现场总线的现状及前景展望
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行业新技术讲座
课程名称：行业新技术讲座
设计题目：现场总线的现状及前景展望
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现场总线的现状及前景展望
在现今时代，随着计算机技术、通信技术和控制技术的发展，传统的控制领域正经历着
一场前所未有的变革，开始向网络化方向发展。计算机控制系统的发展在经历了基地式气动
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以及集散控制系统
（DCS）后，今后将朝着现场总线控制系统的方向发展。
现场总线(Fieldbus)是指开放式、国际标准化、数字化、相互交换操作的双向传送、连
接智能仪表和控制系统的通信网络。它作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场
及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。它不仅是一个基层网络，而且还是一
种开放式、新型全分布控制系统。这是一项以智能传感、控制、计算机、数字通讯等技术为
主要内容的综合技术，是信息化带动工业化和工业化推动信息化的适用技术，是能应用于各
种计算机控制领域的工业总线，因现场总线潜在着巨大的商机，世界范围内的各大公司都投
入相当大的人力、物力、财力来进行开发研究[1]。当今现场总线技术一直是国际上各大公
司激烈竞争的领域，由于现场总线技术的不断创新，过程控制系统由第四代的DCS发展至今
的FCS(Fieldbus Control System)系统，已被称为第五代过程控制系统。而FCS和DCS的
真正区别在于其现场总线技术。现场总线技术以数字信号取代模拟信号，在3C(Computer
计算机、Control控制、Commcenication通信)技术的基础上，大量现场检测与控制信息就
地采集、就地处理、就地使用，许多控制功能从控制室移至现场设备。由于国际上各大公司
在现场总线技术这一领域的竞争，仍未形成一个统一的标准，目前现场总线网络互联都是遵
守OSI参考模型。由于现场总线以计算机、微电子、网络通讯技术为基础，这一技术正在从
根本上改变控制系统的理念和方法，将极大地推动整个工业领域的技术进步，对工业自动化
系统的影响将是积极和深远的。
现场总线技术是当代工业数字通信的前沿技术，是计算机技术、通信技术和自动化控制
技术的集成，也是信息技术、测量技术在信息时代的体现。现场总线技术经过10年的研发、
试验和局部应用阶段，现已开始大量地在中小系统中应用，并开始在超大规模的自动化系统
工程中应用。现场总线技术是工业数字通信时代的先驱，它的出现正在引起工业控领域的一
次前所未有的技术革命。现场总线不仅仅是分散于最底层的控制系统，而且是建立于整个工
业体系的通信系统，它的通信协议建立在控制策略之上，标准的编程语言(DDL)和强大的通
信功能，使现场总线控制系统成为贯彻操作者意志的最得力的工具，由于其巨大的技术优势，
被认为是工业控制发展的必然趋势，将逐步取代传统的控制方法。
进入二十一世纪以来，随着我国国民经。济的高速发展，我国现场总线控制系统行业保
持了多年高速增长，并随着我国加入WTO, 近年来，现场总线控制系统行业的出口也形势喜
人，2008年，全球金融危机爆发，我国现场总线控制系统行业发展也遇到了一些困难，如
国内需求下降，出口减少等，现场总线控制系统行业普遍出现了经营不景气和利润下降的局
面，2009年，随着我国经济刺激计划出台和全球经济走出低谷，我国现场总线控制系统行
业也逐渐从金融危机的打击中恢复，重新进入良性发展轨道
现场总线前景：
现场总线发展前景的特征表现为：
一是：现场总线将出现更多低功耗设备和自主存储个体文件编制文档。它将进一步简化
运转过程，并促进涵括精密运算法则和改良安全协议设备的不断涌现。
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二是：现场总线设备在传达维修信息时将更加智能化。这是一个有发展空间的领域，而
且，其优势还表现在于处理错误信息时更加智能化。
三是：现场总线另一个发展前景是无线设备的使用。例如，工程师在车间现场巡查时，
可用便携式个人数字助理器检测核查设备运行过程，并处理现场问题。
四是：光纤通讯也将被用来阻止射频对数据的干扰。
浅谈现场总线的发展现状
了安装 成本和维修费用 ， 为实现企 业 “ 综合 自
动化”奠定 了现场级的过程 自 化基础 。 动 现场 总线 控制技 术 已成 为世 界上新 的 自动技 术热 点， 被誉为跨世 纪的 自控新技 术。
