自动检测和过程控制(第4版)第14章 计算机控制系统

第十四章计算机控制系统

计算机控制系统是计算机和自动控制相结合的产物，计算机在控制系统中主要承担控制器的任务。第一节概述第二节可编程控制器(PLC)第三节集散控制系统(DCS)第四节现场总线控制系统(FCS)第五节工业自动化组态软件第六节计算机集成制造系统(CIMS)第一节概述一、计算机控制系统的一般概念

计算机控制系统由计算机和生产过程组成，计算机包括硬件、软件和网络，生产过程包括被控对象、测量传感器、执行器等部分。计算机控制系统如图所示:计算机控制系统框图控制算法(计算机)检测元件、变送器工业控制计算机扰动u(t)A/D转换D/A转换执行器过程被控量r(t)c(t)生产过程+-给定值二、计算机控制系统的组成 计算机控制系统由工业控制计算机和生产过程组成，而工业控制计算机是计算机控制系统的核心装置，计算机控制系统也是硬件和软件部分组成。(一)计算机控制系统硬件计算机控制系统硬件组成通信设备数字量输出(DO)被控对象CPURAMROM总线…执行器数字量输入(DI)传感器磁盘键盘显示设备打印机外部设备主机过程输入输出设备生产过程执行器传感器模拟量输出(AO)模拟量输入(AI)控制计算机(二)计算机控制系统软件 计算机控制系统软件包括系统软件和应用软件：系统软件一般包括操作系统、语言处理程序和服务性程序等，它们通常由计算机制造厂为用户配套，有一定的通用性。应用软件是为实现特定控制目的而编制的专用程序，如数据采集程序、控制决策程序、输出处理程序和报警处理程序等。它们涉及被控对象的自身特征和控制策略等，由实施控制系统的专业人员自行编制。三、计算机控制系统的典型类型操作指导控制系统直接数字控制系统监督控制系统数据采集与监视控制系统集散控制系统现场总线控制系统计算机集成制造系统计算机控制系统四、计算机控制系统的发展(一)发展历程(1)数字计算机在过程控制中的应用最早出现于20世纪60年代，直接数字控制(DDC)；(2)1969年，可编程控制器(PLC)；(3)1975年前后，集散控制系统(DCS)；(4)20世纪90年代，总线控制系统(FCS)；(5)过程自动化(PA)、工厂自动化(FA)、计算机集成过程控制(CIPS)、计算机集成制造系统(CIMS)和企业资源综合规划(ERP)。(二)发展趋势(1)先进计算机控制系统得到大力推广与普及；(2)智能控制系统得到深入研究与开发；(3)大力加强企业综合自动化系统的研究、开发与应用。第二节可编程控制器(PLC)一、概述

可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。(一)可编程控制器的基本特点(1)可靠性高、抗干扰能力强；(2)设计、安装容易，接线简单，维护方便；(3)编程简单、使用方便；(4)模块品种丰富、通用性好、功能强；(5)体积小、重量轻、能耗低，易于实现自动化。(二)PLC的分类

PLC的种类很多，性能规格不一，通常按结构形式、控制规模、实现功能进行分类：(1)按地域范围可分为美国流派、欧洲流派、日本流派；(2)按结构形式可分为一体式和组合式；(3)按控制规模(I/O点数)可分为小型机、中型机、大型机。(三)可编程控制器的发展趋势(1)低档PLC向小型、简易、廉价方向发展，使之能更加广泛地取代继电器控制；(2)中、高档PLC向大型、高速、多功能方向发展，使之能取代工业控制计算机的部分功能，对大规模、复杂系统进行综合性的自动控制；(3)大力开发智能模块智能模块是以微处理器为基础的功能部件，它们的CPU与PLC的CPU并行工作，占用主机的CPU时间少，有得于提高PLC的扫描速度和完成特殊的控制要求；(4)可靠性进一步提高

