基于现场总线的集散控制系统
摘要
基于现场总线技术的集散控制系统是一种新型的控制系统，它是采用总线方式将现场控制单元、现场监视单元、操作站、通信接口单元连接起来，综合了计算机技术、通信技术和过程控制技术，采用了多层次分级的结构形式，以适应现代高水平生产控制与管理的需要。它继承和发展了常规仪表控制系统和计算机集中控制系统的优点，又弥补了它们各自的不足，以崭新的结构体系、先进的技术面貌、复杂的信息处理功能和独具风格的控制方式应用于石油、化工、治金、电力、纺织、造纸、食品和水处理等各个工业生产领域，已经逐步成为过程控制系统发展的主流，它的优点在于网络结构简单，且通信电缆少，布线容易，节省材料和费用，减少了维护工作量。本论文通过对集散控制系统(DCS)与现场总线控制系统(FCS)的研究，阐述了集散控制系统发展到现场总线控制系统的进步性。同时，论文分析现场总线的体系结构、功能、类型，比较集散控制系统与现场总线控制系统的区别，并对比RS-485技术与CAN技术在实际应用中的差异。
在此理论基础上，论文提出了一种应用于印刷业张力联动控制的基于现场总线技术的集散控制系统DCS2000-MRT，介绍了该系统的主要功能、硬件组成、工作原理、软件设计及其实现方法。该系统实现了功能分散控制，对过程参数检测及运算处理、控制策略的实现、控制信息的输出以及过程参数的实时控制等都在现场的过程控制单元中有效地、长期可靠地、无人干预地自动进行，从而实现控制功能的高度分散。该系统的现场总线智能化模块层由分散在控制现场的若干个智能化单元组成。智能仪表采用功能模块结构，通过设计可以完成类似于检测、张力控制、速度控制等功能。整个系统设计时既可以采用RS-485技术，又可以采用CAN技术，它具有全数字化信息双向通信、多变量处理能力、自诊断等功能，系统中的各智能化单元工作独立，又可相互通信，在系统总线上，用户可以根据需要自由组态，灵活实现各种现场功能。系统同时集中了DCS系统和现场总线系统的优点。在本论文中，以该应用系统的一个智能化单元——浮辊张力控制单元为具体分析对象，详细描绘其组
武汉理工大学硕士学位论文
成方式、工作原理、程序设计方法以及工作特点，对比了使用RS－485
总线技术进行通信与使用CAN总线技术进行通信的不同，较好地体现了
丛于观场总线技术的染敝控制系统介实际工业应用中的优拎和特点。
Distributed control system based fieldbus is a new kind of control system, it connects UFCH, UFMH, UOPS, ULFS by databus mode. It integrates computer technology, communication technology and process control technology, adopts multi-layers frame to adjust to demand of high standard productive control and management. It developments and follows the advantages of traditional instrument control system and computer central control system and make up for their disadvantages so that it is applied in oil, chemistry, mineral, electricity, silk, food and water est. with its new frame, modern technology, complex information and unique control mode. It has become mainstream in process control system. Its advantage is simple frame, few cable, saving materials and fees, decrease of maintenance. This paper proposals the research in distributed control system (DCS) and fieldbus control system(FCS) and describes the progresses from DCS to PCS. Then this paper analyzes fieldbus's frame, function, category, compares distribute
d control system and fieldbus control system, distinguish between RS-485 and CAN in practice application.
Under the theory, this paper comes up a DCS based fieldbus and named DCS2000TMRT that is applied in tension control in package factory, this paper recommended its main function, hardware frame, work principles and software design. This system has function dispersion and can deal with parameter checking, calculation, control strategy, information output and process parameters time-control. These functions will auto-run effectually and reliably that make control dispersion. Fieldbus intelligential model layer in this system is made of a few intelligential models in the fields. Intelligential instruments adopt functional model frame and has detection, tension control and speed control etc. The design of the whole system adopt not only RS-485 but also CAN. It has whole digital bilateral communication, multi-parameters deal, self-check etc. In the whole system, each intelligential unit work independently and intercommunicate. The users can freely configure to realize kinds of functions according to their demands.
