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先进过程控制系统AdvancedProcessControlSystems 自动化技术前沿讲座之四 2020年2月14日星期五 CopyrightbyZhihuanSong 2 课程主要内容 集散控制系统 DistributedControlSystem DCS 现场总线控制系统 FieldbusControlSystem FCS 工业以太网控制系统 IndustrialEthernetControlSystem FCS 2020年2月14日星期五 CopyrightbyZhihuanSong 3 过程控制系统构成 远程节点 一 集散控制系统 DistributedControlSystem DCS 2020年2月14日星期五 CopyrightbyZhihuanSong 5 DCS的发展及典型产品 DCS的开创期 1975年 1980年 DCS的组成现场控制站现场监测站CRT操作站 利用CRT的显示功能和键盘的操作功能对生产过程进行集中操作和监视 高速数据总线监控计算机 2020年2月14日星期五 CopyrightbyZhihuanSong 6 DCS的成长与完善时期 1980年 1985年 以局部网络LAN为主干其它各单元都是挂在它上面的网络节点工作站主要组成部分局部网络 多功能现场控制站 增强型操作站 通用型操作站 网关 系统管理模块 主计算机 DCS的发展及典型产品 2020年2月14日星期五 CopyrightbyZhihuanSong 7 第二代DCS基本结构示意图 DCS的发展及典型产品 2020年2月14日星期五 CopyrightbyZhihuanSong 8 DCS的扩展期 1985年以后 典型产品有Honeywell公司的TDC3000 PMYOKAGAWA公司的Centum XLFoxboro公司的I ASeriesTAILORInstruments公司的Mod300BaileyControl公司的INFI 90等浙大中控的SUPCONJX 300X北京和利时的HS2000 DCS的发展及典型产品 2020年2月14日星期五 CopyrightbyZhihuanSong 9 DCS概述 DCS的诞生及开放系统专用计算机控制系统 2020年2月14日星期五 CopyrightbyZhihuanSong 10 DCS概述 中央计算机集中控制系统 2020年2月14日星期五 CopyrightbyZhihuanSong 11 DCS概述 集散控制系统层次化体系结构的形成集散控制技术成为过程计算机控制系统的主流技术的原因从经济角度考虑性能价格比技术角度考虑系统的功能分散与风险分散分层的计算机控制系统 2020年2月14日星期五 CopyrightbyZhihuanSong 12 DCSD层次化体系结构 三层结构模式的计算机控制系统 2020年2月14日星期五 CopyrightbyZhihuanSong 13 DCS功能分层体系 过程控制级进行过程数据采集 直接数字控制 设备监测和系统测试与诊断 实施安全性 冗余化方面的措施过程管理级优化过程控制 先进控制 协调各装置 对实时数据进行分析 存档 状态报告等 2020年2月14日星期五 CopyrightbyZhihuanSong 14 DCS概述 DCS的突出优点硬件和软件都具有灵活的组态和配置能力硬件的组态确定硬件的模块化配置操作站的选择现场控制站的配置电源的选择等DCS的实际硬件差别很大 2020年2月14日星期五 CopyrightbyZhihuanSong 15 DCS的现场控制站 单元 现场控制站的机柜电源 直流 交流 控制计算机 是现场控制站的核心CPU存储器总线输入 输出通道等 2020年2月14日星期五 CopyrightbyZhihuanSong 16 DCS的操作站 操作站分为操作员站和工程师站操作台处理机系统外部存储设备图形显示设备操作站键盘打印输出设备 2020年2月14日星期五 CopyrightbyZhihuanSong 17 DCS的冗余技术 DCS的冗余电源 输入 输出模块 控制回路 过程数据高速公路多重化自动备用 同步运转 待机运转 后退运转等三种方式简易的手动备用 2020年2月14日星期五 CopyrightbyZhihuanSong 18 DCS的软件体系 2020年2月14日星期五 CopyrightbyZhihuanSong 19 DCS的组态软件 1 基本配置组态给系统一个配置信息 如各种站的个数 其索引标志 各现场工作站的最大点数 