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1、第九单元 计算机控制系统电子教案Network Optimization Expert Team关键词：关键词：集散控制系统结构及组成、现场总线控制系统、PLC控制系统。学习目标：学习目标：知识目标：知识目标：了解计算机控制系统组成及特点；掌握集散控制系统组成及结构；掌握计算机控制系统方案的确定方法和投运步骤。能力目标：能力目标：能熟练进行典型集散控制系统的硬件及软件组态；会确定计算机系统控制方案并正确投运。第九单元第九单元 计算机控制系统计算机控制系统Network Optimization Expert Team 一个计算机控制系统由被控对象、检测仪表、执行器、控制计算机组成。由于工业控制
2、计算机的特点，计算机控制系统具有以下特性及要求。一、环境适应性强一、环境适应性强 控制计算机应能够在环境温度为4640C，相对湿度不大于95%，有少量粉尘、震动、电磁场、腐蚀性气体等干扰因素的环境下工作。二、控制实时性好二、控制实时性好 计算机控制系统是一个实时控制系统。要求控制计算机能对生产过程随机出现的问题及时进行处理，否则可能造成生产过程的破坏。另外，为了及时地向运行管理人员反映生产过程的状态，控制计算机采集的参数和状态也要求及时地通过CRT集中地显示出来。为此，控制计算机应配备实时时钟和完善的中断系统，在实时操作系统的管理下进行工作。三、运行可靠性高三、运行可靠性高四、有完善的人机联系
3、方式四、有完善的人机联系方式五、有丰富的软件五、有丰富的软件9-1 计算机控制系统计算机控制系统 概述概述Network Optimization Expert Team集散控制系统（Distributed Control System）是以微处理器为基础的对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的集中分散控制系统。简称为DCS 系统。该系统将若干台微机分散应用于过程控制，全部信息通过通信网络由上位管理计算机监控，实现最优化控制，整个装置继承了常规仪表分散控制和计算机集中控制的优点，克服了常规仪表功能单一、人机联系差以及单台微型计算机控制系统危险性高度集中的缺点，既在管理、操作和显示三方面
4、集中，又在功能、负荷和危险性三方面分散。集散系统综合了计算机技术、通信技术、过程控制技术和显示技术（简称4C技术），在现代化生产过程控制中起着重要的作用。9-2 集散型控制系统集散型控制系统Network Optimization Expert Team一、集散控制系统的基本组成和特点一、集散控制系统的基本组成和特点（一）集散控制系统的基本组成图图9-2 集散控制系统基本构成集散控制系统基本构成集散控制系统通常由过程控制单元、过程输入/输出接口单元、CRT显示操作站、管理计算机和高速数据通路等五个主要部分组成。其基本结构如图92所示。1过程输入过程输入/输出接口输出接口过程输入/输出接口又称数
5、据采集装置（采集站），主要是为过程非控变量专门设置的数据采集系统，它不但能完成数据采集和预处理，而且还可以对实时数据进一步加工处理，供CRT操作站显示和打印，实现开环监视，也可以通过通信系统将所采集到的数据传输到监控计算机。在有上位机的情况下，它还能以开关量和模拟信号的方式，向过程终端元件输出计算机控制命令。9-2 集散型控制系统集散型控制系统Network Optimization Expert Team2过程控制单元过程控制单元过程控制单元又称现场控制单元或基本控制器（或闭环控制站），是集散控制系统的核心部分，主要完成连续控制、顺序控制、算术运算、报警检查、过程I/O、数据处理和通信等功能
6、等。该单元在各种集散控制系统中差别较大。3CRT操作站操作站CRT操作站是集散控制系统的人机接口装置，普遍配有高分辨率、大屏幕的色彩CRT、操作者键盘、工程师键盘、打印机、硬拷贝机和大容量存储器。操作员可通过操作者键盘在CRT显示器上选择各种操作和监视用的画面、信息画面和用户画面等；控制工程师或系统工程师利用工程师键盘实现控制系统组态、操作站系统的生成和系统的维护。4高速数据通路高速数据通路高速数据通路又称高速通信总线、公路等，实际是一种具有高速通信能力的信息总线，一般采用双绞线、同轴电缆或光导纤维构成。5管理计算机管理计算机管理计算机又称上位计算机，它功能强、速度快、存储容量大。9-2 集散