So this system integrates advantages of DCS and fieldbus. This paper takes one
intelligential unit-mobile roll tension control unit as concrete object to
analyze. Its frame, principle, program and character are purposed. During this purpose, difference between RS-485 and CAN in communication are discussed. Then this system's advantages and characters are recommended in practice industrial application.
This paper discusses the process of industrial control system that
developed from distributed control system to fieldbus control system and its improvement. In the same time, this paper compares RS-485 and CAN. This paper analyzes a concrete example to represent this system's advantage, such as convenience, common use. Then it interprets distinguish between RS^485 and CAN.
在此理论基础上，论文提出了一种应用于印刷业张力联动控制的基于现场总线技术的集散控制系统DCS2000-MRT，介绍了该系统的主要功能、硬件组成、工作原理、软件设计及其实现方法。该系统实现了功能分散控制，对过程参数检测及运算处理、控制策略的实现、控制信息的输出以及过程参数的实时控制等都在现场的过程控制单元中有效地、长期可靠地、无人干预地自动进行，从而实现控制功能的高度分散。该系统的现场总线智能化模块层由分散在控制现场的若干个智能化单元组成。智能仪表采用功能模块结构，通过设计可以完成类似于检测、张力控制、速度控制等功能。整个系统设计时既可以采用RS-485技术，又可以采用CAN技术，它具有全数字化信息双向通信、多变量处理能力、自诊断等功能，系统中的各智能化单元工作独立，又可相互通信，在系统总线上，用户可以根据需要自由组态，灵活实现各种现场功能。系统同时集中了DCS系统和现场总线系统的优点。在本论文中，以该应用系统的一个智能化单元——浮辊张力控制单元为具体分析对象，详细描绘其组
武汉理工大学硕士学位论文
成方式、工作原理、程序设计方法以及工作特点，对比了使用RS－485
总线技术进行通信与使用CAN总线技术进行通信的不同，较好地体现了
丛于观场总线技术的染敝控制系统介实际工业应用中的优拎和特点。
Distributed control system based fieldbus is a new kind of control system, it connects UFCH, UFMH, UOPS, ULFS by databus mode. It integrates computer technology, communication technology and process control technology, adopts multi-layers frame to adjust to demand of high standard productive control and management. It developments and follows the advantages of traditional instrument control system and computer central control system and make up for their disadvantages so that it is applied in oil, chemistry, mineral, electricity, silk, food and water est. with its new frame, modern technology, complex information and unique control mode. It has become mainstream in process control system. Its advantage is simple frame, few cable, saving materials and fees, decrease of maintenance. This paper proposals the research in distributed control system (DCS) and fieldbus control system(FCS) and describes the progresses from DCS to PCS. Then this paper analyzes fieldbus's frame, function, category, compares distribute
d control system and fieldbus control system, distinguish between RS-485 and CAN in practice application.
Under the theory, this paper comes up a DCS based fieldbus and named DCS2000TMRT that is applied in tension control in package factory, this paper recommended its main function, hardware frame, work principles and software design. This system has function dispersion and can deal with parameter checking, calculation, control strategy, information output and process parameters time-control. These functions will auto-run effectually and reliably that make control dispersion. Fieldbus intelligential model layer in this system is made of a few intelligential models in the fields. Intelligential instruments adopt functional model frame and has detection, tension control and speed control etc. The design of the whole system adopt not only RS-485 but also CAN. It has whole digital bilateral communication, multi-parameters deal, self-check etc. In the whole system, each intelligential unit work independently and intercommunicate. The users can freely configure to realize kinds of functions according to their demands.
So this system integrates advantages of DCS and fieldbus. This paper takes one
intelligential unit-mobile roll tension control unit as concrete object to
analyze. Its frame, principle, program and character are purposed. During this purpose, difference between RS-485 and CAN in communication are discussed. Then this system's advantages and characters are recommended in practice industrial application.
