DCS与现场总线技术第一章

DCS及现场总线DCS——DistributedControlSystemFCS——FieldbusControlSystem1本课程涵盖多门技术的相关内容2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）3本课程与的相关课程的关系微机原理自动控制理论控制工程测控仪表与装置DCS及现场总线4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结构体系教学内容、要求5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6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7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8第一章绪论91.1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10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。开环控制系统开环控制系统框图

给定值

控制器

执行机构

被控对象

被控参数

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。11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。闭环控制系统（2）闭环控制系统框图

给定值

控制器

执行机构

被控对象

被控参数

测量元件

变换发送

12计算机控制系统图b

单回路计算机控制系统示意图u计算机保持器广义对象测量变送器e(kT)u(kT)被调参数yym采样器A/DD/A计算机系统设定值r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。13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；存在开环控制系统、闭环控制系统等不同类型的控制系统。结构特征显然：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。14(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。(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。计算机控制系统的工作原理上述过程不断重复，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。15⑴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\控制间隔)内完成。亦即计算机对输入信息，以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。计算机控制系统的工作方式161.1.2、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；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。17计算机控制系统各部分的功能说明

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。硬件118检测及变送控制对象执行机构多路开关接口外部通道变送器接口接口接口接口A/DD/A反多路开关开关量输入开关量输出传感器主机及操作台通用外部设备显示终端磁盘驱动器打印机软件微型计算机生产对象操作台实时时钟19由CPU和存储器构成，是整个控制系统的指挥部。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；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或调节；并且以信息的形式通过输出通道及时发出有关的控制命令，指挥全系统有条不紊地协调工作。①主机20②接口与输入/输出通道

I/O接口与I/O通道是主机与外部连接的桥梁。常用的I/O接口有并行接口、串行接口等，他们大部分是可编程的。

I/O通道有模拟量I/O通道和数字量I/O通道。

模拟量I/O通道的作用是，一方面将由传感器得到的工业对象的生产过程参数变换为二进制代码传送给计算机；另一方面将计算机输出的数字控制信号变换为控制操作执行机构的模拟信号，以实现对生产过程的控制。

数字通道的作用是，除完成编码数字输入输出外，还可将各种继电器、限位开关等的状态通过输入接口传送给计算机，或将计算机发出的开关动作逻辑信号由输出接口传送给生产机械中的各个电子开关或电磁开关。21③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、输出设备和存储设备，并根据控制系统的规模和要求来配置。他们用来显示、打印、存储和传送数据。常用的有打印机、记录仪、图形显示器、硬盘等。22④检测元件、仪表及执行机构传感器的主要功能是将被检测的非电学量参数转变为电学量，变送器的作用是将传感器得到的电信号转换成适合于计算机接口使用的电信号（如0—10mADC）。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、气动调节阀、开关，交、直流电动机，步进电动机等，它们也是计算机控制系统设计人员经常选用的执行机构。23⑤操作台操作台是人-机对话的联系纽带。通过它人们可以向计算机输入程序，修改内存的数据，显示被测参数以及发出各种操作命令等。它主要由以下四部分组成：⑴作用开关。如电源开关、操作方式（自动/手动）选择开关等。通过这些开关，人们可以对主机进行启停、设置和修改数据以及修改控制方式等等。作用开关可通过接口与主机相连。⑵功能键。功能键主要包括复位键、启动键、打印键及工作方式选择键等等。主要是为了操作方便。⑶LED数码管及CRT显示。用来显示被测参数及操作人员感性趣的内容。如显示数据表格、系统流程、开关状态以及报警状态等。⑷数字键。用来输入数据或修改控制系统的参数。24软件是指能完成各种功能的微机程序的总和，如操作系统、监控程序、管理程序、控制程序、计算和自诊断程序等。软件是微机系统的神经中枢，整个系统的动作都是在软件指挥下协调工作的。软件的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发挥和推广应用。软件通常分为两大类：一类是系统软件，另一类是应用软件。软件225系统软件一般是由计算机厂家提供的，用来管理计算机本身的资源、方便用户使用计算机的软件。它主要包括操作系统、各种编译软件、监控管理软件，这些软件一般不需要用户自己设计，它们只是作为开发应用软件的工具。应用软件是面向生产过程的程序，是为实现特定控制目的而编制的专用程序，如A/D、D/A转换程序，数据采样，数字滤波程序、标度变换程序、控制量计算程序等等。应用软件大都由用户自己根据实际需要进行开发。应用软件的优劣，将给控制系统的功能、精度和效率带来很大的影响，它的设计是非常重要的。26软件部分计算机控制系统硬件部分控制计算机主机、外设、系统总线生产过程输入输出通道操作台、通信设备

