《過程控制系統(tǒng)與儀表》第9章 計算機控制系統(tǒng)

過程控制系統(tǒng)與儀表第8章第9章計算機控制系統(tǒng)9.1概述在20世紀50年代數(shù)字計算機出現(xiàn)之初，有遠見的控制工程師便意識到計算機在自動控制領域具有極大地的發(fā)

潛力，并進行了積極的探索。1959年，美國在煉油廠實現(xiàn)計算機數(shù)據(jù)監(jiān)控，1962英國實現(xiàn)以計算機代替模擬調節(jié)器進行閉環(huán)控制的工業(yè)用。1975年，美國Honeywell和日本橫河電機株式會社分別推出新型的集散控制系統(tǒng)(DCS)TDC-2000和CENTUM。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章進入90年代，DCS又有新的發(fā)展，表面貼裝技術與專用集成電路（ASIC）使元件數(shù)量減少，可靠性提高；90年代以來，用戶和DCS生產(chǎn)廠家對系統(tǒng)的開放性和兼容性提出了更高的要求。普遍希望：①構成系統(tǒng)的模塊規(guī)范化，通信協(xié)議完全開放；②各個廠家的系統(tǒng)及配套產(chǎn)品和備件相互兼容，可相互替代；③系統(tǒng)的建設投資和運營、維護費用相對封閉系統(tǒng)有所降低。而基于控制系統(tǒng)網(wǎng)絡化和現(xiàn)場儀表數(shù)字化，智化的現(xiàn)場總線（Fieldbus）為滿足以上要求開辟了有效途徑。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章以現(xiàn)場總線技術為基礎的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS（FieldbusControlSystems）是以網(wǎng)絡為基礎的集散型控制系統(tǒng)。新型的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS用公開的、標

準化的通信網(wǎng)絡代替了集散型控制系統(tǒng)DCS的專用網(wǎng)絡，實現(xiàn)了廠商現(xiàn)場設備的兼容與互換性。它適應了控制系統(tǒng)向分散化、網(wǎng)絡化、標準化和開放性的發(fā)展趨勢，是繼集散型控制系統(tǒng)DCS之后的新一代控制系統(tǒng)。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章直接數(shù)字控制（DDC）系統(tǒng)DDC系統(tǒng)的特點及組成1．DDC系統(tǒng)的特點直接數(shù)字控制系統(tǒng)簡稱DDC（Direct

DigitalControl）系統(tǒng)，就是用一臺工業(yè)計算機配以適當?shù)妮斎胼敵鲈O備，從輸入通道獲取生產(chǎn)過程的信息，按照預先規(guī)定的控制算法計算出控制量，并通過輸出通道，直接作用于執(zhí)行器，實現(xiàn)對整個生產(chǎn)過程的控制。DDC系統(tǒng)能滿足不同生產(chǎn)過程的控制要求。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章當系統(tǒng)控制要求發(fā)生變化時，可通過重新編制程序來適應控制要求的改變，而不必進行大量硬件結構改動。DDC系統(tǒng)的另一個優(yōu)點是易于實現(xiàn)各種比較復雜的控制規(guī)律及特殊的控制算法，如串級、前饋、選擇、大滯后補償?shù)瓤刂啤?．DDC系統(tǒng)的組成典型的過程計算機控制系統(tǒng)結構如下圖所示。除了被控過程、檢測儀表和執(zhí)行器之外，計算機系統(tǒng)（如圖中的虛線內部分）可劃分為軟件和硬件兩大部分。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章過程控制系統(tǒng)與儀表第8章DDC系統(tǒng)硬件硬件是指計算機本身及其外圍設備硬件設備，包括

CPU、存儲器（RAM、ROM）各種接口電路、A／D轉換和D／A轉換構成的模擬量I／O通道、數(shù)字量I／O通道及各種顯示、存儲設備、運行操作臺等。DDC系統(tǒng)軟件DDC系統(tǒng)的軟件是指計算機控制系統(tǒng)中具有各種功能的計算機程序總和。DDC系統(tǒng)的軟件從功能上可分為系統(tǒng)軟件和應用軟件兩大部分。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章系統(tǒng)軟件是由計算機制造商、通用系統(tǒng)軟件公司、以及過程控制系統(tǒng)制造廠商提供的，用來進行計算機資源管理的軟件，如操作系統(tǒng)、系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境等，用戶只需要掌握使用方法，并根據(jù)具體需要加以適當?shù)恼{整即可。應用軟件是用戶根據(jù)要解決的控制問題而編寫的具有專用功能的程序，應用軟件的質量直接影響控制系統(tǒng)的功能和效率。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章9.2.2

