现场总线发展史.doc

现 场 总 线 发 展 史 院 系：电 气 工 程 系 专 业：电气自动化 班 级：电气1304 学 号：1020113433 姓 名：胡兵兵论文提交日期：二一五年六月注：封面、中文摘要不编页码。 摘 要 现场总线系统由于采用了智能现场设备，能够把原先DCS系统中处于控制室的控制模块、各输入输出模块置入现场设备，加上现场设备具有通信能力，现场的测量变送仪表可以与阀门等执行机构直接传送信号，实现了彻底的分散控制。同时也由于它的设备标准化，功能模块化，设计简单，使得现场总线在经济飞速发展、市场不断更新的今天，占有了一席之地。关键词：现场总线；网络控制系统；CCS；DCS；FCS。引言 随着计算机、信息技术的飞速发展，20世纪末世界最重大的变化是全球市场的逐渐形成，从而导致竞争空前加剧，产品技术含量高、更新换代快。在计算机自动控制系统急速发展的今天，特别是现场总线已经普遍地渗透到自动控制的各个领域，我们更应该知道现场总线的发展历程，以更好的让其在我国发展。1早期控制系统的发展1.1无网络系统仪器仪表的发展已有悠久的历史。据韩非子有度记载，中国在战国时期已有了利用天然磁铁制成的指南仪器，称为司南。古代的仪器在很长的历史时期中多属用以定向、计时或供度量衡用的简单仪器。工业仪表最早出现在20世纪30年代，最初只用于化工、石油炼制、热能动力和冶金等连续性的热力生产过程，因此当时称为热工仪表。当时的工业仪表的结构形式主要是机械式或液动式，仪表体积较大，只能实现就地检测、记录和简单的控制，也没有网络雏形。1.2 网络控制系统出现 19世纪，由于发明了测量电流的仪表，才使电学与磁学的研究迅速走上正轨，获得了一个又一个重大的发现，促进了电气时代的来临，同时也为气动式仪表的出现奠定了理论基础。 到了30年代末和40年代初，出现了气动仪表，并使用了统一的压力信号，遂有了带远程发送器的仪器。它能在远距离外的二次仪表上重现读数，从而能集中在中心控制室进行检测、记录和控制。气动式仪表已具有网络的雏形。50年代又出现电动式的动圈式毫伏计、电子电位差计电气机械式调节器和整套的电子管调节仪表，它传送的是模拟电流环信号（4-20mA）。电动仪表的广泛使用标志了电气自动控制时代的到来。但是就电动仪表而言，它对于工业控制网络需要的电缆较多。2 现场总线的前身2.1 中央控制计算机系统CCS70年代数字计算机的应用，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（Computer Control System），中央控制计算机系统可分为SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)监视控制与计算机采集系统和DDL（Direct Digital Control）直接数字控制计算机系统。CCS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。这种危险的集中系统结构很难为生产过程所接受。2.2 集散式控制计算机系统DCS 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以及价格的大幅度下降，出现了数字调节器、可编程控制器（PLC）以及由多个计算机递阶构成的集中、分散相结合的集散式计算机控制系统DCS(Distributed Control System). 分散控制是DCS最主要的特征。该系统将若干台微机分散应用于过程控制，全部信息通过通信网络由上位管理计算机监控，实现最优化控制，整个装置继承了常规仪表分散控制和计算机集中控制的优点，克服了常规仪表功能单一，人-机联系差以及单台微型计算机控制系统危险性高度集中的缺点，既实现了在管理、操作和显示三方面集中，又实现了在功能、负荷和危险性三方面的分散。DCS系统在现代化生产过程控制中起着重要的作用。