現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)-工業(yè)數(shù)據(jù)通信和控制網(wǎng)絡(luò)說課材料

1、現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)-工業(yè)數(shù)據(jù)通信和控制網(wǎng)絡(luò) 工業(yè)數(shù)據(jù)通信與控制網(wǎng)絡(luò)是近年來發(fā)展形成的自控領(lǐng)域的工業(yè)數(shù)據(jù)通信與控制網(wǎng)絡(luò)是近年來發(fā)展形成的自控領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。是計算機網(wǎng)絡(luò)、通信技術(shù)與自控技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。是計算機網(wǎng)絡(luò)、通信技術(shù)與自控技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。1.11.1工業(yè)數(shù)據(jù)通信和控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)概述工業(yè)數(shù)據(jù)通信和控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)概述 企業(yè)信息系統(tǒng)的發(fā)展對工業(yè)數(shù)據(jù)通信的開放性、對底層控企業(yè)信息系統(tǒng)的發(fā)展對工業(yè)數(shù)據(jù)通信的開放性、對底層控制網(wǎng)絡(luò)的功能及性能都提出了更高的要求。工業(yè)數(shù)據(jù)通信與控制網(wǎng)絡(luò)的功能及性能都提出了更高的要求。工業(yè)數(shù)據(jù)通信與控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)正是在這種形勢下逐漸發(fā)展形成的。制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)正是在這種形

2、勢下逐漸發(fā)展形成的。 隨著自動控制、計算機、通信、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的發(fā)展，企業(yè)隨著自動控制、計算機、通信、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的發(fā)展，企業(yè)的信息集成系統(tǒng)正在迅速壯大，將覆蓋從現(xiàn)場控制到監(jiān)控、市的信息集成系統(tǒng)正在迅速壯大，將覆蓋從現(xiàn)場控制到監(jiān)控、市場、經(jīng)營管理的各個層次以及從原料采購、生產(chǎn)加工的各個環(huán)場、經(jīng)營管理的各個層次以及從原料采購、生產(chǎn)加工的各個環(huán)節(jié)，并將一直延伸到成品儲運銷售乃至世界各地市場的供需鏈節(jié)，并將一直延伸到成品儲運銷售乃至世界各地市場的供需鏈全過程，以適應(yīng)企業(yè)管理控制一體化的應(yīng)用需求。全過程，以適應(yīng)企業(yè)管理控制一體化的應(yīng)用需求。1.1.11.1.1工業(yè)自動化技術(shù)及發(fā)展趨勢工業(yè)自動化技術(shù)及發(fā)展趨

3、勢 工業(yè)控制自動化技術(shù)是工業(yè)自動化的核心，它是一種運工業(yè)控制自動化技術(shù)是工業(yè)自動化的核心，它是一種運用控制理論、儀器儀表、計算機和其它信息技術(shù)，對工業(yè)生用控制理論、儀器儀表、計算機和其它信息技術(shù)，對工業(yè)生產(chǎn)過程實現(xiàn)檢測、控制、優(yōu)化、調(diào)度、管理和決策，達(dá)到增產(chǎn)過程實現(xiàn)檢測、控制、優(yōu)化、調(diào)度、管理和決策，達(dá)到增加產(chǎn)量、提高質(zhì)量、降低消耗、確保安全等目的的綜合性技加產(chǎn)量、提高質(zhì)量、降低消耗、確保安全等目的的綜合性技術(shù)，主要包括工業(yè)自動化軟件、硬件和系統(tǒng)三大部分。術(shù)，主要包括工業(yè)自動化軟件、硬件和系統(tǒng)三大部分。 工業(yè)控制自動化技術(shù)作為工業(yè)控制自動化技術(shù)作為2020世紀(jì)現(xiàn)代制造領(lǐng)域中最重要世紀(jì)現(xiàn)代制造領(lǐng)

4、域中最重要的技術(shù)之一，主要解決生產(chǎn)效率與一致性問題。雖然自動化的技術(shù)之一，主要解決生產(chǎn)效率與一致性問題。雖然自動化系統(tǒng)本身并不直接創(chuàng)造效益，但它對企業(yè)生產(chǎn)過程有明顯的系統(tǒng)本身并不直接創(chuàng)造效益，但它對企業(yè)生產(chǎn)過程有明顯的提升作用。目前，工業(yè)控制自動化技術(shù)正在向智能化、網(wǎng)絡(luò)提升作用。目前，工業(yè)控制自動化技術(shù)正在向智能化、網(wǎng)絡(luò)化和集成化方向發(fā)展?；图苫较虬l(fā)展。 工業(yè)控制自動化主要包含三個層次，從下往上依次是工業(yè)控制自動化主要包含三個層次，從下往上依次是基礎(chǔ)自動化、過程自動化和管理自動化，其核心是基礎(chǔ)自基礎(chǔ)自動化、過程自動化和管理自動化，其核心是基礎(chǔ)自動化和過程自動化。在傳統(tǒng)的自動化系統(tǒng)中，基礎(chǔ)

5、自動化動化和過程自動化。在傳統(tǒng)的自動化系統(tǒng)中，基礎(chǔ)自動化部分基本被部分基本被PLCPLC和和DCSDCS所壟斷，過程自動化和管理自動化部所壟斷，過程自動化和管理自動化部分主要是由價格昂貴的過程計算機或小型機組成。分主要是由價格昂貴的過程計算機或小型機組成。 然而，自然而，自2020世紀(jì)世紀(jì)9090年代以來，由于年代以來，由于PC-basedPC-based的工業(yè)計的工業(yè)計算機（簡稱工業(yè)算機（簡稱工業(yè)PCPC）的發(fā)展，以工業(yè)）的發(fā)展，以工業(yè)PCPC、I/OI/O裝置、監(jiān)控裝裝置、監(jiān)控裝置、控制網(wǎng)絡(luò)組成的置、控制網(wǎng)絡(luò)組成的PC-basedPC-based的自動化系統(tǒng)得到了迅速普的自動化系統(tǒng)得到了迅

6、速普及，成為實現(xiàn)低成本工業(yè)自動化的重要途徑。及，成為實現(xiàn)低成本工業(yè)自動化的重要途徑。 工業(yè)工業(yè)PCPC是基于商用微型計算機或個人電腦，并采用了是基于商用微型計算機或個人電腦，并采用了總線式結(jié)構(gòu)、工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)機箱和工業(yè)級元器件等諸多滿足工總線式結(jié)構(gòu)、工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)機箱和工業(yè)級元器件等諸多滿足工業(yè)控制需求的實用技術(shù)。以工業(yè)業(yè)控制需求的實用技術(shù)。以工業(yè)PCPC為基礎(chǔ)的低成本工業(yè)控為基礎(chǔ)的低成本工業(yè)控制自動化系統(tǒng)的特點是：制自動化系統(tǒng)的特點是：開放的結(jié)構(gòu)，用戶可以選擇來自開放的結(jié)構(gòu)，用戶可以選擇來自 1 1、 以工業(yè)以工業(yè)PCPC為基礎(chǔ)的低成本工業(yè)控制自動化已成為主流為基礎(chǔ)的低成本工業(yè)控制自動化已成為主流不同廠

7、商的不同產(chǎn)品，為應(yīng)用提供更大的系統(tǒng)柔性，便于不同廠商的不同產(chǎn)品，為應(yīng)用提供更大的系統(tǒng)柔性，便于系統(tǒng)集成；系統(tǒng)集成；PCPC工控機的軟硬件豐富，用戶可以得到更高性工控機的軟硬件豐富，用戶可以得到更高性價比的產(chǎn)品；提供有力、柔性的聯(lián)網(wǎng)能力，可以使用標(biāo)準(zhǔn)價比的產(chǎn)品；提供有力、柔性的聯(lián)網(wǎng)能力，可以使用標(biāo)準(zhǔn)TCP/IPTCP/IP以太網(wǎng)和網(wǎng)卡；能運行復(fù)雜任務(wù)（如趨勢分析），以太網(wǎng)和網(wǎng)卡；能運行復(fù)雜任務(wù)（如趨勢分析），并且可基于多種平臺運行，如并且可基于多種平臺運行，如windows NTwindows NT、windows CEwindows CE和和LinuxLinux等。目前，我國的許多大企業(yè)已拆除