DDC系統(tǒng)的設計原則DDC系統(tǒng)的控制對象、控制功能與技術指標千變萬化，但基本的設計原則，主要有以下幾個方面。系統(tǒng)操作性能好,可靠性高,通用性強、便于擴充，實時性好、設計周期短、價格便宜。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程自1975年第一套集散式控制系統(tǒng)誕生到現(xiàn)在，DCS大致經(jīng)歷了三個發(fā)展階段。1．第一階段（初創(chuàng)期）1975～1980年是初創(chuàng)階段。世界各大公司紛紛推出自己的集散型控制系統(tǒng)，這一時期典型的DCS系統(tǒng)有

Honeywell的TDC——2000系統(tǒng)、Foxboro的Spectrum系統(tǒng)、Yokogawa（橫河）的CENTUM系統(tǒng)、Bailey公司的Network——90系統(tǒng)、Siemens的Teleperm

M系統(tǒng)等。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章第二階段（成熟期）1980～1985年的第二階段是DCS的成熟期。這期間伴隨著各種高新技術、特別是信息處理技術和計算機網(wǎng)絡術的飛速發(fā)展。第三階段（擴展期）1985年至今為DCS擴展期。這一階段，DCS系統(tǒng)把過程控制、監(jiān)督控制、管理調度有機地結合起來，并繼續(xù)強斷續(xù)控制功能。DCS的特點是系統(tǒng)功能綜合化和系統(tǒng)網(wǎng)絡開放性水平的不斷提高。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章9.3.2集散控制系統(tǒng)的基本組成與功能劃分集散控制系統(tǒng)雖然品種繁多，但其基本組成部分是相同的。一個典型的DCS如右圖所示，由分散執(zhí)行控制功能的現(xiàn)場控制站（FieldControlStation）和進行集中監(jiān)視、操作的操作站（Operator

Station）以及高速通信總線組成，基本結構如下頁圖所示。集散控制系統(tǒng)的組成過程控制系統(tǒng)與儀表第8章過程控制系統(tǒng)與儀表第8章在DCS的結構體系中，操作站位于控制站的上層，它通過通信總線與現(xiàn)場控制站交換信息。DCS中的通信網(wǎng)絡也是系統(tǒng)重要的組成部分。為保證通信的可靠性，DCS系統(tǒng)常采用多主站的令牌方式。這種方式可避免只有一個固定主站時，萬一主站發(fā)生故障引起全局通信癱瘓的危險。此外，在集散系統(tǒng)中還采用雙總線冗余結構，確保通信的可靠性。通過配置網(wǎng)關（Gateway），將DCS的內部通信總線與其它第三方控制設備控制網(wǎng)絡或信息管理網(wǎng)絡連接，組成更大的綜合控制與信息管理系統(tǒng)。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章9.3.3現(xiàn)場控制站現(xiàn)場控制站一般分散安裝在靠近生產(chǎn)現(xiàn)場的位置，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的采集與實時控制。即對過程輸入、輸出數(shù)據(jù)進行檢測與處理，用最新信息更新數(shù)據(jù)庫；根據(jù)最新的數(shù)據(jù)，按照一定的控制邏輯與算法形成相應的控制命令，對生產(chǎn)過程進行控制。同時將相關信息上傳到操作站，并接受操作站下傳的控制指令。通過通信總線實現(xiàn)現(xiàn)場控制站之間的數(shù)據(jù)交換。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章9.3.3.1現(xiàn)場控制站的冗余結構為了避免現(xiàn)場控制站發(fā)生故障對整個生產(chǎn)過程造成較大的影響，DCS從兩個方面采取措施。首先，從危險分散的角度，適當限制了控制站的回路數(shù)目，將控制站發(fā)生故障的影響限制在有限的范圍；其次，在可靠性要求高的場合，對控制站所有關鍵部分，從運算控制單元（CPU）、輸入輸出接口卡、電源，到站內數(shù)據(jù)總線，都采取雙重化冗余備用措施。在連續(xù)生產(chǎn)過程中，測控工作不能停頓，現(xiàn)場控制站的備用裝置必須始終處于運轉（熱備）狀態(tài)，一面進行自診斷，一面監(jiān)視對方工作是否正常，并不斷更新自己的數(shù)據(jù)庫，這種方式稱為雙工熱備待機方式。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章如果當前工作的裝置發(fā)生故障，處于熱備狀態(tài)的備用裝置能立即無中斷、平滑的投入運行。下面以CENTUM—XL系統(tǒng)的雙重化現(xiàn)場控制站

