DCS与现场总线技术第一章概论
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现场总线复习课北化
现场总线
第四章HART通信协议
一、HART协议最为突出的特点是什么？ 最突出的特点是：数字通讯与模拟信号4～20mA兼容，传输的信号 用调制后的正弦信号叠加在4～20mA的模拟信号上。 二、简要概述HART 协议的两种通信模式，HART协议的点对点模式 和多点模式各自的地址范围是多少。 点对点模式时从设备的地址为0；多点模式时从设备地址范围为115 三、HART协议总线可挂接的仪表数量最多为多少？ 在非本安情况下，从设备最多可有15台。在本安情况下，由于线路 电流能量限制，从设备最多只能有4台。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
4、用户具有系统集成主动权
用户 可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统。不会为系
统集成 中不兼容的协议、接口而一筹莫展； 系统集成过程中的主动权牢牢掌握在用户手中。
第一章现场总线技术概述
现场总线
四、现场总线有哪些优点？
5、提高了系统的准确性与可靠性
现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，从 根本 上提高了 测量与控制的精确度，减少了传送误差； 系统的结构简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能 加强， 减少了 信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性； 设备标准化，功能模块化，使系统具有设计简单，易于 重构 等优点。
一、简述控制网络的主要特点？ 二、总线访问控制技术可分为哪两大类？各自的代表性技术 是哪些？ 三、CSMA/CD的发送数据工作过程？ 四、令牌环发送和接收数据的过程是什么？ 五、令牌总线中令牌丢失和令牌重复的处理方法？ 六、OSI标准模型一共有哪几层？对比OSI模型，简述FF总线、 HART总线和EPA总线的通信模型？ 七、解释现场总线协议的一致性测试目的和可互操作性的测试 目的。
现场总线
第四章HART通信协议
第1讲现场总线技术概述
1.3.1 基金会现场总线
前身为以Fisher-Rousemount公司为首，联合 Foxboro、横河、ABB、西门子等公司的ISP协议， 以及以Honeywell为首的P协议，合并后 成立现场总线基金会； 以ISO/OSI开放系统互连模型为基础，取其物理层、 数据链路层、应用层，并增加用户层； 分低速H1(31.25Kbps,距离1900m)和高速 H2(1Mbps,750m和2.5Mbps,500m)两种通信速率； 介质支持双绞线、光缆和无线发射，传输信号采用 曼彻斯特编码
现场总线有两种编码方式：Manchester和NRZ， 前者同步性好，但频带利用率低，后者刚好相反。 前者采用基带传输，后者采用频带传输。传输介 质主要有：有线电缆、光纤和无线介质。
10
现场总线概述
1.1.8 现场总线网络的实现 数据链路层
分为两个子层：介质访问控制层(MAC)和逻辑链路控制层(LLC)。 MAC对传输介质传送的信号进行发送和接收控制；LLC对数据链进 行控制，保证数据传送到指定的设备上。现场总线上的设备可以是 主站，也可以是从站。 MAC层的三种协议：集中式轮询协议、令牌总线协议和总线仲裁协 议。
介质、拓扑结构、节点数等
网络性能
传输速率、时间同步准确度、访问控制方式等
测控系统应用考虑 市场及其他因素
21
现场总线概述
1.3 现场总线简介 1.3.1 基金会现场总线(FF) 1.3.2 PROFIBUS 1.3.3 LonWorks 1.3.4 CAN
1.3.5 HART
22
现场总线概述
FCS: 一对多：一对传输线接多台仪表，双向传输多个信号
DCS: 一对一：一对传输线接一台仪表，单向传输一个信号
现场总线技术概述
特征
信息量大、易操作、容错性好等。
组成：由操作站、管理机和外部设备（如打印机）等组 成，相当于车间操作管理级和全厂优化及调度管理级， 实现人机接口。
1.2.1 DCS的结构
