计算机控制技术及工程应用第十二章.ppt

第十二章DCS与FCS 本章要点 1 DCS的基本概 体系结构与功能特点 2 FCS的基本概念 体系结构与功能特点 3 DCS与FCS的几种典型产品 返回总目录 本章主要内容 引言12 1DCS体系结构12 2DCS功能特点12 3DCS产品简介12 4FCS体系结构12 5FCS功能特点12 6FCS产品简介 引言 分散控制系统DCS 以微型计算机为基础的集散型综合控制系统 特点 设计遵循控制功能分散 操作管理集中的原则 历史 1975年美国霍尼韦尔公司成功推出世界上第一套DCS以来 产品几经更新换代 技术性能日趋完善 二十几年来 DCS首当其冲地成为大型工业生产过程的主流控制系统 现场总线控制系统FCS 基于计算机总线的综合控制系统特点 它代表的是一种数字化网络化到现场 控制管理到现场的发展方向 实时性 通信性好发展前景 成为当今世界范围内自动控制系统的热点 12 1DCS体系结构 主要知识点前言12 1 1分散过程控制级12 1 2集中操作监控级12 1 3综合信息管理级12 1 4通信网络系统 图12 1分散控制系统体系结构 前言 12 1 1分散过程控制级 分散过程控制级 是DCS的基础层 它向下直接面向工业对象 其输入信号来自于生产过程现场的传感器 如热电偶 热电阻等 变送器 如温度 压力 液位 流量等 及电气开关 输入触点 等 其输出去驱动执行器 如调节阀 电磁阀 电机等 功能 数据采集 闭环调节控制 顺序控制 数据通信 信息整理后向操作站报告等 构成装置有 现场控制站 可编程控制器 智能调节器及其它测控装置 1 现场控制站 2 智能调节器 智能调节器 一种数字化的过程控制仪表 也称可编程调节器 组成 由微处理器CPU 存储器RAM ROM 模拟量和数字量I 0通道 电源等部分组成的一个微型计算机系统 输入信号 4 20mA模拟量信号和开关量信号 通信 具有RS 232或RS 485等串行通信接口 功能 一般有单回路 2回路 或4回路的调节器 可以作为大型分散控制系统中最基层的一种控制单元 与上位机 即操作监控级 连成主从式通信网络 接受上位机下传的控制参数 并上报各种过程参数 控制方式 除一般的单回路PID之外 还可组成串级控制 前馈控制等复杂回路 3 可编程控制器特点 开关量输人 输出通道 用于执行顺序控制功能 12 1 2集中操作监控级 构成这一级的主要装置有 面向操作人员的操作员操作站 面向监督管理人员的工程师操作站 监控计算机及层间网络联接器 一般情况下 一个DCS系统只需配备一台工程师站 而操作员站的数量则需要根据实际要求配置 1 操作员操作站 1 操作员站的硬件 2 操作员站的功能 2 工程师操作站 1 工程师站的硬件 2 工程师站的功能 12 1 3综合信息管理级 DCS的综合信息管理级实际上是一个管理信息系统 ManagementlnformationSystem 简称MIS 由计算机硬件 软件 数据库 各种规程和人共同组成的工厂自动化综合服务体系和办公自动化系统 MIS是一个以数据为中心的计算机信息系统 企业MIS可粗略地分为市场经营管理 生产管理 财务管理和人事管理四个子系统 子系统从功能上说应尽可能独立 子系统之间通过信息而相互联系 DCS的综合信息管理级主要完成生产管理和经营管理功能 比如进行市场预测 经济信息分析 对原材料库存情况 生产进度 工艺流程及工艺参数进行生产统计和报表 进行长期性的趋势分析 作出生产和经营决策 确保最优化的经济效益 DCS通信网络 各级之间的信息传输网络 通信网分成低速 中速 高速通信网络 低速网络面向分散过程控制级 中速网络面向集中操作监控级 高速网络面向管理级 分类 分为星型 总线型和环型结构三种 后两种常用 特点 在提高系统性能 也可以把集中网络结构合理地运用于一个系统中 以充分利用各网络结构的优点 12 1 4通信网络系统 12 2DCS功能特点 主要知识点12 2 1DCS的软件12 2 2DCS的特点 用于分散过程控制级的控制软件包 为用户提供各种过程控制的功能 包括数据采集和处理 控制算法 运算公式和控制输出等功能模块 软件平台 有图形化编程 文本化语言 面向问题的语言 和通用的高级语言 又分VB VC等 等多种 用于集中操作监控级的操作显示软件包 为用户提供了丰富的人 机接口联系功能 