现场总线技术及控制系统
什么是现场总线？什么是现场总线控制系统？它的技术特点是什
什么是现场总线？什么是现场总线控制系统？它的技术特点是什现场总线控制系统（FCS:Fieldbus Control System)是继集散控制系统（DCS)后的新一代控制系统，它是电子、仪器仪表、计算机技术和网络技术的发展成果。
现场总线使得现场仪表、执行机构、控制室设备之间构成网络互连系统，实现全数字化、双向、多参数的数字通信，为控制系统的全分布和全数字化运行奠定了基础。
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、过程工业、交通等方面的自动过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，使它们各自都具有数字计算和数字通信的能力，采用可进行简单连接的双绞线等作为总线，把多个测量控制仪表连接成网络系统，并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化控制系统。
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、共同完成控制任务的网络系统和控制系统。
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。
现场总线则使自控系统与设备具有通信能力，把它们连结成网络系统，加入到信息网络的行列。
因此把现场总线技术说成是一个控制技术新时代的开端并不过分。
现场总线是20 世纪80 年代中期在国际上发展起来的。
随着微处理器与计算机功能的不断增强和价格的急剧下降，计算机与计算机网络系统得到迅速发展，。
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现场总线技术及控制系统摘要：文章介绍了现场总线的概念,回顾了其产生及发展历程，解析了现场总线控制系统相对于集散控制系统的特点和优点。
针对当前流行的几种现场总线，简要介绍了各自的技术特色，指出控制系统的开放互连是发展的必然。
关键词：现场总线，集散控制系统，分布式控制，FCS，DCS，开放式互连系统一、前言七十年代以前，控制系统中采用模拟量对传输及控制信号进行转换、传递，其精度差、受干扰信号影响大，因而整个控制系统的控制效果及系统稳定性都很差。
七十年代末，随着大规模集成电路的出现，微处理器技术得到很大发展。
微处理器功能强、体积小、可靠性高、通过适当的接口电路用于控制系统，控制效果得到提高；但是尽管如此，还是属于集中式控制系统。
随着过程控制技术、自动化仪表技术和计算机网络技术的成熟和发展，控制领域又发生了一次技术变革。
这次变革使传统的控制系统（如集散控制系统）无论在结构上还是在性能上都发生了巨大的飞跃，这次变革的基础就是现场总线技术的产生。
现场总线是连接现场智能设备和自动化控制设备的双向串行、数字式、多节点通信网络，它也被称为现场底层设备控制网络（INFRANET）。
80年代以来，各种现场总线技术开始出现，人们要求对传统的模拟仪表和控制系统变革的呼声也越来越高，从而使现场总线成为一次世界性的技术变革浪潮。
美国仪表协会(ISA)于1984年开始制订现场总线标准，在欧洲有德国的PROFIBUS和法国的FIP等，各种现场总线标准陆续形成。
其中主要的有：基会现场总线FF（Foundation Fieldbus）、控制局域网络CAN（Controller Area Network）、局部操作网络LonWorks（Local Operating Network）、过程现场总线PROFIBUS（Process Field Bus）和HART协议(Highway Addressable Remote Transducer)等。
什么是现场总线
什么是现场总线？随着计算机、控制、通信、网络等技术的发展，作为工业控制数字化、智能化与网络化典型代表的现场总线（FieldBus）技术也得到了发展迅速、影响巨大，引起了工程技术界的普遍兴趣与重视，使计算机控制系统逐步从集散控制系统（DistributedControlSystem DCS）走向以现场总线位基础的分布式现场总线控制系统（FieldbusControlSystem,FC S），被誉为工业自动化领域具有革命性的新技术。