随着PC进入过程控制领域，对可靠性的要求进一步提高。硬件冗余的容错技术将进一步应用；(5)编程语言的高级化；(6)控制与管理功能一体化

PLC将广泛采用计算机信息处理技术、网络通信技术和图形显示技术，使PLC系统的生产控制功能和信息管理功能融为一体。(四)PLC的应用领域(1)模拟量闭环过程控制；(2)开关量逻辑控制；(3)数据量的智能控制；(4)运动控制；(5)通讯联网与集散控制。

二、可编程序控制器的基本组成(一)PLC的硬件系统

PLC的基本组成与通用的计算机类似，主要包括CPU、RAM、EPROM、E2ROM、I/O接口、通信接口、外设接口、电源和特殊输入/输出单元等，按结构形式分为模块化和一体化二类。模块化PLC结构示意图电源模块CPU模块通信接口模块I/O模块I/O模块智能I/O模块……系统总线电源线1、CPU模块

CPU模块是PLC控制系统的核心，它控制着整个PLC控制系统有序的运行，主要包括中央处理单元CPU、存储器和通信部件三部分：(1)CPU是PLC的神经中枢，是系统运算、控制中心；(2)存储器存储器用来存储程序与数据；(3)通讯部件完成通讯联网功能，以便与其它PLC、上位计算机以及其他智能设备组成非常复杂的控制系统。2、I/O模块

I/O模块是PLC与生产现场连接的桥梁，PLC最常用的的I/O接口模块有开关量I/O模块、模拟量I/O模块、特殊功能模块。(1)开关量I/O模块：

开关量I/O分DI(全为输入)、DO(全为输出)及DIO(同时有输入与输出)三种类型，每种又可分为交流与直流两种信号形式。开关量输入(DI)模块原理(a)直流电压输入单元(b)交流电压输入单元开关量输出(DO)模块原理(a)晶体管输出;(b)晶闸管输出;(c)继电器输出(2)模拟量I/O模块：1)模拟量输入模块(AI)：

AI模块用于模拟信号(电压、电流信号)转换成数字信号，然后送到CPU模块进行数据处理，其原理如图所示。模拟量输入模块原理图2)模拟量输出模块(AO)：

AO模块的任务是将PLC内部数字信号转换成模拟信号，以驱动执行机构，实现对生产过程或装置的闭环控制，其原理如图所示。模拟量输出模块的输出信号有电压和电流两种。模拟量输出模块原理图3、特殊功能模块

PLC除了开关量I/O模块和模拟量I/O模块外，还有一些特殊的I/O模块，如PID模块、高速计数模块、通信模块、电流模块、温度传感器模块和位置控制模块等，它们是为了提高PLC的实时控制功能和过程控制功能而专门设计的。4、电源

PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还可为输入或输出电路提供24V的工作电源。 电源输入类型有：交流电源(220VAC或110VAC)，直流电源(常用的为+24VDC)。(二)PLC的内部资源与寻址方式1、PLC的基本数据类型 布尔型、字节型、字型、双字型、整型、双整型和实数型等。2、编程元件(软元件)

输入继电器(I)、输出继电器(Q)、定时器(T)、计数器(C)、累加器(AC)、辅助继电器(M)、变量寄存器(V)、状态继电器(S)、模拟量输入(AIW)寄存器/模拟量输出(AQW)寄存器等。3、PLC的寻址方式 存储器直接寻址、存储器间接寻址。三、PLC工作原理

PLC的CPU采用分时操作的原理，其工作方式是一个不断循环的顺序扫描过程，它从用户的第一条指令开始顺序逐条地执行，到用户程序结束，然后开始新一轮扫描。如下图示。PLC扫描过程示意图

PLC的整个扫描过程可以概括地归纳为上电初始化、一般处理扫描、数据I/O操作、用户程序的扫描、外设端口服务五个阶段。PLC每一次扫描所用的时间称为扫描周期，PLC扫描周期与PLC的硬件特性和用户程序长短有关，典型值一般为几十ms。I/O操作示意图四、PLC的编程语言与程序结构(一)编程语言