（） ８分散控制 ；
（） ９统一组态 ； （ ０开 放式 系统 。 １）
３现场总线的国际标准 １现场总线的含义
维普资讯
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ｄ Ｔｅ ｈ ｏｏ ｙ Ｃｏ ｓ ｌｎ ｅ ａｄ ｃ ｎ ｌｇ ｎ坛
浅谈现 场总线 的发展现 状
郭桂仙 齐明侠 孟营 彭步峰 郭亮亮 （． １ 中国石油大学 （ ） 电学院 ； ２ 胜利油 Ｉ井下作业公 司 华东 机 ． ｔ ｌ ３ 胜利油 田胜利 电器有限公司 ； ４ 济南大学土木工程建筑系 ） ． ． 摘 要 ： 场总线近年 来成为 世界上新 的 自动化技 术热 点 ， 现 被誉为跨 世纪的 自控新技 术。本 文介绍 了现场总线 的含义 、特 点、国际标 准 、几种 常用 的现 场总 线 及现 场 总线 的发 展趋 势 。 关键词 ： 现场总线 自 动化 网络 控制 中图分类号 ： Ｐ ７ Ｔ ２３ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ：６ ３ ０ ３（０ ７０ （）０ ７ — ２ １７— ５ ４２ ０）８ｃ一 １２ ０
Ｎｅ 。 ｔ 再加 上 Ｉ Ｏ 的 ＣＡＮ （ ｎ ｔ ｏ Ａｒ ａ Ｓ Ｃｏ ｇ ｒ ｌ ｅ
Ｎｅ — ｏ ｋ ， ｔ ｗ ｒ ） 共有 ｌ ２种 。 每种总线都 力图扩展其应用 ， 以扩张其势 力范 围。大 多数 总 线都成立 了相应 的 国际组 织， 力图在制 造商和 用户 中建立 影响 ， 以取得 多方面的支 持 ， 同时也显 现 出其技 术是开 放 。
现场总线和工业以太网
一、什么是现场总线二、现场总线的技术特点与优点三、现场总线的产生与发展趋势四、以太网与工业控制网络五、工业以太网什么是现场总线 现场总线是应用在生产现场、连接智能现场设备和自动化测量控制系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络现场总线是通信网络位于生产控制现场和网络结构的底层 现场总线是低带宽的控制网络它与上层的Internet、企业内部网Intranet相连构成企业综合自动化的通信网络平台现场总线对控制系统带来的革命 基地式仪表控制系统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、PLC基于现场总线的分散控制系统各阶段测控仪表能力指数现场总线开放标准数字DCS电动单元气动、模拟模拟按回路运行按过程运行过程优化管控一体化五十年代1960 1980 1998数字/模拟混合测控能力指数与一般通信技术的区别一般通信技术只是能实现信息的传输现场总线是一种控制系统框架一种全新的控制系统结构，即：现场总线还包括网络上的所有设备能够进行信息互访与互换总线上的设备之间能够进行互操作和系统集成现场总控制系统FCS采用开放式数字通信网络突破传统DCS中的专用通信网络结构网络集成的测量控制系统单个分散的测量控制设备变成网络节点现场总线为纽带构成共同完成任务的网络系统与控制系统实现现场测量控制设备之间的信息共享返回本章首页2.1 FCS的结构特点Multi-Controllers AOPIDAIPIDAOAI DCS FCS2.2 现场总线系统的技术特点 全数字通信多分支结构系统的开放性互可操作性和互用性现场设备的智能化与功能自治性系统结构的高度分散性对现场环境的高度适应性全数字通信抗干扰能力和鲁棒性都比较高，传输精度也得到显著提高信号的检错、纠错机制得以实现可进行多参数传输，消除了模拟信号的传输瓶颈 现场设备的测量、控制信息以及其他非控制信息如设备类型、型号、厂商信息、量程、设备运行状态等都可以通过一对导线传输到现场总线网络上的任何智能设备，如中央控制器等。
工业以太网与现场总线技术及应用
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。
基金会现场总线技术
基金会现场总线技术摘要：现场总线是当今自动化领域技术发展的新兴技术和热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网，它主要解决现场的智能化仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信，以及这些现场设备和高级控制系统乃至整个企业信息化管理系统之间的信息传递问题。
与传统控制系统，如 DCS、PLC等相比，现场总线控制系统具有全数字通信、可互操作、高度分散、开放性好、可靠性高、投资与维护成本低等独特的优点。
基金会现场总线是现场总线基金会为适应自动化系统，特别是过程自动化系统在功能、环境与技术上的需要而专门设计的，基金会现场总线将在今后自动控制技术的发展中发挥重要作用。
