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第一章 概述

1. 1. 引言

縱觀控制系統(tǒng)的發(fā)展史，不難發(fā)現(xiàn)，每一代新的控制系統(tǒng)的推出都是針對老一代控制系統(tǒng)的不足而給出更完善的解決方案，最終在用戶需求和市場競爭兩大因數(shù)的推動下占領(lǐng)市場的主導(dǎo)地位，現(xiàn)場總線和基于現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的產(chǎn)生也不例外。

隨著控制、計算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的不斷發(fā)展，信息交換的范圍和能量也得到了不斷的擴(kuò)展，特別是在工業(yè)自動化控制領(lǐng)域中。在這種情況下，傳統(tǒng)工業(yè)自動化控制系統(tǒng)的通訊方法已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足信息傳輸提出的要求。隨著系統(tǒng)的大型化、復(fù)雜化，一種新型的以智能式分布自動系統(tǒng)為基礎(chǔ)的企業(yè)管理控制系統(tǒng)正在逐步形成。現(xiàn)場總線就是順應(yīng)這一形勢發(fā)展起來的新技術(shù)。

從 70 年代開始，傳送模擬信號的傳統(tǒng)電動儀表逐漸暴露出其自身的缺點。這是由于模擬信號變化緩慢，抗干擾能力差，要提高自身計算精度的難度較大。所以，人們開始用數(shù)字信號取代模擬信號，用一臺計算機(jī)取代控制室的幾乎所有儀表盤，出現(xiàn)了直接數(shù)字控制系統(tǒng)（Data Distribution Center）。不足的是，DDC對控制器本身要求很高，必須具有足夠的處理能力和極高的可靠性，當(dāng)系統(tǒng)任務(wù)增加時，控制的效率和可靠性將急劇下降。但當(dāng)時計算機(jī)可靠性差，計算機(jī)的一個故障會造成所有控制系統(tǒng)回路癱瘓、生產(chǎn)停產(chǎn)的嚴(yán)重后果，這種集中系統(tǒng)結(jié)構(gòu)很難為生產(chǎn)過程接受。

隨著計算機(jī)性能的提高，價格的大幅度下降，出現(xiàn)了數(shù)字調(diào)節(jié)器，可編程邏輯控制器（PLC）以及由多個計算機(jī)階梯構(gòu)成的集中、分散相結(jié)合的集散控制系統(tǒng)。這就是 DCS 系統(tǒng)。在 DCS 系統(tǒng)中，測量變送儀表一般為模擬儀表，因而它是一種模擬數(shù)字混合系統(tǒng)。它在功能、性能上可實現(xiàn)裝置級、車間級的優(yōu)化控制。但是，DCS 并不是完全意義上的分散控制系統(tǒng)。而是在 DCS 系統(tǒng)形成的過程中，由于受計算機(jī)系統(tǒng)早期存在的系統(tǒng)封閉缺陷影響，各廠家產(chǎn)品自成系統(tǒng)，不同廠家設(shè)備不能互聯(lián)，難以實現(xiàn)互換與互操作，組成更大范圍信息共享的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)存在很多困難。

隨著微處理器與計算機(jī)功能的不斷增強(qiáng)和價格急劇下跌，計算機(jī)和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)得到迅速發(fā)展。自封閉式的集散系統(tǒng)已使自動化系統(tǒng)成為“信息孤島”。要實現(xiàn)整個企業(yè)的信息集成，要實施綜合自動化就必須設(shè)計出一種能在工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境運(yùn)行的、性能可靠的、造價低廉的通信系統(tǒng)，形成工廠低層網(wǎng)絡(luò)，完成現(xiàn)場自動化設(shè)備之間的多點數(shù)字通信，實現(xiàn)底層現(xiàn)場設(shè)備之間以及生產(chǎn)現(xiàn)場與外界的信息交換?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)就是在這種實際需要的驅(qū)動下應(yīng)運(yùn)而生。

