第九章 计算机控制系统 华东理工大学信息学院自动化系.

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1 第九章 计算机控制系统 华东理工大学信息学院自动化系

2 定义：计算机控制就是利用计算机实现工业生产过程的自动控制。
计算机控制系统=自动化技术+计算机技术

3 本章主要内容： 10.1 概述 10.2 集散控制系统 10.3 可编程控制器 10.4 现场总线控制系统 10.5 综合自动化系统

4 10.1 概述 计算机控制系统的组成 图10-1 计算机控制系统框图

5 图10-2 计算机控制系统典型结构图 组成：被控对象、测量变送、控制器及执行器 连续控制系统 计算机控制系统 相似点： 组成相同 不同点： 模拟控制器 数字控制器 多路开关、采样保持器、A/D、D/A

6 10.1.2 计算机控制系统的发展 图10-3 计算机控制系统的发展 最初：DDC——直接数字控制系统（集中控制系统）
计算机控制系统的发展 图10-3 计算机控制系统的发展 最初：DDC——直接数字控制系统（集中控制系统） 20世纪70年代：DCS——集散控制系统（集中管理、分散控制） 20世纪60年代：PLC——可编程逻辑控制器 20世纪末：FCS——现场总线控制系统 目前及未来：CIMS——计算机集成制造系统 CIPS——计算机集成过程系统

7 10.2 集散控制系统 基本概念 定义：集散控制系统又称为分散型控制系统（Distributed Control System）,简称为DCS系统，是对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的一种全新的分布式计算机控制系统。 工作原理：该系统将若干台微机分散应用于过程控制，全部信息通过通信网络由上位管理机监控，实现最优化控制，通过CRT装置、通信总线、键盘、打印机等进行集中操作、显示和报警。

8 主要特征：集中管理和分散控制。具体有以下几个方面：
集散控制系统的特点 主要特征：集中管理和分散控制。具体有以下几个方面： (1)分级递阶结构 这种结构从系统工程出发，考虑功能分散、危险分散、提高可靠性、强化系统应用灵活性、减少设备的复杂性与投资成本，并且便于维修和技术更新等优化选择而得出的。 图10-4 DCS的结构层次

9 每一级由若干子系统组成，形成金字塔结构。同一级的各决策子系统可同时对下级施加作用，同时又受上级的干预，子系统可通过上级互相交换信息。
过程控制级：根据上层决策直接控制生产。 控制管理级：对生产过程实现集中操作和统一管理。 生产管理级：承担最优化任务 经营管理级：全面的综合型经营管理和决策 图10-4 DCS的结构层次

10 (2) 采用微机智能技术 DCS采用了以微处理器为基础的“智能技术”，成为计算机应用最完善、最丰富的领域。现场控制单元、过程输入输出接口、数据通信等均采用微处理器，可以实现自适应、自诊断和自检测等“智能”控制过程。 (3) 丰富的功能软件包 DCS具有丰富的功能软件包，它能提供控制运算、过程监视、组态、报表打印和信息检索等功能。

11 (4) 采用局部网络通信技术 DCS的数据通信采用工业局域网络技术进行通信，传输实时控制信息，进行全系统信息综合管理，并对分散的现场控制单元、人机接口进行控制和操作管理。大多采用光纤传输媒质，通信的可靠性和安全性大大提高。通信协议已开始向标准化前进，如采用IEEE802.3、IEEE802.4等。 (5) 友善的人机接口 (6) 高可靠性 硬件、软件采用冗余技术

12 集散控制系统的发展 第一个集散控制系统——TDC2000：1975年，美国Honeywell 三个时期： 初创期（1975~1980） 成熟期（1980~1985） 扩展期（1985年以后）

13 初创期：该时期的DCS系统是一个具有许多微处理机的分级控制系统，它采用分散的控制设备来适应分散的生产过程，通过高速数据通道将系统各个单元联系起来。其通信系统是一初、中级的局部网络，全系统由一个通信指挥器指挥和协调。 初创期具有代表性的DCS系统有Spectrum (Foxboro公司)、Network(贝利公司)、Centum(日本横河公司)

14 成熟期：该时期的DCS系统从原来单纯的工业控制向生产管理自动化发展。大规模IC的发展以及计算机技术、自动控制技术、数据通信技术、图像处理技术的飞速发展，使得DCS系统在扩大功能、数据通信以及工业自动化信息管理等方面有所提高，形成第二代DCS系统。 成熟期具有代表性的DCS系统有TDC3000 (Honeywell公司)、PROVOX(Fisher)、MCS(贝利公司)、YEWPACK-MARKII(日本横河公司)等