现场仪表（测量传感器、执行机构等）

操作系统汇编或高级语言、过程控制语言通信网络软件、诊断程序等系统软件应用软件

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、实时数据库通信网络27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可以分为两大类：一类称为对等式网络结构(Peertopeer)；另一类称为客户机/服务器结构(Client/Server)。这种分类主要是按照网络各节点之间的关系确定的。自动化领域的计算机局域网——现场总线技术，是当今自动化领域技术发展的热点之一。现场总线技术使自控系统与分散的生产设备具有了通信能力，并把它们连接成网络系统，加入到信息网络的行列。计算机控制系统网络328计算机控制系统集散型控制系统数据采集系统直接数字控制系统流程CIMS现场总线控制系统1.1.3计算机控制系统分类计算机监督控制系统根据应用特点、控制功能和系统结构，分为六种类型291、

数据采集和监视系统

——主要对过程参数进行定时巡回检测、数据记录、数据计算、数据统计和处理、参数的越限报警以及对数据进行积累和实时分析。计算机不直接参与生产过程的控制，而只是对系统过程参数进行收集、加工处理、然后输出数据。操作人员根据这些数据进行必要的操作。数据采集系统（DataAcquisitionSystem，DAS）优点：结构简单，控制灵活和安全缺点：要由人工操作，速度受到限制，不能控制多个对象。30数据采集系统示意图

计算机测得的信号数据，根据一定的控制算法，计算出可供操作人员选择的最优操作条件及操作方案。

31

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。

DDC系统给定、显示、报警等集中在此控制台上。

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。2、

直接数字控制系统（DirectDigitalControl)模拟量输入DDC计算机模拟量输出生产过程数字量输入数字量输出显示打印报警操作台323、微机监督控制系统(SupervisoryComputerControl）两级控制第1级用DDC计算机或调节器，完成直接控制；第2级用SCC计算机根据工艺信息和其他参数——即按照一定算法进行优化计算，自动地改变DDC系统的给定值，从而使生产过程始终处于最优工况(最低消耗、最低成本、最高产量等)。它的作用是改变给定值，又称给定值控制SPC(SetPointComputerControl)。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。33监督控制系统有两种典型的结构形式34(1)SCC+模拟调节器微机的作用是对各物理量进行巡回检测并接收管理命令，然后，按照一定的数学模型计算后，输出给定值到模拟调节器。

此给定值在模拟调节器中与检测值进行比较，其偏差值经模拟调节器计算后输出到执行机构，以达到调节生产过程的目的。这样，系统就可以根据生产情况的变化，不断地改变给定值，以达到实现最优控制的目的。35(2)SCC+DDC系统该系统为两级微机控制系统，一级为监督级SCC，二级为DDC。

SCC的作用用来计算最佳给定值，它与DDC之间通过接口进行信息联系。

DDC用来把给定值与测量值(数字量)进行比较，其偏差由DDC进行数字计算，并实现对各个执行机构的调节控制作用。当DDC级计算机出现故障时，可由SCC计算机完成DDC的控制功能。显然提高了控制系统的可靠性。与SCC＋模拟调节器系统相比，其控制规律可以改变，使用更加灵活。364.集散型计算机控制系统（DCS）

监控计算机CRT操作站现场控制站现场控制站

被控对象被控对象……….…高速数据通道….….集散控制系统（TotalDistributedControl—TDC）也称为分布式控制系统或分散式控制系统（DistributedControlSystem—DCS）。采用了分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调的设计原则，形成具有层次化体系结构的分级分布式控制。具有高可靠性能，便于维修与更新。37现场总线——连接现场智能设备与控制室之间的全数字式、开放的、双向的通信网络。

