现场总线-现场总线控制系统概述..
浅谈现场总线控制系统
浅谈现场总线控制系统现场总线控制系统，是一种广泛应用于各种自动控制系统中的控制技术。
它以现场总线作为通信介质，实现了各种传感器、执行器和控制器之间的相互通信和协调，从而实现了自动化控制系统的高效运行。
现场总线控制系统已经成为工业控制领域中一种重要的控制技术，被广泛应用于工业生产、能源管理、楼宇自动化等领域。
本文将从现场总线控制系统的基本原理、特点和应用领域等方面进行浅谈。
一、现场总线控制系统的基本原理现场总线控制系统是一种基于数字通信技术的控制技术，它以现场总线作为通信介质，将各种传感器、执行器和控制器连接在一起，通过总线通信来实现各种设备之间的数据交换和控制指令传输。
现场总线控制系统主要包括以下几个组成部分：1. 传感器和执行器：传感器用于采集各种环境参数和工艺数据，执行器用于控制各种执行元件的运行状态。
传感器和执行器是现场总线控制系统的“眼睛”和“手”，通过它们可以实现对系统各种状态的监测和控制。
2. 控制器：控制器是现场总线控制系统的核心部件，它通过采集传感器的数据和执行器的状态信息，实现对系统的自动控制。
控制器通常包括微处理器、控制算法和通信接口等部分，用于实现对系统的实时监测和控制。
通过以上部件的相互配合和协调运作，现场总线控制系统可以实现对各种设备的实时监测和控制，从而实现了自动化控制系统的高效运行。
现场总线控制系统具有以下几个显著的特点：1. 技术先进：现场总线控制系统采用了数字通信技术和计算机控制技术，具有高速传输、高精度控制和高可靠性的特点，能够满足各种复杂控制系统的需求。
2. 灵活性强：现场总线控制系统采用了分布式控制架构，能够实现多个设备之间的并行通信和协调运行，具有较强的通用性和灵活性。
3. 维护方便：现场总线控制系统的各个部件之间通过总线连接，维护和检修方便快捷，能够大大降低系统的维护成本。
4. 数据丰富：现场总线控制系统能够实现对各种传感器和执行器的数据采集和控制，能够提供丰富的数据支持，为系统的监测和控制提供了有力的支持。
第6章 现场总线控制系统
Type5 FF HES (H2)
其 它
HART适用于过程自动化领域的过渡性产品 LonWorks广泛应用于楼宇自动化、能源计量管理、交通运输等行业
CAN广泛应用于离散控制领域，如汽车内部测量与执行部件间的数据通信
7. 几个重要问题的分析
7.1 FCS与DCS的比较
FCS是在DCS的基础上发展起来的，FCS顺应了自动控制系统的发展潮流， 这已是业内人士和学术界的基本共识。 FCS在开放性、控制分散等诸多方面都优于传统DCS，代表着自动控制 系统的发展方向与潮流。 DCS则代表传统与成熟，DCS以其成熟的发展、完备的功能及广泛的应 用而占居着一个尚不可完全替代的地位。 ① 技术原因 影响FCS发展、制约FCS应用的原因主要有3方面：
H2（HSE）
PLC等其 它控制站
网桥
H1低速现场总线
Type1 FCS结构示意图
FF是Type1的一个子集。
主要应用于啤酒、食 品、农业和饲养业等 Type4 P－Net Type6 SwiftNet Type2 ControlNet Type3 ProfiBus Type7 WorldFIP Type8 InterBus Type1 IEC总线(H1)
2.现场总线的发展
（4）现场总线控制系统（FCS）正是顺应了上述的用户要求，采用了 现场总线这一开放的、可互连的网络技术将现场的各种控制器和仪表 设备相互连接，把控制功能彻底下放到现场，降低了安装成本和维护 费用。因此，FCS 系统实质上是一种开放的、可以互连的、低成本的、 彻底分散的分布式控制系统。 1984年，美国仪表协会（ISA）下属的标准与实施工作组中的 ISA/SP50开始制定现场总线标准；1985年，国际电工委员会IEC决定 由Proway Working Group负责现场总线体系结构与标准的研究制定 工作；1986年，德国开始制定过程现场总线（Process Fieldbus）标 准，简称为PROFIBUS，由此拉开了现场总线标准制定及其产品开发 的序幕。与此同时，其他一些组织或机构（如WorldFip等）也开始从 事现场总线标准的制定和研究。
现场总线控制系统(FCS)
