现场总线技术概述
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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。
（2）系统开放性、可集成性差 除现场设备采用标准的4~20mA或者24VDC连接，系统其它软、硬 件通常只能使用同一家产品。 不同厂家产品之间缺乏互操作性、互换性，可集成性差。
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
（3）成本高、可靠性差 对于大范围的分布式控制系统，大量的I/O电缆及敷设施工，不仅增加 成本，更是增加了系统的故障点，降低了系统的可靠性。
分散的过程控制，是系统与过程之间的接口。
结构特征：
需适应恶劣的工业生产过程环境 分散控制 实时性 独立性
1.2.1 DCS的结构
2.集中操作和管理系统部分
主要功能
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。)
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
1.模块化控制站+与MAP兼容的宽带、载带局域网+信 息综合管理系统
最新结构的大型集散控制系统，将成为分布式控制 系统的主流结构，也是第三代DCS控制系统的典型结 构。
通过宽带和载带网络，可在很广的地域内应用。 通过现场总线，系统可与现场总线仪表通信和操作，
从而形成真正的开放互连、互操作性的系统。
现场总线设备以外不再需要A/D、D/A转换部件。
1.3.3 现场总线的技术特点
（1）系统的开放性
通信协议公开，各不同厂商的设备之间可实现信息交换。
（2）互可操作性与互用性
互可操作性是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟 通；
互用性则意味着不同制造商性能类似的设备可进行更换， 实现相互替换。
(3)集散控制系统 Distributed Control System
DCS的缺点：
是数字模拟混合系统；
- 现场仪表使用模拟信号
互换性差
- 标准不统一
成本高。
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
出现于20世纪90年代后期 在DCS的基础上进一步数字化 控制功能进一步向下（现场设备）分散 用串行数字化接口代替测量变送仪表和执行机构
Fieldbus Control System
用于过程自动化、制造业自动化、楼宇自动化、家 庭自动化等领域的现场设备互连的通信网络。
本章重点内容
1.1 自动控制系统的发展及体系结构 1.2 DCS结构及分类 1.3 现场总线控制系统 1.4 FCS 与 DCS 1.5 现场总线技术的现状及发展
1.3.3 现场总线的技术特点
（3）现场设备的智能化与功能自治性 将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到
现场总线设备中完成。 （4）系统结构的高度分散性
现场总线已构成一种新的全分散性控制系统的体系结构， 提高了可靠性。 （5）对现场环境的适应性
可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线 等多种传输介质，具有较强的抗干扰能力，采用两线制实现供 电与通信。
1.1 自动控制系统的发展及体系结构
(2)直接数字控制系统 Direct Digital Control System
操作台
AI、DI
计算机
AO、DO
测量变送
被控对象
执行机构
• 用计算机代替模拟控制仪表 • 可实现复杂控制算法和协调控制 • 缺点：控制功能集中导致危险性加大
1.1 自动控制系统的发展及体系结构
1.2.2 DCS的结构分类
2.分散过程控制站+局域网+信息管理系统
由于采用局域网技术，使通信能力增强。 是第二代DCS控制系统的典型结构。 3.分散过程控制站+高速数据公路+操作站+上位机 第一代集散控制系统的典型结构。 经过对操作站、过程控制站、通信系统性能的改善和
扩展，系统的性能已有较大提高。
特征
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。
(3)集散控制系统 Distributed Control System