3.通信系统部分
连接分散过程控制装置以及集中操作和管理系统等 进行信息交换和数据共享的计算机通信网络，是DCS 控制系统的中枢。
由于嵌入式技术的发展，许多测量变送仪表和执行机构等现场设 备实现了智能化，即内置微处理器，完成诸如线性化、量程转换、 数字滤波甚至回路调节等功能。
因此，对于这些智能现场设备增加一个串行数据接口（如RS232/485）是非常方便的。有了这样的接口， 控制器就可以按其 规定协议，通过串行通信方式（而不是并行I/O方式）完成对现场 设备的监控。
的模拟量接口（4~20mA） 双向通信方式使传输的信息量大大丰富
1.1 自动控制系统的发展及体系结构
(4)现场总线控制系统Fieldbus Control System
操作站
通信接口
现场总线
监控网络
通信接口 现场总线接口
控制回路
1.1 自动控制系统的发展及体系结构
(4)现场总线控制系统Fieldbus Control System
FCS的新特征 FCS用现场总线替代DCS中的I/O总线，并且直接用
于生产现场； FCS用现场总线数字仪表替代DCS中的现场模拟仪表，
实现更复杂的功能。
1.1 自动控制系统的发展及体系结构
传统控制系统的主要缺点
（1）信息集成能力不强 控制器与现场设备之间通过I/O连线连接，传送4~20mA模拟量信 号或24VDC开关量信号，并以此监控现场设备。 控制器获取信息量有限，如设备参数、故障记录等有用数据很难 得到。
信息量大、易操作、容错性好等。
组成：由操作站、管理机和外部设备（如打印机）等组 成，相当于车间操作管理级和全厂优化及调度管理级， 实现人机接口。
1.2.1 DCS的结构
3.通信系统部分
连接分散过程控制装置以及集中操作和管理系统等 进行信息交换和数据共享的计算机通信网络，是DCS 控制系统的中枢。
由于嵌入式技术的发展，许多测量变送仪表和执行机构等现场设 备实现了智能化，即内置微处理器，完成诸如线性化、量程转换、 数字滤波甚至回路调节等功能。
因此，对于这些智能现场设备增加一个串行数据接口（如RS232/485）是非常方便的。有了这样的接口， 控制器就可以按其 规定协议，通过串行通信方式（而不是并行I/O方式）完成对现场 设备的监控。
的模拟量接口（4~20mA） 双向通信方式使传输的信息量大大丰富
1.1 自动控制系统的发展及体系结构
(4)现场总线控制系统Fieldbus Control System
操作站
通信接口
现场总线
监控网络
通信接口 现场总线接口
控制回路
1.1 自动控制系统的发展及体系结构
(4)现场总线控制系统Fieldbus Control System
FCS的新特征 FCS用现场总线替代DCS中的I/O总线，并且直接用
于生产现场； FCS用现场总线数字仪表替代DCS中的现场模拟仪表，
实现更复杂的功能。
1.1 自动控制系统的发展及体系结构
传统控制系统的主要缺点
（1）信息集成能力不强 控制器与现场设备之间通过I/O连线连接，传送4~20mA模拟量信 号或24VDC开关量信号，并以此监控现场设备。 控制器获取信息量有限，如设备参数、故障记录等有用数据很难 得到。
现场总线技术概述
二、几种典型的现场总线介绍
WorldFIP 传输媒体可以是屏蔽双绞线或光纤。 传输速率为： 31.25K bps用于过程控制；1M bps 用于加工制造系统；2.5M bps用于驱动系统。 标准速率为1M bps，使用光纤时最高速率可达5M bps。 目前WorldFIP的总线产品有法国Schneider公司的 Modicon-TBXplc系统；ALSTHOM公司的S－900 SCADA系统等。
二、几种典型的现场总线介绍
PROFIBUS现场总线 PROFIBUS有三个部分组成：
PROFIBUS-FMS（Field Message Specification）：主要 是用来解决车间级通用性通讯任务。可用于大范围和复杂的 通讯。总线周期一般小于100ms。 PROFIBUS-DP（Decentralized Periphery）：经过优化的 高速和便宜的通信总线，它的设计是专门为自动控制系统与 分散的I/O设备级之间进行通信使用的。总线周期一般小于 10ms。 PROFIBUS-PA（Process Automation）：专门为过程自 动化设计的，它可使传感器和执行器按在一根共用的总线 上，甚至在本质安全领域也可接上。根据IEC1158－2标 准，PROFIBUS-PA用双绞线进行总线供电和数据通信。