This paper discusses the process of industrial control system that
developed from distributed control system to fieldbus control system and its improvement. In the same time, this paper compares RS-485 and CAN. This paper analyzes a concrete example to represent this system's advantage, such as convenience, common use. Then it interprets distinguish between RS^485 and CAN.
引文
1、傅信鉴．《过程计算机控制系统》．西北工业大学出版社．1995．5
2、孙白强．《生产过程自动化及仪表》．华东理工大学出版社．1999，8
3、王树青、赵鹏程．《集散型计算机控制系统(DCS)》．浙江大学出版社．1994．6
4、许正军、曾献辉、陈瑞琪．《变频器的PC机控制》．电气自动化．2000．3
5、邓春萍、吴敏．《先进控制技术控制软件与控制系统》．计算机技术与自动化．2000．12
6、赵金、唐新平、陈治刚、万淑芸．《冷冻干燥过程自动控制系统设计》．基础自动化．2000．8
7、何克忠、李伟．《计算机控制系统》．清华大学出版社．1998．4
8、徐维祥、刘旭敏．《单片微型机原理及应用》．大连理工大学出版社．1996
9、李华．《MCS—51系列单片机实用接口技术》．北京航空航天大学出版社．1993
10、郭林．《DCS项目的决策与实施》．基础自动化．20001．2
11、王常力．《DCS的设计与选型》．中国计算机用户 1997．2
12、王锦标．《分散控制系统的应用与工程设计》．中国仪器仪表学会．1995
13，张毅刚、修林成等．《MCS-51单片机应用设计》．哈尔滨工业大学出版社．1990．8
14、万福君等．《单片微机原理系统设计与开发应用》．中国科学技术大学出版社．1995
15、樊世民．《现场总线和集散控制系统》．工业仪表与自动化装置．2000．2
16、何吕伟．《如何提高DCS的可靠性，减少维护量》，自动化仪表．2000．3
17、赵秀菊．《单片微机与测控技术》．东南大学出版社．1996
18、满奎安、韩安荣等．《通用变频器及其应用》．机械工业出版社．1995
19、齐维贵、广宝《单片微型机原理、接口、通信、控制》．黑龙江科学技术出版社．1996，10
20、郭观七．《基于C语言的MCS-51系列单片机软件开发系统》．华中理工大学出版社．1996
21、马忠梅、籍顺心、张凯等．《单片机的C语言应用程序设计》，北京航空航天大学出版社，1998
22、陈宝江等，《MCS单片机应用系统使用指南》，机械工业出版社．1997
23、张景元．《51C程序设计应注意的问题》．工业控制计算机．2001．10
24、何力民．《单片机应用系统设计》．北京航空航天大学出版社．1995
25、许心传．《浅谈工控机与现场总线》．工业控制计算机，2000．6
26、张正华、包金明等．《PC机和AT89C51单片机的主从式多机数据通讯》．2000．7
27、钱寿宁．《微机通讯技术》．电子科技大学．1995
28、陈兴文、刘燕．《单片机应用系统硬件调试技巧》．现代电子技术．2000．7
29、刘武光．《RS-232至RS-485／RS-422接口的智能转换器》．现代电子技术．2000．5
30、陇彦斌、立令琦等．《现场总线与DCS的网络集成．测控技术》．1999．9
31、夏临闽、胡仁杰．《串行通信中数据正确性的保证》．2000．11
32、李鹏．《计算机通信技术及其程序设计》，西安电子科技大学出版社．1997
33、邝小磊．《单片机应用技术综述》．电子工程师．2001．3
34、满庆丰．《单片机的总线技术》．中国计算机报．1995
35、谢清荣．《总线技术概览》．中国计算机报．2000
36、赵重明．《单片机外中断使用方面的问题及其解决方法》．电子工程师．2000．9
37、孙育才．《MCS—51系列单片机微型计算机及其应用》．东南大学出版社．1987
38、金延庆、熊恋文等．《Windows 95平台下PC与8051的串行通信》．电子工程师．2000．2
39、李兴兰、张友根等．《基于RS—485／422网络的远程数据传输系统》．电子技术．2001．2
40、CampbellJ．．《串行通信C程序员指南》．清华大学出版社．1995．6
41、PCL-743/745 DUAL-PORT RS-422/485 Interface Card User's Manual.Printted Taiwan October.1998
