《过程控制系统与仪表》第9章 计算机控制系统

过程控制系统与仪表第8章第9章计算机控制系统9.1概述在20世纪50年代数字计算机出现之初，有远见的控制工程师便意识到计算机在自动控制领域具有极大地的发

潜力，并进行了积极的探索。1959年，美国在炼油厂实现计算机数据监控，1962英国实现以计算机代替模拟调节器进行闭环控制的工业用。1975年，美国Honeywell和日本横河电机株式会社分别推出新型的集散控制系统(DCS)TDC-2000和CENTUM。过程控制系统与仪表第8章进入90年代，DCS又有新的发展，表面贴装技术与专用集成电路（ASIC）使元件数量减少，可靠性提高；90年代以来，用户和DCS生产厂家对系统的开放性和兼容性提出了更高的要求。普遍希望：①构成系统的模块规范化，通信协议完全开放；②各个厂家的系统及配套产品和备件相互兼容，可相互替代；③系统的建设投资和运营、维护费用相对封闭系统有所降低。而基于控制系统网络化和现场仪表数字化，智化的现场总线（Fieldbus）为满足以上要求开辟了有效途径。过程控制系统与仪表第8章以现场总线技术为基础的现场总线控制系统FCS（FieldbusControlSystems）是以网络为基础的集散型控制系统。新型的现场总线控制系统FCS用公开的、标

准化的通信网络代替了集散型控制系统DCS的专用网络，实现了厂商现场设备的兼容与互换性。它适应了控制系统向分散化、网络化、标准化和开放性的发展趋势，是继集散型控制系统DCS之后的新一代控制系统。过程控制系统与仪表第8章直接数字控制（DDC）系统DDC系统的特点及组成1．DDC系统的特点直接数字控制系统简称DDC（Direct

DigitalControl）系统，就是用一台工业计算机配以适当的输入输出设备，从输入通道获取生产过程的信息，按照预先规定的控制算法计算出控制量，并通过输出通道，直接作用于执行器，实现对整个生产过程的控制。DDC系统能满足不同生产过程的控制要求。过程控制系统与仪表第8章当系统控制要求发生变化时，可通过重新编制程序来适应控制要求的改变，而不必进行大量硬件结构改动。DDC系统的另一个优点是易于实现各种比较复杂的控制规律及特殊的控制算法，如串级、前馈、选择、大滞后补偿等控制。2．DDC系统的组成典型的过程计算机控制系统结构如下图所示。除了被控过程、检测仪表和执行器之外，计算机系统（如图中的虚线内部分）可划分为软件和硬件两大部分。过程控制系统与仪表第8章过程控制系统与仪表第8章DDC系统硬件硬件是指计算机本身及其外围设备硬件设备，包括

CPU、存储器（RAM、ROM）各种接口电路、A／D转换和D／A转换构成的模拟量I／O通道、数字量I／O通道及各种显示、存储设备、运行操作台等。DDC系统软件DDC系统的软件是指计算机控制系统中具有各种功能的计算机程序总和。DDC系统的软件从功能上可分为系统软件和应用软件两大部分。过程控制系统与仪表第8章系统软件是由计算机制造商、通用系统软件公司、以及过程控制系统制造厂商提供的，用来进行计算机资源管理的软件，如操作系统、系统开发环境等，用户只需要掌握使用方法，并根据具体需要加以适当的调整即可。应用软件是用户根据要解决的控制问题而编写的具有专用功能的程序，应用软件的质量直接影响控制系统的功能和效率。过程控制系统与仪表第8章9.2.2

DDC系统的设计原则DDC系统的控制对象、控制功能与技术指标千变万化，但基本的设计原则，主要有以下几个方面。系统操作性能好,可靠性高,通用性强、便于扩充，实时性好、设计周期短、价格便宜。过程控制系统与仪表第8章集散控制系统集散控制系统的发展历程自1975年第一套集散式控制系统诞生到现在，DCS大致经历了三个发展阶段。1．第一阶段（初创期）1975～1980年是初创阶段。世界各大公司纷纷推出自己的集散型控制系统，这一时期典型的DCS系统有

Honeywell的TDC——2000系统、Foxboro的Spectrum系统、Yokogawa（横河）的CENTUM系统、Bailey公司的Network——90系统、Siemens的Teleperm

