现场总线(第1讲)Fieldbus Control System,FCS
第1章现场总线概述
控制系统的发展史
控制系统的发展史
控制系统的发展史
3. 50年代末60年代初：集中控制方式
计算机用于生产过程直接数字控制，造价高，一台
计算机控制全厂的生产过程，整个系统控制任务的
集中。
特点：控制集中、管理集中
缺点：受硬件水平限制，计算机可靠性低，一旦发
生故障，全厂生产瘫痪。
集中控制系统
－传输延迟大小
响应时间
－对突发事件的处理能力
系统巡回时间
－系统总体控制周期
传输速度快
指单位时间内传输的信息
－通常以每秒钟传输的位数，即bps（bits per second）表示
不同的现场总线传输速率不一样
－看主要的应用场合 －如FF H1用于连续、慢变化过程变量与控制信号的传 输，为31.25Kbps －HSE则应用于大量信息流传输、响应速度要求很高的 场合，为100Mbps或更高
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：
现场总线控制系统FCS（Fieldbus Control System)代替传统控制系统DCS
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
1.1.1 什么是现场总线
现场总线是应用在生产现场、ห้องสมุดไป่ตู้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
双向 多节点 开放标准 全数字 自动化领域的计算机局域网
现场总线在企业信息网络中的位置
企业信息网络的功能层次：现场总线是底层 通信控制网络
fcs介绍
1.现场总线的定义：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。
2.FCS（fieldbus control system）：基于现场总线的控制系统称为现场总线控制系统。
3.现场总线的产生一种新技术和系统的产生总是针对以往技术和系统中存在的缺陷而提出的，最终在用户和市场竞争两大外因推动下占领市场的主导地位。
现场总线和FCS的产生也不例外，它们与工业控制技术和系统的发展有关。
3.1模拟仪表控制系统模拟仪表控制系统于20世纪60~70年代占主导地位。
体系结构是基于4~20mA的模拟标准信号。
其显著特点是模拟信号精度低，易受干扰。
3.2.集中式数字控制系统集中式控制系统于20世纪70~80年代占主导地位。
采用单片机，PLC，计算机作为控制器，控制其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点，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，控制时机的选择少可以统一调度和安排；缺点是，对控制器本身的要求很高，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急剧下降。
3.4. 集散控制系统集散控制系统（Distributed control system ,DCS）于20世纪80~90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，若干台下位机分散到现场实现分布式控制，各上，下位机之间通过控制网络互连以实现互相之间的信息传递。
因此，这种分布式的控制系统体系结构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DCS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厂家为了达到垄断经营的目的而对其控制通信网络采用各自专用的封闭形式，不同厂家的DCS之间以及DCS与上层信息网之间难以实现网络互连和信息共享，且DCS造价较昂贵，在这种情况下，用户对网络控制系统提出了开放性和降低成本的迫切要求。
现场总线控制系统(FCS)
第一章现场总线控制系统（FCS）第一节概述现场总线控制系统（Fieldbus Control System，FCS）是继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、集散控制系统（DCS）后的新一代控制系统。
由于它适应了工业控制系统向数字化、分散化、网络化、智能化发展的方向，给自动化系统的最终用户带来更大实惠和更多方便，并促使目前生产的自动化仪表、集散控制系统、可编程控制器（PLC）产品面临体系结构、功能等方面的重大变革，导致工业自动化产品的又一次更新换代，因而现场总线技术被誉为跨世纪的自控新技术。
