现场总线技术概述
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现场总线概述
现场总线概述一、现场总线简介随着操纵、运算机、通信、网络等技术的进展，信息互换沟通的领域正在迅速覆盖从工厂的现场设备层到操纵、治理的各个层次、覆盖从工段、车间、工厂、企业乃至世界各地的市场。
信息技术的飞速进展，引发了自动化系统结构的变革，慢慢形成以网络集成自动化系统为基础的企业信息系统。
现场总线确实是顺应这一形势进展起来的新技术。
现场总线是现今自动化领域技术进展的热点之一，被誉为自动化领域的运算机局域网。
它的显现，标志着工业操纵领域又一个新时期的开始，并将对该领域的进展产生重要阻碍。
现场总线是应用在生产现场、在微型运算机化测量操纵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、多点通信的底层操纵网络。
它在制造业、流程工业、交通、楼宇等方面的自动化系统中具有普遍的应用背景。
现场总线技术将专用于微处置器置入传统的测量操纵仪表，使它们各自具有数字计算和通信能力，采纳可进行简单连接的双绞线等作为总线，把多个测量操纵仪表连接成的网络系统，并按公布、标准的通信协议，在位于现场的多个微型运算机化测量操纵设备之间和现场仪表与远程监控运算机之间，实现数据传输与信息互换，形成各类适应实际需要的自动操纵系统。
简而言之，它把单个分散的测量操纵设备变成网络节点，以现场总线为纽带，连接成能够彼此沟通信息、一起完成自控任务的网络系统与操纵系统。
它给自动化领域带来的转变正如众多分散的运算机被网络连接在一路，使运算机的功能、加入到信息网络的行列。
因此把现场总线技术说成是一个操纵技术新时期的开端并只是分。
利用现场总线技术给用户带来的益处：1节省硬件本钱2设计组态安装调试简便3系统的平安靠得住性好4减少故障停机时刻5用户对系统配置设备选型有最大的自主权6系统保护设备改换和系统扩充方便7完善了企业信息系统为实现企业综合自动化提供了基础二、现场总线的种类在过去的10年内，显现了许多的总线产品，较流行的有：德国Bosch公司设计的CAN 网络（Controller Area Network）,美国Echelon公司设计的LonWorks网络（Local Operation Network），按德国标准生产的Profibus(Profess FieldBus)总线，Rosemount公司设计的Hart （Highway Addressable Remote Transducer）总线，罗克韦尔自动化公司的DeviceNet 和ControlNet等。
第1讲现场总线技术概述
1.3.1 基金会现场总线
前身为以Fisher-Rousemount公司为首，联合 Foxboro、横河、ABB、西门子等公司的ISP协议， 以及以Honeywell为首的P协议，合并后 成立现场总线基金会； 以ISO/OSI开放系统互连模型为基础，取其物理层、 数据链路层、应用层，并增加用户层； 分低速H1(31.25Kbps,距离1900m)和高速 H2(1Mbps,750m和2.5Mbps,500m)两种通信速率； 介质支持双绞线、光缆和无线发射，传输信号采用 曼彻斯特编码
现场总线有两种编码方式：Manchester和NRZ， 前者同步性好，但频带利用率低，后者刚好相反。 前者采用基带传输，后者采用频带传输。传输介 质主要有：有线电缆、光纤和无线介质。
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现场总线概述
1.1.8 现场总线网络的实现 数据链路层
分为两个子层：介质访问控制层(MAC)和逻辑链路控制层(LLC)。 MAC对传输介质传送的信号进行发送和接收控制；LLC对数据链进 行控制，保证数据传送到指定的设备上。现场总线上的设备可以是 主站，也可以是从站。 MAC层的三种协议：集中式轮询协议、令牌总线协议和总线仲裁协 议。
介质、拓扑结构、节点数等
网络性能
传输速率、时间同步准确度、访问控制方式等
测控系统应用考虑 市场及其他因素
21
现场总线概述
1.3 现场总线简介 1.3.1 基金会现场总线(FF) 1.3.2 PROFIBUS 1.3.3 LonWorks 1.3.4 CAN
1.3.5 HART
22
现场总线概述
FCS: 一对多：一对传输线接多台仪表，双向传输多个信号
DCS: 一对一：一对传输线接一台仪表，单向传输一个信号
现场总线技术及其应用
由于现场总线设备具有较高的可靠性，因此 整个系统的可靠性也得到了提高。
增强可维护性
现场总线设备具有自诊断和远程诊断功能， 方便维护和故障排除。
优化系统性能
现场总线技术可以实现分布式控制，优化了 系统性能，提高了生产效率。
02
现场总线技术分类与特点
分类方式及标准
按照国际标准分类
分为基金会现场总线（FF）、PROFIBUS、CAN总线等。
在能源与电力领域，现场总线技术将助力实现能源的高效 利用和电力的稳定传输，提高能源利用效率。
医疗与健康领域
现场总线技术也可在医疗与健康领域发挥重要作用，如实 现医疗设备的远程监控和维护，提高医疗效率和服务质量 。
技术创新与突破建议
加强基础研究
加大对现场总线技术的基础研究 力度，推动理论创新和技术突破
PROFIBUS总线
是一种广泛应用于工业自动化领域的 现场总线技术。它支持多种传输速率 和传输距离，并具有高可靠性和实时 性。
