作者：黄宋魏 等编著
出版社：化学工业出版社
格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT
工业过程控制系统及工程应用试读：
前言
目前，控制系统在工业生产中的应用发展很快，已经深入到了工业过程的各个方面，在工业生产中发挥了巨大的作用。控制新技术和控制新装备的不断涌现，急需大量的掌握相关技术知识和具有较强动手能力的技术人员。然而，目前我国的实际状况是：许多自控专业的高年级本科生、研究生、刚步入工作岗位的毕业生、没有参加过工程实践或者工程经验不足的技术人员，对工业过程控制系统的设计开发和应用缺乏整体的了解，也不太清楚实际控制系统的设计开发具体需要掌握什么样的知识和技术，不太了解如何综合运用这些知识和技术进行控制系统的设计开发和应用调试等。为此结合作者的工程实践经验撰写了这本书。
典型工业过程控制系统实施的整个过程主要包括：控制任务的提出、控制系统规划（包括初步方案提出、方案论证、方案确定等），控制系统设计（包括结构设计、自动化仪表选型、控制主机选型、组态软件的选择、线路设计、安装设计、供电与供气设计、报警及联锁设计、控制室设计、接地设计等），硬件系统的安装组建（包括主机安装、自动化仪表安装、配管配线、布线接线等），控制应用软件与监控应用软件的开发（包括控制计算机的控制软件、监控计算机的监控软件等），控制系统调试（包括控制计算机硬件及软件调试、监控计算机硬件及软件调试、自动化仪表调试等）。这些过程工作联系紧密，共同决定着控制系统的质量和性能。
控制系统组成主要包括：控制计算机、监控计算机、控制及监控软件、检测仪表、执行机构等。目前，可供控制系统选择的控制计算机类型很多，主要有PLC、DCS和FCS等，这三种控制计算机有着千丝万缕的联系，PLC因价格较低、性能接近DCS、易于组建控制系统，在大、中、小型控制系统中仍然具有非常重要的地位，其中西门子PLC在我国工业过程应用尤为广泛。以前，控制系统的监控计算机主要采用专门的工控机，近年来，控制系统普遍采用一般的商用计算机作为监控计算机，并且其安全性与工控机性能相当甚至更好。采用组态软件进行监控系统开发已是控制系统惯用的手段，可供选择的组态软件主要有：组态王、易控、Intouch、Wincc、iFix等，组态王属国产组态软件，因价格低廉、性能已达到国际先进水平，在我国得到了广泛的应用。控制系统的总体可靠性往往由自动化仪表决定，自动化仪表的类型和品牌很多，主要有DCS和FCS两大类型，FCS仪表因技术先进、性能优越，是自动化仪表发展的方向，因种种原因，DCS类型的自动化仪表仍然占主导地位，可以预见，DCS类和FCS类型的自动化仪表将长期共存。
目前，各种类型的控制计算机、自动化仪表层出不穷，采用什么规范进行自控项目设计成为困惑自控设计人员的问题，“HG/T自控设计规定—2000”提出了PLC控制系统与DCS的设计规范，而没有FCS的设计规范，而实际上，自控设计人员在进行具有模拟量和数字量控制系统设计时，不管采用的控制计算机是PLC、DCS还是FCS，往往采用DCS的设计规范。为了适应新形势、新发展的需要，2014年10月，我国工业与信息化部发布了“HG/T自控设计规定—2014”，与2000年发布的“HG/T自控设计规定—2000”比较，新版本大部分还沿用以前的规范，但对一些图形符号及含义进行了修改，增加了“术语”、仪表回路号、信号处理功能图形符号、二进制逻辑图形符号等新内容。基本上统一了不同控制系统类型的设计规范，在自动化仪表和控制主机方面，新规范与2000版DCS规范大致相同。本书及时介绍了这种新变化。《工业过程控制系统及工程应用》以工业过程控制系统的设计开发及工程应用为主线，从当前工业过程控制的实际需要和过程控制的最新发展出发，结合编著者控制系统工程应用的研究新成果，系统深入地介绍了控制系统设计开发与工程应用需要具备的基础知识和基本技术方法。本书共9章，第1章介绍控制系统的基本概念和基本原理；第2章介绍控制系统的工程规划，包括设计步骤、硬件配置、软件配置、监控系统设计开发和工程实践等；第3章结合2014版自控设计规范，简要介绍了工业过程控制系统的相关设计规范；第4章介绍控制系统现场检测仪表和执行仪表的设计选型方法；第5章以最常用的西门子S7-300/400PLC为应用机型，简要介绍了CPU、I/O模块等的技术性能，以及PLC控制系统的设计和构建方法；第6章介绍西门子S7-300/400PLC的编程软件STEP7的功能及编程方法；第7章介绍最为常用的国产组态软件——组态王V6.55的主要功能和使用方法；第8章介绍控制系统的应用调试和运行维护方法；第9章较为详细地介绍了底吹炉熔炼生产过程控制系统的设计开发及实际应用案例，包括生产工艺过程，测控内容及要求，现场测控点的确定，测控仪表的选型，控制系统硬件及软件配置，底吹炉监控界面的设计开发等，以便于读者学习实际工业过程控制系统的设计方法。
本书既是初学者的教材又是自控工程技术人员的参考书，是一本理论紧密联系实际的控制系统设计开发及工程应用的著作。本书较为系统地介绍了工业过程控制系统设计开发和工程应用所具备的基础知识和基本技术方法，面向的是非常广大的自动化专业的工科师生和工程技术人员，学术性、技术性、实践性都很强。内容叙述简明扼要、通俗易懂、循序渐进、方便自学，十分适合工程技术人员的自学，也可作为高校的自动化类专业的高年级本科生、研究生的理论和实践教材。
本书由黄宋魏、张博亚、童雄、和丽芳共同撰写。本书共9章，第1章由和丽芳、黄宋魏撰写，第2、3、5、6、7、8章由黄宋魏撰写，第4章由童雄、黄宋魏撰写，第9章由张博亚、黄宋魏撰写，全书由黄宋魏统稿。本书撰写过程中得到了昆明理工大学以及云南铜业股份有限公司的大力支持，在此表示衷心感谢。
由于本书内容涉及多种学科技术前沿，内容丰富、实践性强，且知识面广，加上作者学识有限，因此，难免存在不妥之处，殷切期待广大同行、读者给予批评指正。编著者2015年6月第1章 控制系统概论1.1 控制系统的基本组成
