现场总线与分布式控制系统

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Version 1.10 版2006 年 5 月

现场总线与分布式控制系统现场总线与分布式控制系统


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现场总线的概念工业控制系统的发展现场总线控制系统现场总线技术

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现场总线的概念现场总线的概念工业控制系统开始向网络化的方向发展，而现场总线（ Fieldbus ）是当前工业控制系统中的一个热点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装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。


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工业控制系统的发展工业控制系统的发展工业控制系统的结构主要经历了以下的发展历程

第一代：计算机集中控制系统（ CCS ）计算机集中控制系统（ CCS ）采用一台计算机实现过程控制的功能

第二代：集散控制系统（ DCS ）集散控制系统的核心思想是集中管理、分散控制，即管理与控制相分离，上位机用于集中监视管理功能，若干台下位机下放分散到现场实现分布式控制，

第三代：现场总线控制系统（ FCS ）现场总线控制系统用现场总线这一开放的，具有可互操作的网络将现场各控制器及仪表设备互连，构成现场总线控制系统，同时控制功能彻底下放到现场，降低了安装成本和维护费用。


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现场总线控制系统（现场总线控制系统（ FCSFCS ））现场总线控制系统（ FCS ）实质是一种开放的、具可互操作性的、彻底分散的分布式控制系统现场总线系统作为工厂数字通信网络的最底层 - 现场层，实现了生产过程现场的设备装置之间的互联互通


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现场总线控制系统（现场总线控制系统（ FCSFCS ））生产自动化系统中分等级的网络结构


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现场总线控制系统（现场总线控制系统（ FCSFCS ））现场总线控制系统的特点：

现场总线系统控制功能更加分散：它可以由现场仪表组成自治的控制回路。 FCS 中各现场设备有足够的自主性。现场总线作为一种数字化的串行网络，具有良好的抗干扰能力，大大提高了控制系统的可靠性。现场总线系统采用彻底分散的分布式结构，一方面大量节省了布线费用，另一方面也便于系统的安装、调试和维护，降低系统的安装维护成本。现场总线系统具有开放性的特点，能够保证良好的互换性和互操性。


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现场总线技术现场总线技术现场总线技术（ Fieldbus ），是计算机数字通信技术向工业自动化领域的延伸，它的发展将促使自动化系统结构发生重大变革，是传统的基于 PLC 及 DCS 控制技术系统发展的必然归宿。现场总线技术以其先进性、实用性、可靠性、开放性的优点，必然成为未来自动化技术发展的主流。


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现场总线技术现场总线技术在目前有多种现场总线技术具有较大的影响力，并获得广泛的应用。

基金会现场总线 Lonworks PROFIBUS HART CAN-bus


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基金会现场总线基金会现场总线基金会现场总线（ FF ）是国际上几家现场总线经过激烈竞争后形成的的一种现场总线，由现场总线基金会推出。 FF 总线提供了 Hl 和 H2 两种物理层标准。

Hl 是用于过程控制的低速总线，传输速率为 31.25Kbps ，传输距离为 200m 、 450m 、 1200m 、 1900m 四种（加中继器可以延长），可用总线供电，支持本质安全设备和非本质安全总线设备。 H2 为高速总线，其传输速率为 1Mbps （此时传输距离为 750m ）或 2.5Mbps （此时传输距离为为 500m ）。 H1 和 H2 每段节点数可达 32 个，使用中继器后可达 240 个， Hl和 H2 可通过网桥互连。 FF 的突出特点在于设备的互操作性、改善的过程数据、更早的预测维护及可靠的安全性。


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LonworksLonworks Lonworks 是由美国 Echelon公司于 20世纪 90 年代初推出的现场总线，它采用 ISO/OSI模型的全部 7 层通讯协议，这是在现场总线中唯一提供全部服务的现场总线。

在一个 Lonworks 控制网络中，智能控制设备 ( 节点 ) 使用同一个通信协议与网络中的其它节点通信。每个节点都包含内置的智能芯片来完成协议的监控功能。一个 Lonworks 控制网络可以有 3 个到 30000 个或更多的节点。 Lonworks 分布式控制技术显示出很高的系统可靠性和系统响应，并且降低了系统的成本和运行费用。 Lonworks 的核心是神经元芯片 (Neuron Chip) 。神经元芯片完成节点的事件处理，并通过多种介质把处理结果传递给网络上的其它节点。同时还采用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。


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PROFIBUSPROFIBUS 过程现场总线 Profibus 由 Siemens公司提出并极力倡导，己先后成为德国国家标准 DIN19245 和欧洲标准 EN50170 。 Profibus 由 Profibus-PA 、 Profibus-DP 和 Profibus-FMS 三个系列组成。

Profibus-PA （ Process Automation ）用于过程自动化的低速数据传输，其基本特性同 FF 的 H1 总线，可以提供总线供电和本质安全。 Profibus-DP 与 Profibus-PA兼容，基本特性同 FF 的 H2 总线，可实现高速传输，适用于分散的外部设备和自控设备之间的高速数据传输，用于连接 Profibus-PA 和加工自动化。 Profibus-FMS适用于一般自动化的中速数据传输，主要用于传感器、执行器、电气传动、 PLC 、纺织和楼宇自动化等。后两个系列采用 RS485 通信标准，传输速率从 9.6kbps 到 12Mbps ，传输距离从 1200M 到 100m （与传输速率有关），在 12Mbps 时为 1

00m ， 1.5Mbps 时为 400m 。 Profibus 是一种比较成熟的总线，在工程上的应用十分广泛。


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HARTHART HART 是 HighwayAddressableRemoteTransduer 的缩写。最早由 Rosemout公司开发并得到 80 多家著名仪表公司的支持，于 1993 年成立了 HART 通信基金会。

HART 特点是现有模拟信号传输线上实现数字通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中工业过程控制的过渡性产品， HART 通信模型由 3 层组成：物理层、数据链路层和应用层。 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。 HART 能利用总线供电，可满足本安防爆要求。


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CAN-busCAN-bus CAN-bus （ Controller Area Network ）即控制器局域网，是国际上应用最广泛的现场总线之一。

CAN-bus 是一种多主方式的串行通讯总线，基本设计规范要求有高的位速率，高抗电磁干扰性，而且能够检测出产生的任何错误。当信号传输距离达到 10Km 时， CAN-bus仍可提供高达 5Kbps 的数据传输速率。作为一种技术先进、可靠性高、功能完善、成本合理的远程网络通讯控制方式， CAN-bus 已被广泛应用到各个自动化控制系统中。例如，在汽车电子、自动控制、智能大厦、电力系统、安防监控等各领域， CAN-

bus 都具有不可比拟的优越性。


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CAN-busCAN-bus 我们选取在国内广泛应用的 RS-485 总线与 CAN-bus 总线进行比较，从中我们不难看出在串行的数据通信应用上 CAN-bus 总线具有的强大优势。特性 RS-485 CAN-bus成本低廉稍高， 20~30元 /节点总线利用率低高网络特性单主网络多主网络数据传输率低高容错机制无可靠的错误处理和检错机制通讯失败率高极低节点错误的影响导致整个网络的瘫痪无任何影响通讯距离 <1.5Km 可达 10Km（ 5Kbps）网络调试困难非常容易开发难度大小后期维护成本高低


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