CFCD2為例，簡單說明現(xiàn)場控制站雙工熱備工作原理。CFCD2機柜的上部為運算控制單元，下面可以安裝5個I／O插件箱，每箱內雖可插8塊接口卡，但供控制用的8輸入8輸出模擬量信號接口卡MAC2只能插2塊（若不要備用，均只能插1塊），用于最重要的控制回路。過程控制系統(tǒng)與儀儀表表第第88章章在右圖中，首先對運算控制部分及其電源進行雙工熱備；其次，對HF總線、總線通信耦合器、站內總線，以及I／O插件箱內的關鍵部分，即插件箱電源、站內通信卡，以及最重要的I／O接口卡進行雙重化。CENTUM—XL系統(tǒng)CDFC2現(xiàn)場工作站的雙重化結構過程控制系統(tǒng)與儀表第8章為了說明這種雙重化設備的切換方法，下面以MAC2模塊為例進行討論。MAC2是8輸入、8輸出模擬量接口模塊，其并聯(lián)工作的原理如下頁CENTUM—XL系統(tǒng)CDFC2現(xiàn)場工

作站的雙重化結構圖所示。兩個MAC2模塊（No1、No2）的輸入輸出電路與變送器、執(zhí)行器并聯(lián)相接。從變送器來的4～20mA信號變?yōu)?～5V電

壓后，經(jīng)過濾波電路、多路轉換開關、A／D轉換器，變成數(shù)字量存人數(shù)據(jù)庫，然后經(jīng)站內總線接口，傳送到上部的運算控制單元，作為輸入數(shù)據(jù)參加運算；運算結束后，數(shù)據(jù)經(jīng)站內通信總線又送回MAC2插件，經(jīng)D／A轉換器及多路轉換開

關后，送至輸出電路，驅動執(zhí)行器。過程程控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)與與儀儀表表第第88章章CENTUM—XL

系統(tǒng)CDFC2現(xiàn)場工作站的雙重化結構過程控制系統(tǒng)與儀表第8章MAC2的輸出電路主要由運算放大器和晶體管組

成的V／I轉換電路構成，由D／A轉換器輸出的模擬量電壓加在運算放大器的同相輸入端；借助于強烈的

電流負反饋，將此電壓轉變?yōu)?～20mA的電流輸出。為了核實該電流是否存在，利用輸入多路開關及A／

D轉換器，將反映輸出電流大小的運算放大器反相輸入端電壓讀回來。如果發(fā)現(xiàn)該電流的數(shù)值不準確，

或因回路斷線而沒有電流，通過雙重化控制電路立

即自動切換到備用的MAC2。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章從上圖的輸出電路可看出，兩個并聯(lián)的MAC2模塊

內，對應的回路中都有相同的4～20mA電流存在；但是否向外輸出，取決于接在輸出晶體管發(fā)射極電路中的開關管狀態(tài)，而后者又決定于雙重化控制電路驅動的RS觸發(fā)器。若RS觸發(fā)器的狀態(tài)使上面模塊內的開關管處于開斷狀態(tài)，下面插件內的開關管處于導通狀態(tài)，則外電路電流由上面的模塊供給，下面模塊內的4～20mA電流直接接地。當RS觸發(fā)器翻轉時，利用上述全面的雙重化備用，可保證多回路控制器的可靠性不低于單回路控制器過程控制系統(tǒng)與儀表第8章CFCD2型現(xiàn)場控制站內輸入輸出插件箱的具體結構如左圖所示。其右邊4個插槽作為公用部分，2個槽插電源模塊，2個槽插站內通信模塊。如果不需要雙重化熱備，電源和通信模塊只插1塊即可。在CFCD2型現(xiàn)場控制站中，最多可處理開關量輸入輸出信號512點及相近數(shù)量的模擬量信號最多可生成的內部控制儀表255個，可執(zhí)行的順序控制表格(32輸入、32輸出)共40張，其規(guī)模相當大。當使用10～20個CFCD2型現(xiàn)場控制站組成系統(tǒng)時，可實現(xiàn)上千個反饋回路和上萬個開關量的分散控制與集中管理?，F(xiàn)場控制站的I/O插件箱過程控制系統(tǒng)與儀表第8章DCS現(xiàn)場控制站功能框圖9.3.3.2現(xiàn)場控制站的功能現(xiàn)場控制站功能框圖如右圖所示。與單回路控制儀表相比，

除反饋控制功能、運算功能、報

警功能、通信功能更加充實之外，最主要的特點是順序控制大大增

強?，F(xiàn)場控制站內的順序控制，除能按常規(guī)的開關條件切換外，還包含各種定時器、計數(shù)器、算術運式、邏輯關系運算式等，能自動監(jiān)視連續(xù)量的變化。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章為了繼承用單塊儀表構成系統(tǒng)的概念，DCS將一些常用的功能子程序組成標準功能模塊，稱為內部儀表?，F(xiàn)場控制站中的內部儀表與單回路控制器不同，現(xiàn)場控制站中將一些控制儀表所共有的運算和處理歸并在內部儀表的功能之內，如下圖所示。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章過程控制系統(tǒng)與儀表第8章9.3.4

