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工业以太网与现场总线技术及应用摘要：工业控制需要高速、廉价、易于集成的通信网络。
以太网就是这样的一种网络。
本文分析了工业以太网在现场总线控制系统中的应用前景,指出工业以太网的介入使现场总线能更好的满足实时控制的要求,并给出了工业以太网应用实例。
关键词：现场总线控制系统以太网 FCS一引言随着计算机和网络技术的发展，以智能化仪表和分散控制为特色的现场总线技术，把控制领域带入了一个新的时代。
它所倡导的全开放、全分散、互操作的思想，成了未来控制领域崭新的特点。
但是,目前的现场总线技术仍具有很大的局限性,在全开放、全分散控制等方面,仍存在许多需要解决的问题。
首先,在目前现场总线控制系统中,主要是低速现场总线,现场仪表和设备的计算能力和信息处理能力较低,主要用于数据采集和控制信号的输出,并实现PDI控制等一些简单的控制算法。
复杂的控制功能,如预测控制、神经网络控制、系统优化等,仍需要在PC机或工作站上实现。
其次,由于现场总线位于整个系统的最底层,只是系统的一个组成部分,仅仅现场总线仍不足以实现系统的全开放结构。
同时,目前已经出现了Profibus 、Foundation Fieldbus等几十种现场总线。
由于每种现场总线代表着不同厂商的利益,各大厂商进行了激烈的市场竞争,这些现场总线很难实现统一。
因为不同现场总线产品不能实现互操作,一旦用户选择某种现场总线,今后就会被局限于这种现场总线,再选择另一种现场总线,必须付出高昂的代价。
因此,在现场总线的迅速发展过程中，形成一个统一的协议却始终是一个争论的焦点。
为了解决以上全分散、全开放、不同协议的现场总线系统集成问题,人们开始逐步达成一个共识，即向以太网靠拢将成为今后现场总线发展的一个趋势。
二以太网进入现场总线以太网具有传输速度高、低耗、易于安装和兼容性好等方面的优势,由于它支持几乎所有流行的网络协议,所以在商业系统中被广泛采用。
它具有如下特点：(1)以太网是目前应用最广泛的计算机网络技术,它受到广泛的技术支持,因此容易获得控制领域生产厂家的认可。
现场总线技术的发展与应用摘要：现场总线作为一种开放的、全数字化、双向、多站的通信系统,近年来得到了迅猛的发展和应用。
为此本文阐述了现场总线的发展和多现场总线技术的应用。
关键字:现场总线自动化控制系统1 概述在计算机自动控制系统急速发展的今天，特别是考虑到现场总线已经普遍地渗透到自动控制的各个领域的现实，现场总线必将成为电工自动控制领域主要的发展方向之一。
现场总线技术一直是国际上各大公司激烈竞争的领域；并且国外大公司已经在大力拓展中国市场，发展我国的现场总线产品已经刻不容缓。
现场总线对自动化技术的影响意义深远。
当今可以认为现场总线是提高自动化系统整体水平的基础技术，对国民经济影响重大。
因此,要在自动化领域中推广应用和发展现场总线。
现场总线是近年来自动化领域中发展很快的互连通信网络,具有协议简单开放、容错能力强、实时性高、安全性好、成本低、适于频繁交换等特点。
目前，国际上各种各样的现场总线有几百种之多，统一的国际标准尚未建立。
较著名的有基金会现场总线（FF）、HART现场总线、CAN现场总线、LONWORKS现场总线、PROFIBUS 现场总线、MODBUS、PHEONIX公司的INTERBUS、AS－INTERFACE总线等.自动化控制系统就是通信网络把众多的带有通信接口的控制设备、检测元件、执行器件与主计算机连接起来，由计算机进行智能化管理,实现集中数据处理、集中监控、集中分析和集中调度的新型生产过程控制系统。
从目前国内外自动化控制系统所应用的现场总线来看，主要有PROFIBUS、MODBUS、LONWORKS、FF、HART、CAN等现场总线。
以上系统基本上都是采用单一的现场总线技术,即整个自动化控制系统中只采用一种现场总线，整个系统构造比较单一。