15 扩展期：该时期的DCS系统增加了第三层——综合信息管理层，把过程控制、监督控制、管理调度有机结合在一起，采用专家系统、MAP标准（一种ISO开放互连OSI结构基础上的加工自动化协议）以及引入计算机集成制造系统CIMS等，扩展期DCS的特点是综合化、开放化和现场级的智能化。

16 综合化 包括纵向和横向两方面。纵向方面加强管理功能，包括从原料进厂到生产设计、计划进度、质量检查、成品包装、出厂以及供销等一系列的管理制度。横向方面则形成过程自动化与顺序控制、电机控制相结合的计算机、仪表、电器综合控制系统。 开放化 是DCS按照国际统一标准组成“开放”的系统网络，便于不同公司生产的DCS产品之间方便地进行通信。 现场级的智能化 是指现场传感器或变送器智能化，现场仪表可以由现场通信器或系统的工作站进行远程访问、组态、调零、调量程及自动标定。传感器输出的数字信号直接在现场仪表的通信网络上传递。

17 扩展期具有代表性的DCS系统有TDC3000UCN,CENTUM-XL,I/A Series(Foxboro)。这一时期DCS的基本组成与第二代相比变化不大，但它的LAN采用MAP协议或与MAP兼容的协议，各个节点工作站软、硬件功能均有所加强，现场级智能仪表也有发展。 MAP [Mobile Application Part] 是NO.7信令系统的应用层协议。MAP的主要功能是在MSC和HLR、VLR、EIR等网络数据库之间交换与电路无关的数据和指令,从而支持移动用户漫游、频道切换和用户鉴权等网络功能。

18 过程控制单元（PCU）：又称为现场控制单元、现场控制站、基本控制器、多功能控制器等。
集散控制系统的硬件和软件 (1) DCS的基本构成 过程控制单元（PCU）：又称为现场控制单元、现场控制站、基本控制器、多功能控制器等。 其组成有：CPU、ROM/RAM、I/O、A/D、D/A等。 它可以控制一个或多个回路，具有较强的运算和控制功能，并可以进行连续控制和顺序控制。 图10-5 DCS的基本结构

19 过程接口单元（PIU）：又称为过程输入输出单元、数据采集单元、现场监视站、I/O扩展单元等。
它的组成与过程控制单元类似，是以微处理器为核心的数据采集设备，负责采集非控制变量数据，并将其数据经过通信系统传递给CRT操作站或上位管理计算机。

20 CRT操作站：是DCS的人-机接口，由CRT、微机、键盘、打印机、存储器、通信控制器等组成。可以显示：生产总貌和系统主要参数、每个回路的详细控制情况、当前的和历史的数据、曲线等。

21 上位管理机：是DCS的主计算机，它通过通信系统与各个工作站联系，综合管理全系统的所有信息，能对整个系统起到优化控制和管理作用。
通信系统：是具有高速通信能力的信息总线，可由双绞线、同轴电缆或光纤构成。 早期的集散系统采用专门的通信标准或通信协议，系统兼容和互连性差。国际电工委员会(IEC)、国际标准化组织(ISO)、美国电子电气工程师协会(IEEE)、工厂自动化协议集团(MAP)为不同层次网络制定了相应的标准。

22 (2) DCS的硬件、软件组态 DCS的硬件组态： 依据：系统规模及控制要求。 包括通信系统、人机接口、过程接口和电源系统的选择等 应综合考虑各方面的因素： ①满足系统的控制要求，性能价格比最佳 ②系统在未来的定位 ③操作人员的易操作性、系统的易维护性等

23 DCS的软件组态：是在系统硬件和软件的基础上，用软件组态方式将系统提供的功能块连结起来达到过程控制的要求。
应用软件组态方式： ①直接经DCS操作站组态 ②通过填写表格组态 ③利用PC机进行组态 应用软件的组态包括：网络组态文件组态、数据点组态、用户画面、自由格式报表和键定义组态、区域数据库和控制程序的编制等。

24 早期的DCS控制系统

25 10.3 可编程控制器 概述 可编程序控制器（Programmable Controller, PC）早期主要用于逻辑控制，习惯上称之为可编程逻辑控制器（ Programmable Logic Controller ）,简称PLC。

26 (1)可编程序控制器的发展 ①初创阶段：从1969年DEC公司推出第一台PLC(PDP-14)到20世纪70年代中期。该阶段产品主要用于逻辑运算、计时、计数。 ②扩展阶段：20世纪70年代中期到20 世纪70年代末期。扩展了数据传送、数据的比较和运算、模拟量的运算等功能。 ③通信阶段：20世纪70年代末期到20 世纪80年代中期。PLC在通信方面得到了发展，形成了分布式的通信网络系统。缺点是产品互通难。 ④开放阶段： 20世纪80年代中期以后。

