温度、压力、流量、料位和分析五大类，每类又有多个品种。变送器既有监测、变换和补偿功能，又有PID控制

36、和运算功能。 常用的执行器有电动、气动两大类，每类又有多个品种。执行器的基本功能是信号驱动和执行，还内含调节阀输出特性补偿、PID控制和运算等功能，另外有阀门特性自校验和自诊断功能。终端器使用在传输电缆始末端的阻抗匹配器，每条总线只需两个终端器。终端器可防止信号失真和衰减。 2. 开发设备 FF开发设备有专用集成电路(ASIC)、通信栈软件、DD软件、开发和维护工具等。现场总线设备因其种类繁多，用户量大，所以由各厂商分别供应，需单独经过现场总线基金会(FF)和Fraunhofer研究所进行一致性测试和互操作性测试，最终由FF发给产品注册商标，并定期发行产品目录。8.3 五种有影响的现场总线 自

37、20世纪80年代末以来，有几种现场总线技术已逐渐产生影响，并在一些特定的应用领域显示了自己的优势和较强的生命力。目前较为流行的现场总线主要有以下五种：基金会现场总线FF、局部操作网 络 L O N W O R K S 、 过 程 现 场 总 线PROFIBUS、控制器局域网络CAN、可寻址远程传感器数据通路HART。 8.3.1 FF(Foundation Fieldbus) FF基金会现场总线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，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

38、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。 FF基金会现场总线分低速H1和高速H2两种通信速率。H1的传输速率为31.25kb/s，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的传输速率为1Mb/s和2.5Mb/s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IEC11582标准。其物理介质的传输信号采用曼彻斯特编码。 FF的主要技术内容包括:FF通信协议；用于完成开放互连模型中第27层通信协议的通信栈(Communication Stack)；用于描述设备特征

39、、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购成集成自动化系统、网络系统的系统集成技术。 8.3.2 LONWORKS(Local Operating Networks) LONWORKS局部操作网络是又一具有强劲实力的现场总线技术。它采用了ISO/OSI模型的全部七层通信协议，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300b/s至1.5Mb/s不等，直接通信距离可达2700m(78kb/s，双绞线)；支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、

40、电力线等多种通信介质，并开发了相应的本质防爆安全产品，被誉为通用控制网络。 LONWORKS技术所采用的Lon Talk协议被封装在称之为Neuron的神经元中而得以实现。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，称为介质访问控制器，实现介质访问控制与处理；第二个用于完成第36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。 N e u r o n 芯

41、片 的 编 程 语 言 为Neuron C，它是从ANSIC派生出来的。LONWORKS提供了一套开发工具Lon Builder与Node Builder。 此外，Lon Talk协议还提供了五种基本类型的报文服务：确认(Acknowled Ged)、非确认(Unacknowled Ged)、请求/响应(Request/ Response)、重复(Repeated)、非确认重复(UnacknowledGed Repeated)。 LonTalk协议的介质访问控制子层(MAC)对CSMA(载波信号多路监听)作了改进，采用了一种新的称作预测的P坚持CSMA(PredictivePPresisten

42、tCSMA)的协议。带预测的P坚持CSMA在保留CSMA协议优点的同时，注意克服了它在控制网络中的不足。所有的节点根据网络积压参数等待随机时间片来访问介质，这就有效地避免了网络的频繁碰撞。 LONWORKS技术产品已被广泛应用在楼宇自动化、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。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。 8.3.3 PROFIBUS(Process Fieldbus) PROFIBUS过程现场总线是符合德国国家标准DIN19245和欧洲标准EN50170的现场总线标准。由PROFIBUSDP、PROFIBUSFMS、

43、PROFIBUSPA组成了PROFIBUS系列。DP型用于分散的外围设备之间的高速数据传输，适用于加工自动化领域。FMS意为现场信息规范，FMS型适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等。PA型则是用于过程自动化的总线类型，它遵从IEC11582标准。 该项技术是由Siemens公司为主的十几家德国公司、研究所共同推出的。 它采用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9.6kb/s12Mb/s，最大传输距离在12Mb/s时为100m，1.5Mb/s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