不同现场总线技术的比较
传输速率
不同现场总线技术的传输速率 不同，需要根据实际应用需求
选择合适的传输速率。
传输距离
不同现场总线技术的传输距离 也不同，需要根据实际应用需 求选择合适的传输距离。
无线化与智能化
无线现场总线技术将逐渐普及，实现设备间无线通信，降低布线成本，提高系统灵活性。 同时，智能化现场总线技术将进一步提高设备的自适应性、自诊断能力和远程监控能力。
标准化与互操作性
现场总线技术将更加注重标准化和互操作性，以实现不同厂商设备之间的无缝集成，降低 系统维护和升级成本。
面临的挑战与问题分析
定义：现场总线是一种用于工业 自动化领域，在现场设备之间实 现通信和控制，以及与上级控制 系统进行信息交互的通信技术。
增强可维护性
现场总线设备具有自诊断和远程诊断功能， 方便维护和故障排除。
优化系统性能
现场总线技术可以实现分布式控制，优化了 系统性能，提高了生产效率。
02
现场总线技术分类与特点
分类方式及标准
按照国际标准分类
分为基金会现场总线（FF）、PROFIBUS、CAN总线等。
在能源与电力领域，现场总线技术将助力实现能源的高效 利用和电力的稳定传输，提高能源利用效率。
医疗与健康领域
现场总线技术也可在医疗与健康领域发挥重要作用，如实 现医疗设备的远程监控和维护，提高医疗效率和服务质量 。
技术创新与突破建议
加强基础研究
加大对现场总线技术的基础研究 力度，推动理论创新和技术突破
PROFIBUS总线
是一种广泛应用于工业自动化领域的 现场总线技术。它支持多种传输速率 和传输距离，并具有高可靠性和实时 性。
不同现场总线技术的比较
传输速率
不同现场总线技术的传输速率 不同，需要根据实际应用需求
选择合适的传输速率。
传输距离
不同现场总线技术的传输距离 也不同，需要根据实际应用需 求选择合适的传输距离。
无线化与智能化
无线现场总线技术将逐渐普及，实现设备间无线通信，降低布线成本，提高系统灵活性。 同时，智能化现场总线技术将进一步提高设备的自适应性、自诊断能力和远程监控能力。
标准化与互操作性
现场总线技术将更加注重标准化和互操作性，以实现不同厂商设备之间的无缝集成，降低 系统维护和升级成本。
面临的挑战与问题分析
定义：现场总线是一种用于工业 自动化领域，在现场设备之间实 现通信和控制，以及与上级控制 系统进行信息交互的通信技术。
现场总线技术概述
二、几种典型的现场总线介绍
WorldFIP 传输媒体可以是屏蔽双绞线或光纤。 传输速率为： 31.25K bps用于过程控制；1M bps 用于加工制造系统；2.5M bps用于驱动系统。 标准速率为1M bps，使用光纤时最高速率可达5M bps。 目前WorldFIP的总线产品有法国Schneider公司的 Modicon-TBXplc系统；ALSTHOM公司的S－900 SCADA系统等。
二、几种典型的现场总线介绍
PROFIBUS现场总线 PROFIBUS有三个部分组成：
PROFIBUS-FMS（Field Message Specification）：主要 是用来解决车间级通用性通讯任务。可用于大范围和复杂的 通讯。总线周期一般小于100ms。 PROFIBUS-DP（Decentralized Periphery）：经过优化的 高速和便宜的通信总线，它的设计是专门为自动控制系统与 分散的I/O设备级之间进行通信使用的。总线周期一般小于 10ms。 PROFIBUS-PA（Process Automation）：专门为过程自 动化设计的，它可使传感器和执行器按在一根共用的总线 上，甚至在本质安全领域也可接上。根据IEC1158－2标 准，PROFIBUS-PA用双绞线进行总线供电和数据通信。
第一章 现场总线技术概述
主要内容
第一节 现场总线的产生 第二节 现场总线的概念及分类 第三节 现场总线的特点和优点 第四节 现场总线标准的制定 第五节 现场总线的现状
第一节 现场总线的产生
在过程控制领域： 从20世纪50年代至今的信号标准：4-2OmA （0-5V）的 模拟信号。 20世纪70年代，数字式计算机引入到测控系统中，进行 集中式控制处理。 20世纪80年代，微处理器在控制领域得到应用，嵌入到 各种仪器设备，形成分布式(DCS)控制系统。
现场总线技术及应用课件：现场总线技术概述
现场总线技术概述
现场总线的主要任务，就是通过自动化系统的数据信息 来完成生产的执行。这些数据信息包括电机的电流、电机的 转速、管道的流量、阀门的状态、温度的高低、压力的大小 等，还包括控制电机的启动和停止、打开和关闭阀门、发送 警报等。现场总线传递的数据信息，是现场控制流程能够正 常进行下去的基础，也是企业级网络非常重要的部分。
接上。 现场总线的主站和子站有内置或外加的通信模块、通信
卡，而且支持相同的通信协议以实现互连。
现场总线技术概述
当然，如果现场总线的规模较大，也可能出现包含多个 不同通信协议的子网的情况，但每个子网使用的一定是同一 个通信协议。子网和子网之间，可以通过网关来实现协议的 转换，以组成大的主网。主站除了具备通信能力之外，还具 有强大的运算能力，因为在每一个扫描周期，主站都需要对 通信的数据进行处理并做出响应。通信的速度越快，主站的 运算能力的需求就越大，否则通信的实时性就无法体现出来。 子站作为受控设备，相对来说运算能力的要求比主站要小得 多，但也要能够及时执行主站的控制命令、监视命令并及时 反馈信息。当
