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1.0 工业控制网络的发展历程 机械式/液动式仪表
缺点：仪表体积较大，只能实现就地检测、记录和简单的控制，适合单机控制
年代：20世纪30年代
气动式仪表
使用统一的压力信号，带远程发送器，能在远距离外的二次仪表上重现读数，从而能集中在中心控制室进行检测、记录和控制
年代：20世纪30年代末和40年代初
电动仪表
使用4-20mA电流环模拟信号
缺点：线缆较多
年代：20世纪50年代 CCS（ComputerControl System）中央控制计算机系统包括2种类型： SCADA（SupervisoryControl and Data Acquisition）监视控制与计算机采集系统?DDL（Direct Digital Control）直接数字控制系统 年代：约1962年 特点：控制集中，危险集中，对中央控制计算机要求高 DCS（DistributedControl System）集散控制系统/分散控制系统/分布式控制系统 是相对于集中式控制系统而言的一种新型计算机控制系统，它是在集中式控制系统的基础上发展、演变而来的 年代：约1976年 FCS（FieldbusControl System）现场总线控制系统 年代：约1972年 总结（FCS产生的原因）：?生产力水平的发展所要求；?由简到繁、再由繁到简的螺旋式上升发展过程。 1.1 现场总线的概念
国际电工委员会制定的国际标准IEC61158对现场总线（fieldbus）的定义是：
安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线称为现场总线。
第2版（Ed2.0）IEC61158-2用于工业控制系统中的现场总线标准——第2部分：物理层规范（Physical Layer Specification）与服务定义（Server definition）又进一步指出：
现场总线是一种用于底层工业控制和测量设备，如变送器（transducers）、执行器（actuators）和本地控制器（local controllers）之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。 对现场总线概念的理解和解释还存在一些不同的表述。
1>、现场总线一般是指一种用于连接现场设备，如传感器（sensors）、执行器以及像PLC、调节器（regulators）、驱动控制器等现场控制器的网络； 2、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； 3、现场总线是一种串行的数字数据通信链路，它沟通了生产过程领域的基本控制设备（现场设备）之间以及更高层次自动控制领域的自动化控制设备（车间级设备）之间的联系； 4、现场总线是连接控制系统中现场装置的双向数字通信网络；现场总线是从控制室连结到现场设备的双向全数字通信总线； 5、现场总线是用于过程自动化和制造自动化（最底层）的现场设备或现场仪表互连的现场数字通信网络，是现场通信网络与控制系统的集成； 对现场总线概念的不同的表述：
在自动化领域，“现场总线”一词是指安装在现场的计算机、控制器以及生产设备等连接构成的网络；
现场总线是应用在生产现场、在测量控制设备之间实现工业数据通信、形成开放型测控网络的新技术，是自动化领域的计算机局域网，是网络集成的测控系统。 现场总线一般应被看作是一个系统、一个网络或一个网络系统，它应用于现场测量和/或控制目的，通常被称为
现场总线控制系统FCS（FieldbusControl System）
现场总线
现场总线系统
现场总线网络
现场总线网络系统
现场总线网络控制系统
网络控制系统NCS （Network Control System） 1.2 现场总线系统的组成与体系结构 1.2.1 现场总线系统的组成 硬件：
总线电缆，又称为通信线、通信介质（媒体/媒介/介体）。
连接在通信线上的设备称为总线设备，亦称为总线装置、节点（主节点、从节点）、站点（主站、从站）。 软件：
系统平台软件：为系统构建、运行以及为系统应用软件编程而提供环境、条件或工具的基础软件。包括组态工具软件、组态通信软件、监控组态软件和设备编程软件。
