《計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)》PPT課件

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1、第 九 章 計(jì) 算 機(jī) 控 制 系 統(tǒng)華 東 理 工 大 學(xué) 信 息 學(xué) 院 自 動 化 系 定 義 ： 計(jì) 算 機(jī) 控 制 就 是 利 用 計(jì) 算 機(jī) 實(shí) 現(xiàn) 工 業(yè) 生 產(chǎn)過 程 的 自 動 控 制 。計(jì) 算 機(jī) 控 制 系 統(tǒng) =自 動 化 技 術(shù) +計(jì) 算 機(jī) 技 術(shù) 10.3 可 編 程 控 制 器本 章 主 要 內(nèi) 容 ：10.1 概 述10.2 集 散 控 制 系 統(tǒng)10.4 現(xiàn) 場 總 線 控 制 系 統(tǒng)10.5 綜 合 自 動 化 系 統(tǒng) 10.1 概 述10.1.1 計(jì) 算 機(jī) 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 10-1 計(jì) 算 機(jī) 控 制 系 統(tǒng) 框 圖 組 成 ： 被 控 對 象 、 測 量 變 送 、 控 制 器 及 執(zhí) 行 器圖 10-2 計(jì) 算 機(jī) 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(jì) 算 機(jī) 連 續(xù) 控 制 系 統(tǒng) 計(jì) 算 機(jī) 控 制 系 統(tǒng)相 似 點(diǎn) ： 組 成 相 同不 同 點(diǎn) ：

3、 模 擬 控 制 器 數(shù) 字 控 制 器 多 路 開 關(guān) 、 采 樣 保 持 器 、 A/D、 D/A 10.1.2 計(jì) 算 機(jī) 控 制 系 統(tǒng) 的 發(fā) 展 DDC DCS PLC FCS CIMS CIPS 圖 10-3 計(jì) 算 機(jī) 控 制 系 統(tǒng) 的 發(fā) 展最 初 ： DDC直 接 數(shù) 字 控 制 系 統(tǒng) （ 集 中 控 制 系 統(tǒng) ）20世 紀(jì) 70年 代 ： DCS集 散 控 制 系 統(tǒng) （ 集 中 管 理 、 分 散 控 制 ）20世 紀(jì) 60年 代 ： PLC可 編 程 邏 輯 控 制 器20世 紀(jì) 末 ： FCS現(xiàn) 場 總 線 控 制 系 統(tǒng)目 前 及 未 來 ： CIMS計(jì) 算

4、 機(jī) 集 成 制 造 系 統(tǒng) CIPS計(jì) 算 機(jī) 集 成 過 程 系 統(tǒng) 10.2 集 散 控 制 系 統(tǒng)10.2.0 基 本 概 念定 義 ： 集 散 控 制 系 統(tǒng) 又 稱 為 分 散 型 控 制 系 統(tǒng)（ Distributed Control System） ,簡 稱 為 DCS系 統(tǒng) ，是 對 生 產(chǎn) 過 程 進(jìn) 行 集 中 監(jiān) 視 、 操 作 、 管 理 和 分 散 控制 的 一 種 全 新 的 分 布 式 計(jì) 算 機(jī) 控 制 系 統(tǒng) 。工 作 原 理 ： 該 系 統(tǒng) 將 若 干 臺 微 機(jī) 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

5、管 理 機(jī) 監(jiān) 控 ， 實(shí)現(xiàn) 最 優(yōu) 化 控 制 ， 通 過 CRT裝 置 、 通 信 總 線 、 鍵 盤 、打 印 機(jī) 等 進(jìn) 行 集 中 操 作 、 顯 示 和 報(bào) 警 。 10.2.1 集 散 控 制 系 統(tǒng) 的 特 點(diǎn)主 要 特 征 ： 集 中 管 理 和 分 散 控 制 。具 體 有 以 下 幾 個(gè) 方 面 ：(1)分 級 遞 階 結(jié) 構(gòu) 這 種 結(jié) 構(gòu) 從 系 統(tǒng) 工 程 出 發(fā) ， 考 慮功 能 分 散 、 危 險(xiǎn) 分 散 、 提 高 可 靠性 、 強(qiáng) 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 ， 并 且便 于 維 修 和 技 術(shù) 更

6、新 等 優(yōu) 化 選 擇而 得 出 的 。 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 塔結(jié) 構(gòu) 。 同 一 級 的 各 決 策 子 系 統(tǒng) 可 同 時(shí) 對下 級 施 加 作 用 ， 同 時(shí) 又 受 上 級 的 干 預(yù) ，子 系 統(tǒng) 可 通 過 上 級 互 相 交 換 信 息 。過 程 控 制 級 ： 根 據(jù) 上 層 決 策 直 接 控 制 生產(chǎn) 。控 制 管 理 級 ： 對 生 產(chǎn) 過 程 實(shí) 現(xiàn) 集 中 操 作和 統(tǒng) 一 管 理 。生 產(chǎn) 管 理 級 ：

7、 承 擔(dān) 最 優(yōu) 化 任 務(wù)經(jīng) 營 管 理 級 ： 全 面 的 綜 合 型 經(jīng) 營 管 理 和決 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(jī) 智 能 技 術(shù) DCS采 用 了 以 微 處 理 器 為 基礎(chǔ) 的 “ 智 能 技 術(shù) ” ， 成 為 計(jì) 算 機(jī) 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)據(jù) 通 信 等 均 采 用 微 處 理 器 ， 可 以 實(shí) 現(xiàn) 自 適 應(yīng) 、 自 診斷 和 自 檢 測 等 “ 智 能 ”

