现场总线的发展历程及趋势.doc

工业计算机网络课程研究报告 姓名：刘耀 学号：0810211103 班级：08电气一班 专业：电气工程及其自动化 学院：电气与电子工程学院 时间：2011年6月4日 现场总线的发展历程及趋势 08电气一班 刘耀（0810211103） 目录1 现场总线的概念 .32.现场总线的发展历程.53现场总线的发展趋势.7 4参考文献.11 摘要;: 本文重点对现场总线的发展过程、现状及方向进行了较深入的分析，就如何发展本国现场总线提出了些许个人看法。关键词：现场总线技术 实时性 发电厂 组态傻瓜化 无缝连接1 现场总线的概念 从名词定义来讲，现场总线是用于现场电器、现场仪表及现场设备与控制室主机系统之间的一种开放的、全数字化、双向、多站的通信系统。而现场总线标准规定某个控制系统中一定数量的现场设备之间如何交换数据。数据的传输介质可以是电线电缆、光缆、电话线、无线电等等。通俗地讲，现场总线是用在现场的总线技术。传统控制系统的接线方式是一种并联接线方式，从PLC控制各个电器元件，对应每一个元件有一个I/O口，两者之间需用两根线进行连接，作为控制和/或电源。当PLC所控制的电器元件数量达到数十个甚至数百个时，整个系统的接线就显得十分复杂，容易搞错，施工和维护都十分不便。为此，人们考虑怎样把那么多的导线合并到一起，用一根导线来连接所有设备，所有的数据和信号都在这根线上流通，同时设备之间的控制和通信可任意设置。因而这根线自然而然地称为了总线，就如计算机内部的总线概念一样。由于控制对象都在工矿现场，不同于计算机通常用于室内，所以这种总线被称为现场的总线，简称现场总线。 传统的接线方式现场总线接线方式图1 传统控制系统接线方式和现场总线系统接线方式的比较 资料来源： 1.1结构 计算机通信系统的结构是网络状的，从一点到另外一点的通信路径可以是不固定的。 大部分现场总线的结构是线状的，虽然现场总线的拓扑结构可以是总线型、星型、环行、回路型等；但在大多数现场总线中，从一点到另外一点的通信路径是比较固定的。 线状结构的优点是：解决网络供电比较容易；解决本安防爆比较容易；使通信协议中可以舍去与路径有关的几层，有利于改善实时性。 很显然，在线状结构时一条现场总线支路的电源负载是确定的，沿总线电源电压的变化也是可以预料的。在网状结构中一定会出现多电源供电情况，各电源的负载平衡，以及网络中各节点处的电压下降，都比较难以预料。 现场总线的线状结构的主要缺点是当一条总线支路的电缆断了，这条支路就瘫痪了。对于网状结构，断了一、二条支路，信息还能够通过其它路径传递；系统的性能会下降，但不会瘫痪。这个问题是现场总线至今未被用在最关键场合的主要原因之一，也是现场总线制造商们近期要研究解决的问题之一。 上述情况说明现场总线并不只是一项通信技术，它是通信技术、仪表智能化技术及自动控制技术的结合产物。虽然并不是所有的现场总线都满足了上述要求，但这些要求是用于过程控制的现场总线所追求的目标。虽然我们已经看到一些直接通过因特网访问现场仪表的例子，但这都是一些对控制和实时性没有严格要求的检测系统。 1.2功能 计算机通信的基本功能是可靠地传递信息。现场总线的功能是：经济、安全、可靠地传递信息；正确使用所传信息；及时处理所传信息。经济性要求现场总线在传递信息的同时，解决现场装置的供电问题，并要求传输介质较廉价。安全性要求现场总线解决防爆问题。可靠性要求现场总线解决环境适应性问题，包括电磁环境适应性（传输时不要干扰别人，也不要被别人干扰）、气候环境适应性（要耐温、防水、防尘）、机械环境适应性（要耐冲击、耐振动）。 正确使用信息要求不同制造商生产的装置能相互理解所传信息，这就是现场总线的可互操作性要求。及时处理信息要求现场装置不要将信息过多地在网络上往返传递，要尽可能地就地处理信息。及时处理信息的要求主要是针对高层次现场总线和智能仪表的，但是这条要求最集中地体现了现场总线技术发展趋势-信息处理现场化。 1.3要求 对计算机通信的主要要求是快。对现场总线不仅要求传输速度快，在过程控制领域还要求响应快，即实时性要求。这样“快”就有三种含义。 1.31传输速度快：指单位时间内传输的信息要多，通常用波特率来衡量。