《過程控制系統(tǒng)與儀表》第9章 計算機控制系統(tǒng)

過程控制系統(tǒng)與儀表第8章第9章計算機控制系統(tǒng)9.1概述在20世紀50年代數(shù)字計算機出現(xiàn)之初，有遠見的控制工程師便意識到計算機在自動控制領(lǐng)域具有極大地的發(fā)

潛力，并進行了積極的探索。1959年，美國在煉油廠實現(xiàn)計算機數(shù)據(jù)監(jiān)控，1962英國實現(xiàn)以計算機代替模擬調(diào)節(jié)器進行閉環(huán)控制的工業(yè)用。1975年，美國Honeywell和日本橫河電機株式會社分別推出新型的集散控制系統(tǒng)(DCS)TDC-2000和CENTUM。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章進入90年代，DCS又有新的發(fā)展，表面貼裝技術(shù)與專用集成電路（ASIC）使元件數(shù)量減少，可靠性提高；90年代以來，用戶和DCS生產(chǎn)廠家對系統(tǒng)的開放性和兼容性提出了更高的要求。普遍希望：①構(gòu)成系統(tǒng)的模塊規(guī)范化，通信協(xié)議完全開放；②各個廠家的系統(tǒng)及配套產(chǎn)品和備件相互兼容，可相互替代；③系統(tǒng)的建設(shè)投資和運營、維護費用相對封閉系統(tǒng)有所降低。而基于控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化和現(xiàn)場儀表數(shù)字化，智化的現(xiàn)場總線（Fieldbus）為滿足以上要求開辟了有效途徑。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章以現(xiàn)場總線技術(shù)為基礎(chǔ)的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS（FieldbusControlSystems）是以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的集散型控制系統(tǒng)。新型的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS用公開的、標

準化的通信網(wǎng)絡(luò)代替了集散型控制系統(tǒng)DCS的專用網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了廠商現(xiàn)場設(shè)備的兼容與互換性。它適應(yīng)了控制系統(tǒng)向分散化、網(wǎng)絡(luò)化、標準化和開放性的發(fā)展趨勢，是繼集散型控制系統(tǒng)DCS之后的新一代控制系統(tǒng)。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章直接數(shù)字控制（DDC）系統(tǒng)DDC系統(tǒng)的特點及組成1．DDC系統(tǒng)的特點直接數(shù)字控制系統(tǒng)簡稱DDC（Direct

DigitalControl）系統(tǒng)，就是用一臺工業(yè)計算機配以適當(dāng)?shù)妮斎胼敵鲈O(shè)備，從輸入通道獲取生產(chǎn)過程的信息，按照預(yù)先規(guī)定的控制算法計算出控制量，并通過輸出通道，直接作用于執(zhí)行器，實現(xiàn)對整個生產(chǎn)過程的控制。DDC系統(tǒng)能滿足不同生產(chǎn)過程的控制要求。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章當(dāng)系統(tǒng)控制要求發(fā)生變化時，可通過重新編制程序來適應(yīng)控制要求的改變，而不必進行大量硬件結(jié)構(gòu)改動。DDC系統(tǒng)的另一個優(yōu)點是易于實現(xiàn)各種比較復(fù)雜的控制規(guī)律及特殊的控制算法，如串級、前饋、選擇、大滯后補償?shù)瓤刂啤?．DDC系統(tǒng)的組成典型的過程計算機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示。除了被控過程、檢測儀表和執(zhí)行器之外，計算機系統(tǒng)（如圖中的虛線內(nèi)部分）可劃分為軟件和硬件兩大部分。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章過程控制系統(tǒng)與儀表第8章DDC系統(tǒng)硬件硬件是指計算機本身及其外圍設(shè)備硬件設(shè)備，包括

CPU、存儲器（RAM、ROM）各種接口電路、A／D轉(zhuǎn)換和D／A轉(zhuǎn)換構(gòu)成的模擬量I／O通道、數(shù)字量I／O通道及各種顯示、存儲設(shè)備、運行操作臺等。DDC系統(tǒng)軟件DDC系統(tǒng)的軟件是指計算機控制系統(tǒng)中具有各種功能的計算機程序總和。DDC系統(tǒng)的軟件從功能上可分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩大部分。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章系統(tǒng)軟件是由計算機制造商、通用系統(tǒng)軟件公司、以及過程控制系統(tǒng)制造廠商提供的，用來進行計算機資源管理的軟件，如操作系統(tǒng)、系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境等，用戶只需要掌握使用方法，并根據(jù)具體需要加以適當(dāng)?shù)恼{(diào)整即可。應(yīng)用軟件是用戶根據(jù)要解決的控制問題而編寫的具有專用功能的程序，應(yīng)用軟件的質(zhì)量直接影響控制系統(tǒng)的功能和效率。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章9.2.2

