1、现场总线技术 现场总线控制系统（简称FCS）其结构模式为“工作站现场总线智能仪表”二层结构，成本低、可靠性高，可实现真正的开放式互连系统结构。操作站 服务器 H2 现场总线 现场设备 124 网桥 32 32 H1 现场总线 H1 现场总线 H1 H1 H1 H1 现场设备 现场设备 LAN FCS控制层原理图 控制系统应用图示例使用控制系统分布确定现场总线的接线控制室控制室PCH1 现场总线现场总线#1网段网段H1 现场总线现场总线#2网段网段 CV-101 A/O IP102201921 AT107A LT101 AT107B TT105 AT106Re-BurnedLime LT108
2、PurchasedLime LT112 Green Liquor Storage IP104A IP104BHeaterCooler LT111 SC111 SC112 SC108 DT109 FT110 SC110 TT104 FT102 AT10324252322H1 现场总线现场总线#3 网段网段现场总线定义现场总线是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。它的关键标志是能支持双向、多节点、总线式的全数字通讯。网网络络节节点点包括包括IPCIPC、PLCPLC以及各种智能化的现场控制设备以及各种智能化的现场控制设备 基于统一、规范的通信协议基于统一、规范的通
3、信协议 通过同一总线实现相互间的数据传输与信息共享通过同一总线实现相互间的数据传输与信息共享 网网络络体体系系通信总线在现场设备中的延伸通信总线在现场设备中的延伸 生产控制生产控制网络结构网络结构 位于位于的底层的底层 1996年到1998年，国际性组织FF（现场总线基金会）和PNO（Profibus国际组织）先后发布了适于过程自动化的现场总线标准H1、H2(HSE)和Profibus-PA,H1和PA都在实际工程中开始应用。1999年底，包含8种现场总线标准在内的国际标准IEC-61158开始生效，除H1、HSE和PA外，还有WorldFIP、Interbus、ControlNet、P-NE
4、T、SwiftNet等五种。Profibus较适合于工厂自动化，CAN适用于汽车工业，FF总线（Foundation Fieldbus）主要适用于过程控制现场总线的发展现场总线的网络结构现场总线的星形网络结构现场总线的网络结构特点IPC、PLCI/O子系统Ethernet/Highway FiledbusController/GetwayFiledbusl DCS实际上是“半分散”、“半数字”的系统l FCS采用的是一个完全分散的控制方式 现场总线的技术特征(1)全数字化通信(2)开放型的互联网络(3)互可操作性与互用性(4)现场设备的智能化(5)系统结构的高度分散性(6)对现场环境的适应性
5、现场总线的特点l 现场控制设备具有通信功能，便于构成工厂底层控制网络。l 通信标准的公开、一致，使系统具备开放性，设备间具有互可操作性。l 功能块与结构的规范化使相同功能的设备间具有互换性。l 控制功能下放到现场，使控制系统结构具备高度的分散性。IEC61158现场总线标准IEC 61158国际标准只是一种模式，8种类型都是平等的各组织按照IEC技术报告Type1的框架组织各自的行规，但不改变各组织专有的行规（Profile）。IEC标准的其中Type2Type8需要对Type1提供接口，而标准本身不要求Type2Type8提供接口，用户在应用各类型时仍可使用各自的行规，其目的就是为了保护各自
6、的利益。IEC 61158Type1：IEC 61158技术报告Type2：ControlNetType3：ProfibusType4：PNetType5：FF HSEType6：SwiftNETType7：WorldFIPType8：Interbus以上8种总线采用完全不同的通信协议！控制网络要求l 控制网络要求确定性和可重复性。确定性是指有限制的延迟和有保证的传送，也就是说一个报文能在可预测的时间周期内成功的发送出去。可重复性是指网络的传输能力不受网络上节点的动态改变（增加节点或者删除节点）和网络负载的改变而影响。l 这正是普通局域网不适合作为控制网的原因。现场总线通常采用以下二种技术来保
