第九章 計算機控制系統(tǒng)

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1、第九章第九章 計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)華東理工大學(xué)信息學(xué)院自動化系華東理工大學(xué)信息學(xué)院自動化系定義：定義：計算機控制計算機控制就是利用就是利用計算機計算機實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過程的過程的自動控制自動控制。計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)=自動化技術(shù)自動化技術(shù)+計算機技術(shù)計算機技術(shù)10.3 可編程控制器可編程控制器本章主要內(nèi)容：本章主要內(nèi)容：10.1 概述概述10.2 集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)10.4 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)10.5 綜合自動化系統(tǒng)綜合自動化系統(tǒng)10.1 概述概述10.1.1 計算機控制系統(tǒng)的組成計算機控制系統(tǒng)的組成 數(shù)/模 轉(zhuǎn)換器 數(shù)/模 轉(zhuǎn)換器 多路采樣保持器

2、數(shù)字控制器 測量 保持器 模/數(shù) 轉(zhuǎn)換器 保持器 執(zhí)行器 執(zhí)行器 測量 生產(chǎn)過程 給定值 圖圖10-1 計算機控制系統(tǒng)框圖計算機控制系統(tǒng)框圖組成：被控對象組成：被控對象、測量變送、控制器及執(zhí)行器測量變送、控制器及執(zhí)行器圖圖10-2 計算機控制系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)圖計算機控制系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)圖 數(shù)/模 轉(zhuǎn)換器 采樣保持器 數(shù)字 控制器 測量變送 模/數(shù) 轉(zhuǎn)換器 保持器 執(zhí)行器 給定值 多路開關(guān) 對象 被控變量 數(shù)字計算機 連續(xù)控制系統(tǒng)連續(xù)控制系統(tǒng) 計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)相似點：相似點： 組成相同組成相同不同點：不同點： 模擬控制器模擬控制器 數(shù)字控制器數(shù)字控制器 多路開關(guān)、采樣保持器、多路開關(guān)、采樣保

3、持器、A/D、D/A10.1.2 計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展 DDC DCS PLC FCS CIMS CIPS 圖圖10-3 計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展最初：最初：DDC直接數(shù)字控制系統(tǒng)（集中控制系統(tǒng)）直接數(shù)字控制系統(tǒng)（集中控制系統(tǒng)）20世紀(jì)世紀(jì)70年代：年代：DCS集散控制系統(tǒng)（集中管理、分散控制）集散控制系統(tǒng)（集中管理、分散控制）20世紀(jì)世紀(jì)60年代：年代：PLC可編程邏輯控制器可編程邏輯控制器20世紀(jì)末：世紀(jì)末：FCS現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)目前及未來：目前及未來：CIMS計算機集成制造系統(tǒng)計算機集成制造系統(tǒng) CIPS計算機集成過程系統(tǒng)計算機集成過程

4、系統(tǒng)10.2 集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)10.2.0 基本概念基本概念定義：集散控制系統(tǒng)定義：集散控制系統(tǒng)又稱為又稱為分散型控制系統(tǒng)分散型控制系統(tǒng)（Distributed Control System）,簡稱為簡稱為DCS系統(tǒng)，系統(tǒng)，是對生產(chǎn)過程進行集中監(jiān)視、操作、管理和分散控是對生產(chǎn)過程進行集中監(jiān)視、操作、管理和分散控制的一種全新的制的一種全新的分布式計算機控制系統(tǒng)分布式計算機控制系統(tǒng)。工作原理：工作原理：該系統(tǒng)將若干臺微機分散應(yīng)用于過程控該系統(tǒng)將若干臺微機分散應(yīng)用于過程控制，全部信息通過通信網(wǎng)絡(luò)由上位管理機監(jiān)控，實制，全部信息通過通信網(wǎng)絡(luò)由上位管理機監(jiān)控，實現(xiàn)最優(yōu)化控制，通過現(xiàn)最優(yōu)化控制，通

5、過CRT裝置、通信總線、鍵盤、裝置、通信總線、鍵盤、打印機等進行集中操作、顯示和報警。打印機等進行集中操作、顯示和報警。10.2.1 集散控制系統(tǒng)的特點集散控制系統(tǒng)的特點主要特征：集中管理和分散控制。主要特征：集中管理和分散控制。具體有以下幾個方面：具體有以下幾個方面：(1)分級遞階結(jié)構(gòu)分級遞階結(jié)構(gòu) 這種結(jié)構(gòu)從系統(tǒng)工程出發(fā)，考慮這種結(jié)構(gòu)從系統(tǒng)工程出發(fā)，考慮功能分散、危險分散功能分散、危險分散、提高可靠提高可靠性、強化系統(tǒng)應(yīng)用靈活性、減少性、強化系統(tǒng)應(yīng)用靈活性、減少設(shè)備的復(fù)雜性與投資成本設(shè)備的復(fù)雜性與投資成本，并且，并且便于維修和技術(shù)更新等優(yōu)化選擇便于維修和技術(shù)更新等優(yōu)化選擇而得出的。而得出的。

6、 經(jīng)營管理級 生產(chǎn)管理級 控制管理級 過程控制級 圖10-4 DCS的結(jié)構(gòu)層次每一級由若干子系統(tǒng)組成，形成金字塔每一級由若干子系統(tǒng)組成，形成金字塔結(jié)構(gòu)。同一級的各決策子系統(tǒng)可同時對結(jié)構(gòu)。同一級的各決策子系統(tǒng)可同時對下級施加作用，同時又受上級的干預(yù)，下級施加作用，同時又受上級的干預(yù)，子系統(tǒng)可通過上級互相交換信息。子系統(tǒng)可通過上級互相交換信息。過程控制級：過程控制級：根據(jù)上層決策直接控制生根據(jù)上層決策直接控制生產(chǎn)。產(chǎn)?？刂乒芾砑墸嚎刂乒芾砑墸簩ιa(chǎn)過程實現(xiàn)集中操作對生產(chǎn)過程實現(xiàn)集中操作和統(tǒng)一管理。和統(tǒng)一管理。生產(chǎn)管理級：生產(chǎn)管理級：承擔(dān)最優(yōu)化任務(wù)承擔(dān)最優(yōu)化任務(wù)經(jīng)營管理級：經(jīng)營管理級：全面的綜合型經(jīng)

7、營管理和全面的綜合型經(jīng)營管理和決策決策 經(jīng)營管理級 生產(chǎn)管理級 控制管理級 過程控制級 圖10-4 DCS的結(jié)構(gòu)層次(2) 采用微機智能技術(shù)采用微機智能技術(shù) DCS采用了以微處理器為基采用了以微處理器為基礎(chǔ)的礎(chǔ)的“智能技術(shù)智能技術(shù)”，成為計算機應(yīng)用最完善、最豐，成為計算機應(yīng)用最完善、最豐富的領(lǐng)域。現(xiàn)場控制單元、過程輸入輸出接口、數(shù)富的領(lǐng)域?，F(xiàn)場控制單元、過程輸入輸出接口、數(shù)據(jù)通信等均采用微處理器，據(jù)通信等均采用微處理器，可以實現(xiàn)自適應(yīng)、自診可以實現(xiàn)自適應(yīng)、自診斷和自檢測等斷和自檢測等“智能智能”控制過程?？刂七^程。 (3) 豐富的功能軟件包豐富的功能軟件包 DCS具有豐富的功能軟件包，具有豐富

8、的功能軟件包，它能提供控制運算、過程監(jiān)視、組態(tài)、報表打印和它能提供控制運算、過程監(jiān)視、組態(tài)、報表打印和信息檢索等功能。信息檢索等功能。(4) 采用局部網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)采用局部網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù) DCS的數(shù)據(jù)通信采用工的數(shù)據(jù)通信采用工業(yè)局域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進行通信，傳輸實時控制信息，進業(yè)局域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進行通信，傳輸實時控制信息，進行全系統(tǒng)信息綜合管理，并對分散的現(xiàn)場控制單元、行全系統(tǒng)信息綜合管理，并對分散的現(xiàn)場控制單元、人機接口進行控制和操作管理。大多采用光纖傳輸人機接口進行控制和操作管理。大多采用光纖傳輸媒質(zhì)，通信的可靠性和安全性大大提高。通信協(xié)議媒質(zhì)，通信的可靠性和安全性大大提高。通信協(xié)議已開始向標(biāo)準(zhǔn)化前進，如