最短执行周期应用软件组态数据库的生成 历史库的生成 图形的生成 报表生成和控制组态等 2020年2月14日星期五 CopyrightbyZhihuanSong 20 画面组态数据组态报表生成回路组态操作级别DCS的操作软件监督员级工程师级 DCS的组态软件 2 2020年2月14日星期五 CopyrightbyZhihuanSong 21 DCS的操作软件 1 操作站要实现的功能实时数据管理历史数据存储和管理控制回路调节和显示生产工艺流程画面显示系统状态 趋势显示生产记录的打印和管理等 2020年2月14日星期五 CopyrightbyZhihuanSong 22 实时多任务操作系统的功能软硬件逻辑接口 LogicInterface 以及任务调度 任务间通信 资源管理等实时多任务操作系统的实时特征异步事件响应 任务切换能力 中断响应能力 优先级中断和调度 强占式调度能力 同步能力 DCS的操作软件 2 2020年2月14日星期五 CopyrightbyZhihuanSong 23 实时数据库是全局数据库数据库系统在不同层次上的结构现场控制站上存储该站所用的各种点记录的全记录信息操作站的实时数据库实时数据管理程序 DCS的操作软件 3 2020年2月14日星期五 CopyrightbyZhihuanSong 24 历史数据库短时间间隔历史数据 存储间隔一般为秒级 长时间间隔历史数据 存储间隔一般为分级 DCS的操作软件 4 2020年2月14日星期五 CopyrightbyZhihuanSong 25 DCS的操作软件 5 网络通信是DCS的关键技术之一DCS对网络通信的要求高可靠性硬件上高度可靠 软件上有较好的容错能力实时性灵活性能够支持多种数据信息格式 2020年2月14日星期五 CopyrightbyZhihuanSong 26 通用的现场控制站功能数据采集 控制输出 自动控制和网络通信现场控制站的软件系统执行代码 周期执行和随机执行一般固化在EPROM中数据部分保留在RAM中 DCS的控制软件 1 2020年2月14日星期五 CopyrightbyZhihuanSong 27 现场控制站软件 DCS的控制软件 2 2020年2月14日星期五 CopyrightbyZhihuanSong 28 实时数据库的基本数据类型模拟量输入输出 AN 结构开关量输入输出 DG 结构模拟计算量 AC 结构开关量点组合 GP 结构 DCS的控制软件 3 2020年2月14日星期五 CopyrightbyZhihuanSong 29 现场控制站能够实现的控制功能反馈控制批量控制和顺序控制 DCS的控制软件 4 2020年2月14日星期五 CopyrightbyZhihuanSong 30 DCS的局限 1 DCS的出现是控制系统发展的里程碑DCS的应用效益较高的可靠性提高了控制精度 可实现 卡边 控制操作方便 2020年2月14日星期五 CopyrightbyZhihuanSong 31 DCS的局限 2 测量变送和执行机构仍是基于模拟仪表不同厂商的产品互不兼容 互操作性差传统DCS的编程计算工具仍显简单与上位机的接口硬件和规约各不相同 2020年2月14日星期五 CopyrightbyZhihuanSong 32 PLC的发展对DCS的影响 可编程逻辑控制器PLC简介PLC最初功能取代继电器控制系统PLC的编程PLC的改进与发展采用数据高速通道DH增加模拟量信号的处理功能网络化 实现系统集成 2020年2月14日星期五 CopyrightbyZhihuanSong 33 DCS体系结构发展趋势 FCS与DCSFCS可能会取代DCS 但相当长时间内将共存DCS的开放性与FCS初步兼容 异质兼容和同质兼容选择合适的操作系统充分利用Internet Intranet技术和最新的计算机技术 二 现场总线控制系统 FieldBusControlSystem 现场总线应用在生产现场 在测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的开放型控制网络技术 现场总线是工业数据通信与控制网络技术的代名词 是测控领域的通信与网络技术工业数据通信系统 在生产设备之间传递数字信息工业数据通信是形成控制网络的基础和支撑条件 是控制网络技术的重要组成部分自控领域的局域网企业的底层网络 网络集成式测量控制系统 什么是现场总线 2020年2月14日星期五 CopyrightbyZhihuanSong 36 早期把现场总线又称为工业电话线 通过连线在测控设备之间传递数据信息 把传感器 按钮 执行机构等连接到控制器 