计算机控制系统是利用计算机来实现工业生产过程自动控制的系统，是在常规仪表控制系统的基础上发展起来的，将常规自动控制系统中的模拟调节器由计算机来实现，就组成了一个典型的计算机控制系统。控制技术综合应用控制理论、仪器仪表、计算机和其他信息技术，对工业生产过程实现检测、控制、优化、管理和决策，以达到增加生产量，提高生产率，确保生产安全的高新技术。
目前，控制系统几乎离不开计算机，因此，将计算机控制系统简称为控制系统。尽管控制系统的模式多种多样，但其基本组成大致相同。如图1.1所示，控制系统由控制主机和外围设备组成。控制主机包括中央处理器（CPU）、存储器、A/D转换接口、D/A转换接口、开关量输入接口、开关量输出接口等部件；外围设备包括检测仪表、执行机构、人机界面、操作器件、通信设备等。尽管控制主机的类型、型号等多种多样，但本质上说都属于计算机，都包含CPU、存储器、I/O电路等。由于工业过程的应用场合和目的各不相同，控制系统中的控制计算机的类别和型号也千差万别，控制系统的组成也各不相同，但是，控制系统的基本组成大同小异，主要由两大部分组成：硬件和软件。其中硬件包括主机、输入/输出模块、通信设备、现场设备、操作器件；软件包括系统软件和应用软件等。图1.1 典型控制系统组成1.1.1 控制主机
控制主机由中央处理器、存储器和接口电路等组成，是计算机控制系统的核心。根据输入设备采集到的反映生产过程工作状况的信息，按存储器中预先存储的程序，选择相应的控制算法，自动地进行信息处理和运算，实时地通过输出设备向生产过程发送控制命令，从而达到预定的控制目标。控制系统主机分为控制计算机（下位机）和管理计算机（上位机），下位机负责过程控制，上位机负责监控管理。下位机一般采用PLC、DCS、FCS等控制主机，上位机一般采用工业计算机。1.1.2 检测仪表
用来检测过程各个参数的技术工具称为检测仪表。也称测量仪表。是指能正确感受和反映被测量大小的仪表。确定被测变量的量值变化或量值特性、状态、成分的仪表。工业生产中有压力、流量、温度、液位等物理仪表，有气体分析、水分分析、微量元素分析等分析仪表。
检测仪表一般由传感器和变送器组成。传感器能感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置；变送器将传感器的信号转换为规定的标准信号输出或进行显示。
检测仪表的输出信号通常为4～20mA，该信号与检测仪表的量程相对应。检测仪表也可以直接是传感器（如热电阻、热电偶等）。常用的检测仪表主要有：热电阻、热电偶、压力变送器、差压变送器、雷达物位计、电磁流量计、pH计等。1.1.3 执行机构
执行机构使用电力、气体、液体或其他能源并通过电机、汽缸或其他装置将其转化成驱动作用。基本的执行机构用于把阀门驱动至全开或全关的位置。用于控制阀的执行机构能够精确地使阀门走到任何位置。尽管大部分执行机构都是用于开关阀门，但是如今执行机构的设计远远超出了简单的开关功能，它们包含了位置感应装置，力矩感应装置，电极保护装置，逻辑控制装置，数字通讯模块及PID控制模块等，而这些装置全部安装在一个紧凑的外壳内。
执行机构通常由执行装置和控制器组成，根据给定的模拟量信号（如4～20mA）的大小来调节工作状态（如阀门的开度、变频电机转速等）。执行机构主要有电动、气动、液动三种类型，分别以电力、气体、液体为动力源。常用的执行机构主要有：电动执行器、电动调节阀、气动执行器、气动调节阀、液动执行器、液动调节阀等。1.1.4 通信设备
现代化工业生产过程的规模一般都比较大，其控制和管理也很复杂，往往需要几台或几十台计算机才能分级完成。这样，在不同地理位置、不同功能的计算机或设备之间就需要通过通信设备进行信息交换。不同厂家的控制主机系统提供不同的通信设备，以太网通信网卡及交换机是常用的通信设备。1.1.5 操作器件
操作员与系统之间进行人机对话的信息交换工具，一般由按钮、开关、指示灯等构成，操作员通过操作器件可以了解与控制整个系统的运行状态。对于某些重要设备的启动/停止操作控制，有时操作器件是必需的。目前，操作器件已经多为虚拟器件所替代，即操作器件已经不是有型的实物，而是计算机软件的模拟功能画面，通过监控计算机的虚拟操作器件，可以启动/停止设备、设定控制量、显示数据和状态等。1.1.6 人机界面
人机界面是指人和机器在信息交换和功能上接触的结合面，它实现信息的内部形式与人类可以接受形式之间的转换。一般来说，凡是人-机信息交流的领域都存在着人机界面。以前，人机界面主要指人与计算机进行信息交换的操作界面，如开关、字符显示仪、拨码开关等。目前，人机界面主要指触摸屏式的计算机或工业计算机，提供更为丰富的显示和操作功能，在一些场合可以完全替代操作器件。1.1.7 系统软件
系统软件一般由计算机厂家提供，支持系统开发、测试、运行和维护的工具软件，主要包括计算机操作系统（如WINDOWS、UNIX等）、各种控制主机的编程软件（如西门子STEP7、三菱GX Developer等）和监督管理软件（如组态王、WINCC、INTOUCH等）等。系统软件的主要特征是：
①与硬件有很强的交互性；
②能对资源共享进行调度管理；
③能解决并发操作处理中存在的协调问题；
④其中的数据结构复杂，外部接口多样化，便于用户反复使用。1.2 分布式控制系统
分布式控制系统采用微处理机分别控制各个回路，而用中、小型工业控制计算机或高性能的微处理机实施上一级的控制。各回路之间和上、下级之间通过高速数据通道交换信息。分布式控制系统具有数据获取、直接数字控制、人机交互以及监控和管理等功能。分布式控制系统是在计算机监督控制系统、直接数字控制系统和计算机多级控制系统的基础上发展起来的，是生产过程的一种比较完善的控制与管理系统。在分布式控制系统中，按区域把控制站安装在测量装置与控制执行机构附近，将控制功能尽可能分散，管理功能相对集中。这种分散化的控制方式能改善控制的可靠性，不会由于个别计算机的故障而使整个系统失去控制。当管理级发生故障时，过程控制级（控制回路）仍具有独立控制能力，个别控制回路发生故障时也不致影响全局。与计算机多级控制系统相比，分布式控制系统在结构上更加灵活、布局更为合理和成本更低。