IEC61131-3为PLC规定了5种标准的编程语言，分为图形化和文本化编程语言两类。图形化编程语言：梯形图(LD：LadderDiagram)、功能块图(FBD：FunctionBlockDiagram)、顺序功能图(SFC：SequentialFunctionChart)。文本化编程语言：指令表(IL：InstructionList)和结构化文本(ST：StructuredText)。 其中梯形图是PLC编程的最基本语言，并被大多数PLC厂家采用。1、梯形图 梯形图是在继电控制系统电气原理图基础上开发出来的一种图形编程语言，沿用了继电器、接点、串并联等术语和类似的图形符号，是多数PLC的第一用户语言。如图给出的是分别用继电器和PLC实现的同一功能的控制逻辑。2、语句表 语句表是一种类似于汇编语言的助记符编程语言，语句是用户程序的基本单元，每种控制功能通过一条或多条语句来描述。不同厂家的PLC往往采用不同的助记符号集，但基本指令格式是由操作码和操作数组成。

AI0.0 OQ3.0 ANI0.1 ANI0.2 =Q3.0≡3、逻辑功能图(FBD) 逻辑功能图(FBD)是在数字逻辑电路基础上开发出的一种图形编程语言，它采用了数字电路的图符，用“与”、“或”、“非”等逻辑组合来描述控制功能。以下为与前述梯形图和语句表等效的FBD。4、顺序功能图(SFC) 顺序功能图编程方式采用画工艺流程图的方法编程，亦称功能图，只要在每一个工艺方框的输入和输出端标上特定的符号即可。(二)PLC的指令系统及编程环境1、PLC的指令系统

每个PLC的指令系统都不一样，一般有位操作指令、数据处理指令、运算指令、转换指令、程序控制指令和特殊指令等。2、PLC的编程环境 每个PLC生产厂家都提供了相应的编程软件，支持IEC61131-3规定的几种或全部编程语言。五、PLC典型指令编程应用(一)PLC的基本控制电路启动、保持和停止电路电机正反转控制电路图

(a)控制接线图；(b)梯形图定时闪烁电路梯形图单按钮启停电机(二)锅炉引风机和鼓风机的控制1、工作过程

锅炉燃料的燃烧需要充分的氧气，引风机和鼓风机为锅炉燃料的燃烧提供氧气。在锅炉点火时，首先引风机起动，延时8s后鼓风机起动。停止时，按停止按钮，鼓风机先停，8s后引风机停。采用PLC进行控制。2、输入/输出点分配输入点：起动/停止按钮I0.0/I0.1；输出点：引风机/鼓风机控制接触器Q0.0/Q0.1。引风机和鼓风机启、停控制梯形图按起动按钮I0.0，Q0.0得电并自锁，引风机起动。同时T37开始计时，8S后T37触点闭合，Q0.1得电并自锁，鼓风机起动。按停止按钮I0.1，Q0.1(鼓风机)断电停止，同时M0.0得电并自锁，T38开始计时，8s后T38触点打开，Q0.0(引风机)断电停止。六、PLC在模拟量检测与控制中应用 现代PLC保持其强大的开关量控制能力的同时，亦具备了模拟量信号检测、运算及输出控制(PID)能力；

PLC在模拟量控制上富有特色，具有配置灵活、通用性好、价格便宜等特点。特别是在开关量、模拟量混合控制的系统上更显示出独特的优越性。(一)PLC实现PID控制的方式1、使用PID过程控制模块

