《现场总线及其应用技术》第一章 概述
现场总线课件第1章PPT课件
02
现场总线技术的体系结构
现场总线的技术体系
现场总线的技术体系包括物理层、数据链路层和应用层。其中，物理层定义了总线的物理特性，如总 线的传输介质、电气接口等；数据链路层定义了数据传输的规则，如数据帧格式、流量控制等；应用 层定义了设备之间的通信协议和信息交换方式。
现场总线的技术体系还包括设备描述层和系统管理层。设备描述层用于描述设备的功能和属性，以便 于其他设备识别和连接；系统管理层则负责整个系统的调度和管理，包括设备的配置、监控和维护等 。
现场总线课件第1章 ppt课件
目 录
• 现场总线概述 • 现场总线技术的体系结构 • 现场总线技术的应用领域 • 现场总线技术的发展趋势与未来
展望 • 总结
01
现场总线概述
现场总线的定义
总结词
现场总线是一种用于工业自动化系统的通信协议，它允许不同设备之间进行实时 、双向、多节点通信。
详细描述
现场总线是一种通信协议，专门为工业自动化系统设计。它允许多个设备或节点 在同一个网络上进行实时、双向的数据交换。通过现场总线，各种传感器、执行 器、控制器等设备可以相互连接，形成一个完整的自动化系统。
现场总线的主要特点
要点一
总结词
现场总线具有实时性、可靠性和开放性等特点。
要点二
详细描述
现场总线作为一种通信协议，具有实时性、可靠性和开放 性等重要特点。实时性是指现场总线能够快速地传输数据 ，满足工业控制系统的实时需求。可靠性则是指现场总线 具有很强的抗干扰能力，能够保证数据传输的准确性和稳 定性。开放性则意味着现场总线遵循国际标准，不同厂商 的设备可以相互连接和集成，提高了系统的可扩展性和互 操作性。
化的市场需求和工业环境。
现场总线技术及其应用-概述63页PPT
6、法律的基础有两个，而且只有两个……公平和实用。——伯克 7、有两种和平的暴力，那就是法律和礼节。——歌德
8、法律就是秩序，有好的法律才有好的秩序。——亚里士多德 9、上帝把法律和公平凑合在一起，可是人类却把它拆开。——查·科尔顿 10、一切法律都是无用的，因为好人用不着它们，而坏人又不会因为它们而变得规矩起来。——德谟耶克斯
44、卓越的人一大优点是：在不利与艰 难的遭遇里百折不饶。——贝多芬
45、自己的饭量自己知道。——苏联
Hale Waihona Puke 41、学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸 收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹
42、只有在人群中间，才能认识自 己。——德国
43、重复别人所说的话，只需要教育； 而要挑战别人所说的话，则需要头脑。—— 玛丽·佩蒂博恩·普尔
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。
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CANopen学习笔记一
现场总线CANopen学习笔记一通过对《现场总线CANopen设计与应用》的学习，总结了一些学习CANopen 的知识要点，希望能够对CANopen初学者有所帮助。
首先让我介绍一下这本书，原名为德语《CANopen----das standardisierte , eingebttete Netzwerk》,中文是《现场总线CANopen设计与应用》。
作者，Holger Zeltwanger ，是CAN总线技术专家，兼任ISO国际标准化组织CAN标准工作组主席，组织领导发布了ISO11898系列标准，是CAN工业的奠基人，1992年创立了CiA组织（CAN in Automation）并担任主席至现在。
本书的内容简介：介绍作为工业现场总线协议重要成员之一的CANopen协议和基本原理、规则及相关背景，重点介绍CANopen协议的工作机制，力求向读者展现CANopen协议的概貌，使读者能够理解为什么CANopen需要制定如此的工作流程。
全书分为4个部分：第一部分由第1~3章组成，主要介绍通信的基本通信以及CANopen 协议物理层和链路层的基本特性（CAN总线）。
第二部分由第4~5章组成，主要介绍CANopen的基本核心工作机制和CANopen主站设备的特点。
第三部分由第6~8章组成，主要介绍CANopen 应用中的设备子协议规范。
第四部分主要介绍CANopen 协议的应用及调试的方法和工具。
很荣幸，我手上看的这本书是Holger 亲笔签名的书，读起来的感觉就是不一样。
哈哈。
闲话少说，直入主题。