8、了原來等。目前，我國的許多大企業(yè)已拆除了原來DCSDCS或單或單回路數(shù)字式調(diào)節(jié)器，而改用工業(yè)回路數(shù)字式調(diào)節(jié)器，而改用工業(yè)PCPC來組成控制系統(tǒng)，并采來組成控制系統(tǒng)，并采用模糊控制算法，獲得了良好效果。用模糊控制算法，獲得了良好效果。2 2、 PLCPLC（可編程序控制器）得到了廣泛的應(yīng)用（可編程序控制器）得到了廣泛的應(yīng)用 PLCPLC是由器邏輯控制系統(tǒng)發(fā)展而來的，初期主要代替繼是由器邏輯控制系統(tǒng)發(fā)展而來的，初期主要代替繼電器控制系統(tǒng)，側(cè)重于開關(guān)量順序控制方面，后來，隨著電器控制系統(tǒng)，側(cè)重于開關(guān)量順序控制方面，后來，隨著微電子技術(shù)、大規(guī)模集成電路技術(shù)、計算機技術(shù)和通信技微電子技術(shù)、大規(guī)模集成電路

9、技術(shù)、計算機技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，術(shù)的發(fā)展，PLCPLC在技術(shù)上和功能上發(fā)生了極大的變化。在技術(shù)上和功能上發(fā)生了極大的變化。在邏在邏輯運算的基礎(chǔ)上，增加了數(shù)值計算、閉環(huán)調(diào)節(jié)等功能；輯運算的基礎(chǔ)上，增加了數(shù)值計算、閉環(huán)調(diào)節(jié)等功能； 增加了模擬量和增加了模擬量和PIDPID調(diào)節(jié)等功能模塊，實現(xiàn)了順序控制和過程調(diào)節(jié)等功能模塊，實現(xiàn)了順序控制和過程控制的結(jié)合；運算速度得到提高，新型控制的結(jié)合；運算速度得到提高，新型PLCPLC的的CPUCPU在能力已經(jīng)在能力已經(jīng)趕上了工業(yè)控制機；開發(fā)了具有智能趕上了工業(yè)控制機；開發(fā)了具有智能I/OI/O模塊；通信功能實現(xiàn)模塊；通信功能實現(xiàn)了了PLCPLC之間、之間、P

10、LCPLC與上位機之間以及與上位機之間以及PLCPLC與其他智能設(shè)備間的通與其他智能設(shè)備間的通信，由此發(fā)展了多種局部總線和網(wǎng)絡(luò)，也可構(gòu)成集散控制系信，由此發(fā)展了多種局部總線和網(wǎng)絡(luò)，也可構(gòu)成集散控制系統(tǒng)。統(tǒng)。PLCPLC這些性能特點使其在工業(yè)控制自動化領(lǐng)域中得到了廣這些性能特點使其在工業(yè)控制自動化領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。泛的應(yīng)用。 現(xiàn)代現(xiàn)代PLCPLC的發(fā)展有兩個重要趨勢：其一是向體積更小、速的發(fā)展有兩個重要趨勢：其一是向體積更小、速度更快、功能更強和價格更低的微小型方面發(fā)展；其二是向度更快、功能更強和價格更低的微小型方面發(fā)展；其二是向大型網(wǎng)絡(luò)化、高可靠性、好的兼容性和多功能性方面發(fā)展。大型網(wǎng)絡(luò)

11、化、高可靠性、好的兼容性和多功能性方面發(fā)展。具體有以下幾個方面：具體有以下幾個方面： （1 1）大型網(wǎng)絡(luò)化。主要是朝）大型網(wǎng)絡(luò)化。主要是朝DCSDCS方向發(fā)展，使其具有方向發(fā)展，使其具有DCSDCS系系統(tǒng)的一些功能。網(wǎng)絡(luò)化和通信能力強是統(tǒng)的一些功能。網(wǎng)絡(luò)化和通信能力強是PLCPLC發(fā)展的一個重要方發(fā)展的一個重要方面，向下可將多個面，向下可將多個PLCPLC、I/OI/O框架相連；向上可與工業(yè)計算機、框架相連；向上可與工業(yè)計算機、以太網(wǎng)等相連構(gòu)成整個工廠的自動化控制系統(tǒng)。以太網(wǎng)等相連構(gòu)成整個工廠的自動化控制系統(tǒng)。 （2 2）多功能。隨著自調(diào)整、步進(jìn)電機控制、位置控制、伺）多功能。隨著自調(diào)整、步進(jìn)

12、電機控制、位置控制、伺服控制、仿真、通信處理和故障診斷等模塊的出現(xiàn)，使服控制、仿真、通信處理和故障診斷等模塊的出現(xiàn)，使PLCPLC控制領(lǐng)域更加寬廣?？刂祁I(lǐng)域更加寬廣。 （3 3）高可靠性。由于控制系統(tǒng)的可靠性日益受到人們的重）高可靠性。由于控制系統(tǒng)的可靠性日益受到人們的重視，一些公司已將自診斷技術(shù)、冗余技術(shù)、容錯技術(shù)廣泛應(yīng)視，一些公司已將自診斷技術(shù)、冗余技術(shù)、容錯技術(shù)廣泛應(yīng)用到現(xiàn)有產(chǎn)品中，推出了高可靠性的冗余系統(tǒng)，并采用熱備用到現(xiàn)有產(chǎn)品中，推出了高可靠性的冗余系統(tǒng)，并采用熱備用和并行工作、多數(shù)表決的工作方式。即使在惡劣、不穩(wěn)定用和并行工作、多數(shù)表決的工作方式。即使在惡劣、不穩(wěn)定的工作環(huán)境下，堅

13、固、全封閉的模板依然能正常工作。在操的工作環(huán)境下，堅固、全封閉的模板依然能正常工作。在操作運行過程中，有些作運行過程中，有些PLCPLC的模板還可熱插拔。的模板還可熱插拔。3 3、面向測控管一體化設(shè)計的集散控制系統(tǒng)、面向測控管一體化設(shè)計的集散控制系統(tǒng) 集散控制系統(tǒng)，也稱為分布式控制系統(tǒng)或分散式控制系集散控制系統(tǒng)，也稱為分布式控制系統(tǒng)或分散式控制系統(tǒng)（統(tǒng)（DCSDCS），它采用了標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和系列化的設(shè)計，由），它采用了標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和系列化的設(shè)計，由過程控制級、控制管理級和生產(chǎn)管理級組成，以通信網(wǎng)絡(luò)為過程控制級、控制管理級和生產(chǎn)管理級組成，以通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶，對數(shù)據(jù)進(jìn)行集中顯示，而操作管理和控

14、制相對分散，紐帶，對數(shù)據(jù)進(jìn)行集中顯示，而操作管理和控制相對分散，是一種配置靈活、組態(tài)方便、具有高可靠性的控制系統(tǒng)，是一種配置靈活、組態(tài)方便、具有高可靠性的控制系統(tǒng)，其特點可總結(jié)為：分散控制、集中操作、分級管理、分而自其特點可總結(jié)為：分散控制、集中操作、分級管理、分而自治和綜合協(xié)調(diào)。治和綜合協(xié)調(diào)。 DCSDCS正朝著綜合性、開放性發(fā)展。工廠自動化要求加強正朝著綜合性、開放性發(fā)展。工廠自動化要求加強各種設(shè)備（計算機、各種設(shè)備（計算機、DCSDCS、單回路調(diào)節(jié)器、單回路調(diào)節(jié)器、PLCPLC等）之間的通等）之間的通信能力以便構(gòu)成大系統(tǒng)。開放性的結(jié)構(gòu)將方便地與管理的上信能力以便構(gòu)成大系統(tǒng)。開放性的結(jié)構(gòu)將

