第9章计算机过程控制系统

1、主要内容主要内容 9.1 计算机过程控制系统 9.2 集散控制系统 9.3 现场总线控制系统 9.4 工业以太网控制系统 第九章 计算机过程控制系统 -以微处理机为核心，接收和输出都可以是 4-20mA.DC标准的、连续的电模拟量信号；内部 处理信号为数字量，可由用户编制程序，可组 成多种控制规律的一种数字式过程控制装置。 9.1 计算机过程控制系统 9.1 计算机过程控制系统-结构 9.1 计算机过程控制系统-结构特点 1）结构上：计算机过程控制系统通常是由模拟和数字器件构成的混合系统： 控制器采用计算机实现，检测变送环节和执行器多采用模拟器件。 2）信号形式上：连续模拟信号,离散模拟信号,

2、离散数字信号,连续数字信号等。 3）工作方式上：一个由计算机实现的控制器可以同时为多个控制回路服务。 采用巡回方式实现多路控制。彼此之间采用分时并行控制。 4）控制算法上：通过计算机软件实现，可以实现许多复杂控制策略。 5）实现功能上：灵活，适应性强。 由计算机软件实现的控制算法修改方便，无需硬件改变。 9.1 计算机过程控制系统-结构发展 1）集中计算机控制系统 优点：整体性好、协调性好。计算机便于统一调度和安排控制方式，实现数据库 的有效管理，保证数据的一致性。 缺点：计算机集中实现各种功能，当被控对象的任务数量增加时，系统运行效 率会下降；一旦计算机出现故障，可能会影响到正常的生产运行。

3、软件可靠性 不高。检测点和执行器距离主机较远，传输信息的线路费用较高。 9.1 计算机过程控制系统-结构发展 2）集散控制系统 核心思想-“信息集中，控制分散”。 通过多台计算机分担控制功能和范围，使处理能力大大提高，将危 险性分散；系统扩充时，只要根据需要增加所需的节点，并修改相 应的组态，即可完成。 9.1 计算机过程控制系统-结构发展 3）现场总线控制系统 1）采用全分散化结构。 2）信号传输实现了全数字化。 3）技术和标准实现全开放，现场设备具有互操作性，不同厂家的现场设备可 互联可互换，并统一组态，从而能降低系统投资成本，并减少运行费用。 4）通信网络采用开放式互联网络，可极其方便地

4、实现数据共享。 连接现场智能设备与控制 室之间的全数字式、开放 的、双向的通信网络。 具有综合功能的 智能仪表 9.1 计算机过程控制系统-计算机选择 根据系统要求不同，可以作出不同的选择。 单片机或可编程逻辑控制器：被控变量较少、控制功 能单一、不需要显示过多数据的场合； 工业控制计算机（简称工控机）：既要检测，又要实 现控制，同时要显示、打印大量生产数据的场合。 9.1 计算机过程控制系统-数据采集 过程输入/输出设备，实现信号的变换、隔离、采集等。 -生产过程中的所有工业参数（如模拟量、开关信号、 脉冲与频率信号等）被转化为数字信号送入计算机； -计算机发出的控制信号（如给定值、阀门开度

5、等）转 化为具体操作量送到执行器去控制生产过程。 9.1 计算机过程控制系统-数据采集 1）模拟量输入 把来自于被控过程的温度、压力、流量、料位和成分 等模拟量信号转换成计算机可以处理的数字信号。 模/数转换器： 1）分辨力：A/D转换器的输出每改变lLSB所对应输入模拟量的最小变化值。 2）转换精度：给定数字量的实际模拟输入值与理论模拟输入值之间差值 。 3）转换时间与转换速率。转换时间是A/D转换器完成一次转换所需的时间； 转换速率是转换时间的倒数。 9.1 计算机过程控制系统-数据采集 1）模拟量输入 在CPU控制下，由接口控制电路控制多路开关将过程参数选中，经过放大器、采 样保持器送到

