现场总线控制系统

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1、现场总线控制系统 华东理工大学自动化系华东理工大学自动化系 王学武王学武 主要内容 自动化装置的五个发展阶段自动化装置的五个发展阶段 现场总线控制系统的产生现场总线控制系统的产生 现场总线控制网络介绍现场总线控制网络介绍 FCS较较DCS的优势的优势 现场总线控制系统定义、组成现场总线控制系统定义、组成 现场总线控制系统运用技术现场总线控制系统运用技术 FCS与与DCS的集成的集成 FCS之间的集成之间的集成 FCS与信息网络的集成与信息网络的集成 SIMATIC PCS 7 DELTAV系统系统 一、自动化装置的五个发展阶段一、自动化装置的五个发展阶段 1、基地式仪表； 2、单元组合仪表；

2、3、计算机集中控制系统； 4、集散控制系统（DCS）； 5、现场总线控制系统（FCS） IPC，PLC，DCS，FCS 第一阶段第一阶段 基地式仪表基地式仪表 （50年代前）年代前） 它与检测、显示等仪表组装在一起，结它与检测、显示等仪表组装在一起，结 构简单、方便，但通用性差构简单、方便，但通用性差。 一般与检测装置、显示装置一起组装 在一个整体之内 同时具有检测、控制与显示的功能 结构简单、价格低廉、使用方便 通用性差，信号不易传递 一般应用于简单控制系统中。 气动控制仪表的特点是结构简单、性能稳定、可 靠性高、价格便宜，且在本质上是安全防爆的，特别 适用于石油、化工等有危险的场所。 电动

3、控制仪表的信号传输、放大、变换处理比气 动仪表容易得多，又便于实现远距离监视和操作，还 易于与计算机等现代化技术工具联用，因而这类仪表 的应用更为广泛。电动控制仪表的防爆问题，由于采 取了安全火花防爆措施，也得到了很好的解决，它同 样能应用于易燃易爆的危险场所。 第二阶段 单元组合仪表 （50年代） 按各组成环节的不同功能和使用要求，将整套仪表分为若干单元，各单元能独立实现某种功能，使用时可以按生产工艺的不同要求挑选需要的单元加以组合. 其特点是应用灵活，通用性强，使用维护方便，特别适用于中、小企业的过程控制系统； 单元组合仪表构成的调节系统 将整套仪表划分成能独立实现一定功能的若干 单元。使

4、用时根据控制系统的需要，对各单元进行 选择和组合，从而构成多种多样的、复杂程度各异 的自动检测和控制系统。 单元组合式仪表中各单元间以统一的标准信号 相互联系。 广泛使用的单元组合式控制仪表有电动单元组 合仪表(DDZ型)和气动单元组合仪表(QD2型)。 使用灵活，通用性强，同时，使用、维护更作 也很方便。它适用于各种企业的自动控制。 第三阶段计算机集中控制方式（DDC） （ 60 70年代中期） 主要特点： 检测和控制仪表检测和控制仪表-采用单元组合仪表(气动、电动) 和组装仪表，计算机控制系统的应用，实现直接数 字控制(DDC)和设定值控制(SPC)； 过程控制系统结构过程控制系统结构-多

5、变量系统，各种复杂控制 系统，如串级、比值、均匀控制、前馈、选择性控 制系统； 控制目的控制目的-提高控制质量或实现特殊要求； 理论理论-除经典控制理论，现代控制理论开始应用。 第四阶段第四阶段 集散控制系统（集散控制系统（DCS） （ 70年代末年代末 ） 控制设备：控制设备：商品化的分布式计算机控制系统 （ DCS）与可编程控制器（Programmable Logic Controllers, PLC）的出现与工业应用； 控制方法：控制方法：以模型预测控制为代表的适合于工业 过程的先进控制（Adavanced Process Control, APC）方法形成，商品化APC 软件产品出现；