DCS操作站功能集散控制系統(tǒng)的操作站主要有三大功能，即以系統(tǒng)生成、維護為主的工程功能；以監(jiān)視、運行、記錄為主的操作功能；與現(xiàn)場控制站和上位計算機交換信息的通信功能以及運行數(shù)據(jù)文件的存儲、管理功能。DCS的工程功能通過工程師站實現(xiàn)，操作功能由操作員站實現(xiàn)。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章工程師站與操作員站共同組成DCS操作站。在規(guī)模較小的DCS和早期的DCS中，由中央計算機同時承擔工程師站和操作員站的職能，通過設置工程師密碼賦予工程師進行系統(tǒng)生成、維護和系統(tǒng)管理功能等工程功能，必要時可配置專門的工程師鍵盤和CRT以方便監(jiān)視和操作；通過設置操作員密碼限制操作員的操作權限。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章1．工程師站的功能1）系統(tǒng)組態(tài)系統(tǒng)組態(tài)就是生成和變更操作員站和現(xiàn)場控制站的功能。通過填寫標準工作本，由組態(tài)工具軟件將工作單顯于屏幕上，用會話方式實現(xiàn)功能的生成和變更。組態(tài)內包括操作站功能組態(tài)、現(xiàn)場控制站功能組態(tài)和用戶自定功能組態(tài)等。操作站組態(tài)包括操作站的規(guī)格指定、信號點數(shù)指定及其它一些共同的規(guī)定；然后定義操作站的標準功能，如面編號、工位號、信息編號、標準功能鍵等站內自身的準信息；用戶需要定義功能，如某些功能鍵、指定畫面報表格式等。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章現(xiàn)場控制站組態(tài)用來生成和變更站內反饋控制功能、順序控制功能和監(jiān)控功能等。不同類型DCS的控制站都有專用的組態(tài)軟件。集散系統(tǒng)中有些專用功能由用戶定義，例如，流程畫面生成、畫面分配和報表格式等。在對用戶定義的功能進行組態(tài)時，用戶可根據(jù)具體內容借助于組態(tài)工具軟件自行組態(tài)。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章系統(tǒng)測試測試功能用來檢查組態(tài)后系統(tǒng)的工作情況，內容包括對反饋控制回路的測試和對順序控制狀態(tài)的測試。系統(tǒng)維護系統(tǒng)維護是對系統(tǒng)作定期檢查或更改、生成的組態(tài)文件存儲、數(shù)據(jù)恢復等。系統(tǒng)管理主要是對系統(tǒng)文件的管理。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章2．操作員站功能畫面顯示和運行操作是操作員站的基本功能。操作人員通過各種畫面的顯示、切換以及功能鍵、鼠標、觸摸屏的操作，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程正常運行的監(jiān)視與操作管理。為滿足運行操作的要求，集散控制系統(tǒng)的操作站上都備有總貌畫面、分組畫面、回路調整畫面、報警畫面、趨勢分組畫面五種標準畫面，此外，還能根據(jù)用戶的不同特點，生成各種流程圖畫面及工藝數(shù)據(jù)匯總畫面等。下面以一個中型DCS的操作站為例，說明這些畫面在監(jiān)視和操作中的作用。過程控制制系系統(tǒng)統(tǒng)與與儀儀表表第第88章章1）總體畫面:這是為掌握生產(chǎn)過程總體狀設計

顯示畫面，如下圖所示。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章2）控制組畫面如下圖所示，畫面上可顯示一組內部儀表，對每個儀表都采取數(shù)字和模擬兩種方式顯示。數(shù)字方式給出了PV、SV、MV的精

確數(shù)值及單位，模擬方式的棒圖顯示直觀明了。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章3）回路調整畫面隨著對生產(chǎn)過程的了解由全局向局部深人，需要對單個儀表進行細致的觀測和調整，這種以儀表為單位的回路顯示畫面如右圖所示。畫面上

可詳盡地列出該儀表的全部數(shù)據(jù)，并可用光標指定需要更改的參數(shù)后，用操作鍵盤進行數(shù)據(jù)設定。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章4）趨勢畫面:對過程量變化曲線的顯示，即所謂趨勢顯示，過程控制系統(tǒng)與儀表第8章5）報警畫面下圖是操作站上顯示的，按發(fā)生時間先后排列的順序報警畫面。其中最新發(fā)生的報警在最上面的一行，按發(fā)生的序向下排列，當超過畫面上允許的行數(shù)時，送入后面的頁面。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章6）流程圖畫面，目前動態(tài)的流程圖畫面是CRT操作中最受歡迎，使用頻

