微型计算机控制技术（第2版）课件：网络集成计算机控制系统

网络集成计算机控制系统01FCS与DCS的比较现场总线控制系统简介集散控制系统简介0302现场总线控制系统简介集散控制系统简介FCS与DCS的比较DCS概述现代控制系统的发展历史实际上经历了一个由控制分散、管理分散，控制分散、管理集中，控制集中、管理集中到控制分散、管理集中的过程。随着现代化工业技术的飞速发展，工业生产过程的控制规模不断扩大，复杂程度不断增加，工艺过程不断强化，因而对过程控制和生产管理系统提出了越来越高的要求。信息技术的飞速发展，也导致了自动化领域的深刻变革，并逐渐形成了自动化领域的开放系统互连通信网络，形成了全分布式网络集成化自控系统。以微处理器为基础的分散型控制系统(Distributedcontrolsystem，简称DCS)，正是在这种背景下产生的，它是继直接作用式气动仪表、气动单元组合仪表、电动单元组合仪表和组件组装式仪表之后的新一代控制系统。今天的分散型控制系统已经不是过去的那种模拟控制系统，而是采用了计算机技术的数字控制系统。今天的集中管理手段也不仅仅是依靠指示仪表、记录仪表和操作开关，而是采用先进的CRT显示设备、打印机和键盘来管理。分散控制系统又称为计算机分布式控制系统、集散型控制系统，它是生产过程监视、控制技术发展和计算机与网络技术应用的产物。分散式控制系统指的是一种多机系统，即多台计算机分别控制不同的对象或设备，各自构成子系统，各子系统间有通信或网络互连关系。从整个系统来说，在功能上、逻辑上、物理上以及地理位置上都是分散的。总之，以计算机网络为核心组成的控制系统都是分散式控制系统，它是控制技术、计算机技术、通信技术和CRT显示技术的结晶。DCS概述集散控制系统由集中管理部分、分散控制监测部分和通信部分组成。集中管理部分可分为操作员工作站、工程师工作站和管理计算机；分散控制监测部分按功能分为控制站、监测站；通信部分则完成控制指令及各种信息的传递和数据资源的共享。图11－1所示为一个分散控制系统的典型结构。集散控制系统最基本的特征就是实现了系统的分散控制和集中管理，它以高可靠性和完善的控制管理功能代替了大部分原有的常规仪表控制系统。由于计算机技术的开放模式、集成技术、和现场总线技术对DCS应用和发展的影响，促使目前的DCS技术向集成化、综合化、智能化的方向发展。集散控制系统广泛应用于工业控制领域的各个行业，它们的硬件和软件千差万别，但是它们的基本构成方式和构成要素是相同、相似的。DCS在体系上是功能分层的，按照自下而上的功能分层。集散控制系统一般可以分为四层：现场控制级、过程装置控制级、车间操作管理级、全厂优化和调度管理级。信息自下向上集中，自上向下分散，构成系统基本结构。DCS的分散过程控制级

分散过程控制装置是集散控制系统的核心，也是集散系统中变化形式最多的部分，它的功能越来越强，发展趋势是集常规、逻辑和批量控制于一体，成为多功能控制器。1、分散过程控制装置的类型按照组成分散过程控制装置的设备不同，可以分为7类，即将单回路控制器、多回路控制器、数据采集装置、可编程逻辑控制器、输入输出装置等几大类设备任意组合，形成不同类型的分散控制装置。2、分散过程控制装置的构成特点分散控制装置具有分散控制、递阶控制等特点（1）整体式系统的构成：即分散过程控制装置本身有操作器，构成闭环，自成系统，在没有外部信息交互的情况下，仍然可以独立完成控制功能，系统可靠性较高。（2）分散式系统的构成：分散式系统采用通讯系统，它的操作接口在系统上层，下层按照负荷分散的原则组成水平型结构，操作器与控制器分散，可以实现降级操作到操作级，增加了可靠性，操作灵活性大。（3）冗余系统的构成：由于分散过程控制装置直接与生产过程联系，它直接影响过程控制的好坏，因此经常采用冗余结构。DCS的分散过程控制级相当于现场控制级和过程控制装置级，由单回路、多回路控制器、多功能控制器、数据采集装置等组成，它的主要功能是分散的过程控制。其结构具有以下4点特征：