M系统等。过程控制系统与仪表第8章第二阶段（成熟期）1980～1985年的第二阶段是DCS的成熟期。这期间伴随着各种高新技术、特别是信息处理技术和计算机网络术的飞速发展。第三阶段（扩展期）1985年至今为DCS扩展期。这一阶段，DCS系统把过程控制、监督控制、管理调度有机地结合起来，并继续强断续控制功能。DCS的特点是系统功能综合化和系统网络开放性水平的不断提高。过程控制系统与仪表第8章9.3.2集散控制系统的基本组成与功能划分集散控制系统虽然品种繁多，但其基本组成部分是相同的。一个典型的DCS如右图所示，由分散执行控制功能的现场控制站（FieldControlStation）和进行集中监视、操作的操作站（Operator

Station）以及高速通信总线组成，基本结构如下页图所示。集散控制系统的组成过程控制系统与仪表第8章过程控制系统与仪表第8章在DCS的结构体系中，操作站位于控制站的上层，它通过通信总线与现场控制站交换信息。DCS中的通信网络也是系统重要的组成部分。为保证通信的可靠性，DCS系统常采用多主站的令牌方式。这种方式可避免只有一个固定主站时，万一主站发生故障引起全局通信瘫痪的危险。此外，在集散系统中还采用双总线冗余结构，确保通信的可靠性。通过配置网关（Gateway），将DCS的内部通信总线与其它第三方控制设备控制网络或信息管理网络连接，组成更大的综合控制与信息管理系统。过程控制系统与仪表第8章9.3.3现场控制站现场控制站一般分散安装在靠近生产现场的位置，实现对生产过程数据的采集与实时控制。即对过程输入、输出数据进行检测与处理，用最新信息更新数据库；根据最新的数据，按照一定的控制逻辑与算法形成相应的控制命令，对生产过程进行控制。同时将相关信息上传到操作站，并接受操作站下传的控制指令。通过通信总线实现现场控制站之间的数据交换。过程控制系统与仪表第8章9.3.3.1现场控制站的冗余结构为了避免现场控制站发生故障对整个生产过程造成较大的影响，DCS从两个方面采取措施。首先，从危险分散的角度，适当限制了控制站的回路数目，将控制站发生故障的影响限制在有限的范围；其次，在可靠性要求高的场合，对控制站所有关键部分，从运算控制单元（CPU）、输入输出接口卡、电源，到站内数据总线，都采取双重化冗余备用措施。在连续生产过程中，测控工作不能停顿，现场控制站的备用装置必须始终处于运转（热备）状态，一面进行自诊断，一面监视对方工作是否正常，并不断更新自己的数据库，这种方式称为双工热备待机方式。过程控制系统与仪表第8章如果当前工作的装置发生故障，处于热备状态的备用装置能立即无中断、平滑的投入运行。下面以CENTUM—XL系统的双重化现场控制站

CFCD2为例，简单说明现场控制站双工热备工作原理。CFCD2机柜的上部为运算控制单元，下面可以安装5个I／O插件箱，每箱内虽可插8块接口卡，但供控制用的8输入8输出模拟量信号接口卡MAC2只能插2块（若不要备用，均只能插1块），用于最重要的控制回路。过程控制系统与仪仪表表第第88章章在右图中，首先对运算控制部分及其电源进行双工热备；其次，对HF总线、总线通信耦合器、站内总线，以及I／O插件箱内的关键部分，即插件箱电源、站内通信卡，以及最重要的I／O接口卡进行双重化。CENTUM—XL系统CDFC2现场工作站的双重化结构过程控制系统与仪表第8章为了说明这种双重化设备的切换方法，下面以MAC2模块为例进行讨论。MAC2是8输入、8输出模拟量接口模块，其并联工作的原理如下页CENTUM—XL系统CDFC2现场工

作站的双重化结构图所示。两个MAC2模块（No1、No2）的输入输出电路与变送器、执行器并联相接。从变送器来的4～20mA信号变为1～5V电

压后，经过滤波电路、多路转换开关、A／D转换器，变成数字量存人数据库，然后经站内总线接口，传送到上部的运算控制单元，作为输入数据参加运算；运算结束后，数据经站内通信总线又送回MAC2插件，经D／A转换器及多路转换开

