DCS及现场总线技术第1章
现场总线课件第1章PPT课件
02
现场总线技术的体系结构
现场总线的技术体系
现场总线的技术体系包括物理层、数据链路层和应用层。其中，物理层定义了总线的物理特性，如总 线的传输介质、电气接口等；数据链路层定义了数据传输的规则，如数据帧格式、流量控制等；应用 层定义了设备之间的通信协议和信息交换方式。
现场总线的技术体系还包括设备描述层和系统管理层。设备描述层用于描述设备的功能和属性，以便 于其他设备识别和连接；系统管理层则负责整个系统的调度和管理，包括设备的配置、监控和维护等 。
现场总线课件第1章 ppt课件
目 录
• 现场总线概述 • 现场总线技术的体系结构 • 现场总线技术的应用领域 • 现场总线技术的发展趋势与未来
展望 • 总结
01
现场总线概述
现场总线的定义
总结词
现场总线是一种用于工业自动化系统的通信协议，它允许不同设备之间进行实时 、双向、多节点通信。
详细描述
现场总线是一种通信协议，专门为工业自动化系统设计。它允许多个设备或节点 在同一个网络上进行实时、双向的数据交换。通过现场总线，各种传感器、执行 器、控制器等设备可以相互连接，形成一个完整的自动化系统。
现场总线的主要特点
要点一
总结词
现场总线具有实时性、可靠性和开放性等特点。
要点二
详细描述
现场总线作为一种通信协议，具有实时性、可靠性和开放 性等重要特点。实时性是指现场总线能够快速地传输数据 ，满足工业控制系统的实时需求。可靠性则是指现场总线 具有很强的抗干扰能力，能够保证数据传输的准确性和稳 定性。开放性则意味着现场总线遵循国际标准，不同厂商 的设备可以相互连接和集成，提高了系统的可扩展性和互 操作性。
化的市场需求和工业环境。
DCS与现场总线课程设计
课程设计说明书名称DCS与现场总线技术典型工程应用案例分析——DCS在锅炉系统中的应用2012年6月11日至2012年6月15日共1 周院系电子信息工程系班级10电气2姓名学号系主任张红兵教研室主任邓建平指导教师目录第一章绪论 (2)1.1 DCS与现场总线技术 (2)1.1.1 集散控制系统（DCS）及其应用 (2)1.1.2现场总线控制系统（FCS）及其应用 (5)1.2 典型工程应用案例介绍 (6)第二章 DCS在锅炉系统中的应用案例分析 (8)2.1方案的总体设计分析 (8)2.2案例的系统结构和硬件配置分析 (8)2.2.1 系统硬件配置 (8)2.2.2 现场控制站设备配置 (10)2.3案例的可靠性设计及组态分析 (12)2.3.1 DCS系统的可靠性原理 (12)2.3.2 锅炉系统中DCS组态 (13)2.4案例的抗干扰措施 (13)2.4.1电源系统的干扰及应采取的措施 (14)2.4.2电磁干扰及应采取的措施 (14)2.4.3信号线的传送干扰及应采取的措施 (14)2.4.4防止静电干扰的措施 (14)第三章总结 (16)3.1对上述系统分析 (16)3.2 心得体会 (16)参考文献 (17)附录 (18)第一章绪论1.1 DCS与现场总线技术DCS及现场总线技术是由计算机、信号处理、测量控制、网络通信和人机接口等技术综合产生的一门应用技术。
1.1.1 集散控制系统（DCS）及其应用集散型控制系统(DCS)的实质是利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和现场前端分散控制相统一的新型控制技术。
它的出现是工业控制的一个里程碑。
工业过程控制的发展逐步从单机监控、直接数字控制发展到集散控制，也必将由集散控制进展到拥有更广阔应用前景的计算机集成制造，近几年的计算机集成制造(CIMS)技术的成就足以证明这一点。
1、集散控制系统集散控制系统（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DCS系统。
现场总线技术概述
二、几种典型的现场总线介绍
WorldFIP 传输媒体可以是屏蔽双绞线或光纤。 传输速率为： 31.25K bps用于过程控制；1M bps 用于加工制造系统；2.5M bps用于驱动系统。 标准速率为1M bps，使用光纤时最高速率可达5M bps。 目前WorldFIP的总线产品有法国Schneider公司的 Modicon-TBXplc系统；ALSTHOM公司的S－900 SCADA系统等。
二、几种典型的现场总线介绍
PROFIBUS现场总线 PROFIBUS有三个部分组成：
PROFIBUS-FMS（Field Message Specification）：主要 是用来解决车间级通用性通讯任务。可用于大范围和复杂的 通讯。总线周期一般小于100ms。 PROFIBUS-DP（Decentralized Periphery）：经过优化的 高速和便宜的通信总线，它的设计是专门为自动控制系统与 分散的I/O设备级之间进行通信使用的。总线周期一般小于 10ms。 PROFIBUS-PA（Process Automation）：专门为过程自 动化设计的，它可使传感器和执行器按在一根共用的总线 上，甚至在本质安全领域也可接上。根据IEC1158－2标 准，PROFIBUS-PA用双绞线进行总线供电和数据通信。