DDC系統(tǒng)的設(shè)計原則DDC系統(tǒng)的控制對象、控制功能與技術(shù)指標千變?nèi)f化，但基本的設(shè)計原則，主要有以下幾個方面。系統(tǒng)操作性能好,可靠性高,通用性強、便于擴充，實時性好、設(shè)計周期短、價格便宜。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程自1975年第一套集散式控制系統(tǒng)誕生到現(xiàn)在，DCS大致經(jīng)歷了三個發(fā)展階段。1．第一階段（初創(chuàng)期）1975～1980年是初創(chuàng)階段。世界各大公司紛紛推出自己的集散型控制系統(tǒng)，這一時期典型的DCS系統(tǒng)有

Honeywell的TDC——2000系統(tǒng)、Foxboro的Spectrum系統(tǒng)、Yokogawa（橫河）的CENTUM系統(tǒng)、Bailey公司的Network——90系統(tǒng)、Siemens的Teleperm

M系統(tǒng)等。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章第二階段（成熟期）1980～1985年的第二階段是DCS的成熟期。這期間伴隨著各種高新技術(shù)、特別是信息處理技術(shù)和計算機網(wǎng)絡(luò)術(shù)的飛速發(fā)展。第三階段（擴展期）1985年至今為DCS擴展期。這一階段，DCS系統(tǒng)把過程控制、監(jiān)督控制、管理調(diào)度有機地結(jié)合起來，并繼續(xù)強斷續(xù)控制功能。DCS的特點是系統(tǒng)功能綜合化和系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)開放性水平的不斷提高。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章9.3.2集散控制系統(tǒng)的基本組成與功能劃分集散控制系統(tǒng)雖然品種繁多，但其基本組成部分是相同的。一個典型的DCS如右圖所示，由分散執(zhí)行控制功能的現(xiàn)場控制站（FieldControlStation）和進行集中監(jiān)視、操作的操作站（Operator

Station）以及高速通信總線組成，基本結(jié)構(gòu)如下頁圖所示。集散控制系統(tǒng)的組成過程控制系統(tǒng)與儀表第8章過程控制系統(tǒng)與儀表第8章在DCS的結(jié)構(gòu)體系中，操作站位于控制站的上層，它通過通信總線與現(xiàn)場控制站交換信息。DCS中的通信網(wǎng)絡(luò)也是系統(tǒng)重要的組成部分。為保證通信的可靠性，DCS系統(tǒng)常采用多主站的令牌方式。這種方式可避免只有一個固定主站時，萬一主站發(fā)生故障引起全局通信癱瘓的危險。此外，在集散系統(tǒng)中還采用雙總線冗余結(jié)構(gòu)，確保通信的可靠性。通過配置網(wǎng)關(guān)（Gateway），將DCS的內(nèi)部通信總線與其它第三方控制設(shè)備控制網(wǎng)絡(luò)或信息管理網(wǎng)絡(luò)連接，組成更大的綜合控制與信息管理系統(tǒng)。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章9.3.3現(xiàn)場控制站現(xiàn)場控制站一般分散安裝在靠近生產(chǎn)現(xiàn)場的位置，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的采集與實時控制。即對過程輸入、輸出數(shù)據(jù)進行檢測與處理，用最新信息更新數(shù)據(jù)庫；根據(jù)最新的數(shù)據(jù)，按照一定的控制邏輯與算法形成相應(yīng)的控制命令，對生產(chǎn)過程進行控制。同時將相關(guān)信息上傳到操作站，并接受操作站下傳的控制指令。通過通信總線實現(xiàn)現(xiàn)場控制站之間的數(shù)據(jù)交換。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章9.3.3.1現(xiàn)場控制站的冗余結(jié)構(gòu)為了避免現(xiàn)場控制站發(fā)生故障對整個生產(chǎn)過程造成較大的影響，DCS從兩個方面采取措施。首先，從危險分散的角度，適當(dāng)限制了控制站的回路數(shù)目，將控制站發(fā)生故障的影響限制在有限的范圍；其次，在可靠性要求高的場合，對控制站所有關(guān)鍵部分，從運算控制單元（CPU）、輸入輸出接口卡、電源，到站內(nèi)數(shù)據(jù)總線，都采取雙重化冗余備用措施。在連續(xù)生產(chǎn)過程中，測控工作不能停頓，現(xiàn)場控制站的備用裝置必須始終處于運轉(zhuǎn)（熱備）狀態(tài)，一面進行自診斷，一面監(jiān)視對方工作是否正常，并不斷更新自己的數(shù)據(jù)庫，這種方式稱為雙工熱備待機方式。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章如果當(dāng)前工作的裝置發(fā)生故障，處于熱備狀態(tài)的備用裝置能立即無中斷、平滑的投入運行。下面以CENTUM—XL系統(tǒng)的雙重化現(xiàn)場控制站

