现场总线及其应用技术

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《现场总线及其应用技术》课件

2020/4/15
4
要求及考试
上课认真做笔记认真完成课后作业
平时成绩
30％
实验成绩
60%
平时表现及作业 40%
期末笔试
70％
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第一讲现场总线概述
1.1 现场总线的现状和发展
现场总线现场总线是用于现场仪表与控制系统和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、多站的通信网络。
公司)
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1.1.5 现场总线的现状
1. 多种总线共存
世界市场对各种现场总线的需求：
过程自动化：15%(FF,PROFIBUS-PA,WorldFIP) 医药领域：18%(FF,PROFIBUS-PA,WorldFIP) 加工制造：15%(PROFIBUS-DP,DeviceNet) 交通运输：15%(PROFIBUS-DP,DeviceNet) 航空，国防：34%(PROFIBUS-FMS,LonWorks,
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典型ABB的AC800M系统组成
iFIX
IFix Client 1
IFix Client 2
Gateway 3 NIC
MIS ERP
ห้องสมุดไป่ตู้
IFix Primary Server
ABB AC800M
AC800M
iFix OPC Client ABB OPC Server
AC800M
IFix Secondary Server
应用层
分为两子层：应用服务层(FMS)，用于为用户提供服务；现场总线存取层(FAS)，用于实现数据链路的连接。
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现场总线技术及其应用

由于现场总线设备具有较高的可靠性，因此整个系统的可靠性也得到了提高。
增强可维护性
现场总线设备具有自诊断和远程诊断功能，方便维护和故障排除。
优化系统性能
现场总线技术可以实现分布式控制，优化了系统性能，提高了生产效率。
02
现场总线技术分类与特点
分类方式及标准
按照国际标准分类
分为基金会现场总线（FF）、PROFIBUS、CAN总线等。
在能源与电力领域，现场总线技术将助力实现能源的高效利用和电力的稳定传输，提高能源利用效率。
医疗与健康领域
现场总线技术也可在医疗与健康领域发挥重要作用，如实现医疗设备的远程监控和维护，提高医疗效率和服务质量。
技术创新与突破建议
加强基础研究
加大对现场总线技术的基础研究力度，推动理论创新和技术突破
PROFIBUS总线
是一种广泛应用于工业自动化领域的现场总线技术。它支持多种传输速率和传输距离，并具有高可靠性和实时性。
不同现场总线技术的比较
传输速率
不同现场总线技术的传输速率不同，需要根据实际应用需求
选择合适的传输速率。
传输距离
不同现场总线技术的传输距离也不同，需要根据实际应用需求选择合适的传输距离。
无线化与智能化
无线现场总线技术将逐渐普及，实现设备间无线通信，降低布线成本，提高系统灵活性。同时，智能化现场总线技术将进一步提高设备的自适应性、自诊断能力和远程监控能力。
标准化与互操作性
现场总线技术将更加注重标准化和互操作性，以实现不同厂商设备之间的无缝集成，降低系统维护和升级成本。
面临的挑战与问题分析
定义：现场总线是一种用于工业自动化领域，在现场设备之间实现通信和控制，以及与上级控制系统进行信息交互的通信技术。