7、证其实时性：一是简化技术。简化网络结构，现场总线一般将网络形式简化成线形；简化通信模型，一般只利用了OSI/RM中的23层；简化节点信息，通常简化到只有几字节。经过以上简化，可以极大地提高通信传递速度。二是采用网络管理技术来实现实时性，并保证其可预知性。例如:采用主-从访问方式，只要限制网络的规模，就可以将响应时间控制在指定的时间内。总而言之，实时性要求是现场总线区别于一般计算机通信的主要因素。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发展趋势。网络结构计算机通信系统的结构是网络状的，节点间的通信路径是不固定的；大部分现场总线的结构是线 状的，节点间的通信路径是比较固定的。如
8、果线状结构的现场总线上某支路断开了以后，这条支路就可能完全瘫痪，而一般的网络系统则没有这种问题，信息还可以通过选择其它路由进行传递。容易实现对现场仪表的总线供电。容易实现本安防爆规范。现场总线网络模型(普遍性)ISO/OSI模型 现场总线模型 用户层（程序）用户层应用层7现场总线信息规范子层FMS现场总线访问子层FAS通信栈表示层6 会话层5传输层4网络层3数据链路层2数据链路层物理层1物理层物理层基金会现场总线 FFFF由FIP（WorldFip North American）和ISP（InterOperable System Project），在1994年合并而成。FF总线由低速FF_H1
9、和高速FF_HSE组成。高速H2总线发展计划已取消。（1）FF_H1：以OSI参考模型为基础的四层结构模型，采用令牌总线介质访问技术，用于工业产生现场设备连接。（2）FF_HSE：则采用基于Ethernet(IEEE 802.3)+TCP/IP的六层结构，主要用于制造业(离散控制)自动化以及逻辑控制、批处理和高级控制等场合。二、基金会现场总线的通信模型1.采用简化的ISO/OSI三层结构，即：物理层（PHL）、数据链路层（DLL）、应用层（APL）;2.与参考模型的不同点：制定了通行标准、对用户应用进行了独有规范加用户应用层（用户层），用于实现各厂商设备的独有特性，提高各设备间的相互操作性；3
10、.应用层设有两个子层总线访问子层（FAS）、总线报文规范子层（FMS）物理层的功能1.实现现场设备与物理总线的连接；2.为现场设备与传输媒体的连接提供机械电气接口；3.为现场设备对总线的收、法提供和平规范的物理信号（曼彻斯特波形）；4.应考虑电气隔离、信号滤波、设备供电等；5.一般使用双绞线、标明+、-表明接触上的极性；将分支连接至主干线1个接线盒支持2/4/8/10和12台设备短路保护带故障指示可选，内置/可拨码终端器可插拔的分支接线接口全球危险区域认证密封式结构可以抵御环境影响内置T型连接结构H1网络设备典型的接线盒其它现场接线器l 预制接线盒及预制电缆l 可插拔式现场设备接口基金会现场总
11、线的链路层链路层功能 位于物理层与应用层的访问子层之间，为系统管理内核和总线访问子层访问总线媒体提供服务主要任务 生成协议控制信息，包括：链路活动调度LAS、数据接收发送、活动状态探测及响应、设备间的链路同步、对传输信息实行祯校验。链路活动控制 由总线上有一个媒体访问控制中心，控制称为：LAS链路活动调动器。LAS定义 现场总线网段内对链路活动进行集中总调度的现场总设备。LAS说明 掌管总线操作，每一时刻只有一个处于工作状态，LAS许可设备后才能传送数据。现场总线上设备按通信形式分为调度设备和非设备调度。Fieldbus H1 Card w/LASLAS链路活动调度器任务1.允许调度通信2.允
12、许非调度通信3.数据联接与应用时间同步4.识别新的总线设备5.维护活动清单受调度设备 LAS按预定调度设备时间周期性一次发起通信活动，用于在设备之间周期性地传送控制数据。例：现场变送器与执行器之间传送测量或控制信号。非调度设备 在预定调度时间表之外，由LAS发出传送令牌，得到令牌者可以发送信息。LAS功能归纳5种基本功能1.设备发送强制数据CD(Compel data),只是受调度设备传送信息；2.向设备发送传递令牌PT(Pass token),为设备提供发送非周期数据的机会；3.为新入网的设备探测未被采用过的地址，用于加入活动表；4.定期性总线段发布数据链路时间和调度时间同步；5.监视设备对