27 (2)可编程序控制器的特点（优点） ①高可靠性：PLC的主要特点。它在软、硬件方面采取了一些提高系统可靠性的措施。 ②易操作性：操作、维修、编程 ③灵活性：表现在编程、扩展、操作三个方面 ④机电一体化：PLC是专门为工业过程控制而设计的控制设备。成为当今数控技术、工业机器人、过程控制领域的主要控制设备。

28 按结构形式可将PLC分为两大类：一体化结构、模块化结构
一类（一体化结构）：CPU、电源、I/O接口、通信接口等都集成在一个机壳内的一体化结构，如下图所示，小型及超小型的PLC系统用此结构 10-6 一体化PLC结构示意图

29 另一类（模块化结构）：各种模块在结构上是相互独立的，在实际使用的过程中可根据具体的应用要求选择合适的模块，安装在固定的机架或导轨上，构成一个完整的PLC应用系统，如下图所示。大、中型PLC系统一般采用此类结构。增强了数据处理能力和网络通信能力，可构成大规模的自动化控制系统，主要用于复杂程度较高的自动控制，并在相当程度上可以替代DCS以实现更广泛的自动化功能。 10-7 模块化PLC结构示意图

30 (4)可编程序控制器的主要功能 ①开关逻辑和顺序控制：最主要功能 ②模拟控制：过程控制点数较少，开关量控制较多时。采用模拟输入输出卡件来实现模拟量的控制运算。 ③信号联锁：信号联锁是安全生产的保证，高可靠性的PLC在信号联锁系统中发挥了很大作用。 ④通信：PLC可作为下位机与上位机或同级的PLC进行通信，完成数据处理和信息交换，实现对整个生产过程的信息控制和管理。

31 (5)可编程序控制器的发展方向 随着计算机综合技术的发展和工业自动化内涵的不断延伸，PLC的结构和功能也在不断地进行完善和扩充。实现控制功能和管理功能的结合，以不同厂家的产品构成开放型的控制系统是自动化系统主要的发展理念之一。长期以来PLC走的是专有化的道路，这使得其成功发展的同时也带来了许多制约因素。 目前，绝大多数PLC不属于开放系统，寻求开放型的硬件或软件平台成了当今PLC的主要发展目标。

32 PLC基本组成 PLC基本组成包括：CPU、通信接口、外设接口、I/O接口等。模块化PLC的应用更广泛，它在系统配置上更灵活，用户可以根据规模和设计要求进行配置，模块与模块之间通过外部总线连接，如下图所示 10-7 模块化PLC结构示意图

33 一个PLC所允许配置的机架数量以及每个机架所允许安装的模块数量一般是有限制的，主要取决于PLC的地址配置和寻址能力以及机架的结构和负载能力。
在模块化PLC系统中，一组基本的功能模块可以构成一个机架，CPU模块所在的机架通常称为中央机架，其他机架称为扩展机架。 根据安装位置的不同，机架的扩展方式又分为本地连接扩展和远程连接扩展两种。前者要求所有机架都集中安装在一起，机架与机架间的连接距离通常在数米之内；后者一般通过光缆或通信电缆实现机架间的连接，连接距离可达几百米到数千米，通过中继环节还可以进一步延伸。远程扩展机架也称为分布式I/O站点，这是一种介于模拟信号传输技术和现场总线技术的中间产品。 一个PLC所允许配置的机架数量以及每个机架所允许安装的模块数量一般是有限制的，主要取决于PLC的地址配置和寻址能力以及机架的结构和负载能力。

34 小型PLC的CPU单元通常采用价格低、通用性好的8位微处理器或单片机；
(1)CPU模块 CPU模块是模块化PLC的核心部件，主要包括三个部分：中央处理单元CPU、存储器和通信部件。 小型PLC的CPU单元通常采用价格低、通用性好的8位微处理器或单片机； 中型PLC采用16位微处理器或单片机； 大型PLC通常采用位片式微处理器，它将多个位片式微处理器级联，并行处理多个任务，具有灵活性好、速度快、效率高等特点。另外，大中型的PLC很多采用双CPU或多CPU结构，以加快PLC的处理速度。

35 常用的存储器主要有：ROM、EPROM、EEPROM、RAM等几种，用于存放系统程序、用户程序和工作数据。对于不同的PLC，存储器的配置形式是一样的，但存储器的容量随PLC的规模的不同有较大差别。
通信部件的作用是建立CPU模块与其他模块或外部设备的数据交换。