15、方便地與管理的上位計算機進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)計算機集成制造系統(tǒng)。同時在位計算機進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)計算機集成制造系統(tǒng)。同時在大型大型DCSDCS進(jìn)一步完善和提高的同時，發(fā)展小型集散控制系統(tǒng)。進(jìn)一步完善和提高的同時，發(fā)展小型集散控制系統(tǒng)。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合現(xiàn)代控制理論，應(yīng)用人工智能技隨著電子技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合現(xiàn)代控制理論，應(yīng)用人工智能技術(shù)，以微處理器為基礎(chǔ)的智能設(shè)備相繼出現(xiàn)，如智能變送器、術(shù)，以微處理器為基礎(chǔ)的智能設(shè)備相繼出現(xiàn)，如智能變送器、可編程調(diào)節(jié)器、智能可編程調(diào)節(jié)器、智能PIDPID、自整定控制、智能人機接口，以、自整定控制、智能人機接口，以至于智能至于智能DCSDCS?？偟陌l(fā)展趨勢可體現(xiàn)

16、在以下幾個方面：。總的發(fā)展趨勢可體現(xiàn)在以下幾個方面： （1 1）各制造廠商都）各制造廠商都“開放性開放性”上下功夫，力求使自已的上下功夫，力求使自已的DCSDCS與其他廠商的產(chǎn)品很容易地聯(lián)網(wǎng)；與其他廠商的產(chǎn)品很容易地聯(lián)網(wǎng)； （2 2）大力發(fā)展和完善）大力發(fā)展和完善DCSDCS的通信功能，并將生產(chǎn)過程控制系的通信功能，并將生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)與工廠管理系統(tǒng)連接在一起，形成測控管理一體的系統(tǒng)產(chǎn)統(tǒng)與工廠管理系統(tǒng)連接在一起，形成測控管理一體的系統(tǒng)產(chǎn)品；品；（3 3）高度重視系統(tǒng)的可靠性，在軟件的設(shè)計中采用容錯技）高度重視系統(tǒng)的可靠性，在軟件的設(shè)計中采用容錯技術(shù)；術(shù)；（4 4）在控制功能中，不斷引進(jìn)各種先進(jìn)

17、控制理論，以提高）在控制功能中，不斷引進(jìn)各種先進(jìn)控制理論，以提高系統(tǒng)的控制性能，如自整定、自適應(yīng)、最優(yōu)、模糊控制等；系統(tǒng)的控制性能，如自整定、自適應(yīng)、最優(yōu)、模糊控制等；（5 5）在系統(tǒng)規(guī)模的結(jié)構(gòu)上，形成由小到大的產(chǎn)品，以適應(yīng)）在系統(tǒng)規(guī)模的結(jié)構(gòu)上，形成由小到大的產(chǎn)品，以適應(yīng)不同規(guī)模的需求；不同規(guī)模的需求；（6 6）發(fā)展以先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)為基礎(chǔ)的）發(fā)展以先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)為基礎(chǔ)的DCSDCS控制結(jié)構(gòu)，向低控制結(jié)構(gòu)，向低成本綜合化自動化系統(tǒng)的方向發(fā)展。成本綜合化自動化系統(tǒng)的方向發(fā)展。4 4、 大力發(fā)展和采用現(xiàn)場總線技術(shù)大力發(fā)展和采用現(xiàn)場總線技術(shù) 現(xiàn)場總線是一種用于智能化現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的開現(xiàn)場總線

18、是一種用于智能化現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的開放式、數(shù)字化、雙向串行、多節(jié)點的通信總線。采用現(xiàn)場總放式、數(shù)字化、雙向串行、多節(jié)點的通信總線。采用現(xiàn)場總線技術(shù)可實現(xiàn)一種具有開放式、數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)的新型線技術(shù)可實現(xiàn)一種具有開放式、數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)的新型自動化控制系統(tǒng)。自動化控制系統(tǒng)。 現(xiàn)場總線技術(shù)的采用帶來了工業(yè)控制系統(tǒng)技術(shù)的革命。采用現(xiàn)場總線技術(shù)的采用帶來了工業(yè)控制系統(tǒng)技術(shù)的革命。采用現(xiàn)場總線技術(shù)可以促進(jìn)現(xiàn)儀表的智能化、控制功能分散化、現(xiàn)場總線技術(shù)可以促進(jìn)現(xiàn)儀表的智能化、控制功能分散化、控制系統(tǒng)開放化，符合工業(yè)控制系統(tǒng)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展趨勢。控制系統(tǒng)開放化，符合工業(yè)控制系統(tǒng)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展趨勢?，F(xiàn)場總

19、線技術(shù)使得從智能傳感器到智能調(diào)節(jié)閥的信號一直保現(xiàn)場總線技術(shù)使得從智能傳感器到智能調(diào)節(jié)閥的信號一直保持?jǐn)?shù)字化，從而極大地提高了抗干擾能力。持?jǐn)?shù)字化，從而極大地提高了抗干擾能力。 利用雙絞線作為現(xiàn)場總線，既能傳輸現(xiàn)場總線上儀表設(shè)利用雙絞線作為現(xiàn)場總線，既能傳輸現(xiàn)場總線上儀表設(shè)備與上位機的通信信號，還能為現(xiàn)場總線上的智能傳感器備與上位機的通信信號，還能為現(xiàn)場總線上的智能傳感器/ /變送器、智能執(zhí)行器、可編程控制器、可編程調(diào)節(jié)器等裝置變送器、智能執(zhí)行器、可編程控制器、可編程調(diào)節(jié)器等裝置供電?，F(xiàn)場總線是一種開放式的互聯(lián)網(wǎng)，它可與同層網(wǎng)絡(luò)相供電。現(xiàn)場總線是一種開放式的互聯(lián)網(wǎng)，它可與同層網(wǎng)絡(luò)相連，也可與不同

20、層網(wǎng)絡(luò)相連，只要配有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化總連，也可與不同層網(wǎng)絡(luò)相連，只要配有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化總線接口并遵守相關(guān)通信協(xié)議的智能設(shè)備和儀表，都能并列地線接口并遵守相關(guān)通信協(xié)議的智能設(shè)備和儀表，都能并列地接入現(xiàn)場總線。接入現(xiàn)場總線。 開放式、數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，由開放式、數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，由于具有降低成本、組合擴展容易、安裝及維護(hù)簡便等顯著優(yōu)于具有降低成本、組合擴展容易、安裝及維護(hù)簡便等顯著優(yōu)點，從問世開始就在生產(chǎn)過程自動化領(lǐng)域引起極大的關(guān)注。點，從問世開始就在生產(chǎn)過程自動化領(lǐng)域引起極大的關(guān)注?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是繼現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是繼DCSDCS之后控制系統(tǒng)的又一次

21、重大的變革，之后控制系統(tǒng)的又一次重大的變革，必將成為工業(yè)自動化的發(fā)展主流，會對工業(yè)自動化領(lǐng)域的發(fā)必將成為工業(yè)自動化的發(fā)展主流，會對工業(yè)自動化領(lǐng)域的發(fā)展產(chǎn)生極其深遠(yuǎn)的影響。展產(chǎn)生極其深遠(yuǎn)的影響。5 5、大力研究和發(fā)展智能控制系統(tǒng)、大力研究和發(fā)展智能控制系統(tǒng) 理論上，工業(yè)自動化中工業(yè)控制系統(tǒng)的設(shè)計和分析是建立理論上，工業(yè)自動化中工業(yè)控制系統(tǒng)的設(shè)計和分析是建立在精確的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上的，而實際應(yīng)用的控制系統(tǒng)由在精確的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上的，而實際應(yīng)用的控制系統(tǒng)由于各種因素的影響，無法獲得精確的數(shù)學(xué)模型，同時，為了于各種因素的影響，無法獲得精確的數(shù)學(xué)模型，同時，為了提高控制性能，整個控制系統(tǒng)會變得極其

22、復(fù)雜，增加了設(shè)備提高控制性能，整個控制系統(tǒng)會變得極其復(fù)雜，增加了設(shè)備的投資，降低了系統(tǒng)的可靠性。人工智能的出現(xiàn)和發(fā)展，促的投資，降低了系統(tǒng)的可靠性。人工智能的出現(xiàn)和發(fā)展，促進(jìn)了自動控制向更高的層次發(fā)展，即智能控制。進(jìn)了自動控制向更高的層次發(fā)展，即智能控制。 智能控制是模擬人類學(xué)習(xí)和自適應(yīng)的能力，能學(xué)習(xí)、存儲智能控制是模擬人類學(xué)習(xí)和自適應(yīng)的能力，能學(xué)習(xí)、存儲和運用知識，能在邏輯推理和知識推理的基礎(chǔ)上進(jìn)行信息處和運用知識，能在邏輯推理和知識推理的基礎(chǔ)上進(jìn)行信息處理，能對復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行有效的全局性控制，能自主地驅(qū)動智理，能對復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行有效的全局性控制，能自主地驅(qū)動智能機器實現(xiàn)其目標(biāo)的過程。能機器實現(xiàn)