FCS是新一代分布式控制系统，改进了DCS系统成本高、各DCS通信标准不统一而无法互联的弱点。随着智能传感器、执行器向数字化方向发展，FCS信号传输实现了全数字化取代4-20mA模拟信号,从最底层逐层向最高层均采用通信网络互连;5、现场总线控制系统（FCS）系统结构采用全分散化,现场总线的节点是现场设备或现场仪表，如传感器、变送器、执行器等。

38采用“工作站---现场总线智能仪表”二层结构，国际标准统一后，可实现真正的开放式互连系统结构。主要有五种现场总线：

CAN总线（controllerareanetwork,控制器局域网络）

LONGWORKS总线(localoperatingnetwork局部操作网络)

PROFIBUS(processfieldbus过程现场总线)

HATR总线（可寻址远程传感器数据网络）

FF总线（基金会现场总线）3940FCS系统特点：1）采用一对N的设备连接方式﹑成本低。2）实现了彻底的分散控制。3）开放性与互操作性简化了系统的集成。4）信息综合，组态灵活。416、流程计算机集成制造系统流程计算机集成制造系统（ComputerIntegratedManufacturingSystems）——流程CIMS

通过计算机硬、软件的综合运用，利用现代管理技术、制造技术、信息技术、自动化技术、系统工程技术，将企业生产过程中的人员、技术、经营管理三要素及其信息与物流有机集成，并实现优化运行的复杂大系统。

CIMS代表了当今工厂综合自动化的最高水平，被誉为是未来的工厂。42流程计算机集成制造系统

经营决策企业管理生产调度过程优化过程控制第五层：企业决策，生产规划第四层：供销,财务,计划,管理等第三层：生产调度，系统优化第二层：先进控制，过程优化第一层：单元自动化,简单控制生产过程

流程CIMS的递阶控制示意图43流程CIMS是工程大系统，它所要解决的不是局部优化问题，而是工厂、公司乃至一个区域的总目标或总任务的最优化问题。最优化的目标函数包括产量最高、质量最好、原料和能耗最小、成本最低、可靠性最高、环境污染最小等指标，它反映了技术、经济、环境等多方面的综合性要求。流程CIMS的理论基础是大系统理论。44二、按照控制规律对计算机控制系统分类1)程序控制和顺序控制

程序控制是控制被控量按照预先规定的时间函数变化，被控制量是时间的函数，如加热炉的温度控制。顺序控制则可以看作是程序控制的扩展，在各个时期所给出的设定值可以是不同的物理量，而且每次设定值的给出，不仅取决于时间，还取决于对以前的控制结果的逻辑判断。45

2)PID控制调节器的输出是调节器输入的比例、积分、微分的函数。PID控制结构简单，参数容易调整,因此一直是应用最广、最为成熟的技术。

3)有限拍控制有限拍控制的性能指标是调节时间最短，要求设计的系统在尽可能短的时间里完成调节过程。有限拍控制通常在数字随动系统中应用。464)复杂规律的控制控制系统性能指标不单是过渡过程的品质，而且包括能耗最小、产量最高、质量最好等综合性指标。对于存在随机扰动、纯滞后对象以及多变量耦合的系统，仅用PID控制是难以达到满意的性能指标的，因此，针对实际情况采用各种复杂规律的控制——串级控制，前馈控制，纯滞后补偿控制，多变量解耦控制以及最优、自适应、自学习控制等。475）智能控制智能控制理论是把先进的方法学理论与解决当前技术问题所需要的系统理论结合起来的学科。智能控制理论可以看作是三个主要理论领域的交叉或汇合:人工智能、运筹学和控制理论。智能控制系统实质上是一个大系统——综合的自动化系统。模糊控制、神经网络、遗传算法、专家系统等均可称智能控制481.2计算机控制系统中的计算机（1）单片微型计算机；（2）PLC；（3）工业PC；在工程实际中，选择何种机型，应根据控制规模、工艺要求和控制特点等来确定。在计算机控制系统中，常用的典型机型有：49一、单片微型计算机单片微型计算机，简称单片机，是一种内含有微处理器的特殊超大规模集成电路。它是将CPU、存储器、I/O接口、定时器/计数器、甚至A/D转换器等部件集成在一个大规模集成电路芯片上，具有很强控制功能的微型计算机。50