因为我也算是学习CANopen 的小白，主要采用总结归纳知识点的方式来读。
以下就是总结了CANopen的主要知识点和一些自己的理解。
书看一遍，刚入味，各种不懂；再看一遍，重新理解之前不明白的，整合知识点，将其联系起来。
首先我觉得还是先看一下CAN总线，了解什么叫CAN ，即CAN总线的基本定义、基本原理、CAN协议等等，从而了解得知CAN协议主要是针对物理层与数据链路层的协议规范。
现场总线技术及其应用
现场总线技术及其应用 现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络，是过程控制技术、自动化仪表技术、计算机网络技术三大技术发展的交汇点，将带来控制系统的一大变革。
1 引言 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（Distributed Control System dcs）走向以现场总线位基础的分布式现场总线控制系统（Fieldbus Control System,FCS），被誉为工业自动化领域具有革命性的新技术。
现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一。
2 被誉为自动化领域的计算机局域网 2．1 现场总线及其特点 （1）什么是现场总线？ 根据国际电工委员会（IEC）和美国仪表协会(ISA)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。
网络总线与技术题目与答案
题目与解答第一章现场总线概述1简述FCS的主要技术特点和优点是什么？（FCS名词解释见34背页）（1）现场总线系统(FCS)的技术特点：①系统的开放性。
相关标准的公开、一致性，通过现场总线构筑自动化领域的开放互连系统具备互可操作性与互用性。
不同生产厂家性能类似的设备可实现互换性。
互可操作性：实现互联设备间的信息传输；互用性：不同厂家性能类似设备可实现互换性。
②现场设备的智能化与功能自治性。
仅靠现场总线设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备运行状态。
包括传感测量、补偿计算、数据处理与控制等③系统的实时性与确定性。
测控任务具有严格的时序和实时性要求，否则可能造成控制系统的灾难性后果。
这也要求通信机制能够保证时间发布和数据传输的实时性。
④现场环境的适应性。
现场总线是专为生产现场环境设计的，支持多种传输介质，具有较强的抗干扰能力，满足本质安全防爆等各种环境要求。
⑤采用成熟先进技术、系统结构的高度分散性。
设备描述语言DDL、技术等。
现场总线可构成全分散性控制系统，简化了系统结构，提高了可靠性。
（2）现场总线的优点：由于现场总线具有以上突出的特点，它使控制系统从设计、安装、投运到正常生产运行以及检修维护，都体现出巨大的优越性。
①节省系统投资、安装费用和维护费用。
②设计、组态、安装、调试简便，系统维护、设备更换和系统扩充方便。
③用户具有高度的系统集成主动权，系统易于重构。
④提高了控制系统的安全性、可靠性和准确性。
⑤完善了企业信息系统，为实现企业综合自动化提供了基础。
2为什么说Fieldbus是底层控制网络Infranet（从Fieldbus的结构特点分析说明）。
（1）•现场总线将单个分散的现场设备变成网络节点，相互之间连接成可以互通信息、共同完成测量控制任务的网络控制系统。
•每个节点实际上是一个智能设备，能够独立完成从控制、检测，到运算、显示、报警等多种任务。
（2）现场总线是低层控制网络Infranet(或者3（3）)• Infranet（Infrastructure Network），使工厂底层网络系统的底层现场设备之间以及生产现场与外界能够实现信息交换，满足企业综合自动化的发展需要。
《现场总线技术及应用》课件1现场总线技术概述
随着生产规模的扩大，操作人员需要同时按多点的信息 对生产过程实行操作控制，于是出现了气动、电动系列的 单元组合式仪表，这些仪表采用统一的模拟信号。
3、集中式数字控制系统
模拟控制系统中的模拟信号的传递需一对一的物理 连接，信号变化缓慢，很难提高控制系统的速度和精度， 随着计算机技术的发展，控制系统实现了集中数字控制。
• 数字信号的精确性：数字信息可排除模拟信息传输和转换中 所产生的误差。
• 由于现场总线是双向的，因此能够从中心控制室对现场智能 仪表进行控制，使远程调整、诊断和维护成为可能，甚至能 够在故障发生前进行预测。
四、现场总线控制系统的技术特点