44、电与本质安全防爆。 PROFIBUS引入功能模块的概念，不同的应用需要使用不同的模块。在一个确定的应用中，按照PROFIBUS规范来定义模块，写明其硬件和软件的性能，规范设备功能与PROFIBUS通信功能的一致性。PROFIBUS为开放系统协议，为保证产品质量，在德国建立了FZI信息研究中心，对制造厂和用户开放，并对其产品进行一致性监测和实验性检测。 8.3.4 CAN(Control Area Network) CAN控制局域网络是由德国Bosch公司推出的，用于汽车检测与控制部件之间的数据通信。其总线规范现已被ISO国际标准组织制定为国际标准，它广泛应用在离散控制领域。CAN协议也是建立在

45、国际标准组织的开放系统互连模型的基础之上，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。 CAN的通信速率为5kb/s(10km)、1Mb/s(40m)，可挂接设备数最多达110个，信号传输介质为双绞线或光纤等；CAN采用点对点、一点对多点及全局广播几种方式发送接收数据；CAN可实现全分布式多机系统且无主、从机之分，每个节点均主动发送报文，用此特点可方便构成多机备份系统；CAN采用非破坏性总线优先级仲裁技术，当两个节点同时向网络上发送信息时，优先级低的节点主动停止发送数据，而优先级高的节点可不受影响地继续发送信息，按节点类型不同分成不同的优先级，可以满足不同的实时

46、要求； CAN支持四类报文帧：数据帧、远程帧、出错帧和超载帧，采用短帧结构，每帧有效字节数为8个，这样传输时间短，受干扰的概率低，且具有较好的检错效果；CAN采用CRC循环冗余校验及其他检错措施，保证了极低的信息出错率；CAN节点具有自动关闭功能，当节点错误严重的情况下，则自动切断与总线的联系，这样不影响总线正常工作；CAN单片机有Motorola公司生产的带CAN模块的MC68HC05*4，Philips公司生产的82C200，Intel公司生产的带CAN模块的P8*C592；CAN控制器有Philips公司生产的82C200，Intel公司生产的82527；CANI/O器件有Philips

47、公司生产的82C150，它具有数字和模拟I/O接口。 8.3.5 HART(HiGhway Addressable Remote Transducer) HART 可寻址远程传感器数据通路是由美国Rosemount公司研制的，其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，属于摸拟系统向数字系统转变过程中的过渡产品，因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争力，且得到了较快发展。 HART协议参照ISO/OSI模型的第1、2、7层，即物理层、数据链路层和应用层，其主要特性是： (1)物理层。采用基于Bell202通信标准的FSK技术，即在420mA(DC)模拟信号上叠加FSK数字信号，逻辑1为12

48、00Hz，逻辑0为2200Hz，波特率为1200b/s，调制信号为0.5mA或0.25VPP(250负载)。用屏蔽双绞线连接单台设备时距离为3000m，而多台设备互连距离为1500m。 (2)数据链路层。数据帧长度不固定，最长为25个字节。可寻址位015，当地址为0时，处于420mA(DC)与数字通信兼容状态；当地址为115时，则处于全数字通信状态。通信模式为“问答式”或“广播式”。 (3) 应用层。规定了三类命令。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(尽管不是全部)中实现，这类命令包括最常用的现场设备功能库；第三类称为特殊

49、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。在一个现场设备中通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变为设备描述字典，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。但是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。 8.4 OSI参考模型与现场总