一、现场总线的发展随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展，信息交换的领域正在迅速覆盖从工厂的现场设备层到控制、管理的各个层次，从工段、车间、工厂、企业乃至世界各地的市场。
信息技术的飞速发展，引起了自动化系统结构的变革，逐步形成以网络集成自动化系统为基础的企业信息系统。
现场总线（Fieldbus）就是顺应这一形势发展起来的新技术。
1、什么是现场总线现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。
它在制造业、流程工业、交通、楼宇等方面的自动化系统中具有广泛的应用前景。
现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自都具有了数字计算和数字通信能力，采用双绞线等作为总线，把多个测量控制仪表连接成的网络系统，并按公开、规的通信协议，在位于现场的多个微机化测量控制设备之间以及现场仪表与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息交换，形成各种适应实际需要的自动控制系统。
简而言之，它把单个分散的测量控制设备变成网络节点，以现场总线为纽带，把它们连接成可以相互沟通信息、共同完成自控任务的网络系统与控制系统。
它给自动化领域带来的变化，正如众多分散的计算机被网络连接在一起，使计算机的功能、作用发生的变化。
第08-2章 现场总线
现场总线控制系统Fieldbus Control System，FCS5315321 现场总线的概述（FieldBus）传统控制系统现场仪表(I/O)控制器一对一连接4~20mA 0~10mA 24VDC ……80年代开始智能现场设备普遍应用a.包含CPUb.能直接数字通信c.具有很强的功能例如，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，往往它还具有自诊断、报警、在线标定甚至PID 运算等功能……智能现场设备与主机系统间待传输的信息量急剧增加。
现场总线技术的初始想法：设想全部或大部分现场设备都具有直接进行通信的能力，并具有统一的通信协议，只需一根通信电缆就可将分散的现场设备连接起来，完成对现场设备的监控。
3C 技术的发展微机化仪器仪表的成熟和应用1.现场总线概述现场总线是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。
现有的多数现场设备，为提高其性能价格比，在实现其内部操作时都采用了微处理器和数字化元件，于是就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。
采用现场总线的目的就是为了满足这种要求，为工业领域中的测量和调节控制设备提供实现串行数字通信的手段。
5331.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。
534535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。
网络节点包括IPC、PLC以及各种智能化的现场控制设备基于统一、规范的通信协议通过同一总线实现相互间的数据传输与信息共享网络体系通信总线在现场设备中的延伸生产控制网络结构位于的底层2.现场总线的发展（1）早期的控制系统主要是模拟仪表控制系统，设备之间传输的信号为1～5V或4～20mA的直流模拟信号，信号的精度较低，传输过程中易受干扰。
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