系统的开放性 2. 互操作性与互用性 3. 现场设备的智能化与功能自治性 4. 系统结构的高度分散性 5. 对现场环境的适应性
第一章 现场总线技术概述
现场总线的发展背景 现场总线控制系统 几种有影响的现场总线 现场总线技术的现状及其发展前景
第一节 现场总线的发展背景
自动控制系统：在无人直接参与下可使生产过程或其他过 程按期望规律或预定程序进行的控制系统。自动控制系统 是实现自动化的主要手段。自动控制系统已被广泛应用于 人类社会的各个领域。在工业方面，对于冶金、化工、机 械制造等生产过程中遇到的各种物理量，包括温度、流量、 压力、厚度、张力、速度、位置、频率、相位等，都有相 应的控制系统；在农业方面的应用包括水位自动控制系统、 农业机械的自动操作系统等。在军事技术方面，自动控制 的应用实例有各种类型的伺服系统、火力控制系统、制导 与控制系统等。在航天、航空和航海方面，除了各种形式 的控制系统外，应用的领域还包括导航系统、遥控系统和 各种仿真器。
现场总线的发展趋势
网络结构趋向简单化
《现场总线控制技术》教学大纲
《现场总线控制技术》教学大纲《现场总线控制技术》课程教学大纲课程名称：现场总线控制技术（Technology of Field Bus Control System ）课程代号：02332150学时数：38（实验6学时）学分数：2适用专业：自动化、电气工程及其自动化执笔人：徐晓光一、本课程的性质、任务和作用本课程综合了电子、仪器仪表、计算机技术和网络技术的最新发展成果，旨在介绍现场总线这一自控领域的新技术，使学生了解工业自动化领域当今世界自控技术的研究热点和发展方向。
本课程的主要任务是使学生在了解工业自动化的发展历程以及在现场总线技术中使用的基础知识的基础上，掌握目前在工业现场使用最多的PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA的基本原理和具体应用，对工业以太网技术、AS-i 技术及与现场总线密切相关的OPC技术和IEC61131-3编程语言等新技术也要有所认识。
通过本课程的学习能独立承担和开展现场总线控制系统相关的研究工作。
二、本课程的相关课程可编程序控制器、可视化数据处理技术、计算机控制技术，机电传动与控制，单片机原理与应用，自动控制原理等课程三、本课程的基本内容及要求（二）基本内容第1章概述1．1 现场总线的基本概念1．2 现场总线的特点1．3 现场总线的现状1．4 现场总线的未来第2章数据通信基础2．1 通信模型2．2 数据传输2．3 传输媒体2．4 传输数据编码2．5 数据通信接口2．6 差错检测与校正2．7 多路复用技术第3章现场总线体系结构3．1 网络体系结构概述3．2 开放系统互连参考模型中的若干重要概念3．3 现场总线体系结构的建立及特点3．4 现场总线网络的拓扑结构第4章媒体访问控制技术4．1 媒体访问控制技术概述4．2 集中控制型受控访问方法4．3 ALOHA随机访问方法4．4 CSMA 随机访问方法线控制系统的特点。
第2章数据通信基础掌握通信模型、数据传输、传输媒体、传输数据编码、数据通信接口和差错检测与校正的概念及方法，了解多路复用技术的构成及使用方法。
现场总线技术及其应用
案例三：城市交通信号控制系统应用
总结词
利用现场总线技术实现城市交通信号的智能控制，提高 交通流畅度和安全性。
详细描述
在城市交通管理中，采用现场总线技术构建交通信号控 制系统，实现各个路口信号灯的实时通信和控制。通过 实时数据采集和智能算法，优化信号灯的配时方案，提 高交通流畅度和安全性，缓解城市交通拥堵问题。
在工业自动化领域，常见的现场总线 技术包括PROFIBUS、Modbus、 EtherNet/IP等。
智能建筑
智能建筑是现场总线技术的另一个重 要应用领域。通过现场总线，可以实 现建筑物内各种设备（如照明、空调 、安防等）的集中控制和管理，提高 建筑物的能源利用效率和舒适度。
VS
在智能建筑领域，常见的现场总线技 术包括LonWorks、CAN等。
智能交通系统
智能交通系统是现场总线技术的重要应用方 向之一。通过现场总线，可以实现交通信号 灯、监控摄像头等交通设施的集中控制和数 据传输，提高交通效率和安全性。
在智能交通系统领域，常见的现场总线技术 包括FlexRay、TTCAN等。
医疗设备
医疗设备是现场总线技术的重要应用 领域之一。通过现场总线，可以实现 医疗设备的集中控制和数据传输，提 高医疗设备的可靠性和安全性。
02
现场总线技术种类
PROFIBUS
德国标准总线
PROFIBUS是一种用于工业自动化的现场总线标准，由德国标准委员会制定。它 支持多种通信协议，广泛应用于制造业、过程控制和楼宇自动化等领域。
CAN总线