42、张桂香、王辉．《计算机控制技术》．电子科技大学出版社．1999．5
43、刘明俊、杨壮志．《计算机控制原理与技术》．国防科技大学出版社．1996．6
44、陶永华、尹怡欣、葛卢生．《新型PID控制及应用》．机械工业出版社．1998．9
45、徐丽娜．《数字控制》．哈尔滨工业大学出版社．1991．9
46、马忠梅、籍顺心、张凯．《单片机的C语言应用程序设计》．北京航天航空大出版社．1999．12
47、德国伦茨有限公司．《LENZE8200EV矢量变频器操作手册》．
48、邬宽明．《CAN总线原理和应用系统设计》，北京航大航空大学出版社．
1996． 11
49、 Joe Campbell.《串行通信的C程序员指南》．清华大学出版社. 1995． 6
50、 凌澄、李寿成．《PC总线工业控制系统精粹》．清华大学出版社．1996． 8
51、 Raymode. G. Jacquot. 《Modern Digital Control Systems》. MARCEL DEKKER INC. 1981
52、 Sinskey. F. G. 《Process Control Systems》. Newyork McGraw Hile Company Third Edition . 1988
53、 Georeqe C. Barney. 《Intelliquent Instrumentation》 . Prentice Hall International London. 1985
54、 Curtis D. Johnson.. 《Process Control Instrumentation Technology》. John Wiley & Sons Inc. U.A. 1982
55、 Robert E. Wilelm Jr. . 《Programmable Controller Handbook》. Hayden Book Company. 1984
56、 Bela G. Liptak and Krizta Venczel. 《Process Control》 . Instrument Engineers Handbook Chilton book company. 1985
57、 J.A. Moore and S.M. Herb. 《Understanding Distributed Process System》. Instrument Society of America. 1983
58、 Timonthy J. Moloney. 《Insdustrial Solid-State Electronics Devices and Systems》 Prentice Hall Inc. Englewood Cliffs New Jersey U.S.A .1986
2、孙白强．《生产过程自动化及仪表》．华东理工大学出版社．1999，8
3、王树青、赵鹏程．《集散型计算机控制系统(DCS)》．浙江大学出版社．1994．6
4、许正军、曾献辉、陈瑞琪．《变频器的PC机控制》．电气自动化．2000．3
5、邓春萍、吴敏．《先进控制技术控制软件与控制系统》．计算机技术与自动化．2000．12
6、赵金、唐新平、陈治刚、万淑芸．《冷冻干燥过程自动控制系统设计》．基础自动化．2000．8
7、何克忠、李伟．《计算机控制系统》．清华大学出版社．1998．4
8、徐维祥、刘旭敏．《单片微型机原理及应用》．大连理工大学出版社．1996
9、李华．《MCS—51系列单片机实用接口技术》．北京航空航天大学出版社．1993
10、郭林．《DCS项目的决策与实施》．基础自动化．20001．2
11、王常力．《DCS的设计与选型》．中国计算机用户 1997．2
12、王锦标．《分散控制系统的应用与工程设计》．中国仪器仪表学会．1995
13，张毅刚、修林成等．《MCS-51单片机应用设计》．哈尔滨工业大学出版社．1990．8
14、万福君等．《单片微机原理系统设计与开发应用》．中国科学技术大学出版社．1995
15、樊世民．《现场总线和集散控制系统》．工业仪表与自动化装置．2000．2
16、何吕伟．《如何提高DCS的可靠性，减少维护量》，自动化仪表．2000．3
17、赵秀菊．《单片微机与测控技术》．东南大学出版社．1996
18、满奎安、韩安荣等．《通用变频器及其应用》．机械工业出版社．1995
19、齐维贵、广宝《单片微型机原理、接口、通信、控制》．黑龙江科学技术出版社．1996，10
20、郭观七．《基于C语言的MCS-51系列单片机软件开发系统》．华中理工大学出版社．1996
21、马忠梅、籍顺心、张凯等．《单片机的C语言应用程序设计》，北京航空航天大学出版社，1998