关后，送至输出电路，驱动执行器。过程程控控制制系系统统与与仪仪表表第第88章章CENTUM—XL

系统CDFC2现场工作站的双重化结构过程控制系统与仪表第8章MAC2的输出电路主要由运算放大器和晶体管组

成的V／I转换电路构成，由D／A转换器输出的模拟量电压加在运算放大器的同相输入端；借助于强烈的

电流负反馈，将此电压转变为4～20mA的电流输出。为了核实该电流是否存在，利用输入多路开关及A／

D转换器，将反映输出电流大小的运算放大器反相输入端电压读回来。如果发现该电流的数值不准确，

或因回路断线而没有电流，通过双重化控制电路立

即自动切换到备用的MAC2。过程控制系统与仪表第8章从上图的输出电路可看出，两个并联的MAC2模块

内，对应的回路中都有相同的4～20mA电流存在；但是否向外输出，取决于接在输出晶体管发射极电路中的开关管状态，而后者又决定于双重化控制电路驱动的RS触发器。若RS触发器的状态使上面模块内的开关管处于开断状态，下面插件内的开关管处于导通状态，则外电路电流由上面的模块供给，下面模块内的4～20mA电流直接接地。当RS触发器翻转时，利用上述全面的双重化备用，可保证多回路控制器的可靠性不低于单回路控制器过程控制系统与仪表第8章CFCD2型现场控制站内输入输出插件箱的具体结构如左图所示。其右边4个插槽作为公用部分，2个槽插电源模块，2个槽插站内通信模块。如果不需要双重化热备，电源和通信模块只插1块即可。在CFCD2型现场控制站中，最多可处理开关量输入输出信号512点及相近数量的模拟量信号最多可生成的内部控制仪表255个，可执行的顺序控制表格(32输入、32输出)共40张，其规模相当大。当使用10～20个CFCD2型现场控制站组成系统时，可实现上千个反馈回路和上万个开关量的分散控制与集中管理。现场控制站的I/O插件箱过程控制系统与仪表第8章DCS现场控制站功能框图9.3.3.2现场控制站的功能现场控制站功能框图如右图所示。与单回路控制仪表相比，

除反馈控制功能、运算功能、报

警功能、通信功能更加充实之外，最主要的特点是顺序控制大大增

强。现场控制站内的顺序控制，除能按常规的开关条件切换外，还包含各种定时器、计数器、算术运式、逻辑关系运算式等，能自动监视连续量的变化。过程控制系统与仪表第8章为了继承用单块仪表构成系统的概念，DCS将一些常用的功能子程序组成标准功能模块，称为内部仪表。现场控制站中的内部仪表与单回路控制器不同，现场控制站中将一些控制仪表所共有的运算和处理归并在内部仪表的功能之内，如下图所示。过程控制系统与仪表第8章过程控制系统与仪表第8章9.3.4

DCS操作站功能集散控制系统的操作站主要有三大功能，即以系统生成、维护为主的工程功能；以监视、运行、记录为主的操作功能；与现场控制站和上位计算机交换信息的通信功能以及运行数据文件的存储、管理功能。DCS的工程功能通过工程师站实现，操作功能由操作员站实现。过程控制系统与仪表第8章工程师站与操作员站共同组成DCS操作站。在规模较小的DCS和早期的DCS中，由中央计算机同时承担工程师站和操作员站的职能，通过设置工程师密码赋予工程师进行系统生成、维护和系统管理功能等工程功能，必要时可配置专门的工程师键盘和CRT以方便监视和操作；通过设置操作员密码限制操作员的操作权限。过程控制系统与仪表第8章1．工程师站的功能1）系统组态系统组态就是生成和变更操作员站和现场控制站的功能。通过填写标准工作本，由组态工具软件将工作单显于屏幕上，用会话方式实现功能的生成和变更。组态内包括操作站功能组态、现场控制站功能组态和用户自定功能组态等。操作站组态包括操作站的规格指定、信号点数指定及其它一些共同的规定；然后定义操作站的标准功能，如面编号、工位号、信息编号、标准功能键等站内自身的准信息；用户需要定义功能，如某些功能键、指定画面报表格式等。过程控制系统与仪表第8章现场控制站组态用来生成和变更站内反馈控制功能、顺序控制功能和监控功能等。不同类型DCS的控制站都有专用的组态软件。集散系统中有些专用功能由用户定义，例如，流程画面生成、画面分配和报表格式等。在对用户定义的功能进行组态时，用户可根据具体内容借助于组态工具软件自行组态。过程控制系统与仪表第8章系统测试测试功能用来检查组态后系统的工作情况，内容包括对反馈控制回路的测试和对顺序控制状态的测试。系统维护系统维护是对系统作定期检查或更改、生成的组态文件存储、数据恢复等。系统管理主要是对系统文件的管理。过程控制系统与仪表第8章2．操作员站功能画面显示和运行操作是操作员站的基本功能。操作人员通过各种画面的显示、切换以及功能键、鼠标、触摸屏的操作，实现对生产过程正常运行的监视与操作管理。为满足运行操作的要求，集散控制系统的操作站上都备有总貌画面、分组画面、回路调整画面、报警画面、趋势分组画面五种标准画面，此外，还能根据用户的不同特点，生成各种流程图画面及工艺数据汇总画面等。下面以一个中型DCS的操作站为例，说明这些画面在监视和操作中的作用。过程控制制系系统统与与仪仪表表第第88章章1）总体画面:这是为掌握生产过程总体状设计

