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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　〖JP3〗DeviceNet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 內容試閱： 前　　言 自1975年美国霍尼韦尔（HoneyWell）公司在工业控制领域推出TDC2000型集散控制系统（DCS）以来，集散控制系统已经发展成为工业生产控制过程自动控制装置的主流。集散控制系统的实质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。它是由于计算机技术、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的发展和渗透而产生的。随着计算机技术、通信技术、控制技术和微电子技术的迅速发展，集散控制系统也得到了飞速的发展。集散控制系统不同于分散型的常规仪表控制技术，也不同于集中式的计算机控制系统，而是吸收两者的优点，在其基础上发展起来的一种先进的系统工程技术。DCS的出现是过程控制技术发展中的又一次飞跃。 “现场总线”自20世纪90年代初出现以来，引起了国内外业界人士的广泛注意和高度重视，并已成为世界范围内自动化技术发展的热点之一，它给自动控制领域的变革带来了深远的影响。现场总线是指现场设备与自动控制装置之间的数字式、串行、双向、多点通信的数据总线。由于现场总线遵循国际统一的协议标准，因而具有开放、互联、兼容和互操作的特性，使得集散控制系统的功能更加强大，可以简化系统，可实现远方诊断、调试和维护现场设备，从而提高系统的安全可靠性，同时还可减少设计、安装的工程量，因而受到各企业的关注。 本书在第2版的基础上，对全书内容进行了补充和调整，新增了一些章节，增加了课程思政的内容，修改和调整了部分课后习题，并修订了一些错误，还增加了微视频、习题答案等辅助学习和教学资源。新增第0章绪论，介绍集散控制与现场总线的基本概念，阐述了两者的关系，为全书内容做了铺垫；第2章增加了神经网络控制方法的内容；第5章增加了工业以太网现场总线EtherCAT的内容。第7章更新了应用案例，以反映集散控制系统和现场总线技术的最新发展。本次修订使得全书内容更加合理，可读性更强。 本书共分8章。第0章为绪论。第1章讨论了集散控制系统的特点、构成、硬件、软件以及显示和操作。第2章分析和讨论了集散控制系统的控制算法。第3章介绍了集散控制系统中通信网络与系统特征。第4章介绍了控制系统用现场总线，讨论了现场总线的定义、分类、核心和通信协议模型。第5章全面分析了CAN、LonWorks、FF、PROFIBUS、ControlNet、DeviceNet、EtherCAT等现场总线的技术特点、协议规范和通信接口的设计方法。第6章介绍了集散控制系统的工程设计规范、性能指标、评估和选型。第7章介绍了集散控制系统与现场总线技术三个典型应用案例。 本书由江苏大学刘国海统稿，其中第0章由刘国海、丁煜函编写，第1、4章由刘国海编写，第2章由丁煜函、张浩编写，第3章由张浩编写，第5章由沈跃、丁煜函编写，第6章由梅从立（浙江水利水电学院）编写，第7章由丁煜函、梅从立等编写，书中的插图由李康吉等制作。在编写第7章应用案例时，得到了黄福彦（浙江正泰中自控制工程有限公司）、周墨涛（杭州和利时自动化有限公司）和刘伟平（浙江中控技术股份有限公司）的大力支持。在本书编写过程中还得到了江兴科、赵璐、张静、鄢煜力等研究生，以及江苏大学电气信息工程学院老师的支持和帮助，在此向他们表示诚挚的感谢！在本书的编写过程中参考了大量的相关书籍和文献资料，本书编者向这些文献资料的作者致以诚挚的谢意！ 由于编者的水平所限，书中难免会存在错误和不当之处，请读者批评指正。 编　者

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