适应恶劣的工业现场环境；工业现场存在大量的冲击、噪声、电磁、机械震动的干扰，设备的工作环境比较恶劣，因此需要选择工业级的专用设备。比如专门应用于工业的IPC，它在设计时考虑了恶劣的工作环境，其元件容量大，机箱采用钢板，安装了防尘罩和大功率排风扇等。

分散控制；

实时性；硬件时钟频率快，软件算法精练实用

独立性；在上一级设备出现故障的情况下，还可以正常运行，可靠性要求高。

DCS的集中操作管理级DCS的集中操作管理级相当于车间操作管理级和全厂优化和调度管理级，由操作站、管理机和外围设备组成，它的主要功能是集中各个分散过程控制装置送来的信息，把操作命令送到各个分散过程控制装置。它的结构有3条特征：（1）信息量大：因为它负责整个系统信息的收集与下传，因此一般具有大存储容量，需采用数据压缩技术、分布式数据库技术及并行处理技术等。（2）易操作性：操作界面友好，简单直观，大量运用组态软件。（3）容错性好：应该具有防止误操作的保护措施，可以从硬件和软件两方面入手，硬件设置密匙，对操作人员进行权限分级，对误操作不予反应等。DCS的综合信息管理级管理级包含的内容比较广泛，一般来说，它可能是一个发电厂的厂级管理计算机，也可能是若干个机组的管理计算机。它所面向的使用者是厂长、经理、总工程师、值长等行政管理或运行管理人员。厂级管理系统的主要任务是监测企业各部分的运行情况，利用历史数据和实时数据预测可能发生的各种情况，从企业全局利益出发辅助企业管理人员进行决策，帮助企业实现其规划目标。对管理计算机的要求是，具有能够对控制系统做出高速反应的实时操作系统，能够实现大量数据的高速处理与存储，具有能够连续运行可冗余的高可靠性，能够长期保存生产数据，并具有优良的、高性能的、方便的人机接口，丰富的数据库管理软件，过程数据收集软件，人机接口软件以及生产管理系统生成等工具软件，以实现整个工厂的网络化和计算机的集成化。管理级是属厂级的，其功能也可分成实时监控和日常管理两部分。实时监控功能属全厂各机组和公用辅助工艺系统的运行管理层，承担全厂性能监视、运行优化、全厂负荷分配和日常运行管理等任务，主要为值长服务。日常管理功能即承担全厂的管理决策、计划管理、行政管理等任务，主要是为厂长和各管理部门服务。DCS的数据通信集散控制系统的各个子系统需要进行信息的交换，而这些信息的交换是通过通讯系统实现的，没有通讯系统，整个系统就会各自为政，一盘散沙，通讯系统就好比是人体的神经感觉系统，没有它，就谈不上系统的优化调度、协调运行，因此通讯系统的性能优劣是衡量一个集散控制系统先进与否的重要标准。DCS的数据通讯，指各级的计算机、微处理器与外部设备的通信、级与级之间的通信。由于集散控制系统是用于工业生产过程的控制与管理，因此，它所采用的通信网络具有特殊的要求：（1）实时性好，动态响应快。工业生产是一个实时的过程，集散控制系统采用的通信网络要有良好的实时性和快速的响应性，开关、阀门、电机的运转都应在毫秒级；（2）可靠性高，不言而喻，集散控制系统的通信网络要具有极高的可靠性，否则会给工业生产带来巨大的损失；（3）适应恶劣的工业现场环境。工业现场的气候条件、电磁环境要比其他环境恶劣许多，它的通信网络必须能够克服这些因素的影响，保持正常的工作；（4）开放系统互联和互操作性。目前通讯系统突出强调通讯的开放性和互操作性，“开放”，就是允许与其他厂商的产品通讯，这就要求通讯有一个统一的标准、协议。“互操作性”指工业现场的变送器、执行器可以互换。DCS是以微型机为核心的4C技术竞相发展并紧密结合的产物，而通信技术在DCS中占有重要的地位。所谓DCS，即分散过程控制单元以对过程对象加以控制，同时集中监视和操作管理单元以达到综合信息全局管理的目的。计算机网络连接了这些过程控制单元（也称I/O站）、监视操作站（也称操作员站）和系统的管理单元（也称工程师站）。当I/O站、操作员站和工程师站分布在一个局部区域时，连接它们的网络称为局部网络（LAN：LocalAreaNetwork）。计算机局部网络技术的迅速发展，极大地促进了DCS的发展。