盾构电气控制系统2017
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Date: 2018/6/10 Page: 25
• 因此，可以进一步理解为：
现场总线是安装在生产过程区域的现场设备/仪表与控制室 内的自动控制装置/系统之间的一种串行、数字式、多点通 信的数据总线。其中，“生产过程”包括断续生产过程和连 续生产过程两类。
•现场总线控制系统（Fieldbus Control System, FCS）是 由以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作为网 络节点、用现场总线相连接组成的控制系统。这是继电式气 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。
Date: 2018/6/10
Page: 20
可维护性不高 ： 由于现场级设备信息不全，现场级设备的在线故障诊断、报 警、记录功能不强。另一方面也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。
Date: 2018/6/10
Page: 21
•
三、现场设备的串行通信接口是现场总线技术的原形
Date: 2018/6/10
Page: 7
1.2 机械设备电气控制系统基本形式
目前机械设备的计算机控制系统主要包括以下几类： • • • • 嵌入式微控制器控制系统 工业计算机（IPC）控制系统 可编程控制器（PLC）控制系统 现场总线控制系统
Date: 2018/6/10
Page: 8
1.2 机械设备电气控制系统基本形式
• 它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分 布控制系统，是以智能传感、控制、计算机、数字通讯等 技术为主要内容的综合技术 ；
Date: 2018/6/10 Page: 14
• 一、现场总线技术产生的背景
• 现场总线技术产生于二十世纪八十年代 • 是为满足日益急迫的企业综合自动化的需求
– 开放性 – 通用性 – 可靠性
Date: 2018/6/10 Page: 11
1.2 机械设备电气控制系统基本形式
现场总线控制系统 • 现场总线控制系统是采用现场总线技术形成的控制系 统，本质上是一种计算机局域网络系统。 • 将分散的测量、控制设备作为网络节点，并以总线形 式连接起来，形成一个现场总线控制系统。所以，现 场总线控制系统是一种全数字、全分散的控制系统。
• 智能仪表为现场总线的出现奠定了基础
Date: 2018/6/10
Page: 15
• 二、传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统
传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统（包括： 基于PC、PLC、DCS产品的分布式控制系统），如图所示：
Date: 2018/6/10
Page: 16
传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统
Date: 2018/6/10
Page: 30
• 三、现场总线国际标准
• 由于刚开始没有一个统一的国际标准，各企业和企业集团相继开 发自己的总线产品，制定现场总线标准，形成了百花齐放的现状 • 据不完全统计，目前市场上形形式式的现场总线有200多种 • 号称为开放标准的也有二、三十种 • 现场总线国际标准IEC61158包含了八种类型，
由于大规模集成电路的发展，许多传感器、执行机构、驱动 装置等现场设备智能化，即内置CPU控制器，完成诸如线性 化、量程转换、数字滤波甚至回路调节等功能。
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。
Date: 2018/6/10
Page: 22
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I/O方式）完成对现场设备的监控。
嵌入式微控制器 • 嵌入式微控制器具有体积小、功能强、抗干扰能力强、 价格低廉等优点，广泛应用于各种机械设备的控制系 统中，但一般应用于控制要求较简单的中小型机械设 备或生产过程控制
Date: 2018/6/10
Page: 9
1.2 机械设备电气控制系统基本形式
工业计算机控制系统 • 工业计算机—IPC是采用PC架构并采取多种有效技术 措施以适应工业现场恶劣环境的计算机系统，因此， 以工业计算机IPC为核心构建的控制系统具有系统开 发方便，可以充分利用PC机的强大软件资源的优点， 具有强大的数据运算和处理能力，功能强大、性能优 异。可以比较容易的开发较复杂的控制程序，具有强 大的数据处理与图形显示功能，所以比较适用于控制 算法比较复杂的过程控制系统。
Date: 2018/6/10
Page: 12
第二章 现场总线技术
Date: 2018/6/10
Page: 13
§2.1 现场总线的产生
• 现场总线（Fieldbus）是用于现场仪表、控制系统、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、多站的智 能设备互连通讯网络。
• 现场总线作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程 现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。