这条要求与普通计算机通信是一致的。 1.32响应时间短：指突然发生意外事件时，仪表将该事件传输到网络上或执行器接收到该信息马上执行所需的时间。这个时间是由4个方面决定的： 仪表或执行器控制中断的能力；信息在通信协议的应用层与物理层之间的传输时间；等待网络空闲的时间；避免信息在网络上碰撞的时间。由于这个时间对大多数通信协议是一个随机数，因此大部分通信协议不给这个参数。过程控制系统通常并不要求这个时间达到最短，但它要求最大值是预先可知的，并小于一定值。 1.33 巡回时间短：指系统与所有通信对象都至少完成一次通信所需的时间。这个时间一般可由系统组态来调整。对那些单纯靠优先级解决实时性的抢先式通信系统，当高优先级事件发生比较频繁时，低优先级事件会长时间得不到响应；对这类通信协议，巡回时间是随机量，预先不可知。过程控制系统希望最长巡回时间是预先可知的，并小于一定值。 响应时间和巡回时间反映了实时性，而实时性与通信协议有很密切的关系。现场总线采用两种技术来实现实时性。 一种是简化技术。将网络形式简化成线形（实际上已经不成其为“网”了）；将通信模型简化为只有一、二层；将节点的信息简化到只有几比特。经过以上简化，节点的访问就非常快了。这也可以通过极大地提高通信传递速度来缩短节点访问时间，这时虽然理论上某些现场总线的节点访问时间还有某种不确定性，但是反复发生不确定事件的概率很低，可以在一些非关键部位使用这种现场总线。节点访问快了，就可以简化系统的管理；这时采用主-从方式轮询访问，只要限制网络轮询的规模，就可以将响应控制在指定的时间内。采用这种技术可大大降低总线的成本，大多数位式开关量现场总线采用这种技术。 另一种是采用网络管理和数据链路调度技术来实现实时性，这是一种很复杂的技术。一般认为，分时式实时系统的响应具有可预知性，但资源利用率低；抢先式实时系统资源利用率高，但往往响应具有不可预知性。现在的现场总线往往采用两者结合的方式进行管理和调度，以达到某种平衡。 随着多媒体计算机通信系统的不断发展，语音和图象的实时传输对网络的响应时间提出了新的要求。多媒体传输对实时性的要求是几十ms，过程控制对系统的实时性要求是几ms到十ms。多媒体对实时性的要求是“软”的，即只要大部分时间满足要求就行了，偶然几次不及时响应是没关系的。过程控制对实时性的要求是“硬”的，因为它往往涉及安全，必须在任何时间都及时响应，不允许有不确定性。 改善现场总线的实时性，减少响应时间的不确定性是现场总线的重要方向。 2.现场总线的发展历程2.1自动控制领域的发展过程 2.1.1 50多年前第一代过程控制体系是基于513psi的气动信号标准（气动控制系统PCS，PneumaticControlSystem）。简单的就地操作模式，控制理论初步形成，尚未有控制室的概念。 2.1.2 第二代过程控制体系（模拟式或ACS,AnalogControlSystem）是基于010mA或420mA的电流模拟信号，这一明显的进步，在整整25年内牢牢地统治了整个自动控制领域。它表征了电气自动控制时代的到来。控制理论有了重大发展，三大控制论的确立奠定了现代控制的基础；控制室的设立，控制功能分离的模式一直沿用至今。 2.1.3 第三代过程控制体系（CCS，ComputerControlSystem）.70年代开始了数字计算机的应用，产生了巨大的技术优势，人们在测量，模拟和逻辑控制领域率先使用，从而产生了第三代过程控制体系（CCS，ComputerControlSystem）。这个被称为第三代过程控制体系是自动控制领域的一次革命，它充分发挥了计算机的特长，于是人们普遍认为计算机能做好一切事情，自然而然地产生了被称为“集中控制”的中央控制计算机系统，需要指出的是系统的信号传输系统依然是大部分沿用420mA的模拟信号，但是时隔不久人们发现，随着控制的集中和可靠性方面的问题，失控的危险也集中了，稍有不慎就会使整个系统瘫痪。所以它很快被发展成分布式控制系统（DCS）。 