8、 控 制 過 程 。 (3) 豐 富 的 功 能 軟 件 包 DCS具 有 豐 富 的 功 能 軟 件 包 ，它 能 提 供 控 制 運(yùn) 算 、 過 程 監(jiān) 視 、 組 態(tài) 、 報(bào) 表 打 印 和信 息 檢 索 等 功 能 。 (4) 采 用 局 部 網(wǎng) 絡(luò) 通 信 技 術(shù) DCS的 數(shù) 據(jù) 通 信 采 用 工業(yè) 局 域 網(wǎng) 絡(luò) 技 術(shù) 進(jìn) 行 通 信 ， 傳 輸 實(shí) 時(shí) 控 制 信 息 ， 進(jìn)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(jī) 接 口 進(jìn) 行 控 制 和 操 作 管 理 。 大 多 采 用 光 纖 傳 輸媒 質(zhì) ， 通 信 的 可

9、 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(jìn) ， 如 采 用 IEEE802.3、IEEE802.4等 。(5) 友 善 的 人 機(jī) 接 口 (6) 高 可 靠 性 硬 件 、 軟 件 采 用 冗 余 技 術(shù) 10.2.2 集 散 控 制 系 統(tǒng) 的 發(fā) 展第 一 個(gè) 集 散 控 制 系 統(tǒng) TDC2000： 1975年 ， 美 國Honeywell三 個(gè) 時(shí) 期 ：初 創(chuàng) 期 （ 19751980）成 熟 期 （ 19801985）擴(kuò) 展 期 （ 1985年 以 后 ） 初 創(chuàng) 期 ： 該 時(shí) 期 的 DCS系 統(tǒng) 是 一 個(gè) 具 有 許 多

10、 微 處 理 機(jī)的 分 級 控 制 系 統(tǒng) ， 它 采 用 分 散 的 控 制 設(shè) 備 來 適 應(yīng) 分 散的 生 產(chǎn) 過 程 ， 通 過 高 速 數(shù) 據(jù) 通 道 將 系 統(tǒng) 各 個(gè) 單 元 聯(lián) 系起 來 。 其 通 信 系 統(tǒng) 是 一 初 、 中 級 的 局 部 網(wǎng) 絡(luò) ， 全 系 統(tǒng)由 一 個(gè) 通 信 指 揮 器 指 揮 和 協(xié) 調(diào) 。初 創(chuàng) 期 具 有 代 表 性 的 DCS系 統(tǒng) 有 Spectrum (Foxboro公司 )、 Network(貝 利 公 司 )、 Centum(日 本 橫 河 公 司 ) 成 熟 期 ： 該 時(shí) 期 的 DCS系 統(tǒng) 從 原 來 單 純 的 工 業(yè) 控

11、 制 向生 產(chǎn) 管 理 自 動 化 發(fā) 展 。 大 規(guī) 模 IC的 發(fā) 展 以 及 計(jì) 算 機(jī) 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) 的飛 速 發(fā) 展 ， 使 得 DCS系 統(tǒng) 在 擴(kuò) 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DCS系 統(tǒng) 。成 熟 期 具 有 代 表 性 的 DCS系 統(tǒng) 有 TDC3000 (Honeywell公 司 )、 PROVOX(Fisher)、 MCS(貝 利 公 司 )、YEWPACK-MARKII(日 本 橫 河 公 司 )等

12、 擴(kuò) 展 期 ： 該 時(shí) 期 的 DCS系 統(tǒng) 增 加 了 第 三 層 綜 合 信息 管 理 層 ， 把 過 程 控 制 、 監(jiān) 督 控 制 、 管 理 調(diào) 度 有 機(jī) 結(jié)合 在 一 起 ， 采 用 專 家 系 統(tǒng) 、 MAP標(biāo) 準(zhǔn) （ 一 種 ISO開 放互 連 OSI結(jié) 構(gòu) 基 礎(chǔ) 上 的 加 工 自 動 化 協(xié) 議 ） 以 及 引 入 計(jì)算 機(jī) 集 成 制 造 系 統(tǒng) CIMS等 ， 擴(kuò) 展 期 DCS的 特 點(diǎn) 是 綜合 化 、 開 放 化 和 現(xiàn) 場 級 的 智 能 化 。 綜 合 化 包 括 縱 向 和 橫 向 兩 方 面 。 縱 向 方 面 加 強(qiáng) 管 理功 能 ， 包 括 從

13、原 料 進(jìn) 廠 到 生 產(chǎn) 設(shè) 計(jì) 、 計(jì) 劃 進(jìn) 度 、 質(zhì) 量檢 查 、 成 品 包 裝 、 出 廠 以 及 供 銷 等 一 系 列 的 管 理 制 度 。橫 向 方 面 則 形 成 過 程 自 動 化 與 順 序 控 制 、 電 機(jī) 控 制 相結(jié) 合 的 計(jì) 算 機(jī) 、 儀 表 、 電 器 綜 合 控 制 系 統(tǒng) 。開 放 化 是 DCS按 照 國 際 統(tǒng) 一 標(biāo) 準(zhǔn) 組 成 “ 開 放 ” 的 系統(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(jìn)行 通 信 。 現(xiàn) 場 級 的 智 能 化 是 指 現(xiàn) 場 傳 感 器 或 變 送 器 智 能 化 ，現(xiàn)

14、 場 儀 表 可 以 由 現(xiàn) 場 通 信 器 或 系 統(tǒng) 的 工 作 站 進(jìn) 行 遠(yuǎn) 程訪 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 。 擴(kuò) 展 期 具 有 代 表 性 的 DCS系 統(tǒng) 有TDC3000UCN,CENTUM-XL,I/A Series(Foxboro)。這 一 時(shí) 期 DCS的 基 本 組 成 與 第 二 代 相 比 變 化 不 大 ，但 它 的 LAN采 用 MAP協(xié) 議 或 與 MAP兼 容 的 協(xié) 議 ， 各個(gè) 節(jié) 點(diǎn) 工 作 站 軟 、 硬 件

15、功 能 均 有 所 加 強(qiáng) ， 現(xiàn) 場 級 智能 儀 表 也 有 發(fā) 展 。MAP Mobile Application Part 是 NO.7信 令 系 統(tǒng) 的 應(yīng) 用 層協(xié) 議 。 MAP的 主 要 功 能 是 在 MSC和 HLR、 VLR、 EIR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 ,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 。 10.2.3 集 散 控 制 系 統(tǒng) 的 硬 件 和 軟 件(1) DCS的 基 本 構(gòu) 成 CRT 操 作 站 (操 作 員 接 口 ) 管 理 計(jì) 算 機(jī)