PID过程控制模块的控制程序是PLC生产厂家，与模块的硬件集成在一起，用户在使用时只需要设置一些参数，使用起来非常方便，一块模块可以控制几路甚至几十路闭环回路。

2、使用PID指令 现在很多PLC都有供PID控制用的功能指令，应用PID指令，与模拟量输入/输出模块一起使用，可以达到PID过程控制模块的效果，但费用要少得多。3、用自编的程序实现PID闭环控制 有的PLC没有PID过程控制模块和PID控制用功能指令，有时虽然可以PID控制指令，但是希望采用某种改进的PID控制算法。这时就需要用户自己编制PID控制程序。4、变频器的闭环控制 现代的变频器内部都有一个PI控制器或PID控制器。此时可以将反馈信号接到变频器的反馈信号输入端，用变频器内部的控制器实现闭环控制。也可以通过模拟量输出模块、串行通信或开关量信号给变频器提供频率给定信起动停止命令和转速切换命令。(二)PLC中PID控制器的实现S7-200PLC的PID指令某PLC的PID指令第三节集散控制系统(DCS)一、集散控制系统的发展过程与概念 随着大规模集成电路的问世，微处理器的诞生，控制技术、显示技术、计算机技术、通信技术等的进一步发展，人们开始将计算机应用于仪表产品和控制系统中。 最初的计算机控制系统是替代常规控制仪表的直接数字控制系统(DDC)，DDC的主要特点是控制、显示和操作集中，这也是其主要问题所在。1975年，出现克服DDC系统危险集中的局限性的集散系统。(一)概念 所谓集散控制系统(DistributedControlSystem，简称DCS)就是以微处理器为基础的集中分散型控制系统。该控制系统实现了控制分散、危险分散，并将操作、监视和管理集中，克服了常规仪表控制系统功能单一和计算机控制系统危险集中的局限性，能够实现连续控制、间歇(批量)控制、顺序控制、数据采集处理和先进控制，将操作、管理和生产过程密切结合。