度最高的一種畫面。由于生產(chǎn)過程的多樣性，流程圖畫面難以做成標準模式。為此，操作站為用戶提供這類圖形的生成手段和標準圖庫，用戶可根據(jù)生產(chǎn)情況和自己的習慣，生成各具特色的畫面。如下圖所示。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章在CRT操作中有兩個值得注意的問題，這就是快速性和抗誤操作性?？焖傩允侵府嬅娴霓D換和過程操作要快。為此，一方面提高CRT的畫面更新速度，例如把畫面更新時間縮短到1s之內，另一方面優(yōu)化關聯(lián)畫面的編排，使操作者在某個畫面上發(fā)現(xiàn)問題后，能快速找到與其密切相關的其它畫面。并簡化操作步驟，力求實現(xiàn)1鍵操作。由于集散系統(tǒng)具有順序控制功能，易于實現(xiàn)以1鍵動作代替一連串的鍵盤操作。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章但在操作簡化的同時，又出現(xiàn)了另一個問題，即如何防止因誤操作引起嚴重后果。為此，首先將鍵盤功能按使用人員的職責范圍劃分等級，以密碼或鑰匙限制越權操作，保證像系統(tǒng)生成、回路構成等功能不會被不允許的人員誤操作。對一些關系重大的操作，系統(tǒng)必須要求操作員反復確認后才執(zhí)行，對明顯不合理的指令，系統(tǒng)應拒絕執(zhí)行，以防止因誤操作而引起嚴重后果。為此首先將鍵盤功能按使用人員的職責范圍劃分等級，以密碼或鑰匙限制越權操作，保證像回路構成等軟件不會被無關人員的誤操作所破壞。此外，對一些關系重大的操作，必須要求操作員反復確認后才執(zhí)行，對明顯不合理的指令，系統(tǒng)應拒絕執(zhí)行。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章過程控制系統(tǒng)與儀表第8章9.3.5

DCS的通信網(wǎng)絡DCS通過分布在現(xiàn)場的控制站實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制，通過操作站進行集中監(jiān)視和操作管理，達到實時了解生產(chǎn)的總體狀況，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程全面監(jiān)控與管理的目的。只有將現(xiàn)場控制站和操作站通過通信網(wǎng)絡連接起來，才能實現(xiàn)上述目標。DCS的現(xiàn)場控制站和操作站在空間上總是分布在一定區(qū)域之內，它的通信網(wǎng)絡是一個局部網(wǎng)絡。DCS局部網(wǎng)與一般辦公系統(tǒng)的局部網(wǎng)絡不同，要求實時響應迅速、能適應惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境、具有開放性等，對網(wǎng)絡的可靠性要求很高。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章1．DCS的網(wǎng)絡形式：兩種右圖所示為主—從通信網(wǎng)絡系統(tǒng)。其中主站一般是微型計算機或大型工作站，負責處理網(wǎng)絡設備之間的網(wǎng)絡通信指揮任務；從站或稱從屬設備，多為現(xiàn)場控制設備如可編程控制器、現(xiàn)場控制站等。在主—從通信網(wǎng)絡中，主站采用獨立訪問每個從屬設備的方式，實現(xiàn)主設備和被訪問從屬設備之間的數(shù)據(jù)傳送，從屬設備之間不能直接通信。主—從網(wǎng)絡具有整體控制網(wǎng)絡通信的優(yōu)點，缺點是整個系統(tǒng)內的通信全部依賴于主站。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章在同等—同等通信網(wǎng)絡中，每個網(wǎng)絡設備都有要求使用與控制網(wǎng)絡的權力，能夠發(fā)送或訪問其它網(wǎng)絡設備的信息。Peer

tPeer通信網(wǎng)絡如下圖所示。這種通信方式也稱為接力式或令牌式系統(tǒng)，網(wǎng)絡的控制權力可以看作是一個設備到另一個設備的接力或令牌式傳遞。其特點正好與主—從系統(tǒng)相反。由于每個網(wǎng)絡設備都有權控制網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)通信，控制權該由哪個設備占用、占用多長時間以及網(wǎng)絡上通信的類別等實現(xiàn)起來既復雜又困難，優(yōu)點是一個或幾個設備發(fā)生故障時，并不影響整個通信網(wǎng)絡的正常運行。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章2．通信網(wǎng)絡的硬件構成通信網(wǎng)絡主要由兩部分組成：傳輸電纜、光纜（或其它媒介）和接口電子設備。接口電子設備通

常稱為鏈路接口單元（或稱調制解調器、網(wǎng)絡適配

器等），其的功能是控制數(shù)據(jù)交換、傳送存取等。

DCS通信控制的典型功能包括：誤碼檢驗、數(shù)據(jù)鏈

路控制管理以及與可編程控制器、控制單元或計算

機之間的通信協(xié)議的處理等。DCS的網(wǎng)絡要在惡劣

的工業(yè)環(huán)境中運行，所以調制解調器都規(guī)定在特定

的頻率下通信，最大限度地減少干擾造成傳送誤差。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章3．通信網(wǎng)絡的拓撲結構1）星形網(wǎng)絡結構右圖所示的星形網(wǎng)絡結構屬