现场总线已不仅仅是一个新技术领域或新技术问题，在研究它的同时，我们发现它已经改变了我们的观念；如何去看待现场总线，要比研究它的技术细节更为重要.1.1现场总线是一个巨大的商业机会一项权威报告声称现场总线的应用将使控制系统的成本下降67％；巨大的商业利益直接导致产生一个巨大的市场，并且促使传统市场萎缩，从而引发技术进步。
现场总线技术教学设计
简介
现场总线（Fieldbus）技术是自动化控制领域中的一个重要技术，被广泛应用于工业领域中的控制、监测和通信功能。
本教学设计旨在通过理论授课和实践操作的方式，使学生了解现场总线技术的基本概念、体系结构、通信协议和应用实现方法，并掌握如何使用总线配置工具和现场总线网络建立方法。
教学目标
1.掌握现场总线技术的基本概念、体系结构和通信协议；
2.熟悉现场总线网络建立方法和总线配置工具的使用；
3.理解现场总线技术在控制、监测和通信领域的应用场景和优劣势。
教学内容
理论授课
1. 现场总线技术概述
1.1 传统现场控制系统的不足之处 1.2 现场总线技术的概念和优势
2. 现场总线技术体系结构
2.1 现场设备、传感器和执行器 2.2 控制器和控制系统 2.3 总线通信和控制数据流
3. 现场总线通信协议
3.1 现场总线通信协议介绍 3.2 现场总线通信协议特点和优缺点
4. 现场总线网络建立方法
1。
1、什么是现场总线？安装在制造或过程区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称为现场总线。
现场总线一般是指一种用于连接现场设备，如传感器（sensors）、执行器以及像PLC、调节器（regulators）、驱动控制器等现场控制器的网络。
现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向、串行、多节点、数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。
现场总线是一种串行的数字数据通信链路，它沟通了生产过程领域的基本控制设备（现场设备）之间以及更高层次自动控制领域的自动化控制设备（车间级设备）之间的联系。
现场总线是连接控制系统中现场装置的双向数字通信网络；现场总线是从控制室连结到现场设备的双向全数字通信总线。
现场总线是用于过程自动化和制造自动化（最底层）的现场设备或现场仪表互连的现场数字通信网络，是现场通信网络与控制系统的集成。
现场总线是用于现场仪表与控制系统和控制室之间的一种全分散、全数字化、智能、双向、互联、多变量、多点、多站的通信网络。
由此网络构成的系统称为现场总线控制系统。
2、现场总线的结构特点是什么？现场总线系统中，各现场设备分别作为总线上的网络节点，设备之间采用网络式连接是现场总线系统在结构上最显著的特征之一。
（1）系统的开放性开放系统是指通信协议公开，不同制造商提供的设备之间可实现网络互连与信息交换，现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统。
（2）互可操作性与互用性互可操作性，是指网络中互连设备间的信息传送与交换，可实行点对点，一点对多点的数字通信。
而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用。
（3）通信的实时性与确定性现场总线系统的基本任务是实现测量控制。
现场总线系统中的媒体访问机制、通信模式、网络管理与调度方式等都将保证通信的实时性、有效性与确定性。
（4）现场设备的智能化与功能自治性智能主要体现在现场设备的数字计算与数字通信能力上。
现场总线技术及应用现场总线是应用生产现常在微机化测控设备之间实现双向数字通信系统，是开放式。
数字化。
多点通信的低层控制网络。
现场总线是在20世纪年代中期发展起来的。