DCS英文直译为“分散控制系统”。“集散控制系统”是按国人习惯理解而称谓的，其主要特征是集中管理和分散控制。(二)发展历程 纵观DCS发展过程，大致可分为三个阶段：(1)第一阶段(初创期)，1975-1980年。 这一时期典型的DCS系统除Honeywell的TDC-2000系统外，还有Foxboro的Spectrum系统、Yokogawa(横河)的CENTUM系统、Bailey公司的Network-90系统、Siemens的TelepermM系统和肯特公司的P4000等。(2)第二阶段(成熟期)，1980-1985年。 典型产品：Honeywell的TDC-3000、Taylor公司的MOD300、LEEDS&NORTHROP公司的MAXⅠ、ABB公司的MASTER等。(3)第三阶段(扩展期)，1985-迄今。 这一阶段，DCS系统把过程控制、监督控制、管理调度有机地结合起来，并继续加强逻辑控制功能，DCS系统功能综合化和网络开放性水平不断提高。(三)集散控制系统体系结构 集散控制系统的体系结构通常为层级结构。各级之间由通信网络连接，级内各装置之间由本级的通信网络进行通信联系。TDC-3000体系结构1、分散过程控制级 过程控制级是集散控制系统的基础，是实现生产过程分散控制的关键。它与生产过程直接联系，完成生产过程实时信号采集、变换、处理、输入、输出、运算和控制。其主要硬件有过程控制单元、过程输入输出单元、信号处理与变换单元和备用盘装仪表等。其主要任务是进行数据采集、直接数字控制；对设备进行监测和自诊断；以及实施安全化、冗余化措施等。2、集中操作监控级 集中操作监控级的主要功能是过程操作、监视、优化过程控制和数据存档等。该级是面向操作员和控制系统工程师的，因此配有技术手段齐备、功能强的计算机系统及各类外部装置，特别是CRT显示器和键盘，一级需要较大存储容量的硬盘或软盘支持；另外还需要功能强的软件支持，确保工程师和操作员对系统进行组态、监视和操作，对生产过程实行高级控制策略、故障诊断、质量评估。其具体组成包括：监控计算机；工程师显示操作站；操作员显示操作站。3、综合信息管理级 这一级由管理计算机、办公自动化系统、工厂自动化服务系统构成，从而实现整个企业的综合信息管理。综合信息管理主要包括生产管理和经营管理。生产管理级可根据订货、库存和能源等情况来规划产品结构和生产规模，并可根据市场情况重新规划和随机更改产品结构。此外，还可对全厂状况进行观察、产品数量和质量进行监视，并能根据与经营管理级互相传递数据、报表等。经营管理级的管理范围包括：工程技术、商业事务、人事管理及其他方面，这些功能集成在软件系统中。在经营管理级中，通过与公司的经理部、市场部、规划部和人事部等进行对市场的分析、用户信息收集、订货系统分析、合同、接收订货与期限监督、产品制造协调、价格计算、生产与交货期限监督等，以便实现整个制造系统的最优良管理。(四)DCS功能特点(1)分散控制，集中管理；(2)硬件积木化，软件模块化；(3)采用局域网通信技术；(4)完善的控制功能；(5)管理能力强；(6)安全可靠性高；(7)高性能/价格比。二、集散控制系统产品举例CENTUM－XL系统结构三、集散控制系统的应用(一)DCS工程化设计与实施 工程化设计是指如何根据生产过程的要求(如系统功能、规模、软硬件要求及经费等)，选择厂商提供的DCS产品，去设计既满足生产实际需要又性能优越和经济的集散控制系统。一个DCS项目从开始到完成一般可以分成询价前准备、选型与合同、系统设计与生成、现场安装与调试、运行与维护等五个阶段。(二)应用实例：DCS在火力发电厂中的应用第四节现场总线控制系统(FCS) 现场总线(Fieldbus)是为实现整个企业的信息集成，实施综合自动化而开发的一种通信系统，它是开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。基于现场总线技术构建的控制系统称为现场总线控制系统(FieldbusControlSystem，简称FCS)。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，形成了全分布式系统架构，把控制功能彻底下放到现场。现场总线与现场总线控制系统 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。一、现场总线技术及其通信模型(一)现场总线国际标准建立过程(1)1984年，国际电工委员会(IEC)成立IEC/TC65/SC65C/WG6工作组，起草现场总线标准，但初期进展很慢；(2)1993年，现场总线的物理层规范IEC61158.2才正式成为国际标准；(3)1997年应用层服务定义IEC61158.5和应用层协议规范IEC61158.6成为国际标准最终草案；(4)1998年现场总线的链路层服务定义IEC61158.3和链路层协议规范IEC61158.4成为国际标准最终草案；(5)1999年，渥太华会议纪要将原IEC61158.3~6的技术规范作为新标准IEC61158的类型1(Type1)，而其它总线按原技术规范作为新标准的类型2~8(Type2~8)，修改后的现场总线国际标准于2000年初获得通过；(6)2001年各总线又对IEC61158作了充实，其中纳入PROFIBUSDP-V1，DP-V2以及PROFINet(Type10)，即新的IEC61158-2002标准；(7)IEC61158-2002支持的网络通讯协议有Type1/5/9(FF+HSE)、Type2(ControlNet/EthernetIP)、Type3+10(PROFIBUS+PROFInet)、Type4(P-Net)、Type6(SwiftNet)、Type7(WorldFIP)与Type8(INTERBUS)。(二)IEC61158现场总线标准(三)现场总线及其通信模型类别名称技术规范摘要与应用情况Type1FF(Foundation

Fieldbus)H1由DCS发展而成，是现场设备级低速总线，总线速度为31.25kbps，1Mbps和2.5Mbps主要用于过程自动化Type2ControlNet监控级现场总线，5Mbps，主要用于汽车自动化Type3PROFIBUS由PLC控制系统发展而来，是监控级现场总线，31.25kbps(PA)或5Mbps(DP)，主要应用于制造业自动化Type4P-Net为一功能相对简单的数据通讯标准，总线速度76.8Kbps，主要应用于农业与食品加工业Type5FFHSE(FFH2)高速以太网总线，由DCS发展而成，是监控级高速总线，速度达100Mbps，主要用于过程自动化Type6SwiftNet专用总线，功能相对较简单，2.4~76kbps(4800m)，5Mbps(360m)，多用于航空航天领域Type7WorldFIP由PLC控制系统发展而来，采用双绞线时总线速度为31.25kbps、1Mbps或2.5Mbps，使用光纤时可达5Mbps，在机车自动化方面应用较多Type8INTERBUS现场设备级总线，速度500kbps，主要用于汽车自动化典型总线性能比较 国内使用较多的现场总线有：FF、ProfiBus、HART、CAN、LonWorks。二、现场总线控制系统及其结构

