007第7章集散控制系统及现场总线ppt课件

7 1DCS的发展概况 分布型控制系统 DistributedControlSystem 简称DCS 亦为集散型控制系统 是4C技术 Computer Control Communication和CRT 的产物 是一个为满足大型工业生产日益复杂的过程控制的要求 从综合自动化角度出发 按功能分散 管理集中的原则构成的大系统 它具有高可靠性指标 不断以新的技术成果充实和研制 以微处理器 微型计算机技术为核心 与数据通信技术 CRT显示 人机接口 输入输出技术相结合的 用于生产管理 数据采集和各种过程控制的处于新技术前沿的计算机控制系统 1 第一阶段 初创期 第二阶段 成熟期 第三阶段 扩展期 7 2DCS系统发展方向 7 3集散控制系统硬件体系 7 3 1现场控制站 现场控制站是由控制模块组成 也可以是高性能的工控机 其主要的功能是信号的采集 控制的监视 就近分散控制 现场控制站功能与单回路控制仪表相比 控制站除了反馈控制功能 运算功能 报警功能通信功能更加充实外 最重要的特点是顺序控制功能大大增强 现场控制站内的顺序控制 除了能按照常规的开关条件切换外 还包括各种定时器 计数器算术运算式 逻辑关系运算式等 能自动监视连续量的变化 DCS将一些常用的功能子程序组成标准的功能模块 如 PID 串级 解藕控制模块等 通过组态软件方便使用 控制软件 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 现场控制站软件 7 3 2DCS的操作站 操作站由工程师站与操作员站组成 主要有三大功能 组建和维护系统的工程功能 以监视 运行 记录为主的操作功能 现场控制站与上位计算机交换信息的通信功能以及运行数据存储 管理功能 说明 在规模较小的DCS和早期的DCS中 由中央计算机同时承担工程师站和操作员站的职能 通过设置工程师密码赋予工程师进行系统组建 维护和系统管理功能的工程功能 工程师站的功能 1 系统组态 组建和变更操作员站和现场控制站的功能 2 系统测试 测试系统的逻辑算法是否正确 测试系统的网络的通信是否正常 测试系统外部设备连接是否正常 3 系统维护 对系统定期检查或更改 生成组态文件存储 数据恢复等 4 系统管理 主要对系统文件的管理 如将组态文件加密 备分 对系统运行数据的文件存储 转存 归档管理等 操作员站功能 画面显示和运行操作是操作员站的基本功能 操作员通过各种画面显示 切换以及功能键 鼠标 触摸屏的操作 实现对生产过程正常运行的监视与操作管理 为满足运行操作的要求 集散控制系统的操作站上都具有总貌图画面 监视和操作控制画面 报表画面 报警画面 趋势曲线与历史曲线画面等几种标准画面 7 4DCS的网络通信技术 DCS的现场控制站和操作站在空间上分布在一定区域之间 它的通信网络是一个局域网 DCS局域网与一般办公系统的局域网络不同 要求实时响应 能适应恶劣的工业环境 具有开发性等 对网络可靠性要求很高 DCS通信网络技术包括网络结构 信道访问规则 通信协议 信号发送技术 传输介质 网络接口等 1 DCS的网络形式 主 从通信网络系统 同等 同等通信网络 PeertoPeer 2 通信网络的硬件构成 通信网络主要由两部分组成 传输电缆 光缆 或其他媒介 和接口设备 接口设备通常称为链路接口单元 或称调制解调器 网络适配器等 它的功能是在控制单元 可编程控制器或计算机之间控制数据交换 传送存取等 DCS通信控制的典型功能包括 误码检验 数据链路控制管理以及可编程控制器 控制单元或计算机之间的通讯协议的处理等 DCS的网络要在恶劣的工业环境中运行 所以调制解调器都规定在特定的频率下通信 最大限度地减少传递误差 3 通信协议 网络上定义数据资料传送规范的协议称为通信协议 DCS中采用的通信协议有IEEE802标准 MAP标准和PRAWAY标准等 其中应用最多的是IEEE802标准 7 5DCS的组态 硬件组态 