现场总线与数据通信基础
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。
1-现场总线基础知识
一.现场总线基础知识
现场总线简介 现场总线的发展 现场总线的特点与优点 几种有影响的现场总线
1.现场总线简介（FieldBus）
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。它的出现标志着 工业控制技术领域又一个新时代的开始。 为什么要引入现场总线？
现场设备，为提高其性能价格比，在实现其 内部操作时都采用微处理器和数字化元件，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。现场总线满足这种要求。
• 全分布
各现场设备有足够的自主性，它们彼此 之间相互通信，完全可以把各种控制功能 分散到各种设备中，而不再需要一个中央 控制计算机，实现真正的分布式控制。
现场总线的优点2
• 全开放 – 1999年底现场总线协议已被IEC 批准正式成 为国际标准，从而使现场总线成为一种开放 的技术。
• 双向传输 – 传统的4~20mA电流信号，一条线只能传递 一路信号。现场总线设备则在一条线上既可 以向上传递传感器信号，也可以向下传递控 制信息。
现场总线与DCS的网络结构比较
3.现场总线的结构特点
按照国际标准化组织（ISO）制定的开放系统互连（OSI） 参考模型建立。将七层简化成三层，分别由OSI参考模型 的第一层物理层，第二层数据链路层，第七层应用层组 成，流量与差错控制由数据链路层完成。考虑现场总线 的通信特点，有些现场总线还设置了一个现场总线访问
4-20mA信号是DCS系统及现场设备相互连接的最本质 特点.网关通讯程序开发工作量大.
控制计算机
CRT操作站
通道指挥器
基本调节器1 基本调节器2 基本调节器3
输入/输出
DCS结构示意图
信号要送到控制站,需要很多连线
现场总线的协议组成结构及其工作原理
现场总线的协议组成结构及其工作原理
现场总线（Fieldbus）是一种用于现场设备、传感器和执行器
连接的数字通信网络。
它允许现场设备与控制系统进行数据交换和通信，实现自动化系统的远程监控和控制。
现场总线的协议组成结构通常包括：
1. 物理层：现场总线协议的物理层包括了传输介质（如电缆）、连接器和传输速率等，用于传输数据和提供电源等功能。
2. 数据链路层：数据链路层负责数据的传输和错误检测纠正。
它将上层应用数据分成较小的数据包，添加控制信息（如地址、校验等）并将其发送到总线上。
3. 应用层：应用层定义了数据的格式和标准，控制设备之间的通信和交互。
它定义了现场设备和控制系统间的通信协议、数据结构和消息格式等。
现场总线的工作原理如下：
1. 现场设备连接到总线：现场设备（如传感器、执行器等）通过物理层将自己连接到现场总线上，允许其与其他设备进行通信。
2. 控制系统与现场总线连接：控制系统通过总线接口连接到现场总线上，可以监控和控制现场设备。
3. 数据交换：现场设备通过总线发送数据到控制系统，并从控制系统接收指令和配置信息。
控制系统可以实时地监测现场设备的状态，并进行数据采集和控制。
4. 数据处理：控制系统接收到现场设备发送的数据后，进行处理和分析，将结果提供给操作人员进行监控和决策。
总之，现场总线的协议结构和工作原理允许现场设备与控制系统之间进行数字通信和数据交换，实现自动化系统的监测和控制。
它提供了一种高效、可靠的方式来集成和管理现场设备，提高了自动化系统的可靠性和灵活性。
现场总线工业通信基础(精)
2007.2 V2.0
现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang yanfen
19
2.1 工业网络通信基础
●工业网络与通信
基础知识
4. 差错控制
循环冗余校验（CRC,Cyclic Redundancy Check）
一种通过多项式除法检测错误的方法。
检错思想 校验和计算方法
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2.1 工业网络通信基础
●工业网络与通信
基础知识
4. 差错控制
如何提高通信质量？
采用差错控制方法
一种软的控制技术。它容忍差错的存在，但能够发现，并设法加以 纠正。这是普遍采用的提高通信质量的方法。
原理 检测码 纠错码
