01 现场总线技术概述
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阶段（成熟期）（1980—1985年） ）（ 年 系统硬件和软件技术的不断更新，系统功能 得到扩大或增强； 操作管理及监督范围的扩大，提高了综合管 理信息的能力； 显示屏分辨率及色彩的提高；
现场总线控制系统
多个处理器技术和冗余技术应用发展。 特别是在数据通信方面采用了局域网。 第二代典型产品（公司）： Honeywell公司的TDC3000 西屋公司的WDPF ABB公司的MASTER
现场总线控制系统
美国Foxboro公司在1987年推出的I/AS系统标 志着集散控制系统进入了第三代 其他代表产品: Honeywell公司的带有UCD网的TDC3000 横河公司带有SV-NET网的CENTUM-XL
现场总线控制系统
4. 第四阶段（网络开放期）（ 第四阶段（网络开放期）（1990年以后） 年以后） ）（ 年以后 管控一体化，硬件上采用了开放式的工作站， 使用RISC代替CISC，采用了客户机/服务器的 结构； 开放性、可操作性、互相联系、共享资源及 运行第三方软件等已成为各制造厂家生产分 布式控制系统的标准；
管理级属于厂级，可分成实时监控和日常管 理两部分。 实时监控是全厂各机组和公用辅助工艺系统 的运行管理层，承担全厂性能监视、运行优 化、全厂负荷分配和日常运行管理等任务， 主要为值长服务。 日常管理承担全厂的管理决策、计划管理、 行政管理等任务，主要是为厂长和各管理部 门服务。
现场总线控制系统
对管理计算机的要求： 对管理计算机的要求： 能够对控制系统做出高速反应的实时操作系 统。大量数据的高速处理与存储，能够连续 运行可冗余的高可靠性系统，能够长期保存 生产数据，并且具有优良的、高性能的、方 便的人机接口，丰富的数据库管理软件，过 程数据收集软件，人机接口软件以及生产管 理系统生成等工具软件，实现整个工厂的网 络化和计算机的集成化。
比较分散控制系统和分布控制系统
结构相似：分层、子系统、联系 不同：（1）采用的技术不同； （2）各子系统有密切联系和信息交换， 系统对各子系统的总体目标和任务进行协调 和分配。 分布控制系统也是多机系统，严格地说是分 散控制系统的一种。
分布控制系统典型结构
今天的分布控制系统已经不是过去的模 拟控制系统，而是计算机技术的数字控制 系统；今天的集中手段不仅依靠指示仪表 、记录仪表和操作开关，而是采用先进的 CRT显示设备、打印机和键盘。
现场总线控制系统
（2）工程师工作站 为控制工程师对分散控制系统进行配置、组 态、调试、维护所设置的工作站。 对各种设计文件进行归类和管理，形成各种 设计文件，例如，各种图纸、表格等。 工程师工作站组成：由PC机配置一定数量的 外部设备所组成，如打印机、绘图机等。
现场总线控制系统
（3）计算站 对生产过程进行监督控制，例如机组运行优 化和性能计算，先进控制策略的实现等。(由 于计算站的主要功能是完成复杂的数据处理 和运算功能，因此，对它的要求主要是运算 能力和运算速度。) 组成：超级微型机或小型机
现场总线控制技术
考核方式 平时（考勤、作业） 平时（考勤、作业） 40% 60% 期末考试
第一章
现场总线技术概述
主要内容
1.1 自动控制系统的发展 1.2 分布式控制系统简介 现场总线控制系统（FCS） 1.3 现场总线控制系统（FCS） 1.4 现场总线标准的建立 1.5 现场总线的现状
1.1 自动控制系统的发展
1.2.2 分布式控制系统结构
从系统的组成结构分析，它们都是由三部分 组成（硬件组成）： 分散过程控制装置部分 操作管理装置部分 通信系统部分
现场总线控制系统
（1）分散过程控制装置部分 由多回路控制器、多功能控制器、可 编程序逻辑控制器及数据采集装置等组成。 主要功能是分散的过程控制，是系统 与过程之间的接口。其结构特征如下： 需适应恶劣的工业生产过程环境 分散控制 实时性 独立性
