第四章现场总线控制系统（FCS）
第一节现场总线控制系统基础
现场总线控制系统(FCS)是基于现场总线技术的计算机控制系统，它是集计算机技术、网络技术和控制技术为一体的先进的计算机控制系统。是一种全分散、全数字、全开放的控制系统。它适用于工业过程控制、制造业及楼宇自动化等领域，将逐渐成为计算机控制系统的主流形式。
一、现场总线控制系统的特点
根据IEC标准和现场总线基金会的定义，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。现场总线控制系统是在现场总线的基础上发展起来的，它所带来的改进首先体现在现场通信网络方面，其次在结构、装置、功能等方面也有优势。概括地说，它具有以下技术特点：
(1)FCS采用的现场总线是一个全数字化的现场通信网络。现场总线是用于过程控制系统和制造自动化系统中现场设备或现场仪表间互连的数字化通信网络，其传输抗干扰性强，测量精度高，大大提高了控制系统的性能。
(2)FCS的现场总线网络是开放式互连网络。用户可以自由集成不同制造商的通信网络，通过网络将不同厂商生产的现场设备和功能块设备有机地融合为一体，构成统一的现场总线控制系统。
(3)FCS的所有现场设备直接通过一对传输线(现场总线)互连。一对传输线互连多台现场设备，双向传输数据信息，大大减少连线数量，从而降低安装费用，更易于维护，并提高了可靠性。
(4)FCS普遍采用智能仪表，增强了系统的自治性，系统控制功能更加分散。智能化的现场设备具有更加完善的功能，包括部分控制功能，从而将较简单的控制任务改由现场设备完成，使现场设备既有检测、变换功能，又有运算和控制功能，一机多用。这样既节约了成本，又使控制更加安全和可靠。FCS废除了DCS的I／O单元和控制站，把DCS控制站的功能块分散到现场设备，实现了彻底的分散控制。
二、FCS与DCS的分析比较
FCS系统利用现场总线技术，针对现存的DCS的某些不足，改进控制系统的结构，提高了性能和通用性。传统DCS的主要问题是开放性差，功能分散不够，需要用大量的电缆传递模拟信号等。但是，DCS发展了二三十年，已经在许多领域成熟应用，其强大的功能和可靠性已经得到验证和承认，并且已经占有了相当大的市场。与DCS相比，FCS具有技术上的优势，但是还处于发展和成熟之中，许多问题还有待解决。当今工业控制领域，DCS和FCS共存的情况还将维持一段较长的时间。
在技术上，FCS与DCS相比，具有以下几点优势：
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(1)FCS的信号传输实现了全数字化，从最底层的传感器和执行器就采用现场总线网络，逐层向上直至最高层均为通信网络互连。
(2)FCS的系统结构是全分散式，FCS废弃了DCS的输入输出单元和控制站，由现场设备或现场仪表取而代之，即把DCS控制站的功能化整为零，分散地分配给现场仪表，实现彻底的分散控制。
(3)FCS的现场设备具有互操作性，不同厂商的现场设备既可互连也可互换，并可以统一组态，彻底改变传统DCS控制层的封闭性和专用性。
(4)FCS的通信网络为开放式互连网络，既可与同层网络互连，也可与不同层网络互连，用户可极其方便地共享网络数据库。
(5)FCS的技术和标准实现了全开放、专利许可要求，可供任何人使用，从总线标准、产品检验到信息发布全是公开的，面向世界任何一个制造商和用户。
另一方面，由于FCS是一种新技术，目前真正意义上的现场总线的统一国际标准尚不具备，因此FCS与成熟的DCS相比，还存在下列的一些不足。
(1)由于现场总线标准本身尚在发展中，从而给产品的开发和测试带来难度。这在一定程度上造成产品开发商多、生产商少，产品品种单一而且价格昂贵。
虽然IEC已经确定了8种总线作为标准，但是仍然让设备生产商和用户无所适从，只有真正意义上的现场总线标准确立，FCS才可以走向成熟。
(2)现阶段，在某些场合中FCS还无法提供DCS已有的控制功能。由于软硬件水平的限制，其功能块的功能还不是很强，品种也不够齐全；用现场仪表还只能组成一般的控制回路如单回路、串级、比例控制等，对于复杂的、先进的控制算法还无法在仪表中实现，对于单回路内有多输入、多输出的情况缺乏较好的解决方案。
(3)目前FCS成功应用于各行业的实例不多，难以评估实际应用效果。而DCS已经长期稳定可靠地运行于许多工业现场，其市场优势是FCS无法比拟的。
总的来说，FCS的这些劣势都是在实施推广过程中遇到的问题，但是FCS在技术上的优势已经得到大家的承认，FCS还是今后最有前途的控制系统。
由于以上这些原因，FCS取代DCS将是一个逐渐的过程。在这一过程中，会出现一些过渡型的系统结构，如在DCS中以FCS取代DCS中的某些子系统。用户将现场总线设备连接到独立的现场总线网络服务器，服务器配有DCS中连接操作站的上层网络接口，与操作站直接通信。在DCS的软件系统中可增添相应的通信与管理软件。这样不需要对原有控制系统作结构上的重大变动。
三、现场总线控制系统的结构
FCS是一个两级系统，即工作站级和现场级。
与DCS相比，其单独的控制级已经不存在，控制功能被分散到智能化的现场仪表中更彻底地实现了控制分散，从而提高了控制的可靠性和性能。
以现场总线基金会(FF)的标准为例，基于FF现场总线标准构成的FCS系统结构如图4－1所示，其中H2为高速总线，H1为低速总线。
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图4－1 FF现场总线控制系统结构
智能化现场设备和现场总线是组成FCS的两个重要部分。现场级由现场总线智能化设备组成，现场总线智能化设备以现场总线技术为基础，以微处理器为核心，以数字化通信为传输方式，并根据实际情况内置各种控制算法模块，从而完成数据采集、回路控制功能，实现控制功能的彻底分散。系统可对之进行校验、组态、测试，实施设备管理，从而改善系统的可靠性。
工作站级位于控制室，其中，工程师工作站用于组态操作、系统仿真和调试，操作员工作站用于工艺操作和系统监视报警、报表打印等，维护员工作站用于掌握现场设备的详细信息、查找和确认故障、进行预测性维护。
现场总线协议控制服务器是FCS的通信控制器，它连接现场总线网络和工作站的局域网，完成现场设备和工作站之间的通信。网桥用于连接高速总线H2和低速总线H1。
FCS用现场总线在控制现场建立一条高可靠性的数据通信线路，实现各现场智能化设备之间及其与主控机之间的数据通信，把单个分散的现场设备变成网络节点。现场智能设备中的数据处理有助于减轻主控站的工作负担，使大量信息处理就地化，减少了现场设备与主控站之间的信息往返，降低了对网络数据通信容量的要求。经过现场设备预处理的数据通过现场总线汇集到主机上，进行更高级的处理(主要是系统组态、优化、管理、诊断、容错等)，使系统由面到点，再由点到面，对被控对象进行分析判断，提高了系统的可靠性和容错能力。这样，FCS把各现场设备连接成了可以互通信息，共同完成控制任务的网络型控制系统，更好地体现了DCS系统“信息集中，控制分散”的设计理念，提高了信号传输的准确性、实时性和快速性。
四、现场总线控制系统的基本设备
人们把现场总线的节点设备称为现场设备或现场仪表，节点设备的名称及功能随所应用的企业而定。不同的现场总线标准构成的FCS，具体的设备可能不同，但是在FCS最基本的框架下，基本设备是相似的。以现场总线基金会(FF)的FCS为例，用于过程自动化构成FCS
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的基本设备如下：
(1)变送器。常用的有温度、压力、流量、物位和物性分析变送器5大类，每类又有多个品种。FCS中的变送器已经超越传统变送器，它既有检测、变换和补偿功能，又具有PID算法等控制功能。
(2)执行器。常用的执行器有电动、气动两大类，每类又有多个品种。执行器的基本功能是信号驱动和执行，还内含调节阀输出特性补偿、PID控制和运算等功能。另外有阀门特性自校验和自诊断功能。
(3)服务器和网桥。对于FF现场总线而言，服务器下接HI和H2，上接局域网L厶Nt网桥上接H2，下接HI。
(4)辅助设备。H1/汽压、H1／电流和电流／H1转换器、安全栅、总线电源、便携式编程器等等。
(5)监控设备。工程师站供现场总线组态，操作员站供工艺操作与监视，计算机站用于优化控制和建模。
五、现场总线控制系统的设备管理
现场总线控制系统的设备管理(AMS：Asset Management Solutions)是指现场总线系统中的现场智能仪表的管理、操作和维护。