CFCD2為例，簡單說明現(xiàn)場控制站雙工熱備工作原理。CFCD2機柜的上部為運算控制單元，下面可以安裝5個I／O插件箱，每箱內(nèi)雖可插8塊接口卡，但供控制用的8輸入8輸出模擬量信號接口卡MAC2只能插2塊（若不要備用，均只能插1塊），用于最重要的控制回路。過程控制系統(tǒng)與儀儀表表第第88章章在右圖中，首先對運算控制部分及其電源進行雙工熱備；其次，對HF總線、總線通信耦合器、站內(nèi)總線，以及I／O插件箱內(nèi)的關(guān)鍵部分，即插件箱電源、站內(nèi)通信卡，以及最重要的I／O接口卡進行雙重化。CENTUM—XL系統(tǒng)CDFC2現(xiàn)場工作站的雙重化結(jié)構(gòu)過程控制系統(tǒng)與儀表第8章為了說明這種雙重化設(shè)備的切換方法，下面以MAC2模塊為例進行討論。MAC2是8輸入、8輸出模擬量接口模塊，其并聯(lián)工作的原理如下頁CENTUM—XL系統(tǒng)CDFC2現(xiàn)場工

作站的雙重化結(jié)構(gòu)圖所示。兩個MAC2模塊（No1、No2）的輸入輸出電路與變送器、執(zhí)行器并聯(lián)相接。從變送器來的4～20mA信號變?yōu)?～5V電

壓后，經(jīng)過濾波電路、多路轉(zhuǎn)換開關(guān)、A／D轉(zhuǎn)換器，變成數(shù)字量存人數(shù)據(jù)庫，然后經(jīng)站內(nèi)總線接口，傳送到上部的運算控制單元，作為輸入數(shù)據(jù)參加運算；運算結(jié)束后，數(shù)據(jù)經(jīng)站內(nèi)通信總線又送回MAC2插件，經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換器及多路轉(zhuǎn)換開

關(guān)后，送至輸出電路，驅(qū)動執(zhí)行器。過程程控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)與與儀儀表表第第88章章CENTUM—XL

系統(tǒng)CDFC2現(xiàn)場工作站的雙重化結(jié)構(gòu)過程控制系統(tǒng)與儀表第8章MAC2的輸出電路主要由運算放大器和晶體管組

成的V／I轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成，由D／A轉(zhuǎn)換器輸出的模擬量電壓加在運算放大器的同相輸入端；借助于強烈的

電流負反饋，將此電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?～20mA的電流輸出。為了核實該電流是否存在，利用輸入多路開關(guān)及A／

D轉(zhuǎn)換器，將反映輸出電流大小的運算放大器反相輸入端電壓讀回來。如果發(fā)現(xiàn)該電流的數(shù)值不準確，

或因回路斷線而沒有電流，通過雙重化控制電路立

即自動切換到備用的MAC2。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章從上圖的輸出電路可看出，兩個并聯(lián)的MAC2模塊

內(nèi)，對應(yīng)的回路中都有相同的4～20mA電流存在；但是否向外輸出，取決于接在輸出晶體管發(fā)射極電路中的開關(guān)管狀態(tài)，而后者又決定于雙重化控制電路驅(qū)動的RS觸發(fā)器。若RS觸發(fā)器的狀態(tài)使上面模塊內(nèi)的開關(guān)管處于開斷狀態(tài)，下面插件內(nèi)的開關(guān)管處于導(dǎo)通狀態(tài)，則外電路電流由上面的模塊供給，下面模塊內(nèi)的4～20mA電流直接接地。當(dāng)RS觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)時，利用上述全面的雙重化備用，可保證多回路控制器的可靠性不低于單回路控制器過程控制系統(tǒng)與儀表第8章CFCD2型現(xiàn)場控制站內(nèi)輸入輸出插件箱的具體結(jié)構(gòu)如左圖所示。其右邊4個插槽作為公用部分，2個槽插電源模塊，2個槽插站內(nèi)通信模塊。如果不需要雙重化熱備，電源和通信模塊只插1塊即可。在CFCD2型現(xiàn)場控制站中，最多可處理開關(guān)量輸入輸出信號512點及相近數(shù)量的模擬量信號最多可生成的內(nèi)部控制儀表255個，可執(zhí)行的順序控制表格(32輸入、32輸出)共40張，其規(guī)模相當(dāng)大。當(dāng)使用10～20個CFCD2型現(xiàn)場控制站組成系統(tǒng)時，可實現(xiàn)上千個反饋回路和上萬個開關(guān)量的分散控制與集中管理。現(xiàn)場控制站的I/O插件箱過程控制系統(tǒng)與儀表第8章DCS現(xiàn)場控制站功能框圖9.3.3.2現(xiàn)場控制站的功能現(xiàn)場控制站功能框圖如右圖所示。與單回路控制儀表相比，

除反饋控制功能、運算功能、報

警功能、通信功能更加充實之外，最主要的特點是順序控制大大增

強?，F(xiàn)場控制站內(nèi)的順序控制，除能按常規(guī)的開關(guān)條件切換外，還包含各種定時器、計數(shù)器、算術(shù)運式、邏輯關(guān)系運算式等，能自動監(jiān)視連續(xù)量的變化。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章為了繼承用單塊儀表構(gòu)成系統(tǒng)的概念，DCS將一些常用的功能子程序組成標準功能模塊，稱為內(nèi)部儀表?，F(xiàn)場控制站中的內(nèi)部儀表與單回路控制器不同，現(xiàn)場控制站中將一些控制儀表所共有的運算和處理歸并在內(nèi)部儀表的功能之內(nèi)，如下圖所示。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章過程控制系統(tǒng)與儀表第8章9.3.4