然而DCS所完成的是工业控制，因此其通信系统与一般办公室用局部网络有所不同，工业控制用通信系统有如下几个特点：DCS的数据通信(1)快速实时响应能力DCS的通信网络是工业计算机局部网络，它能及时传输现场过程信息和操作管理信息，因此网络必须具有良好的实时性，一般办公自动化计算机局部网响应时间可在几秒范围内，而工业计算机网的响应时间应在0.01～0.5s，高优先级信息对网络存取时间则不应超过10ms。(2)具有极高的可靠性DCS的通信系统必须连续运行，通信系统的任何中断和故障都可能造成停产，甚至引起设备和人身事故。因此通信系统必须具有极高的可靠性。一般DCS通信系统采用双网备份方式，以提高可靠性。(3)适应恶劣的工业现场环境DCS的通信系统必须在恶劣的工业环境中正常工作，工业现场存在各种干扰，这些干扰一般可分为四类，它们是①电源干扰：它是由电源系统窜入网络的脉冲，其上升时间约为1μs，峰值为2.5kV；②雷击干扰：雷击时，靠近传输线任意一点的干扰电位，大约是10μs上升到5000V、20μs下降到2500V的脉冲，俗称10/20μs脉冲。(4)分层结构DCS构成实例这里介绍一种用YS-80可编程调节器和PC/486工控机构成小型集散控制系统的具体方法。1、系统组成系统构成如图11－2。采用PC/486工控机作为主操作站，配有三通道监视器接口模板。三个监视器分别用于三台锅炉的工艺状态显示。PC机的并行口连接打印机，用于过程参数曲线打印。PC机的并行口连接打印机，用于过程参数曲线打印、事故状态报警打印和日、月、年报表打印。PC机通过其串行口及网络通信控制器CC网络上的各控制站进行信息交换，实现集中管理。各控制站分别由三台YS-80单回路可编程调节器和以单片机为微处理器的STD/8031工控机组成。三台YS-80单回路可编程调节器分别用于三台锅炉汽包的水位控制，由其通信接口直接挂在网络上，通过网络修改其参数值。以单片机为微处理器的STD工控机与辅助设备的运行监控，是通过单片机的串行口实现网络数据交换的。DCS构成实例2、网络结构及通信接口网络通信控制器CCD是实现系统功能的重要部件，它向上联系主操作站，向下和通信物理介质一起构成现场总线RBUS。主站和网络通信控制器CCD之间采用主从结构，RS－232作为通信总线，以命令响应/请求方式进行工作，即命令由主站发往CCD，CCD响应后通过RBUS向各控制站发出相应的信息。CCD同样可以请求主站响应，将各控制站的信息发往主站，CCD和各控制站之间采用令牌方式进行工作，即CCD和各控制站均须相应的通信字符才可互相交换数据。CCD的数据缓冲器容量是根据现场信息量的大小来确定的。运行在CCD的任务有6个，即自身管理任务、令牌任务、与各控制站的信息收/发任务及与主站的信息收/发任务。现场总线的物理结构及其接口现场总线采用环行网络。接口的电气隔离电压达1.5千伏，为分散互联的各控制站之间以及控制站与PC机之间提供隔离，以提高系统抗干扰能力和可靠性，适应工业现场的复杂环境。在通信故障期间，各控制站仍然按既定的方式不间断工作，充分体现分散性特点。考虑到主站PC机和各控制站的通信接口结构，网络通信控制器CCD与现场总线RBUS及主站的接口均为RS-232结构，其拓扑结构如图11－3所示。DCS构成实例控制站与CCD的通信接口8251是一种常规的通信控制器，它能将并行数据转换为一定格式的串行数据，同样可以将一定格式的串行数据装配成为并行数据，并提供足够的联络信号。YS-80单回路可编程调节器的通信接口线路即由8251和RS-232电流环转换隔离电路构成。CCD中也设计有原理与YS-80的通信接口相似的通信线路，以实现两者的互连。这里只给出YS-80的通信线路，如图11－4所示。该电路最终输出只有两根线，发送和接收均通过两线传输。正常状态下接收器开放。需发送时关闭接收器，发送结束后重新开放接收器。DCS构成实例CCD与PC机的通信接口CCD中的通信采用8031中的串行通信接口，其原理、外围的隔离、转换电路也与YS-80的通信接口相似，以便于互连。CCD与PC机的接口直接采用RS-232接口。因CCD与PC机在安装位置上基本位于同一处，所以用标准RS-232连接，在传输距离上不会超出其接口要求。现场环行总线RBUS的形成如图11－2所示，各控制站分别以通信口的“+”“-”端相连，最终连在CCD上构成环行总线RBUS。