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2.1 工业网络通信基础
●工业网络与通信
基础知识
3. 数据传输
数据传输方式
在数据通信系统中，各种处理工作都是在一定的时序脉冲控制下 进行的，收发端工作的协调一致性是实现信息传输的关键，这就 是数据通信系统中的传输同步问题。
并行通信 串行通信
异步传输和同步传输是解决串行通信同步传输的方法。
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2.1 工业网络通信基础
3. 数据传输 数据传输方式
异步传输
异步传输使用的是字符同步方式。
同步传输
●工业网络与通信
基础知识
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第19课 现场总线技术基础 (1)
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什么是现场总线
将分散的有通信能力的测量控制设备作为网络节点， 连接成能相互沟通信息，共同完成测控任务的网络
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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
CAN的位仲裁技术
报文标识 符
站1报文 01111110000
丢掉
站2报文
01001100000
01001100000
01001100000
跟踪
站3报文
010011100001
010011100001
丢掉
平板车
平板车
转向角度传 感器 悬挂角度传 感器 行走手柄/ 开关 压力传感器 方向盘 油门N（Controller Area Network）即控制器局域网，可以 归属于工业现场总线的范畴，是目前国际上应用最广泛的 开放式现场总线之一。
• 与一般的通信总线相比，CAN总线的数据通信具有突出的 可靠性、实时性和灵活性，它在汽车领域上的应用最为广 泛，世界上一些著名的汽车制造厂商，如BENZ(奔驰)、 BMW(宝马)、volkswagen (大众)等都采用了CAN总线来实 现汽车内部控制系统与各检测和执行机构间的数据通信。
• 网络上节点严重错误时，具有自动关闭总线的功能
• 用数据块编码方式代替传统的站地址编码方式
• 不支持本质安全、总线供电
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CAN总线的同步设计
•
硬同步
– 硬同步只在总线空闲时通过一个下降沿（帧起始 ）来完成，此时不管有没有相位误差，所有节点 的位时间重新开始。强迫引起硬同步的跳变沿位 于重新开始的位时间的同步段之内。
《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。
工业自动化系统的现场总线通信技术研究
工业自动化系统的现场总线通信技术研究现场总线通信技术作为工业自动化系统中的关键技术之一，已经在现代制造业中广泛应用。
它不仅提高了生产效率和质量，还实现了智能化控制和管理。
本文将研究工业自动化系统中的现场总线通信技术，探讨其技术原理、应用场景和优势。
一、技术原理工业自动化系统的现场总线通信技术是指通过总线连接各种设备和传感器，实现数据的传输和通信。
该技术基于现场总线协议，通过串行通信方式将数据传输到控制中心。
现场总线通信技术主要基于硬件和软件两方面的原理。
在硬件方面，现场总线通信技术采用特定的硬件接口和电路，实现设备间的数据传输。
在软件方面，现场总线通信技术借助通信协议和软件驱动程序，实现数据的处理和传输。
现场总线通信技术采用主从结构，控制中心作为主设备，其他设备作为从设备。
主设备通过总线控制从设备，发送指令和接收数据，实现对设备的控制和监测。
从设备接收主设备的指令，并通过总线将数据反馈给主设备。
二、应用场景现场总线通信技术在工业自动化系统中有广泛的应用场景。
其中包括以下几个方面：1. 生产线控制和监测：现场总线通信技术使得生产线上的各个设备能够实现集中控制和监测。
通过总线连接各个设备和传感器，可以实时获取和传输设备运行状态和数据，从而对生产线进行控制和优化。
2. 设备诊断和维护：现场总线通信技术可以实现对设备的诊断和维护。