6、A/D转换器，并由控制电路启动A/D转换过程，转换完毕后，将结果 经接口送入计算机。 模拟量输入通道的性能指标有：1）输入通道数。2）输入信号。3）A/D转换位 数。4）转换精度。5）线性度。6）采集时间或采集速度。 9.1 计算机过程控制系统-数据采集 2）数字量输入 数字量：生产过程中的电接点（通或断：触点式信号）信号或 逻辑电平（0或l：电压式信号）信号。 数字量输入：将生产过程中开关数字量传送到计算机里。 触点输入方式 电压输入方式 光电耦合器 实现数字输 入信号隔离 9.1 计算机过程控制系统-数据采集 3）模拟量输出 把计算机输出的数字量信号转换成模拟电压或电流 信号，以驱动相应的

7、执行器，实现控制作用。 一个通道有一个D/A转换器 多个通道共用一个D/A转换器 模拟量输出通道的性能指标：1）输出通道数。2）输出信号。3）转换位数。 4）转换精度。 5）线性度。 9.1 计算机过程控制系统-数据采集 4）数字量输出 将计算机输出的0或1信号转换成电平信号和接点信号。 为防止干扰窜入计算 机，数字量输出通道需 设置隔离电路。 9.1 计算机过程控制系统-软件体系 系统软件：为提高计算机使用效率、扩展功能，为方便 用户使用、维护、管理计算机所提供的程序总称。 应用软件：用户为解决生产过程控制问题而提出，一 般由用户自行设计和编制。为完成特定控制功能而编 写的各种程序的总称。

8、9.1 计算机过程控制系统-软件体系 1）系统软件 编辑程序。对程序进行插入、增补、删除、修改、移动等编辑加工，并 在磁盘上建立源程序文件。 编译程序。把用户应用源程序“翻译”成机器代码；并对用户程序进行 语法检查并显示出错信息。 连接程序。将浮动地址的目标程序连接起来，形成一个完整的绝对地址 的目标程序。 调试程序。实现设置断点和启动地址、单步跟踪等跟踪功能；修改、检 查内存和寄存器、移动内存内容的功能；读写磁盘的功能。 子程序库。经过系统软件设计者仔细推敲并经长期运行考验后设计而成。 诊断软件。指出故障类型和发生故障的部件，为修复系统提供方便。 9.1 计算机过程控制系统-软件体系 2）应

9、用软件 控制程序。控制算法实现对被控对象的控制。 数据采集和处理程序。包括：数据可靠性检查程序、A/D转换及采样程序、 数字滤波程序、线性化处理程序等。 巡回检测程序。包括：画面显示程序、越限报警程序、事故预告程序等。 数据管理程序。包括：统计报表程序、产品销售程序、生产调度程序、 库存管理程序和产值利润预测程序等。 9.1 计算机过程控制系统-软件体系 3）系统组态 将实时数据库、点记录、历史数据库、图形显 示、控制回路等软件的结构与实现进行标准化、 通用化，使执行软件固定化。 GE公司的Cimplicity，Intellution公司的FIX、iFIX，Rockwell公司的RSVIEW，

10、 Simens公司的Wincc，美国NI公司的LABVIEW，国内的组态王等。 具有多任务结构，即计算机并行地运行几个不同的程序，分别处理不同的事件和 完成不同的任务。在多任务结构中，多个任务往往以某种方式分时占用CPU。 9.1 计算机过程控制系统-软件体系 3）系统组态 实时数据库生成。建立和修改实时输入/输出点记录，保存应用对象各种 信号综合信息。生成方法：借助通用数据库工具，生成数据库文件；再 用转换程序转换成计算机所需结构形式。用文本编辑器编辑一个ASCII码 源文件，再用转换程序转换成可执行的数据记录格式。设计一个具有操 作指导和提示的屏幕编辑器，将屏幕画面格式与数据格式相对应，从