现场总线控制系统
运行人员通过运行员操作站来监视和控制整 个生产过程(运行人员可以在运行员操作站上 观察生产过程的运行情况，读出每一个过程 变量的数值和状态，判断每个控制回路是否 工作正常，并且可以随时进行手动/自动控制 方式的切换，修改给定值，调整控制量，操 作现场设备,以实现对生产过程的干预。另外 还可以打印各种报表，拷贝屏幕上的画面和 曲线等)
现场总线控制系统
（2）集中操作和管理系统部分
该部分的主要功能是汇集各分散过程控制装置 送来的信息，通过监视和操作，把操作和命令 下送各分散控制装置。信息用于分析、研究、 打印、存储并作为确定生产计划、调度的依据。 特征：信息量大、易操作、容错性好等。 主要由操作站、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。
现场总线控制系统
（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。 特点：实时性好、动态响应快，可靠性高，适 应性强等。 对通信系统的要求除了传输速率和传输距离外， 还有开放性，所谓“开放性”，就是允许不同 厂商的DCS互相通信，各厂商产品的通信应符合 国际标准。
现场总线控制系统
4. 管理级 厂级管理计算机,或是若干个机组的管理计算 机。使用者是厂长、经理、总工程师、值长 等行政管理或运行管理人员。 主要任务：监测企业各部分的运行情况，利 用历史数据和实时数据预测可能发生的各种 情况，从企业全局利益出发辅助企业管理人 员进行决策，帮助企业实现其规划目标。
现场总线控制系统
分 布 式 控 制 系 统
以满足现代化工业生产和日益复杂的控制对 象的要求为前提，从生产综合自动化的角度 出发，将微处理器作为核心的集中分散控制 系统。它是利用控制技术（Control）、计算 机技术（Computer）、通信技术 （Communication）和阴极射线管（CRT）显 示技术——4C技术，对生产过程进行集中监 视、操作、管理和分散控制的新型控制系统。 又称集散控制系统（Total Distributed Control System，TDCS） 。 主要特点：集中管理、分散控制。
集中控制系统
控制 计算机
基本 控制 过程 1
基本 控制 过程 2
基本 控制 过程 3
基本 控制 过程 4
基本 控制 过程 5
集中控制系统的概念
单机系统，用一台计算机对多个对象或 设备进行集中管理和集中控制，有时称 为“群控”。
分散控制系统
多机系统，多台计算机分别控制不同的对象 或设备，各自构成子系统，各子系统间有通 信或网络互联的关系。从整个系统来说，在 功能上、逻辑关系上、物理上以及地理位置 上都是分散的。以计算机网络为组成核心的 控制系统都是分散式系统。
自动控制系统的发展史
自动控制系统的发展史
自动控制系统的发展史
自动控制系统的发展史
自动控制系统的发展史
总结： 总结： 控制系统的发展历史 (循环) 30年代初期 分散控制→ 年代初期： 1. 30年代初期：分散控制 (控制分散、 管理分散) 30年代末期 集中控制→ 年代末期： 2. 30年代末期：集中控制 (控制分散、管理集中) 50年代末60年代初 集中控制→ 年代末60年代初： 3. 50年代末60年代初：集中控制 (控制集中、控制集中) 70年代 年代: 4. 70年代:分布控制 (控制分散、管理集中)
分布控制系统典型结构
现场总线控制系统
现场总线控制系统
1.现场级 1.现场级 ： 现场级设备：传感器、变送器和执行器 现场级设备 现场级的信息传递 信息传递方式： 信息传递 （1）传统的4～20mA 模拟量传输方式 （2）现场总线的全数字量传输方式 （3）在4～20mA模拟量信号上，叠加上调制 后的数字量信号的混合传输方式 现场信息传递 传递方式发展方向：以现场总线为 传递 基础的全数字传输
