DCS与现场总线技术第一章概论
现场总线复习课北化
现场总线
第四章HART通信协议
一、HART协议最为突出的特点是什么？ 最突出的特点是：数字通讯与模拟信号4～20mA兼容，传输的信号 用调制后的正弦信号叠加在4～20mA的模拟信号上。 二、简要概述HART 协议的两种通信模式，HART协议的点对点模式 和多点模式各自的地址范围是多少。 点对点模式时从设备的地址为0；多点模式时从设备地址范围为115 三、HART协议总线可挂接的仪表数量最多为多少？ 在非本安情况下，从设备最多可有15台。在本安情况下，由于线路 电流能量限制，从设备最多只能有4台。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
4、用户具有系统集成主动权
用户 可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统。不会为系
统集成 中不兼容的协议、接口而一筹莫展； 系统集成过程中的主动权牢牢掌握在用户手中。
第一章现场总线技术概述
现场总线
四、现场总线有哪些优点？
5、提高了系统的准确性与可靠性
现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，从 根本 上提高了 测量与控制的精确度，减少了传送误差； 系统的结构简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能 加强， 减少了 信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性； 设备标准化，功能模块化，使系统具有设计简单，易于 重构 等优点。
一、简述控制网络的主要特点？ 二、总线访问控制技术可分为哪两大类？各自的代表性技术 是哪些？ 三、CSMA/CD的发送数据工作过程？ 四、令牌环发送和接收数据的过程是什么？ 五、令牌总线中令牌丢失和令牌重复的处理方法？ 六、OSI标准模型一共有哪几层？对比OSI模型，简述FF总线、 HART总线和EPA总线的通信模型？ 七、解释现场总线协议的一致性测试目的和可互操作性的测试 目的。
现场总线
第四章HART通信协议
第1讲现场总线技术概述
1.3.1 基金会现场总线
前身为以Fisher-Rousemount公司为首，联合 Foxboro、横河、ABB、西门子等公司的ISP协议， 以及以Honeywell为首的P协议，合并后 成立现场总线基金会； 以ISO/OSI开放系统互连模型为基础，取其物理层、 数据链路层、应用层，并增加用户层； 分低速H1(31.25Kbps,距离1900m)和高速 H2(1Mbps,750m和2.5Mbps,500m)两种通信速率； 介质支持双绞线、光缆和无线发射，传输信号采用 曼彻斯特编码
现场总线有两种编码方式：Manchester和NRZ， 前者同步性好，但频带利用率低，后者刚好相反。 前者采用基带传输，后者采用频带传输。传输介 质主要有：有线电缆、光纤和无线介质。
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现场总线概述
1.1.8 现场总线网络的实现 数据链路层
分为两个子层：介质访问控制层(MAC)和逻辑链路控制层(LLC)。 MAC对传输介质传送的信号进行发送和接收控制；LLC对数据链进 行控制，保证数据传送到指定的设备上。现场总线上的设备可以是 主站，也可以是从站。 MAC层的三种协议：集中式轮询协议、令牌总线协议和总线仲裁协 议。
介质、拓扑结构、节点数等
网络性能
传输速率、时间同步准确度、访问控制方式等
测控系统应用考虑 市场及其他因素
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现场总线概述
1.3 现场总线简介 1.3.1 基金会现场总线(FF) 1.3.2 PROFIBUS 1.3.3 LonWorks 1.3.4 CAN
1.3.5 HART
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现场总线概述
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
现场总线技术概述
信息量大、易操作、容错性好等。
组成：由操作站、管理机和外部设备（如打印机）等组 成，相当于车间操作管理级和全厂优化及调度管理级， 实现人机接口。
1.2.1 DCS的结构
3.通信系统部分
连接分散过程控制装置以及集中操作和管理系统等 进行信息交换和数据共享的计算机通信网络，是DCS 控制系统的中枢。
由于嵌入式技术的发展，许多测量变送仪表和执行机构等现场设 备实现了智能化，即内置微处理器，完成诸如线性化、量程转换、 数字滤波甚至回路调节等功能。
因此，对于这些智能现场设备增加一个串行数据接口（如RS232/485）是非常方便的。有了这样的接口， 控制器就可以按其 规定协议，通过串行通信方式（而不是并行I/O方式）完成对现场 设备的监控。