图1.16为集散控制系统的体系结构由上图可知，DCS系统有以下一系列的特点和优点： 分散性：其含义是指分散控制、地域分散、设备分散、功能分散和危险分散。硬件积木化和软件模块化是分散性的具体体现。目的是为了使危险分散，进而提高系统的可靠性和安全性。 集中性：其含义是指集中监视、操作和管理。用通信网络把分散的设备构成统一的整体，用分布式数据库实现全系统的信息集成，进而达到信息共享。人们可以同时在多台操作站上集中监视、操作和管理。 自治性：其含义是指系统中的各台设备均可独立地工作。控制站自主地进行输入、运算、控制和输出，操作员站自主地实现监视、操作和管理，工程师站可以在线或离线组态。 协调性：其含义是指系统中的各台设备用通信网络和数据库互连在一起，相互传送信息，相互协调工作，以实现系统的总体功能。DCS的分散和集中、自治和协调不是互相对立，而是互相补充。 灵活性和扩展性：硬件采用积木式结构，可以灵活地配置成小、中、大各类系统，并可以根据企业的发展逐步扩展系统。软件采用模块式结构，提供输入、输出、运算和控制功能块，可以灵活地组态构成简单、复杂各类控制系统，并可以根据生产工艺流程的改变，随时修改控制方案。 可靠性和适应性：分散性带来系统的可靠性，并采用一系列冗余技术、热拔插技术、故障诊断和故障屏蔽技术。采用高性能的元器件、先进的制造工艺和抗干扰技术，使DCS能够适应恶劣的工作环境。 先进性和继承性：硬件上采用先进的计算机、通信网络和人机接口；软件上采用先进的操作系统、数据库、网络管理和控制语言；控制算法上采用自适应、预测、推理、优化等先进控制技术。DCS更新换代比较快，继承性体现在新、老系统互相兼容，可以给用户带来更好的利益但是，在DCS系统形成的过程中，发现它也有许多的缺陷。以下为它的主要缺陷： DCS采用独家封闭的通信协议，各个厂家的DCS系统有的通信方式不同，为了各自的垄断利益，不同厂家的DCS之间以及其上层Internet网络之间难以实现互联和信息共享，通讯标准不统一，互不兼容，呈封闭式，从这个角度来讲DCS是不开放的，这是限制其进一步发展最主要的因素。 多年来，DCS基本上是采用一对一的接线方式， 即一台仪表，一对传输线，单向传输一个信号，实际上只能做到半分散，同时它又造成了系统接线庞杂，即使一个简单的控制回路，其信号的必经之路也比较长，会引发许多弊端和隐患，例如工程周期长，安装费用高和维护困难等 DCS采用模拟信号进行检测与控制，致使设备与设备之间，系统与系统之间，系统与外界之间无法进行信息交流，在一定程度上造成“信息孤岛”，同时模拟信号传输精度低，易受干扰，要解决这些问题无形中又要增加投资 当今的DCS，大量使用输入输出卡件，造成检测和控制信号精度不高，再加上长长的传输线以及A/D和D/A转换，势必会造成较大的误差和故障率。3 现场总线3.1 现场总线控制系统FCS FCS（Fieldbus Control System）现场总线控制系统是在集成控制系统DCS的基础之上发展而成的，是一种新型的分布式网络控制系统，它既是现场通信网络系统，也是现场自动化系统。它作为一种现场通信网络系统，具有开放式数字通信功能，可与各种通信网络互连。它作为一种现场自动化系统，把安装于生产现场的具有输入、输出、运算、控制和通信功能的各种现场仪表作为现场总线的节点，并直接在现场总线上构成分散的控制回路。 根据国际电工委员会规定的国际标准IEC61158，对现场总线的定义为：安装在制造或过程领域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。1994年，ISA的ISP组织和World FIP北美分部合作，成立了不以赢利为目的的现场总线基金会，开始了现场总线标准制定的新篇章。1996年，现场总线基金会发布H1低速总线标准。