集散控制系统及现场总线 第2版

《集散控制与现场总线》课程教学改革与实践作者：陈怀忠韩承江来源：《职业·中旬》2010年第10期一、引言工业自动化技术根据控制对象特性分为过程自动化和制造自动化两大方向,《集散控制与现场总线》是过程自动化专业的一门核心专业课程。

课程涉及到自动控制原理、过程控制技术、集散控制技术等课程的学习,在过程自动化高技能人才培养中占据较重要的地位。

长期以来,在教学内容上侧重讲解四大变量的原理和各种经典控制算法,以讲解为主,同时开展验证性教学实验。

课程内容陈旧,理论与实践相互脱节,基本上是“教师讲,学生听;教师写,学生抄;教师考,学生背”的比较呆板的教学模式。

难以调动学生学习的积极性和主动性。

为了改变这种教学状况,本教学团队近几年经过不断摸索实践,在课程体系构建、教学方法和手段等方面进行全面改革,将理论与实践紧密联系起来,大大调动了学生积极性。

二、基于工作工程课程体系构建1.课程体系构建首先对教学内容进行调整,构建基于工作工程的课程体系。

以过程控制职业能力的培养和职业素质教育为主线,突出综合职业能力的培养,从明确岗位群——职业岗位分析——典型工作任务——设计学习领域——设计学习领域课程的顺序进行分析。

《集散控制与现场总线》课程体系构建流程如图所示。

《集散控制与现场总线》课程体系构建流程图具体教学内容包括三个模块:基础模块、应用模块和技能模块。

基础模块以必需够用为度,弱化原理讲解。

技能模块和应用模块以企业真实项目为载体,是针对高职高专生产过程自动化技术专业和自动化类专业学生的系统安装调试和操作维护岗位职业能力所需知识、能力、素质要求而设计。

课程体系构建以培养学生从事集散控制系统运行及维护岗位工作的核心职业能力为主线,使学生掌握过程控制系统的基本理论知识,并通过集散控制系统实训项目的操作训练,使学生熟悉集散控制系统的构成、工作原理,并具有一定生产过程自动控制系统的策略组态、系统运行维护能力、故障处理能力和管理能力;每个项目的学习和训练内容是依据过程控制系统维护员、仪表维修工职业岗位典型工作任务所需要的知识、能力、素质要求,依据核心能力、行业通用能力和敢为专项能力的要求而设计的。

1集散控制系统DCS与现场总线控制系统FCS的比较1．集散控制系统dcs与现场总线控制系统fcs的比较1．1概述fcs、dcsFCS是在DCS的基础上开发的。

FCS符合自动控制系统的发展趋势，将取代DCS。

这是业内人士的基本共识。

然而，任何新事物的发生和发展都是在旧事物的扬弃中进行的，FCS与DCS之间的关系也不例外。

FCS代表了趋势和发展方向，DCS代表了传统和成熟，这也是一个具有独特优势的事物。

特别是在现阶段，FCS还没有统一的国际标准，DCS由于其开发成熟、功能齐全、应用广泛，处于不可完全替代的地位。

我认为FCS应该与DCS兼容。

无论是FCS还是DCS，它们最终都是满足整个生产过程的系统控制（PCS）。

首先，从工程成本和效益的角度来看，现场总线的根本优势是良好的互操作性；结构简单，布线成本低；控制功能分散、灵活可靠，现场信息丰富。

然而，这些优势是基于FCS系统的初始安装。

如果NoO企业已经建立了完善的DCS，现在要向FCS过渡，他们必须仔细考虑现有投资对现有投资的回报率。

我们应该充分利用现有的DCS设施、现有的DCS布线和成熟的DCS控制和管理方法来实现FCS。

虽然现场总线对已有的数字现场协议有优势可言，但向其过渡的代价与风险是必须分析清楚的。

再者，从技术的继承及控制手段上，也要求fcs与dcs应相兼容。

fcs实现控制功能下移至现场层，使dcs的多层网络被扁平化，各个现场设备节点的独立功能得以加强，因此，在fcs中有必要增加和完善现场子层设备间的数据通讯功能。

由于历史原因，DCS通常有大型控制柜来协调各种设备，更强调层到层的数据传输。

由此可见，这两种控制策略各有优势。

DCS适用于较慢的数据传输速率；FCS更适合于更快的数据传输速率和更灵活的数据处理。

但是，当数据量超过一定值且过大时，如果同一层的设备过于独立，很容易导致数据网络堵塞。

为了解决这个问题，有必要建立一个合适的监控层来协调设备之间的相互通信。

本答案仅供参考。

第1章绪论1.1 什么是过程计算机控制系统？它由哪几部分组成？通过具体示例说明。

答：它是指由被控对象、测量变送装置、计算机和执行装置构成，以实现生产过程闭环控制的系统，它综合了计算机过程控制和生产工艺过程。

例如温度控制系统。

1.2 计算机控制工业生产过程有哪些种类型？答：计算机控制工业生产过程一般有五种类型：操作指导控制系统；直接数字控制系统；监督控制系统；集散控制系统；现场总线控制系统。