36 (2)I/O模块 PLC 通过I/O接口与现场仪表相连接，PLC最常用的I/O模块主要包括模拟量输入、模拟量输出、开关量输入、开关量输出模块。

37 (3)智能模块 该模块通常是一个较独立的计算机系统，自身具有CPU、数据存储器、应用程序、I/O接口、系统总线接口等，可以独立地完成某些具体工作。但从整个PLC系统来看，它只是系统中的一个单元，需要通过系统总线与CPU模块进行数据交换。智能模块一般不参与PLC的循环扫描过程，而是在CPU模块的协调下，按照自身的应用程序独立地参与系统工作。比如：高速处理模块、通信处理器模块等一般属于智能模块。

38 (4)接口模块 采用模块化结构的系统是通过机架把各种PLC的模块组织起来的，根据应用对象的规模和要求，整套PLC系统有可能包含若干个机架，接口模块就是用来把所有机架组织起来，构成一个完整的PLC系统。

39 (6)编程工具 作用是编制和调试PLC的用户程序、设置PLC系统的运行环境、在线监视或修改运行状态和参数，主要有专用编程器或专用编程软件两类。
主要生产厂家一般都提供在PC机上运行的专用编程软件，借助于相应的通信接口装置，用户可以在PC机上通过专用编程软件来编辑和调试用户程序，专用编程软件一般可适用于一系列的PLC。特点：功能强大、通用性强、升级方便等

40 PLC的基本工作原理 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，即周期扫描方式。 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。每一次扫描所用的时间称为一个工作周期（扫描周期）。PLC的扫描周期与PLC的硬件特性和用户程序的长短有关。

41 (1)上电初始化：CPU首先对I/O、继电器、定时器进行清零或复位处理
(2)一般处理扫描：每个扫描周期前的自检，如WDT的复位、I/O总线和用户存储器的检查 (3)数据I/O操作： (4)扫描用户程序：基于用户程序指令，读入外部数据和状态、运算、输出 (5)外设端口服务：每次执行完用户程序后，开始外设操作请求服务，主要完成与外设端口连接的外部设备（编程器、通信适配器等）的通信。 10-8 PLC扫描过程示意

42 PLC的程序设计语言 　　PLC的程序设计就是利用特定的表达方式（编程语言）把控制任务描述出来。 PLC是一种工业控制装置，它的程序设计多采用面向现场、面向问题、简单而直观的自然语言，它能直接表达被控对象的动作及输入输出关系，通常是与电器控制线路或工艺流程图相似的语言表达形式。常见的程序设计语言有：梯形图、语句表、逻辑功能图、计算机高级语言等。

43 (1)梯形图 梯形图是在继电器控制的电器原理图基础上开发出来的一种直观形象的图形编程语言。它沿用了继电器、触点、串/并联等术语和类似的图形符号，信号流向清楚，是多数PLC的第一用户语言。

44 (a)电器控制梯形图 (b) PLC梯形图 图10-9 PLC梯形图示意

45 PLC梯形图的特点： ①梯形图的符号不是实际的物理元件，而只是对应于存储器中的某一位； ②梯形图不是硬接线系统，但可以借助“概念电流”来理解器逻辑运算功能； ③PLC根据梯形图符号的排列顺序，按照从左到右、自上而下的方式进行扫描，前一逻辑行的解算结果可被后面的程序所引用； ④每个梯形图符号的常开、常闭等属性在用户程序中均可以被无限次的引用。

46 (2)语句表 语句表STL是一种类似于汇编语言的助记符编程语言，每种控制功能通过一条或多条语句来描述。 语句表编程语言的特点是面向机器，编程灵活方便，尤其适用于模拟量的解算。语句表的基本指令格式都是由操作码和操作数两部分组成。

47 语句表 (b) PLC梯形图 LD 00001 OR 00002 LD NOT 00003 AND 00004 AND LD
OUT (b) PLC梯形图

48 PLC的程序结构 线性化编程 将用户指令逐条编写在一个连续的指令块中，适用于比较简单的任务。 结构化编程 适合编制并组织复杂的应用程序，它允许把整个应用程序划分成若干个模块，用一个主程序来对这些模块进行组织和调用。

49 10.4 现场总线控制系统 现场总线控制系统（Fieldbus Control System, FCS）是在计算机网络技术、通信技术、微电子技术飞速发展的基础上，与自动控制技术相结合的产物。它实际是继仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散控制系统后的新一代控制系统。 现场总线是20世纪80年代中期在国际上开始出现，90年代初发展形成的。它是应用于生产现场、微机化测量设备之间以及现场与控制室（或控制设备）之间的一种双向串行、多节点的数字通信系统，也被称为开放式、数字化、多节点通信的底层控制网络。