通过传输设备的运行数据和状态信息，可以实时监测设备的工作情况，并进行故障排查和维修。
3. 能源管理：现场总线通信技术可以用于能源监测和管理。
通过实时获取和传输设备的能源数据，可以对能源消耗进行监控和优化，从而提高能源利用效率和降低生产成本。
4. 智能化控制：现场总线通信技术可以实现智能化控制。
通过传输和处理设备的数据，可以实现对设备的智能调控和自动化操作，提高生产效率和质量。
三、技术优势工业自动化系统中的现场总线通信技术具有以下几个技术优势：1. 高效可靠：现场总线通信技术采用串行通信方式，具有高效和可靠的特点。
现场总线与数据通信基础
流程控制
价格 较贵
支持公司
Honeywell，Rosemount， ABB,Foxboro,横河,山武等
WorldFIP 有较强的抗干扰能力，实时性好，稳定性好 工业过程控制 一般
Alstone
Profibus PA
本安，总线供电，实际应用较多；但支持的 传输介质较少，传输方式单一
过程自动化
Profibus 速度较快，组态配置灵活 DP/FMS
与信息网络的集成； DCS、FCS均属控制网络的范畴。
控制系统体系结构演变
控制器
远程传感器 和执行机构
集中控制
工控机
控制器 . . . 控制器
远程传感器 和执行机构
集散控制
现场总线 智能自治节点
现场总线控制
控制系统测控能力
现场智能仪表内部结构模型
4～20mA标准
现场总线标准
现场总线拓扑结构
控制系统体系结构演变
2、模拟仪表控制系统（PCS、ACS）
60年代至70年代后期，先后出现了以电子管、晶 体管、集成电路为核心的气动和电动单元组合式仪 表两大系列。它们分别以压缩空气和直流电源作为 动力，用于对防爆要求较高的化工生产和其他行业， 防爆等级为本质安全型，并以气压信号0.02MPa～ 0.1MPa，直流电流信号0mA～10mA、4mA～ 20mA，直流电压信号0V～5V，1V～5V等作为仪 表的标准信号，在仪表内部实行电压并联传输，外 部实行电流串联传输，以减小传输过程的干扰。
WorldFIP基于FIP协议，其最初由法国于80年代开发，并 成为法国国家标准和欧洲标准，有WorldFIP协会组织。
采用ISO/OSI模型的物理层、数据链路层、应用层。 具有单一的总线结构，可适应不同应用领域的需求。 不同应用领域采用不同的总线速率，过程控制采用
2第二章数据通信基础
数据通信基础
现场总线
2.1 基本术语 1. 总线基本术语 总线操作：总线上数据发送者与接收者之间的连 接－数据传送－脱开这一操作序列，称为一次总 线操作。
连接（connection)：指的是通信对象之间的逻辑绑定（ binding）。 数据传送：连接完成之后通信报文的发送与接收过程， 或者数据的读写操作过程。 脱开(disconnect)：完成一次或多次总线操作后，断开发 送者与接收者之间的连接关系，放弃对总线的占有权。
例：信道带宽W=3KHz，信噪比为10dB（S/N=10)，则 C=3000*log2(1+10) ≈10380bps 如果信噪比提高为20dB（S/N=100)，则 C=3000*log2(1+100) ≈19980bps
1. 增加带宽也可以提高信道容量。但噪声功率N=Wn0(n0为噪声的 单边功率谱密度）。随着W增大，N增大，会导致信噪比降低。 2. 在信道容量一定时，带宽与信噪比之间可以相互弥补。即提高信 道带宽可使具有更低信噪比的信号得以通过，而传输信噪比比较高 的信号时，可适当放宽对信道带宽的要求。
数据通信基础
现场总线
2.1 基本术语 1. 总线基本术语 总线仲裁（bus arbitration）：总线通信过程中 出现冲突。为解决冲突需要进行总线占有权的仲 裁。
某一时刻只允许一个主设备占有总线，它完成操作后释 放总线占有权，其他主设备才能使用总线； 访问等待时间(access latency):主设备获得总线占有权等 待仲裁的时间； 总线占有期(bus latency):设备占有总线的时间。
位（bit）/秒
可度量通信系统每秒传送的信息量。二进制信号的信息速率用每 秒比特（bit/s,bps,b/s）作单位。如比特率为9600bps意味着每秒 可传输9600个二进制脉冲。当信道一定时，信息速率越高，有 效性越好。
现场总线的原理
现场总线的原理
现场总线是一种用于数据通信的串行通信协议，常用于工业自动化系统中。
其原理是通过单一的总线连接多个设备，实现设备间的数据交换和通信。