2.1.4 第四代过程控制体系（DCS，DistributedControlSystem分布式控制系统）：随着半导体制造技术的飞速发展，微处理器的普遍使用，计算机技术可靠性的大幅度增加，目前普遍使用的是第四代过程控制体系（DCS，或分布式数字控制系统），它主要特点是整个控制系统不再是仅仅具有一台计算机，而是由几台计算机和一些智能仪表和智能部件构成一个子控制系统。于是分散控制成了最主要的特征。除外另一个重要的发展是它们之间的信号传递也不仅仅依赖于420mA的模拟信号，而逐渐地以数字信号来取代模拟信号。 2.1.5 第五代过程控制体系（FCS，FieldbusControlSystem现场总线控制系统）：FCS是从DCS发展而来，就象DCS从CCS发展过来一样，有了质的飞跃。“分散控制”发展到“现场控制”；数据的传输采用“总线”方式。但是FCS与DCS的真正的区别在于FCS有更广阔的发展空间。2.2现场总线崛起的过程 80年代，微处理器及其相关技术的不断发展，使得数据传送环节成为DCS发展的瓶颈。1982年，现场总线的概念首先在欧洲提出，两年后于1984年各国开始进行现场总线标准的研究和制定。1986年由Rosemount提出的通讯协议HART（HighwayAddressableRemoteTransducer,可寻址远程传感器数据通路），主要是在420mA的DC信号上叠加FSK（FrepuencyShiftKeying,频率调制键控）数字信号，结果取得了很好的效果，同时Interbus等简单的现场总线也都取得了成功。这样DSC的发展的重点落在了现场总线上，开始了被称为第五代过程控制体系（FCS，FieldbusControlSystem现场总线控制系统）的时代。FCS是从DCS发展而来，有一个量变到质变的过程。从表面上来看，FCS与DCS区别仅仅在于从“分散控制”发展到“现场控制”；数据的传输从“点到点”采用“总线”方式。其实不然，当时系统论的观点已被广泛地接受，人们开始以大系统的概念来看待整个过程控制体系。系统的增大，导致了网络的通讯技术急剧发展；于是科技界充分认识到在计算机系统的发展中起过重要作用的总线技术可以大大地推进控制系统的发展。整个控制系统就象是一台巨大的“计算机”按总线方式运行，这样资源的共享成了FCS的主要发展空间，于是现场总线应运而生，并且以前所未有的激烈程度展开了市场竞争。3现场总线的发展趋势 工业自动化控制系统应具备可靠性、安全性和实用性。现场总线传递信息是以引起物质或能量的运动为最终目的。用于测量和控制数据通信的主要特点是：允许对事件进行实时响应的驱动通信。可用性，数据完整性，在有电磁干扰和地电位差的情况下能正常工作，以及可使用工厂内专用的传输线等，由于这种传输线系统是连接生产过程的唯一物理途径，因此传输必须非常可靠。 用户可选择的服务可满足不同方面的多种需求的应用，如优先权、服务完整性、时间性以及网络拥塞的恢复能力，即意味着服务和服务性能对于用户（或应用）来讲是可选择的。 对于给定的现场设备，对不同的应用应达到不同的质量要求，因此，现场总线必须支持远程组态功能，以便选择适当的通信质量和适当的本地应用。 集成、开放结构 除了满足传统的客户服务外，现场总线应支持分布时间循环结构，并通过变量进行交换，这些变量构成了一个实时更新的共享的数据库。 由于现场总线靠近生产过程，面对的是苛刻的、特殊的环境条件，因此，现场总线应经受得住这样的环境，并且不受高电磁干扰的影响。3.1现场总线在火电站中的发展前景影响现场总线在火电站中推广应用的原因主要表现在：在标准不统一的情况下，大量应用现场总线具有一定的风险性；现场总线产品的选择范围太窄，难以满足火电站的需要；现场总线并未达到真正的可互操作性；缺乏大型示范工程；缺乏现场总线对火电站的设计、安装、调试、生产和管理等方面的影响的研究；在国内重硬件轻软件、重设备轻服务的情况下，现场总线在工程投资上难以显示优越性；在缺乏示范工程的情况下，经济效益方面没有说服力。现场总线在网络技术先进性方面和有利于提高系统可靠性方面是比较明确的，因此尽管存在种种困难，但现场总线还是能逐渐在火电站中得到应用，而且这种应用会越来越广泛和越来越深入。主要理由是：由于一些现场总线的支持者同时也是DCS和PLC的制造商，他们为了不断提高其DCS和PLC产品的性能，会不断地利用和集成现场总线。因此伴随着。DCS和PLC，现场总线会在火电站中得到应用。