第一章 现场总线技术概述
主要内容
第一节 现场总线的产生 第二节 现场总线的概念及分类 第三节 现场总线的特点和优点 第四节 现场总线标准的制定 第五节 现场总线的现状
第一节 现场总线的产生
在过程控制领域： 从20世纪50年代至今的信号标准：4-2OmA （0-5V）的 模拟信号。 20世纪70年代，数字式计算机引入到测控系统中，进行 集中式控制处理。 20世纪80年代，微处理器在控制领域得到应用，嵌入到 各种仪器设备，形成分布式(DCS)控制系统。
现场总线控制系统（FCS）
现场总线控制系统（FCS）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、规范的通信协议，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。
现场总线课后答案
现场总线课后答案第一章现场总线技术概述1.自动控制系统的发展经历了哪几个阶段？大致经历了四个发展阶段，具体如下：20世纪50年代以前是模拟仪表控制系统；直接数字控制系统；70年代中期出现集散控制系统；90年代后期现场总线控制系统。
2.DCS控制系统的结构包括哪几部分？包括三部分：分散过程控制装置部分，操作管理装置部分，通信系统部分3.现场总线的基本定义？现场总线(Fieldbus)：是用于过程自动化或制造自动化中的，实现智能化现场设备（例如，变送器、执行器、控制器)与高层设备(例如主机、网关、人机接口设备)之间互联的，全数字、串行、双向的通信系统。
5.现场总线控制系统的技术特点。
1.开放性；2.全数字化；3.双向通信；4.互可操作性与互用性；5.现场设备的智能化与功能自治性6.系统结构的高度分散性7.对现场环境的适应性6. FCS相对于DCS具有哪些优越性？1．FCS实现全数字化通信2．FCS实现彻底的全分散式控制3．FCS实现不同厂商产品互联、互操作4．FCS增强系统的可靠性、可维护性5．FCS降低系统工程成本7.分析现场总线的现状，展望其发展前景。
第二章数据通信基础与网络互联1.何谓现场总线的主设备、从设备？可在总线上发起信息传输的设备叫做“总线主设备”，又称命令者。
不能在总线上主动发起通信、只能挂接在总线上、对总线信息进行接收查询的设备称为总线从设备(bus slaver)，也称基本设备。
2.总线操作过程的内容是什么？总线上命令者与响应者之间的连结→数据传送→脱开，这一操作序列称为一次总线“交易”(transaction)，或者叫做一次总线操作。
3.寻址方式有几种？物理寻址逻辑寻址广播寻址4.通信系统由哪几部分组成?各自具有什么功能?通信系统是传递信息所需的一切技术设备的总和。
它一般由信息源和信息接收者，发送、接收设备，传输媒介几部分组成。
信息源和接收者是信息的产生者和使用者发送设备的基本功能是将信息源和传输媒介匹配起来，即将信息源产生的消息信号经过编码，并变换为便于传送的信号形式，送往传输媒介。
现场总线技术及其应用-概述
据有关典型实验工程的测算资料，可节约安装费用 60%以上。
Date: 2020/7/4
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Date: 2020/7/4
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4.现场总线系统的优点
• 节省维护开销 1）现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的
能力，可通过数字通信将相关诊断维护信息发送 到控制室，便于用户查询分析故障原因并快速排 除，缩短了维护停工时间；
Date: 2020/7/4
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基地式仪表特点：
（1）综合与集中：基地式仪表把必要的功能部件全 集中在一个仪表之内，只需配上调节阀便可构成一 个调节系统；
（2）基地式仪表系统结构简单，不需要变送器，使 用维护方便、防爆。由于安装在现场，因而测量和 输出的管线很短。基地式仪表减少了气动仪表传送 带滞后的缺点，有助于调节性能的改善；