DCS操作站功能集散控制系統(tǒng)的操作站主要有三大功能，即以系統(tǒng)生成、維護為主的工程功能；以監(jiān)視、運行、記錄為主的操作功能；與現(xiàn)場控制站和上位計算機交換信息的通信功能以及運行數(shù)據(jù)文件的存儲、管理功能。DCS的工程功能通過工程師站實現(xiàn)，操作功能由操作員站實現(xiàn)。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章工程師站與操作員站共同組成DCS操作站。在規(guī)模較小的DCS和早期的DCS中，由中央計算機同時承擔(dān)工程師站和操作員站的職能，通過設(shè)置工程師密碼賦予工程師進行系統(tǒng)生成、維護和系統(tǒng)管理功能等工程功能，必要時可配置專門的工程師鍵盤和CRT以方便監(jiān)視和操作；通過設(shè)置操作員密碼限制操作員的操作權(quán)限。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章1．工程師站的功能1）系統(tǒng)組態(tài)系統(tǒng)組態(tài)就是生成和變更操作員站和現(xiàn)場控制站的功能。通過填寫標準工作本，由組態(tài)工具軟件將工作單顯于屏幕上，用會話方式實現(xiàn)功能的生成和變更。組態(tài)內(nèi)包括操作站功能組態(tài)、現(xiàn)場控制站功能組態(tài)和用戶自定功能組態(tài)等。操作站組態(tài)包括操作站的規(guī)格指定、信號點數(shù)指定及其它一些共同的規(guī)定；然后定義操作站的標準功能，如面編號、工位號、信息編號、標準功能鍵等站內(nèi)自身的準信息；用戶需要定義功能，如某些功能鍵、指定畫面報表格式等。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章現(xiàn)場控制站組態(tài)用來生成和變更站內(nèi)反饋控制功能、順序控制功能和監(jiān)控功能等。不同類型DCS的控制站都有專用的組態(tài)軟件。集散系統(tǒng)中有些專用功能由用戶定義，例如，流程畫面生成、畫面分配和報表格式等。在對用戶定義的功能進行組態(tài)時，用戶可根據(jù)具體內(nèi)容借助于組態(tài)工具軟件自行組態(tài)。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章系統(tǒng)測試測試功能用來檢查組態(tài)后系統(tǒng)的工作情況，內(nèi)容包括對反饋控制回路的測試和對順序控制狀態(tài)的測試。系統(tǒng)維護系統(tǒng)維護是對系統(tǒng)作定期檢查或更改、生成的組態(tài)文件存儲、數(shù)據(jù)恢復(fù)等。系統(tǒng)管理主要是對系統(tǒng)文件的管理。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章2．操作員站功能畫面顯示和運行操作是操作員站的基本功能。操作人員通過各種畫面的顯示、切換以及功能鍵、鼠標、觸摸屏的操作，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程正常運行的監(jiān)視與操作管理。為滿足運行操作的要求，集散控制系統(tǒng)的操作站上都備有總貌畫面、分組畫面、回路調(diào)整畫面、報警畫面、趨勢分組畫面五種標準畫面，此外，還能根據(jù)用戶的不同特點，生成各種流程圖畫面及工藝數(shù)據(jù)匯總畫面等。下面以一個中型DCS的操作站為例，說明這些畫面在監(jiān)視和操作中的作用。過程控制制系系統(tǒng)統(tǒng)與與儀儀表表第第88章章1）總體畫面:這是為掌握生產(chǎn)過程總體狀設(shè)計

顯示畫面，如下圖所示。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章2）控制組畫面如下圖所示，畫面上可顯示一組內(nèi)部儀表，對每個儀表都采取數(shù)字和模擬兩種方式顯示。數(shù)字方式給出了PV、SV、MV的精

確數(shù)值及單位，模擬方式的棒圖顯示直觀明了。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章3）回路調(diào)整畫面隨著對生產(chǎn)過程的了解由全局向局部深人，需要對單個儀表進行細致的觀測和調(diào)整，這種以儀表為單位的回路顯示畫面如右圖所示。畫面上

可詳盡地列出該儀表的全部數(shù)據(jù)，并可用光標指定需要更改的參數(shù)后，用操作鍵盤進行數(shù)據(jù)設(shè)定。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章4）趨勢畫面:對過程量變化曲線的顯示，即所謂趨勢顯示，過程控制系統(tǒng)與儀表第8章5）報警畫面下圖是操作站上顯示的，按發(fā)生時間先后排列的順序報警畫面。其中最新發(fā)生的報警在最上面的一行，按發(fā)生的序向下排列，當(dāng)超過畫面上允許的行數(shù)時，送入后面的頁面。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章6）流程圖畫面，目前動態(tài)的流程圖畫面是CRT操作中最受歡迎，使用頻