FCS是现场通信网络与控制系统的集成，其节点是现场设备或现场仪表，如传感器、变送器、执行器和控制器等。将这些进行了网络化处理的现场设备和现场仪表通过现场总线连接起来，实现一定控制作用的系统就是现场总线控制系统。DDC、DCS和FCS典型结构比较DDC、DCS和FCS控制系统结构的比较

DCS的出现解决了DDC控制过于集中，系统危险性也过于集中的问题；同时伴随控制分散的过程，也使得控制算法得到了简化。但控制系统的接线仍然复杂和繁琐，危险性在一定程度上还是相对集中，尤其是现场控制单元的固有结构限制了DCS的灵活性，无法实现根据控制任务的需要对控制单元进行组态的功能。

FCS的出现，则从根本上解决了控制系统接线的问题，采用双绞线即可将所有的现场总线仪表单元连接在一起。它一方面大大地简化了接线，减少了系统成本；另一方面还使控制系统的灵活组态得以实现。 此外，在FCS中系统的危险性也降到了最低，在现场总线仪表单元出现故障时，可方便地启动备用单元；同时此种结构的实现方式还可大大减少作为保证系统可靠性而配置的热备设备的数量。基于FF现场总线的典型FCS结构图基于LonWorks的典型FCS结构图三、现场总线控制系统的特点 现场总线控制系统FCS是在集散控制系统DCS的基础上发展而成的，它继承了DCS的分布式特点，但在各功能子系统之间，尤其是在现场设备和仪表之间的连接上，采用了开放式的现场网络，从而使得系统现场级设备的连接形式发生了根本性的变化，因而具有许多自己所特有的性能和特点。三个方面：

(1)结构方面；

(2)技术方面；

(3)经济方面。(一)结构方面

FCS结构上与传统的控制系统不同：FCS采用数字信号代替模拟信号，实现一对电线上传输多个信号，现场设备以外不再需要A/D、D/A转换部件，简化了系统结构。由于采用了智能现场设备，能够把原先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，使现场的测量变送仪表可以与阀门等执行机构传送数据，控制系统功能直接在现场完成，实现了彻底的分散控制。(二)技术方面(1)系统的开放性。可以与遵守相同标准的其他设备或系统连接。用户具有高度的系统集成主动权，可根据应用需要自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统。(2)互可操作性与互用性。互可操作性是指实现互联设备间、系统间的信息传送与沟通。互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可实现互相替换。(3)现场设备的智能化与功能自治性。将传感测量、补偿计算、过程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。构成一种新的全分散性控制系统，从根本上改变了原有DCS集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了测控精度和系统可靠性。(5)对现场环境的适应性。现场总线专为现场环境而设计，支持双绞线、同轴电缆、光纤等，具有较强抗干扰能力，采用两线制实现供电和通信，并满足本安防爆要求等。(三)经济方面(1)节省硬件数量和投资。FCS中分散在现场的智能设备能执行多种传感、控制、报警和计算等功能，减少了变送器、控制器、计算单元等数量，也不需要信号调理、转换等功能单元及接线等，节省了硬件投资，减少了控制室面积。(2)节省安装费用。FCS接线简单，一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、桥架等用量减少，设计与校对量减少。增加现场控制设备时，无需增设新的电缆，可就近连接到原有电缆上，节省了投资，减少了设计和安装的工作量。(3)节省维护费用。现场控制设备具有自诊断和简单故障处理能力，通过数字通信能将诊断维护信息送控制室，用户可查询设备的运行、诊断、维护信息，分析故障原因并快速排除，缩短了维护时间，同时系统结构简化和连线简单也减少了维护工作量。四、现场总线控制系统的应用