9、采用已開始向標(biāo)準(zhǔn)化前進，如采用IEEE802.3、IEEE802.4等。等。(5) 友善的人機接口友善的人機接口 (6) 高可靠性高可靠性 硬件、軟件采用冗余技術(shù)硬件、軟件采用冗余技術(shù)10.2.2 集散控制系統(tǒng)的發(fā)展集散控制系統(tǒng)的發(fā)展第一個集散控制系統(tǒng)第一個集散控制系統(tǒng)TDC2000：1975年，美國年，美國Honeywell三個時期：三個時期：初創(chuàng)期初創(chuàng)期（19751980）成熟期成熟期（19801985）擴展期擴展期（1985年以后）初創(chuàng)期：初創(chuàng)期：該時期的該時期的DCS系統(tǒng)是一個系統(tǒng)是一個具有許多微處理機具有許多微處理機的分級控制系統(tǒng)的分級控制系統(tǒng)，它采用分散的控制設(shè)備來適應(yīng)分散，它采用

10、分散的控制設(shè)備來適應(yīng)分散的生產(chǎn)過程，通過高速數(shù)據(jù)通道將系統(tǒng)各個單元聯(lián)系的生產(chǎn)過程，通過高速數(shù)據(jù)通道將系統(tǒng)各個單元聯(lián)系起來。其起來。其通信系統(tǒng)通信系統(tǒng)是一初、中級的局部網(wǎng)絡(luò)，全系統(tǒng)是一初、中級的局部網(wǎng)絡(luò)，全系統(tǒng)由一個通信指揮器指揮和協(xié)調(diào)。由一個通信指揮器指揮和協(xié)調(diào)。初創(chuàng)期具有代表性的初創(chuàng)期具有代表性的DCS系統(tǒng)有系統(tǒng)有Spectrum (Foxboro公公司司)、Network(貝利公司貝利公司)、Centum(日本橫河公司日本橫河公司)成熟期：成熟期：該時期的該時期的DCS系統(tǒng)系統(tǒng)從原來單純的工業(yè)控制向從原來單純的工業(yè)控制向生產(chǎn)管理自動化發(fā)展。生產(chǎn)管理自動化發(fā)展。大規(guī)模大規(guī)模IC的發(fā)展以及計算

11、機技的發(fā)展以及計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)、圖像處理技術(shù)的術(shù)、自動控制技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)、圖像處理技術(shù)的飛速發(fā)展，使得飛速發(fā)展，使得DCS系統(tǒng)在擴大功能、數(shù)據(jù)通信以及系統(tǒng)在擴大功能、數(shù)據(jù)通信以及工業(yè)自動化信息管理等方面有所提高，形成第二代工業(yè)自動化信息管理等方面有所提高，形成第二代DCS系統(tǒng)。系統(tǒng)。成熟期具有代表性的成熟期具有代表性的DCS系統(tǒng)有系統(tǒng)有TDC3000 (Honeywell公司公司)、PROVOX(Fisher)、MCS(貝利公司貝利公司)、YEWPACK-MARKII(日本橫河公司日本橫河公司)等等擴展期擴展期：該時期的該時期的DCS系統(tǒng)增加了第三層系統(tǒng)增加了第三層綜

12、合信綜合信息管理層，把過程控制、監(jiān)督控制、管理調(diào)度有機結(jié)息管理層，把過程控制、監(jiān)督控制、管理調(diào)度有機結(jié)合在一起，采用專家系統(tǒng)、合在一起，采用專家系統(tǒng)、MAP標(biāo)準(zhǔn)（一種標(biāo)準(zhǔn)（一種ISO開放開放互連互連OSI結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的加工自動化協(xié)議結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的加工自動化協(xié)議）以及引入計以及引入計算機集成制造系統(tǒng)算機集成制造系統(tǒng)CIMS等，擴展期等，擴展期DCS的特點是的特點是綜綜合化、開放化合化、開放化和和現(xiàn)場級的智能化。現(xiàn)場級的智能化。綜合化綜合化 包括縱向和橫向兩方面。包括縱向和橫向兩方面。縱向方面縱向方面加強管理加強管理功能，包括從原料進廠到生產(chǎn)設(shè)計、計劃進度、質(zhì)量功能，包括從原料進廠到生產(chǎn)設(shè)計、計劃進度

13、、質(zhì)量檢查、成品包裝、出廠以及供銷等一系列的管理制度。檢查、成品包裝、出廠以及供銷等一系列的管理制度。橫向方面橫向方面則形成過程自動化與順序控制、電機控制相則形成過程自動化與順序控制、電機控制相結(jié)合的計算機、儀表、電器綜合控制系統(tǒng)。結(jié)合的計算機、儀表、電器綜合控制系統(tǒng)。開放化開放化 是是DCS按照國際統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)組成按照國際統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)組成“開放開放”的系的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，便于不同公司生產(chǎn)的統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，便于不同公司生產(chǎn)的DCS產(chǎn)品之間方便地進產(chǎn)品之間方便地進行通信。行通信。 現(xiàn)場級的智能化現(xiàn)場級的智能化 是指現(xiàn)場傳感器或變送器智能化，是指現(xiàn)場傳感器或變送器智能化，現(xiàn)場儀表可以由現(xiàn)場通信器或系統(tǒng)的工作站進行遠程現(xiàn)

14、場儀表可以由現(xiàn)場通信器或系統(tǒng)的工作站進行遠程訪問、組態(tài)、調(diào)零、調(diào)量程及自動標(biāo)定。傳感器輸出訪問、組態(tài)、調(diào)零、調(diào)量程及自動標(biāo)定。傳感器輸出的數(shù)字信號直接在現(xiàn)場儀表的通信網(wǎng)絡(luò)上傳遞。的數(shù)字信號直接在現(xiàn)場儀表的通信網(wǎng)絡(luò)上傳遞。擴展期具有代表性的擴展期具有代表性的DCS系統(tǒng)有系統(tǒng)有TDC3000UCN,CENTUM-XL,I/A Series(Foxboro)。這一時期這一時期DCS的基本組成與第二代相比變化不大，的基本組成與第二代相比變化不大，但它的但它的LAN采用采用MAP協(xié)議或與協(xié)議或與MAP兼容的協(xié)議，各兼容的協(xié)議，各個節(jié)點工作站軟、硬件功能均有所加強，現(xiàn)場級智個節(jié)點工作站軟、硬件功能均有所加

15、強，現(xiàn)場級智能儀表也有發(fā)展。能儀表也有發(fā)展。MAP Mobile Application Part 是是NO.7信令系統(tǒng)的應(yīng)用層信令系統(tǒng)的應(yīng)用層協(xié)議。協(xié)議。MAP的主要功能是在的主要功能是在MSC和和HLR、VLR、EIR等網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫之間交換與電路無關(guān)的數(shù)據(jù)和指令絡(luò)數(shù)據(jù)庫之間交換與電路無關(guān)的數(shù)據(jù)和指令,從而支持移動從而支持移動用戶漫游、頻道切換和用戶鑒權(quán)等網(wǎng)絡(luò)功能。用戶漫游、頻道切換和用戶鑒權(quán)等網(wǎng)絡(luò)功能。 10.2.3 集散控制系統(tǒng)的硬件和軟件集散控制系統(tǒng)的硬件和軟件(1) DCS的基本構(gòu)成的基本構(gòu)成 CRT 操作站 (操作員接口) 管理計算機 過程控 制單元 過程控 制單元 過程接 口單

16、元 過程 通信系統(tǒng) 過程控制單元過程控制單元（PCU）：）：又稱為現(xiàn)又稱為現(xiàn)場控制單元、現(xiàn)場控場控制單元、現(xiàn)場控制站、基本控制器、制站、基本控制器、多功能控制器等。多功能控制器等。其組成有：其組成有：CPU、ROM/RAM、I/O、A/D、D/A等。等。它可以控制一個或多它可以控制一個或多個回路，具有較強的個回路，具有較強的運算和控制功能，并運算和控制功能，并可以進行連續(xù)控制和可以進行連續(xù)控制和順序控制。順序控制。圖圖10-5 DCS的基本結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)過程接口單元（過程接口單元（PIU）：）：又稱為過程輸入輸出單元、又稱為過程輸入輸出單元、數(shù)據(jù)采集單元、現(xiàn)場監(jiān)視站、數(shù)據(jù)采集單元、現(xiàn)場監(jiān)視站、

