WX06_微型计算机控制技术_第六章_本科_压缩.ppt

第6章集散控制系统和现场总线 第6章集散控制系统和现场总线 6 1集散控制系统6 2几种典型的DCS简介 了解 6 3现场总线技术 6 1集散控制系统 6 1 1集散控制系统的发展历程6 1 2DCS的体系结构6 1 3DCS的软件结构 6 1 1集散控制系统的发展历程 6 1集散控制系统 1946年 计算机问世 6 1 1集散控制系统的发展历程集散控制系统 DistributedControlSystem DCS 是一个为满足大型工业生产和日益复杂的过程控制要求 从综合自动化的角度出发 按功能分散 管理集中的原则构思 采用多层分级 合作自治的结构形式 综合了控制 Control 计算机 Compute 通信 Communication 终端显示 CRT 或人机界面会话 Conversation 所谓四C技术 发展起来的新型控制系统 6 1集散控制系统 DCS经历了三个大的发展阶段 从总的趋势看 体现在以下几方面 1 系统的功能从底层 现场控制层 逐步向高层 监督控制 生产调度管理 扩展 2 系统的控制功能由单一的回路控制逐步发展到混合控制功能 3 由DCS厂家专有的产品改变为开放式的产品 可以在市场采购 4 采用公开标准 使第三方产品更容易集成到系统中来 5 系统趋同化迫使DCS厂家向与生产工艺结合紧密的高级控制功能发展 以求得与其他同类厂家的差异化 6 数字化的发展越来越向现场延伸 这使得现场控制功能和系统体系结构发生了重大变化 将发展成为更加智能化 更加分散化的新一代控制系统 1 第一代DCS 初创期 第一代DCS是指从其诞生的1975 1980年间所出现的第一批系统 这个时期的代表产品是率先推出DCS的Honeywell公司的TDC 2000系统 同期的还有Yokogawa 即横河 公司的Yawpark系统 Siemens公司的Teleperm系统等 组成部分 过程控制单元 数据采集单元 CRT操作站 上位管理计算机及连接各个单元和计算机的高速数据通道 这也奠定了DCS的基础体系结构 第一代DCS在功能上更接近仪表控制系统 特点 分散控制 集中监视 这与仪表控制系统类似 所不同的是控制的分散不是到每一个回路 而是到现场控制站 一个现场控制站所控制的回路从几个到几十个不等 集中监视所采用的是CRT显示技术和控制键盘操作技术 而不是仪表面板和模拟盘 2 第二代DCS 成熟期 第二代DCS是在1980 1985年前后推出的各种系统 其中包括Honeywell公司的TDC3000 Fisher公司的PROVOX Taylor公司的MOD300及Westinghouse公司的WDPF等系统 最大特点 引入了局域网作为系统骨干 按照网络节点的概念组织过程控制站 中央操作站 系统管理站及网关 系统的规模 容量进一步增加 系统的扩充有更大的余地 也更加方便 开始摆脱仪表控制系统的影响 逐步靠近计算机系统 在功能上 除回路控制外 还增加了顺序控制 逻辑控制等功能 加强了系统管理站的功能 可实现一些优化控制和生产管理功能 在人机界面方面 随着CRT显示技术的发展 图形用户界面逐步丰富 显示密度大大提高 使操作人员可以通过CRT的显示得到更多的生产现场信息和系统控制信息 在操作方面 从过去单纯的键盘操作 命令操作界面 发展到基于屏幕显示的光标操作 图形操作界面 3 第三代DCS 扩展期 第三代DCS以1987年Foxboro公司推出的I ASeries为代表 该系统采用ISO标准MAP 制造自动化规约 网络 这一时期的系统除I ASeries外 还有Honeywell公司的TDC3000UCN Yokogawa公司的Centum XL和 XL Bailey公司的INFI 90 Westinghouse公司的WDPF Leeds Northrop公司的MAX1000及北京和利时公司的MACS系统等 