7、型控制系统集散型控制系统Network Optimization Expert Team（二）集散控制系统的特点（二）集散控制系统的特点 集散控制系统采用分级梯阶结构，实现系统功能分散、危险分散、提高可靠性、强化系统应用灵活性、降低投资成本、便于维修和技术更新等功能目的。分级梯阶结构通常分为四级，如图91所示：第一级为现场控制级，根据上层决策直接控制过程或对象；第二级为过程控制（管理）级，根据上层给定的目标函数或约束条件、系统辨识的数学模型得出优化控制策略，对过程控制进行设定点控制；第三级为生产管理级，根据运行经验，补偿工况变化对控制规律的影响，维持系统在最佳状态运行；第四级为工厂管理级，其任
8、务是决策、计划、管理、调度于协调，根据系统总任务或总目标，规定各级任务并决策协调各级任务。9-2 集散型控制系统集散型控制系统Network Optimization Expert Team图图9-1 集散控制系统功能分层图集散控制系统功能分层图Network Optimization Expert Team二、集散控制系统的结构与功能二、集散控制系统的结构与功能 现场控制站、CRT操作站（操作员站、工程师站）是集散系统的基本组成部分，起到“集中监视和集中管理，分散控制”的作用。现场控制站 现场控制站是完成对过程现场I/O信号处理，并实现直接数字控制（DDC）的网络节点。1现场控制站的功能现场
9、控制站的功能（1）将各种现场发生的过程变量进行数字化，并将这些数字化后的量存放在存储器中。形成一个与现场过程变量一致的、并按实际运行情况实时地改变和更新现场过程变量的实时映像。（2）将本站采集到的实时数据通过网络送到操作员站、工程师站及其他现场I/O控制站，以便实现全系统范围内的监督和控制，现场I/O控制站还可接收由操作员站、工程师站下发的信息，以实现对现场的人工控制或对本站的参数设定。（3）在本站实现局部自动控制、回路的计算及闭环控制、顺序控制等，这些算法一般是一些经典的算法，也可是非标准算法、复杂算法等。9-2 集散型控制系统集散型控制系统Network Optimization Expe
10、rt Team2现场控制站的结构现场控制站的结构 现场控制站可以远离控制中心，安装在靠近过程区现场控制站可以远离控制中心，安装在靠近过程区的地方，以消除长距离传输的干扰。的地方，以消除长距离传输的干扰。其结构为机柜、供电电源、信号输入其结构为机柜、供电电源、信号输入/输出转换、运输出转换、运算电路主机板、通信控制、冗余结构等。图算电路主机板、通信控制、冗余结构等。图9-2所示所示为现场控制单元，图为现场控制单元，图9-3为机柜内卡件组装示意图。为机柜内卡件组装示意图。9-2 集散型控制系统集散型控制系统Network Optimization Expert Team图图9-2 现场控制单元机柜
11、现场控制单元机柜 图图9-3 机柜内卡件示意图机柜内卡件示意图Network Optimization Expert Team（二）（二）CRT操作站（操作员站、工程师站）操作站（操作员站、工程师站）CRT操作站是为了便于过程全面协调和监控，实现过程状态的显示、报警、记录和操作而提供的操作接口，其主要功能是为系统运行的操作人员提供人机界面，使操作人员通过操作站及时了解现场状态、各运行参数的当前值、是否有异常情况发生等。典型操作站包括以下几个部分：主机系统、显示设备、键盘输入设备、打印输出设备。如图94所示。操作站设置在控制室里，在显示由各个控制单元送来的过程数据的同时，对控制单元发出改变设定值
12、、改变回路状态等控制信息。CRT操作站分操作员站和工程师站。9-2 集散型控制系统集散型控制系统Network Optimization Expert Team图图9-4 用户操作站用户操作站 Network Optimization Expert Team1操作员站的基本功能是显示和操作。它与键盘一起，完成各种工艺、控制等信息画面的切换和显示。同时通过操作功能键，对系统的运行进行正常管理。2工程师站除了具有操作员站的基本功能外，主要具有系统组态、系统测试、系统维护、系统功能管理等功能。系统组态功能用来生成和变更操作员站和现场控制站的显示、控制要求。其过程为填写标准工作单，由组态工具软件将工作