11、而为 每一类数据点设置一幅编辑画面。每个测控点设计一项纪录，每个纪录用 一个二进制数设置一个标识符（ID）。 连续控制系统生成。针对被控过程，构建控制回路结构，实现控制参数 设定，并产生一个可供执行的目标文件，下装到计算机上。 图形生成。 9.1 计算机过程控制系统-数字PID 1）位置式PID控制算法 0 c D 0 I c c ) 1()()()()(ukeke T T ie T T keKku k i 采样周期 不能直接与执行器连接，必须经D/A转换器转化为模拟量，并经过保持电路，使 输出信号保持到下一采样周期输出信号到来为止。 计算机的输出直接与执行器位置相对应，如果计算机出现故障，输

12、出发生大幅度 变化，会引起执行器的较大变化，使被控过程发生波动，不利于过程安全稳定。 算法在计算过程中需要累加输入误差，不仅要占用较多的存储单元，而且计算费 时、不便编程实现。 9.1 计算机过程控制系统-数字PID 2）增量式PID控制算法 k时刻的实际控制 输出量 特点：计算机只输出控制增量，如果计算机出现故障或误动作时，对被控过程 的影响较小；手动/自动切换方便，冲击小；算式不需要累加，占用存储空 间较少，计算方便。 缺点：必须采用具有保持历史位置的执行器；存在静态误差。 0 c D 1 0 I c c )2() 1()() 1() 1(ukeke T T ie T T keKku k

13、i )2() 1(2)()()1()()( c D I c c kekeke T T ke T T kekeKku )() 1()(kukuku 9.1 计算机过程控制系统-数字PID 3）改进型PID控制算法 低通滤波器时间 常数 微分先行PID控制算法、带死区的PID控制算法、积分分离PID控制算法等。 2)-(1)-()(1)-()( 3210 keakeakeakuaku 1 1 0 1 d d a c D I c 1 c 1 1 T T T T d K a c D 1 c 2 2 1 T T d K a c1 Dc 3 Td TK a cD D 1 1 TK T d 9.2 集散控制

14、系统 以微型计算机为基础、利用控制技术、通信技术、计算机 技术和CRT技术，将分散型控制装置、通信系统、集中操作 与信息管理系统综合在一起的新型过程控制系统。 9.2 集散控制系统-组成 实现DCS与生产过程的接口。 分散于控制现场 用于系统的集中监视与操作、系统的 组态与维护以及系统的信息管理和优 化控制。 通信系统：连接系统各单元，完成数 据、指令及其它信息的传递。 9.2 集散控制系统-特点 （1）功能分散 现场的过程控制单元：自动实现对参数检测、运算处理、控制策略、控制 信息输出等，实现功能的高度分散，使故障影响面小，危险分散。 控制和数据采集设备：尽可能地接近现场安装，避免模拟信号的

15、长距离传 输，提高运行的可靠性； （2）信息综合与集中管理 保证操作的一致性，由专人进行运行条件的操作，减少误操作可能性。 （3）开放的系统结构 硬件和软件设计成模块式，具有较好的开放性、通用性，扩展方便；可以 根据规模需求，灵活组建不同配置的系统。 （4）系统可靠性高 采用冗余（增加额外设备）技术和容错技术，各单元都具有自诊断、自检 查和自修复功能，及故障自动报警功能。 9.2 集散控制系统-发展 （1）第一阶段：从20世纪70年代中期到后期 将控制功能分散到现场，通过总线将监视和控制两级连成整体，实现信息和数 据交换。由过程控制单元、数据采集装置、CRT操作站、监控计算机和数据传输 通道构