17、I/O擴展單元等。擴展單元等。它的組成與過程控制單元類似，是以微處理器為核心它的組成與過程控制單元類似，是以微處理器為核心的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，負責(zé)采集的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，負責(zé)采集非控制變量數(shù)據(jù)非控制變量數(shù)據(jù)，并將其，并將其數(shù)據(jù)經(jīng)過通信系統(tǒng)傳遞給數(shù)據(jù)經(jīng)過通信系統(tǒng)傳遞給CRT操作站或上位管理計算操作站或上位管理計算機。機。CRT操作站操作站：是是DCS的人的人-機接口，由機接口，由CRT、微機、鍵微機、鍵盤、打印機、存儲器、通信控制器等組成。盤、打印機、存儲器、通信控制器等組成?？梢燥@示：可以顯示：生產(chǎn)總貌和系統(tǒng)主要參數(shù)、每個回路的詳細控制情況、生產(chǎn)總貌和系統(tǒng)主要參數(shù)、每個回路的詳細控制情況、當(dāng)前的和歷史

18、的數(shù)據(jù)、曲線等。當(dāng)前的和歷史的數(shù)據(jù)、曲線等。 在操作站上可以通過鍵盤發(fā)出操作指令，進行回在操作站上可以通過鍵盤發(fā)出操作指令，進行回路組態(tài)、調(diào)整參數(shù)、控制外設(shè)。路組態(tài)、調(diào)整參數(shù)、控制外設(shè)。CRT操作站還有自診操作站還有自診斷、報警功能。斷、報警功能。上位管理機上位管理機：是是DCS的主計算機，它通過通信系統(tǒng)與的主計算機，它通過通信系統(tǒng)與各個工作站聯(lián)系，綜合管理全系統(tǒng)的所有信息，能對各個工作站聯(lián)系，綜合管理全系統(tǒng)的所有信息，能對整個系統(tǒng)起到優(yōu)化控制和管理作用。整個系統(tǒng)起到優(yōu)化控制和管理作用。 通信系統(tǒng)：通信系統(tǒng)：是具有高速通信能力的信息總線，可由雙是具有高速通信能力的信息總線，可由雙絞線、同軸電纜

19、或光纖構(gòu)成。絞線、同軸電纜或光纖構(gòu)成。 早期的集散系統(tǒng)采用專門的通信標(biāo)準(zhǔn)或通信協(xié)議，早期的集散系統(tǒng)采用專門的通信標(biāo)準(zhǔn)或通信協(xié)議，系統(tǒng)兼容和互連性差。國際電工委員會系統(tǒng)兼容和互連性差。國際電工委員會(IEC)、國際標(biāo)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織準(zhǔn)化組織(ISO)、美國電子電氣工程師協(xié)會美國電子電氣工程師協(xié)會(IEEE)、工工廠自動化協(xié)議集團廠自動化協(xié)議集團(MAP)為不同層次網(wǎng)絡(luò)制定了相應(yīng)為不同層次網(wǎng)絡(luò)制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。的標(biāo)準(zhǔn)。(2) DCS的硬件、軟件組態(tài)的硬件、軟件組態(tài)DCS的硬件組態(tài)的硬件組態(tài)：依據(jù)：依據(jù)：系統(tǒng)規(guī)模及控制要求。系統(tǒng)規(guī)模及控制要求。包括通信系統(tǒng)、人機接口、過程接口和電源系包括通信系統(tǒng)、人機

20、接口、過程接口和電源系統(tǒng)的選擇等統(tǒng)的選擇等應(yīng)綜合考慮各方面的因素：應(yīng)綜合考慮各方面的因素：滿足系統(tǒng)的控制要求，性能價格比最佳滿足系統(tǒng)的控制要求，性能價格比最佳系統(tǒng)在未來的定位系統(tǒng)在未來的定位操作人員的易操作性、系統(tǒng)的易維護性等操作人員的易操作性、系統(tǒng)的易維護性等DCS的軟件組態(tài)：的軟件組態(tài)：是在系統(tǒng)硬件和軟件的基礎(chǔ)上，是在系統(tǒng)硬件和軟件的基礎(chǔ)上，用用軟件組態(tài)方式將系統(tǒng)提供的功能塊連結(jié)起來達到過程軟件組態(tài)方式將系統(tǒng)提供的功能塊連結(jié)起來達到過程控制的要求。控制的要求。應(yīng)用軟件組態(tài)方式：應(yīng)用軟件組態(tài)方式：直接經(jīng)直接經(jīng)DCS操作站組態(tài)操作站組態(tài)通過填寫表格組態(tài)通過填寫表格組態(tài)利用利用PC機進行組態(tài)機進

21、行組態(tài)應(yīng)用軟件的組態(tài)包括：應(yīng)用軟件的組態(tài)包括：網(wǎng)絡(luò)組態(tài)文件組態(tài)、數(shù)據(jù)點組網(wǎng)絡(luò)組態(tài)文件組態(tài)、數(shù)據(jù)點組態(tài)、用戶畫面、自由格式報表和鍵定義組態(tài)、區(qū)域數(shù)態(tài)、用戶畫面、自由格式報表和鍵定義組態(tài)、區(qū)域數(shù)據(jù)庫和控制程序的編制等。據(jù)庫和控制程序的編制等。早期的早期的DCSDCS控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)10.3 可編程控制器可編程控制器可編程序控制器（可編程序控制器（Programmable Controller, PC）早早期主要用于邏輯控制，習(xí)慣上稱之為期主要用于邏輯控制，習(xí)慣上稱之為可編程邏輯控制可編程邏輯控制器（器（ Programmable Logic Controller ）,簡稱簡稱PLC。10.3.1

22、概述概述(1)可編程序控制器的發(fā)展可編程序控制器的發(fā)展初創(chuàng)階段：初創(chuàng)階段：從從1969年年DEC公司推出第一臺公司推出第一臺PLC(PDP-14)到到20世紀(jì)世紀(jì)70年代中期。年代中期。該階段產(chǎn)品主要該階段產(chǎn)品主要用于邏輯運算、計時、計數(shù)用于邏輯運算、計時、計數(shù)。擴展階段：擴展階段：20世紀(jì)世紀(jì)70年代中期到年代中期到20 世紀(jì)世紀(jì)70年代末期。年代末期。擴展了數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)的比較和運算、模擬量的運算擴展了數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)的比較和運算、模擬量的運算等功能。等功能。通信階段：通信階段：20世紀(jì)世紀(jì)70年代末期到年代末期到20 世紀(jì)世紀(jì)80年代中期。年代中期。PLC在通信方面得到了發(fā)展，形成了分布式

23、的通信網(wǎng)在通信方面得到了發(fā)展，形成了分布式的通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。絡(luò)系統(tǒng)。缺點是產(chǎn)品互通難。缺點是產(chǎn)品互通難。開放階段：開放階段： 20世紀(jì)世紀(jì)80年代中期以后。年代中期以后。(2)可編程序控制器的特點（優(yōu)點）可編程序控制器的特點（優(yōu)點）高可靠性：高可靠性：PLC的主要特點。它在軟、硬件方面采的主要特點。它在軟、硬件方面采取了一些提高系統(tǒng)可靠性的措施。取了一些提高系統(tǒng)可靠性的措施。易操作性：易操作性：操作、維修、編程操作、維修、編程靈活性：靈活性：表現(xiàn)在編程、擴展、操作三個方面表現(xiàn)在編程、擴展、操作三個方面機電一體化：機電一體化：PLC是專門為工業(yè)過程控制而設(shè)計的是專門為工業(yè)過程控制而設(shè)計的控制設(shè)備。

24、成為當(dāng)今數(shù)控技術(shù)、工業(yè)機器人、過程控控制設(shè)備。成為當(dāng)今數(shù)控技術(shù)、工業(yè)機器人、過程控制領(lǐng)域的主要控制設(shè)備。制領(lǐng)域的主要控制設(shè)備。(3)PLC的分類的分類按結(jié)構(gòu)形式可將按結(jié)構(gòu)形式可將PLC分為兩大類分為兩大類：一體化結(jié)構(gòu)、模塊一體化結(jié)構(gòu)、模塊化結(jié)構(gòu)化結(jié)構(gòu)一類（一體化結(jié)構(gòu)）：一類（一體化結(jié)構(gòu)）：CPU、電源、電源、I/O接口、通信接口、通信接口等都集成在一個機殼內(nèi)的一體化結(jié)構(gòu)，如下圖所接口等都集成在一個機殼內(nèi)的一體化結(jié)構(gòu)，如下圖所示，小型及超小型的示，小型及超小型的PLC系統(tǒng)用此結(jié)構(gòu)系統(tǒng)用此結(jié)構(gòu) 電源 其他外設(shè) 通信接口 CPU I/O 接口 電池 ROM RAM 上位機 測量儀表 AI DI AO