自动化仪表的设备管理是现场总线仪表发展引出的新概念。随着工厂越来越严格的质量标准及法规要求，人们对现场测量和控制设备的要求随之提高，不仅要求现场设备能提供过程参数的测量信息，还要能提供包括设备自身及过程的某些诊断信息、管理信息等。现场总线设备管理系统的目的就是充分发挥智能设备各种功能与信息的作用，让它们为提高过程控制和管理水平服务。
通常情况下，现场仪表通过现场总线将其控制信息、运行状态信息等传送到监控计算机，由安装在计算机内的AMS软件完成设备管理功能。设备管理系统所能完成的功能包括：设备组态管理、故障诊断、调试标定所连设备以及自动维护系统的设备数据库。
设备组态管理用于改变设备的单个组态参数；或者将一个现存的组态方案整个地提交给设备。AMS具备一些设备模板，模板中定义了每种特定设备类型的缺省组态参数。用户可以设置修改这些设备的组态信息。
AMS向用户提供了详细的设备状态信息，如主变量越限、冷启动、组态更改等，甚至还可以提供设备内部各个芯片的故障信息以及通信故障信息。根据这些信息，维护人员可以方便快速地排除现场故障。通过查看设备的状态信息可以方便地对设备进行故障诊断。
除了修改设备组态参数，如量程上下限、工程单位等之外，AMS还为用户提供了一些设备调试的功能。用户可以在控制室的设备管理计算机上完成设备自检、回路测试、设备标定等工作。
AMS还可用于在线的报警管理来管理设备报警，包括设置报警设备、报警参数、报警级别等。
AMS的另一特殊功能是记录跟踪。记录跟踪自动地为每台设备生成历史记录，包括设备114
组态记录、调试前／调试后记录、诊断信息以及AMS维护记录等。
AMS所提供的设备标定工具可以对每台设备制定特殊的标定计划，以确定一台设备多久应测试以及允许的精度是多少。此外，AMS中还保存有其他标定信息，诸如：工作序号、测试者、调试前／调试后数据和测试设备的数据。所有这些数据都被快速准确地收集并置入数据库。
AMS还可提供设备自检和回路测试。只要用户提出了请求，设备自检(Self Test)就由AMS 自动完成，并在完成测试后给用户提交一份测试结果。设备自检是对设备内部各组件进行自测试。回路测试(Loop Test)则是指AMS强制性地将设备输出锁定为某一确定值，用户通过测量回路中各点的电流值就能判断回路是否正常工作，以及问题出在什么地方。
AMS还具备生成报告、标定管理(Calibration Manager)、趋势报告、过程诊断、阀门链接诊断(Valve link)、电机诊断等相应功能。标定管理软件可查询需要标定的设备，将标定内容下装到现场被标定设备，以及将现场设备的标定结果上装到AMS等。
AMS最终可以构成一个全厂现场设备的综合管理系统信息库，并在此基础上实现设备的可靠性分析以及预测性维护。
对于设备管理系统，涉及的信息内容包含以下几个方面。
(1)设备管理系统可以访问的组态参数。除了被测量参数的单位、量程上下限、阻尼HART 仪表位号、最小量程间隔、报警级别、探询地址、设备Ⅲ、成组模式设置、写保护、设备型号、制造商设备版本号、通用版本号、设备序列号以及设备制造日期、设备材料等这些当前组态信息外，还可以看到设备的历史组态信息和离线组态信息。
(2)可获取现场设备的状态和诊断信息。AMS实时读取的设备信息，包括过程测量信息和设备状态信息。从而，用户可以实时检测设备状态和过程变量。
六、现场总线控制系统对测量、控制与管理一体化的影响
现场总线控制系统是测量、控制与管理一体化的重要方面，可以说，没有现场总线技术，就没有真正意义上的测量、控制与管理一体化技术。
首先，现场总线为自动化系统的测量功能、控制功能和管理功能以双向的、数字的方式联系起来提供了物理基础。很明显，在DCS操作站上只能看到I／O卡，而FCS操作站一直可以看到变送器和阀门。测量仪表可以为上层设备提供更加丰富的信息内容，不仅仅是实时的可靠的测量数据，还包括各种设备状态信息。监控设备可以通过现场总线直接控制和调整现场仪表，可以修改信号调理的算法、对控制算法的组态。
其次，现场仪表的智能化一方面使控制系统中的测量和控制功能集成在一起，提高了相关性能，又由于控制功能的分散而分散了风险，从而提高了可靠性；另一方面，由于智能化的现场仪表以微机为核心构成，因而具有可重新配置能力、自我诊断能力、强大的通信能力，使上层设备对其实施监控、组态、控制成为可能。
另外，现场总线控制系统的设备管理(AMS)最终将现场仪表和管理功熊有机地结合在一起，AMS使测量、控制与管理一体化不仅仅停留在一般的过程数据交换层面上，而是更深入的对系统的每一个设备状态进行监测和管理，表现为一种真正意义上的整体特性。
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第二节艾默生(EMERSON)基金会现场总线系统
一、概述
基金会现场总线是一种全数字、串行、双向通信系统，它用于工厂网络底层网络或工厂自动化环境。其适合的应用场合有基本和复杂管理控制的场合，以及与上述功能相关的、带很多离散控制的应用。为满足过程自动化环境中不同的需求，引入两个与基金会现场总线相关的应用方式。这两种应用方式采用不同的物理媒介和通信速度。
? H1的通信速率为31.25千字节/秒，通常用于连接现场设备。它通过标准的双绞线实现通信和供电。H1是目前最常采用的方案，因而也是本课程的重点部分。
? HSE（高速以太网）的通信速率为100兆字节/秒，通常用于连接输入/输出子系统，主系统，连接设备，网关和采用标准以太网电缆的现场设备。目前它并不能通过电缆提供供电，尽管该项工作正在研发。
图4－2 现场总线网络
数字总线的优点
传统的模拟和离散现场仪表采用点对点接线方式：每个设备采用一对线缆。同时也受限于传送单个信息—通常是通过线缆传送过程变量或控制输出。
数字总线则不同，基金会现场总线并不受到上述情况的制约。
多点接线。基金会现场总线的一个线缆（称为网段）上最多可带32个设备—如果采用中继器，则更多。在实际使用中，考虑到供电、过程模块化和回路执行速度等因素，一般每个H1网段上连接4到16个设备。这意味着当您有1000个设备，如果采用传统技术您需要1000对线，而采用基金会现场总线时，您只需60到250对线。这将为您节省大笔的接线费用成本（和116
接线装置）。
多变量仪表。一个节点上可以处理来自同一现场设备上的多个变量。例如，一个温度变送器可以与多达八个传感器的输入进行通信。它同时降低了接线和仪表费用。
其他的好处还包括：多个设备的功能可以通过一个设备完成，这样可减少导线管。（提高安全性并降低短时排放的风险）并可降低工程费用。
双向通信。此外，信息传送是双向进行的。阀门控制器可以接收来自主系统或其他控制源的控制输出，并将阀门当前位置发送出去，从而实现更为精确的控制。而采用模拟量时，则必须增加另一对线方可实现该功能。
新型信息。传统模拟量和离散量设备无法通知您它们是否运行正常，或是发送的过程信息是否有效。其结果是：技术员不得不花大量的时间来确认设备的运行状态。
基金会现场总线设备则不同，它们可以告诉您其运行是否正常，发送的信息是好、差或不定状态。这可使您免除大多数的例行检查工作，并有助于您在重大的过程问题发生之前发现故障情况。采用PlantWeb结构体系时，艾默生的现场设备可提供状态信息，这可免除您的例行检查工作，从而有助于降低维护费用。
预诊断：在发生故障之前，检测或预测性能的恶化和失效状态。这也有助于您提高工厂的正常运行时间和性能。
现场控制。基金会现场总线也可以实现现场设备中完成部分或全部的控制算法选项，而不是由中央主系统来完成。根据应用场合的不同，现场控制可降低成本并提高性能—即使是发生与主系统相关的失效时也可保证连续的自动控制。
基金会现场总线包括如下三大组织的标准：
? ANSI/ISA 50.02
? IEC 61158
? CENELEC EN50170:1996/A1
其技术由不受约束的、非盈利性组织现场总线协会管理，其150多个会员公司包括用户和所有全球主要的过程自动化供应商。
一些供应商甚至已经致力于将现场总线相关的专利技术融入到现场总线基金会，从而鼓励所有的基金会成员更多地采用现场这项技术。
此外，一些自动化供应商和用户已经合作开发不同品牌仪表和主系统之间的可扩展的互操作性测试—包括实验室和实际工厂中的测试。
可互操作性并不等同于可互换性。可互换性意味着您可以随意用一个设备取代另一个设备，同时设备的功能相同。另一方面，可互操作性则是不同生产商的不同设备可以协调工作—但各设备的功能可能不尽相同。
例如，您有两个不同生产商的压力变送器。其中一个只具有模拟量输入功能，而另一个变送器还具备PID控制和客户诊断功能。用功能少的变送器取代功能强的变送器时，您并不能保证整体性能不变。但两个变送器可以协调工作在同一个现场总线段上。