DCS构成实例3、通信协议与YS-80的工作模式现场总线采用国际电工委员会IEC/SC65C规定的有关集散控制系统中的低层协议，它可为多台现场控制站互连并与上位计算机机通信提供有效手段。采用YS-80的报文压缩方式，自定义了一个适合于本系统结构的简化通信协议。该通信协议规定如下：协议约定：RS-232方式；波特率：300、500、1200、2400、4800、9600可选。协议报文：主从，令牌方式。报文结构为令牌/通行字（占1个字节），长度/属性（占1个字节），命令/响应（占1个字节），数据（占9个字节），校验（占1个字节），停止位（占1个字节）。YS-80的工作模式设定为：MODE2=2（YS-80的设定值由上位机系统设定）；MODE5=0（允许上位机系统设定）。上述所构成的系统特点是：结构简单，易实现；组成灵活，易扩展；智能仪表与计算机均为通用产品，因此可基本实现板级与模板级更换，便于维修，技术性能稳定。上述系统特别适合用于国内企业组建控制系统和对现有控制设备进行技术改造，可用于实现工业窑、反应器、精镏塔、加热炉、发酵罐、食品机构、干燥器、蒸发器、造纸器、环保设备以及中小型锅炉等的控制。

现场总线控制系统简介集散控制系统简介FCS与DCS的比较现场总线概述随着计算机技术、微电子技术和通信技术的飞速发展，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，覆盖了从工段、车间、工厂、企业乃至世界各地的市场。信息技术的飞速发展，引起了工业控制领域发生了一次新技术的变革，使得传统的集散控制系统（DistributedControlSystem）无论在结构上还是在性能上都发生了巨大的飞跃，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）技术就是在这种新的变革中孕育而生的。根据国际电工委员会（IEC）和美国仪表协会（ISA）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、多分支结构的串行通讯网络。它的关键标志是能支持双向、多节点、总线式的全数字通信。它构造了网络集成式全分布式控制系统，同时它又是一种低带宽的底层控制网络，是计算机集成过程系统/计算机集成制造系统（CIPS/CIMS）的最低层。由于工业自动化控制系统特别强调其可靠性、安全性和实时性，所以用于测量和控制的数据通信不同于以传递信息为主要目标的邮电通信，也不同于一般信息技术的计算机网络通信。用于测量和控制的数据通信的主要特点是：允许对事件进行实时响应的事件驱动通信；很高的可用性；很高的数据完整性；在有电磁干扰和电位差的情况下能正常工作，以及使用工厂内专用的传输线等。现场总线概述现场级的控制网络一般可以分为三个层次：SensorBus、DeviceBus和FieldBus。其中SensorBus面向的是简单的数字传感器和执行机构，主要传输状态信息，网上交换的数据单元是位(bit)；DeviceBus面向的是模拟传感器和执行器，主要传输模拟信号的采集转换值、校正与维护信息等，网上交换的数据单元是字节(Byte)；而FieldBus面向的是控制过程，除了传输数字与模拟信号的直接信息外，还可传输控制信息，即FieldBus上的结点可以是过程控制单元(PCU)，FieldBus网络交换的数据单元是帧(Frame)。图11－5列出了几种现场级网络及其在控制网络三个层次中所处的位置。