13、单显示于屏幕上，用会话方式完成各种功能的生成和变更。9-2 集散型控制系统集散型控制系统Network Optimization Expert Team3CRT显示器是集散控制系统重要的显示设备。通过串行通信接口及视频接口与微机通信，在CRT屏上直观地显示数据、字符、图形，通过系统的软件和硬件功能，随时增减、修改和变换显示内容，它是人机对话的重要工具，是操作站不可缺少的组成部分。在CRT上显示输出的主要内容有：（1）生产过程状态显示；（2）实时趋势显示；（3）生产过程模拟流程图显示；（4）报警提示显示；（5）关键（控制）数据常驻显示；（6）检测及控制回路模拟显示；（7）数据及报表生成。9-2
14、集散型控制系统集散型控制系统Network Optimization Expert Team4键盘、鼠标、触摸屏是人机联系的桥梁和纽带。通过这些输入设备，操作人员可实现对现场的实时监测控制。5集散控制系统中常用的外部信息存储设备有：半导体存储器和磁盘存储器。6打印机是集散控制系统不可缺少的输出设备，用于打印报警的发生和清除情况记录及过程变量的输入、输出记载、组态状况的调整及数据信息的拷贝。9-2 集散型控制系统集散型控制系统Network Optimization Expert Team三、集散控制系统的通信网络三、集散控制系统的通信网络 集散控制系统的通信网络主要由两部分组成：传输电缆（或其
15、他媒介）和接口设备。传输电缆有同轴电缆、屏蔽双绞线、光缆等；接口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。它们的功能是在现场控制单元、可编程控制器等装置或计算机之间控制数据的交换、传送存取等。在一般情况下，接到网络上的每个设备都有一个适配器或调制解调器，系统只有通过这些单元、调制解调器或适配器才能将多个网络设备连接到网络通信线路上。由于网络必须设计成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，以便最大限度地减少干扰造成的传送误差。数据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通信协议的处理等。9-2 集散型控制系
16、统集散型控制系统Network Optimization Expert Team 集散控制系统的通信网络一般采用“主从系统”和“同等同等系统”两种基本的网络形式。1主主-从系统，又称集中控制从系统，又称集中控制 如图95所示 主从系统又称集中控制，即指定某个节点（主机）负责管理各节点（从属设备）的占用请求，由它来选择哪个节点占用介质发送信息。2同等同等-同等系统同等系统 如图96所示为同等同等系统，也称分散式控制。此系统不采用主站控制网络方式。相反，每个网络设备都有要求使用且控制网络的权力，能够发送或访问其他网络设备的信息，这类网络通信方式往往称为接力式或令牌式系统。因为网络的控制权力可以看作
17、是一个到另一个设备的依次接力或令牌式地传递。9-2 集散型控制系统集散型控制系统Network Optimization Expert Team图图9-5 主主从网络（星形）从网络（星形）图图9-6 主主主网络（总线形）主网络（总线形）Network Optimization Expert Team四、集散控制系统的软件体系四、集散控制系统的软件体系 集散控制系统的软件体系包括:计算机系统软件、过程控制软件（应用软件）、通信管理软件、组态生成软件、诊断软件。其中系统软件与应用对象无关，是一组支持开发、生成、测试、运行和程序维护的工具软件。过程控制软件包括：过程数据的输入/输出、实时数据库、连续
18、控制调节、顺序控制、历史数据存贮、过程画面显示和管理、报警信息的管理、生产记录报表的管理和打印、人机接口控制其中前四种功能是在现场控制站完成。集散控制系统组态功能的应用方便程度、用户界面友好程度、功能的齐全程度是影响一个集散控制系统是否受用户欢迎的重要因素。集散控制系统的组态功能包括硬件组态（又称配置）和软件组态。9-2 集散型控制系统集散型控制系统Network Optimization Expert Team五、常见集散控制系统的简介五、常见集散控制系统的简介（一）（一）横河公司的横河公司的CENTUM-CS系统系统CENTUMCS系统是日本横河电机公司的产品。CS系统主要由工程师站WS，
19、信息指令站ICS(即操作站)，双重化现场控制站FCS，通信接口单元ACG，双重化通讯网络VNET等构成。系统构成图见图97所示。1CENTUM-CS系统的组成系统的组成（1）信息指令站ICS具有监视操作、记录、软件生成、系统维护及与上位机通信等功能，是CS系统的人机接口装置。（2）工程师站WS完成对系统的组态、生成功能，并可以实现对系统的远程维护。（3）现场控制站FCS完成反馈控制、顺序控制、逻辑操作、报警、计算、I/O处理等功能，是具有仪表(I)、电气（E）控制及计算机（C）用户编程功能的 IEC综合控制站。是CS系统实现自动控制的核心部分。9-2 集散型控制系统集散型控制系统Network
