第一章 概述

1. 1. 引言

纵观控制系统的发展史，不难发现，每一代新的控制系统的推出都是针对老一代控制系统的不足而给出更完善的解决方案，最终在用户需求和市场竞争两大因数的推动下占领市场的主导地位，现场总线和基于现场总线控制系统的产生也不例外。

随着控制、计算机、通信、网络等技术的不断发展，信息交换的范围和能量也得到了不断的扩展，特别是在工业自动化控制领域中。在这种情况下，传统工业自动化控制系统的通讯方法已远远不能满足信息传输提出的要求。随着系统的大型化、复杂化，一种新型的以智能式分布自动系统为基础的企业管理控制系统正在逐步形成。现场总线就是顺应这一形势发展起来的新技术。

从 70 年代开始，传送模拟信号的传统电动仪表逐渐暴露出其自身的缺点。这是由于模拟信号变化缓慢，抗干扰能力差，要提高自身计算精度的难度较大。所以，人们开始用数字信号取代模拟信号，用一台计算机取代控制室的几乎所有仪表盘，出现了直接数字控制系统（Data Distribution Center）。不足的是，DDC对控制器本身要求很高，必须具有足够的处理能力和极高的可靠性，当系统任务增加时，控制的效率和可靠性将急剧下降。但当时计算机可靠性差，计算机的一个故障会造成所有控制系统回路瘫痪、生产停产的严重后果，这种集中系统结构很难为生产过程接受。

随着计算机性能的提高，价格的大幅度下降，出现了数字调节器，可编程逻辑控制器（PLC）以及由多个计算机阶梯构成的集中、分散相结合的集散控制系统。这就是 DCS 系统。在 DCS 系统中，测量变送仪表一般为模拟仪表，因而它是一种模拟数字混合系统。它在功能、性能上可实现装置级、车间级的优化控制。但是，DCS 并不是完全意义上的分散控制系统。而是在 DCS 系统形成的过程中，由于受计算机系统早期存在的系统封闭缺陷影响，各厂家产品自成系统，不同厂家设备不能互联，难以实现互换与互操作，组成更大范围信息共享的网络系统存在很多困难。

随着微处理器与计算机功能的不断增强和价格急剧下跌，计算机和计算机网络系统得到迅速发展。自封闭式的集散系统已使自动化系统成为“信息孤岛”。要实现整个企业的信息集成，要实施综合自动化就必须设计出一种能在工业现场环境运行的、性能可靠的、造价低廉的通信系统，形成工厂低层网络，完成现场自动化设备之间的多点数字通信，实现底层现场设备之间以及生产现场与外界的信息交换。现场总线控制系统就是在这种实际需要的驱动下应运而生。

作为过程自动化、制造自动化、楼宇、交通等领域现场智能设备之间的互联通信网络，现场总线沟通了生产过程现控制设备之间以及其与更高控制管理层网络之间的联系，为彻底打破自动化系统的信息孤岛创造了条件。在这个新型系统中，测控任务被分散到现场设备中，所有设备都采用数字信号通过标准通信协议进行信息交换；总线上每一个现场设备都易于控制，设备扩充方便， 系统的安装、调试、维护、升级操作简便，即使当某些现场设备离控制室很远， 也只需要很少的中继器即可将其与系统相连接；系统对外开放，不同厂家的产品完全集成在一个应用环境中，系统可以在以太网连接甚至可接入国际互联网络，使信息得到充分利用和传播。

从现场总线的应用前景来讲，由于现今的工业企业处在一个市场竞争异常激烈的年代，为了提高自身生产力，提高生产效率，生产工艺甚至部分生产线都会随着市场的需要而经常进行改进。而现场总线技术在这方面的独特优势显现无疑。同时，由于现场总线系统模块化强，各个设备使用方便，即使是对全部生产线的改进也会事半功倍。

现今的工业企业又处在一个网络化、信息化的时代，传统的大量企业管理、运营工作已被企业信息管理系统所取代，为了充分利用企业生产、销售等各部门的信息流，同时大量节省人力物力，也使得整个企业运营数字化资源合理配置，节约大量成本。现场总线系统由于其开放性、机构模块化的特点，成为企业运营信息管理系统中不可或缺的部分。

1. 2. 可编程逻辑控制器简介

可编程逻辑控制器（PLC，本文以下简称 PLC）是以微处理器为基础，综合运用了计算机技术、自动控制技术盒通讯技术，从 80 年代初迅速发展起来的一种新型工业控制装置。它具有结构简单、编程方便、可靠性高等优点，现在已经广泛应用于工业生产过程盒装置的自动控制中。随着微电子技术、电力电子技术、计算机技术、通讯技术、控制技术的发展，PLC 技术也逐渐成熟，其发展逐渐由无到有经历了以下五个阶段。