现场总线技术及应用课件：现场总线技术概述

现场总线技术概述
现场总线的主要任务，就是通过自动化系统的数据信息来完成生产的执行。这些数据信息包括电机的电流、电机的转速、管道的流量、阀门的状态、温度的高低、压力的大小等，还包括控制电机的启动和停止、打开和关闭阀门、发送警报等。现场总线传递的数据信息，是现场控制流程能够正常进行下去的基础，也是企业级网络非常重要的部分。
接上。现场总线的主站和子站有内置或外加的通信模块、通信
卡，而且支持相同的通信协议以实现互连。
现场总线技术概述
当然，如果现场总线的规模较大，也可能出现包含多个不同通信协议的子网的情况，但每个子网使用的一定是同一个通信协议。子网和子网之间，可以通过网关来实现协议的转换，以组成大的主网。主站除了具备通信能力之外，还具有强大的运算能力，因为在每一个扫描周期，主站都需要对通信的数据进行处理并做出响应。通信的速度越快，主站的运算能力的需求就越大，否则通信的实时性就无法体现出来。子站作为受控设备，相对来说运算能力的要求比主站要小得多，但也要能够及时执行主站的控制命令、监视命令并及时反馈信息。当
现场总线技术概述
最后是降低了生产的稳定性。开关量信号和模拟量信号都是纯粹的电信号，极易受到干扰。如果现场设计或施工不当，则在信号受到干扰时很容易出现设备误动、信息错误、无法安全停机等问题。如果是在施工阶段，技术人员尚可花费大量的时间对其进行排查；如果已进入生产阶段才发现类似问题，则需要花费大量的人力和物力来进行二次改造。
现场总线技术概述
现场总线的安全性则分为两个方向，一个是面向安全设备的，另一个是面向通信本身的。面向安全设备方面，现在很多通信协议都在自己的规范中单独加入了安全设备的部分，牵涉安全设备的冗余、自检等，其目的是和安全设备做到更优的适配，保证在出现安全问题时可以正常地停机。面向通信本身方面，在前面稳定性的部分有必要的设置，如数据校验、心跳协议等，其目的是保证通信自身信息的安全，并在出现故障时可以做出正确的动作，如停机、报警等。得益于通信速度的加快，目前这一部分的内容在整个通信协议的交换信息中的占比越来越大，就是为了提高通信自身的安全性。

《现场总线技术及应用》课件1现场总线技术概述

2、电动单元组合式模拟仪表控制系统
随着生产规模的扩大，操作人员需要同时按多点的信息对生产过程实行操作控制，于是出现了气动、电动系列的单元组合式仪表，这些仪表采用统一的模拟信号。
3、集中式数字控制系统
模拟控制系统中的模拟信号的传递需一对一的物理连接，信号变化缓慢，很难提高控制系统的速度和精度，随着计算机技术的发展，控制系统实现了集中数字控制。
• 数字信号的精确性：数字信息可排除模拟信息传输和转换中所产生的误差。
• 由于现场总线是双向的，因此能够从中心控制室对现场智能仪表进行控制，使远程调整、诊断和维护成为可能，甚至能够在故障发生前进行预测。
四、现场总线控制系统的技术特点
系统的开放性 2. 互操作性与互用性 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
第一章现场总线技术概述
现场总线的发展背景现场总线控制系统几种有影响的现场总线现场总线技术的现状及其发展前景
第一节现场总线的发展背景
自动控制系统：在无人直接参与下可使生产过程或其他过程按期望规律或预定程序进行的控制系统。自动控制系统是实现自动化的主要手段。自动控制系统已被广泛应用于人类社会的各个领域。在工业方面，对于冶金、化工、机械制造等生产过程中遇到的各种物理量，包括温度、流量、压力、厚度、张力、速度、位置、频率、相位等，都有相应的控制系统；在农业方面的应用包括水位自动控制系统、农业机械的自动操作系统等。在军事技术方面，自动控制的应用实例有各种类型的伺服系统、火力控制系统、制导与控制系统等。在航天、航空和航海方面，除了各种形式的控制系统外，应用的领域还包括导航系统、遥控系统和各种仿真器。
现场总线的发展趋势
网络结构趋向简单化