在显示器和键盘组成的操作站上进行集中操作监视 可以选择多种图形显示画面 如总貌显示 分组显示 回路 点 显示 趋势显示 流程显示 报警显示和操作指导等画面 并可以在图形画面上进行各种操作 软件平台 LABVIEW 组态王 力控等 12 2 1DCS的软件 1 硬件积木化2 软件模块化3 通信网络的应用4 可靠性高 12 2 2DCS的特点 12 3DCS产品简介 12 3 1TDC 3000 主要知识点1 系统结构2 主要组成3 功能特点 1 系统结构 通用操作站 UniVersalStation US 历史模件 HistoryModule HM 存档模件 ArchiveReplayModule ARM 应用模件 ApplicationModule AM 过程管理站 ProcessManager PM 高级过程管理站 AdvancedProcessManager APM 逻辑管理站 LogicManager LM 3 功能特点提供必要的数据库 及各种控制技术 2 主要组成 12 3 2I AS 主要知识点 1 系统结构2 主要组成3 系统特点 1 系统结构 处理机组件 是I AS节点的重要组成部分 主要有控制处理机 CP 应用处理机 AP 操作站处理机 WP 和通信处理机 COMP 四类现场总线组件 直接与现场传感器 执行器相连 它通过现场总线与控制处理机通信 接口组件 它主要分为载波带LAN接口组件和信息网络接口组件两种网间连接器 用来实现非I A节点的互连 节点总线 它与每个站中的节点总线接口电路一起工作 提供各站点间数据传输和总线存取 3 系统特点 I AS系统硬件品种少但通用性强 系统组态灵活 提供了综合控制软件包 2 主要组成 12 3 3SUPCONJX 300 主要知识点 1 系统结构2 主要组成3 功能特点 1 系统结构 图12 5SUPCONJX 300系统结构 2 主要组成 操作站工程师站现场控制站过程控制网络3 功能特点具有的安全性 冗余功能 网络扩展功能 集成的用户界面及信息存取功能具有模拟量信号输入输出 数字量信号输入输出 回路控制等DCS功能具有高速数字量处理 高速顺序事件记录 可编程逻辑控制等特殊功能 12 4FCS体系结构 主要知识点前言1 现场通信网络2 现场设备互连3 互操作性4 分散功能块5 现场总线供电6 开放式互连网络 发展趋势 FCS具有数字化 全分散式 可互操作的和全开放式的新型控制系统 是控制系统的发展趋势 定义 根据国际电工委员会IEC标准和现场总线基金会FF FieldbusFoundation 的定义 现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式 双向传输 多分支结构的通信网络 应用方式 两种应用方式 分别用代码H1和H2表示 H1方式主要用于代替直流0 10mA或4 20mA以实现数字传输 它的传输速度较低 每秒几千波特 但传输距离较远 可达1900米 称为低速方式 H2方式主要用于高性能的通信系统 它的传输速度高 达到1兆波特 传输距离一般不超过750米 称为高速方式 前言 图12 6现场总线控制系统体系结构 1 现场通信网络现场总线通信网络采用点到点式的模拟量信号传输或开关量信号的单向并行传输变为多点一线的双向串行数字式传输 2 现场设备互连现场设备 指连接在现场总线上的各种仪表设备 分类 变送器 温度 压力 流量 物位 分析 具有检测 变换和补偿功能 PID控制和运算执行器 电动和气动两类 具有控制信号的驱动和执行功能服务器和网桥 服务器下接H1和H2 上接局域网LAN LocalAreaNetwork 网桥上接H2 下接H1辅助设备 辅助设备有H1 气压转换器 H1 电流转换器 电流 H1转换器 安全栅 总线电源 便携式编程器等连接 通过一对传输线即现场总线直接在现场互连 交换信息 3 互操作性 各个厂家产品兼容 实现 即接即用 4 分散功能块 控制站功能分配给现场仪表 构成虚拟控制站5 现场总线供电 除传输信息以外完成为现场设备供电的功能6 开放式互连网络 采用公开化 标准化 规范化的通信协议 使不同制造商的现场设备互连成系统 12 5FCS功能特点 12 5 1FCS的特点12 5 2FCS的组态 12 5 1FCS的特点 1 一对N结构2 可靠性高3 可控状态4 互换性5 互操作性6 综合功能7 分散控制8 统一组态9 