繫統介紹分散控制繫統（DCS）和現場總線控制繫統（FCS）的應用及工程設計

李占英，工學博士，大連工業大學副教授，“畢昇杯”全國電子創新設計競賽獲特等獎指導教師，完成多項重量、省級科研課題，具有豐富的科研和教學經驗。

上篇 基礎知識篇

第1章 緒論

1.1 分散控制繫統概述

1.1.1 分散控制繫統的概念

1.1.2 DCS的特點

1.1.3 DCS的發展歷程

1.2 DCS典型產品及特點

1.3 DCS的發展趨勢

1.4 現場總線概述

1.4.1 現場總線的產生

1.4.2 現場總線的特點

1.4.3 現場總線的發展趨勢

1.5 第四代DCS

1.5.1 第四代DCS的體繫結構

1.5.2 第四代DCS的技術特點

第2章 DCS的通信網絡繫統

2.1 網絡和數據通信原理

2.1.1 通信網絡繫統的基本組成

2.1.2 基本概念及術語

2.1.3 工業數據通信

2.1.4 數據交換方式

2.1.5 信道

2.1.6 差錯控制

2.2 數據通信繫統結構

2.2.1 通信繫統的結構

2.2.2 通信網絡的拓撲結構

2.3 DCS中的控制網絡標準和協議

2.3.1 協議的參考模型

2.3.2 物理層協議

2.3.3 鏈路層協議

2.3.4 網絡層協議

2.3.5 傳輸層和會話層協議

2.3.6 高層協議

2.3.7 網絡設備

第3章 DCS的過程控制站

3.1 DCS的體繫結構

3.2 過程控制站的結構

3.3 基本

3.3.1 基本硬件

3.3.2 基本軟件

3.3.3 基本的可靠性措施

3.4 和利時MACS的K繫列

3.4.1 繫統結構

3.4.2 主要硬件特性

第4章 運行員操作站

4.1 運行員操作站的結構

4.2 MMI的基本功能

4.3 記錄與報表

4.4 歷史數據庫檢索及處理

4.5 其他類型的人機接口

4.6 人機接口的發展介紹

第5章 工程師站與組態軟件

5.1 工程師站在DCS中的作用

5.2 工程師站的組成

5.3 工程師站在DCS中所處的地位

5.4 繫統組態

5.4.1 組態軟件

5.4.2 繫統組態與其他設計方法的區別

5.4.3 過程控制站的組態

5.4.4 運行員操作站的組態

5.4.5 組態的在線調試

5.5 MACS的應用組態流程

第6章 DCS的性能指標與評價

6.1 DCS性能指標簡要介紹

6.2 DCS的評價準則

6.2.1 可靠性與經濟性評價

6.2.2 技術性能評價

6.2.3 使用性能評價

6.2.4 控制繫統軟件可靠性及評價

6.3 DCS的選擇原則

第7章 現場總線控制繫統

7.1 現場總線及FCS的定義

7.2 DCS、PLC與FCS

7.3 幾種典型的現場總線

7.3.1 PROFIBUS現場總線

7.3.2 CAN總線

7.3.3 基金會現場總線

7.3.4LonWorks總線

7.4 FCS的構成

7.5 FCS的設計方法

7.6 FCS的組態

7.7 FCS的調試與維護

第8章 現場總線通信繫統

8.1 現場總線通信繫統概述

8.1.1 現場總線通信繫統與ISO/OSI參考模型的關繫

8.1.2 PROFIBUS現場總線通信繫統的主要組成部分

8.2 PROFIBUS物理層

8.2.1 PROFIBUS-DP的RS-485傳輸

8.2.2 PROFIBUS-DP的光纖傳輸

8.3 PROFIBUS數據鏈路層

8.3.1 PROFIBUS介質訪問控制

8.3.2 PROFIBUS報文格式

8.3.3 PROFIBUS地址編碼方法

8.3.4 PROFIBUS數據鏈路層提供的服務

8.4 PROFIBUS應用層

8.5 PROFIBUS用戶層

8.5.1 PROFIBUS-DP用戶層概述

8.5.2 DDLM功能

8.5.3 用戶接口

8.5.4 PROFIBUS-DP行規

第9章 現場總線設備

9.1 現場總線設備的分類與特點

9.1.1 現場總線設備的分類

9.1.2 現場總線設備的特點

9.2 現場總線差壓變送器

9.2.1 概述

9.2.2 工作原理

9.3 現場總線溫度變送器

9.3.1 工作原理

9.3.2 溫件

9.4 現場總線閥門定位器

9.5 現場總線電動執行器

9.6 現場總線-氣壓轉換器

9.7 電流-現場總線轉換器