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工业控制技术。
通俗地讲，现场总线就是用在现场的总线技术，和计算机内部的总线概念一样，但是由于现场的特殊环境（如温度，安装条件，干扰等等），不同于计算机通常用于室内，为了区别，所以我们把这种总线称为现场总线。
现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一。
现场总线被誉为自动化领域的计算机局域网1．1、现场总线的特点根据国际电工委员会（IEC）和美国仪表协会(ISA)对现场总线的定义：现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字、双向传输、多分支结构的通信网络，它的关键标志是能支持双向多节点、总线式的全数字通讯，具有可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、通信速率快、系统安全、造价低廉、维护成本低等特点。
国际电工协会（IEC）的SP50委员会对现场总线有以下三点要求：（1）同一数据链上过程控制单元（PCU）、PLC等与数字1/0设备互连；（2）现场总线控制器可对总线上的多个操作站、传感器及执行机构等进行数据存取；（3）通信媒体安装费用较低。
SP50委员会提出的两种现场总线结构模型是：●星型总线用短距离、廉价、低速率电缆取代模拟信号传输线●总线型总线数据传输距离长、速率高，采用点对点、点对多点和广播式通信方式2．2、现场总线技术特征现场总线完整地实现了控制技术、计算机技术与通信技术的集成，具有以下几项技术特征。
（1）现场设备已成为以微处理器为核心的数字化设备，彼此通过传输媒体（双绘线、同轴电缆或光纤）以总线拓扑相连；（2）网络数据通信采用基带传输（即数字数据数字传输），数据传输速率高（为Mbit/s或10Mbit/s级），实时性好，抗干扰能力强；（3）废气了集散控制系统（DCS）中的I/O控制站，将这一级功能分配给通信网络完成；（4）分散的功能模块，便于系统维护、管理与扩展，提高可靠性；（5）开放式互连结构，既可与同层网络相连，也可通过网络互连设备与控制级网络或管理信息级网络相连；（6）互操作性，在遵守同一通信协议的前提下，可将不同厂家的现场设备产品统一组态，构成所需要的网络。
FCS
目录一．现场总线技术控制系统（FCS）相关简介1.1 FCS的概述1.2 FCS的技术特性及优点1.3 FCS的现况1.4 几种主流的FCS二．现场总线技术控制系统（FCS）发展1.1 FCS的早期发展1.2 FCS的近期发展1.3 FCS的未来发展三．现场总线技术控制系统（FCS）的应用1.1 FCS在工业控制上的应用1.2 FCS在智能建筑上的应用1.3 FCS在其他方面的应用四．现场总线技术控制系统（FCS）的使用障碍1.1 FCS应用缺陷1.2 FCS可能改进方式五．现场总线技术控制系统（FCS）的前景六．附录1.1 参考文献1.1 FCS的概述现场总线控制系统（FCSFieldbus Control System），它是用现场总线这一开放的、具有互操作性的网络将现场各个控制器和仪表及仪表设备互联，构成现场总线控制系统，同时控制功能彻底下放到现场，降低了安装成本和维修费用。
因此，FCS实质上是一种开放的、具有互操作性的、彻底分散的分布式控制系统，有望成为21世纪控制系统的主流产品。
FCS是由DCS与PLC发展而来，FCS不仅具备DCS与PLC的特点，而且跨出了革命性的一步。
而目前，新型的DCS与新型的PLC，都有向对方靠拢的趋势。
新型的DCS已有很强的顺序控制功能；而新型的PLC，在处理闭环控制方面也不差，并且两者都能组成大型网络，DCS与PLC的适用范围，已有很大的交叉。
DCS系统的关键是通信。
也可以说数据公路是分散控制系统DCS的脊柱。