25、 DO 執(zhí)行器 10-6 一體化一體化PLC結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖另一類（模塊化結(jié)構(gòu)）：另一類（模塊化結(jié)構(gòu)）：各種模塊在結(jié)構(gòu)上是相互獨各種模塊在結(jié)構(gòu)上是相互獨立的，在實際使用的過程中可根據(jù)具體的應(yīng)用要求選立的，在實際使用的過程中可根據(jù)具體的應(yīng)用要求選擇合適的模塊，安裝在固定的機架或?qū)к壣?，?gòu)成一擇合適的模塊，安裝在固定的機架或?qū)к壣?，?gòu)成一個完整的個完整的PLC應(yīng)用系統(tǒng)，應(yīng)用系統(tǒng)，如下圖所示。大、中型如下圖所示。大、中型PLC系統(tǒng)一般采用此類結(jié)構(gòu)。增強了數(shù)據(jù)處理能力和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)一般采用此類結(jié)構(gòu)。增強了數(shù)據(jù)處理能力和網(wǎng)絡(luò)通信能力，可構(gòu)成大規(guī)模的自動化控制系統(tǒng)，主要用通信能力，可構(gòu)成大規(guī)模的自動化控制

26、系統(tǒng)，主要用于復(fù)雜程度較高的自動控制，并在相當(dāng)程度上可以替于復(fù)雜程度較高的自動控制，并在相當(dāng)程度上可以替代代DCS以實現(xiàn)更廣泛的自動化功能。以實現(xiàn)更廣泛的自動化功能。 電源 模塊 CPU 模塊 通信接口 模塊 智能I/O 模塊 I/O 模塊 I/O 模塊 系統(tǒng)總線 電源線 10-7 模塊化PLC結(jié)構(gòu)示意圖(4)可編程序控制器的主要功能可編程序控制器的主要功能開關(guān)邏輯和順序控制開關(guān)邏輯和順序控制：最主要功能：最主要功能模擬控制模擬控制：過程控制點數(shù)較少，開關(guān)量控制較多時。：過程控制點數(shù)較少，開關(guān)量控制較多時。采用模擬輸入輸出卡件來實現(xiàn)模擬量的控制運算。采用模擬輸入輸出卡件來實現(xiàn)模擬量的控制運算。

27、信號聯(lián)鎖：信號聯(lián)鎖：信號聯(lián)鎖是安全生產(chǎn)的保證，高可靠性信號聯(lián)鎖是安全生產(chǎn)的保證，高可靠性的的PLC在信號聯(lián)鎖系統(tǒng)中發(fā)揮了很大作用。在信號聯(lián)鎖系統(tǒng)中發(fā)揮了很大作用。通信通信：PLC可作為下位機與上位機或同級的可作為下位機與上位機或同級的PLC進進行通信，完成數(shù)據(jù)處理和信息交換，實現(xiàn)對整個生產(chǎn)行通信，完成數(shù)據(jù)處理和信息交換，實現(xiàn)對整個生產(chǎn)過程的信息控制和管理。過程的信息控制和管理。(5)可編程序控制器的發(fā)展方向可編程序控制器的發(fā)展方向 隨著計算機綜合技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)自動化內(nèi)涵的隨著計算機綜合技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)自動化內(nèi)涵的不斷延伸，不斷延伸，PLC的結(jié)構(gòu)和功能也在不斷地進行完善和的結(jié)構(gòu)和功能也在不斷地

28、進行完善和擴充。實現(xiàn)控制功能和管理功能的結(jié)合，以不同廠家擴充。實現(xiàn)控制功能和管理功能的結(jié)合，以不同廠家的產(chǎn)品構(gòu)成開放型的控制系統(tǒng)是自動化系統(tǒng)主要的發(fā)的產(chǎn)品構(gòu)成開放型的控制系統(tǒng)是自動化系統(tǒng)主要的發(fā)展理念之一。長期以來展理念之一。長期以來PLC走的是專有化的道路，這走的是專有化的道路，這使得其成功發(fā)展的同時也帶來了許多制約因素。使得其成功發(fā)展的同時也帶來了許多制約因素。 目前，絕大多數(shù)目前，絕大多數(shù)PLC不屬于開放系統(tǒng)，不屬于開放系統(tǒng)，尋求開放尋求開放型的硬件或軟件平臺成了當(dāng)今型的硬件或軟件平臺成了當(dāng)今PLC的主要發(fā)展目標(biāo)。的主要發(fā)展目標(biāo)。10.3.2 PLC基本組成基本組成 PLC基本組成包括：

29、基本組成包括：CPU、通信接口、外設(shè)接通信接口、外設(shè)接口、口、I/O接口接口等。模塊化等。模塊化PLC的應(yīng)用更廣泛，它在的應(yīng)用更廣泛，它在系統(tǒng)配置上更靈活，用戶可以根據(jù)規(guī)模和設(shè)計要求系統(tǒng)配置上更靈活，用戶可以根據(jù)規(guī)模和設(shè)計要求進行配置，模塊與模塊之間通過外部總線連接，如進行配置，模塊與模塊之間通過外部總線連接，如下圖所示下圖所示 電源 模塊 CPU 模塊 通信接口 模塊 智能I/O 模塊 I/O 模塊 I/O 模塊 系統(tǒng)總線 電源線 10-7 模塊化模塊化PLC結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖 在模塊化在模塊化PLC系統(tǒng)中，一組基本的功能模塊可以構(gòu)系統(tǒng)中，一組基本的功能模塊可以構(gòu)成一個機架，成一個機架，C

30、PU模塊所在的機架通常稱為中央機架，模塊所在的機架通常稱為中央機架，其他機架稱為擴展機架。其他機架稱為擴展機架。 根據(jù)安裝位置的不同，機架的擴展方式又分為根據(jù)安裝位置的不同，機架的擴展方式又分為本地本地連接擴展連接擴展和和遠程連接擴展遠程連接擴展兩種。前者要求所有機架都集兩種。前者要求所有機架都集中安裝在一起，機架與機架間的連接距離通常在數(shù)米之中安裝在一起，機架與機架間的連接距離通常在數(shù)米之內(nèi)；后者一般通過光纜或通信電纜實現(xiàn)機架間的連接，內(nèi)；后者一般通過光纜或通信電纜實現(xiàn)機架間的連接，連接距離可達幾百米到數(shù)千米，通過中繼環(huán)節(jié)還可以進連接距離可達幾百米到數(shù)千米，通過中繼環(huán)節(jié)還可以進一步延伸。遠程

31、擴展機架也稱為分布式一步延伸。遠程擴展機架也稱為分布式I/O站點，這是一站點，這是一種介于模擬信號傳輸技術(shù)和現(xiàn)場總線技術(shù)的中間產(chǎn)品。種介于模擬信號傳輸技術(shù)和現(xiàn)場總線技術(shù)的中間產(chǎn)品。 一個一個PLC所允許配置的機架數(shù)量以及每個機架所允所允許配置的機架數(shù)量以及每個機架所允許安裝的模塊數(shù)量一般是有限制的，主要取決于許安裝的模塊數(shù)量一般是有限制的，主要取決于PLC的的地址配置和尋址能力以及機架的結(jié)構(gòu)和負載能力。地址配置和尋址能力以及機架的結(jié)構(gòu)和負載能力。 (1)CPU模塊模塊 CPU模塊是模塊化模塊是模塊化PLC的核心部件，的核心部件，主要包括三個部分：主要包括三個部分：中央處理單元中央處理單元CPU

32、、存儲器和通存儲器和通信部件信部件。 小型小型PLC的的CPU單元通常采用價格低、通用性好單元通常采用價格低、通用性好的的8位微處理器或單片機；位微處理器或單片機； 中型中型PLC采用采用16位微處理器或單片機；位微處理器或單片機； 大型大型PLC通常采用位片式微處理器，它將多個位通常采用位片式微處理器，它將多個位片式微處理器級聯(lián)，并行處理多個任務(wù)，具有靈活性片式微處理器級聯(lián)，并行處理多個任務(wù)，具有靈活性好、速度快、效率高等特點。另外，大中型的好、速度快、效率高等特點。另外，大中型的PLC很很多采用雙多采用雙CPU或多或多CPU結(jié)構(gòu)，以加快結(jié)構(gòu)，以加快PLC的處理速度。的處理速度。常用的常用的