现场总线技术概述
最后是降低了生产的稳定性。开关量信号和模拟量信号 都是纯粹的电信号，极易受到干扰。如果现场设计或施工不 当，则在信号受到干扰时很容易出现设备误动、信息错误、 无法安全停机等问题。如果是在施工阶段，技术人员尚可花 费大量的时间对其进行排查；如果已进入生产阶段才发现类 似问题，则需要花费大量的人力和物力来进行二次改造。
现场总线技术概述
现场总线的安全性则分为两个方向，一个是面向安全设 备的，另一个是面向通信本身的。面向安全设备方面，现在 很多通信协议都在自己的规范中单独加入了安全设备的部分， 牵涉安全设备的冗余、自检等，其目的是和安全设备做到更 优的适配，保证在出现安全问题时可以正常地停机。面向通 信本身方面，在前面稳定性的部分有必要的设置，如数据校 验、心跳协议等，其目的是保证通信自身信息的安全，并在 出现故障时可以做出正确的动作，如停机、报警等。得益于 通信速度的加快，目前这一部分的内容在整个通信协议的交 换信息中的占比越来越大，就是为了提高通信自身的安全性。
现场总线技术简介
现场总线技术简介
演讲人
目录
0现场总线技术的概念
现场总线技术的定义
1
2
3
4
现场总线技术是一种 用于工业自动化领域
的网络通信技术
现场总线技术可以 实现设备之间的实 时数据交换和监控
现场总线技术可以 应用于各种工业控
制系统和设备中
现场总线技术可以 提高生产效率和降
Modbus等。
建筑自动化现场总线：用于建筑自动化 和控制系统的现场总线技术，如 LonWorks、BACnet等。
汽车电子现场总线：用于汽车电子控制 系统的现场总线技术，如CAN、LIN等。
智能家庭现场总线：用于智能家庭控制 系统的现场总线技术，如KNX、 ZigBee等。
现场总线技术的优缺点
01
现场总线技术的应用领域
工业自动化：用于控制和监测工业 生产过程
交通自动化：用于控制和监测交通 设施，如交通信号灯、交通监控等
楼宇自动化：用于控制和监测楼宇 设备，如照明、空调、安防等
医疗自动化：用于控制和监测医疗 设备，如医疗仪器、医疗监控等
现场总线技术的分类
现场总线技术的种类
工业现场总线：用于工业自动化和控制 系统的现场总线技术，如Profibus、
优点：实时性好，传输速度快，可靠性高，易于维护和扩展
02
缺点：成本较高，需要专门的硬件和软件支持，兼容性较差
03
适用场景：工业自动化、智能建筑、智能交通等领域
04
发展趋势：随着技术的不断发展，现场总线技术将更加智能化、集成化和网络化。
谢谢
低生产成本
现场总线技术的特点
01 实时性：现场总线技
术可以实现实时数据 传输，满足工业控制 对实时性的要求。
演讲人
目录
0现场总线技术的概念
现场总线技术的定义
1
2
3
4
现场总线技术是一种 用于工业自动化领域
的网络通信技术
现场总线技术可以 实现设备之间的实 时数据交换和监控
现场总线技术可以 应用于各种工业控
制系统和设备中
现场总线技术可以 提高生产效率和降
Modbus等。
建筑自动化现场总线：用于建筑自动化 和控制系统的现场总线技术，如 LonWorks、BACnet等。
汽车电子现场总线：用于汽车电子控制 系统的现场总线技术，如CAN、LIN等。
智能家庭现场总线：用于智能家庭控制 系统的现场总线技术，如KNX、 ZigBee等。
现场总线技术的优缺点
01
现场总线技术的应用领域
工业自动化：用于控制和监测工业 生产过程
交通自动化：用于控制和监测交通 设施，如交通信号灯、交通监控等
楼宇自动化：用于控制和监测楼宇 设备，如照明、空调、安防等
医疗自动化：用于控制和监测医疗 设备，如医疗仪器、医疗监控等
现场总线技术的分类
现场总线技术的种类
工业现场总线：用于工业自动化和控制 系统的现场总线技术，如Profibus、
优点：实时性好，传输速度快，可靠性高，易于维护和扩展
02
缺点：成本较高，需要专门的硬件和软件支持，兼容性较差
03
适用场景：工业自动化、智能建筑、智能交通等领域
04
发展趋势：随着技术的不断发展，现场总线技术将更加智能化、集成化和网络化。
谢谢
低生产成本
现场总线技术的特点
01 实时性：现场总线技
术可以实现实时数据 传输，满足工业控制 对实时性的要求。
现场总线技术
标准:IEC61158; IEC61784;
○ DIN19245;EN50170 。
应用领域:工厂自动化和楼宇自动化。 使用情况:应用很广，已有250家生产厂商2000多种产品，已安装25万节点。
Profibus-DP 主要性能特点
传输速率范围很 广，可高速数据 通信 9.6Kbit/s~12 Mbit/s
:
料纺养厂应 管织系、用 理工统农领 系业、业域 统、沥环奶 。太青境制
阳和控品 能水制厂 电泥、、 站生动啤 、产物酒 燃、饲
:
:IEC61158;IEC61784;E
N50179
准标 。
Data
支
持
公 司
单 位
。丹
麦
Proces-
:
P-NET
P-NET主要性能特点
使用屏蔽双绞线电缆(RS485)，总线分段结构，每段长1200m; 通信速率:76.8kbit/s;·结构简单灵活，易于扩展，不采用专用芯片。
理 任
点网
。
:
要
工应 业用 控领 制域 。流
程 工 业 及 其 它
。司
册公
注等
过生
通默
品艾
家使
用 情 况
:
(4
)
已 有 产
主要性能特点