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现场总线第四章现场总线概述⼀、现场总线的定义按照国际电⼯委员会IEC61158标准的解释, 现场总线是应⽤在制造或过程区域现场装置与控制室内⾃动控制装置之间的数字式、串⾏、多点通信的数据总线.它也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制⽹络.⼆、现场总线控制系统的定义以现场总线为技术核⼼的⼯业控制系统,称为现场总线控制系统.简称FCS(Fieldbus Control System). 他把单个分散的过程控制设备变成智能控制节点(将微处理机嵌⼊到传统的过程控制仪表中,使之具备了数字处理和数字通信能⼒).采⽤简单连法的双绞线作为传输介质,把多个过程控制仪表连结成⽹络结构,使多个现场控制设备、现场智能仪表与过程监控计算机之间,实现数据传输与数据交换,形成各种适合实际需要的分布式⾃动控制系统.三、现场总线控制系统的由来20世纪50年代以前的⽓动控制仪表成为第⼀代控制仪表，到60年代的4-20mA 电动单元组合仪表为第⼆代仪表，到60年代-70年代中期，出现了DDC 系统，称为第三代控制系统，到70年代中期，出现了DCS,称为第四代控制系统，由于DCS 各⽣产⼚商⾃成系统，许多软硬件产品不能互换，⽽且通信协议也各不相同，难以实现互换与互操作，组成⼤范围信息共享的⽹络系统，存在很多困难。
到了1982年欧洲⾸先提出现场总线的概念，随后于1984年美国仪表协会开始着⼿制订现场总线标准。
到1995年成⽴了国际性的组织，现场总线基⾦会，简称FF(Fieldbus Foundation)，并于2000年正式通过了7种现场总线国际标准，既IEC61158.四、现场总线标准现场总线标准是要求各个制造商和系统集成商共同遵守的⼀种通信协议技术标准。
2002年IEC61158共公布8种标准。
1、基⾦会现场总线 FFFF 的主要技术内容，主要包括FF 通信、⽤于完成OSI （开放式系统互连参考模型）的通信栈，⽤于描述设备特性的描述语⾔，设备描述字典，⽤于实现测量、控制、⼯程量转换的应⽤功能块，实现系统组合管理功能的系统软件以及构筑集成⾃动化系统，⽹络系统的系统集成技术。
计算机控制系统功能之现场总线控制
计算机控制系统功能之现场总线控制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。
现场总线控制始于20 世纪80 年代末，它将计算机网络通信与管理引入了控制领域，并广泛应用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域。
现场总线控制系统（Fieldbus ControlSystem，FCS）是应用在生产现场、微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。
1）原理：FCS 是将现场仪表和控制室仪表连接起来的全数字化、双向、多站的互连通信的控制网络系统。
它融合了智能化仪表、计算机控制网络和开放系统互连等技术。
FCS 以现场总线为纽带，把挂接在总线上的网络节点组成自动化系统，实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、综合自动化等多项功能，如图所示。
2）特点：FCS 是新一代DCS，它采用“工作站-现场总线智能仪表”二层结构完成DCS中的三层结构功能，降低了系统总成本，提高了可靠性，国际标准统一后可实现真正的开放式互联系统结构。
3）优点：现场总线技术用数字信号取代模拟信号，提高了系统的可靠性、精确度和抗干扰能力，并延长了信息传输的距离。
FCS 废弃了DCS 的输入/输出单元和控制站，采用现场设备或者现场仪表取代之。
现场设备具有互换性和互操作性，改变了DCS 控制层的封闭性和专用性，不同厂家的现场设备可互连也可互换，并可以统一组态。
开放式互联网络可极为方便地实现数据共享。
与DCS 相比，FCS 能充分发挥上层系统调度、优化、决策的功能，并降低系统投资成本和减少运行费用。
如果系统各部分分别选用合适的总线类型，会更有效地降低成本。
现场总线控制系统(FCS)发展前景展望
现场总线控制系统（FCS）发展前景展望现场总线控制系统（Fieldbus Control System，FCS）是工业自动化领域中的一种重要技术，其发展前景广阔，正日益受到人们的关注。
以下是对FCS发展前景的展望。
一、背景介绍现场总线控制系统是一种用于工业过程控制的开放型、全数字化网络通信系统。
它将位于现场的各种自动化设备、仪器仪表、传感器等通过一根总线连接起来，实现设备间的信息交互和数据共享。
它具有现场设备分散、信息传输速度快、可扩展性强、可靠性高等优点，因此在石油、化工、电力、制药等许多行业得到了广泛应用。
二、概览随着科学技术的不断进步和工业自动化需求的不断增长，FCS在功能和性能上也不断得到提升。
未来的FCS将朝着更加高效、可靠、安全和智能化的方向发展。
同时，随着工业互联网的普及和发展，FCS将更好地与云计算、大数据、人工智能等先进技术进行融合，实现更加精准、高效、智能的工业过程控制。