50、线通信模型 作为工业控制现场底层网络的现场总线，要构成开放互连系统，如何选择通信模型，是现场总线技术形成的过程中必须考虑的重要问题。 工业生产现场存在大量传感器、控制器和执行器等，它们通常零散地分布在一个较大范围内。对由它们组成的工业控制底层网络来说，单个节点面向控制的信息量不大，信息传输的任务相对比较简单，但实时性、快速性的要求较高。因此，为满足实时性要求，也为了实现工业网络的低成本，现场总线采用的通信模型大都在OSI模型的基础上进行了不同程度的简化。 典型的现场总线协议模型如图810中第2列所示。它采用OSI模型中的三个典型层：物理层、数据链路层和应用层，并增加一个现场总线访问子层，以取代

51、省去的OSI模型中第36层的部分功能，以满足工业现场应用的性能要求。它是OSI模型的简化形式，其流量与差错控制在数据链路层中进行，因而与OSI模型不完全保持一致。 图810 OSI与部分现场总线通信模型的对应关系数据链路层2物理层1ISO / OSI模型现场总线模型应用层功能块应用与设备描述FF模型UART模型PROFIBUS-DP网络层3传输层4会话层5表示层6应用层7物理层数据链路层总线访问子层应用层物理层通信栈物理层物理层数据链路层数据链路层隐去37层隐去36层用户接口应用层信息规范低层接口应用层接口PROFIBUS-FMSBell202UART通信规范UART指令 开放系统互连模型是现

52、场总线技术的基础，目前集中有影响的现场总线技术，大都以国际标准组织的开放互连模型作为基本框架，施加某些行业应用需要的规定后形成的标准，并在较大范围内取得了用户与制造商的认可。 8.4.1 基金会现场总线通信模型 FF现场总线模型结构如图811所示。它采用了OSI模型中的物理层、数据链路层和应用层这三层，隐去了第36层。其中物理层、数据链路层采用IEC/ISA标准。应用层有两个子层：现场总线访问子层FAS和现场总线信息规范子层FMS，并将从数据链路到FAS、FMS的全部功能集成为通信栈(Communication Stack)。FAS的基本功能是确定数据访问的关系模型和规范，根据不同要求，采用不

53、同的数据访问工作模式。现场总线信息规范子层FMS的基本功能是面向应用服务， 生成规范的应用协议数据。现场总线访问子层与信息规范子层的任务是完成一个应用进程到另一个应用进程的描述，实现应用进程之间的通信，提供应用接口的标准操作，实现应用层的开放性。在应用层之上增加的用户层规定标准的功能模块、对象字典设备和设备描述，供用户组成所需要的应用程序，并实现网络管理和系统管理。在网络管理中，为了提供一个集成网络各层通信协议的机制，实现设备操作状态的监控与管理，设置了一个网络代理和一个网络管理信息库，以提供组态管理、性能管理和差错管理的功能。在系统管理中，设置了系统管理内核、系统管理内核协议和系统管理信息库

54、，以实现设备管理、功能管理、时钟管理和安全管理等功能。图811 FF现场总线模型与OSI ISO / OSI模型用户层(程序)物理层通信栈物理层FF 现场总线模型现场总线信息规范子层FMS现场总线访问子层FAS应用层7数据链路层用户层物理层1数据链路层2网络层3传输层4会话层5表示层6 8.4.2 LONWORKS通信模型 LONWORKS采用了ISO/OSI模型的全部七层通信协议，被誉为通用控制网络。这七层的作用和所提供的服务如图812所示。图812 LONWORKS模型分层 应用层7模型分层网络应用程序 标准网络变量类型：组态性能, 文件传送, 网络服务作 用服 务表示层6会话层5传输层4

55、网络层3数据链路层2物理层1数据表示远程传送控制端端传输可靠性报文传递媒体访问与成帧电气连接 网络变量：外部帧传送 请求 / 响应, 确认 单路 / 多路应答服务, 重复信息服务, 复制检查 单路 / 多路寻址, 路径 成帧, 数据编码, CRC校验, 冲突回避/仲裁, 优先级 媒体特殊细节(如调制), 收发种类, 物理连接 8.4.3 PROFIBUS通信模型 PROFIBUS是作为德国国家标准DIN19245和欧洲标准EN50170的现场总线标准。它的参考模型列于图810中。它采用了OSI模型的物理层和数据链路层;外设间的高速数据传输采用DP型，隐去了第37层，而增加了直接数据连接拟合，作

