计算机控制系统综述

1第5章计算机控制系统5.1概述5.2可编程控制器(PLC)5.3集散控制系统(DCS)5.4现场总线控制系统(FCS)5.5工业以太网5.6工业自动化组态软件5.7计算机集成制造系统(CIMS)25.1概述5.1.1计算机控制系统组成

计算机控制系统由计算机和生产过程组成，计算机包括硬件、软件和网络，生产过程包括被控对象、测量传感器、执行器等部分。计算机控制系统框图控制算法(计算机)检测元件、变送器工业控制计算机扰动u(t)A/D转换D/A转换执行器过程被控量r(t)c(t)生产过程+-给定值过程输入输出设备外部设备主机系统CPURAMROMCRT通讯接口人机接口打印机其它系统总线模拟量输入（AI）模拟量输出（AO）开关量输入（DI）开关量输入（DO）测量变送器执行器电气开关电气开关被控生产对象常规计算机系统I/O系统（模块或卡件）现场仪表被控对象硬件组成3系统软件支持软件应用软件操作系统用于开发应用软件的软件。例如：汇编语言、高级语言、组态软件等。对于设计人员来说，需要了解并学会使用相应的支持软件，能够根据系统要求编制开发所需要应用软件。不同系统的支持软件会有所不同针对特定要求而编制的控制和管理程序。不同控制设备的应用软件所具备的功能是不同的。软件组成系统开发最主要的两个方面：

根据控制要求，开发硬件系统

基于支持软件，开发应用软件455.1.2计算机控制系统的典型类型操作指导控制系统直接数字控制系统监督控制系统数据采集与监视控制系统集散控制系统现场总线控制系统计算机集成制造系统计算机控制系统65.1.3计算机控制系统的发展发展历程：数字计算机在过程控制中的应用最早出现于20世纪60年代，直接数字控制(DDC)；1969年，可编程控制器(PLC)；1975年前后，集散控制系统(DCS)；20世纪90年代，总线控制系统(FCS)；过程自动化(PA)、工厂自动化(FA)、计算机集成过程控制(CIPS)、计算机集成制造系统(CIMS)和企业资源综合规划(ERP)。7计算机控制系统的发展趋势先进计算机控制系统得到大力推广与普及；智能控制系统得到深入研究与开发；大力加强企业综合自动化系统的研究、开发与应用。85.2可编程控制器(PLC)5.2.1概述可编程逻辑控制器早期

功能简单、以逻辑控制为主

ProgrammableLogicalController——可编程序控制器

(可编程控制器)ProgrammableController——PC本义

PLC功能强大，已成为工业过程不可或缺的一类控制器9——PLC的产生原动力——60年代末期，美国的汽车工业的迅速发展在PLC问世以前，继电器控制在顺序控制领域中占有主导地位，但由继电器构成的控制系统对生产工艺多变化的系统适应性极差初衷——开发新的可编程序的控制设备取代继电器控制系统美国DEC于1969年根据通用公司的要求，研制出了世界上第一台可编程序控制器PDP-14，并在的汽车生产线上获得成功应用在经历了几十年的发展，PLC及PLC网络成为了工厂企业中不可或缺的一类工业控制装置。可靠性高、抗干扰能力强功能完善，通用灵活编程简单、使用方便被誉为“专为适应恶劣工业环境而设计”的通用控制器此外，PLC还具有接线简单、系统设计周期短、体积小、易于实现机电一体化等特点，使得PLC在设计、结构上具有其它许多控制器所无法相比的优越性。10——PLC的分类按地域范围美国流派欧洲流派日本流派

按结构一体化模块化通信接口I/O接口ROMRAM电池CPU上位机……电源AODOAIDI执行器测量仪表其它外设……总线连接器电源模块CPU模块通信模块I/O模块DIN导轨模块DIN导轨按厂家分类占有较大市场份额、较有影响的公司和PLC有：SIEMENS公司S7系列(90年代以来，S5系列80年代),主要有

S7－200系列：小型PLC S7－300系列：中型PLC S7－400系列：大型PLCOMRON公司

大、中、小、微均有，特别在中、小、微上更具特长GE－FANAC、施奈德、ABB、AB、三菱、富士公司等都生产PLC，并有一定的地位。国内PLC厂家规模多不大，影响力还有待于提高。例如无锡华光的SR系列PLC、和利时公司于2004年推出完全自主生产的小型一体化PLC－HOLLiAS-LEC等等，一般国产PLC在价格上很有优势。11PLC产品很多，不同的PLC在结构特征上各不相同，但绝大多数PLC的工作原理都基本相同。其它外设单元通信接口输入接口CPU存储器输出接口电源检测仪表执行器编程器、

