分布式控制及现场总线技术 参考书：《现场总线技术》刘泽祥主编 机械工业出版社 《现场总线技术及其应用》 甘永梅 机械工业出版社 参考书：《现场总线技术》刘泽祥主编 机械工业出版社 《现场总线技术及其应用》 甘永梅 机械工业出版社 《集散控制系统原理及应用》 何衍庆主编 化学工业出版社 《分布式计算机控制系统》侯朝桢 北京理工大学出版社 《集散控制系统的设计与应用》王常力 清华大学出版社

课程的地位、内容和任务 * 是自动化、电气工程及自动化专业本科生的一门专业课,是“计算机控制技术方向”研究生的必修课程。 * 以DCS控制系统为起点，从实际应用的角度出发，详细介绍DCS 的基本概念、基本原理及体系结构；重点讲述DCS的过程控制级、现场控制站、操作员站、工程师站的硬件组成及软件结构；结合控制网络实验室的配置组成，介绍DCS的应用实例。 * 详细介绍FCS的基本概念和基本原理，并将其与DCS相比较； * 在几种常用的现场总线基础上，重点讲述PROFIBUS总线的特点、原理、通信协议、设备配置及接口实现，并介绍其实际操作、应用和算法实现。

教学目的和任务： 1.掌握DCS的基本概念及体系结构、DCS的过程控制级、现场控制站、操作员站、工程师站的功能、硬件组成及软件结构； 2.对DCS系统和FCS系统的特点及其它们之间的差异和联系有清晰的理解和认识；了解目前自控领域常用的、有影响力的几种现场总线技术，它们的组成、通信协议、工作原理及应用规范。 3.使学生重点掌握有关PROFIBUS总线的基本特性、通信协议、现场设备实现及其各种应用性功能。 4.使学生能熟练使用STEP7、WinCC软件，实现系统的组态和编程。 5. 掌握现场总线系统的设计和开发方法。

考核方式 平时（考勤、作业、实验）50% 期末（测验、报告） 50%

第一部分 分布式控制系统

1.分布式控制系统及其发展 概 述 分布式控制系统是以微型计算机为基础的分散型综合控制系统。 概 述 分布式控制系统是以微型计算机为基础的分散型综合控制系统。 简称DCS（Distributed Control System）。 1975年美国霍尼韦尔(HoneyWell)公司第一套产品TDC-2000至今，DCS产品几经更新换代，技术性能达到日趋完善的程度。DCS早已发展成为当今工业控制的主流系统。 DCS以其先进、可靠、灵活和操作简便及其合理的价格被广泛用于化工、石油、电力、冶金和造纸等工业领域。

1.1 计算机控制（系统）的分类 1.2 分布式控制系统的产生 1.3 分布式控制系统的发展 1.4 分布式控制系统的特点 1.5 分布式控制系统的发展趋势

1.1 计算机控制（系统）的分类 控制算法：逻辑控制、数值控制和混合控制 控制方式：开环控制、闭环控制和监督控制 1.1 计算机控制（系统）的分类 控制算法：逻辑控制、数值控制和混合控制 控制方式：开环控制、闭环控制和监督控制 控制对象：连续过程、离散过程和以批次为 基础的过程

控制规律：顺序控制、常规控制（如PID控制）、高级控制（或称先进控制：如最优控制、自适应控制、预测控制等） 控制功能： （1）操作指导控制系统 （2）直接数字控制系统（DDC） （3）计算机监督控制系统（SCC） （4）分布式控制系统（DCS） （5）计算机集成控制系统 （6）现场总线控制系统（FCS）

系统结构： （1）集中控制系统（Centralized Control System，CCS） （2）分散控制系统（Decentralized Control System，DCS） （3）分布控制系统（Distributed Control System，DCS）

集中控制系统 控制 计算机 基本控制过程 1 2 3 4 5

集中控制系统的概念 单机系统 用一台计算机对多个对象或设备进行集中管理和集中控制，有时成为“群控”。

分散控制系统 多机系统 多台计算机分别控制不同的对象或设备，各自构成子系统。 各子系统间有通信或网络互联的关系。 从整个系统来说，在功能上、逻辑关系上、物理上以及地理位置上都是分散的。以计算机网络为组成核心的控制系统都是分散式系统。