现场总线技术及其应用

*
2.CAN总线的控制方式
CAN自诞生以来，以其独特的设计思想，良好的功能特性和极高的可靠性越来越受到工业界的青睐。 CAN总线作为一种建筑电气总线在智能楼宇中的控制方式见图3-4。
*
*
图3-4 CAN总线控制方式
3.2.4 BACNET总线
BACnet是A Data Communication Protocol for Building Automation and Control Network的简称，是一种为楼宇自控网络制定的数据通讯协议。
现场总线是开放互连网络
现场总线是现场通信网络
现场总线是数字通信网络
现场总线是现场设备互连网络
现场设备的互操作性与互用性
现场总线是结构和功能高度分散的系统
对现场环境的适应性
*
3.1.3 现场总线技术的优点
现场总线具有的数字化、开放性、分散性、互操作性和互换性及对现场设备环境的适应性等特点决定和派生了其一系列优点：节省硬件数量与投资节省安装费用节省维护开销
CAN协议遵循 ISO/OSI模型，采用了其中的物理层，链路层与应用层的三层结构。
*
CAN采用点对点，一点对多点及全局广播几种发送和接收数据方式，可实现全分布式多机系统，且无主从之分。 CAN总线可以工作在多主方式，网络上任一节点均可以在任意时刻向其他节点发送信息，从不分主从，通信方式灵活。 CAN采用非破坏性的总线仲裁技术。 CAN不能支持防爆区。
通常将用于楼宇自动化领域的现场总线，如LonWorks、EIB、CAN、BACnet、DeviceNet、Modbus等总线，称之为建筑电气总线。
*
3.1.1 现场总线的演变过程
20世纪70年代以前，控制系统中多采用模拟量对传输及控制信号进行转换、传递。由于其精度差、受干扰信号影响大，因而整个控制系统的控制效果及系统稳定性都很差。

现场总线技术及其应用

01
现场总线技术的应用领域
工业自动化
总结词
现场总线技术在工业自动化领域的应用非常广泛，它简化了工业控制系统的结构，提高了控制精度和可靠性，降低了设备和系统的维护成本。
详细描述
现场总线技术最初是为了满足工业生产现场的需求而发展起来的。在工业自动化领域，现场总线技术被广泛应用于各种生产设备之间的通信和控制系统，如数控机床、机器人、温度控制器等。通过现场总线技术，这些设备可以相互连接并进行数据交换，从而实现更加精确和可靠的生产控制。此外，现场总线技术还可以用于工业生产现场的远程监控和管理，使得管理人员可以随时了解生产现场的情况，及时发现并解决问题。
现场总线技术及其应用
汇报人：日期:
contents
目录
• 现场总线技术概述 • 现场总线技术的体系结构 • 现场总线技术的通信协议 • 现场总线技术的应用领域 • 现场总线技术的展望与发展趋势 • 现场总线技术应用案例分析
01
现场总线技术概述
定义和特点
定义
现场总线是一种用于工业自动化领域的数据通信协议，它允许设备之间进行数字通信，以实现设备间的数据交换和控制操作。
01
现场总线技术的体系结构
物理层
物理层的定义
物理层是现场总线技术的最底层，负责在通信设备之间传输原始比特流，涉及机械、电气、定时
和同步等方面。
物理层的特性
物理层具有规范化的物理设备接口，如电缆、连接器、终端电阻等，并规定了通信设备的电气特
性，如电压、电流等。
物理层的关键技术
物理层的关键技术包括信号编码、同步和传输技术等，以保证信
网络安全问题
随着现场总线技术的广泛应用，网络安全问题也变得越来越重要。需要采取有效的措施来确保数据的安全性和可靠性。

现场总线技术及应用

现场总线技术及应用
现场总线是应用生产现场、在微机化测控设备之间实现双向数字通信系统，是开放式、数字化、多点通信的低层控制网络。

现场总线是在20 世纪年代中期发展起来的。

现场总线技术是将专用的微处
理器植入传统的测控仪表，使其具备了数字计算和通信能力，采用连接简单的双绞线、同轴电缆、光纤等作为总线，按照公开、规范的通信协议，在位于现场的多个微机化测控仪表之间、远程监控计算机之间实现数据共享，形成适应现场实际需要的控制系统。

它的出现改变了以往采用电流、电压模拟信号进行测控信号变化慢，信号传输抗干扰能力差的缺点，也改变了集中式控制可能造成的全线瘫痪的局面。

由于微处理器的使用，使得现场总线有了较高的测控能力，提高了信号的测控和传输精度，同时丰富了控制信息内容，为远程传送创造了条件。

现场总线适应了工业控制系统向分散化、网络化、智能化发展的方向，一出现便成为全球工业自动化技术的热点，受到全世界的普通遍关注。

现场总线导致了传统控制系统结构的变革，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FCS（FieldbusControlSystem）。