IEC支持，开放性好，可互操作性好; 使用工业级的以太网、集线器、交换机等设备; 网络层使用IP行规，传输层使用TCP、VDP(用户数据报协议，即为
IEIF标准下768项协议)行规; 作为FCS的主干网络，可局域网冗余，设备冗余。
INTERB US主要性 能特点
环型拓扑网络，通过总线控制板引出主干 线外，并具有165分支层;
○ DIN19245;EN50170 。
应用领域:工厂自动化和楼宇自动化。 使用情况:应用很广，已有250家生产厂商2000多种产品，已安装25万节点。
Profibus-DP 主要性能特点
传输速率范围很 广，可高速数据 通信 9.6Kbit/s~12 Mbit/s
:
料纺养厂应 管织系、用 理工统农领 系业、业域 统、沥环奶 。太青境制
阳和控品 能水制厂 电泥、、 站生动啤 、产物酒 燃、饲
:
:IEC61158;IEC61784;E
N50179
准标 。
Data
支
持
公 司
单 位
。丹
麦
Proces-
:
P-NET
P-NET主要性能特点
使用屏蔽双绞线电缆(RS485)，总线分段结构，每段长1200m; 通信速率:76.8kbit/s;·结构简单灵活，易于扩展，不采用专用芯片。
理 任
点网
。
:
要
工应 业用 控领 制域 。流
程 工 业 及 其 它
。司
册公
注等
过生
通默
品艾
家使
用 情 况
:
(4
)
已 有 产
主要性能特点
IEC支持，开放性好，可互操作性好; 使用工业级的以太网、集线器、交换机等设备; 网络层使用IP行规，传输层使用TCP、VDP(用户数据报协议，即为
IEIF标准下768项协议)行规; 作为FCS的主干网络，可局域网冗余，设备冗余。
INTERB US主要性 能特点
环型拓扑网络，通过总线控制板引出主干 线外，并具有165分支层;
现场总线技术
9.4.2 现场总线技术现场总线技术是20世纪80年代中期在国际上发展起来的一种崭新的工业控制技术。
现场总线技术极大地简化了传统控制系统繁琐且技术含量较低的布线工作量，使其系统检测和控制单元的分布更趋合理。
更重要的是从原来的面向设备选择控制和通信设备转变成为基于网络选择设备。
尤其是20世纪90年代现场总线技术逐渐进入中国以来，结合Internet和Intranet的迅猛发展，现场总线控制系统技术越来越显示出其传统控制系统无可替代的优越性。
1．什么是现场总线技术从名词定义来讲，现场总线是用于现场电器、现场仪表及现场设备与控制室主机系统之间的一种开放的、全数字化、双向、多站的通信系统。
而现场总线标准规定某个控制系统中一定数量的现场设备之间如何交换数据。
数据的传输介质可以是电线电缆、光缆、电话线、无线电等等。
现场总线技术就是将微处理器芯片嵌入到位于控制现场的检测仪表和执行机构中，使这些设备都具有了智能化的运算和通信能力，能成为独立承担各种检测、控制和通信任务的网络节点。
采用可进行简单连线的双绞线等传输途径作为总线，把多个测量控制设备连接成的网络系统，并按公开、规范的通信协议，使得位于现场的多个测量控制设备之间以及现场设备与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息交换，从而形成了各种适应实际需要的新型的自动控制系统。
传统控制系统的接线方式是并联接线方式，从可编程控制器（PLC）控制各个电器元件，每一个元件对应有一个I/O口，两者之间需用两根线进行连接，作为控制或电源。
当PLC 所控制的电器元件数量达到数十个甚至数百个时，整个系统的接线就显得十分复杂，容易搞错，施工和维护也十分不便。
为此，人们考虑怎样把那么多的导线合并到一起，用一根导线来连接所有设备，所有的数据和信号都在这根线上流通，同时设备之间的控制和通信可任意设置。
因而这根线自然而然地成了总线，就如计算机内部的总线概念一样。
由于控制对象都在工矿现场，不同于计算机通常用于室内，所以这种总线被称为现场总线。
现场总线技术概述 (2)
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IEC61158目前包括10种技术类型，其中类型9与类型10是 后来加的。
①类型1：IEC技术报告 (即相当于FF的H1，美国FisherRosemount公司支持)；
②类型2：Control Net(美国Rockwell公司支持)； ③类型3：Profibus(德国Siemens公司支持)； ④类型4: P-Net(丹麦Process Data公司支持)； ⑤类型5: FF HSE(High Speed Ethernet 美国 Fisher-
②设备总线 (device bus)：数据宽度为字节 (byte)， 如Interbus和Device Net等；
③全服务的现场总线（fieldbus）：数据宽度为数据 流或模块 (block)。以报文通信为主，除了对装置进 行读取数据外，还包括一些对装置的操作和控制功能。 如FF总线、Lonworks总线、Hart总线等。
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16
五、FCS与DCS的比 FCS相对于DC较S具有如下优越性：
1．FCS实现全数字化通信
完整18
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19
2．FCS实现彻底的全分散式控制