分布式控制系统是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机（Computer）、通信（Communication）、显示（CRT）和控制（Control）等4C技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、灵活配置、方便组态。目前，大部分的复杂过程控制系统都采用这种结构类型。1.2.1 分布式控制系统的结构
对于集中式计算机控制系统，其两大应用指标是中央计算机的处理和计算机自身的可靠性。若计算机的处理速度快，它在一定时间范围内就可以管理更多的被控设备。和以往一样，工厂中已有的仪器仪表装置都不得不连接到计算机上，这样在计算机和仪器仪表间存在着很多连接装置。若是利用中央计算机来进行技术改造，利用现存的连接装置，整个控制系统的完成就比较省事；若是要重建工厂就不太容易，因为计算机变得越来越便宜，而连接装置的造价相对变化不大，这样连接装置比计算机的花费还大。另外，所有的控制功能都集中到单台计算机上来完成，一旦计算机出了问题，就意味着所有功能都将失效，对于这种状况，必须寻求一种更加可靠的计算机自动化控制系统。
20世纪60年代末到70年代初，出现了小型、微型计算机，使得小型、微型计算机的功能更加完善，并且价格便宜。因而可以用这种小型计算机来代替中央计算机的局部工作，以对其周围的装置进行过程监控，有人将这些小型机组成为第一级计算机；而中央计算机只处理中心自动化问题和管理方面的问题，从而产生了两级自动化控制系统的结构（图1.2），也有人把这种结构称为分散式计算机系统。这种结构在当时得到了广泛应用。20世纪70年代末，一开始集散控制系统是以多个计算机自动化系统的形式由制造商推出，而一旦用户采用了分散式计算机控制系统，就必然会在满足自己应用的前提下，选择价格更加合理的不同厂家的计算机产品，而且当分散式控制系统逐渐建成后，就会与现存的过程控制计算机集成起来，一起完成它们的主要功能，这些小型计算机主要是完成实时处理、前端处理功能，而中央计算机只充当后继处理设备。这样中央计算机不用直接与现场设备打交道，从而把部分控制功能和危险都分散到前端计算机上，如果中央计算机一旦失效，设备的控制功能依旧得到保证。图1.2 二层结构的分布式控制系统
图1.2中所示的多计算机结构比较适合小型工业自动化过程，在这些系统中存在的前端计算机较少，然而当控制规模增大后就得有很多前端计算机才能满足应用需求，从而使中央计算机的负载增大，难以在单台中央计算机的条件下及时完成诸如模块上优化、系统管理等方面的工作。在这种应用条件下，就出现了具有中间层次计算机的控制系统。在整个控制系统中，中间计算机分布在各车间或工段上，处在前端计算机和中央计算机之间并担当起一些以往要求中央计算机来处理的职能，系统结构就形成了三级计算机之间并担当起一些以往要求中央计算机来处理的职能，系统结构就形成了三级计算机控制模式（图1.3）。这种结构模式在工厂自动化方面得到了很广泛的应用，至今仍经常见到。图1.3 三层结构的分布式控制系统1.2.2 分布式控制系统的功能层次
目前，层次化已成为控制系统的体系特点，使其体现集中操作管理、分散控制思想。典型的控制系统的体系结构目前一般分为四层结构：过程控制级，集中监控级，生产管理级，综合管理级，如图1.4所示。图1.4 分布式控制系统层次结构
过程控制级：主要由现场控制站、I/O单元和现场各类装置（如变送器、执行器、记录仪表等）组成，是系统控制功能的主要实施部分。控制系统的现场控制站接受现场送来的测量信号，按照指定的控制算法，对信号进行输入处理，控制算法运算，输出处理后向执行器发出控制指令。同时接受上层的管理信息，并向上传递过程控制级的现场装置的特性参数和现场采集到的实时数据。
集中监控级：包括操作员站和工程师站，用于完成系统的操作和组态，综合监控各过程控制站的所有信息，集中显示操作，控制回路组态和参数修改，优化过程处理。
生产管理级（产品管理级）：位于这一级的管理计算机根据生产的产品情况，协调各单元级的参数设定。
综合管理级：位于这一级的管理计算机主要用于企业的生产调度、计划、销售、库存、财务、人事以及企业的经营管理等方面信息的传输。1.2.2.1 过程控制级
过程控制级是控制系统的基础，其主要任务如下。（1）进行过程数据采集：即对被控设备中的每个过程量和状态信息进行快速采集，为进行数字控制、开环控制、设备监测、状态报告的过程等获得所需要的输入信息。（2）进行直接数字的过程控制：根据控制组态数据库、控制算法来实施过程量（开关量、模拟量等）的控制。（3）进行设备监测和系统的测试、诊断：把过程变量和状态信息取出后，分析是否可以接受以及是否可以允许向高层传输。进一步确定是否对被控装置实施调节，并根据状态信息判断计算机系统硬件和控制模块的性能，在必要时实施报警、故障诊断等措施。（4）实施安全性、冗余化措施：一旦发现计算机系统硬件或控制模块有故障，立即实施备用件的切换，保证整个系统的安全运行。1.2.2.2 集中监控级
集中监控级主要是处理单元内的整体优化，并对其下层产生确切的命令，在这一层可完成的功能主要有以下几点。（1）优化过程控制。这可以根据过程的数学模型以及所给定的控制对象来进行，优化控制只有在优化执行条件确保的条件下方能达到，但即使在不同策略条件下仍能完成对控制过程的优化。（2）自适应回路控制。在过程参数希望值的基础上，通过数字控制的优化策略，当现场条件发生改变时，经过过程管理级计算机的运算处理就得到新的设定值和调节值，并把调节值传送到直接过程控制层。（3）优化单元内各装置，使它们密切配合。这主要是根据单元内的产品、原材料、库存以及能源的使用情况，以优化准则来协调相互之间的关系。（4）通过获取过程控制层的实时数据以进行单元内的活动监视、故障检测存档、历史数据的存档、状态报告和备用。1.2.2.3 生产管理级