三、价值分析FCS的价值不仅在于其技术优势，更在于其能够带来的经济效益和社会效益。
首先，FCS能够提高工业过程控制的精度和效率，减少能源浪费，降低生产成本。
其次，FCS能够提高产品质量和生产效率，增强企业的竞争力。
此外，FCS还能减少人员劳动强度，提高生产安全性和可靠性，改善企业的工作环境。
四、发展趋势1.技术创新未来，FCS将继续在技术创新方面进行探索和实践。
例如，采用更加先进的信号处理技术、通信协议和网络安全技术等，提高FCS的性能和可靠性；同时，探索适应不同工业过程的FCS解决方案，满足个性化的需求。
2.与工业互联网的融合工业互联网的普及和发展为FCS提供了更广阔的发展空间。
未来，FCS将更好地与工业互联网融合，实现各种数据的无缝集成和共享，优化生产流程，提高生产效率和质量。
同时，借助工业互联网平台，FCS可以实现远程监控和维护，提高系统的安全性和可靠性。
3.人工智能的应用人工智能技术的不断进步为FCS带来了新的发展机遇。
FCS现场总线控制系统
FCS系统美国陆军的未来战斗系统（Future Combat Systems—FCS),是由众多系统组成的跨军兵种联网系统。
在这个巨大的系统中，包含有18个独立的子系统。
在这18个独立的子系统中包括大量无人单位。
FCS:现场总线控制系统（Fieldbus Control System)计算机和网络技术的飞速发展，引起了自动化控制系统结构的变革，一种世界上最新型的控制系统即现场总线控制系统（Fieldbus Control System，FCS）在上世纪九十年代走向实用化，并正以迅猛的势头快速发展。
现场总线控制系统是目前自动化技术中的一个热点，正越来越受到国内外自动化设备制造商与用户的关注。
现场总线控制系统的出现，将给自动化领域在过程控制系统上带来又一次革命，其深度和广度将超过历史的任何一次，从而开创自动化的新纪元。
FCS可以说是第五代过程控制系统，是由PLC（Programmable Logic Controller）或DCS（Distributed Control System）发展而来的。
FCS与PLC及DCS之间有千丝万缕的联系，又存在着本质的差异。
本文针对PLC、DCS、FCS三大控制系统的特点、性能和差异作一分析。
1 PLC、DCS、FCS三大控制系统的基本特点目前，在连续型流程生产工业过程控制中，有三大控制系统，即PLC、DCS和FCS。
它们各自的基本特点如下：1.1 PLC（1）从开关量控制发展到顺序控制、运算处理，是从下往上的。
（2）逻辑控制、定时控制、计数控制、步进(顺序)控制、连续PID 控制、数据控制――PLC具有数据处理能力、通信和联网等多功能。
（3）可用一台PC机为主站，多台同型PLC为从站。
（4）也可一台PLC为主站，多台同型PLC为从站，构成PLC网络。
这比用PC机作主站方便之处是：有用户编程时，不必知道通信协议，只要按说明书格式写就行。
（5）PLC网络既可作为独立DCS/T DCS，也可作为DCS/T DCS的子系统。
dcs和现场总线复习资料1
第一章集散控制系统1、在控制系统中，软件是各种程序的统称，是控制系统的灵魂。
因此，软件的优劣直接关系到控制系统的正常运行、硬件功能的充分发挥及其推广应用。
软件通常分为系统软件和应用软件两大类。
系统软件是一组支持系统开发、测试、运行和维护的工具软件，核心是操作系统，还有编程语言等辅助工具。
应用软件是系统设计人员利用编程语言或开发工具编制的可执行程序。
以下几类功能模块是必不可少的：过程输入模块、基本运算模块、控制算法模块、报警限幅模块、过程输出模块、数据管理模块等。
2、计算机控制系统的分类：数据采集系统(DAS)、操作指导控制系统(OGC)、直接数字控制系统(DDC)、计算机监督控制(SCC)系统、集散控制系统(DCS)、现场总线控制系统（FCS）3、分散控制系统(Distributed Control System，DCS)。
DCS 采用分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调的设计原则，自下而上可以分为若干级，如过程控制级、控制管理级、生产管理级和经营管理级等。
DCS 又称分布式或集散式控制系统。
4、DCS是四C技术的产物；采用危险分散、控制分散，操作和管理集中的基本设计思想，通过分层、分级和合作自治的结构形式，实现的工业生产和管理的现代化。
5、DCS 作一个比较完整的定义：(1) 以回路控制为主要功能的系统。