完整版ppt
20
3．FCS实现不同厂商产品互联、互操作 4．FCS增强系统的可靠性、可维护性 5．FCS降低系统工程成本
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24
（二）现有的现场总线国际标准
※IEC61158 (IEC/TC65/SC65C/WC6制定) 测量和控制数字数据通信工业控制系统用现场总 线，由以下6部分组成： 第1部分:导则； 第2部分:物理层规范和服务定义； 第3部分:数据链路层服务定义； 第4部分:数据链路层协议规范； 第5部分:应用服务定义； 第6部分:应用层协议规范。
CH 5 现场总线技术概述
控 控制功能分散在各个智 所有的控制功能集中在 控制站中。 制 能仪器中。
FCS 用户可以自由选择不 同制造商提供的性能 价格比最优的现场设 互换性 备和仪表，并将不同 品牌的仪表互连，实 现“即插即用”。
DCS 尽管模拟仪表统一了信 号标准（4~20mA DC），可是大部分技术 参数仍由制造厂自定， 致使不同品牌的仪表不 能互换。
（4）十米级：机柜间总线（RS232、GPIB、VME、 VXI等） （5）千米级：现场总线（FF、Profibus等）
2. 现场总线按照数据通信宽度分类
（1）传感器现场总线（数据宽度为位）： 适用于简单的开关装臵和输入输出位的这类通 信：Seriplex总线、AS-i总线等。 （2）装臵现场总线（数据宽度为字节）： 适用于以字节为单位的装臵类通信：Interbus 总线、DriveNET总线和CAN总线等。
5.3.3 现场总线的优点
（1）FCS实现全数字化通信
DCS采用层次化的体系结构，通信网络分布于各层并 采用数字通信方式，唯有生产现场层的常规模拟仪表仍然 是一对一模拟信号(如4～20 mA DC)传输方式，因此DCS是 一个“半数字信号”系统。 FCS采用全数字化、双向传输的通信方式。从最底层 的传感器、变送器和执行器就采用现场总线网络，逐层向 上直到最高层均为通信网络互联。多条分支通信线延伸到 生产现场，用来连接现场数字仪表，采用一对N连接。
（3）楼宇自动化用现场总线：Lonworks等
（4）车辆制造业用现场总线：CAN等
（5）飞机制造业用现场总线：SwiftNet等
（6）农业及养殖业用现场总线：P-Net等
5.2.3 现场总线的节点
现场总线的节点大都是具有计算与通信能力的 测量控制设备或智能仪表。这些测控设备的智能节 点可能分布在工厂的生产装臵、装配流水线、发电 厂、变电站、智能交通、楼宇自控、环境监测、智 能家居等地区或领域。包括：
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特征
信息量大、易操作、容错性好等。
组成：由操作站、管理机和外部设备（如打印机）等组 成，相当于车间操作管理级和全厂优化及调度管理级， 实现人机接口。
1.2.1 DCS的结构
3.通信系统部分
连接分散过程控制装置以及集中操作和管理系统等 进行信息交换和数据共享的计算机通信网络，是DCS 控制系统的中枢。
由于嵌入式技术的发展，许多测量变送仪表和执行机构等现场设 备实现了智能化，即内置微处理器，完成诸如线性化、量程转换、 数字滤波甚至回路调节等功能。
因此，对于这些智能现场设备增加一个串行数据接口（如RS232/485）是非常方便的。有了这样的接口， 控制器就可以按其 规定协议，通过串行通信方式（而不是并行I/O方式）完成对现场 设备的监控。
的模拟量接口（4~20mA） 双向通信方式使传输的信息量大大丰富
1.1 自动控制系统的发展及体系结构
(4)现场总线控制系统Fieldbus Control System
操作站
通信接口
现场总线
监控网络
通信接口 现场总线接口
控制回路
1.1 自动控制系统的发展及体系结构
(4)现场总线控制系统Fieldbus Control System
FCS的新特征 FCS用现场总线替代DCS中的I/O总线，并且直接用
于生产现场； FCS用现场总线数字仪表替代DCS中的现场模拟仪表，
实现更复杂的功能。
1.1 自动控制系统的发展及体系结构
传统控制系统的主要缺点
（1）信息集成能力不强 控制器与现场设备之间通过I/O连线连接，传送4~20mA模拟量信 号或24VDC开关量信号，并以此监控现场设备。 控制器获取信息量有限，如设备参数、故障记录等有用数据很难 得到。
1.1 自动控制系统的发展及体系结构
(2)直接数字控制系统 Direct Digital Control System
操作台
AI、DI
计算机
AO、DO
测量变送
被控对象
执行机构
• 用计算机代替模拟控制仪表 • 可实现复杂控制算法和协调控制 • 缺点：控制功能集中导致危险性加大
1.1 自动控制系统的发展及体系结构
1.3.3 现场总线的技术特点
（3）现场设备的智能化与功能自治性 将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到
现场总线设备中完成。 （4）系统结构的高度分散性
现场总线已构成一种新的全分散性控制系统的体系结构， 提高了可靠性。 （5）对现场环境的适应性
可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线 等多种传输介质，具有较强的抗干扰能力，采用两线制实现供 电与通信。