分布式控制系统 以满足现代化工业生产和日益复杂的控制对象的要求为前提，从生产综合自动化的角度出发，将微处理器作为核心的集中分散控制系统。 是利用控制技术（Control）、计算机技术（Computer）、通信技术（Communication）和阴极射线管（CRT）显示技术— 4C技术，对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的新型控制系统。又称集散控制系统（Total Distributed Control System，TDCS） 。 主要特点：集中管理、分散控制。 也是多机系统，严格地说是分散控制系统中的一种。它的特点是各个子系统有密切的联系和信息交换，系统对各子系统的总体目标和任务进行协调和分配。 也称做集散控制系统。 这种分类方法不仅反映了系统的结构，而且是按照计算机的发展和分类进行的。计算机分为微型机、小型机、大型机、巨型机等；计算机诞生之处，功能少、造价昂贵、体积庞大，于是在工程上多采用集中控制；随着科学技术的发展，计算机的功能不断完善、成本不断降低、体积也不断减小，一个系统中有可能应用多个计算机对不同对象进行分别控制； 转1.3

分布控制系统典型结构

1.2 分布式控制系统的产生 现代化工业飞速发展，工业生产过程的控制规模不断扩大，复杂程度不断提高，工艺过程不断强化，对过程控制和生产管理系统提出越来越高的要求。 劳动力密集型→设备密集型→信息密集型→知识密集型。 以计算机为基础而构成的控制、管理、决策系统的重要作用。 分布式控制系统是继直接作用式气动仪表、气动单元组合仪表、电动单元组合仪表和组件组装式仪表之后的新一代控制系统。

按照年代讲解分布式控制系统的产生 在概念上注意： （1）理解“分散→集中→分散”的发展过程（螺旋上升式发展进程） （2）其中穿插系统控制功能方面的分类

过程控制系统的发展史 1. 30年代初期：分散控制方式 直接作用式气动控制器； 控制装置安装在被控过程附近，每个回路有单独控制器； 运行人员分布在全厂各处； 适用于规模不太大、工艺过程不太复杂的企业。

典型的连续控制闭环控制系统框图 在将微型计算机控制系统组成之前，先回顾一下〈自动控制原理〉的知识，看一个基本的闭环控制系统方框图。 它由控制对象、测量环节、比较环节、调节器和执行器构成，调节器的作用是使被控参数跟随给定值。

2. 30年代末期：集中控制 中央控制室，信息远距离传输问题； 变送器、执行器和控制器分离：变送器、执行器安装在现场，控制器在中央控制室； 优点：运行人员可获得整个的生产信息，便于协调控制； 注意：控制仪表和运行人员地理上的集中，控制器分别完成各控制任务，故障影响不大——运行管理的集中，仍然分散控制； 采用气动单元组合仪表、电动单元组合仪表和组件组装式仪表。

过程控制系统的发展史

过程控制系统的发展史

过程控制系统的发展史

3. 50年代末60年代初：集中控制方式 50年代末，计算机进入过程控制领域，按照计算机的功能分为以下几个阶段： （1）操作指导控制系统 （2）直接数字控制系统（DDC） （3）计算机监督控制系统（SCC） （4）分布式控制系统（DCS） （5）计算机集成控制系统 （6）现场总线控制系统（FCS）

（1）操作指导控制系统 计算机的输出不直接控制生产对象，只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设定值的改变或必要的操作。 定义：计算机的输出不直接控制生产对象，只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设定值的改变或必要的操作。 工作过程：（结合图讲解） 每隔一定时间，计算机进行一次采样，经A/D转换后送入计算机进行加工处理。然后进行报警、打印或显示。操作员根据此结果进行设定值的改变或进行必要的操作。 特点：简单、安全可靠，适用于实验、调试 缺点：人工操作、速度不能太快、不能同时操作几个回路；相当于模拟仪表控制的手动与半自动工作状态。

操作指导控制系统原理图 返回本节

计算机控制系统基本框图 把控制器用数字调节器来代替，就可以构成微型计算机控制系统 在微型计算机控制系统中，只要运用各种指令，就能编出符合某种控制规律的程序。微处理器执行这样的程序，就能实现对被控参数的控制。