(2) 除变送和执行单元外，各种控制功能及通信、人机界面均采用数字技术。
(3) 以计算机的CRT、键盘、鼠标，轨迹球代替仪表盘形成系统人机界面。
(4) 回路控制功能由现场控制站完成，系统可有多台现场控制站，每台控制一部分回路。
(5) 人机界面由操作员站实现，系统可有多台操作员站。
(6) 系统中所有的现场控制站、操作员站均通过数字通信网络实现连接。
6、集散控制系统的特点：(1)系统构成灵活：从总体结构上看，DCS可以分为通信网络和工作站两大部分，各工作站通过通信网络互连起来，构成一个完整的系统。
第六章 现场总线系统1
一、现场总线的核心
二、现场总线的基础 三、现场总线与计算机网络的区别 四、现场总线通信协议模型
五、现场总线控制系统的构成
课程：
计算机控制系统
现场总线系统
四、现场总线通信协议模型 1、基本模型是TCP-IP与ISO-OSI 具有七层结构的OSI参考模型可支持的 通信功能是相当强大的。作为一个通用参 考模型，需要解决各方面可能遇到的问题， 需要具备丰富的功能。作为工业控制现场 底层网络的现场总线，要构成开放互连系 统，应该如何选择通信模型?是采用完全型 还是简化型?是否需要实现OSI的全部功能? 是否要采用那样复杂的协议?具有七层OSI 参考模型是否适应工业现场的通信环境?这 是现场总线技术形成的过程中必须考虑的 重要问题。
二、现场总线的概念 (2)现场总线系统的技术特点 d.系统结构的高度分散性 一种新的全分散性控制系统的体系结 构。它从根本上改变了现有集散控制 系统DCS的系统构成方式。
二、现场总线的概念 2、现场总线的特点与优点 2.2现场总线的优点 (1)节省硬件数量与投资 (2)节省安装费用 (3)节省维护开销 (4)用户具有高度的系统集成主动权 (5)提高了系统的准确性与可靠性
二、现场总线的概念
2、现场总线的特点与优点 2.1现场总线的特点 (1)现场总线系统的结构特点
现场总线系统把原先DCS系统时处于控制室 位置的控制模块、输入输出及其模／数、 数／模转换模块等移至位于生产现场的测 控仪表中，利用现场设备具备的通信能力， 使控制系统功能不依赖于控制室的计算机 或仪表而得以实现，即在现场直接实现 控制。
四、现场总线通信协议模型
2、现场总线通信协议模型 (一)物理层的功能 物理层用于实现现场物理设备与总线之 间的连接。其主要功能是为现场设备与通 信传输媒体的连接提供机械和电气接口。 （二）数据链路层 为了满足实时性要求，采用了不同于IT 的全新的服务定义和规范。
现场总线控制系统
FF总线
ห้องสมุดไป่ตู้
FF总线
基金会现场总线
按照基金会总线组织的定义，FF总线是一种全数字、串行、双向传输的通信系统，是一种能连接现场各种现 场仪表的信号传输系统，其最根本的特点是专门针对工业过程自动化而开发的，在满足要求苛刻的使用环境、本 质安全、总线供电等方面都有完善的措施。为此，有人称FF总线为专门为过程控制设计的现场总线。
现场总线控制系统
分布控制系统(DCS)的更新换代产品
目录
01 系统定义
03 国际标准化
02 技术特征 04 FF总线
基本信息
现场总线控制系统（Fieldbus Control System,FCS）是分布控制系统(DCS)的更新换代产品，并且已经成 为工业生产过程自动化领域中一个新的热点。现场总线技术是20世纪90年代兴起的一种先进的工业控制技术，它 将现今络通信与管理的观念引入工业控制领域。从本质上说，它是一种数字通信协议，是连按智能现场设备和自 动化系统的数字式、全分散、双向传输、多分支结构的通信络。它是控制技术、仪表工业技术和计算机络技术三 者的结合，具有现场通信络、现场设备互连、互操作性、分散的功能块、通信线供电和开放式互连络等技术特点。 这些特点不仅保证了它完全可以适应工业界对数字通信和自动控制的需求，而且使它与Internet互连构成不同层 次的复杂络成为可能，代表了今后工业控制体系结构发展的一种方向。
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随着现场总线技术与智能仪表管控一体化(仪表调校、控制组态、诊断、报警、记录)的发展，这种开放型的 工厂底层控制络构造了新一代的络集成式全分布计算机控制系统，即现场总线控制系统(简称FCS)。FCS作为新一 代控制系统，采用了基于开放式、标准化的通信技术，突破了DCS采用专用通信络的局限；同时还进一步变革了 DCS中“集散”系统结构，形成了全分布式系统架构，把控制功能彻底下放到现场。