至今，已经出现了几十种现场总线。
1.2 DCS的结构及其分类
1.2.1 DCS的结构
在系统的组成结构方面，DCS都由三部分组成 （硬件组成）：
分散过程控制装置部分 (集中)操作管理装置部分 通信系统部分
1.2.1 DCS的结构
1.分散过程控制装置部分
由多回路控制器、多功能控制器、可编程序逻 辑控制器及数据采集装置等组成。 主要功能：
出现于20世纪50年代之前 基地式仪表：简单测控功能 单元组合式仪表：统一的模拟信号，0.02~0.1MPa，
0~10mA，1~5V，4~20mA 典型的单回路控制系统：控制算法简单
1.1 自动控制系统的发展及体系结构
模拟仪表控制系统 Analog Control System
R
E 模拟调节仪表 U 执行器
1.3.2 现场总线控制系统的结构特点
1.3.2 现场总线控制系统的结构特点
2. 为简化系统结构、节约硬件设备、节约连接电缆 与各种安装、维护费用创造了条件。
采用数字信号替代模拟信号，因而可实现一对电线上传输 多个信号(包括多个运行参数值、多个设备状态、故障信 息)，同时又为多个现场总线设备提供电源；
Fieldbus Control System
用于过程自动化、制造业自动化、楼宇自动化、家 庭自动化等领域的现场设备互连的通信网络。
本章重点内容
1.1 自动控制系统的发展及体系结构 1.2 DCS结构及分类 1.3 现场总线控制系统 1.4 FCS 与 DCS 1.5 现场总线技术的现状及发展
特点：实时性好、动态响应快，可靠性高，适应性 强等。
对通信系统的要求除了传输速率和传输距离外，还 有开放性，所谓“开放性”，就是允许不同厂商的 DCS互相通信，各厂商产品的通信应符合国际标准。
1.2.2 DCS的结构分类
根据分散过程控制装置、集中操作和管理装置和 通信系统的不同结构，DCS控制系统的分类：
(3)集散控制系统 Distributed Control System
DCS的缺点：
是数字模拟混合系统；
- 现场仪表使用模拟信号
互换性差
- 标准不统一
成本高。
1.1 自动控制系统的发展及体系结构
(4)现场总线控制系统Fieldbus Control System
出现于20世纪90年代后期 在DCS的基础上进一步数字化 控制功能进一步向下（现场设备）分散 用串行数字化接口代替测量变送仪表和执行机构
现场总线设备以外不再需要A/D、D/A转换部件。
1.3.3 现场总线的技术特点
（1）系统的开放性
通信协议公开，各不同厂商的设备之间可实现信息交换。
（2）互可操作性与互用性
互可操作性是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟 通；
互用性则意味着不同制造商性能类似的设备可进行更换， 实现相互替换。
分散的过程控制，是系统与过程之间的接口。
结构特征：
需适应恶劣的工业生产过程环境 分散控制 实时性 独立性
1.2.1 DCS的结构
2.集中操作和管理系统部分
主要功能
汇集各分散过程控制装置送来的信息，通过监视和操作，把 操作和命令下送各分散控制装置。(信息用于分析、研究、 打印、存储并作为确定生产计划、调度的依据。)
（2）系统开放性、可集成性差 除现场设备采用标准的4~20mA或者24VDC连接，系统其它软、硬 件通常只能使用同一家产品。 不同厂家产品之间缺乏互操作性、互换性，可集成性差。
1.1 自动控制系统的发展及体系结构
传统控制系统的主要缺点
（3）成本高、可靠性差 对于大范围的分布式控制系统，大量的I/O电缆及敷设施工，不仅增加 成本，更是增加了系统的故障点，降低了系统的可靠性。
行双向数字通信的串行总线系统； 基于智能化仪表及现场总线的控制系统FCS； 一种数字化的串行双向通信系统。
1.3.1 现场总线的定义
IEC（国际电工委员会）定义：
一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设 备与控制装置之间进行双向、串行、多节点、数字 式的数据交换的通信技术。
将单个分散的测控设备作为网络节点，通过现场总线连 接成可以互通信息，共同实现自控任务的网络与控制系统， 使企业的信息交互覆盖到生产现场。
1.模块化控制站+与MAP兼容的宽带、载带局域网+信 息综合管理系统
最新结构的大型集散控制系统，将成为分布式控制 系统的主流结构，也是第三代DCS控制系统的典型结 构。
通过宽带和载带网络，可在很广的地域内应用。 通过现场总线，系统可与现场总线仪表通信和操作，
从而形成真正的开放互连、互操作性的系统。
适用于中、小企业的小型集散控制系统结构。
用单回路控制器(或双回路、四回路控制器)作为盘装仪表、 信息的监视由操作管理站或仪表面板实施，有较大灵活性和 较高性价比。
1.3 现场总线的定义及分类
1.3.1 现场总线的定义
现场总线的定义（4种）： 用于现场仪表与控制主机系统之间的一种开放的、
全数字化的、双向、多站的通信系统； 广义上是控制系统与现场检测仪表、执行装置进
+
-
被控对象 Y
测量变送仪表
常规模拟单回路调节（控制）系统
调节仪表：输入输出
测量仪表：输出
4~20mADC
执 行 器：输入
1.1 自动控制系统的发展及体系结构
(2)直接数字控制系统 Direct Digital Control System