系统应用软件：为实现系统以及设备的各种功能而编写的软件，包括系统用户程序软件、设备接口通信软件和设备功能软件。 组态工具软件——为用计算机进行设备配置、网络组态提供平台并按现场总线协议/规范（Protocol／Specification）与组态通信软件交换信息的工具软件，如RSNetWorxfor DeviceNet、ControlNet、EtherNet/IP。
组态通信软件——为计算机与总线设备进行通信，读取总线设备参数或将总线设备配置、网络组态信息传送至总线设备而使用的软件，如RSLinx。 监控组态软件——运行于监控计算机(通常也称为上位机)上的软件，具有实时显示现场设备运行状态参数、故障报警信息，并进行数据记录、趋势图分析及报表打印等功能。监控组态软件可使用户通过简单形象的组态工作即可实现系统的监控功能。监控组态软件亦称上位机监控组态软件，如RSView32。 设备编程软件——为系统应用软件提供编程环境的平台软件。当设备为控制器/PLC时，设备编程软件即为控制器编程软件，如RSLogix500（用于SLC500系列和ML系列控制器的32位基于Windows的梯形图逻辑编程软件）、RSLogix5000（用于Logix平台所包括的各种控制器（如Control LogixTM）的编程软件）。 系统用户程序软件——根据系统的工艺流程或功能及其他要求而编写的系统级的用户应用程序。该程序一般运行于作为主站的控制器中或计算机中。
设备接口通信软件——根据现场总线协议/规范而编写的用于总线设备之间通过总线电缆进行通信的软件。
设备功能软件——使总线设备实现自身功能（不包括现场总线通信部分）的软件。
1.2.2 现场总线控制系统的体系结构 在现场总线控制系统中，总线设备主要分为6类： 变送器／传感器；
执行器；
控制器；
监控／监视计算机； 网桥／网关/中继器/集线器/交换机/路由器；
其他现场总线设备。 1.3 现场总线的技术特点及优点 1.3.1 现场总线的技术特点
现场总线是当今3C技术，即通信（Communication）、计算机（Computer）、控制（Control）技术发展的结合点。现场总线是过程控制技术、自动化仪表技术、计算机网络技术三大技术发展的交汇点。 现场总线是信息技术、网络技术的发展在控制领域的体现。
现场总线是信息技术、网络技术发展到现场的结果。?现场总线是自动化领域技术发展的热点之一，将对传统的工业自动化带来革命，从而开创工业自动化的新纪元。 现场总线控制系统必将逐步取代传统的独立控制系统、集中采集控制系统和集散控制系统DCS（Distributed Control System），成为本世纪自动控制系统的主流。 与DCS等传统的系统相比，现场总线（系统）有以下特点： 现场通信网络 现场总线将通信线（总线电缆）延伸到工业现场（制造或过程区域），或总线电缆就是直接安装在工业现场的； 现场总线完全适应于工业现场环境，因为它就是为此而设计的。 数字通信网络
现场底层的变送器／传感器、执行器、控制器之间的信号传输均用数字信号；
中／上层的控制器、监控／监视计算机等设备之间的数据传送均用数字信号；
各层设备之间的信息交换均用数字信号。
传统的DCS的通信网络介于操作站与控制站之间，而现场仪表与控制站中的输入／输出单元之间采用的是一对一的模拟信号传输。 开放互连网络
现场总线标准、协议／规范是公开的，所有制造商都必须遵守；
现场总线网络是开放的，既可实现同层网络互连，也可实现不同层网络互连，而不管其制造商是哪一家；
用户可共享网络资源。 现场设备互连网络
现场总线通过一根通信线将所需的各个现场设备（如变送器／传感器、执行器、控制器）互相连接起来，即用一根通信线直接互连N个现场设备，从而构成了现场设备的互连网络。 结构与功能高度分散的系统
现场总线的系统结构具有高度分散性；
现场总线的系统功能实现了高度分散，现场设备由分散的功能模块构成。
现场总线废弃了DCS的控制站及其输入／输出单元，从根本上改变了DCS集中与分散相结合的集散控制系统体系，通过将控制功能高度分散到现场设备这一途径，实现了彻底分散控制。 现场设备的互操作性与互换性
互操作性：不同厂商的现场设备可以互连，互相之间可以进行信息交换并可统一组态；
互换性：不同厂商的性能类似的现场设备可以互相替换。
现场总线中现场设备所具有的互操作性与互换性是DCS无法具备的。 1.3.2 现场总线的优点
现场总线所具有的数字化、开放性、分散性、互操作性与互换性及对现场环境的适应性等特点决定和派生了其一系列优点：
导线和连接附件大量减少
