集散控制与现场总线第二版

工业4.0时代的工业控制网络

王彤

（哈尔滨工业大学（威海）信息与电气工程学院 威海 264200）

摘 要：德国自2013年正式提出“工业4.0”战略以来，加紧将信息通信技术应用到工业生产中，建立信息物理系统（CPS），通过智能工厂和智能生产，对工业产品制造、物流管理等各个环节进行智能化全程控制，以促进工业生产的智能化、数字化、网络化和服务化发展，并催生出新型商业模式和生产方式。目前，中国工业存在要素成本上升迅速、产能过剩矛盾突出、国际产业链低端锁定等诸多难题，有必要借鉴德国工业4.0战略的基本思路和实施机制，借助于正在迅速发展的新产业革命的技术成果，加快推进工业生产制造方式、产业组织和商业模式等方面的创新，加快促进工业生产的全面转型升级。 关键词：德国工业4.0；工业控制网络；智能工厂；前景发展；中国工业的发展升级 中图分类号：TP391 文献标识码：A 国家标准学科分类代码：

Industrial control network developing in the age of industrial 4.0

Wangtong

（Academy of electronic information and electric

本答案仅供参考。

第1章 绪论

1.1 什么是过程计算机控制系统？它由哪几部分组成？通过具体示例说明。

答：它是指由被控对象、测量变送装臵、计算机和执行装臵构成，以实现生产过程闭环控制

的系统，它综合了计算机过程控制和生产工艺过程。例如温度控制系统。

1.2 计算机控制工业生产过程有哪些种类型？

答：计算机控制工业生产过程一般有五种类型：

操作指导控制系统；直接数字控制系统；监督控制系统；集散控制系统；现场总线控制系统。

1.3 计算机控制系统的硬件一般有哪几大主要组成部分？各部分是怎样互相联系的？其中过程通

道有几种基本类型？它们在系统中起什么作用？

答：计算机控制系统的硬件一般包括：主机、外部设备、过程输入输出设备。两个过程通道，

一个是输入通道，另一个为输出过程通道。

输入过程通道包括：A/D通道----把模拟信号转换成数字信号后再输入； DI通道-----直接输入开关量信号或数字量信号。

输出过程通道包括：D/A通道----把数字信号转换成模拟信号后再输出； DO通道-----直接输出开关量信号或数字量信号。 1.4 直接数字控制系统

本答案仅供参考。

第1章 绪论

1.1 什么是过程计算机控制系统？它由哪几部分组成？通过具体示例说明。

答：它是指由被控对象、测量变送装臵、计算机和执行装臵构成，以实现生产过程闭环控制

的系统，它综合了计算机过程控制和生产工艺过程。例如温度控制系统。

1.2 计算机控制工业生产过程有哪些种类型？

答：计算机控制工业生产过程一般有五种类型：

操作指导控制系统；直接数字控制系统；监督控制系统；集散控制系统；现场总线控制系统。

1.3 计算机控制系统的硬件一般有哪几大主要组成部分？各部分是怎样互相联系的？其中过程通

道有几种基本类型？它们在系统中起什么作用？

答：计算机控制系统的硬件一般包括：主机、外部设备、过程输入输出设备。两个过程通道，

一个是输入通道，另一个为输出过程通道。

输入过程通道包括：A/D通道----把模拟信号转换成数字信号后再输入； DI通道-----直接输入开关量信号或数字量信号。

输出过程通道包括：D/A通道----把数字信号转换成模拟信号后再输出； DO通道-----直接输出开关量信号或数字量信号。 1.4 直接数字控制系统

缩写词全称：

（1） SCC：Supervisory Computer Control 计算机监督控制 （2） DDC: Direct Digital Control 直接数字控制 （3） DCS：Distributed Control System 集散控制系统

（4） CIMS：Computer Integrated Manufactured System 计算机集成制造系统 （5） FCS：Fieldbus Control System 现场总线控制系统

（6） CIPS：Computer Integrated Process System 计算机集成过程系统 （7） PLC：Programmable Logic Controller 可编程逻辑控制器

关于DCS:

集散型控制系统，又称分布式控制系统。是计算机技术（Computer），通信技术（Communication），图形显示技术（CRT）,控制技术（Control）的发展产物。 主要特点：可靠性高，灵活的扩展性，完善的自主控制性，完善的通信网络。 设计思想：危险分散，控制功能分散，操作和管理集中。

DDZ_II DDZ_III:电动单元组合仪表

II特点：

（1） 采用0-

1．集散控制系统DCS与现场总线控制系统FCS的比较 1．1 概述FCS、DCS

FCS是在DCS的基础上发展起来的，FCS顺应了自动控制系统的发展潮流，它必将替代DCS。这已是业内人士的基本共识。然而，任何新事物的发生，发展都是在对旧事物的扬弃中进行的，FCS与DCS的关系必然也不例外。FCS代表潮流与发展方向，而DCS则代表传统与成熟，也是独具优势的事物。特别是现阶段，FCS尚没有统一的国际标准而呈群雄逐鹿之势，DCS则以其成熟的发展，完备的功能及广泛的应用而占居着一个尚不可完全替代的地位。本人认为：现场总线控制系统FCS应该与集散式控制系统DCS相互兼容。 无论是FCS或者是DCS，它们最终是为了满足整个生产过程而进行的系统控制（PCS）。 首先以工程成本与效益看，现场总线的根本优势是良好的互操作性；结构简单，从而布线费用低；控制功能分散，灵活可靠，以及现场信息丰富。然而这些优势是建立在 FCS系统初装的前提下，倘诺企业建立有完善的DCS，现在要向FCS过渡，则必须仔细考虑现有投资对已有投资的回报率。充分利用已有的DCS设施，现有DCS的布线以及成熟的DCS控制管理方式来实现FCS是我们应选之途。