单片机分类：按位数分按功能分按生产厂家4位机；8位机；16位机；32位机；带A/D转换器；硬件定时监视器；增加型串行口；全局串行通道；显示器（LED或LCD）驱动电路；脉宽调制输出电路PWM；模拟多路转换开关；串行外设接口电路I2C等的单片机；有Intel公司的MCS系列；Motorola公司的M68HC系列；Microchip公司的PIC系列；Zilog公司的Z系列；Philips公司；Atmel；NEC公司；51单片机的应用软件编程语言：（1）面向机器的汇编语言；（2）高级语言，如BASIC、PL/M和C语言等

由于单片机是面向控制设计的，专用性强、内存容量小，因此，单片机本身不具备自开发功能，必须借助于仿真器或开发系统与单片机联机，才能进行软、硬件的开发与调试。52二、可编程逻辑控制器

可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicalController），简称可编程控制器，即PLC，是继电逻辑控制与计算机技术相结合的产物。早期主要用于开关控制，具有逻辑运算、计时、计数等顺控功能。随着PLC的发展，其功能已不再限于逻辑运算，具有连续模拟量处理、高速计数、远程I/O和网络通信等功能。

PLC是一种数字运算操作系统，专为工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算木运算等操作的指令，并通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。53PLC具有如下特点：（1）可靠性高PLC集成度高；采用了冗余措施和容错技术；输入输出采用了屏蔽、隔离、滤波、电源调整与保护等措施，提高了抗工业环境干扰的能力。（2）编程容易PLC大多采用类似继电器控制电路图形式的梯形图及命令语句进行编程。如通过上位机进行梯形图编程，程序直接下传，使编程更容易、更方便。54（3）功能完善

PLC除了具有逻辑运算、计时、计数、步进控制功能，还能完成A/D、D/A转换、模拟量处理、高速计数和联网通信等功能，还可以通过上位机进行显示、报警、记录、进行人－机对话等。（4）扩展灵活由于PLC采用积木式结构，用户可根据实际的I/O点数和不同输入输出方式需要等，选择所需的功能模板，便可获得相应的功能和规模。系统的配置可从几个I/O点的小型系统到几千个点的超大型系统，组合非常方便。55（5）安装调试简单方便当用PLC构成控制系统时，只需把检测器件与执行机构和PLC的I/O接口端子正确连接，用简单的编程方法将程序存入存储器内，即可正常工作。

PLC的输出可直接驱动执行机构，中间一般不需要设置转换单元。

PLC能事先进行模拟调试，减少了现场的调试工作量。

PLC的监视功能很强，模块化结构大大减小了维修量。56PLC分类：按容量来分按结构来分按功能来分小型PLC；中型PLC；大型PLC整体式PLC；模块式PLC；叠装式PLC；低档PLC；中档PLC；高档PLC57（1）低档PLC

低档PLC主要是进行逻辑控制，它的输入/输出适合于开关量、继电器、接触器等场合。这类PLC结构小巧，价格低廉，适用于单机顺序控制系统。（2）中档PLC

中档PLC除开关量控制功能外，还有模拟量I/O接口，实现对模拟量的检测和调节。中档PLC的控制点数较低档PLC多。且软件更为丰富，其内部有很多运算模块，如PID运算、二进制/BCD转换、平方根、查表等。这种PLC不仅可用于开关量控制系统，而且可用于中、小型生产过程控制系统中。58（3）高档PLC

高档PLC具有计算、控制和调节功能，具有网络结构和通信联网能力，控制点数达1000点以上。高档PLC可以和计算机系统联网，可实现管理和控制一体化，与办公自动化系统连网，成为工厂自动化的重要设备。

PLC在工业控制中得到了广泛的应用，几乎覆盖了所有工业控制领域，有着很好的发展前景。

国内外生产PLC的厂家有很多，如：日本三菱的F、F1、F2、FX系列，日本立石（OMRON）的C系列，西门子的S系列，美国GE公司的GE-I系列，美国MIDICON公司的984系列等。59三、工业控制机

工业控制机，简称工控机，是一种面向工业控制、采用标准总线技术和开放式体系结构的计算机。按照统一的总线标准，各计算机厂家或研制单位可设计和生产出具有特定功能的模板，系统设计人员可根据不同的需要，选用相应的功能模板组合成所需的计算机控制系统。60工控机的特点：（1）小板结构模块化设计；（2）标准化及兼容性；（3）完善的I/O通道；（4）环境适应能力强、可靠性高；（5）软件丰富；（组态软件）

