第一章 工控技术 概论

DCS 系统技术
智能化仪表 设备技术
计算机 网络技术
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测控系统发展历程
现代工控技术
一、基地式气动仪表（PCS生产现场） 二、气动、电动系列的单元组合式仪表（集中控制室） 三、直接式数字控制系统（DDC 集中控制系统）
危险集中，可靠性差
四、DCS (Distributed Control System，) 显示、操作、管理集中；控制、负载、危险分散；
（2）互可操作性与互用性
• 互可操作性是指实现互连设备间、系统间的信息传送 与沟通；而互用性则意味着不同制造商性能类似的设备 可进行更换，实现相互替换。
（3）现场设备的智能化与功能自治性 • 将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分 散到现场总线设备中完成。
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（4）系统结构的高度分散性 现场总线已构成一种新的全分散性控制系统
是一种在现场设备之间、现场设备与控制装置之间实现双向、互 连、串行和多节点的数字通信技术。 核心思想：功能分散、危险分散、信息集中 应用微处理器、网络技术、通信技术和自动控制技术。 缺点：没有真正统一的通信标准。
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现场总线பைடு நூலகம்术
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以微处理器为核心的检测系统
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FCS和DCS的详细对比
20世纪80年代，微处理器在控制领域得到应用，微 处理器被嵌入到各种仪器设备中，形成了分布式控制系 统。
从实际应用的角度出发，控制界也不断在控制精度 、可操作性、可维护性、可移植性等方面提出新需求， 由此，导致了现场总线的产生
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现场总线的技术支持
现场总线 技术来源
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新型的现场总线控制系 统与传统的控制系统（ 如DCS、PLC）之间并 不是完全取而代之的关 系，而是继承、融合、 提高的关系。
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什么是现场总线
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现场总线原本是指现场设备之间的信号传 输线，以后又被定义为应用在生产现场， 在测量控制设备之间实现双向串行、多节 点数字通讯的技术。
现场总线是以单个分散的数字化、智能化 的测量和控制设备作为网络节点，并用总 线相连接，实现相互交换信息，共同完成 自动控制功能的网络系统与控制系统
还是一种开放式、新型全分布式的控制系统
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现场总线的产生背景
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微处理器技术的迅猛发展和广泛应用， 使仪表和现场控制设备在性能和功能上 有显著的提高。
对系统维护管理、测试和监视需求的日 益增加。
控制领域在控制精度、可操作性、可维 护性、可移植性等方面的要求。
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现场总线的产生背景
现代工控技术
现场总线技术是伴随微电子技术，计算机 网络技术，通信技术、控制技术的发展而 发展的，这一技术的发展，导致了自动化 系统的深刻变革。信息技术迅速渗透到生 产现场的设备层，覆盖从生产车间到企业 管理经营的各个方面，从原料供应，生产 制造，到生产调度，资源规划，乃至市场 销售的各个环节都能顺畅、及时沟通，逐 步形成以控制网络为基础的企业信息系统
的体系结构，提高了可靠性。 （5）对现场环境的适应性 可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红
外线、电力线等多种传输介质，具有较强的 抗干扰能力，采用两线制实现供电与通信， 并可满足本质安全防爆要求。
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二、现场总线的优点
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（1）FCS实现全数字化通信
• DCS采用层次化的体系结构，通信网络分布 于各层并采用数字通信方式，唯有生产现场层 的常规模拟仪表仍然是一对一模拟信号(如4～ 20mA DC)传输方式，因此DCS是一个“半 数字信号”系统。
工业控制网络的发展历程是分步骤的，从传统的控制网 络发展到较为先进的现场总线，再发展为工业以太网以及到无 线网络控制。未来工业网络的发展需要从通信的实时性，安全 性和可靠性来努力。
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现代工控技术
第一章 概论
1.1 现场总线的产生与发展 1.2 现场总线的特点 1.3 几种常见的现场总线
（3）基地式仪表的缺点是功能较简单，不便于组成复杂的调 节系统，外壳尺寸大，精度稍低。由于不能实现多种参数的集 中显示与控制，也在一定程度上限制了基地式仪表的应用范围 。
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（2）气动、电动单元组合式仪表 （模拟仪表控制系统）
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1、气动和电动组合式仪表 2、模拟量信号：0.02～0.1MPa气动信号、0 ～ 10V、 4 ～ 20mA电信号 3、操作人员在监控室了解现场情况
现场总线的主要功能是用于控制、报警、和事件报告。
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现场总线的本质
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(1)现场通信网络：用于过程自本动质化安和全制：造狭自义动的概化念现指场的仪是表通过 或现场设备之间的互连通信。 设计手段使生产过程和产品性能本
(2)现场仪表互连：互连设备是身传具感有器防、止变危送险器发生、的执功行能器，、即使
控制器等现场仪表；
在误操作的情况下来说也不会发生
(3)功能分散：构成控制系统的事多故个。功广能义分的散角在度来多说台就现是场通仪过各
表或现场设备中；
种措施(包括教育、设计、优化环境
信，((， 并45))互 通并 可操 信可 以作 线以 提性 供供统： 电一 本不：组质同态安现厂全；场家；仪的表现或场现等 ， 能 健仪场)即 有 康从表设使 效 状源或备出 阻 态头现采现 止 得上场用人事到堵设为故有通住备失发效信事误生保可线故或，障以发供环使。互生电境人相的方恶的可通式安化能全也性
控制 能仪器中。
中在控制站中。
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FCS
DCS
用户可以自由选择不同 尽管模拟仪表统一了信
（5）
制造事故内提供的性能 号标准（4~20mA DC） 价格比最优的现场设备 ，可是大部分技术参数
互换性 和仪表，并将不同品牌 仍由制造厂自定，致使
的仪表互连，实现“即 不同品牌的仪表不能互
操作员在控制室既可以 操作员在控制室既
（3） 了解现场设备过现场仪 不了解模拟仪表的
失控
表的工作情况，也能对 设备进行参数调整，还
工作情况，也不能 对其进行参数调整
状态 可以预测或寻找故障， ，更不能预测故障
使设备始终处于操作员 ，导致操作员对仪
的过程监控与可控状态 表处于“失控”状
之中。
态。
（4） 控制功能分散在各个智 所有的控制功能集
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现场总线：
采用智能现场设备 ，可将各控制模块 置入现场设备中， 控制功能可在现场 完成。 控制器与现场设备 之间采用数字式通 信方式，使用一根 电缆连接所有现场 设备。 无需模数转换器件 ，结构简单，成本 低。