第一章 现场总线技术概述
主要内容
第一节 现场总线的产生 第二节 现场总线的概念及分类 第三节 现场总线的特点和优点 第四节 现场总线标准的制定 第五节 现场总线的现状
第一节 现场总线的产生
在过程控制领域： 从20世纪50年代至今的信号标准：4-2OmA （0-5V）的 模拟信号。 20世纪70年代，数字式计算机引入到测控系统中，进行 集中式控制处理。 20世纪80年代，微处理器在控制领域得到应用，嵌入到 各种仪器设备，形成分布式(DCS)控制系统。
现场总线复习整理
第一章1、自动控制系统的发展四个阶段及其体系结构1.模拟仪表控制系统(ACS)缺点：信号变化缓慢，计算速度精度比较低、信号传输的抗干扰能力较差。
2.直接数字控制系统(DDC)优点：集中管理、控制、监视、报警和收集历史数据等。
缺点：布线费用高、不便于扩展、危险集中、可靠性低等。
3集散控制系统（DCS)系统主要缺点（1）信息集成能力不强（2）系统不开放、可集成性差、专业性不强（3）可靠性不易保证4）可维护性不高。
4、现场总线控制系统（FCS)现场总线技术主要特征是采用数字式通信方式取代设备级的4-20mA(模拟量)/24VDC(开关量)信号，使用一根电缆连接所有现场设备。
2、DCS的结构由分散过程控制装置、操作管理装置和通信系统三部分组成3、现场总线定义：数字通信协议，应用与生产现场，在一些智能化的控制设备之间所执行双向串行通信，多节点的数字通信系统，是开放的数字化多点通信的底层控制网络。
4、现场总线控制系统的技术特点（1）系统的开放性、可集成性2）互操作性与互用性3）现场设备的智能化与功能自治性4）系统的高度分散性5）对现场环境的适应性。
5、与DCS相比FCS在结构上有哪些优越性：1 实现全数字化通信；2实现彻底的全分散式控制；3实现不同厂商产品互连、互操作；4增强系统的可靠性、可维护性；5降低系统工程成本。
第二章 1、总线就是传输信号或信息的公共路径，是遵循同一技术规范的连接与操作方式。
一组设备通过总线连在一起称为“总线段”。
2、总线主设备：可在总线上发起信息传输的设备,又称命令者。
总线从设备：能在总线上主动发起通信、只能挂接在总线上、对总线信息进行接收查询的设备称为总线从设备，也称基本设备。
3、总线上的控制信号通常有三种类型：a、控制连在总线上的设备，让它进行所规定的操作；b、用于改变总线操作的方式； c、表明地址和数据的含义。
总线协议：管理主、从设备使用总线的一套规则称为“总线协议”。
这是一套事先规定的、必须共同遵守的规约。
DCS与现场总线PPT课件
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DDC特点
• 1).进行数据采集﹑处理﹑报警，实现生产过程 集中监视；
• 2).计算机直接参与控制，实现过程闭环控制；
• 3).一台计算机可以替代多台PID模拟控制器， 实现多回路的控制，并易引入复杂控制算法和 方式，由软件编程实现即可，无需增加硬件设 备；
• 4).显示﹑控制集中，危险也集中（一旦计算机 出现故障，整个系统将瘫痪），对系统的可靠 性要求较高。
进行优化分析计算，产生最优化器设独定立值完。成控制任务，比较安全
可靠。
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SCC特点
• 1）DDC直接与过程相连，实现过程直接数字控制， 要求DDC级实时性好﹑可靠性高﹑环境适应性强；
• 2）SCC级计算机也称上位机，它根据DDC级提供的 生产过程状况和已定的数学模型，进行优化分析﹑计 算，输出最优设定值SP，交与DDC级执行。SCC计 算机承担高级控制和管理任务，要求数据处理功能强 ﹑存储量大﹑运行速度快。
程 数字量输出
显示 打印 磁盘 磁盘
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1.3.2 直接数字控制系统（DDC）
采用计算机代替模拟仪表控制，只要改变 程序就可以对控制对象进行控制，因此计算机 可以控制几百个回路，并可以对上下限进行监 视和报警。
工业生产现场环境恶劣，干扰频繁，直接威胁着计算机的可靠 运行。因此，必须采取抗干扰措施。
系统软件
软 件
应用软件
应用软件是用户根据要 解决的实际问题而编写 的各种程序。
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软件是指能完成各种功
能的计算机程序的总和.