根据系统的规模及控制要求进行硬件的选择 主要包括通信系统的选择 人机接口的选择 过程接口的选择 集散控制系统与PLC及上位机的通信接口的选择 电源系统的选择 上位机与可编程逻辑控制器的选择 集散控制系统控制单元的选择等 硬件组态时 应综合考虑各方面的因素 首先要满足控制系统的要求 选择性能价格比最佳的配置 其次应考虑DCS未来的发展趋势 包括监控一体化的生产管理系统 即计算机集成制造系统 CIMS 的方向发展 选择通信系统还应考虑在未来的CIMS中的位置 另外 还应该考虑操作人员的易操作性 系统的易维护性 集散控制系统的应用软件组态 在系统硬件和系统软件的基础上 将系统提供的功能块用软件组态的方式连接起来 以达到过程控制的目的 1 直接在DCS上通过工程师站组态 2 通过填写表格进行组态准备工作 3 利用PC机进行组态 应用软件的组态包括 网络组态文件 NCF 组态数据点组态用户画面 格式报表和键定义组态区域数据库和历史数据库组组态控制算法组态特殊控制功能程序的编制 7 6常见集散控制系统简介 经过20多年的努力 我国DCS研究和生产水平有了很大的提高 拥有一批优秀的DCS生产企业 介绍国内外几个典型的系统 和利时的HOLLiAS MACS系统SunyPCC800小型集散控制系统美国Honywell公司的TDC3000 1 和利时的HOLLiAS MACS系统 和利时自动化工程公司于1992年自主开发设计成功HS DCS 1000系统 在此基础上1995年底推出了升级版本HS2000集散控制系统 该系统应用于我国石油化工 电力 玻璃 水泥 制药和冶金等工业控制系统 得到我国广大用户的认可和支持 该系统不但用于普通工业装置的数据采集和实时检测 而且更多地应用于复杂的实时控制 在此基础上 采用成熟的先进控制算法 推出了第四代DCS系统HOLLiAS MACS系统 HOLLiAS MACS系统的体系结构 和利时公司在成功地开发并应用了HS DCS 1000系统和HS2000系统之后 在系统地总结了各行业用户的意见和建议 充分调查了计算机技术 网络技术 应用软件技术 信号处理技术等最新发展动态的情况下 基于当今最先进的技术 采用成熟的先进控制算法 推出了公司的第四代DCS系统HOLLiAS MACS系统 该系统是一个完善 经济 可靠的控制系统 基于Profibus现场总线技术设计 分布式数据库 属于C S的体系结构 集成的OPC技术 支持超过100家众多的厂家的典型优秀的应用 采用成熟的先进控制算法 对控制系统实现计算机监控 并且集成了DMS系统 RealMIS系统 ERP系统 SCM和CRM系统等 可在智能现场仪表设备 控制系统 企业资源管理系统之间进行无缝信息流传送 轻易实现工厂智能化 管控一体化 为工厂自动控制和企业管理提供全面的解决方案 目前已成功应用在300MW火力发电机组的全功能控制和秦山核电600MW机组等工程项目 HOLLiAS MACS系统的体系结构 HOLLiAS MACS系统是由以太网和使用现场总线技术的控制网络连接的各工程师站 操作员站 现场控制站 通讯控制站 打印服务站 数据服务器组成的综合自动化系统 完成大型 中型分布式控制系统 DCS 大型数据采集监控系统 SCADA 功能 HOLLiAS MACS系统硬件由工程师站 操作站 现场控制站 包括主控单元设备和I O单元设备 通讯控制站 打印服务站 系统服务器 系统网络 控制网络等组成 HOLLiAS MACS系统软件包括 ConMaker控制器软件 ConRTS现场控制器运行软件 PlantView人机界面软件 Internet浏览软件 OPC工具包 是系统结构中的一个组成环节是物理上的一套独立设备是网络中的一个通信节点在系统功能中完成某一类特定的处理任务工程师站工程师站采用Windows2000Professional的操作系统 运行相应的组态管理程序 对整个系统进行集中控制和管理 工程师站主要有以下功能 控制策略组态 