DCS與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)第一章

DCS及現(xiàn)場(chǎng)總線DCS——DistributedControlSystemFCS——FieldbusControlSystem1本課程涵蓋多門技術(shù)的相關(guān)內(nèi)容2本課程涵蓋多門技術(shù)的相關(guān)內(nèi)容計(jì)算機(jī)技術(shù)（DCS硬件構(gòu)成、軟件平臺(tái)的應(yīng)用等）自動(dòng)控制技術(shù)（實(shí)現(xiàn)DCS控制策略及算法的技術(shù)方法）人機(jī)接口技術(shù)（DCS組態(tài)技術(shù)和操作技術(shù)等）通信技術(shù)（DCS數(shù)據(jù)通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等）現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)（現(xiàn)場(chǎng)總線的核心、基礎(chǔ)、協(xié)議模型及典型的FCS技術(shù)）3本課程與的相關(guān)課程的關(guān)系微機(jī)原理自動(dòng)控制理論控制工程測(cè)控儀表與裝置DCS及現(xiàn)場(chǎng)總線4第一章

概述內(nèi)容：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概念、各類特點(diǎn)及應(yīng)用重點(diǎn)：DCS、FCS總體概念難點(diǎn)：集散控制概念

第二章

DCS的硬件體系及系統(tǒng)內(nèi)容：DCS構(gòu)成方式、要素及功能重點(diǎn)：DCS結(jié)構(gòu)體系及各層功能難點(diǎn)：DCS結(jié)構(gòu)體系教學(xué)內(nèi)容、要求5第三章

DCS的軟件體系及功能內(nèi)容：DCS軟件體系——控制、監(jiān)控和組態(tài)軟件重點(diǎn)：DCS可靠性和可組態(tài)性難點(diǎn)：組態(tài)概念

第四章DCS的控制算法及組態(tài)內(nèi)容：PID控制、改進(jìn)PID控制、前饋控制、串級(jí)控制時(shí)滯補(bǔ)償控制、順序控制算法及DCS實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)：改進(jìn)PID控制、前饋控制、時(shí)滯補(bǔ)償控制難點(diǎn)：控制算法——組態(tài)——DCS控制功能6第五章DCS數(shù)據(jù)通信及網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容：數(shù)據(jù)通信概念及技術(shù)、DCS網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議重點(diǎn)：DCS通信相關(guān)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及功能難點(diǎn)：網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)第六章現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)基礎(chǔ)內(nèi)容：FCS的定義、特點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議模式等重點(diǎn)：FCS的定義、特點(diǎn)難點(diǎn)：FCS的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議模式和標(biāo)準(zhǔn)7第七章典型的現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用內(nèi)容：FF的特點(diǎn)及主要技術(shù)應(yīng)用；重點(diǎn)：不同F(xiàn)CS的應(yīng)用特點(diǎn)及區(qū)別難點(diǎn)：FCS的應(yīng)用技術(shù)方法8第一章緒論91.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基礎(chǔ)1.1.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的概述1.1.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成1.1.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類1.1.4集散控制系統(tǒng)產(chǎn)生的背景10這種控制系統(tǒng)不能自動(dòng)消除被控參數(shù)與給定值之間的誤差。開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)框圖

給定值

控制器

執(zhí)行機(jī)構(gòu)

被控對(duì)象

被控參數(shù)

1.1.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是用計(jì)算機(jī)(通常稱為工業(yè)控制計(jì)算機(jī))來實(shí)現(xiàn)工業(yè)過程自動(dòng)控制的系統(tǒng)。11圖中給出了按偏差進(jìn)行控制的閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖。這種控制系統(tǒng)具有較好的控制性能。閉環(huán)控制系統(tǒng)（2）閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖

給定值

控制器

執(zhí)行機(jī)構(gòu)

被控對(duì)象

被控參數(shù)

測(cè)量元件

變換發(fā)送

12計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)圖b

單回路計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)示意圖u計(jì)算機(jī)保持器廣義對(duì)象測(cè)量變送器e(kT)u(kT)被調(diào)參數(shù)yym采樣器A/DD/A計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)定值r計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與常規(guī)控制系統(tǒng)相似，只是將控制器用計(jì)算機(jī)來代替，就組成了典型的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。13執(zhí)行控制功能的核心部件是計(jì)算機(jī)，是模數(shù)混合系統(tǒng)；控制規(guī)律利用軟件實(shí)現(xiàn)，便于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律；可同時(shí)控制多個(gè)回路；存在開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)等不同類型的控制系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)特征顯然：要改變控制策略及算法，只要改變計(jì)算機(jī)的程序就可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。14(1)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集:檢測(cè)被控量的瞬時(shí)值，將采樣結(jié)果輸?shù)接?jì)算機(jī)中。(2)實(shí)時(shí)決策:給定值與被控量的數(shù)值處理后，按照預(yù)定的控制規(guī)律進(jìn)行控制運(yùn)算——實(shí)時(shí)決策。(3)實(shí)時(shí)控制:將實(shí)時(shí)決策結(jié)果轉(zhuǎn)化為控制信號(hào)適時(shí)地送給執(zhí)行裝置——實(shí)現(xiàn)過程控制。(4)信息管理:隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和控制策略的發(fā)展，信息共享及管理在控制系統(tǒng)得到了充分的應(yīng)用。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工作原理上述過程不斷重復(fù)，使整個(gè)系統(tǒng)按照一定的品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行工作,并對(duì)控制量和設(shè)備本身的異?，F(xiàn)象及時(shí)作出處理。15⑴在線方式和離線方式生產(chǎn)過程和計(jì)算機(jī)直接連接，并受計(jì)算機(jī)控制的方式稱為在線方式或聯(lián)機(jī)方式。生產(chǎn)過程不和計(jì)算機(jī)相連，且不受計(jì)算機(jī)控制，而是靠人進(jìn)行聯(lián)系并作相應(yīng)操作的方式稱為離線方式或脫機(jī)方式。⑵實(shí)時(shí)控制——指信號(hào)的輸入、計(jì)算和輸出都要在一定的時(shí)間(采樣\控制間隔)內(nèi)完成。亦即計(jì)算機(jī)對(duì)輸入信息，以足夠快的速度進(jìn)行控制。

分時(shí)控制——因計(jì)算機(jī)運(yùn)算處理速度遠(yuǎn)高控制回路的速度要求，故可使計(jì)算機(jī)依次的完成多個(gè)通道（回路）的實(shí)時(shí)控制。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工作方式161.1.2、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備——指微機(jī)本身及其外圍設(shè)備，是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)；計(jì)算機(jī)控制軟件——指管理計(jì)算機(jī)的程序以及過程控制的應(yīng)用程序，是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的靈魂；計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)——指各數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)和控制單元之間的通信設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)，是進(jìn)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息交換的通道。17計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)各部分的功能說明