现场总线概述现场总线通信协议是参照国际标准化组织ISO制定的ISO/OSI开放系统互联参考模型并经简化建立的（主要实现第1、2、7层功能），IEC/ISA(美国仪表协会)现场总线通信协议模型综合了多种现场总线标准，规定了现场应用进程之间的相互可互操作性、通信方式、层次化的通信服务功能划分、信息的流向及传递规则。OSI参考模型共分7层，现场总线通信协议则根据自身特点加以简化，采用了物理层、数据链路层和应用层，同时考虑到现场装置的控制功能和具体运用又增加了用户层。现场总线协议模型如图11－6所示。现场总线概述其各层功能定义如下：第一层：物理层提供机械、电气、功能性和规程性功能，以便在数据链路实体之间建立、维护和拆除物理连接。物理层通过物理连接在数据链路实体之间提供透明的位流传输。对于现场总线的物理层规定了通信信号的大小和波形，并有基带和宽带两种方式，物理层定义了所用导线媒体的类型和导线上的传送速度。现场总线的媒体有:双绞线、同轴电线、光纤和无线传输。用现有的模拟电缆可构成低速星形拓朴，对于新的电缆可构成高速多引线和光纤拓朴。第二层：数据链路层分为媒体访问控制(MAC，MediaAccessControl)子层和逻辑链路控制(LLC，LogicLinkControl)子层。MAC子层主要实现对共享总线媒体的“交通”管理，并检测传输线路的异常情况。MAC子层是在节点间用来对帧的发送、接收信号进行控制，同时检验传输差错。现场总线的实时通信主要由数据链路层提供，所谓实时(time－critical)就是提供一个“时间窗”，在该时间窗内，需要完成具有某个指定级别确定度的一个或多个动作。为了满足实时性要求，IEC61158.3和IEC61158.4数据链路层标准中采用了不同于IT的全新的数据链路层服务定义和数据链路层规范。第三层：应用层直接为用户服务，提供适用于应用、应用管理和系统管理的分布式信息服务。开放系统相互连接的管理包括初始化、维护、终止和记录某些数据所需的功能，这些数据与为在应用进程间传送数据而建立的连接有关。现场总线应用层主要组成部分包括:应用进程、应用进程对象、应用实体和应用服务元素等。应用层主要提供通信功能、特殊功能以及管理控制功能。现场总线访问子层(FAS，FieldbusAccessSublayer)提供发布者/接收者、客户/服务器和报告分发三种服务，现场总线报文规范(FMS，FieldbusMessageSpecification)则提供对象字典服务、变量访问服务和事件服务。现场总线的发展背景与趋势在八十年代，现场总线技术最早在欧洲产生，它将数字通信总线一直延伸到现场仪表，使许多现场仪表，如变送器、调节阀、记录仪、显示器、PLC及其他自动化设备等可通过一条总线进行双向、多点、多种信息的数字通信，从而取代目前使用的4～20mA单变量、单向模拟传输方式。数字通信技术的应用带来了控制系统和仪表通信标准的兼容问题。由于智能现场仪表的通信协议各不相同，用户在使用不同制造商生产的智能仪表时会有很大的困难。因此在进入九十年代以后，一些企业集团和标准化组织开始了制定行业标准、地区性标准和国际标准的工作。由于标准化工作牵涉到巨大的经济和政治利益，国际上的现场总线标准之争相当激烈。在工业自动化领域，各制造厂商分化为以ISP(InteroperableSystemProtocol，可互操作系统协议)和WorldFIP(FactoryInstrumentationProtocol，工厂仪表协议)为代表的两大派别。两大派别极力维护自身利益，长期不能统一。迫于用户压力和市场需求，在1994年9月，ISP和WorldFIP北美分部握手言和，成立了现场总线基金会FF（FieldbusFoundation）。FF的宗旨是促进产生一个单一的国际现场总线标准。现场总线的发展背景与趋势另一个方面，国际电工委员会极为重视总线标准的制定，1984年就筹备成立了IEC/TC65/SC65c/WG6工作组，开始起草现场总线标准。1993年IEC61158.2现场总线物理层成为国际标准，1998年2月IEC61158.3链路层服务定义和IEC61158.4链路层协议规范，1997年10月IEC61158.5用户层服务定义和IEC61158.6应用层协议规范相继成为国际标准最终草案FDIS（FinalDraftofInternationalStandard）。但是因为实质上它只包括了FF一种协议，在1998年9月，这四个现场总线的国际标准最终草案未获通过。