控制器局域网
CAN总线是一种用于汽车和工业自动化领域的现场总线标准。它支持分布式实时控制，具有高可靠性和灵活性，广泛应用于 汽车电子、智能交通和工业自动化等领域。
现场总线技术及其应用
典型控制网络结构：罗克韦尔公司
现场总线的实质
现场总线的协议 制定协议依据：ISO的开发系统互联协议(OSI)。 实际制定的协议：OSI中的某些层 OSI协议：7层协议结构
现场总线系统的组成：
7 6 5 4 3 2 1
应用层 表达层 会话层 传输层 网络层 数据链路 层 物理层
应用层
现场设备 形成系统的传输介质
－－控制层现场总线ControlNet
网络目标功 能 网络拓扑 端到端设备和I/O网络 在同一链路上传递I/O，编程和系统组 态信息 总线、星形、树形 网络节点数 99个可编地址 单段最多48个 模型对象设计；设备对象模型，类/ 实例/属性，设备描述
几种典型的现场总线
应用层设计
最大通讯速 率
通讯方式 网络刷新时 间 数据分组大 小 网络最大拓 扑
电源
网络模型
外部供电
生产者/消费者
连接器
物理层介质
标准同轴电缆BNC
RG6同轴电缆；光纤
其他几种典型现场总线
设备层现场总线DeviceNet：
基于CAN技术的开放标准，三层协议结构。罗克韦 尔 非完全开放的标准。德国
ProfiBus协议：
FF总线
由FF组织提出。三层协议结构。国际
端到端的控制系统解决方案。七层协议结构。 Echleon公司
－－控制层现场总线ControlNet
概述：ControlNet是一种面向控制层的实时性现场总线网络，在 同一物理介质上提供时间关键性I/O数据和报文数据：包括程序上、 下载，组态数据，和端到端报文传递。具有高度的确定性和可重 复性。适用于控制关系复杂关联、要求控制信息同步、协调实时 控制、输出数据速率高的应用场合。 7 应用层 对象和对象模型 ControlNet协议规范
现场总线及其应用技术
现场总线及其应用技术一、引言现场总线（Fieldbus）是指在工业自动化控制系统中，用于连接现场设备的一种通信总线技术。
它通过集成控制器和现场设备之间的数据交换，实现工业自动化系统的控制与监测。
本文将介绍现场总线的基本概念、工作原理以及在实际应用中的一些技术。
二、现场总线的基本概念现场总线是一种将传感器、执行器等现场设备与控制器相连的通信系统。
它能够提供双向通信、实时数据传输和分布式控制等功能，极大地简化了工业自动化系统的布线和维护工作。
常见的现场总线包括Profibus、Modbus、CAN等。
三、现场总线的工作原理现场总线的工作原理可以简单描述为以下几个步骤：1. 传感器或执行器将采集到的数据通过现场总线发送给控制器。
2. 控制器接收到数据后，进行处理并发送相应的控制指令给现场设备。
3. 现场设备接收到控制指令后，执行相应的动作，并将执行结果反馈给控制器。
四、现场总线的应用技术1. 实时性技术现场总线要求具有较高的实时性，能够在短时间内完成数据的传输和处理。
为了提高实时性，现场总线采用了一系列技术，如时间触发、通信速率调整和数据压缩等。
2. 安全性技术现场总线在工业自动化系统中承担着重要的控制和监测任务，因此安全性是其应用中的重要考虑因素。
现场总线采用了多种安全技术，如数据加密、身份认证和访问控制等，保障系统的安全运行。
3. 故障诊断技术现场总线能够实时监测现场设备的状态，并提供故障诊断功能。
通过采集设备的运行数据和故障信息，现场总线可以及时判断设备的工作状态，并进行故障定位和排除。
4. 网络管理技术现场总线通常由多个设备组成一个网络，因此需要进行网络管理。
网络管理技术包括网络拓扑结构的设计、数据包的路由和转发、网络性能的监测和调优等，保证网络的稳定和可靠运行。
5. 数据采集与处理技术现场总线能够实时采集大量的数据，并进行处理和分析。
数据采集与处理技术包括数据采样、滤波、数据压缩和数据存储等，为后续的控制和决策提供可靠的数据支持。
现场总线第1讲FieldbusControlSystemFCS
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。
※50年代之前的气动仪表控制系统称作第一代 ※单元组合仪表为基础的常规仪表控制系统称为第二代 ※集中型计算机控制系统称为第三代 ※第四代控制系统是指70年代中期以后发展起来的DCS
作为新一代控制系统： 一 方 面：FCS突破了DCS采用专用通信网络的局限，采用了基于开
放式、标准化的通信技术，克服了封闭系统所造成的缺陷； 另一方面：FCS进一步变革了DCS中“集散”系统结构，形成了全分
H1
H1 H1
H2 现场总线