23、其目標(biāo)的過程。智能控制系統(tǒng)的研究范圍很廣泛，普遍認(rèn)為模糊邏輯控制、智能控制系統(tǒng)的研究范圍很廣泛，普遍認(rèn)為模糊邏輯控制、專家控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是三種典型的智能控制。此外，還專家控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是三種典型的智能控制。此外，還有分級遞階智能控制系統(tǒng)、學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)等，有關(guān)智能控制有分級遞階智能控制系統(tǒng)、學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)等，有關(guān)智能控制系統(tǒng)方面的內(nèi)容，讀者可參考相關(guān)的書籍加以學(xué)習(xí)。系統(tǒng)方面的內(nèi)容，讀者可參考相關(guān)的書籍加以學(xué)習(xí)。1.1.21.1.2控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的演變控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的演變1 1、控制系統(tǒng)的發(fā)展過程、控制系統(tǒng)的發(fā)展過程 在工業(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展過程中，每一代新的控制系統(tǒng)的推在工業(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展

24、過程中，每一代新的控制系統(tǒng)的推出都是針對老一代控制系統(tǒng)存在的缺陷而給出的解決方案，出都是針對老一代控制系統(tǒng)存在的缺陷而給出的解決方案，同時也代表著技術(shù)的進(jìn)步和效能的提高。工業(yè)控制系統(tǒng)在其同時也代表著技術(shù)的進(jìn)步和效能的提高。工業(yè)控制系統(tǒng)在其發(fā)展過程中大致可劃分為以下幾個階段：發(fā)展過程中大致可劃分為以下幾個階段： （1 1）初級控制系統(tǒng)）初級控制系統(tǒng) 2020世紀(jì)世紀(jì)5050年代以前，由于工業(yè)生產(chǎn)規(guī)年代以前，由于工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模較小，各類檢測、控制儀表處于發(fā)展的初級階段，生產(chǎn)設(shè)模較小，各類檢測、控制儀表處于發(fā)展的初級階段，生產(chǎn)設(shè)備以機械設(shè)備為主，所用的設(shè)備主要是安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場、具備以機械設(shè)備為主，所用

25、的設(shè)備主要是安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場、具有簡單測控功能的基地式儀表，信號基本上都是在本儀表內(nèi)有簡單測控功能的基地式儀表，信號基本上都是在本儀表內(nèi) （2 2）模擬儀表控制系統(tǒng)）模擬儀表控制系統(tǒng) 隨著測量技術(shù)、電子技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷隨著測量技術(shù)、電子技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大，操作人員需要了解和掌握更多的現(xiàn)場參數(shù)與信息，制擴大，操作人員需要了解和掌握更多的現(xiàn)場參數(shù)與信息，制定滿足要求的操作控制系統(tǒng)。于是，在定滿足要求的操作控制系統(tǒng)。于是，在6060年代至年代至7070年代后期，年代后期，先后出現(xiàn)了以電子管、晶體管、集成電路為核心的氣動和電先后出現(xiàn)了以電子管、晶體管、集成電路為核心的氣動和

26、電動單元組合式儀表兩大系列。它們分別以壓縮空氣和直流電動單元組合式儀表兩大系列。它們分別以壓縮空氣和直流電源作為動力，用于對防爆要求較高的化工生產(chǎn)和其他行業(yè)，源作為動力，用于對防爆要求較高的化工生產(chǎn)和其他行業(yè)，防爆等級為本質(zhì)安全型，并以氣壓信號防爆等級為本質(zhì)安全型，并以氣壓信號0.02 MPa0.02 MPa0.1MPa0.1MPa，直流電流信號直流電流信號0 mA0 mA10mA10mA、4 mA4 mA20mA20mA，直流電壓信號，直流電壓信號0 V0 V5V5V，1V1V5V5V等作為儀表的標(biāo)準(zhǔn)信號，在儀表內(nèi)部實行電壓并等作為儀表的標(biāo)準(zhǔn)信號，在儀表內(nèi)部實行電壓并聯(lián)傳輸，外部實行電流串聯(lián)

27、傳輸，以減小傳輸過程的干擾。聯(lián)傳輸，外部實行電流串聯(lián)傳輸，以減小傳輸過程的干擾。起作用（主要是顯示功能），一般不能傳送給別的儀表或系統(tǒng)，起作用（主要是顯示功能），一般不能傳送給別的儀表或系統(tǒng)，各測控點為封閉狀態(tài)，無法與外界溝通信息，操作人員只能通各測控點為封閉狀態(tài)，無法與外界溝通信息，操作人員只能通過對生產(chǎn)現(xiàn)場的巡檢來了解生產(chǎn)過程的運行狀況。此階段的控過對生產(chǎn)現(xiàn)場的巡檢來了解生產(chǎn)過程的運行狀況。此階段的控制系統(tǒng)均簡單、初級控制系統(tǒng)。制系統(tǒng)均簡單、初級控制系統(tǒng)。 （3 3）集中式數(shù)字控制系統(tǒng)）集中式數(shù)字控制系統(tǒng) 8080年代初，計算機、微處理器和并行處理技術(shù)的發(fā)展，使年代初，計算機、微處理器和并

28、行處理技術(shù)的發(fā)展，使得領(lǐng)先一對一物理連接的模擬信號系統(tǒng)在速度和數(shù)量上越來越得領(lǐng)先一對一物理連接的模擬信號系統(tǒng)在速度和數(shù)量上越來越無法滿足大型、復(fù)雜系統(tǒng)的需求，模擬信號的抗干擾能力也相無法滿足大型、復(fù)雜系統(tǒng)的需求，模擬信號的抗干擾能力也相對較差，人們開始使用數(shù)字信號代替模擬信號，并研制出直接對較差，人們開始使用數(shù)字信號代替模擬信號，并研制出直接數(shù)字控制系統(tǒng)，用數(shù)字計算機代替控制室內(nèi)的儀表來完成控制數(shù)字控制系統(tǒng)，用數(shù)字計算機代替控制室內(nèi)的儀表來完成控制系統(tǒng)功能。由于數(shù)字計算機價格昂貴，人們總是用一臺計算機系統(tǒng)功能。由于數(shù)字計算機價格昂貴，人們總是用一臺計算機取代控制室的所有儀表，于是出現(xiàn)了集中式數(shù)

29、字控制系統(tǒng)。這取代控制室的所有儀表，于是出現(xiàn)了集中式數(shù)字控制系統(tǒng)。這樣，解決了信號傳輸及抗干擾問題樣，解決了信號傳輸及抗干擾問題。 電動單元儀表通常以雙絞線為傳輸介質(zhì)，信號被送到集中電動單元儀表通常以雙絞線為傳輸介質(zhì)，信號被送到集中控制室（通常稱為儀表室或機房）后，操作人員可以坐在控控制室（通常稱為儀表室或機房）后，操作人員可以坐在控制室內(nèi)觀察生產(chǎn)流程中各處的生產(chǎn)參數(shù)并了解整個生產(chǎn)過程。制室內(nèi)觀察生產(chǎn)流程中各處的生產(chǎn)參數(shù)并了解整個生產(chǎn)過程。由于單元組合儀表具有統(tǒng)一的輸入輸出信號標(biāo)準(zhǔn)，在此階段由于單元組合儀表具有統(tǒng)一的輸入輸出信號標(biāo)準(zhǔn)，在此階段自動化系統(tǒng)可以根據(jù)生產(chǎn)需要，由各種功能單元進(jìn)行組合，