16、 過 程 控 制 單 元 過 程 控 制 單 元 過 程 接 口 單 元 過 程 通 信 系 統(tǒng) 過 程 控 制 單 元（ PCU） ： 又 稱 為 現(xiàn)場 控 制 單 元 、 現(xiàn) 場 控制 站 、 基 本 控 制 器 、多 功 能 控 制 器 等 。其 組 成 有 ： CPU、ROM/RAM、 I/O、A/D、 D/A等 。它 可 以 控 制 一 個(gè) 或 多個(gè) 回 路 ， 具 有 較 強(qiáng) 的運(yùn) 算 和 控 制 功 能 ， 并可 以 進(jìn) 行 連 續(xù) 控 制 和順 序 控 制 。圖 10-5 DCS的 基 本 結(jié) 構(gòu) 過 程 接 口 單 元 （ PIU） ： 又 稱 為 過 程 輸 入 輸 出 單

17、 元 、數(shù) 據(jù) 采 集 單 元 、 現(xiàn) 場 監(jiān) 視 站 、 I/O擴(kuò) 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 心的 數(shù) 據(jù) 采 集 設(shè) 備 ， 負(fù) 責(zé) 采 集 非 控 制 變 量 數(shù) 據(jù) ， 并 將 其數(shù) 據(jù) 經(jīng) 過 通 信 系 統(tǒng) 傳 遞 給 CRT操 作 站 或 上 位 管 理 計(jì) 算機(jī) 。 CRT操 作 站 ： 是 DCS的 人 -機(jī) 接 口 ， 由 CRT、 微 機(jī) 、 鍵盤 、 打 印 機(jī) 、 存 儲 器 、 通 信 控 制 器 等 組 成 。 可 以 顯 示 ：生 產(chǎn) 總 貌 和 系 統(tǒng) 主 要 參 數(shù) 、 每 個(gè)

18、回 路 的 詳 細(xì) 控 制 情 況 、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(jìn) 行 回路 組 態(tài) 、 調(diào) 整 參 數(shù) 、 控 制 外 設(shè) 。 CRT操 作 站 還 有 自 診斷 、 報(bào) 警 功 能 。 上 位 管 理 機(jī) ： 是 DCS的 主 計(jì) 算 機(jī) ， 它 通 過 通 信 系 統(tǒng) 與各 個(gè) 工 作 站 聯(lián) 系 ， 綜 合 管 理 全 系 統(tǒng) 的 所 有 信 息 ， 能 對整 個(gè) 系 統(tǒng) 起 到 優(yōu) 化 控 制 和 管 理 作 用 。 通 信 系 統(tǒng) ： 是 具 有 高 速 通 信 能 力 的 信 息

19、 總 線 ， 可 由 雙絞 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 ，系 統(tǒng) 兼 容 和 互 連 性 差 。 國 際 電 工 委 員 會 (IEC)、 國 際 標(biāo)準(zhǔn) 化 組 織 (ISO)、 美 國 電 子 電 氣 工 程 師 協(xié) 會 (IEEE)、 工廠 自 動 化 協(xié) 議 集 團(tuán) (MAP)為 不 同 層 次 網(wǎng) 絡(luò) 制 定 了 相 應(yīng)的 標(biāo) 準(zhǔn) 。 (2) DCS的 硬 件 、 軟 件 組 態(tài)DCS的 硬 件 組 態(tài) ：依 據(jù) ： 系 統(tǒng) 規(guī) 模 及 控 制 要 求 。包 括 通 信 系 統(tǒng) 、

20、人 機(jī) 接 口 、 過 程 接 口 和 電 源 系統(tǒng) 的 選 擇 等應(yīng) 綜 合 考 慮 各 方 面 的 因 素 ： 滿 足 系 統(tǒng) 的 控 制 要 求 ， 性 能 價(jià) 格 比 最 佳 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(hù) 性 等 DCS的 軟 件 組 態(tài) ： 是 在 系 統(tǒng) 硬 件 和 軟 件 的 基 礎(chǔ) 上 ， 用軟 件 組 態(tài) 方 式 將 系 統(tǒng) 提 供 的 功 能 塊 連 結(jié) 起 來 達(dá) 到 過 程控 制 的 要 求 。應(yīng) 用 軟 件 組 態(tài) 方 式 ： 直 接 經(jīng) DCS操 作 站 組 態(tài) 通 過 填 寫 表 格 組 態(tài) 利 用

21、 PC機(jī) 進(jìn) 行 組 態(tài)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(diǎn) 組態(tài) 、 用 戶 畫 面 、 自 由 格 式 報(bào) 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 。 早 期 的 DCS控 制 系 統(tǒng) 10.3 可 編 程 控 制 器可 編 程 序 控 制 器 （ Programmable Controller, PC） 早期 主 要 用 于 邏 輯 控 制 ， 習(xí) 慣 上 稱 之 為 可 編 程 邏 輯 控 制器 （ Programmable Logic Controller ） ,簡 稱 PLC。10.3.