一些通信协议最初是为工厂或办公自动化而设计，并且只适用于加工工厂的特定生态应
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用场合。设计之初，没有一种协议考虑到过程控制的全部要求。因而它们都不是实现安全而高效的过程控制的最佳选择。
然而，基金会现场总线H1则是为满足过程工业的要求而专门设计的。
? 它能够适应加工厂中恶劣而危险的环境。
? 它能够通过同一对线进行供电和通信。
? 它可以利用工厂中现有的接线。
? 它支持本质安全。
简而言之，它是为您的生产过程量身打造。
值得您信赖的控制。基金会现场总线还提供确定性过程控制：按时间顺序控制通信，不会受到总线上其他通信量的影响而延迟。如果消息没能成功发送，它将再次尝试。
控制的安全性并不仅于此。当现场总线设备与主系统的连接断开时，它们能够通过总线维持安全而高效的控制。
最为重要的一点：基金会现场总线的性能和可靠性能满足实时性要求高的过程控制的需要。
及时通知用户。基金会现场总线设备可告知设备信息是否良好，并且发送该状态信息与过程变量。要使工厂运行在最安全的模式下，控制策略和操作员都需要知道这种通过主机发送的状态信息，因而在故障模式下他们可以安全而及时地采用相应的措施。
二、现场总线通信
基金会现场总线的一个最重要特点是：它具有采集和传输大量信息的能力—不只是过程变量和控制信号，还包括其他类型的仪表和过程数据。
在实现不同生产商设备间可互操作性和与现有接线兼容的同时，它还实现了一致性和可靠性。本课程将描述实现该功能的关系技术特点。
基金会现场总线通信模式可分为如下三部分：
? 物理层
? 数据链路层
? 用户层
物理层、数据链路层和应用层共同组成通信协议栈。应用层位于该栈的最上方，它允许您与其他层和系统中的其他应用程序进行数据交换。
物理层：
基金会现场总线通信模型中第一个功能层就是物理层，它将线缆上的消息转换成物理信号或是将物理信号转换成消息。
物理层还为所有基金会现场总线设备提供公共的电气接口。现场总线H1总线要求9-32伏直流供电并且每个设备的供电电流约为12-20mA。其通信速度约为31.25 kbaud。
基金会现场总线的物理层由经认证的标准定义（IEC 1158-2和ANSI/ISA 50.02, part 2）。它能够在现有的现场接线作长距离运行，支持两线制设备，并提供本质安全选项。简而言之，它是常规的过程自动化环境的理想选择。
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图4－3 现场总线H1网段
数据链路层和应用层：
通信模型中的第二部分结合多种技术控制现场总线上的数据传输。
数据链路层和应用层支持标准的数据“打包”方式，以及通信时间的管理和功能块的执行。它们在实现过程控制的同时实现了标准化和可互操作性。
用户层：
用户层位于通信栈的上层，它允许您与其他层和其他应用进行数据交换。
用户层包括资源块，传感器块和功能块，它描述、执行设备功能，比如控制和诊断。无需客户编程，设备描述可支持主系统与上述块进之间的识别与数据交换。
三、现场总线块
您可以将现场总线块看作是小型的、密封软件模块。每个块都定义了一套特定功能或信息类型的输入和/或输出。您不必管理它们是如何将输入转换成输出的内部处理过程，那是供应商考虑的事情，他们将这些块作为现场总线设备或主系统一部分提供给您。
基金会现场总线采用三种块：
? 资源块
? 传感器块
? 功能块
各块的功能。资源块和传感器块提供大量与设备、传感器、执行机构及其性能相关的信息。功能块是实现开放、可互操作性且独立于设备控制的引擎。同时，这三种块更便于您提高设备性能和过程控制。
资源块：
资源块与整个设备相关联。它包含诸如生产商、设备类型和序列号之类的信息。每个设备都包含一个资源块。
此外，资源块还常常提供设备健康状态或状况的整个信息。访问该附加信息可能是基金
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会现场总线最为重要的功能之一。因为根据该信息，您可以在生产过程受影响之前，检测到将要发生的设备故障。
在项目执行期间，资源块用于辨识设备、加贴标签和调试。在运行期间，维护人员可利用它获得整个设备的组态信息和状态信息，以及运行一些特定设备的诊断程序。
每个设备都带一个资源块
传感器块：
传感器块与设备的“浸湿部分”打交道。它提供用于读取传感器的本地输入/输出功能，并控制执行结构、显示器等其他输出硬件。它是传感器和执行机构的实体世界和过程控制的“数字世界”的连接部分。
传感器块包含诸如校准数据、传感器类型、结构材料之类的信息，在很多情况下还包括执行机构和传感器的健康和运行状况数据。
项目执行期间，传感器块可用于设备标定，装置设置，以及其他与实现准确而可靠的输入或输出有关的任务。运行时，维护技术员利用上述块进行设备故障排除和标定，执行诊断检查，以及维护设备健康和性能的其他任务。
单个设备中可能包含多个传感器块。例如，一个传感器块用于控制传感器或执行结构，另一个用于就地显示，而第三个用于诊断。
功能块：
功能块提供现场总线环境下的控制系统行为特征。模拟量和离散量输入和输出块，以及诸如表征器、分路器或PID之类的控制算法，通过现场总线连接以执行过程控制。在很多情况下，甚至不需主系统参与，在现场设备中就可以运行控制回路。
图4－4 功能块
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简单设备可能仅有单个的输入/输入功能块。更为复杂的设备则可能带有多个输入/输出块，以及用于监视和控制的功能块。项目执行期间，控制工程师利用功能块实现控制策略。而正在运行的操作中，功能块提供过程控制信息和操作员用于工厂运行所需的功能。
基金会现场总线功能块
现场总线基金会已经定义了基本和先进的功能类型。生产商可决定每个现场总线设备所支持的块类型：标准功能块，其他类型块或非标准功能块。
固有的可互操作性。如果设备符合基金会现场总线功能块的技术规格，则该功能块就是可互操作的。也就是说，输入和输出允许该块与其他符合现场总线技术的块协调工作，而与设备或主系统的生产商无关。
基金会现场总线技术规格中并没有说明有多少个这类的输入转换成输出。各生产商可选择转换的算法。因而尽管标准的功能块可以一起运行，但运行的情况不尽相同。
改进的余地。设备和系统供应商也可以提供基金会没有指定的块或功能。例如，生产商可以提供模糊逻辑块（目前现场总线技术规格中还没有包括），或为一个标准的PID块添加自动调节功能。
上述客户块可以与标准功能块实现互操作。这是由于基金会现场总线技术规格定义了输入、输出、模式，甚至为客户块提供其他参数。
基本的基金会现场总线功能块
基金会已经定义了下述基本功能的技术规格：
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先进的基金会现场总线功能块
：
控制功能在以往只能在位于中央控制系统中，而现场总线功能块允许现场设备中包含控制功能。
上述性能随之带来的好处是：以现场总线为基础的结构体系较传统结构体系的性能成倍提高。这是由于与扩展中央控制系统相比，添加设备通常较为容易而且更为经济。如果已安装的设备能够提供您想添加的功能，您甚至可以不添加设备
要实现上述功能，一种做法是：生产商在每一设备中都嵌入整套的功能块。但我们通常在某一类型的设备包含一些块。比如变送器中包含AI块，或阀门控制器中包含AO块。设备和生产商不同，设备所支持块的数量和类型也不相同。一种变送器中可能包含PID，而另一种变送器中可能不包含。
另一种方案是由用户决定，生产商设定限制，设备该支持何种类型、多少个功能块。该方案称为实例化。
实例化是指在设备中创建一个新的功能块实例（或拷贝）。这是一种方便、经济的添加功能的方法，它无需增加设备数量。
举个例子，压力变送器带一个AI块，用于主要过程变量，压力。假定压力传感器模块也包含一个温度传感器，它用于检测可能导致设备失效的冻结或过热情况。如果该变送器支持实例化，您可以在变送器中创建第二个AI块，用于监视温度测量。
任何类型的功能块都可以实例化。如果您正在处理串级控制，您可以为阀门控制器添加第二个PID块。