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
现场总线控制系统
现场总线控制系统现场总线控制系统 (Fieldbus Control System，FCS)。
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，其定义了硬件接口和通信协议的标准，是自动化领域内的局域网。
现场总线不仅是当今4C技术发展的结合点，也是过程控制技术、自动化仪表技术、计算机网络技术发展的交汇点。
现场总线控制系统用新一代的现场总线技术改进、完善或部分代替传统的DCS系统实现智能仪表、现场设备、通信网络和控制系统的集成。
由于现场总线系统采用了总线控制和智能现场设备，可以把DCS系统中位于控制室的输入输出模块、控制模块等转入现场设备，能够不依赖控制室计算机，直接在现场完成控制。
目前控制系统行业主要有五种现场总线技术：基金会现场总线、LonWorks 总线、Profibus现场总线、HART总线和CAN总线。
现场总线系统具有以下特点:(1).系统分散性程度高。
现场总线系统已构成一种新的全分散性控制系统的体系结构，从根本上改变了现有DCS集中与分散结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了系统的可靠性。
(2).互操作性和互用性。
互操作性是指现场总线系统实现了互连设备间、系统间的信息传送和沟通；互用性是指不同的生产厂家的性能类似的设备可实现相互替换。
(3).现场设备的智能化与功能自治性。
现场总线系统将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，依靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并能随时实时诊断现场设备的运行状态。
(4).统一开放性。
现场总线系统将微机处理器转入现场自控设备，使设备具有数字计算和数字通信能力，信号传输精度高，远程传输。
实现信号传输全数字化、控制功能分散、标准统一全开放。
由于现场总线系统以上特点，特别是系统结构的简化使现场总线系统从设计、安装、调试到正常生产运行及检修维护，都体现出其他控制系统无法比拟的优越性。
《现场总线技术》PPT课件
典型的FCS组成结构
三、现场总线设备
• 现场总线设备的类型可以是现场总线基金会制 定的几种类型中的任意一种，每种类型的物理 设备都具有通信能力。 • 5种设备类型： • 1、临时设备 • 工作在现场总线网络上，用于对网络组态和排 除设备故障 • 2、静态块现场设备 • 是一种包含功能块应用进程的现场设备，所有 的功能块在静态下被确定
三种CSMA坚持退避算法 • 1、不坚持CSMA。介质空闲，则发送， 否则等待随机时间，重试。 • 2、1－坚持CSMA。介质空闲，则发送， 介质忙，继续监听，直到介质空闲，立 即发送。 • 3、P－坚持CSMA。介质空闲，以P的概 率（随机算法）发送，介质忙，继续监 听，直到介质空闲，立即发送。
2.5.2 令牌访问控制方式 • 基本方式：按一定顺序在各站点传递令 牌，谁得到令牌，谁才有发报权。 • 两种令牌方式： • 1、令牌环方式
2、令牌传递总线方式 • 网上各工作站按一定顺序形成逻辑环， 首尾相连。
fcs由控制系统软件测量系统网络系统和管理系统组成ppt课件151控制系统软件包括监控组态软件维护软件仿真软件和设备管理软件等4在网络运行过程中对系统实时采集处理数据优化控制逻辑控制监控显示输出报表等ppt课件162测量系统多变量高性能的测量使测量仪表具有计算能设备制造等信息硬件含
1.1.1 什么是现场总线 • 定义： • 应用在生产现场，在计算机控制设备之 间实现双向串行多点数字通信的系统。 • 特点： • 1、传统测量仪器仪表微机化，具有数字 计算、通信能力 • 2、可用双绞线作为总线，连接现场仪器 仪表成网络系统；
特点： • 3、执行公开、规范的通信协议 • 4、现场仪表、控制设备与远程监控计算 机之间，实现数据传输、信息交换，形 成各种适应实际需要的自动控制系统
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2.现场总线的发展