支持多种现场总线而不只是一种HART协议的智能仪表的大量出现和在火电站中的应用，推动了现场总线的应用，这种应用开始只是小范围的和局部的，其出发点是为了减少控制电缆和获得更多的仪表信息，这种现场总线的应用是以与DCS或PLC的I0总线集成的形式出现的。随着支持多种现场总线的变频器和智能开关在火电站的广泛应用，连接这些智能设备的现场总线也会得到实际应用，这种应用开始也只是小范围的和局部的，其出发点是为了减少控制电缆和获得更多的设备信息，这种现场总线的应用是以与DCS或PLC的网络集成的形式出现的。在一些石化行业和化工行业示范性工程的影响下，同时在设计、安装、调试、生产和管理等方面做好一定准备的情况下，火电站在部分系统上采用：FCS必定能成为现实，能够推动这一趋势的动力主要来自火电站自身利益的要求。能否在整个火电站采用FCS，则取决于现场总线在技术、产品、服务等方面的发展。 3.2现场总线在应用工程中的发展趋势 3.2 1 通过应用技术发挥现场总线的优势 现场总线系统的优越性很多，主要突出它的哪一种优点 我们认为首先要突出现场总线降低系统投资成本和减少运行费用的优点。这一点很重要，有了这一基本思想，在进行总线类型的选择和网络设计时，就会有明确的方向。 但是，现场总线的这项优点能否发挥，与应用者是否合理地使用现场总线、充分发挥它的潜能有关。 3.2 2 不同类型的现场总线组合更有利于降低成本 针对不同的情况选用不同的总线可以最大限度地降低系统成本。 位式总线的能力很有限，用位式总线作为大型系统的信息传输主体是不可能的。但是它在成本，速度等方面的优势又是其它高层次总线无法替代的。因此它常常与其它总线混合使用。 用户可能会担心，用了多种现场总线，会使整个系统的操作、管理变得复杂。实际现在一些通用的人-机界面软件，都支持多种现场总线，因此到人-机界面这一层，不同总线的区别对使用者来说是不大的。 3.2 3 现场总线的本质是信息处理现场化 一个控制系统，无论是采用DCS还是采用现场总线，系统需要处理的信息量至少是一样多的。实际上，采用现场总线和智能仪表后，可以从现场得到更多的诊断、维护和管理信息。现场总线系统的信息量大大增加了，而传输信息的线缆却大大减少了。这就要求一方面要大大提高线缆传输信息的能力、减少多余信息的传递。另一方面要让大量信息在现场就地完成处理，减少现场与控制机房之间的信息往返。 如果仅仅把现场总线理解为省掉了几根电缆，是没有理解到它的实质。信息处理的现场化才是智能化仪表和现场总线所追求的目标，也是现场总线不同与其它计算机通信技术的标志。 3.2 4 网络的设计 一般控制系统也有网络设计问题，网络设计的重点是从物理形态上考虑通信网络和输入、输出线缆网络的布置。 前面提到许多现场总线的网络形态是线形的，每一组网段上的节点数是有限制的。由于网段上的节点数较少，因此除考虑网络的物理布置之外，还要考虑减少信息在网络上的往返传递。 减少信息的往返传递是现场总线系统中网络设计和系统组态的一条重要原则。减少信息往返常常可带来改善系统响应时间的好处。因此，网络设计时应优先将相互间信息交换量大的节点，放在同一条支路里。例如多回路调节中，一个调节回路的节点应尽量放置在同一条支路里。 3.2 5系统组态傻瓜化 现在一些带现场总线的现场仪表本身装了许多功能块，虽然不同产品同种功能块在性能上会稍有差别，但一个网络支路上有许多功能类同功能块的情况是客观存在的。选用哪一个现场仪表上的功能块，是系统组态要解决的问题。 考虑这个问题的原则是，尽量减少总线上的信息往返。一般可以选择与该功能有关的信息输出最多的那台仪表上的功能块。 3.3 国内现场总线的发展趋势 国内现场总线的发展趋势是：多种现场总线在国内展开激烈竞争，竞争的重点是应用工程；国内自己开发的现场总线产品开始投入市场；国内各行业的现场总线应用工程迅速发展。 现场总线技术传入中国已经好几年了，前几年我们主要是了解学习和宣传，然后开始开发和应用。由于中国经济正处于起飞阶段，市场潜力巨大，各种现场总线的主要支撑企业都看好中国市场，他们在中国展开了激烈的竞争。竞争的集中体现是在国内引起现场总线协议的争论。争论的焦点是哪种现场总线更好。 