(一)基于现场总线的控制系统DeltaVDeltaV是美国费希尔-罗斯蒙特(Fisher-Rosemount)推出的新一代控制系统，它融合了现场总线、先进控制、设备管理、OPC接口标准等最新控制和管理技术，并兼容传统I/O设备，因而使用范围广，能完成从简单到复杂功能的控制任务。DeltaV也是该公司实现工厂管控一体化(PlantWeb)的重要组成部分。1、DeltaV系统结构

DeltaV系统包括工作站、通信网络、控制器及I/O卡件。

工作站由一台或数台监控计算机组成，它提供图形化的人机界面，可对系统进行组态和维护，实现集中管理与操作的功能。 通信网络包括集线器和通信电缆，是连接工作站与控制器的桥梁。有不同类型的集线器(端口数量不同)及不同的传输速度(10Base-T/100Base-TX)可供选择。控制器实现控制策略，并完成I/O卡件与控制网络之间的通信管理任务。

I/O卡件包括传统I/O卡(可连接4～20mA信号的仪表)、串行接口卡及现场总线通信接口卡(FF-H1、FF-HSE、ProfiBus、HART等)，可连接现场智能仪表，并支持总线供电和本质安全防爆。控制器、I/O卡件及通信网络均可实现冗余配置，以保证系统的可靠运行。2、DeltaV功能特点(1)配置灵活、扩展方便。选用不同的I/O卡件，既可连接传统模拟仪表，又可连接符合总线标准的多种现场设备，从而可构成规模大小可变、信号类型多样的控制系统，也有利于对原有系统的改造和升级。同时，DeltaV采用了高速以太网的星型局域网结构，更方便系统的扩展。(2)硬件安装简易、快捷。DeltaV系统的控制器、I/O卡件、电源及信号连接端子等全部采用模块化结构和底板连接方式。模块体积小、结构牢固、安装快捷，而且采用即插即用技术，可带电插拔，维护方便。(3)软件功能丰富、多样。系统具有多种应用程序，如资源管理器、人机界面设计与操作软件、先进控制软件(包括神经网络控制、模糊控制、预测控制、回路自整定、仿真软件等)、数据库管理和设备管理系统(AMS)等，可方便地进行系统组态、操作、诊断、维护和管理工作，从而有利于缩短项目开发周期，提高工作效率和管控水平。(4)实用、易学的控制语言。系统具有三种控制语言：功能块图(FBD)、顺序功能图(SFC)和结构化文字(ST)。FBD主要用于监测、报警、计算和闭环控制；SFC提供了顺序功能图的标准模式和指令，以实现批量顺序控制；ST采用IEC61131-3标准结构的指令集来创建算法程序和完成复杂计算。(5)支持OPC标准。系统提供的OPC服务器支持客户应用程序，通过OPC服务器可将DeltaV系统同工厂内局域网连接起来，实现全厂监控层和管理层的信息沟通和数据共享，从而可构成以现场总线为基础的企业信息网络系统。(二)FCS应用实例1、某铅锌冶炼企业烟气处理工艺流程 在冶炼行业中，灰尘、烟尘以及有毒有害气体的污染是非常严重的，特别是二氧化硫对周边环境造成了严重的污染。为此，某冶炼集团有限责任公司投资对其铅、锌生产系统进行烟气治理，对烟气进行除尘，回收二氧化硫，并湿法生成硫酸。该工程包括6＃沸腾炉及余热锅炉系统、铅烧结系统、铅配料系统、动力波系统和WSA制酸系统。整个工艺流程如图所示。某铅锌冶炼企业烟气处理工艺流程图2、项目定义与系统选型设计 系统规模大，拥有上千个DCS点，因此，如何选择控制系统，节约硬件投资与运行成本，是需要全面考虑的。 