的模拟量接口（4~20mA） 双向通信方式使传输的信息量大大丰富
1.1 自动控制系统的发展及体系结构
(4)现场总线控制系统Fieldbus Control System
操作站
通信接口
现场总线
监控网络
通信接口 现场总线接口
控制回路
1.1 自动控制系统的发展及体系结构
(4)现场总线控制系统Fieldbus Control System
FCS的新特征 FCS用现场总线替代DCS中的I/O总线，并且直接用
于生产现场； FCS用现场总线数字仪表替代DCS中的现场模拟仪表，
实现更复杂的功能。
1.1 自动控制系统的发展及体系结构
传统控制系统的主要缺点
（1）信息集成能力不强 控制器与现场设备之间通过I/O连线连接，传送4~20mA模拟量信 号或24VDC开关量信号，并以此监控现场设备。 控制器获取信息量有限，如设备参数、故障记录等有用数据很难 得到。
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。
现场总线控制系统（FCS）
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、规范的通信协议，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。
现场总线课后答案
现场总线课后答案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。
现场总线技术及其应用-概述
Date: 2020/7/4
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4.现场总线系统的优点
• 节省维护开销 1）现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的
能力，可通过数字通信将相关诊断维护信息发送 到控制室，便于用户查询分析故障原因并快速排 除，缩短了维护停工时间；
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基地式仪表特点：
（1）综合与集中：基地式仪表把必要的功能部件全 集中在一个仪表之内，只需配上调节阀便可构成一 个调节系统；
（2）基地式仪表系统结构简单，不需要变送器，使 用维护方便、防爆。由于安装在现场，因而测量和 输出的管线很短。基地式仪表减少了气动仪表传送 带滞后的缺点，有助于调节性能的改善；
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第1章 概述
1.现场总线的产生、本质与发展 2.现场总线的结构及其特点 3.几种有影响的现场总线 4.现场总线面临的挑战
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学习目标
1.掌握现场总线的概念 2.了解目前市场上最常见的现场总线及 其主要特点 3.了解现场总线技术对未来自动控制系 统的影响
执行器是控制系统必不可少的环节。 手
执行器工作/使用条件恶劣，它也是控制系统最薄弱的环节。
原因：执行器与介质直接接触；
(强)腐蚀性、(高)粘度、(易)结晶、高温、深冷、高压。
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① 分类－－按使用的能源形式：
气动执行器
电动执行器
液动执行器
气动阀
电动阀
《现场总线技术》课程主要内容
答：面向连接的服务：按照电话系统建模的； 无连接服务：按照邮政系统建模的，存储-转发交换，直通式交换。
（7）OSI 参考模型分为哪 7 层？TCP／IP 参考模型分为哪 4 层？现实实际运行 的网络采用了哪 5 层？
答：IEC61158：工业控制系统用现场总线包括：FF H1，FF HSE，ControlNet， Profibus，P-Net，SwiftNet，WorldFIP，Interbus 八种。
IEC62026：低压开关设备和控制设备用现场总线（设备层现场总线）包括： DeviceNet ，Seriplex（串行多路控制总线），AS-i（执行器传感器接口），SDS （智能分布系统）。
《现场总线技术》课程主要内容
第 1 章 概论
（1）名词解释： CCS（Computer Control System）中央控制计算机系统， DCS（Distributed Control System）集散控制系统/分散控制系统/分布式控制
系统、 FCS（Fieldbus Control System）现场总线控制系统。
（4）如何理解服务、接口和协议？ 答：服务是指某一层向它上一层提供的一组原语（操作）。服务定义了该层
准备代表其用户执行哪些操作，但它并不涉及如何实现这些操作；在每一对相邻 层之间的是接口（interface）。接口定义了下层向上层提供哪些原语操作和服务； 协议就是定义通信双方同层对等实体之间传输/交换的数据单元的格式和意义的 一组规则。 （5）SAP、IDU、PDU、SDU、ICI。