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1.3 计算机控制系统的应用类型
dcs和现场总线复习资料1
第一章集散控制系统1、在控制系统中，软件是各种程序的统称，是控制系统的灵魂。
因此，软件的优劣直接关系到控制系统的正常运行、硬件功能的充分发挥及其推广应用。
软件通常分为系统软件和应用软件两大类。
系统软件是一组支持系统开发、测试、运行和维护的工具软件，核心是操作系统，还有编程语言等辅助工具。
应用软件是系统设计人员利用编程语言或开发工具编制的可执行程序。
以下几类功能模块是必不可少的：过程输入模块、基本运算模块、控制算法模块、报警限幅模块、过程输出模块、数据管理模块等。
2、计算机控制系统的分类：数据采集系统(DAS)、操作指导控制系统(OGC)、直接数字控制系统(DDC)、计算机监督控制(SCC)系统、集散控制系统(DCS)、现场总线控制系统（FCS）3、分散控制系统(Distributed Control System，DCS)。
DCS 采用分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调的设计原则，自下而上可以分为若干级，如过程控制级、控制管理级、生产管理级和经营管理级等。
DCS 又称分布式或集散式控制系统。
4、DCS是四C技术的产物；采用危险分散、控制分散，操作和管理集中的基本设计思想，通过分层、分级和合作自治的结构形式，实现的工业生产和管理的现代化。
5、DCS 作一个比较完整的定义：(1) 以回路控制为主要功能的系统。
(2) 除变送和执行单元外，各种控制功能及通信、人机界面均采用数字技术。
(3) 以计算机的CRT、键盘、鼠标，轨迹球代替仪表盘形成系统人机界面。
(4) 回路控制功能由现场控制站完成，系统可有多台现场控制站，每台控制一部分回路。
(5) 人机界面由操作员站实现，系统可有多台操作员站。
(6) 系统中所有的现场控制站、操作员站均通过数字通信网络实现连接。
6、集散控制系统的特点：(1)系统构成灵活：从总体结构上看，DCS可以分为通信网络和工作站两大部分，各工作站通过通信网络互连起来，构成一个完整的系统。
DCS与现场总线技术第1章
第1节 计算机控制系统
计算机控制系统的概述 计算机控制系统的信号特点 计算机控制系统的组成 计算机控制系统的分类
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1、 计算机控制系统概述
计算机控制系统的定义：计算机控制系统 是应用计算机参与控制并借助一下辅助部件 与被控对象相联系，以获得一定控制目的而 构成的系统。
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2、计算机控制系统的信号特点
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信号特点4
计算机控制系统的采样的合理性 采样器接通时间τ远小于采样周期T 采样信号y*(t)复现原信号在采样瞬间的值y(t) A/D转换后， y*(t) y(kT), k=1，2，……
当满足上述条件时， y*(t) 与y(kT)只相差量化误差
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信号特点5
零阶保持器恢复信号的示意图
计算机
给定值
数字
控制器 －
模/数 转换
数/模
执行
转换
机构
检测 装置
被控 被控量ห้องสมุดไป่ตู้对象
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计算机控制与传统的继电控制比较，具有很大的优势： 1、改变控制策略及算法时，只要改变计算机程序，就 可以进行功能实现。 2、精度高、速度快、存储容量大和有逻辑判断功能等。 3、可实现高级复杂的控制策略。
(3)实时控制: 将实时决策结果转化为控制信号适时地送 给执行装置——实现过程控制。
(4)信息管理: 随着网络技术和控制策略的发展，信息共 享及管理在控制系统得到了充分的应用。
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*上述测、算、控、管的过程不断重复，使系统按一定的
动态(过渡过程)指标进行工作。并同时可对被控制量和设 备本身所出现的异常状态及时进行监督并迅速做出处理—— 计算机控制系统最基本的功能。
《现场总线技术及应用》课件1现场总线技术概述
随着生产规模的扩大，操作人员需要同时按多点的信息 对生产过程实行操作控制，于是出现了气动、电动系列的 单元组合式仪表，这些仪表采用统一的模拟信号。
3、集中式数字控制系统
模拟控制系统中的模拟信号的传递需一对一的物理 连接，信号变化缓慢，很难提高控制系统的速度和精度， 随着计算机技术的发展，控制系统实现了集中数字控制。
• 数字信号的精确性：数字信息可排除模拟信息传输和转换中 所产生的误差。
• 由于现场总线是双向的，因此能够从中心控制室对现场智能 仪表进行控制，使远程调整、诊断和维护成为可能，甚至能 够在故障发生前进行预测。
四、现场总线控制系统的技术特点
系统的开放性 2. 互操作性与互用性 3. 现场设备的智能化与功能自治性 4. 系统结构的高度分散性 5. 对现场环境的适应性
第一章 现场总线技术概述
现场总线的发展背景 现场总线控制系统 几种有影响的现场总线 现场总线技术的现状及其发展前景
第一节 现场总线的发展背景