22、陈宝江等，《MCS单片机应用系统使用指南》，机械工业出版社．1997
23、张景元．《51C程序设计应注意的问题》．工业控制计算机．2001．10
24、何力民．《单片机应用系统设计》．北京航空航天大学出版社．1995
25、许心传．《浅谈工控机与现场总线》．工业控制计算机，2000．6
26、张正华、包金明等．《PC机和AT89C51单片机的主从式多机数据通讯》．2000．7
27、钱寿宁．《微机通讯技术》．电子科技大学．1995
28、陈兴文、刘燕．《单片机应用系统硬件调试技巧》．现代电子技术．2000．7
29、刘武光．《RS-232至RS-485／RS-422接口的智能转换器》．现代电子技术．2000．5
30、陇彦斌、立令琦等．《现场总线与DCS的网络集成．测控技术》．1999．9
31、夏临闽、胡仁杰．《串行通信中数据正确性的保证》．2000．11
32、李鹏．《计算机通信技术及其程序设计》，西安电子科技大学出版社．1997
33、邝小磊．《单片机应用技术综述》．电子工程师．2001．3
34、满庆丰．《单片机的总线技术》．中国计算机报．1995
35、谢清荣．《总线技术概览》．中国计算机报．2000
36、赵重明．《单片机外中断使用方面的问题及其解决方法》．电子工程师．2000．9
37、孙育才．《MCS—51系列单片机微型计算机及其应用》．东南大学出版社．1987
38、金延庆、熊恋文等．《Windows 95平台下PC与8051的串行通信》．电子工程师．2000．2
39、李兴兰、张友根等．《基于RS—485／422网络的远程数据传输系统》．电子技术．2001．2
40、CampbellJ．．《串行通信C程序员指南》．清华大学出版社．1995．6
41、PCL-743/745 DUAL-PORT RS-422/485 Interface Card User's Manual.Printted Taiwan October.1998
42、张桂香、王辉．《计算机控制技术》．电子科技大学出版社．1999．5
43、刘明俊、杨壮志．《计算机控制原理与技术》．国防科技大学出版社．1996．6
44、陶永华、尹怡欣、葛卢生．《新型PID控制及应用》．机械工业出版社．1998．9
45、徐丽娜．《数字控制》．哈尔滨工业大学出版社．1991．9
46、马忠梅、籍顺心、张凯．《单片机的C语言应用程序设计》．北京航天航空大出版社．1999．12
47、德国伦茨有限公司．《LENZE8200EV矢量变频器操作手册》．
48、邬宽明．《CAN总线原理和应用系统设计》，北京航大航空大学出版社．
1996． 11
49、 Joe Campbell.《串行通信的C程序员指南》．清华大学出版社. 1995． 6
50、 凌澄、李寿成．《PC总线工业控制系统精粹》．清华大学出版社．1996． 8
51、 Raymode. G. Jacquot. 《Modern Digital Control Systems》. MARCEL DEKKER INC. 1981
52、 Sinskey. F. G. 《Process Control Systems》. Newyork McGraw Hile Company Third Edition . 1988
53、 Georeqe C. Barney. 《Intelliquent Instrumentation》 . Prentice Hall International London. 1985
54、 Curtis D. Johnson.. 《Process Control Instrumentation Technology》. John Wiley & Sons Inc. U.A. 1982
55、 Robert E. Wilelm Jr. . 《Programmable Controller Handbook》. Hayden Book Company. 1984
56、 Bela G. Liptak and Krizta Venczel. 《Process Control》 . Instrument Engineers Handbook Chilton book company. 1985
57、 J.A. Moore and S.M. Herb. 《Understanding Distributed Process System》. Instrument Society of America. 1983
58、 Timonthy J. Moloney. 《Insdustrial Solid-State Electronics Devices and Systems》 Prentice Hall Inc. Englewood Cliffs New Jersey U.S.A .1986