33、存儲器存儲器主要有：主要有：ROM、EPROM、EEPROM、RAM等幾種，用于存放系統(tǒng)程序、用戶程序和工作等幾種，用于存放系統(tǒng)程序、用戶程序和工作數(shù)據(jù)。對于不同的數(shù)據(jù)。對于不同的PLC，存儲器的配置形式是一樣的，存儲器的配置形式是一樣的，但存儲器的容量隨但存儲器的容量隨PLC的規(guī)模的不同有較大差別。的規(guī)模的不同有較大差別。 通信部件通信部件的作用是建立的作用是建立CPU模塊與其他模塊或外模塊與其他模塊或外部設(shè)備的數(shù)據(jù)交換。部設(shè)備的數(shù)據(jù)交換。(2)I/O模塊模塊 PLC 通過通過I/O接口與現(xiàn)場儀表相連接，接口與現(xiàn)場儀表相連接，PLC最常用的最常用的I/O模塊主要包括模擬量輸入、模擬模塊主要包

34、括模擬量輸入、模擬量輸出、開關(guān)量輸入、開關(guān)量輸出模塊。量輸出、開關(guān)量輸入、開關(guān)量輸出模塊。(3)智能模塊智能模塊 該模塊通常是一個較獨立的計算機系該模塊通常是一個較獨立的計算機系統(tǒng)，自身具有統(tǒng)，自身具有CPU、數(shù)據(jù)存儲器、應(yīng)用程序、數(shù)據(jù)存儲器、應(yīng)用程序、I/O接接口、系統(tǒng)總線接口等，可以獨立地完成某些具體工口、系統(tǒng)總線接口等，可以獨立地完成某些具體工作。但從整個作。但從整個PLC系統(tǒng)來看，它只是系統(tǒng)中的一個系統(tǒng)來看，它只是系統(tǒng)中的一個單元，需要通過系統(tǒng)總線與單元，需要通過系統(tǒng)總線與CPU模塊進行數(shù)據(jù)交換。模塊進行數(shù)據(jù)交換。智能模塊一般不參與智能模塊一般不參與PLC的循環(huán)掃描過程，而是在的循環(huán)掃

35、描過程，而是在CPU模塊的協(xié)調(diào)下，按照自身的應(yīng)用程序獨立地參模塊的協(xié)調(diào)下，按照自身的應(yīng)用程序獨立地參與系統(tǒng)工作。比如：與系統(tǒng)工作。比如：高速處理模塊、通信處理器模高速處理模塊、通信處理器模塊塊等一般屬于智能模塊。等一般屬于智能模塊。(4)接口模塊接口模塊 采用模塊化結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)是通過機架把各采用模塊化結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)是通過機架把各種種PLC的模塊組織起來的，根據(jù)應(yīng)用對象的規(guī)模和要的模塊組織起來的，根據(jù)應(yīng)用對象的規(guī)模和要求，整套求，整套PLC系統(tǒng)有可能包含若干個機架，接口模塊系統(tǒng)有可能包含若干個機架，接口模塊就是用來把所有機架組織起來，構(gòu)成一個完整的就是用來把所有機架組織起來，構(gòu)成一個完整的PLC系統(tǒng)。

36、系統(tǒng)。(5)電源模塊電源模塊 PLC一般配有工業(yè)用的開關(guān)式穩(wěn)壓電源一般配有工業(yè)用的開關(guān)式穩(wěn)壓電源供內(nèi)部電路使用。與普通電源相比，一般要求電源模供內(nèi)部電路使用。與普通電源相比，一般要求電源模塊的輸入電壓范圍寬、穩(wěn)定性好、體積小、質(zhì)量輕、塊的輸入電壓范圍寬、穩(wěn)定性好、體積小、質(zhì)量輕、抗干擾能力強?？垢蓴_能力強。(6)編程工具編程工具 作用是編制和調(diào)試作用是編制和調(diào)試PLC的用戶程序、設(shè)的用戶程序、設(shè)置置PLC系統(tǒng)的運行環(huán)境、在線監(jiān)視或修改運行狀態(tài)和系統(tǒng)的運行環(huán)境、在線監(jiān)視或修改運行狀態(tài)和參數(shù)，主要有參數(shù)，主要有專用編程器或?qū)Ｓ镁幊誊浖Ｓ镁幊唐骰驅(qū)Ｓ镁幊誊浖深悆深悺?專用編程器專用編程器一般由一

37、般由PLC生產(chǎn)廠家提供，生產(chǎn)廠家提供，只能適用只能適用于特定于特定PLC的軟件編程裝置。的軟件編程裝置。 主要生產(chǎn)廠家一般都提供在主要生產(chǎn)廠家一般都提供在PC機上運行的機上運行的專用編專用編程軟件程軟件，借助于相應(yīng)的通信接口裝置，用戶可以在，借助于相應(yīng)的通信接口裝置，用戶可以在PC機上通過專用編程軟件來編輯和調(diào)試用戶程序，機上通過專用編程軟件來編輯和調(diào)試用戶程序，專用編程軟件一般專用編程軟件一般可適用于一系列的可適用于一系列的PLC。特點：功特點：功能強大、通用性強、升級方便等能強大、通用性強、升級方便等10.3.3 PLC的基本工作原理的基本工作原理 PLC的的CPU采用分時操作的原理，其工

38、作方采用分時操作的原理，其工作方式是一個不斷循環(huán)的順序掃描過程，即周期掃描式是一個不斷循環(huán)的順序掃描過程，即周期掃描方式。方式。 PLC的整個掃描過程可以概括地歸納為上電的整個掃描過程可以概括地歸納為上電初始化、一般處理掃描、數(shù)據(jù)初始化、一般處理掃描、數(shù)據(jù)I/O操作、用戶程序操作、用戶程序的掃描、外設(shè)端口服務(wù)五個階段。每一次掃描所的掃描、外設(shè)端口服務(wù)五個階段。每一次掃描所用的時間稱為一個工作周期（掃描周期）。用的時間稱為一個工作周期（掃描周期）。PLC的掃描周期與的掃描周期與PLC的硬件特性和用戶程序的長短的硬件特性和用戶程序的長短有關(guān)。有關(guān)。 N Y 上電 初始化 檢查存儲器、硬件單元 正確

39、 復(fù)位監(jiān)視定時器 執(zhí)行用戶程序 數(shù)據(jù) I/O 操作 復(fù)位監(jiān)視定時器 外設(shè)端口服務(wù) 置位故障標(biāo)志 顯示故障指示燈 性質(zhì)？ 錯誤 報警 10-8 PLC10-8 PLC掃描掃描過程示意過程示意(1)上電初始化上電初始化：CPU首先首先對對I/O、繼電器、定時器進繼電器、定時器進行清零或復(fù)位處理行清零或復(fù)位處理(2)一般處理掃描一般處理掃描：每個掃每個掃描周期前的自檢，如描周期前的自檢，如WDT的復(fù)位、的復(fù)位、I/O總線和用戶存總線和用戶存儲器的檢查儲器的檢查(3)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)I/O操作操作：(4)掃描用戶程序掃描用戶程序：基于用基于用戶程序指令，讀入外部數(shù)戶程序指令，讀入外部數(shù)據(jù)和狀態(tài)、運算、輸出據(jù)和

40、狀態(tài)、運算、輸出(5)外設(shè)端口服務(wù)外設(shè)端口服務(wù)：每次執(zhí)行完用戶程序后，每次執(zhí)行完用戶程序后，開始外設(shè)操作請求服務(wù)，主要完成與外設(shè)開始外設(shè)操作請求服務(wù)，主要完成與外設(shè)端口連接的外部設(shè)備（編程器、通信適配端口連接的外部設(shè)備（編程器、通信適配器等）的通信。器等）的通信。10.3.4 PLC的程序設(shè)計語言的程序設(shè)計語言PLC的程序設(shè)計就是利用特定的表達方式（編程的程序設(shè)計就是利用特定的表達方式（編程語言）把控制任務(wù)描述出來。語言）把控制任務(wù)描述出來。 PLC是一種工業(yè)控制裝置，它的程序設(shè)計多采用是一種工業(yè)控制裝置，它的程序設(shè)計多采用面向現(xiàn)場、面向問題、簡單而直觀的自然語言，它能面向現(xiàn)場、面向問題、簡單

41、而直觀的自然語言，它能直接表達被控對象的動作及輸入輸出關(guān)系，通常是與直接表達被控對象的動作及輸入輸出關(guān)系，通常是與電器控制線路或工藝流程圖相似的語言表達形式。常電器控制線路或工藝流程圖相似的語言表達形式。常見的程序設(shè)計語言有：見的程序設(shè)計語言有：梯形圖梯形圖、語句表語句表、邏輯功能圖、邏輯功能圖、計算機高級語言等。計算機高級語言等。(1)梯形圖梯形圖 梯形圖是在繼電器控制的電器原理圖基礎(chǔ)上梯形圖是在繼電器控制的電器原理圖基礎(chǔ)上開發(fā)出來的一種直觀形象的圖形編程語言。它沿開發(fā)出來的一種直觀形象的圖形編程語言。它沿用了繼電器、觸點、串用了繼電器、觸點、串/并聯(lián)等術(shù)語和類似的圖形并聯(lián)等術(shù)語和類似的圖形