自动控制系统：在无人直接参与下可使生产过程或其他过 程按期望规律或预定程序进行的控制系统。自动控制系统 是实现自动化的主要手段。自动控制系统已被广泛应用于 人类社会的各个领域。在工业方面，对于冶金、化工、机 械制造等生产过程中遇到的各种物理量，包括温度、流量、 压力、厚度、张力、速度、位置、频率、相位等，都有相 应的控制系统；在农业方面的应用包括水位自动控制系统、 农业机械的自动操作系统等。在军事技术方面，自动控制 的应用实例有各种类型的伺服系统、火力控制系统、制导 与控制系统等。在航天、航空和航海方面，除了各种形式 的控制系统外，应用的领域还包括导航系统、遥控系统和 各种仿真器。
现场总线的发展趋势
网络结构趋向简单化
现场总线概论
1.1 什么是现场总线 1.1.1现场总线基本概念 1.1.2现场总线产生 1.1.3DCS，RI/O和FCS 1.1.4现场总线通信系统 1.1.5现场总线技术现状及发展 1.2几种典型的现场总线 1.3现场总线控制系统的构成 1.4现场总线控制系统的特点
1.1 什么是现场总线
什么性质的信号？
• ⑹画出I/O模件与现场仪表连接示意
现 场 图，它们之间传递是什么性质的信 号？
• ⑺画出现场仪表与生产过程连接示
意图，它们之间传递是什么性质的 物理量？
• ⑻控制策略存在于什么模件中？ • ⑼画出开环监视信息流。
RI/O
处理器模件
BUS
CP I/O ﹕
I/O
CP I/O ﹕
I/O
国际电工委员会在IEC61158中给现场总线下了一个 定义： 安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自 动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据 总线称为现场总线。 简述：现场总线是连接智能现场设备和自动化系统 的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络
1.1.1现场总线基本概念 （现场总线的本质含义）
现场设备或现场仪表是指传感器、变送器和执
行器等，这些设备通过_____传输线互连
（3）互操作性
用户希望选用各制造商性能价格比最好的产品集成在一 起，实现“即插即用”；用户希望对不同品牌的现场 设备统一组态，构成其所需的控制回路
所谓_______是指来自不同厂家的设备（仪表）可以互相 通信，并且可以在多厂家的环境中完成功能的能力。
FCS
处理器模件
BUS
CP μP I/O CP μP I/O CP μP I/O
智能现场设备 /现场总线仪表
DCS及现场总线技术 第1章
6学时
2、实验教学
8学时
（1）DCS 硬件体系的组织方法 （2）DCS 组态技术的技术应用 3、实践教学—》课程设计（1周）—》实习（2周）
基于DCS的锅炉控制系统设计
下午2时30分
2011-2012（2）
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信息与控制工程学院自动化系
考核权值分配
平时成绩（课堂考勤、提问、测验、作业等）占20% 实验成绩（实验预习、表现、结果、报告等）占20% 期末考试（教考分离）占60%
信息与控制工程学院自动化系
DCS及现场总线
DCS及现场总线
DCS——Distributed Control System FCS——Fieldbus Control System
下午2时30分
2011-2012（2）
1
信息与控制工程学院自动化系
本课的四大特点
1、先进性：DCS—最流行的工业控制系统
时间(采样\控制间隔)内完成。
分时控制——因计算机运算处理速度远高控制回路的速
度要求，故可使计算机依次的完成多个通道（回路）的实 时控制。
下午2时30分
2011-2012（2）
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信息与控制工程学院自动化系
3、计算机控制系统的组成及作用
计算机硬件设备——指微机本身及其外围设备， 是计算机控制系统的基础；
计算机控制软件——指管理计算机的程序以及过 程控制的应用程序，是计算机控制系统的灵魂；
计算机通信网络——指各数据采集节点和控制单 元之间的通信设备及网络，是进行系统数据信 息交换的通道。
下午2时30分
2011-2012（2）
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信息与控制工程学院自动化系
3、计算机控制系统的组成作用
现场总线习题答案
现场总线习题答案作者：张磊第一章现场总线技术概述1.自动控制系统的发展经历了哪几个阶段？大致经历了四个发展阶段，具体如下：20世纪50年代以前是模拟仪表控制系统；直接数字控制系统；70年代中期出现集散控制系统；90年代后期现场总线控制系统。
2.DCS控制系统的结构包括哪几部分？包括三部分：分散过程控制装置部分，操作管理装置部分，通信系统部分3.现场总线的基本定义？现场总线(Fieldbus)：是用于过程自动化或制造自动化中的，实现智能化现场设备（例如，变送器、执行器、控制器)与高层设备(例如主机、网关、人机接口设备)之间互联的，全数字、串行、双向的通信系统。
5. 现场总线控制系统的技术特点。
1.开放性；2.全数字化；3.双向通信；4.互可操作性与互用性；5.现场设备的智能化与功能自治性6.系统结构的高度分散性7.对现场环境的适应性6. FCS相对于DCS具有哪些优越性？1．FCS实现全数字化通信2．FCS实现彻底的全分散式控制3．FCS实现不同厂商产品互联、互操作4．FCS增强系统的可靠性、可维护性5．FCS降低系统工程成本7. 分析现场总线的现状，展望其发展前景。