一根总线电缆直接互接N台现场设备，电缆用量大大减少（原来DCS的几百根甚至几千根信号与控制电缆减少到现场总线的一根总线电缆）；
端子、槽盒、桥架、配线板等连接附件用量大大减少。 仪表和输入／输出转换器（卡件）大量减少
采用人机界面、本身具有显示功能的现场设备或监视计算机代替显示仪表，使仪表的数量大大减少；
输入／输出转换器（卡件）的数量大大减少。
在DCS中所用的4~20mA线路只能获得一个测量参数，且与控制站中的输入／输出单元一对一地直接相连，因此输入／输出单元数量多。
在现场总线系统中，一台现场设备可以测量多个参数，并将它们以所需的数字信号形式通过总线电缆进行传送，因此对单独的输入／输出转换器（卡件）的需要少。 设计、安装和调试费用大大降低
原来DCS繁琐的原理图设计在现场总线中变得简单易行；
安装和校对的工作量大大减少；
可根据需要将系统分为几个部分分别调试，使调试工作变得灵活方便；
强大的故障诊断功能使得调试工作变得轻松愉快。 维护开销大幅度下降
系统的高可靠性使系统出现故障的机率大大减小；
强大的故障诊断功能使故障的早期发现、定位和排除变得快速而有效，系统正常运行时间更长，维护停工时间大大减少。 系统可靠性提高
系统结构与功能的高度分散性决定了系统的高可靠性；
现场总线协议／规范对通信可靠性方面（通信介质、报文检验、报文纠错、重复地址检测等）的严格规定保证了通信的高可靠性。 系统测量与控制精度提高
在现场总线中，各种开关量、模拟量就近转变为数字信号，所有总线设备间均采用数字信号进行通信，避免了信号的衰减和变形，减少了传送误差。换言之，现场总线采用数字信号通信这一数字化特点，从根本上提高了系统的测量与控制精度。 系统具有优异的远程监控功能
可以在控制室远程监视现场设备和系统的各种运行状态；
可以在控制室对现场设备及系统进行远程控制。 系统具有强大的（远程）故障诊断功能
可以诊断和显示各种故障，如总线设备和连接器的断路、短路故障以及通信故障和电源故障等；
可以将各种状态及故障信息传送到控制室中的监视／监控计算机，大大减少了使用和维护人员不必要的现场巡视。当现场总线是安装在恶劣环境中时，这尤其具有重要意义。 设备配置、网络组态和系统集成方便自由
用户可以通过同层网络或上层网络对现场设备进行参数设置，而不必到现场对每一个设备逐个进行配置；
利用网络组态工具软件可以迅速而方便地组建现场总线网络，配置网络参数；
由于现场总线的开放性、互操作性与互换性，用户可以自由地集成不同厂商、不同品牌的产品和网络，从而构成所需的系统。 现场设备更换和系统扩展更为方便
现场设备具有互操作性和互换性，损坏的设备可用功能类似的任何厂家的设备替换，实现“即插即用”；
当需要增加现场设备时，无需增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上；
系统扩展所需的组态时间大大减少。 为企业信息系统的构建创造了重要条件
企业信息系统由现场控制层、过程监控层和企业经营管理层构成；
现场总线或者构成了企业信息系统的现场控制层，或者构成了企业信息系统的基本框架；
现场总线为总线设备及系统的各种运行状态和故障信息、各种控制信息进入（企业）公用数据网络创造了条件，使管理者能得到更多的决策依据，为管理者做出各种正确决策提供了有力的支持，从而可使企业获得较高的整体综合效益。 与传统的DCS方案相比，美国阿拉斯加West SakARCO油田（自然环境十分恶劣）采用某现场总线所带来的节省情况如下：
减少接线端子84％；
减少I/O卡件数量93％；
减少控制仪表面板空间70％；
减少室内接线98％；
由于远程诊断而减少维护工作量50~80％；
扩展油田所需组态时间减少90％；
节省电缆费用69%。 1.4 现场总线标准
了解以至掌握现场总线国际标准和其他相关标准的必要性：
某种现场总线是否已被列入国际标准或／和其他有关标准，是衡量其是否已成为或将成为国际主流现场总线的重要的、甚至是决定性的因素之一。
在当今数字技术时代，标准不仅是一个产品规范，而且还起着领导其所在领域高新技术发展的特殊作用。
现场总线标准确保了每种总线设备/软件都具有广阔的市场，这有助于大批量生产，甚至可以采用大规模集成（LSI）或超大规模集成（LVSI）技术，从而降低了成本。
现场总线的开放性及互操作性与互换性均是以其标准为前提的。
国际上制订国际标准的机构有3个：
国际标准化组织ISO(InternationalOrganization for Standardization)