答：OSI 参考模型：物理层，数据链路层，网络层，传输层，会话层，表示 层，应用层；
DCS与现场总线综述
Ｂｒ ｉ ｅ ｆ Ｉ ｎ ｔ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｔ ｏ ＤＣＳ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ Ｆ ｉ ｅ ｌ ｄ ｂ ｕ ｓ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ
ＺＨＡＮＧ Ｚｈ ｅ ｎ， ＮＩ Ｕ Ｙｕ． ｇ ａ ｎ ｇ
（ Ｅ ａ ｓ ｔ Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ， Ｓ ｈ ａ ｎ ｇ ｈ ａ ｉ ２ ０ ０ ２ ３ ７ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
《 电 气自 动 化 １ ２ ０ １ ３ 年 第３ ５ 卷 第１ 期
综 述
Ｓ ｕ ｒ ｖ ｅ ｙ
Ｄ Ｃ Ｓ与 现 场 总 线 综 述
张 桢 ，牛 玉 刚
（ 华东理工大学 信息科学与工程学院 ， 上海 摘
２ ０ ０ ２ ３ ７ ）
要 ：现场总线技术对工业领域的意义是非常 巨大的 。首先 ， 集散控制系统 的概述 、 发展历史和组成结构在文 中一一 简述 ， 接着从形 成背景、 概念 、 特点 、 优势和组成 出发 ， 对现场总线技术 在工业控制 中的应用现状及最新进展进行 了综述 ， 并且介绍了几种 国际 上流行 的现场总线如 Ｃ Ａ Ｎ总线 、 Ｌ ｏ ｎ Ｗｏ ｒ ｋ ｓ 总线 、 基金会现场总线 、 Ｈ Ａ Ｒ Ｔ总线 、 Ｐ ｒ ｏ ｉ ｆ ｂ ｕ ｓ 总线 和它们的通信协议 、 应用领域 和实 时性 ， 以及他们应对技术变革和系统故障采取 的对策 。
《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
DCS及现场总线技术
2.3 DCS旳硬件系统
本节从过程控制站、人机接口设备、系统通信 设备等三个方面，对DCS旳硬件系统和构成作 一种扼要论述。
硬件基础
冗余：通俗来讲，冗余就是热备用，能够了解既 多出又不多出。
2．控制级（层）旳功能
1）过程控制站旳功能 能对现场设备（如传感器、变送器等）传来
旳信息，按照一定旳控制策略进行分析、处理并 计算出所需旳控制量，经过输出通道将控制量信 息传递给现场旳执行器，完毕系统旳控制任务。 2）数据采集站旳功能
数据采集站能完毕过程数据采集、设备监测、 系统测试和故障诊疗。
拷贝机、键盘、鼠标等。
☞操作站提供了良好旳人机交互界面， 用以实现集中监视、操作和信息管 理等功能。
在有旳小DCS中，操作站兼有工 程师站旳功能，在操作站上也能够 进行系统组态和维护旳部分或全部 工作。
4.工程师站
工程师工作站 （Engineering Work Station，EWS）是由PC机 配置一定数量旳外部设备所 构成，如CRT（或LED）显 示屏、键盘、鼠标、打印机 和绘图机等。
模件机笼用于安装功能模件（主控卡）、数 据转发模（卡）件、端子板和各类I/O模（卡）件 等，均可采用冗余构造配置，构成双冗余主控构 造和冗余I/O构造。
☞综上所述，操作站、工程 师站和管理计算机构成 了DCS旳人机接口，用 以完毕集中监视、操作、 组态和信息综合管理等 任务。现场控制站和数 据采集站构成DCS旳过 程接口，用以完毕数据 采集与处理和分散控制 任务。通信总线是连接 DCS各部分旳纽带，是 实现集中管理、分散控 制目旳旳关键。
《现场总线技术》PPT课件
2021/6/10
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1.1.2 现场总线的体系结构
• 1、现场通信网络
• 一直延伸到生产现场 或生产设备，用于过 程自动化和制造自动 化的现场设备或现场 仪表互联的现场通信 网络。
• 2、现场设备互联
• 现场设备指变送器、执行 器、服务器、网桥和辅助 设备及监控设备
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• 3、互操作性
• FCS由控制系统软件、测量系统、网络 系统和管理系统组成
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1、控制系统软件
• 包括监控组态软件、维护软件、仿真软 件和设备管理软件等
• 步骤：
• 1、选择开发组态软件、控制操作人机接口软 件；
• 2、组态软件、完成功能块间的连接； • 3、选定功能参数，进行网络组态； • 4、在网络运行过程中对系统实时采集、处理
楼宇、铁路交通 • 3、LonWorks总线 • 应用领域：楼宇 • 4、CAN总线 • 应用领域：汽车、机器人、液压系统等
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几种有影响的现场总线