度最高的一種畫面。由于生產(chǎn)過程的多樣性，流程圖畫面難以做成標準模式。為此，操作站為用戶提供這類圖形的生成手段和標準圖庫，用戶可根據(jù)生產(chǎn)情況和自己的習(xí)慣，生成各具特色的畫面。如下圖所示。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章在CRT操作中有兩個值得注意的問題，這就是快速性和抗誤操作性。快速性是指畫面的轉(zhuǎn)換和過程操作要快。為此，一方面提高CRT的畫面更新速度，例如把畫面更新時間縮短到1s之內(nèi)，另一方面優(yōu)化關(guān)聯(lián)畫面的編排，使操作者在某個畫面上發(fā)現(xiàn)問題后，能快速找到與其密切相關(guān)的其它畫面。并簡化操作步驟，力求實現(xiàn)1鍵操作。由于集散系統(tǒng)具有順序控制功能，易于實現(xiàn)以1鍵動作代替一連串的鍵盤操作。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章但在操作簡化的同時，又出現(xiàn)了另一個問題，即如何防止因誤操作引起嚴重后果。為此，首先將鍵盤功能按使用人員的職責(zé)范圍劃分等級，以密碼或鑰匙限制越權(quán)操作，保證像系統(tǒng)生成、回路構(gòu)成等功能不會被不允許的人員誤操作。對一些關(guān)系重大的操作，系統(tǒng)必須要求操作員反復(fù)確認后才執(zhí)行，對明顯不合理的指令，系統(tǒng)應(yīng)拒絕執(zhí)行，以防止因誤操作而引起嚴重后果。為此首先將鍵盤功能按使用人員的職責(zé)范圍劃分等級，以密碼或鑰匙限制越權(quán)操作，保證像回路構(gòu)成等軟件不會被無關(guān)人員的誤操作所破壞。此外，對一些關(guān)系重大的操作，必須要求操作員反復(fù)確認后才執(zhí)行，對明顯不合理的指令，系統(tǒng)應(yīng)拒絕執(zhí)行。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章過程控制系統(tǒng)與儀表第8章9.3.5

DCS的通信網(wǎng)絡(luò)DCS通過分布在現(xiàn)場的控制站實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制，通過操作站進行集中監(jiān)視和操作管理，達到實時了解生產(chǎn)的總體狀況，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程全面監(jiān)控與管理的目的。只有將現(xiàn)場控制站和操作站通過通信網(wǎng)絡(luò)連接起來，才能實現(xiàn)上述目標。DCS的現(xiàn)場控制站和操作站在空間上總是分布在一定區(qū)域之內(nèi)，它的通信網(wǎng)絡(luò)是一個局部網(wǎng)絡(luò)。DCS局部網(wǎng)與一般辦公系統(tǒng)的局部網(wǎng)絡(luò)不同，要求實時響應(yīng)迅速、能適應(yīng)惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境、具有開放性等，對網(wǎng)絡(luò)的可靠性要求很高。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章1．DCS的網(wǎng)絡(luò)形式：兩種右圖所示為主—從通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。其中主站一般是微型計算機或大型工作站，負責(zé)處理網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的網(wǎng)絡(luò)通信指揮任務(wù)；從站或稱從屬設(shè)備，多為現(xiàn)場控制設(shè)備如可編程控制器、現(xiàn)場控制站等。在主—從通信網(wǎng)絡(luò)中，主站采用獨立訪問每個從屬設(shè)備的方式，實現(xiàn)主設(shè)備和被訪問從屬設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳送，從屬設(shè)備之間不能直接通信。主—從網(wǎng)絡(luò)具有整體控制網(wǎng)絡(luò)通信的優(yōu)點，缺點是整個系統(tǒng)內(nèi)的通信全部依賴于主站。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章在同等—同等通信網(wǎng)絡(luò)中，每個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都有要求使用與控制網(wǎng)絡(luò)的權(quán)力，能夠發(fā)送或訪問其它網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的信息。Peer

tPeer通信網(wǎng)絡(luò)如下圖所示。這種通信方式也稱為接力式或令牌式系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)的控制權(quán)力可以看作是一個設(shè)備到另一個設(shè)備的接力或令牌式傳遞。其特點正好與主—從系統(tǒng)相反。由于每個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都有權(quán)控制網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信，控制權(quán)該由哪個設(shè)備占用、占用多長時間以及網(wǎng)絡(luò)上通信的類別等實現(xiàn)起來既復(fù)雜又困難，優(yōu)點是一個或幾個設(shè)備發(fā)生故障時，并不影響整個通信網(wǎng)絡(luò)的正常運行。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章2．通信網(wǎng)絡(luò)的硬件構(gòu)成通信網(wǎng)絡(luò)主要由兩部分組成：傳輸電纜、光纜（或其它媒介）和接口電子設(shè)備。接口電子設(shè)備通