由主機(jī)、接口電路及外圍設(shè)備組成。不同的系統(tǒng)，所需硬件也不同，一般可根據(jù)控制系統(tǒng)的需要進(jìn)行擴(kuò)展?，F(xiàn)已生產(chǎn)出具有各種功能的插件板或功能模塊，可用標(biāo)準(zhǔn)總線連接起來，使用非常方便，PC總線構(gòu)成的各種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、可編程邏輯控制器(PLC)等即屬此類。硬件118檢測(cè)及變送控制對(duì)象執(zhí)行機(jī)構(gòu)多路開關(guān)接口外部通道變送器接口接口接口接口A/DD/A反多路開關(guān)開關(guān)量輸入開關(guān)量輸出傳感器主機(jī)及操作臺(tái)通用外部設(shè)備顯示終端磁盤驅(qū)動(dòng)器打印機(jī)軟件微型計(jì)算機(jī)生產(chǎn)對(duì)象操作臺(tái)實(shí)時(shí)時(shí)鐘19由CPU和存儲(chǔ)器構(gòu)成，是整個(gè)控制系統(tǒng)的指揮部。它自動(dòng)地對(duì)系統(tǒng)的各種參數(shù)進(jìn)行巡回檢測(cè)，通過過程輸入通道發(fā)送來的工業(yè)對(duì)象的生產(chǎn)工況參數(shù)；按照人們預(yù)先安排的程序，進(jìn)行信息處理、分析和計(jì)算，并作出相應(yīng)的控制決策或調(diào)節(jié)；并且以信息的形式通過輸出通道及時(shí)發(fā)出有關(guān)的控制命令，指揮全系統(tǒng)有條不紊地協(xié)調(diào)工作。①主機(jī)20②接口與輸入/輸出通道

I/O接口與I/O通道是主機(jī)與外部連接的橋梁。常用的I/O接口有并行接口、串行接口等，他們大部分是可編程的。

I/O通道有模擬量I/O通道和數(shù)字量I/O通道。

模擬量I/O通道的作用是，一方面將由傳感器得到的工業(yè)對(duì)象的生產(chǎn)過程參數(shù)變換為二進(jìn)制代碼傳送給計(jì)算機(jī)；另一方面將計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字控制信號(hào)變換為控制操作執(zhí)行機(jī)構(gòu)的模擬信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的控制。

數(shù)字通道的作用是，除完成編碼數(shù)字輸入輸出外，還可將各種繼電器、限位開關(guān)等的狀態(tài)通過輸入接口傳送給計(jì)算機(jī)，或?qū)⒂?jì)算機(jī)發(fā)出的開關(guān)動(dòng)作邏輯信號(hào)由輸出接口傳送給生產(chǎn)機(jī)械中的各個(gè)電子開關(guān)或電磁開關(guān)。21③通用外圍設(shè)備通用外圍設(shè)備主要是為了擴(kuò)大主機(jī)的功能而設(shè)置的。通用外圍設(shè)備可分為輸入設(shè)備、輸出設(shè)備和存儲(chǔ)設(shè)備，并根據(jù)控制系統(tǒng)的規(guī)模和要求來配置。他們用來顯示、打印、存儲(chǔ)和傳送數(shù)據(jù)。常用的有打印機(jī)、記錄儀、圖形顯示器、硬盤等。22④檢測(cè)元件、儀表及執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳感器的主要功能是將被檢測(cè)的非電學(xué)量參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妼W(xué)量，變送器的作用是將傳感器得到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合于計(jì)算機(jī)接口使用的電信號(hào)（如0—10mADC）。為了控制生產(chǎn)過程，還需要有執(zhí)行機(jī)構(gòu)。常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)有電動(dòng)、液動(dòng)、氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥、開關(guān)，交、直流電動(dòng)機(jī)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等，它們也是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員經(jīng)常選用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。23⑤操作臺(tái)操作臺(tái)是人-機(jī)對(duì)話的聯(lián)系紐帶。通過它人們可以向計(jì)算機(jī)輸入程序，修改內(nèi)存的數(shù)據(jù)，顯示被測(cè)參數(shù)以及發(fā)出各種操作命令等。它主要由以下四部分組成：⑴作用開關(guān)。如電源開關(guān)、操作方式（自動(dòng)/手動(dòng)）選擇開關(guān)等。通過這些開關(guān)，人們可以對(duì)主機(jī)進(jìn)行啟停、設(shè)置和修改數(shù)據(jù)以及修改控制方式等等。作用開關(guān)可通過接口與主機(jī)相連。⑵功能鍵。功能鍵主要包括復(fù)位鍵、啟動(dòng)鍵、打印鍵及工作方式選擇鍵等等。主要是為了操作方便。⑶LED數(shù)碼管及CRT顯示。用來顯示被測(cè)參數(shù)及操作人員感性趣的內(nèi)容。如顯示數(shù)據(jù)表格、系統(tǒng)流程、開關(guān)狀態(tài)以及報(bào)警狀態(tài)等。⑷數(shù)字鍵。用來輸入數(shù)據(jù)或修改控制系統(tǒng)的參數(shù)。24軟件是指能完成各種功能的微機(jī)程序的總和，如操作系統(tǒng)、監(jiān)控程序、管理程序、控制程序、計(jì)算和自診斷程序等。軟件是微機(jī)系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)作都是在軟件指揮下協(xié)調(diào)工作的。軟件的質(zhì)量關(guān)系到計(jì)算機(jī)運(yùn)行和控制效果的好壞，及硬件功能是否能夠充分發(fā)揮和推廣應(yīng)用。軟件通常分為兩大類：一類是系統(tǒng)軟件，另一類是應(yīng)用軟件。軟件225系統(tǒng)軟件一般是由計(jì)算機(jī)廠家提供的，用來管理計(jì)算機(jī)本身的資源、方便用戶使用計(jì)算機(jī)的軟件。它主要包括操作系統(tǒng)、各種編譯軟件、監(jiān)控管理軟件，這些軟件一般不需要用戶自己設(shè)計(jì)，它們只是作為開發(fā)應(yīng)用軟件的工具。應(yīng)用軟件是面向生產(chǎn)過程的程序，是為實(shí)現(xiàn)特定控制目的而編制的專用程序，如A/D、D/A轉(zhuǎn)換程序，數(shù)據(jù)采樣，數(shù)字濾波程序、標(biāo)度變換程序、控制量計(jì)算程序等等。應(yīng)用軟件大都由用戶自己根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行開發(fā)。應(yīng)用軟件的優(yōu)劣，將給控制系統(tǒng)的功能、精度和效率帶來很大的影響，它的設(shè)計(jì)是非常重要的。26軟件部分計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)硬件部分控制計(jì)算機(jī)主機(jī)、外設(shè)、系統(tǒng)總線生產(chǎn)過程輸入輸出通道操作臺(tái)、通信設(shè)備

現(xiàn)場(chǎng)儀表（測(cè)量傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等）

操作系統(tǒng)匯編或高級(jí)語言、過程控制語言通信網(wǎng)絡(luò)軟件、診斷程序等系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件

過程輸入/輸出程序、過程控制程序人機(jī)接口程序、打印顯示程序各種公共子程序歷史數(shù)據(jù)庫、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫通信網(wǎng)絡(luò)27網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的比重越來越大。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以分為兩大類：一類稱為對(duì)等式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(Peertopeer)；另一類稱為客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)(Client/Server)。這種分類主要是按照網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系確定的。自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)——現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，是當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)使自控系統(tǒng)與分散的生產(chǎn)設(shè)備具有了通信能力，并把它們連接成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，加入到信息網(wǎng)絡(luò)的行列。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)328計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)集散型控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)直接數(shù)字控制系統(tǒng)流程CIMS現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)1.1.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分類計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)根據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)、控制功能和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分為六種類型291、