• 5、WorldFIP总线 • 应用领域：过程自动化、制造业自动化、电力、
楼宇等 • 6、P-NET 总线 • 应用领域：石化、能源、交通、轻工、建筑、
• 应用在生产现场，在计算机控制设备之 间实现双向串行多点数字通信的系统。
• 特点： • 1、传统测量仪器仪表微机化，具有数字
计算、通信能力
• 2、可用双绞线作为总线，连接现场仪器 仪表成网络系统；
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特点：
• 3、执行公开、规范的通信协议 • 4、现场仪表、控制设备与远程监控计算
现场总线技术
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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
集散控制系统与现场总线试题习题及答案
本答案仅供参考。
第1章绪论什么是过程计算机控制系统它由哪几部分组成通过具体示例说明。
答：它是指由被控对象、测量变送装置、计算机和执行装置构成，以实现生产过程闭环控制的系统，它综合了计算机过程控制和生产工艺过程。
例如温度控制系统。
计算机控制工业生产过程有哪些种类型答：计算机控制工业生产过程一般有五种类型：操作指导控制系统；直接数字控制系统；监督控制系统；集散控制系统；现场总线控制系统。
计算机控制系统的硬件一般有哪几大主要组成部分各部分是怎样互相联系的其中过程通道有几种基本类型它们在系统中起什么作用答：计算机控制系统的硬件一般包括：主机、外部设备、过程输入输出设备。
两个过程通道，一个是输入通道，另一个为输出过程通道。
输入过程通道包括：A/D通道----把模拟信号转换成数字信号后再输入；DI通道-----直接输入开关量信号或数字量信号。
输出过程通道包括：D/A通道----把数字信号转换成模拟信号后再输出；DO通道-----直接输出开关量信号或数字量信号。
直接数字控制系统的硬件由哪几部分组成答：直接数字控制系统的硬件主要有计算机（主机）、过程输入输出通道、操作台和计算机辅助设备组成。
如下图所示。
数字PID 控制算法有几种形式各有什么特点答：数字PID 控制算法有位置式、增量式、速度式三种形式。
PID 位置式根据偏差计算阀门的位置，PID 增量式根据偏差计算阀门的变化；PID 速度式根据偏差变化程度计算阀门的变化。
试推导计算机控制系统PI 控制算法的位置式、增量式和速度式。
答：模拟PI 控制算法为])(1)([)(0⎰+=tI p dt t e T t e k t u 其中，p k ----比例增益I T ----积分时间常数在采样周期相当短暂时，用矩形法近似代替积分项∑⎰=≈ki t i Te dt t e 00)()(，其中T 为采样周期，k 为采样序号。
PI 位置式算法为：x k i I p ui e k k e k k u ++=∑=0)()()(PI 增量式算法为：)()()(k e k k e k k u I p +=∆∆PI 速度式算法为：Tk e k T k e k T k u k v I p )()()()(+==∆∆ 其中，x u -----偏差（它是初始阀门位置）)(k u ∆---第k 次输出的偏差校正值)(k e ∆---第k 次采样值的偏差校正值试推导计算机控制系统PD 控制算法的位置式、增量式和速度式。
现场总线第1讲FieldbusControlSystemFCS
1.现场总线概述
现场总线(Fieldbus)的概念： 是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、
双向、多站的通信系统。主要解决工业现场的智 能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间 的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系 统之间的信息传递问题 。 主要用于：
制造业、流程工业、交通、楼宇等方面的自动化 系统中。
※50年代之前的气动仪表控制系统称作第一代 ※单元组合仪表为基础的常规仪表控制系统称为第二代 ※集中型计算机控制系统称为第三代 ※第四代控制系统是指70年代中期以后发展起来的DCS
作为新一代控制系统： 一 方 面：FCS突破了DCS采用专用通信网络的局限，采用了基于开
放式、标准化的通信技术，克服了封闭系统所造成的缺陷； 另一方面：FCS进一步变革了DCS中“集散”系统结构，形成了全分
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
现场总线定义
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。 它的关键标志是能支持 双向、多节点、总线式的全数字通讯。
网
包括IPC、PLC以及各种智能化的现场控制设备
络 节
基于统一、规范的通信协议
点
通过同一总线实现相互间的数据传输与信息共享
网 络
位于
生产控制 网络结构