1.3 计算机控制系统的硬件一般有哪几大重要组成部分？各部分是如何互相联系的？其中过程通道有几种基本类型？它们在系统中起什么作用？答：计算机控制系统的硬件一般涉及：主机、外部设备、过程输入输出设备。

两个过程通道，一个是输入通道，另一个为输出过程通道。

输入过程通道涉及：A/D通道----把模拟信号转换成数字信号后再输入；DI通道-----直接输入开关量信号或数字量信号。

输出过程通道涉及：D/A通道----把数字信号转换成模拟信号后再输出；DO通道-----直接输出开关量信号或数字量信号。

1.4 直接数字控制系统的硬件由哪几部分组成？答：直接数字控制系统的硬件重要有计算机（主机）、过程输入输出通道、操作台和计算机辅助设备组成。

如下图所示。

1.5 数字PID 控制算法有几种形式？各有什么特点？答：数字PID 控制算法有位置式、增量式、速度式三种形式。

PID 位置式根据偏差计算阀门的位置，PID 增量式根据偏差计算阀门的变化；PID 速度式根据偏差变化限度计算阀门的变化。

1.6 试推导计算机控制系统PI 控制算法的位置式、增量式和速度式。

答：模拟PI 控制算法为])(1)([)(0⎰+=tI p dt t e T t e k t u 其中，p k ----比例增益I T ----积分时间常数在采样周期相称短暂时，用矩形法近似代替积分项∑⎰=≈ki ti Te dt t e 00)()(，其中T 为采样周期，k 为采样序号。

《现场总线及其应用第2版主编郭琼课后习题答案》安徽机电职业技术学院电气工程系作者：卡尔二毛第一章：1.过程控制系统的发展经历了那几代控制系统？答：共5代。

1.基地式仪表控制系统2.模拟式仪表控制系统3.直接式数字控制系统（DDC）4.集散控制系统（DCS）5.现场总线控制系统（FCS）2.阐述DDC控制系统的结构及工作过程？答：结构由：计算机控制系统和生产过程的输入、输出设备组成。

工作过程：计算机通过过程输入通道对生产现场的变量进行巡回检测，然后根据变量，按照一定的控制规律进行运算，最后将运算结果通过输出通道输出，并作用于执行器，使被控变量符合系统要求性能指标。

3.计算机在DDC控制系统中起什么作用？答：完成对生产过程的自动控制、运行参数监视等。

4.DDC控制系统的输入、输出通道各起什么作用？答：输入通道作用：用于向计算机输入生产过程的模拟信号、开关量信号或数字信号。

输出通道作用：用于将计算机的运算结果输出并作用于控制对象。

5.计算机的软件包括哪两大类？各起什么作用？答：用户软件和系统软件。

用户软件供用户使用处理一些相关工作；系统软件是用户软件的操作平台，具有开发性。

6.什么是集散控制系统？其基本设计思想是什么？答：集散控制系统：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。

7.简述集散控制系统的层次结构及各层次所起的作用？答：层次结构：分散过程控制级、集中操作监控级、综合信息管理级；分散过程控制级作用：完成生产过程的数据采集、闭环调节控制和顺序控制等功能。

集中操作监控级作用：了解系统操作、组态、工艺流程图显示、监控过程对象和控制装置的运行情况，并可通过通信网络向过程级设备发出控制和干预指令。

综合信息管理级作用：监视企业各部门的运行情况，实现生产管理和经营管理等功能。

8.生产过程包括哪些装置？答：PLC、智能调节器、现场控制站和其他测控装置。

第一章现场总线控制系统（FCS）第一节概述现场总线控制系统（Fieldbus Control System，FCS）是继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、集散控制系统（DCS）后的新一代控制系统。

由于它适应了工业控制系统向数字化、分散化、网络化、智能化发展的方向，给自动化系统的最终用户带来更大实惠和更多方便，并促使目前生产的自动化仪表、集散控制系统、可编程控制器（PLC）产品面临体系结构、功能等方面的重大变革，导致工业自动化产品的又一次更新换代，因而现场总线技术被誉为跨世纪的自控新技术。

一、现场总线的发展随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展，信息交换的领域正在迅速覆盖从工厂的现场设备层到控制、管理的各个层次，从工段、车间、工厂、企业乃至世界各地的市场。

信息技术的飞速发展，引起了自动化系统结构的变革，逐步形成以网络集成自动化系统为基础的企业信息系统。

现场总线（Fieldbus）就是顺应这一形势发展起来的新技术。

1、什么是现场总线现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备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。

它在制造业、流程工业、交通、楼宇等方面的自动化系统中具有广泛的应用前景。

现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自都具有了数字计算和数字通信能力，采用双绞线等作为总线，把多个测量控制仪表连接成的网络系统，并按公开、规X的通信协议，在位于现场的多个微机化测量控制设备之间以及现场仪表与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息交换，形成各种适应实际需要的自动控制系统。

