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9.4.2 现场总线技术现场总线技术是20世纪80年代中期在国际上发展起来的一种崭新的工业控制技术。
现场总线技术极大地简化了传统控制系统繁琐且技术含量较低的布线工作量，使其系统检测和控制单元的分布更趋合理。
更重要的是从原来的面向设备选择控制和通信设备转变成为基于网络选择设备。
尤其是20世纪90年代现场总线技术逐渐进入中国以来，结合Internet和Intranet的迅猛发展，现场总线控制系统技术越来越显示出其传统控制系统无可替代的优越性。
1．什么是现场总线技术从名词定义来讲，现场总线是用于现场电器、现场仪表及现场设备与控制室主机系统之间的一种开放的、全数字化、双向、多站的通信系统。
而现场总线标准规定某个控制系统中一定数量的现场设备之间如何交换数据。
数据的传输介质可以是电线电缆、光缆、电话线、无线电等等。
现场总线技术就是将微处理器芯片嵌入到位于控制现场的检测仪表和执行机构中，使这些设备都具有了智能化的运算和通信能力，能成为独立承担各种检测、控制和通信任务的网络节点。
采用可进行简单连线的双绞线等传输途径作为总线，把多个测量控制设备连接成的网络系统，并按公开、规范的通信协议，使得位于现场的多个测量控制设备之间以及现场设备与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息交换，从而形成了各种适应实际需要的新型的自动控制系统。
传统控制系统的接线方式是并联接线方式，从可编程控制器（PLC）控制各个电器元件，每一个元件对应有一个I/O口，两者之间需用两根线进行连接，作为控制或电源。
当PLC 所控制的电器元件数量达到数十个甚至数百个时，整个系统的接线就显得十分复杂，容易搞错，施工和维护也十分不便。
为此，人们考虑怎样把那么多的导线合并到一起，用一根导线来连接所有设备，所有的数据和信号都在这根线上流通，同时设备之间的控制和通信可任意设置。
因而这根线自然而然地成了总线，就如计算机内部的总线概念一样。
由于控制对象都在工矿现场，不同于计算机通常用于室内，所以这种总线被称为现场总线。
现场总线技术概念1.现场总线技术目前，公认的现场总线技术概念描述如下：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。
或者，现场总线是以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，用总线相连接，实现相互交换信息，共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统。
2.现场总线技术产生的意义（1）现场总线（Fieldbus）技术是实现现场级控制设备数字化通信的一种工业现场层网络通信技术；是一次工业现场级设备通信的数字化革命。
现场总线技术可使用一条通信电缆将现场设备（智能化、带有通信接口）连接，用数字化通信代替4- 20mA/24VDC 信号，完成现场设备控制、监测、远程参数化等功能。
（2）传统的现场级自动化监控系统采用一对一连线的、4-20mA/24VDC 信号，信息量有限，难以实现设备之间及系统与外界之间的信息交换，使自控系统成为工厂中的”信息孤岛”，严重制约了企业信息集成及企业综合自动化的实现。
（3）基于现场总线的自动化监控系统采用计算机数字化通信技术，使自控系统与设备加入工厂信息网络，构成企业信息网络底层，使企业信息沟通的覆盖范围一直延伸到生产现场。
在CIMS 系统中，现场总线是工厂计算机网络到现场级设备的延伸，是支撑现场级与车间级信息集成的技术基础。
3.基于现场总线的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统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：图：基于现场总线的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统4.基于现场总线的自动化监控及信息集成系统主要优点（1）增强了现场级信息集成能力现场总线可从现场设备获取大量丰富信息，能够更好的满足工厂自动化及CIMS 系统的信息集成要求。
现场总线是数字化。
现场总线技术概述现场总线技术（Fieldbus）是指在工业自动化系统中，用于连接现场设备和控制系统的一种通信协议和架构。
它通过将数据和控制命令从控制系统传输到现场设备，并将现场设备反馈的数据传输回控制系统，实现实时监控和控制。
现场总线技术的发展起源于20世纪80年代，旨在解决传统控制系统中布线复杂、成本高昂、可靠性低等问题。