出现于20世纪60年代初 随着计算机的发展和普及而得到应用 多回路控制：控制功能增强，算法先进 执行机构、测量变送仪表仍采用模拟量 （4~20mA） 需要模/数（A/D）、数/模（D/A）转换 计算机控制生产过程
（4）可维护性不高 由于现场级设备信息不全，导致现场级设备的在线故障诊断、报警、记 录功能不强。 另一方面，很难完成现场设备的远程参数设定、修改等参数化功能，影 响了系统的可维护性。 现场总线技术就是为了克服上述缺点而产生和发展的
1.1 自动控制系统的发展及体系结构
现场设备的串行通信接口是现场总线技术的原形
现场总线技术
Fieldbus Technology
课程简介
教学学时： 24
选用教材：《现场总线技术》 刘泽祥 主编
参考教材：
《现场总线技术及其应用》阳宪惠 主编
《现场总线控制网络技术》雷霖 主编
《现场总线控制》
周明 主编
先修课程：数据通信与网络、PLC、集散控制系统
课程简介
特点：涉及工程概念和设计方法的内容较多，理论内 容较少
(3)集散控制系统 Distributed Control System
操作站
通信接口
通信接口
通信介质（线路）
< --- 数字信号 --- >
通信接口
过程控制站1
过程控制站n
测量 执行
< --- 模拟信号 --- >
测量 执行
被控对象1
被控对象n
系统结构
操作站 通信系统 过程控制站
1.1 自动控制系统的发展及体系结构
信息量大、易操作、容错性好等。
组成：由操作站、管理机和外部设备（如打印机）等组 成，相当于车间操作管理级和全厂优化及调度管理级， 实现人机接口。
1.2.1 DCS的结构
3.通信系统部分
连接分散过程控制装置以及集中操作和管理系统等 进行信息交换和数据共享的计算机通信网络，是DCS 控制系统的中枢。
由于嵌入式技术的发展，许多测量变送仪表和执行机构等现场设 备实现了智能化，即内置微处理器，完成诸如线性化、量程转换、 数字滤波甚至回路调节等功能。
因此，对于这些智能现场设备增加一个串行数据接口（如RS232/485）是非常方便的。有了这样的接口， 控制器就可以按其 规定协议，通过串行通信方式（而不是并行I/O方式）完成对现场 设备的监控。
的模拟量接口（4~20mA） 双向通信方式使传输的信息量大大丰富
1.1 自动控制系统的发展及体系结构
(4)现场总线控制系统Fieldbus Control System
操作站
通信接口
现场总线
监控网络
通信接口 现场总线接口
控制回路
1.1 自动控制系统的发展及体系结构
(4)现场总线控制系统Fieldbus Control System
FCS的新特征 FCS用现场总线替代DCS中的I/O总线，并且直接用
于生产现场； FCS用现场总线数字仪表替代DCS中的现场模拟仪表，
实现更复杂的功能。
1.1 自动控制系统的发展及体系结构
传统控制系统的主要缺点
（1）信息集成能力不强 控制器与现场设备之间通过I/O连线连接，传送4~20mA模拟量信 号或24VDC开关量信号，并以此监控现场设备。 控制器获取信息量有限，如设备参数、故障记录等有用数据很难 得到。
1.1 自动控制系统的发展及体系结构
(2)直接数字控制系统 Direct Digital Control System
操作台
AI、DI
计算机
AO、DO
测量变送
被控对象
执行机构
• 用计算机代替模拟控制仪表 • 可实现复杂控制算法和协调控制 • 缺点：控制功能集中导致危险性加大
1.1 自动控制系统的发展及体系结构
1.3.3 现场总线的技术特点
（3）现场设备的智能化与功能自治性 将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到
现场总线设备中完成。 （4）系统结构的高度分散性
现场总线已构成一种新的全分散性控制系统的体系结构， 提高了可靠性。 （5）对现场环境的适应性
可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线 等多种传输介质，具有较强的抗干扰能力，采用两线制实现供 电与通信。
至今，已经出现了几十种现场总线。
1.2 DCS的结构及其分类
1.2.1 DCS的结构
在系统的组成结构方面，DCS都由三部分组成 （硬件组成）：
分散过程控制装置部分 (集中)操作管理装置部分 通信系统部分
1.2.1 DCS的结构
1.分散过程控制装置部分
由多回路控制器、多功能控制器、可编程序逻 辑控制器及数据采集装置等组成。 主要功能：
出现于20世纪50年代之前 基地式仪表：简单测控功能 单元组合式仪表：统一的模拟信号，0.02~0.1MPa，
0~10mA，1~5V，4~20mA 典型的单回路控制系统：控制算法简单
1.1 自动控制系统的发展及体系结构
模拟仪表控制系统 Analog Control System
R
E 模拟调节仪表 U 执行器
1.3.2 现场总线控制系统的结构特点
1.3.2 现场总线控制系统的结构特点
2. 为简化系统结构、节约硬件设备、节约连接电缆 与各种安装、维护费用创造了条件。
采用数字信号替代模拟信号，因而可实现一对电线上传输 多个信号(包括多个运行参数值、多个设备状态、故障信 息)，同时又为多个现场总线设备提供电源；
Fieldbus Control System
用于过程自动化、制造业自动化、楼宇自动化、家 庭自动化等领域的现场设备互连的通信网络。
本章重点内容