于主——從形式的網(wǎng)絡系統(tǒng)。網(wǎng)

絡中各主、從站之間鏈路專用，

傳輸效率高，通信簡單。但主站

承擔全部信息的協(xié)調與傳輸，一

旦發(fā)生事故，系統(tǒng)通信立即中斷。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章2）樹形網(wǎng)絡結構右圖所示的樹形網(wǎng)絡結構，適用于分級管理和控制系統(tǒng)。與星形結構相比，由于通信線路總長度較短，故成本低，易推廣，但結構較星形復雜。網(wǎng)絡中任一節(jié)點或連線的故障均影響其所在支路網(wǎng)絡的正常工作。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章3）環(huán)形網(wǎng)絡結構網(wǎng)絡首尾相連成環(huán)形。網(wǎng)絡信息的傳送是從始發(fā)站經(jīng)過其余各站最后又回到始發(fā)站。數(shù)據(jù)傳輸方向可單向也可雙向，環(huán)形網(wǎng)絡結構簡單，掛接或摘除處理設備容易，但是若節(jié)點處理器或數(shù)據(jù)通道有障礙時會影響整個系統(tǒng)。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章4）總線型網(wǎng)絡結構右圖所示為總線型網(wǎng)絡結構。在這種結構中所有節(jié)點通過接口連接到一條數(shù)據(jù)通道（總線）上，節(jié)點發(fā)送到總線的數(shù)據(jù)同時被所有節(jié)點所接收，但每個節(jié)點只接收以本節(jié)點為目的地址的數(shù)據(jù)。每次只允許一臺設備發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣就需要按一定訪問方法來決定哪一個節(jié)點占有網(wǎng)絡。網(wǎng)絡結構簡單，系統(tǒng)可大可小，易于擴展。若某一設備發(fā)生故障，不會影響整個系統(tǒng)。這種結構是目前廣泛應用的一種形式。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章5）復合形網(wǎng)絡結構在一些規(guī)模較大的DCS中，

為了提高其實用性，常常將幾種網(wǎng)絡結構合理地組合起來運用于一個系統(tǒng)，充分發(fā)揮各自的長處。右圖所示為環(huán)形網(wǎng)絡與總線網(wǎng)絡的復合。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章4．通信協(xié)議隨著通信網(wǎng)絡規(guī)模的擴大和功能的提高，對數(shù)據(jù)通信規(guī)格有了規(guī)范化的要求。如果數(shù)據(jù)規(guī)格不按照一定的規(guī)范編制，接收端無法正確理解所收到的信息并加以利用。這種在網(wǎng)絡上定義數(shù)據(jù)資料傳輸規(guī)范的協(xié)議就稱為通信協(xié)議。DCS中采用的通信協(xié)議有IEEE802標準、MAP

標準和PROWAY標準等。其中應用最多的是

IEEE802標準。關于這些通信協(xié)議的具體內容可參考有關的技術標準。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章5．典型DCS的通信網(wǎng)絡TDC3000系統(tǒng)TDC3000有三種通信網(wǎng)絡：工廠控制網(wǎng)絡（PCN）、局部控制網(wǎng)絡（LCN）、通用控制網(wǎng)絡（UCN）和高速數(shù)據(jù)通道（Data

Hiway）。前三者均為局域網(wǎng)，通信特性相同。后者用來支持設備間點對點的通信及資源共享。CENTUM系統(tǒng)CENTUM系統(tǒng)有兩種通信網(wǎng)絡：用于控制級通信的HF總線和用于管理級通信的SV—NET總線。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章HF總線采用同軸電纜作為傳輸介質，傳輸距離為l～2km，也可經(jīng)光適配器同光纖通信系統(tǒng)一起使用，傳輸距離可達20km。通信采用PROWAY標準，介質存取方式為

令牌總線。信息傳送采用循環(huán)冗余碼校驗技術，確保安傳送，每條HF總線可接32個設備。SV—NET總線與HF總線的區(qū)別是通信協(xié)議采用MAP標準。傳送標準距離為500m，總線最多可接100個設備。其它技術性能與HF總線相同。CENTUM系統(tǒng)的兩個總線可以直接構成兩級計算機控制和管理系統(tǒng)，并可通過網(wǎng)橋（Gateway）與其它網(wǎng)絡相連。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章9.3.6