作為過程自動化、制造自動化、樓宇、交通等領(lǐng)域現(xiàn)場智能設(shè)備之間的互聯(lián)通信網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)場總線溝通了生產(chǎn)過程現(xiàn)控制設(shè)備之間以及其與更高控制管理層網(wǎng)絡(luò)之間的聯(lián)系，為徹底打破自動化系統(tǒng)的信息孤島創(chuàng)造了條件。在這個新型系統(tǒng)中，測控任務(wù)被分散到現(xiàn)場設(shè)備中，所有設(shè)備都采用數(shù)字信號通過標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議進(jìn)行信息交換；總線上每一個現(xiàn)場設(shè)備都易于控制，設(shè)備擴(kuò)充方便， 系統(tǒng)的安裝、調(diào)試、維護(hù)、升級操作簡便，即使當(dāng)某些現(xiàn)場設(shè)備離控制室很遠(yuǎn)， 也只需要很少的中繼器即可將其與系統(tǒng)相連接；系統(tǒng)對外開放，不同廠家的產(chǎn)品完全集成在一個應(yīng)用環(huán)境中，系統(tǒng)可以在以太網(wǎng)連接甚至可接入國際互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，使信息得到充分利用和傳播。

從現(xiàn)場總線的應(yīng)用前景來講，由于現(xiàn)今的工業(yè)企業(yè)處在一個市場競爭異常激烈的年代，為了提高自身生產(chǎn)力，提高生產(chǎn)效率，生產(chǎn)工藝甚至部分生產(chǎn)線都會隨著市場的需要而經(jīng)常進(jìn)行改進(jìn)。而現(xiàn)場總線技術(shù)在這方面的獨(dú)特優(yōu)勢顯現(xiàn)無疑。同時，由于現(xiàn)場總線系統(tǒng)模塊化強(qiáng)，各個設(shè)備使用方便，即使是對全部生產(chǎn)線的改進(jìn)也會事半功倍。

現(xiàn)今的工業(yè)企業(yè)又處在一個網(wǎng)絡(luò)化、信息化的時代，傳統(tǒng)的大量企業(yè)管理、運(yùn)營工作已被企業(yè)信息管理系統(tǒng)所取代，為了充分利用企業(yè)生產(chǎn)、銷售等各部門的信息流，同時大量節(jié)省人力物力，也使得整個企業(yè)運(yùn)營數(shù)字化資源合理配置，節(jié)約大量成本?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)由于其開放性、機(jī)構(gòu)模塊化的特點，成為企業(yè)運(yùn)營信息管理系統(tǒng)中不可或缺的部分。

1. 2. 可編程邏輯控制器簡介

可編程邏輯控制器（PLC，本文以下簡稱 PLC）是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合運(yùn)用了計算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)盒通訊技術(shù)，從 80 年代初迅速發(fā)展起來的一種新型工業(yè)控制裝置。它具有結(jié)構(gòu)簡單、編程方便、可靠性高等優(yōu)點，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程盒裝置的自動控制中。隨著微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、控制技術(shù)的發(fā)展，PLC 技術(shù)也逐漸成熟，其發(fā)展逐漸由無到有經(jīng)歷了以下五個階段。

第一階段是 PLC 出世的階段。各個廠家的 PLC 功能和結(jié)構(gòu)差異巨大，功能也比較簡單，只有邏輯、定時、計數(shù)等功能。硬件方面集成電路還未投入大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，存儲器容量小，還未成形的編程語言，而且 PLC 體積龐大。

第二階段是 PLC 功能初步發(fā)展階段。1972 年，某公司開發(fā)成功了世界上第一片集成電路的微處理器。中小規(guī)模的集成電路已經(jīng)開始工業(yè)化生產(chǎn)。PLC 功能也有了發(fā)展，具有邏輯運(yùn)算、定時、計數(shù)、數(shù)值運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理、計算機(jī)接口、模擬量控制等功能；軟件方面開發(fā)出了自診斷程序，可靠性提高，系統(tǒng)開始標(biāo)準(zhǔn)化、系列化。結(jié)構(gòu)上具有模塊化和整體式的區(qū)分。有些廠家開始采用微處理器作為 PLC 的 CPU，這是 PLC 硬件和軟件結(jié)構(gòu)上的一次革命。為進(jìn)一步擴(kuò)展 PLC 功能，提高可靠性、靈活性、降低成本、建立標(biāo)準(zhǔn)的編程語言奠定了基礎(chǔ)。