国际电工委员会IEC（International ElectrotechnicalCommission）
国际电信联盟ITU（International Telecommunication Union）。
各个国家均有制订国家标准的组织，我国制定国家标准的组织是中国标准化管理委员会SAC（Standardization Administration of China）。 1.4.1 现场总线国际标准 据统计，世界上已有现场总线100多种，其中宣称为开放型总线的就有40多种，仅国际标准现场总线即达25种。
IEC61158：工业控制系统用现场总线（Fieldbusfor use in industrial Control System）
IEC62026：低压开关设备和控制设备（Low-Voltage Switchgear and Controlgear）用现场总线（设备层现场总线）
ISO11898：道路交通工具－数字信息交换－用于高速通信的控制器局域网（CAN）
ISO11519：道路交通工具－低速串行数据通信 IEC61158：IEC61158是制定时间最长、投票次数最多、意见分歧最大的国际标准之一。到目前为止，IEC61158共有4个不同的版本(1984～2007) 。 IEC61158第1版（ED1.0）(1984-1993-1998)：
1984年，国际电工委员会IEC筹备成立了IEC/TC65/SC65C/WG6工作组，着手起草现场总线标准。
经过多年努力，IEC61158-2于1993年成为正式国际标准；
IEC61158-5和IEC61158-6于1997年10月经3轮投票通过，成为国际标准最终草案FDIS（Final Draft of International Standards）；
IEC61158-3和IEC61158-4经过5次修改和5轮投票，于1998年2月成为FDIS；
IEC61158-1于1997年10月成为技术报告TR（Technical Report）；
IEC61158-7于1998年12月成为委员会投票草案CDV（Committee Draft with Vote）。 IEC61158第2版（ED2.0）(1999-2000)：
IEC61158第2版（ED2.0）包括以下几部分：
IEC61158-2（2000-08）工业控制系统用现场总线标准－第2 部分：物理层规范与服务定义
IEC61158-3（2000-01）测量与控制用数字式数据通信系统－工业控制系统用现场总线－第3 部分：数据链路服务定义
IEC61158-4（2000-01）测量与控制用数字式数据通信系统－工业控制系统用现场总线－第4 部分：数据链路协议规范
IEC61158-5（2000-01）测量与控制用数字式数据通信系统－工业控制系统用现场总线－第5 部分：应用层服务定义
IEC61158-6（2000-01）测量与控制用数字式数据通信系统－工业控制系统用现场总线－第6 部分：应用层协议规范
注：第2版IEC61158IEC61158于20002000年成为正式国际标准。 IEC61158第3版（ED3.0）(2000-2002)：
IEC61158第3版（ED3.0）也包括IEC61158-2至IEC61158-6这几部分。
其IEC61158-3至IEC61158-6的标题（Title）与第2版对应部分的标题相同。
第3版IEC61158-2的标题为：IEC61158-2 TR测量与控制用数字式数据通信系统－工业控制系统用现场总线－第2部分：物理层规范。 IEC61158第4版（ED4.0）(2003-2007)：
IEC61158第4版包括：
IEC/TR61158-1 总则
IEC61158-2 物理层服务定义与协议规范
IEC61158-300 数据链路服务定义
IEC61158-400 数据链路协议规范
IEC61158-500 应用层服务定义
IEC61158-600 应用层协议规范 IEC61158采纳多种现场总线的原因：
技术原因。目前尚没有一种现场总线对所有应用领域在技术上都是最优的。
利益驱动。 IEC62026 （1995-2001）-4种现场总线
IEC62026-1（2000-07）低压开关设备和控制设备―控制器-设备接口（CDIs：Controller-device interface）－第1部分：总则（General rules）