由于它的任务是为系统所有部件之间提供通信网络，因此，数据公路自身的设计就决定了总体的灵活性和安全性。
数据公路的媒体可以是：一对绞线、同轴电缆或光纤电缆。
通过数据公路的设计参数，基本上可以了解一个特定DCS系统的相对优点与弱点。
为保证通信的完整，大部分DCS厂家都能提供冗余数据公路。
为了保证系统的安全性，使用了复杂的通信规约和检错技术。
所谓通信规约就是一组规则，用以保证所传输的数据被接收，并且被理解得和发送的数据一样。
河源电厂电气控制系统中现场总线技术的应用
河源电厂电气控制系统中现场总线技术的应用【摘要】本文介绍了电厂电气控制系统现场总线的特点及河源电厂电气控制系统现场总线的应用，分析了采用电气控制系统现场总线的优点，指出了目前存在的问题和解决办法，供现场维护人员和调试人员参考。
【关键词】电气控制；系统现场总线；选型；优点；问题0 引言现场总线是指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、串行和多点通讯的数据总线，以现场总线为基础而发展起来的全数字控制系统称作现场总线控制系统。
由于现场总线技术本身具有的优势及为将来实现现场设备级的数字化创造条件，河源电厂厂用电控制系统决定采用现场总线技术。
1 厂用电控制系统现场总线的选择1.1 厂用电控制系统的特点我们选择什么样的总线，首先要分析厂用电系统的特点，厂用电控制系统有如下特点：1）厂用电系统实现的是顺序控制，即数字量控制，模拟量信号仅作监视，不参与系统逻辑控制；2）控制系统中某些功能对动作时间和响应速度有很高要求，所以要求厂用电系统宜采用高速现场总线；3）厂用电系统控制对象多，信息量大；4）厂用电智能前端设备安装在6kV或380V配电装置内，要求有很好的抗干扰能力；5）电气配电装置分散在电厂的各处地方，因此要求总线有较长的传输距离。
1.2 当前在厂用电系统运行业绩较多的总线当前在厂用电系统运行业绩较多的总线主要有以下几种：1）Modbus技术成熟，易设计，维护方便，但抗干扰能力不强、数据传输速率低、传输距离短；2）Profibus-DP，适应于设备级控制系统与分散I/O之间的高速通信，在国内380V断路器、智能马达控制器及智能仪表领域多数厂家都支持该协议；3）CAN，CAN的成本低，实时性好，抗干扰能力较强，通信距离可达10kM；4）Lonworks，有非常好的可靠性，而且便于系统扩展，但具有相当大的专用性，对资源配置需求高，总体费用较高；5）工业以太网，是现场总线网络技术与以太网开放型网络技术的结合，具有成本低、速度快、容量大的特点。
现场总线技术及控制系统
第 ２期
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现场总线技术及控制系统
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１ 现场总线概述
８ 年代以来， ０ 各种现场总线技术陆续形成。其 自 动化等领域的现场智能设备互连通讯 网络 ， 它也 基 Ｆ ：ｏｎａｏ ｉｄ ｉ ｌ 被称为现场底层设备控制网络（Ｎ Ｒ Ｎ Ｔ 。根据 中主 要 有 ： 金 会 现 场 总 线 （ Ｆ ＦｕｄｔｎＦｅ — ＩＦ Ａ Ｅ ） ｂ ｓ 、 制 局 域 网 络 （ Ａ Ｃ ｎ ｏｅ ｒａＮ ｔ ｕ） 控 Ｃ Ｎ： ｏｔｌｒＡｅ ｅ ｒｌ － 国际电工委 员会 （ ｃ 和美 国仪 表协 会 （Ｓ 的定 Ｅ Ｉ ） ＩＡ） ｏ 、 ｋ Ｌｎ ｒ ：ｘ ｌ ｐ ａ＝ ｋ ￣ 义： 现场总线是连接智能现场设备和控制室系统 的 ｗｒ） 局 部 操 作 网 络 （ ｏＷｏ ｓ Ｉ ａ Ｏ ￣ ａｇ ｅ ｒ） 过程现场 总线 （ Ｒ Ｆ Ｕ ：ｒ ｅｓ ｉｄ ｗ Ｐ Ｏ Ｉ Ｓ Ｐｏ ｓ Ｆ ｌ Ｂ ｃ ｅ 全数字、 双向传输、 多分支结构的通信网络 。在过程 Ｎ ｔｏｋ 、 控制领域内， 它就是从控制室延伸到现场测量仪表、
Ｐ Ｏ ＩＵ Ｒ ＦＢ Ｓ总线 以及 Ｈ Ｒ Ａ Ｔ协议 。
１１ Ｆ ． Ｆ总线