由上述可知，美国费希尔-罗斯蒙特(Fisher-Rosemount)公司生产的DeltaV系统拥有一系列的标准接口技术，支持OPC与XML技术的集成，支持FF基金会现场总线技术以及批量处理软件和先进控制技术，数字通讯支持Profibus、DeviceNet、HART等协议，可以与大多数的控制设备互连。并考虑到生产工艺的连续性与分散性特点，故选用DeltaV作为某冶炼集团的烟气治理系统的主设备，来实现生产过程监控与管理，如图所示。该系统采用了三种通信方式：传统仪表控制、基金会现场总线H1(FF：FoundationFieldbus)与Profibus-DP。采用Hub和控制器冗余结构，确保生产时可靠运行。控制系统结构图 系统的核心是运行DeltaV控制软件的服务器，由它进行所有数据的采集和发送，并分配、设定每个工作站的权限与功能，供网络管理员使用；工程师站对设备以及控制回路进行组态、校验，供工程师使用。系统服务器、工程师站、操作站以及分厂调度室和公司总调间，智能仪表、智能变送器以及智能阀门等与DeltaV间的通讯都采用FoundationFieldbus协议(H1总线卡)，各种设备的启停操作控制等由西门子S7-300系列PLC承担，PLC主机通过Profibus-DP与FCS系统的控制器相互交换信息。FFFFProfibus-DPDeltaV系统智能仪表、变送器与执行器等S7-300PLC工程师站操作员站服务器3、系统性能、特点 经过一年多的设备安装与调试，烟气治理项目于2002年2月正式投运生产。由于选用先进的现场总线控制搭设整个系统，并采用支持多种协议的DeltaV系统作为系统的核心，系统的自动化程度高，技术先进，达到了国际先进水平，制酸系统生产稳定，转换效率高，SO2的转化回收率>99%，年产硫酸达13万吨，排放尾气中的SO2及SO3均在100ppm以下。特点(1)完全分散的过程控制。应用DeltaV系统的模糊控制(Fuzzy)、预测控制(Predict)、神经网络技术(Neural)、回路整定以及侦察等软件模块，实现整个工艺的控制，且系统控制功能被分散给现场设备，是完全分散的过程控制。(2)全数字的网络通讯方式。统中各单元通过标准协议进行通讯，是一种全数字的网络通讯方式。(3)极方便的故障查找与维护。系统不但具有一般控制系统的过程控制功能，同时结合过程控制和设备管理软件包，允许控制信息和非控制信息(设备诊断信息等)在设备与控制系统之间双向地进行传送。在控制室就可以了解现场仪表控制设备及通信线路的运行状况，对现场设备进行校验、调试与“预维修”。这对工艺危险度高、设备多而分散的制酸工艺来说其优越性更加明显。(4)管控一体化结构。系统通过通用的标准通信界面与企业网通信，在网上其它计算机上用Excel或其它应用软件读取系统实时数据，还可以和报表程序兼容，自动生成报表程序。所有过程信息(包括报警)都在DeltaV工作站上以图表等方式显示出来，网上的计算机都可根据权限进行查询，以满足不同操作或管理等职责的需要。第五节工业自动化组态软件一、概述

20世纪80年代初期诞生出来的专门组态(自动化)软件是随着计算机技术在工业过程控制中的应用而发展壮大起来的，经过20多年的发展，它已经成为工业自动化领域必不可少的一员。 监控组态软件最早出现时，主要解决人机图形界面问题。随着它的快速发展，实时数据库、实时控制、SCADA、通信及联网、开放数据接口、对I／O设备的广泛支持已经成为它的主要内容。二、组态软件的定义及发展 “组态”的概念最早来自英文Configuration，是指使用软件工具对系统的各种资源进行配置，达到系统按照预先设置，自动执行特定任务，满足使用者要求的目的