工控能满足不同层次、不同控制对象的需要，又能在恶劣的工业环境中可靠地运行，应用极为广泛。61目前我国工控领域的主要机型有STD总线工控机和工业PC。

STD总线工控机是20世纪80年代发展起来的，曾在20世纪80年代末和20世纪90年代初得到广泛的应用。工业PC是一种融PC机软硬件资源与STD工控机结构为一体的新型工业控制机，继承了PC机丰富的软件资源，使其软件开发更加方便，同时，在结构上采用了STD总线工控机的优点，实现模块化。随着个人计算机的不断升级，工业PC的性能也会相应提高，因此，工业PC具有很好的发展前景。62在实际应用中，应根据应用规模、控制目的和控制需要等选用不同的计算机，如：（1）对于小型控制系统、智能仪表及智能化接口，尽量采用单片机模式；（2）对于新产品开发或用量较大，为降低成本，也可采用单片机模式；（3）对于中等规模的控制系统，为加快系统的开发速度，尽量选用现成的工业控制机，如PLC、STD总线工控机、工业PC等，应用软件可自行开发；（4）对于大型的生产过程控制系统，最好选用工业PC、专用DCS或FCS，软件可自行开发或购买现成的组态软件。63集散控制系统是由多个微处理器为核心的过程控制采集站，分别分散地对各部分工艺流程进行数据采集和控制，并通过数据通信系统与中央控制室各监控操作站联网，对生产过程进行集中监视和操作的控制系统。1.3DCS总体概念它是综合了4C技术的控制系统。设计原则及主要特点：

危险、控制分散操作、管理集中分级管理、分而自治集散控制系统具有技术先进、功能完备、应用灵活、操作方便、运行可靠等多方面显著特点，为计算机控制开创了一个崭新的应用领域，并得到了广泛的应用。641.3.1集散控制系统的基本构成分散过程控制装置是DCS与生产过程联系的接口，按其功能又可分为现场控制站（简称控制站）和数据采集站等。集中操作管理装置是人与DCS联系的接口，按其功能又可分为操作员工作站（简称操作站）、工程师工作站（简称工程师站）和监控计算机（又称上位机）等。通信系统（又称通信网络）是DCS的中枢，它将DCS的各部分连接起来构成一个整体。因此，操作员站、工程师站、监控计算机、现场控制站、数据采集站和通信系统等是构成DCS的最基本部分。65协调各控制站的工作达到过程的动态最优化人机接口装置，完成操作、显示和监视任务完成过程的现场控制任务采集非控制过程信息66过程控制实验室的DCS6768

1.3.2DCS的特点1分级递阶控制:双向分级、各自分工、相互协调纵向：上下可分2-5级（过程控制级、操作管理级等）

横向：可分多级（根据控制规模和控制方案确定）2分散控制:控制分散、人员分散、地域分散、功能分散、设备分散、操作分散——目的：危险分散。

设备的冗余设置——提高系统的可靠性。3自治和协调性——DCS的形成的基础系统分散的基础：被分散的系统是自治的系统。

递阶分级的基础：被分级的系统是相互协调的。广义的集散内涵：控制分散、通讯分散、数据库分散、供电分散、负荷分散等数据及通讯管理集中、控制目标集中、显示操作的集中等69☞集散控制系统自问世以来，发展异常迅速

,几经更新换代，技术性能日臻完善，并以其技术先进、性能可靠、构成灵活、操作简便和价格合理的特点，赢得了广大用户，巳被广泛应用于石油、化工、电力、冶金和轻工等工业领域。701.3.3集散控制系统产生及发展历程☞

20世纪60年代初，人们开始将电子计算机用于过程控制，试图利用计算机所具有的能执行复杂运算、处理速度快、集中显示操作、易于通信、易于实现多种控制算法、易于改变控制方案、控制精度高等特点，来克服常规模拟仪表的局限性。