常稱為鏈路接口單元（或稱調(diào)制解調(diào)器、網(wǎng)絡(luò)適配

器等），其的功能是控制數(shù)據(jù)交換、傳送存取等。

DCS通信控制的典型功能包括：誤碼檢驗、數(shù)據(jù)鏈

路控制管理以及與可編程控制器、控制單元或計算

機之間的通信協(xié)議的處理等。DCS的網(wǎng)絡(luò)要在惡劣

的工業(yè)環(huán)境中運行，所以調(diào)制解調(diào)器都規(guī)定在特定

的頻率下通信，最大限度地減少干擾造成傳送誤差。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章3．通信網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)1）星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)右圖所示的星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)屬

于主——從形式的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。網(wǎng)

絡(luò)中各主、從站之間鏈路專用，

傳輸效率高，通信簡單。但主站

承擔(dān)全部信息的協(xié)調(diào)與傳輸，一

旦發(fā)生事故，系統(tǒng)通信立即中斷。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章2）樹形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)右圖所示的樹形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，適用于分級管理和控制系統(tǒng)。與星形結(jié)構(gòu)相比，由于通信線路總長度較短，故成本低，易推廣，但結(jié)構(gòu)較星形復(fù)雜。網(wǎng)絡(luò)中任一節(jié)點或連線的故障均影響其所在支路網(wǎng)絡(luò)的正常工作。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章3）環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)首尾相連成環(huán)形。網(wǎng)絡(luò)信息的傳送是從始發(fā)站經(jīng)過其余各站最后又回到始發(fā)站。數(shù)據(jù)傳輸方向可單向也可雙向，環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，掛接或摘除處理設(shè)備容易，但是若節(jié)點處理器或數(shù)據(jù)通道有障礙時會影響整個系統(tǒng)。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章4）總線型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)右圖所示為總線型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中所有節(jié)點通過接口連接到一條數(shù)據(jù)通道（總線）上，節(jié)點發(fā)送到總線的數(shù)據(jù)同時被所有節(jié)點所接收，但每個節(jié)點只接收以本節(jié)點為目的地址的數(shù)據(jù)。每次只允許一臺設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣就需要按一定訪問方法來決定哪一個節(jié)點占有網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)可大可小，易于擴展。若某一設(shè)備發(fā)生故障，不會影響整個系統(tǒng)。這種結(jié)構(gòu)是目前廣泛應(yīng)用的一種形式。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章5）復(fù)合形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在一些規(guī)模較大的DCS中，

為了提高其實用性，常常將幾種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)合理地組合起來運用于一個系統(tǒng)，充分發(fā)揮各自的長處。右圖所示為環(huán)形網(wǎng)絡(luò)與總線網(wǎng)絡(luò)的復(fù)合。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章4．通信協(xié)議隨著通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴大和功能的提高，對數(shù)據(jù)通信規(guī)格有了規(guī)范化的要求。如果數(shù)據(jù)規(guī)格不按照一定的規(guī)范編制，接收端無法正確理解所收到的信息并加以利用。這種在網(wǎng)絡(luò)上定義數(shù)據(jù)資料傳輸規(guī)范的協(xié)議就稱為通信協(xié)議。DCS中采用的通信協(xié)議有IEEE802標準、MAP

標準和PROWAY標準等。其中應(yīng)用最多的是

IEEE802標準。關(guān)于這些通信協(xié)議的具體內(nèi)容可參考有關(guān)的技術(shù)標準。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章5．典型DCS的通信網(wǎng)絡(luò)TDC3000系統(tǒng)TDC3000有三種通信網(wǎng)絡(luò)：工廠控制網(wǎng)絡(luò)（PCN）、局部控制網(wǎng)絡(luò)（LCN）、通用控制網(wǎng)絡(luò)（UCN）和高速數(shù)據(jù)通道（Data

Hiway）。前三者均為局域網(wǎng)，通信特性相同。后者用來支持設(shè)備間點對點的通信及資源共享。CENTUM系統(tǒng)CENTUM系統(tǒng)有兩種通信網(wǎng)絡(luò)：用于控制級通信的HF總線和用于管理級通信的SV—NET總線。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章HF總線采用同軸電纜作為傳輸介質(zhì)，傳輸距離為l～2km，也可經(jīng)光適配器同光纖通信系統(tǒng)一起使用，傳輸距離可達20km。通信采用PROWAY標準，介質(zhì)存取方式為

令牌總線。信息傳送采用循環(huán)冗余碼校驗技術(shù)，確保安傳送，每條HF總線可接32個設(shè)備。SV—NET總線與HF總線的區(qū)別是通信協(xié)議采用MAP標準。傳送標準距離為500m，總線最多可接100個設(shè)備。其它技術(shù)性能與HF總線相同。CENTUM系統(tǒng)的兩個總線可以直接構(gòu)成兩級計算機控制和管理系統(tǒng)，并可通過網(wǎng)橋（Gateway）與其它網(wǎng)絡(luò)相連。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章9.3.6