IEC62026-2 （2000-07）低压开关设备和控制设备―控制器-设备接口－第2部分：执行器传感器接口（AS-i：Actuator sensor interface）
IEC62026-3（2000-07）低压开关设备和控制设备―控制器-设备接口－第3部分：DeviceNet
IEC62026-5（2000-07）低压开关设备和控制设备―控制器-设备接口－第5部分：智能分布系统（SDS：Smart distributed system）
IEC62026-6（2001-11）低压开关设备和控制设备―控制器-设备接口－第6部分：Seriplex(SerialMultiplexed Control Bus(串行多路控制总线))?IEC62026-1、2、3、5于2000年7月作为正式国际标准出版。
IEC62026-6于2001年11月作为正式国际标准出版。
IEC62026曾有过IEC62026-4，其标题为：IEC62026-4用于低压开关设备和控制设备的控制电路设备和开关元件（Control circuit device and switching elements）－第4部分：Lontalk，因该协议不适合作为设备层的通用协议而被移去。 ISO11898（1993）-高速CAN：
ISO11898的标题为：
ISO11898:1993 道路交通工具（Road Vehicle）－数字信息交换（Interchange of digital information）－用于高速通信（For high-speed communication）的控制器局域网（CAN）
ISO11898:1993 描述CAN的一般结构，包括CAN物理层和数据链路层的详细技术规范，规定装备有CAN的道路交通工具电子控制单元之间以125kbit/s～1Mbit/s传送速率进行数字信息交换的各种特性。 ISO11519 （1994-1995）-低速CAN和VAN：
ISO11519的各部分如下：
ISO11519-1：1994 道路交通工具－低速串行数据通信－第1部分：总则与定义（General and definitions）
ISO11519-2：道路交通工具－低速串行数据通信－第2部分：低速控制器局域网（CAN）
ISO11519-3：1994 道路交通工具－低速串行数据通信－第3部分：交通工具局域网（VAN）
ISO11519-1说明用于道路交通工具的速率不大于125kbit/s的低速串行数据通信的一般定义；
ISO11519-2、3分别说明用于道路交通工具的速率不大于125kbit/s的CAN和VAN通信网络的数据链路层和物理层，规定其网络的一般结构。 1.4.2 现场总线中国标准
与IEC61158相应的现场总线中国标准
GB/T20540-2006 测量和控制数字式数据通信工
业控制系统用现场总线类型3：PROFIBUS
GB/Z20541-2006 测量和控制数字式数据通信工
业控制系统用现场总线类型10：PROFINET 与IEC61158相应的现场总线中国机械行业标准
JB/T10308.3-2001 测量和控制数字数据通信工业控制系
统用现场总线类型3：PROFIBUS
JB/T10308.2-2006 测量和控制数字数据通信工业控制系
统用现场总线类型2：ControlNet和Ethernet/IP 与IEC62026相应的现场总线中国标准
GB／T18858.1－2002 低压开关设备和控制设备控制器－设备接口(CDI) 第1部分总则
GB／T18858.2－2002 低压开关设备和控制设备控制器－设备接口(CDI) 第2部分执行器-传感器接口（AS-i）
GB／T18858.3－2002 低压开关设备和控制设备控制器－设备接口(CDI) 第3部分DeviceNet 其他现场总线中国标准
GB/Z20177-2006 控制网络LonWorks
GB/Z20830-2007 PROFIsafe
GB/T19582-2008基于Modbus协议的工业自动化网络规范 1.4.3 现场总线地区与国家标准及其他现场总线
1996年欧洲电工委员会（CENELEC）发布了包含3种不兼容协议的非单一欧洲标准EN50170（如上所述，现均已成为国际标准）：
现场总线，卷1（Volume 1）：P-Net，卷2：Profibus，卷3：WorldFIP
在已成为国际标准的现场总线中:
Interbus为欧洲标准EN50254和德国国家标准DIN19258
AS-i为欧洲标准EN50295
DeviceNet为欧洲标准EN50325