这个时期的DCS增加了上层网络 将生产管理功能纳入到系统中 这样 就形成了直接控制 监督控制和协调优化 上层管理三层功能结构 这实际上就是现代DCS的标准体系结构 这样的体系结构使DCS成为一个很典型的计算机网络系统 而实施直接控制功能的现场控制站 在其功能逐步成熟并标准化之后 成为整个计算机网络系统中的一类功能节点 进入20世纪90年代以后 人们已经很难比较出各个厂家的DCS在直接控制功能方面的差异 而各种DCS的差异则主要体现在与不同行业应用密切相关的控制方法和高层管理功能方面 3代DCS产品的区别 可从DCS的三大部分 即控制站 操作站和通信网络的发展来判断 6 1 2DCS的体系结构 一个最基本的DCS应包括四大组成部分 现场控制站操作员站工程师站 也可利用一台操作员站兼做工程师站 系统网络 早期的DCS体系结构 现场总线技术以后的DCS体系结构 1 操作员站操作员站主要完成人机界面的功能 一般采用桌面型通用计算机系统 其配置与常规的桌面系统相同 但要求有大尺寸的显示器 CRT或液晶屏 和高性能的图形处理器 有些系统还要求每台操作员站使用多屏幕 以拓宽操作员的观察范围 为了提高画面的显示速度 一般都在操作员站上配置较大的内存 2 现场控制站系统主要的控制功能由它来完成 它是DCS的核心 现场控制站的硬件一般都采用专门的工业级计算机系统 其中除了计算机系统所必需的运算器 即主CPU 存储器外 还包括了现场测量单元 执行单元的输入输出设备 即过程量I O或现场I O 目前 直接使用现场总线产品作为现场I O模块和主处理模块的连接已很普遍 用得较多的现场总线产品有FF Profibus CAN DeviceNet等 3 工程师站工程师站是DCS中的一个特殊功能站 其主要作用是对DCS进行应用组态 组态工作是在系统运行之前进行的 或者用术语说是离线进行的 一旦组态完成 系统就具备了运行能力 当系统在线运行时 工程师站可起到一个对DCS本身的运行状态进行监视的作用 以及时发现系统出现的异常 并及时进行处置 在DCS在线运行中 并对系统的一些定义进行修改和添加 这种操作被称为在线组态 在线组态也是工程师站的一项重要功能 什么是组态软件 组态 Configuration 就是用应用软件中提供的工具 方法来完成工程中某一具体任务的过程 组态 的概念是伴随着DCS的应用才开始被广大的生产过程自动化技术人员所熟知的 开始一般指硬件组态 梯形图组态等 现在组态有了更宽泛的含义 什么是组态软件 组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件 它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境 使用灵活的组态方式 为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的 通用层次的软件工具 一般英文简称为HMI SCADA HumanandMachineInterface SupervisoryControlandDataAcquisition 中文翻译为 人机界面 监视控制和数据采集软件 大家习惯称之为 组态软件 组态软件是一种编程和组态的软件平台 支持多种通讯协议 为用户提供了多种硬件设备支持 如PLC 板卡 智能仪表等 利用组态软件提供的图形 趋势曲线 报警 数据库 报表等功能模块 用户可以不用编程 通过 搭积木 的方式构建自己的系统 特别适合自动化工程人员 不需要编程基础就可以快速为用户构建出界面美观 功能强大的软件系统 在组态概念出现之前 要实现某一任务 都是通过编写程序 如VC VB 来实现的 编写程序不但工作量大 周期长 而且容易犯错误 不能保证工期 组态软件的出现 解决了这个问题 对于过去需要几个月的工作 通过组态几天就可以完成 