在这种情况下，1999年7月IEC/TC65/SC65c/WG6工作组修改了IEC61158中Type3～Type6（就是上面的IEC61158.3－6）四个技术规范，着手制定一个多功能单一标准的现场总线，即将原来的IEC61158中Type3～Type6的技术规范内容并入Type1,其它的总线标准作为Type3－6进入IEC61158。最终现场总线国际标准成为了一个包含多种协议的框架。每一种总线的前途将由市场和用户来决定。这其中的Type1就是FF－H1，其中的Type5就是FF－HSE（High-SpeedEthernet，高速以太网）。2000年初IEC61158现场总线国际标准正式获得通过，它包括8种主要的现场总线，具体如下：类型1：IEC技术报告（FF－H1）；类型2：ControlNet（美国Rockwell公司支持）；类型3：Profibus（德国Siemens公司支持）；类型4：P－Net（丹麦ProcessData公司支持）；类型5：FF－HSE（原FF－H2）；类型6：SwiftNet（美国波音公司支持）；类型7：WorldFIP（法国Alston公司支持）；类型8：Interbus(德国PhoenixContact公司支持)；现场总线的发展背景与趋势现场总线的国际标准虽然制定出来了，但它与IEC(国际电工委员会)于1984年开始制定现场总线时的初衷是相违背的。IEC的最初想法是制定单一的现场总线国际标准。究其根本原因，不外乎每种总线标准的背后均有一定实力的跨国公司支持，并已占据了一定的市场。IEC61158发展历程至少给了两点启示，工业自动化技术应用于各行各业，使用一种现场总线技术不可能满足所有行业的技术要求；现场总线不同于计算机网络，人们将会面对一个多种总线技术标准共存的现实。技术发展很大程度上受到市场规律、商业利益的制约，技术标准不单是一个技术规范，也是一个商业利益的妥协产物。这对国内发展总线应用很有启发意义，针对不同的应用现场，可以考虑不同的标准。现场总线技术是控制领域的一次革命，它对企业的生产方式、管理模式都将产生深刻的变革。它的出现，对我国自动化领域既是机遇又是挑战。国内研究开发现场总线，首先必须对世界技术的发展状况和我国的实际情况有充分的认识和了解，分析各种有利和不利的条件。目前，国际上现场总线技术已经呈现出竞争十分激烈的局面。各大厂商为了自己的利益，都在发展和维护自己的产品，并积极参与和把持标准的制定工作，希望能主导现场总线技术的发展。这导致在现有的产品结构和应用水平上，现场总线领域己经很难统一。由于种种原因，今后现场总线的发展将呈现以下特点：多种总线并存，在相互竞争的同时相互取长补短；每种现场总线将形成其特定的应用领域，未来能占有市场的总线将集中在少数有竞争力的总线上；工业以太网的引入成为新热点。工业以太网被应用于自动化领域，显然得益于总线标准之争。以太网的优势在于其拥有一个标准IEEE802.3。但是根据CSMA/CD机理，它不能满足工业网络通信的实时性和确定性要求，这是将工业以太网用于工业自动化领域的一个障碍，对于底层设备的高实时性要求的情况，工业以太网可能还要做很多的工作。现场总线的发展背景与趋势从目前的趋势看，工业以太网进入现场控制级是勿庸置疑的。目前工业以太网在自动化领域的应用主要集中在企业的上层管理中，而底层则是结合现有的现场总线技术，成为一种混合式的现场控制系统。国内科研单位的有利条件是，由于现场总线技术还是一种新兴技术，还处于发展阶段，尤其在高速现场总线领域还有很大的发展空间，只要积极努力，还是能够和国外进行竞争的。但不利的条件是我国综合技术力量薄弱，科研力量规模小、资金少，无力研制复杂的现场总线专用芯片，在硬件技术上基本上只能采用已有的产品。