6、 控制对象：控制对象：受约束的 MIMO（多输入多输出）系 统，控制目标考虑操作条件的最优化。 集散控制系统的发展概况： 初创期(1975一l980年) 成熟期(1980一1985年) 扩展期(1985年以后) DCS由四部份组成：操作站、控制器、由四部份组成：操作站、控制器、 I/O板、通讯网络。板、通讯网络。 第五阶段第五阶段 现场总线控制系统（现场总线控制系统（FCS） （ 90年代年代 ） 控制设备：控制设备：商品化现场总线控制系统（Fieldbus Computer Systems, FCS）逐步替代DCS系统； 网络技术的高度发展。 控制对象：控制对象：操作单元生产全过程供应链 （

7、Supply Chain），广义的“控制”概念。 控制方法：控制方法：结合最优化技术、计算机网络与数 据信息处理技术的计算机集成生产系统（CIPS） 的形成与应用。 厂级生产计划与调度：厂级生产计划与调度： 通过合理安排各装置的生产任务（处理量、 生产方案等），实现全厂生产效益的最大化； 装置操作的最优化：装置操作的最优化： 在完成厂级生产任务、保证装置安全的前提 下，以装置效益的最优化为目标，制定各单元重 要参数的操作指标（即设定值）； 基本单元的平稳控制：基本单元的平稳控制： 跟踪重要参数的操作指标，实现基本单元的 平稳操作、安全操作与质量控制。 从生产过程的角度看，过程控制实现的目标：

8、安全性：确保生产过程中人身与设备的安全，主要措 施包括：对重要参数设置定值控制、采取参数超限报警 与事故报警、设置自动联锁保护系统等； 经济性：即实现经济效益的最大化或操作成本的最小 化，常用方法：采用约束控制与操作最优化技术； 稳定性：即要求系统具有抑制外部干扰，保持生产过 程长期稳定运行的能力。常用方法：结合工业对象特性 与控制理论对系统进行稳定性与鲁棒性分析。 二、现场总线控制系统的产生二、现场总线控制系统的产生 计算机控制系统在经历了DDC控制以后，控制以后，DCS 控制控制体现了控制系统的网络化发展趋势，现场总线 的产生使这种趋势变得更加明显和具体，真正体现 了控制结构网络化、集成化

9、； 控制功能分布化、智能化的开放式系统控制功能分布化、智能化的开放式系统-现场现场 总线控制系统总线控制系统FCS（Fieldbus Control System）。）。 本世纪六十年代，数字计算机进入控制领域， 产生了第一代控制系统CCS（计算机集中控制系 统）。 在CCS中，数字计算机取代了传统的模拟控制 器，从而能够使用复杂控制算法和协调控制，从 而使自动控制发生了质的飞跃。 但是CCS在集中控制的同时也集中了危险，系 统可靠性很低。由于只有一个CPU工作，实时性差。 系统越大，上述缺点越突出。 第二代计算机控制系统是七十年代出现的分 级计算机控制系统。 七十年代中期出现的分散型控制系统

10、DCS （也称集散控制系统）也属于分级计算机控制系 统。典型的DCS可分为操作站级、过程控制级和 现场仪表三级。 这种控制系统的特点是“集中管理，分散控 制”。 其基本控制功能在过程控制级中，工作 站级的主要作用是监督管理。 分散控制使得系统由于某个局部的不可靠而造 成对整个系统的损害降到很低的程度，加之各种软 硬件技术不断走向成熟，极大地提高了整个系统的 可靠性，因而迅速成为工业自动控制系统的主流。 目前DCS仍有相当多的应用，我国电力、冶金、 石化等企业中，大量使用了外国公司（如贝利、横 河、罗斯蒙特等）的DCS。近年来我国开发的DCS 系统（如和利时公司的HS2000）也取得了很好的业

11、绩。 然而DCS的缺点也是十分明显的。其原因， 一是它是一种数字-模拟混合系统，DCS的现场仪 表（变送器和执行器）仍然使用传统的模拟仪表。 这带来一系列问题：信号传输可靠性差（与数字通 讯相比），成本高（每个信号需一条专用信号线， 且需要安全栅或隔离电路），必备的数-模、模-数转 换环节增加了成本； 二是互换性差。各厂家的DCS自成标准，不能互 换，这增加了用户在使用和维修上的困难； 三是价格昂贵，使很多中小企业望而却步。 由于微处理器技术和通讯技术的发展， 从80年代中期，即出现了很多带有微处理器 的智能化现场仪表，从此萌发了现场总线的 思想。 三、现场总线控制网络介绍三、现场总线控制网络