现场总线技术是将专用的微处理器植入传统的测控仪表，使其具备了数字计算和通信能力，采用连接简单的双绞线。
同轴电缆。
光纤等作为总线，按照公开。
规范的通信协议，在位于现场的多个微机化测控仪表之间。
远程监控计算机之间实现数据共享，形成适应现场实际需要的控制系统。
它的出现改变了以往采用电流。
电压模拟信号进行测控信号变化慢，信号传输抗干扰能力差的缺点，也改变了集中式控制可能造成的全线瘫痪的局面。
由于微处理器的使用，使得现场总线有了较高的测控能力，提高了信号的测控和传输精度，同时丰富了控制信息内容，为远程传送创造了条件。
现场总线适应了工业控制系统向分散化。
网络化。
智能化发展的方向，一出现便成为全球工业自动化技术的热点，受到全世界的普通遍关注。
现场总线导致了传统控制系统结构的变革，形成了新型的网络集成式全分布控制系统--现场总线控制系统FCS(Fieldbus Control System)。
一。
现场总线的特点现场总线系统打破了传统模拟控制系统采用的一对一的设备连线模式，而采用了总线通信方式，因而控制功能可不依赖控制室计算机直接在现场完成，实现了系统的分散控制，现场总线控制系统与传统的控制系统结构对经如图1所示。
1.增强了现场级的信息采集能力现场总线可从现场设备获取大量丰富信息，能够很好地满足工厂自动化乃至CIMS系统的信息集成要求。
现场总线是数字化的通信网络，它不单纯取代4~20mA信号，还可实现设备状态。
故障和参数信息传送。
系统除完成远程控制，还可完成远程参数化工作。
2.开放式。
互操作性。
互换性。
可集成性不同厂家产品只要使用同一种总线标准，就具有互操作性。
互换性，因此设备具有很好的可集成性。
系统为开放式，允许其他厂商将自己专长的控制技术，如控制算法。
—1—现场总线控制系统的设计与应用中国天辰工程有限公司上海分公司姚克磊摘要：阐述了现场总线的发展及基金会现场总线（以下简称FF）的特点和拓扑结构，根据基金会现场总线在BAYER涂料项目中的应用，详细介绍了FF控制系统、FF现场仪表选型、FF现场总线网段设计、现场总线配线设计等工程设计过程及其与常规控制系统的不同，并阐述了FF现场总线在项目中出现的一些问题，以及优缺点。关键词：基金会现场总线拓扑图网段FF总线中图分类号：TP273.+5文献标志码：BFieldbusControlSystemDesignandApplicationYAOKe-lei(ChinaTianchenEngineeringCorp.ShanghaiBranch)Abstract:Describesthedevelopment,featuresandtopologyoftheFieldbusFoundationFieldbus(FF),accordingtotheapplicationoftheFoundationFieldbusinBAYERpaintproject,IntroducedtheFFcontrolsystem,FFfieldinstrumentselection,FFsegmentdesign,FFwiringdesign,SimultaneouslyintroducedthedifferencesbetweentheprocessofengineeringdesignandthesystemswithconventionalcontrolsystemandelaboratedFFsomeoftheproblems,aswellasadvantagesanddisadvantagesintheproject.Keywords:FieldbusFoundationFieldbus;Topology;segment;FF0引言生产过程控制在经历了自动控制、集中控制与分散控制之后，随着控制技术、计算机技术、通信技术以及网络技术的快速发展，上世纪八十年代出现的基于现场总线的控制系统在近几年内日趋完善。