维修不便。
• 可靠性较低
• 虽然继电逻辑控制系统存在上述不足，但是仍能满足很多中小型 机械设备的自动控制要求，仍是最基本的电气控制系统之一，同 时也是盾构等大型机械设备电气控制系统设计的基础
Date: 2018/6/10 Page: 5
1.2 机械设备电气控制系统基本形式
无触点逻辑控制
• 无触点逻辑控制系统与继电逻辑控制系统本质上是相 同的，只是使用三极管、可控硅、数字集成电路等半 导体元件替代继电器、接触器等有触点控制与执行电 器。 • 因此，与继电—接触器控制系统相比较，具有体积小、 可靠性好、反应速度快、寿命长等优点。
Date: 2018/6/10
Page: 3
1.1 大型机电设备电气控制系统的基本要求与特点
系统可靠性与先进性
• 电气控制系统是机电设备的控制与操作核心，TBM、盾构等大 型施工机械工作环境恶劣、条件复杂、维护维修条件及保障能力 差，所以作为整个设备核心的电气控制系统的可靠性对于保证盾 构稳定高效可靠地工作是至关重要的。 • 因此， TBM、盾构等大型施工机械系统电气控制系统设计的第 一原则便是在保证TBM、盾构等大型施工机械系统整体可靠性 与性价比的前提下，采用当代最先进的自动控制与计算机控制技 术。
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，完成对所有现场设备的监控。 这就是现场总线技术的初始想法。
Date: 2018/6/10
Page: 23
• 基于以上初始想法，使用一根通信电缆，将所有具有统一 的通信协议通信接口的现场设备连接，这样，在设备层传 递的不再是I/O（4-20mA/24VDC）信号，而是基于数字信 息，由数字化通信网络构成现场级与车间级自动化监控及 信息集成系统。
Date: 2018/6/10
Page: 28
2.互操作性 ： 不同制造商的产品互联互通即互操作性。
4.分散功能块 ： FCS系统将控制站的功能分散分配给现场仪表，构成虚拟 控制站，实现了彻底的分散控制。
Date: 2018/6/10
Page: 29
5.使用通信线供电 ：
6.开放式互连网络 ： FCS系统将控制站的功能分散分配给现场仪表，构成虚拟 控制站，实现了彻底的分散控制。
计算机数据采集系统在PLC控制系统的基础上可以同时实 现施工数据的采集、显示、汇总、统计甚至分析，为施工 管理人员科学管理、科学施工创造很好的条件。
Date: 2018/6/10 Page: 4
1.2 机械设备电气控制系统基本形式
继电逻辑控制系统
• 继电逻辑控制系统以硬接线的方式保证顺序动作的实现，直观、 形象，结构简单、价格便宜。广泛应用于各种机械设备。 • 但也存在很多缺点： – 通用性和灵活性差、修改、调试不便； – 不能实现机械设备模拟量参数的测试与自动控制； – 经常产生电弧，容易烧损触点，从而造成开关动作不可靠、
Date: 2018/6/10
Page: 6
1.2 机械设备电气控制系统基本形式
计算机控制系统
• 随着微电子技术及计算机技术的飞速发展，机械设备的电气控制 系统普遍采用了计算机，计算机以其强大的功能和灵活性为机械 设备的设计与应用带来了前所未有的进步与发展，尤其是TBM、 盾构等大型施工机械这样的大型、超大型机械设备必须采用计算 机控制系统才能满足其工艺与控制要求。 • 计算机控制系统的优点是功能强大、性能优异、可靠性高、抗干 扰能力强、寿命长，缺点是系统组成不直观，故障判断与处理较 困难等，因此对系统使用与维护人员要求高，要求使用与维护人 员具有较全面较扎实的计算机与自动控制方面的理论知识与实践 经验。 。
DatLeabharlann Baidu: 2018/6/10
Page: 10
1.2 机械设备电气控制系统基本形式
可编程控制器（PLC）控制系统
• 可编程控制器是微型计算机技术与继电—接触器控制等常规控制 技术相结合的产物，是在继电—接触器控制系统和计算机控制系 统基础上发展起来的新型控制器。 • 所以以PLC(可编程控制器)为核心组成的控制系统计既具有继 电—接触器控制系统简单易懂易于理解的优点，也具有计算机控 制系统的灵活方便、柔性强的特点，同时比一般的计算机系统具 有可靠性强的优良特性。 • 自1969年诞生世界上第一台PLC以来，很快被世界上机械设备控 制系统及生产过程控制系统广泛采用，PLC一直是工业控制产品 中市场占有率最高的产品。目前，诸如TBM、盾构这样的大型 机械设备全部采用PLC控制系统。
Date: 2018/6/10 Page: 26
• 基于现场总线技术的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统如 图所示：
Date: 2018/6/10
Page: 27
• 二、现场总线本质
1.现场通信网络 ：
用于过程控制及制造自动化的现场设备或现场仪表之间互 连的通信网络。 2.现场设备互连 ： 传感器、变送器、执行机构等现场设备、现场仪表通过一对 传输线实现互连。传输线可以使用双绞线、同轴电缆、光纤 等，并可根据需要选择。
Page: 19
系统不开放、可集成性差、专业性不强： 除现场设备均靠标准4-20mA/24VDC连接，系统其它软、硬 件通常只能使用一家产品。不同厂家产品之间缺乏互操作 性、互换性，因此可集成性差。这种系统很少留出接口， 允许其它厂商将自己专长的控制技术，如控制算法、工艺 流程、配方等集成到通用系统中去。 可靠性不易保证 ： 对于大范围的分布式系统，大量的I/O电缆及敷设施工，不 仅增加成本，也增加了系统的不可靠性。