产品规划和控制级完成一系列的功能，要求有比系统和控制工程更宽的操作和逻辑分析功能，根据用户的订货情况、库存情况、能源情况来规划各单元中的产品结构和规模，并且可使产品重新计划，随时更改产品结构。这一点是工厂自动化系统高层所需要的，有了产品重新组织和柔性制造的功能，就可以应付由于用户订货变化所造成的不可预测的事件。因此，一些较复杂的工厂在这一控制层就实施了协调策略。此外，纵观全厂生产和产品监视，以及产品报告也都在这一层实现，并与上层交互传递数据。在中小企业的自动化系统中，这一层可能就充当最高一级管理层。1.2.2.4 综合管理级
综合管理级处于自动化系统的最高层，它的管理范围很广，包括工程技术方面、经济方面、商业事务方面、人事活动方面以及其他方面的功能。把这些功能都集中到软件系统中，通过综合的产品计划，在各种变化条件下，结合多种多样的材料和能量调配，以及达到最优化地解决这些问题。在这一层中，通过与公司的经理部、市场部、计划部以及人事部等办公自动化相连接，实现制造系统的最优化。在综合管理这一层，其典型的功能有：市场分析，用户信息的收集，订货统计分析，销售与产品计划，合同事宜，接受订货与期限检测，产品制造协商，价格计算，生产能力与订货的平衡，订货的分发，生产与交货期限的监视，生产、订货和合同的报告，财务方面的报告等。1.3 控制系统的常用通信技术1.3.1 串行通信1.3.1.1 RS-232C
RS-232C是美国EIA（电子工业联合会）在1969年公布的通信协议，至今仍在计算机和控制设备通信中广泛使用。这个标准对串行通信接口有关的问题，例如各信号线的功能和电气特性等都作了明确的规定。
当通信距离较近时，通信双方可以直接连接，最简单的情况在通信中不需要控制联络信号，只需要三根线（发送线、接收线和信号地线），便可以实现双工异步串行通信。RS-232C采用负逻辑，用-15～-5V表示逻辑状态“1”，用+5～+15V表示逻辑状态“0”，最大通信距离为15m，最高传输速率为20kb/s，只能进行一对一的通信。1.3.1.2 RS-422A
RS-422A采用平衡驱动，差分接收电路，从根本上取消了信号地线。平衡驱动器相当于两个单端驱动器，其输入信号相同，两个输出信号互为反相信号，图中的小圆圈表示反相。外部输入的干扰信号是以共模方式出现的，两根传输线上的共模干扰信号相同，因接收器是差分输入，共模信号可以互相抵消。只要接收器有足够的抗共模干扰能力，就能从干扰信号中识别出驱动器的有用信号，从而克服外部干扰的影响。
RS-422A在最大传输速率（10Mb/s）时，允许的最大通信距离为12m。传输速率为100kb/s时，最大通信距离为1200m，一台驱动器可以连接10台接收器。1.3.1.3 RS-485
RS-485收发器采用平衡发送和差分接收，即在发送端，驱动器将TTL电平信号转换成差分信号输出；在接收端，接收器将差分信号变成TTL电平，因此具有抑制共模干扰的能力，加上接收器具有高的灵敏度，能检测低达200mV的电压，故数据传输可达一千米以外。
RS-485的许多电气规定与RS-422相仿。如都采用平衡传输方式、都需要在传输线上接终端电阻等。RS-485可以采用二线与四线连接方式，二线制可实现真正的多点双向通信。而采用四线连接时，与RS-422一样只能实现点对多的通信。即只能有一个主设备（Master），其余为从设备（Salve），但它比RS-422有改进，无论四线还是二线连接方式，总线上可连接多达32个站。新的接口器件已允许连接128个站。
RS-485与RS-422一样，最大传输速率为10Mb/s。当比特率为1200bps时，最大传输距离理论上可达15km。平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能使用规定最长的电缆长度。
RS-485需要两个终端电阻，接在传输总线的两端，其阻值要求等于传输电缆的特性阻抗。在短距离传输时可不接终端电阻，即一般在300m以下不需终端电阻。1.3.2 USB通信
USB全称是Universal Serial Bus（通用串行总线），它是在1994年底由康柏、IBM、Microsoft等多家公司联合制订的，但是直到1999年，USB才真正被广泛应用。自从1994年11月11日发表了USB V0.7以后，目前USB 2.0为主要通信版本。最新的USB 3.0版本主要用于光纤传输，USB 3.0标准可以支持高达4.8Gbps的数据传输率，可以可以和USB 1.0和2.0标准向下兼容。
USB接口有以下一些特点。（1）数据传输速率高。USB标准接口传输速率为12Mb/s，最新的USB 2.0支持最高速率达480Mb/s。同串行端口相比，USB大约快1000倍；同并行端口比，USB端口大约快50％。（2）数据传输可靠。USB总线控制协议要求在数据发送时含有描述数据类型、发送方向和终止标志、USB设备地址的数据包。USB设备在发送数据时支持数据帧错和纠错功能，增强了数据传输的可靠性。（3）同时挂接多个USB设备。USB总线可通过菊花链的形式同时挂接多个USB设备，理论上可达127个。（4）USB接口能为设备供电。USB线缆中包含有两根电源线及两根数据线。耗电比较少的设备可以通过USB口直接取电。可通过USB口取电的设备又分低电量模式和高电量模式，前者最大可提供100mA的电流，而后者则是500mA。（5）支持热插拔。在开机情况下，可以安全地连接或断开设备，达到真正的即插即用。
目前，USB接口主要应用于计算机周边外部设备。可以用USB接口与计算机相连接的外设有电话、Modem、键盘、光驱、扫描仪和打印机等。一些控制计算机带有USB通信接口，但主要应用于10m以内的计算机之间的通信。1.3.3 工业以太网通信
工业以太网已经广泛地应用于控制网络的最高层，在工厂自动化系统网络中属于管理级和单元级，并且有向控制网络的中间层和底层（现场层）发展的趋势。它适用于大量数据的传输和长距离通信。1.3.3.1 工业以太网的特点