16、成。现场控制简单，没有高级控制算法，监视功能少，上下级之间信息交 换量少，通信速度较慢，主要功能还是集中在常规控制上。 （2）第二阶段：20世纪80年代 以局域网构建的集散控制系统。系统中各单元都被看成网络节点的工作站。由 节点工作站、中央操作站、系统管理站、管理计算机、网关和局域网络构成。监 视和管理功能扩大，各节点工作站的控制功能增强，实时操作系统和图形显示技 术更加完善，网络中的通信协议随标准化网络的应用而得到推进，数据传送也更 加可靠、更加快速。 （3）第三阶段：20世纪80年代后 集散控制系统不仅包含生产过程的控制和监视，还引入更多的管理信息，使其 成为过程自动化和管理自动化相结合的

17、综合自动化系统。包含服务于控制和监视 的底层网和服务于信息管理的上层网。 9.2 集散控制系统-递阶结构 9.2 集散控制系统-递阶结构 1）过程控制级 实时过程数据的采集和处理。 设备监测和系统测试与诊断。 实施安全性、冗余化方面的措施。 直接数字控制。 反馈控制用于保证过程的关键变量按照工艺要求的规律变化。 顺序控制用于保证设备状态按照指定逻辑顺序(按时间、位置原则)变化。 批量控制是针对间歇生产过程，将反馈控制与顺序控制相结合构成。 9.2 集散控制系统-递阶结构 2）过程管理级 优化控制。当现场条件发生改变时，根据优化策略，进行分析计 算，产生新的给定值和调节值交由过程控制级执行。 协

18、调控制。根据单元内的产品、原材料、库存以及能源使用情况， 以优化准则协调相互的关系等。 系统运行监视。监视整个系统的运行参数、状态，制定生产记录 报表，进行报警显示，故障显示、分析、记录等。 9.2 集散控制系统-递阶结构 2）过程管理级-操作员站 系统与操作人员之间的接口，为操作人员提供现场运行 的状态、参数的当前值以及是否有异常情况等的显示； 同时提供系统相关操作，实现系统的管理。 显示画面：工艺流程图和控制界面；报警提示界面；控制回路界面；过 程趋势界面；提示信息界面；记录和表格界面。 用来管理系统的正常运行，包括：用户通过定义操作键盘上的功能键来实现特 定操作命令；实现控制回路中给定值

19、和控制参数的修改；通过打印机打印、 磁盘保存等方式来输出状态信息、报警信息以及其它操作信息。 9.2 集散控制系统-递阶结构 2）过程管理级-工程师站 提供对生产过程的监控操作，对系统进行离线配置、组态 和编程，实现生产过程的优化控制等功能的网络节点。 功能： 1）系统离线配置与组态功能：硬件配置。数据库组态。回路组态。 2）系统监控功能：对各过程控制单元的运行状态、各操作员站的运行情况、网 络通信情况等的监控。 3）系统管理功能：将组态文件自动加上信息，生成规定格式的文件，便于保 存、检索和传送；对这些文件进行复制、列表、初始化或重建等。 9.2 集散控制系统-递阶结构 3）生产管理级 根据

20、产品特点，协调各控制单元的参数给定值，对 产品生产进行总体协调和控制。 功能： 根据用户订货、库存情况、能源情况等规划产品结构和规模，进行生产调度。 对产品进行随时更新、重新组织和柔性调度，。 对工厂级的生产状况进行观察，监测产品质量，对产品产量和质量的相关数据 进行统计和报表制定，并向上层传递数据和信息。 9.2 集散控制系统-递阶结构 4）经营管理级 完成工程技术、商务事务、人事及经济等方面问题的集 体协调和管理任务，实现整个系统的最优化。 功能：市场分析、用户信息的收集、订货统计分析、销售与产品计划、合同事宜、 接收订货与期限监测、产品制造协调、价格计算、生产能力与订货的平衡、订货 的分

21、发、生产与交货期限的监视、生产与订货报告、财政报告等。 9.2 集散控制系统-通信网络 1）实时性强 通常其响应时间在0.01-0.5s之间，底层的信息存取时间要小于10ms。 2）长时间的高可靠性 要求集散控制系统中的通信准确率达100%；通信具有长时可靠性。 3）高抗干扰能力 要求铺设在现场的网络必须具有多种抗干扰措施，确保通信可靠。 4）网络结构的层次性和开放性 底层的数据网络随着现场总线技术的发展逐步得到完善； 中层主要是以数据高速公路为主流的局域网； 高层是以传送管理信息为主的管理信息网。 9.2 集散控制系统-设计 1）功能规范的确定：系统功能。系统的性能指标。环境要求。 2）系统