數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視系統(tǒng)

——主要對(duì)過程參數(shù)進(jìn)行定時(shí)巡回檢測(cè)、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)計(jì)算、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和處理、參數(shù)的越限報(bào)警以及對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行積累和實(shí)時(shí)分析。計(jì)算機(jī)不直接參與生產(chǎn)過程的控制，而只是對(duì)系統(tǒng)過程參數(shù)進(jìn)行收集、加工處理、然后輸出數(shù)據(jù)。操作人員根據(jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的操作。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DataAcquisitionSystem，DAS）優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，控制靈活和安全缺點(diǎn)：要由人工操作，速度受到限制，不能控制多個(gè)對(duì)象。30數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意圖

計(jì)算機(jī)測(cè)得的信號(hào)數(shù)據(jù)，根據(jù)一定的控制算法，計(jì)算出可供操作人員選擇的最優(yōu)操作條件及操作方案。

31

DDC系統(tǒng)中用一臺(tái)微機(jī)對(duì)多個(gè)被控參數(shù)進(jìn)行巡回檢測(cè)，再根據(jù)規(guī)定的控制規(guī)律、進(jìn)行控制運(yùn)算，并輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行控制。

DDC系統(tǒng)給定、顯示、報(bào)警等集中在此控制臺(tái)上。

DDC系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)不僅完全取代模擬調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)多回路的PID調(diào)節(jié)，而且不改變硬件，只通過改變軟件就可以實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的控制算法。2、

直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DirectDigitalControl)模擬量輸入DDC計(jì)算機(jī)模擬量輸出生產(chǎn)過程數(shù)字量輸入數(shù)字量輸出顯示打印報(bào)警操作臺(tái)323、微機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)(SupervisoryComputerControl）兩級(jí)控制第1級(jí)用DDC計(jì)算機(jī)或調(diào)節(jié)器，完成直接控制；第2級(jí)用SCC計(jì)算機(jī)根據(jù)工藝信息和其他參數(shù)——即按照一定算法進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，自動(dòng)地改變DDC系統(tǒng)的給定值，從而使生產(chǎn)過程始終處于最優(yōu)工況(最低消耗、最低成本、最高產(chǎn)量等)。它的作用是改變給定值，又稱給定值控制SPC(SetPointComputerControl)。SCC系統(tǒng)不僅可以進(jìn)行給定值控制，同時(shí)還可以進(jìn)行順序控制、最優(yōu)控制以及自適應(yīng)控制等。33監(jiān)督控制系統(tǒng)有兩種典型的結(jié)構(gòu)形式34(1)SCC+模擬調(diào)節(jié)器微機(jī)的作用是對(duì)各物理量進(jìn)行巡回檢測(cè)并接收管理命令，然后，按照一定的數(shù)學(xué)模型計(jì)算后，輸出給定值到模擬調(diào)節(jié)器。

此給定值在模擬調(diào)節(jié)器中與檢測(cè)值進(jìn)行比較，其偏差值經(jīng)模擬調(diào)節(jié)器計(jì)算后輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以達(dá)到調(diào)節(jié)生產(chǎn)過程的目的。這樣，系統(tǒng)就可以根據(jù)生產(chǎn)情況的變化，不斷地改變給定值，以達(dá)到實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制的目的。35(2)SCC+DDC系統(tǒng)該系統(tǒng)為兩級(jí)微機(jī)控制系統(tǒng)，一級(jí)為監(jiān)督級(jí)SCC，二級(jí)為DDC。

SCC的作用用來計(jì)算最佳給定值，它與DDC之間通過接口進(jìn)行信息聯(lián)系。

DDC用來把給定值與測(cè)量值(數(shù)字量)進(jìn)行比較，其偏差由DDC進(jìn)行數(shù)字計(jì)算，并實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)控制作用。當(dāng)DDC級(jí)計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，可由SCC計(jì)算機(jī)完成DDC的控制功能。顯然提高了控制系統(tǒng)的可靠性。與SCC＋模擬調(diào)節(jié)器系統(tǒng)相比，其控制規(guī)律可以改變，使用更加靈活。364.集散型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（DCS）

監(jiān)控計(jì)算機(jī)CRT操作站現(xiàn)場(chǎng)控制站現(xiàn)場(chǎng)控制站

被控對(duì)象被控對(duì)象……….…高速數(shù)據(jù)通道….….集散控制系統(tǒng)（TotalDistributedControl—TDC）也稱為分布式控制系統(tǒng)或分散式控制系統(tǒng)（DistributedControlSystem—DCS）。采用了分散控制、集中操作、分級(jí)管理、分而自治和綜合協(xié)調(diào)的設(shè)計(jì)原則，形成具有層次化體系結(jié)構(gòu)的分級(jí)分布式控制。具有高可靠性能，便于維修與更新。37現(xiàn)場(chǎng)總線——連接現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備與控制室之間的全數(shù)字式、開放的、雙向的通信網(wǎng)絡(luò)。

FCS是新一代分布式控制系統(tǒng)，改進(jìn)了DCS系統(tǒng)成本高、各DCS通信標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一而無法互聯(lián)的弱點(diǎn)。隨著智能傳感器、執(zhí)行器向數(shù)字化方向發(fā)展，F(xiàn)CS信號(hào)傳輸實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化取代4-20mA模擬信號(hào),從最底層逐層向最高層均采用通信網(wǎng)絡(luò)互連;5、現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用全分散化,現(xiàn)場(chǎng)總線的節(jié)點(diǎn)是現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或現(xiàn)場(chǎng)儀表，如傳感器、變送器、執(zhí)行器等。

38采用“工作站---現(xiàn)場(chǎng)總線智能儀表”二層結(jié)構(gòu)，國際標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一后，可實(shí)現(xiàn)真正的開放式互連系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。主要有五種現(xiàn)場(chǎng)總線：

CAN總線（controllerareanetwork,控制器局域網(wǎng)絡(luò)）

LONGWORKS總線(localoperatingnetwork局部操作網(wǎng)絡(luò))

PROFIBUS(processfieldbus過程現(xiàn)場(chǎng)總線)

HATR總線（可尋址遠(yuǎn)程傳感器數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)）

FF總線（基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線）3940FCS系統(tǒng)特點(diǎn)：1）采用一對(duì)N的設(shè)備連接方式﹑成本低。2）實(shí)現(xiàn)了徹底的分散控制。3）開放性與互操作性簡化了系統(tǒng)的集成。4）信息綜合，組態(tài)靈活。416、流程計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)流程計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（ComputerIntegratedManufacturingSystems）——流程CIMS

通過計(jì)算機(jī)硬、軟件的綜合運(yùn)用，利用現(xiàn)代管理技術(shù)、制造技術(shù)、信息技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、系統(tǒng)工程技術(shù)，將企業(yè)生產(chǎn)過程中的人員、技術(shù)、經(jīng)營管理三要素及其信息與物流有機(jī)集成，并實(shí)現(xiàn)優(yōu)化運(yùn)行的復(fù)雜大系統(tǒng)。

CIMS代表了當(dāng)今工廠綜合自動(dòng)化的最高水平，被譽(yù)為是未來的工廠。42流程計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)