Date: 2018/6/10 Page: 17
其主要特点： 现场层设备与控制器之间的连接是一对一（一个I/O点对设 备的一个测控点）所谓I/O接线方式，信号传递4-20mA（传 送模拟量信息）或24VDC（传送开关量信息）信号。
Date: 2018/6/10
Page: 18
• 主要缺点 信息集成能力不强：
盾构电气控制系统
Date: 2018/6/10
Page: 1
第一章 概述
Date: 2018/6/10
Page: 2
大型的施工机械设备的电气控制系统是 整个设备的控制核心，作用非常关键， 其电气控制系统也随着技术水平的不断 进步而不断改进，当前，诸如TBM、盾 构这样的典型大型机电设备的电气控制 系统均采用最先进、可靠的技术与设备 以保证性能的充分发挥。
控制器与现场设备之间靠I/O连线连接，传送4-20mA模拟量 信号或24VDC等开关量信号，并以此监控现场设备。这样， 控制器获取信息量有限，大量的数据如设备参数、故障及故 障纪录等数据很难得到。底层数据不全、信息集成能力不强， 不能完全满足企业信息化系统对底层数据的要求。
Date: 2018/6/10
Date: 2018/6/10
Page: 24
§2.2 现场总线技术概念
• 一、现场总线定义
★ ISA SP50（美国仪表协会标准）中对现场总线的定义 — 现场总线是一种串行的数字数据通信链路，它 沟通了过程控制领域的基本控制设备（即场地级设备） 之间以及与更高层次自动控制领域的自动化控制设备 （即车间级设备）之间的联系 ★ 国际电工委员会IEC标准和现场总线基金会FF 的定义 — 现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的 数字式、双向传输、多分支结构的通信网络
• 因此，可以进一步理解为：
现场总线是安装在生产过程区域的现场设备/仪表与控制室 内的自动控制装置/系统之间的一种串行、数字式、多点通 信的数据总线。其中，“生产过程”包括断续生产过程和连 续生产过程两类。
•现场总线控制系统（Fieldbus Control System, FCS）是 由以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作为网 络节点、用现场总线相连接组成的控制系统。这是继电式气 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。
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可维护性不高 ： 由于现场级设备信息不全，现场级设备的在线故障诊断、报 警、记录功能不强。另一方面也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。
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•
三、现场设备的串行通信接口是现场总线技术的原形
Date: 2018/6/10
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1.2 机械设备电气控制系统基本形式
目前机械设备的计算机控制系统主要包括以下几类： • • • • 嵌入式微控制器控制系统 工业计算机（IPC）控制系统 可编程控制器（PLC）控制系统 现场总线控制系统
Date: 2018/6/10
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1.2 机械设备电气控制系统基本形式
• 它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分 布控制系统，是以智能传感、控制、计算机、数字通讯等 技术为主要内容的综合技术 ；
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• 一、现场总线技术产生的背景
• 现场总线技术产生于二十世纪八十年代 • 是为满足日益急迫的企业综合自动化的需求
– 开放性 – 通用性 – 可靠性
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1.2 机械设备电气控制系统基本形式
现场总线控制系统 • 现场总线控制系统是采用现场总线技术形成的控制系 统，本质上是一种计算机局域网络系统。 • 将分散的测量、控制设备作为网络节点，并以总线形 式连接起来，形成一个现场总线控制系统。所以，现 场总线控制系统是一种全数字、全分散的控制系统。
• 智能仪表为现场总线的出现奠定了基础
Date: 2018/6/10
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• 二、传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统
传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统（包括： 基于PC、PLC、DCS产品的分布式控制系统），如图所示：
Date: 2018/6/10
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传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统