包括系统硬件设备 数据库 控制算法 人机界面组态 包括图形 报表 和相关系统参数的设置 现场控制站的下装和在线调试 操作员站人机界面的在线修改 在工程师站上运行操作员站实时监控程序后 可以把工程师站作为操作员站使用 HOLLiAS MACS系统中的 站 操作员站操作员站采用Windows2000Professional的操作系统 运行相应的实时监控程序 对整个系统进行监视和控制 操作员站主要完成以下功能 各种监视信息的显示 查询和打印 主要有工艺流程图显示 趋势显示 参数列表显示 报警监视 日志查询 系统设备监视等 通过键盘 鼠标或触摸屏等人机设备 通过命令和参数的修改 实现对系统的人工干预 如在线参数修改 控制调节等 通信站通信站作为SmartPro系统与其他系统的通信接口 可以连接企业的ERP系统 如 和利时的HS2000ERP 和实时信息系统RealMIS 或者接入Internet Intranet Extranet 工厂的各个部门可以掌握更多的生产信息 从而为最终用户提供更多的产品和更好的服务 它不仅提供了对生产过程 人员 设备和资源的管理 还可以帮助用户寻找出现问题的原因和生产过程的瓶颈 HOLLiAS MACS系统的体系结构 现场控制站 正面 现场控制站由主控单元 智能IO单元 电源单元 现场总线和专用机柜等部分组成 采用分布式结构设计 扩展性强 其中主控单元是一台特殊设计的专用控制器 运行工程师站所下装的控制程序 进行工程单位变换 控制运算 并通过监控网络与工程师站和操作员站进行通讯 完成数据交换 智能IO单元完成现场内的数据采集和控制输出 电源单元为主控单元 智能IO单元提供稳定的工作的电源 现场总线为主控单元与智能IO单元之间进行数据交换提供通讯链路 主控单元采用冗余配置 通过现场总线 Profibus DP 与各个智能I O单元进行连接 在主控单元和智能IO单元上 分别固化了相应的板级程序 主控单元的板级程序固化在半导体存储器中 而将实时数据存储在带掉电保护的SRAM中 完全可以满足控制系统可靠性 安全性 实时性要求 而智能IO单元的板级程序同样固化在半导体存储器中 HOLLiAS MACS系统的体系结构 HOLLiAS MACS系统的体系结构 现场控制站 背面 现场控制站是MACS系统实现数据采集和过程控制的前端 主要完成数据采集 工程单位变换 开闭环策略控制算法 过程量的采集和控制输出 系统网络将数据和诊断结果传送到系统监控网 并有完整的表征I O模件及MCU运行状态提示灯 现场控制站由主控单元 智能IO单元 电源单元 现场总线和专用机柜等部分组成 在主控单元和智能IO单元上 分别固化了实时监控 MCU 软件和I O单元运行软件 现场控制站内部采用了分布式的结构 与控制网络相连接的是现场控制站的主控单元 可冗余配置 主控单元通过现场总线 Profibus DP 与各个智能IO单元实现连接 HOLLiAS MACS系统由上下两个网络层次组成 监控网络 SNET 和控制网络 CNET 上层监控网络主要用于工程师站 操作员站和现场控制站的通讯连接 下层控制网络存在于各个现场控制站内部 主要用于主控单元和智能I O单元的通讯连接 监控网络上层监控网络为冗余高速以太网链路 使用五类屏蔽双绞线及光纤将各个通讯节点连接到中心交换机上 该网络中主要的通讯节点有工程师站 操作员站 现场控制站 采用TCP IP通讯协议 不仅可以提供100Mbps的数据连接 还可以连接到Intranet Internet 进行数据共享 监控网络实现了工程师站 操作员站 现场控制站之间的数据通讯 通过监控网络 工程师站可以把控制算法程序下装到现场控制站主控单元上 同时工程师站和操作员站也可以从主控单元上采集实时数据 用于人机界面上数据的显示 控制网络控制网络位于现场控制站内部 主控单元和智能I O单元都连接在Profibus DP现场总线上 采用带屏蔽的双绞铜线 串行总线 进行连接 具有很强的抗干扰能力 