第二章数据通信基础与网络互联1.何谓现场总线的主设备、从设备？可在总线上发起信息传输的设备叫做“总线主设备”，又称命令者。
不能在总线上主动发起通信、只能挂接在总线上、对总线信息进行接收查询的设备称为总线从设备(bus slaver)，也称基本设备。
2.总线操作过程的内容是什么？总线上命令者与响应者之间的连结→数据传送→脱开，这一操作序列称为一次总线“交易”(transaction)，或者叫做一次总线操作。
3.寻址方式有几种？物理寻址逻辑寻址广播寻址4.通信系统由哪几部分组成?各自具有什么功能?通信系统是传递信息所需的一切技术设备的总和。
它一般由信息源和信息接收者，发送、接收设备，传输媒介几部分组成。
信息源和接收者是信息的产生者和使用者发送设备的基本功能是将信息源和传输媒介匹配起来，即将信息源产生的消息信号经过编码，并变换为便于传送的信号形式，送往传输媒介。
现场总线
第一章现场总线概述一、现场总线是用于现场仪表与控制系统和控制室之间的一种全分散、全数字化、智能、双向、互联、多变量、多点、多站的通信网络。
二、IEC对现场总线的定义：现场总线是一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备与控制装置之间实行双向、串行、多节点数字通信的技术。
它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式，新型全分布式的控制系统。
三、经历了几代控制系统第一代控制系统：以20世纪50年代前的气动信号控制系统PCS为主；第二代控制系统：把4～20mA等电动模拟信号控制系统；第三代控制系统：把数字计算机集中式控制系统称为第三代;第四代控制系统：把70年代中期以来的集散式控制系统DCS(Distributed Control System)称作第四代。
四、现场总线的本质含义主要表现在以下6个方面：1、现场通信网络：用于过程以及制造自动化的现场设备或现场仪表互连的通信网络2、现场设备互连：现场设备或现场仪表是指传感器、变送器和执行器等，这些设备通过一对传输线互联，传输线可以使用双绞线、同轴电缆。
光纤和电源线等，并可根据需要因地制宜地选择不同类型的传输介质。
3、互操作性，4、分散功能块，5、通信线供电，6、开放式互联网络。
五、现场总线的特点与优点：1，结构特点：现场总线控制系统（FCS）打破了传统控制系统的（DCS）的结构形式。
FCS: 一对多：一对传输线接多台仪表，双向传输多个信号；DCS: 一对一：一对传输线接一台仪表，单向传输一个信号。
1），系统的开放性；2），互可操作性与互用性；3），现场设备的智能化与功能自治性；4），系统结构的高度分散性；5），对现场环境的适应性。
3，优点：1）节省硬件数量与投资；2）节省安装费用；3）节约维护开销；4）用户具有高度的系统集成主动权；5）提高了系统的准确性与可靠性。
六、基金会现场总线(FF)，CAN，DeviceNet，LonWorks，PROFIBUS，HART，INTERBUS，CC-Link，ControlNet，WorldFIP，P-Net，SwiftNet．第二章数据通信系统与网络互联一、总线的基本术语：1，总线与总线段。
DCS第一章
人机接口软件以及生产管理生成等工具软件，能够实现 整个工厂的网络化和计算机的集成化。
管理级是属厂级的，也可分成实时监控和日常 管理两部分.实时监控是全厂各机组和公共辅助 工艺系统的运行管理层，承担全厂性能的监视， 运行优化，全场负荷分配和日常运行管理等任务。 日常管理承担着全厂的管理决策，计划管理，行 政管理等任务，主要是为厂长和个管理部门服务。
管理计算机
管理计算机
管 理 网 络
工程师工作站 工程师工作站 运行员操作站 运行员操作站
控 制 网 络
现场控制站 现 场 总 线 现场智能仪表 基本控制单元 监控站
现 场 生 产 过 程
图1.1 集散控制系统的典型结构
全场优化和调度管理级。信息自下而上集中，自上 而下分散，构成系统的基本结构。
1.1.2 集散控制系统的历史
集散控制系统由集中管理部分，分散管理控制检测 部分和通信部分组成。集中管理部分可分为运行员 操作站，工程师工作站和管理计算机；分散控制检 测部分可以按功能可以分为控制站，监测站；通信 部分用于完成控制指令及各种信息的传递和数据源 的共享。图1-1所示为一个集散控制系统的典型结构。 集散控制系统最基本的特征就是实现了系统的分 散控制和集中管理 。由于开放式计算机模式的提出， 以及集成技术，现场总线技术的影响，促进目前的 集散控制系统技术向集成化，综合化，智能化的方 向发展。 集散控制系统在体系上是分层的，按照自下而上的 功能一般分为四层：现场控制级，车间操作管理级
它应用于大规模的生产过程中。同样，一个按照 大规模生产过程设计的集中式计算机控制系统， 如果将其应用于下规模的生产过程，则会造成巨 大的浪费 模块式设计方法带来的另一个优点是系统的扩 展性 。集散控制系统可以随着生产过程的不断 发展，逐渐扩充系统的硬件和软件，以期达到更 大的控制范围和更高的控制水平。集散控制想的 可扩展性具有两个明显的特点：一个是它的传递 性，即扩充新的控制范围或控制功能时，并不需 要兵器已有的硬件和软件；另一个是它的整体性， 也就是说，集散控制系统在扩展时，并不是让新 的扩充部分形成一个与原有部分毫无联系的
《DCS与现场总线》-第1章-2
间隔3保护 间隔n保护
其它
测控单元 测控单元 智能装置
数控
字 量
制 输 出
数控
字 量
制 输 出