DCS的發(fā)展趨勢①DCS的開放化③DCS規(guī)模多樣化②DCS的集成化程度提高④DCS系統(tǒng)軟件更加豐富完善DCS的順序控制功能增強并與PLC兼容⑥DCS的現(xiàn)場總線標準化⑦DCS將不斷采用新技術⑧DCS與計算機集成制造系統(tǒng)過程控制系統(tǒng)與儀表第8章?lián)P子石化過程控制系統(tǒng)與儀表第8章?lián)P子石化過程控制系統(tǒng)與儀表第8章9.4現(xiàn)場總線技術與現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線發(fā)展及幾種主要的現(xiàn)場總線技術現(xiàn)場總線技術及其通信模型1．現(xiàn)場總線的發(fā)展按照現(xiàn)場總線基金會的定義，所謂現(xiàn)場總線就是連接智能測量與控制設備的全數(shù)字式、雙向傳輸、具有多節(jié)點分支結構的通信鏈路。一種應用于生產(chǎn)現(xiàn)場，在現(xiàn)場設備之間、現(xiàn)場設備與控制裝置之間進行雙向、串行、多節(jié)點、數(shù)字式的數(shù)據(jù)交換的通信技術。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章1994年，世界兩大現(xiàn)場總線組織ISPF和WorldFIP合并，成立現(xiàn)場總線基金會，簡稱FF（FieldbusFoundtion），總部設在美國得克薩斯州的Austin。以現(xiàn)場總線為基礎的全數(shù)字控制系統(tǒng)成為21世紀自動化控制系統(tǒng)的主流。目前世界發(fā)達國家的自動化儀表公司都以巨大的人力和財力投入，全方位地進行技術研究和實際應用。由于現(xiàn)場總線是以開放的、獨立的、全數(shù)字化的雙向多變量通信代替4～20mA的現(xiàn)場儀表，實現(xiàn)全數(shù)字化的控制系統(tǒng)，因此其標準化至關重要。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章1）開放系統(tǒng)互連參考模型計算機網(wǎng)絡體系結構（NetworkArchitecure）是計機網(wǎng)絡層次結構模型和各層次協(xié)議的集合。國際標準化織ISO（InternationalStandardizationOrganization國際電工委員會IEC（International

ElectrotechnicalCommittee）于1978年共同建立聯(lián)合技術委員會ISO／IEJTCI，提出一個試圖使各種計算機在世界范圍內互連成的標準框架，為保持相關標準的一致性和兼容性提供共的參考，這就是開放系統(tǒng)互連參考模型OSI/RM

（OpenSystem

Interconnection／Reference

Model），也稱ISOSI模型，并于1983成為正式國際標準ISO

7498。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章OSI將整個通信功能按照以下原則：網(wǎng)中各結點都有相同的層次，相同的層次具有相同的功能；同一結點相鄰層之間通過接口通信；每一層使用下層提供的服務，并向上層提供服務；

不同結點的同等層按照協(xié)議實現(xiàn)對等層之間的通信。劃分為七個層次，如下頁圖所示。過過程程控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)與與儀儀表表第第88章章ISO/OSI參考模型過程控制系統(tǒng)與儀表第8章OSI參考模型解決了不同計算機之間的通信問題。不管差異多大，只要它們具有下列共同之處：*完成同樣的通信功能；*通信功能可劃分相同的層次，同等層提供相同的功能，實現(xiàn)功能的方法可以不同；*同等層遵守公用協(xié)議。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章2）現(xiàn)場總線通信結構模型工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場存在大量傳感器、執(zhí)行器，分布范圍較大。由這些節(jié)點組成的底層控制網(wǎng)絡中，單個節(jié)點的信息量不大，信息傳輸任務簡單，但對實時性、可靠性要求高。如果按照ISO／OSI參考模型的七層模式，層間操作與轉換復雜，網(wǎng)絡接口的造價與時間開銷顯得過高。為滿足實時性要求，也為了實現(xiàn)工業(yè)網(wǎng)絡的低成本，現(xiàn)場總線采用的通信模型大都在ISO／OSI模型的基礎上進行了不同程度的簡化。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章一個典型的IEC/ISA現(xiàn)場總線通信結構模型如圖所示。它采用簡化的ISO／OIS模型，僅保持了其中的三個典型層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層，而將省去中間3～6層的必要功能，通過其它機制并入第七層及第二層。該模型具有結構簡單、執(zhí)行協(xié)議直觀、價格低廉等優(yōu)點，也滿足工業(yè)現(xiàn)場應用的性能要求，其流量與差錯控制在數(shù)據(jù)鏈路層中進行，因而與OSI模型不完全一致。IEC/ISA現(xiàn)場總線結構模型過程控制系統(tǒng)與儀表第8章9.4.1.2幾種主要的現(xiàn)場總線技術①基金會現(xiàn)場總線FF基金會現(xiàn)場總線FF系統(tǒng)是為適應自動化系統(tǒng)、特別是過程自動化系統(tǒng)在功能、環(huán)境與技術上的需要而專門設計的。它可以工作在工廠生產(chǎn)的現(xiàn)場環(huán)境下，能適應本征安全防爆的要求，還可通過傳輸數(shù)據(jù)的總線為現(xiàn)場設備提供工作電源。FF總線標準是開放的，無專利許可要求。通過FF總線，可將現(xiàn)場設備與其它控制監(jiān)視設備組成分布式自動化系統(tǒng)。這些設備應遵循相同的協(xié)議規(guī)范，在產(chǎn)品開發(fā)期間通過一致性測試，確認產(chǎn)品與協(xié)議規(guī)范的一致性過程控制系統(tǒng)與儀表第8章當不同制造商的產(chǎn)品連接到同一網(wǎng)絡系統(tǒng)時，作為網(wǎng)絡節(jié)點的各設備間可實現(xiàn)互操作，同時，還容許不同廠商生產(chǎn)的相同功能的設備之間進行相互替換。②過程現(xiàn)場總線ProfibusProfibus是一種不依賴于廠家的開放式現(xiàn)場總線標準，可廣泛應用于制造加工、過程自動化和建筑自動化領域。采用Profibus標準的系統(tǒng)，不同廠商所生產(chǎn)的設備無須對其接口進行特別調整就可進行通信。Profibus用于對時間苛求的高速數(shù)據(jù)傳輸，也可用于大范圍的復雜通信場合。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章③HART現(xiàn)場總線HART（Highway