第一章现场总线控制系统（FCS）第一节概述现场总线控制系统（Fieldbus Control System，FCS）是继基地式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散控制系统（DCS）后的新一代控制系统。
由于它适应了工业控制系统向数字化、分散化、网络化、智能化发展的方向，给自动化系统的最终用户带来更大实惠和更多方便，并促使目前生产的自动化仪表、集散控制系统、可编程控制器（PLC）产品面临体系结构、功能等方面的重大变革，导致工业自动化产品的又一次更新换代，因而现场总线技术被誉为跨世纪的自控新技术。
一、现场总线的发展随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展，信息交换的领域正在迅速覆盖从工厂的现场设备层到控制、管理的各个层次，从工段、车间、工厂、企业乃至世界各地的市场。
信息技术的飞速发展，引起了自动化系统结构的变革，逐步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（Fieldbus）就是顺应这一形势发展起来的新技术。
1、什么是现场总线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。
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广泛的应用前景。
现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自都具有了数字计算和数字通信能力，采用双绞线等作为总线，把多个测量控制仪表连接成的网络系统，并按公开、规范的通信协议，在位于现场的多个微机化测量控制设备之间以及现场仪表与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息交换，形成各种适应实际需要的自动控制系统。
简而言之，它把单个分散的测量控制设备变成网络节点，以现场总线为纽带，把它们连接成可以相互沟通信息、共同完成自控任务的网络系统与控制系统。
它给自动化领域带来的变化，正如众多分散的计算机被网络连接在一起，使计算机的功能、作用发生的变化。
第八章现场总线控制系统
Profibus-DP
PLC
从站
PLC
主站
采用主站之间的令牌传递和主从站之间的主、从通信方式。
令牌传递
Publisher
(z.B. Lichtgitter)
Slave
DP-从站 2
PROFIBUS
DP-Master
PROFIBUS-DP 1类主站
PROFIBUS
DP-Master
PROFIBUS-DP 2类主站
费用可节省40%左右
现场总线系统的优势
几点说明
现场总线技术是DCS技术的继承和发展，而不是对DCS的否定或取代。工业上已出现DCS与现场总线系统混合使用的控制系统。 。
现场总线的优点主要是仪表的智能化、网络化、控制的分散化等先进技术所带来的好处，而不单单是节省电缆。
现场总线不能解决企业自动化的所有问题，例如ESD、MES、ERP等等，而是作为底层网络与其它自动化装置一起更好地实现企业综合自动化。
现场总线标准的制订工作起步很早，各大集团公司意见不一，经多年争论，2000年颁布了涵盖多种规范的总线标准，2003年扩展为10种类型的现场总线。
>IEC 61158 的标准现场总线
Type1：IEC 61158 技术报告。
Type2：ControlNet，得到CI组织的支持。
Type3：Profibus，得到PNO组织的支持。
应用行规2
应用行规1
通信协议
传输特性
专用应用行规
通用应用行规（可选）
PROFIBUS DP-V0~V2
RS 485 (PROFIBUS DP)
IEC 61158-2 (PROFIBUS PA)
传输特性(物理层)的DP采用RS-485通信标准，PA采用IEC 61158-2(MBP)传输技术。通信协议(数据链路层):采用DP-V0~V2。应用行规说明各种设备的功能和行为，有通用和专用应用行规。
现场总线控制系统
4. 环境适应性与安全性：现场总线需要较强的环境适应性和安全性，包 括防电磁干扰、防潮、防震动等；IT网络则缺少相应的处理措施。
5. 总线供电：工业现场总线网络不仅能传输通信信息，而且要能够为现 场设备传输工作电源。IT网络未考虑总线供电问题。
思考题与习题