与传统控制系统相比，现场总线技术具有可编程、分布式、开放性强等优点，是实现工业自动化和智能化的重要手段之一现场总线技术的核心是通信协议，常见的现场总线协议包括Profibus、Modbus、FOUNDATION Fieldbus、DeviceNet等。
这些协议定义了数据格式、通信速度、错误检测和纠正等通信规范，保证了不同设备之间的互通性和稳定性。
现场总线技术的架构通常由控制层、总线层和现场设备层组成。
控制层包括控制器和上位机，负责发送控制命令和接收反馈数据；总线层是控制器与现场设备之间的通信介质，包括总线线缆、连接器和信号转换设备；现场设备层包括传感器、执行器等各种设备，负责感知和执行现场操作。
现场总线技术在工业自动化中的应用广泛，涵盖了各个行业和领域。
它可以实现对现场设备的远程监控和控制，提高了系统的可靠性和灵活性。
同时，现场总线技术还可以对现场设备进行参数配置和诊断，减少了故障排除时间和维护成本。
然而，现场总线技术也存在一些挑战和限制。
首先，不同的现场总线协议之间，通常不能直接互联互通，需要通过网关或转换器进行数据的转换和交换。
其次，现场总线技术对硬件设备的要求较高，需要选择与总线兼容的设备进行接入。
此外，现场总线技术的通信速度相对较慢，对于一些对实时性要求较高的应用场景可能不够满足。
总的来说，现场总线技术是工业自动化领域的重要技术和工具，具有广泛的应用和发展前景。
随着工业互联网的兴起，现场总线技术将继续推动工业自动化向智能化、高效化的方向发展。
引言随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展，信息交换沟通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，覆盖从工段、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。
一．现场总线的概述1．现场总线简介现场总线是20世纪80年代中期在国际上发展起来的。
随着微处理器与计算机功能的不断增强和价格的急剧降低，计算机与计算机网络系统得到迅速发展，而处于生产过程底层的测控自动化系统，采用一对一连线，用电压、电流的模拟信号进行测量控制，或采用自封闭式的集散系统，难以实现设备之间以及系统与外界之间的信息交换，使自动化系统成为“信息孤岛”。
要实现整个企业的信息集成，要实施综合自动化，就必须设计出一种能在工业现场环境运行的、性能可靠、造价低廉的通信系统，形成工厂底层网络，完成现场自动化设备之间的多点数字通信，实现底层现场设备之间以及生产现场与外界的信息交换。
现场总线就是在这种实际需求的驱动下应运而生的。
它作为过程自动化、制造自动化、楼宇、交通等领域现场智能设备之间的互连通信网络，沟通了生产过程现场控制设备之间及其与更高控制管理层网络之间的联系，为彻底打破自动化系统的信息孤岛创造了条件。
现场总线技术将专用微处理器臵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，采用可进行简单连接的双绞线等作为总线，把多个测量控制仪表连接成的网络系统，并按公开、规范的通信协议，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。
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。
1-1 什么是现场总线？现场总线出现的历史背景是怎样的？定义：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.它广泛应用于制造业、流程工业、楼宇、交通等领域的自动化系统中。
背景：从20世纪50年代至今一直都在使用着一种信号标准，那就是4一2OmA的模拟信号标准.20世纪70年代，数字式计算机引人到测控系统中,而此时的计算机提供的是集中式控制处理。
20世纪80年代，微处理器在控制领域得到应用，微处理器被嵌人到各种仪器设备中,形成了分布式控制系统。
随着微处理器的发展和广泛应用，产生了以IC代替常规电子线路，以微处理器为核心，实施信息采集、显示、处理、传输及优化控制等功能的智能设备.一些具有专家辅助推断分析与决策能力的数字式智能化仪表产品，其本身具备了诸如自动量程转换、自动调零、自校正、自诊断等功能,还能提供故障诊断、历史信息报告、状态报告、趋势图等功能通信技术的发展,促使传送数字化信息的网络技术开始得到广泛应用。
与此同时,基于质量分析的维护管理、与安全相关系统的测试记录、环境监视需求的增加,都要求仪表能在当地处理信息，并在必要时允许被管理和访问，这些也使现场仪表与上级控制系统的通信量大增. 另外，从实际应用的角度出发,控制界也不断在控制精度、可操作性、可维护性、可移植性等方面提出新需求。