13、传递令牌设备的响应，不随令牌顺寻进入和不返还令牌的设备被删除。现场总线设备的分类 共分为3类1.链路主设备：有能力成为LAS的设备；2.网 桥：两个总线（网）段之间的连接设备，网桥属于链路主设备；3.基本设备：不具备LAS能力，只能接受令牌做出响应（所有网络设备都具备这种能力）。测控回路中受调度通信的实质 连接不同现场设备内的功能块。一个功能块输出为“参数发布者”，其他功能块作为“订阅者”。LAS利用网络调度表周期性地传送控制数据。周期性通信过程（最高优先级！）：LAS根据内部周期性调度表按时发出强制数据（CD）PDU至发布者端点（DLCEP）；发布者收到CD向总线广播缓冲区数据，第一个数据作
14、为LAS的返回令牌和订阅者的接受令牌；订阅者将下一个数据作为实际数据，所有数据将存入缓冲区。周期性通信过程非周期性通信过程需要非周期性通信的原因 过程报警或异常故障需占用总线，属非周期性操作 非周期性操作用多主结构和“令牌循环机制”非周期性操作按非周期性度量传送的间隙或剩余时间非周期性通信过程（下图说明）非周期性通信的优先级:（分为3级）1.最高级发送强制报文CD走遍所有端点后降级2.一般级3.最低级非周期性通信过程FF应用层应用层功能：为用户程序访问现场总线通信环境提供必要手段或与相关应用程序之间的”窗口”。分层：1.现场总线报文规范子层(FMS用户命令的编解码)；2.现场总线访问子层(FA
15、S管理数据传输)基金会现场总线的应用层1、现场总线访问子层FAS FAS功能：为报文规范层提供逻辑通信通道(称为应用关系AR)，是虚拟通信关系管理的最重要部分。虚拟通信关系：FF设备按照预先组态好的通信通道进行，这种现场总线网络系统各应用之间的通信通道称为虚拟通信关系。FAS为上层提供了三种虚拟通信关系 （1）发布者/订阅者模型虚拟通信关系 （2）报告分发模型虚拟通信关系 （3）客户/服务器模型虚拟通信关系（1）发布者/订阅者模型虚拟通信关系 面向连接方式 功 能：用于链接VCR关系的功能块方 式：发布者功能块运行后，数据存入缓冲区，接收到CD后，向总线上订阅者广播，例AI输出OUT到PID特
16、 点：l仅用于调度通信（最高优先级）;l不确定地循环重复或定期重复;l网络调度由链路活动调度器进行;l1毫秒的精确性;l功能块之间的输出/输入通信始终使用发布者/订阅者模式。Data Transfer(DT)Compel Data(CD)Fieldbus Host DeviceLink Active Scheduler(LAS)PIDAOAI发布者/订阅者模式通信发布者/订阅者在控制器中执行PID3 CD VCRs1变送器到控制器2控制器到阀门PID 在控制器中3阀门到控制器发布者/订阅者在变送器中执行PID2 CD VCRs1变送器到阀门PID 在变送器中2阀门到变送器发布者/订阅者在阀门定
17、位器中执行PID1 CD VCR1变送器到阀门PID 在阀门中（2）报告分发型虚拟通信关系 无连接方式性质：由用户发起、非周期、排队式、一对多、无连接的单向通信方式。方式：发送方收到LAS传送令牌后，将DLSAP地址(组地址)送收存方DLSAP地址，即有一组仪表将接受该报文特点：l用于非调度通信l把数据从一个数据源送往多个接收方(把一份报告分给多方)l这种模式被用于传送报警和趋势信息l通信由一次“事件”开始，而不是一个特定的时间表Trend Data Transfer(DT)Pass Token(PT)Fieldbus Host DeviceLink Active Scheduler(LAS)
18、PIDAOAI报告分发型通信SinkSource（3）客户服务器虚拟通信关系 面向连接方式客 户：收到LAS的传输令牌PT，发出发送请求的一方服务器：接受客户发送请求信息的一方性 质：由客户发起的一对一、面向连接的双向非周期通信。典型应用操作员发出要求对功能模块的监视操作特 点：l该模式用于设置点改变、设备调试、模式改变、参数整定、报警确认、设备的上载/下载、诊断和其它功能。l客户服务器通信必须等到网络有空余时间是才能进行Data Transfer Confirmed Read Request(DT)Fieldbus Host DeviceLink Active Scheduler(LAS)P
19、IDAOAI客户/服务器通信ClientServer422、现场总线报文子层FMSFMS是用户应用的接口 提供一组服务和标准的报文格式，用户应用可采用这种标准格式在总线上相互传递信息。虚拟现场设备：（VFD）1.定义：现场总线设备内部数据和行为抽象化模型。用于远程察看对象字典中定义过的本地设备的数据，其基础是VFD对象;2.VFD对象包含可由通信用户使用的所有对象和对象描述；3.表示：VFD可看作应用进程的网络可视对象和相应对象描述的体现；4.组成：现场总线设备可有至少两个以上的VFD组成，一个用于网络与系统的管理，一个作为功能模块；5.VFD及虚拟通信关系模型FMS对象 对象模型：包含属性行