42、符號，信號流向清楚，是多數(shù)符號，信號流向清楚，是多數(shù)PLC的第一用戶語的第一用戶語言。言。 SB3 SB2 SB1 C SB4 電源線 ( ) 起始母線 結(jié)束母線00200 00004 00003 00001 00002 串聯(lián) 并聯(lián) (a)電器控制梯形圖電器控制梯形圖(b) PLC梯形圖梯形圖圖圖10-9 PLC梯形圖示意梯形圖示意PLC梯形圖的特點梯形圖的特點：梯形圖的符號不是實際的物理元件，而只是對應(yīng)于梯形圖的符號不是實際的物理元件，而只是對應(yīng)于存儲器中的某一位；存儲器中的某一位；梯形圖不是硬接線系統(tǒng)，但可以借助梯形圖不是硬接線系統(tǒng)，但可以借助“概念電流概念電流”來理解器邏輯運算功能；來理

43、解器邏輯運算功能；PLC根據(jù)梯形圖符號的排列順序，按照從左到右、根據(jù)梯形圖符號的排列順序，按照從左到右、自上而下的方式進行掃描，前一邏輯行的解算結(jié)果可自上而下的方式進行掃描，前一邏輯行的解算結(jié)果可被后面的程序所引用；被后面的程序所引用；每個梯形圖符號的常開、常閉等屬性在用戶程序中每個梯形圖符號的常開、常閉等屬性在用戶程序中均可以被無限次的引用。均可以被無限次的引用。(2)語句表語句表 語句表語句表STL是一種類似于匯編語言的助記符編程是一種類似于匯編語言的助記符編程語言，每種控制功能通過一條或多條語句來描述。語言，每種控制功能通過一條或多條語句來描述。 語句表編程語言的特點是面向機器，編程靈活

44、方語句表編程語言的特點是面向機器，編程靈活方便，尤其適用于模擬量的解算。語句表的基本指令格便，尤其適用于模擬量的解算。語句表的基本指令格式都是由式都是由操作碼和操作數(shù)操作碼和操作數(shù)兩部分組成。兩部分組成。 ( ) 起始母線 結(jié)束母線00200 00004 00003 00001 00002 串聯(lián) 并聯(lián) (b) PLC梯形圖梯形圖LD 00001OR 00002LD NOT 00003AND 00004AND LDOUT 00200語句表語句表10.3.5 PLC的程序結(jié)構(gòu)的程序結(jié)構(gòu)線性化編程線性化編程 將用戶指令逐條編寫在一個連續(xù)的指令塊中，將用戶指令逐條編寫在一個連續(xù)的指令塊中，適用于比較簡

45、單的任務(wù)。適用于比較簡單的任務(wù)。結(jié)構(gòu)化編程結(jié)構(gòu)化編程 適合編制并組織復(fù)雜的應(yīng)用程序，它允許把整適合編制并組織復(fù)雜的應(yīng)用程序，它允許把整個應(yīng)用程序劃分成若干個模塊，用一個主程序來對個應(yīng)用程序劃分成若干個模塊，用一個主程序來對這些模塊進行組織和調(diào)用。這些模塊進行組織和調(diào)用。10.4 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（Fieldbus Control System, FCS）是在計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)、微電子技術(shù)是在計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)、微電子技術(shù)飛速發(fā)展的基礎(chǔ)上，與自動控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。飛速發(fā)展的基礎(chǔ)上，與自動控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。它實際是繼儀表控制系統(tǒng)

46、、集中式數(shù)字控制系統(tǒng)、集它實際是繼儀表控制系統(tǒng)、集中式數(shù)字控制系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)后的新一代控制系統(tǒng)。散控制系統(tǒng)后的新一代控制系統(tǒng)。 現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線是是2020世紀(jì)世紀(jì)8080年代中期在國際上開始出現(xiàn)，年代中期在國際上開始出現(xiàn)，9090年代初發(fā)展形成的。年代初發(fā)展形成的。它是應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場、微機化它是應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場、微機化測量設(shè)備之間以及現(xiàn)場與控制室（或控制設(shè)備）之間測量設(shè)備之間以及現(xiàn)場與控制室（或控制設(shè)備）之間的一種雙向串行、多節(jié)點的數(shù)字通信系統(tǒng)，也被稱為的一種雙向串行、多節(jié)點的數(shù)字通信系統(tǒng)，也被稱為開放式、數(shù)字化、多節(jié)點通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)。開放式、數(shù)字化、多節(jié)點通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)。10.4

47、.1 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的發(fā)展(1)(1)現(xiàn)場總線是綜合自動化發(fā)展的需要現(xiàn)場總線是綜合自動化發(fā)展的需要 隨著計算機、信息技術(shù)的飛速發(fā)展，隨著計算機、信息技術(shù)的飛速發(fā)展，20 20 世紀(jì)末世界最重世紀(jì)末世界最重大的變化是全球市場的逐漸形成，從而導(dǎo)致競爭空前加劇，大的變化是全球市場的逐漸形成，從而導(dǎo)致競爭空前加劇，產(chǎn)品技術(shù)含量高、更新?lián)Q代快。處于全球市場中的工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)品技術(shù)含量高、更新?lián)Q代快。處于全球市場中的工業(yè)生產(chǎn)必須加快新產(chǎn)品的開發(fā)，按市場需求調(diào)整產(chǎn)品的上市時間必須加快新產(chǎn)品的開發(fā)，按市場需求調(diào)整產(chǎn)品的上市時間T(Time to market)，改善質(zhì)量改善質(zhì)量Q(Qual

48、ity)，降低成本降低成本C(Cost)，完善售后服務(wù)完善售后服務(wù)S(Service)。追求完善的追求完善的T、Q、C、S是一個永是一個永無止境的過程，它能不斷的促進技術(shù)進步與管理改革。因此無止境的過程，它能不斷的促進技術(shù)進步與管理改革。因此形成了形成了計算機集成制造系統(tǒng)計算機集成制造系統(tǒng)CIMS(Computer Integrated Manufacturing System) ，它采用系統(tǒng)集成、信息集成的觀它采用系統(tǒng)集成、信息集成的觀點來組織生產(chǎn)。把市場、生產(chǎn)技術(shù)、制造過程、企業(yè)管理、點來組織生產(chǎn)。把市場、生產(chǎn)技術(shù)、制造過程、企業(yè)管理、售后服務(wù)看作要統(tǒng)一考慮的生產(chǎn)過程，并采用計算機、自動售

49、后服務(wù)看作要統(tǒng)一考慮的生產(chǎn)過程，并采用計算機、自動化、通信等技術(shù)來實現(xiàn)整個過程的綜合自動化，以改善生產(chǎn)化、通信等技術(shù)來實現(xiàn)整個過程的綜合自動化，以改善生產(chǎn)加工、管理決策等。加工、管理決策等。 計算機為計算機為CIMS的實施提供了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)。的實施提供了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)。但處于企業(yè)生產(chǎn)過程底層的測控自動化系統(tǒng)，要但處于企業(yè)生產(chǎn)過程底層的測控自動化系統(tǒng)，要與外界交換信息，要實現(xiàn)整個生產(chǎn)過程的信息集與外界交換信息，要實現(xiàn)整個生產(chǎn)過程的信息集成，要實施綜合自動化，就必須設(shè)計出一種能在成，要實施綜合自動化，就必須設(shè)計出一種能在工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境運行的、性能可靠、造價低廉的通工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境運行的、性能可靠、造價

50、低廉的通信系統(tǒng)，以實現(xiàn)現(xiàn)場自動化智能設(shè)備之間的信系統(tǒng)，以實現(xiàn)現(xiàn)場自動化智能設(shè)備之間的多點多點數(shù)字通信數(shù)字通信，形成工廠底層網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實現(xiàn)底層現(xiàn)，形成工廠底層網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實現(xiàn)底層現(xiàn)場設(shè)備之間以及生產(chǎn)現(xiàn)場與外界的信息交換。場設(shè)備之間以及生產(chǎn)現(xiàn)場與外界的信息交換?，F(xiàn)現(xiàn)場總線就是在這種背景下產(chǎn)生的。場總線就是在這種背景下產(chǎn)生的。(2)(2)高新技術(shù)的發(fā)展為現(xiàn)場總線的出現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)高新技術(shù)的發(fā)展為現(xiàn)場總線的出現(xiàn)奠定了基礎(chǔ) 傳輸信號的數(shù)字化是實現(xiàn)數(shù)字通信的基礎(chǔ)。傳輸信號的數(shù)字化是實現(xiàn)數(shù)字通信的基礎(chǔ)。1983年，年，Honeywell推出了智能化儀表推出了智能化儀表Smar變變送器，這些帶有微處理器芯片的儀表