20、 Optimization Expert Team（4）现场监视站TCS是系统中非控制专用数据采集装置。专门用于对多路过程信号进行有效的收集和监测。它具有算术运算功能、线性化处理、报警功能、顺序控制功能等，可精确地实现输入信号处理和报警处理。（5）总线变换器ABC，也就是同种网之间的网桥，用于连接CENTUMCS中FCS与FCS之间的Vnet通讯，或与CENTUMXL或XL连接。（6）通信接口单元（又称网间连接器）ACG，是异种网间的网桥，用于Enet之间的连接，或用于控制通讯网与上位计算机之间的连接。是纵向的网络接口单元。9-2 集散型控制系统集散型控制系统Network Optimizat
21、ion Expert Team图图9-7 CENTUM CS 系统构成图系统构成图Network Optimization Expert Team 2CENTUM-CS系统的特点系统的特点（1）开放性 CENTUMCS系统采用标准网络和接口:FDDI（光纤令牌环网），Ethemet（以太网）,Fieldbus（现场总线）,RS232C,RS422,RS495。采用标准软件:XWindows，Motif用户图像接口，Unix操作系统。从而使操作和工程技术环境实现了标准化。（2）高可靠性 操作站ICS结构完善，每台均有独立的32位CPU,2GB硬盘。控制站为双重化，控制器的CPU、存储器、通信、电
22、源卡及节点通信，全部是1:1冗余，也就是说系统为全冗余。（3）三重网络操作站与控制站连接的实时通信网络Vnet。（4）综合性强 实现IEC一体化(I仪表控制，E电气控制;C计算机功能)，可与PC机及PLC连接，实现信息种类和量的综合。9-2 集散型控制系统集散型控制系统Network Optimization Expert Team（二）（二）Honeywell公司的公司的TDC3000系统系统 1975年11月Honeywell公司在世界范围内首先推出了第一套以微处理器为基础的集散控制系统TDC2000，在此基础上，开发了开放性分散控制系统TDC3000。1TDC3000系统系统 TDC30
23、00主干网络称为局部控制网络（Local Control Network，LCN），其功能是提高控制水平和扩展系统数据收集和分析的能力。在LCN上可以挂接万能操作站（US）、历史模件（HM）、应用模件（AM）、存档模件（ARM）以及各种过程管理站（APM）与各种网络接口。TDC3000的下层网称为万能控制网络（Universal Control Network,UCN），在UCN上连接各种I/O与控制管理站。为了与Honeywell公司老的产品TDC2000的通讯网络（数据高速通道Data Hiway）相兼容，在LCN上设有专门的接口模块（Hiway），而且可以接有操作员站、现场I/O及控制站
24、（包含基本控制器、多功能控制器）等。UCN 和Data Hiway主要的功能是提供过程数据的采集和控制功能。TDC3000结构示意图如图98所示。9-2 集散型控制系统集散型控制系统Network Optimization Expert Team图图9-8 TDC3000结构示意图结构示意图 Network Optimization Expert Team2TDC3000系统主要组成系统主要组成（1）LCN通信网络及其模件通信网络及其模件1）局部控制网（LCN网）局部控制网络用以支持LCN网络上模件之间的通信，遵循IEEE902.4通信标准，采用总线型通信网络，“令牌传送”协议。2）万能操作站
25、（US）万能操作站是TDC3000系统的主要人机接口，是整个系统的一扇窗口，由监视器和带有用户定义的功能键盘组成。具有三个方面的功能：即操作员属性的功能（监测控制过程和系统）、工程师属性的功能（组态实现控制方案、生成系统数据库、用户画面和报告）和系统维护功能（检测和诊断故障、维护控制室和生成过程现场的设备、评估工厂运行性能和操作员效率）。9-2 集散型控制系统集散型控制系统Network Optimization Expert Team3）万能工作站（UWS）所有US上的信息，在UWS上均可以看见。UWS包括一张桌子、工作站主机、桌面显示器、键盘、鼠标。它很像一台个人电脑，可以放在办公室。4）