企业内部互联网（Intranet）、外部互联网（Extranet）及国际互联网（Internet）不但进入了办公室领域，而且已经广泛地应用于生产和过程自动化。继10Mb/s以太网成功运行之后，具有交换功能、全双工和自适应的100Mb/s高速以太网（Fast Ethernet，符合IEEE 802.3标准）也已经成功运行多年。SIMATIC NET可以将控制网络无缝集成到管理网络和互联网。
以太网的市场占有率高达80％，毫无疑问是当今局域网（LAN）领域中首屈一指的网络。以太网有以下优点：（1）可以采用冗余的网络拓扑结构，可靠性高；（2）通过交换技术可以提供实际上没有限制的通信性能；（3）灵活性好，现有的设备可以不受影响地扩张；（4）在不断发展的过程中具有良好的向下兼容性，保证了投资的安全；（5）易于实现管理控制网络的一体化。
以太网可以接入广域网（WAN），如综合服务数字网（ISDN）或互联网，可以在整个公司范围内通信，或实现公司之间的通信。1.3.3.2 工业以太网的应用协议
工业以太网目前比较适合于车间一级的控制网络使用，但不适合于替代现场总线作为I/O设备网络使用。工业以太网实质只是定义了网络的物理层和数据链路层，即工业以太网目前不存在所谓的应用标准，一般不同公司采用不同的通信协议。目前主要的应用协议有以下几种。（1）Modus/TCP：Modus是Modicon公司在20世纪70年代提出的一种用于PLC之间通信的协议。由于Modus是一种面向寄存器的主从式通信协议，协议简单实用，而且文本公开，因此在工业控制领域作为通用的通信协议使用。最早的Modus协议是基于RS-232/485/422等低速异步串行通信接口，随着以太网的发展，将Modus数据报文封装在TCP数据帧中，通过以太网实现数据通信。（2）Ethernet/IP：Ethernet/IP是美国Rockwell公司提出的以太网协议，其原理与Modus/TCP相似，只是将ControlNet和DeviceNet使用的CIP（Control Information Protocol）报文封装在TCP数据帧中，通过以太网实现数据通信。满足CIP的三种协议Ethernet/IP、ControlNet和DeviceNet共享相同的数据库、行规和对象，相同的报文可以在三种网络中任意传递，实现即插即用和数据对象共享。（3）FF HSE：HSE是IEC 61158现场总线标准中的一种，HSE的1～4层分别是以太网和TCP/IP，用户层和FF H1相同，现场总线信息规范FMS在H1中定义了服务接口，在HSE中采用相同的接口。（4）PROFInet：PROFInet是在Profibus的基础上向纵向发展，形成的一种综合系统的解决方案。PROFInet主要基于Microsoft的DCOM中间件，实现对象的实时通信，自动化对象以DCOM对象的形式在以太网中交换数据。
近来，随着网络通信技术的进一步发展，用户的需求也日益迫切，国际上许多标准化组织正在积极地工作于建立一个工业以太网的应用协议。1.3.4 现场总线通信技术1.3.4.1 现场总线的产生
20世纪90年代初，用微处理器技术实现过程控制以及智能传感器的发展，导致需要用数字信号取代4～20mA（DC）模拟信号，这就形成了一种先进工业测控技术——现场总线（Fieldbus）。现场总线是连接工业过程现场仪表和控制系统之间的全数字化、双向和多站点的串行通信网络，从各类变送器、传感器、人机接口或有关装置获取信息，通过控制器向执行器传送信息，构成现场总线控制系统（Fieldbus Control System，FCS）。现场总线不单是一种通信技术，也不仅是用数字仪表代替模拟仪表，而是用新一代的现场总线控制系统（FCS）代替传统的集散控制系统（Distributed Control System，DCS）。它与传统的DCS相比有很多优点，是一种全数字化、全分散式、全开放和多点通信的底层控制网络，是计算机技术、通信技术和测控技术的综合及集成。
根据国际电工委员会（International Electrotechnical Commission，IEC）标准和现场总线基金会（Fieldbus Foundation，FF）的定义，现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输和多分支结构的通信网络。1.3.4.2 现场总线的特点（1）全数字化。现场总线系统是一个“纯数字”系统，而数字信号具有很强的抗干扰能力，所以，现场的噪声及其他干扰信号很难扭曲现场总线控制系统里的数字信号，数字信号的完整性使得过程控制的准确性和可靠性更高。（2）一点对多点结构。一对传输线，N台仪表，双向传输多个信号。这种一对N结构使得接线简单，工程周期短，安装费用低，维护容易。如果增加现场设备或现场仪表，只需并行挂接到电缆上，无须架设新的电缆。（3）可靠性高。数字信号传输抗干扰强，精度高，无须采用抗干扰和提高精度的措施，从而降低了成本。（4）可控状态。操作员在控制室既可了解现场设备或现场仪表的工作情况，也能对其进行参数调整，还可预测或寻找故障。整个系统始终处于操作员的远程监视和控制，提高了系统的可靠性、可控性和可维护性。（5）互换性。用户可以自由选择不同制造商所提供的性能价格比最优的现场设备和现场仪表，并将不同品牌的仪表互联。即使某台仪表发生故障，换上其他品牌的同类仪表也能照常工作，实现了“即接即用”。（6）互操作性。用户把不同制造商的各种品牌的仪表集成在一起，进行统一组态，构成其所需的控制回路，而不必绞尽脑汁，为集成不同品牌的产品在硬件或软件上花费力气或增加额外投资。（7）综合功能。现场仪表既有检测、变换和补偿功能，又有控制和运算功能，满足了用户需求，而且降低了成本。（8）分散控制。控制站功能分散在现场仪表中，通过现场仪表即可构成控制回路，实现了彻底的分散控制，提高了系统的可靠性、自治性和灵活性。（9）统一组态。由于现场设备或现场仪表都引入了功能块概念，所有制造商都使用相同的功能块，并统一组态方法，使组态变得非常简单，用户不需要因为现场设备或现场仪表种类不同而带来组态方法的不同，再去学习和培训。（10）开放式系统。现场总线为开放互联网络，所有技术和标准全是公开的，所有制造商必须遵循。这样，用户可以自由集成不同制造商的通信网络，既可与同层网络互联，也可与不同层网络互联，还可极其方便地共享网络数据库。1.3.4.3 主要的现场总线协议