Date: 2020/7/4
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第1章 概述
1.现场总线的产生、本质与发展 2.现场总线的结构及其特点 3.几种有影响的现场总线 4.现场总线面临的挑战
Date: 2020/7/4
Page: 2
学习目标
1.掌握现场总线的概念 2.了解目前市场上最常见的现场总线及 其主要特点 3.了解现场总线技术对未来自动控制系 统的影响
执行器是控制系统必不可少的环节。 手
执行器工作/使用条件恶劣，它也是控制系统最薄弱的环节。
原因：执行器与介质直接接触；
(强)腐蚀性、(高)粘度、(易)结晶、高温、深冷、高压。
Date: 2020/7/4
Page: 26
① 分类－－按使用的能源形式：
气动执行器
电动执行器
液动执行器
气动阀
电动阀
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4.现场总线系统的优点
• 节省维护开销 1）现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的
能力，可通过数字通信将相关诊断维护信息发送 到控制室，便于用户查询分析故障原因并快速排 除，缩短了维护停工时间；
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基地式仪表特点：
（1）综合与集中：基地式仪表把必要的功能部件全 集中在一个仪表之内，只需配上调节阀便可构成一 个调节系统；
（2）基地式仪表系统结构简单，不需要变送器，使 用维护方便、防爆。由于安装在现场，因而测量和 输出的管线很短。基地式仪表减少了气动仪表传送 带滞后的缺点，有助于调节性能的改善；
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第1章 概述
1.现场总线的产生、本质与发展 2.现场总线的结构及其特点 3.几种有影响的现场总线 4.现场总线面临的挑战
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学习目标
1.掌握现场总线的概念 2.了解目前市场上最常见的现场总线及 其主要特点 3.了解现场总线技术对未来自动控制系 统的影响
执行器是控制系统必不可少的环节。 手
执行器工作/使用条件恶劣，它也是控制系统最薄弱的环节。
原因：执行器与介质直接接触；
(强)腐蚀性、(高)粘度、(易)结晶、高温、深冷、高压。
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① 分类－－按使用的能源形式：
气动执行器
电动执行器
液动执行器
气动阀
电动阀
《现场总线技术》课程主要内容
答：SAP：服务访问点，IDU：接口数据单元，PDU：协议数据单元，SDU： 服务数据单元，ICI：接口控制信息。 （6）面向连接的服务与无连接服务。
答：面向连接的服务：按照电话系统建模的； 无连接服务：按照邮政系统建模的，存储-转发交换，直通式交换。
（7）OSI 参考模型分为哪 7 层？TCP／IP 参考模型分为哪 4 层？现实实际运行 的网络采用了哪 5 层？
答：IEC61158：工业控制系统用现场总线包括：FF H1，FF HSE，ControlNet， Profibus，P-Net，SwiftNet，WorldFIP，Interbus 八种。
IEC62026：低压开关设备和控制设备用现场总线（设备层现场总线）包括： DeviceNet ，Seriplex（串行多路控制总线），AS-i（执行器传感器接口），SDS （智能分布系统）。
《现场总线技术》课程主要内容
第 1 章 概论
（1）名词解释： CCS（Computer Control System）中央控制计算机系统， DCS（Distributed Control System）集散控制系统/分散控制系统/分布式控制
系统、 FCS（Fieldbus Control System）现场总线控制系统。
（4）如何理解服务、接口和协议？ 答：服务是指某一层向它上一层提供的一组原语（操作）。服务定义了该层