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1.集散控制系统是以微型计算机为基础的分散性综合控制系统。集散控制系统 的实质是利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的 一种新型控制技术。它是计算机技术、通信技术、控制技术和CRT显示技术（简称4c技术）相互渗透发展的产物。采用危险分散、控制分散，而操作和管理集中的基本设计思想，以分层、分级和合作自治的结构形式，适应现代工业的生产和管理要求。 2.集散控制系统由集中管理部分、分散啊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；分散控制监测部分按功能可分为控制站、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资源的共享。集散控制系统按照自下而上的功能可分为四层：现场控制级、过程装置控制级、车间操作管理级和调度管理级。 3.集散控制系统组态功能包括硬件组态和软件组态。 4.CRT操作方式的特点：信息量大、显示方式多样化、操作方便容易、透明度 提高。 5.组态操作包括系统组态、控制组态、画面组态和操作组态。 6.过程画面组态主要由静态画面、动态画面及画面合成等内容组成。 7.集散控制系统的显示画面可分为四层：区域显示、单元显示、组显示、细目 显示。 8.集散控制系统的显示画面分为：概貌显示画面、过程显示画面、仪表面板显 示画面、趋势显示画面、报警显示画面、系统显示画面。 9.数据信息：具有一定编码、格式和字长的数字信息。 10.传输速率：指信道在单位时间内传输的信息量。 11.传输方式：①单工方式：信息只能沿单方向传输的通信方式②半双工方 式：信息可沿着两个方向上传输，但在某一时刻只能沿一个方向传输的通信方式③全双工方式：信息可以同时沿着两个方向传输的通信方式。有基带传输、载带传输和宽带传输。 12.异步传输：信息以字符为单位进行传输，每个信息字符都具有自己的起始位 和停止位，一个字符中的各个位是同步的，但字符与字符之间的时间间隔是不确定的；同步传输：信息不是以字符而是以数据块为单位进行传输的。 13.串行传输：把构成数据的各个二进制位依次在信道上传输；并行传输：把构 成数据的各个二进制位同时在信道上传输。 14.载带传输有三种调制方式：调幅方式、调频方式和调相方式。 15.数据交换方式：线路交换方式、报文交换方式、报文分组交换方式（又分 为虚电路和数据报两种交换方式）。 16.OSI模型的层次：物理、数据链路、网络、传送、会话、表示、应用。 17.开放系统互联的参考模型各层共有的功能：封装过程、分段存储、连接建 立、流量控制、差错控制和多路复用。 18.IEE802委员会分别对带有冲突检测的载波侦听多路存取、令牌总线、令牌 环三种媒体存取方式规定了相关协议，即IEE802.3、IEE802.4、IEE802.5。19．现场总线广义上是指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。 20.一般认为现场总线时用于现场仪表与控制室主机系统之间的一种开放的、 全数字化、双向、多站的通信系统。 21.现场总线的特点：封闭的物理过程、更大的覆盖范围、设备的数量、价 格、实时性操作、传输的完整性、有效性、用户选择的服务、集成开放结构、严酷的环境条件。 22.通用现场通信系统和各领域的特殊要求：发电和输变电、化工系统特殊要 求、制造应用、电子机构应用、现场总线需求的综合考虑。 23.现场总线控制系统在制造在领域、物业领域和过程领域得到全面的发展。 24.Profibus产品系列：Profibus-DP、Profibus-PA、Profibus-FMS。 25.Profibus的主要特性：总线存取协议、灵活的配置、本征安全、功能强大 的FMS。 26.集散控制系统的设计分为4个阶段：方案论证、方案设计、工程设计和系 统文件设计。 27.CAN总线：控制器局域网。主要特性如下：通信介质可以是双绞线、同轴电 缆或光纤，直接通信最远可达10km，最高速率可达1Mbit/s；用数据块编码方式的代替传统的站地址编码方式；网络上任意一个节点可以主动向其他节点发送数据；网络上的节点可以定义成不同的优先级；数据帧中的数据字段长度最多为8个字节；CAN中的每一个帧中都有CRC校验及其他检错措施，降低数据的错误率；网络上的节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能。 28.集散控制系统的安全性：功能安全、人身安全、信息安全。 29.现场总线与IT计算机网络技术的的区别：现场总线数据传输的“及时性” 和系统响应的“实时性”，响应时间要求为001~0.5s或者0.5~2s，而在IT中实时性可以忽略；在工厂自动化系统中通信方式使用广播和多组方式；在IT 中某个自主系统与另一个自主系统只建立暂时的一对一方式；现场总线强调在恶劣环境下数据传送的完整性；现场总线需要面向连接的服务和无连接服务两种LLC服务形式；现场总线需要解决多家公司产品和系统在一个网络上相互兼容的问题；IT计算机网络通信与现场总线的现场装置之间的网络通信，要求有所不同，前者通信量大，而后者量不大；现场总线控制系统的数据通信要求严格，采用的网络技术不仅是先进的，更重要的是成熟的、实用的。 30.离散PID控制算法：位置算法、增量算法、速度算法。 31.前馈控制：实质是一种扰动进行调节的开环控制系统。 32.通信就是信息从一处传输到另一处的进程。任何通信系统都是由发送装置、接收装置、信道和信息组成。 33.集中式控制的优点：可实现高质量控制；控制功能集中在中心控制站；避 免通信站之间互相协调的麻烦；缺点：中心控制站结构复杂；中心控制站成为整个网络系统的潜在瓶颈。 34.多功能智能化现场装置产品的功能：与自动控制装置之间的双向数字通 信功能；多变量输出；信息差错检测功能；提供诊断信息；控制器功能。35.Lonworks的特点：开放性和互操作性；通信介质；网络结构、应用高级语 言进行开发、开发周期短、易于商品化、支持完全分布式网络系统；提供与上层决策系统的互联接口。 36.可靠度：系统在规定的条件下(指设备所处的温度、湿度、气压、振动等环境条件和使用方法及维护措施等),在规定的时间内(指明确规定的工作期限)，无故障地发挥规定功能(应具备的技术指标)的概率。名词解释： 1、数据采集系统：计算机只承担数据的采集和处理，而不直接参与控制。 2、直接数字控制系统：计算机既采集数据，又对数据进行处理，并按照一定的控制 规律进行运算，其结果经输出通道作用到控制对象，使被控变量符合要求。 3、现场总线控制系统：利用现场总线将分布在工业现场的各种智能设备和I/O单元 方便的连接在一起构成的系统。 4、实时控制：计算机在规定的时间内完成数据的采集、、计算和输出。 5、传输速率：单位时间内通信系统所传输的信息量，一般以每秒种能够传输的比特 数来表示，其单位是bps。 6、计算机控制系统：利用计算机来实现工艺过程自动控制的系统。 7、集散控制系统：是一种操作显示集中、控制功能分散、采用分级分层结构形式、 局部网络通信的计算机综合控制系统。 8、现场总线：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。 9、组态：利用软件工具将计算机的软硬件及各种资源进行配置，使其按预定的功能 实现特定的目的。 10、串行传输：把数据逐位依次在信道上进行传输的方式。 11、通信协议：通信双方共同遵守的规则，包括语法、语义、时序。 12、监督计算机控制系统：简称SCC系统，是一种两级微型计算机控制系统，其中 DDC级计算机完成生产过程的直接数字控制；SCC级计算机则根据生产过程的工况和已定的数学模型，进行优化分析计算，产生最优化设定值，送给DDC级计算机执行。 13、分级控制系统：由多台计算机完成不同的控制功能和对多个设备的控制，其特点 是控制分散、危险分散。 14、模拟通信：通信系统中所传输的是模拟信号，通常采用0-10m A DC或4-20m A DC电流信号传输信息。 15、数字通信：通信系统中所传输的是数字信号。 16、并行传输：把数据多位同时在信道上进行传输的方式。 17、开放系统互连参考模型：信息处理领域内最重要的标准之一，是一种框架模型， 它将开发系统的通信功能分为七层，描述了各层的意义及各层的命名和功能。18、解释名词：SCC，DDC，DCS，FCS，CIPS，CIMS 答：①SCC：计算机监督控制②DDC：直接数字控制③DCS：集散控制系统④FCS：现场总线控制系统⑤CIPS：计算机集成过程系统⑥CIMS：计算机集成制造系统 问答题： 1、简述DCS的操作员站、工程师站、监控计算机站的主要功能？ 答：①操作站的主要功能：为过程显示和控制、系统生成与诊断、现场数据的采集和恢复显示等。 ②工程师站的主要功能：控制系统组态的修改、控制参数的调试 ③监控计算机的主要功能：在车间管理级与过程优化级之间起到信息传递的作 用，同时可对信息进行优化计算，为系统决策提供参考。 2、组态设计的一般步骤如下： 答：①组态软件的安装按照要求正确安装组态软件，并将外围设备的驱动程序、通信协议等安装就绪。 ②工程项目系统分析首先要了解控制系统的构成和工艺流程，弄清被控对象的 特征，明确技术要求，然后再进行工程的整体规划，包括系统应实现哪些功 能、需要怎样的用户界面窗口和哪些动态数据显示、数据库中如何定义及定义哪些数据变量等。 ③设计用户操作菜单为便于控制和监视系统的运行，通常应根据实际需要建立 用户自己的菜单以方便操作，例如设立一按钮来控制电动机的起/停。 ④画面设计与编辑画面设计分为画面建立、画面编辑和动画编辑与链接几个步 骤。画面由用户根据实际工艺流程编辑制作，然后需要将画面与已定义的变量关联起来，以便使画面上的内容随生产过程的运行而实时变化。 ⑤编写程序进行调试程序由用户编写好之后需进行调试，调试前一般要借助于 一些模拟手段进行初调，检查工艺流程、动态数据、动画效果等是否正确。 ⑥综合调试对系统进行全面的调试后，经验收方可投入试运行，在运行过程中 及时完善系统的设计。 3、什么是PROFIBUS总线？PROFIBUS总线有什么特点？ 答：①PROFIBUS是一种国际性的开放式现场总线标准，是唯一的全集成H1（过程）和H2（工厂自动化）现场总线解决方案[12]，它不依赖于产品制造商，不同厂商生产的设备无须对其接口进行特别调整就可通信，因此它广泛应用于制造加 工、楼宇和过程自动化等自动控制领域。 ②PROFIBUS现场总线系统的技术特点：⑴容易安装，节省成本。⑵集中组态，建 立系统简单。⑶提高可靠性，工厂生产更安全、有效。⑷减少维护，节省成 本。⑸符合国际标准，工厂投资安全。 4、DCS的层次结构一般分为几层，并说明每层的功能？ 答：集散控制系统分为四个层次，每个层次由多个计算机组成，分别行使不同的功能，自下而上分别是：现场控制级、过程控制级、过程管理级和经营管理级。与这四层结构相对应的四层局部网络分别是现场网络、控制网络、监控网络和管理网络。 ①现场控制级的功能：一是完成过程数据采集与处理。二是直接输出操作命令、 实现分散控制。三是完成与上级设备的数据通信，实现网络数据库共享。四是完成对现场控制级智能设备的监测、诊断和组态等。 ②过程控制级功能：一是采集过程数据，进行数据转换与处理；二是对生产过程 进行监测和控制，输出控制信号，实现反馈控制、逻辑控制、顺序控制和批量控制功能；三是现场设备及 I/O卡件的自诊断；四是与过程操作管理级进行数据通信。 ③过程管理级功能：一是监视和控制生产过程；二是控制方式的无扰动切换，修 改设定值，调整控制信号，操控现场设备，以实现对生产过程的干预；三是打印各种报表，复制屏幕上的画面和曲线等。
电气工程学院 通信与现场总线课程设计
目录 一：设计任务 (4) 理想模型： (4) 实验中用到的任务模型 (5) 二：力控软件平台建立的实验模型 (5) 三、实验设备与仪器 (6) 四、设计思路与过程 (6) 五、调试和功能 (13) 六、联机调试：C/S方式的远程控制 (26) 七、课设总结与心得 (29)
（一）本次课程设计题目： 通过三维力控组态软件实现对搅拌罐的网络控制 （二）主要容及要求 在组态软件Forecontrol V6.1平台上，通过工业以太网，分别以C/S方式(客户端/服务器)及B/S方式（浏览器/服务器）完成对SIEMENS的可编程序控制器通过工业现场总线PROFIBUS方式与2台SIEMENS MM440变频器控制的三相异步电机的实际工程平台，实现对搅拌罐PLC控制系统（含本地控制和远程控制）的网络控制。 独立完成，承担系统设计、系统分析、组态软件的学习与编程、网络系统调试等任务，要求提供最终的解决程序（验收）和相关文件，并以报告论文方式说明实现的思路及工程应用前景。 （三）进度安排： （1）在第一次课堂上了解并知道了Forecontrol V6.1软件的初步使用。 （2）根据相关资料，熟悉并设计并完成客户端组态软件的实际工艺流程界面界面的绘制。 （3）对搅拌罐工程相关控制进行了编程。 （4）熟悉服务器端通信参数的要求，完成C/S的网络控制。 （4）3月30日在实验室完成整个系统的软件调试及最后联机调试。 （5）撰写设计报告。
通过三维力控组态软件实现 对搅拌罐的网络控制 一：设计任务 在组态软件Forecontrol V6.1平台上，通过工业以太网，分别以C/S方式(客户端/服务器)及B/S方式（浏览器/服务器）完成对SIEMENS的可编程序控制器通过工业现场总线PROFIBUS方式与2台SIEMENS MM440变频器控制的三相异步电机的实际工程平台，实现对搅拌罐PLC控制系统（含本地控制和远程控制）的网络控制。 本次课程设计中，我们主要运用了C/S（客户端/服务器）方式，实现对搅拌罐PLC控制系统（含本地控制和远程控制）的网络控制。 理想模型：
FCS控制系统 现场总线控制系统(Field bus Control System)是诸多现场总线互联与控制室内人机界面所组成的系统，它是一个全分散、全数字化、全开放和可互操作的新一代生产过程自动控制系统。 在FCS里，现场总线不仅取代了4～20mA，而且还取代了分散控制系统(Distributed Control System简称DCS)的结构体系。具体地说，FCS系统废弃了DCS的信号调理板、隔离放大器、I／0板、CPU 板、I／F转控器以及它们之间复杂的接线。在FCS里，控制、报警、算、信号选择和累加等各种功能完全由现场仪表自身的微处理器实现。 FCS简单易用，作为火电厂热工自动化人员不需花很大精力去了解各种“层”或“波特率”，但应了解FCS点及其应用前景。 1.实现了全数字化通信 在FCS里有许多I／O板，是用来接收和送出4～20mA等模拟信号的，即使采用了智能变送器这样的现场仪表。往往也还需将它们测量到的原始数字信号在送入DCS之前转换成4～20mA摸拟信号。因此，DCS实际是一个“半数字”系统；在FCS中，从变送器中的传感器到调节阀，信号一直保持着数字特性，因此，FCS是一个“纯数字”系统。
2．实现了不同厂家产品的互操作 由于任何一个仪表生产厂不可能提供一个工厂自动化所需的全部现场仪表，因此，不同厂家产品的互联是不可避免的。人们不希望为使不同厂家产品互联而在硬件和软件上花很大的功夫，希望不同厂家的产品不仅具有互换性，而且还要具有互操作性。用一厂家的产品去替换出故障的另一厂家的产品，一般称为互换性。模拟电动或气动单元组合仪表具有很好的互换性，而DCS互换性很差，这是DCS走向“顶峰”的一个很重要原因。不同厂家的产品汇集于同一控制系统时，各产品(现场仪表)中功能模块的相互连接与信息的相互沟通。一般称为互操作。因此功能模块(也就是用户层)的标准化是FCS实现开放与互操作的关健。 3．实现了真正的分散控制 从DCS的系统结构上看，它并不是一个、真正的分散控制，而是一个“半分散”系统。DCS的过程控制单元一般集中安装在控制室，它把控制功能分散到一些控制模板上，每个控制模板又可控制多个回路，属于神散形不散的控制方式；而FCS才是真正的分散控制，它把控制功能下放到现场。每个控制回路完全由分散安装的现场仪表来实现，属于神散形也散的控制方式。虽然在FCS中，控制功能分散到了现场仪表中，但仍允许在控制室的人-机界面上对现场仪表进行运行操作、调整和信息的集中管理。 4．实现了简单一致的组态操作 FCS控制策略的组态操作是非常简单的，组态工作只需控制工程