經(jīng)營決策企業(yè)管理生產(chǎn)調(diào)度過程優(yōu)化過程控制第五層：企業(yè)決策，生產(chǎn)規(guī)劃第四層：供銷,財(cái)務(wù),計(jì)劃,管理等第三層：生產(chǎn)調(diào)度，系統(tǒng)優(yōu)化第二層：先進(jìn)控制，過程優(yōu)化第一層：單元自動(dòng)化,簡單控制生產(chǎn)過程

流程CIMS的遞階控制示意圖43流程CIMS是工程大系統(tǒng)，它所要解決的不是局部優(yōu)化問題，而是工廠、公司乃至一個(gè)區(qū)域的總目標(biāo)或總?cè)蝿?wù)的最優(yōu)化問題。最優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)包括產(chǎn)量最高、質(zhì)量最好、原料和能耗最小、成本最低、可靠性最高、環(huán)境污染最小等指標(biāo)，它反映了技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等多方面的綜合性要求。流程CIMS的理論基礎(chǔ)是大系統(tǒng)理論。44二、按照控制規(guī)律對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分類1)程序控制和順序控制

程序控制是控制被控量按照預(yù)先規(guī)定的時(shí)間函數(shù)變化，被控制量是時(shí)間的函數(shù)，如加熱爐的溫度控制。順序控制則可以看作是程序控制的擴(kuò)展，在各個(gè)時(shí)期所給出的設(shè)定值可以是不同的物理量，而且每次設(shè)定值的給出，不僅取決于時(shí)間，還取決于對(duì)以前的控制結(jié)果的邏輯判斷。45

2)PID控制調(diào)節(jié)器的輸出是調(diào)節(jié)器輸入的比例、積分、微分的函數(shù)。PID控制結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)容易調(diào)整,因此一直是應(yīng)用最廣、最為成熟的技術(shù)。

3)有限拍控制有限拍控制的性能指標(biāo)是調(diào)節(jié)時(shí)間最短，要求設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在盡可能短的時(shí)間里完成調(diào)節(jié)過程。有限拍控制通常在數(shù)字隨動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)用。464)復(fù)雜規(guī)律的控制控制系統(tǒng)性能指標(biāo)不單是過渡過程的品質(zhì)，而且包括能耗最小、產(chǎn)量最高、質(zhì)量最好等綜合性指標(biāo)。對(duì)于存在隨機(jī)擾動(dòng)、純滯后對(duì)象以及多變量耦合的系統(tǒng)，僅用PID控制是難以達(dá)到滿意的性能指標(biāo)的，因此，針對(duì)實(shí)際情況采用各種復(fù)雜規(guī)律的控制——串級(jí)控制，前饋控制，純滯后補(bǔ)償控制，多變量解耦控制以及最優(yōu)、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)控制等。475）智能控制智能控制理論是把先進(jìn)的方法學(xué)理論與解決當(dāng)前技術(shù)問題所需要的系統(tǒng)理論結(jié)合起來的學(xué)科。智能控制理論可以看作是三個(gè)主要理論領(lǐng)域的交叉或匯合:人工智能、運(yùn)籌學(xué)和控制理論。智能控制系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)大系統(tǒng)——綜合的自動(dòng)化系統(tǒng)。模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、專家系統(tǒng)等均可稱智能控制481.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)（1）單片微型計(jì)算機(jī)；（2）PLC；（3）工業(yè)PC；在工程實(shí)際中，選擇何種機(jī)型，應(yīng)根據(jù)控制規(guī)模、工藝要求和控制特點(diǎn)等來確定。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，常用的典型機(jī)型有：49一、單片微型計(jì)算機(jī)單片微型計(jì)算機(jī)，簡稱單片機(jī)，是一種內(nèi)含有微處理器的特殊超大規(guī)模集成電路。它是將CPU、存儲(chǔ)器、I/O接口、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、甚至A/D轉(zhuǎn)換器等部件集成在一個(gè)大規(guī)模集成電路芯片上，具有很強(qiáng)控制功能的微型計(jì)算機(jī)。50

單片機(jī)分類：按位數(shù)分按功能分按生產(chǎn)廠家4位機(jī)；8位機(jī)；16位機(jī)；32位機(jī)；帶A/D轉(zhuǎn)換器；硬件定時(shí)監(jiān)視器；增加型串行口；全局串行通道；顯示器（LED或LCD）驅(qū)動(dòng)電路；脈寬調(diào)制輸出電路PWM；模擬多路轉(zhuǎn)換開關(guān)；串行外設(shè)接口電路I2C等的單片機(jī)；有Intel公司的MCS系列；Motorola公司的M68HC系列；Microchip公司的PIC系列；Zilog公司的Z系列；Philips公司；Atmel；NEC公司；51單片機(jī)的應(yīng)用軟件編程語言：（1）面向機(jī)器的匯編語言；（2）高級(jí)語言，如BASIC、PL/M和C語言等

由于單片機(jī)是面向控制設(shè)計(jì)的，專用性強(qiáng)、內(nèi)存容量小，因此，單片機(jī)本身不具備自開發(fā)功能，必須借助于仿真器或開發(fā)系統(tǒng)與單片機(jī)聯(lián)機(jī)，才能進(jìn)行軟、硬件的開發(fā)與調(diào)試。52二、可編程邏輯控制器

可編程邏輯控制器（ProgrammableLogicalController），簡稱可編程控制器，即PLC，是繼電邏輯控制與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。早期主要用于開關(guān)控制，具有邏輯運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)等順控功能。隨著PLC的發(fā)展，其功能已不再限于邏輯運(yùn)算，具有連續(xù)模擬量處理、高速計(jì)數(shù)、遠(yuǎn)程I/O和網(wǎng)絡(luò)通信等功能。

PLC是一種數(shù)字運(yùn)算操作系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用了可編程序的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算木運(yùn)算等操作的指令，并通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。53PLC具有如下特點(diǎn)：（1）可靠性高PLC集成度高；采用了冗余措施和容錯(cuò)技術(shù)；輸入輸出采用了屏蔽、隔離、濾波、電源調(diào)整與保護(hù)等措施，提高了抗工業(yè)環(huán)境干擾的能力。（2）編程容易PLC大多采用類似繼電器控制電路圖形式的梯形圖及命令語句進(jìn)行編程。如通過上位機(jī)進(jìn)行梯形圖編程，程序直接下傳，使編程更容易、更方便。54（3）功能完善

PLC除了具有邏輯運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)、步進(jìn)控制功能，還能完成A/D、D/A轉(zhuǎn)換、模擬量處理、高速計(jì)數(shù)和聯(lián)網(wǎng)通信等功能，還可以通過上位機(jī)進(jìn)行顯示、報(bào)警、記錄、進(jìn)行人－機(jī)對(duì)話等。（4）擴(kuò)展靈活由于PLC采用積木式結(jié)構(gòu)，用戶可根據(jù)實(shí)際的I/O點(diǎn)數(shù)和不同輸入輸出方式需要等，選擇所需的功能模板，便可獲得相應(yīng)的功能和規(guī)模。系統(tǒng)的配置可從幾個(gè)I/O點(diǎn)的小型系統(tǒng)到幾千個(gè)點(diǎn)的超大型系統(tǒng)，組合非常方便。55（5）安裝調(diào)試簡單方便當(dāng)用PLC構(gòu)成控制系統(tǒng)時(shí)，只需把檢測(cè)器件與執(zhí)行機(jī)構(gòu)和PLC的I/O接口端子正確連接，用簡單的編程方法將程序存入存儲(chǔ)器內(nèi)，即可正常工作。