而且软件项目的可靠性也大大加强 4 服务器及其他功能站可以有许多执行特定功能的计算机 如专门记录历史数据的历史站 进行高级控制运算功能的高级计算站 进行生产管理的管理站等 这些站也都通过网络实现与其他各站的连接 形成一个功能完备的复杂的控制系统 5 系统网络它连接系统各个站的桥梁 由于DCS是由各种不同功能的站组成的 这些站之间必须实现有效的数据传输 以实现系统总体的功能 因此系统网络的实时性 可靠性和数据通信能力关系到整个系统的性能 特别是网络的通信规约 关系到网络通信的效率和系统功能的实现 6 现场总线网络在现场总线出现以后 模拟式仪表的变送单元和执行单元也被数字化 DCS成为一种全数字化的系统 这也就改变了DCS的体系结构 首先 现场信号线的接线方式从一对一的模拟信号线连接改变为一对多的数字网络连接 现场与主控制室之间的接出线数大大减少 而传递的信息量则大大增加 其次 现场控制站中的一大部分设备将被安装在现场 第三 回路控制的实现方式将发生改变 现场I O和现场总线仪表已经具备了回路控制计算的能力 这将有可能将回路控制功能由现场控制站下放到现场I O或现场总线仪表来完成 实现更加彻底的分散 7 高层管理网络DCS已从单纯的低层控制功能发展到了更高层次的数据采集 监督控制 生产管理等全厂范围的控制 管理系统 因此DCS应该被看成是一个计算机管理控制系统 其中包含了全厂自动化的丰富内涵 现场控制站上的软件主要完成各种控制功能 包括回路控制 逻辑控制 顺序控制 以及这些控制所必需的现场I O处理 操作员站上的软件主要完成运行操作人员所发出的各个命令的执行 图形与画面的显示 报警的处理 对现场各类检测数据的集中处理等 工程师站软件则主要完成系统的组态功能和系统运行期间的状态监视功能 6 1 3DCS的软件结构 1 现场控制站软件其主要功能是完成对现场的直接控制 它应该包含以下主要的软件 1 现场I O驱动 其功能是完成过程量的输入输出 其动作包括对过程输入输出设备实施驱动 以具体完成输入输出工作 2 对输入的过程量进行预处理 如工程量的转换 统一计量单位 剔除各种因现场设备和过程I O设备引起的干扰和不良数据 对输入数据进行线性化补偿及规范化处理等 总之是要尽量真实地用数字值还原现场值 并为下一步计算做好准备 2 操作员站软件其主要功能是人机界面 它主要包括 1 图形处理软件 2 操作命令处理软件 3 历史数据和实时数据的趋势曲线显示软件 4 报警信息的显示 事件信息的显示 记录与处理软件 5 历史数据的记录与存储 转储及存档软件 6 报表软件 7 系统运行日志的形成 显示 打印和存储记录软件 3 工程师站软件 1 离线的组态软件 将一个通用的 对多个应用控制工程有普遍适应能力的系统 变成一个针对某一个具体应用控制工程的专门系统 为此 系统要针对这个具体应用进行一系列定义 2 在线运行部分 主要完成对DCS系统本身运行状态的诊断和监视 发现异常时进行报警 同时通过工程师站上的CRT屏幕给出详细的异常信息 在工程师站上 要做的组态定义主要包括以下方面 1 系统硬件配置定义 包括系统中各类站的数量 每个站的网络参数 现场I O站的I O点配置 2 实时数据库的定义 包括现场物理I O点的定义 该点对应的物理I O位置 对该点所进行的数字滤波 不良点的剔除 以及中间变量点的定义 3 历史数据库的定义 包括要进入历史数据库的实时数据 历史数据存储的周期 各个数据在历史数据库中保存的时间等 4 历史数据和实时数据的趋势显示 列表及打印输出等定义 5 控制算法的定义 其中包括确定控制目标 控制方法 控制周期及定义与控制相关的控制变量 控制参数等 6 人机界面的定义 包括操作功能定义 操作员可以进行那些操作 如何经行操作等 现场模拟图的显示定义 包括背景画面和实时刷新的动态数据 及报警列表的种类与尺寸定义等 7 报警定义 