PLC、IPC、OP……电源模块CPU模块通信接口模块I/O模块I/O模块智能I/O模块……系统总线电源线中央处理单元CPUI/O接口模拟量输入模块模拟量输出模块开关量输入模块开关量输出模块智能模块接口和扩展接口模块电源模块编程工具5.2.2PLC的基本组成12CPU——PLC的核心基本功能——

通过输入装置读入外设的信号和状态，用户程序根据输入信号、状态进行处理，处理结果通过输出装置去控制外设。串口(RS-232.RS485)/EtherNet/Profibus-DP/其他通信方式如：S7CPU31x——MPI(187.5kbps)S7CPU31x－2——MPI(187.5kbps)、Profibus-DP(≤12Mbps)网络功能*通信速率应与系统规模相匹配。重点指标：内置存储器容量、存储器扩展能力、IO集成能力、运算速度……13I/O接口模块CRT、键盘……计算机系统AIDIAODO被控过程（对象）被控变量操作变量…………I/O模块的主要类型包括：模拟量输入模块（AI） 模拟量输出模块（AO） 开关量输入模块（DI） 开关量输出模块（DO）14模拟量输入模块(A/D、AI)将现场仪表输出的(标准)模拟量信号转化为计算机可以处理的数字信号.变送器：

温度压力流量液位成份传感器：热电阻热电偶

……模拟信号4～20mA0～10mA1～5VDCmV、Ω……模数转换(AI)端口(地址)数字信号0～40950～1023……存储器数字信号0～40950～1023……工程化转换工程量0～100℃0～400KPa……软件实现检测仪表硬件滤波如：RC滤波软件滤波，如：中值滤波、软件RC滤波，……15A/D模块的主要性能指标分辨力――A/D接口变化一个LSB（二进制最低有效位）时输入模拟量的最小变化量例：12位A/D转换器，输入范围0～10VDC，分辨力＝10/212＝2.44mV（通常分辨率以输入二进制数的位数来表示：10位、12位分辨率）转换时间――从启动转换到转换结束完成一次A/D转换所需要的时间信号的隔离输入信号类型――单极性、双极性、信号范围、信号制目前，多为万能输入模块，一般允许输入各种类型电信号16输入信号类型型号通道数分辨率转换时间输入信号范围PCL－8168(差)16(单)16位8.5s0~10V、0~5V、0~2.5V、0~1.25V（单）10V、5V、2.5V、1.25V（差）PCL－8188(差)16(单)12位8s0~10V、0~5V、0~2V、0~1V（单）10V、5V、2.5V、1V、0.5V（差）SM3317KF01－0AB084()12位20ms80mV/10M、250mV、500mV、1V、2.5V、5V、1~5V、10V、10mA、3.2mA、20mA、0~20mA、4~20mA、E、N、J、K型热电偶、Pt100等······SM3317KB01－0AB021()）12位20ms17模拟量输出模块（D/A、AO）将计算机内部数字信号转化为现场仪表可接收的4~20mA等标准信号调节阀变频器……执行器控制信号4～20mA0～10mA1～5VDC0～10VDC……数模转换(D/A)端口(地址)数字信号0～40950～1023……存储器工程量0～100％……软件实现工程化反变换数字信号0～40950～1023……18D/A模块的主要性能指标分辨力――二进制变化一个LSB（最低有效位）时D/A输出模拟量的最小变化量（通常分辨率以输入二进制数地位数来表示：10位、12位D/A转换器）建立时间――当输入数字量变化时，输出的模拟信号稳定在相应的数值范围之内（0.5xLSB）所经历的时间输出信号类型――电流、电压及输出范围19信号输出类型型号通道数分辨率建立时间非线性误差输出信号范围PCL－726612位＜70s0.5LSB0~10V、0~5V（单）10V、5V（差）PCL－7271212位＜40s1LSBSM3325HD01－0AB0412位单11位双＜0.8ms电压：0.5％电流：0.6％1~5V、10V、0～10V、20mA、0~20mA、4~20mASM3325HB01－0AB0212位单11位双＜0.8ms20

开关量输入模块（DI）将现场过程来的（“1”/“0”）转换成计算机内部的二进制标准电平Vi数字量信号类型：3种类型直流电压*交流电压*无源接点+24VDC24VAC输出直流电压输入模块交流电压输入模块外接电源21