现场总线控制技术 （Field Bus Control Technology ）
现场总线控制技术
学 习 目 标
知识点：
掌握现场总线控制系统的基本概念及技术特 点 DCS系统和 FCS系统的特点及其它们之间的 系统和FCS ● 对 DCS 系统和 FCS 系统的特点及其它们之间的 差异和联系有清晰的理解和认识 了解目前自控领域常用的、 ● 了解目前自控领域常用的 、 有影响力的几种 现场总线技术， 它们的组成、 通信协议、 现场总线技术 ， 它们的组成 、 通信协议 、 工 作原理及应用规范。 作原理及应用规范。 ●了解现场总线控制系统的构成 了解CAN CAN现场总线系统的构成及技术特点 ●了解CAN现场总线系统的构成及技术特点 ●了解CAN现场总线系统设计上需要注意的问题 了解CAN现场总线系统设计上需要注意的问题 CAN 结合实例理解CAN CAN现场总线系统在实际生活中 ●结合实例理解CAN现场总线系统在实际生活中 的应用 掌握分布式控制系统的基本概念及体系结构， ●掌握分布式控制系统的基本概念及体系结构，
现场总线控制系统
3. 第三阶段（扩展期）（ 第三阶段（扩展期）（1985年以后） 年以后） ）（ 年以后 主要特征：开放系统 系统的通信功能增强，通信标准符合国际标 准组织的ISO的OSI开放系统互连的参考模型， 各不同制造厂家的产品可以进行数据通信， 克服了第二代集散控制系统在应用过程中出 现的“自动化孤岛”等困难。此外，系统的 软件和控制功能也有所增强。
现场总线控制系统
3. 监控级 主要设备：运行员操作站、工程师工作 站和计算站。 运行员操作站安装在中央控制室 工程师工作站和计算站一般安装在电子 设备室
现场总线控制系统
(1)运行员操作站 运行员与分布式控制系统交换信息的人 机接口。 运行员操作站组成：一台具有较强图形 处理功能的微型机，以及相应的外部设 备，一般配有CRT显示器、大屏幕显示装 置 (选件)、打印机、拷贝机、键盘、鼠 标或球标。
现场总线控制系统
控制级： 2. 控制级：过程控制站和数据采集站 （1）过程控制站 过程控制站 接收由现场设备（如传感器、变送器） 来的信号，按照一定的控制策略计算出 所需的控制量，并送回到现场的执行器 中去。 可同时完成连续控制、顺序控制或逻辑 控制功能。
现场总线控制系统
（2）数据采集站 数据采集站 接收由现场设备送来的信号，并进行一 些必要的转换和处理之后送到分布式控 制系统中的其他部分，如监控级设备。 数据采集站接收大量的过程信息，并通 过监控级设备传递给运行人员。 不直接完成控制功能，这是它与过程控 制站的主要区别。
现场总线控制系统
在软件上则采用UNIX系统和X-Windows的图 形界面，系统的软件更丰富; 计算机集成制造(CIMS)系统得到了应用。 第四代代表产品： Honeywell公司的TPS控制系统 横河公司的CENTUM-CS Foxboro公司的I/AS50/51控制系统 ABB公司Advant系列OCS开放控制系统
现场总线控制系统
1.2 分布式控制系统
1.2.1 分布式控制系统的发展 （四个历史阶段）
1. 第一阶段（初创期）（1975—1980年） 第一阶段（初创期）（1975—1980年 ）（1975 基本特点：集中管理、分散控制；融入4C技 术，数据通信系统为初级局域网。
现场总线控制系统
分布控制系统是1975年首先由美国霍尼威尔 （Honeywell）公司推出 第一代典型产品（公司）： Honeywell公司的TDC2000 Foxboro公司的SPECTRUM 横河公司的CENTEM 西门子(Siemens)公司的TELEPERM M
现场总线控制系统
从网络层次划分：自下而上四个不同的层次（ 从网络层次划分：自下而上四个不同的层次（对应 四层计算机网络） 四层计算机网络）:
现场级：现场网络Fnet(Field Network) 现场级 控制级：控制网络Cnet(Conuol Network) 控制级 监 控 级 ： 监 控 网 络 Snet(Super Vision Network) 管 理 级 ： 管 理 网 络 Mnet(Management Network)
现场总线控制系统
多个处理器技术和冗余技术应用发展。 特别是在数据通信方面采用了局域网。 第二代典型产品（公司）： Honeywell公司的TDC3000 西屋公司的WDPF ABB公司的MASTER
现场总线控制系统
美国Foxboro公司在1987年推出的I/AS系统标 志着集散控制系统进入了第三代 其他代表产品: Honeywell公司的带有UCD网的TDC3000 横河公司带有SV-NET网的CENTUM-XL
现场总线控制系统
4. 第四阶段（网络开放期）（ 第四阶段（网络开放期）（1990年以后） 年以后） ）（ 年以后 管控一体化，硬件上采用了开放式的工作站， 使用RISC代替CISC，采用了客户机/服务器的 结构； 开放性、可操作性、互相联系、共享资源及 运行第三方软件等已成为各制造厂家生产分 布式控制系统的标准；
管理级属于厂级，可分成实时监控和日常管 理两部分。 实时监控是全厂各机组和公用辅助工艺系统 的运行管理层，承担全厂性能监视、运行优 化、全厂负荷分配和日常运行管理等任务， 主要为值长服务。 日常管理承担全厂的管理决策、计划管理、 行政管理等任务，主要是为厂长和各管理部 门服务。
现场总线控制系统
对管理计算机的要求： 对管理计算机的要求： 能够对控制系统做出高速反应的实时操作系 统。大量数据的高速处理与存储，能够连续 运行可冗余的高可靠性系统，能够长期保存 生产数据，并且具有优良的、高性能的、方 便的人机接口，丰富的数据库管理软件，过 程数据收集软件，人机接口软件以及生产管 理系统生成等工具软件，实现整个工厂的网 络化和计算机的集成化。
比较分散控制系统和分布控制系统
结构相似：分层、子系统、联系 不同：（1）采用的技术不同； （2）各子系统有密切联系和信息交换， 系统对各子系统的总体目标和任务进行协调 和分配。 分布控制系统也是多机系统，严格地说是分 散控制系统的一种。
分布控制系统典型结构
今天的分布控制系统已经不是过去的模 拟控制系统，而是计算机技术的数字控制 系统；今天的集中手段不仅依靠指示仪表 、记录仪表和操作开关，而是采用先进的 CRT显示设备、打印机和键盘。
现场总线控制系统
（2）工程师工作站 为控制工程师对分散控制系统进行配置、组 态、调试、维护所设置的工作站。 对各种设计文件进行归类和管理，形成各种 设计文件，例如，各种图纸、表格等。 工程师工作站组成：由PC机配置一定数量的 外部设备所组成，如打印机、绘图机等。
现场总线控制系统
（3）计算站 对生产过程进行监督控制，例如机组运行优 化和性能计算，先进控制策略的实现等。(由 于计算站的主要功能是完成复杂的数据处理 和运算功能，因此，对它的要求主要是运算 能力和运算速度。) 组成：超级微型机或小型机
现场总线控制技术
考核方式 平时（考勤、作业） 平时（考勤、作业） 40% 60% 期末考试
第一章
现场总线技术概述
主要内容
1.1 自动控制系统的发展 1.2 分布式控制系统简介 现场总线控制系统（FCS） 1.3 现场总线控制系统（FCS） 1.4 现场总线标准的建立 1.5 现场总线的现状
1.1 自动控制系统的发展
1.2.2 分布式控制系统结构
从系统的组成结构分析，它们都是由三部分 组成（硬件组成）： 分散过程控制装置部分 操作管理装置部分 通信系统部分
现场总线控制系统
（1）分散过程控制装置部分 由多回路控制器、多功能控制器、可 编程序逻辑控制器及数据采集装置等组成。 主要功能是分散的过程控制，是系统 与过程之间的接口。其结构特征如下： 需适应恶劣的工业生产过程环境 分散控制 实时性 独立性
现场总线控制系统