一台计算机控制着几十甚至几百个回路，整个生产过程的监视、操作、报警、控制和管理等功能都集中在这台计算机上。

一旦计算机的公共部分发生故障时，轻则造成装置或整个工厂停工，重则导致设备的损坏甚至发生火灾、爆炸等恶性事故，这就是所谓“危险集中”。

7172☞而采用一台计算机工作、另一台计算机备用的双机双工系统，或采用常规仪表备用方式，虽可提高控制系统的可靠性，但成本太高，如果工厂的生产规模不大，则经济性更差，用户难以接受。因此，有必要吸收常规模拟仪表和计算机控制系统的优点，并且克服它们的弱点，利用各种新技术和新理论，研制出新型的控制系统。

73☞20世纪70年代初，大规模集成电路的问世及微处理器的诞生，为新型控制系统的研制创造了物质条件。同时，CRT图形显示技术和数字通信技术的发展，为新型控制系统的研制提供了技术条件，现代控制理论的发展为新型控制系统的研制和开发提供了理论依据和技术指导。根据“危险分散”的设计思想，过去由一台大型计算机完成的功能，现在可以由几十台甚至几百台微处理机来完成。各微处理机之间可以用通信网络连接起来，从而构成一个完整的系统。74☞

系统中的一台微处理机只需控制几个至几十个回路，即使某一微处理机发生故障，只影响它所控制的少数回路，而不会对整个系统造成严重影响，从而在很大程度上使危险分散。

这种新型控制系统采用多台彩色图形显示器监视着过程和系统的运行，实现了操作和信息综合管理的集中，利用通信系统将各微机连接起来，按控制功能或按区域将微处理机进行分散配置，实行分散控制，增强了全系统的安全可靠性。

75☞1975年12月，美国霍尼威尔(Honeywell)公司正式向市场推出了世界上第一套集散控制系统TDC-2000(Total

DistributedControl

2000)系统，成为最早提出集散控制系统设计思想的开发商。图TDC-3000系统构成图76DCS的发展历程第一代DCS——开创期(1975年~1980年)DCS的组成现场控制站（8位）现场监测站CRT操作站（16位）数据高速公路监控计算机（16位）

CRT操作站监控计算机

数据高速公路HW现场监测站现场控制站第一代DCS基本结构

……

……77第二代DCS——成长期(1980年~1985年)以局部网络LAN为主干其它各单元都是挂在它上面的网络节点工作站主要组成部分局部网络多功能现场控制站增强型操作站通用型操作站网关系统管理模块主计算机局部网络LAN其它网络DHW网关多功能控制器网关……系统管理模块通用操作站主计算机增强型操作站……为了提高可靠性，采用冗余CPU、冗余电源及在线热备份。78DCS的扩展期（1985年至1990年）特点：1、DCS向综合化、开放化发展——局部网络采用标准化开放型的通信协议2、大型DCS进一步完善的同时，发展小型集散控制系统3、采用人工智能技术——系统中引入了智能变送器(SmartTransmitters)和现场总线(FieldBus)技术。☞

智能变送器具有数字通信能力，通过现场总线与过程控制站或与局部网络节点相连接。在控制室或本节点工作站中便可对现场的智能变送器进行调零、调量程、组态、自动标定、自动诊断及自动排除故障等操作。791990年后为新的发展期

☞

20世纪90年代以后，随着计算机技术、通信技术、控制技术特别是网络技术的快速发展，对控制和管理要求的不断提高，出现了以管控一体化为主要特点的新型集散控制系统。它采用了客户机/服务器的结构，在网络结构上增加了工厂信息网(Intranet)，并可与Internet连网，计算机集成过程系统(CIPS)也开始进行试点应用。

DCS的典型产品有Honeywell公司的TPS系统、横河公司的CENTUMCS系统、Foxboro公司I/AS5051系列控制系统等。80☞

从DCS三十多年的发展历史中可以清楚地看到，正是计算机技术、屏幕显示技术、控制技术、网络和通信技术的不断发展，才推动了DCS的不断更新换代。

今后DCS的发展仍将继承集中监视管理和分散控制这一理念。向着更大范围的集中管理和更加彻底的分散控制两个方向发展——向着计算机集成制造系统(ComputerIntegratedManufacturingSystem，CIMS)、计算机集成过程系统(ComputerIntegratedProcesSystem，CIPS)方向和现场总线控制系统(FieldbusControlSystem，FCS)方向发展。