56、为用户接口，FMS型则只隐去了第36层，采用了应用层。PA型的标准目前 还 处 于 制 定 过 程 之 中 ， 与IEC11582(H1)标准兼容。 8.4.4 CAN通信模型 CAN只采用了ISO/OSI模型中的两层：物理层和数据链路层。物理层又分为物理信令(PLS，Physical Si GnallinG)、物理媒体附件(PMA， Physical Medium Attachment)与媒体接口(MDI，Medium Dependent Interface)三部分，完成电气连接、实现驱动器/接收器特性、定时、同步、位编码/解码。数据链路层分为逻辑链路控制与媒体访问控制两部分，分别完成接收滤

57、波、超载通知、恢复管理，以及应答、帧编码、数据封装拆装、媒体访问管理、出错检测等。CAN通信模型如图813所示。图813 CAN模型 数据链路层LLCMACPALPMAMDI物 理 层 8.4.5 HART通信模型 HART通信模型由三层组成：物理层、数据链路层和应用层，其模型结构如图810所示。它的物理层采用Bell202国际标准，数据链路层用于按HART通信协议规则建立的HART信息格式。其信息构成包括开头码、终端与现场设备地址、字节数、现场设备状态与通信状态、数据、奇偶检验等。应用层的作用在于使HART指令付诸实现，即把通信状态转换成相应的信息。 8.5 FF现场总线技术 FF现场总线标

58、准共有四层协议，即物理层、数据链路层、应用层和用户层。其中，物理层规定了信号如何发送；数据链路层规定如何在设备间共享网络和调度通信；应用层规定了在设备间交换数据、命令、事件信息以及请求应答中的信息格式；用户层则用于组成用户所需要的应用程序，如规定标准的功能块、设备描述，实现网络管理、系统管理等。下面简要介绍该标准协议的主要内容。 8.5.1 物理层(Physical Layer) 1.物理层的功能 物理层用于实现现场物理设备与总线之间的连接。它作为电气接口，一方面接受来自数据链路层的信息，经再加工变为物理信号，传送到现场总线的传输媒体上；另一方面把接收到的来自总线传输媒体的物理信号进行相反处理

59、送往数据链路层，考虑到现场设备的安全稳定运行，该层区应具备电气隔离、信号滤波等功能。现场总线的传输介质一般为两根导线，如双绞线，因而其机械接口相对较为简单。 2. 物理层的结构 物理层标准IEC11582已通过多年，按其规范的有关规定，物理层又被分为媒体相关子层与媒体无关子层。媒体相关子层负责处理导线、光纤、无线介质等不同传输媒体、不同速率的信号转换问题，也称媒体访问单元。媒体无关子层则是媒体访问单元与数据链路之间的接口，有关信号编码、增加或去除前导码和定界码的工作均在此子层中完成。 图814示出了导线介质的媒体接口部分的电路框图，该接口电路主要完成信号滤波与处理、信号驱动及其控制、电路隔离等

60、功能，为媒体无关子层提供合格的物理信号波形。所有现场总线设备都具有至少一个物理层实体。图814 导线媒体接口 现场总线网络驱动许可现场数据输出至通信控制器现场数据输入线路驱动比较器电压限幅隔离电路射 频滤波器带 通滤波器缓冲驱动电压 3. 传输介质 传输介质可以采用双绞线、电缆、光缆及无线介质，目前应用较为广泛的是前两种。H1标准采用的电缆类型可分为屏蔽双绞线、屏蔽多对双绞线、无屏蔽双绞线、多芯屏蔽电缆等几种类型。显然，线缆种类、线径粗细不同，对传输信号的影响就不同。现场总线基金会对采用不同缆线时的最大传输距离规定如表83所示。 表83 电缆类型与传输距离关系 4. 信号编码 FF现场总线的通