包括报警产生的条件定义 报警方式的定义 报警级别的定义 报警处理的定义等 8 系统运行日志的定义 包括现场事件的认定 记录方式等 9 报表定义 包括报表的种类 数量 报表格式 报表的数据来源及在报表中各个数据项的运算处理等 10 事件顺序记录和事故追忆等特殊报告的定义 6 2几种典型的DCS简介 了解 6 2 1HoneyWell公司的TDC 3000系统6 2 2Foxboro公司的I ASeries系统6 2 3和利时公司的MACS系统 6 2 3和利时公司的MACS系统 和利时公司第四代DCS系统 MACS系统 结构如图所示 截止到2003年 该系统已经成功地应用于核电 火电 热电 石油化工 建材及冶金等2000多个现场 仪表化的控制界面 可定制为仪表风格的控制操作界面 符合运行人员的操作习惯 6 3现场总线技术 根据国际电工委员会IEC1158定义 后改为IEC61158 现场总线是安装在生产过程区域的现场设备 仪表与控制室内的自动控制装置 系统之间的一种串行 数字式 多点通信的数据总线 或者说 现场总线是应用在生产现场 连接智能现场设备和自动化测量控制系统的数字式 双向传输 多分支结构的网络系统与控制系统 它以单个分散的 数字化 智能化的测量和控制设备作为网络节点 用总线相连接 实现相互交换信息 共同完成自动控制功能 因此 现场总线是面向工厂底层自动化及信息集成的数字化网络技术 6 3 1现场总线的产生和发展 现场总线是20世纪80年代中期在国际上发展起来的 要实现整个企业的信息集成和综合自动化 就必须设计出一种能在工业现场环境运行的 性能可靠的 造价低廉的通信系统 形成现场的底层网络 完成现场自动化设备之间的多点数字通信 实现底层设备之间以及生产现场与外界之间的信息交换 1 多种总线共存 2 每种总线各有其应用领域 3 每种总线各有其国际组织和大企业背景 4 设备制造商要参加多个总线组织 5 工业以太网引入工业领域 现场总线的发展现状 6 3 2现场总线的发展趋势 1 全面数字化 网络化的控制系统 2 网络结构向简单的方向发展 3 大量采用成熟的 开放的 通用的技术 在管理网的通信协议上 越来越多的企业采用流行的TCP IP协议加以太网 操作设备采用工业PC机 现场总线控制系统与传统的控制系统之间并不是完全取而代之的关系 而是继承 融合 提高的关系 现场总线控制系统与DCS之间结构有相似之处 但在底层用现场总线取代了传统的 4 20mA 信号 就使功能上发生重大变化 6 3 3现场总线的特点和优点 1 现场总线系统的技术特点 1 系统的开放性 即对相关标准的共识和遵守 2 互操作性与互用性 设备间 系统间可进行信息传送 3 现场设备的智能化与功能自治性 4 系统结构的高度分散性 5 对现场环境的适应性2 现场总线的优点 1 节省硬件数量与投资 2 节省安装费用 3 节省维护开销 4 用户具有高度的系统集成主动权 5 提高了系统的准确性与可靠性 DCS的结构 FCS对DCS的变革 表6 1DCS和FCS的特性对比表 表6 1DCS和FCS的特性对比表 6 3 4现场总线网络模型 现场总线本质上是一种控制网络 要求有很高的实时性 可靠性 数据完整性和可用性 为此 现场总线对标准的网络协议作了简化 一般只包括ISO OSI7层模型中的3层 物理层 数据链路层和应用层 1 过程控制层现场总线是将自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备互连的实时控制通信网络 遵循ISO的OSI开放系统互连参考模型的全部或部分通信协议 现场总线控制系统则是用开放的现场总线控制通信网络将自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备互连的实时网络控制系统 常见的现场总线网络拓扑结构 1 环型网 2 总线网 3