Addressable

Remote

Transducer尋址遠程傳感器變速通道）的特點是在現(xiàn)有模擬信號傳輸線上實現(xiàn)數(shù)字信號傳輸，屬于模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉變過程中的過渡性產(chǎn)品。因而在過渡時期具有較強的市場競爭能力，得到了較快發(fā)展。④World

FIP現(xiàn)場總線WorldFIP具有單一的總線，可用于過程控制及離散控制；沒有任何網(wǎng)橋或網(wǎng)關，通過軟件解決低速傳輸和速傳輸部分之間的銜接問題；并有比較完整的系列產(chǎn)品已準備與互聯(lián)網(wǎng)連接。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章WorldFIP一方面保持其獨立的的產(chǎn)品地位，首先使己成為歐洲標準，并推出產(chǎn)品，占領市場；同時做好準一旦IEC標準通過，立即與IEC靠攏。⑤控制器局域網(wǎng)總線CANCAN（ControllerArea

Network）即控制器局域網(wǎng)絡主要用于過程監(jiān)測及控制。CAN具有很高的可靠性和卓

越的性能，特別適合于工業(yè)過程監(jiān)控設備的互連，日益到工業(yè)界的重視，并成為幾種主要的現(xiàn)場總線之一。

CAN屬于總線型結構，采用同步、串行、多主、雙向通

信數(shù)據(jù)塊的通信方式，不分主從，網(wǎng)絡上每一個節(jié)點都以主動發(fā)送信息，可以很方便地構成多機備份。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章⑥LonWorks總線LonWorks總線采用了ISO／OSI模型的全部7層通信協(xié)議，采用了面向對象的設計方法。它把單個分散的測量控制設備變成網(wǎng)絡節(jié)點，通過網(wǎng)絡實現(xiàn)集散控制。通過網(wǎng)絡變量把網(wǎng)絡通信設計簡化為參數(shù)設置，其通信速率從300kbps至1.5Mbps不等，直接通信距離可達2700m（雙絞線）；支持雙絞線、同軸電纜、光纖、射頻、紅外線和電力線等多種通信介質，并開發(fā)了相應的安全防爆產(chǎn)品。LonWorks所采用的Lon

Talk協(xié)議被封裝在稱

為Neuron的神經(jīng)元芯片中而得以實現(xiàn)。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章9.4.2

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)及其特點1．現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線技術構成的控制系統(tǒng)稱為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCSFieldbusControlSystem）。一個最簡單的單回路控制系統(tǒng)的基本構成元素包括測量變送單元、控制

算單元、操作執(zhí)行單元，將這些基本元素與被控過程按

定要求連接起來，就構成一個簡單而完整的控制系統(tǒng)。

場總線控制系統(tǒng)也是由這幾個最基本的部分組成，其特

是它的控制單元在物理位置上可與測量變送單元及操作

行單元合為一體，可以在現(xiàn)場構成完整的基本控制系統(tǒng)

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)將通信總線延伸到現(xiàn)場的變送器、執(zhí)

器，它們都掛接在通信總線上，如下頁圖所示。過程控制系統(tǒng)與儀表第8章現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng)與儀表第8章現(xiàn)場單元具備通信能力，多個現(xiàn)場智能設備可構成多個變量參與的復雜控制系統(tǒng)與精確測量系統(tǒng)；另外，現(xiàn)場設備及儀表具備數(shù)字通信能力，不僅可以傳遞測量數(shù)據(jù)信息，也可以傳遞設備標識、運行狀態(tài)、故障診斷等信息，因而可以實現(xiàn)智能儀表設備資源的在線管理。FCS中，原先由控制器