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目 录1

绪论1

14.5.1 BACnet总线概述 515

1.1.1理想微分PID控制6

第1章计算机常规控制技术6

第1篇 直接数字控制（DDC）6

1.1数字PID控制算法6

1.1.2实际微分PID控制9

1.2数字PID控制算法的改进12

1.2.1积分项的改进13

1.2.2微分项的改进15

1.2.3变PID控制16

1.3数字PID控制器的工程实现17

1.3.1给定值处理21

1.3.2被控量处理22

1.3.3偏差处理24

1.3.4 PID计算25

1.3.5控制量处理27

1.3.6 自动手动切换29

1.3.7 P1D控制块参数表31

1.3.8 PID控制器的无平衡无扰动切换32

1.4.1简单控制系统38

1.4数字PID控制系统的设计38

1.4.2复杂控制系统39

1.5数字PID控制参数的整定53

1.5.1 PID控制参数的工程整定法53

1.5.2 PID控制参数的自整定法56

1.5.3控制周期的选取61

第2章计算机现代控制技术63

2.1基于状态空间模型的极点配置设计法63

2.1.1按极点配置设计控制规律64

2.1.2按极点配置设计观测器71

2.1.3按极点配置设计控制器76

2.2基于状态空间模型的最优化设计法79

2.2.1设计最优控制规律80

2.2.2设计最优状态估计器84

2.2.3设计最优控制器86

2.3预测控制技术87

2.3.1 内部模型88

2.3.2预测模型89

2.3.3预测控制算法91

第3章计算机输入输出技术94

3.1模拟量输入通道94

3.1.1 A/D转换器95

3.1.2 A/D转换器接口99

3.1.3 A/D转换通道102

3.2模拟量输出通道110

3.2.1 D/A转换器110

3.2.2 D/A转换器接口114

3.2.3 D/A转换通道116

3.3数字量输入通道123

3.3.1 D1接口123

3.3.2 DI通道123

3.4数字量输出通道124

3.4.1 DO接口124

3.4.2 DO通道124

3.5输入数据处理125

3.5.1数字滤波125

3.5.2数据处理128

3.6.1输入输出功能块的结构129

3.6输入输出功能块129

3.6.2输入输出标准数131

4.1.1 回路操作显示窗口133

第4章计算机人机接口技术133

4.1 回路操作显示器133

4.1.2回路操作显示设备134

4.2键盘接口137

4.2.1独立连接式键盘137

4.2.2矩阵连接式键盘138

4.3 LED显示器接口139

4.3.1七段LED显示器接口140

4.3.2十六段LED显示器接口142

4.4指示报警接口143

4.5 CRT显示画面144

第5章计算机抗干扰技术146

5.1.1干扰传播途径146

5.1干扰的来源和传播途径146

5.1.2串模干扰149

5.1.3共模干扰150

5.1.4长线传输干扰152

5.2干扰的抑制152

5.2.1共模干扰的抑制152

5.2.2 串模干扰的抑制155

5.2.3长线传输干扰的抑制156

5.2.4信号线的选择和敷设157

5.3.1地线系统的分析159

5.3接地技术159

5.3.2输入系统的接地160

5.3.3主机系统的接地161

5.4供电技术162

5.4.1供电系统的一般保护措施163

5.4.2电源异常的保护措施163

第6章 DDC系统的设计和应用164

6.1 DDC系统的设计概述164

6.1.1 DDC系统的设计原则164

6.1.2 DDC系统的设计过程166

6.1.3 DDC系统的设计方法168

6.2 DDC系统的硬件设计170

6.2.1 DDC系统的硬件结构170

6.2.2 DDC系统的主控单元172

6.2.3 DDC系统的输入输出单元179

6.2.4 DDC系统的操作显示单元182

6.3 DDC系统的软件设计183

6.3.1 DDC系统的软件设计方法183

6.3.2 DDC系统的输入输出软件185

6.3.3 DDC系统的运算控制软件187

6.3.4 DDC系统的操作显示软件195

6.3.5 DDC系统的监控组态软件197

6.4 DDC系统的应用设计200

6.4.1 DDC系统的控制方案设计200

6.4.2 DDC系统的工程设计214

6.4.3 DDC系统的应用实例219

6.4.4 DDC系统的运行调试225

第1篇习题与思考题229

第1篇小结229

7.1.1仪表分散控制系统236

第2篇 集散控制系统（DCS）236

第7章DCS概述236

7.1 DCS的产生过程236

7.1.2仪表集中控制系统237

7.1.3计算机集中控制系统238

7.1.4计算机集散控制系统239

7.2 DCS的发展历程241