由此，导致了现场总线的产生。
1-2 与DCS相比，FCS在结构上有哪些特点？试画出其结构图。
特点:形成了新型的网络集成式全分布控制系统,现场总线控制系统由于采用了现场总线设备，能够把原先DCS系统中处于控制室的控制模块、输入输出模块置入现场总线设备，加上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，因而控制系统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。
由于采用数字信号代替模拟信号，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;现场总线设备以外不再需要A/D、D/A转换部件。
结构图：1-3 FCS相对于DCS具有哪些优越性？试述FCS的技术特点.优越性：1。
FCS实现全数字化通信.2.FCS实现彻底的全分散式控制。
3。
FCS实现不同厂商产品互连、互操作。
4。
FCS增强系统的可靠性、可维护性。
5。
FCS降低系统工程成本。
技术特点：1.系统的开放性。
2。
互可操作性与互用性。
3。
现场设备的智能化与功能自治性。
4.系统结构的高度分散性。
5.对现场环境的适应性。
1-4 试展望FCS发展前景。
目前有哪些因素妨碍FCS在工业的推广应用？前景：现场总线控制系统FCS采用了现代计算机技术的网络技术、微处理器技术及软件技术,实现了现场仪表之间的数字连接及现场仪表的数字化，给工业生产带来了巨大的效益，降低了现场仪表的初始安装费用，节省了电缆、施工费,增强了现场控制的灵活性，提高了信号传递精度，减少了系统运行维护的工作量。
现场总线技术的发展,促使工厂底层自动化系统及信息集成技术产生变革，新一代基于现场总线的自动化监控系统已初露端倪。
可以预言，尽管目前是FCS与DCS并存，最终FCS将逐步代替DCS和PLC。
因素：1。
总线系统繁简不一，最简单的总线好像就是大约用了约100年的电话线。
2。
载波控制系统的使用.复杂的总线比方如以汽车系统使用的总线CAN技术，每个节点都是需要一套CPU。
一切的一切都是在于能够达到成功控制所需的成本。
为了成本的问题才出现不同层次的总线系统的存在.2-1 什么是总线主设备、从设备？总线操作过程的内容是什么？寻址方式有几种？定义：可在总线上发起信息传输的设备叫做“总线主设备”。
也就是说,主设备具备在总线上主动发起通信的能力,又称命令者.不能在总线上主动发起通信、只能挂接在总线上、对总线信息进行接收查询的设备称为“总线从设备"，也称基本设备。
内容：总线上命令者与响应者之间的“连结→数据传送→脱开”这一操作序列称为一次总线“交易”（Transaction），或者叫做一次总线操作。
方式：1.物理寻址.2。
逻辑寻址。
3.广播寻址.2—2 网络通信系统是由哪几部分组成的？各自作用是什么？组成部分：通信系统是传递信息所需的一切技术设备的总和。
它一般由信息源和信息接收者,发送、接收设备，传输媒介几部分组成.作用：1。
信息源和接收者是信息的产生者和使用者。
2.发送设备的基本功能是将信息源和传输媒介匹配起来，即将信息源产生的消息信号经过编码,并变换为便于传送的信号形式，送往传输媒介.3.接收设备的基本功能是完成发送设备的反变换，即进行解调、译码、解密等。
它的任务是从带有干扰的信号中正确恢复出原始信息来，对于多路复用信号，还包括解除多路复用,实现正确分路。
4.传输介质指发送设备到接收设备之间信号传递所经媒介。
它可以是无线的,也可以是有线的(包括光纤）。
有线和无线均有多种传输媒介，如电磁波、红外线为无线传输介质，各种电缆、光缆、双绞线等为有线传输介质。
2-3 在数据传输中有几种常用的数据表示方法？种类: 1.基带传输中数据的表示方法（1)平衡与非平衡传输（2)归零与不归零传输（3）单极性与双极性传输:(1）平衡、归零、双极性（2)平衡、归零、单极性（3）平衡、不归零、单极性(4）非平衡、归零、双极性（5)非平衡、归零、单极性（6）非平衡、不归零、单极性2.载带传输中的数据表示方法（1）调幅方式（2)调频方式（3）调相方式2—4 在数据通信系统中，通常采用几种数据交换方式?请简要叙述。
1.线路交换方式：线路交换方式是在需要通信的两个节点之间事先建立起一条实际的物理连接，然后再在这条实际的物理连接上交换数据，数据交换完成之后再拆除物理连接.2.报文交换方式：报文交换不需要事先建立实际的物理连接,而是经由中间节点的存储转发功能来实现数据交换。
3.报文分组交换方式：报文分组交换方式不需要事先建立实际的物理连接，交换的基本数据单位是一个报文分组。