DCS技术和现场总线技术的结合
DCS技术和现场总线技术的结合摘要：本文从现场总线技术与DCS系统的概念入手，分析现场总线技术和DCS系统的特点，再结合两者的在实际中的应用，从中了解到两者之间的内在联系，发现两者在将来的发展是一个统一的整体，DCS系统中必然用到现场总线技术，现场总线技术也将依附与DCS系统中。
最后得出DCS系统和现场总线控制系统结合发展的结论。
现场总线的概念根据国际电工委员会IEC61158标准的定义，现场总线是指应用在制造过程区域现场装置和控制室内自动控制装置之间的包括数字式、多点、串行通信的数据总线，即工业数据总线。
是开放式、数字化、多点通信的底层通信网络。
以现场总线为技术核心的工业控制系统，称为现场总线控制系统FCS（Fieldbus Control System），它是自20世纪80年代末发展起来的新型网络集成式全分布控制系统。
其中，现场总线系统一般被称为第五代控制系统。
第一代控制系统为50年代前的气动信号控制系统PCS，第二代为4~20mA等电动模拟信号控制系统，第三代为数字计算机集中式控制系统，第四代为70年代中期以来的集散式分布控制系统DCS。
DCS的概念DCS即所谓分布式控制系统，或称之为集散系统，是相对于集中控制系统而言的一种非常成熟的计算机控制系统，它是集中式控制系统的基础上发展、演变而来的。
1995年国际标准化组织（ISO）定义：DCS系统式一类满足大型工业生产和日益复杂的过程控制要求，从综合自动化角度出发，按功能集散，管理集中的原则构思，具有高度可靠性指标，将微处理技术、数字通讯技术、人机接口技术相结合，用于采集、过程控制和生产管理的综合控制系统。
生产发展的需要，电子技术、计算机技术的发展，最早的基于大型机的直接数字控制技术即DDC技术，集中管理，集中控制，这些都促进了DCS技术的发展。
现场总线技术的特点现场总线技术具有系统的开放性，互可操作性与互用性，现场设备的智能化与功能自治性，系统结构的高度分散性以及对现场环境的适应性等。
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电子信息与控制工程系
计算机控制系统各部分的功能说明
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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。
现已生产出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，使用非常方便，PC总线构成的 各种工业控制计算机、可编程逻辑控制器(PLC)等即属 此类。
❖ 它自动地对系统的各种参数进行巡回检测，通过过程输 入通道发送来的工业对象的生产工况参数；
给定值
控制器
执行机构
被控对象
被控参数
变换发送
测量元件
（2）闭环控制系统框图
❖ 图中给出了按偏差进行控制的闭环控制系统框图。 这种控制系统具有较好的控制性能。
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电子信息与控制工程系
❖ 计算机控制系统
设定值r
e(kT) 计算机
u(kT)
D/A
保持器
u 广义对象
被调参数 y
ym A/D
计算机系统
采样器
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电子信息与控制工程系
1.1.1 计算机控制系统概述
❖ 计算机控制系统是用计算机(通常称为工业控制 计算机)来实现工业过程自动控制的系统。
开环控制系统
给定值
控制器
执行机构
被控对象
被控参数
开环控制系统框图
❖ 这种控制系统不能自动消除被控参数与给定值之间 的误差。
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电子信息与控制工程系
❖ 闭环控制系统
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电子信息与控制工程系
软件
显示终端 磁盘驱动器
接口
微
型
接口
计
算
机
接口
打印机
接口
实时 操作 时钟 台
通用外部设备 主机及操作台 接口
变送器 传感器
A/D
多路开关
生
D/A
反多路开关
执行机构
产
对
象 开关量输入
开关量输出
外部通道
检测及变送
控制对象
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①主机
❖ 由CPU和存储器构成，是整个控制系统的指挥部。
本课程涵盖多门技术的相关内容
❖ 计算机技术
（DCS硬件构成、软件平台的应用等）
❖ 自动控制技术
（实现DCS控制策略及算法的技术方法）
❖ 人机接口技术
（DCS组态技术和操作技术等）
❖ 通信技术
（DCS数据通信技术、网络技术等）
❖ 现场总线技术
（现场总线的核心、基础、协议模型及典型的FCS技术）
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电子信息与控制工程系