准备代表其用户执行哪些操作，但它并不涉及如何实现这些操作；在每一对相邻 层之间的是接口（interface）。接口定义了下层向上层提供哪些原语操作和服务； 协议就是定义通信双方同层对等实体之间传输/交换的数据单元的格式和意义的 一组规则。 （5）SAP、IDU、PDU、SDU、ICI。
答：OSI 参考模型：物理层，数据链路层，网络层，传输层，会话层，表示 层，应用层；
答：面向连接的服务：按照电话系统建模的； 无连接服务：按照邮政系统建模的，存储-转发交换，直通式交换。
（7）OSI 参考模型分为哪 7 层？TCP／IP 参考模型分为哪 4 层？现实实际运行 的网络采用了哪 5 层？
答：IEC61158：工业控制系统用现场总线包括：FF H1，FF HSE，ControlNet， Profibus，P-Net，SwiftNet，WorldFIP，Interbus 八种。
IEC62026：低压开关设备和控制设备用现场总线（设备层现场总线）包括： DeviceNet ，Seriplex（串行多路控制总线），AS-i（执行器传感器接口），SDS （智能分布系统）。
《现场总线技术》课程主要内容
第 1 章 概论
（1）名词解释： CCS（Computer Control System）中央控制计算机系统， DCS（Distributed Control System）集散控制系统/分散控制系统/分布式控制
系统、 FCS（Fieldbus Control System）现场总线控制系统。
（4）如何理解服务、接口和协议？ 答：服务是指某一层向它上一层提供的一组原语（操作）。服务定义了该层
准备代表其用户执行哪些操作，但它并不涉及如何实现这些操作；在每一对相邻 层之间的是接口（interface）。接口定义了下层向上层提供哪些原语操作和服务； 协议就是定义通信双方同层对等实体之间传输/交换的数据单元的格式和意义的 一组规则。 （5）SAP、IDU、PDU、SDU、ICI。
答：OSI 参考模型：物理层，数据链路层，网络层，传输层，会话层，表示 层，应用层；
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❖ 计算机通信网络——指各数据采集节点和控制单元之间 的通信设备及网络，是进行系统数据信息交换的通道。
17
电子信息与控制工程系
计算机控制系统各部分的功能说明
1
硬件
由主机、接口电路及外围设备组成。不同的系统， 所需硬件也不同，一般可根据控制系统的需要进行扩 展。
现已生产出具有各种功能的插件板或功能模块，可 用标准总线连接起来，使用非常方便，PC总线构成的 各种工业控制计算机、可编程逻辑控制器(PLC)等即属 此类。
❖ 它自动地对系统的各种参数进行巡回检测，通过过程输 入通道发送来的工业对象的生产工况参数；
给定值
控制器
执行机构
被控对象
被控参数
变换发送
测量元件
（2）闭环控制系统框图
❖ 图中给出了按偏差进行控制的闭环控制系统框图。 这种控制系统具有较好的控制性能。
12
电子信息与控制工程系
❖ 计算机控制系统
设定值r
e(kT) 计算机
u(kT)
D/A
保持器
u 广义对象
被调参数 y
ym A/D
计算机系统
采样器
10
电子信息与控制工程系
1.1.1 计算机控制系统概述
❖ 计算机控制系统是用计算机(通常称为工业控制 计算机)来实现工业过程自动控制的系统。
开环控制系统
给定值
控制器
执行机构
被控对象
被控参数
开环控制系统框图
❖ 这种控制系统不能自动消除被控参数与给定值之间 的误差。
11
电子信息与控制工程系
❖ 闭环控制系统
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电子信息与控制工程系
软件
显示终端 磁盘驱动器
接口
微
型
接口
计
算
机
接口
打印机
接口
实时 操作 时钟 台
通用外部设备 主机及操作台 接口
变送器 传感器
A/D
多路开关
生
D/A
反多路开关
执行机构
产
对
象 开关量输入
开关量输出
外部通道
检测及变送
控制对象
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电子信息与控制工程系
①主机
❖ 由CPU和存储器构成，是整个控制系统的指挥部。
本课程涵盖多门技术的相关内容
❖ 计算机技术