因此很难和国外企业进行正面的竞争。FF在现场总线领域处于主流地位，受到绝大多数用户的支持，FF－HSE现场总线标准是IEC61158通过的8种国际现场总线技术标准之一，而且HSE协议底层采用高速以太网+TCP/IP协议，代表了当今现场总线技术发展的方向。由于采用高速以太网+TCP/IP协议栈，对硬件的开发能力要求较低，可以采用大量现有的成熟的硬件产品，如I/O板、计算机等，而不需开发复杂的专用电路。另外，以太网技术成熟、应用广泛，成本相对低廉。随着现场总线国际标准的完成和应用环境的形成和完善，采用现场总线的智能仪表和系统会迅速增加，传统仪表和DCS系统终将被智能仪表和开放控制系统取代，FCS将成为二十一世纪自动控制系统的主流，其发展方向是加入Internet、Intranet大家族中。现场总线标准(l)FF现场总线(类型1和5)FF现场总线包括低速总线H1和高速总线HSE(原H2)。FF现场总线的应用领域以过程自动化为主。如：化工、电厂实验系统、废水处理、油田等行业。(2)Profibus现场总线(类型3)80年代初德国制订的一种现场总线标准，分为PROFIBUS－DP(分散外围设备)，适用于加工制造自动化领域的应用，实现分散外设之间的高速数据传输；PROFIBUS－FMS(现场总线报文规范)，适用于楼宇自动化等领域；PROFIBUS－PA(过程自动化)，适用于流程自动化领域。这3种类型均使用单一的总线访问协议，它只采用了OSI模型的物理层、数据链路层及应用层。Profibus支持主从模式、纯主站模式、多主多从模式等，主站对总线有控制权，可主动发信息，主站间通过传递令牌来传递对总线的控制权。取得控制权的主站，可向从站发送、获取信息。(3)P－NET现场总线(类型4)P－NET的设计开始于1983年。P－NET采用OSI参考模型中的1，2，3，4，7层，是一种多主站主从式总线(每段最多可容纳32个主站)，使用屏蔽双绞线电缆RS485，每段总线最长1200米，每段最多可连125个设备，总线分段之间使用中继器。数据以NRZ(不归零位)编码异步传输，传输速率76.5Kbit/S。P－NET总线访问采用一种“虚拟令牌传递”的方式，总线访问权通过虚拟令牌在主站之间循环传递，即通过主站的访问计数器和空闲总线位周期计数器确定令牌的持有者和持有令牌的时间。这种令牌传递方式是一种基于时间的循环机制，比报文传递令牌方式的传递效率更高。P－NET对从站的通信程序仅需几千字节的编码，结构简单，不需采用专门芯片，比其他总线更易于开发和转化。“小系统低成本”是P－NET的主要特征之一。(4)CAN（ControllerAreaNetwork控制局域网络）

由德国Bosch公司于1993年推出，应用于汽车监控、开关量控制、制造业等。介质访问方式为非破坏性位仲裁方式，适用于实时性要求很高的小型网络，且开发工具廉价。Motorola、Intel、Philips均生产独立的CAN芯片和带有CAN接口的80C51芯片。CAN型总线产品有AB公司的DeviceNet、台湾研华的ADAM数据采集产品等。现场总线控制系统

一般把现场总线系统称为第五代控制系统，也称作FCS—现场总线控制系统。人们一般把50年代前的气动信号控制系统PCS称作第一代，把4~20mA等电动模拟信号控制系统称为第二代，把数字计算机集中式控制系统称为第三代，而把70年代中期以来的集散式分布控制系统DCS称作第四代。现场总线是将自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备互连的实时控制通讯网络，遵循ISO的OSI开放系统互连参考模型的全部或部分通讯协议。现场总线控制系统FCS则是用开放的现场总线控制通讯网络将自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备互连的实时网络控制系统。