一、现场总线的特点
现场总线系统打破了传统模拟控制系统采用的一对一的设备连线模式，而采用了总线通信方式，因而控制功能可不依赖控制室计算机直接在现场完成，实现了系统的分散控制，现场总线控制系统与传统的控制系统结构对经如图1 所示。

1、增强了现场级的信息采集能力。

现场总线技术及其应用

案例三：城市交通信号控制系统应用
总结词
利用现场总线技术实现城市交通信号的智能控制，提高交通流畅度和安全性。
详细描述
在城市交通管理中，采用现场总线技术构建交通信号控制系统，实现各个路口信号灯的实时通信和控制。通过实时数据采集和智能算法，优化信号灯的配时方案，提高交通流畅度和安全性，缓解城市交通拥堵问题。
在工业自动化领域，常见的现场总线技术包括PROFIBUS、Modbus、 EtherNet/IP等。
智能建筑
智能建筑是现场总线技术的另一个重要应用领域。通过现场总线，可以实现建筑物内各种设备（如照明、空调、安防等）的集中控制和管理，提高建筑物的能源利用效率和舒适度。
VS
在智能建筑领域，常见的现场总线技术包括LonWorks、CAN等。
智能交通系统
智能交通系统是现场总线技术的重要应用方向之一。通过现场总线，可以实现交通信号灯、监控摄像头等交通设施的集中控制和数据传输，提高交通效率和安全性。
在智能交通系统领域，常见的现场总线技术包括FlexRay、TTCAN等。
医疗设备
医疗设备是现场总线技术的重要应用领域之一。通过现场总线，可以实现医疗设备的集中控制和数据传输，提高医疗设备的可靠性和安全性。
02
现场总线技术种类
PROFIBUS
德国标准总线
PROFIBUS是一种用于工业自动化的现场总线标准，由德国标准委员会制定。它支持多种通信协议，广泛应用于制造业、过程控制和楼宇自动化等领域。
CAN总线
控制器局域网
CAN总线是一种用于汽车和工业自动化领域的现场总线标准。它支持分布式实时控制，具有高可靠性和灵活性，广泛应用于汽车电子、智能交通和工业自动化等领域。

现场总线技术及应用

总线基本概念部分1、现场总线的概念P1现场总线——应用于现场仪表与控制系统和控制室自动化系统之间的一种全分散、全数字化、双向、互联、多站的信息通信链路，实现相互操作以及数据共享。

2、现场总线的5个发展阶段P2a.基地式气动仪表控制系统、b.电动单元组合式模拟仪表控制系统、c.集中式数字控制系统、d.集散控制系统DCS、e.现场总线控制系统FCS。

3、现场总线分类P3Foundation Fieldbus、ControlNet、PROFIBUS(传感器总线：ASI；设备总线：CAN)4、现场总线的技术特点P8a.系统的开放性b.互可操作性c.通信的实时性与确定性d.现场设备的智能与功能自主性e.对现场环境的适应性5、现场总线的优势与劣势P9a.优势：节省硬件数量与投资、节省安装费用、节约维护开销、用户具有高度的系统集成主动权、提高了系统的准确性与可靠性b.劣势：网络通信中数据包的传输延迟，通信系统的瞬时错误和数据包丢失，发送与到达次序的不一致等，都会破坏传统控制系统原本具有的确定性，使得控制系统的分析与综合变得更复杂，使控制系统的性能受到负面影响。