14-1现场总线的定义是什么？ 14-2 现场总线的本质特征有哪些？ 14-3 FCS的主要技术特点有哪些？ 14-4 DCS与FCS的主要区别是什么? 14-5现场总线国际标准IEC包括哪几种现场总线？ 14-6现场总线的协议通常分哪几层？各层的基本功能是什么？ 14-7现场总线仪表具备的基本功能是什么？ 14-8 阐述现场总线控制系统的组态设计的基本通用流程。
PID功能控制块 PID110
AO110 模拟量输出功能块
图6-2 FCS的分散功能块控制方案
2、典型硬件连接形式
现场总线系统的一般物理连接形式如图：主要包括常用的实际总线设备，如 总线接口、PLC控制器、电源、输入输出站、终端电阻等。其它系统也可以 包括变频器、限位开关、编码器、人机界面等。
主控器及接口 节点地址0
3．分散功能块
现场设备是微机化设备，既有检测、变换和补偿功能，又 有控制和运算功能。DCS控制站控制功能被分散给现场仪表， 使控制系统结构具备高度的分散性。
从而，废弃了DCS 的I/O单元和控制站， 把DCS 控制站的 功能块分散地分配给现场仪表，构成了虚拟控制站，彻底地 实现了分散控制。
4．通信线供电
14.3 现场总线协议
现场总线控制系统(FCS)发展前景展望
现场总线控制系统（FCS）发展前景展望现场总线控制系统（Fieldbus Control System，FCS）是工业自动化领域中的一种重要技术，其发展前景广阔，正日益受到人们的关注。
以下是对FCS发展前景的展望。
一、背景介绍现场总线控制系统是一种用于工业过程控制的开放型、全数字化网络通信系统。
它将位于现场的各种自动化设备、仪器仪表、传感器等通过一根总线连接起来，实现设备间的信息交互和数据共享。
它具有现场设备分散、信息传输速度快、可扩展性强、可靠性高等优点，因此在石油、化工、电力、制药等许多行业得到了广泛应用。
二、概览随着科学技术的不断进步和工业自动化需求的不断增长，FCS在功能和性能上也不断得到提升。
未来的FCS将朝着更加高效、可靠、安全和智能化的方向发展。
同时，随着工业互联网的普及和发展，FCS将更好地与云计算、大数据、人工智能等先进技术进行融合，实现更加精准、高效、智能的工业过程控制。
三、价值分析FCS的价值不仅在于其技术优势，更在于其能够带来的经济效益和社会效益。
首先，FCS能够提高工业过程控制的精度和效率，减少能源浪费，降低生产成本。
其次，FCS能够提高产品质量和生产效率，增强企业的竞争力。
此外，FCS还能减少人员劳动强度，提高生产安全性和可靠性，改善企业的工作环境。
四、发展趋势1.技术创新未来，FCS将继续在技术创新方面进行探索和实践。
例如，采用更加先进的信号处理技术、通信协议和网络安全技术等，提高FCS的性能和可靠性；同时，探索适应不同工业过程的FCS解决方案，满足个性化的需求。
2.与工业互联网的融合工业互联网的普及和发展为FCS提供了更广阔的发展空间。
未来，FCS将更好地与工业互联网融合，实现各种数据的无缝集成和共享，优化生产流程，提高生产效率和质量。
同时，借助工业互联网平台，FCS可以实现远程监控和维护，提高系统的安全性和可靠性。
3.人工智能的应用人工智能技术的不断进步为FCS带来了新的发展机遇。
浅谈现场总线控制系统
浅谈现场总线控制系统
现场总线控制系统是指将设备和仪器连接在一起，通过数据传输实现对生产过程进行
监测、控制和管理的系统。
它是一种新型的控制系统，具有以下特点：
1. 高效性：现场总线控制系统采用数字化技术，可以实时监控生产过程，及时传递
数据，从而提高生产效率。
2. 可靠性：现场总线控制系统具有自动故障诊断和自我纠正的功能，能够及时发现
并解决问题，保证生产的连续性。
3. 灵活性：现场总线控制系统采用模块化设计，可以方便地进行功能扩展和设备更新，满足不同生产需求。
4. 系统化：现场总线控制系统将不同的设备和仪器统一管理，实现了全面的生产调
控和自动化。
5. 安全性：现场总线控制系统采用加密技术和密码保护措施，保证了生产数据的安
全和可靠性。
现场总线控制系统主要由以下几个部分组成：
1.现场控制器（PLC）：负责控制现场的设备和仪器，并根据预设程序执行生产过程控制。
2.现场仪器和设备：如传感器、执行器、电机等，向PLC传输相关的生产数据，实现
生产过程的监测和控制。
3.现场总线：负责传送数据和指令，将PLC与现场仪器和设备连接在一起，实现生产
过程的自动化控制。
4.上位机和监控系统：负责接收和处理从现场总线传输过来的数据，可以实现远程监