22、配置：选择几类符合要求的集散控制系统，进行系统硬件配置，确定 操作站、现场控制站和I/O卡件等的数量和规格，拟定出几套配置方案。 3）评价及选型：系统技术性能、使用性能、可靠性和经济性等评价。技术性 能评价包括现场控制站评价、人机接口评价、过程计算机评价和通信系统评价等。 使用性能评价包括系统技术成熟性、系统技术支持、系统兼容能力等方面。可靠 性评价包括系统平均故障间隔时间、系统平均故障修复时间、冗余容错能力及安 全性。经济性评价要考虑报价和系统运行费用。 1）方案论证 完成系统功能规范的制定，选出最合适的集散控制系统。 9.2 集散控制系统-设计 根据工艺要求和厂方技术资料，确定系统硬件配置

23、。配置时除要考虑一定的冗 余外，还要为今后控制回路和I/O点等的扩展留出10%-15%的余量；另外，要留足 三年左右维护期的备品、备件。最后制定出一张详细的订货单，与制造厂进一步 进行实质性谈判，正式签订购买合同。合同中除了规定时间进度及厂商提供的技 术服务、文档资料外，尤其要包含双方认可的系统功能规范。 2）方案设计 针对选定的系统，依据系统功能规范作进一步核实，考 核产品是否能完全符合生产过程提出的要求；核实无误后 再作方案设计。 9.2 集散控制系统-设计 1）文档建立与设计 回路名称及说明表；工艺流程图，包括控制点及系统与现场仪表接口说明； 特殊控制回路说明书；网络组态数据文件；联锁设

24、计文件；流程图画面 设计；操作编程设计书；硬件连接电缆表；系统硬件和平面布置图；硬件 及备品件的清单；系统操作手册。 2）集散控制系统的应用软件设计 掌握系统软件功能和用法；结合实际生产工艺过程，进行组态软件设计；设计 好的软件反复进行运行检查，不断修改至正确为止，最后生成正式系统应用软件。 3）集散控制系统的控制室设计 根据系统性能规范中关于环境的要求，应考虑DCS控制室的位置选择、房间配 置要求、照明和空调要求，以及供电电源、接地、防雷和安全各个方面。 3）工程设计 9.3 现场总线控制技术-现场总线 现场总线现场总线-在过程自动化和制造自动化中，实现连接在过程自动化和制造自动化中，实现连

25、接 现场变送器、传感器及执行机构等智能化现场仪表与上现场变送器、传感器及执行机构等智能化现场仪表与上 位机系统的数字通信链路（通信网络）位机系统的数字通信链路（通信网络）, ,智能化现场设备智能化现场设备 与高层设备之间互连的、全数字、串行、双向传输的、与高层设备之间互连的、全数字、串行、双向传输的、 多分支结构的通信系统。多分支结构的通信系统。 9.3 现场总线控制技术-现场总线 1）开放性：任何厂家的现场总线仪表产品，只要符合现场总线通信协议，就 能方便地连接到现场总线通信网，彼此互连并实现信息交换。 2）互操作性：由不同厂家生产的具有同一功能的同类设备之间可以互换；不 同厂商的设备之间可