数控 字制 量输
出
数控
字 量
制 输 出
上海世博园区配电网现场总线监控系统配置图
1.3.5 现场总线应用领域
低压开关柜传统方式与现场总线智能化方式的比较
1.3.5 现场总线应用领域
PLC特点
1. 编程方法简单易学 2. 功能强，性能价格比高 3. 硬件配套齐全．用户使用方便。适应性强 4. 可靠性高。抗干扰能力强 5. 系统的设计、安装、调试工作量少 6. 维修工作量小，维修方便 7. 体积小，能耗低
可编程序控制器的应用领域
1.数字量逻辑控制 2.运动控制 3.闭环过程控制 4.数据处理 5.通信联网
3．每种总线各有其国际组织
大多数总线都成立了相应的国际组织，力图在制 造商和用户中创造影响，以取得更多方面的支持， 同时也想显示出其技术是开放的。
4．每种总线均有其支持背景
每种总线都以一个或几个大型跨国公司为背景， 公司的利益与总线的发展息息相关，如PROFIBUS 以Siemens公司为主要支持，ControlNet以 Rockwell公司为主要背景，WorldFIP以Alstom公 司为主要后台。
“web”
以太网
信息网络
OPC 数据服务器 控制
FF
2层
链路设备
设备网络
控制网络
Fieldbus
FF
以太网
仪表
1层
过程
0层
1.3.1 FCS的基本概念
现场总线
是用于自动化等领域最底层的、具有开放、统 一的通信协议的通信网络
现场总线控制系统(FCS)
第一章现场总线控制系统（FCS）第一节概述现场总线控制系统（Fieldbus Control System，FCS）是继基地式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散控制系统（DCS）后的新一代控制系统。
由于它适应了工业控制系统向数字化、分散化、网络化、智能化发展的方向，给自动化系统的最终用户带来更大实惠和更多方便，并促使目前生产的自动化仪表、集散控制系统、可编程控制器（PLC）产品面临体系结构、功能等方面的重大变革，导致工业自动化产品的又一次更新换代，因而现场总线技术被誉为跨世纪的自控新技术。
一、现场总线的发展随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展，信息交换的领域正在迅速覆盖从工厂的现场设备层到控制、管理的各个层次，从工段、车间、工厂、企业乃至世界各地的市场。
信息技术的飞速发展，引起了自动化系统结构的变革，逐步形成以网络集成自动化系统为基础的企业信息系统。
现场总线（Fieldbus）就是顺应这一形势发展起来的新技术。
1、什么是现场总线现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。
它在制造业、流程工业、交通、楼宇等方面的自动化系统中具有广泛的应用前景。
现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自都具有了数字计算和数字通信能力，采用双绞线等作为总线，把多个测量控制仪表连接成的网络系统，并按公开、规X的通信协议，在位于现场的多个微机化测量控制设备之间以及现场仪表与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息交换，形成各种适应实际需要的自动控制系统。
简而言之，它把单个分散的测量控制设备变成网络节点，以现场总线为纽带，把它们连接成可以相互沟通信息、共同完成自控任务的网络系统与控制系统。
它给自动化领域带来的变化，正如众多分散的计算机被网络连接在一起，使计算机的功能、作用发生的变化。
现场总线1章节FieldbusControlSystem,FCS共61页
0.3.4 分散控制系统
分散控制系统（简称DCS）的基本思想是：利用分 散控制、集中操作、分而自制、综合协调的原则，将测 控系统分为分散过程控制级、集中操作监控级和综合信 息管理级等三级，构成一分级形式的分布式控制系统。
综合信息管理级 管理 微机
网间
到其它局域网
链接
LAN
集中操作监控级 工程师
操作员
断、报警、4~2在0m线A 标定甚至PID运
算等功能…02~41…V0DmCA
……
(I/O)控制器
一对一连接
80年代开始
智能现场设备普遍应用
现场总线技术的初始想法：
设想全部或大部分现场设备都 具有直接进行通信的能力，并 具有统一的通信协议，只需一 根通信电缆就可将分散的现场 设备连接起来，完成对现场设 备的监控。
2.现场总线的发展
2019年到2019年，国际性组织FF（现场总线 基金会）和PNO（Profibus国际组织）先后发布 了适于过程自动化的现场总线标准H1、H2(HSE) 和Profibus-PA,H1和PA都在实际工程中开始应用。 2019年底，包含8种现场总线标准在内的国际标 准IEC-61158开始生效，除H1、HSE和PA外，还有 WorldFIP、Interbus、ControlNet、P-NET、 SwiftNet等五种。
H1
H1 H1
H2 现场总线
现 场 设 备 124
H1 现场总线 网桥
32 现场设备 H1 现场总线
32 现场设备
FCS控制层原 理图
FieldBus） 1
现场总线的概述（ 例如，智能化变送器除了具有 常规意义上的信号测量和变送
功能以外，往往它还具有自诊
a.包含CPU 传统控制bc系..具能统有直很接强数的字功通能信现场仪表
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Point Computer Control)。
*SCC 系统不仅可以进行给定值控制，同时还可以进