测和控制等功能。
现场总线控制系统通过数字化技术的运用，实现了生产过程的自动化控制和高效管理。
它可以提高生产效率，减少人力成本，改善生产环境和增强生产安全等方面的成果。
现场总线控制系统(FCS)
现场总线控制系统（FCS）随着复杂过程工业的不断发展，工业过程控制对大量现场信号的采集、传递和数据转换以及对精度、可靠性、管控一体化都提出了更新、更高的要求。
现有的DCS已不能满足这些要求；况且现有的DCS具有诸如控制不能彻底分散、故障相对集中、系统不彻底开放、成本较高等缺点。
于是通过数字通信技术、传感器技术和微处理器技术的融合，把传统的数字信号和模拟信号的混合系统变成全数字信号系统，从而产生了新一代的控制系统FCS。
1、智能传感器和现场总线是组成FCS的两个重要部分FCS用现场总线在控制现场建立一条高可靠性的数据通信线路，实现各智能传感器之间及智能传感器与主控机之间的数据通信，把单个分散的智能传感器变成网络节点。
智能传感器中的数据处理有助于减轻主控站的工作负担，使大量信息处理就地化，减少了现场仪表与主控站之间的信息往返，降低了对网络数据通信容量的要求。
经过智能传感器预处理的数据通过现场总线汇集到主机上，进行更高级的处理(主要是系统组态、优化、管理、诊断、容错等)，使系统由面到点，再由点到面，对被控对象进行分析判断，提高了系统的可靠性和容偌能力。
这样FCS把各个智能传感器连接成了可以互相沟通信息，共同完成控制任务的网络系统与控制系统，能更好地体现DCS中的'信息集中，控制分散'的功能，提高了信号传输的准确性、实时性和快速性。
以现场总线技术为基础，以微处理器为核心，以数字化通信为传输方式的现场总线智能传感器与一般智能传感器相比，需有以下功能：共用一条总线传递信息，具有多种计算、数据处理及控制功能，从而减少主机的负担。
取代4-20mA模拟信号传输，实现传输信号的数字化，增强信号的抗干扰能力。
采用统一的网络化协议，成为FCS的节点，实现传感器与执行器之间信息交换。
系统可对之进行校验、组态、测试，从而改善系统的可靠性。
接口标准化，具有'即插即用'特性。
现场总线智能传感器是未来工业过程控制系统的主流仪表，它与现场总线组成FCS的两个重要部分，将对传统的控制系统结构和方法带来革命性的变化。
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H1 H1
FCS控制层原 理图
例如，智能化变送器除了具有 常规意义上的信号测量和变送 功能以外，往往它还具有自诊 4~20mA 断、报警、在线标定甚至 PID运 a.包含CPU 0~10mA 算等功能…… 24VDC b.能直接数字通信 …… 传统控制系统 现场仪表 (I/O)控制器 c.具有很强的功能 一对一连接
1 现场总线的概述（FieldBus）
80年代开始
智能现场设备普遍应用
现场总线技术的初始想法：
设想全部或大部分现场设备都 具有直接进行通信的能力，并 具有统一的通信协议，只需一 根通信电缆就可将分散的现场 设备连接起来，完成对现场设 备的监控。
智能现场设备与主机系 统间待传输的信息量急 剧增加。
3C技术的发展
0.3.4 分散控制系统 分散控制系统（简称DCS）的基本思想是：利用分 散控制、集中操作、分而自制、综合协调的原则，将测 控系统分为分散过程控制级、集中操作监控级和综合信 息管理级等三级，构成一分级形式的分布式控制系统。
综合信息管理级 管理 微机 网间 链接 LAN 到其它局域网
集中操作监控级
工程师 操作站
1.现场总线概述
现场总线(Fieldbus)的概念： 是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、 双向、多站的通信系统。主要解决工业现场的智 能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间 的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系 统之间的信息传递问题 。 主要用于： 制造业、流程工业、交通、楼宇等方面的自动化 系统中。
微机化仪器仪表的成熟和应用
1.现场总线概述