第七章 典型的现场总线应用 ❖ 内容：FF的特点及主要技术应用； ❖ 重点：不同FCS的应用特点及区别 ❖ 难点：FCS的应用技术方法
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电子信息与控制工程系
第一章 绪论
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电子信息与控制工程系
1.1 计算机控制系统基础
❖ 1.1.1计算机控制系统的概述 ❖ 1.1.2计算机控制系统的组成 ❖ 1.1.3计算机控制系统的分类 ❖ 1.1.4集散控制系统产生的背景
电子信息与控制工程系
DCS及现场总线
DCS——Distributed Control System FCS——Fieldbus Control System
1
电子信息与控制工程系
本课程涵盖多门技术的相关内容
DCS由4C技术发展和渗透产生：
计算机技术
控制技术
通讯技术
CRT人机接口技术
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测量变送器
图b 单回路计算机控制系统示意图
❖ 计算机控制系统的结构与常规控制系统相似，只是将控制器 用计算机来代替，就组成了典型的计算机控制系统。
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结构特征
❖
执行控制功能的核心部件是计算机，是模数混合系统；
❖
控制规律利用软件实现，便于实现复杂的控制规律；
❖
可同时控制多个回路；
足够快的速度进行控制。
❖ 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。
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电子信息与控制工程系
1.1.2、计算机控制系统的组成
❖ 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；
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电子信息与控制工程系
第五章 DCS数据通信及网络 内容：数据通信概念及技术、DCS网络标准和协议 重点：DCS通信相关技术、网络协议及功能 难点：网络体系结构
第六章 现场总线技术基础 内容：FCS的定义、特点、网络协议模式等 重点： FCS的定义、特点 难点：FCS的网络协议模式和标准
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电子信息与控制工程系
本课程与的相关课程的关系
微机原理
控制工程
DCS及现场总线
自动控制理论
测控仪表与装置
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电子信息与控制工程系
教学内容、要求
第一章 概述 内容：计算机控制系统概念、各类特点及应用 重点：DCS、FCS总体概念 难点：集散控制概念
第二章 DCS的硬件体系及系统 内容：DCS构成方式、要素及功能 重点：DCS结构体系及各层功能 难点： DCS结构体系
计算机控制系统的工作方式
• ⑴在线方式和离线方式
❖
生产过程和计算机直接连接，并受计算机控制的方
式称为在线方式或联机方式。
❖
生产过程不和计算机相连，且不受计算机控制，而
是靠人进行联系并作相应操作的方式称为离线方式或脱机
方式。
• ⑵实时控制——指信号的输入、计算和输出都要在一定的
时间(采样\控实时控制: 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。
上述过程不断重复，使整个系统按照一定的品质指标进 行工作,并对控制量和设备本身的异常现象及时作出处理。
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电子信息与控制工程系
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电子信息与控制工程系
第三章 DCS的软件体系及功能 内容：DCS软件体系——控制、监控和组态软件 重点：DCS可靠性和可组态性 难点：组态概念
第四章 DCS的控制算法及组态 内容：PID控制、改进PID控制、前馈控制、串级控制
时滞补偿控制、顺序控制算法及DCS实现 重点：改进PID控制、前馈控制、时滞补偿控制 难点：控制算法——组态——DCS控制功能
❖
存在开环控制系统、闭环控制系统等不同类型的控制
系统。
❖
显然：要改变控制策略及算法，只要改变计算机的程
序就可以实现相应功能。
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计算机控制系统的工作原理
(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。