或PLC或工业计算机上 通过相互通信共同执行测量控制任务 总线上的数据输入设备包括按钮 传感器 接触器 变送器 阀门等 传输其位置状态 参数值等数据总线上的输出数据用于驱动信号灯 接触器 开关 阀门等工业数据通信用以满足信息社会对基础设备与过程数据信息的需求数字地球 数字北京 数字 传递工农业生产过程 大气环境监测 各类交通 楼宇等系统中设备的数字化信息 2020年2月14日星期五 CopyrightbyZhihuanSong 37 总线将分散的有通信能力的测量控制设备作为网络节点 连接成能相互沟通信息 共同完成自控任务的控制网络 2020年2月14日星期五 CopyrightbyZhihuanSong 38 现场总线是自动化领域的通信 网络技术 也被称之为工厂的底层网络 Infranet 总线是构成自动化系统的纽带 网络所传输的是控制信息 它是有别于计算机网络 电视 电话网络的另一类网络特点 适应工业应用环境 要求实时性强 可靠性高 安全性好 多为短帧传送 通信的传输速率相对较低 2020年2月14日星期五 CopyrightbyZhihuanSong 39 现场总线技术的发展 现场总线技术始发于二十世纪八十年代 但对该项技术的开发之热是近年之举早期的现场总线技术与PLC同时出现的 Culter Hammer推出的DirectrolGeneralElectric的GeniusI OPhoenix的Interbus S TURCK的Sensoplex丹麦ProcessData公司83年推出的P Net 德国Siemens公司84年推出的Profibus ProcessFieldbus的简称 法国Alstom公司87年推出的FIP FactoryInstrumentationProtocol 等都属于早期推出且至今仍有较大影响的总线技术 2020年2月14日星期五 CopyrightbyZhihuanSong 40 欧洲 北美 亚洲的许多国家都投入巨额资金与人力进行研究开发已经形成了各式各样的企业 国家 地区 及国际现场总线标准根据相关资料统计 已出现的现场总线一百多种 其中宣称为开放型总线的就有40多种 2020年2月14日星期五 CopyrightbyZhihuanSong 41 现场总线组织现场总线基金会 FieldbusFoundation LonMark协会 Profibus协会 工业以太网协会IEA IndustrialEthernetAssociation 工业自动化开放网络联盟IAONA IndustrialAutomationOpenNetworkAlliance SocietyofAutomotiveEngineers SAE 制定现场总线标准的国际标准化组织IECISO 2020年2月14日星期五 CopyrightbyZhihuanSong 42 现场总线标准 IEC TC65负责测量和控制系统数据通信国际标准化工作的SC65C WG6 是最先开始现场总线标准化工作的组织 它于1984年就开始着手总线标准的制定 致力于推出世界上单一的现场总线标准 也因此而历经坎坷 历经了16年的艰难历程 出现了波及全球的现场总线标准大战IEC61158 2诞生于1993年 之后的标准制定就陷于混乱2000年初宣布 IEC现场总线国际标准子集有八种 IEC61158 ControlNet Profibus P Net HighSpeedEthernet NewcomerSwiftNet WorldFIP Interbus S 2020年2月14日星期五 CopyrightbyZhihuanSong 43 最早成为国际标准的是CAN 它属于ISO标准 ISO11898IEC 17B为负责制定低压开关装置与控制装置用控制设备之间的接口标准的组织 已通过的IEC62026国际标准包括 第2部分ASI第3部分DeviceNet 第4部分智能分布式系统SDS SmartDistributedSystem 第5部分Seriplex其它有实力 有发展前景的控制网络技术工业以太网 LonWorks Modbus 蓝牙 无线局域网 消费电子总线CEBus 光总线等 过渡型总线HART 2020年2月14日星期五 CopyrightbyZhihuanSong 44 主流现场总线 基金会现场 FF 总线LonWork技术和LON总线HART通信协议总线CAN总线Profibus总线InterBus S总线ControlNet总线Modbus总线 现场总线控制网络 信息时代的技术发展对测控系统提出了数字化 网络化 信息化的要求 如数字地球 数字北京 