现场总线控制系统的现状和发展前景 序言 随着计算机技术、通信技术和控制技术的发展，传统的控制领域正经历着一场前所未有的变革，开始向网络化方向发展。计算机控制系统的发展在经历了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以及集散控制系统（DCS）后，今后将朝着现场总线控制系统的方向发展。 现场总线(Fieldbus)是指开放式、国际标准化、数字化、相互交换操作的双向传送、连接智能仪表和控制系统的通信网络。它作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布控制系统。这是一项以智能传感、控制、计算机、数字通讯等技术为主要内容的综合技术，是信息化带动工业化和工业化推动信息化的适用技术，是能应用于各种计算机控制领域的工业总线，因现场总线潜在着巨大的商机，世界范围内的各大公司都投入相当大的人力、物力、财力来进行开发研究[1]。当今现场总线技术一直是国际上各大公司激烈竞争的领域，由于现场总线技术的不断创新，过程控制系统由第四代的DCS 发展至今的FCS(Fieldbus Control System)系统，已被称为第五代过程控制系统。而FCS和DCS的真正区别在于其现场总线技术。现场总线技术以数字信号取代模拟信号，在3C(Computer计算机、Control控制、Commcenication通信)技术的基础上，大量现场检测与控制信息就地采集、就地处理、就地使用，许多控制功能从控制室移至现场设备。由于国际上各大公司在现场总线技术这一领域的竞争，仍未形成一个统一的标准，目前现场总线网络互联都是遵守OSI参考模型。由于现场总线以计算机、微电子、网络通讯技术为基础，这一技术正在从根本上改变控制系统的理念和方法，将极大地推动整个工业领域的技术进步，对工业自动化系统的影响将是积极和深远的。 现场总线技术是当代工业数字通信的前沿技术，是计算机技术、通信技术和自动化控制技术的集成，也是信息技术、测量技术在信息时代的体现。现场总线技术经过10年的研发、试验和局部应用阶段，现已开始大量地在中小系统中应用，并开始在超大规模的自动化系统工程中应用。现场总线技术是工业数字通信时代的先驱，它的出现正在引起工业控领域的一次前所未有的技术革命。现场总线不仅仅是分散于最底层的控制系统，而且是建立于整个工业体系的通信系统，它的通信协议建立在控制策略之上，标准的编程语言(DDL)和强大的通信功能，使现场总线控制系统成为贯彻操作者意志的最得力的工具，由于其巨大的技术优势，被认为是工业控制发展的必然趋势，将逐步取代传统的控制方法。 进入二十一世纪以来，随着我国国民经济的高速发展，我国现场总线控制系统行业保持了多年高速增长，并随着我国加入WTO, 近年来，现场总线控制系统行业的出口也形势喜人，2008年，全球金融危机爆发，我国现场总线控制系统行业发展也遇到了一些困难，如国内需求下降，出口减少等，现场总线控制系统行业普遍出现了经营不景气和利润下降的局面，2009年，随着我国经济刺激计划出台和全球经济走出低谷，我国现场总线控制系统行业也逐渐从金融危机的打击中恢复，重新进入良性发展轨道。
# 重庆科技学院 课程设计报告 院（系）:_电气与信息工程学院专业班级: 测控普2007-01 学生姓名: 黄亮学号: 99 设计地点（单位）__ I502________ __ ______ 设计题目:__基于WinCC和S7-300的温度测控系统__ * 完成日期：2010年 12 月 10 日 指导教师评语: _______________________________________ __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ ________________________________ __________ _ 成绩（五级记分制）:______ __________ 指导教师（签字）:________ ________ <
目录
1课程设计任务书 设计题目：基于WinCC和S7-300的温度测控系统 教研室主任：指导教师：胡文金、刘显荣 2010 年 11月 26 日
2温度控制对象概述 温度是流程工业中极为常见的热工参数，对它的控制也是过程控制的一个重点。随着生产力的发展和对温度控制精度要求的不断提高，温控系统的控制技术得到了迅速发展，能否成功地将温度控制在所需范围内，关系到整个活动的成败，由于控制对象的多样性和复杂性，导致采用的温控手段的多样性，且控制对象普遍具有时间常数大、纯滞后时间长、时变性较明显等特点，给控制带来一定难度。 在本次设计中采用的是TKPLC-2型温度加热器。 功能特点与技术参数 TKPLC-2型温度加热器是包括三个模块，电压驱动模块、电阻丝加热模块以及电流输出模块，温度加热器功率为50W。电压输入为0-5V，电流采用标准的DDZⅢ型4-20mA输出信号，温度传感器采用Pt100，测温范围0-200℃，Pt100采用电桥连接。电阻丝温度变化大概为0-100℃，因此满足实验的要求。 控制手段 温度控制对象由于存在比较大的滞后，控制快速性以及控制精度较难权衡，因此控制比较复杂。针对各种温度控制对象，已经有了各种不同的温度控制方法，包括最经典的PID控制算法，模糊控制算法，神经网络控制，最优控制等等，这些控制算法各有各自的特点及优势。 由于实验的条件以及自身的知识水平，采用最经典的PID控制算法作为本次课程设计的核心温度控制算法。整个控制流程为：由温度加热器的自带的温度传感器Pt100实时测量温度，再由温度加热器内部调理电路，将温度信号转换为4-20mA的电流信号，电流信号通过电缆传送到S7300型号PLC的模拟量输入端，通过PLC内部自带的FB58温度控制PID模块控制，然后通过PLC的模拟量输出口采用0-10V（实际程序控制只需输出0-5V）方式电压输出控制温度加热器的加热电压，达到控制温度的目的。此外实验中还通过WinCC组态软件来实时监控温度控制过程，包括实时温度，PID三个参数（Kp、Ti、Td），以及输出控制流量，绘制实时曲线，棒图等。PLC通过DP总线与PC连接，WinCC组态软件通过配置PG接口与PLC连接，达到数据传输的目的。 以此，一个PID温度控制以及实施监控的控制的系统叙述完毕。
自动控制系统的组成及功能实现 自动控制系统作为目前工业领域控制的核心，已经为大家所熟悉。自动控制系统是指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，其组建了整个系统的大脑及神经网络。自动控制系统的组成一般包括控制器，被控对象，执行机构和变送器四个环节组成。 一、自动控制系统的分类 自动控制系统按控制原理主要分为开环控制系统和闭环控制系统。 （一）开环控制系统 在开环控制系统中，系统输出只受输入的控制，控制精度和抑制干扰的特性都比较差。开环控制系统中，基于按时序进行逻辑控制的称为顺序控制系统；由顺序控制装置、检测元件、执行机构和被控工业对象所组成。主要应用于机械、化工、物料装卸运输等过程的控制以及机械手和生产自动线。 （二）闭环控制系统 闭环控制系统是建立在反馈原理基础之上的，利用输出量同期望值的偏差对系统进行控制，可获得比较好的控制性能。闭环控制系统又称反馈控制系统。 自动控制系统按给定信号分类，可分为恒值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。（三）恒值控制系统 给定值不变，要求系统输出量以一定的精度接近给定希望值的系统。如生产过程中的温度、压力、流量、液位高度、电动机转速等自动控制系统属于恒值系统。 （四）随动控制系统 给定值按未知时间函数变化，要求输出跟随给定值的变化。如跟随卫星的雷达天线系统。（五）程序控制系统 给定值按一定时间函数变化。如程控机床。 在我们的工业领域中，因控制的工艺流程复杂、生产数多、对产品质量控制严格，所以一般控制系统均为闭环控制系统。 二、控制系统各部分的功能 （一）控制器 目前控制系统的控制器主要包括PLC、DCS、FCS等主控制系统。在底层应用最多的就是PLC控制系统，一般大中型控制系统中要求分散控制、集中管理的场合就会采用DCS 控制系统，FCS系统主要应用在大型系统中,它也是21世纪最具发展潜力的现场总线控制系
《计算机控制技术与系统》课程 思考题与习题 第一章绪论 1.1简述计算机控制技术发展史。 1.2简述计算机控制系统的类型、结构和特点。 1.3计算机控制与常规控制主要不同点在哪里？ 1.4典型计算机控制系统有哪几部分组成，画出方框图。 1.5什么叫做动态系统？ 1.6对计算机控制系统的基本要求是什么？ 1.7简述调节系统与跟踪系统（随动系统）的特点。 1.8典型计算机集成制造系统（CIMS）有哪四个功能系统和两个支持系统？第二章过程通道 2.1采样定理对于采样周期的选取有什么意义？ 2.2写出采样过程的数学描述形式。 2.3影响采样周期选择的因素主要有哪些？ 2.4多路采样装置的主要作用是什么，常用采样器包括哪些？ 2.5过程通道的采样周期T是否越小越好，为什么？ 2.6D/A转换的工作方式主要有哪几种，简述其原理。 2.7A/D转换的工作方式主要有哪几种，简述其原理。 2.8简述模入通道结构与各组成部分功能。 2.9简述过程通道的类型和基本功能。 2.10简述开关量通道的基本构成形式和主要作用。 2.11简述开关量通道的抗干扰措施有哪些。 2.12模出通道的类型主要有哪几种，各有什么特点？ 2.13保持器在过程通道中的作用是什么，举例分析。 2.14某热工过程有16点温度信号，变化范围: 150--850 C, 采用微机监测。