22、1 概 述 (1)可 編 程 序 控 制 器 的 發(fā) 展 初 創(chuàng) 階 段 ： 從 1969年 DEC公 司 推 出 第 一 臺PLC(PDP-14)到 20世 紀(jì) 70年 代 中 期 。 該 階 段 產(chǎn) 品 主 要用 于 邏 輯 運(yùn) 算 、 計(jì) 時(shí) 、 計(jì) 數(shù) 。 擴(kuò) 展 階 段 ： 20世 紀(jì) 70年 代 中 期 到 20 世 紀(jì) 70年 代 末 期 。擴(kuò) 展 了 數(shù) 據(jù) 傳 送 、 數(shù) 據(jù) 的 比 較 和 運(yùn) 算 、 模 擬 量 的 運(yùn) 算等 功 能 。 通 信 階 段 ： 20世 紀(jì) 70年 代 末 期 到 20 世 紀(jì) 80年 代 中 期 。PLC在 通 信 方 面 得 到 了 發(fā) 展

23、 ， 形 成 了 分 布 式 的 通 信 網(wǎng)絡(luò) 系 統(tǒng) 。 缺 點(diǎn) 是 產(chǎn) 品 互 通 難 。 開 放 階 段 ： 20世 紀(jì) 80年 代 中 期 以 后 。 (2)可 編 程 序 控 制 器 的 特 點(diǎn) （ 優(yōu) 點(diǎn) ） 高 可 靠 性 ： PLC的 主 要 特 點(diǎn) 。 它 在 軟 、 硬 件 方 面 采取 了 一 些 提 高 系 統(tǒng) 可 靠 性 的 措 施 。 易 操 作 性 ： 操 作 、 維 修 、 編 程 靈 活 性 ： 表 現(xiàn) 在 編 程 、 擴(kuò) 展 、 操 作 三 個(gè) 方 面 機(jī) 電 一 體 化 ： PLC是 專 門 為 工 業(yè) 過 程 控 制 而 設(shè) 計(jì) 的控 制 設(shè) 備 。 成

24、 為 當(dāng) 今 數(shù) 控 技 術(shù) 、 工 業(yè) 機(jī) 器 人 、 過 程 控制 領(lǐng) 域 的 主 要 控 制 設(shè) 備 。 (3)PLC的 分 類按 結(jié) 構(gòu) 形 式 可 將 PLC分 為 兩 大 類 ： 一 體 化 結(jié) 構(gòu) 、 模 塊化 結(jié) 構(gòu)一 類 （ 一 體 化 結(jié) 構(gòu) ） ： CPU、 電 源 、 I/O接 口 、 通 信接 口 等 都 集 成 在 一 個(gè) 機(jī) 殼 內(nèi) 的 一 體 化 結(jié) 構(gòu) ， 如 下 圖 所示 ， 小 型 及 超 小 型 的 PLC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(jī) 測 量儀 表 AI DI AO

25、DO 執(zhí) 行 器 10-6 一 體 化 PLC結(jié) 構(gòu) 示 意 圖 另 一 類 （ 模 塊 化 結(jié) 構(gòu) ） ： 各 種 模 塊 在 結(jié) 構(gòu) 上 是 相 互 獨(dú)立 的 ， 在 實(shí) 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(jī) 架 或 導(dǎo) 軌 上 ， 構(gòu) 成 一個(gè) 完 整 的 PLC應(yīng) 用 系 統(tǒng) ， 如 下 圖 所 示 。 大 、 中 型 PLC系 統(tǒng) 一 般 采 用 此 類 結(jié) 構(gòu) 。 增 強(qiáng) 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

26、 用于 復(fù) 雜 程 度 較 高 的 自 動 控 制 ， 并 在 相 當(dāng) 程 度 上 可 以 替代 DCS以 實(shí) 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 開 關(guān) 邏 輯 和 順 序 控 制 ： 最 主 要 功 能 模 擬 控 制 ： 過 程 控 制 點(diǎn) 數(shù) 較 少 ， 開 關(guān) 量 控 制 較 多 時(shí) 。采 用 模 擬 輸 入 輸 出 卡 件 來 實(shí) 現(xiàn) 模

27、擬 量 的 控 制 運(yùn) 算 。 信 號 聯(lián) 鎖 ： 信 號 聯(lián) 鎖 是 安 全 生 產(chǎn) 的 保 證 ， 高 可 靠 性的 PLC在 信 號 聯(lián) 鎖 系 統(tǒng) 中 發(fā) 揮 了 很 大 作 用 。 通 信 ： PLC可 作 為 下 位 機(jī) 與 上 位 機(jī) 或 同 級 的 PLC進(jìn)行 通 信 ， 完 成 數(shù) 據(jù) 處 理 和 信 息 交 換 ， 實(shí) 現(xiàn) 對 整 個(gè) 生 產(chǎn)過 程 的 信 息 控 制 和 管 理 。 (5)可 編 程 序 控 制 器 的 發(fā) 展 方 向 隨 著 計(jì) 算 機(jī) 綜 合 技 術(shù) 的 發(fā) 展 和 工 業(yè) 自 動 化 內(nèi) 涵 的不 斷 延 伸 ， PLC的 結(jié) 構(gòu) 和 功 能 也 在

28、 不 斷 地 進(jìn) 行 完 善 和擴(kuò) 充 。 實(shí) 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)展 理 念 之 一 。 長 期 以 來 PLC走 的 是 專 有 化 的 道 路 ， 這使 得 其 成 功 發(fā) 展 的 同 時(shí) 也 帶 來 了 許 多 制 約 因 素 。 目 前 ， 絕 大 多 數(shù) PLC不 屬 于 開 放 系 統(tǒng) ， 尋 求 開 放型 的 硬 件 或 軟 件 平 臺 成 了 當(dāng) 今 PLC的 主 要 發(fā) 展 目 標(biāo) 。 10.3.2 PLC基 本 組 成 PLC基

29、本 組 成 包 括 ： CPU、 通 信 接 口 、 外 設(shè) 接口 、 I/O接 口 等 。 模 塊 化 PLC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(jì) 要 求進(jìn) 行 配 置 ， 模 塊 與 模 塊 之 間 通 過 外 部 總 線 連 接 ， 如下 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 PLC結(jié) 構(gòu) 示 意 圖 在 模 塊 化 PLC系 統(tǒng) 中 ， 一 組 基 本 的 功 能 模 塊 可 以