企业的管理控制一体化等要求测量控制设备向网络提供多方面的数字信息 现场总线作为现场控制网络技术 被视为公用数据网络在测控领域的延伸 它的兴起为自控技术本身的发展提供了新的机遇现场总线使测控设备具备了数字计算和数字通信能力 提高了信号的测量 传输和控制精度 提高了系统与设备的功能 性能 现场总线可采用多种介质 多种有线和无线方式 传送数字信号 在两根导线上可挂接多至几十个自控设备 能节省大量线缆 槽架 连接件 减少系统设计 安装 维护的工作量现场总线形成真正分散在现场的完整控制系统 提高了控制系统运行的可靠性 丰富了控制设备的信息内容 提供了如阀门动作次数 故障诊断等信息 为控制信息进入公用数据网络创造了条件 沟通了现场控制设备之间及其与更高控制管理层网络之间的联系 便于实现管控一体化控制网络与数据网络的结合 便于实现信号的远程传送与异地远程自动控制 2020年2月14日星期五 CopyrightbyZhihuanSong 47 全分布 网络集成式控制系统 2020年2月14日星期五 CopyrightbyZhihuanSong 48 现场总线系统是企业的底层网络 2020年2月14日星期五 CopyrightbyZhihuanSong 49 企业网络的功能层次 2020年2月14日星期五 CopyrightbyZhihuanSong 50 现场总线技术的发展趋势 1 注重系统的开放性封闭 自成一体的系统定会消亡2 注重应用系统设备间的互操作性早期的总线技术多注重在通信协议上 而近年来其技术发展逐渐转向应用与用户层的相关规范 如设备描述 标准功能块等 应用系统设备间的互连不仅只要完成数据通信 还要构成控制网络 形成测量控制应用系统 而应用与用户层规范与设备间的互可操作性直接相关 设备间的互操作依靠应用层协议CAN是封装在芯片中的通信协议 485只是物理层的电气接口规范 由它们构成控制网络还需借助另外的协议规范数据信号的传输 数据理解 2020年2月14日星期五 CopyrightbyZhihuanSong 51 3 注重控制网络与公用数据网络的结合HSE Profinet 连接modbus的透明工厂 第3代的Lonworks FIP等 各种控制网络都在向数据网络挂靠4 注重使测控设备具备网络浏览功能具有网络浏览功能的PLC 具有网络浏览功能的远程数据终端借助通用浏览器工具得到专用设备的数据信息控制设备走向开放的窗口 2020年2月14日星期五 CopyrightbyZhihuanSong 52 5 以太网已直接进入控制网络以太网技术进入控制网络的优势以太网技术进入控制网络要解决的问题E网到底可行 E网打尽不现实我国的EPA标准6 多种通信方式下的数据传输与数据集成 管控一体化目标下的数据综合利用有线 无线通信方式的结合 控制网络 数据网络 电话网络 无线局域网的互连 充分利用现有的网络资源数据集成 综合利用 共同构成测量控制系统 发布运行 调度信息 2020年2月14日星期五 CopyrightbyZhihuanSong 53 异构控制网络互连 2020年2月14日星期五 CopyrightbyZhihuanSong 54 现场总线应用系统 现场总线技术的应用领域十分广泛 凡属设备间需要数据通信的场合都需要它连续 离散制造业 如电力 石化 冶金 纺织 造纸 过程自动化仪表 火车 汽车 轮船 机器人 数控机床 智能传感器楼宇自控 仓储 智能交通 环境监测 大气 水污染监测网络 农 林 水利 养殖等其技术与产品在工业控制计算机 测控板卡 仪器仪表 系统集成 应用系统等领域都有良好的发展前景 2020年2月14日星期五 CopyrightbyZhihuanSong 55 过程控制中的HSE H1应用系统 2020年2月14日星期五 CopyrightbyZhihuanSong 56 网络集成式控制系统 2020年2月14日星期五 CopyrightbyZhihuanSong 57 Profibus与PLC网络 电力 冶金 机械加工行业等 2020年2月14日星期五 CopyrightbyZhihuanSong 58 Profinet 2020年2月14日星期五 CopyrightbyZhihuanSong 59 汽车内部网络 SAE J1939 2020年2月14日星期五 CopyrightbyZhihuanSong 60 多网段车辆内部网络系统 2020年2月14日星期五 CopyrightbyZhihuanSong 61 第三代LonWorks技术应用系统 智能楼宇 连锁店 2020年2月14日星期五 CopyrightbyZhihuanSong 62 LonWorks