Ｆ（ Ｆ 基金会现场） 总线是在过程 自动化领域得 到广泛支持和具有 良 好发展前景的一种技术。其前 身是以美国 Ｆ ｈｒ Ｒ ｓ ｏ ｔ ｉ ｅ — ｏｅ ｕ 公司为首， ｓ ｍｎ 联合 Ｆｘ ｏ— ｂｗ、 ｏ 横河、 Ｂ 、 Ａ Ｂ 西门子等 ８ ０家公 司制定的 Ｉ Ｓ Ｐ协 议和以 Ｈ ｎｙ ｅ 公司为首 ， ｏｅ ｌ ｗ 联合欧洲等地 １０ ５ 家公
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。
《集散控制系统及现场总线技术》课程教学大纲
《集散控制系统及现场总线技术》教学大纲课程名称：集散控制系统及现场总线技术（Distribution Control System and Field Bus Technology）课程编码：1502ZY028 课程类别：专业选修学分：2 分总学时：32 学时，其中，理论学时：22 学时；实验学时：10 学时适用专业：自动化、自动化产业班先修课程：模拟电子技术、数字电子技术、过程控制系统及装置杨三青周永乾一、课程性质《集散控制系统及现场总线技术》是自动化专业的一门专业选修课。
本课程介绍集散控制系统及现场总线的基本概念、特点及发展情况；详细阐明了系统构成、数据通信、控制算法、系统的操作、显示及信息综合管理及应用。
旨在培养从事工业企业集散控制系统及现场总线的生产、建设、管理、维护第一线需要的有理论、重实践的高技能型人才，使学生获得集散控制系统及现场总线的基本知识和实际应用能力，为今后从事职场工作打下坚实基础。
二、课程目标（一）育人目标紧紧围绕坚定学生理想信念，以爱党、爱国、爱社会主义、爱人民、爱集体为主线，将育人要素嵌入到集散控制系统及现场总线技术课堂教学中。
通过积极培育和践行社会主义核心价值观，运用马克思主义哲学的方法论，引导学生正确做人和做事；注重在课程教学中把马克思主义立场观点方法的教育与科学精神的培养结合起来，提高学生正确认识问题、分析问题和解决问题的能力；注重强化学生工程伦理教育，培养学生精益求精的大国工匠精神，激发学生科技报国的家国情怀和使命担当。
让学生成为德才兼备、又红又专、全面发展的人才。
（二）知识和能力目标1.了解集散控制系统及现场总线的基本概念，体系结构，各种信号传输标准（支撑毕业要求2.1）2.掌握集散控制系统及现场总线硬件组成、数据通信，网络架构，熟悉各种通信协议。
（支撑毕业要求2.1）3.掌握集散控制系统及现场总线软件组成，了解各种控制算法、系统的操作、显示及信息综合管理等技术。
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现场总线技术及控
制系统
现场总线技术及控制系统
摘要:文章介绍了现场总线的概念,回顾了其产生及发展历程,分析了现场总线控制系统相对于集散控制系统的特点和优点。
针对当前流行的几种现场总线,简要介绍了各自的技术特色,指出控制系统的开放互连是发展的必然。
关键词:现场总线,集散控制系统,分布式控制,FCS,DCS,开放式互连系统
一、前言
七十年代以前,控制系统中采用模拟量对传输及控制信号进行转换、传递,其精度差、受干扰信号影响大,因而整个控制系统的控制效果及系统稳定性都很差。
七十年代末,随着大规模集成电路的出现,微处理器技术得到很大发展。
微处理器功能强、体积小、可靠性高、经过适当的接口电路用于控制系统,控制效果得到提高;可是尽管如此,还是属于集中式控制系统。
随着过程控制技术、自动化仪表技术和计算机网络技术的成熟和发展,控制领域又发生了一次技术变革。
这次变革使传统的控制系统(如集散控制系统)无论在结构上还是在性能上都发生了巨大的飞跃,这次变革的基础就是现场总线技术的产生。
现场总线是连接现场智能设备和自动化控制设备的双向串行、数字式、多节点通信网络,它也被称为现场底层设备控制网络(INFRANET)。
80年代以来,各种现场总线技术开始出现,人们要求对传统的模拟仪表和控制系统变革的呼声也越来越高,从而使现场总线成为一次世界性的技术变革浪潮。
美国仪表协会(ISA)于1984年开始制订现场总线标准,在欧洲有德国的PROFIBUS和法国的FIP等,各种现场总线标准陆续形成。