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一、特 点
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（1）系统的开放性
• 通信协议公开，各不同厂商的设备之间可互连并实现 信息交换。（对标准的共识和遵从）
气动基地式 可调压力调节仪
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气动基地式
液位调节仪 14
基地式气动仪表控制系统特点
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（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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工业以太网缺点： (1)存在实时性差，不确定性的问题。 (2)工业可靠性问题。 (3)安全性问题。没有授权的用户可能进入网络的控制
层或管理层，造成安全漏洞。
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1. 2 现场总线的特点
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传统方式：控制器与现场设备之间采用一对一的I/O连接方式，传 递4-20mA（模拟量）或者24VDC（开关量）信号
4、20世纪六七十年代 缺点：精度低、易受干扰
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YS170调节器
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控制室
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(3)直接数字式控制系统DDC
1、采用单片机、微型计算机或者PLC作为控制器 2、显著提高抗干扰能力 3、操作人员监控室了解现场情况 4、20世纪七八十年代 缺点：故障危险高度集中、运行风险增大
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1.1 现场总线的产生与发展
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现场总线（Fieldbus）是20世纪80年代中后 期随着计算机、通信、控制和模块化集成等 技术发展而出现的一门新兴技术，代表自动 化领域发展的最新阶段。
用于现场仪表、控制系统和控制室之间的串 行通信技术。
是自动化领域的计算机局域网，即一个基层 网络
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现代工业网络与控制技术
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近年来，随着高新技术的引进与开发，特别是网络技术发 展，工业网络在现代的工业自动化领域已经成为不可或缺的一 部分，基于工业网络实现现场级控制系统已成为当今工业自动 化控制领域主流及必然趋势。
工业控制网络在现场总线技术的基础上发展起来。它是用 具有数字通信能力并能大量分散在生产现场的测量控制仪表作 为网络节点而构成的。工业网络具有很高的公开性，对于通信 协议的要求也很高。它的运作使现场设备之间的信息可以自由 交流，这样就更容易、快速完成控制系统的任务。
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基于工控机的检测系统
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(4)集散控制系统DCS
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是一个由过程控制级和过程监控级组成的 、以通信网络为纽带的多级计算机控制系统。
核心思想：集中管理、分散控制
优点：有效克服集中式数字控制系统对控制器
处理能力和可靠性要求高的缺陷，广泛应用大
型工业生产领域。
随着技术内容的不断发展和更新，现场总 线已经成为控制网络技术的代名词
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现场总线的定义
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国际电工委员会（IEC）对现场总线的 定义为：现场总线是应用在生产现场、 在现场设备之间、现场设备和控制室之 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。
(6)开放式互连网络系统：现场仪表和控制室设备之间构成
互连网络系统。
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现场总线的发展历程
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在过程控制领域中，从20世纪50年代至今，一直都 在使用着4-20ma的模拟信号标准。
20世纪70年代，数字式计算机被引入到测控系统 中，而此时的计算机提供的是集中式控制处理。
缺点：封闭专用、不具备互操作性、造价昂贵
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典型集散控制系统结构图
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中央控制室
D C S ：
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各站监控室
现场PLC
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(4)集散控制系统
浙大中控JX-300X
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(5)现场总线控制系统 Fieldbus Control System
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FCS
DCS
(1)结构 一对多：一对传输 一对一：一对传输 线接多台仪表，双 线接一台仪表，单 向传输多个信号。 向传输一个信号。
(2) 可靠性好：数字信 可靠性差：模拟信 可靠性 号传输抗干扰能力 号传输不仅精度低
强，精度高。 ，而且容易受干扰 。
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FCS
DCS
(2)以太网能便捷地访问远程系统, 共享/访问多数据库。 (3)易于与Internet 连接, 能够在任何城市、地方利用电 话线通过Internet 对企业进行监控。 (4)能降低成本, 包括技术人员的培训费用、维护费用及 初期投资。 (5)以太网能实现办公自动化网络与工业控制网络的无缝 连接。
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插即用”。
换。
（6） 智能仪表除了具有模拟 模拟仪表只具有检测、
仪表
仪表的检测、变换、补 变换、补偿等功能。 偿等功能外，还具有数
字通信能力，并且具有
控制和运算能力。
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(6)工业以太网控制系统
第六代控制系统，正在发展和推广之中
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工业以太网优点：
(1)基于TCP/ IP 的以太网是一种标准的开放式网络, 不 同厂商的设备很容易互联。这种特性非常适合于解决 控制系统中不同厂商设备的兼容和互操作的问题。
五、FCS (Fieldbus Control System，现场总线控制系统 开放，全分布式的控制系统
六、工业以太网控制系统 (第六代控制系统，正在发展中 )
集中控制
分布式控制
现场总线
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（1）基地式气动仪表控制系统
概念：将测量、显示、控制等各部分集中组装在一 个表壳里，从而形成一个整体，并且可就地安装的 一类仪表。