1996年到1998年，国际性组织FF（现场总线 基金会）和PNO（Profibus国际组织）先后发布 了适于过程自动化的现场总线标准H1、H2(HSE) 和Profibus-PA,H1和PA都在实际工程中开始应用。 1999年底，包含8种现场总线标准在内的国际标 准IEC-61158开始生效，除H1、HSE和PA外，还有 WorldFIP、Interbus、ControlNet、P-NET、 SwiftNet等五种。 诞生于不同领域的总线技术往往对这一特定 的领域的适用性就好一些。如Profibus较适合于 工厂自动化， CAN适用于汽车工业， FF总线 （Foundation Fieldbus）主要适用于过程控制， LON适用于楼宇自动化等。
2.现场总线的发展
在DCS中管理与控制相分离，上位机用于集中监视 管理功能，多台下位机下放分散到现场实现分布式控 制功能，上下位机之间以控制网络互联以实现相互之 间的信息传递，克服了集中数字控制系统对控制器的 处理能力和可靠性要求很高的缺点。 由于不同的DCS厂家出于垄断经营的目的而对其控 制通讯网络采用专用的封闭形式，不同厂家的DCS 系 统之间以及DCS与上层的Intranet、Internet之间难以 实现网络互联和信息共享，因此DCS 系统实质上是一 种专用封闭的、不能互联的分布式控制系统，且DCS 价格昂贵，用户对此提出了开放性和降低成本的迫切 要求。
工艺数据 记录 显示 打印 S C C 计 算 机 给定 模拟 调节器 调节 生 产 过 程 工艺数据 记录 显示 打印 S C C 计 算 机 给定 调节 DDC 计算机 测量 生 产 过 程
测量
监督计算机控制系统原理框图 a) SCC+模拟调节器系统 b) SCC+DCC系统
它有两种不同的结构形式：一种是SCC+模拟控制器，另一种是SCC+DDC 控制系统。它是操作指导控制系统和DDC系统的综合和发展，SCC系统较 DDC系统更接近生产变化实际情况，它不仅可以进行定值控制，还可以进行 顺序控制、最优控制等。
工厂自动化信息网络分层结构：工厂管理级、车间监控级、现场设备级
工厂管理级
Plotter ASCII Printer
Data
Tower box
IBM Compatible
工厂骨干网
车间监控级
ASCII Printer
ASCII Printer
车间监控网
现场设备级
现场级网络
3.1
3.2 现场总线的结构特点
1 现场总线的概述（FieldBus）
80年代开始
智能现场设备普遍应用
现场总线技术的初始想法：
设想全部或大部分现场设备都 具有直接进行通信的能力，并 具有统一的通信协议，只需一 根通信电缆就可将分散的现场 设备连接起来，完成对现场设 备的监控。
智能现场设备与主机系 统间待传输的信息量急 剧增加。
3C技术的发展
ห้องสมุดไป่ตู้
操作员 操作站
监控 计算机
网间 链接
分散过程控制级
现场 工作站
PLC 控制器
智能 调节器
其他 装置
分散控制系统 原理框图
0.3.5 现场总线控制系统 现场总线控制系统（简称FCS）其结构模式为“工 作站——现场总线智能仪表”二层结构，成本低、可靠 性高，可实现真正的开放式互连系统结构。
操作站 LAN H2 H1 H1 服务器 现场设备 124 H1 网桥 H1 H1 32 现场设备 H1 32 现场设备 现场总线 现场总线 现场总线
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。
报警 操作台 显示器 打印机 计 算 机 模拟量输入通道 数字量输出通道 模拟量输出通道 数字量输出通道
直接数字控制系统原理框图
被 控 对 象
0.3.3 监督计算机控制系统 监督计算机控制（简称SCC）系统的基本思想是： 微型计算机根据原始工艺信息和其它参数，按照描述生 产过程的数学模型，自动改变模拟调节器或DDC微型计 算机的给定值，从而使生产过程始终处于最优工况。
现场总线控制系统 第1讲
Fieldbus Control System，FCS
信息学院自动化系 凌志浩
0 绪论 0.1 微机测控技术主要研究对象 微机测控技术主要研究如何将检测与传感技术、计算机 技术和自动控制理论应用于工业生产过程并设计出所需要的 微机测控系统。 0.2 微机测控系统的组成与特点 0.2.1 微机测控系统的一般概念 微机测控系统就是利用微型计算机来实现生产过程的自 动测试与控制的 系统。
3.现场总线的结构
按照国际标准化组织（ISO）制定的开放系统互连（OSI）参 考模型建立的。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，网络通信流量与差错控 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子层，如图所示。