操作站
通信接口
通信接口
通信介质（线路）
< --- 数字信号 --- >
通信接口
过程控制站1
过程控制站n
测量 执行
< --- 模拟信号 --- >
测量 执行
被控对象1
被控对象n
系统结构
操作站 通信系统 过程控制站
1.1 自动控制系统的发展及体系结构
1.3.2 现场总线控制系统的结构特点
1. 控制功能能够不依赖控制室的计算机或控制仪表， 直接在现场完成，实现了彻底的分散控制。
现场总线控制系统采用了现场总线设备，能够把原来DCS 系统中处于控制室的控制模块、输入输出模块置于设备现 场；
现场总线设备具有通信能力，现场的测量变送仪表可以与 阀门等执行器直接传送信号。
1.3.2 现场总线控制系统的结构特点
1.3.2 现场总线控制系统的结构特点
2. 为简化系统结构、节约硬件设备、节约连接电缆 与各种安装、维护费用创造了条件。
采用数字信号替代模拟信号，因而可实现一对电线上传输 多个信号(包括多个运行参数值、多个设备状态、故障信 息)，同时又为多个现场总线设备提供电源；
(3)集散控制系统 Distributed CHale Waihona Puke Baiduntrol System
出现于20世纪70年代中期 随着大规模集成电路和微处理器的发展和成熟而得
到应用 控制功能分散到多个子系统（控制站） 组成：包括过程控制站、操作站（人机界面）和通
信系统 集中操作、分散控制---集散控制系统
1.1 自动控制系统的发展及体系结构
至今，已经出现了几十种现场总线。
1.2 DCS的结构及其分类
1.2.1 DCS的结构
在系统的组成结构方面，DCS都由三部分组成 （硬件组成）：
分散过程控制装置部分 (集中)操作管理装置部分 通信系统部分
1.2.1 DCS的结构
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：
+
-
被控对象 Y
测量变送仪表
常规模拟单回路调节（控制）系统
调节仪表：输入输出
测量仪表：输出
4~20mADC
执 行 器：输入
1.1 自动控制系统的发展及体系结构
(2)直接数字控制系统 Direct Digital Control System
出现于20世纪60年代初 随着计算机的发展和普及而得到应用 多回路控制：控制功能增强，算法先进 执行机构、测量变送仪表仍采用模拟量 （4~20mA） 需要模/数（A/D）、数/模（D/A）转换 计算机控制生产过程
现场总线技术
Fieldbus Technology
课程简介
教学学时： 24
选用教材：《现场总线技术》 刘泽祥 主编
参考教材：
《现场总线技术及其应用》阳宪惠 主编
《现场总线控制网络技术》雷霖 主编
《现场总线控制》
周明 主编
先修课程：数据通信与网络、PLC、集散控制系统
课程简介
特点：涉及工程概念和设计方法的内容较多，理论内 容较少
（技术规范多，公式推导少） 重点：设计与应用 主要介绍的总线类型：Profibus
考核方式
出勤
平时作业
30%
随堂测试
结课考试
70%
第1章 现场总线技术概述
现场总线是20世纪90年代发展形成的； 现场总线是目前自动化领域研究和应用的热点之一； 现场总线控制系统是现场总线与控制系统的集成
（4）可维护性不高 由于现场级设备信息不全，导致现场级设备的在线故障诊断、报警、记 录功能不强。 另一方面，很难完成现场设备的远程参数设定、修改等参数化功能，影 响了系统的可维护性。 现场总线技术就是为了克服上述缺点而产生和发展的
1.1 自动控制系统的发展及体系结构
现场设备的串行通信接口是现场总线技术的原形
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。
1.2.2 DCS的结构分类
根据分散过程控制装置、集中操作和管理装置和 通信系统的不同结构，DCS控制系统的分类：
1.1 自动控制系统的发展及体系结构
现场总线技术是为了满足控制（测控）系统向 数字化发展的需要而产生的。
数字化的优点：信息量更丰富 控制系统的4个发展阶段：
模拟仪表控制系统； 直接数字控制系统； 集散控制系统； 现场总线控制系统
1.1 自动控制系统的发展及体系结构
(1)模拟仪表控制系统 Analog Control System
1.2.2 DCS的结构分类
4.PLC+通信系统＋操作管理站
在制造业广泛应用的结构，尤其适用于有大量逻辑顺序控制 的过程。