7.2.1 第一代DCS241

7.2.2第二代DCS242

7.2.3第三代DCS244

7.2.4新一代DCS246

7.3 DCS的特点和优点247

7.3.1分散性和集中性247

7.3.5可靠性和适应性248

7.3.2 自治性和协调性248

7.3.3灵活性和扩展性248

7.3.4先进性和继承性248

7.3.6友好性和新颖性249

第8章DCS的体系结构250

8.1 DCS的层次结构250

8.1.1 DCS的直接控制层251

8.1.2 DCS的操作监控层251

8.1.3 DCS的生产管理层251

8.2.1 DCS控制站的硬件结构252

8.1.4 DCS的决策管理层252

8.2 DCS的硬件结构252

8.2.2 DCS操作员站的硬件结构253

8.3.1 DCS控制站的软件结构254

8.2.3 DCS工程师站的硬件结构254

8.3 DCS的软件结构254

8.2.4 DCS监控计算机站的硬件结构254

8.3.2 DCS操作员站的软件结构255

8.3.3 DCS工程师站的软件结构256

8.3.4 DCS监控计算机站的软件结构257

8.4 DCS的网络结构257

8.4.1 DCS的输入输出总线257

8.4.2 DCS的控制网络258

8.4.3 DCS的生产管理网络258

8.4.4 DCS的决策管理网络259

8.5.1 CENTUM-CS3000的体系结构259

8.5典型DCS的体系结构259

8.5.2 TDC3000和TPS的体系结构266

8.5.3 Delta V的体系结构275

8.5.4 I/A Series的体系结构277

8.5.5 MACS的体系结构279

8.5.6 DEO的体系结构280

8.5.7 PCS7的体系结构281

第9章DCS的控制站283

9.1 DCS控制站的组成283

9.1.1 DCS控制站的硬件283

9.1.2 DCS控制站的软件284

9.2.1模拟量输入模块290

9.2 DCS控制站的输入模块290

9.2.2数字量输入模块294

9.3 DCS控制站的输出模块295

9.3.1模拟量输出模块296

9.3.2数字量输出模块297

9.4.1代数运算模块299

9.4.2信号选择模块299

9.4 DCS控制站的运算模块299

9.4.3数据选择模块302

9.4.4数值限制模块305

9.4.5报警检查模块305

9.4.6计算公式模块306

9.5.1连续控制模块309

9.5.2逻辑控制模块309

9.5 DCS控制站的控制模块309

9.4.7传递函数模块309

9.5.3顺序控制模块325

9.6 DCS控制站的程序模块327

9.6.1过程控制语言327

9.6.2程序模块329

第10章DCS的操作员站331

10.1 DCS操作员站的组成331

10.1.1 DCS操作员站的硬件331

10.1.2 DCS操作员站的软件332

10.2通用操作画面333

10.2.1总貌画面333

10.2.2组画面334

10.2.3 点画面337

10.2.4趋势画面339

10.2.5报警画面340

10.3专用操作画面343

10.3.1 主控系统画面343

10.3.3操作指导画面346

10.3.2数据采集系统画面346

10.3.4操作面板画画347

10.3.5控制回路画面347

10.4历史信息画面348

10.4.1操作员操作记录348

10.4.2过程点报警记录349

10.4.3系统设备状态记录350

10.4.4系统设备错误记录350

10.4.5事故追忆记录352

10.5系统信息画面353

10.5.1 系统设备状态画面353

10.5.2功能模块汇总画面353

第11章DCS的工程师站355

11.1 DCS工程师站的组成355

11.1.1 DCS工程师站的硬件355

11.1.2 DCS 工程师站的软件355

11.2系统设备组态356

11.2.1操作监控层设备组态356

11.2.2直接控制层设备组态359

11.3控制功能组态361

11.3.1控制功能组态方式361

11.3.2输入模块组态362

11.3.3输出模块组态363

11.3.4运算模块组态364

11.3.5控制模块组态364

11.3.6程序模块组态367

11.4.1通用操作画面组态368

11.4操作画面组态368

11.4.2专用操作画面组态369

11.4.3特殊画面组态369

第12章DCS的应用设计371

12.1 DCS应用的总体设计371

12.1.1总体设计的原则371

12.1.2系统设备的配置373

12.1.3 DCS性能的评估376

12.2 DCS应用的工程设计381

12.2.1工位号的选取381

12.2.2仪表设备的安装设计382

12.2.3输入输出点表的设计382

12.2.4控制回路的设计383