20、为访问法可为用户应用提供网络可视手段 对象索引：用于VFD的唯一标准；对象描述与对象字典：说明总线上数据对象的格式和意义；对象描述的集合成为对象字典；对象的解释取至对象字典 OD，录用GetOD服务FMS通信服务任务：为用户应用提供一套在现场总线上通信的标准方法；功能：变量和数据访问（读、写）；事件管理；域的上传/下载；程序调用服务；VFD支持服务；链路关系管理；对象字典服务。基金会现场总线的技术应用基金会现场总线技术的应用在应用层之上另设用户层原因：应用层的定义比较模糊 总线的特殊性，为自动化现场仪表实现互联而设计的总线 借鉴分布式控制的经验，将过控领域的应用层模型化用户层定义了标准的基于功
21、能块的用户应用程序，使得系统集成与互可操作更加易于实现用户层核心-功能块，为数据采集，控制，输出等应用功能的一般化模型，为开放系统的不同应用提供服务用户层的块图l 资源块描述现场设备的特征l 转换块代表物理I/O设备的本地接口l 功能块提供控制策略和设备的I/O行为，实现控制回路的关键物理层物理层通信栈通信栈用户层用户层传感器传感器资源块资源块功能块功能块转换块转换块下放到现场的控制功能lPIDlInput Selector（输入选择）lControl Selector（控制选择）lRA（比值）lCharacterizer（特征曲线）lIntegrator(累计功能)lTimer（记时）lMA
22、I（多路模拟输入）等30多种功能块1.块的基本概念 功能块的参数决定其功能 块功能的参数可在总线上访问 单一功能块可驻凿在一个总线设备内 特定成组功能块可驻凿在一个或多个总线设备内 VFD（虚拟现场总线设备）中的功能模块分三类 资源块 功能块 变换块（1）资源块 表示VFD中的标况内容，含：设备名，制造商名，序列号，设备描述等特征，元件下载时提供CPU时间，内存或其它硬件情况（2）功能块 基本要素：一个或多个“输入”数据库 算法 一个或多个输出 功能模块启用：实践触发，外部零件驱动，根据最新数据输入更新算法数据：来自数据库（动态），或外部可访问数据（静态）模块识别：功能块位号（Tag）模块参数
23、识别：Tag.parameter.标准功能块-标准先制定，组态只改个别参数特别设计算法 AL.AO,DI,DO BG偏置/增盖 CS控制选择 RA比率，PD,PID ML,手动装载（10个）（3）变换块l传送隔离：变换块与功能快间有I/O硬件隔离，采用特定方法访问l传送路径：变化块通过功能块的通道号参数“CHANNEL”链接2功能块参数形式分类：输入参数，输出参数，内含参数（读，写访问获得）状态分类：动态参数（执行时改变，断电丢失）静态参数（执行时不改变，上电恢复）3功能块的连接与调度 现场总线设备的回路组态与控制策略l控制回路调度表l功能块调度图典型的PID控制回路 PID控制回路的调度(宏
24、周期是1秒)功能块时间FF发布数据时间控制回路调 度 表功能块调度图控制回路调 度 表功能块调度图常用功能块常用五个块，AI DI PID AO DO 最常用三个AI,PID,AO(1)AI功能块概述：模拟输入，在现场总线中的标准化模型。使用：根据通到参数（Channel）接受变换块测量数据(2)AO功能块概述：模拟输出，闸门定位器等在现场总线中的标准化模型使用：输入CAS-IN接前级，输出通过Channel接边欢块(3)PID功能块 概述：PID控制器的标准化模型 RF FLG3-36使用：IN参数输入，OUT输出(4)资源块与变换块AI功能模块的内部结构AO功能模块的内部结构PID功能模块的内部结构系统管理 用于管理信息协调分布式现场总线系统中设备的运行 1、设备管理识别依据：设备标识（ID）物理设备（PD）网络节点地址管理过程：获得地址示分配节点设备物理设备位号：位号用于满足人机对话较直观；节点地址可提高查阅速度 根据物理设备位号寻找设备 2、功能块管理：在规定调度时刻启动 3、应用时间管理：用于记录事件发生时刻，与链路时间的不同（链路层本地时间，用于通信功能块执行；应用通用时间包含与多网段中）设备信息文件 1.设备描述（DD）与设备描述语言（DDL）2.文件 3.设备信息文件的安装现场总线控制系统的设计 1、总线连接与设备选择 2、设备组态及控制策略的生成