12、介绍 现场总线控制网络是信息技术发展在测控现场总线控制网络是信息技术发展在测控 领域的延伸。领域的延伸。 信息时代的技术发展对测控系统提出了数 字化、网络化、信息化的要求，如数字地球、 数字北京、企业的管理控制一体化等要求测 量控制设备向网络提供多方面的数字信息。 现场总线使测控设备具备了数字计算和数字 通信能力，提高了信号的测量、传输和控制精 度，提高了系统与设备的功能、性能。 现场总线可采用多种介质多种介质（多种有线和无 线方式）传送数字信号。在两根导线上可挂接 多至几十个自控设备，能节省大量线缆、槽架、 连接件。减少系统设计、安装、维护的工作量。 现场总线形成真正分散在现场的完整控制 系

13、统，提高了控制系统运行的可靠性。丰富了 控制设备的信息内容，提供了如阀门动作次数、 故障诊断等信息。 为控制信息进入公用数据网络创造了条件， 沟通了现场控制设备之间及其与更高控制管理 层网络之间的联系，便于实现管控一体化。 控制网络与数据网络的结合，便于实现信 号的远程传送与异地远程自动控制。 全分布、网络集成式控制系统。 现场总线系统是企业的底层网络现场总线系统是企业的底层网络 企业网络的功能层次企业网络的功能层次 四、四、FCS较较DCS的优势的优势 FCS(现场总线控制系统)将取代传统 DCS(分布式控制系统)成为控制系统主角。 下面就几个主要方面进行对比。 （1）数字化 FCS：高可靠

14、性信号处理。 DCS：半数字化，在模拟系统中，噪音及其他 信号扭曲无法被检测。 （2）可互操作性： 性价比最优产品的选择与系统集成 大多数用于DCS和智能型变送器间的通信协 议是DCS制造商独家采用的专用封闭系统。 （3）分散性 FCS：结构分散、控制分散。 DCS：一个或多个“控制单元“对多回路进行控制。 1999 User Training 2 1999 Fieldbus Foundation减少了接线与安装减少了接线与安装传统的传统的4-20 mA仪表接线方式仪表接线方式, 对每一设备，均需配置一个本安栅，一对接线对每一设备，均需配置一个本安栅，一对接线4-20 mAISISISIS多台

15、设备可以共用一个本安栅，一对接线多台设备可以共用一个本安栅，一对接线ISFieldbus（4）可靠性、可维护性和经济性 现场总线控制系统采用数字总线式通信线 路代替传统DCS中一对一的I/O连线，对于大规 模I/O系统来说，减少了由连线带来的不可靠， 同时降低了布线成本，与传统DCS技术相比， 可节省电缆、调试、维护成本40%以上。 （5）现场总线已经发展成为可以取代DCS的新 型的FCS控制系统。 DCS与FCS并存是可能的，但DCS并不适 合与现场总线集成。如果现场总线连接到DCS 上，它的大多数优势便无法发挥出来。因为分 布在现场设备中的功能块组态、状态、诊断、 校验、设备自身信息以及来

16、自现设备的管理信 息等均无法完全映射到DCS中。 五、现场总线控制系统定义、组成五、现场总线控制系统定义、组成 现场总线控制系统（FCS）是将现场 总线技术应用于具体的生产过程，构成 网络化、分散化的自动控制系统。 现场总线控制系统通常由以下三部 分组成： （1）智能仪表、控制器 （2）现场总线 （3）线路监控、组态计算机 这里的仪表、控制器、计算机都需要 通过现场总线网卡、通信协议软件连接到 网上。因此，现场总线网卡、通信协议软 件是现场总线控制系统的基础和神经中枢。 开放式现场总线控制系统应具有组 态技术，包括数据库组态及控制算法组态， 生成的参数及算法不仅可以在控制器中运 行，还可以在远程I/O或智能设备上运行， 按照现场总线标准定义的功能块可以在智 能仪表及执行机构中进行运算，以实现真 正的分布式控制。 六、