（2）直接数字控制系统（DDC） DDC(Direct Digital Control)控制是用一台微型机对多个被测参数进行巡回检测，检测结果与设定值比较，再按照PID规律或直接数字控制运算进行控制运算，然后输出到执行机构，对生产过程进行控制，使被控参数稳定在给定值上。 定义：DDC(Direct Digital Control)控制是用一台微型机对多个被测参数进行巡回检测，检测结果与设定值比较，在按照PID规律或直接数字控制运算进行控制运算，然后输出到执行机构，对生产过程进行控制，使被控参数稳定在给定值上。 结合图讲解工作过程（与单个模拟调节器比较）：由于计算机的速度快，一台微型机可替代多个模拟调节器。 特点：灵活性大、可靠性高、计算机计算能力强，可以实现各种复杂控制规律（串级控制、前馈控制、自动选择控制、大滞后控制等），一台微型机可代替多个模拟调节器。

DDC数字控制系统原理图

60年代初，计算机用于生产过程直接数字控制，造价高，一台计算机控制全厂的生产过程，整个系统控制任务的集中。 特点：控制集中、管理集中 缺点：受硬件水平限制，计算机可靠性低，一旦发生故障，全厂生产瘫痪。 返回本节

（3）计算机监督控制系统（SCC） SCC由二级计算机组成 第一级计算机与生产过程连接，并承担测量和控制任务，即完成DDC控制。 第二级计算机是按照生产过程工况，操作条件的变更信息和数学模型进行必要的转换，给第一级计算机提供最佳给定值和最优控制量等各种控制信息。 第一级计算机和第二级计算机间的数据通信，一般采用串行数据链路规程，传送速率都比较低。 返回本节

4. 分布控制方式 分析集中控制的失败，提出了分布控制系统的概念； 把控制功能分散在不同的计算机中完成，采用通信技术实现各部分之间的联系和协调; 特点：控制分散、管理集中

总结： 控制系统的发展历史经历了由控制分散、 管理分散→控制分散、管理集中→控制集中、管理集中→控制分散、管理集中的过程。 今天的分布控制系统已经不是过去的模拟控制系统，而是计算机技术的数字控制系统；今天的集中手段不仅依靠指示仪表、记录仪表和操作开关，而是采用先进的CRT显示设备、打印机和键盘。

1.3 分布式控制系统的发展 （四个历史阶段） 1. 第一阶段（初创期）（1975—1980年） 1975年首先由美国Honeywell公司推出的。 以分散的控制设备来适应分散的过程对象，并将它们通过数据高速公路与基于CRT的操作站相连接，互相协调，一起实施实时工业过程的控制和监视，达到掌握全局的目的。 实现了控制系统的功能分散、负荷分散，从而危险也分散。

五大部分组成: 1·现场控制站(过程控制单元) 2·现场监测站(数据采集装置) 3·CRT操作站 4·数据公路 5·监控计算机 由一个微处理器、存储器、1/0输入输出板、A/D、D/A转换器、内总线、电源和通信接口等组成，它可以控制多个回路，具有较强的运算能力和各种控制算法功能，可自主地完成回路控制任务，实现了分散控制。 2·现场监测站(数据采集装置) 也是微计算机结构，主要采集非控制变量以进行数据处理，并将采集的过程信 息经高速数据公路送到监控计算机。 3·CRT操作站 由微处理器、CRT、键盘、打印机等组成的人机系统，实现集中显示、集中操作 和集中管理。对全系统信息进行信息管理，与现场控制分离。 4·数据公路 它是实现分散控制和集中管理的关键，是CRT操作站、现场控制站、现场监测站 和监控计算机的纽带。由通信电缆和通信软件所组成，一般采用本厂家的通信协议(即专用协议)。 5·监控计算机 集散型控制系统的主计算机，一般采用小型计算机，具有大规模的复杂的运算 能力，具有多输入多输出控制功能。它综合监视全系统的各个工作站，管理全系统的所有信息，可以建立复杂的数学模型，可以高速地进行模型预测预报，为实现复杂的控制策略提供了基础。此外还可实现全系统的最优控制和全工厂的优化管理。 这一时期的产品，在技术上尚有明显的局限性。

2. 第二阶段（成熟期）（1980—1985年） 系统硬件和软件技术的不断更新，体现在：系统功能得到扩大或增强；操作管理及监督范围的扩大，提高了综合管理信息的能力；显示屏分辨率及色彩的提高；多个处理器技术和冗余技术应用发展。特别是在数据通信方面采用了局域网。 基本结构由六部分组成：局部网络、多功能现场控制站、增强型操作站、主计算机、网间连接器(网关)和系统管理站等。 功能：过程控制、数据采集、顺序控制和批量控制等 。