现场网络

1、CAN总线的主要技术特点、技术规范、报文帧类型、帧结构、网络控制体系以及常见的CAN通信控制器 主要技术特点:

?CAN网络上的节点不分主从

–任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息，通信方式灵活 ?CAN采用非破坏性的总线仲裁技术 -载波监听多路访问、逐位仲裁 -先听再讲

-当多个节点同时向总线发送信息时，优先级较低的节点会主动地退出发送，而最高优先级的节点可不受影响地继续传输数据，从而节省了总线冲突的仲裁时间。 ?CAN网络上的节点具有不同的优先级 –可满足对实时性的不同要求

–高优先级的数据可在134微秒内得到传输

?通过报文滤波可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式收发数据，无需专门的“调度”

?CAN的直接通信距离

–最远可达10km（速率5kbps以下）；

–通信速率最高可达1Mbps(此时通信距离最长为40m）。 ?CAN总线上的节点数决定于总线驱动电路，一般为 –可达110个； ?报文标识符：

–CAN2.0A为2032种

–CAN2.0B扩展帧的报文标识符几乎不受限制 ?CAN为短帧结构，传输时间短，受干扰概率低

?CAN节点具有良好的检错功能，出错率低–节点中均有错误检测、标定和自检能力。

锅炉二次风门电源分散设计 和采用现场总线控制的尝试与研究

田松 河北电力勘测设计研究院电控室

摘要：本文探讨了锅炉二次风门的供电和控制方式的设计优化，目的是在保证安全可控的前提下节省电缆提高控制水平，希望能起到抛砖引玉的作用对常规的设计方式有一个创新。

关键词：现场总线、FF、现场总线控制系统（FCS） 一 问题提出。

锅炉的二次风执行机构的布置有规律性和比较集中的特点，以上海锅炉厂的四角喷燃型锅炉为例：600MW工程的锅炉二次风执行机构每个角25台，四个角100台，1000MW工程的锅炉二次风执行机构每个角32台，四个角128台。在以往的设计过程中采用集中一个电源柜，布置在配电间或电子设备内，对100多台分布在锅炉四角的执行器进行供电和控制，采用这种常规的方式需要耗费大量的电缆和施工量，在各大集团均在优化设计降低造价的背景下，如何节省这部分电缆，就成为摆在我们面前的一个课题，需要对常规设计方式进行改进和创新。 二 采用就地放置电源接线柜的设计节省电缆。

我们根据现场实际经验和计算优化提出可以通过采用在锅炉四角布置电源接线柜的电源分散设计方式，将电源开关布置在就地电源柜中，并对控制电缆进行集中，这样就可以节省大量的电源和控制电缆

CMS硬件使用手册之CAN现场总线 上海神开石油科技有限公司

第二章 CAN现场总线

一、 CAN总线型传感器的分类

目前我们使用的防爆隔离栅共分三种，请在使用时注意区分：

1．SK-9N01CAN总线绞车隔离栅，俗称C型节点，只用于配接绞车传感器。 2．SK-9N02CAN总线泵冲隔离栅，俗称B型节点，用于配接泵冲、转盘转速传感器。

3．SK-9N03CAN总线模入量隔离栅，俗称A型节点，用于所有4-20mA输出信号传感器；A型节点又分为二线制和三线制，以及顶驱客户端三种，出厂时在防爆隔离栅外壳不锈钢标牌上有所标识。

注意：三线制A节点仅用于配接SK-8N07电扭矩传感器、SP-1102总烃传感器和格

林通H2S，其余均为二线制。而安路、格产H2S传感器为二线制。顶驱转速、顶驱扭矩的接线方法又有所不同。

这里所谓的防爆，是指具有承受内部爆炸性气体混合物的爆炸压力， 并阻止内部的爆炸向外壳周围爆炸性混合物的传播，隔爆型电气设备，有 “d” 标志。防爆原理：电气设备引燃可燃性气体混合物有两方面原因：一个是电气设备产生的火花、电弧。对于设备在正常运行时

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。

现场总线技术与应用

现场总线是应用生产现场、在微机化测控设备之间实现双向数字通信系统，是开放式、数字化、多点通信的低层控制网络。

现场总线是在20世纪年代中期发展起来的。现场总线技术是将专用的微处理器植入传统的测控仪表，使其具备了数字计算和通信能力，采用连接简单的双绞线、同轴电缆、光纤等作为总线，按照公开、规范的通信协议，在位于现场的多个微机化测控仪表之间、远程监控计算机之间实现数据共享，形成适应现场实际需要的控制系统。它的出现改变了以往采用电流、电压模拟信号进行测控信号变化慢，信号传输抗干扰能力差的缺点，也改变了集中式控制可能造成的全线瘫痪的局面。由于微处理器的使用，使得现场总线有了较高的测控能力，提高了信号的测控和传输精度，同时丰富了控制信息内容，为远程传送创造了条件。

现场总线适应了工业控制系统向分散化、网络化、智能化发展的方向，一出现便成为全球工业自动化技术的热点，受到全世界的普通遍关注。现场总线导致了传统控制系统结构的变革，形成了新型的网络集成式全分布控制系统--现场总线控制系统FCS（Fieldbus Control System）。 一、现场总线的特点

现场总线系统打破了传统模拟控制系统采用的一对一的设备连线模式，而采用了