6、总线操作、总线仲裁概念P15a.总线操作：总线上数据发送者与接收者之间的连接→数据传送→脱开这一操作序列称为一次总线操作。

b.总线仲裁：对总线冲突的处理过程，根据某种裁决规则来确定下一个时刻具有总线占有权的设备。

7、信道容量香农公式P24W：信道带宽S/N：信噪比8、模拟数据编码P25模拟数据编码：采用用模拟信号的不同幅度、不同频率、不同相位来表达数据的0，1状态9、数据传输方式分类P26-29a.按数据流的组织方式分：并行通信，串行通信。

b.按信息同时传输的方向分：单工通信，半双工通信，全双工通信。

c.按传输信号的频率范围分：基带传输，宽带传输。

d.按通信的同步方式分：同步通信，异步通信10、传输差错的检测方法P30-31a.冗余：如对每个字符都传输两次。

现场总线技术及其应用专项培训

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四现场总线在配电自动化中的应用
基于现场总线的电力配电监控网络构成
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四现场总线在配电自动化中的应用
系统主要特点
➢ 友好的人机界面； ➢ 强大的网络通信； ➢ 可靠的安全管理； ➢ 实时的故障报警和事件处理； ➢ 完善的数据报表； ➢ 系统内相关资源的数据采集、监控和共享； ➢ 为各级电力系统的管理者提供的决策帮助； ➢ 系统可靠性、稳定性和可视化的明显提高； ➢ 对各个智能子系统的远程监控；
➢ 机械式水压自动机 ➢ 单回路数字调节器、PLC和集散控制系统(DCS) ➢ 现场总线控制系统FCS
6
二现场总线在煤化工控制领域中的应用
气化层温度将随着空气的加入而升高，随着蒸气的加入而降低，呈现一定规律变化，该生产过程被称为一个工作循环。
吹风气
3
4
5 6 煤气
水蒸汽
2
1
7
空气
各阶段气体流向示意图
CAN现场总线技术应用于造气炉控制系统，从根本上实现结构分散、信息集中、管控一体化的全新分布式控制模式；
基于CAN现场总线的造气炉智能控制系统的产业化发展，将为造气炉的高水平自动化提供强有力的技术支持。
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三现场总线在锅炉控制系统中的应用
1. 项目概述我国的锅炉产业发展迅猛，但运行热效率低,浪费能源，
二现场总线在煤化工控制领域中的应用
软件节点设计
各节点软件具体包括以下各软件包： (1) RDSP-4型雷达信号处理软件包； (2) ZF-4S-BIOS型基本I/O管理模块； (3) ZF-4S-ZQC型造气过程控制软件包； (4) ZF-4S-HN型氢氮比控制模块。
11
二现场总线在煤化工控制领域中的应用