第三階段是微處理器技術(shù)完全成熟，大規(guī)模集成電路開始普遍使用的階段。PLC 得益于電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù)的飛躍發(fā)展，逐步地演變成了一種專用的工業(yè)計算機(jī)。功能方面增加了通訊、遠(yuǎn)程 I/O 等。PLC 在結(jié)構(gòu)上一方面向大型化、模塊化發(fā)展；另一方面向結(jié)構(gòu)整體化、小型化、保持基本功能向低成本方向發(fā)展。面向過程的梯形圖語言及助記符的出現(xiàn)，為 PLC 的普及打下基礎(chǔ)。

第四階段是 PLC 完全計算機(jī)化的階段。由于計算機(jī)技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已普遍使用，超大規(guī)模集成電路、超大規(guī)模門陣列電路已經(jīng)大量生產(chǎn)，PLC 完全計算機(jī)化，全面使用 8 位、16 位微處理芯片，高速計數(shù)、A/D、D/A 等功能引入 PLC，聯(lián)網(wǎng)功能增強(qiáng)。梯形圖語言及助記符語言完全成熟，基本標(biāo)準(zhǔn)化。各個廠家的 PLC 向規(guī)范化、系列化發(fā)展。

第五階段是 PLC 全面使用 16 位和 32 位的微處理芯片，有的已使用 RISC（精簡指令集）芯片的階段。PLC 的 I/O 點增多，并且基本上都具和計算機(jī)通信聯(lián)網(wǎng)功能；軟件上使用容錯糾錯技術(shù)，硬件上使用多 CPU 技術(shù)。已經(jīng)開發(fā)出了各種智能化模塊、觸摸式屏幕；整體式 PLC 與外界的輸入輸出部分標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化；大型昂貴的專用編程器已被筆記本計算機(jī)和功能強(qiáng)大的編程軟件所代替[1]。PLC 之所以能成為當(dāng)今增長速度最快的工業(yè)自動化控制設(shè)備，是由于它具備了許多獨(dú)特的優(yōu)點。它較好地解決了工業(yè)控制領(lǐng)域普遍關(guān)心的可靠、安全、靈活、方便、經(jīng)濟(jì)等問題。

PLC 始終為各種各樣的自動化控制設(shè)備提供非?？煽康目刂剖侄巍＞?PLC 實施控制而言，其實質(zhì)是按一定算法進(jìn)行輸入輸出變換，并將這個變換用于物理實現(xiàn)。出入變換、物理實現(xiàn)可以說是 PLC 實施控制的兩個基本點。根據(jù) PLC 實施控制的兩個基本點的分析，PLC 采用了典型的計算機(jī)結(jié)構(gòu)，主要是由 CPU、RAM、ROM 和專門設(shè)計的輸入輸出接口電路等組成[2]。

在工業(yè)計算機(jī)控制領(lǐng)域，圍繞開放與再開放過程控制系統(tǒng)、開放式過程控制軟件、開放性數(shù)據(jù)通信協(xié)議，已經(jīng)發(fā)生巨大變革，幾乎到處都有 PLC，但這種趨勢也許不會繼續(xù)發(fā)展下去。隨著軟 PLC(SoftPLC)控制組態(tài)軟件技術(shù)的誕生與進(jìn)一步完善和發(fā)展，安裝有 SoftPLC 組態(tài)軟件和基于工業(yè) PC 過程控制系統(tǒng)的市場份額正在逐步得到增長，這些事實使傳統(tǒng) PLC 供應(yīng)商在思想上已經(jīng)發(fā)生了戲劇性的變化，在傳統(tǒng) PLC 的技術(shù)發(fā)展與提高方面做出更加開放的高姿態(tài)。對于控制軟件來講，這是 PLC 控制器的核心，PLC 供應(yīng)商正在向工業(yè)用戶提供開放式的編程組態(tài)工具軟件。此外，開放式通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也得到了突破，其結(jié)果是將 PLC 融入更加開放的工業(yè)控制行業(yè)。