分布式控制系统制造商为适应逻辑顺序控制的特点，现已有 不少产品可以下挂各种PLC，组成PLC+DCS形式，应用于既有 逻辑顺序控制又有连续控制的场合。
5.单回路控制器+通信系统+操作管理站
出现于20世纪50年代之前 基地式仪表：简单测控功能 单元组合式仪表：统一的模拟信号，0.02~0.1MPa，
0~10mA，1~5V，4~20mA 典型的单回路控制系统：控制算法简单
1.1 自动控制系统的发展及体系结构
模拟仪表控制系统 Analog Control System
R
E 模拟调节仪表 U 执行器
行双向数字通信的串行总线系统； 基于智能化仪表及现场总线的控制系统FCS； 一种数字化的串行双向通信系统。
1.3.1 现场总线的定义
IEC（国际电工委员会）定义：
一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设 备与控制装置之间进行双向、串行、多节点、数字 式的数据交换的通信技术。
将单个分散的测控设备作为网络节点，通过现场总线连 接成可以互通信息，共同实现自控任务的网络与控制系统， 使企业的信息交互覆盖到生产现场。
如果设想全部或大部分现场设备都具有串行通信接口并具有统一 的通信协议，控制器只需一根通信电缆就可将分散的现场设备连 接，从而完成对所有现场设备的监控。
产生现场总线技术的初始想法和技术基础
1.1 自动控制系统的发展及体系结构
现场总线技术的产生
基于上述想法，通过使用一根通信电缆，将所有 具有统一的通信协议和通信接口的现场设备连接， 这样，在设备层传递的不再是模拟量信号，而是 基于现场总线的数字化信号，进而构成由数字化 通信网络连接起来的控制系统。
适用于中、小企业的小型集散控制系统结构。
用单回路控制器(或双回路、四回路控制器)作为盘装仪表、 信息的监视由操作管理站或仪表面板实施，有较大灵活性和 较高性价比。
1.3 现场总线的定义及分类
1.3.1 现场总线的定义
现场总线的定义（4种）： 用于现场仪表与控制主机系统之间的一种开放的、
全数字化的、双向、多站的通信系统； 广义上是控制系统与现场检测仪表、执行装置进
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。
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。
（2）系统开放性、可集成性差 除现场设备采用标准的4~20mA或者24VDC连接，系统其它软、硬 件通常只能使用同一家产品。 不同厂家产品之间缺乏互操作性、互换性，可集成性差。
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
（3）成本高、可靠性差 对于大范围的分布式控制系统，大量的I/O电缆及敷设施工，不仅增加 成本，更是增加了系统的故障点，降低了系统的可靠性。
分散的过程控制，是系统与过程之间的接口。
结构特征：
需适应恶劣的工业生产过程环境 分散控制 实时性 独立性
1.2.1 DCS的结构
2.集中操作和管理系统部分
主要功能
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。)
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
1.模块化控制站+与MAP兼容的宽带、载带局域网+信 息综合管理系统
最新结构的大型集散控制系统，将成为分布式控制 系统的主流结构，也是第三代DCS控制系统的典型结 构。
通过宽带和载带网络，可在很广的地域内应用。 通过现场总线，系统可与现场总线仪表通信和操作，
从而形成真正的开放互连、互操作性的系统。
现场总线设备以外不再需要A/D、D/A转换部件。
1.3.3 现场总线的技术特点
（1）系统的开放性
通信协议公开，各不同厂商的设备之间可实现信息交换。
（2）互可操作性与互用性
互可操作性是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟 通；
互用性则意味着不同制造商性能类似的设备可进行更换， 实现相互替换。
(3)集散控制系统 Distributed Control System
DCS的缺点：
是数字模拟混合系统；
- 现场仪表使用模拟信号
互换性差
- 标准不统一
成本高。