50 10.4.1 现场总线控制系统的发展 (1)现场总线是综合自动化发展的需要
现场总线控制系统的发展 (1)现场总线是综合自动化发展的需要 随着计算机、信息技术的飞速发展，20 世纪末世界最重大的变化是全球市场的逐渐形成，从而导致竞争空前加剧，产品技术含量高、更新换代快。处于全球市场中的工业生产必须加快新产品的开发，按市场需求调整产品的上市时间T(Time to market)，改善质量Q(Quality)，降低成本C(Cost)，完善售后服务S(Service)。追求完善的T、Q、C、S是一个永无止境的过程，它能不断的促进技术进步与管理改革。因此形成了计算机集成制造系统CIMS(Computer Integrated Manufacturing System) ，它采用系统集成、信息集成的观点来组织生产。把市场、生产技术、制造过程、企业管理、售后服务看作要统一考虑的生产过程，并采用计算机、自动化、通信等技术来实现整个过程的综合自动化，以改善生产加工、管理决策等。

51 计算机为CIMS的实施提供了良好的物质基础。但处于企业生产过程底层的测控自动化系统，要与外界交换信息，要实现整个生产过程的信息集成，要实施综合自动化，就必须设计出一种能在工业现场环境运行的、性能可靠、造价低廉的通信系统，以实现现场自动化智能设备之间的多点数字通信，形成工厂底层网络系统，实现底层现场设备之间以及生产现场与外界的信息交换。现场总线就是在这种背景下产生的。

52 (2)高新技术的发展为现场总线的出现奠定了基础
传输信号的数字化是实现数字通信的基础。1983年，Honeywell推出了智能化仪表——Smar变送器，这些带有微处理器芯片的仪表除了在原有模拟仪表的基础上增加了复杂的计算功能外，还在输出的4~20mA直流信号上迭加了数字信号，使现场与控制室之间的连接由模拟信号过渡到了数字信号。这种属于模拟混合仪表，其系统或设备间只能按模拟信号方式一对一地布线，难以实现智能仪表之间的信息交换，智能仪表能处理多个信息和复杂计算的优越性难以充分发挥，应用需求呼唤着具备通信功能的、传输信号全数字化的仪表与系统的出现。

53 (3)现场总线将朝着开放系统、统一标准的方向发展
以微处理器芯片为基础的各种智能仪表，为现场信号的数字化以及实现复杂的应用功能提供了条件。但不同厂商所提供的设备之间的通信标准不统一，严重束缚了工厂底层网络的发展。从用户到设备制造商都强烈要求形成统一的标准，组成开放互连网络。把不同厂商提供的自动化设备互连为系统。这里的开放意味着对同一标准的共同遵从，意味着这些来自不同厂商而遵从相同标准的设备可互连为一致通信系统。所以现场总线就是工厂自动化领域的开放互连系统。

54 10.4.2 现场总线控制系统的特点与优点 (1) 现场总线控制系统的结构特点
现场总线控制系统的特点与优点 (1) 现场总线控制系统的结构特点 现场总线系统打破了传统控制系统的结构形式。 传统模拟控制系统采用一对一的设备连线，按控制回路分别进行连接。位于现场的测量变送器与位于控制室的控制器之间，控制器与位于现场的执行器、开关、马达之间均为一对一的物理连接。 现场总线系统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、各输入输出模块置于现场设备，加上现场设备具有通信能力，现场的测量变送仪表可以与阀门等执行机构直接传送信号，因而控制系统能够不依赖控制室的计算机或控制仪表，直接在现场完成，实现了彻底的分散控制。

55 传统计算机控制系统结构示意 FCS结构示意 图 DDC与FCS的结构比较

56 (2) 现场总线控制系统的特点 现场总线将具有网络连接功能的现场智能仪表连接起来，构成了现场总线控制系统。其在技术上具有如下特点： 系统的开放性 开放是指总线标准、通信协议的一致性、公开性，强调对标准的共识与遵从。一个开放系统是指它可以与世界上任何地方遵守相同标准的其他设备或系统连接。不同厂家的设备之间可实现信息交换。用户可按自己的需要，把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。因此，借助现场总线可以构筑自动化领域的开放互连系统。

57 互可操作性与互换性 互可操作性是指相互连接仪表间、设备间及系统间的信息传送与沟通，可实现点对点、一点对多点的数字通信。互换性则意味着不同生产厂家的性能类似的仪表、设备可实现相互替换。
现场设备的智能化与功能自治性 它将传感器测量、补偿计算、线性化处理、工程量变换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。