81☞

我国使用DCS是在20世纪70年代末、80年代初。当时国家为了满足国内新建项目和老厂技术改造的需要，从国外引进的DCS多达几百套，主要用于化工、石化、炼油、冶金、电力、轻工等工业过程控制，取得了良好的技术经济效益。同时，坚持自力更生、自主开发与引进技术相结合的方针，把引进国外先进技术与对其及时消化、吸收与创新，作为发展我国科学技术的重要途径。我国DCS的发展82☞

一方面，与外商合资合作，引进技术，组装国外DCS，并逐步国产化。另一方面，国家组织了精悍的队伍，联合攻关，研制适合中国国情的DCS。

在DCS国产化产品开发方面，取得了突破性的发展，系统的可靠性大幅度上升，技术性能也有了极大提高，应用的领域不断扩大，过去主要应用于为数不多的小装置，现在逐步向中型及大型装置应用发展，形成了与国外产品竞争的局面。

比较有代表性的产品是中控科技自动化有限公司的

WebFieldECS-100、北京和利时系统工程股份有限公司的MACS、上海新华控制工程有限公司的

XDPS-400和浙江威盛公司

FB-2000NS等。

831.4现场总线概述1.4.1现场总线的定义及分类1.4.2现场总线的特点1.4.3现场总线的现状及发展1.4.4现场总线发展中存在的问题1.4.5现场总线技术的现状及发展841.4.1现场总线的定义及分类现场总线的定义（4种）：用于现场仪表与控制主机系统之间的一种开放的、全数字化的、双向、多站的通信系统；广义上是控制系统与现场检测仪表、执行装置进行双向数字通信的串行总线系统；基于智能化仪表及现场总线的控制系统FCS；一种数字化的串行双向通信系统。85IEC（国际电工委员会）定义：

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进行双向、串行、多节点、数字式的数据交换的通信技术。86总线的分类毫米级：芯片内总线厘米级：芯片间总线、元件总线分米级：机箱内总线（Multi-bus、STD、PCL、ISA、PCI等）十米级：机柜间总线（RS-232、GPIB、VME、VXI等）百千米级：现场总线（Modbus、FF、Profibus等）87按数据通信宽度分类（1）传感器现场总线（数据宽度为位-Bit）：适用于简单的开关装置和输入输出位的通信,如Seriplex总线、AS-i总线等。（2）装置现场总线（数据宽度为字节-Byte）：适用于以字节为单位的装置类通信,如Interbus总线、Device-Net总线和CAN总线等。（3）全服务的现场总线（数据宽度为数据流或模块Block）：以报文通信为主，除了对装置进行读取数据外，还包括一些对装置的操作和控制功能,如FF总线、Lonworks总线、Hart总线等。88按应用行业分类（1）过程控制（连续生产过程）用现场总线：FF的H1、Profibus-PA等（2）离散控制用现场总线：

Profibus-DP、Device-Net等（3）楼宇自动化用现场总线：Lonworks等（4）车辆制造业用现场总线：CAN等（5）飞机制造业用现场总线：SwiftNet等（6）农业及养殖业用现场总线：P-Net等891.4.2现场总线的特点现场总线控制系统的结构特点FCS与DCS的对比现场总线的技术特点现场总线的主要优点90现场总线控制系统的结构特点（1）现场总线控制系统由于采用了现场总线设备，能够把原来DCS系统中处于控制室的控制模块、输入输出模块置于设备现场，加上现场总线设备具有通信能力，现场的测量变送仪表可以与阀门等执行器直接传送信号。因而控制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。91现场总线控制系统的结构特点（2）由于采用数字信号替代模拟信号，因而可实现一对电线上传输多个信号(包括多个运行参数值、多个设备状态、故障信息)，同时又为多个现场总线设备提供电源；现场总线设备以外不再需要A/D、D/A转换部件。这样就为简化系统结构、节约硬件设备、节约连接电缆与各种安装、维护费用创造了条件。92FCS与DCS的结构对比939495FCS与DCS的详细对比FCSDCS(1)结构一对多：一对传输线接多台仪表，双向传输多个信号。一对一：一对传输线接一台仪表，单向传输一个信号。(2)可靠性可靠性好：数字信号传输抗干扰能力强，精度高。可靠性差：模拟信号传输不仅精度低，而且容易受干扰。96FCS与DCS的详细对比FCSDCS（3）失控状态操作员在控制室既可以了解现场设备过现场仪表的工作情况，也能对设备进行参数调整，还可以预测或寻找故障，使设备始终处于操作员的过程监控与可控状态之中。操作员在控制室既不了解模拟仪表的工作情况，也不能对其进行参数调整，更不能预测故障，导致操作员对仪表处于“失控”状态。（4）控制控制功能分散在各个智能仪器中。所有的控制功能集中在控制站中。97FCS与DCS的详细对比FCSDCS（5）互换性用户可以自由选择不同制造事故内提供的性能价格比最优的现场设备和仪表，并将不同品牌的仪表互连，实现“即插即用”。尽管模拟仪表统一了信号标准（4~20mADC），可是大部分技术参数仍由制造厂自定，致使不同品牌的仪表不能互换。