26、以互连，实现点对点、一点对多点的数字通信。 3）智能化：将专用微处理器置入传统测控仪表，使其具备检测、控制、运算、 在线故障诊断等数字计算和数字通信功能。接线简化，控制室占地面积减少，节 省硬件数量与投资。 4）分散化：现场智能设备作为网络中一个虚拟控制站，将控制功能分散化。 当需要增加现场控制设备时，可就近连接在原总线电缆上，无需增加新电缆。 5）环境适应性：现场总线是专为在现场环境下工作而设计的，可支持多种通 信媒体，具有较强的抗干扰能力。采用两线制实现总线供电，保证现场设备满足 本质安全防爆要求。 特点 9.3 现场总线控制技术-现场总线 发展 1984年，国际电工委员会IEC与美国仪表

27、学会ISA开始现场总线的标准制定 工作。但由于各制造商的意见不一致，导致制定工作进展缓慢. 1993年现场总线物理层规范IEC 61158.2正式通过。 1994年ISA成立非赢利性质的现场总线基金会，开启了现场总线标准制定 的新时期。 2000年，IEC和ISA联合制定的“工业控制系统现场总线”国际标准IEC- 61158出台。 中国的现场总线技术及其产品的开发工作起步较晚，没有自主定制的现场 总线标准。 9.3 现场总线控制技术-现场总线 发展 10类互不兼容的现场总线。 类型1 IEC 61158技术规范，即FF基金会现场总线H1。 类型2 Control Net现场总线，由美国Rock

28、well公司支持。 类型3 Profibus现场总线，由德国西门子公司支持。 类型4 P-Net现场总线，由丹麦Process Data公司支持。 类型5 FF HSE高速以太网总线，由美国 Fisher Risemount公司支持。 类型6 Swift Net现场总线，由美国波音公司支持。 类型7 Interbus现场总线。 类型8 WorldFTP现场总线，由法国Alstom公司支持。 类型9 IEC/ISA SP50现场总线。 类型10 Profinet现场总线。 9.3 现场总线控制技术-现场总线类型 传感器总线，其数据长度为位，如AS-i、Seriplex； 设备总线，其数据长度为字

29、节，如Interbus、CAN等； 数据流现场总线，其数据长度为数据块，如FF、 Profibus、World-FIP、P-Net、Lonworks等。 9.3 现场总线控制技术-现场总线类型 FF:基金会现场总线(Foundation Fieldbus)，由现场总线基 金会提出，前身为ISP和World FIP协议。遵循OSI参考模型。 (1) FF现场总线 低速现场总线H1: 采用31.25Kbps传输速率， 支持总线供电，具有本质安全防爆能力。 高速现场总线HSE: 采用100Mbps传输速率。 9.3 现场总线控制技术-现场总线类型 符合德国国家标准DIN19245和欧洲标准EN501

30、70。包含OSI 模型的物理层、数据链路层、应用层，支持主从方式、多主 多从通信方式，主站对总线具有控制权，主站间通过传递令 牌来传递对总线的控制权。 (2) Profibus现场总线 Profibus-DP（分散外围设备） Profibus-PA（过程自动化） Profibus-FMS（现场总线报文规范） 9.3 现场总线控制技术-现场总线类型 通用测控总线网，由美国Echelon公司于20世纪90年代初推 出。其通信协议LonTalk遵循 ISOOSI参考模型，提供了ISO 所定义的全部7层服务，是唯一提供全部服务的现场总线。 (3) LonWorks 神经元芯片是LonWorks技术的核

31、心，用于完成节点的事件处理和 数据通信，实现LonTalk通信协议。芯片内含3个8位的CPU：第一个 CPU为介质访问控制处理器；第二个CPU为网络处理器；第三个CPU 为应用处理器。 9.3 现场总线控制技术-现场总线类型 控制器局域网络（Controller Area Network）的简称，由 德国Bosch公司1983年推出，是一种具有高可靠性、支持分布 式实时控制的串行数据网络。国际标准ISO11898。 (4) CAN 废除传统通信中的节点地址，采用通信数据块编码，并要求具有 高抗电磁干扰性、高传输速率和检错能力. 采用非破坏性的总线仲裁技术，根据节点的优先级，实现点对点、 一点对