现场总线控制系统FCS作为新一代控制系统，一方面，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;另一方面把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。可以说，开放性、分散性与数字通讯是现场总线控制系统最显著的特征。此外现场总线控制系统还具有以下特点：（1）一对N结构一对传输线，N台仪表，双向传输多个信号。这种一对N结构使得接线简单、工程周期短、安装费用低、维护方便。如果增加现场仪表或现场设备，只需并行挂到电缆上，无需架设新的电缆。（2）可靠性高数字信号传输抗干扰性强、精度高,无需采用抗干扰和提高精度的措施。（3）可控状态操作员在控制室即可以了解现场设备或现场仪表的工作状况，也能对其进行参数调整，还可以预测和寻找事故，提高了系统的可靠性、可控性和可维护性。（4）互换性用户可以自由选择不同制造商所提供的性能价格比最优的现场设备或现场仪表，并将不同品牌的仪表进行互换。即使某台仪表发生故障，换上其他品牌的同类仪表，系统仍能照常工作，实现即接即用。

现场总线控制系统（5）互操作性用户把不同制造商的各种品牌的仪表集成在一起，进行统一组态，构成它所需要的控制回路。用户不必绞尽脑汁，为集成不同品牌的产品而在硬件或软件上花费力气或增加额外投资。（6）综合功能现场仪表既有检测、变换和补偿功能，也有控制和运算功能。实现了一表多用，不仅方便了用户，也节省了成本。（7）分散控制控制站功能分散到现场仪表中，通过现场仪表可构成控制回路，实现彻底的分散控制。提高了系统的可靠性、自治性和灵活性。（8）统一组态由于现场设备或现场仪表引入了功能块的概念，所有制造商都使用相同的功能块，并统一组态方法。这样就使组态非常简单，用户不需要因为现场设备或现场仪表的不同而采用不同的组态方法。（9）开放式系统现场总线为开放式互联网络，所有的技术和标准都是公开的，所有制造商都必须遵循。这样，用户可以自由集成不同制造商的通信网络，既可以与同层网络互连，也可以与不同层网络互连，另外，用户可以极其方便地共享网络数据库。（10）低成本相对DCS而言，FCS开放的体系结构和OEM技术将大大缩短开发周期，降低开发成本，且彻底分散的分布式结构将1对1模拟信号传输方式变为1对N的数字信号传输方式，节省了模拟信号传输过程中大量的A/D、D/A转换装置、布线安装成本和维护费用。因此从总体上来看，FCS的成本大大低于DCS的成本。现场总线对ＤＣＳ结构的影响1．现场总线控制网络与DCS网络的集成现场总线并不是在所有的控制场合下都能发挥它的优点,例如小规模数字模拟混合系统,特别是现场和控制室距离较近的情况。因为混合控制在同一集中的CPU中实现将比较方便,小系统所冒控制集中的风险也不大。而现场总线控制分散的特点需要几种设备来实现,因此显得繁琐。实际上，在当前和今后的一段时间内,工业控制网络将面临现场总线与DCS网络共存的局面。由于近一段时间内现场总线与ＤＣＳ并存，另外大部分现场总线生产商同时是ＤＣＳ生产商，因此ＤＣＳ为保持其竞争能力，采用了一些现场总线的技术对其ＤＣＳ进行改造，产生了一些介于传统ＤＣＳ和现场总线之间的控制系统。现在有许多ＤＣＳ开发商宣称他们的ＤＣＳ控制系统兼容现场总线。按照DCS对现场总线兼容程度的不同，可以将兼容现场总线的ＤＣＳ划分为三类：初步兼容现场总线的DCS、异质兼容现场总线的DCS和同质兼容现场总线的DCS。初步兼容现场总线的ＤＣＳ是指在ＤＣＳ中使用现场总线的智能仪表,将总线仪表的变量输入或输出到ＤＣＳ控制系统。异质兼容现场总线的ＤＣＳ使用网关设备将大部分的现场总线功能映射到现存的ＤＣＳ系统中，而那些未映射入ＤＣＳ的现场总线功能将丢失。如果ＤＣＳ能够兼容现场总线的所有特征，那么我们就说这种ＤＣＳ是同质兼容现场总线的ＤＣＳ。

现场总线对ＤＣＳ结构的影响DCS属非开放式专用网络,DCS主机是DCS系统的控制、通信中心。而在新型的工业控制网络体系中,整个DCS系统将作为其中的一个特殊子网存在,DCS主机则是一个普通的节点。与现场总线网络集成时有