30、自動化系統(tǒng)可以根據(jù)生產(chǎn)需要，由各種功能單元進(jìn)行組合，完成各種相對復(fù)雜的控制。完成各種相對復(fù)雜的控制。 由于當(dāng)時數(shù)字計算機的可靠性還不夠高，一旦計算機出由于當(dāng)時數(shù)字計算機的可靠性還不夠高，一旦計算機出現(xiàn)某種故障，就會造成系統(tǒng)崩潰、所有控制回路癱瘓、生產(chǎn)現(xiàn)某種故障，就會造成系統(tǒng)崩潰、所有控制回路癱瘓、生產(chǎn)停產(chǎn)的嚴(yán)重局面。由于工業(yè)生產(chǎn)很難接受這種危險高度集中停產(chǎn)的嚴(yán)重局面。由于工業(yè)生產(chǎn)很難接受這種危險高度集中的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使得集中控制系統(tǒng)的應(yīng)用受到一定的限制。的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使得集中控制系統(tǒng)的應(yīng)用受到一定的限制。 （4 4）集散控制系統(tǒng)（）集散控制系統(tǒng)（DCSDCS） 隨著計算機可靠性的提高和價格的下降，

31、自控領(lǐng)域又出隨著計算機可靠性的提高和價格的下降，自控領(lǐng)域又出現(xiàn)了新型控制方案現(xiàn)了新型控制方案集散控制系統(tǒng)，它由數(shù)字調(diào)節(jié)器、可集散控制系統(tǒng)，它由數(shù)字調(diào)節(jié)器、可編程控制（編程控制（PLCPLC）以及多臺計算機構(gòu)成，當(dāng)一臺計算機出故）以及多臺計算機構(gòu)成，當(dāng)一臺計算機出故障時，其他計算機立即接替該計算機的工作，使系統(tǒng)繼續(xù)正障時，其他計算機立即接替該計算機的工作，使系統(tǒng)繼續(xù)正常運行。在集散系統(tǒng)中系統(tǒng)的風(fēng)險被分散到多臺計算機承擔(dān)，常運行。在集散系統(tǒng)中系統(tǒng)的風(fēng)險被分散到多臺計算機承擔(dān)，避免了集中控制系統(tǒng)的高風(fēng)險，提高了系統(tǒng)的可靠性。因此，避免了集中控制系統(tǒng)的高風(fēng)險，提高了系統(tǒng)的可靠性。因此，它被工業(yè)生產(chǎn)過程

32、廣泛接受，這就是今天正在被許多企業(yè)采它被工業(yè)生產(chǎn)過程廣泛接受，這就是今天正在被許多企業(yè)采用的用的DCSDCS系統(tǒng)。在系統(tǒng)。在DCSDCS系統(tǒng)中，測量儀表、變送器一般為模擬系統(tǒng)中，測量儀表、變送器一般為模擬儀表，控制器多為數(shù)字式，因而它又是一種模擬數(shù)字混合系儀表，控制器多為數(shù)字式，因而它又是一種模擬數(shù)字混合系統(tǒng)。統(tǒng)。 這種系統(tǒng)與模擬式儀表控制系統(tǒng)、集中式數(shù)字控制系統(tǒng)相這種系統(tǒng)與模擬式儀表控制系統(tǒng)、集中式數(shù)字控制系統(tǒng)相比較，在功能、性能、可靠性上都有了很大的進(jìn)步，可以比較，在功能、性能、可靠性上都有了很大的進(jìn)步，可以實現(xiàn)現(xiàn)場裝置級、車間級的優(yōu)化控制。但是，在實現(xiàn)現(xiàn)場裝置級、車間級的優(yōu)化控制。但是，

33、在DCS系統(tǒng)系統(tǒng)形成的過程中，由于受早期計算機發(fā)展的影響，各廠家的形成的過程中，由于受早期計算機發(fā)展的影響，各廠家的產(chǎn)品自成封閉體系，即使同一種協(xié)議下仍然存在不同廠家產(chǎn)品自成封閉體系，即使同一種協(xié)議下仍然存在不同廠家的設(shè)備有不同的信號傳輸方式且不能互連的現(xiàn)象，因此實的設(shè)備有不同的信號傳輸方式且不能互連的現(xiàn)象，因此實現(xiàn)互換與互操作有一定的局限性?，F(xiàn)互換與互操作有一定的局限性。 （5 5）現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（）現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCSFCS） 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)突破了現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)突破了DCS通信由專用網(wǎng)絡(luò)的封閉系通信由專用網(wǎng)絡(luò)的封閉系統(tǒng)來實現(xiàn)所造成的缺陷，把基于封閉、專用的解決方案變統(tǒng)來實現(xiàn)所造成

34、的缺陷，把基于封閉、專用的解決方案變成了基于公開化、標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案，即可以將來自不同成了基于公開化、標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案，即可以將來自不同廠商而遵守同一協(xié)議規(guī)范的自動化設(shè)備通過現(xiàn)場總線控制廠商而遵守同一協(xié)議規(guī)范的自動化設(shè)備通過現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)把系統(tǒng)把DCS集中與分散結(jié)合的集散系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變成了新型全集中與分散結(jié)合的集散系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變成了新型全分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，把控制功能徹底下放到現(xiàn)場。分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，把控制功能徹底下放到現(xiàn)場。 現(xiàn)場總線之所以具有較高的測控性能，一是得益于儀表現(xiàn)場總線之所以具有較高的測控性能，一是得益于儀表的智能化，二是得益于設(shè)備的通信化。的智能化，二是得益于設(shè)備的通信化。 把微處理器置入

35、現(xiàn)場自控設(shè)備，使設(shè)備具有數(shù)字計算和把微處理器置入現(xiàn)場自控設(shè)備，使設(shè)備具有數(shù)字計算和數(shù)字通信能力，一方面提高了信號的測量、控制和傳輸精度，數(shù)字通信能力，一方面提高了信號的測量、控制和傳輸精度，另一方面豐富了測控信息的內(nèi)容，為實現(xiàn)其遠(yuǎn)程傳送創(chuàng)造了另一方面豐富了測控信息的內(nèi)容，為實現(xiàn)其遠(yuǎn)程傳送創(chuàng)造了條件。在現(xiàn)場總線的環(huán)境下，借助設(shè)備的計算、通信能力，條件。在現(xiàn)場總線的環(huán)境下，借助設(shè)備的計算、通信能力，在現(xiàn)場就可進(jìn)行許多復(fù)雜計算，形成真正分散在現(xiàn)場的完整在現(xiàn)場就可進(jìn)行許多復(fù)雜計算，形成真正分散在現(xiàn)場的完整的控制系統(tǒng)，提高了控制系統(tǒng)運行的可靠性。的控制系統(tǒng)，提高了控制系統(tǒng)運行的可靠性。 此外還可借助現(xiàn)場

36、總線網(wǎng)段與其它網(wǎng)段進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)此外還可借助現(xiàn)場總線網(wǎng)段與其它網(wǎng)段進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)異地遠(yuǎn)程自動控制，如操作在幾百公里之外的電氣開關(guān)、進(jìn)異地遠(yuǎn)程自動控制，如操作在幾百公里之外的電氣開關(guān)、進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定等。系統(tǒng)還可提供如閥門開關(guān)動作次數(shù)、故障行參數(shù)的設(shè)定等。系統(tǒng)還可提供如閥門開關(guān)動作次數(shù)、故障診斷信息等，便于操作管理人員更好、更深入地了解生產(chǎn)現(xiàn)診斷信息等，便于操作管理人員更好、更深入地了解生產(chǎn)現(xiàn)場和自控設(shè)備的運行狀態(tài)，這在傳統(tǒng)儀表控制系統(tǒng)中是無法場和自控設(shè)備的運行狀態(tài)，這在傳統(tǒng)儀表控制系統(tǒng)中是無法實現(xiàn)的?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的區(qū)別實現(xiàn)的?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的區(qū)別如圖如圖

37、1.1所示。所示。 圖圖1.1 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的比較現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的比較2 2、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)及現(xiàn)場總線技術(shù)的特點、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)及現(xiàn)場總線技術(shù)的特點 現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)。也有將現(xiàn)場總線定義為向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)。也有將現(xiàn)場總線定義為應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場，在智能測控設(shè)備之間實現(xiàn)雙向串行多節(jié)點應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場，在智能測控設(shè)備之間實現(xiàn)雙向串行多節(jié)點數(shù)字通信的系統(tǒng)。也稱為開放式、數(shù)字化、多點通信的低成數(shù)字通信的系統(tǒng)。也稱為開放式、數(shù)字化、多點通信的