30、構(gòu)成 一 個(gè) 機(jī) 架 ， CPU模 塊 所 在 的 機(jī) 架 通 常 稱 為 中 央 機(jī) 架 ，其 他 機(jī) 架 稱 為 擴(kuò) 展 機(jī) 架 。 根 據(jù) 安 裝 位 置 的 不 同 ， 機(jī) 架 的 擴(kuò) 展 方 式 又 分 為 本 地連 接 擴(kuò) 展 和 遠(yuǎn) 程 連 接 擴(kuò) 展 兩 種 。 前 者 要 求 所 有 機(jī) 架 都 集中 安 裝 在 一 起 ， 機(jī) 架 與 機(jī) 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(shí) 現(xiàn) 機(jī) 架 間 的 連 接 ，連 接 距 離 可 達(dá) 幾 百 米 到 數(shù) 千 米 ， 通 過 中 繼 環(huán) 節(jié) 還 可 以 進(jìn)

31、一 步 延 伸 。 遠(yuǎn) 程 擴(kuò) 展 機(jī) 架 也 稱 為 分 布 式 I/O站 點(diǎn) ， 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 。 一 個(gè) PLC所 允 許 配 置 的 機(jī) 架 數(shù) 量 以 及 每 個(gè) 機(jī) 架 所 允許 安 裝 的 模 塊 數(shù) 量 一 般 是 有 限 制 的 ， 主 要 取 決 于 PLC的地 址 配 置 和 尋 址 能 力 以 及 機(jī) 架 的 結(jié) 構(gòu) 和 負(fù) 載 能 力 。 (1)CPU模 塊 CPU模 塊 是 模 塊 化 PLC的 核 心 部 件 ，主 要 包 括 三 個(gè) 部 分 ： 中 央 處 理 單 元 CPU

32、、 存 儲 器 和 通信 部 件 。 小 型 PLC的 CPU單 元 通 常 采 用 價(jià) 格 低 、 通 用 性 好的 8位 微 處 理 器 或 單 片 機(jī) ； 中 型 PLC采 用 16位 微 處 理 器 或 單 片 機(jī) ； 大 型 PLC通 常 采 用 位 片 式 微 處 理 器 ， 它 將 多 個(gè) 位片 式 微 處 理 器 級 聯(lián) ， 并 行 處 理 多 個(gè) 任 務(wù) ， 具 有 靈 活 性好 、 速 度 快 、 效 率 高 等 特 點(diǎn) 。 另 外 ， 大 中 型 的 PLC很多 采 用 雙 CPU或 多 CPU結(jié) 構(gòu) ， 以 加 快 PLC的 處 理 速 度 。 常 用 的 存 儲 器

33、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 作數(shù) 據(jù) 。 對 于 不 同 的 PLC， 存 儲 器 的 配 置 形 式 是 一 樣 的 ，但 存 儲 器 的 容 量 隨 PLC的 規(guī) 模 的 不 同 有 較 大 差 別 。 通 信 部 件 的 作 用 是 建 立 CPU模 塊 與 其 他 模 塊 或 外部 設(shè) 備 的 數(shù) 據(jù) 交 換 。 (2)I/O模 塊 PLC 通 過 I/O接 口 與 現(xiàn) 場 儀 表 相 連 接 ，PLC最 常 用 的 I/O模 塊 主 要 包 括 模 擬 量 輸 入 、 模 擬量

34、 輸 出 、 開 關(guān) 量 輸 入 、 開 關(guān) 量 輸 出 模 塊 。 (3)智 能 模 塊 該 模 塊 通 常 是 一 個(gè) 較 獨(dú) 立 的 計(jì) 算 機(jī) 系統(tǒng) ， 自 身 具 有 CPU、 數(shù) 據(jù) 存 儲 器 、 應(yīng) 用 程 序 、 I/O接口 、 系 統(tǒng) 總 線 接 口 等 ， 可 以 獨(dú) 立 地 完 成 某 些 具 體 工作 。 但 從 整 個(gè) PLC系 統(tǒng) 來 看 ， 它 只 是 系 統(tǒng) 中 的 一 個(gè)單 元 ， 需 要 通 過 系 統(tǒng) 總 線 與 CPU模 塊 進(jìn) 行 數(shù) 據(jù) 交 換 。智 能 模 塊 一 般 不 參 與 PLC的 循 環(huán) 掃 描 過 程 ， 而 是 在CPU模 塊 的

35、協(xié) 調(diào) 下 ， 按 照 自 身 的 應(yīng) 用 程 序 獨(dú) 立 地 參與 系 統(tǒng) 工 作 。 比 如 ： 高 速 處 理 模 塊 、 通 信 處 理 器 模塊 等 一 般 屬 于 智 能 模 塊 。 (4)接 口 模 塊 采 用 模 塊 化 結(jié) 構(gòu) 的 系 統(tǒng) 是 通 過 機(jī) 架 把 各種 PLC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 PLC系 統(tǒng) 有 可 能 包 含 若 干 個(gè) 機(jī) 架 ， 接 口 模 塊就 是 用 來 把 所 有 機(jī) 架 組 織 起 來 ， 構(gòu) 成 一 個(gè) 完 整 的 PLC系 統(tǒng) 。(5)電 源 模 塊 PLC一 般 配

36、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(qiáng) 。 (6)編 程 工 具 作 用 是 編 制 和 調(diào) 試 PLC的 用 戶 程 序 、 設(shè)置 PLC系 統(tǒng) 的 運(yùn) 行 環(huán) 境 、 在 線 監(jiān) 視 或 修 改 運(yùn) 行 狀 態(tài) 和參 數(shù) ， 主 要 有 專 用 編 程 器 或 專 用 編 程 軟 件 兩 類 。 專 用 編 程 器 一 般 由 PLC生 產(chǎn) 廠 家 提 供 ， 只 能 適 用于 特

37、定 PLC的 軟 件 編 程 裝 置 。 主 要 生 產(chǎn) 廠 家 一 般 都 提 供 在 PC機(jī) 上 運(yùn) 行 的 專 用 編程 軟 件 ， 借 助 于 相 應(yīng) 的 通 信 接 口 裝 置 ， 用 戶 可 以 在PC機(jī) 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 可 適 用 于 一 系 列 的 PLC。 特 點(diǎn) ： 功能 強(qiáng) 大 、 通 用 性 強(qiáng) 、 升 級 方 便 等 10.3.3 PLC的 基 本 工 作 原 理 PLC的 CPU采 用 分 時(shí) 操 作 的 原 理 ， 其 工 作 方式 是 一 個(gè) 不 斷 循 環(huán) 的 順 序