（6）仪表智能仪表除了具有模拟仪表的检测、变换、补偿等功能外，还具有数字通信能力，并且具有控制和运算能力。模拟仪表只具有检测、变换、补偿等功能。98现场总线的技术特点（1）系统的开放性通信协议公开，各不同厂商的设备之间可实现信息交换。（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。99现场总线的技术特点（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。100现场总线技术的主要优点（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4～20mADC)传输方式，因此DCS是一个“半数字信号”系统。

FCS采用全数字化、双向传输的通信方式。从最底层的传感器、变送器和执行器就采用现场总线网络，逐层向上直到最高层均为通信网络互联。多条分支通信线延伸到生产现场，用来连接现场数字仪表，采用一对N连接。101现场总线技术的主要优点（2）FCS实现彻底的全分散式控制

在DCS中，生产现场的多台模拟仪表集中接于I/O单元，每台仪表只有单一的信号变换功能，而与控制有关的输入、输出、控制、运算等功能块都集中于DCS的控制站内。从这个意义上讲，DCS只是一个“半分散”系统。

FCS舍弃了DCS的I/O单元，由现场仪表取而代之，即把DCS控制站的功能化整为零，功能块分散地分配给现场总线上的数字仪表。从而构成虚拟控制站，实现彻底的分散控制。102现场总线技术的主要优点（3）FCS实现不同厂商产品互联、互操作

DCS系统的硬件、软件甚至现场级设备都是各制造商自行研制开发的，不同厂商的产品由于通信协议的专有与不兼容，彼此难以互联、互操作。而FCS的现场设备只要采用同一总线标准，不同厂商的产品既可互联也可互换，并可以统一组态，从而彻底改变传统DCS控制层的封闭性和专用性。FCS允许用户选用各制造商性能价格比最优的产品集成控制系统，因而具有很好的可集成性。103现场总线技术的主要优点（4）FCS增强系统的可靠性、可维护性

FCS采用总线连接方式替代传统的DCS一对一的I/O连线，对于大规模的I/O系统来说，减少了DCS由接线点造成的不可靠因素。同时，数字化的现场设备替代模拟仪表，FCS具有现场设备的在线故障诊断、报警、记录功能，可完成现场设备的远程参数设定、参数修改等工作，因而增强系统的可维护性。104现场总线技术的主要优点（5）FCS降低系统工程成本

FCS对于大范围、大规模分布式控制系统来说，节省了电缆、I/O装置及电缆敷设费用。以每2～3台现场仪表接到一根电缆计算，平均可减少1/2到2/3的输入输出卡、输入输出柜和隔离器等。因此，现场总线仪表与控制室间的电缆连接和安装等费用估计可节约50％。1051.4.3现场总线的现状及发展现场总线标准的制定现有现场总线标准（国际、国内）现场总线发展中存在的问题现场总线技术的发展趋势106现场总线标准的制定标准化的重要性标准化是经济建设、科技进步、国际贸易和社会发展的重要技术基础。它不仅与人民生活和工农业生产密切相关，也与国际贸易和科技合作的开展密切相关，标准化是实现现代化大规模生产的重要保证，是规范市场秩序，连接国内外市场的重要手段。因此，现场总线的标准，特别是国际标准受到了大家的重视。107制定标准的机构(一)世界上

国际标准化组织ISO(InternationalStandard