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• 三、现场总线国际标准
• 由于刚开始没有一个统一的国际标准，各企业和企业集团相继开 发自己的总线产品，制定现场总线标准，形成了百花齐放的现状 • 据不完全统计，目前市场上形形式式的现场总线有200多种 • 号称为开放标准的也有二、三十种 • 现场总线国际标准IEC61158包含了八种类型，
由于大规模集成电路的发展，许多传感器、执行机构、驱动 装置等现场设备智能化，即内置CPU控制器，完成诸如线性 化、量程转换、数字滤波甚至回路调节等功能。
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。
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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I/O方式）完成对现场设备的监控。
嵌入式微控制器 • 嵌入式微控制器具有体积小、功能强、抗干扰能力强、 价格低廉等优点，广泛应用于各种机械设备的控制系 统中，但一般应用于控制要求较简单的中小型机械设 备或生产过程控制
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1.2 机械设备电气控制系统基本形式
工业计算机控制系统 • 工业计算机—IPC是采用PC架构并采取多种有效技术 措施以适应工业现场恶劣环境的计算机系统，因此， 以工业计算机IPC为核心构建的控制系统具有系统开 发方便，可以充分利用PC机的强大软件资源的优点， 具有强大的数据运算和处理能力，功能强大、性能优 异。可以比较容易的开发较复杂的控制程序，具有强 大的数据处理与图形显示功能，所以比较适用于控制 算法比较复杂的过程控制系统。
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第二章 现场总线技术
Date: 2018/6/10
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§2.1 现场总线的产生
• 现场总线（Fieldbus）是用于现场仪表、控制系统、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、多站的智 能设备互连通讯网络。
• 现场总线作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程 现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。
维修不便。
• 可靠性较低
• 虽然继电逻辑控制系统存在上述不足，但是仍能满足很多中小型 机械设备的自动控制要求，仍是最基本的电气控制系统之一，同 时也是盾构等大型机械设备电气控制系统设计的基础
Date: 2018/6/10 Page: 5
1.2 机械设备电气控制系统基本形式
无触点逻辑控制
• 无触点逻辑控制系统与继电逻辑控制系统本质上是相 同的，只是使用三极管、可控硅、数字集成电路等半 导体元件替代继电器、接触器等有触点控制与执行电 器。 • 因此，与继电—接触器控制系统相比较，具有体积小、 可靠性好、反应速度快、寿命长等优点。
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1.1 大型机电设备电气控制系统的基本要求与特点
系统可靠性与先进性
• 电气控制系统是机电设备的控制与操作核心，TBM、盾构等大 型施工机械工作环境恶劣、条件复杂、维护维修条件及保障能力 差，所以作为整个设备核心的电气控制系统的可靠性对于保证盾 构稳定高效可靠地工作是至关重要的。 • 因此， TBM、盾构等大型施工机械系统电气控制系统设计的第 一原则便是在保证TBM、盾构等大型施工机械系统整体可靠性 与性价比的前提下，采用当代最先进的自动控制与计算机控制技 术。
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，完成对所有现场设备的监控。 这就是现场总线技术的初始想法。
Date: 2018/6/10
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• 基于以上初始想法，使用一根通信电缆，将所有具有统一 的通信协议通信接口的现场设备连接，这样，在设备层传 递的不再是I/O（4-20mA/24VDC）信号，而是基于数字信 息，由数字化通信网络构成现场级与车间级自动化监控及 信息集成系统。
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2.互操作性 ： 不同制造商的产品互联互通即互操作性。
4.分散功能块 ： FCS系统将控制站的功能分散分配给现场仪表，构成虚拟 控制站，实现了彻底的分散控制。
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5.使用通信线供电 ：
6.开放式互连网络 ： FCS系统将控制站的功能分散分配给现场仪表，构成虚拟 控制站，实现了彻底的分散控制。
计算机数据采集系统在PLC控制系统的基础上可以同时实 现施工数据的采集、显示、汇总、统计甚至分析，为施工 管理人员科学管理、科学施工创造很好的条件。
Date: 2018/6/10 Page: 4