其中主要的有:基金会现场总线FF(Foundation Fieldbus)、控制局域网络CAN(Controller Area Network)、局部操作网络LonWorks(Local Operating Network)、过程现场总线PROFIBUS(Process Field Bus)和HART协议(Highway Addressable Remote Transducer)等。
可是,总线标准的制定工作并非一帆风顺,由于行业与地域发展等历史原因,加上各公司和企业集团受自身利益的驱使,致使现场总线的国际化标准工作进展缓慢。
可是不论如何,制定单一的开放国际现场总线标准是发展的必然。
二、当前流行的几类现场总线
1、基金会现场总线FF
基金会现场总线FF是在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景的一种技术。
其前身是以美国Fisher－Rosemount公司为首,联合Foxboro、横河、ABB、西门子等80家公司制定的ISP协议和以Honeywell公司为首,联合欧洲等地150家公司制定的World
FIP协议。
这两大集团于1994年9月合并,成立了现场总线基金会,致力于开发出国际上统一的现场总线协议。
基金会现场总线分为H1和高速H2两种通信速率。
H1的传输速率为31.25Kbps,通信距离可达1.9km,可支持总线供电和本质安全防暴环境。
H2的传输速率可为1Mbps和2.5Mbps两种,通信距离为750m和500m。
物理传输介质可为双绞线、光缆和无线,其传输信号采用曼切斯特编码。
基金会现场总线以ISO/OSI开放系统互连模型为基础,取其物理层、数据链路层、应用层为FF通信模型的相应层次,并在应用层上增加了用户层。
用户层主要针对自动化测控应用的需要,定义了信息存取的统一规则,采用设备描述语言规定了通用的功能块集。
FF总线包括FF通信协议、ISO 模型中的2～7层通信协议的通栈、用于描述设备特性及操作接口的DDL 设备描述语言、设备描述字典,用于实现测量、控制、工程量转换的应用功能块,实现系统组态管理功能的系统软件技术以及构筑集成自动化系统、网络系统的系统集成技术。
2、CAN总线
CAN总线最早是由德国Bosch公司推出,用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信协议。
其总线规范已被ISO国际标准组织制定为国际标准,而且广泛应用于离散控制领域。
它也是基于OSI模型,但进行了优化,采用了其中的物理层、数据链路层、应用层,提高了实时性。
其节点有优先级设定,支持点对点、一点对多点、广播模式通信。
各节点可随时
发送消息。
传输介质为双绞线,通信速率与总线长度有关。
CAN总线采用短消息报文,每一帧有效字节数为8个;当节点出错时,可自动关闭,抗干扰能力强,可靠性高。
3、LonWorks总线
LonWorks技术是美国ECHELON公司开发,并与Motorola和东芝公司共同倡导的现场总线技术。
它采用了OSI参考模型全部的七层协议结构。
LonWorks技术的核心是具备通信和控制功能的Neuron芯片。
Neuron芯片实现完整的
LonWorks的LonTalk通信协议。
其上集成有三个8位CPU。
一个CPU 完成OSI模型第一和第二层的功能,称为介质访问处理器。
一个CPU是应用处理器,运行操作系统与用户代码。
还有一个CPU为网络处理器,作为前两者的中介,它进行网络变量寻址、更新、路径选择、网络通信管理等。
由神经芯片构成的节点之间能够进行对等通信。
LonWorks支持多种物理介质并支持多种拓扑结构,组网方式灵活,其IS－78本安物理通道使得它能够应用于危险区域。
LonWorks应用范围主要包括楼宇自动化、工业控制等,在组建分布式监控网络方面有较优越的性能。
4、PROFIBUS总线
PROFIBUS是符合德国国家标准DIN19245和欧洲标准EN50179的现场总线,包括PROFIBUS－DP、PROFIBUS－FMS、PROFIBUS－PA三部分。
它也只采用了OSI模型的物理层、数据链路层、应用层。
PROFIBUS支持主从。