9.7.1 工作原理

9.7.2 安裝和校驗

9.8 現場總線-電流轉換器

9.9 現場總線接口類設備

9.9.1 工作原理

9.9.2 安裝與維護

9.9.3 其他總線接口設備

9.10 現場總線電源類設備

9.11 現場總線附件類設備

下篇 工程應用篇

第10章 DCS的工程設計

10.1 DCS的應用設計與實施的一般過程

10.2 DCS總體設計

10.2.1 可行性研究設計及總體設計

10.2.2 DCS初步設計

10.2.3 施工圖詳細設計

10.3 DCS的工程化設計

10.4 DCS的組態與調試

10.5 DCS的安裝與驗收

10.6 電加熱鍋爐溫度控制工程案例

10.6.1 繫統概述

10.6.2 繫統的初步設計

10.6.3 電加熱鍋爐控制方案的確定

10.7 HOLLiAS MACS在空分行業中對氧氣的恆壓

第11章 FCS的工程設計

11.1 FCS的工程設計原則

11.2 FCS的工程設計方法

11.3 FCS控制繫統的設計過程

11.3.1 總體方案設計

11.3.2 控制繫統的初步設計

11.4 FCS工程控制繫統應用舉例

11.4.1 設計概述

11.4.2 繫統網絡拓撲結構及參數配置

11.4.3 繫統硬件設計

11.4.4 繫統軟件設計

11.4.5 繫統抗干擾措施

附錄A 新一代DCS的體繫結構和技術特點

A.1 促進新一代DCS形成的原因

A.2 新一代DCS的體繫結構

A.3 新一代DCS的主要功能和技術特征

參考文獻

前 言

隨著計算機技術、通信技術、測量控制技術、信號處理技術、顯示技術、大規模集成電路技術、軟件技術、人機接口技術及其他高新技術的發展，分散控制繫統（DCS）和現場總線控制繫統（FCS）也得到了相應發展。分散控制繫統（DCS）是實現工業自動化和企業信息化最好的繫統平臺，自引入我國以來，為提高大型工業生產裝置的自動化水平做出了突出貢獻，成為當今工業過程控制的主流。由於這門技術的發展和更新很快，所以要求技術人員具有計算機使用能力和不斷學習的能力。

本書十分重視實際控制工程設計能力的培養，從應用角度出發，力求學以致用，力圖形成內容簡明、集繫統性和實用性於一體的通用教材。為此，本書在編寫的過程中，注重實際應用方面的需要，著重介紹DCS的概念、原理、結構、設計與實際應用的基本性和通用性，以及FCS定義等，學生通過課堂學習或自學，也能基本掌握DCS的原理及工程設計的方法。

本書分為上、下兩篇。上篇為基礎知識篇（第1～9章），主要介紹DCS的知識體繫，以及FCS定義等，循序漸進，講清繫統的基本概念、原理、特點及方法，強調理論聯繫實際，每章後均附有思考與練習，便於讀者掌握所學內容。為了使本書成為一本比較實用的DCS和FCS的快速入門教科書，編寫時層次較清晰，實用性強。第1章介紹DCS的基本概念和發展；第2章介紹DCS的通信網絡繫統；第3章著重講述DCS的過程控制站的相關知識；第4章介紹運行員操作站的相關知識；第5章介紹工程師站與組態軟件的相關知識；第6章介紹DCS性能指標與評價和選擇方法等；第7章介紹FCS與DCS的區別及FCS的基本構成；第8章介紹現場總線通信繫統；第9章介紹現場總線設備的基本情況。

下篇為工程應用篇（第10章和第11章）。第10章詳細介紹DCS工程設計的一般過程，組態、調試及分散繫統的安裝與驗收，並以電加熱爐繫統和MACS在空分行業中對氧氣的恆壓控制為例，詳細介紹分散控制繫統的工程組態設計；第11章介紹FCS工程設計的一般過程及注意事項，著重通過CAN總線介紹現場總線控制繫統應用設計實例。

本書不僅適合自動化繫統、電氣、計算機網絡、自動控制工程等領域的工程技術人員閱讀使用，也可作為高等學校自動化、電氣工程及自動化等相關專業的本科高年級學生或研究生的教學用書。

本書由大連工業大學李占英任主編，黑龍江工程學院初紅霞任副主編。第1～4章和附錄A由初紅霞編寫，第5～7章和第10章由李占英編寫，第8章和第9章由杜娟（黑龍江工程學院）編寫，第 11章由於浩洋（黑龍江工程學院）編寫，全書由李占英統稿。另外，參加本書編寫的還有管殿柱、李文秋、宋一兵、王獻紅、管玥、徐亮、初潤成。本書在編寫過程中得到了大連工業大學、杭州和利時公司等的有關同志從各方面給予的熱情支持和幫助，在此表示衷心的感謝。

由於編者水平和實踐經驗有限，書中錯誤之處在所難免，懇請讀者批評指正。

編者