开关量输出模块（DO）将CPU内部信号电平转换成过程所需要的外部信号电平驱动电磁阀、继电器、接触器、指示灯、小型电机等各种负载设备。信号类型：晶体管输出(直流)/晶闸管输出(交流)/继电器输出(无源接点)转换过程：现场信号电平和格式的转换光电隔离输出缓冲区（映像区）直流输出交流输出触点输出速度寿命安全性灵活性√×Ｏ√×Ｏ√ＯＯ22PLC一般配有开关式稳压电源（24VDC）供内部电路使用。重点关注的问题：（1）功率：正常工作的时候，要有30%的余量（2）多电源：接地电源模块实际需求－－配置系统－－硬件集成－－软件开发－－调试投运……通信接口电源模块

I/O模块

CPU23工作方式：分时操作、循环顺序扫描CPU从首条指令开始顺序逐条地执行，到用户程序结束，然后开始新一轮扫描扫描过程：⑴上电初始化

⑵硬件扫描分析

⑶数据I/O操作

⑷用户程序的扫描⑸外设端口服务扫描周期：每一次扫描所用的时间PLC扫描周期与PLC的硬件特性和用户程序长短有关，典型值一般为几十ms复位监视定时器元件状态的清零或复位、检查I/O单元的连接等上电初始化检查存储器、硬件单元正确？Y执行用户程序数据I/O操作置位故障标志显示故障指示灯性质？N报警错误外设端口服务5.2.3PLC工作原理5.2.3.1PLC的工作过程24I/O操作示意图2526CPU的存储区输入，输出过程映像（I/Q)变量存储器,位存储区（V/M）定时器，计数器，高速计数器（T/C/HC）累加器(AC),特殊寄存器(SM),顺序控制继电器(S)局部存储器(L)模拟量输入，模拟量输出（AI,AQ)5.2.3.2PLC的内部资源与寻址方式27数据在存储器中存取方式1.位，字节，双字2.数据的存取方式直接寻址

按照字节(B)，字(W)，双字(DW)方式存取V,I,Q,M,S,SM存储器；举例：VB100,VW100(VB100,VB101),VD100(VB100,VB101,VB103,VB104)285.2.4PLC的编程语言与程序结构 IEC61131-3为PLC规定了5种标准的编程语言，分为图形化和文本化编程语言两类。图形化编程语言：梯形图(LD：LadderDiagram)、功能块图(FBD：FunctionBlockDiagram)、顺序功能图(SFC：SequentialFunctionChart)。文本化编程语言：指令表(IL：InstructionList)和结构化文本(ST：StructuredText)。 其中梯形图是PLC编程的最基本语言，并被大多数PLC厂家采用。

5.2.4.1编程语言与程序结构

梯形图（LadderDiagram，LAD）CSB1SB2SB3C（A）电气控制梯形图电源线并联串联I0.0Q0.0Q0.0I0.1I0.2（B）PLC梯形图起始母线结束母线PLC梯形图按从左到右、自上而下的顺序排列，左起起始母线，右至结束母线。沿用了继电器、串并联等术语和类似的图形符号，是多数PLC的第一用户语言。PLC梯形图的编程元素主要有：、、等分别表示:常开触点、常闭触点、继电器线圈等29逻辑功能图逻辑功能图是在数字逻辑电路基础上开发出的一种图形编程语言，它采用了数字电路的图符，用“与”、“或”、“非”等逻辑组合来描述控制功能语句表是一种类似于汇编语言的助记符编程语言A(I0.0OQ3.0)ANI0.1ANI0.2=Q3.0语句表30315.2.4.2PLC的指令系统及编程环境1)PLC的指令系统

S7-200PLC的指令系统中可分为位操作指令、数据处理指令、运算指令、转换指令、程序控制指令和特殊指令等。2)PLC的编程环境 每个PLC生产厂家都提供了相应的编程软件，支持IEC61131-3规定的几种或全部编程语言。32S7-200PLC系统的编程S7-200PLC由基本单元（S7-200CPU模块）、扩展单元、个人计算机（PC）或编程器、STEP7-Micro/WIN32编程软件以及通信电缆等组成。CPU为80586或更高的处理器，16MB内存（最低要求为：CPU80486，8MB内存）；VGA显示器（分辨率1024×768像素）；硬盘空间至少50MB；MicrosoftWindows所支持的鼠标。使用PC/PPI电缆可将计算机与PLC相连接。

33STEP7-Micro/WIN32编程软件

STEP7-Micro/WIN32窗口组件

S7-200常见梯形图指令NOTPN常开触点常闭触点取反立即常开正跳变负跳变立即常闭（）（R）（RI）（）Ｉ（）S（）SI输出立即输出置位立即置位复位立即复位34PLC的程序结构PLC的程序结构