现 场 设 备 124
H1 现场总线 网桥
32 现场设备 H1 现场总线
32 现场设备
FCS控制层原 理图
FieldBus） 1
现场总线的概述（ 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
a.包含CPU 传统控制bc系..具能统有直很接强数的字功通能信现场仪表
现场总线定义
现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、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。
网
包括IPC、PLC以及各种智能化的现场控制设备
络 节
基于统一、规范的通信协议
点
通过同一总线实现相互间的数据传输与信息共享
网 络
位于
生产控制 网络结构
现场总线及其应用技术
FCS: 可靠性好：数字信号传输抗干扰能力 强，精度高； DCS: 可靠性差：模拟信号传输不仅精度 低，而且容易受干扰
2021/3/7
19
1.1.3 现场总线的特点和优点
---FCS与DCS的详细对比
3. 失控状态
FCS: 操作员在控制室既可以了解现场设备 或现场仪表的工作状况，也能对设备进行 参数调整，还可以预测或寻找故障，使设 备始终处于操作员的远程监视与可控状态 之中；
IEC对现场总线的定义 现场总线是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实行双向、串 行、多节点数字通信的技术。
涉及智能仪表、控制、计算机、数据通信技术
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7
1.1.1 现场总线的产生
---控制系统的发展趋势
第一代：气动信号控制系统(50年代之前) 第二代：电动模拟信号控制系统(50年代
至今),4－20mA的模拟量标准信号。 第三代：计算机集中控制系统(70年代) 第四代：集散式分布控制系统(80年代)
2021/3/7
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1.1.1 现场总线的产生 ---控制系统的发展趋势
第五代：现场总线控制系统(FCS)
突破了DCS系统采用通信专用网络的局限， 采用了基于公开化、标准化的解决方案，克 服了封闭系统所造成的缺陷；
DCS:操作员在控制室既不能了解模拟仪表 的工作状态，也不能对其进行参数调整， 更不能预测故障，导致操作员对仪表处于 “失控”状态
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1.1.3 现场总线的特点和优点
---FCS与DCS的详细对比
4. 互换性 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备和仪表，并将 不同品牌的仪表互连； DCS:尽管模拟仪表统一了信号标准(420mA DC)，可大部分参数仍由制造厂自 定，致使不同品牌的仪表互换难度较大
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Field Bus and Control Network
西安建筑科技大学
段中兴 郑普亮 2012年2月
主要内容
现场总线简介、特点与优点 数据通信基础与网络互联 主要现场总线的介绍 现场总线的典型应用 现场总线控制系统 现场总线与工业以太网的互连技术
2013年7月31日4时56分 2
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2013年7月31日4时56分
1.1.5 现场总线的现状
1. 多种总线共存 世界市场对各种现场总线的需求：
过程自动化：15%(FF,PROFIBUS-PA,WorldFIP) 医药领域：18%(FF,PROFIBUS-PA,WorldFIP) 加工制造：15%(PROFIBUS-DP,DeviceNet) 交通运输：15%(PROFIBUS-DP,DeviceNet) 航空，国防：34%(PROFIBUS-FMS,LonWorks, ControlNet,DeviceNet) 其它，如楼宇自动化，农业等
15
1.1.3 现场总线的特点和优点
---现场总线的结构特点
由于采用智能现场设备，能够把DCS系统中 处于控制室的控制模块、各输入输出模块置 入现场设备中，在现场直接完成采集和控制。 由于不需要其他的模数转换器件，且一对电 线能传输多个信号，因而简化了系统结构， 节约了设备及安装维护费用。