简而言之，它把单个分散的测量控制设备变成网络节点，以现场总线为纽带，把它们连接成可以相互沟通信息、共同完成自控任务的网络系统与控制系统。

它给自动化领域带来的变化，正如众多分散的计算机被网络连接在一起，使计算机的功能、作用发生的变化。

习题答案第1章1. 集散控制系统的主要特点是什么？为什么集散控制系统要分散控制、集中管理？集散控制系统的主要特点是分散控制和集中管理。

分散控制可以将危险分散，避免故障对系统其他部分的影响，集中管理可以利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作，可以减少管理人员的数量和工作量。

2. 开放系统的主要特点是什么？集散控制系统为什么是开放系统?开放系统的主要特点是：(1)可移植性(Portability)，(2)可适宜性（Scalability），(3)可得到性(Availability），（4）互操作性（Interconvertibility）因为集散控制系统符合这些特点。

3. 集散控制系统的发展方向是什么？向集成化、综合化、智能化的方向发展。

4. 为什么说现场总线控制系统是集散控制系统对控制的彻底分散?按照传统观点，现场设备不属于集散控制系统的范畴，但随着现场总线技术的飞速发展，网络技术已经延伸到现场，微处理机已经进入变送器和执行器，现场信息已经成为整个系统信息中不可缺少的一部分，实现了对控制的彻底分散。

5. 集散控制系统的体系结构是什么？集散控制系统的体系结构自下而上分别是：现场级、控制级、监控级和管理级。

6. 如何组成集散控制系统硬件结构？集散控制系统的硬件结构采用模块化的结构。

因为硬件模块的选择与系统的价格较为密切，加上硬件的配置与现场的要求联系较紧，因此硬件的基本配置在合同谈判阶段就已确定。

硬件配置包括下列几个方面的内容：工程师站的选择；操作员站的选择；现场控制站的配置。

7. 过程控制站、数据采集站、运行员操作站、工程师站、计算站的主要功能是什么？过程控制站接收由现场设备，如传感器、变送器来的信号，按照一定的控制策略计算出所需的控制量，并送回到现场的执行器中去。

过程控制站可以同时完成连续控制、顺序控制或逻辑控制功能，也可能仅完成其中的一种控制功能。

数据采集站与过程控制站类似，也接收由现场设备送来的信号，并对其进行一些必要的转换和处理之后送到集散型控制系统中的其他部分，主要是监控主设备。

本答案仅供参考。

第1章绪论什么是过程计算机控制系统它由哪几部分组成通过具体示例说明。

答：它是指由被控对象、测量变送装置、计算机和执行装置构成，以实现生产过程闭环控制的系统，它综合了计算机过程控制和生产工艺过程。

例如温度控制系统。

计算机控制工业生产过程有哪些种类型答：计算机控制工业生产过程一般有五种类型：操作指导控制系统；直接数字控制系统；监督控制系统；集散控制系统；现场总线控制系统。

计算机控制系统的硬件一般有哪几大主要组成部分各部分是怎样互相联系的其中过程通道有几种基本类型它们在系统中起什么作用答：计算机控制系统的硬件一般包括：主机、外部设备、过程输入输出设备。

两个过程通道，一个是输入通道，另一个为输出过程通道。

输入过程通道包括：A/D通道----把模拟信号转换成数字信号后再输入；DI通道-----直接输入开关量信号或数字量信号。

输出过程通道包括：D/A通道----把数字信号转换成模拟信号后再输出；DO通道-----直接输出开关量信号或数字量信号。

直接数字控制系统的硬件由哪几部分组成答：直接数字控制系统的硬件主要有计算机（主机）、过程输入输出通道、操作台和计算机辅助设备组成。

如下图所示。

数字PID 控制算法有几种形式各有什么特点答：数字PID 控制算法有位置式、增量式、速度式三种形式。

PID 位置式根据偏差计算阀门的位置，PID 增量式根据偏差计算阀门的变化；PID 速度式根据偏差变化程度计算阀门的变化。

试推导计算机控制系统PI 控制算法的位置式、增量式和速度式。

答：模拟PI 控制算法为])(1)([)(0⎰+=tI p dt t e T t e k t u 其中，p k ----比例增益I T ----积分时间常数在采样周期相当短暂时，用矩形法近似代替积分项∑⎰=≈ki t i Te dt t e 00)()(，其中T 为采样周期，k 为采样序号。

PI 位置式算法为：x k i I p ui e k k e k k u ++=∑=0)()()(PI 增量式算法为：)()()(k e k k e k k u I p +=∆∆PI 速度式算法为：Tk e k T k e k T k u k v I p )()()()(+==∆∆ 其中，x u -----偏差（它是初始阀门位置）)(k u ∆---第k 次输出的偏差校正值)(k e ∆---第k 次采样值的偏差校正值试推导计算机控制系统PD 控制算法的位置式、增量式和速度式。