S7-200CPU的控制程序由主程序，子程序和中断程序组成；主程序：(OB1)每个项目只有一个主程序，在主程序中可以调用子程序和中断程序；子程序：可选的指令的集合，仅在被其他程序调用时执行。中断程序：中断程序不是被主程序调用，他们在中断事件发生时由操作系统调用；35365.2.5PLC典型指令编程应用5.2.5.1PLC的基本控制电路起动、保持和停止电路怎么接线？37电机正反转控制电路图(a)PLC双向控制接线图(b)梯形图38单按钮启停电机要求：有一个无自锁启动按钮、一个无自锁停止按钮，按动启动按钮，电机M1运转，过10s钟电机M2运转，按动停止按钮，电机M1、M2同时停止。KM1B1KM1KTKM2B2KT10SM13~M23~KM1KM2Q5.2.5.2电机控制用继电器控制：39KM1KM2～COM220VACQ0.0Q0.1输入继电器线圈输出触点内部继电器触点内部输出继电器线圈PLC控制程序（梯形图）输入部分输出部分控制部分B2I0.1B1I0.0COM24VDCI0.0I0.1Q0.0Q0.0Q0.1()(SS)T1S5T#10S(R)T1Q0.0Q0.0T1()用PLC控制40KM1KM2～COM220VACQ0.0Q0.1输入继电器线圈输出触点B2I0.1B1I0.0COM24VDCI0.0I0.1Q0.0Q0.0Q0.1()(SS)T1S5T#10S(R)T1Q0.0Q0.0T1()KM1B1B2KM1KT10SKTKM2PLC(S7－300)B2I0.1B1I0.0COM24VDCKM1KM2～COM220VACQ0.0Q0.141425.2.5.3锅炉引风机和鼓风机的控制

锅炉燃料的燃烧需要充分的氧气，引风机和鼓风机为锅炉燃料的燃烧提供氧气。在锅炉点火时，首先引风机起动，延时8s后鼓风机起动。停止时，按停止按钮，鼓风机先停，8S后引风机停。输入/输出点分配输入点：起动/停止按钮I0.0/I0.1输出点：引风机/鼓风机控制接触器Q0.0/Q0.143引风机和鼓风机启、停控制梯形图按起动按钮I0.0，Q0.0得电并自锁，引风机起动。同时T37开始计时，8S后T37触点闭合，Q0.1得电并自锁，鼓风机起动。按停止按钮I0.1，Q0.1(鼓风机)断电停止，同时M0.0得电并自锁，T38开始计时，8s后T38触点打开，Q0.0(引风机)断电停止。445.2.5.4模拟量控制

现代PLC保持其强大的开关量控制能力的同时，亦具备了模拟量信号检测、运算及输出控制（PID）能力；PLC在模拟量控制上富有特色，具有配置灵活、通用性好、价格便宜等特点。特别是在开关量、模拟量混合控制的系统上更显示出独特的优越性。45PLC中PID控制器的实现S7-200PLC的PID指令某PLC的PID指令进行PID运算的9个参数：过程变量当前值PVn给定值SPn增益KC采样时间TS积分时间TI微分时间TD积分项前值MX过程变量前值PVn-1

输出值Mn46

回路表格式

36个字节

9个参数*****47PID指令编程举例

水箱由水泵供水维持水箱的水位（0.75）控制水泵速度维持0.75水位变化的速度v变化的速度vPID参数：KC=0.25，TS=0.1s，T1=30min，TD=0。48手动方式启动时关闭出水口打开控制开关（编址I0.0）用手动方式控制水泵速度使水位达到满水位的75%49手动方式自动方式控制开关自动方式：打开出水口，合上控制开关（I0.0）水泵控制从手动方式切换到自动方式（无扰动切换）水箱水位PID控制程序

5051MAIN调用初始化子程序52SPnKCTSTITD填入5个参数，设置定时中断SBR_053AIW0：INT→DINT→REAL→（0.0-1.0)→VD100执行PID指令