PLC 技術(shù)將繼續(xù)向開放式控制系統(tǒng)方向轉(zhuǎn)移，尤其是基于工業(yè) PC 的控制系統(tǒng)。后者除了在靈活性方面比傳統(tǒng) PLC 具有截然不同的優(yōu)勢外，還具有其他優(yōu)點，如能夠縮短系統(tǒng)投放到市場的周期，降低系統(tǒng)投資費(fèi)用，提高從工廠底層到企業(yè)辦公自動化的數(shù)據(jù)信息流動效率等。

1. 3. 現(xiàn)場總線簡介

現(xiàn)場總線作為當(dāng)今自動化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展熱點之一，被譽(yù)為自動化領(lǐng)域的計算機(jī)局域網(wǎng)。它的出現(xiàn)，標(biāo)志著自動化系統(tǒng)步入一個新時代的開端，將對該領(lǐng)域產(chǎn)生前所未有的沖擊和影響。有人把現(xiàn)場總線定義為應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場、在微機(jī)化測量控制設(shè)備之間實現(xiàn)雙向串行數(shù)字通信的系統(tǒng)，也有人把它稱為開放式、數(shù)字化、多點通信技術(shù)，可被廣泛應(yīng)用于制造業(yè)、流程工程、樓宇、交通等處的自動化系統(tǒng)中。

現(xiàn)場總線是安裝在生產(chǎn)過程區(qū)域的現(xiàn)場設(shè)備/儀表與控制室內(nèi)的自動控制裝置/系統(tǒng)之間的一種串行、數(shù)字式、多點通信的數(shù)據(jù)總線?，F(xiàn)場總線的出現(xiàn)使基于傳統(tǒng)的現(xiàn)場儀表所構(gòu)成的工業(yè)控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)發(fā)生了根本的變革。現(xiàn)場總線技術(shù)將專用微處理器置入傳統(tǒng)的測量控制儀表，使他們各自具有了數(shù)字計算和數(shù)字通信能力，成為能獨(dú)立承擔(dān)某種控制、通信任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。他們分別通過普通雙絞線等多種傳輸介質(zhì)進(jìn)行信息聯(lián)絡(luò)，把多個測量控制儀表、計算機(jī)等作為節(jié)點連接成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，把公開、規(guī)范的通信協(xié)議，在位于生產(chǎn)控制現(xiàn)場的多個微機(jī)化自控設(shè)備之間，以及現(xiàn)場儀表與用作監(jiān)控、管理的遠(yuǎn)程計算機(jī)之間，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與信息共享，形成各種適應(yīng)實際需要的自動控制系統(tǒng)。簡而言之，它是把單個分散的測量控制設(shè)備變成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，共同完成自動控制任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)它給自動化領(lǐng)域帶來了巨大的變化，如同計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和英特網(wǎng)給計算機(jī)帶來的變化等等。如果說，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)把人類引入到信息時代，那么現(xiàn)場總線則使自動控制系統(tǒng)與設(shè)備加入到信息網(wǎng)絡(luò)的行列，成為企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)的底層，使企業(yè)信息溝通的覆蓋范圍一直延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場。因此把現(xiàn)場總線技術(shù)的出現(xiàn)說成是標(biāo)志著一個自動化新時代的開端并不過分。

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是基于現(xiàn)場總線技術(shù)所構(gòu)成的開放的全分布式的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)底層以集測量控制調(diào)節(jié)等功能于一身智能設(shè)備作為基本單元，通過現(xiàn)場總線進(jìn)行互連，構(gòu)成了一個工業(yè)現(xiàn)場級的或單元級的測控網(wǎng)絡(luò)；再通過工業(yè)以太網(wǎng)與車間級或工廠級的控制中心和管理部門互連，形成以現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)的工業(yè)控制系統(tǒng)。所以說現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是綜合了智能儀表技術(shù)、計算機(jī)與微控制器技術(shù)，計算機(jī)通信與計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，工業(yè)控制技術(shù)等多方成果的現(xiàn)代化工業(yè)控制系統(tǒng)。

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的優(yōu)點：

1、系統(tǒng)的開放性，互操作性與互連性

總線的通信協(xié)議一致公開，不同廠家遵照相同通信協(xié)議開發(fā)的產(chǎn)品可以互相交換信息，產(chǎn)品本身可以互連互換。用戶可以根據(jù)需要和資金投入，自由選擇最優(yōu)性能價格比的不同廠家的產(chǎn)品進(jìn)行系統(tǒng)集成，給用戶更大的選擇權(quán)利。