38、 掃 描 過 程 ， 即 周 期 掃 描方 式 。 PLC的 整 個(gè) 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) I/O操 作 、 用 戶 程 序的 掃 描 、 外 設(shè) 端 口 服 務(wù) 五 個(gè) 階 段 。 每 一 次 掃 描 所用 的 時(shí) 間 稱 為 一 個(gè) 工 作 周 期 （ 掃 描 周 期 ） 。 PLC的 掃 描 周 期 與 PLC的 硬 件 特 性 和 用 戶 程 序 的 長 短有 關(guān) 。 N Y 上 電 初 始 化 檢 查 存 儲 器 、 硬 件 單 元 正 確 復(fù) 位 監(jiān) 視 定 時(shí) 器 執(zhí) 行 用 戶 程 序 數(shù) 據(jù)

39、I/O 操 作 復(fù) 位 監(jiān) 視 定 時(shí) 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(bào) 警 10-8 PLC掃 描過 程 示 意 (1)上 電 初 始 化 ： CPU首 先對 I/O、 繼 電 器 、 定 時(shí) 器 進(jìn)行 清 零 或 復(fù) 位 處 理(2)一 般 處 理 掃 描 ： 每 個(gè) 掃描 周 期 前 的 自 檢 ， 如 WDT的 復(fù) 位 、 I/O總 線 和 用 戶 存儲 器 的 檢 查(3)數(shù) 據(jù) I/O操 作 ：(4)掃 描 用 戶 程 序 ： 基 于 用戶 程 序 指 令 ， 讀 入 外 部 數(shù)據(jù) 和 狀 態(tài) 、 運(yùn) 算 、 輸

40、 出(5)外 設(shè) 端 口 服 務(wù) ： 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) 端 口 連 接 的 外 部 設(shè) 備 （ 編 程 器 、 通 信 適 配器 等 ） 的 通 信 。 10.3.4 PLC的 程 序 設(shè) 計(jì) 語 言 PLC的 程 序 設(shè) 計(jì) 就 是 利 用 特 定 的 表 達(dá) 方 式 （ 編 程語 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(jì) 多 采 用面 向 現(xiàn) 場 、 面 向 問 題 、 簡 單 而 直 觀 的 自 然 語 言 ， 它 能

41、直 接 表 達(dá) 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(dá) 形 式 。 常見 的 程 序 設(shè) 計(jì) 語 言 有 ： 梯 形 圖 、 語 句 表 、 邏 輯 功 能 圖 、計(jì) 算 機(jī) 高 級 語 言 等 。 (1)梯 形 圖 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 沿用 了 繼 電 器 、 觸 點(diǎn) 、 串 /并 聯(lián) 等 術(shù) 語 和 類 似 的 圖 形符 號 ， 信 號 流 向 清

42、楚 ， 是 多 數(shù) PLC的 第 一 用 戶 語言 。 SB3 SB2 SB1 C SB4 電 源 線 ( ) 起 始 母 線 結(jié) 束 母 線母 線 00200 00004 00003 00001 00002 串 聯(lián) 并 聯(lián) (a)電 器 控 制 梯 形 圖 (b) PLC梯 形 圖圖 10-9 PLC梯 形 圖 示 意 PLC梯 形 圖 的 特 點(diǎn) ： 梯 形 圖 的 符 號 不 是 實(shí) 際 的 物 理 元 件 ， 而 只 是 對 應(yīng) 于存 儲 器 中 的 某 一 位 ； 梯 形 圖 不 是 硬 接 線 系 統(tǒng) ， 但 可 以 借 助 “ 概 念 電 流 ”來 理 解 器 邏 輯 運(yùn) 算 功

43、 能 ； PLC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(jìn) 行 掃 描 ， 前 一 邏 輯 行 的 解 算 結(jié) 果 可被 后 面 的 程 序 所 引 用 ； 每 個(gè) 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 。 (2)語 句 表 語 句 表 STL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 句 表 編 程 語 言 的 特 點(diǎn) 是 面 向 機(jī) 器

44、， 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 格式 都 是 由 操 作 碼 和 操 作 數(shù) 兩 部 分 組 成 。 ( ) 起 始 母 線 結(jié) 束 母 線母 線 00200 00004 00003 00001 00002 串 聯(lián) 并 聯(lián) (b) PLC梯 形 圖 LD 00001OR 00002LD NOT 00003AND 00004AND LDOUT 00200語 句 表 10.3.5 PLC的 程 序 結(jié) 構(gòu)線 性 化 編 程 將 用 戶 指 令 逐 條 編 寫 在 一 個(gè) 連 續(xù) 的 指 令 塊 中 ，適 用 于 比 較

45、簡 單 的 任 務(wù) 。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 整個(gè) 應(yīng) 用 程 序 劃 分 成 若 干 個(gè) 模 塊 ， 用 一 個(gè) 主 程 序 來 對這 些 模 塊 進(jìn) 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) （ Fieldbus Control System, FCS） 是 在 計(jì) 算 機(jī) 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 。它 實(shí) 際 是 繼 儀 表 控 制 系

46、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) 。 現(xiàn) 場 總 線 是 20世 紀(jì) 80年 代 中 期 在 國 際 上 開 始 出 現(xiàn) ，90年 代 初 發(fā) 展 形 成 的 。 它 是 應(yīng) 用 于 生 產(chǎn) 現(xiàn) 場 、 微 機(jī) 化測 量 設(shè) 備 之 間 以 及 現(xiàn) 場 與 控 制 室 （ 或 控 制 設(shè) 備 ） 之 間的 一 種 雙 向 串 行 、 多 節(jié) 點(diǎn) 的 數(shù) 字 通 信 系 統(tǒng) ， 也 被 稱 為開 放 式 、 數(shù) 字 化 、 多 節(jié) 點(diǎn) 通 信 的 底 層 控 制 網(wǎng) 絡(luò) 。 10.4.1 現(xiàn) 場 總 線 控 制 系 統(tǒng) 的