系统的通信功能增强，通信标准符合ISO的OSI开放系统互连的参考模型，各不同制造厂家的产品可以进行数据通信。 3. 第三阶段（扩展期）（1985年以后） 开放系统是第三代系统的主要特征。 系统的通信功能增强，通信标准符合ISO的OSI开放系统互连的参考模型，各不同制造厂家的产品可以进行数据通信。 向上能与MAP（Manufacture Automation Protocol）和Ethernet接口，或通过网间连接器与其他网络联系。 向下支持现场总线，使过程控制或车间的智能变送器、执行器和本地控制器间实现可靠的实时数字数据通信。 此外，系统的软件和控制功能也有所增强。 美国Foxboro公司在1987年推出的I/AS系统标志着集散控制系统进入了第三代。 ，克服了第二代集散控制系统在应用过程中出现的“自动化孤岛”等困难。 ·控制站使用32位微处理器。使控制功能更强，能方便地使用先进控制算法; 采用专用集成电路和表面安装技术，板上的元件数更少，体积更小，可靠性更高。 ·操作站采用32位高档微计算机，增强图形显示功能，采用多窗口技术和触摸 屏调出画面，使其操作简单，操作响应速度加快。 ·过程控制组态采用CAD方法，使其更直观方便。 ·与主计算机相连，构成信息管理系统。

4. 第四阶段（网络开放期）（1990年以后） 管控一体化，硬件上采用了开放式的工作站，采用了客户机/服务器的结构； 开放性、可操作性、互相联系、共享资源及运行第三方软件等已成为各制造厂家生产集散控制系统的标准； 软件上则采用UNIX系统和X-Windows的图形界面，系统的软件更丰富。

1.4 分布式控制系统的特点 先进的计算机控制技术和分级分散的体系结构 1.适应性和扩展性 2.控制能力 3.人机联系手段 4.可靠性高 1.4 分布式控制系统的特点 先进的计算机控制技术和分级分散的体系结构 1.适应性和扩展性 2.控制能力 3.人机联系手段 4.可靠性高 5.可维修性 6.安装费用

（1）适应性和扩展性 分布式控制系统在结构上采用了常规系统的模块化设计方法。 硬件、软件都可根据需要灵活组合，以适应生产规模的大小。 随生产过程的发展，扩充硬件和软件。 特征：递进性和整体性。

（2）控制能力 控制功能由软件来实现，具有高度的灵活性和完善的控制能力。 实现常规算法、复杂的优化控制算法、逻辑推理和逻辑判断。 保持数字控制的全部优点，解决了集中控制可靠性低的问题。

（3）人机联系手段 人机联系信息流向：“人→过程”联系和“过程→人”联系 更先进的人机联系手段：CRT图形显示和键盘操作 “人→过程” ：通过键盘输入各种操作指令 人机联系手段双向集中：一致性，防止误操作

常规控制系统的人机联系 “人→过程”：操作器、定值器、开关、按钮；运行人员通过这些设备调整和控制生产过程。 “过程→人”：各种显示仪表、记录仪表、报警装置、信号等设备；运行人员通过它们了解生产过程的运行情况。 人机联系设备安装在控制盘或操作台上，迅速准确地找到需要操作和监视的对象比较困难，容易出错。

（4）可靠性高 器件高度集成，可靠性高；模块化结构，每个过程控制站只控制少数几路控制回路，个别回路或单元故障不影响全局。 在电源、通信、过程控制站等处广泛采用冗余技术，为可靠性创造条件。 软件模块化组态方法形成各种控制方案，取消常规系统中模件之间的连线，减少故障。

（5）可维修性 可维修性反映系统发生故障后对其进行维修的难易程度。 常规系统可维修性差：部件种类繁多、稳定性较差、缺少必要自诊断功能。 集中式计算机控制系统可维修性要好些，但系统庞大、关联密切的硬、软件系统需要较高技术水平的维修人员。 分布式控制系统的可维修性有明显优势： ＊ 少数统一设计的标准模件，硬件简单； ＊ 控制任务由多个处理器分别完成，只担负少量控制任务，分散故障风险； ＊ 较完善的在线诊断技术，故障定位准确； ＊ 通过各种人机接口设备，运行员和工程师能迅速发现系统故障的性质和地点。