FCS即现场总线控制系统，它是用现场总线这一开放的、具有互操作性的网络将现场各个控制器和仪表及仪表设备互联，构成现场总线控制系统，同时控制功能彻底下放到现场，降低了安装成本和维修费用。因此，FCS实质上是一种开放的、具有互操作性的、彻底分散的分布式控制系统，有望成为21世纪控制系统的主流产品。下面就几种主流的现场总线做一简单介绍。（1）基金会现场总线（Foundation Field bus简称FF）。这是以美国Fisher-Rousemount公司为首的联合了横河、ABB、西门子、英维斯等80家公司制定的ISP协议和以Honeywell公司为首的联合欧洲等地150余家公司制定的WorldFIP协议于1994年9月合并的。该总线在过程自动化领域得到了广泛应用，具有良好的发展前景。
基金会现场总线采用国际标准化组织ISO的开放化系统互联OSI的简化模型（1层，2层，7层），即物理层、数据链路层、应用层，另外增加了用户层。FF分低速H1和高速H2两种通信速率，前者传输速率为31.25kb/s，通信距离可达1900m，可支持总线供电和本质安全防爆环境。后者传输速率为1Mb/s和2.5Mb/s，通信距离为750m和500m，支持双绞线、光缆和无线发射，协议符号IEC 1158-2标准。FF的物理媒介的传输信号采用曼彻斯特编码。（2）CAN（Controller Area Network控制器局域网）。最早由德国BOSCH公司推出，它广泛用于离散控制领域，其总线规范已被ISO国际标准组织制定为国际标准，得到了Intel、Motorola、NEC等公司的支持。CAN协议分为二层：物理层和数据链路层。CAN的信号传输采用短帧结构，传输时间短，具有自动关闭功能，具有较强的抗干扰能力。CAN支持多主工作方式，并采用了非破坏性总线仲裁技术，通过设置优先级来避免冲突，通讯距离最远可达10km（速率为5kbps/s），通信速率最高可达40M（速率为1Mbp/s），网络节点数实际可达110个。已有多家公司开发了符合CAN协议的通信芯片。（3）Lonworks。它由美国Echelon公司推出，并由Motorola、Toshiba公司共同倡导。它采用ISO/OSI模型的全部7层通信协议，采用面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置。支持双绞线、同轴电缆、光缆和红外线等多种通信介质，通讯速率从300b/s～1.5Mb/s不等，直接通信距离可达2700m（78kb/s），被誉为通用控制网络。Lonworks技术采用的LonTalk协议被封装到Neuron（神经元）的芯片中，并得以实现。采用Lonworks技术和神经元芯片的产品，被广泛应用在楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、交通运输、工业过程控制等行业。（4）PROFIBUS。PROFIBUS是德国标准（DIN19245）和欧洲标准（EN50170）的现场总线标准。由PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA系列组成。DP用于分散外设间高速数据传输，适用于自动化加工领域。FMS适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等。PA用于过程自动化的总线类型，服从IEC 1158-2标准。PROFIBUS支持主-从系统、纯主站系统、多主多从混合系统等几种传输方式。PROFIBUS的传输速率为9.6kb/s～12Mb/s，最大传输距离为：速率9.6kb/s为1200m，速率12Mb/s为200m。可采用中继器延长至10km，传输介质为双绞线或者光缆，最多可挂接127个站点。（5）HART。HART是Highway Addressable Remote Transducer的缩写，最早由Rosemount公司开发。其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变的过渡产品。其通信模型采用物理层、数据链路层和应用层三层，支持点对点主从应答方式和多点广播方式。由于它采用模拟数字信号混合，难以开发通用的通信接口芯片。HART能利用总线供电，可满足本质安全防爆的要求，并可用于由手持编程器与管理系统主机作为主设备的双主设备系统。（6）DeviceNet。DeviceNet是一种低成本的通信连接也是一种简单的网络解决方案，有着开放的网络标准。DeviceNet具有的直接互联性不仅改善了设备间的通信而且提供了相当重要的设备级阵地功能。DeviceNet基于CAN技术，传输率为125～500kb/s，每个网络的最大节点为64个，其通信模式为：生产者/客户（Producer/Consumer），采用多信道广播信息发送方式。位于DeviceNet网络上的设备可以自由连接或断开，不影响网上的其他设备，而且其设备的安装布线成本也较低。DeviceNet总线的组织结构是Open DeviceNet Vendor Association（开放式设备网络供应商协会，简称“ODVA”）。（7）CC-Link。CC-Link是Control & Communication Link（控制与通信链路系统）的缩写，在1996年11月，由三菱电机为主导的多家公司推出，其增长势头迅猛，在亚洲占有较大份额。在其系统中，可以将控制和信息数据同时以10Mb/s高速传送至现场网络，具有性能卓越、使用简单、应用广泛、节省成本等优点。其不仅解决了工业现场配线复杂的问题，同时具有优异的抗噪性能和兼容性。CC-Link是一个以设备层为主的网络，同时也可覆盖较高层次的控制层和较低层次的传感层。（8）工业以太网。工业以太网（Ethernet）基于TCP/IP的以太网是一种标准的开放式通信网络，不同厂商的设备很容易互联。工业以太网是当前工业控制领域的研究热点。重点在于利用交换式以太网技术为控制器和操作站，各种工作站之间的相互协调合作提供一种交互机制并和上层信息网络无缝集成。虽然脱胎于Intranet、Internet等类型的信息网络，但是工业以太网是面向生产过程，对实时性、可靠性、安全性和数据完整性有很高的要求。1.4 常用控制计算机