（DCS硬件构成、软件平台的应用等）
❖ 自动控制技术
（实现DCS控制策略及算法的技术方法）
❖ 人机接口技术
（DCS组态技术和操作技术等）
❖ 通信技术
（DCS数据通信技术、网络技术等）
❖ 现场总线技术
（现场总线的核心、基础、协议模型及典型的FCS技术）
3
电子信息与控制工程系
第七章 典型的现场总线应用 ❖ 内容：FF的特点及主要技术应用； ❖ 重点：不同FCS的应用特点及区别 ❖ 难点：FCS的应用技术方法
8
电子信息与控制工程系
第一章 绪论
9
电子信息与控制工程系
1.1 计算机控制系统基础
❖ 1.1.1计算机控制系统的概述 ❖ 1.1.2计算机控制系统的组成 ❖ 1.1.3计算机控制系统的分类 ❖ 1.1.4集散控制系统产生的背景
电子信息与控制工程系
DCS及现场总线
DCS——Distributed Control System FCS——Fieldbus Control System
1
电子信息与控制工程系
本课程涵盖多门技术的相关内容
DCS由4C技术发展和渗透产生：
计算机技术
控制技术
通讯技术
CRT人机接口技术
2
电子信息与控制工程系
测量变送器
图b 单回路计算机控制系统示意图
❖ 计算机控制系统的结构与常规控制系统相似，只是将控制器 用计算机来代替，就组成了典型的计算机控制系统。
13
电子信息与控制工程系
结构特征
❖
执行控制功能的核心部件是计算机，是模数混合系统；
❖
控制规律利用软件实现，便于实现复杂的控制规律；
❖
可同时控制多个回路；
足够快的速度进行控制。
❖ 分时控制——因计算机运算处理速度远高控制回路的速
度要求，故可使计算机依次的完成多个通道（回路）的实
时控制。
16
电子信息与控制工程系
1.1.2、计算机控制系统的组成
❖ 计算机硬件设备——指微机本身及其外围设备，是计算 机控制系统的基础；
❖ 计算机控制软件——指管理计算机的程序以及过程控制 的应用程序，是计算机控制系统的灵魂；
6
电子信息与控制工程系
第五章 DCS数据通信及网络 内容：数据通信概念及技术、DCS网络标准和协议 重点：DCS通信相关技术、网络协议及功能 难点：网络体系结构
第六章 现场总线技术基础 内容：FCS的定义、特点、网络协议模式等 重点： FCS的定义、特点 难点：FCS的网络协议模式和标准
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电子信息与控制工程系
本课程与的相关课程的关系
微机原理
控制工程
DCS及现场总线
自动控制理论
测控仪表与装置
4
电子信息与控制工程系
教学内容、要求
第一章 概述 内容：计算机控制系统概念、各类特点及应用 重点：DCS、FCS总体概念 难点：集散控制概念
第二章 DCS的硬件体系及系统 内容：DCS构成方式、要素及功能 重点：DCS结构体系及各层功能 难点： DCS结构体系
计算机控制系统的工作方式
• ⑴在线方式和离线方式
❖
生产过程和计算机直接连接，并受计算机控制的方
式称为在线方式或联机方式。
❖
生产过程不和计算机相连，且不受计算机控制，而
是靠人进行联系并作相应操作的方式称为离线方式或脱机
方式。
• ⑵实时控制——指信号的输入、计算和输出都要在一定的
时间(采样\控实时控制: 将实时决策结果转化为控制信号适时地送给执 行装置——实现过程控制。
(4)信息管理: 随着网络技术和控制策略的发展，信息共享 及管理在控制系统得到了充分的应用。
上述过程不断重复，使整个系统按照一定的品质指标进 行工作,并对控制量和设备本身的异常现象及时作出处理。
15
电子信息与控制工程系
5
电子信息与控制工程系
第三章 DCS的软件体系及功能 内容：DCS软件体系——控制、监控和组态软件 重点：DCS可靠性和可组态性 难点：组态概念
第四章 DCS的控制算法及组态 内容：PID控制、改进PID控制、前馈控制、串级控制
时滞补偿控制、顺序控制算法及DCS实现 重点：改进PID控制、前馈控制、时滞补偿控制 难点：控制算法——组态——DCS控制功能
❖
存在开环控制系统、闭环控制系统等不同类型的控制
系统。
❖
显然：要改变控制策略及算法，只要改变计算机的程
序就可以实现相应功能。
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电子信息与控制工程系