51、除了在原有模送器，這些帶有微處理器芯片的儀表除了在原有模擬儀表的基礎(chǔ)上增加了復(fù)雜的計算功能外，還在輸擬儀表的基礎(chǔ)上增加了復(fù)雜的計算功能外，還在輸出的出的420mA直流信號上迭加了數(shù)字信號，使現(xiàn)場直流信號上迭加了數(shù)字信號，使現(xiàn)場與控制室之間的連接由模擬信號過渡到了數(shù)字信號。與控制室之間的連接由模擬信號過渡到了數(shù)字信號。這種屬于這種屬于模擬混合儀表模擬混合儀表，其系統(tǒng)或設(shè)備間只能按模，其系統(tǒng)或設(shè)備間只能按模擬信號方式一對一地布線，難以實現(xiàn)智能儀表之間擬信號方式一對一地布線，難以實現(xiàn)智能儀表之間的信息交換，智能儀表能處理多個信息和復(fù)雜計算的信息交換，智能儀表能處理多個信息和復(fù)雜計算的優(yōu)越性難以充分發(fā)

52、揮，應(yīng)用需求呼喚著具備通信的優(yōu)越性難以充分發(fā)揮，應(yīng)用需求呼喚著具備通信功能的、傳輸信號全數(shù)字化的儀表與系統(tǒng)的出現(xiàn)。功能的、傳輸信號全數(shù)字化的儀表與系統(tǒng)的出現(xiàn)。(3)(3)現(xiàn)場總線將朝著開放系統(tǒng)、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的方向發(fā)展現(xiàn)場總線將朝著開放系統(tǒng)、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的方向發(fā)展 以微處理器芯片為基礎(chǔ)的各種智能儀表，為現(xiàn)以微處理器芯片為基礎(chǔ)的各種智能儀表，為現(xiàn)場信號的數(shù)字化以及實現(xiàn)復(fù)雜的應(yīng)用功能提供了條場信號的數(shù)字化以及實現(xiàn)復(fù)雜的應(yīng)用功能提供了條件。但不同廠商所提供的設(shè)備之間的通信標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)件。但不同廠商所提供的設(shè)備之間的通信標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，嚴重束縛了工廠底層網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。從用戶到設(shè)一，嚴重束縛了工廠底層網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。從用戶到設(shè)

53、備制造商都強烈要求形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，組成開放互備制造商都強烈要求形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，組成開放互連網(wǎng)絡(luò)。把不同廠商提供的自動化設(shè)備互連為系統(tǒng)。連網(wǎng)絡(luò)。把不同廠商提供的自動化設(shè)備互連為系統(tǒng)。這里的這里的開放開放意味著對同一標(biāo)準(zhǔn)的共同遵從，意味著意味著對同一標(biāo)準(zhǔn)的共同遵從，意味著這些來自不同廠商而遵從相同標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備可互連為這些來自不同廠商而遵從相同標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備可互連為一致通信系統(tǒng)。所以一致通信系統(tǒng)。所以現(xiàn)場總線就是工廠自動化領(lǐng)域現(xiàn)場總線就是工廠自動化領(lǐng)域的開放互連系統(tǒng)的開放互連系統(tǒng)。10.4.2 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的特點與優(yōu)點現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的特點與優(yōu)點(1) 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點結(jié)構(gòu)

54、特點 現(xiàn)場總線系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式。 傳統(tǒng)模擬控制系統(tǒng)采用一對一的設(shè)備連線，按控傳統(tǒng)模擬控制系統(tǒng)采用一對一的設(shè)備連線，按控制回路分別進行連接。位于現(xiàn)場的測量變送器與位于制回路分別進行連接。位于現(xiàn)場的測量變送器與位于控制室的控制器之間，控制器與位于現(xiàn)場的執(zhí)行器、控制室的控制器之間，控制器與位于現(xiàn)場的執(zhí)行器、開關(guān)、馬達之間均為一對一的物理連接。開關(guān)、馬達之間均為一對一的物理連接。 現(xiàn)場總線系統(tǒng)由于采用了智能現(xiàn)場設(shè)備，能夠把現(xiàn)場總線系統(tǒng)由于采用了智能現(xiàn)場設(shè)備，能夠把原先原先DCS系統(tǒng)中處于控制室的控制模塊、各輸入輸出系統(tǒng)中處于控制室的控制模塊、各

55、輸入輸出模塊置于現(xiàn)場設(shè)備，加上現(xiàn)場設(shè)備具有通信能力，現(xiàn)模塊置于現(xiàn)場設(shè)備，加上現(xiàn)場設(shè)備具有通信能力，現(xiàn)場的測量變送儀表可以與閥門等執(zhí)行機構(gòu)直接傳送信場的測量變送儀表可以與閥門等執(zhí)行機構(gòu)直接傳送信號，因而控制系統(tǒng)能夠不依賴控制室的計算機或控制號，因而控制系統(tǒng)能夠不依賴控制室的計算機或控制儀表，直接在現(xiàn)場完成，實現(xiàn)了徹底的分散控制。儀表，直接在現(xiàn)場完成，實現(xiàn)了徹底的分散控制。 Fieldbus Controller I/O 子系統(tǒng) Controller 傳統(tǒng)計算機控制傳統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意FCS結(jié)構(gòu)示意結(jié)構(gòu)示意圖圖10-10 DDC與與FCS的結(jié)構(gòu)比較的結(jié)構(gòu)比較(2) 現(xiàn)場總線控制系

56、統(tǒng)的特點現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的特點 現(xiàn)場總線將具有網(wǎng)絡(luò)連接功能的現(xiàn)場智能儀表連現(xiàn)場總線將具有網(wǎng)絡(luò)連接功能的現(xiàn)場智能儀表連接起來，構(gòu)成了現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。其在技術(shù)上具有接起來，構(gòu)成了現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。其在技術(shù)上具有如下特點：如下特點：系統(tǒng)的開放性系統(tǒng)的開放性 開放是指總線標(biāo)準(zhǔn)、通信協(xié)議的一開放是指總線標(biāo)準(zhǔn)、通信協(xié)議的一致性、公開性，強調(diào)對標(biāo)準(zhǔn)的共識與遵從。一個開放致性、公開性，強調(diào)對標(biāo)準(zhǔn)的共識與遵從。一個開放系統(tǒng)是指它可以與世界上任何地方遵守相同標(biāo)準(zhǔn)的其系統(tǒng)是指它可以與世界上任何地方遵守相同標(biāo)準(zhǔn)的其他設(shè)備或系統(tǒng)連接。不同廠家的設(shè)備之間可實現(xiàn)信息他設(shè)備或系統(tǒng)連接。不同廠家的設(shè)備之間可實現(xiàn)信息交換。用戶

57、可按自己的需要，把來自不同供應(yīng)商的產(chǎn)交換。用戶可按自己的需要，把來自不同供應(yīng)商的產(chǎn)品組成大小隨意的系統(tǒng)。因此，借助現(xiàn)場總線可以構(gòu)品組成大小隨意的系統(tǒng)。因此，借助現(xiàn)場總線可以構(gòu)筑自動化領(lǐng)域的開放互連系統(tǒng)。筑自動化領(lǐng)域的開放互連系統(tǒng)。互可操作性與互換性互可操作性與互換性 互可操作性是指相互連接儀互可操作性是指相互連接儀表間、設(shè)備間及系統(tǒng)間的信息傳送與溝通，可實現(xiàn)點表間、設(shè)備間及系統(tǒng)間的信息傳送與溝通，可實現(xiàn)點對點、一點對多點的數(shù)字通信?；Q性則意味著不同對點、一點對多點的數(shù)字通信?；Q性則意味著不同生產(chǎn)廠家的性能類似的儀表、設(shè)備可實現(xiàn)相互替換。生產(chǎn)廠家的性能類似的儀表、設(shè)備可實現(xiàn)相互替換?，F(xiàn)場設(shè)備