第一阶段是 PLC 出世的阶段。各个厂家的 PLC 功能和结构差异巨大，功能也比较简单，只有逻辑、定时、计数等功能。硬件方面集成电路还未投入大规模工业化生产，存储器容量小，还未成形的编程语言，而且 PLC 体积庞大。

第二阶段是 PLC 功能初步发展阶段。1972 年，某公司开发成功了世界上第一片集成电路的微处理器。中小规模的集成电路已经开始工业化生产。PLC 功能也有了发展，具有逻辑运算、定时、计数、数值运算、数据处理、计算机接口、模拟量控制等功能；软件方面开发出了自诊断程序，可靠性提高，系统开始标准化、系列化。结构上具有模块化和整体式的区分。有些厂家开始采用微处理器作为 PLC 的 CPU，这是 PLC 硬件和软件结构上的一次革命。为进一步扩展 PLC 功能，提高可靠性、灵活性、降低成本、建立标准的编程语言奠定了基础。

第三阶段是微处理器技术完全成熟，大规模集成电路开始普遍使用的阶段。PLC 得益于电子技术、计算机技术和通讯技术的飞跃发展，逐步地演变成了一种专用的工业计算机。功能方面增加了通讯、远程 I/O 等。PLC 在结构上一方面向大型化、模块化发展；另一方面向结构整体化、小型化、保持基本功能向低成本方向发展。面向过程的梯形图语言及助记符的出现，为 PLC 的普及打下基础。

第四阶段是 PLC 完全计算机化的阶段。由于计算机技术进一步发展，计算机网络技术已普遍使用，超大规模集成电路、超大规模门阵列电路已经大量生产，PLC 完全计算机化，全面使用 8 位、16 位微处理芯片，高速计数、A/D、D/A 等功能引入 PLC，联网功能增强。梯形图语言及助记符语言完全成熟，基本标准化。各个厂家的 PLC 向规范化、系列化发展。

第五阶段是 PLC 全面使用 16 位和 32 位的微处理芯片，有的已使用 RISC（精简指令集）芯片的阶段。PLC 的 I/O 点增多，并且基本上都具和计算机通信联网功能；软件上使用容错纠错技术，硬件上使用多 CPU 技术。已经开发出了各种智能化模块、触摸式屏幕；整体式 PLC 与外界的输入输出部分标准化、模块化；大型昂贵的专用编程器已被笔记本计算机和功能强大的编程软件所代替[1]。PLC 之所以能成为当今增长速度最快的工业自动化控制设备，是由于它具备了许多独特的优点。它较好地解决了工业控制领域普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。

PLC 始终为各种各样的自动化控制设备提供非常可靠的控制手段。就 PLC 实施控制而言，其实质是按一定算法进行输入输出变换，并将这个变换用于物理实现。出入变换、物理实现可以说是 PLC 实施控制的两个基本点。根据 PLC 实施控制的两个基本点的分析，PLC 采用了典型的计算机结构，主要是由 CPU、RAM、ROM 和专门设计的输入输出接口电路等组成[2]。

在工业计算机控制领域，围绕开放与再开放过程控制系统、开放式过程控制软件、开放性数据通信协议，已经发生巨大变革，几乎到处都有 PLC，但这种趋势也许不会继续发展下去。随着软 PLC(SoftPLC)控制组态软件技术的诞生与进一步完善和发展，安装有 SoftPLC 组态软件和基于工业 PC 过程控制系统的市场份额正在逐步得到增长，这些事实使传统 PLC 供应商在思想上已经发生了戏剧性的变化，在传统 PLC 的技术发展与提高方面做出更加开放的高姿态。对于控制软件来讲，这是 PLC 控制器的核心，PLC 供应商正在向工业用户提供开放式的编程组态工具软件。此外，开放式通信网络技术也得到了突破，其结果是将 PLC 融入更加开放的工业控制行业。

PLC 技术将继续向开放式控制系统方向转移，尤其是基于工业 PC 的控制系统。后者除了在灵活性方面比传统 PLC 具有截然不同的优势外，还具有其他优点，如能够缩短系统投放到市场的周期，降低系统投资费用，提高从工厂底层到企业办公自动化的数据信息流动效率等。

1. 3. 现场总线简介

现场总线作为当今自动化领域技术发展热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现，标志着自动化系统步入一个新时代的开端，将对该领域产生前所未有的冲击和影响。有人把现场总线定义为应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行数字通信的系统，也有人把它称为开放式、数字化、多点通信技术，可被广泛应用于制造业、流程工程、楼宇、交通等处的自动化系统中。