计算机控制系统的工作原理
(1)实时数据采集:检测被控量的瞬时值，将采样结果输到计 算机中。
(2)实时决策: 给定值与被控量的数值处理后，按照预定的控 制规律进行控制运算——实时决策。
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电子信息与控制工程系
计算机控制系统各部分的功能说明
1
硬件
由主机、接口电路及外围设备组成。不同的系统， 所需硬件也不同，一般可根据控制系统的需要进行扩 展。
现已生产出具有各种功能的插件板或功能模块，可 用标准总线连接起来，使用非常方便，PC总线构成的 各种工业控制计算机、可编程逻辑控制器(PLC)等即属 此类。
❖ 它自动地对系统的各种参数进行巡回检测，通过过程输 入通道发送来的工业对象的生产工况参数；
给定值
控制器
执行机构
被控对象
被控参数
变换发送
测量元件
（2）闭环控制系统框图
❖ 图中给出了按偏差进行控制的闭环控制系统框图。 这种控制系统具有较好的控制性能。
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电子信息与控制工程系
❖ 计算机控制系统
设定值r
e(kT) 计算机
u(kT)
D/A
保持器
u 广义对象
被调参数 y
ym A/D
计算机系统
采样器
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电子信息与控制工程系
1.1.1 计算机控制系统概述
❖ 计算机控制系统是用计算机(通常称为工业控制 计算机)来实现工业过程自动控制的系统。
开环控制系统
给定值
控制器
执行机构
被控对象
被控参数
开环控制系统框图
❖ 这种控制系统不能自动消除被控参数与给定值之间 的误差。
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电子信息与控制工程系
❖ 闭环控制系统
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电子信息与控制工程系
软件
显示终端 磁盘驱动器
接口
微
型
接口
计
算
机
接口
打印机
接口
实时 操作 时钟 台
通用外部设备 主机及操作台 接口
变送器 传感器
A/D
多路开关
生
D/A
反多路开关
执行机构
产
对
象 开关量输入
开关量输出
外部通道
检测及变送
控制对象
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电子信息与控制工程系
①主机
❖ 由CPU和存储器构成，是整个控制系统的指挥部。
本课程涵盖多门技术的相关内容
❖ 计算机技术
（DCS硬件构成、软件平台的应用等）
❖ 自动控制技术
（实现DCS控制策略及算法的技术方法）
❖ 人机接口技术
（DCS组态技术和操作技术等）
❖ 通信技术
（DCS数据通信技术、网络技术等）
❖ 现场总线技术
（现场总线的核心、基础、协议模型及典型的FCS技术）
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电子信息与控制工程系
第七章 典型的现场总线应用 ❖ 内容：FF的特点及主要技术应用； ❖ 重点：不同FCS的应用特点及区别 ❖ 难点：FCS的应用技术方法
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电子信息与控制工程系
第一章 绪论
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电子信息与控制工程系
1.1 计算机控制系统基础
❖ 1.1.1计算机控制系统的概述 ❖ 1.1.2计算机控制系统的组成 ❖ 1.1.3计算机控制系统的分类 ❖ 1.1.4集散控制系统产生的背景
电子信息与控制工程系
DCS及现场总线
DCS——Distributed Control System FCS——Fieldbus Control System
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电子信息与控制工程系
本课程涵盖多门技术的相关内容
DCS由4C技术发展和渗透产生：
计算机技术