1.1 自动控制系统的发展及体系结构 1.2 DCS结构及分类 1.3 现场总线控制系统 1.4 FCS 与 DCS 1.5 现场总线技术的现状及发展
特点：实时性好、动态响应快，可靠性高，适应性 强等。
对通信系统的要求除了传输速率和传输距离外，还 有开放性，所谓“开放性”，就是允许不同厂商的 DCS互相通信，各厂商产品的通信应符合国际标准。
1.2.2 DCS的结构分类
根据分散过程控制装置、集中操作和管理装置和 通信系统的不同结构，DCS控制系统的分类：
(3)集散控制系统 Distributed Control System
DCS的缺点：
是数字模拟混合系统；
- 现场仪表使用模拟信号
互换性差
- 标准不统一
成本高。
1.1 自动控制系统的发展及体系结构
(4)现场总线控制系统Fieldbus Control System
出现于20世纪90年代后期 在DCS的基础上进一步数字化 控制功能进一步向下（现场设备）分散 用串行数字化接口代替测量变送仪表和执行机构
现场总线设备以外不再需要A/D、D/A转换部件。
1.3.3 现场总线的技术特点
（1）系统的开放性
通信协议公开，各不同厂商的设备之间可实现信息交换。
（2）互可操作性与互用性
互可操作性是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟 通；
互用性则意味着不同制造商性能类似的设备可进行更换， 实现相互替换。
分散的过程控制，是系统与过程之间的接口。
结构特征：
需适应恶劣的工业生产过程环境 分散控制 实时性 独立性
1.2.1 DCS的结构
2.集中操作和管理系统部分
主要功能
汇集各分散过程控制装置送来的信息，通过监视和操作，把 操作和命令下送各分散控制装置。(信息用于分析、研究、 打印、存储并作为确定生产计划、调度的依据。)
（2）系统开放性、可集成性差 除现场设备采用标准的4~20mA或者24VDC连接，系统其它软、硬 件通常只能使用同一家产品。 不同厂家产品之间缺乏互操作性、互换性，可集成性差。
1.1 自动控制系统的发展及体系结构
传统控制系统的主要缺点
（3）成本高、可靠性差 对于大范围的分布式控制系统，大量的I/O电缆及敷设施工，不仅增加 成本，更是增加了系统的故障点，降低了系统的可靠性。
行双向数字通信的串行总线系统； 基于智能化仪表及现场总线的控制系统FCS； 一种数字化的串行双向通信系统。
1.3.1 现场总线的定义
IEC（国际电工委员会）定义：
一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设 备与控制装置之间进行双向、串行、多节点、数字 式的数据交换的通信技术。
将单个分散的测控设备作为网络节点，通过现场总线连 接成可以互通信息，共同实现自控任务的网络与控制系统， 使企业的信息交互覆盖到生产现场。
1.模块化控制站+与MAP兼容的宽带、载带局域网+信 息综合管理系统
最新结构的大型集散控制系统，将成为分布式控制 系统的主流结构，也是第三代DCS控制系统的典型结 构。
通过宽带和载带网络，可在很广的地域内应用。 通过现场总线，系统可与现场总线仪表通信和操作，
从而形成真正的开放互连、互操作性的系统。
适用于中、小企业的小型集散控制系统结构。
用单回路控制器(或双回路、四回路控制器)作为盘装仪表、 信息的监视由操作管理站或仪表面板实施，有较大灵活性和 较高性价比。
1.3 现场总线的定义及分类
1.3.1 现场总线的定义
现场总线的定义（4种）： 用于现场仪表与控制主机系统之间的一种开放的、
全数字化的、双向、多站的通信系统； 广义上是控制系统与现场检测仪表、执行装置进
+
-
被控对象 Y
测量变送仪表
常规模拟单回路调节（控制）系统
调节仪表：输入输出
测量仪表：输出
4~20mADC
执 行 器：输入
1.1 自动控制系统的发展及体系结构
(2)直接数字控制系统 Direct Digital Control System
出现于20世纪60年代初 随着计算机的发展和普及而得到应用 多回路控制：控制功能增强，算法先进 执行机构、测量变送仪表仍采用模拟量 （4~20mA） 需要模/数（A/D）、数/模（D/A）转换 计算机控制生产过程
（4）可维护性不高 由于现场级设备信息不全，导致现场级设备的在线故障诊断、报警、记 录功能不强。 另一方面，很难完成现场设备的远程参数设定、修改等参数化功能，影 响了系统的可维护性。 现场总线技术就是为了克服上述缺点而产生和发展的
1.1 自动控制系统的发展及体系结构
现场设备的串行通信接口是现场总线技术的原形
现场总线技术
Fieldbus Technology
课程简介
教学学时： 24
选用教材：《现场总线技术》 刘泽祥 主编
参考教材：
《现场总线技术及其应用》阳宪惠 主编
《现场总线控制网络技术》雷霖 主编
《现场总线控制》
周明 主编
先修课程：数据通信与网络、PLC、集散控制系统
课程简介
特点：涉及工程概念和设计方法的内容较多，理论内 容较少
(3)集散控制系统 Distributed Control System
操作站
通信接口
通信接口
通信介质（线路）
< --- 数字信号 --- >
通信接口
过程控制站1
过程控制站n
测量 执行
< --- 模拟信号 --- >
测量 执行
被控对象1
被控对象n
系统结构
操作站 通信系统 过程控制站
1.1 自动控制系统的发展及体系结构