现场总线技术自推广以来，已经在全世界范围内应用于冶金、汽车制造、石油化工等许多领域[1]。1现场总线技术简介现场总线是一种连接智能仪表和自动化系统间双向和多支路的数字通讯系统。它应用于过程控制的现场设备的局域网，并通过此网络建立起一种具有控制现场智能设备能力的系统。现场总线技术在经历了群雄并起，分散割据的初始阶段后，尽管已经有一定范围的磋商合并，但至今尚未形成完整统一的国际标准。目前已开发出的现场总线有：P-Net，DeviceNet，SwiftNet，Interbus，Modbus，WordFIP，Long-Works等；但其中应用最广泛的有：FF，Profibus，HART和CAN[2]。本文主要阐述了BAYER涂料项目中的FF总线的应用情况。
1.1FF现场总线特点
基金会现场总线有两种通讯速率形式，分别为H1和H2，其中H1的传输速率为31.25Kbps，通讯距离能达到1.9km，支持总线供电和本质安全防爆环境，H2的传输速率为1Mbps和2.5Mbps两种，通讯距离为750m和500m。FF总线网络通过商用交换机或路由器就可以连接到INTERNET上，只要拥有相应的客户端软件和相应的权限，用户在任何地方都可以通过INTERNET对生产过程进行远程系统组态、调试和—2—
故障诊断。1.2FF的拓扑结构FF总线采用单点型、总线型、树型和菊花链型等四种结构，其中总线型采用一种主干电缆，再分出多根分支电缆，每根分支电缆上接一台现场设备；树型是主干电缆上，一个端点分出多个分支；菊花链型是只有主干电缆，即现场设备都接在主干电缆上。在实际应用中这四种结构可混合使用。如图1所示。
图1拓扑图2FF总线在BAYER涂料项目的应用2.1FF总线控制系统选型FF总线控制系统选型除了从系统的开放性、有效性、安全性、可靠性、可用性及维护性等原则来考虑，还需要从实用性等方面，同时更主要的是根据实际项目的工艺特点，在满足工艺要求的原则下来考虑[3]。本项目结合该项目的工艺特点及要求，采用的是EMERSON的DeltaV控制系统。另外，由于FF总线装置目前投入费用比较高，因此本项目主要在模拟量信号中应用现场总线结构，主要仪表包括两线制、四线制变送器和阀门定位器等，对于开关量信号和用于ESD的信号则没有采用FF现场总线。2.2FF现场仪表选型在FF总线仪表的设计与选型方面，由于现场总线仪表的控制功能是在现场实现，因此现场总线仪表与常规仪表的选型设计有所区别，其原因是：1、现场总线仪表的功能由仪表所带功能模块决定。同类型被测变量的变送器如果所带的功能模块不同，所具有的功能也不同。因此，在现场总线仪表选型设计时，应根据不同的应用场合选用带有不同功能模块的FF仪表。2、现场总线仪表的版本不同，其所带的功能模块的类型和数量也不同。这是现场总线仪表选型时需要注意的问题。通常，在常规仪表选型时，不必考虑仪表的版本。因此，现场总线仪表选型设计时，应该考虑仪表版本的影响。3、由于FF总线仪表都是通过FF总线进行通讯的，因此，现场总线仪表的功能模块所处位置不同，将影响总线上的通信量。合理的选择FF总线仪表，可以减少通信量。该涂料项目位于防爆区域2区内，所以本项目FF仪表最终主要选型是EMERSON相应的无火花型FF总线仪表。2.3FF现场总线网段（Segment）设计—3—
网段设计结合管道仪表流程图、现场总线仪表选型、初步仪表位置图、电缆长度等对网段进行划分。在BAYER涂料项目中，考虑了FF现场总线段的电流负载、总线电缆长度、电压降和FF仪表数量等。每一个Segment可以挂的FF仪表的最大量受电源容量、设备之间的通讯量、总线可分配的地址、每段电缆的阻抗等因素的影响，BAYER项目整体制定了相关的规定，在下面的描述中会有相关的介绍。1、总线网段电源模块1）FF电源调制器须进行冗余配置，能够进行热插拔。2）主配电电源，冗余配置，该电源必须对地隔离。