无扰动切换

:Mn、SPn、PVn-1、MX⑥⑦⑧⑨INT_054INT_0(续）Mn(0.0-1.0)→刻度化(REAL)→DINT→INT→AQW055PID指令的编程方法总结1．程序结构：采用主程序、子程序、中断程序的结构形式2．子程序：组态编程：将5个参数（SPn、KC、TS、TI、TD）填入回路表设置定时中断，以便周期地执行PID指令。3．中断程序将由A/D模块提供的过程变量（PVn）转换成标准化的实数（0.0~1.0）并填入回路表。设置PID指令的无扰动切换的条件（例I0.0）执行PID指令，使系统由手动方式无扰动地切换到自动方式将参数Mn、SPn、PVn-1、MX先后填入回路表，完成回路表的组态编程。周期地执行PID指令。将PID运算输出的标准化实数值（Mn）→刻度化→INT→A/D模块，以实现对外部设备的控制。5.3.1概述集散控制系统DCS是随着现代大型工业生产自动化的不断兴起和过程控制要求的日益复杂应运而生的综合控制系统。DistributedControlSystem——DCSDCS可直译为“分布式控制系统”“集散控制系统”是按中国人习惯理解而称谓的。DCS的主要特征是它的集中管理和分散控制它采用危险分散、控制分散，而操作和管理集中的基本设计思想，多层分级、合作自治的结构形式DCS在电力、冶金、石油、化工、制药等各种领域都得到了极其广泛的应用。5.3集散控制系统(DCS)56DCS的结构经营管理级生产管理级控制管理级过程控制级根本：管理集中和控制分散具体表现在：分级递阶结构现场仪表，各种检测仪表、执行器……DCS必不可少的两级57分级递阶结构通常分为：直接控制级、过程管理级、生产管理级、经营管理级各级从“上级”获取指示，从“下级”获取信息，产生对“下级”的控制。直接控制经营管理生产管理过程管理连续过程间歇过程离散过程经营管理级居于工厂自动化系统的最高一层，负责全厂广泛的工程、经济、商务、人事以及其它的工作。如：市场分析、销售和生产计划······过程管理级主要功能包括回路组态、优化控制、性能监视、故障监测、记录、报警……生产管理主要完成生产规划，生产监视，根据用户订单、库存、能耗约束、能耗需求等指标进行生产调度。在许多DCS中，这级就充当最高管理层。直接控制级主要功能包括现场数据采集、过程监视、故障诊断，控制输出、安全性能和冗余性能的实施……在很多情况下，功能层次和物理层次不一定完全相同，常常将2个或多个功能层上的任务或部分任务压缩到一个物理层次上去实现，这使DCS得以大大简化。

58DCS的特点DCS采用标准化、模块化和系列化的设计思想，以通讯网络为纽带，具有操作管理集中、控制相对分散特征的计算机控制系统。其特点可以从以下几个方面进行归纳：协调性

实时高可靠的工业控制网络使整个系统信息共享，相互间具有充分的协调性。自主性

系统上各子系统是通过网络接口连接起来的，各子系统能自主运行。高可靠性

广泛应用高可靠性的硬件设备和生产工艺、广泛采用冗余技术、广泛实现容错和自动处理技术等是保证DCS高可靠性的主要手段。灵活性

DCS采用标准化、积木式系统结构，由组态软件来编辑并解释生成内部可理解的控制目标，并可随时进行在线修改、扩充和加载。灵活的配置可适应不同控制要求。59采用高可靠性技术高可靠性是DCS发展的生命，当今大多数DCS的MTBF(平均失效间隔)达10万小时以上，MTTR(平均恢复时间)一般只有5min左右。硬件工艺、冗余、容错是提高可靠性的主要措施。

在硬件设计上，各级控制单元、过程接口、电源、通信接口、内部通信总线和系统通信网络等均可采用冗余化配置在软件设计上，则广泛采用了容错技术、故障的智能化自检和自诊断等技术，以提高系统的整体可靠性。60DCS的发展趋势客观的评价：随着计算机技术的发展及其在工业控制系统中的应用，DCS表现出十分优越的性能，将工业过程自动化提高到一个新的水平。好的一面：传统DCS基于模拟仪表，模拟仪表的单一功能使得：

过程监控站仍是集中的；（半分散）现场信号的检测、传输与控制还是保留了与常规仪表相同的方式，即以4～20mA模拟方式传输。存在的问题是：

精度低、动态补偿能力差、无自诊断功能；同时由于各DCS开发商生产自己的专用平台，使得：

不同厂商的DCS之间不兼容、互操作性差不好的一面：问题1问题2问题361向开放式系统发展(针对问题3)

智能变送器、远程I/O和现场总线的发展，进一步使现场测控功能下移分散

(针对问题1)