并通过(1）虚电路方法。
(2)数据报文法。
来实现.2—5 比较通信网络系统中的几种拓扑结构。
星型结构:在星形拓扑中，每个站通过点-点连接到中央节点，任何两站之间通信都通过中央节点进行。
中央节点的结构显得比较复杂，对其要求较高。
环型结构:通过中继器进行点-点连接，构成一个封闭的环路。
中继器接收前驱站发来的数据，发往后继站.链路是单向的，工作站需有较复杂的网路处理功能。
总线型结构:在总线拓扑中,传输介质是一条总线，工作站通过相应硬件接口接至总线上。
一个站发送数据，所有其它站都能接收.2-6 说明ISO/OSI协议模型的七层结构，每层的主要功能是什么?ISO/OSI的7层参考模型包括：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。
物理层主要是处理机械的、电气的和过程的接口,以及物理层下的物理传输介质等问题。
数据链路层的主要任务是加强物理层传输原始比特的功能，使之对网络层显现为一条无错线路.网络层关系到子网的运行控制，其中一个关键问题是确定分组从源端到目的端如何选择路由。
传输层的基本功能是从会话层接收数据,并且在必要时把它分成较小的单元，传递给网络层，并确保到达对方的各段信息正确无误.会话层允许不同机器上的用户建立会话（session)关系。
表示层完成某些特定功能，例如用一种大家一致同意的标准方法对数据编码。
应用层包含大量人们普遍需要的协议。
2-7 物理层的接口有几种？请简要加以说明。
（1）RS—232C RS-232C是1969年由美国电子工业协会(EIA）修订的串行通信接口标准。
它规定数据信号按负逻辑进行工作。
以-5～-15V的低电平信号表示逻辑1,以+5～+15V的高电平信号表示逻辑0，采用25针的接插件，并且规定了最高传输速率为19.2kbit/s、最大传输距离为15m。
（2）RS-449为了进一步提高RS—232C的性能,特别是提高传输速率和传输距离，EIA于1977年公布了RS—449标准，并且得到了CCITT和ISO的承认.RS-449采用与RS—232C不同的信号表达方式，它的抗干扰能力更强,传输速率达到2。
5Mbit/s，传输距离达到300m。
另外，它还允许在同一通信线路上连接多个接收器.(3)RS—485 RS—485扩展了RS—449的功能，它允许在一条通信线路上连接多个发送器和接收器（最多支持32个发送器和接收器)，这个标准实现了多个设备的互连。
它的成本很低，传输速率和通信距离与RS-449在同一数量级。
3—1 简述PROFIBUS总线网络的模型结构和协议类型。
PROFIBUS通信模型参照了ISO/OSI参考模型的第一层（物理层)和第二层（数据链路层）,其中FMS还采用了第7层（应用层)，另外增加了用户层。
1.PROFIBUS-DP通信协议定义了第1层、第2层和用户接口层,未定义第3～7层，这种精简的结构确保了数据传输的高速有效。
2。
PROFIBUS—FMS通信协议定义了第1层、第2层和第7层，第7层又分为现场总线报文规范和底层接口。
3.PROFIBUS—PA使用扩展的PROFIBUS—DP协议进行数据传输,另外还规定了现场设备的设备行规。
3—2 简述RS—485传输技术的基本特性。
网络拓扑：线性总线，两端有有源的总线终端电阻；传输速率: 9.6kbit/s~12Mbit/s；介质:屏蔽双绞电缆，也可取消屏蔽，取决于环境条件(EMC)；站点数：每段32站（无中继），127站（有中继）；插头连接：9针D型插头3—3 简述IEC 61158—2传输技术要点,适合于什么应用场合？为什么？1.数据传输 IEC 61158-2的数据传输采用曼彻斯特编码，这是一种常用的基带信号编码.2。
传输电缆传输介质采用屏蔽/非屏蔽双绞线，总线电缆的特性决定了总线的最大扩展、可连接的总线站数和对电磁干扰的灵敏度。
3。
总线连接总线段上最多可连接32个站，总线段的两端各有一个无源RC终端器。
最大的总线段长度主要取决于供电设备、导线类型和所连接站的电流消耗.4.拓扑结构拓扑结构可以有多种形式,可以实现树形、总线型或其组合结构。
适合于现场级过程自动化，具有本质安全和总线供电特性。
3-4 PROFIBUS采用何种总线存取控制机制？主站之间采用令牌总线机制，主站与从站之间采用主从机制。
3-5 PROFIBUS控制系统由哪几部分组成？1。
一类主站一类主站指PLC、PC或可做一类主站的控制器。
一类主站完成总线通信与管理。
2.二类主站二类主站指操作员工作站(如PC机加图形监控软件）、编程器、操作员接口等。
完成各站点的数据读写、系统配置、故障诊断等。
3。
从站(1）PLC PLC可做PROFIBUS上的一个从站。