58 系统结构的高度分散性 现场总线已构成一种新的全分散性控制系统的体系结构。从根本上改变了现有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，提高了可靠性。
对现场环境的适应性 作为工厂网络底层的现场总线，是专为现场环境而设计的，可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现供电与通信，并可满足本质安全防爆要求等。

59 (3) 现场总线控制系统的优点 节省硬件数量与投资 节省安装费用 节省维护开销 用户具有高度的系统集成主动权 提高了系统的准确性与可靠性

60 10.4.3 现场总线现场总线国际标准 (1)现场总线标准的形成
现场总线现场总线国际标准 (1)现场总线标准的形成 在现场总线的开发过程中，出现了多种总线（如FF、Lon Works、Hart、CAN等）标准，它们的结构、特性各异，通信协议也不相同，都有自己特定的应用背景。但是现场总线既然是开放的，就应该有一个统一的国际标准，只有大家都遵守相同的标准，现场总线才能真正发挥其优越性，并得到健康的发展。国际电工委员会（IEC）非常重视现场总线标准的制定，早在1984年就成立了IEC/TC65/SC65C/WG6工作组，开始起草现场总线系列标准。由于参与讨论的各大集团公司都从自身的利益角度出发，分歧很大，工作进展缓慢。经过长期争论和反复修改，在2000年初，IEC颁布了由多数国家确认的IEC 61158现场总线标准。

61 IEC 61158并非是单一的现场总线标准，而是包括了从Type 1至Type 8共8种总线标准，这是因为它要兼顾众多厂商的投资利益和考虑现场总线的实际使用情况。因此，在今后一段时间里，会出现多种现场总线共存，甚至同一生产现场有几种总线标准的设备互连通信的局面。但是，发展统一的标准规范，形成真正的开放式互连系统是众望所归，大势所趋。

62 (2) IEC61158的10种现场总线 Type 1 PhL,DDL以 FF H1为原型，AL是IEC TS
Type 2 PhL,DDL是ControlNet, AL是 ControlNet+EtherNet/IP Type 3 PROFIBUS Type 4 P-NET Type 5 PhL,DDL无， AL 是FF HSE Type 6 SwiftNet Type 7 WorldFIP Type 8 INTERBUS Type 9 PhL,DDL无， AL是 Type 1的子集 Type 10 PROFINET

63 Type 1现场总线 Type 1现场总线由IEC TS技术规范全面定义。该现场总线的网络协议是按国际标准化组织(ISO)的开放互连系统(OSI)参考模型建立的，它由物理层、数据链路层、应用层及用户层组成，用户层是考虑到现场仪表的控制功能和具体应用而增加的。Type 1总线主要用于现场控制级，传输速率为31.25Kbps，支持总线供电和本质安全放爆。总线用户层具有标准功能快和装置描述功能，使现场仪表能就地实施控制策略，并实现仪表间的互操作功能。

64 Type 2现场总线 Type 2总线即Control Net现场总线，由A-B/Rockwell公司设计并得到CI(Control Net International)组织的支持。该总线是一种用于对信息传递有时间苛刻要求的高速确定性网络，同时它允许传送无时间苛求的报文数据。通信模式为生产者/客户模式（producer/consumer model），这种模式允许网络上的所有节点同时从单个数据源存取相同的数据，传输速率可达5Mbps。由Type 2现场总线构成的系统包括信息层（Ethernet）、控制层（Control Net）和现场层（Device Net）。

65 Type 3现场总线 Type 3总线即Profibus现场总线，由德国多家公司和科研机构按照ISO/OSI参考模型设计的，得到了PNO(Profibus National Organization)用户组织的支持，并被确定为欧洲标准EN 50170V.2。Profibus系列由三个兼容部分组成：Profibus-DP、Profibus-FMS、 Profibus-PA。Profibus-DP适用于装置一级自动控制系统与分散I/O之间的高速通信，它使用物理层、数据链路层及用户接口。Profibus-FMS用于车间级监控网络，它使用物理层、数据链路层及应用层。Profibus-PA，应用于过程控制领域，可以把测量变送器、阀门、执行机构用串行总线联网，采用 IEC 的物理传输技术和 PROFIBUS-DP的协议，通讯速率31.25Kbit／S。具有本质安全防爆性能，并可通过总线向仪表供电。

