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第9章 工业控制网络 9.1 集散控制系统 9.2 现场总线概述 9.3 五种有影响的现场总线 9.4 OSI参考模型与现场总线通信模型 9.5 FF现场总线技术 9.6 现场总线控制系统设计 9.1 集散控制系统概述 集散控制系统(DCS)，亦称分散型控制系统或分散型综合控制系统(TDCS)。它是综合了计算机技术、通信技术、CRT显示技术和过程控制技术的新型控制系统。其设计原则是控制分散、操作集中、危险分散、管理集中、分级管理、分而自治。集散控制系统具有技术先进、功能完备、应用灵活、操作方便、运行可靠等多方面显著特点，为计算机控制开创了一个崭新的应用领域，并得到了越来越普遍的应用。 9.1.1 集散控制系统的产生 利用常规模拟仪表组成的控制系统，虽然具有高可靠性、低成本等优点，但是随着生产规模的日益大型化、复杂化，它的局限性越来越明显，主要表现在：不易实现复杂控制规律，不易实现集中监视和操作，不易组成分级控制的通信联系等。 为了克服模拟控制仪表的上述缺点，随着计算机技术的发展，从20世纪五六十年代开始，出现了两类计算机控制系统：计算机直接数字控制(DDC,Direct Di Gital Control)和监督计算机控制(SCC,Supervisory Computer Control)系统。所谓DDC系统,就是使用一台DDC主计算机代替多台模拟调节器，实现对多个过程参数值的控制；而SCC系统则是由SCC主计算机根据现场及其他参数，按一定规律自动改变模拟调节器或DDC系统的给定值，使生产过程处于最优工作状态。以上两种计算机控制系统的原理如图9―1、图9―2所示。 ? 它们虽然具有易于实现复杂规律，易于通信，易于实现集中监视以及操作、控制精度高等显著优点，但由于它们还属于“集中型”系统，一台计算机要控制几十甚至几百个回路，同时保存并处理着整个生产过程的全部信息，所以存在着危险集中的严重问题，一旦主机发生故障，必将影响整个系统的正常工作，甚至造成瘫痪事故发生。 70年代中期开始出现的集散控制系统，以美国霍尼维尔公司的TDC―2000和日本横河公司的CENTUM系统为典型代表，开始了分级分布系统在工业过程控制领域中的应用。这一类系统从计算机控制角度讲，属于分布式计算机控制系统(DCCS，Distributed Computer Control System)；从控制与管理的角度讲，它们是一类分散型综合控制系统(TDCS，Total Distributed Control System)， 简称集散系统(DCS，Distributed Control System)；从其本质和内部机理上讲，是以微处理机为核心的计算机控制系统；从其外部构成方式和应用角度上讲，它类似于单元组合式仪表控制系统，使系统的组态及扩展都十分容易。 集散系统在功能上真正实现了管理集中和控制分散，既实现了操作、管理和监视的纵向分级集中，又实现了控制、危险的横向分散，从根本上提高了系统的可靠性。DCS系统是目前公认的最理想的工业控制系统之一，在国内外冶金、电力、石油、化工、建筑等工业生产中得到了广泛的应用。至今全球DCS系统的生产厂家近百个，表9―1、表9―2中所列为一些典型产品。 9.1.2 集散系统的基本结构 自1975年第一套集散系统TDC―2000诞生至今，随着微型计算机技术，特别是数据通信技术的发展与应用，集散系统的能力与结构也在不断地发展与变化，其中大体经历了三个阶段。 1.第一代集散系统的基本结构 第一代集散系统始于1975年，其基本结构如图9―3所示，主要由5大部分组成。 (1)现场控制站：亦称过程控制单元(PCU)、现场控制单元(FCU)或基本控制器(BC)。它是集散系统的基本部件，一般由微处理器(CPU)、存储器(RAM、ROM)、模拟量和数字量I/O接口、电源、通信接口及内部总线组成。通常有十几到几十种标准控制算法固化在ROM中，供组态时选用。第一代PCU主要完成对一个或多个回路的控制功能，它使集散系统获得了分散控制的能力。 (2)现场监视站：亦称过程接口单元(PIU)、数据采集单元(DAU)或现场监视单元。其主要作用是采集及处理非控制参数，并通过数据通道将采集到的数据送到操作站和上位机。它 使集散系统获得了分散数据采集与处理的能力。有些系统将PCU和DAU放在一个单元中。 (3)CRT操作站：它是系统