26、应用模件（AM）完成高级控制策略，从提高过程控制及管理水平。应用模件通过最佳算法、先进控制应用及过程控制语言，执行过程控制器的监督控制策略。工程师可以综合过程控制器（过程管理站、高级过程管理站和逻辑管理站）的数据，完成多单元控制策略，进行复杂运算。5）历史模件（HM）HM是TDC3000系统的存储单元。其收集和存储包括常规报告、历史事件和操作记录在内的过程历史。作为系统文件管理员，提供模块、控制器和智能变送器、数据库、流程图、组态信息、用户源文件和文本文件等方面的系统存储库，完成趋势显示、下装批处理文件、重新下装控制策略、重新装入系统数据等功能。9-2 集散型控制系统集散型控制系统Networ
27、k Optimization Expert Team6）网络接口（NIM）NIM是LCN网和UCN网的接口。实现二种网络之间的通信规程和传输技术的转换。每个LCN网络最多可挂接10个冗余的NIM模件。7）可编程控制器接口是为非Honeywell可编程控制器提供有效的LCN接口。9-2 集散型控制系统集散型控制系统Network Optimization Expert Team（2）万能控制网络（）万能控制网络（UCN）及其模件）及其模件万能控制网络UCN是Honeywell公司1999年推出的新型过程控制和数据采集系统，由先进过程管理站（APM）、过程管理站（PM）、逻辑管理站（LM）、网络接
28、口模件（NIM）及通信系统组成。1）过程管理站（）过程管理站（PM）过程管理站是UCN网络的核心设备，主要用于工业过程控制和数据采集，有很强的控制功能和灵活的组态方式，还有丰富的输入/输出功能。提供常规控制、顺序控制、逻辑控制、计算控制以及结合不同控制的综合控制功能。2）先进过程控制站（）先进过程控制站（APM）先进过程控制站APM是Honeywell TDC3000最新的用于工业过程控制和数据采集的工具，为监控和控制提供更灵活的I/O功能。除提供PM的功能外，还可提供马达控制、事件顺序记录、扩充的批量和连续量过程处理能力以及增强的子系统数据一体化。3）逻辑管理站（）逻辑管理站（LM）逻辑管理
29、站（LM）是用于逻辑劳资的现场管理站。LM具有PLC控制的优点，同时LM在UCN网络上可以方便地与系统中各模件进行通信，使DCS与PLC更加有机地结合，并能使其数据集中显示、操作和管理。LM提供逻辑处理，梯形图编程，执行逻辑程序，与LCN、UCN中模件进行通信等功能，能构成冗余化结构。9-2 集散型控制系统集散型控制系统Network Optimization Expert Team（3）TDC3000系统特点系统特点1）开放性系统TDC3000系统局部控制网络LCN、万能控制网络UCN通信与国际开放结构和工业标准的发展方向一致，实现了资源共享，实现了DCS系统与计算机、可编程序控制器、在线质
30、量分析仪表、现场智能仪表的数据通信。2）人机接口功能强化TDC3000系统采用了万能操作站（US），它是面向过程的单一窗口，采用了高分辨率彩色图像显示器技术、触摸屏幕、窗口技术及智能显示技术等，操作简单方便，功能强大。3）过程接口功能广泛TDC3000系统过程接口的数据采集和控制功能范围非常广泛。4）工厂综合管理控制一体化可以通过个人计算机接口或通用计算机接口与个人计算机相连，构成范围广泛的工厂计算机综合网系统，实现先进而复杂的优化控制，实现对生产计划、产品开发及销售、生产过程及有关物质流和信息流进行综合管理，构成用计算机实现管理控制一体化的系统。5）系统安全可靠，维护方便TDC3000系统广
31、泛地采用容错技术、冗余技术。实现功能分散，危险分散；TDC3000系统中数据库提供了几个等级联锁保护，防止越权变更数据库；TDC3000系统广泛采用自诊断、自校正程序、标准硬件和软件，通用性强，可在线维护。9-2 集散型控制系统集散型控制系统Network Optimization Expert Team3JX-300X系统简介系统简介 JX300X系统是浙江中控技术股份有限公司于1997年推出的全数字化的新一代集散控制系统。该控制系统是浙江中控技术股份有限公司十余年集散控制系统研发和推广成功经验的总结，吸收了近年来快速发展的通信技术、微电子技术，充分应用了最新信号处理技术、高速网络通信技术、