38、低成本底層控制系統(tǒng)。現(xiàn)場總線的特點主要體現(xiàn)在兩方面，一是本底層控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線的特點主要體現(xiàn)在兩方面，一是在體系結(jié)構(gòu)上成功實現(xiàn)了串行連接，一舉克服并行連接的許在體系結(jié)構(gòu)上成功實現(xiàn)了串行連接，一舉克服并行連接的許多不足。二是在技術(shù)層面上成功解決了開放競爭和設(shè)備兼容多不足。二是在技術(shù)層面上成功解決了開放競爭和設(shè)備兼容兩大難題，實現(xiàn)了現(xiàn)場設(shè)備智能化和控制系統(tǒng)分散化兩大目兩大難題，實現(xiàn)了現(xiàn)場設(shè)備智能化和控制系統(tǒng)分散化兩大目標(biāo)。標(biāo)。（1 1）現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的特點）現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的特點 基礎(chǔ)性。在企業(yè)實施信息集成、實現(xiàn)綜合自動化的進(jìn)程基礎(chǔ)性。在企業(yè)實施信息集成、實現(xiàn)綜合自動化的進(jìn)程中

39、，作為廠底層網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場總線是一種能在現(xiàn)場環(huán)境運行的中，作為廠底層網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場總線是一種能在現(xiàn)場環(huán)境運行的可靠、實時、廉價、靈活的通信系統(tǒng)，能夠有效地集成到可靠、實時、廉價、靈活的通信系統(tǒng)，能夠有效地集成到TCP/IPTCP/IP信息網(wǎng)絡(luò)中，現(xiàn)場總線是企業(yè)強有力的控制和通信的信息網(wǎng)絡(luò)中，現(xiàn)場總線是企業(yè)強有力的控制和通信的基礎(chǔ)設(shè)施?；A(chǔ)設(shè)施。 靈活性。現(xiàn)場總線打破了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，使靈活性。現(xiàn)場總線打破了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，使控制系統(tǒng)的設(shè)計、建設(shè)、維護(hù)、重組和擴容更加靈活簡便?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)計、建設(shè)、維護(hù)、重組和擴容更加靈活簡便。 傳統(tǒng)模擬控制系統(tǒng)采用一對一的并行連線，按控制分別進(jìn)行傳統(tǒng)模

40、擬控制系統(tǒng)采用一對一的并行連線，按控制分別進(jìn)行連接，連接，如圖如圖1.11.1所示。所示。位于現(xiàn)場的測量變送器與位于控制室的位于現(xiàn)場的測量變送器與位于控制室的控制器之間，控制器與位于現(xiàn)場的執(zhí)行器、開關(guān)、馬達(dá)之間控制器之間，控制器與位于現(xiàn)場的執(zhí)行器、開關(guān)、馬達(dá)之間均為一對一的物理連接，每個裝置需單獨使用一條線，因此均為一對一的物理連接，每個裝置需單獨使用一條線，因此形成了龐大的線束。由于現(xiàn)場布線的復(fù)雜性，因此傳統(tǒng)控制形成了龐大的線束。由于現(xiàn)場布線的復(fù)雜性，因此傳統(tǒng)控制系統(tǒng)在設(shè)計之初就需一次性規(guī)劃好布線的數(shù)量和走向，一旦系統(tǒng)在設(shè)計之初就需一次性規(guī)劃好布線的數(shù)量和走向，一旦實施就具有剛性，不便于調(diào)整

41、和維護(hù)，增大了投入的門檻，實施就具有剛性，不便于調(diào)整和維護(hù)，增大了投入的門檻，不利于滾動發(fā)展。不利于滾動發(fā)展。 現(xiàn)場總線系統(tǒng)由于采用智能現(xiàn)場設(shè)備，能夠把傳統(tǒng)控制現(xiàn)場總線系統(tǒng)由于采用智能現(xiàn)場設(shè)備，能夠把傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中處于控制室的控制模塊、系統(tǒng)中處于控制室的控制模塊、I/OI/O模塊和通信模塊移置到現(xiàn)模塊和通信模塊移置到現(xiàn)場設(shè)備中，使現(xiàn)場設(shè)備能夠在一條總線上串行連接起來直接場設(shè)備中，使現(xiàn)場設(shè)備能夠在一條總線上串行連接起來直接傳送信號，完成控制功能，傳送信號，完成控制功能，如圖如圖1.11.1（b b）所示。）所示。這樣一來，這樣一來，系統(tǒng)布線就由幾十條、上百條甚至于上千條簡化為一條，不系統(tǒng)布線就由

42、幾十條、上百條甚至于上千條簡化為一條，不僅簡化了設(shè)計施工，方便了修理維護(hù)，也降低了系統(tǒng)投入的僅簡化了設(shè)計施工，方便了修理維護(hù)，也降低了系統(tǒng)投入的門檻，大大提高了可靠性和靈活性。因為增減現(xiàn)場設(shè)備只需門檻，大大提高了可靠性和靈活性。因為增減現(xiàn)場設(shè)備只需直接將設(shè)備掛上總或?qū)⒃O(shè)備從總線取下即可，不必另行布線。直接將設(shè)備掛上總或?qū)⒃O(shè)備從總線取下即可，不必另行布線。 分散性。由于現(xiàn)場總線中智能現(xiàn)場設(shè)備具有高度的自分散性。由于現(xiàn)場總線中智能現(xiàn)場設(shè)備具有高度的自治性，因而控制系統(tǒng)功能可以不依賴控制室的計算機或控制治性，因而控制系統(tǒng)功能可以不依賴控制室的計算機或控制儀表而直接在現(xiàn)場完成，實現(xiàn)了徹底的分散控制。另

43、外，由儀表而直接在現(xiàn)場完成，實現(xiàn)了徹底的分散控制。另外，由于現(xiàn)場設(shè)備具有網(wǎng)絡(luò)通信功能，這使得把不同網(wǎng)絡(luò)中的現(xiàn)場于現(xiàn)場設(shè)備具有網(wǎng)絡(luò)通信功能，這使得把不同網(wǎng)絡(luò)中的現(xiàn)場設(shè)備和不同地理范圍中的現(xiàn)場設(shè)備組成一個控制系統(tǒng)成為可設(shè)備和不同地理范圍中的現(xiàn)場設(shè)備組成一個控制系統(tǒng)成為可能。因此，現(xiàn)場總線已構(gòu)成一種新的全分散性控制系統(tǒng)的體能。因此，現(xiàn)場總線已構(gòu)成一種新的全分散性控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，具有高度的分散性。系結(jié)構(gòu)，具有高度的分散性。 經(jīng)濟性。由于現(xiàn)場總線通信用數(shù)字信號替代了模擬信經(jīng)濟性。由于現(xiàn)場總線通信用數(shù)字信號替代了模擬信號，因而可通過復(fù)用技術(shù)在一條總線上傳輸多個信號，同時號，因而可通過復(fù)用技術(shù)在一條總線

44、上傳輸多個信號，同時還可在這條總線上為現(xiàn)場設(shè)備供電，原來的大量集中式還可在這條總線上為現(xiàn)場設(shè)備供電，原來的大量集中式I/OI/O部件均可省去。這就為簡化控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，節(jié)約硬件部件均可省去。這就為簡化控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，節(jié)約硬件設(shè)備和連接電纜提供了可能，并將各種安裝和維護(hù)費用降至設(shè)備和連接電纜提供了可能，并將各種安裝和維護(hù)費用降至最低。最低。 另外，由于投入門檻的降低和重構(gòu)靈活性的提高，使得現(xiàn)場另外，由于投入門檻的降低和重構(gòu)靈活性的提高，使得現(xiàn)場總線的資產(chǎn)投入不會產(chǎn)生沉淀而浪費，大大提高了經(jīng)濟性?？偩€的資產(chǎn)投入不會產(chǎn)生沉淀而浪費，大大提高了經(jīng)濟性。最后，由于現(xiàn)場設(shè)備的開放性，設(shè)備價格不會被