1997年，应用层服务定义IEC61158.5和应用层协议规范IEC61158.6成为国际标准最终草案，并发布对基金会现场总线性能实验和互操作性测试结果，同时，现场总线通信栈圆片被注册。3.1.1 现场总线FCS的基本特点 因为现场总线具有测控能力指数，在各个领域都有应用。FCS控制系统的优点主要体现在以下几方面：(1) 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地分配给现场仪表，从而构成虚拟控制站，彻底地实现了分散控制。(2)FCS通信线供电方式允许现场仪表直接从通信线上摄取能量，这种方式提供用于本质安全环境的低功耗现场仪表，与其配套的还有安全栅。(3)FCS则采取一对多双向传输信号，采用的数字信号精度高、可靠性强，设备也始终处于操作员的远程监控和可控状态，用户可以自由按需选择不同品牌种类的设备互联，智能仪表具有通信、控制和运算等丰富的功能，而且控制功能分散到各个智能仪表中去。(4)现场总线仪表既有检测、变换和补偿功能，又有控制和运算功能。(5)现场总线为开放式互联网络，既可以与同层网络互联，也可与不同层网络互联，还可以实现网络数据库的共享。(6)数字信号的精确性是现场总线的又一个优点，数字信号比4mA20mA模拟信号分辨率高。(7)现场总线技术都可以实现对现场设备的状态、参数等进行远程访问，采用设备描述，实现设备的互操作和综合运用，现场总线技术在线修改仪表参数，检测过程变量和诊断信息减少像一般仪表被动式作业维护的弊端，能够通过错误信息快速查找出故障源和隐患，并且能够减少日常维护工作量。3.1.2 现场总线FCS的应用举例自80年代末以来，有几种现场总线技术已逐渐形成其影响并在一些特定的应用领域显示了自己的优势。它们具有各自的特点，也显示了较强的生命力。对现场总线技术的发展已经发挥并将会继续发挥较大的作用。下面以企业信息系统举例说明现场总线的应用。随着企业综合自动化系统的发展，要把企业经营决策、管理、计划、调度、过程优化、故障诊断、现场控制紧密联系在一起，进行综合信息处理。按市场要求，尽可能低的资源，能量消耗，以最短的时间，开发并生产出新的产品，供应市场，就必须将自动控制、办公自动化、经营管理、市场销售等各层次计算机互联成网络，实现信息的沟通汇集与数据共享，因而企业网络中的信息是多层次的。下图为企业网络信息集成系统示意图上图描述了以现场总线为基础的企业信息网络系统示意图。该系统从生产现场的底层开始，可分为现场控制层、过程监控层、生产管理层、市场经营管理层多个层次，通过各层之间的沟通与信息交换，构成较为完整的企业信息网络。3.2 现场总线控制系统的现状及发展趋势3.2.1 现场总线的发展现状目前世界上存在着大约四十余种现场总线，如法国的FIP，英国的ERA，德国西门子公司Siemens的ProfiBus，挪威的FINT，Echelon公司的LONWorks，PhenixContact公司的InterBus，RoberBosch公司的CAN，Rosemounr公司的HART，CarloGarazzi公司的Dupline，丹麦ProcessData公司的P-net，PeterHans公司的F-Mux，以及ASI（ActraturSensorInterface），MODBus，SDS，Arcnet，国际标准组织-基金会现场总线FF：FieldBusFoundation，WorldFIP，BitBus，美国的DeviceNet与ControlNet等等。这些现场总线大都用于过程自动化、医药领域、加工制造、交通运输、国防、航天、农业和楼宇等领域，大概不到十种的总线占有80左右的市场。 每种总线大都有其应用的领域，比如FF、PROFIBUS-PA适用于石油、化工、医药、冶金等行业的过程控制领域；LonWrks、PROFIBUS-FMS、DevieceNet适用于楼宇、交通运输、农业等领域；DeviceNet、PROFIBUS-DP适用于加工制造业，而这些划分也不是绝对的，每种现场总线都力图将其应用领域扩大，彼此渗透。 