2013年7月31日4时56分
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1.1.6 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。
2013年7月31日4时56分 22
典型ABB的AC800M系统组成
iFIX
IFix Client 1 Gateway IFix Client 2 3 NIC MIS
ERP
IFix Primary Server
iFix OPC Client
IFix Secondary Server
ABB AC800M
Client/server Network
Connectivity Server
Aspect Server
Application Server
Engineering Work place
Control Network
AC 800M
Serial, OPC or fieldbus Field Bus
AC 800M
1.1.6 现场总线网络的实现
制定标准时参照OSI七层协议标准； 大多采用第1层(物理层)、第2层(数据链路 层)和第7层(应用层)，并增加第8层用户层。
物理层：定义了信号的编码与传送方式、传送介质、
接口的电气及机械特性、信号传输速率等。 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。调制方式主要 有CPFSK和COFSK。传输介质主要有：有线电缆、 光纤和无线介质。
2013年7月31日4时56分 7
1.1.1 现场总线的产生
---控制系统的发展趋势 第一代：气动信号控制系统(50年代之前) 第二代：电动模拟信号控制系统(50年代 至今),4－20mA的模拟量标准信号。 第三代：计算机集中控制系统(70年代) 第四代：集散式分布控制系统(80年代)
2013年7月31日4时56分
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1.1.7 现场总线的发展趋势
自动化系统和设备将朝着现场总线体系结构 方向发展； 在未来数年内几大总线标准共存，甚至在一 个系统内几种标准的设备通过路由网关互连 实现信息共享； 我国在这一领域刚刚起步。
2013年7月31日4时56分
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1.1.4 现场总线标准的制定
1984年，IEC开始起草现场总线标准； 1993-1998年，制定IEC61158的现场总 线物理层规范、链路服务定义及协议规范、 应用层服务定义及协议规范 1999年，修改IEC61158技术规范，形成8 种类型新标准 2000年，修改后的IEC61158最终获得通 过
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1.1.2 现场总线的本质
4. 分散功能块 FCS废弃了DCS的输入/输出单元和控制站，把 DCS控制站的功能块分散地分配给现场仪表，从 而构成虚拟控制站 例如： 流量变送器不仅具有流量信号变换、补偿和累加 输入模块，而且有PID控制和运算功能块。 调节阀的基本功能是信号驱动和执行，还内含输 出特性补偿模块，或PID控制和运算模块，甚至 阀门特性自检验和自诊断功能。
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DCS与FCS
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1.1.1 现场总线的产生---产生背景
微处理器技术的迅猛发展和广泛应用，使 仪表和现场控制设备在性能和功能上有显 著的提高； 对系统维护管理、测试和监视需求的日益 增加； 控制领域在控制精度、可操作性、可维护 性、可移植性等方面的要求。
互可操作性与互用性 现场设备的智能化与功能自治性 系统结构的高度分散性 对现场环境的适应性
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1.1.3 现场总线的特点和优点 ---现场总线的优点
节省硬件数量与投资 节省安装费用 节约维护开销 用户具有高度的系统集成主动权 提高了系统的准确性与可靠性
应用层
分为两子层：应用服务层(FMS)，用于为用户提供服务； 现场总线存取层(FAS)，用于实现数据链路的连接。
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1.1.6 现场总线网络的实现