32、可靠的软件平台和软件设计技术以及现场总线技术，采用了高性能的微处理器和成熟的先进控制算法，全面提高了JX300X的功能和性能，能适应更广泛更复杂的应用。9-2 集散型控制系统集散型控制系统Network Optimization Expert Team（1）系统主要硬件）系统主要硬件1）现场控制站(CS)实现实时控制、直接与工业现场进行信息交互。通过不同的硬件和软件设置，可构成不同功能的控制站，分别是过程控制站（PCS）、逻辑控制站（LCS）、数据采集站（DAS）。控制站上有各种卡件，如控制卡、I/O卡等。2）工程师站（ES）实现工程师的组态和维护平台。3）操作员站（OS）操作人员完成过程监控
33、管理任务的人机界面4）过程控制网络实现工程师站、操作站、控制站的通讯。9-2 集散型控制系统集散型控制系统Network Optimization Expert Team（2）系统软件）系统软件1）组态软件包授权管理权限的设置系统组态软件系统参数设置流程图制作软件流程图制作报表制作软件报表制作二次计算软件实现二次计算功能SCX语言编程软件控制方案编程图形化编程软件控制方案编程2）实时监控软件实现数据采集、数据管理。9-2 集散型控制系统集散型控制系统Network Optimization Expert Team（3）系统的主要特点）系统的主要特点1）高速、可靠、开放的通讯网络SCnet II
34、2）分散、独立、功能强大的控制站3）多功能的协议转换接口4）全智能化设计5）任意冗余配置6）简单、易用的组态手段和工具7）丰富、实用、友好的实时监控界面9）事件记录功能（SOE卡）9）安装方便，维护简单，产品多元化、正规化9-2 集散型控制系统集散型控制系统Network Optimization Expert Team一、基本概念一、基本概念（一）现场总线的定义现场总线（Field Bus）是用于现场仪表与控制系统和控制室之间的一种开放式、全分散、全数字化、智能、双向、多变量、多点、多站的通信系统。可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、通信速率快、系统安全、符合环境保护要求、造价低廉、维护成本低
35、是现场总线的特点。它可以用数字信号取代传统的420mADC模拟信号；可对现场设备的管理和控制达到统一；使现场设备能完成过程的基本控制功能；增加非控制信息监视的可能性。图99 现场总线与传统控制系统结构对照图现场总线是连接现场仪表与主控系统相互进行信息交换的工具。以现场总线为基础的全数字控制系统称为现场控制系统（Field bus Control System,简称FCS）。9-3 现场总线控制系统现场总线控制系统 Network Optimization Expert Team图图9-9现场总线与传统控制系统结构对照图现场总线与传统控制系统结构对照图 Network Optimization
36、Expert Team（二）现场总线控制系统的构成（二）现场总线控制系统的构成 现场总线控制系统与常规控制系统及DCS系统在系统构成、功能、控制策略等方面有许多类似之处。其基本构成元素亦为测量变送单元、控制计算单元、操作执行单元。将它们与被控过程按一定连接关系联系起来，就可构成一个完整的控制系统。如图99所示。不过，现场总线系统的最大特点在于，它的控制单元在物理位置上可与测量变送单元及操作执行单元合为一体，因而可以在现场构成完整的基本控制系统。即把原先DCS系统中处于控制室的控制模块、各输入、输出模块置入现场设备，加上现场设备具有通信能力，现场的测量变送仪表可以与阀门等执行机构直接传送信号，因
37、而控制系统功能能够不依赖控制室的计算机或控制仪表，直接在现场完成，实现了彻底的分散控制。又由于它所具有的通信能力，可以与多个现场智能设备沟通、综合信息，便于构成多个变量参与的复杂控制系统与精确测量系统，另外，由于现场总线仪表的数字通信特点，使它不仅可以传递测量的数值信息，还可以传递设备标识、运行状态、故障诊断状态等信息，因而可以构成智能仪表的设备资源管理系统。9-3 现场总线控制系统现场总线控制系统 Network Optimization Expert Team（三）现场总线控制系统的基础（三）现场总线控制系统的基础 现场总线控制系统是以智能现场装置（测量变送、操作执行等单元）为基础的控制系