32、多点和广播方式通信。采用短帧报文，抗干扰能力强、可靠 性高，比较适用于开关量控制。 9.3 现场总线控制技术-现场总线类型 工业控制领域的现场总线，是欧洲标准EN50170的第3部分。 采用单一的总线结构来适用不同应用领域的需求，而且没有任 何网桥或网关。不同应用领域采用不同的总线速率，过程控制 用31.25kbps，制造业用1Mbps，驱动控制用l-5Mbps。 (5) WorldFIP WorldFIP开发了低成本Device WorldFIP总 线，以适应工业现场的各种恶劣环境。 9.3 现场总线控制技术-现场总线类型 可寻址远程传感器数据通路（Highway Addressable T

33、ransducer）的缩写。最早由Rosemount公司开发。其特点是 在现有模拟信号传输线上实现数字通信，属于模拟系统向数 字系统转变过程中的过渡性产品。 (6) HART 采用基于Bell 202通信标准的频移键控FSK技术，在标准4- 20mA.DC模拟信号上叠加FSK数字信号，使模拟信号与数字双 向通信能同时进行，且互不干扰。 9.3 现场总线控制技术-现场总线类型 基于CAN总线技术的设备级现场总线。由嵌入CAN 通信控制器芯片的设备组成，用于连接低压电器和 低端工业设备. (7) DeviceNet 采用基于连接的通信方式，数据传输速率不高， 具有低成本、高效率、高可靠性、高性能的

34、特点。 9.3 现场总线控制技术-现场总线类型 由Rockwell公司于1995年提出。是一种具有高速、高 度确定性和可重复性的网络，适用于PLC和计算机之间、 逻辑控制和过程控制系统之间、对时间有苛刻要求的复 杂应用场合的信息传输。 (8) ControlNet 1）对时间有苛刻要求的控制信息和I/O数据。拥有最高的优先权， 以保证不受其他信息的干扰，并具有确定性和可重复性； 2）无时间要求的发送信息和上/下载程序被授予较低的优先权。 9.3 现场总线控制技术-现场总线类型 由德国Phoenix Contact公司开发，是一种执行器传 感器总线。该总线已成为德国国家标准DIN19258，欧洲

35、 标准EN50254和IEC61158标准。 (9)Interbus 采用数据环结构，适用于分散输入/输出以及不同类型控制系 统间的数据传输。包括远程总线和本地总线。远程总线采用 RS-485、全双工方式进行远距离网络本身不供电。远程总线 数据通过总线终端转换为本地总线数据。 9.3现场总线控制技术-现场总线控制系统 现场总线控制系统(Fieldbus Control System, FCS)是 一种开放、具有互操作性、彻底分散的分布控制系统。 FCS的特点: 开放性、分散性与数字通信。 9.3现场总线控制技术-现场总线控制系统 系统结构 利用现场总线网络，连 接作为网络节点的智能 设备，构成

36、开放、标准 的自动化控制系统 9.3现场总线控制技术-现场总线控制系统 主要设备 现场总线控制系统中的设备，必须是数字化、智能化 仪表，具有支持现场总线系统的接口和符合现场总线 控制系统通信协议的运行程序。 检测变送器和执行器: 采用符合总线通信协议的智能设备。 智能设备中PID控制: 通过硬件组态组成串级控制、前馈一反馈控制等 多回路控制系统。通过软件实现自适应控制、推理控制等高级控制策略。 辅助设备: 包括保证总线系统正常工作所需的各种转换器、总线电源、 安全栅和便携式编程器等。 监控设备: 包括实现各种硬件和软件组态、生产工艺操作的设备，以及 用于过程建模、控制和优化调度的计算机工作站等