目前，在连续型流程生产自动控制（PA）或习惯称之为工业过程控制，有三大控制系统，即可编程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）、集散控制系统DCS（Distributed Control System，DCS）和现场总线控制系统（Fieldbus Control System，FCS），占有工业过程控制系统的绝大部分。随着计算机技术、通讯技术的发展，近年来PLC、DCS和FCS发展迅速。1.4.1 控制计算机的硬件组成
PLC、DCS和FCS控制系统实质是一种专用于工业控制的计算机系统，虽然PLC、DCS和FCS的硬件表现形式上有所区别，即便同一类型控制主机而不同生产厂家的产品也有所差别，但其硬件结构基本上与微型计算机相同。主要由电源、中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）、通信等功能部件组成。小型控制主机一般四个功能部件集于一体，而中、大型控制器则为模块式结构，可根据需要选择使用。（1）电源。控制计算机的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源，系统是无法正常工作的，因此控制主机的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10％（+15％）范围内，可以不采取其他措施而将控制计算机直接连接到交流电网上去。（2）中央处理单元（CPU）。同一般的微机一样，CPU是控制计算机的核心。控制计算机中所配置的CPU随种类、机型不同而不同。小型控制计算机大多采用16位通用微处理器和单片微处理器；中型控制计算机大多采用32位通用微处理器或单片微处理器；大型控制主机大多采用64位的高速位片式微处理器。
目前，小型控制计算机为单CPU系统，而中、大型控制计算机则大多采用双CPU系统，甚至有些控制主机有2个以上的CPU。对于双CPU系统，一个为字处理器，一般采用16位或32位微处理器；另一个为位处理器，采用由各厂家设计制造的专用芯片。字处理器为主处理器，用于执行编程器接口功能，监视内部定时器，监视扫描时间，处理字节指令以及对系统总线和位处理器进行控制等。位处理器为从处理器，主要用于处理位操作指令和实现控制主机编程语言向机器语言的转换。位处理器的采用，提高了控制计算机的速度，使控制计算机更好地满足实时控制要求。（3）存储器。存储器主要有两种：一种是可读/写操作的随机存储器RAM；另一种是只读存储器ROM、PROM、EPROM和EEPROM。在控制计算机中，存储器主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。（4）输入/输出接口。输入/输出单元通常也称I/O单元或I/O模块，是控制计算机与工业生产现场之间的连接部件。控制计算机通过输入接口可以获得被控对象的各种数据，以这些数据作为控制计算机对被控制对象进行控制的依据；同时控制计算机又通过输出接口将处理结果送给被控制对象，以实现控制目的。由于外部输入设备和输出设备所需的信号电平是多种多样的，而控制计算机内部CPU的处理的信息只能是标准电平，所以I/O接口要实现这种转换。I/O接口一般都具有光电隔离和滤波功能，以提高控制计算机的抗干扰能力。
输入接口的作用是接收和采集现场设备的各种输入信号，比如按钮、数字拨码开关、限位开关、接近开关、选择开关、光电开关、压力继电器等各种开关量信号和热电偶、流量计、物位计等各种变送器提供的模拟量输入信号，并将这些信号转换为CPU能够接收和处理的数字信号。在实际生产过程中，输入信号的电平多种多样，有开关量信号、数字和数据信号、脉冲信号和各种模拟量信号。因此，输入接口模块除了传递信号外，还具有电平转换的作用。
输出接口的作用是接收经CPU处理过的数字信号，并把这些数字信号转换为被控设备所能接收的电压或电流信号，以控制电动调节阀、接触器和数字显示装置等用户输出设备。在实际生产过程中，外部执行机构所需要的信号多种多样，有交流和直流开关量信号、脉冲信号、模拟量信号。
控制计算机提供了多种操作电平和驱动能力的I/O接口，有各种各样功能的I/O接口供用户选用。I/O接口的主要类型有：数字量（开关量）输入、数字量（开关量）输出、模拟量输入、模拟量输出等。（5）通信接口。为了实现“人-机”或“机-机”之间的对话，控制主机配有各种通信接口。通过这些通信接口，控制主机可以与上位监控管理计算机、数据设定操作终端、打印机、其他控制主机及各种智能设备等相连。控制主机通过通信接口，与各种外部设备之间建立了一个数据通道，利用这个通道可实现编程、检查程序、控制工作方式、监控运行状态及改变I/O状态等多项功能。远程I/O系统也必须配备相应的通信接口模块。1.4.2 控制计算机的功能特点