47、發(fā) 展(1)現(xiàn) 場 總 線 是 綜 合 自 動 化 發(fā) 展 的 需 要 隨 著 計(jì) 算 機(jī) 、 信 息 技 術(shù) 的 飛 速 發(fā) 展 ， 20 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 ，產(chǎn) 品 技 術(shù) 含 量 高 、 更 新 換 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(shí) 間T(Time to market)， 改 善 質(zhì) 量 Q(Quality)， 降 低 成 本 C(Cost)，完 善 售 后 服

48、務(wù) S(Service)。 追 求 完 善 的 T、 Q、 C、 S是 一 個(gè) 永無 止 境 的 過 程 ， 它 能 不 斷 的 促 進(jìn) 技 術(shù) 進(jìn) 步 與 管 理 改 革 。 因 此形 成 了 計(jì) 算 機(jī) 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 觀點(diǎn) 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(jì) 算 機(jī) 、 自 動化 、 通

49、信 等 技 術(shù) 來 實(shí) 現(xiàn) 整 個(gè) 過 程 的 綜 合 自 動 化 ， 以 改 善 生 產(chǎn)加 工 、 管 理 決 策 等 。 計(jì) 算 機(jī) 為 CIMS的 實(shí) 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) ， 要與 外 界 交 換 信 息 ， 要 實(shí) 現(xiàn) 整 個(gè) 生 產(chǎn) 過 程 的 信 息 集成 ， 要 實(shí) 施 綜 合 自 動 化 ， 就 必 須 設(shè) 計(jì) 出 一 種 能 在工 業(yè) 現(xiàn) 場 環(huán) 境 運(yùn) 行 的 、 性 能 可 靠 、 造 價(jià) 低 廉 的 通信 系 統(tǒng) ， 以 實(shí) 現(xiàn) 現(xiàn) 場 自 動 化 智 能 設(shè) 備 之

50、間 的 多 點(diǎn)數(shù) 字 通 信 ， 形 成 工 廠 底 層 網(wǎng) 絡(luò) 系 統(tǒng) ， 實(shí) 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 。 現(xiàn)場 總 線 就 是 在 這 種 背 景 下 產(chǎn) 生 的 。 (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) 傳 輸 信 號 的 數(shù) 字 化 是 實(shí) 現(xiàn) 數(shù) 字 通 信 的 基 礎(chǔ) 。1983年 ， Honeywell推 出 了 智 能 化 儀 表 Smar變送 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

51、復(fù) 雜 的 計(jì) 算 功 能 外 ， 還 在 輸出 的 420mA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 。這 種 屬 于 模 擬 混 合 儀 表 ， 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(shí) 現(xiàn) 智 能 儀 表 之 間的 信 息 交 換 ， 智 能 儀 表 能 處 理 多 個(gè) 信 息 和 復(fù) 雜 計(jì) 算的 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)

52、字 化 的 儀 表 與 系 統(tǒng) 的 出 現(xiàn) 。 (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 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(shí) 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)一 ， 嚴(yán) 重 束 縛 了 工 廠 底 層 網(wǎng) 絡(luò) 的 發(fā) 展 。 從 用 戶 到 設(shè)備 制 造 商 都 強(qiáng) 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

53、供 的 自 動 化 設(shè) 備 互 連 為 系 統(tǒng) 。這 里 的 開 放 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 為一 致 通 信 系 統(tǒng) 。 所 以 現(xiàn) 場 總 線 就 是 工 廠 自 動 化 領(lǐng) 域的 開 放 互 連 系 統(tǒng) 。 10.4.2 現(xiàn) 場 總 線 控 制 系 統(tǒng) 的 特 點(diǎn) 與 優(yōu) 點(diǎn)(1) 現(xiàn) 場 總 線 控 制 系 統(tǒng) 的 結(jié) 構(gòu) 特 點(diǎn) 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 。 傳 統(tǒng) 模 擬 控 制 系 統(tǒng) 采 用 一 對

54、一 的 設(shè) 備 連 線 ， 按 控制 回 路 分 別 進(jìn) 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 、開 關(guān) 、 馬 達(dá) 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 把原 先 DCS系 統(tǒng) 中 處 于 控 制 室 的 控 制 模 塊 、 各 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)場 的 測 量 變 送 儀 表 可 以 與 閥 門 等

55、 執(zhí) 行 機(jī) 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(jì) 算 機(jī) 或 控 制儀 表 ， 直 接 在 現(xiàn) 場 完 成 ， 實(shí) 現(xiàn) 了 徹 底 的 分 散 控 制 。 Fieldbus Controller I/O 子 系 統(tǒng) Controller 傳 統(tǒng) 計(jì) 算 機(jī) 控 制系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 示 意 FCS結(jié) 構(gòu) 示 意圖 10-10 DDC與 FCS的 結(jié) 構(gòu) 比 較 (2) 現(xiàn) 場 總 線 控 制 系 統(tǒng) 的 特 點(diǎn) 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

56、制 系 統(tǒng) 。 其 在 技 術(shù) 上 具 有如 下 特 點(diǎn) ：系 統(tǒng) 的 開 放 性 開 放 是 指 總 線 標(biāo) 準(zhǔn) 、 通 信 協(xié) 議 的 一致 性 、 公 開 性 ， 強(qiáng) 調(diào) 對 標(biāo) 準(zhǔn) 的 共 識 與 遵 從 。 一 個(gè) 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 其他 設(shè) 備 或 系 統(tǒng) 連 接 。 不 同 廠 家 的 設(shè) 備 之 間 可 實(shí) 現(xiàn) 信 息交 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)筑 自

57、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 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(shí) 現(xiàn) 點(diǎn)對 點(diǎn) 、 一 點(diǎn) 對 多 點(diǎn) 的 數(shù) 字 通 信 。 互 換 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(shí) 現(xiàn) 相 互 替 換 ?，F(xiàn) 場 設(shè) 備 的 智 能 化 與 功 能 自 治 性 它 將 傳 感 器 測 量 、補(bǔ) 償 計(jì) 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