该网络中的通讯节点主要有DP主站 主控单元中的FB121模件 和DP从站 智能I O单元 FM系列的输入 输出模件 利用总线技术实现主控单元和过程I O单元间的通讯 以完成实时输入 输出数据和从站设备诊断信息的传送 并且通过添加DP重复器模件 可以实现远距离通讯 或者连接更多的智能I O单元 各个节点用固定分配的IP地址进行标识 为实现监控网络的冗余 网中每个节点的主机都配有两块以太网卡 分别连接到128网段和129网段的交换机上 监控网络的前两位IP地址已作了规定 分别为128 0和129 0 现场控制站主控单元IP地址的后两位已经由程序自动分配好 工程师站 操作员站IP地址的后两位则可以自行定义 一般我们将一个现场控制站里相互冗余的两个主控单元分别成为A机 B机 它们的IP地址设置是通过一个拨码开关来实现的 具体设置如表1 1所示 对于工程师站和操作员站的计算机 我们把它看作同一类计算机 进行统一编号 企业信息化是将信息技术 自动化技术 现代管理技术与制造技术相结合 带动产品设计方法和工具的创新 企业管理模式的创新 企业间协作关系的创新 实现产品设计制造和企业管理的信息化 生产过程控制的智能化 制造装备的数控化 咨询服务的网络化 全面提升企业的市场竞争力 MACS是一个可与企业管理信息系统实现无缝连接的过程控制系统 为用户提供整套的RealMIS系统 安装在企业管理网上 通过OPC从MACS上接收实时数据 提供生产数据的实时显示 报表打印 趋势统计功能 可直接连入HollySys ERP系统 通过服务器和客户机 采用MES系统与美国Wonderware公司的合作 软件的配置实行模块化方式 可根据实际需要配置各种软件 方便用户使用 在统一的系统平台上提供管控一体化解决方案 1 标准的Client Server结构 为了保持操作数据 特别是历史数据 的一致性和保持系统数据的安全性与大容量的要求 MACS系统的操作层采用Client Server结构 双冗余的系统服务器将用来存储系统所有的实时数据 历史数据 操作记录 事件记录 日志记录等 而各种功能的单元如操作站 工程师站 先进控制计算站 分析站 现场控制站等构成不同功能的客户机 真正实现了功能分散 危险分散 集中管理 这种结构 节省了网络资源 使数据传输更为便捷 每一个客户端都可以通过服务器获得实时数据 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 它的关键标志是能支持双向 多节点 总线式的全数字通讯 随着计算机技术 通信技术 集成电路技术 智能传感技术的发展 在工业控制领域产生现场总线技术是一场革命 代表了一种具有突破意义的控制思想 改变传统DCS结构 FCS结构 真正做到 危险分散 控制分散 集中监控 和利公司完全自主知识产权的Profibus DP技术 主站和从站物理层 链路层完全自主开发 为国内第一家 其优点是 可以直接连接其他各大厂商的PLC 如Siemens VIPA GE等 目前已有数十个项目直接受益 可以通过耦合器或连接器方便接入Profibus PA智能变送器或执行器 集中安装或分布安装 仍由用户选择 节省电缆 MACS软件成功与I O设备独立 添加硬件设备极为方便 I O设备变成了标准的可以集成的DCS部件 应用先进的现场总线技术 支持OPC数据处理 基于微软COM DCOM技术的OPC已成为过程控制的接口标准 OPC是为了不同供应厂商的设备和应用程序之间的软件接口标准化 使其数据交换更加简单化的目的而提出的 从而可以向用户提供不依靠于特定开发语言和开发环境的可以任意组合使用的过程控制软件组件产品 HOLLiAS系列产品支持OPC数据接口 有了OPC 与其他厂商的控制系统 与工厂MIS网 ERP系统 PLC之间的数据交换问题迎刃而解 不再需要编制各种特殊的接口程序 减少工程师的维护量 节约投资成本 传统的数据接口需要为不同的设备编写不同的应用软件程序 程序编写复杂 难于维护和修改 