DCS的發(fā)展趨勢①DCS的開放化③DCS規(guī)模多樣化②DCS的集成化程度提高④DCS系統(tǒng)軟件更加豐富完善DCS的順序控制功能增強并與PLC兼容⑥D(zhuǎn)CS的現(xiàn)場總線標準化⑦DCS將不斷采用新技術(shù)⑧DCS與計算機集成制造系統(tǒng)過程控制系統(tǒng)與儀表第8章?lián)P子石化過程控制系統(tǒng)與儀表第8章?lián)P子石化過程控制系統(tǒng)與儀表第8章9.4現(xiàn)場總線技術(shù)與現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線發(fā)展及幾種主要的現(xiàn)場總線技術(shù)現(xiàn)場總線技術(shù)及其通信模型1．現(xiàn)場總線的發(fā)展按照現(xiàn)場總線基金會的定義，所謂現(xiàn)場總線就是連接智能測量與控制設(shè)備的全數(shù)字式、雙向傳輸、具有多節(jié)點分支結(jié)構(gòu)的通信鏈路。一種應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場，在現(xiàn)場設(shè)備之間、現(xiàn)場設(shè)備與控制裝置之間進行雙向、串行、多節(jié)點、數(shù)字式的數(shù)據(jù)交換的通信技術(shù)。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章1994年，世界兩大現(xiàn)場總線組織ISPF和WorldFIP合并，成立現(xiàn)場總線基金會，簡稱FF（FieldbusFoundtion），總部設(shè)在美國得克薩斯州的Austin。以現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)的全數(shù)字控制系統(tǒng)成為21世紀自動化控制系統(tǒng)的主流。目前世界發(fā)達國家的自動化儀表公司都以巨大的人力和財力投入，全方位地進行技術(shù)研究和實際應(yīng)用。由于現(xiàn)場總線是以開放的、獨立的、全數(shù)字化的雙向多變量通信代替4～20mA的現(xiàn)場儀表，實現(xiàn)全數(shù)字化的控制系統(tǒng)，因此其標準化至關(guān)重要。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章1）開放系統(tǒng)互連參考模型計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)（NetworkArchitecure）是計機網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)模型和各層次協(xié)議的集合。國際標準化織ISO（InternationalStandardizationOrganization國際電工委員會IEC（International

ElectrotechnicalCommittee）于1978年共同建立聯(lián)合技術(shù)委員會ISO／IEJTCI，提出一個試圖使各種計算機在世界范圍內(nèi)互連成的標準框架，為保持相關(guān)標準的一致性和兼容性提供共的參考，這就是開放系統(tǒng)互連參考模型OSI/RM

（OpenSystem

Interconnection／Reference

Model），也稱ISOSI模型，并于1983成為正式國際標準ISO

7498。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章OSI將整個通信功能按照以下原則：網(wǎng)中各結(jié)點都有相同的層次，相同的層次具有相同的功能；同一結(jié)點相鄰層之間通過接口通信；每一層使用下層提供的服務(wù)，并向上層提供服務(wù)；

不同結(jié)點的同等層按照協(xié)議實現(xiàn)對等層之間的通信。劃分為七個層次，如下頁圖所示。過過程程控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)與與儀儀表表第第88章章ISO/OSI參考模型過程控制系統(tǒng)與儀表第8章OSI參考模型解決了不同計算機之間的通信問題。不管差異多大，只要它們具有下列共同之處：*完成同樣的通信功能；*通信功能可劃分相同的層次，同等層提供相同的功能，實現(xiàn)功能的方法可以不同；*同等層遵守公用協(xié)議。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章2）現(xiàn)場總線通信結(jié)構(gòu)模型工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場存在大量傳感器、執(zhí)行器，分布范圍較大。由這些節(jié)點組成的底層控制網(wǎng)絡(luò)中，單個節(jié)點的信息量不大，信息傳輸任務(wù)簡單，但對實時性、可靠性要求高。如果按照ISO／OSI參考模型的七層模式，層間操作與轉(zhuǎn)換復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)接口的造價與時間開銷顯得過高。為滿足實時性要求，也為了實現(xiàn)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的低成本，現(xiàn)場總線采用的通信模型大都在ISO／OSI模型的基礎(chǔ)上進行了不同程度的簡化。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章一個典型的IEC/ISA現(xiàn)場總線通信結(jié)構(gòu)模型如圖所示。它采用簡化的ISO／OIS模型，僅保持了其中的三個典型層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層，而將省去中間3～6層的必要功能，通過其它機制并入第七層及第二層。該模型具有結(jié)構(gòu)簡單、執(zhí)行協(xié)議直觀、價格低廉等優(yōu)點，也滿足工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用的性能要求，其流量與差錯控制在數(shù)據(jù)鏈路層中進行，因而與OSI模型不完全一致。IEC/ISA現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)模型過程控制系統(tǒng)與儀表第8章9.4.1.2幾種主要的現(xiàn)場總線技術(shù)①基金會現(xiàn)場總線FF基金會現(xiàn)場總線FF系統(tǒng)是為適應(yīng)自動化系統(tǒng)、特別是過程自動化系統(tǒng)在功能、環(huán)境與技術(shù)上的需要而專門設(shè)計的。它可以工作在工廠生產(chǎn)的現(xiàn)場環(huán)境下，能適應(yīng)本征安全防爆的要求，還可通過傳輸數(shù)據(jù)的總線為現(xiàn)場設(shè)備提供工作電源。FF總線標準是開放的，無專利許可要求。通過FF總線，可將現(xiàn)場設(shè)備與其它控制監(jiān)視設(shè)備組成分布式自動化系統(tǒng)。這些設(shè)備應(yīng)遵循相同的協(xié)議規(guī)范，在產(chǎn)品開發(fā)期間通過一致性測試，確認產(chǎn)品與協(xié)議規(guī)范的一致性過程控制系統(tǒng)與儀表第8章當(dāng)不同制造商的產(chǎn)品連接到同一網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)時，作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的各設(shè)備間可實現(xiàn)互操作，同時，還容許不同廠商生產(chǎn)的相同功能的設(shè)備之間進行相互替換。②過程現(xiàn)場總線ProfibusProfibus是一種不依賴于廠家的開放式現(xiàn)場總線標準，可廣泛應(yīng)用于制造加工、過程自動化和建筑自動化領(lǐng)域。采用Profibus標準的系統(tǒng)，不同廠商所生產(chǎn)的設(shè)備無須對其接口進行特別調(diào)整就可進行通信。Profibus用于對時間苛求的高速數(shù)據(jù)傳輸，也可用于大范圍的復(fù)雜通信場合。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章③HART現(xiàn)場總線HART（Highway