58、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(shí) 診 斷 設(shè) 備 的 運(yùn) 行 狀 態(tài) 。 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 DCS集 中 與 分 散 相 結(jié) 合 的 集 散 控 制 系 統(tǒng) 體 系 ， 簡 化了 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 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(jì) 的 ， 可 支

59、 持 雙 絞 線 、 同軸 電 纜 、 光 纜 、 射 頻 、 紅 外 線 、 電 力 線 等 ， 具 有 較 強(qiáng)的 抗 干 擾 能 力 ， 能 采 用 兩 線 制 實(shí) 現(xiàn) 供 電 與 通 信 ， 并 可滿 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(diǎn)節(jié) 省 硬 件 數(shù) 量 與 投 資 節(jié) 省 安 裝 費(fèi) 用 節(jié) 省 維 護(hù) 開 銷 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 10.4.3 現(xiàn) 場 總 線 現(xiàn) 場 總 線 國 際 標(biāo) 準(zhǔn) (1)現(xiàn) 場 總 線 標(biāo) 準(zhǔn) 的 形 成 在

60、現(xiàn) 場 總 線 的 開 發(fā) 過 程 中 ， 出 現(xiàn) 了 多 種 總 線 （ 如FF、 Lon Works、 Hart、 CAN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) 用背 景 。 但 是 現(xiàn) 場 總 線 既 然 是 開 放 的 ， 就 應(yīng) 該 有 一 個(gè) 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 （ IEC） 非 常 重 視 現(xiàn) 場 總 線 標(biāo) 準(zhǔn)

61、 的 制 定 ，早 在 1984年 就 成 立 了 IEC/TC65/SC65C/WG6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(tuán)公 司 都 從 自 身 的 利 益 角 度 出 發(fā) ， 分 歧 很 大 ， 工 作 進(jìn) 展緩 慢 。 經(jīng) 過 長 期 爭 論 和 反 復(fù) 修 改 ， 在 2000年 初 ， IEC頒 布 了 由 多 數(shù) 國 家 確 認(rèn) 的 IEC 61158現(xiàn) 場 總 線 標(biāo) 準(zhǔn) 。 IEC 61158并 非 是 單 一 的 現(xiàn) 場 總 線 標(biāo) 準(zhǔn) ， 而 是 包括 了 從 Type 1至 Type 8共 8種 總

62、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(shí) 際 使用 情 況 。 因 此 ， 在 今 后 一 段 時(shí) 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 。 在 IEC 61158中 包 含 的 10種 現(xiàn) 場 總 線 網(wǎng) 絡(luò) 協(xié) 議 （ 2003）Type 1 PhL,DDL以

63、 FF H1為 原 型 ， AL是 IEC TSType 2 PhL,DDL是 ControlNet, AL是 ControlNet+EtherNet/IPType 3 PROFIBUSType 4 P-NETType 5 PhL,DDL無 ， AL 是 FF HSEType 6 SwiftNetType 7 WorldFIPType 8 INTERBUSType 9 PhL,DDL無 ， AL是 Type 1的 子 集Type 10 PROFINET(2) IEC61158的 10種 現(xiàn) 場 總 線 Type 1現(xiàn) 場 總 線Type 1現(xiàn) 場 總 線 由 IEC 61158 TS技 術(shù) 規(guī)

64、 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 (ISO)的開 放 互 連 系 統(tǒng) (OSI)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 31.25Kbps，支 持 總 線 供 電 和 本 質(zhì) 安 全 放 爆 。 總 線 用 戶 層 具 有 標(biāo)準(zhǔn) 功 能 快 和 裝 置 描 述 功 能 ，

65、使 現(xiàn) 場 儀 表 能 就 地 實(shí) 施控 制 策 略 ， 并 實(shí) 現(xiàn) 儀 表 間 的 互 操 作 功 能 。 Type 2現(xiàn) 場 總 線 Type 2總 線 即 Control Net現(xiàn) 場 總 線 ， 由 A-B/Rockwell公 司 設(shè) 計(jì) 并 得 到 CI(Control Net International)組 織 的 支 持 。 該 總 線 是 一 種 用 于 對信 息 傳 遞 有 時(shí) 間 苛 刻 要 求 的 高 速 確 定 性 網(wǎng) 絡(luò) ， 同時(shí) 它 允 許 傳 送 無 時(shí) 間 苛 求 的 報(bào) 文 數(shù) 據(jù) 。 通 信 模 式為 生 產(chǎn) 者 /客 戶 模 式 （ producer/co

66、nsumer model） ，這 種 模 式 允 許 網(wǎng) 絡(luò) 上 的 所 有 節(jié) 點(diǎn) 同 時(shí) 從 單 個(gè) 數(shù) 據(jù)源 存 取 相 同 的 數(shù) 據(jù) ， 傳 輸 速 率 可 達(dá) 5Mbps。 由Type 2現(xiàn) 場 總 線 構(gòu) 成 的 系 統(tǒng) 包 括 信 息 層（ Ethernet） 、 控 制 層 （ Control Net） 和 現(xiàn) 場 層（ Device Net） 。 Type 3現(xiàn) 場 總 線 Type 3總 線 即 Profibus現(xiàn) 場 總 線 ， 由 德 國 多 家 公 司和 科 研 機(jī) 構(gòu) 按 照 ISO/OSI參 考 模 型 設(shè) 計(jì) 的 ， 得 到 了PNO(Profibus National Organization)用 戶 組 織 的 支 持 ，并 被 確 定 為 歐 洲 標(biāo) 準(zhǔn) EN 50170V.2。 Profibus系 列 由 三 個(gè)兼 容 部 分 組 成 ： Profibus-DP、 Profibus-FMS、 Profibus-PA。 Profibus-DP適 用 于 裝 置 一 級 自 動 控 制 系統(tǒng) 與 分 散 I/O之 間 的 高 速 通 信 ， 它 使