12.2.5操作画面的设计387

12.3 DCS应用的组态调试388

12.3.1输入输出点的组态调试388

12.3.2控制回路的组态调试389

12.3.3操作画面的组态调试391

12.4 DCS应用的典型实例391

12.4.1 DCS应用实例之一391

12.4.2 DCS应用实例之二398

第2篇小结402

第2篇习题与思考题402

第13章FCS概述406

13.1.1现场总线的含义406

13.1 现场总线的含义和产生406

第3篇现场总线控制系统（FCS）406

13.1.2现场总线的产生407

13.2 FCS的含义和产生411

13.2.1 FCS的含义411

13.2.2 FCS的产生412

13.2.3 FCS的变革414

13.3 FCS的特点和优点415

13.3.1系统的分散性415

13.3.2系统的开放性416

13.3.3产品的互操作性416

13.3.4环境的适应性416

13.3.5使用的经济性416

13.3.7系统的可靠性417

13.3.6维护的简易性417

14.1 FF（基金会现场总线）418

14.1.1 FF-H1的技术概述418

第14章FCS的现场总线418

14.1.2 FF-H1的物理层（PHY）425

14.1.3 FF-H1的数据链路层（DLL）432

14.1.4 FF-H1的现场总线访问子层（FAS）437

14.1.5 FF-H1的现场总线报文规范子层（FMS）444

14.1.6 FF-H1的网络管理（NM）454

14.1.7 FF-H1的系统管理（SM）457

14.1.8 FF-H1的功能块（FB）466

14.1.9 FF-H1的设备描述（DD）474

14.1.10 FF高速以太网（HSE）476

14.2 PROFIBUS（过程现场总线）482

14.2.1 PROFIBUS的通信模型483

14.2.2 PROFIBUS的网络拓扑结构484

14.2.3 PROFIBUS的物理层486

14.2.4 PROFIBUS的数据链路层492

14.2.5 PROFIBUS的应用层497

14.2.6 PROFIBUS的网络管理499

14.2.7 PROFIBUS的用户层501

14.3 LON（局部操作网络）501

14.3.1 LON总线概述502

14.3.2 LON网络拓扑结构502

14.3.3 LON通信协议503

14.3.4 LON微处理器（Neuron芯片）507

14.3.5 LON编程语言（Neuron C）509

14.4.2 CAN的物理层511

14.4 CAN（控制器区域网络）511

14.4.1 CAN总线概述511

14.4.3 CAN的数据链路层512

14.4.4 CAN的专用集成电路514

14.5 BACnet总线515

14.5.2 BACnet的物理层和数据链路层515

14.5.3 BACnet的网络层516

14.5.4 BACnet的应用层516

14.5.5 BACnet设备的标准对象类型517

14.6 HART总线520

14.6.1 HART总线概述520

14.6.3 HART的数据链路层521

14.6.2 HART的物理层521

14.6.4 HART的应用层522

第15章FCS的体系结构524

1 5.1 FCS的层次结构524

15.1.1 FCS的现场控制层525

15.1.2 FCS的操作监控层525

15.1.3 FCS的生产管理层525

15.1.4 FCS的决策管理层525

15.2.3 FCS工程师站的硬件结构526

15.2.4 FCS监控计算机站的硬件结构526

15.3 FCS的软件结构526

15.2.2 FCS操作员站的硬件结构526

15.2.1 FCS现场仪表的硬件结构526

15.2 FCS的硬件结构526

15.3.1 FCS现场仪表的软件结构527

15.3.2 FCS操作员站的软件结构527

15.3.3 FCS工程师站的软件结构527

15.3.4 FCS监控计算机站的软件结构527

15.4 FCS的网络结构527

15.4.1 FCS的现场总线网络528

15.4.2 FCS的监控网络528

15.4.3 FCS的生产管理网络528

15.4.4 FCS的决策管理网络528

第16章FCS的现场控制层529

16.1现场总线的设备529

16.1.1现场总线仪表529

16.1.3现场总线接口531

16.1.2现场总线辅助设备531

16.2现场总线仪表的应用块532

16.2.1 现场总线仪表的资源块532

16.2.2现场总线仪表的变换块534

16.2.3现场总线仪表的功能块536

16.3现场总线控制回路的构成545

16.3.1 简单控制回路的构成545

16.3.2复杂控制回路的构成546

第17章FCS的应用设计548

17.1 FCS应用的总体设计548