行顺序控制、最优控制以及自适应控制等。
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CRT
打印机
报警
操作台
监督控制计算机(SCC)
DDC计算机或调节器 输入通道
输入通道
输出通道
被 控 生 产 过 程 监督控制系统结构示意图
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常规控制系统的工作原理
设定值r e u 被调参数 y
控制器
执行机构
被控对象
ym
测量变送器
图a 单回路常规控制系统示意图
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计算机控制系统的工作原理
e(kT)
设定值r 计算机 D/A
u(kT)
保持器
u 广义对象
被调参数 y
ym
A/D
采样器
测量变送器
计算机系统 图b 单回路计算机控制系统示意图
采样信号y(kT) 原信号y(t)
y
零阶保持器算式 yh(kT+t)=y(kT) 0≤t＜T, k=0, ±1, ±2,… 由于它只是简单地 外推，故只有当T足 够小时，零阶保持 器才能较好地恢复 原信号。
恢复信号yh(t) t 2T 4T 6T
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显然：要改变控制策略及算法，只要改变计算机 的程序就可以（软）实现相应功能。
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信号特点2
计算机控制系统的采样过程
y(t)
采样器
y*(t) τ t
y(t)
t 原始过程信号
y*(t)
2T 4T 采样后的信号
信号通过采样器
过程信号采样过程示意图
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信号特点3
信号的保持
目的：将离散采样信号恢复为被控对象 能够感知的连续模拟信号 方法：采用保持器——由现在或过去时刻 的采样值 , 用某种函数去逼近 2个采样时 刻间的原信号 常用的保持器：零阶、一阶
*过程通道一般可分为模拟量输入通道（A/D）、模拟量
输出通道 (D/A) 、开关量输入通道和开关量输出通道 等。
*过程通道是不能直接由主机控制的，必须由
“接口”来传送相应的信息和命令。
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3) 通用外围设备
*通用外围设备主要是为了扩大主机的功
能而设置的，
*通用外围设备可分为输入设备、输出设
部。
*它自动地对过程输入通道収送来的工业参数进
行巡回检测，按照人们预先安排的程序，进行 信息处理、分析和计算，并作出相应的控制决 策，通过输出通道及时収出有关的控制命令。
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2) 接口与输入/输出通道
*计算机和生产过程乊间设置信息的传递和交换
的连接通道———输入/输出通道，(过程通道)
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CRT
打印机
报警
数字计算机
过程输入通道
人
执行机构
……
测量变送
……
测量变送
被 控 生 产 过 程
数据采集系统示意图
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2、 直接数字控制系统（Direct Digital Control )
DDC 系统中用一台微机对多个被控参数进行巡回 检测，再根据规定的控制规律、进行控制运算， 并输出到执行机构对生产过程进行控制。
备和存储设备，并根据控制系统的规模 和要求来配置。
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4) 检测及执行机构
*工业过程参数一般是非电物理量，必须经过传感
器变换为等效的电信号。因此，检测元件精度的 高低直接影响微机控制系统的精度。
* 为了控制生产过程，还需要有执行机构。常用
的执行机构有电动、液动和气动等形式。另有动 力电机和控制电机等。
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(4) 使用灵活，便于实现特殊的控制规律，如修 改部分程序就能改变调节规律，而无需改变硬 件设备，计算机控制系统可以在线改变控制方 案。因而可以在不增加硬件设备的情况下逐步 提高控制水平。
(5)具有增加控制回路而不会显著地增加费用的 特点，还可实现打印、制表、报警、显示等附 加功能。
计算机技术的収展使整个人类社会収生了巨大 的变化，自然影响了工业生产和企业管理。越来越 多的的企业利用计算机控制系统将过程控制和生产 管理有机的结合起来，实现生产的全面自动化管理。
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(1)实时数据采集 :检测被控量的瞬时值，将采样结果输 到计算机中。 (2)实时决策: 给定值与被控量的数值处理后，按照预定 的控制规律进行控制运算——实时决策。
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1.硬件 ——由主机、接口电路及外围设备组成。不 同的系统，所需硬件也不同，一般可根据控制 系统的需要进行扩展。