1.2 机械设备电气控制系统基本形式
继电逻辑控制系统
• 继电逻辑控制系统以硬接线的方式保证顺序动作的实现，直观、 形象，结构简单、价格便宜。广泛应用于各种机械设备。 • 但也存在很多缺点： – 通用性和灵活性差、修改、调试不便； – 不能实现机械设备模拟量参数的测试与自动控制； – 经常产生电弧，容易烧损触点，从而造成开关动作不可靠、
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1.2 机械设备电气控制系统基本形式
计算机控制系统
• 随着微电子技术及计算机技术的飞速发展，机械设备的电气控制 系统普遍采用了计算机，计算机以其强大的功能和灵活性为机械 设备的设计与应用带来了前所未有的进步与发展，尤其是TBM、 盾构等大型施工机械这样的大型、超大型机械设备必须采用计算 机控制系统才能满足其工艺与控制要求。 • 计算机控制系统的优点是功能强大、性能优异、可靠性高、抗干 扰能力强、寿命长，缺点是系统组成不直观，故障判断与处理较 困难等，因此对系统使用与维护人员要求高，要求使用与维护人 员具有较全面较扎实的计算机与自动控制方面的理论知识与实践 经验。 。
DatLeabharlann Baidu: 2018/6/10
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1.2 机械设备电气控制系统基本形式
可编程控制器（PLC）控制系统
• 可编程控制器是微型计算机技术与继电—接触器控制等常规控制 技术相结合的产物，是在继电—接触器控制系统和计算机控制系 统基础上发展起来的新型控制器。 • 所以以PLC(可编程控制器)为核心组成的控制系统计既具有继 电—接触器控制系统简单易懂易于理解的优点，也具有计算机控 制系统的灵活方便、柔性强的特点，同时比一般的计算机系统具 有可靠性强的优良特性。 • 自1969年诞生世界上第一台PLC以来，很快被世界上机械设备控 制系统及生产过程控制系统广泛采用，PLC一直是工业控制产品 中市场占有率最高的产品。目前，诸如TBM、盾构这样的大型 机械设备全部采用PLC控制系统。
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• 基于现场总线技术的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统如 图所示：
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• 二、现场总线本质
1.现场通信网络 ：
用于过程控制及制造自动化的现场设备或现场仪表之间互 连的通信网络。 2.现场设备互连 ： 传感器、变送器、执行机构等现场设备、现场仪表通过一对 传输线实现互连。传输线可以使用双绞线、同轴电缆、光纤 等，并可根据需要选择。
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系统不开放、可集成性差、专业性不强： 除现场设备均靠标准4-20mA/24VDC连接，系统其它软、硬 件通常只能使用一家产品。不同厂家产品之间缺乏互操作 性、互换性，因此可集成性差。这种系统很少留出接口， 允许其它厂商将自己专长的控制技术，如控制算法、工艺 流程、配方等集成到通用系统中去。 可靠性不易保证 ： 对于大范围的分布式系统，大量的I/O电缆及敷设施工，不 仅增加成本，也增加了系统的不可靠性。
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其主要特点： 现场层设备与控制器之间的连接是一对一（一个I/O点对设 备的一个测控点）所谓I/O接线方式，信号传递4-20mA（传 送模拟量信息）或24VDC（传送开关量信息）信号。
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• 主要缺点 信息集成能力不强：
盾构电气控制系统
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第一章 概述
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大型的施工机械设备的电气控制系统是 整个设备的控制核心，作用非常关键， 其电气控制系统也随着技术水平的不断 进步而不断改进，当前，诸如TBM、盾 构这样的典型大型机电设备的电气控制 系统均采用最先进、可靠的技术与设备 以保证性能的充分发挥。
控制器与现场设备之间靠I/O连线连接，传送4-20mA模拟量 信号或24VDC等开关量信号，并以此监控现场设备。这样， 控制器获取信息量有限，大量的数据如设备参数、故障及故 障纪录等数据很难得到。底层数据不全、信息集成能力不强， 不能完全满足企业信息化系统对底层数据的要求。
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§2.2 现场总线技术概念
• 一、现场总线定义
★ ISA SP50（美国仪表协会标准）中对现场总线的定义 — 现场总线是一种串行的数字数据通信链路，它 沟通了过程控制领域的基本控制设备（即场地级设备） 之间以及与更高层次自动控制领域的自动化控制设备 （即车间级设备）之间的联系 ★ 国际电工委员会IEC标准和现场总线基金会FF 的定义 — 现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的 数字式、双向传输、多分支结构的通信网络