37、。 9.3现场总线控制技术-现场总线控制系统 系统特点 1）实时性 在网络通信过程中，能在线实时采集过程参数，实时对系统信息加工 处理，并迅速反馈给系统完成过程控制，满足控制对时间限制的要求。 FCS的通信协议采用简化的OSI层协议，介质访问控制协议一般采用令 牌总线访问方式。基本控制功能下放到现场具有智能的芯片或功能块中， 实现彻底分散的控制功能。 2）高可靠性 硬件采用专用芯片和表面安装技术，并且可以在线快速排除故障，以 强化硬件可修复性。 系统软件采用分离化体系结构，功能模块化，定义清晰明确。 9.3现场总线控制技术-现场总线控制系统 系统特点 FCS实现网络化和控制系统的扁平化，保证各

38、种控制系统 的开放性和互联性，使得控制系统的组织重构和工作协调 成为可能。 控制系统的组织重构: 用于实现各种控制作用的子系统或者单元， 能够根据不同的工作需要，进行重新组织和调整，以适应实际生产的需 要。各功能子系统通过总线连接到网络上，当有新的控制任务时，只要 改变回路控制系统的配置文件，重新定义构成回路控制系统的有关仪表 单元，就可以实现功能子系统和仪表单元的组织重构。 9.3现场总线控制技术-现场总线控制系统 系统组成 1）测量系统 测量仪表采用数字信号，具有高分辨率、高精确度、强抗干扰和畸变能力。 2）管理系统 提供设备自身及过程的诊断信息、管理信息、设备运行状态信息等。 3）控制系

39、统 采用客户/服务器工作模式，通过系统管理主机、服务器、网关、协议变换 器、集线器、客户计算机、底层智能化仪表口的硬件设备，以及组态软件、维护 软件、仿真软件、设备软件和监控软件等软件，实现过程信息交换。数据库系统 的互操作性、分布性及实时性要求突出，常选用的数据库有ORACLE、SYBAS、 INFORMIX, SQL SERVER等。 9.4 工业以太网控制系统 实现网络集成与信息 交互，包含监控、调 度、管理等功能。 完成生产现场 测量控制功能， 提供生产过程 与设备的各种 信息。 9.4 工业以太网控制系统-工业以太网 工业以太网采用Ethernet+TCP/IP形式，底层是以太网标准

40、， 网络层和传输层采用TCP/IP;配备Web Server功能浏览PLC内 容，提供现场总线级以太网络和I/O模块，并提供工业用集 线器、交换机、收发器和电缆，使以太网可以支持工业高层 网络上的通信系统，还可以向下延伸到底层网络，与现场设 备相连。 9.4 工业以太网控制系统-工业以太网 1）工业以太网要求数据传输的及时性和系统响应实时性。过程控制系 统的响应时间要求为0.010.5s，制造自动化系统的响应时间为0.5 2.0s，信息网络的响应时间为2.06.0s。 2）工业以太网强调在恶劣环境下数据传输的完整性、可靠性。控制网 络应具有在高温、潮湿、震动、腐蚀、电磁干扰等工业环境中长时间、

41、 连续、可靠、完整地传送数据的能力，并能抗工业电网的浪涌、跌落和 尖峰干扰。在易燃易爆场合，具有本质安全能力。 3）由于分散的单一用户要借助控制网络进入某个系统，通信方式多使 用广播或组播方式，信息网络中某个自主系统与另一自主系统一般要使 用一对一通信方式。 9.4 工业以太网控制系统-工业以太网 1）物理介质采用标准以太网连线。 2）使用标准以太网连接设备。 3）采用IEEE802.3物理层和数据链路层标准、TCP/IP协议组。 4）兼容上一代现场总线系统甚至DCS系统。 5）将传统的3层网络模型简化为两层，甚至是一层。 与现场总线的关系 9.4 工业以太网控制系统-工业以太网 与现场总线的关系 FF-HSE是以太网协议IEEE802.3、 TCP/IP协议组与FF-H1的结合体，用 于实现控制网络与互联网的集成。 9.4 工业以太网控制系统-NCSs 基于网络的控制系统（Networked Control Systems）是指 把实时通讯网络作为数据通路构成的反馈控制系统。它是 现场传感变送单元、控制器及执行