FF H1为美国标准ISA S50.02
Profibus为德国国家标准DIN19245
P-Net为丹麦国家标准（1996年）
WorldFIP的前身FIP为法国FIP标准 在国际标准现场总线之外，还存在为数不少的现场总线/接口，如：
Modbus，由美国莫狄康（Modicon）公司于20世纪70年代提出，有2种协议，即Modbus-ASCII和ModbusRTU。
BACnet，一种广义现场总线，由美国加热、制冷和空调工程师协会推出，于1995年成为美国建筑自动化网络通信标准ANSI-135，为建筑自动化领域的主流现场总线之一。
Sensoplex2，由德国图尔克（TURCK）公司推出的应用于重工业自动化领域的控制网络。 LIN——局部互联网络（Local Interconnect Network），是一种通用、串行、低成本的车用A类网络标准，可作为CAN的辅助网络。LIN 协会成立于1998年末。LIN最初是由五大汽车制造商奥迪（Audi）、宝马（BMW）、戴姆勒（DaimlerChrysler）、沃尔沃（Volvo）、大众（Volkswagen）和开发工具生产商VCT（Volcano Communications Technologies）及半导体生产商Motorola共同推出。LIN协会从成立至今主要推出了LIN1.0、LIN1.1、LIN1.2、LIN1.3，直到目前最新的LIN2.0。
BIT Bus，由Intel公司于1984年推出。BIT Bus曾在欧洲获得较广泛的应用，我国也有不少系统在运行。 RS-485，用于平衡数字多点系统的发送器和接收器的电气特性标准。它是由美国EIA于1983年12月在RS-232标准的基础上制定的一个物理接口电气标准，1998年3月成为EIA和电信工业协会等组织的共同标准TIA/EIA-485-A-98。RS-485是其它一些现场总线的物理层的接口标准（或之一），如Profibus、Interbus、Modbus、LonWorks、P-NET、BACnet、BIT Bus。更有许多中小厂商或用户采用RS-485物理接口自定义简单的数据链路层和应用层协议开发分布式测控系统。 Beckhoff，是一种出自欧洲的光总线。Beckhoff所设计的光总线大多是封闭的，其收发器和ASIC芯片均由Beckhoff设计提供。Beckhoff的性能与SERCOS的性能相近。
X-10，一个简单的协议，于1976～1978年在美国开发。它以家庭内普遍存在的电力线为通信介质，用于家庭电器控制、安全控制等方面。 CEBus——消费电子总线（Consumer Electronics Bus），由美国EIA的消费电子小组于1984年开始制定，于1992年正式成为EIA-600标准。CEBus物理层定义了电力线、双绞线、红外线等7种介质。CEBus是一种有影响的家庭自动化总线。
X-10和CEBus均为美国的家庭自动化总线/网络标准。
家庭自动化总线/网络还有：
欧洲的欧洲安装总线EIB(EuropeanInstallation Bus)
欧洲家庭系统EHS(EuropeHome System) 和BatiBUS
日本的Homebus
澳洲奇胜（Clipsal）公司的C-BUS
尚有WTB（Wire Train Bus）、MVB（Multifunction Vehicle Bus）、CANopen、IQBUS、EHSnet、excom等现场总线。 我们了解和掌握现场总线国际标准和其他有关标准的目的：
为了跟踪国际上现场总线的发展趋势，以促进现场总线这一具有无可比拟优势的热点高新技术在我国的应用和发展；
为了制定我国的现场总线标准以完善我国的技术标准体系；
用于指导我国企业产品开发，使我国企业能够按照国际主流现场总线开发现场总线产品；
为了最终使我国能够主动参与现场总线国际标准的制定，以便在未来的全球竞争中占有主动权。 1.5 现场总线应用领域 现场总线可广泛应用于过程工业/工厂自动化、电力系统自动化、交通、家庭自动化等各领域，如：
◆汽车工业 ◆继电保护与电力监控
◆半导体芯片和半导体产品制造 ◆水处理 ◆食品饮料制造 ◆机器人
◆物流业/搬运业 ◆智能楼宇
◆制药业 ◆暖通空调
◆包装业 ◆轨道交通/城市交通
◆石油与化工 ◆能源与环境监控及管理
◆钢铁/冶金 ◆（煤矿）安全
◆造纸业◆家庭用品
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