PLC、DCS、FCS是最为常用的控制计算机，被称为控制领域的“三剑客”，下面简要介绍这三种控制计算机的功能特点。1.4.2.1 PLC特点（1）从开关量控制发展到顺序控制、运算处理，是从下往上发展的。（2）逻辑控制、定时控制、计数控制、步进（顺序）控制、连续PID控制、数据控制，具有数据处理、通信和联网等功能。（3）可用一台PC机为主站，多台同型PLC为从站。（4）也可一台PLC为主站，多台同型PLC为从站，构成PLC网络。（5）PLC网络既可作为独立的DCS或TDCS（集散控制系统），也可作为DCS或TDCS的子系统。（6）既可用于工业过程中的顺序控制，也可用作模拟量的闭环控制。1.4.2.2 DCS特点（1）分散控制系统DCS与集散控制系统TDCS是集4C（Communication，Computer，Control、CRT）技术于一身的监控技术，是第四代过程控制系统。既有计算机控制系统控制算法先进、精度高、响应速度快的优点，又有仪表控制系统安全可靠、维护方便的要求。（2）从上到下的树状拓扑大系统，其中通信（Communication）是关键。（3）是树状拓扑和并行连续的链路结构，也有大量电缆从中继站并行到现场仪器仪表。（4）模拟信号，A/D、D/A、带微处理器的混合。是由几台计算机和一些智能仪表智能部件组成，并逐渐地以数字信号来取代模拟信号。（5）一台仪表一对线接到I/O，由控制站挂到局域网LAN。（6）DCS是控制（工程师站）、操作（操作员站）、现场仪表（现场测控站）的3级结构。缺点是成本高，各公司产品不能互换，不能互操作。（7）用于大规模的连续过程控制，如石化、大型电厂机组的集中控制等。1.4.2.3 FCS特点（1）FCS是第五代过程控制系统，它是21世纪自动化控制系统的方向。是3C技术（Communication，Computer，Control）的融合。基本任务是：本质（本征）安全、危险区域、易变过程、难于对付的非常环境。（2）全数字化、智能、多功能取代模拟式单功能仪器、仪表、控制装置。（3）用两根线连接分散的现场仪表、控制装置，取代每台仪表的两根线。“现场控制”取代“分散控制”；数据的传输采用“总线”方式。（4）从控制室到现场设备的双向数字通信总线，是互联的、双向的、串行多节点、开放的数字通信系统取代单向的、单点、并行、封闭的模拟系统。（5）用分散的虚拟控制站取代集中的控制站。（6）把微机处理器转入现场自控设备，使设备具有数字计算和数字通信能力，信号传输精度高，远程传输。实现信号传输全数字化、控制功能分散、标准统一全开放。（7）可上局域网，再可与Internet相通。既是通信网络，又是控制网络。1.4.3 控制系统的规模
根据控制系统I/O点的数量，将控制系统分为小型、中型、大型、特大型四种规模。由于在控制系统中，数字量控制相对简单，模拟量控制相对复杂，划分控制系统的规模时，并不是以实际数字量点与模拟量点总和作为判断依据，常以实际I/O变量的折算I/O点数来衡量控制系统的规模。通常将一个实际模拟量点按15个数字量点来计算，计算公式为：折算I/O点=实际数字量I/O点数+实际模拟量I/O点数×15（1）小型控制系统。小型控制系统的折算I/O点数不超过128点。
小型控制系统在控制主机选择上通常采用PLC。PLC结构紧凑、价格低廉，支持开关量和模拟量的控制，具有开发周期短、组建成本低等特点。对于开关量或以开关量为主的小型控制系统，选择小型的PLC具有较高的性价比。但对于以模拟量为主的小型控制系统，由于受小型PLC的I/O模块扩展的限制，可能不能满足I/O点的要求，需要选择中型控制主机。（2）中型控制系统。中型控制系统的折算I/O点数为128～1024点。
中型控制系统在控制主机选择上可以采用PLC、DCS、FCS，一般来说，PLC的价格较低，DCS的价格适中，而FCS的价格较高。中型控制系统一般选用中型的控制主机。（3）大型控制系统。大型控制系统的折算I/O点数为1024～4096点。
大型控制系统在控制主机选择上可以采用PLC、DCS、FCS，具体选择何种类型的控制主机要根据I/O点规模、现场布线量、控制要求、通信要求、监控要求、系统扩展、项目投资等方面进行考虑。（4）特大型控制系统。特大型控制系统的折算I/O点数超过4096点。
特大型控制系统在控制主机选择上以采用DCS、FCS较为多见。一些新型的PLC如西门子的PCS 7，其性能可以与DCS媲美，甚至超过某些品牌的DCS，也具备组建特大型控制系统的能力。
从目前常用的PLC、DCS、FCS类型来看，FCS的承载能力最强，DCS次之，PLC则相对较弱。不过，在特大型控制系统组建中，对于联系不十分紧密的工业过程，也有采用几台大型PLC的应用案例。这样不仅可节省投资，而且可以提高控制系统的安全性。
值得注意的是，控制系统的小型、中型、大型、特大型的划分并无严格的界线，用户可根据需要配置自己的控制系统。一般来说，控制主机的规模要与控制系统规模相一致，但是，具体选择什么类型、什么型号的控制主机，不仅根据I/O点规模，还需根据现场布线量、控制要求、通信要求、监控要求、系统扩展、项目投资等方面进行考虑。1.5 国内外主要PLC产品
目前，全世界有300多家PLC生产厂家，1000多个系列品种的PLC产品。从微型PLC到超大型PLC，都有许多型号和系列，按地域PLC产品可分成三大流派，即美国产品、欧洲产品和日本产品。美国和欧洲的PLC技术是在相互隔离情况下独立研究开发的，因此美国和欧洲的PLC产品有明显的差异性。而日本的PLC技术是由美国引进的，对美国的PLC产品有一定的继承性，但日本的主推产品定位在小型PLC上。美国和欧洲以大中型PLC闻名，而日本则以小型PLC著称。下面按地域简单介绍一些知名的PLC品牌。1.5.1 美国PLC产品
美国是PLC生产大国，有100多家PLC厂商，著名的有A-B（ALLEN-BRADLEY）公司、通用电气（GE）公司、莫迪康（MODICON）公司、德州仪器（TI）公司、西屋公司等。其中A-B公司是美国最大的PLC制造商，其产品约占美国PLC市场的一半。美国主要PLC产品介绍如下。（1）A-B公司的PLC产品。A-B公司产品规格齐全、种类丰富，其主推的大、中型PLC产品是PLC-5系列，该系列为模块式结构。当CPU模块为PLC-5/10、PLC-5/12、PLC-5/15、PLC-5/25时，属于中型PLC，其I/O点配置范围为256～1024点；当CPU模块为PLC-5/11、PLC-5/20、PLC-5/30、PLC-5/40、PLC-5/60、PLC-5/40L、PLC-5/60L时，属于大型PLC，其I/O点最多可配置到3072点。该系列中PLC-5/250功能最强，最多可配置到4096个I/O点，具有强大的控制
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]