集散控制与现场总线 第3版

集散控制系统是利用计算机技术对生产过程进行集中监控、操作、管理和分散控制的一种新型的控制技术。它是由计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、网络通信技术和人机接口技术等发展而产生的。以现场总线为代表的工业控制网络已成为新一代工业控制系统中的重要技术，它使得集散控制系统组成更灵活、控制更方便、应用更广泛。现代工业生产离不开集散控制和现场总线技术。 本书将目前控制领域中的两大技术热点——集散控制和现场总线有机结合，从集散控制系统的硬件结构、软件体系、人机接口、控制算法，以及典型现场总线等方面进行介绍。重点介绍了集散控制系统的通信网络、控制算法工程设计规范等相关技术，全面分析了CAN、LonWorks、FF、PROFIBUS、ControlNet、EtherCAT等现场总线的技术特点、协议规范及通信接口的设计方法，并给出典型应用实例。 本书可作为高等院校电气信息类专业教材，还可供从事工业控制网络系统设计和产品研究的工程技术人员参考。

第0章　绪论1 0.1　集散控制系统概述1 0.1.1　集散控制系统的概念1 0.1.2　集散控制系统的发展2 0.2　现场总线控制系统概述4 0.2.1　现场总线控制系统的概念4 0.2.2　现场总线控制系统的发展及趋势5 第1章　集散控制系统7 1.1　集散控制系统的体系结构7 1.1.1　现场级7 1.1.2　控制级8 1.1.3　监控级8 1.1.4　管理级9 1.2　集散控制系统的特点9 1.2.1　适应性和扩展性9 1.2.2　控制能力10 1.2.3　人机联系手段10 1.2.4　可靠性10 1.3　集散控制系统的硬件结构11 1.3.1　集散控制系统的过程控制级11 1.3.2　集散控制系统的运行员操作站和工程师工作站13 1.4　集散控制系统的软件体系14 1.4.1　集散控制系统的系统软件14 1.4.2　集散控制系统的组态软件14 1.5　集散控制系统的操作方式和显示15 1.5.1　集散控制系统的操作15 1.5.2　集散控制系统的显示画面19 1.6　习题23 第2章　集散控制系统的控制算法24 2.1　PID控制算法24 2.1.1　理想PID控制算法24 2.1.2　控制度和采样周期25 2.1.3　理想PID控制算法的改进26 2.1.4　其他形式PID控制29 2.2　前馈控制30 2.2.1　前馈控制概述30 2.2.2　前馈补偿装置及控制31 2.2.3　前馈控制系统实施中的若干问题33 2.3　解耦控制34 2.3.1　系统的耦合关系34 2.3.2　串接解耦控制 36 2.3.3　逆系统解耦控制37 2.4　时滞补偿控制39 2.4.1　史密斯预估补偿控制方案39 2.4.2　增益自适应时滞补偿器40 2.4.3　观测补偿器控制方案41 2.5　自适应控制42 2.5.1　自整定控制器42 2.5.2　模型参考型自适应控制系统43 2.5.3　自校正控制系统44 2.6　顺序控制45 2.6.1　顺序控制的基本概念45 2.6.2　梯形逻辑图及其编制方法47 2.6.3　程序条件的编制48 2.7　神经网络控制49 2.7.1　人工神经网络49 2.7.2　典型神经网络控制方案53 2.7.3　神经网络逆系统控制61 2.8　习题62 第3章　集散控制系统的通信网络与系统特性63 3.1　数据通信的基本概念63 3.1.1　基本概念63 3.1.2　通信介质66 3.1.3　数据通信系统网络结构67 3.1.4　通信控制方式68 3.2　集散控制系统中的网络通信69 3.2.1　集散控制系统中通信的特点69 3.2.2　OSI参考模型70 3.2.3　现场总线标准74 3.2.4　现场总线通信协议75 3.3　集散控制系统中应用的网络协议79 3.3.1　以太网79 3.3.2　常用物理层标准接口82 3.3.3　IEEE协议族84 3.3.4　TCP/IP91 3.4　习题94 第4章　控制系统用现场总线95 4.1　现场总线的定义95 4.1.1　权威组织的定义95 4.1.2　千米级总线97 4.2　现场总线控制系统的分类98 4.2.1　现场总线控制系统的应用领域98 4.2.2　不同领域的下层仪器与仪表98 4.2.3　