45、廠家壟斷；最后，由于現(xiàn)場設(shè)備的開放性，設(shè)備價格不會被廠家壟斷；由于現(xiàn)場設(shè)備的互換性，備品庫也可大大降低。由于現(xiàn)場設(shè)備的互換性，備品庫也可大大降低。（2 2）現(xiàn)場總線技術(shù)的特點）現(xiàn)場總線技術(shù)的特點 開放性。現(xiàn)場總線的開放性有幾層含義。一是指相關(guān)開放性?，F(xiàn)場總線的開放性有幾層含義。一是指相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的一致性和公開性。一致開放的標(biāo)準(zhǔn)有利于不同廠家設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的一致性和公開性。一致開放的標(biāo)準(zhǔn)有利于不同廠家設(shè)備之間的互連與替換。二是系統(tǒng)集成的透明性和開放性，用備之間的互連與替換。二是系統(tǒng)集成的透明性和開放性，用戶進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計、集成和重構(gòu)的能力大大提高。三是產(chǎn)品競戶進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計、集成和重構(gòu)的能力大大提高。三是產(chǎn)品競

46、爭的公正性和公開性，用戶可按自己的需要和評價，選用不爭的公正性和公開性，用戶可按自己的需要和評價，選用不同供應(yīng)商的產(chǎn)品組成大小隨意的系統(tǒng)。同供應(yīng)商的產(chǎn)品組成大小隨意的系統(tǒng)。 交互性?，F(xiàn)場總線設(shè)備的交互性有幾層含義。一是指交互性?，F(xiàn)場總線設(shè)備的交互性有幾層含義。一是指上層網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場設(shè)備之間具有相互溝通的能力。二是指現(xiàn)場上層網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場設(shè)備之間具有相互溝通的能力。二是指現(xiàn)場設(shè)備之間具有相互溝通能力，也就是具有互操作性。三是指設(shè)備之間具有相互溝通能力，也就是具有互操作性。三是指不同廠家的同類設(shè)備可以相互替換，也就是具有互換性。不同廠家的同類設(shè)備可以相互替換，也就是具有互換性。 適應(yīng)性。安裝在工業(yè)生產(chǎn)第

47、一線的現(xiàn)場總線是專為惡劣適應(yīng)性。安裝在工業(yè)生產(chǎn)第一線的現(xiàn)場總線是專為惡劣環(huán)境而設(shè)計的，對現(xiàn)場環(huán)境具有很強的適應(yīng)性。具有防電、防環(huán)境而設(shè)計的，對現(xiàn)場環(huán)境具有很強的適應(yīng)性。具有防電、防磁、防潮和較強的抗干擾能力，可滿足本質(zhì)安全防爆要求，可磁、防潮和較強的抗干擾能力，可滿足本質(zhì)安全防爆要求，可支持多種通信介質(zhì)，如雙絞線、同軸電纜、光纜、支持多種通信介質(zhì)，如雙絞線、同軸電纜、光纜、 射頻、射頻、 紅外線、紅外線、 電力線等。電力線等。 自治性。由于智能儀表將傳感測量、補償計算、工程自治性。由于智能儀表將傳感測量、補償計算、工程量處理與控制等功能下載到現(xiàn)場設(shè)備中完成，因此一臺單獨量處理與控制等功能下載到

48、現(xiàn)場設(shè)備中完成，因此一臺單獨的現(xiàn)場設(shè)備即具有自動控制的基本功能，可以隨時診斷自己的現(xiàn)場設(shè)備即具有自動控制的基本功能，可以隨時診斷自己的運行狀況，實現(xiàn)功能的自治。的運行狀況，實現(xiàn)功能的自治。3 3、典型現(xiàn)場總線簡介、典型現(xiàn)場總線簡介 自自2020世紀(jì)世紀(jì)8080年代中期以來，世界上有許多企業(yè)、集團和年代中期以來，世界上有許多企業(yè)、集團和國家開展現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的研究，并出現(xiàn)了多種有影響的現(xiàn)場國家開展現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的研究，并出現(xiàn)了多種有影響的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。這些現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)都各有其自己的特點，并在特總線標(biāo)準(zhǔn)。這些現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)都各有其自己的特點，并在特定范圍內(nèi)產(chǎn)生了非常大的影響，也顯示出了較強的生命力。定范

49、圍內(nèi)產(chǎn)生了非常大的影響，也顯示出了較強的生命力。（1 1）基金會現(xiàn)場總線（）基金會現(xiàn)場總線（FFFF） 基金會現(xiàn)場總線是在過程自動化領(lǐng)域得到廣泛支持和具基金會現(xiàn)場總線是在過程自動化領(lǐng)域得到廣泛支持和具有良好發(fā)展前景的技術(shù)。其前身是以美國有良好發(fā)展前景的技術(shù)。其前身是以美國Fisher-RosemountFisher-Rosemount公司為首，聯(lián)合公司為首，聯(lián)合FoxboroFoxboro、橫河、橫河、ABBABB、西門子等、西門子等8080家公司制家公司制訂的訂的ISPISP協(xié)議和以協(xié)議和以HoneywellHoneywell公司為首，聯(lián)合歐洲等地的公司為首，聯(lián)合歐洲等地的150150家公司

50、制訂的家公司制訂的WordFIPWordFIP協(xié)議。協(xié)議。 1994 1994年年9 9月兩大集團合并，成立了現(xiàn)場總線基金會，總部月兩大集團合并，成立了現(xiàn)場總線基金會，總部設(shè)在美國德克薩斯洲的奧斯汀，該基金會聚焦了世界著名儀設(shè)在美國德克薩斯洲的奧斯汀，該基金會聚焦了世界著名儀表、表、DCSDCS和自動化設(shè)備制造商、研究機構(gòu)和最終用戶。由于和自動化設(shè)備制造商、研究機構(gòu)和最終用戶。由于這些公司是該領(lǐng)域自控設(shè)備的主要供應(yīng)商，對工業(yè)底層網(wǎng)絡(luò)這些公司是該領(lǐng)域自控設(shè)備的主要供應(yīng)商，對工業(yè)底層網(wǎng)絡(luò)的功能需求了解透徹，也具備足以左右該領(lǐng)域現(xiàn)場自控設(shè)備的功能需求了解透徹，也具備足以左右該領(lǐng)域現(xiàn)場自控設(shè)備發(fā)展方向

51、的能力，因此該基金會自成立以來，工作進(jìn)展比較發(fā)展方向的能力，因此該基金會自成立以來，工作進(jìn)展比較快，推動了現(xiàn)場總線的研究和產(chǎn)品開發(fā)?？?，推動了現(xiàn)場總線的研究和產(chǎn)品開發(fā)。 FFFF是一個非商業(yè)的公正的國際標(biāo)準(zhǔn)化組織，其宗旨是是一個非商業(yè)的公正的國際標(biāo)準(zhǔn)化組織，其宗旨是制訂統(tǒng)一的國際現(xiàn)場標(biāo)準(zhǔn)，為世界上任何一個制造商或用制訂統(tǒng)一的國際現(xiàn)場標(biāo)準(zhǔn)，為世界上任何一個制造商或用戶提供現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，因而由它們所頒布的現(xiàn)場總線規(guī)范戶提供現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，因而由它們所頒布的現(xiàn)場總線規(guī)范具有一定的權(quán)威性。具有一定的權(quán)威性。 （2 2）PROFIBUSPROFIBUS PROFIBUS PROFIBUS是德國國家標(biāo)準(zhǔn)是德

52、國國家標(biāo)準(zhǔn)DIN19245DIN19245和歐洲標(biāo)準(zhǔn)和歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170EN50170的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。它由的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。它由PROFIBUS-DPPROFIBUS-DP，PROFIBUS-FMSPROFIBUS-FMS，PROFIBUS-PAPROFIBUS-PA組成組成PROFIBUSPROFIBUS現(xiàn)場總線系列?，F(xiàn)場總線系列。DPDP型用于分散外型用于分散外設(shè)間的高速數(shù)據(jù)傳輸，適合于加工自動化領(lǐng)域的應(yīng)用。設(shè)間的高速數(shù)據(jù)傳輸，適合于加工自動化領(lǐng)域的應(yīng)用。FMSFMS意為現(xiàn)場信息規(guī)范，適用于紡織、樓宇自動化、可編程控意為現(xiàn)場信息規(guī)范，適用于紡織、樓宇自動化、可編程控制器、低壓開關(guān)等。而制