（6）安装费用 安装费用：电缆、导线的安装敷设费用和控制室、电子设备室的建筑费用。 常规控制系统安装费用比较高： * 由变送器、传感器和执行器到控制系统机柜之间需要很长的电缆； * 各种模件之间通过导线连接组成不同的控制方案； * 各种机柜和控制盘、台占相当大的建筑空间。

分布式控制系统安装费用少： * 控制方案主要靠软件功能块实现； * 过程控制站分散在被控过程附近，大大减少变送器、传感器和执行器到控制系统机柜之间的连接电缆，减少中央控制室的占地面积。 * 工作量：30%-50%；控制室面积：60%

1.5 分布式控制系统的发展趋势 分布式控制系统将向两个方向发展： 1.5 分布式控制系统的发展趋势 分布式控制系统将向两个方向发展： 一个方向是向上发展，即向CIMS计算机集成制造系统、CIPS计算机集成过程系统发展； 另一个方向是向下发展，即向FCS（Fieldbus Control System）现场总线控制系统发展。

（1）CIMS的概念及由来 CIMS即计算机集成制造系统，是基于1973年美国Joseph Harrington博士在其博士论文《Computer Intergrated Manufacturing》中首次提出的CIM（Computer Intergrated Manufacturing——计算机集成制造）的概念而构成的一种现代制造系统。

CIM概念包括两个基本观点： * 企业生产的各个环节，即从市场分析、产品设计、加工制造、经营管理到售后服务的全部生产活动，彼此是紧密联系的，是一个不可分割的整体，应该在企业整体框架下统一考虑各环节的生产活动； * 整个生产过程实质上是一个数据采集、传递和加工处理的过程，最终形成的产品可以看作是“数据”的物质表现。 这一概念具有很强的超前意识，正确地指出了在未来的计算机时代企业运行管理的最佳模式。

CIMS：以计算机系统为基础，综合生产过程中信息流、资金流和物资流的运动，集市场研究、生产决策、经营管理、设计制造与销售服务等功能为一体，使企业走向高度集成化、自动化和智能化的生产技术与组织方式。它将CAD/CAM、PDM、ERP/MIS等企业所涉及到的设计、生产、管理业务融为一体，组成企业先进的生产和管理模式。 在国内，原国家科委组织了一些高校等机构专门对CIMS进行研究和推广，成立了国家863/CIMS主题专家组，还有相应的一个庞大的系统组织配合专家组的工作。在过去的十多年里，该主题取得了较为显著的成绩，并且提出了"现代集成制造系统"的概念。

（2）CIPS的概念 CIPS（Computer Integrated Producing System，计算机集成生产系统）：是企业在当前实施的人工集成信息的生产系统。CIPS属于一种类型的控制论系统，即工业生产控制论系统。 主要硬件系统除原生产系统中的基础自控装置，如DCS，PLC等外，还有计算机网络构架及服务器，网络交换机等。 软件系统除各相关的系统软件及数据库系统外，应用软件开发是CIPS的主体，它包括三大类：

2）信息存贮、综合统计类：市场信息管理，包括原、材、燃料，产品的国内外价格信息，工程数据库，生产过程数据库，质量数据库； 1）管理信息系统类：生产计划管理，营销合同管理，生产调度管理，物资及库存管理，产品质量保证体系，厂务管理、人事财务管理等等； 2）信息存贮、综合统计类：市场信息管理，包括原、材、燃料，产品的国内外价格信息，工程数据库，生产过程数据库，质量数据库； 3）生产过程优化及管理决策类：企业系统物料平衡模型，企业能量平衡模型，企业投入产出动态经济模型，企业生产运行和管理优化系统。

（3）现场总线的概念 现场总线(IEC)定义：安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。 现场总线控制系统（Fieldbus Control System：FCS）是采用现场总线作为通信系统的分布式控制系统。

现场总线控制系统实现了真正的分散控制 现场总线控制系统使控制得到最终的分散。 在FCS中各种现场设备有足够的自主性，它们彼此之间互相通信，完全可以把各种控制功能分散到各种现场设备中，实现真正的分散控制。 DCS系统中原有的操作管理站发挥上位机的功能，执行对整个系统的优化、信息管理和调度工作。

第1章 习 题 1.分布式控制系统是如何产生的? 2.分布式控制系统的四个发展阶段是什么?各有什么特点? 3.分布式控制系统的特点是什么?如何理解？ 4.分布式控制系统的发展方向是什么?如何理解?