为了加强自己的竞争能力，很多总线都争取成为国家或者地区的标准，比如PROFIBUS已成为德国标准，WorldFIP已成为法国标准等。 为了扩大自己产品的使用范围，很多设备制造商往往参与不止一个甚至多个总线组织。各个总线彼此协调共存。3.2.2 现场总线的发展趋势 现场总线已广泛应用于各个领域，虽然现场总线的类型众多，标准难以统一，但已经发布的现场总线标准说明这些现场总线是有生命力的，已经在相关领的应用领域取得广泛的应用并成功。发展现场总线已成为我们工业关注的焦点，国际上现场总线的研究、开发，使测控系统冲破了长期封闭系统的禁锢，走上开放发展的征程。在今后很长一段时间内，现场总线的发展将成以下趋势： 通信协议。对通信的实时性要求更高。现场总线技术是用于控制装置和现场设备、在现场设备之间的实行双向、串行、多点的数字通信技术。因此，实时性是现场总线的发展方向之一。近年来，一些国际标准化组织正致力于工业以太网应用协议标准的开发和制定工作，以TCP/IP协议为基础，开发实时性强的通信协议，实现具有互操作性的工业以太网。 硬件。向无线通信方向发展，想网络化方向发展。与无线通信技术想适应，在现场总线中采用无线通信讲成为现场总线的发展方向。硬件的高可靠性、强鲁棒性、开放性和实时性等性能将得到强化和改善。由于现场总线设备安装在现场的工业恶劣环境条件下，因此，对环境适应性也有更高的要求。 软件。标准化软件是重要发展方向。一些国际标准化组织正致力于工业以太网现场应用有关技术和标准的设备描述语言DDL是描述现场总线设备参数数字通信特征的语言，用于传送设备状态、诊断和组态等信息，已经发展并被IEC作为国际的电子设备描述语言EDDL。 互操作性和互换性。现场总线的发展方向是高互操作性和互换性的功能，增强设备的功能，实现广义互操作性和互换性。 通信接口。由于多种现场总线并存已成不争的事实，因此研制各种现场总线间的接口或网关等转换或连接设备，实现它们之间的通信将成为今后无法回避的课题，成为现场总线应用中的不和谐音。 分散控制。目前，现场总线的分散控制仍停留在简单控制和少量的复杂控制。随着微处理器的发展，一些批量和混合控制也可以用柔性功能模块实现，是现场的分散控制范围更广泛、更彻底。 技术培训。现场总线仪表的应用与一般模拟仪表的应用有所不同。现场总线控制系统中现场总线仪表的选型、网段设计、工程安装和维护等现场总线控制系统应用的重要环节，对现场总线设备和仪表控制系统设计和应用人员的培训将是一向重要工作。4 总结伴随着控制系统结构与测控仪表的更新换代，系统的功能、性能也在不断完善展。图1.1为各阶段仪表能力指数示意图。 它表明，测量控制系统从早期基地式模拟仪表只能实现单点、单控制回路的测控功能开始，逐渐发展到按装置或过程的多回路、多变量集中控制，整个装置或车间的优化控制，以致实现生产过程的控制与管理一体化。现场总线的发展就是从机械式/液动式仪表到现在的FCS（现场总线控制系统）。图1.1也表明每一代的更新都带来能力指数的跃变，同时随着工具与功能开发的不断完善，每一代系统的测控能力指数会按各自的增长速率不断升高，为生产过程的控制与管理提供更为完善的服务，带来更大的经济效益。参 考 文 献1、 现场总线技术及其应用：阳宪惠.清华大学出版社.1999年6月2、 现场总线控制系统原理及其应用：王慧锋，何衍庆.化学工业出版社.2006年1月3、 现场总线控制系统的设计和开发：邹益仁，马增良，蒲维.国防工业出版社.2003年1月4、 现场总线控制系统应用实例：韩兵，于飞.化学工业出版社.2006年8月5、 现场总线技术基础及应用：张红涛.中国电力出版社.2009年12月 （注：专业文档是经验性极强的领域，无法思考和涵盖全面，素材和资料部分来自网络，供参考。可复制、编制，期待你的好评与关注）