开放式系统 12 5 2FCS的组态 FCS软件模块 功能块 转换块和资源块 组态方法 当用一些功能块组成了某一装置的控制策略时 就把这些功能块的有序集合称为一个 功能应用块 一个功能块应用可以和另一个功能块应用互连在一起 一个功能块应用也可以包含另一个功能块应用 12 6FCS产品简介 主要内容12 6 1CAN12 6 2LonWorks12 6 3PROFIBUS12 6 4WorldFIP12 6 5HART12 6 6FF 1 发展 CAN是控制局域网络ControlAreaNetwork的缩写 是由德国Bosch公司推出 2 CAN协议 CAN协议也是建立在OSI模型基础上的 它采用了OSI底层的物理层 数据链路层和高层的应用层 其信号传输介质为双绞线 最高通信速率为1Mbps 通信距离40m 最远通信距离可达10km 通信速率5bps 节点总数可达110个 3 CAN传输 采用短帧结构 每一帧的有效字节数为8个 每帧信息均采用循环冗余校验CRC及其它检错措施 通信误码率极低 4 CAN传输校验 节点在错误严重的情况下 具有自动关闭总线的功能 这时故障节点与总线脱离 使其它节点的通信不受影响 12 6 1CAN 12 6 2LonWorks 1 发展 LonWorks是局部操作网络LocalOperatingNetwork的缩写 它是由美国Echelon公司研制 于1990年正式公布的现场总线网络 2 协议 采用了ISO OSI模型中完整的七层通信协议 采用了面向对象的设计方法 通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置 其最高通信速率为1 25MbpS 通信距离不超过130m 最远通信距离为27000m 通信速率为78kbps 节点总数可达32000个 3 传输介质 双绞线 同轴电缆 光纤 射频 红外线 电力线4 传输 采用可变长帧结构 每帧的有效字节可由0 288个 12 6 3PROFIBUS 1 发展 过程现场总线ProcessFieldBus的缩写 它是德国国家标准DIN19245和欧洲标准EN50170所规定的现场总线标准 2 构成 PROFIBUS DP PROFIBUS PA和PROFIBUS FMS 3 传输 采用定长或可变长帧结构 定长帧一般为8字节 可变长帧每帧的有效字节数为l 244个 最高通信速率为12Mbps 通信距离不超过100m 最大通信距离为1200m 通信速率为9 6kbps 如果采用中继器可延长至10km 其传输介质可以是双绞线或光缆 每个网络可挂32个节点 如带中继器 最多可挂127个节点 12 6 4WorldFIP 1 发展 WorldFIP是世界工厂仪表协议WorldFactoryInstrumentProtocol的缩写 最初由Cegelec等几家法国公司在原有通信技术的基础上根据用户的要求所制定 随后即成为法国标准 后来又采纳了IEC物理层国际标准 IEC6ll58 2 并命名为WorldFIP 2 协议 WorldFIP采用有调度的总线访问控制 通信速率分别为31 35kbps 1Mbps 2 5Mbps 对应的最大通信距离分别为5000m 1000m 500m 其通信介质为双绞线 如果采用光纤 其最大通信距离可达40km 每段现场总线的最大节点数为32个 使用分线盒可连接256个节点 整个网络最多可以使用3个中继器 连接4个网段 3 传输 采用可变长帧结构 每帧最大字节数为256个 12 6 5HART 1 发展 可寻址远程传感器数据通路 HighwayAddressableRemoteTransducer 的缩写 最早由Rosemount公司开发 得到了80多家仪表公司的支持 并于1993年成立了HART通信基金会 2 协议 HART协议参考了ISO OSI参考模型的物理层 数据链路层和应用层 其主要特点是采用基于Bell202通信标准的频移键控FSK技术 在现有的4 20mA模拟信号上叠加FSK数字信号 以1200HZ的信号表示逻辑1 以2200HZ的信号表示逻辑0 通信速率为1200bps 单台设备的最大通信距离为3000m 多台设备互连的最大通信距离为1500m 通信介质为双绞线 最大节点数为15个 3 传输 HART采用可变长帧结构 每帧最长为25个字节 寻址范围为0 15 12 6 6