这种争论在初期对宣传现场总线是有好处的，它促使更多的人了解现场总线，为今后现场总线的推广做了很好的准备。但是要想通过这种争论来搞清楚到底哪种现场总线更好，那是不可能的。 从国内标准化的角度讲，我们应该紧跟国际标准化的潮流，加大对IEC标准的学习、宣传力度，使更多的人了解国际现场总线发展的趋势。 从现场总线产品的开发角度讲，应把有限的资金集中在有限的目标上，不宜搞太多的现场总线。对一个企业来讲，已经投资在哪种总线上，应坚持做下去；不宜过多地变换目标。 从现场总线的应用角度讲，我们支持各种现场总线在我国的推广应用。多种总线的竞争，有利于降低产品价格，有利于加快现场总线在我国的推广。 每种现场总线有自己的适用范围，在它自己的适用范围内，它是最好的，出了这个范围它就不一定是最好的。同时，现场总线是一种正在发展中的技术，迄今尚未有一种现场总线可称是完美的。每一种现场总线都处在不断地完善过程中，今天存在的问题明天可能就克服了。 从“九五”起，我国政府开始投资支持现场总线的开发。这期间国家机械工业局、教育部和中科院组织力量对HART、FF等现场总线展开研究和开发。到现在已经取得了阶段性成果，HART仪表已经开始批量试用，FF仪表也即将投入试用。此外还有一些企业自筹资金开发现场总线。但是总的来说暂时还不能满足广大用户的要求。 国内企业要推广现场总线产品，目前的主要困难是：产品尚不成熟；扩充和配齐品种规格所需的开发力量（资金和人才）不足；市场开发的投入不足。因此国内企业应欢迎国外企业在我国开发市场和推广应用。现场总线的市场打开后，国内企业销售产品会轻松得多。 现在要使用现场总线，客观地说不得不用外国的产品。但是关于总线的无休止争论使用户无法判断到底应该用哪一种现场总线。因此现在这种争论已经开始阻碍现场总线在我国的发展。 我们认为推动我国现场总线发展的捷径是，供助外国公司的力量，大力推动现场总线的应用。 对于选哪种现场总线，建议选确实降低系统成本的现场总线。因为是否确实能降低系统成本是一种现场总线是否成熟、是否适合所针对对象的一个明显标志。 由于现在尚无全能的现场总线，因此建议在系统的不同部分选不同的现场总线，即在系统的每个部分都选最适合的现场总线。前面已经谈到，位式现场总线相当便宜，非常适合传递开关量信息。因此当过程控制系统中有较多的开关量时，应该在系统中增加一条位式现场总线。 分析当前形势，今后较长一段时间内多种总线共存的局面是必然的，这是一个无法回避的现实。那么，我们应该做些什么工作？这既是政府决策者们应该思考的问题，也是广大控制领域的科技工作者应该考虑的问题。 首先，中国的现场总线标准化工作应尽快制定，并且应该与市场相适应。标准化的作用是多方面的。它既可以起到指导规范作用，也可以指导规范的作用。既可以起到协调优选的作用，也可以起到推荐、引进、技术扩散的作用。 同时，广大科技工作者应积极主动地面对挑战。由于支持各总线标准的国际跨国公司，一方面积极推销其产品，扩大市场，另一方面，它们为了扩大自己的势力范围，与其总线标准国际组织一起，积极推广其技术，提供相应的技术支持。因此，我们应该抓住机遇，学习，研究国外的经验，根据市场要求，开发出一种或几种自己的现场总线产品，并在国内市场上站稳脚跟。现场总线的发展很快，我国在现场总线的开发和应用方面都紧跟了世界潮流，其发展速度超出预料。我们希望政府和企业应拿出更多的资金，投入这一领域，这是大有希望的事业。 PLCopen国际组织中国委员会主席彭瑜教授探讨了我国现场总线发展状况并进行了总结。彭瑜教授表示，工业自动化网络正由专用网络到符合工业标准网络，由专用的智能特性到多协议联合的智能特性，由不同协议设备难以集成到寻求不同协议、不同厂家设备集成，由控制网络与安全网络分离到合而为一，由专用运动控制网络扩展到运动控制要求，由控制网络与信息网络到寻求两者之间的无缝连接的趋势发展。 PLCopen国际组织中国委员会主席彭瑜教授作报告 资料来源：中国工控网 1参考文献: 范铠（上海工业自动化仪表研究所，上海 200233） 2参考文献:张民（中国铝业青海分公司，青海 大通 810108） 3参考文献：施一明， 冯东芹， 金建祥（浙江大学 310027） 11