现场总线是当今自动化领域技术发展的热点 之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。它的 出现标志价格比， 在实现其内部操作时都采用了微处理器和数字化 元件，于是就提出了必须在这些领域的数字设备 之间实现数字通信的要求。采用现场总线的目的 就是为了满足这种要求，为工业领域中的测量和 调节控制设备提供实现串行数字通信的手段。
过程输入输出通道也叫生产过程通道，包括模拟量 输入输出通道、数字量输入输出通道、测量变送、执行 机构、电气开关等装置。 0.2.3 微机测控系统的 软件组成 CPU 系统软件 （RTOS） 存储器 应用软件 （组态、先控） 人—机接口 0.2.4 微机测控系统的 系统支持板 特点 计算机系统 灵活性（规模、复杂度） 适应性（嵌入式）
报警 操作台 显示器 打印机 计 算 机 模拟量输入通道 数字量输出通道 模拟量输出通道 数字量输出通道
直接数字控制系统原理框图
被 控 对 象
0.3.3 监督计算机控制系统 监督计算机控制（简称SCC）系统的基本思想是： 微型计算机根据原始工艺信息和其它参数，按照描述生 产过程的数学模型，自动改变模拟调节器或DDC微型计 算机的给定值，从而使生产过程始终处于最优工况。
计算机 r e 控制器 D/A u 执行机构 被控对象 被控量
微机测控系统典型结 构图
生产过程 c
A/D
测量变送
微机测控系统的工作原理可归纳为以下3步： ①实时数据采集：通过测量变送装置完成被控量的 瞬时值的检测和输入。 ②实时控制决策：对采集的数据进行分析和处理， 按预定的控制策略决定采取何种控制行为。 ③实时控制输出：根据控制决策，向执行机构发出 实时控制信号，完成系统控制任务。 实时的含义是指信号的输入、计算、输出都要在一定的 时间间隔内完成。（软实时RTOS、硬实时RTOS） 在线是指：在微机测控系统中，生产过程与计算机直接 连接并受计算机的控制，有时也称为联机方式。 0.2.2 微机测控系统的组成 微机测控系统主要由被控对象、过程输入输出通道 及计算机系统三部分组成。
现场总线控制系统概述
0 绪论 0.1 微机测控技术主要研究对象 微机测控技术主要研究如何将检测与传感技术、计算机 技术和自动控制理论应用于工业生产过程并设计出所需要的 微机测控系统。 0.2 微机测控系统的组成与特点 0.2.1 微机测控系统的一般概念 微机测控系统就是利用微型计算机来实现生产过程的自 动测试与控制的 系统。
内 部 总 线
模拟量输入通道 模拟量输出通道 数字量输入通道 数字量输出通道
测量变送 执行机构 电气开关 电气开关 被 控 对 象
生产过程
微机测控系统组成结构框图
0.3 微机测控系统的典型形式 0.3.1 操作指导控制系统 这种形式的系统属于开环系统，计算机按照一定的时间 间隔对生产现场的参数进行采样、处理、显示、打印或报警， 操作人员根据这些结果进行设定值的修改或必要的操作。
工艺数据 记录 显示 打印 S C C 计 算 机 给定 模拟 调节器 调节 生 产 过 程 工艺数据 记录 显示 打印 S C C 计 算 机 给定 DDC 计算机 调节 生 产 过 程
测量
测量
监督计算机控制系统原理框图 a) SCC+模拟调节器系统 b) SCC+DCC系统
它有两种不同的结构形式：一种是SCC+模拟控制器，另一种是SCC+DDC 控制系统。它是操作指导控制系统和DDC系统的综合和发展，SCC系统较 DDC系统更接近生产变化实际情况，它不仅可以进行定值控制，还可以进行 顺序控制、最优控制等。
操作员 操作站
监控 计算机
网间 链接
分散过程控制级
现场 工作站
PLC 控制器
智能 调节器
其他 装置
分散控制系统 原理框图
0.3.5 现场总线控制系统 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 LAN H2 服务器 现场设备 124 H1 H1 H1 网桥 32 现场设备 H1 32 现场设备 现场总线 现场总线 现场总线
模拟量输入通道 计 算 机 数字量输入通道 生 产 过 程
显示器 打印机
操作指导控制系统原理图
调节 器
0.3.2 直接数字控制系统 直接数字控制（简称DDC）系统的基本思想是： 利用微型计算机对多个被控参数进行巡回检测，并 与给定值比较，然后按照预定的控制规律进行计算， 最后发出控制信息完成对生产过程的控制，使被控 参数稳定在给定值上。直接数字控制系统是计算机 在工业生产过程控制中最普遍的一种应用方式。它要 求实时性好、可靠性高、适应性强。