显示画面，如下图所示。过程控制系统与仪表第8章2）控制组画面如下图所示，画面上可显示一组内部仪表，对每个仪表都采取数字和模拟两种方式显示。数字方式给出了PV、SV、MV的精

确数值及单位，模拟方式的棒图显示直观明了。过程控制系统与仪表第8章3）回路调整画面随着对生产过程的了解由全局向局部深人，需要对单个仪表进行细致的观测和调整，这种以仪表为单位的回路显示画面如右图所示。画面上

可详尽地列出该仪表的全部数据，并可用光标指定需要更改的参数后，用操作键盘进行数据设定。过程控制系统与仪表第8章4）趋势画面:对过程量变化曲线的显示，即所谓趋势显示，过程控制系统与仪表第8章5）报警画面下图是操作站上显示的，按发生时间先后排列的顺序报警画面。其中最新发生的报警在最上面的一行，按发生的序向下排列，当超过画面上允许的行数时，送入后面的页面。过程控制系统与仪表第8章6）流程图画面，目前动态的流程图画面是CRT操作中最受欢迎，使用频

度最高的一种画面。由于生产过程的多样性，流程图画面难以做成标准模式。为此，操作站为用户提供这类图形的生成手段和标准图库，用户可根据生产情况和自己的习惯，生成各具特色的画面。如下图所示。过程控制系统与仪表第8章在CRT操作中有两个值得注意的问题，这就是快速性和抗误操作性。快速性是指画面的转换和过程操作要快。为此，一方面提高CRT的画面更新速度，例如把画面更新时间缩短到1s之内，另一方面优化关联画面的编排，使操作者在某个画面上发现问题后，能快速找到与其密切相关的其它画面。并简化操作步骤，力求实现1键操作。由于集散系统具有顺序控制功能，易于实现以1键动作代替一连串的键盘操作。过程控制系统与仪表第8章但在操作简化的同时，又出现了另一个问题，即如何防止因误操作引起严重后果。为此，首先将键盘功能按使用人员的职责范围划分等级，以密码或钥匙限制越权操作，保证像系统生成、回路构成等功能不会被不允许的人员误操作。对一些关系重大的操作，系统必须要求操作员反复确认后才执行，对明显不合理的指令，系统应拒绝执行，以防止因误操作而引起严重后果。为此首先将键盘功能按使用人员的职责范围划分等级，以密码或钥匙限制越权操作，保证像回路构成等软件不会被无关人员的误操作所破坏。此外，对一些关系重大的操作，必须要求操作员反复确认后才执行，对明显不合理的指令，系统应拒绝执行。过程控制系统与仪表第8章过程控制系统与仪表第8章9.3.5