38、统。除了满足对所有现场装置的共性要求外，FCS系统中的现场装置还必须符合下列要求:第一，它必须与它所处的现场总线控制系统具有统一的总线协议，或者是必须遵守相关的通信规约，这是因为现场总线技术的关键就是自动控制装置与现场装置之间的双向数字通信现场总线信号制。9-3 现场总线控制系统现场总线控制系统 Network Optimization Expert Team图图9-10 现场总线控制系统体系结构现场总线控制系统体系结构Network Optimization Expert Team（四）现场总线控制系统的结构组成（四）现场总线控制系统的结构组成 图910表示的是现场总线控制系统的拓扑结构，该
39、拓扑结构类似于总线型分层结构，低级层采用低速总线H1现场总线。高级层采用高速总线H2现场总线。带节点的总线型结构或称之为带分支的总线型结构，在该结构中，现场总线设备通过一段称为支线的电缆连接到总线段上，支线电缆的长度受物理层对导线媒体定义的限制。该结构适应于设备物理位置分布比较分散，设备密度较低的场合。树型结构。在该结构中，在一个现场总线段上的设备都是以独立的双绞线连接到网桥(公共的接线盒)，它适应于现场总线设备局部集中、密度高以及把现有设备升级到现场总线等应用场合。这种拓扑结构，其支线电缆的长度同样要受物理层对导线媒体定义的限制。9-3 现场总线控制系统现场总线控制系统 Network Op
40、timization Expert Team二、现场总线控制系统及其应用二、现场总线控制系统及其应用（一）FCS（现场控制系统）结构现场控制系统（FCS,Field Bus Control System）代表了一种新的控制观念现场控制。它具有采用数字信号后的一系列优点。基于现场总线技术的基本思想，FCS采用总线拓扑结构，变送控制器用于构成现场控制回路，置于现场或控制室均可。站点分主站和从站，上位机、手持编程器、控制器、变送控制器均为主站。主站采用令牌总线的介质存取方式，令牌按逻辑环传递。变送器、执行器为从站，从站不占有令牌。总体上为令牌加主从的混合介质存取控制方式。9-3 现场总线控制系统现场
41、总线控制系统 Network Optimization Expert Team该系统结构具有如下主要功能特点：（1）上位机或手持编程器进行组态，确定回路构成及变量值，两者均可随时加入或退出系统。（2）控制器除控制功能之外，还可为上位机承担先进的控制运算或优化任务。控制器除输出控制操作量外，还向上位机传送状态、报警、设定参数变更及各种需要保存的数据信息。（3）上位机可监视总线上各站运行情况，并保存历史数据。（4）网络上各主站的软件均可支持网络组成的变化，具有灵活性。9-3 现场总线控制系统现场总线控制系统 Network Optimization Expert Team（二）（二）FCS技术特点
42、技术特点（1）系统的开放性系统的开放性是指通信协议公开、各不同厂家的设备之间可互连为系统并实现信息交换。一个具有总线功能的现场总线网络，系统必须是开放的，开放系统把系统集成的权力交给了用户。（2）互可操作性与互用性可以实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通；不同生产厂家的性能类似的设备可实现互连替换。（3）现场设备的智能化与功能自治性它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。（4）系统结构的高度分散性9-3 现场总线控制系统现场总线控制系统 Network Optimization Expert Te
43、am（二）（二）FCS应用应用 作为控制系统，现场总线控制系统在控制方案的制定与选择上与普通控制系统基本相同。下面首先以锅炉汽包水位的三冲量控制系统为例，介绍现场总线控制系统在设计、安装、运行方面的特色以及如何实现现场总线控制系统。图911所示为汽包水位三冲量控制系统的典型的控制方案，它把与水位控制相关的三个主要因素（即汽包水位、给水流量、蒸汽流量）都引入到控制系统，以此作为控制计算的依据，可以取得较好的控制效果。这里采用的是两个控制器按串级方式构成的控制系统。9-3 现场总线控制系统现场总线控制系统 Network Optimization Expert Team图图9-11 锅炉汽包水位三
44、冲量控制方案锅炉汽包水位三冲量控制方案 Network Optimization Expert Team（1）根据控制方案选择必需的现场智能仪表一个经典的三冲量水位制系统需要一个液位变送器、两个流量变送器和一个给水调节阀。现场总线控制系统同样也需要这些变送器、执行器。对于一般模拟仪表控制系统，由于汽包水位、蒸汽流量、给水流量的测量信号本身波动频繁，需要阻尼器对测量信号进行预处理；按工厂常规采用的孔板加差压变送器测量流量的办法，要使测量信号与流量成线性关系，需加开方器；此外，还需要形成串级的主、副两个控制器。而对于现场总线控制系统，实现阻尼、开方、加减和PID运算等功能完全靠嵌入在现场变送器、执