3）电源模块在故障时，具有报警输出功能，在DCS中进行监控。2、终端器在网段的两端必须设置终端器，分别在FF电源模块和现场专用端子块箱。2.4现场总线的功能块设置规定由于网段通信速率的限制，在设计时，应关注FF设备在总线上的通信量和系统对网段执行时间的限制。当设计控制策略时，使用现场总线仪表提供的状态字节功能，如故障安全动作、抗积分饱和以及无扰动切换等功能，充分利用总线仪表提供的自身功能，减少网络的通信量，提高FF总线的工作效率。本项目中为了限制一个现场总线网段上的通信量，在设计过程中规定：1）一个Segment上，控制回路不能超过2个。2）在变送器上设置模拟输入块（AI），在调节阀上设置模拟输出块（AO）。3）对于单回路PID控制，如果在同一个Segment，PID功能模块设置在执行元件上；反之，设置在控制系统的控制器中。4）串级控制回路，主回路的PID功能块设置在控制系统的控制器，副回路的PID功能块设置在执行机构上。5）计算和逻辑功能块及其它功能块均设置在控制系统的控制器上。2.5现场总线配线设计现场总线配线设计与传统DCS配线设计不同，传统的配线方式是：从就地接线箱到DCS接线柜干线电缆，通常采用20对对绞电缆，接线箱可以为20个现场设备提供接线，其中包括20%的备用。而现场总线干线（Homerun）电缆采用2对对绞分屏加总屏电缆，连接两个段，一对用于第一个H1总线段，另一对用于第二个H1总线段。每个H1总线段可以连接10个现场总线设备。现场总线设备通过单对屏蔽分枝电缆连接到接线箱。2.5.1现场总线电缆现场总线的物理信号、终端、电源、本质安全等与常规仪表不同，两者使用的电缆必须加以区别。可供的通讯速率为31.25kb/s的H1现场总线的电缆线类型、规格、最大长度等如表1所示，应根据工程需要来选择电缆。一般首选A型用于新装置；B型可作为替代品；C型、D—4—
型仅用于改造的装置[4]。表1H1电缆的技术规格
型号米/英尺阻抗欧姆分布电阻率（Ohm/km）衰减值（db/km）说明A1900/6270100223相互屏蔽对B1200/3960100565全屏蔽的多线对C400/1320未知1328无屏蔽的多线对D200/660未知208多导线，非线对1电缆的类型1）干线电缆在选型设计时，干线电缆通常采用A型对屏总屏多芯电缆，且应有20%-25%的裕量或至少有2芯的备用。2）分支电缆分支电缆在选型设计时，通常采用A型对屏总屏电缆。2长度的限制一个Segment现场总线电缆的长度为所有支电缆和干线电缆长度之和，对于A型电缆来说，其总长度≤1900m。最大支线长度与仪表数量的关系如表2所示[5]。表2最大支线电缆长度与仪表数量关系表每个Segment段上的仪表数量支线电缆长度（max）/m1~1212013~149015~1860
根据现场经验发现，这个长度要求是保守的。现场总线的长度是为了限制因长度而引起的电压降和信号品质（如衰减和失真）的影响。为了避免计算每个现场总线段的物理负荷和减少现场总线段设计确认工作，BAYER涂料项目要求每根总线电缆长度（干线加各支线总长度之和）不超过1420米，每个Segment段上不得超过8个FF仪表，分支电缆不超过75米。2.5.2现场总线接线箱由于该项目位于防爆区域2区内，且该现场空气比较潮湿，根据上述工况，采用防爆电缆密封接头，接线箱选用增安型（EExe）接线箱，该接线箱的总线端子块有短路保护功能，保证一个支路短路时而不影响其他支路，并且使得仪表维护人员在控制室内便可知道短路故障点。总线终端器在接线箱内安装时，应带相应标记，防止被意外拆除。按照BAYER对该项目的要求，每个FF接线箱最多接8台FF仪表，就该涂料项目而言，最后经过统计，平均每个接线箱接6台FF仪表。2.6FF总线在本项目应用中的问题及原因在该项目调试及开车过程中，控制回路能够在满足工艺要求的状态下稳定运行。同时在调试中也遇到一些问题，这些问题及主要原因归纳如下：