DCS、PLC、PCCS相互渗透融合，形成数字化、模块化、网络化的分布式控制系统现场总线集成于DCS系统是现阶段控制网络的发展趋势

①现场总线于DCS系统I/O总线上的集成

②现场总线于DCS系统网络层的集成

③现场总线通过网关与DCS系统并行集成

DCS的发展趋势62

控制层网络管理层网络远程节点Web服务器

操作站

工程师站

现场设备层网络以太网冗余网络5.3.2DCS的硬件体系结构63DCS的层次结构中，最低级是与生产过程直接相连的过程控制级。在不同的DCS中，过程控制级所采用的装置结构形式大致相同，但名称各异，如过程控制单元、现场控制站、过程监测站、基本控制器、过程接口单元等，在这里，我们统称现场控制单元FCU(或控制站）。FCU实现了DCS的分散控制功能，是DCS的核心部分。过程管理级由工程师站、操作员站、管理计算机和显示装置组成直接完成对过程控制级的集中监视和管理，通常称为操作站。DCS的生产管理级、经营管理级是由功能强大的计算机来实现，没有更多的硬件构成，这里不作阐述。

64组态的概念DCS的硬件和软件，都是按模块化结构设计的DCS的开发实际上就是：将系统提供的各种基本模块（软件、硬件两方面）按实际的需要组合为一个系统，这个过程称为系统的组态。65以典型的中小型DCS－CENTUM-μXL为例论述FCU和操作站的硬件构成665.3.2.1现场控制单元FCU现场控制单元一般远离控制中心，安装在靠近现场的地方，以消除长距离传输的干扰（当然，也有安装在控制室的）。其高度模块化结构可以根据过程监测和控制的需要配置成由几个监控点到数百个监控点的规模不等的过程控制单元。它的结构是许多功能分散的插板（或称模件）、插板箱，各箱又分层地插入机柜。67——现场控制单元的功能在DCS中，FCU具有如下功能：①完成来自变送器的信号的数据采集，有必要时，要对采集的信号进行校正、非线性补偿、单位换算、上下限报警以及累计量的计算等。②通过其中的软件组态，对现场设备实施各种控制，包括反馈控制和顺序控制……③现场控制单元具有很强的自治能力，可单独运行685.3.2.2操作站操作站（MOPS/MOPL）显示并记录来自各控制单元的过程数据，是人与生产过程的操作接口。通过操作人/机接口，实现适当的信息处理和生产过程操作的集中化。

HMI——HumanMachineInterface69DCS的操作站通常具有功能：显示功能、报警功能、操作功能、报表打印功能、组态和编程功能等等。

操作站结构组成典型的操作站包括：主机系统

显示设备

键盘输入设备

信息存储设备

打印输出设备

操作站的主机系统主要实现集中监视、对现场直接操作、系统生成和诊断等功能，在同一系统中最多可连接5台操作站。有的DCS配备一个工程师站，用来生成目标系统的参数等。多数系统的工程师站和操作员站合在一起，仅用一个工程师键盘，起到工程师站的作用。

主要显示设备是彩色CRT，或者是触摸屏。

键盘分为操作员键盘和工程师键盘两种。操作和监视用的操作员键盘，采用防水、防尘结构的专用键盘。工程师键盘用于系统工程师的编程和组态，类似于PC机键盘。

存储器、软硬盘等

打印输出设备就是指打印机，主要用于打印生产记录报表、报警列表和拷贝流程画面。

70DCS向FCS的演变IPC、PLC……I/O子系统…………Controller/GatewayFieldbus5.4.1概述5.4现场总线控制系统FCS71传统控制系统现场仪表(I/O)控制器一对一连接4~20mA0~10mA24VDC……80年代开始智能现场设备普遍应用a.包含CPUb.能直接数字通信c.具有很强的功能例如，智能化变送器除了具有常规意义上的信号测量和变送功能以外，往往它还具有自诊断、报警、在线标定甚至PID运算等功能……智能现场设备与主机系统间待传输的信息量急剧增加。现场总线技术的初始想法：设想全部或大部分现场设备都具有直接进行通信的能力，并具有统一的通信协议，只需一根通信电缆就可将分散的现场设备连接起来，完成对现场设备的监控。72

73作为新一代控制系统：一方面：采用了基于开放式、标准化的通信技术，克服了封闭系统所造成的缺陷；另一方面：形成了全数字、全分散的系统架构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、多分支结构的通信网络。网络体系通信总线在现场设备中的延伸生产控制网络结构

位于的底层5.4.2现场总线国际标准化概况74基本情况——现场总线技术在历经了群雄并起，分散割据的初始阶段后，尽管已有一定范围的磋商合并，但由于行业与地域发展等历史原因，加上各公司和企业集团受自身利益的驱使，致使现场总线的国际化标准工作进展缓慢，至今尚未形成完整统一的国际标准。