OPC是为了不同供应厂商的设备和应用程序之间的软件接口标准化 使不同厂家的设备数据通讯变得简单和易于维护 在企业级管理层采用了冗余的100Mbps以太网 TCP IP协议 可与上级系统通过专网或无线相连 在系统管理层采用了冗余的100Mbps以太网 TCP IP协议 向下通过服务器与控制级网 10 10MBPS的以太网 TCP IP协议 相连 并具备OPC标准接口 通过网关与管理信息系统MIS相连 向上可与企业网 100MBPS以太网 相连 在控制层 采用冗余的10 100Mbps以太网向下通过交换器 集线器与现场控制站主控单元相连 可与其他DCS系统 计算机系统通讯 在现场总线层 采用12MBPS的PROFIBUS DP现场总线与I O模件 FOPLC 893相连 此外 系统还提供标准的RS 485 RS 232 ModBUS通信协议以便同其他智能单元如PLC 智能仪表等连接 MACSSmartPro还支持FF CAN HART等国际标准 开放的网络系统 开放的操作系统系统的控制层采用WINDOWSNT 2000操作系统 并提供ODBC和OPC接口 保证系统软件的开放性和高性能的人机界面要求 系统的控制站采用成熟的实时多任务操作系统以确保控制系统的实时性 安全性和可靠性 RASC主控单元的软件固化在半导体盘中 而实时数据存储在带掉电保护的SRAM中 满足控制系统可靠 安全 实时性要求 Internet接入Internet技术的迅猛发展为全球范围的信息交流提供了基础和企业数据交换的标准平台 HOLLiAS MACS具有WebServer功能 控制系统可提供Internet访问和远程浏览工厂生产过程的功能 如 远程生产报警 远程故障诊断 WebServer功能另客户可以随时随地占有信息 掌握生产情况 开放的硬件结构体系通过GSD文件 我们可以方便的将不同厂商的卡件挂接于MACS主控制器所在的现场总线网络中 实现不同厂商卡件共同使用 该文件中定义了某一卡件的通讯参数和特征 功组态使用和识别该设备 该GSD文件有设备制造厂商提供 GSD文件使各厂家的卡件实现即插即用 2 系统的开放性 标准的组态软件功能SmartPro系统以其开放的系统体系和处理强大的硬件处理能力 以及丰富的软件功能 几乎可以满足所有用户的要求 系统采用IEC61131 3国际标准的控制组态工具 可为用户提供SFC 顺序流程图 FBD 功能块图 LD 梯形图 ST 结构文本 IL 指令语言 和CFC 控制功能模块 等方式进行控制组态 系统还提供方便的用户自定义函数功能块UDFB功能 用户可以根据自己需要采用以上六种面向问题式语言编制自己特殊需要的复杂控制模块并嵌入系统 同时支持用户进行二次开发功能 功能强大的控制组态可实现各种批处理流程 PID回路 复杂回路 逻辑回路 混合回路以及先进控制算法和特殊的配方控制等 丰富的全汉字图形组态 可以实现复杂漂亮的图形界面 支持用户自定义图库和复杂动画技术 各种数据 曲线 棒图 各种仪表盘等的实时显示 报表组态与Excel相互转换 可以支持各种报表和图形打印功能 丰富的历史记录分析和处理 日志记录处理 报警记录的统计报告 事故追忆的统计分析报告等 强大的系统逐级自诊断功能与故障报警功能 控制软件提供方便的系统仿真 无扰下装和数据回读功能在许多控制现场生产工艺过程都是相当危险和需要高可靠控制的 所以这就要求DCS厂家提供的控制系统软件在现场调试的过程中具有强大的功能和可靠 如果在进行现场设备调试之前可以进行模拟仿真调试 这样就可以在实验阶段检查和修改组态中的错误 将动态调试的危险降到最低 HOLLiAS MACS系统提供离线仿真功能 它可以模拟现场情况 程序可脱离控制器单独运行 调试中可设置断点 监视变量 单步执行 单循环执行 跳入执行 调出执行 查看调用栈 显示流控制 强制输出等 HOLLiAS MACS系统提供无扰增量下装功能 数据库以 点 为单位进行下装 控制方案以 页 为单位进行下装 