现场总线(第1讲)Fieldbus Control System,FCS

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。

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。

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。

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（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。

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。