具有各种功能的插件板或功能模块，可用标准总线 连接起来，如PC总线构成的各种工业控制计算机、PLC、 DCS等。
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1) 计算机主机
*由 CPU和存储器构成，是整个控制系统的指挥
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* 强调 计算机控制系统是以分时方式对控制对象进行控制的，
它以定时采样和阶段控制来代替常规调节装置的连续检测
和连续控制。
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软件
变送器
传感器
接口 显示终端
A/D多路开关生 产 Nhomakorabea 象磁盘驱动器
微 型 计 算 机
接口
D/A
反多路开关
执行机构
接口
开关量输入
接口 打印机 实时 时钟 操作 台
*软件是微机系统的神经中枢，整个系统的动作都是在软
*软件质量关系到计算机运行和控制效果的好坏，及硬件
功能是否能够充分収挥和推广应用。 软件通常分两类：
*系统软件 *应用软件和数据库。
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（3）.计算机控制系统网络
网络技术在计算机控制系统中的比重越来越大。 计算机控制系统的网络结构一般分为两大类：
*DDC 系统中，计算机不仅完全取代模拟调节器，
实现多回路的 PID 调节，而且不改变硬件，只通 过改变软件就可以实现较复杂的控制算法。
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CRT
打印机
报警
操作台
直接数字控制(DDC)计算机
过程输入通道
测量变送
……
过程输出通道
执行机构
……
测量变送
执行机构
被 控 生 产 过 程
图 DDC系统框图
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5) 操作台
*操作台是人机对话（接口）的联系纽带。程序
员使用该人机设备 ( 运行操作台 ) 来输入、修改 和检查程序。
*生产过程的操作人员必须了解控制台的使用细
节，否则会引起严重后果。
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（2）.软件
*软件——各种功能程序的总和 ——操作系统、监控程序、
管理程序、控制程序、计算和自诊断程序等。 件指挥下协调工作的。
开关量输出
通用外部设备
主机及操作台
接口
外部通道
检测及变送
控制对象
基本计算机控制系统结构示意图
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第二节
计算机控制系统分类
按照系统的功能分类——
*计算机巡回检测和操作指导系统 *计算机直接数字控制系统 *计算机监督控制系统 *计算机集散控制系统 *现场总线控制系统 *工业过程计算机集成制造系统（流程CIMS）
计算机控制系统的基础；
*计算机控制软件——指管理计算机的程序以及过程
控制的应用程序，是计算机控制系统的灵魂；
*计算机通信网络——指各数据采集节点和控制单元
乊间的通信设备及网络，是进行系统数据信息交 换的通道。
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计算机控制系统的组成作用
计算机控制系统的组成示意图
控制计算机 硬件部分 现场仪表（测量传感器、执行机构等） 计算机控制系统 系统软件 软件部分 应用软件 操作系统 汇编或高级语言、过程控制语言 通信网络软件、诊断程序等 过程输入/输出程序、过程控制程序 人机接口程序、打印显示程序 各种公共子程序 历史数据库、实时数据库 主机、外设、系统总线 生产过程输入输出通道 人—机联系设备、通信设备
*对等式网络结构Peer to peer； *客户机/服务器结构Client/Server。
*自动化领域的计算机局域网——现场总线技术
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计算机控制的优点
(1) 消除模拟调节器难以克服的缺点 : 漂移问题，参
数整定范围窄，比例、积分和微分系数不能单独调整，
(2) 可在整个控制范围内实行多参数调节。 (3) 当信号噪声大时，数字低通滤波器与模拟滤波器 相配合，对高频的脉冲噪声有较好的滤波效果，特别 数字滤波可抑制甚低频的周期干扰。
DCS及现场总线
DCS——Distributed Control System FCS——Fieldbus Control System
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1.1 计算机控制系统基本概念 1.2 计算机控制系统分类 1.3 集散控制系统基本概念 1.4 现场总线控制系统总体概念 1.5 DCS、FCS及PLC的差异
计算机 给定值 － 模/ 数 转换 检测 装置 数 字 控制器 数/ 模 转换 执行 机构 被控 对象 被控量
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计算机控制与传统的继电控制比较，具有很大的优势： 1、改变控制策略及算法时，只要改变计算机程序，就 可以进行功能实现。 2、精度高、速度快、存储容量大和有逻辑判断功能等。 3、可实现高级复杂的控制策略。
计算机控制系统最基本的功能。
*实时控制——指信号的输入、计算和输出都要在一定的时