2、現(xiàn)場設(shè)備智能化，系統(tǒng)功能分散化，系統(tǒng)構(gòu)成模塊化

以微控制器為核心的現(xiàn)場設(shè)備功能更加完善，可實現(xiàn)多種功能，使系統(tǒng)的控制功能本地化，分散化，提高了系統(tǒng)的可靠性、實時性，簡化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。模塊化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)使系統(tǒng)的擴(kuò)展，變更，拆裝更加靈活便利。

3、減少了設(shè)計、安裝、維護(hù)、排故的時間和費(fèi)用現(xiàn)場總線系統(tǒng)的布線簡單，連接器件少且標(biāo)準(zhǔn)化，因此施工周期短，維護(hù)容易，故障定位準(zhǔn)確，排除故障迅速，大大減低設(shè)計安裝調(diào)試周期，減少維護(hù)費(fèi)用。

4、系統(tǒng)為全數(shù)字化系統(tǒng)，抗干擾能力強(qiáng)，通信可靠

現(xiàn)場總線的協(xié)議充分考慮了工業(yè)系統(tǒng)的環(huán)境，在抗干擾方面采取了一系列措施，并可滿足本質(zhì)安全防爆要求。系統(tǒng)內(nèi)部信息全部為數(shù)字信號，傳輸距離遠(yuǎn)，數(shù)據(jù)通信具有很強(qiáng)的糾錯功能和錯誤重發(fā)功能，抗干擾能力強(qiáng)。保證了信息的實時可靠傳輸，提高了系統(tǒng)的可靠性。

目前流行的總線有以下幾種：

1、基金會現(xiàn)場總線（Foundation Field-bus）

1994 年由 ISP 基金會和 World FIP(北美)兩大集團(tuán)合并成立 FF 基金會，其宗旨在于開發(fā)出符合 IEC 和 ISO 標(biāo)準(zhǔn)的、唯一的國際現(xiàn)場總線。目前，F(xiàn)F 現(xiàn)場總線的應(yīng)用領(lǐng)域以過程自動化為主。如：化工、電力廠實驗系統(tǒng)、廢水處理、油田等行業(yè)。

2、PROFIBUS

PROFIBUS 是一種國際化、開放式、不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。廣泛適用于制造業(yè)自動化、流程工業(yè)自動化和樓宇、交通、電力等其他領(lǐng)域自動化。

PROFIBUS 由三個兼容部分組成，即 PROFIBUS-DP(Decentralized Periphery) 、 PROFIBUS-PA(Process Automation) 、 PROFIBUS-FMS(Field-bus Message Specification)。

PROFIBUS-DP 是一種高速低成本通信，用于設(shè)備級控制系統(tǒng)與分散式 I/O的通信。使用 PROFIBUS-DP 可取代辦 24VDC 或 4-20mA 信號傳輸。PROFIBUS-PA 適用于 PROFIBUS 的過程自動化。PA 將自動化系統(tǒng)和過程控制系統(tǒng)與壓力、溫度和液體位置變送器等現(xiàn)場設(shè)備連接起來，PA 可用來替代4-20mA 的模擬技術(shù)。

PROFIBUS-FMS 的設(shè)計旨在解決車間監(jiān)控級通信。在這一層，可編程序控制器（如 PLC、PC 機(jī)等）之間需要比現(xiàn)場層更加大量的數(shù)據(jù)傳送，但通信的實時性要求低于現(xiàn)場層。

3、CANBUS（Controller Area Network-bus）現(xiàn)場總線CANBUS 現(xiàn)場總線已由 ISO/TC22 技術(shù)委員會批準(zhǔn)為國際標(biāo)準(zhǔn) IOS 11898（通訊速率小于 1Mbps）和 ISO  11519（通訊速率小于 125Kbps）。CANBUS 主要產(chǎn)品應(yīng)用于汽車制造、公共交通車輛、機(jī)器人、液壓系統(tǒng)、分散型 I/O。另外在電梯、醫(yī)療器械、工具機(jī)床、樓宇自動化等場合均有所應(yīng)用。