DCS的通信网络DCS通过分布在现场的控制站实现对生产过程的控制，通过操作站进行集中监视和操作管理，达到实时了解生产的总体状况，实现对生产过程全面监控与管理的目的。只有将现场控制站和操作站通过通信网络连接起来，才能实现上述目标。DCS的现场控制站和操作站在空间上总是分布在一定区域之内，它的通信网络是一个局部网络。DCS局部网与一般办公系统的局部网络不同，要求实时响应迅速、能适应恶劣的工业现场环境、具有开放性等，对网络的可靠性要求很高。过程控制系统与仪表第8章1．DCS的网络形式：两种右图所示为主—从通信网络系统。其中主站一般是微型计算机或大型工作站，负责处理网络设备之间的网络通信指挥任务；从站或称从属设备，多为现场控制设备如可编程控制器、现场控制站等。在主—从通信网络中，主站采用独立访问每个从属设备的方式，实现主设备和被访问从属设备之间的数据传送，从属设备之间不能直接通信。主—从网络具有整体控制网络通信的优点，缺点是整个系统内的通信全部依赖于主站。过程控制系统与仪表第8章在同等—同等通信网络中，每个网络设备都有要求使用与控制网络的权力，能够发送或访问其它网络设备的信息。Peer

tPeer通信网络如下图所示。这种通信方式也称为接力式或令牌式系统，网络的控制权力可以看作是一个设备到另一个设备的接力或令牌式传递。其特点正好与主—从系统相反。由于每个网络设备都有权控制网络的数据通信，控制权该由哪个设备占用、占用多长时间以及网络上通信的类别等实现起来既复杂又困难，优点是一个或几个设备发生故障时，并不影响整个通信网络的正常运行。过程控制系统与仪表第8章2．通信网络的硬件构成通信网络主要由两部分组成：传输电缆、光缆（或其它媒介）和接口电子设备。接口电子设备通

常称为链路接口单元（或称调制解调器、网络适配

器等），其的功能是控制数据交换、传送存取等。

DCS通信控制的典型功能包括：误码检验、数据链

路控制管理以及与可编程控制器、控制单元或计算

机之间的通信协议的处理等。DCS的网络要在恶劣

的工业环境中运行，所以调制解调器都规定在特定

的频率下通信，最大限度地减少干扰造成传送误差。过程控制系统与仪表第8章3．通信网络的拓扑结构1）星形网络结构右图所示的星形网络结构属

于主——从形式的网络系统。网

络中各主、从站之间链路专用，

传输效率高，通信简单。但主站

承担全部信息的协调与传输，一

旦发生事故，系统通信立即中断。过程控制系统与仪表第8章2）树形网络结构右图所示的树形网络结构，适用于分级管理和控制系统。与星形结构相比，由于通信线路总长度较短，故成本低，易推广，但结构较星形复杂。网络中任一节点或连线的故障均影响其所在支路网络的正常工作。过程控制系统与仪表第8章3）环形网络结构网络首尾相连成环形。网络信息的传送是从始发站经过其余各站最后又回到始发站。数据传输方向可单向也可双向，环形网络结构简单，挂接或摘除处理设备容易，但是若节点处理器或数据通道有障碍时会影响整个系统。过程控制系统与仪表第8章4）总线型网络结构右图所示为总线型网络结构。在这种结构中所有节点通过接口连接到一条数据通道（总线）上，节点发送到总线的数据同时被所有节点所接收，但每个节点只接收以本节点为目的地址的数据。每次只允许一台设备发送数据，这样就需要按一定访问方法来决定哪一个节点占有网络。网络结构简单，系统可大可小，易于扩展。若某一设备发生故障，不会影响整个系统。这种结构是目前广泛应用的一种形式。过程控制系统与仪表第8章5）复合形网络结构在一些规模较大的DCS中，

为了提高其实用性，常常将几种网络结构合理地组合起来运用于一个系统，充分发挥各自的长处。右图所示为环形网络与总线网络的复合。过程控制系统与仪表第8章4．通信协议随着通信网络规模的扩大和功能的提高，对数据通信规格有了规范化的要求。如果数据规格不按照一定的规范编制，接收端无法正确理解所收到的信息并加以利用。这种在网络上定义数据资料传输规范的协议就称为通信协议。DCS中采用的通信协议有IEEE802标准、MAP

标准和PROWAY标准等。其中应用最多的是

IEEE802标准。关于这些通信协议的具体内容可参考有关的技术标准。过程控制系统与仪表第8章5．典型DCS的通信网络TDC3000系统TDC3000有三种通信网络：工厂控制网络（PCN）、局部控制网络（LCN）、通用控制网络（UCN）和高速数据通道（Data