1999年形成了一个由8个类型组成的IEC61158现场总线国际标准IEC61158成了国际上制订时间最长、意见分歧最大的国际标准之一IEC61158现场总线标准由于一开始没有制定统一的标准，导致：现场总线种类多，二百多种，常见的也有三、四十种1999年IEC61158共包含8种类型IEC61158Type1：TS61158Type2：ControlNetEthernet/IPType3：ProfibusType4：P－NetType5：FFHSEType6：SwiftNETType7：WorldFIPType8：InterbusType9：FFH1Type10：ProfiNetType14：EPA2003年4月增加2种，共10种(第三版)后来又通过4种现场总线：ASI(ActorSenseInterface)、DeviceNet、SDS、CAN2006年3月第四版标准增加了EPA因此不同现场总线难以混用，现场总线的开放性、互操作性、互换性等优势难以体现，这种趋势仍将继续。7576※IEC61158国际标准只是一种模式，8种类型都是平等的※IEC标准的其中Type2～Type8需要对Type1提供接口，而标准本身不要求Type2～Type8之内提供接口，用户在应用各类型时仍可使用各自的行规，其目的就是为了保护各自的利益。IEC61158Type1：IEC61158技术报告★Type2：ControlNetType3：Profibus★Type4：P－NetType5：FFHSE★Type6：SwiftNETType7：WorldFIPType8：Interbus以上8种总线采用完全不同的通信协议！77类型名称内容1IEC61158技术规范即FFH1物理层：H1（现场级）低速31.25kbps，STP，1900米

H2（过程控制级）高速1/2.5Mbps，STP，750/500米数据链路层：LAS（链路活动调度器）应用层：客户机/服务器、发布者/接受者、报告分发3种协议机制用户层：32种功能模块（与主站无关）2ControlNetRockwell公司支持物理层：5Mbps，光纤，3000米数据链路层：CTDMA（并行时间域多址存取）应用层：生产者/客户模式3Profibus德国SIEMENS支持物理层：RS485过程自动化：PA总线，STP，1200米现场级：DP总线，9.6kbps～12Mbps，STP，1200～100米车间级：FMS总线，，9.6kbps～12Mbps，STP和光线数据链路层：令牌环、主从式4P-Net丹麦Process－Data公司

物理层：RS485，9.6～76.8kbps，STP，1200米数据链路层：VT（虚拟令牌）78类型名称内容5FFHSE即原FFH2总线物理层：IEEE802.3，5类UTP/光纤，100米/400米数据链路层：IEEE802.26SwiftNETBoeing公司物理层：5Mbps数据链路层：TDMA（槽路时间片多址存取timedivisionmultipleaccess

）7WorldFIPHoneywell等公司支持物理层：H1（现场级）低速31.25kbps，STP，5000米

H2（过程控制级）高速1/2.5Mbps，STP，1000/500米数据链路层：总线仲裁应用层：本地读写、远程读写、刷新服务8Interbus德国PhoenixContact公司

物理层：RS485，500kbps数据链路层：虚拟令牌整体帧服务几个具体问题的分析(1)FCS与DCS的比较FCS是在DCS的基础上发展起来的。FCS开放性、控制分散性优于传统DCS，代表着控制系统发展方向与潮流DCS则代表传统与成熟、完备的功能及广泛的应用影响FCS发展、制约FCS应用的原因主要有三方面：①技术原因②商务原因③用户原因7980①技术原因总线标准尚在发展中，产品单一，优越性还难以得到全部发挥。暂时还无法提供DCS已有的控制，复杂功能还无法在总线仪表中实现……结论：二者各具优势，FCS将逐步取代DCS主导控制系统地位，但并不意味DCS消亡②商务原因价格昂贵(FCS本质优点是信息化，数字化，网络化从控制室扩展到“现场”)结论：现场总线不是低成本简易产品③用户原因

FCS成功的应用实例不多，习惯势力不愿冒风险。结论：充分利用已有的DCS设施，基于现有DCS的系统以及成熟的DCS控制管理方式来实现FCS不失为当前的应选之途

(2)现场总线技术与计算机通信技术的比较现场总线是用于现场仪表和控制室系统之间的一种计算机通信系统，计算机通信技术的发展会直接影响现场总线的发展。但二者在基本功能、信号传输要求和网络结构上均有所不同。a.基本功能