Addressable

Remote

Transducer尋址遠程傳感器變速通道）的特點是在現(xiàn)有模擬信號傳輸線上實現(xiàn)數(shù)字信號傳輸，屬于模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉(zhuǎn)變過程中的過渡性產(chǎn)品。因而在過渡時期具有較強的市場競爭能力，得到了較快發(fā)展。④World

FIP現(xiàn)場總線WorldFIP具有單一的總線，可用于過程控制及離散控制；沒有任何網(wǎng)橋或網(wǎng)關(guān)，通過軟件解決低速傳輸和速傳輸部分之間的銜接問題；并有比較完整的系列產(chǎn)品已準備與互聯(lián)網(wǎng)連接。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章WorldFIP一方面保持其獨立的的產(chǎn)品地位，首先使己成為歐洲標準，并推出產(chǎn)品，占領(lǐng)市場；同時做好準一旦IEC標準通過，立即與IEC靠攏。⑤控制器局域網(wǎng)總線CANCAN（ControllerArea

Network）即控制器局域網(wǎng)絡(luò)主要用于過程監(jiān)測及控制。CAN具有很高的可靠性和卓

越的性能，特別適合于工業(yè)過程監(jiān)控設(shè)備的互連，日益到工業(yè)界的重視，并成為幾種主要的現(xiàn)場總線之一。

CAN屬于總線型結(jié)構(gòu)，采用同步、串行、多主、雙向通

信數(shù)據(jù)塊的通信方式，不分主從，網(wǎng)絡(luò)上每一個節(jié)點都以主動發(fā)送信息，可以很方便地構(gòu)成多機備份。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章⑥LonWorks總線LonWorks總線采用了ISO／OSI模型的全部7層通信協(xié)議，采用了面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法。它把單個分散的測量控制設(shè)備變成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)集散控制。通過網(wǎng)絡(luò)變量把網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計簡化為參數(shù)設(shè)置，其通信速率從300kbps至1.5Mbps不等，直接通信距離可達2700m（雙絞線）；支持雙絞線、同軸電纜、光纖、射頻、紅外線和電力線等多種通信介質(zhì)，并開發(fā)了相應(yīng)的安全防爆產(chǎn)品。LonWorks所采用的Lon

Talk協(xié)議被封裝在稱

為Neuron的神經(jīng)元芯片中而得以實現(xiàn)。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章9.4.2

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)及其特點1．現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線技術(shù)構(gòu)成的控制系統(tǒng)稱為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCSFieldbusControlSystem）。一個最簡單的單回路控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成元素包括測量變送單元、控制

算單元、操作執(zhí)行單元，將這些基本元素與被控過程按

定要求連接起來，就構(gòu)成一個簡單而完整的控制系統(tǒng)。

場總線控制系統(tǒng)也是由這幾個最基本的部分組成，其特

是它的控制單元在物理位置上可與測量變送單元及操作

行單元合為一體，可以在現(xiàn)場構(gòu)成完整的基本控制系統(tǒng)

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)將通信總線延伸到現(xiàn)場的變送器、執(zhí)

器，它們都掛接在通信總線上，如下頁圖所示。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng)與儀表第8章現(xiàn)場單元具備通信能力，多個現(xiàn)場智能設(shè)備可構(gòu)成多個變量參與的復(fù)雜控制系統(tǒng)與精確測量系統(tǒng)；另外，現(xiàn)場設(shè)備及儀表具備數(shù)字通信能力，不僅可以傳遞測量數(shù)據(jù)信息，也可以傳遞設(shè)備標識、運行狀態(tài)、故障診斷等信息，因而可以實現(xiàn)智能儀表設(shè)備資源的在線管理。FCS中，原先由控制器