17.1.1 FCS总体设计的原则548

1 7.1.2 FCS系统设备的配置549

17.2.1 现场总线的控制回路设计550

17.2 FCS应用的工程设计550

17.2.2现场总线的网络设计551

17.2.3现场总线段的网络接线554

17.2.4现场总线的设备安装557

17.2.5操作监控设备的安装558

17.3 FCS应用的组态调试558

17.3.1应用块的组态调试558

17.3.2控制回路的组态调试559

17.3.3 FCS操作画面的组态调试560

17.4 FCS应用的典型实例561

17.4.1 FCS应用实例之一561

17.4.2 FCS应用实例之二562

第3篇习题与思考题565

第3篇小结565

第4篇可编程控制器系统（PCS）570

第18章可编程控制器的技术概述570

18.1可编程控制器的控制功能570

18.1.1 可编程控制器的逻辑控制功能570

18.1.2可编程控制器的顺序控制功能571

18.1.3可编程控制器的扩展控制功能572

18.2可编程控制器的工作原理573

18.2.1可编程控制器的输入过程573

18.2.2 可编程控制器的程序执行574

18.2.3可编程控制器的输出过程574

18.3可编程控制器的编程语言574

18.3.1 可编程控制器的指令表编程574

18.3.2 可编程控制器的梯形图编程575

18.3.3可编程控制器的功能块图编程576

18.3.4 可编程控制器的顺序功能图编程576

18.3.5 可编程控制器的结构化文本编程577

第19章可编程控制器的体系结构580

19.1可编程控制器的硬件结构580

19.1.1 可编程控制器的主机模块581

19.1.2可编程控制器的输入输出模块581

19.1.3可编程控制器的通信模块582

19.1.4可编程控制器的结构形式582

19.1.5可编程控制器的人机接口设备582

19.2可编程控制器的软件结构583

19.2.1 可编程控制器的系统软件583

19.2.2可编程控制器的编程软件583

19.3可编程控制器的网络结构584

19.3.1 可编程控制器的网络拓扑结构584

19.2.3可编程控制器的应用软件584

19.3.2可编程控制器的网络通信方式585

19.4典型可编程控制器的体系结构586

19.4.1 S7系列可编程控制器的体系结构586

19.4.2 C系列可编程控制器的体系结构589

第20章可编程控制器的指令系统591

20.1 可编程控制器指令系统的概述591

20.1.1 可编程控制器指令的结构591

20.1.2可编程控制器指令的操作符592

20.1.3可编程控制器指令的操作数593

20.2 C系列可编程控制器的指令系统603

20.2.1 C系列位逻辑运算类指令603

20.2.2 C系列计时器计数器类指令607

20.2.3 C系列分支跳转类指令613

20.2.4 C系列数据移位类指令616

20.2.5 C系列数据传送类指令622

20.2.6 C系列数据比较类指令627

20.2.7 C系列数制变换类指令629

20.2.8 C系列译码编码类指令631

20.2.9 C系列BCD数据运算类指令639

20.2.10 C系列二进制数据运算类指令646

20.2.11 C系列字逻辑运算类指令649

20.2.12 C系列特殊类指令652

20.3 S7系列可编程控制器的指令系统660

20.3.1 S7系列位逻辑运算类指令660

20.3.2 S7系列计时器类指令663

20.3.3 S7系列计数器类指令663

20.3.4 S7系列程序控制类指令664

20.3.5 S7系列数据移位类指令666

20.3.6 S7系列数据传送类指令667

20.3.7 S7系列数据比较类指令669

20.3.8 S7系列数制转换类指令669

20.3.9 S7系列译码编码类指令670

20.3.10 S7系列算术运算类指令671

20.3.11 S7系列增1和减1类指令673

20.3.12 S7系列逻辑运算类指令673

20.3.13 S7系列填表查表类指令674

20.3.14 S7系列特殊类指令677

第21章可编程控制器的应用设计679

21.1可编程控制器的应用设计概述679

21.1.1 可编程控制器的应用设计原则679

21.1.2可编程控制器的应用设计过程680

21.1.3可编程控制器的应用设计方法681

21.2可编程控制器的基本控制回路682

21.2.1启停控制回路682

21.2.2连锁控制回路683

21.2.3时间控制回路684

21.2.4步进控制回路687

21.3 可编程控制器的应用实例687

21.3.1 可编程控制器的应用实例之一687

21.3.2 可编程控制器的应用实例之二691

21.3.3 可编程控制器的应用实例之三692

第4篇小结696

第4篇习题与思考题696

缩写词698

参考文献707