Ethernet 2020年2月14日星期五 CopyrightbyZhihuanSong 63 交通系统中的数据语音混合通信应用系统 2020年2月14日星期五 CopyrightbyZhihuanSong 64 现场总线被视为基于PC 特别是基于工业PC的控制技术各种工业控制计算机 测量控制板卡的供应商是现场总线技术发展的重要力量以现场总线技术提升产品的串行通信能力 发展具有数据通信能力的控制网络新的产品系列 对推广现场总线技术的应用 对推动测量控制领域的信息化 将起到积极作用 现场总线的技术发展有待业内人士 设备开发供应商 用户 的共同努力 三 工业以太网控制系统 IndustrialEthernetControlSystem 2020年2月14日星期五 CopyrightbyZhihuanSong 66 客户要求更快 更便捷 更便宜能够利用现有的线路连通性好标准单一 为什么要用工业以太网 2020年2月14日星期五 CopyrightbyZhihuanSong 67 以太网用于工业领域的可能性 随着互联网技术的发展与普及推广 Ethernet技术也得到了迅速的发展 Ethernet传输速率的提高和Ethernet交换技术的发展 给解决Ethernet通信的非确定性问题带来了希望 并使Ethernet全面应用于工业控制领域成为可能 2020年2月14日星期五 CopyrightbyZhihuanSong 68 工业以太网的概念 所谓工业以太网 一般来讲是指技术上与商用以太网 即IEEE802 3标准 兼容 但在产品设计时 在材质的选用 产品的强度 适用性以及实时性 可互操作性 可靠性 抗干扰性和本质安全等方面能满足工业现场的需要 2020年2月14日星期五 CopyrightbyZhihuanSong 69 工业以太网技术 通信确定性与实时性快速以太网交换式以太网技术全双工通信又使得端口间两对双绞线 或两根光纤 上分别同时接收和发送报文帧 也不会发生冲突稳定性与可靠性专门开发和生产了导轨式集线器 交换机产品 安装在标准DIN导轨上 并有冗余电源供电 接插件采用牢固的DB 9结构 特别设计用于连接工业应用中具有以太网络接口的工业设备 2020年2月14日星期五 CopyrightbyZhihuanSong 70 以太网用于工业领域的关键问题 Ethernet实时通信服务质量支持策略满足通信一致性和互可操作性的应用层 用户层协议规范网络可用性网络安全性本质安全与安全防爆技术 2020年2月14日星期五 CopyrightbyZhihuanSong 71 工业以太网协议 为满足工业现场控制系统的应用要求 必须在Ethernet TCP IP协议之上 建立完整的 有效的通信服务模型 制定有效的实时通信服务机制 协调好工业现场控制系统中实时和非实时信息的传输服务 形成为广大工控生产厂商和用户所接收的应用层 用户层协议 进而形成开放的标准 2020年2月14日星期五 CopyrightbyZhihuanSong 72 工业以太网通信模型 对应于ISO OSI七层通信模型 以太网技术规范只映射为其中的物理层和数据链路层 而在其之上的网络层和传输层协议 目前以TCP IP协议为主 已成为以太网之上传输层和网络层 事实上的 标准 而对较高的层次如会话层 表示层 应用层等没有作技术规定 2020年2月14日星期五 CopyrightbyZhihuanSong 73 几种常见的工业以太网 HSE HighSpeedEthernet 高速以太网 PROFInetEPAEthernet IP 2020年2月14日星期五 CopyrightbyZhihuanSong 74 HSE HighSpeedEthernet 高速以太网 FF现场总线基金会明确将HSE定位成实现控制网络与互联网Internet的集成 由HSE链接设备将H1网段信息传送到以太网的主干上并进一步送到企业的ERP和管理系统 操作员在主控室可以直接使用网络浏览器查看现场运行情况 现场设备同样也可以从网络获得控制信息 2020年2月14日星期五 CopyrightbyZhihuanSong 75 PROFInet PROFInet包含3方面的技术 基于通用对象模型 COM 的分布式自动化系统 规定了Profibus和标准以太网之间的开放 透明通信 提供了一个包括设备层和系统层 独立于制造商的系统模型 2020年2月14日星期五 CopyrightbyZhihuanSong 76 EPA技术 EPA是EthernetforProcessAutomation的缩写 它是顺应广大仪器仪表开发企业与最终用户