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
出现于20世纪90年代后期 在DCS的基础上进一步数字化 控制功能进一步向下（现场设备）分散 用串行数字化接口代替测量变送仪表和执行机构
Fieldbus Control System
用于过程自动化、制造业自动化、楼宇自动化、家 庭自动化等领域的现场设备互连的通信网络。
本章重点内容
1.1 自动控制系统的发展及体系结构 1.2 DCS结构及分类 1.3 现场总线控制系统 1.4 FCS 与 DCS 1.5 现场总线技术的现状及发展
1.3.3 现场总线的技术特点
（3）现场设备的智能化与功能自治性 将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到
现场总线设备中完成。 （4）系统结构的高度分散性
现场总线已构成一种新的全分散性控制系统的体系结构， 提高了可靠性。 （5）对现场环境的适应性
可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线 等多种传输介质，具有较强的抗干扰能力，采用两线制实现供 电与通信。
1.1 自动控制系统的发展及体系结构
(2)直接数字控制系统 Direct Digital Control System
操作台
AI、DI
计算机
AO、DO
测量变送
被控对象
执行机构
• 用计算机代替模拟控制仪表 • 可实现复杂控制算法和协调控制 • 缺点：控制功能集中导致危险性加大
1.1 自动控制系统的发展及体系结构
1.2.2 DCS的结构分类
2.分散过程控制站+局域网+信息管理系统
由于采用局域网技术，使通信能力增强。 是第二代DCS控制系统的典型结构。 3.分散过程控制站+高速数据公路+操作站+上位机 第一代集散控制系统的典型结构。 经过对操作站、过程控制站、通信系统性能的改善和
扩展，系统的性能已有较大提高。
特征
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。
(3)集散控制系统 Distributed Control System
操作站
通信接口
通信接口
通信介质（线路）
< --- 数字信号 --- >
通信接口
过程控制站1
过程控制站n
测量 执行
< --- 模拟信号 --- >
测量 执行
被控对象1
被控对象n
系统结构
操作站 通信系统 过程控制站
1.1 自动控制系统的发展及体系结构
1.3.2 现场总线控制系统的结构特点
1. 控制功能能够不依赖控制室的计算机或控制仪表， 直接在现场完成，实现了彻底的分散控制。
现场总线控制系统采用了现场总线设备，能够把原来DCS 系统中处于控制室的控制模块、输入输出模块置于设备现 场；
现场总线设备具有通信能力，现场的测量变送仪表可以与 阀门等执行器直接传送信号。
1.3.2 现场总线控制系统的结构特点
1.3.2 现场总线控制系统的结构特点
2. 为简化系统结构、节约硬件设备、节约连接电缆 与各种安装、维护费用创造了条件。
采用数字信号替代模拟信号，因而可实现一对电线上传输 多个信号(包括多个运行参数值、多个设备状态、故障信 息)，同时又为多个现场总线设备提供电源；
(3)集散控制系统 Distributed CHale Waihona Puke Baiduntrol System
出现于20世纪70年代中期 随着大规模集成电路和微处理器的发展和成熟而得
到应用 控制功能分散到多个子系统（控制站） 组成：包括过程控制站、操作站（人机界面）和通
信系统 集中操作、分散控制---集散控制系统
1.1 自动控制系统的发展及体系结构
至今，已经出现了几十种现场总线。
1.2 DCS的结构及其分类
1.2.1 DCS的结构
在系统的组成结构方面，DCS都由三部分组成 （硬件组成）：
分散过程控制装置部分 (集中)操作管理装置部分 通信系统部分
1.2.1 DCS的结构
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：
+
-
被控对象 Y
测量变送仪表
常规模拟单回路调节（控制）系统
调节仪表：输入输出
测量仪表：输出
4~20mADC
执 行 器：输入
1.1 自动控制系统的发展及体系结构
(2)直接数字控制系统 Direct Digital Control System