运行人员通过运行员操作站来监视和控制整 个生产过程(运行人员可以在运行员操作站上 观察生产过程的运行情况，读出每一个过程 变量的数值和状态，判断每个控制回路是否 工作正常，并且可以随时进行手动/自动控制 方式的切换，修改给定值，调整控制量，操 作现场设备,以实现对生产过程的干预。另外 还可以打印各种报表，拷贝屏幕上的画面和 曲线等)
现场总线控制系统
（2）集中操作和管理系统部分
该部分的主要功能是汇集各分散过程控制装置 送来的信息，通过监视和操作，把操作和命令 下送各分散控制装置。信息用于分析、研究、 打印、存储并作为确定生产计划、调度的依据。 特征：信息量大、易操作、容错性好等。 主要由操作站、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。
现场总线控制系统
（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。 特点：实时性好、动态响应快，可靠性高，适 应性强等。 对通信系统的要求除了传输速率和传输距离外， 还有开放性，所谓“开放性”，就是允许不同 厂商的DCS互相通信，各厂商产品的通信应符合 国际标准。
现场总线控制系统
4. 管理级 厂级管理计算机,或是若干个机组的管理计算 机。使用者是厂长、经理、总工程师、值长 等行政管理或运行管理人员。 主要任务：监测企业各部分的运行情况，利 用历史数据和实时数据预测可能发生的各种 情况，从企业全局利益出发辅助企业管理人 员进行决策，帮助企业实现其规划目标。
现场总线控制系统
分 布 式 控 制 系 统
以满足现代化工业生产和日益复杂的控制对 象的要求为前提，从生产综合自动化的角度 出发，将微处理器作为核心的集中分散控制 系统。它是利用控制技术（Control）、计算 机技术（Computer）、通信技术 （Communication）和阴极射线管（CRT）显 示技术——4C技术，对生产过程进行集中监 视、操作、管理和分散控制的新型控制系统。 又称集散控制系统（Total Distributed Control System，TDCS） 。 主要特点：集中管理、分散控制。
集中控制系统
控制 计算机
基本 控制 过程 1
基本 控制 过程 2
基本 控制 过程 3
基本 控制 过程 4
基本 控制 过程 5
集中控制系统的概念
单机系统，用一台计算机对多个对象或 设备进行集中管理和集中控制，有时称 为“群控”。
分散控制系统
多机系统，多台计算机分别控制不同的对象 或设备，各自构成子系统，各子系统间有通 信或网络互联的关系。从整个系统来说，在 功能上、逻辑关系上、物理上以及地理位置 上都是分散的。以计算机网络为组成核心的 控制系统都是分散式系统。
自动控制系统的发展史
自动控制系统的发展史
自动控制系统的发展史
自动控制系统的发展史
自动控制系统的发展史
总结： 总结： 控制系统的发展历史 (循环) 30年代初期 分散控制→ 年代初期： 1. 30年代初期：分散控制 (控制分散、 管理分散) 30年代末期 集中控制→ 年代末期： 2. 30年代末期：集中控制 (控制分散、管理集中) 50年代末60年代初 集中控制→ 年代末60年代初： 3. 50年代末60年代初：集中控制 (控制集中、控制集中) 70年代 年代: 4. 70年代:分布控制 (控制分散、管理集中)
分布控制系统典型结构
现场总线控制系统
现场总线控制系统
1.现场级 1.现场级 ： 现场级设备：传感器、变送器和执行器 现场级设备 现场级的信息传递 信息传递方式： 信息传递 （1）传统的4～20mA 模拟量传输方式 （2）现场总线的全数字量传输方式 （3）在4～20mA模拟量信号上，叠加上调制 后的数字量信号的混合传输方式 现场信息传递 传递方式发展方向：以现场总线为 传递 基础的全数字传输
现场总线控制技术 （Field Bus Control Technology ）
现场总线控制技术
学 习 目 标
知识点：