53、器、低壓開關(guān)等。而PAPA型則是用于過程自動化的總線類型則是用于過程自動化的總線類型，它遵從型，它遵從IEC 1158-2IEC 1158-2標(biāo)準(zhǔn)。該項技術(shù)是由西門公司為主標(biāo)準(zhǔn)。該項技術(shù)是由西門公司為主的十幾家德國公司、研究所共同推出。的十幾家德國公司、研究所共同推出。 （3 3）CANCAN CAN CAN是控制局域網(wǎng)（是控制局域網(wǎng)（Control Area NetworkControl Area Network）的簡稱，）的簡稱，最早由德國最早由德國BOSCHBOSCH公司推出，用于汽車內(nèi)部測量與執(zhí)行部件公司推出，用于汽車內(nèi)部測量與執(zhí)行部件 之間的數(shù)據(jù)通信。其總線規(guī)范已被之間的數(shù)據(jù)通信。其

54、總線規(guī)范已被ISOISO國際標(biāo)準(zhǔn)組織制訂為國際標(biāo)準(zhǔn)組織制訂為國際標(biāo)準(zhǔn)。得到國際標(biāo)準(zhǔn)。得到MotorolaMotorola、IntelIntel、PhilipsPhilips、SiemensSiemens、NECNEC等公司的支持，已廣泛應(yīng)用在離散控制領(lǐng)域。目前，已有多等公司的支持，已廣泛應(yīng)用在離散控制領(lǐng)域。目前，已有多家公司開發(fā)生產(chǎn)了符合家公司開發(fā)生產(chǎn)了符合CANCAN協(xié)議的通信芯片，如協(xié)議的通信芯片，如IntelIntel公司的公司的8252782527，MotorolaMotorola公司的公司的MC68HC908AZ60ZMC68HC908AZ60Z，PhilipsPhilips公司的公

55、司的SJSJA1000A1000等，還有插在等，還有插在PCPC機上的機上的CANCAN總線適配器，具有接口簡單、總線適配器，具有接口簡單、編程方便、開發(fā)系統(tǒng)價格便宜等優(yōu)點。編程方便、開發(fā)系統(tǒng)價格便宜等優(yōu)點。 （4 4）LonWorksLonWorks LonWorks LonWorks現(xiàn)場總線技術(shù)是由美國現(xiàn)場總線技術(shù)是由美國EchelonEchelon公司推出，并公司推出，并與摩托羅拉、東芝公司共同倡導(dǎo)，于與摩托羅拉、東芝公司共同倡導(dǎo)，于19901990年正式公布而形成。年正式公布而形成。EchelonEchelon公司的技術(shù)策略是鼓勵公司的技術(shù)策略是鼓勵OEMOEM開發(fā)商運用開發(fā)商運用Lo

56、nWorksLonWorks技術(shù)技術(shù)和神經(jīng)芯片，開發(fā)自己的應(yīng)用產(chǎn)品，據(jù)稱目前已有和神經(jīng)芯片，開發(fā)自己的應(yīng)用產(chǎn)品，據(jù)稱目前已有26002600多家多家公司在不同程度上卷入公司在不同程度上卷入LonWorksLonWorks技術(shù)，技術(shù)，10001000多家公司已推出多家公司已推出了了LonWorksLonWorks產(chǎn)品，并進(jìn)一步組成產(chǎn)品，并進(jìn)一步組成LonMARKLonMARK互操作協(xié)會，開發(fā)互操作協(xié)會，開發(fā)推廣推廣LonWorksLonWorks技術(shù)與產(chǎn)品。技術(shù)與產(chǎn)品。 它已被廣泛應(yīng)用在它已被廣泛應(yīng)用在 樓宇自動化、家庭自動化、保安系統(tǒng)、樓宇自動化、家庭自動化、保安系統(tǒng)、辦公設(shè)備、交通運輸、工業(yè)

57、過程控制等行業(yè)。另外，在開辦公設(shè)備、交通運輸、工業(yè)過程控制等行業(yè)。另外，在開發(fā)智能通信接口、智能傳感器等方面，發(fā)智能通信接口、智能傳感器等方面，LonWorksLonWorks神經(jīng)元芯神經(jīng)元芯片也具有獨特的優(yōu)勢。片也具有獨特的優(yōu)勢。 （5 5）HARTHART HART HART（Highway Addressable Remote TransducerHighway Addressable Remote Transducer）協(xié)）協(xié)議為可尋址遠(yuǎn)程傳感器數(shù)據(jù)通路通信協(xié)議。它最早由議為可尋址遠(yuǎn)程傳感器數(shù)據(jù)通路通信協(xié)議。它最早由RosemRosemountount公司開發(fā)并得到公司開發(fā)并得到808

58、0多家著名儀表公司的支持和加盟，多家著名儀表公司的支持和加盟，于于19931993年成立了年成立了HARTHART通信基金會。其特點是在現(xiàn)有模擬信通信基金會。其特點是在現(xiàn)有模擬信號傳輸線上實現(xiàn)數(shù)字信號通信，輸入模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)號傳輸線上實現(xiàn)數(shù)字信號通信，輸入模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉(zhuǎn)變過程中的過渡性產(chǎn)品，因而在當(dāng)前的過渡時期具有較轉(zhuǎn)變過程中的過渡性產(chǎn)品，因而在當(dāng)前的過渡時期具有較強的市場競爭能力，得到了較快的發(fā)展。強的市場競爭能力，得到了較快的發(fā)展。 上述只簡單介紹了五種常用的現(xiàn)場總線技術(shù)，另外還有上述只簡單介紹了五種常用的現(xiàn)場總線技術(shù)，另外還有DeviceNetDeviceNet、Control

59、NetControlNet、CC-LinkCC-Link等多種總線技術(shù)，它們等多種總線技術(shù)，它們各有其特點和應(yīng)用領(lǐng)域。由于現(xiàn)場總線的應(yīng)用領(lǐng)域廣闊，要各有其特點和應(yīng)用領(lǐng)域。由于現(xiàn)場總線的應(yīng)用領(lǐng)域廣闊，要求不同，再考慮到種總線產(chǎn)品的投資效應(yīng)和各公司的商業(yè)利求不同，再考慮到種總線產(chǎn)品的投資效應(yīng)和各公司的商業(yè)利益，預(yù)計在今后一段時間內(nèi)，會出現(xiàn)多種總線標(biāo)準(zhǔn)共存，同益，預(yù)計在今后一段時間內(nèi)，會出現(xiàn)多種總線標(biāo)準(zhǔn)共存，同一生產(chǎn)現(xiàn)場有幾種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互連通信的局面。但發(fā)展共同遵一生產(chǎn)現(xiàn)場有幾種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互連通信的局面。但發(fā)展共同遵從的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，真正形成開放互連系統(tǒng)，是大勢所趨。從的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，真正形成開放互連系

60、統(tǒng)，是大勢所趨。1.1.31.1.3工業(yè)數(shù)據(jù)通信與控制網(wǎng)絡(luò)工業(yè)數(shù)據(jù)通信與控制網(wǎng)絡(luò) 1.1.工業(yè)數(shù)據(jù)通信工業(yè)數(shù)據(jù)通信 通信系統(tǒng)用于設(shè)備與設(shè)備、設(shè)備與人、人與人之間的信通信系統(tǒng)用于設(shè)備與設(shè)備、設(shè)備與人、人與人之間的信息傳遞。早期的通信系統(tǒng)可以追溯到利用烽火臺的火光與煙息傳遞。早期的通信系統(tǒng)可以追溯到利用烽火臺的火光與煙霧的遠(yuǎn)古時期。電的發(fā)明與使用為通信系統(tǒng)的發(fā)展提供了有霧的遠(yuǎn)古時期。電的發(fā)明與使用為通信系統(tǒng)的發(fā)展提供了有效的工具。現(xiàn)代通信系統(tǒng)一般都運用電子或電力設(shè)備在兩點效的工具?，F(xiàn)代通信系統(tǒng)一般都運用電子或電力設(shè)備在兩點或多點之間傳遞信息?；蚨帱c之間傳遞信息。 數(shù)據(jù)通信是指在兩點或多點之間以二進(jìn)