58、的智能化與功能自治性現(xiàn)場設(shè)備的智能化與功能自治性 它將傳感器測量、它將傳感器測量、補償計算、線性化處理、工程量變換與控制等功能分補償計算、線性化處理、工程量變換與控制等功能分散到現(xiàn)場設(shè)備中完成，僅靠現(xiàn)場設(shè)備即可完成自動控散到現(xiàn)場設(shè)備中完成，僅靠現(xiàn)場設(shè)備即可完成自動控制的基本功能，并可隨時診斷設(shè)備的運行狀態(tài)。制的基本功能，并可隨時診斷設(shè)備的運行狀態(tài)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性 現(xiàn)場總線已構(gòu)成一種新現(xiàn)場總線已構(gòu)成一種新的全分散性控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。從根本上改變了現(xiàn)的全分散性控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。從根本上改變了現(xiàn)有有DCSDCS集中與分散相結(jié)合的集散控制系統(tǒng)體系，簡化集中與分散相結(jié)合的集

59、散控制系統(tǒng)體系，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了可靠性。了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了可靠性。對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性 作為工廠網(wǎng)絡(luò)底層的現(xiàn)場作為工廠網(wǎng)絡(luò)底層的現(xiàn)場總線，是專為現(xiàn)場環(huán)境而設(shè)計的，可支持雙絞線、同總線，是專為現(xiàn)場環(huán)境而設(shè)計的，可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等，具有較強軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等，具有較強的抗干擾能力，能采用兩線制實現(xiàn)供電與通信，并可的抗干擾能力，能采用兩線制實現(xiàn)供電與通信，并可滿足本質(zhì)安全防爆要求等。滿足本質(zhì)安全防爆要求等。(3) 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的優(yōu)點現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的優(yōu)點節(jié)省硬件數(shù)量與投資節(jié)省硬件數(shù)量與投資 節(jié)省安裝費用節(jié)省安裝費用 節(jié)省維

60、護開銷節(jié)省維護開銷 用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動權(quán)用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動權(quán)提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性10.4.3 現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn) (1)(1)現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的形成現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的形成 在現(xiàn)場總線的開發(fā)過程中，出現(xiàn)了多種總線（如在現(xiàn)場總線的開發(fā)過程中，出現(xiàn)了多種總線（如FFFF、LonLon WorksWorks、HartHart、CANCAN等）標(biāo)準(zhǔn)，它們的結(jié)構(gòu)、等）標(biāo)準(zhǔn)，它們的結(jié)構(gòu)、特性各異，通信協(xié)議也不相同，都有自己特定的應(yīng)用特性各異，通信協(xié)議也不相同，都有自己特定的應(yīng)用背景。但是現(xiàn)場總線既然是開放的，就應(yīng)該有一個統(tǒng)背景。但是現(xiàn)場總

61、線既然是開放的，就應(yīng)該有一個統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)，只有大家都遵守相同的標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)場總一的國際標(biāo)準(zhǔn)，只有大家都遵守相同的標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)場總線才能真正發(fā)揮其優(yōu)越性，并得到健康的發(fā)展。國際線才能真正發(fā)揮其優(yōu)越性，并得到健康的發(fā)展。國際電工委員會（電工委員會（IECIEC）非常重視現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的制定，非常重視現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的制定，早在早在19841984年就成立了年就成立了IEC/TC65/SC65C/WG6IEC/TC65/SC65C/WG6工作組，開工作組，開始起草現(xiàn)場總線系列標(biāo)準(zhǔn)。由于參與討論的各大集團始起草現(xiàn)場總線系列標(biāo)準(zhǔn)。由于參與討論的各大集團公司都從自身的利益角度出發(fā)，分歧很大，工作進展公司都從自身的利益

62、角度出發(fā)，分歧很大，工作進展緩慢。經(jīng)過長期爭論和反復(fù)修改，在緩慢。經(jīng)過長期爭論和反復(fù)修改，在20002000年初，年初，IECIEC頒布了由多數(shù)國家確認的頒布了由多數(shù)國家確認的IEC 61158IEC 61158現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。 IEC 61158IEC 61158并非是單一的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，而是包并非是單一的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，而是包括了從括了從Type 1Type 1至至Type 8Type 8共共8 8種總線標(biāo)準(zhǔn)，這是因為它種總線標(biāo)準(zhǔn)，這是因為它要兼顧眾多廠商的投資利益和考慮現(xiàn)場總線的實際使要兼顧眾多廠商的投資利益和考慮現(xiàn)場總線的實際使用情況。因此，在今后一段時間里，會出現(xiàn)多種現(xiàn)場用

63、情況。因此，在今后一段時間里，會出現(xiàn)多種現(xiàn)場總線共存，甚至同一生產(chǎn)現(xiàn)場有幾種總線標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備總線共存，甚至同一生產(chǎn)現(xiàn)場有幾種總線標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備互連通信的局面。但是，發(fā)展統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，形成互連通信的局面。但是，發(fā)展統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，形成真正的開放式互連系統(tǒng)是眾望所歸，大勢所趨。真正的開放式互連系統(tǒng)是眾望所歸，大勢所趨。 在在IEC 61158中包含的中包含的10種現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（種現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（2003）Type 1 PhL,DDL以以 FF H1為原型，為原型，AL是是IEC TSType 2 PhL,DDL是是ControlNet, AL是是 ControlNet+EtherNet/IPTy

64、pe 3 PROFIBUSType 4 P-NETType 5 PhL,DDL無，無， AL 是是FF HSEType 6 SwiftNetType 7 WorldFIPType 8 INTERBUSType 9 PhL,DDL無，無， AL是是 Type 1的子集的子集Type 10 PROFINET(2) (2) IEC61158IEC61158的的1010種現(xiàn)場總線種現(xiàn)場總線 Type 1現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線Type 1現(xiàn)場總線由現(xiàn)場總線由IEC 61158 TS技術(shù)規(guī)范全面定義。技術(shù)規(guī)范全面定義。該現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是按國際標(biāo)準(zhǔn)化組織該現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是按國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)的的開放

65、互連系統(tǒng)開放互連系統(tǒng)(OSI)參考模型建立的，它由物理層、參考模型建立的，它由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層及用戶層組成，用戶層是考慮數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層及用戶層組成，用戶層是考慮到現(xiàn)場儀表的控制功能和具體應(yīng)用而增加的。到現(xiàn)場儀表的控制功能和具體應(yīng)用而增加的。Type 1總線主要用于現(xiàn)場控制級，傳輸速率為總線主要用于現(xiàn)場控制級，傳輸速率為31.25Kbps，支持總線供電和本質(zhì)安全放爆?？偩€用戶層具有標(biāo)支持總線供電和本質(zhì)安全放爆?？偩€用戶層具有標(biāo)準(zhǔn)功能快和裝置描述功能，使現(xiàn)場儀表能就地實施準(zhǔn)功能快和裝置描述功能，使現(xiàn)場儀表能就地實施控制策略，并實現(xiàn)儀表間的互操作功能?？刂撇呗?，并實現(xiàn)儀表間的互操作功能

66、。Type 2現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線 Type 2總線即總線即Control Net現(xiàn)場總線，由現(xiàn)場總線，由A-B/Rockwell公司設(shè)計并得到公司設(shè)計并得到CI(Control Net International)組織的支持。該總線是一種用于對組織的支持。該總線是一種用于對信息傳遞有時間苛刻要求的高速確定性網(wǎng)絡(luò)，同信息傳遞有時間苛刻要求的高速確定性網(wǎng)絡(luò)，同時它允許傳送無時間苛求的報文數(shù)據(jù)。通信模式時它允許傳送無時間苛求的報文數(shù)據(jù)。通信模式為生產(chǎn)者為生產(chǎn)者/客戶模式（客戶模式（producer/consumer model），），這種模式允許網(wǎng)絡(luò)上的所有節(jié)點同時從單個數(shù)據(jù)這種模式允許網(wǎng)絡(luò)上的所有節(jié)點同時從單個數(shù)據(jù)源存取相同的數(shù)據(jù)，傳輸速率可達源存取相同的數(shù)據(jù)，傳輸速率可達5Mbps。由由Type 2現(xiàn)場總線構(gòu)成的系統(tǒng)包括信息層現(xiàn)場總線構(gòu)成的系統(tǒng)包括信息層（Ethernet）、）、控制層（控制層（Control Net）和現(xiàn)場層和現(xiàn)場層（Device Net）。）。Type 3現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線 Type 3總線即總線即Profibus現(xiàn)場總線，由德國多家公司現(xiàn)場總線，由德國多家公司和科研機構(gòu)