二者基本功能相同：可靠地传递信息。但FB包括了更多的内容：

解决总线供电问题，实现现场总线的本质安全规范，以体现其安全性； 解决现场总线的环境适应性问题，如抗干扰、防振等，以体现其可靠性；b.信号传输要求——越快越好一般系统是一种“软”的要求，即只要大部分时间满足要求就行了。现场总线是“硬”的要求，它往往涉及安全，不允许有不确定性。c.网络结构

计算机通信系统的结构是网络状的，节点间的通信路径是不固定的大部分现场总线的结构是线状的，节点间的通信路径是比较固定的81(3)现场总线技术的发展趋势82从现场总线技术本身来分析，它有两个明显的发展趋势： 一是寻求统一的现场总线国际标准 二是IndustrialEthernet走向工业控制网络5.5工业以太网

Industrial

Ethernet

以太网技术应用于工业通信（底层）为什么以前不用Ethernet？Ethernet产生于上个世纪七十年代采用星型或总线型结构传输介质：屏蔽（非屏蔽）双绞线、光纤……介质访问控制协议：CSMA/CD carriersensemultipleaccess/collisiondetected

载波侦察听多路访问/冲突检测“先听后说”、“边听边说”，负荷大时，网络会发生碰撞，响应时间无法预知，实时性（确定性）得不到保证因此以太网通信存在不确定性，在90年代中期之前，几乎所有的控制系统均不选用以太网，而选用令牌总线或令牌环（其实问题并没有那么严重）8384设备D1时间①发送数据前先侦听网络是否空闲②网络空闲，发送数据；边发送，边检测碰撞③检测到碰撞，即同一时刻有多于两个节点发送数据设备D2设备D3③①②④停止发送④⑤继续等待一段时间通信机理示意Ethernet的特点低成本、高速、易于组网、易于和Internet连接、软硬件资源包括人的资源极其丰富、培训维护简单……负荷越小，通信响应时间越短“不确定性”不再是主要障碍，理由：以太网通信特性负荷越小，碰撞越少负荷在10%左右时，基本无碰撞负荷在25%以下时，以太网的通信响应时间明显短于令牌网Ethernet的通信速率的提高，碰撞机率大大下降以太网交换技术的应用，大大减少端口之间的碰撞全双工通信、报文优先级等措施的应用85工业控制网络通信特点86传输的信息量少，信息长度都比较小周期性信息较多测量、控制信息非周期性信息较少用户操作指令、组态信息、诊断信息等等报警等突发性事件信息网络负荷较为平稳信息流向具有明显的方向性节点数少结论：以太网完全能满足工业控制网络通信实时性要求，且以太网具有其它网络所无法比拟的优势Ethernet应用于工业自动化87国内外自上世纪九十代中后期开始已将以太网应用于工业自动化基于以太网的DCS浙大中控的JX-300X、Fisher-Rosemount的Delta-V等基于以太网的PLC与远程I/OMODICON、A-B、GEFanuc等基于以太网的现场仪表和仪器HP、浙大中控、NI等基于以太网的总线FoundationFieldbusHSE、PROFINet、P-NETonEthernet、InterbusonEthernet、EPA……以太网应用于工业现场需要解决的问题：本质安全技术总线供电技术网络安全技术远距离传输技术互可操作技术……e网到底的意义享受现场总线技术的一切好处，资源极其丰富具有很强的可持续发展力，对用户的技术要求降低统一从现场设备层到控制层、管理层的网络；实现从上到下各层次的信息无缝集成；推动企业综合自动化、信息化进程。885.6工业自动化组态软件5.6.1概述

20世纪80年代初期诞生出来的专门组态(自动化)软件是随着计算机技术在工业过程控制中的应用而发展壮大起来的，经过20多年的发展，它已经成为工业自动化领域必不可少的一员。 监控组态软件最早出现时，主要解决人机图形界面问题。随着它的快速发展，实时数据库、实时控制、SCADA、通信及联网、开放数据接口、对I／O设备的广泛支持已经成为它的主要内容。895.6.2组态软件的定义及发展“组态”的概念最早来自英文Configuration，是指使用软件工具对系统的各种资源进行配置，达到系统按照预先设置，自动执行特定任务，满足使用者要求的目的。随着许多新技术、新方法的应用，组态软件已不单具有HMI功能，它与MIS(管理信息系统，ManagementInformationSystem)系统、CIMS系统以及MES/ERP等的结合更加紧密，已能为企业的生产、经营、决策提供更详细和深入的数据，以便优化企业生产经营中的各个环节，组态软件将在管控一体化系统中发挥更积极的作用。90表14-5