出现于20世纪60年代初 随着计算机的发展和普及而得到应用 多回路控制：控制功能增强，算法先进 执行机构、测量变送仪表仍采用模拟量 （4~20mA） 需要模/数（A/D）、数/模（D/A）转换 计算机控制生产过程
现场总线技术
Fieldbus Technology
课程简介
教学学时： 24
选用教材：《现场总线技术》 刘泽祥 主编
参考教材：
《现场总线技术及其应用》阳宪惠 主编
《现场总线控制网络技术》雷霖 主编
《现场总线控制》
周明 主编
先修课程：数据通信与网络、PLC、集散控制系统
课程简介
特点：涉及工程概念和设计方法的内容较多，理论内 容较少
（技术规范多，公式推导少） 重点：设计与应用 主要介绍的总线类型：Profibus
考核方式
出勤
平时作业
30%
随堂测试
结课考试
70%
第1章 现场总线技术概述
现场总线是20世纪90年代发展形成的； 现场总线是目前自动化领域研究和应用的热点之一； 现场总线控制系统是现场总线与控制系统的集成
（4）可维护性不高 由于现场级设备信息不全，导致现场级设备的在线故障诊断、报警、记 录功能不强。 另一方面，很难完成现场设备的远程参数设定、修改等参数化功能，影 响了系统的可维护性。 现场总线技术就是为了克服上述缺点而产生和发展的
1.1 自动控制系统的发展及体系结构
现场设备的串行通信接口是现场总线技术的原形
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。
1.2.2 DCS的结构分类
根据分散过程控制装置、集中操作和管理装置和 通信系统的不同结构，DCS控制系统的分类：
1.1 自动控制系统的发展及体系结构
现场总线技术是为了满足控制（测控）系统向 数字化发展的需要而产生的。
数字化的优点：信息量更丰富 控制系统的4个发展阶段：
模拟仪表控制系统； 直接数字控制系统； 集散控制系统； 现场总线控制系统
1.1 自动控制系统的发展及体系结构
(1)模拟仪表控制系统 Analog Control System
1.2.2 DCS的结构分类
4.PLC+通信系统＋操作管理站
在制造业广泛应用的结构，尤其适用于有大量逻辑顺序控制 的过程。
分布式控制系统制造商为适应逻辑顺序控制的特点，现已有 不少产品可以下挂各种PLC，组成PLC+DCS形式，应用于既有 逻辑顺序控制又有连续控制的场合。
5.单回路控制器+通信系统+操作管理站
出现于20世纪50年代之前 基地式仪表：简单测控功能 单元组合式仪表：统一的模拟信号，0.02~0.1MPa，
0~10mA，1~5V，4~20mA 典型的单回路控制系统：控制算法简单
1.1 自动控制系统的发展及体系结构
模拟仪表控制系统 Analog Control System
R
E 模拟调节仪表 U 执行器
行双向数字通信的串行总线系统； 基于智能化仪表及现场总线的控制系统FCS； 一种数字化的串行双向通信系统。
1.3.1 现场总线的定义
IEC（国际电工委员会）定义：
一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设 备与控制装置之间进行双向、串行、多节点、数字 式的数据交换的通信技术。
将单个分散的测控设备作为网络节点，通过现场总线连 接成可以互通信息，共同实现自控任务的网络与控制系统， 使企业的信息交互覆盖到生产现场。
如果设想全部或大部分现场设备都具有串行通信接口并具有统一 的通信协议，控制器只需一根通信电缆就可将分散的现场设备连 接，从而完成对所有现场设备的监控。
产生现场总线技术的初始想法和技术基础
1.1 自动控制系统的发展及体系结构
现场总线技术的产生
基于上述想法，通过使用一根通信电缆，将所有 具有统一的通信协议和通信接口的现场设备连接， 这样，在设备层传递的不再是模拟量信号，而是 基于现场总线的数字化信号，进而构成由数字化 通信网络连接起来的控制系统。
适用于中、小企业的小型集散控制系统结构。
用单回路控制器(或双回路、四回路控制器)作为盘装仪表、 信息的监视由操作管理站或仪表面板实施，有较大灵活性和 较高性价比。
1.3 现场总线的定义及分类
1.3.1 现场总线的定义
现场总线的定义（4种）： 用于现场仪表与控制主机系统之间的一种开放的、
全数字化的、双向、多站的通信系统； 广义上是控制系统与现场检测仪表、执行装置进
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。