66 Type 4现场总线 Type 4即P-NET现场总线，由丹麦Process-Data公司开发并得到了P-NET用户组织的支持。该现场总线主要应用于啤酒、食品、农业和饲养业等，现已成为欧洲标准的一部分（EN 50170V.1）。P-NET为带多网络和多端口功能的多主总线，允许在几个总线区直接寻址，无需递阶网络结构。该总线通信协议包括ISO/OSI互连参考模型的第1、2、3、4和7层，并利用信道结构定义用户层。物理层使用RS-485标准，数据链路层的功能由P-NET接口芯片完成，第3、4层的功能则由宿主处理器中的软件解决。

67 Type 5现场总线 Type 5即为IEC定义的H2总线，它由基金会现场总线（FF）组织负责开发，现已广泛应用于IT产业的高速以太网（High Speed Ethernet, HSE）标准。该总线使用框架式以太网（Shelf Ethernet）技术，传输速率从100Mbps到1Gbps或更高。HSE完全支持Type 1现场总线的各项功能，诸如功能快和设备描述语言等，并允许基于以太网的装置通过一种链接设备与H1相连接。H1设备无需主系统的干预可以进行对等层通信。在一个链接设备上的H1设备同样无需主系统的干预可与另一个链接设备上的H1设备直接进行通信。该总线通过实验室测试和现场测试后，于2000年开始推向市场。

68 Type 6现场总线 Type 6即Swiftnet现场总线，由美国SHIP STAR协会主持制定，得到美国波音公司的支持，主要用于航空和航天等领域。该总线结构简单，实时性高，协议仅包括物理层和数据链路层。物理层传输速率为5Mbps，总线使用TDMA(Slotted time division multiple acess)槽路时间片多路存取方式，该方式是将总线上的时间分割为相等长度间隔，即槽路。只有当总线上的站分配到槽路时，它才能监听和发送。

69 Type 7现场总线 Type 7即World FIP现场总线，由World FIP协会制定，现已成为欧洲标准EN50170的第3部分。该总线广泛应用于发电与输配电、加工自动化、楼宇自动化、过程自动化和铁路运输等领域。World FIP协议由物理层、数据链路层和应用层组成。物理层采用IEC 标准，数据链路层采用总线裁决(bua arbitrator)方式，在任何一个给定瞬间，仅有一个站可以执行总线裁决功能。Type 7现场总线构成的系统能满足用户的各种需要，适合于各种类型的应用结构：集中型、分散型和主站/从站性。为了适应低成本的要求，开发了Device World FIP(DWF)总线，它是现场级的网络，能很好适应工业现场的各种恶劣环境，并具有本质安全防爆性能，可以实现多主站与从站的通信。

70 Type 8现场总线 Type 8即Interbus现场总线，由德国Phoenix Contact公司开发，得到Interbus Club组织的支持，已成为德国DIN19258标准。它是一种串行总线系统，适用于分散输入输出以及不同类型控制系统间的数据传输。该总线广泛应用于机械加工和制造业。协议包括物理层、数据链路层和应用层。Interbus总线可构成主/从式和环形拓扑网络，传输速率为500Kbps。物理层采用RS-485标准，数据链路层采用整体帧协议（total frame protocol）方式传输循环数据和非循环数据，应用层只对主站有效。Interbus总线还对单主机的远程I/O具有良好的诊断能力。

71 Type 9现场总线 Type 9现场总线即FF H1现场总线，该总线由FF现场总线基金会负责制定。FF基金会成员由世界著名的仪表制造商和用户组成，其成员生产的变送器、DCS系统、执行器、流量仪表占世界市场的90％，它们对过程控制现场工业网络的功能需求了解透彻，在过程控制方面积累了丰富的经验，提出的现场总线网络架构比较全面。

72 Type 10现场总线 Type 10现场总线即Profinet总线，该总线标准源自Profibus 现场总线国际标准组织 (PI，Profibus International)开放的自动化总线标准。PNO组织于2001年8月发表了Profinet规范。Profinet将工厂自动化和企业信息管理层IT技术有机地融为一体，同时又完全保留了Profibus现有的开放性。

73 除了上面介绍的纳入IEC 61158 国际标准的10种总线外，还有多种有影响的现场总线应用于控制领域，这些总线是由国家、地区或专业标准化组织制定的。它们都有自己的应用领域。