用户层 定义了从现场装置中读写信息和向网络中其他装置 分派信息的方法，即规定了供用户组态的标准“功 能模块”。
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参考书目
1. 李正军.《现场总线及其应用技术》
机械工业出版社，2005
2. 阳宪惠. 《现场总线技术及其应用》
清华大学出版社，1998 3. 甘永梅.《现场总线技术及其应用》 机械工业出版社，2000 4. 杨宁.《集散控制系统及现场总线》 北航出版社，2001 5. 邬宽明.《现场总线技术应用选编》 北航出版社，2001
AC800M
ABB OPC Server
AC800M
AC800M
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Plant Network / Intranet
Workplaces
Firewall
Enterprise Optimization Suite
Third party application server Mobile Operator
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1.1.1 现场总线的产生 ---控制系统的发展趋势
第五代：现场总线控制系统(FCS)
突破了DCS系统采用通信专用网络的局限，
采用了基于公开化、标准化的解决方案，克 服了封闭系统所造成的缺陷； 把DCS的集中与分散相结合的集散系统结 构，变成了新型全分布式结构，把控制功能 彻底下放到现场。 开放性、分散性与数字通讯是现场总线系 统最显著的特征。
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新标准采用8种类型
Type1 Type2 Type3 Type4 Type5 Type6 Type7 Type8 公司) IEC61158(FF的H1) ControlNet(美国Rockwell公司) PROFIBUS(德国Siemens公司) P-Net(丹麦Process Data公司) FF HSE(Fisher-Rosemount公司) SwiftBet(美国波音公司) WorldFIP(法国Alstom公司) INTERBUS(德国Phoenix Contact
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1.1.2 现场总线的本质
5. 通信线供电 允许现场仪表直接从通信线上获取能量， 对于要求本征安全的低功耗现场仪表，可 采用这种供电方式 6. 开放式互连网络 既可与同层网络互连，也可以与不同层网 络互连，还可以实现网络数据库的共享
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1.1.3 现场总线的特点和优点
---FCS与DCS的详细对比
1. 结构
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
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1.1.3 现场总线的特点和优点
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参考书目
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要求及考试
上课认真做笔记 认真完成课后作业
平时成绩
实验成绩 平时表现及作业
30％
60% 40%
期末笔试
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70％
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第一讲 现场总线概述
1.1 现场总线的现状和发展
现场总线 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。 IEC对现场总线的定义 现场总线是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实行双向、串 行、多节点数字通信的技术。 涉及智能仪表、控制、计算机、数据通信技术
---FCS与DCS的详细对比
2. 可靠性
FCS: 可靠性好：数字信号传输抗干扰能力 强，精度高； DCS: 可靠性差：模拟信号传输不仅精度 低，而且容易受干扰