PLC的輸出可直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，中間一般不需要設(shè)置轉(zhuǎn)換單元。

PLC能事先進(jìn)行模擬調(diào)試，減少了現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)試工作量。

PLC的監(jiān)視功能很強(qiáng)，模塊化結(jié)構(gòu)大大減小了維修量。56PLC分類：按容量來分按結(jié)構(gòu)來分按功能來分小型PLC；中型PLC；大型PLC整體式PLC；模塊式PLC；疊裝式PLC；低檔PLC；中檔PLC；高檔PLC57（1）低檔PLC

低檔PLC主要是進(jìn)行邏輯控制，它的輸入/輸出適合于開關(guān)量、繼電器、接觸器等場(chǎng)合。這類PLC結(jié)構(gòu)小巧，價(jià)格低廉，適用于單機(jī)順序控制系統(tǒng)。（2）中檔PLC

中檔PLC除開關(guān)量控制功能外，還有模擬量I/O接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬量的檢測(cè)和調(diào)節(jié)。中檔PLC的控制點(diǎn)數(shù)較低檔PLC多。且軟件更為豐富，其內(nèi)部有很多運(yùn)算模塊，如PID運(yùn)算、二進(jìn)制/BCD轉(zhuǎn)換、平方根、查表等。這種PLC不僅可用于開關(guān)量控制系統(tǒng)，而且可用于中、小型生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)中。58（3）高檔PLC

高檔PLC具有計(jì)算、控制和調(diào)節(jié)功能，具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和通信聯(lián)網(wǎng)能力，控制點(diǎn)數(shù)達(dá)1000點(diǎn)以上。高檔PLC可以和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)管理和控制一體化，與辦公自動(dòng)化系統(tǒng)連網(wǎng)，成為工廠自動(dòng)化的重要設(shè)備。

PLC在工業(yè)控制中得到了廣泛的應(yīng)用，幾乎覆蓋了所有工業(yè)控制領(lǐng)域，有著很好的發(fā)展前景。

國內(nèi)外生產(chǎn)PLC的廠家有很多，如：日本三菱的F、F1、F2、FX系列，日本立石（OMRON）的C系列，西門子的S系列，美國GE公司的GE-I系列，美國MIDICON公司的984系列等。59三、工業(yè)控制機(jī)

工業(yè)控制機(jī)，簡稱工控機(jī)，是一種面向工業(yè)控制、采用標(biāo)準(zhǔn)總線技術(shù)和開放式體系結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)。按照統(tǒng)一的總線標(biāo)準(zhǔn)，各計(jì)算機(jī)廠家或研制單位可設(shè)計(jì)和生產(chǎn)出具有特定功能的模板，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可根據(jù)不同的需要，選用相應(yīng)的功能模板組合成所需的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。60工控機(jī)的特點(diǎn)：（1）小板結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)；（2）標(biāo)準(zhǔn)化及兼容性；（3）完善的I/O通道；（4）環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、可靠性高；（5）軟件豐富；（組態(tài)軟件）

工控能滿足不同層次、不同控制對(duì)象的需要，又能在惡劣的工業(yè)環(huán)境中可靠地運(yùn)行，應(yīng)用極為廣泛。61目前我國工控領(lǐng)域的主要機(jī)型有STD總線工控機(jī)和工業(yè)PC。

STD總線工控機(jī)是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的，曾在20世紀(jì)80年代末和20世紀(jì)90年代初得到廣泛的應(yīng)用。工業(yè)PC是一種融PC機(jī)軟硬件資源與STD工控機(jī)結(jié)構(gòu)為一體的新型工業(yè)控制機(jī)，繼承了PC機(jī)豐富的軟件資源，使其軟件開發(fā)更加方便，同時(shí)，在結(jié)構(gòu)上采用了STD總線工控機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)模塊化。隨著個(gè)人計(jì)算機(jī)的不斷升級(jí)，工業(yè)PC的性能也會(huì)相應(yīng)提高，因此，工業(yè)PC具有很好的發(fā)展前景。62在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)應(yīng)用規(guī)模、控制目的和控制需要等選用不同的計(jì)算機(jī)，如：（1）對(duì)于小型控制系統(tǒng)、智能儀表及智能化接口，盡量采用單片機(jī)模式；（2）對(duì)于新產(chǎn)品開發(fā)或用量較大，為降低成本，也可采用單片機(jī)模式；（3）對(duì)于中等規(guī)模的控制系統(tǒng)，為加快系統(tǒng)的開發(fā)速度，盡量選用現(xiàn)成的工業(yè)控制機(jī)，如PLC、STD總線工控機(jī)、工業(yè)PC等，應(yīng)用軟件可自行開發(fā)；（4）對(duì)于大型的生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)，最好選用工業(yè)PC、專用DCS或FCS，軟件可自行開發(fā)或購買現(xiàn)成的組態(tài)軟件。63集散控制系統(tǒng)是由多個(gè)微處理器為核心的過程控制采集站，分別分散地對(duì)各部分工藝流程進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制，并通過數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)與中央控制室各監(jiān)控操作站聯(lián)網(wǎng)，對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行集中監(jiān)視和操作的控制系統(tǒng)。1.3DCS總體概念它是綜合了4C技術(shù)的控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)原則及主要特點(diǎn)：

危險(xiǎn)、控制分散操作、管理集中分級(jí)管理、分而自治集散控制系統(tǒng)具有技術(shù)先進(jìn)、功能完備、應(yīng)用靈活、操作方便、運(yùn)行可靠等多方面顯著特點(diǎn)，為計(jì)算機(jī)控制開創(chuàng)了一個(gè)嶄新的應(yīng)用領(lǐng)域，并得到了廣泛的應(yīng)用。641.3.1集散控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成分散過程控制裝置是DCS與生產(chǎn)過程聯(lián)系的接口，按其功能又可分為現(xiàn)場(chǎng)控制站（簡稱控制站）和數(shù)據(jù)采集站等。集中操作管理裝置是人與DCS聯(lián)系的接口，按其功能又可分為操作員工作站（簡稱操作站）、工程師工作站（簡稱工程師站）和監(jiān)控計(jì)算機(jī)（又稱上位機(jī)）等。通信系統(tǒng)（又稱通信網(wǎng)絡(luò)）是DCS的中樞，它將DCS的各部分連接起來構(gòu)成一個(gè)整體。因此，操作員站、工程師站、監(jiān)控計(jì)算機(jī)、現(xiàn)場(chǎng)控制站、數(shù)據(jù)采集站和通信系統(tǒng)等是構(gòu)成DCS的最基本部分。65協(xié)調(diào)各控制站的工作達(dá)到過程的動(dòng)態(tài)最優(yōu)化人機(jī)接口裝置，完成操作、顯示和監(jiān)視任務(wù)完成過程的現(xiàn)場(chǎng)控制任務(wù)采集非控制過程信息66過程控制實(shí)驗(yàn)室的DCS6768

1.3.2DCS的特點(diǎn)1分級(jí)遞階控制:雙向分級(jí)、各自分工、相互協(xié)調(diào)縱向：上下可分2-5級(jí)（過程控制級(jí)、操作管理級(jí)等）