不同领域的系统结构99 4.3　现场总线的核心与基础100 4.3.1　现场总线的核心——总线协议100 4.3.2　现场总线的基础——智能现场装置100 4.3.3　现场总线技术的原型与系统产生101 4.4　现场总线与IT计算机网络技术的区别102 4.5　现场总线通信协议模型103 4.5.1　协议分层103 4.5.2　网络软件层次设计原则104 4.5.3　总线通信协议基本模型105 4.5.4　现场总线通信协议模型107 4.6　现场总线控制系统的网络拓扑结构109 4.7　习题109 第5章　几种典型的现场总线110 5.1　CAN总线110 5.1.1　CAN总线概述110 5.1.2　CAN总线网络结构111 5.1.3　CAN总线协议112 5.1.4　CAN性能分析112 5.2　LonWorks总线114 5.2.1　LonWorks概述114 5.2.2　LonWorks总线通信控制器机器接口——神经元芯片115 5.2.3　LonTalk协议118 5.2.4　Neuron C语言121 5.2.5　LNS122 5.2.6　网络管理123 5.3　FF124 5.3.1　FF的概述124 5.3.2　通信系统的组成及其相互关系126 5.3.3　FF的网络拓扑结构128 5.3.4　基金会现场总线与OSI参考模型的关系130 5.3.5　网络管理141 5.3.6　系统管理142 5.4　PROFIBUS协议144 5.4.1　PROFIBUS概述144 5.4.2　PROFIBUS现场总线技术的主要构成145 5.4.3　PROFIBUS的主要特性146 5.4.4　PROFIBUSDP147 5.4.5　PROFIBUSPA 149 5.4.6　PROFIBUSFMS150 5.4.7　PROFINET151 5.5　控制层现场总线ControlNet154 5.5.1　控制层现场总线概述154 5.5.2　ControlNet协议规范154 5.5.3　ControlNet的特点157 5.6　设备层现场总线DeviceNet157 5.6.1　DeviceNet的性能特点158 5.6.2　DeviceNet的技术规范158 5.6.3　DeviceNet中连接的概念160 5.6.4　生产者/消费者模型161 5.6.5　DeviceNet的报文传送161 5.6.6　JP3DeviceNet对象模型与设备架构162 5.6.7　DeviceNet的一致性测试163 5.6.8　DeviceNet接口和软硬件产品163 5.7　EtherCAT164 5.7.1　EtherCAT概述164 5.7.2　EtherCAT物理结构166 5.7.3　EtherCAT数据链路层166 5.7.4　EtherCAT应用层167 5.7.5　EtherCAT系统组成170 5.7.6　EtherCAT系统主站设计174 5.7.7　EtherCAT系统从站设计176 5.7.8　EtherCAT应用协议181 5.8　习题182 第6章　集散控制系统性能指标与工程设计规范183 6.1　集散控制系统的性能指标183 6.1.1　集散控制系统的可靠性183 6.1.2　提高系统利用率的措施186 6.1.3　集散控制系统的安全性 191 6.2　集散控制系统工程设计规范216 6.2.1　方案论证216 6.2.2　方案设计217 6.2.3　工程设计217 6.3　集散控制系统的评价与选择222 6.3.1　集散控制系统的评价222 6.3.2　集散控制系统的选择依据226 6.3.3　技术规范书228 第7章　工程应用案例230 7.1　集散控制系统在自来水厂中的应用230 7.1.1　项目概况230 7.1.2　工艺流程231 7.1.3　硬件设计方案231 7.1.4　软件设计方案237 7.1.5　自来水厂项目运行情况243 7.2　CTN2000发酵过程计算机控制系统246 7.2.1　CTN2000发酵过程控制系统简介246 7.2.2　发酵控制系统中的基本操作及菜单结构247 7.2.3　发酵控制系统的主要功能248 7.2.4　系统流程展示251 7.3　集散控制系统在发电厂350MW机组中的应用256 7.3.1　项目概况256 7.3.2　系统设计259 参考文献264