求解问题： 1、 若经A/D 转换后的数字量每个脉冲对应的实际温度小于等于0.01οC , 则A/D 分辨率至少为多少才能保证该精度？ 2、写出A/D 转换后的数字量与被测点实际温度间关系式。 3、该处理方式零点迁移量为多少？ 第三章 理论基础 3.1求下图示离散系统脉冲传递函数G(z) 3.2已知采样系统如下图所示，求下图示离散系统脉冲传递函数G(z)和当闭环系统稳定时K 的取值范围。 3.3分析下图所示采样系统，当采样周期T=1，开环增益K=5时的稳定性。 3.4给定传递函数1 10+s K ，试以10倍的转角频率为近似的截止频率m ω，求满足采样定理的采样频率s ω和采样周期T 。 3.5证明离散系统脉冲响应的z 变换即为离散系统传递函数。 3.6设离散系统结构如下图所示，图中D(z)为数字PID 调节器，其差分方程为 )]2()1(2)([)()]1()([)(-+--++--=k e k e k e K k e K k e k e K k u d i p
现场总线控制系统学习心得 班级：电技131 姓名：杨秋 学号：20XX301030103 六个星期的现场总线控制系统课程已经结束，通过这段时间的学习和老师的耐心讲解，我初步了解到了这门课程的基本内容。 目前，在连续型流程生产工业过程控制中，有三大控制系统，即PLC、DCS和FCS。我们已经在以往的学习中了解到了PLC和DCS这两大系统的基本知识，而FCS就是我们这段时间学习的现场总线控制系统。老师分别从以下几个方面详细地向我们讲解了这门课程。 1现场总线和现场总线控制系统的概念 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，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。 2 现场总线技术现场总线技术将专用的微处理器置入了传统的测量控制仪表，使其各自都具有了多多少少的数字计算和数字通信能力，成为能独立承担某些控制、通信任务的网络节点。它们通过普通双绞线、光纤、同轴电缆等多种途径进行信息传输，这样就能够形成以多个测量控制仪表、计算机等作为节点连接成的网络系统。该网络系统按照规范和公开的通信协议，在位于生产现场的多个微机化自控设备之间，以及现场仪表与用作管理、监控的远程计算机之间，实现数据传输与信息共享，进一步构成了各种适应实际需要的自动控制系统 3 现场总线的分类 老师重点讲述了现场总线的几种类别，典型的现场总线技术包括了基金会现场总线FF，LonWork现场总线，Profibu 现场总线，CAN现场总线以及HART现场总线。其中FF总线尤为重要，按照基金会总线组织的定义，FF总线是一种全数字、串行、双向传输的通信系统，是一种能连接现场各种现场仪表的信号传输系统，其最根本的特点是专门针对工业过程自动化而开发的，在满足要求苛刻的使用环境、本质安全、总线供电等方面都有完善的措施。为此，有人称FF总线为
FCS美国陆军21世纪目标部队的主战装备 【编者按】未来战斗系统(Future Combat Systems──FCS)是美国陆军21世纪目标部队的主战装备。这种新型系统并不是把几件普通的兵器简单地组合在一起，而是通过采用先进的计算机技术、电子技术、通信技术、制导技术、防护技术、网络技术以及卫星技术┅┅，把空中侦察、作战平台和地面各武器平台以及卫星有机地结合在一起，形成一个多维的网络作战体系。未来战斗系统的出现将对世界未来坦克装甲车辆的发展起到牵引和推动的作用，因此，自它被媒体披露以来，本刊就给予了极大的关注，并一直跟踪报道。本文是根据美国陆军FCS项目规划主任马里恩?H?范福森中校，在国防预先研究计划署(DARPA)组织的"21世纪系统与技术研讨会"上发表的文章编写而成的。未来战斗系统项目是美国陆军和国防预先研究计划署最重要的项目。如何组织实施才能保证2012年未来战斗系统开始装备部队？有关部门应当如何协作？采用哪些技术才能满足陆军的需要？工业部门如何协助制定未来战斗系统方案？这些都是范福森中校文章中关注的焦点。 未来战斗系统是美国陆军和国防预先研究计划署共同实施的一项最重要的装备研究计划。近期，将开展三方面的
工作： ●通过建模、仿真和虚拟演习等手段，定义和验证未来战斗系统的设计和作战理念，并就是否进入全力研制阶段作出评判； ●开发分布式轻型部队所需的关键技术； ●制造并试验未来战斗系统多用途演示车，为2005年底开始工程与制造研制作好准备。 为了能在2012年开始投入使用作战能力最强、效费比最好的未来战斗系统，FCS项目引入了竞争机制，有4个小组参与竞争，即"波音"小组、"斗士"小组、"全谱"小组和"视点"小组。这4个竞争小组和美国陆军将全面地探索各种技术、编制和作战方案，以尽可能满足美国陆军提高21世纪作战部队部署能力、杀伤力、生存力和后勤保障能力的需要。专门成立由国防预先研究计划署、陆军、海军陆战队和工业部门的作战专家和技术专家组成的核心小组，指导未来战斗系统的设计和研究。最为重要的是，美国陆军对未来战斗系统的作战要求只有两条：一是每一种装备的战斗全重不能超过20t；二是必须能够用C-130J"大力神"运输机装运。军方鼓励工业部门在提出满足陆军使用要求的方案时，摆脱束缚，大胆设想，4个竞争小组提出的未来战斗系统方案设想图(见图6、7、8、9)充分体现了这一思想。
现场总线控制系统Newly compiled on November 23, 2020
南阳理工学院自动控制仪表课程报告 学院（系）：机械与汽车工程学院 专业：测控技术与仪器（升）学生： *** 指导教师： * * 完成日期2015年 12 月
自动控制仪表课程报告 现场总线控制系统 Fieldbus control system 总计：自动控制仪表课程报告 20 页 插图： 14 幅
自动控制仪表课程报告 现场总线控制系统 Fieldbus control system 学院（系）：机械与汽车工程学院 专业：测控技术与仪器（升） 学生姓名： *** 学号：1%%%%%%% 指导教师（职称）：（高级工程师） 评阅教师： 完成日期： 2015年12月 南阳理工学院 Nan yang Institute of Technology
现场总线控制系统 测控技术与仪器（升） *** [摘要]技术自推广以来，已经在世界范围内应用于工业控制的各个领域。现场总线的技术推广有了三、四年的时间，已经或正在应用于冶金、汽车制造、烟草机械、环境保护、石油化工、电力能源、纺织机械等各个行业。应用的总线协议主要包括、、Foundation、、Interbus_S 等。在汽车行业，现场总线控制技术应用的非常普遍，近两年国内新的和旧的生产线的改造，大部分都采用了现场总线的控制技术。国外设计的现场总线控制系统已应用很广泛，从单机设备到整个生产线的输送系统，全部采用现场总线的控制方法。而国内的应用仍大多集中中生产线的输送系统、随着技术的不断发展和观念的更新必然会逐步扩展其应用领域。 [关键词] 现场总线；工业控制；应用广泛 Fieldbus control system Measurement & Control Technology and Instruments Major（l） *** Abstract：Field bus technology, since the promotion has been all over the world should be used in industrial control fields. Fieldbus technology popularization has three or four years, has been or are being used in metallurgy, automobile manufacturing, tobacco machinery, environmental protection, petrochemical, electric power, textile machinery and other industries. Application of bus protocol mainly includes the PROFIBUS, DeviceNet, Foundation, Fieldbus, Interbus_S, etc. In the automotive industry, the field bus control technology application is very common, in the past two years the domestic new and the old production line of auto production line transformation, mostly using the field bus control technology. Design of field bus control system has been applied abroad is very broad, from the single device to the transmission system of the whole production line, adopts the control method of the field bus. And domestic applications are mostly concentrated in the production line of