橫向：可分多級(jí)（根據(jù)控制規(guī)模和控制方案確定）2分散控制:控制分散、人員分散、地域分散、功能分散、設(shè)備分散、操作分散——目的：危險(xiǎn)分散。

設(shè)備的冗余設(shè)置——提高系統(tǒng)的可靠性。3自治和協(xié)調(diào)性——DCS的形成的基礎(chǔ)系統(tǒng)分散的基礎(chǔ)：被分散的系統(tǒng)是自治的系統(tǒng)。

遞階分級(jí)的基礎(chǔ)：被分級(jí)的系統(tǒng)是相互協(xié)調(diào)的。廣義的集散內(nèi)涵：控制分散、通訊分散、數(shù)據(jù)庫分散、供電分散、負(fù)荷分散等數(shù)據(jù)及通訊管理集中、控制目標(biāo)集中、顯示操作的集中等69?集散控制系統(tǒng)自問世以來，發(fā)展異常迅速

,幾經(jīng)更新?lián)Q代，技術(shù)性能日臻完善，并以其技術(shù)先進(jìn)、性能可靠、構(gòu)成靈活、操作簡便和價(jià)格合理的特點(diǎn)，贏得了廣大用戶，巳被廣泛應(yīng)用于石油、化工、電力、冶金和輕工等工業(yè)領(lǐng)域。701.3.3集散控制系統(tǒng)產(chǎn)生及發(fā)展歷程?

20世紀(jì)60年代初，人們開始將電子計(jì)算機(jī)用于過程控制，試圖利用計(jì)算機(jī)所具有的能執(zhí)行復(fù)雜運(yùn)算、處理速度快、集中顯示操作、易于通信、易于實(shí)現(xiàn)多種控制算法、易于改變控制方案、控制精度高等特點(diǎn)，來克服常規(guī)模擬儀表的局限性。

一臺(tái)計(jì)算機(jī)控制著幾十甚至幾百個(gè)回路，整個(gè)生產(chǎn)過程的監(jiān)視、操作、報(bào)警、控制和管理等功能都集中在這臺(tái)計(jì)算機(jī)上。

一旦計(jì)算機(jī)的公共部分發(fā)生故障時(shí)，輕則造成裝置或整個(gè)工廠停工，重則導(dǎo)致設(shè)備的損壞甚至發(fā)生火災(zāi)、爆炸等惡性事故，這就是所謂“危險(xiǎn)集中”。

7172?而采用一臺(tái)計(jì)算機(jī)工作、另一臺(tái)計(jì)算機(jī)備用的雙機(jī)雙工系統(tǒng)，或采用常規(guī)儀表備用方式，雖可提高控制系統(tǒng)的可靠性，但成本太高，如果工廠的生產(chǎn)規(guī)模不大，則經(jīng)濟(jì)性更差，用戶難以接受。因此，有必要吸收常規(guī)模擬儀表和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，并且克服它們的弱點(diǎn)，利用各種新技術(shù)和新理論，研制出新型的控制系統(tǒng)。

73?20世紀(jì)70年代初，大規(guī)模集成電路的問世及微處理器的誕生，為新型控制系統(tǒng)的研制創(chuàng)造了物質(zhì)條件。同時(shí)，CRT圖形顯示技術(shù)和數(shù)字通信技術(shù)的發(fā)展，為新型控制系統(tǒng)的研制提供了技術(shù)條件，現(xiàn)代控制理論的發(fā)展為新型控制系統(tǒng)的研制和開發(fā)提供了理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。根據(jù)“危險(xiǎn)分散”的設(shè)計(jì)思想，過去由一臺(tái)大型計(jì)算機(jī)完成的功能，現(xiàn)在可以由幾十臺(tái)甚至幾百臺(tái)微處理機(jī)來完成。各微處理機(jī)之間可以用通信網(wǎng)絡(luò)連接起來，從而構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)。74?

系統(tǒng)中的一臺(tái)微處理機(jī)只需控制幾個(gè)至幾十個(gè)回路，即使某一微處理機(jī)發(fā)生故障，只影響它所控制的少數(shù)回路，而不會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成嚴(yán)重影響，從而在很大程度上使危險(xiǎn)分散。

這種新型控制系統(tǒng)采用多臺(tái)彩色圖形顯示器監(jiān)視著過程和系統(tǒng)的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了操作和信息綜合管理的集中，利用通信系統(tǒng)將各微機(jī)連接起來，按控制功能或按區(qū)域?qū)⑽⑻幚頇C(jī)進(jìn)行分散配置，實(shí)行分散控制，增強(qiáng)了全系統(tǒng)的安全可靠性。

75?1975年12月，美國霍尼威爾(Honeywell)公司正式向市場(chǎng)推出了世界上第一套集散控制系統(tǒng)TDC-2000(Total

DistributedControl

2000)系統(tǒng)，成為最早提出集散控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想的開發(fā)商。圖TDC-3000系統(tǒng)構(gòu)成圖76DCS的發(fā)展歷程第一代DCS——開創(chuàng)期(1975年~1980年)DCS的組成現(xiàn)場(chǎng)控制站（8位）現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站CRT操作站（16位）數(shù)據(jù)高速公路監(jiān)控計(jì)算機(jī)（16位）

CRT操作站監(jiān)控計(jì)算機(jī)

數(shù)據(jù)高速公路HW現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站現(xiàn)場(chǎng)控制站第一代DCS基本結(jié)構(gòu)

……

……77第二代DCS——成長期(1980年~1985年)以局部網(wǎng)絡(luò)LAN為主干其它各單元都是掛在它上面的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)工作站主要組成部分局部網(wǎng)絡(luò)多功能現(xiàn)場(chǎng)控制站增強(qiáng)型操作站通用型操作站網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)管理模塊主計(jì)算機(jī)局部網(wǎng)絡(luò)LAN其它網(wǎng)絡(luò)DHW網(wǎng)關(guān)多功能控制器網(wǎng)關(guān)……系統(tǒng)管理模塊通用操作站主計(jì)算機(jī)增強(qiáng)型操作站……為了提高可靠性，采用冗余CPU、冗余電源及在線熱備份。78DCS的擴(kuò)展期（1985年至1990年）特點(diǎn)：1、DCS向綜合化、開放化發(fā)展——局部網(wǎng)絡(luò)采用標(biāo)準(zhǔn)化開放型的通信協(xié)議2、大型DCS進(jìn)一步完善的同時(shí)，發(fā)展小型集散控制系統(tǒng)3、采用人工智能技術(shù)——系統(tǒng)中引入了智能變送器(SmartTransmitters)和現(xiàn)場(chǎng)總線(FieldBus)技術(shù)。?

智能變送器具有數(shù)字通信能力，通過現(xiàn)場(chǎng)總線與過程控制站或與局部網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)相連接。在控制室或本節(jié)點(diǎn)工作站中便可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的智能變送器進(jìn)行調(diào)零、調(diào)量程、組態(tài)、自動(dòng)標(biāo)定、自動(dòng)診斷及自動(dòng)排除故障等操作。791990年后為新的發(fā)展期

?