Hiway）。前三者均为局域网，通信特性相同。后者用来支持设备间点对点的通信及资源共享。CENTUM系统CENTUM系统有两种通信网络：用于控制级通信的HF总线和用于管理级通信的SV—NET总线。过程控制系统与仪表第8章HF总线采用同轴电缆作为传输介质，传输距离为l～2km，也可经光适配器同光纤通信系统一起使用，传输距离可达20km。通信采用PROWAY标准，介质存取方式为

令牌总线。信息传送采用循环冗余码校验技术，确保安传送，每条HF总线可接32个设备。SV—NET总线与HF总线的区别是通信协议采用MAP标准。传送标准距离为500m，总线最多可接100个设备。其它技术性能与HF总线相同。CENTUM系统的两个总线可以直接构成两级计算机控制和管理系统，并可通过网桥（Gateway）与其它网络相连。过程控制系统与仪表第8章9.3.6

DCS的发展趋势①DCS的开放化③DCS规模多样化②DCS的集成化程度提高④DCS系统软件更加丰富完善DCS的顺序控制功能增强并与PLC兼容⑥DCS的现场总线标准化⑦DCS将不断采用新技术⑧DCS与计算机集成制造系统过程控制系统与仪表第8章扬子石化过程控制系统与仪表第8章扬子石化过程控制系统与仪表第8章9.4现场总线技术与现场总线控制系统现场总线发展及几种主要的现场总线技术现场总线技术及其通信模型1．现场总线的发展按照现场总线基金会的定义，所谓现场总线就是连接智能测量与控制设备的全数字式、双向传输、具有多节点分支结构的通信链路。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进行双向、串行、多节点、数字式的数据交换的通信技术。过程控制系统与仪表第8章1994年，世界两大现场总线组织ISPF和WorldFIP合并，成立现场总线基金会，简称FF（FieldbusFoundtion），总部设在美国得克萨斯州的Austin。以现场总线为基础的全数字控制系统成为21世纪自动化控制系统的主流。目前世界发达国家的自动化仪表公司都以巨大的人力和财力投入，全方位地进行技术研究和实际应用。由于现场总线是以开放的、独立的、全数字化的双向多变量通信代替4～20mA的现场仪表，实现全数字化的控制系统，因此其标准化至关重要。过程控制系统与仪表第8章1）开放系统互连参考模型计算机网络体系结构（NetworkArchitecure）是计机网络层次结构模型和各层次协议的集合。国际标准化织ISO（InternationalStandardizationOrganization国际电工委员会IEC（International

ElectrotechnicalCommittee）于1978年共同建立联合技术委员会ISO／IEJTCI，提出一个试图使各种计算机在世界范围内互连成的标准框架，为保持相关标准的一致性和兼容性提供共的参考，这就是开放系统互连参考模型OSI/RM

（OpenSystem

Interconnection／Reference

Model），也称ISOSI模型，并于1983成为正式国际标准ISO

7498。过程控制系统与仪表第8章OSI将整个通信功能按照以下原则：网中各结点都有相同的层次，相同的层次具有相同的功能；同一结点相邻层之间通过接口通信；每一层使用下层提供的服务，并向上层提供服务；