1 发展概况1.1 基金会现场总线历史基金会现场总线（以下简称为FF）的前身是ISP和WorldFIP标准。
ISP标准是可互操作系统协议的简称，它基于德国的Profibus标准。
ISP制订于1992年，由美国Fisher—Rosemount公司牵头，有80多家公司参加，包括Smar、E+H、Siemens、Foxboro、横河、ABB等公司，成员以仪表制造厂家为多。
则是世界工厂仪表协议的简称，基于法国的FIP标准。
WorldFIP 是由Honeywell公司牵头，联合Allen-Bradley、Elsay、Bailey等多家欧洲著名公司于1993年制订而成，其成员也有150多家，不少是PLC制造厂家。
自此以后，这两大派别极力维护自身利益，现场总线长期得不到统一，因此受到广大用户的批评。
迫于用户压力和市场需求，1994年9月，ISP和WorldFIP北美部分终于达成共识，一起成立了现场总线基金会，致力于开发国际上统一的现场总线协议。
该基金会汇集了世界著名仪表、自动化设备、DCS制造厂家、科研机构和最终用户。
由于这些公司是自动化领域自控设备的主要供应商，它们生产的变送器、执行器、DCS和流量仪表占世界市场的90%，对工业底层网络的功能需求了解透彻，也具备足以左右该领域自控设备发展方向的能力，因而由它们组成的基金会新颁布的现场总线规范具有一定的权威性。
现场总线技术概述
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。
片上系统的总线结构发展现状及前景
片上系统的总线结构发展现状及前景 引言 片上系统是在单芯片上实现全部电子系统的集成，通过使多个设备集成 在一个芯片上，实现系统级的功能，减少甚至不再需要外部器件的使用，达到 应用功能的快速实现、灵活修改及方便升级。进行片上系统设计时，首先要考 虑的问题是系统的体系结构。为了提高开发模块的重复利用率，降低开发成本， 用户采用了片上系统（芯片内部）总线。与芯片间总线（如 SPI、I2C、UART、并行总线）、板卡间总线（ISA、PCI、VME）、设备间总线 （USB、1394、RS232）不同的是，片上系统总线为用户提供了一个堪称“理想” 的环境：片上系统模块间不会面临干扰、匹配等传统问题；但是片上系统的时 序要求异常严格。 由于 OpenCore 和其它致力于开放知识产权（Open Intellectual Property） 的组织的大力推广（开发设计了大量基于标准化片上总线的免费模块），用户 在片上系统总线的选择上更倾向于采用那些标准化、开放化的方案。目前，业 界采用比较多的标准化、开放化的总线方案包括：IBM 公司的 CoreCONnect、ARM 的 AMBA 和 Silicore 公司的 Wishbone。 1 三种总线的逻辑结构图及描述 1.1 IBM CoreConnect 综述 图 1 是 CoreConnect 的逻辑总线结构图。 图 1 CoreConnect 逻辑总线结构图 从图 1 可以看到 CoreConnect 定义了一个清晰的结构，囊括了所有系统 组件和它们之间的连接。它一共设计了 3 种总线和 1 个高性能总线与低性能总 线连接的桥，分别是 OPB、PLB、DCR 总线和 OPB 桥。OPB 总线连接外部设
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。
现场总线课后答案
现场总线课后答案第一章现场总线技术概述1.自动控制系统的发展经历了哪几个阶段？大致经历了四个发展阶段，具体如下：20世纪50年代以前是模拟仪表控制系统；直接数字控制系统；70年代中期出现集散控制系统；90年代后期现场总线控制系统。
2.DCS控制系统的结构包括哪几部分？包括三部分：分散过程控制装置部分，操作管理装置部分，通信系统部分3.现场总线的基本定义？现场总线(Fieldbus)：是用于过程自动化或制造自动化中的，实现智能化现场设备（例如，变送器、执行器、控制器)与高层设备(例如主机、网关、人机接口设备)之间互联的，全数字、串行、双向的通信系统。
5.现场总线控制系统的技术特点。
1.开放性；2.全数字化；3.双向通信；4.互可操作性与互用性；5.现场设备的智能化与功能自治性6.系统结构的高度分散性7.对现场环境的适应性6. FCS相对于DCS具有哪些优越性？1．FCS实现全数字化通信2．FCS实现彻底的全分散式控制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7.分析现场总线的现状，展望其发展前景。
第二章数据通信基础与网络互联1.何谓现场总线的主设备、从设备？可在总线上发起信息传输的设备叫做“总线主设备”，又称命令者。