20世紀(jì)90年代以后，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)特別是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)控制和管理要求的不斷提高，出現(xiàn)了以管控一體化為主要特點(diǎn)的新型集散控制系統(tǒng)。它采用了客戶機(jī)/服務(wù)器的結(jié)構(gòu)，在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上增加了工廠信息網(wǎng)(Intranet)，并可與Internet連網(wǎng)，計(jì)算機(jī)集成過程系統(tǒng)(CIPS)也開始進(jìn)行試點(diǎn)應(yīng)用。

DCS的典型產(chǎn)品有Honeywell公司的TPS系統(tǒng)、橫河公司的CENTUMCS系統(tǒng)、Foxboro公司I/AS5051系列控制系統(tǒng)等。80?

從DCS三十多年的發(fā)展歷史中可以清楚地看到，正是計(jì)算機(jī)技術(shù)、屏幕顯示技術(shù)、控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)的不斷發(fā)展，才推動(dòng)了DCS的不斷更新?lián)Q代。

今后DCS的發(fā)展仍將繼承集中監(jiān)視管理和分散控制這一理念。向著更大范圍的集中管理和更加徹底的分散控制兩個(gè)方向發(fā)展——向著計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(ComputerIntegratedManufacturingSystem，CIMS)、計(jì)算機(jī)集成過程系統(tǒng)(ComputerIntegratedProcesSystem，CIPS)方向和現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(FieldbusControlSystem，F(xiàn)CS)方向發(fā)展。

81?

我國使用DCS是在20世紀(jì)70年代末、80年代初。當(dāng)時(shí)國家為了滿足國內(nèi)新建項(xiàng)目和老廠技術(shù)改造的需要，從國外引進(jìn)的DCS多達(dá)幾百套，主要用于化工、石化、煉油、冶金、電力、輕工等工業(yè)過程控制，取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，堅(jiān)持自力更生、自主開發(fā)與引進(jìn)技術(shù)相結(jié)合的方針，把引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)與對(duì)其及時(shí)消化、吸收與創(chuàng)新，作為發(fā)展我國科學(xué)技術(shù)的重要途徑。我國DCS的發(fā)展82?

一方面，與外商合資合作，引進(jìn)技術(shù)，組裝國外DCS，并逐步國產(chǎn)化。另一方面，國家組織了精悍的隊(duì)伍，聯(lián)合攻關(guān)，研制適合中國國情的DCS。

在DCS國產(chǎn)化產(chǎn)品開發(fā)方面，取得了突破性的發(fā)展，系統(tǒng)的可靠性大幅度上升，技術(shù)性能也有了極大提高，應(yīng)用的領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，過去主要應(yīng)用于為數(shù)不多的小裝置，現(xiàn)在逐步向中型及大型裝置應(yīng)用發(fā)展，形成了與國外產(chǎn)品競爭的局面。

比較有代表性的產(chǎn)品是中控科技自動(dòng)化有限公司的

WebFieldECS-100、北京和利時(shí)系統(tǒng)工程股份有限公司的MACS、上海新華控制工程有限公司的

XDPS-400和浙江威盛公司

FB-2000NS等。

831.4現(xiàn)場(chǎng)總線概述1.4.1現(xiàn)場(chǎng)總線的定義及分類1.4.2現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)1.4.3現(xiàn)場(chǎng)總線的現(xiàn)狀及發(fā)展1.4.4現(xiàn)場(chǎng)總線發(fā)展中存在的問題1.4.5現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展841.4.1現(xiàn)場(chǎng)總線的定義及分類現(xiàn)場(chǎng)總線的定義（4種）：用于現(xiàn)場(chǎng)儀表與控制主機(jī)系統(tǒng)之間的一種開放的、全數(shù)字化的、雙向、多站的通信系統(tǒng)；廣義上是控制系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表、執(zhí)行裝置進(jìn)行雙向數(shù)字通信的串行總線系統(tǒng)；基于智能化儀表及現(xiàn)場(chǎng)總線的控制系統(tǒng)FCS；一種數(shù)字化的串行雙向通信系統(tǒng)。85IEC（國際電工委員會(huì)）定義：

一種應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與控制裝置之間進(jìn)行雙向、串行、多節(jié)點(diǎn)、數(shù)字式的數(shù)據(jù)交換的通信技術(shù)。86總線的分類毫米級(jí)：芯片內(nèi)總線厘米級(jí)：芯片間總線、元件總線分米級(jí)：機(jī)箱內(nèi)總線（Multi-bus、STD、PCL、ISA、PCI等）十米級(jí)：機(jī)柜間總線（RS-232、GPIB、VME、VXI等）百千米級(jí)：現(xiàn)場(chǎng)總線（Modbus、FF、Profibus等）87按數(shù)據(jù)通信寬度分類（1）傳感器現(xiàn)場(chǎng)總線（數(shù)據(jù)寬度為位-Bit）：適用于簡單的開關(guān)裝置和輸入輸出位的通信,如Seriplex總線、AS-i總線等。（2）裝置現(xiàn)場(chǎng)總線（數(shù)據(jù)寬度為字節(jié)-Byte）：適用于以字節(jié)為單位的裝置類通信,如Interbus總線、Device-Net總線和CAN總線等。（3）全服務(wù)的現(xiàn)場(chǎng)總線（數(shù)據(jù)寬度為數(shù)據(jù)流或模塊Block）：以報(bào)文通信為主，除了對(duì)裝置進(jìn)行讀取數(shù)據(jù)外，還包括一些對(duì)裝置的操作和控制功能,如FF總線、Lonworks總線、Hart總線等。88按應(yīng)用行業(yè)分類（1）過程控制（連續(xù)生產(chǎn)過程）用現(xiàn)場(chǎng)總線：FF的H1、Profibus-PA等（2）離散控制用現(xiàn)場(chǎng)總線：

Profibus-DP、Device-Net等（3）樓宇自動(dòng)化用現(xiàn)場(chǎng)總線：Lonworks等（4）車輛制造業(yè)用現(xiàn)場(chǎng)總線：CAN等（5）飛機(jī)制造業(yè)用現(xiàn)場(chǎng)總線：SwiftNet等（6）農(nóng)業(yè)及養(yǎng)殖業(yè)用現(xiàn)場(chǎng)總線：P-Net等891.4.2現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)FCS與DCS的對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)特點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)總線的主要優(yōu)點(diǎn)90現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（1）現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)由于采用了現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備，能夠把原來DCS系統(tǒng)中處于控制室的控制模塊、輸入輸出模塊置于設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)，加上現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備具有通信能力，現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量變送儀表可以與閥門等執(zhí)行器直接傳送信號(hào)。因而控制功能能夠不依賴控制室的計(jì)算機(jī)或控制儀表，直接在現(xiàn)場(chǎng)完成，實(shí)現(xiàn)了徹底的分散控制。91現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（2）由于采用數(shù)字信號(hào)替代模擬信號(hào)，因而可實(shí)現(xiàn)一對(duì)電線上傳輸多個(gè)信號(hào)(包括多個(gè)運(yùn)行參數(shù)值、多個(gè)設(shè)備狀態(tài)、故障信息)，同時(shí)又為多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備提供電源；現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備以外不再需要A/D、D/A轉(zhuǎn)換部件。這樣就為簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、節(jié)約硬件設(shè)備、節(jié)約連接電纜與各種安裝、維護(hù)費(fèi)用創(chuàng)造了條件。92FCS與DCS的結(jié)構(gòu)對(duì)比939495FCS與DCS的詳細(xì)對(duì)比FCSDCS(1)結(jié)構(gòu)一對(duì)多：一對(duì)傳輸線接多臺(tái)儀表，雙向傳輸多個(gè)信號(hào)。一對(duì)一：一對(duì)傳輸線接一臺(tái)儀表，單向傳輸一個(gè)信號(hào)。(2)可靠性可靠性好：數(shù)字信號(hào)傳輸抗干擾能力強(qiáng)，精度高?？煽啃圆睿耗M信號(hào)傳輸不僅精度低，而且容易受干擾。96FCS與DCS的詳細(xì)對(duì)比FCSDCS（3）失控狀態(tài)操作員在控制室既可以了解現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備過現(xiàn)場(chǎng)儀表的工作情況，也能對(duì)設(shè)備進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，還可以預(yù)測(cè)或?qū)ふ夜收希乖O(shè)備始終處于操作員的過程監(jiān)控與可控狀態(tài)之中。操作員在控制室既不了解模擬儀表的工作情況，也不能對(duì)其進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，更不能預(yù)測(cè)故障，導(dǎo)致操作員對(duì)儀表處于“失控”狀態(tài)。（4）控制控制功能分散在各個(gè)智能儀器中。所有的控制功能集中在控制站中。97FCS與DCS的詳細(xì)對(duì)比FCSDCS（5）互換性用戶可以自由選擇不同制造事故內(nèi)提供的性能價(jià)格比最優(yōu)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和儀表，并將不同品牌的儀表互連，實(shí)現(xiàn)“即插即用”。盡管模擬儀表統(tǒng)一了信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)（4~20mADC），可是大部分技術(shù)參數(shù)仍由制造廠自定，致使不同品牌的儀表不能互換。