全数据库全部下载到控制器 3 应用的方便性 系统安装的方便性MACS系统采用国际最新的计算机芯片技术 采用德国西门子的SMT表面贴装工艺和多层板结构 实现I O模块的微型化 所有模块采用阻燃塑料外壳 工艺美观 模块信号处理和I O接线由两个分离部件组成 更换模块无需动信号线部件 现场模块供电和网络线在底板上 模块对接即可连接 模块底座部件应用标准导轨卡装 安装极为方便 系统硬件可靠性除在电路设计 器件的选择 单元级冗余设计 网络冗余等方面继承了HS2000系统的所有可靠性措施外 MACS系统还具备 主控单元具有低功耗 无需风扇 小型机架安装 采用微内核高可靠实时操作系统 支持IEC61131 3五种标准组态语言 支持Profibus DP现场总线 可热插拔 支持双路100Mbps以太网等特点 在I O处理单元上采用小模块结构 模拟量8点 开关量16点 在A D处理上采用每路一个A D转换器 使危险进一步分散 4 系统的可靠性 增加了一种控制回路模块 包含4路AI 2路AO 6路DI 2路DO 可实现两路PID控制 串级控制 补偿控制 快速动作回路等 每路信号在接口处都增加了多重过压和过流保护措施 使得各板在大信号干扰下不损坏 每个模块都可以带电拔插 更换方便 模块和底座之间采用欧式针型连接器 保证连接可靠 小模块结构和工业化设计 适应0 C 45 C的工业环境 专为DCS设计的高可靠电源 系统软件可靠性MACS系统采取了大量的措施确保软件可靠性 包括 操作站等采用Windows2000Professional操作系统 控制站则采用QNX以确保控制站的可靠性和实时性 系统提供丰富的自诊断显示信息 网络通信协议和接口驱动程序采用国际标准协议 如TCP IP Profibus等 支持Internet 系统的冗余设计保证了系统的高可靠型冗余操作员站 冗余100M以太网 冗余主控制器 冗余I O模件 冗余电源 4 系统的可靠性 系统的故障监视和转移能力系统能查看到DCS设备故障和冗余模件的主从切换及网络的故障状态 其中任何一个故障事件的发生和恢复 都会有报警日志记录 系统在各个层次上实现了冗余 包括中央服务器 管理网络 系统网络 现场控制站主控单元 I O单元等 与此相适应 在主控单元 各I O模块上都配置了相应的设备诊断功能 以保障故障诊断 无扰切换 故障恢复等动作的正常进行 一旦主机出现故障系统能自动切换至从机 高速的网络体系网络速率为10M 100Mbps现场信号处理 Profibus DP速率可达12Mbps实时响应能力系统响应时间从输入变化到显示该变化时间 采集周期 1s从操作键入到相应输出变化时间 1s事件顺序记录分辨率SOE 1ms回路控制周期最小50ms快速回路控制周期 10ms逻辑控制周期最小5ms屏幕显示时间画面显示完成时间 采样周期1s动态数据更新时间 采样周期1s 5 系统强大的处理能力 强大的硬件处理能力系统服务器可选择高性能的工业计算机或专门的服务器 可选 操作员站和工程师站 CPU采用PentiumIII以上芯片 主频800MHz以上 内存大于128M 硬盘大于20G 显示器分辨率1280 1024工业级IPC 系统图形画面分辨率为1280 1024 或以上 响应时间 1s 数据刷新时间 1s 系统支持多个现场控制站 每个站的处理能力物理I O点达1152点以上 控制回路数量可达256个 控制站主控单元 嵌入式Intel486DX4 100兼容处理器 配有1M静态存贮器 SRAM 各I O信号处理单元全部为智能模件 模入处理 每模件一个A D转换器 16位分辨率 信号处理精度 大信号不大于0 1 小信号不大于0 2 巡检周期可调 最小50ms 模出处理 每路一个12位D A转换器 精度不小于0 2 开关量输入 输出处理 SOE分辨率为1ms 所有开关量输入均带有信号消抖处理 MACS系统在体系结构 硬件性能 软件功能和性能等方面都有很大提高 可以达到当今国际先进水平 在设计该系统时 