不能在总线上主动发起通信、只能挂接在总线上、对总线信息进行接收查询的设备称为总线从设备(bus slaver)，也称基本设备。
2.总线操作过程的内容是什么？总线上命令者与响应者之间的连结→数据传送→脱开，这一操作序列称为一次总线“交易”(transaction)，或者叫做一次总线操作。
3.寻址方式有几种？物理寻址逻辑寻址广播寻址4.通信系统由哪几部分组成?各自具有什么功能?通信系统是传递信息所需的一切技术设备的总和。
它一般由信息源和信息接收者，发送、接收设备，传输媒介几部分组成。
信息源和接收者是信息的产生者和使用者发送设备的基本功能是将信息源和传输媒介匹配起来，即将信息源产生的消息信号经过编码，并变换为便于传送的信号形式，送往传输媒介。
浅析现场总线应用现状及其技术经济性
０ 引 言
随着计 算 机技 术 和 现 代 通 信技 术 的 飞速 发 展 ， 分 布 式计算 机 控 制 系统 Ｄ Ｓ历 经 ３ Ｃ Ｏ余 年 的 发 展 ， 已成 为现代 化 大型火 电机组及 石 油化 工行 业实 现 自 动化集 中控 制 目标 ， 现 过 程 控 制 实 时 网 络 的 主流 实
检查设 备 的校验 状 态 ， 定 新 的量 程 以及 对设 备 进 设
方式 替代 一对 一 的 ＩＯ 连线 ， 于大 规 模 ＩＯ系 统 ／ 对 ／ 来说 ， 少 了 由接线 点造 成 的不可 靠 因素 。同时 ， 减 系 统 具有 现场 级 设 备 的在 线 故 障 诊 断 、 警 、 录 功 报 记 能 ， 完成现 场设 备 的远程参 数设 定 、 改 等参数 化 可 修
内 的应 用原 则 依然 限制 在 非 重要 的辅 机 系统 、 压 低
配 电系统 内 ， 用部 分试 点 的方式 进行 实 践 。 采
的提高 。例 如 ， 生 电气故 障 时 ， 控人 员在 控制 室 发 监 无 法判 断 电气故 障原 因 ， 就 无法 实施 切换 、 闸操 也 倒 作 等措施 。 现 场总 线 （ ｉｄｕ ｏｔ ｌ ｙｔｍ，Ｃ ） 安 装 Ｆｅ ｂ ｓ ｎｒ ｓ Ｆ Ｓ 是 ｌ Ｃ ｏＳ ｅ
统 与 控 制 系 统 。尽 管 Ｆ Ｓ系统 能 从 现 场 设 备 获 取 Ｃ
产 品。而 Ｄ Ｓ系统点对点 的信 号传输 方式仅将 电 Ｃ 气 系 统 、 场设 备 的部 分 信 息 如 电机 电流及 运 行 信 现
号 等 以“ 接线 ” 硬 的形 式 送 人 Ｄ Ｓ中 而 实现 了简 单 Ｃ 的监测 和启 、 停控 制 方 案 ， 一 种 低 层 次 的融合 ， 是 将 造 成 电气 系统 、 现场 执行 器 、 表灯 设备 大 量原始 信 仪
现场总线简介
现场总线简介现场总线的产生【1】随着信息与科学技术的迅猛发展，信息交换方式日新月异，并朝着全球化与数字化的方向发展，自动控制系统作为信息与科学技术发展的融合产物，自19世纪以来的近两百年里也发生了巨大变革。
总的来说，一般可将其划分为5代：（1）气动信号控制系统（PCS ）气动信号控制系统是于19世纪中期出现的基于5-13psi的第一代控制系统（2）电动模拟仪表过程控制系统（ACS）电动模拟过程控制系统出现于20世纪50年代，一出现便很快占据控制领域的主导地位它利用0-10mA或4-20mA的电流模拟信号进行现场级设备信号的采集与控制，是第二代控制系统但由于模拟信号精度较低并易受干扰，所以很快便被新的控制系统取代（3）集中式数字控制系统（CCS）随着数字计算机技术的发展和应用，20世纪70年代左右集中式数字控制系统（CCS）出现并占据主导地位，称为第三代控制系统。
集中式数字控制系统能够根据现场情况进行及时控制和计算判断，并且在控制方式和时机的选择上能进行统一调度和统筹安排。
另外，由于采用单片机等作控制器，数字信号的传输在控制器内部进行，这样不仅克服了ACS系统中模拟信号精度低的缺点，而且也提高了系统的抗干扰能力。
但由于该系统对控制器本身有很高的要求，而当任务增加时，控制器的效率将明显下降，很难保证满足对控制器足够的处理能力和极高的可靠性的要求（4）分散式控制系统（DCS）20世纪80年代初，微处理机的出现和应用促使了第四代控制系统——分散式控制系统（DCS）的产生。
DCS系统采用集中管理、分散控制，即将管理与控制相分离：上位机执行集中监视管理，下位机在现场进行分散控制，它们之间用控制网络相连实现信息传递。
与之前几代控制系统不同，分散式的控制系统降低了系统中对控制器处理能力和可靠性的要求。
（5）现场总线控制系统（FCS）20世纪80年代中后期，随着微电子技术和大规模以及超大规模集成电路的快速发展，顺应以上需求，国际上发展起来一种以微处理器为核心，使用集成电路实现现场设备信息的采集传输处理以及控制等功能的智能信号传输技术——现场总线，并利用这一开放的、具有可互操作性的网络技术将各控制器和现场仪表设备实现互连，构成了现场总线控制系统。