不同结点的同等层按照协议实现对等层之间的通信。划分为七个层次，如下页图所示。过过程程控控制制系系统统与与仪仪表表第第88章章ISO/OSI参考模型过程控制系统与仪表第8章OSI参考模型解决了不同计算机之间的通信问题。不管差异多大，只要它们具有下列共同之处：*完成同样的通信功能；*通信功能可划分相同的层次，同等层提供相同的功能，实现功能的方法可以不同；*同等层遵守公用协议。过程控制系统与仪表第8章2）现场总线通信结构模型工业生产现场存在大量传感器、执行器，分布范围较大。由这些节点组成的底层控制网络中，单个节点的信息量不大，信息传输任务简单，但对实时性、可靠性要求高。如果按照ISO／OSI参考模型的七层模式，层间操作与转换复杂，网络接口的造价与时间开销显得过高。为满足实时性要求，也为了实现工业网络的低成本，现场总线采用的通信模型大都在ISO／OSI模型的基础上进行了不同程度的简化。过程控制系统与仪表第8章一个典型的IEC/ISA现场总线通信结构模型如图所示。它采用简化的ISO／OIS模型，仅保持了其中的三个典型层：物理层、数据链路层和应用层，而将省去中间3～6层的必要功能，通过其它机制并入第七层及第二层。该模型具有结构简单、执行协议直观、价格低廉等优点，也满足工业现场应用的性能要求，其流量与差错控制在数据链路层中进行，因而与OSI模型不完全一致。IEC/ISA现场总线结构模型过程控制系统与仪表第8章9.4.1.2几种主要的现场总线技术①基金会现场总线FF基金会现场总线FF系统是为适应自动化系统、特别是过程自动化系统在功能、环境与技术上的需要而专门设计的。它可以工作在工厂生产的现场环境下，能适应本征安全防爆的要求，还可通过传输数据的总线为现场设备提供工作电源。FF总线标准是开放的，无专利许可要求。通过FF总线，可将现场设备与其它控制监视设备组成分布式自动化系统。这些设备应遵循相同的协议规范，在产品开发期间通过一致性测试，确认产品与协议规范的一致性过程控制系统与仪表第8章当不同制造商的产品连接到同一网络系统时，作为网络节点的各设备间可实现互操作，同时，还容许不同厂商生产的相同功能的设备之间进行相互替换。②过程现场总线ProfibusProfibus是一种不依赖于厂家的开放式现场总线标准，可广泛应用于制造加工、过程自动化和建筑自动化领域。采用Profibus标准的系统，不同厂商所生产的设备无须对其接口进行特别调整就可进行通信。Profibus用于对时间苛求的高速数据传输，也可用于大范围的复杂通信场合。过程控制系统与仪表第8章③HART现场总线HART（Highway

Addressable

Remote

Transducer寻址远程传感器变速通道）的特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号传输，属于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡性产品。因而在过渡时期具有较强的市场竞争能力，得到了较快发展。④World

FIP现场总线WorldFIP具有单一的总线，可用于过程控制及离散控制；没有任何网桥或网关，通过软件解决低速传输和速传输部分之间的衔接问题；并有比较完整的系列产品已准备与互联网连接。过程控制系统与仪表第8章WorldFIP一方面保持其独立的的产品地位，首先使己成为欧洲标准，并推出产品，占领市场；同时做好准一旦IEC标准通过，立即与IEC靠拢。⑤控制器局域网总线CANCAN（ControllerArea

Network）即控制器局域网络主要用于过程监测及控制。CAN具有很高的可靠性和卓

越的性能，特别适合于工业过程监控设备的互连，日益到工业界的重视，并成为几种主要的现场总线之一。

CAN属于总线型结构，采用同步、串行、多主、双向通

信数据块的通信方式，不分主从，网络上每一个节点都以主动发送信息，可以很方便地构成多机备份。过程控制系统与仪表第8章⑥LonWorks总线LonWorks总线采用了ISO／OSI模型的全部7层通信协议，采用了面向对象的设计方法。它把单个分散的测量控制设备变成网络节点，通过网络实现集散控制。通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，其通信速率从300kbps至1.5Mbps不等，直接通信距离可达2700m（双绞线）；支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线和电力线等多种通信介质，并开发了相应的安全防爆产品。LonWorks所采用的Lon

Talk协议被封装在称

为Neuron的神经元芯片中而得以实现。过程控制系统与仪表第8章9.4.2

现场总线控制系统及其特点1．现场总线控制系统采用现场总线技术构成的控制系统称为现场总线控制系统（FCSFieldbusControlSystem）。一个最简单的单回路控制系统的基本构成元素包括测量变送单元、控制

算单元、操作执行单元，将这些基本元素与被控过程按

定要求连接起来，就构成一个简单而完整的控制系统。

场总线控制系统也是由这几个最基本的部分组成，其特

是它的控制单元在物理位置上可与测量变送单元及操作

行单元合为一体，可以在现场构成完整的基本控制系统

现场总线控制系统将通信总线延伸到现场的变送器、执

器，它们都挂接在通信总线上，如下页图所示。过程控制系统与仪表第8章现场总线控制系统过程控制系统与仪表第8章现场单元具备通信能力，多个现场智能设备可构成多个变量参与的复杂控制系统与精确测量系统；另外，现场设备及仪表具备数字通信能力，不仅可以传递测量数据信息，也可以传递设备标识、运行状态、故障诊断等信息，因而可以实现智能仪表设备资源的在线管理。FCS中，原先由控制器