在现场总线中，各个设备都被分配一个唯一的地址，通过总线进行数据传输。
发送设备将数据打包成数据帧，然后通过总线发送给接收设备。
接收设备通过识别数据帧中的地址，确定是否接收该数据。
如果接收设备的地址与数据帧的目标地址匹配，则接收设备可以读取数据，反之则忽略该数据。
为了保证数据传输的可靠性，在现场总线中通常采用校验机制，如循环冗余校验（CRC）。
发送设备在发送数据帧之前，会
对数据进行校验生成校验码，并将校验码附加在数据帧中。
接收设备在接收到数据帧后，会对接收到的数据进行校验，如果校验失败，则说明数据传输发生错误，需要重新发送。
此外，现场总线还可以支持多主机的操作。
每个设备都可以在总线上发送数据，但是在同一时间只有一个设备可以控制总线。
设备之间通过冲突检测机制来避免同时发送数据引起的冲突。
总的来说，现场总线的原理是通过统一的总线连接多个设备，实现设备之间的数据交换和通信。
通过地址识别、校验机制和冲突检测等技术手段，实现了数据的可靠传输和多设备的并行操作。
工业自动化通信基础
Modbus协议目前有用于串口、以太网以及其他支持互联网协议的网络版 本，大多数Mobus设备通讯通过串口EIA-485物理层进行。
在一个Modbus通信系统中只能选择一种模式，不允许两种模式混合使用， 即设置为RTU通信方式的节点不会和设置为ASCII通信方式的节点进行通信， 反之亦然。通信系统选用哪种传输模式可由主设备来选择。 Modbus RTU 是一种较为理想的通信协议，也得到了广泛应用，常见的通信效 率为9600bit/s和1920bit/s。
性能特点： （1）高速度、大容量的数据传送 （2）多种拓扑结构 （3）CC-Link使分布控制成为可能 （4）自动刷新功能、预约站功能 （5）完善的RAS功能 （6）优异的抗噪性能和兼容性 （7）互操作性和即插即用 （8）瞬时传送功能 通信形式：分为循环通信和瞬时传送
第一章：通信基础
5.Modbus
（4）工业网络器件的供电通常是采用柜内低压直流电源标准，大多的工 业环境中控制柜内所需的电源为低压直流24V。
（5）采用标准导轨，安装方便，适用于工业环境安装的要求。工业网络 器件要能方便的安装在工业现场控制柜内，并容易更换
第一章：通信基础
7.PROFIBUS
Profibus是过程现场总线的简称，是面向工厂自动化和流程自动化的一 种国际性现场总线标准，1987年由西门子、ABB等13家公司和5家研究机构按照 ISO/OSI参考模型联合开发并制定。是一种用于工厂自动化车间级监控和现场 设备层数据通信与控制的现场总线技术，可实现现场设备层到车间级监控的分 散式数字控制和现场通信网络，从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化 提供了可行的解决方案。
CAN-bus现场总线基础教程【第1章】现场总线CAN-bus-CAN-bu数据链路层(3)
文库资料 ©2017 Guangzhou ZHIYUAN Electronics Stock Co., Ltd.第1章 现场总线CAN-bus1.1 CAN-bus 数据链路层我们已经知道物理层实现了信号的传输，那么信号是如何运送数据的、多个节点同时发送时怎么办、如何保证数据的可靠性、发生错误时怎么办、以及发送与接收目标如何选择呢？这些工作都是在数据链路层完成的。
1.1.1 CAN 帧类型CAN-bus 通信是通过五种类型的帧进行的，它们分别是数据帧、远程帧、错误帧、过载帧和帧间隔，其种类及用途如表1.1所示。
表1.1 帧的种类及用途1.1.2 数据帧CAN-bus 的用途就是在各个节点之间建立起交换数据的桥梁，数据帧就像卡车一样，承担了运送数据的功能。
目前使用最广泛的CAN-bus 标准是V2.0版本，该标准在发布之初就制定了A 和B 两部分，称为CAN2.0A 和CAN2.0B 。
这两个部分的主要区别是仲裁区域的ID 码长度不同，CAN2.0A 为11位ID ，称为标准帧。
CAN2.0B 为29位ID ，称为扩展帧。
这两种标准的设备一般不会在同一个物理网络中混合使用。
数据帧由7个段组成，帧结构如图1.1所示，各段的结构如图1.2所示，作用如表1.2所示。
帧起始控制段数据段CRC 段应答段帧结束图1.1 数据帧结构文库资料 ©2017 Guangzhou ZHIYUAN Electronics Stock Co., Ltd.图1.2 数据帧各段组成 表1.2 数据帧各段功能1． 帧起始表示数据帧的开始，由单个显性位构成，在总线空闲时才允许发送。