（6）儀表智能儀表除了具有模擬儀表的檢測(cè)、變換、補(bǔ)償?shù)裙δ芡?，還具有數(shù)字通信能力，并且具有控制和運(yùn)算能力。模擬儀表只具有檢測(cè)、變換、補(bǔ)償?shù)裙δ堋?8現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)特點(diǎn)（1）系統(tǒng)的開放性通信協(xié)議公開，各不同廠商的設(shè)備之間可實(shí)現(xiàn)信息交換。（2）互可操作性與互用性

互可操作性是指實(shí)現(xiàn)互連設(shè)備間、系統(tǒng)間的信息傳送與溝通；而互用性則意味著不同制造商性能類似的設(shè)備可進(jìn)行更換，實(shí)現(xiàn)相互替換。（3）現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的智能化與功能自治性

將傳感測(cè)量、補(bǔ)償計(jì)算、工程量處理與控制等功能分散到現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備中完成。99現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)特點(diǎn)（4）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性現(xiàn)場(chǎng)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)，提高了可靠性。（5）對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性

可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等多種傳輸介質(zhì)，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，采用兩線制實(shí)現(xiàn)供電與通信，并可滿足本質(zhì)安全防爆要求。100現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)（1）FCS實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化通信

DCS采用層次化的體系結(jié)構(gòu)，通信網(wǎng)絡(luò)分布于各層并采用數(shù)字通信方式，唯有生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)層的常規(guī)模擬儀表仍然是一對(duì)一模擬信號(hào)(如4～20mADC)傳輸方式，因此DCS是一個(gè)“半數(shù)字信號(hào)”系統(tǒng)。

FCS采用全數(shù)字化、雙向傳輸?shù)耐ㄐ欧绞?。從最底層的傳感器、變送器和?zhí)行器就采用現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)，逐層向上直到最高層均為通信網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。多條分支通信線延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，用來連接現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字儀表，采用一對(duì)N連接。101現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)（2）FCS實(shí)現(xiàn)徹底的全分散式控制

在DCS中，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的多臺(tái)模擬儀表集中接于I/O單元，每臺(tái)儀表只有單一的信號(hào)變換功能，而與控制有關(guān)的輸入、輸出、控制、運(yùn)算等功能塊都集中于DCS的控制站內(nèi)。從這個(gè)意義上講，DCS只是一個(gè)“半分散”系統(tǒng)。

FCS舍棄了DCS的I/O單元，由現(xiàn)場(chǎng)儀表取而代之，即把DCS控制站的功能化整為零，功能塊分散地分配給現(xiàn)場(chǎng)總線上的數(shù)字儀表。從而構(gòu)成虛擬控制站，實(shí)現(xiàn)徹底的分散控制。102現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)（3）FCS實(shí)現(xiàn)不同廠商產(chǎn)品互聯(lián)、互操作

DCS系統(tǒng)的硬件、軟件甚至現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備都是各制造商自行研制開發(fā)的，不同廠商的產(chǎn)品由于通信協(xié)議的專有與不兼容，彼此難以互聯(lián)、互操作。而FCS的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備只要采用同一總線標(biāo)準(zhǔn)，不同廠商的產(chǎn)品既可互聯(lián)也可互換，并可以統(tǒng)一組態(tài)，從而徹底改變傳統(tǒng)DCS控制層的封閉性和專用性。FCS允許用戶選用各制造商性能價(jià)格比最優(yōu)的產(chǎn)品集成控制系統(tǒng)，因而具有很好的可集成性。103現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)（4）FCS增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性、可維護(hù)性

FCS采用總線連接方式替代傳統(tǒng)的DCS一對(duì)一的I/O連線，對(duì)于大規(guī)模的I/O系統(tǒng)來說，減少了DCS由接線點(diǎn)造成的不可靠因素。同時(shí)，數(shù)字化的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備替代模擬儀表，F(xiàn)CS具有現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的在線故障診斷、報(bào)警、記錄功能，可完成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)定、參數(shù)修改等工作，因而增強(qiáng)系統(tǒng)的可維護(hù)性。104現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)（5）FCS降低系統(tǒng)工程成本

FCS對(duì)于大范圍、大規(guī)模分布式控制系統(tǒng)來說，節(jié)省了電纜、I/O裝置及電纜敷設(shè)費(fèi)用。以每2～3臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)儀表接到一根電纜計(jì)算，平均可減少1/2到2/3的輸入輸出卡、輸入輸出柜和隔離器等。因此，現(xiàn)場(chǎng)總線儀表與控制室間的電纜連接和安裝等費(fèi)用估計(jì)可節(jié)約50％。1051.4.3現(xiàn)場(chǎng)總線的現(xiàn)狀及發(fā)展現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)的制定現(xiàn)有現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)（國際、國內(nèi)）現(xiàn)場(chǎng)總線發(fā)展中存在的問題現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)106現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)的制定標(biāo)準(zhǔn)化的重要性標(biāo)準(zhǔn)化是經(jīng)濟(jì)建設(shè)、科技進(jìn)步、國際貿(mào)易和社會(huì)發(fā)展的重要技術(shù)基礎(chǔ)。它不僅與人民生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)密切相關(guān)，也與國際貿(mào)易和科技合作的開展密切相關(guān)，標(biāo)準(zhǔn)化是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化大規(guī)模生產(chǎn)的重要保證，是規(guī)范市場(chǎng)秩序，連接國內(nèi)外市場(chǎng)的重要手段。因此，現(xiàn)場(chǎng)總線的標(biāo)準(zhǔn)，特別是國際標(biāo)準(zhǔn)受到了大家的重視。107制定標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)構(gòu)(一)世界上

國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO(InternationalStandard