※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；
计算机 r e 控制器 D/A u 执行机构 被控对象 被控量
微机测控系统典型结 构图
生产过程 c
A/D
测量变送
微机测控系统的工作原理可归纳为以下3步： ①实时数据采集：通过测量变送装置完成被控量的 瞬时值的检测和输入。 ②实时控制决策：对采集的数据进行分析和处理， 按预定的控制策略决定采取何种控制行为。 ③实时控制输出：根据控制决策，向执行机构发出 实时控制信号，完成系统控制任务。 实时的含义是指信号的输入、计算、输出都要在一定的 时间间隔内完成。（软实时RTOS、硬实时RTOS） 在线是指：在微机测控系统中，生产过程与计算机直接 连接并受计算机的控制，有时也称为联机方式。 0.2.2 微机测控系统的组成 微机测控系统主要由被控对象、过程输入输出通道 及计算机系统三部分组成。
过程输入输出通道也叫生产过程通道，包括模拟量 输入输出通道、数字量输入输出通道、测量变送、执行 机构、电气开关等装置。 0.2.3 微机测控系统的 软件组成 CPU 系统软件 （RTOS） 存储器 应用软件 （组态、先控） 人—机接口 0.2.4 微机测控系统的 系统支持板 特点 计算机系统 灵活性（规模、复杂度） 适应性（嵌入式）
另一方面：FCS进一步变革了DCS中“集散”系统结构，形成了全分 布式系统构架，把控制功能彻底下放到现场。
2.现场总线的发展
现场总线技术起源于欧洲，目前以欧、美、 日地区最为发达，世界上已出现过的总线种类近 200种。经过近20年的竞争和完善，目前较有生 命力的有10多种，并仍处于激烈的市场竞争之中。 加之众多自动化仪表制造商在开发智能仪表通信 技术中已形成的不同特点，使得统一标准的制订 困难重重。 由于较长时期没有统一标准，对用户影响最 大的就是难以把不同制造商生产的仪表集成在一 个系统中。因此，现场总线在过程控制中实际应 用，一直延误到20世纪90年代后期才逐步实现。
位于 生产控制 的底层
网络结构
通信总线在现场设备中的延伸
2.现场总线的发展
（1）早期的控制系统主要是模拟仪表控制系统，设备 之间传输的信号为1～5V或4～20mA的直流模拟信号， 信号的精度较低，传输过程中易受干扰。 （2）出现以单片机、计算机和PLC为控制器的集中数 字控制系统，其内部传输的是数字信号，克服了模拟 仪表中信号精度较低的缺点，提高了抗干扰能力。整 个系统的可靠性低，风险高度集中。另外，当任务增 加时会使系统性能下降。 （3）又出现以集中管理、分散控制为核心思想的集散 控制系统（DCS），在20世纪末期逐步占据了主导地 位。
FCS控制层原 理图
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 4~20mA 断、报警、在线标定甚至PID运 a.包含CPU 0~10mA 算等功能…… 24VDC b.能直接数字通信 …… 传统控制系统 现场仪表 (I/O)控制器 c.具有很强的功能 一对一连接
2.现场总线的发展
（4）现场总线控制系统（FCS）正是顺应了上述的用户要求，采用 了现场总线这一开放的、可互连的网络技术将现场的各种控制器 和仪表设备相互连接，把控制功能彻底下放到现场，降低了安装 成本和维护费用。因此，FCS 系统实质上是一种开放的、可以互 连的、低成本的、彻底分散的分布式控制系统。 1984年，美国仪表协会（ISA）下属的标准与实施工作组中的 ISA/SP50开始制定现场总线标准；1985年，国际电工委员会决定 由Proway Working Group负责现场总线体系结构与标准的研究制 定工作；1986年，德国开始制定过程现场总线（Process Fieldbus） 标准，简称为PROFIBUS，由此拉开了现场总线标准制定及其产 品开发的序幕。与此同时，其他一些组织或机构（如WorldFip等） 也开始从事现场总线标准的制定和研究。
Ethernet/Highway Filedbus
IPC、PLC……
Controller/Getway
I/O子系统 Filedbus
……
……
DCS实际上是“半分散”、“半数字”的系 统 FCS采用的是一个完全分散的控制方式
现场总线控制系统兴起于90年代，它采用现场总线作为系统的底层控制网 络，沟通生产过程现场仪表、控制设备及其与更高控制管理层次之间的联系， 相互间可以直接进行数字通信，通常我们把FCS称为第五代控制系统。