所有节点必须同步于首先开始发送帧的起始位。
2． 仲裁段我们知道一个CAN-bus 线缆上会挂接很多CAN 节点，它们都可以主动发送报文。
我们可以想象如果在同一时刻有多个节点同时发送数据帧，则可能出现数据互相干扰的问题，就像一条铁轨不能在同一时刻跑多列火车一样。
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。
现场总线及通讯协议
现场总线及通讯协议现场总线的现状和未来发展一、引言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(field bus)是指现场仪表和数字控制系统输入输出之间的全数字化、双向、多站的通讯系统。
二、现场总线的产生纵观控制系统的发展史，不难发现，每一代新的控制系统推出都是针对老一代控制系统存在的缺陷而给出的解决方案，最终在用户需求和市场竞争两大外因的推动下占领市场的主导地位，现场总线和现场总线控制系统的产生也不例外。
1、模拟仪表控制系统模拟仪表控制系统于六七十年代占主导地位。
其显著缺点是：模拟信号精度低，易受干扰。
2、集中式数字控制系统集中式数字控制系统于七八十年代占主导地位。
采用单片机、PLC、SLC 或微机作为控制器，控制器内部传输的是数字信号，因此克服了模拟仪表控制系统中模拟信号精度低的缺陷，提高了系统的抗干扰能力。
集中式数字控制系统的优点是易于根据全局情况进行控制计算和判断，在控制方式、控制机时的选择上可以统一调度和安排；不足的是，对控制器本身要求很高，必须具有足够的处理能力和极高的可靠性，当系统任务增加时，控制器的效率和可靠性将急剧下降。
3、集散控制系统（DCS）集散控制系统（DCS）于八、九十年代占主导地位。
其核心思想是集中管理、分散控制，即管理与控制相分离，上位机用于集中监视管理功能，若干台下位机下放分散到现场实现分布式控制，各上下位机之间用控制网络互连以实现相互之间的信息传递。
因此，这种分布式的控制系统体系结构有力地克服了集中式数字控制系统中对控制器处理能力和可靠性要求高的缺陷。
在集散控制系统中，分布式控制思想的实现正是得益于网络技术的发展和应用，遗憾的是，不同的DCS厂家为达到垄断经营的目的而对其控制通讯网络采用各自专用的封闭形式，不同厂家的DCS系统之间以及DCS与上层Intranet、Internet信息网络之间难以实现网络互连和信息共享，因此集散控制系统从该角度而言实质是一种封闭专用的、不具可互操作性的分布式控制系统且DCS造价昂贵。
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现场总线拓扑结构
星型
传输介质类型
传输介质
有线传输介质
无线传输介质
双绞线 同轴电缆 光纤
微波 卫星通信 红外线等
非 屏细 粗 单 多 屏 蔽 蔽缆 缆 模 模
传输介质比较
现场总线的特点
全数字通信 多分支结构 系统的开放性 交互性 现场设备的智能化和功能自治性 系统结构的高度分散性 对现场环境的高度适应性 多为短帧传送，实时性强，可靠性高，安
风险高度集中
控制系统体系结构演变
4、集散控制系统（DCS）
随着计算机可靠性的提高和价格的下降，自控领域 又出现了新型控制方案——集散控制系统，它由数 字调节器、可编程控制器（PLC）以及多台计算机 构成，当一台计算机出故障时，其他计算机立即接 替该计算机的工作，使系统继续正常运行。在集散 系统中系统的风险被分散到多台计算机承担，避免 了集中控制系统的高风险，提高了系统的可靠性。 因此，它被工业生产过程广泛接受，这就是今天正 在被许多企业采用的DCS系统。在DCS系统中，测 量仪表、变送器一般为模拟仪表，控制器多为数字 式，因而它又是一种模拟数字混合系统。
控制层
支持I/O信息，报文的传输和诊断功能 开放性技术 能够设置信息的优先级 支持多主、广播和点对点 (Peer-to-Peer) 的通信方式 高速I/O信息和报文的传送 有效地数据共享 确定性和可重复性 (Determinism & Repeatability)
设备层
有类似于控制层的要求，但更强调降低安装费用、系统调试时间。
与信息网络的集成； DCS、FCS均属控制网络的范畴。
控制系统体系结构演变