掌握现场总线控制系统的基本概念及技术特 点 DCS系统和 FCS系统的特点及其它们之间的 系统和FCS ● 对 DCS 系统和 FCS 系统的特点及其它们之间的 差异和联系有清晰的理解和认识 了解目前自控领域常用的、 ● 了解目前自控领域常用的 、 有影响力的几种 现场总线技术， 它们的组成、 通信协议、 现场总线技术 ， 它们的组成 、 通信协议 、 工 作原理及应用规范。 作原理及应用规范。 ●了解现场总线控制系统的构成 了解CAN CAN现场总线系统的构成及技术特点 ●了解CAN现场总线系统的构成及技术特点 ●了解CAN现场总线系统设计上需要注意的问题 了解CAN现场总线系统设计上需要注意的问题 CAN 结合实例理解CAN CAN现场总线系统在实际生活中 ●结合实例理解CAN现场总线系统在实际生活中 的应用 掌握分布式控制系统的基本概念及体系结构， ●掌握分布式控制系统的基本概念及体系结构，
现场总线控制系统
3. 第三阶段（扩展期）（ 第三阶段（扩展期）（1985年以后） 年以后） ）（ 年以后 主要特征：开放系统 系统的通信功能增强，通信标准符合国际标 准组织的ISO的OSI开放系统互连的参考模型， 各不同制造厂家的产品可以进行数据通信， 克服了第二代集散控制系统在应用过程中出 现的“自动化孤岛”等困难。此外，系统的 软件和控制功能也有所增强。
现场总线控制系统
3. 监控级 主要设备：运行员操作站、工程师工作 站和计算站。 运行员操作站安装在中央控制室 工程师工作站和计算站一般安装在电子 设备室
现场总线控制系统
(1)运行员操作站 运行员与分布式控制系统交换信息的人 机接口。 运行员操作站组成：一台具有较强图形 处理功能的微型机，以及相应的外部设 备，一般配有CRT显示器、大屏幕显示装 置 (选件)、打印机、拷贝机、键盘、鼠 标或球标。
现场总线控制系统
控制级： 2. 控制级：过程控制站和数据采集站 （1）过程控制站 过程控制站 接收由现场设备（如传感器、变送器） 来的信号，按照一定的控制策略计算出 所需的控制量，并送回到现场的执行器 中去。 可同时完成连续控制、顺序控制或逻辑 控制功能。
现场总线控制系统
（2）数据采集站 数据采集站 接收由现场设备送来的信号，并进行一 些必要的转换和处理之后送到分布式控 制系统中的其他部分，如监控级设备。 数据采集站接收大量的过程信息，并通 过监控级设备传递给运行人员。 不直接完成控制功能，这是它与过程控 制站的主要区别。
现场总线控制系统
在软件上则采用UNIX系统和X-Windows的图 形界面，系统的软件更丰富; 计算机集成制造(CIMS)系统得到了应用。 第四代代表产品： Honeywell公司的TPS控制系统 横河公司的CENTUM-CS Foxboro公司的I/AS50/51控制系统 ABB公司Advant系列OCS开放控制系统
现场总线控制系统
1.2 分布式控制系统
1.2.1 分布式控制系统的发展 （四个历史阶段）
1. 第一阶段（初创期）（1975—1980年） 第一阶段（初创期）（1975—1980年 ）（1975 基本特点：集中管理、分散控制；融入4C技 术，数据通信系统为初级局域网。
现场总线控制系统
分布控制系统是1975年首先由美国霍尼威尔 （Honeywell）公司推出 第一代典型产品（公司）： Honeywell公司的TDC2000 Foxboro公司的SPECTRUM 横河公司的CENTEM 西门子(Siemens)公司的TELEPERM M
现场总线控制系统
从网络层次划分：自下而上四个不同的层次（ 从网络层次划分：自下而上四个不同的层次（对应 四层计算机网络） 四层计算机网络）:
现场级：现场网络Fnet(Field Network) 现场级 控制级：控制网络Cnet(Conuol Network) 控制级 监 控 级 ： 监 控 网 络 Snet(Super Vision Network) 管 理 级 ： 管 理 网 络 Mnet(Management Network)