1.1 自动控制系统的组成 自动控制系统是在人工控制的基础上产生和发展起来的。为对自动控制有一个更加清晰的了解，下面对人工操作与自动控制作一个对比与分析。 图1-1所示是一个液体贮槽，在生产中常 用来作为一般的中间容器或成品罐。从前一个 工序出来的物料连续不断地流入槽中，而槽中 的液体又送至下一工序进行加工或包装。当流 入量Q i(或流出量Q0) 波动，严重时会溢出或抽空。解决这个问题的 最简单办法，是以贮槽液位为操作指标，以改 变出口阀门开度为控制手段，如图1-1所示。 当液位上升时，将出口阀门开度开大，液位上 则关小出口阀门，液位下降越多，阀门关得越 小。为了使液位上升和下降都有足够的余地，选择玻璃管液位计指示值中间的某一点为正常工作时的液位高度，通过改变出口阀门开度而使液位保持在这一高度上，这样就不会出贮槽中液位过高而溢出槽外，或使贮槽内液位抽空而发生事故的现象。归纳起来，操作人员所进行的工作有以下三个方面。 ①检测用眼睛观察玻璃管液位计（测量元件）中液位的高低。 ②运算、命令大脑根据眼睛所看到的液位高度，与要求的液位值进行比较，得出偏差的大小和正负，然后根据操作经验，经思考、决策后发出命令。 ③执行根据大脑发出的命令，通过手去改变阀门开度，以改变出口流量Q0，从而使液位保持在所需要高度上。 眼、脑、手三个器官，分别担负了检测、运算/决策和执行三个任务，来完成测量偏差、操纵阀门以纠正偏差的全过程。 若采用一套自动控制装置来取代上述人工操作，就称为液位自动控制。自动 下面结合图1-2的例子介绍几个常 用术语。 ①被控对象需要实现控制的 简称对象，如图1-2中的液体贮槽。 ②被控变量对象内要求保
1.现场总线定义 按照国际电工委员会IEC标准的定义：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。 2.现场总线的本质含义表现在几个方面 1.现场通信网络。现场总线作为一种数字式通信网络一直延伸到生产现场中的现场设备，是过去采用点到点式的模拟量信号传输或开关量信号的单点并行传输变为多点一线的双向串行数字传输。 2.现场设备互联。现场设备是指位于生产现场的传感器、变送器和执行器等。这些现场设备可以通过现场总线直接在现场实现互联，相互交换信息。在DCS中，现场设备之间是不能直接交换信息的。 3.互操作性。互操作性指来自不同厂家的设备可以互相通信，并且可以在多厂家的环境中完成功能的能力。它体现在用户可以自由的选择设备，而这种选择独立于供应商、控制系统和通信协议；制造上具有增加新的、有用功能的能力，不需要专用协议和特殊定制驱动软件和升级软件。 4.分散功能块。现场总线控制系统把功能块分散到现场仪表中执行，因此可以取消传统DCS的过程控制站。例如现场总线变送器还可以运行PID控制功能块，现场总线执行器还可以运行PID控制功能块和输出特性补偿块还可以实现阀门特性自校验和阀门故障自诊断功能。 5.现场总线供电。现场总线完成为现场设备供电的功能。总线供电不仅简化了系统的安装布线，而且可以通过配套的安全栅实现本质安全系统，为现场总线控制系统在易燃易爆环境中的应用奠定了基础。 6.开放式互联网络。现场总线为开放式互联网络，即可于同层网络互连，也可与不同层网络互联。现场总线协议是一个完全开放的协议，它不像DCS那样采用封闭的、专用的通信协议，而是采用公开化、标准化、规范化的通信协议。这就意味着来自不同厂家的现场总线设备，只要符合现场总线协议，就可以通过现场总线网络连接成系统，实现综合自动化。 3.现场总线通信系统组成 由数据发送设备、接收设备、传输介质、传输报文和通信协议等部分组成。 4.几种典型的现场总线（考名词解释） CAN控制局域网络；PROFIBUS过程现场总线；WorldFIP世界工厂仪表协议；HART是可寻址远程传感器数据通路；ControlNet是IEC标准类型2，主要用于PLC与计算机之间的通信网络，也可在逻辑控制或过程控制系统中用于连接串行、并行的I／O设备，人机接口等；DeviceNet是一种基于CAN技术的开放型通信网络，主要用于构建底层控制网络，其节点由嵌入了CAN通信控制器芯片的设备组成；ASI执行器或传感器接口，它是一种用在控制器和传感器/执行器之间双向交换信息的总线网络，属于底层自控设备的工业数据通信网络；FF 现场总线基金会。 5.具有两层结构的FCS：现场设备和人机接口。
汽车C A N总线基础知 识
CAN总线协议 控制器局域网总线（CAN，Controller Area Network）是一种用于实时应用的串行通讯协议总线，它可以使用双绞线来传输信号，是世界上应用最广泛的现场总线之一。CAN协议用于汽车中各种不同元件之间的通信，以此取代昂贵而笨重的配电线束。该协议的健壮性使其用途延伸到其他自动化和工业应用。CAN协议的特性包括完整性的串行数据通讯、提供实时支持、传输速率高达1Mb/s、同时具有11位的寻址以及检错能力。 CAN总线发展 控制器局域网CAN( Controller Area Network)属于现场总线的范畴，是一种有效支持分布式控制系统的串行通信网络。是由德国博世公司在20世纪80年代专门为汽车行业开发的一种串行通信总线。而且能够检测出产生的任何错误。当信号传输距离达到10km时，CAN仍可提供高达50kbit/s的数据传输速率。CAN总线的工作原理 CAN总线使用串行数据传输方式，可以1Mb/s的速率在40m的双绞线上运行，也可以使用光缆连接，而且在这种总线上总线协议支持多主控制器。[1]CAN与I2C总线的许多细节很类似，但也有一些明显的区别。当CAN总线上的一个节点(站)发送数据时，它以报文形式广播给网络中所有节点。对每个节点来说，无论数据是否是发给自己的，都对其进行接收。每组报文开头的11位字符为标识符，定义了报文的优先级，这种报文格式称为面向内容的编址方案。在同一系统中标识符是唯一的，不可能有两个站发送具有相同标识符的报文。当几个站同时竞争总线读取时，这种配置十分重要。
当一个站要向其它站发送数据时，该站的CPU将要发送的数据和自己的标识符传送给本站的CAN芯片，并处于准备状态；当它收到总线分配时，转为发送报文状态。CAN芯片将数据根据协议组织成一定的报文格式发出，这时网上的其它站处于接收状态。每个处于接收状态的站对接收到的报文进行检测，判断这些报文是否是发给自己的，以确定是否接收它。由于CAN总线是一种面向内容的编址方案，因此很容易建立高水准的控制系统并灵活地进行配置。我们可以很容易地在CAN总线中加进一些新站而无需在硬件或软件上进行修改。当所提供的新站是纯数据接收设备时，数据传输协议不要求独立的部分有物理目的地址。它允许分布过程同步化，即总线上控制器需要测量数据时，可由网上获得，而无须每个控制器都有自己独立的传感器。 CAN总线在空闲（没有节点传输报文）时是一直处于隐性状态。当有节点传输报文时显性覆盖隐性，由于CAN总线是一种串行总线，也就是说报文是一位一位的传输的，而且是数字信号（0和1），1代表隐性，0代表显性。在传送报文的过程中是显隐交替的，就像二进制数字0101001等，这样就能把信息发送出去，而总线空闲的时候是一直处于隐性的。 CAN总线特征 (1)报文(Message)总线上的数据以不同报文格式发送，但长度受到限制。当总线空闲时，任何一个网络上的节点都可以发送报文。 (2)信息路由(Information Routing)在CAN中，节点不使用任何关于系统配置的报文，比如站地址，由接收节点根据报文本身特征判断是否接收这帧信息。因此系统扩展时，不用对应用层以及任何节点的软件和硬件作改变，可以直接在CAN中增加节点。