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把DCS的集中与分散相结合的集散系统结构，变成了新型全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场。
开放性、分散性与数字通讯是现场总线系统最显著的特征。
2020年4月30日5时45分
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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
2020年4月30日5时45分
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DCS与FCS
2020年4月30日5时45分
2020年4月30日5时45分
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1.1.2 现场总线的本质
5. 通信线供电允许现场仪表直接从通信线上获取能量，对于要求本征安全的低功耗现场仪表，可采用这种供电方式
6. 开放式互连网络既可与同层网络互连，也可以与不同层网络互连，还可以实现网络数据库的共享
2020年4月30日5时45分
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IEC对现场总线的定义现场总线是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实行双向、串行、多节点数字通信的技术。
涉及智能仪表、控制、计算机、数据通信技术
2020年4月30日5时45分
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1.1.1 现场总线的产生
---控制系统的发展趋势
第一代：气动信号控制系统(50年代之前) 第二代：电动模拟信号控制系统(50年代
DCS:操作员在控制室既不能了解模拟仪表的工作状态，也不能对其进行参数调整，更不能预测故障，导致操作员对仪表处于 “失控”状态
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1.1.3 现场总线的特点和优点
---FCS与DCS的详细对比
4. 互换性 FCS: 用户可以自由选择不同制造商提供的性能价格比最优的现场设备和仪表，并将不同品牌的仪表互连； DCS:尽管模拟仪表统一了信号标准(420mA DC)，可大部分参数仍由制造厂自定，致使不同品牌的仪表互换难度较大
1. 现场通信网络
用于过程及制造自动化的现场设备或现场仪表互连的通信网络
2. 现场设备互连
现场设备或仪表指传感器、变送器和执行器等。这些设备通过一对传输线互连，传输线可以使用双绞线、同轴电缆、光纤和电源线等
3. 互操作性
对不同厂商不同品牌的现场设备统一组态，构成所需要的控制回路，并且具备相互操作的功能
1.1.3 现场总线的特点和优点
---现场总线的结构特点
由于采用智能现场设备，能够把DCS系统中处于控制室的控制模块、各输入输出模块置入现场设备中，在现场直接完成采集和控制。
由于不需要其他的模数转换器件，且一对电线能传输多个信号，因而简化了系统结构，节约了设备及安装维护费用。
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1.1.1 现场总线的产生---产生背景
微处理器技术的迅猛发展和广泛应用，使仪表和现场控制设备在性能和功能上有显著的提高；
对系统维护管理、测试和监视需求的日益增加；
控制领域在控制精度、可操作性、可维护性、可移植性等方面的要求。
2020年4月30日5时45分
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1.1.2 现场总线的本质
---FCS与DCS的详细对比
2. 可靠性
FCS: 可靠性好：数字信号传输抗干扰能力强，精度高； DCS: 可靠性差：模拟信号传输不仅精度低，而且容易受干扰
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1.1.3 现场总线的特点和优点
---F可以了解现场设备或现场仪表的工作状况，也能对设备进行参数调整，还可以预测或寻找故障，使设备始终处于操作员的远程监视与可控状态之中；
1. 李正军.《现场总线及其应用技术》
机械工业出版社，2005
2. 阳宪惠. 《现场总线技术及其应用》
清华大学出版社，1998 3. 甘永梅.《现场总线技术及其应用》
机械工业出版社，2000 4. 杨宁.《集散控制系统及现场总线》
北航出版社，2001 5. 邬宽明.《现场总线技术应用选编》
北航出版社，2001
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1.1.3 现场总线的特点和优点
---FCS与DCS的详细对比
1. 结构
FCS: 一对多：一对传输线接多台仪表，双向传输多个信号 DCS: 一对一：一对传输线接一台仪表，单向传输一个信号
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1.1.3 现场总线的特点和优点
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1.1.3 现场总线的特点和优点
---FCS与DCS的详细对比
5. 仪表 FCS: 智能仪表，除了具有模拟仪表的检测、变换、补偿等功能外，还具有数字通信能力，并且具有控制和运算的能力； DCS: 模拟仪表只具有检测、变换、补偿等功能
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参考书目
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要求及考试
上课认真做笔记认真完成课后作业
平时成绩
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实验成绩
60%
平时表现及作业 40%
期末笔试
70％
2020年4月30日5时45分
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第一讲现场总线概述
1.1 现场总线的现状和发展
现场总线现场总线是用于现场仪表与控制系统和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、多站的通信网络。
至今),4－20mA的模拟量标准信号。第三代：计算机集中控制系统(70年代) 第四代：集散式分布控制系统(80年代)
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1.1.1 现场总线的产生 ---控制系统的发展趋势
第五代：现场总线控制系统(FCS)
突破了DCS系统采用通信专用网络的局限，采用了基于公开化、标准化的解决方案，克服了封闭系统所造成的缺陷；
现场总线与控制网络
Field Bus and Control Network
长安大学
王会峰 2013年9月
主要内容
现场总线简介、特点与优点数据通信基础与网络互联主要现场总线的介绍现场总线的典型应用现场总线控制系统现场总线与工业以太网的互连技术
2020年4月30日5时45分
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参考书目
2020年4月30日5时45分
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1.1.2 现场总线的本质
4. 分散功能块
FCS废弃了DCS的输入/输出单元和控制站，把 DCS控制站的功能块分散地分配给现场仪表，从而构成虚拟控制站
例如：
流量变送器不仅具有流量信号变换、补偿和累加输入模块，而且有PID控制和运算功能块。
调节阀的基本功能是信号驱动和执行，还内含输出特性补偿模块，或PID控制和运算模块，甚至阀门特性自检验和自诊断功能。

现场总线及其应用技术

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