74 10.4.4 几种有影响的现场总线 基金会现场总线FF（Foundation Fiedbus）
几种有影响的现场总线 基金会现场总线FF（Foundation Fiedbus） 基金会现场总线是国际上几家现场总线经过激烈竞争后形成的的一种现场总线,由现场总线基金会推出。与私有的网络总线协议不同,FF总线不附属于任何一个企业或国家。其总线体系结构是参照ISO的OSI模型中物理层、数据链路层和应用层,并增加了用户层而建立起来的通信模型。FF得到了世界上几乎所有的著名仪表制造商的支持,同时遵守IEC的协议规范,与IEC的现场总线国际标准和草案基本一致,加上它在技术上的优势,所以已成为国际标准之一。FF总线提供了Hl和H2两种物理层标准。Hl是用于过程控制的低速总线,传输速率为31.25Kbps,传输距离为200m、450m、1200m、1900m四种（加中继器可以延长）,可用总线供电,支持本质安全设备和非本质安全总线设备。H2为高速总线,其传输速率为1Mbps（此时传输距离为750m）或2.5Mbps（此时传输距离为500m）。H1和H2每段节点数可达32个,使用中继器后可达240个,Hl和H2可通过网桥互连。

75 过程现场总线Profibus Profibus由Siemens公司提出并极力倡导,已先后成为德国国家标准DIN19245、欧洲标准EN50170和国际标准之一,是一种开放而独立的总线标准,在机械制造、工业过程控制、智能建筑中充当通信网络。Profibus由Profibus-PA、Profibus-DP和Profibus-FMS三个系列组成。Profibus-PA（Process Automation）用于过程自动化的低速数据传输,其基本特性同FF的Hl总线,可以提供总线供电和本质安全,并得到了专用集成电路和软件的支持。Profibus-DP与Profibus-PA兼容,基本特性同FF的H2总线,可实现高速传输,适用于分散的外部设备和自控设备之间的高速数据传输,用于连接Profibus-PA和加工自动化。Profibus-FMS适用于一般自动化的中速数据传输,主要用于传感器、执行器、电气传动、PLC、纺织和楼宇自动化等。后两个系列采用RS-485通信标准,传输速率从9.6Kbps到12Mbps,传输距离从1200m到l00m（与传输速率有关）。介质存取控制的基本方式为主站之间的令牌方式和主站与从站之间的主从方式,以及综合这两种方式的混合方式。Profibus是一种比较成熟的总线,在工程上的应用十分广泛。

76 LonWorks LonWorks是Echelon公司开发的数字通信协议。该协议支持多种低成本的通信媒体，如双绞线、电力线、红外线、无线电射频、光纤和同轴电缆等。LonWorks主要用于工厂自动化、楼宇自动化和住宅自动化。由于它是一种基于嵌入式神经元芯片的总线技术，因此可以很容易地组成对等/主从式、决策设备/传感器总线以及高水准的现场总线系统。当用LonWorks组成一个客户/服务器网络管理体系结构时，它有极大的潜力。由于LonWorks采用高性能、低成本的专用神经元芯片，因此低成本和高性能是该总线系统的最大优势。

77 HART HART(Highway Addressable Remote Transducer)协议是由位于美国Austin的通信基金会制定的总线标准。它可使用工业现场广泛存在的4～20mA模拟信号导线传送数字信号。该协议使用Bell202 FSK(Frequency Shift Keying)标准传递信号，即逻辑1由频率1200Hz的信号代表，逻辑0用频率2200Hz的信号代表。HART协议可用来改造通过4～20mA电流传送信号的测量仪表和控制设备，可用在任何工业控制场合。因为它是叠加在现有系统上的，因此可对改进智能仪表间的通信提供无风险的解决方案。

78 10.5 综合自动化系统 基本概念 计算机集成制造系统CIMS(Computer Integrated Manufacturing Systems) 计算机集成过程系统CIPS(Computer Integrated Process Systems) 综合自动化

79 最初的CIMS术语包含了两个基本概念： ①企业生产的各个环节是连接在一起的一个整体，需要统一考虑。 ②整个生产过程实质上是一个数据采集、传递和加工的过程，最后形成的产品可看作是数据的物质表现。

80 将CIMS的思想用于过程控制中就形成了CIPS。
主要用于机电制造行业，在20世纪80年代，用计算机和网络集成的、包括决策计划、生产调度、产品生产控制以及经营销售、物流输送、销售服务管理在内的自动化系统形成规模。 将CIMS的思想用于过程控制中就形成了CIPS。 综合自动化是中国对这类系统的一种通用叫法，综合意味着管理与控制一体化，也就是说这类系统能综合地考虑问题，追求的是整体的优化。

81 综合自动化系统的特点 ①系统采用递阶系统结构形式 ②系统包括控制和管理两个方面 ③其他任务 物流储运、财务、工资 ④系统的信息集成 借助于合适的网络系统 ⑤系统的功能集成 信息贯通是前提，可靠运行是基础，整体优化是目标，目的利用简单的方法解决实际问题。 ⑥涉及的领域宽广 多种专业

82 THE END