控制技术
通讯技术
CRT人机接口技术
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电子信息与控制工程系
测量变送器
图b 单回路计算机控制系统示意图
❖ 计算机控制系统的结构与常规控制系统相似，只是将控制器 用计算机来代替，就组成了典型的计算机控制系统。
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电子信息与控制工程系
结构特征
❖
执行控制功能的核心部件是计算机，是模数混合系统；
❖
控制规律利用软件实现，便于实现复杂的控制规律；
❖
可同时控制多个回路；
足够快的速度进行控制。
❖ 分时控制——因计算机运算处理速度远高控制回路的速
度要求，故可使计算机依次的完成多个通道（回路）的实
时控制。
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电子信息与控制工程系
1.1.2、计算机控制系统的组成
❖ 计算机硬件设备——指微机本身及其外围设备，是计算 机控制系统的基础；
❖ 计算机控制软件——指管理计算机的程序以及过程控制 的应用程序，是计算机控制系统的灵魂；
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电子信息与控制工程系
第五章 DCS数据通信及网络 内容：数据通信概念及技术、DCS网络标准和协议 重点：DCS通信相关技术、网络协议及功能 难点：网络体系结构
第六章 现场总线技术基础 内容：FCS的定义、特点、网络协议模式等 重点： FCS的定义、特点 难点：FCS的网络协议模式和标准
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电子信息与控制工程系
本课程与的相关课程的关系
微机原理
控制工程
DCS及现场总线
自动控制理论
测控仪表与装置
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电子信息与控制工程系
教学内容、要求
第一章 概述 内容：计算机控制系统概念、各类特点及应用 重点：DCS、FCS总体概念 难点：集散控制概念
第二章 DCS的硬件体系及系统 内容：DCS构成方式、要素及功能 重点：DCS结构体系及各层功能 难点： DCS结构体系
计算机控制系统的工作方式
• ⑴在线方式和离线方式
❖
生产过程和计算机直接连接，并受计算机控制的方
式称为在线方式或联机方式。
❖
生产过程不和计算机相连，且不受计算机控制，而
是靠人进行联系并作相应操作的方式称为离线方式或脱机
方式。
• ⑵实时控制——指信号的输入、计算和输出都要在一定的
时间(采样\控实时控制: 将实时决策结果转化为控制信号适时地送给执 行装置——实现过程控制。
(4)信息管理: 随着网络技术和控制策略的发展，信息共享 及管理在控制系统得到了充分的应用。
上述过程不断重复，使整个系统按照一定的品质指标进 行工作,并对控制量和设备本身的异常现象及时作出处理。
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电子信息与控制工程系
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电子信息与控制工程系
第三章 DCS的软件体系及功能 内容：DCS软件体系——控制、监控和组态软件 重点：DCS可靠性和可组态性 难点：组态概念
第四章 DCS的控制算法及组态 内容：PID控制、改进PID控制、前馈控制、串级控制
时滞补偿控制、顺序控制算法及DCS实现 重点：改进PID控制、前馈控制、时滞补偿控制 难点：控制算法——组态——DCS控制功能
❖
存在开环控制系统、闭环控制系统等不同类型的控制
系统。
❖
显然：要改变控制策略及算法，只要改变计算机的程
序就可以实现相应功能。
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电子信息与控制工程系
计算机控制系统的工作原理
(1)实时数据采集:检测被控量的瞬时值，将采样结果输到计 算机中。
(2)实时决策: 给定值与被控量的数值处理后，按照预定的控 制规律进行控制运算——实时决策。