现场总线是安装在生产过程区域的现场设备/仪表与控制室内的自动控制装置/系统之间的一种串行、数字式、多点通信的数据总线。现场总线的出现使基于传统的现场仪表所构成的工业控制系统的体系结构发生了根本的变革。现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使他们各自具有了数字计算和数字通信能力，成为能独立承担某种控制、通信任务的网络节点。他们分别通过普通双绞线等多种传输介质进行信息联络，把多个测量控制仪表、计算机等作为节点连接成网络系统，把公开、规范的通信协议，在位于生产控制现场的多个微机化自控设备之间，以及现场仪表与用作监控、管理的远程计算机之间，实现数据传输与信息共享，形成各种适应实际需要的自动控制系统。简而言之，它是把单个分散的测量控制设备变成网络节点，共同完成自动控制任务的网络系统与控制系统它给自动化领域带来了巨大的变化，如同计算机网络和英特网给计算机带来的变化等等。如果说，计算机网络把人类引入到信息时代，那么现场总线则使自动控制系统与设备加入到信息网络的行列，成为企业信息网络的底层，使企业信息沟通的覆盖范围一直延伸到生产现场。因此把现场总线技术的出现说成是标志着一个自动化新时代的开端并不过分。

现场总线控制系统是基于现场总线技术所构成的开放的全分布式的控制系统。该系统底层以集测量控制调节等功能于一身智能设备作为基本单元，通过现场总线进行互连，构成了一个工业现场级的或单元级的测控网络；再通过工业以太网与车间级或工厂级的控制中心和管理部门互连，形成以现场总线为基础的工业控制系统。所以说现场总线控制系统是综合了智能仪表技术、计算机与微控制器技术，计算机通信与计算机网络技术，工业控制技术等多方成果的现代化工业控制系统。

现场总线控制系统的优点：

1、系统的开放性，互操作性与互连性

总线的通信协议一致公开，不同厂家遵照相同通信协议开发的产品可以互相交换信息，产品本身可以互连互换。用户可以根据需要和资金投入，自由选择最优性能价格比的不同厂家的产品进行系统集成，给用户更大的选择权利。

2、现场设备智能化，系统功能分散化，系统构成模块化

以微控制器为核心的现场设备功能更加完善，可实现多种功能，使系统的控制功能本地化，分散化，提高了系统的可靠性、实时性，简化了系统的结构。模块化的系统结构使系统的扩展，变更，拆装更加灵活便利。

3、减少了设计、安装、维护、排故的时间和费用现场总线系统的布线简单，连接器件少且标准化，因此施工周期短，维护容易，故障定位准确，排除故障迅速，大大减低设计安装调试周期，减少维护费用。

4、系统为全数字化系统，抗干扰能力强，通信可靠

现场总线的协议充分考虑了工业系统的环境，在抗干扰方面采取了一系列措施，并可满足本质安全防爆要求。系统内部信息全部为数字信号，传输距离远，数据通信具有很强的纠错功能和错误重发功能，抗干扰能力强。保证了信息的实时可靠传输，提高了系统的可靠性。

目前流行的总线有以下几种：

1、基金会现场总线（Foundation Field-bus）

1994 年由 ISP 基金会和 World FIP(北美)两大集团合并成立 FF 基金会，其宗旨在于开发出符合 IEC 和 ISO 标准的、唯一的国际现场总线。目前，FF 现场总线的应用领域以过程自动化为主。如：化工、电力厂实验系统、废水处理、油田等行业。

2、PROFIBUS

PROFIBUS 是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准。广泛适用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通、电力等其他领域自动化。

PROFIBUS 由三个兼容部分组成，即 PROFIBUS-DP(Decentralized Periphery) 、 PROFIBUS-PA(Process Automation) 、 PROFIBUS-FMS(Field-bus Message Specification)。

PROFIBUS-DP 是一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与分散式 I/O的通信。使用 PROFIBUS-DP 可取代办 24VDC 或 4-20mA 信号传输。PROFIBUS-PA 适用于 PROFIBUS 的过程自动化。PA 将自动化系统和过程控制系统与压力、温度和液体位置变送器等现场设备连接起来，PA 可用来替代4-20mA 的模拟技术。

PROFIBUS-FMS 的设计旨在解决车间监控级通信。在这一层，可编程序控制器（如 PLC、PC 机等）之间需要比现场层更加大量的数据传送，但通信的实时性要求低于现场层。

3、CANBUS（Controller Area Network-bus）现场总线CANBUS 现场总线已由 ISO/TC22 技术委员会批准为国际标准 IOS 11898（通讯速率小于 1Mbps）和 ISO  11519（通讯速率小于 125Kbps）。CANBUS 主要产品应用于汽车制造、公共交通车辆、机器人、液压系统、分散型 I/O。另外在电梯、医疗器械、工具机床、楼宇自动化等场合均有所应用。