控制器
远程传感器 和执行机构
集中控制
工控机
控制器 . . . 控制器
远程传感器 和执行机构
集散控制
现场总线 智能自治节点
现场总线控制
控制系统测控能力
现场智能仪表内部结构模型
4～20mA标准
现场总线标准
现场总线拓扑结构
封闭
控制系统体系结构演变
5、现场总线控制系统（FCS）
现场总线控制系统突破了DCS通信由专用网络的 封闭系统来实现所造成的缺陷，把基于封闭、专 用的解决方案变成了基于公开化、标准化的解决 方案，即可以将来自不同厂商而遵守同一协议规 范的自动化设备通过现场总线控制系统把DCS集 中与分散结合的集散系统结构变成了新型全分布 式系统结构，把控制功能彻底下放到现场。
控制系统体系结构演变
2、模拟仪表控制系统（PCS、ACS）
60年代至70年代后期，先后出现了以电子管、晶 体管、集成电路为核心的气动和电动单元组合式仪 表两大系列。它们分别以压缩空气和直流电源作为 动力，用于对防爆要求较高的化工生产和其他行业， 防爆等级为本质安全型，并以气压信号0.02MPa～ 0.1MPa，直流电流信号0mA～10mA、4mA～ 20mA，直流电压信号0V～5V，1V～5V等作为仪 表的标准信号，在仪表内部实行电压并联传输，外 部实行电流串联传输，以减小传输过程的干扰。
控制系统体系结构演变
3、集中式数字控制系统（CCS）
模拟信号的传递需要一对一的物理连接，信号变化缓慢， 提高计算速度与精度的开销、难度都较大，信号传输的 抗干扰能力也较差，因此，80年代初人们开始寻求用数 字信号取代模拟信号，研制出直接数字控制（Direct Digit Control，DDC）系统，用数字计算机代替控制室内 的仪表来完成控制系统功能。由于数字计算机价格昂贵， 人们总是用一台计算机取代控制室的所有仪表，于是出 现了集中式数字控制系统。这样，解决了信号传输及抗 干扰问题。
全性好 低带宽
信息化与自动化层次
信息层 控制层 设备层
各类局域网802（IEEE），TCP/IP
实现控制系统网络化，容许符合标准的设备 方便接入。
传感器、I/O部件、变送器、阀门、驱动器 等，各设备厂商遵循公认的标准，设备可互 操作。
三层网络的特点
信息层（管理层）
高速报文传送 高容量数据共享
大部分是一对一 一般要求
控制网络的技术特点
要求有高实时性与良好的时间确定性； 传送信息多为短帧信息，且信息变换频繁； 容错能力强，可靠性、安全性好； 网络协议简单实用，工作效率高； 网络结构具有高度分散性； 控制设备的智能化与控制功能的自治性高； 与信息网络之间有高效率的通信，易于实现
控制系统体系结构演变
控制系统体系结构演变
1、初级控制系统
20世纪50年代以前，由于工业生产规模较小，各 类检测、控制仪表处于发展的初级阶段，生产设备 以机械设备为主，所用的设备主要是安装在生产现 场、具有简单测控功能的基地式仪表，信号基本上 都是在本仪表内起作用（主要是显示功能），一般 不能传送给别的仪表或系统，各测控点为封闭状态， 无法与外界沟通信息，操作人员只能通过对生产现 场的巡检来了解生产过程的运行状况。
现场总线具有较高的测控性能，一是得益于仪表 的智能化，二是得益于设备的通信化。
控制网络 vs. 信息网络
数据传输
传输的及时性、 响应的实时性
完整性 可靠性 通信方式
互操作性
控制网络 0.01~0.5s
恶劣环境也能保证 可广播或组播 必须解决
信息网络 2.0~6.0s （大部分甚至可忽略）
非恶劣环境
现场总线系统设计
现场总线概念
定义：现场总线（Fieldbus）是指将现场设备（如 数字传感器、变送器、仪表与执行机构等）与工业 过程控制单元、现场操作站等互连而成的计算机网 络，具有全数字化、分散、双向传输和多分支的特 点，是工业控制网络向现场级发展的产物。
自控领域的局域网，控制现场的底层网络。
典型现场总线简介
基金会现场总线（Foundation Fieldbus，FF）
1994年，由ISP和WorldFIP两大集团合并成立现场总 线基金会，拥有120多个成员如AB、ABB、Honeywell 等。
采用 ISO/OSI物பைடு நூலகம்层，数据链路层和应用层，增加了 用户层。
有低速（H1，31.25kb/s,200m，400m，1200m， 1900m）与高速（H2，1Mbps, 2.5Mpbs,750m,500m ）之分，H2逐渐被HSE（100Mb/s，甚至更高）取代。