45、行器中的功能块软件完成，可减少硬件投资，节省安装工时与费用。9-3 现场总线控制系统现场总线控制系统 Network Optimization Expert Team（2）选择计算机与网络配件为了满足现场智能设备组态、运行、操作的需求，一般还需要选择与现场总线网段连接的计算机。为了系统的安全“冗余”，配置两台相同的工业PC机。可采用插接在PC机总线插槽中的现场总线PCI卡，把现场总线网段直接与PC机相连。也可采用通信控制器，其一侧与现场总线网段连接，另一侧按通常采用的PC机连网方式，如通过以太网方式，采用TCP/IT协议、网络BIOS协议，完成现场总线网段与PC机之间的信息交换。（3）选择开发
46、组态软件、控制操作的人机接口MMI9-3 现场总线控制系统现场总线控制系统 Network Optimization Expert Team（4）根据控制系统结构和控制策略所需功能块以及现场智能设备具有的功能块库的条件，分配功能块所在位置。对三冲量水位控制系统，功能块分配方案如下：1）汽包液位变送器内，选用AI模拟输入功能块，主控制器PID功能块；2）水流量变送器内，选用AI模拟输入功能块，求和算法功能块；3）蒸汽流量变送器内，选用AI模拟输入功能块；4）阀门定位器内，选用副控制器PID功能块、AO输出功能块，并实现现场总线信号到调节阀门的气压转换。5）通过组态软件，完成功能块之间的连接现场总
47、线功能块的选用可以是任意的，因而现场总线控制系统的设计具有较大柔性。按三冲量控制系统和功能块分配方案，功能块组态连接如图915所示。图中虚线表示物理设备，实线表示功能块，实线内标有位号和功能块名称。这里，水位变送器的位号为LT101，蒸汽、给水变送器的位号分别为FT102、FT103，给水调节阀的位号为FV101。BKCAL IN，BKCAL OUT分别表示阀位反馈信号的输入与输出；CASIN表示串级输入。实行组态时，只需在窗口式图形界面上选择相应设备中的功能块，在功能块的输入、输出间简单连线，便可建立信号传递通道，完成控制系统的连接组态。9-3 现场总线控制系统现场总线控制系统 Networ
48、k Optimization Expert Team 可编程序控制器（PLC）是一种以微处理器为核心器件的逻辑和顺序以及连续控制装置。它使用可编程序的存储器来存储指令，并实现逻辑运算、顺序运算、计数、计时和算术运算等功能，也可以进行连续控制功能，用来对各种机械或生产过程进行控制。一、可编程控制器的主要特点一、可编程控制器的主要特点（一）构成控制系统简单。（二）改变控制功能容易。可以用编程器在线修改程序，很容易实现控制功能的变更。（三）编程方法简单。程序编制可以用接点梯形图、逻辑功能图、语句表等简单的编程方法来实现.（四）可靠性高。（五）适应于工业环境使用。9-4可编程控制器及控制技术可编程控制
49、器及控制技术 Network Optimization Expert Team二、可编程控制器的构成二、可编程控制器的构成（一）PLC的主机由中央控制单元、存储器、输入输出单元、输入输出扩展接口、外部设备接口以及电源等部分组成。各部分之间通过由电源总线、控制总线、地址总线和数据总线构成的内部系统总线并行连接，如图912所示。1中央处理单元(CPU)，是PLC的运算控制中心，它包括微处理器和控制接口电路。2存储器，用来存储系统程序、用户程序和各种数据。ROM一般采用EPROM和EEPROM，RAM一般采用CMOS静态存储器，即CMOS RAM。3输入输出单元(I/O)，是PLC与工业现场之间的连
50、接部件，有各种开关量I/O单元、模拟量I/O单元和智能I/O单元等。9-4可编程控制器及控制技术可编程控制器及控制技术 Network Optimization Expert Team4输入输出扩展接口，是PLC主机扩展I/O点数和类型的部件，可连接I/O扩展单元、远程I/O扩展单元、智能I/O单元等。它有并行接口、串行接口、双口存储器接口等多种形式。5外部设备接口，通过它，PLC可以和编程器、彩色图形显示器、打印机等外部设备连接，也可以与其它PLC或上位机连接。外部设备接口一般是RS232C、RS422A(或RS495)串行通信接口。6电源单元 把外部供给的电源变换成系统内部各单元所需的电源