由于采取了各种措施和最新技术以降低成本 保证使用户在以下方面降低费用 最大限度为用户创造价值 系统每个控制站容量增大 可以减少控制站台数 降低公共费用 系统模块可靠性进一步提高 损坏率降低 各I O模块可以分散安装在现场 节省大部分的信号电缆和施工费用 6 用户的经济性 公司提供多种工业系统的控制方案设计和按行业分专业的软件组态 可以缩短工程周期和费用 系统扩充极其灵活 在系统扩充和修改功能时 投资很少 和利时对自行生产的模块实行保修 维修服务 维护费用低 系统提供强大的专家指导系统及仿真系统献技控制功能等无缝连接 可以方便地实现管控一体化 节省二次投资 完善的用户培训 用户可以全面掌握系统的组态和维护 使系统的可维护性及用户参与性大大提高 数据采集与处理技术 数据采集与处理技术包括信号调理 SignalConditioning 信号转换 SignalConverting 信号处理 SignalProcessing 嵌入式系统技术 嵌入式芯片和微控制器 现场总线与工业网络 嵌入式工业控制软件平台电源技术 AC DC开关电源 均流冗余技术 DC DC隔离电源技术 1路或多路输出 1 核心技术 现场总线是用于过程控制现场仪表与控制室之间的一个标准的 开放的 双向的多站数字通信系统 随着计算机技术 通讯技术 集成电路技术的发展 以全数字式现场总线 FIELDBUS 为代表的互联规范 正在迅猛发展和扩大 由于采用现场总线将使控制系统结构简单 系统安装费用减少并且易于维护 用户可以自由选择不同厂商 不同品牌的现场设备达到最佳的系统集成等一系列的优点 现场总线技术正越来越受到人们的重视 2 支持现场总线的主控制器 在ProfiBus DP现场总线的应用开发中 和利时公司于2001年任国际现场总线基金会常务委员会单位 自主开发给予ProfiBus DP技术的主控制器 各种类型I O卡件等 是国内第一家自主开发主站和从站物理层 链路层产品的系统供应商 采用给予ProfiBus DP现场总线技术的产品后 HOLLiAS MACS系统可以方便的和其他生产厂家的智能仪表通讯和进行数据交换 I O模块可以随用户现场需要集中安装或分散安装 节省大量的电缆费用 可以通过耦合器或连接器方便接入Profibus PA智能变送器或执行器 MACS软件成功与I O设备独立 添加硬件设备极为方便 I O设备变成了标准的可以集成的DCS部件 I O模块的发展趋势 2S智能化 Smarter 不仅是加单片机 支持现场总线 可节省电缆 支持开放协议 易于集成 支持软件设定 免跳线 避免更换模块时误操作 自诊断 便于维护 小型化 Smaller 不仅是减小尺寸 抛弃专用机笼 适合现场安装 一般采用导轨安装方式 模块化 全封闭 小尺寸结构 热插拔 且插拔方便 低功耗 集成更多的功能 3 分布式过程I O 全分布式现场总线智能I O模块每路单独的A D或D A转换器现场与系统电气隔离 部分模块通道间隔离低功耗设计 每个模块自身功耗一般不超过3WAI AO可冗余配置智能化设计 模块支持故障自诊断 软件设置信号量程 所有模块无需跳线导轨安装方式封闭式外壳 IP40防护等级每一个模块均支持Profibus DP从站接口 可以将单个或多个模块分散安装而无需增加通讯接口设备 通过Profibus DP冗余通讯接口模块可以实现Profibus DP远程通讯冗余 支持热插拔 HOLLiAS在全面提供IEC61131 3标准的LD FBD IL ST SFC五种控制编程语言的基础上 还为过程控制领域提供功能更为强大的CFC编程语言 梯形图LD LadderDiagram 梯形图是一种通过继电器与门 或门来表达逻辑状态的最通用的 图形化的编程语言 图形化表示既直观又符合传统的使用方法 使得程序易于阅读理解 便于调试维护 梯形图编程具有广泛的用户群体 功能块图FBD FuntionBlockDiagram 功能强大控制组态软件 功能块图也是一种图形化的控制编程语言 它通过调用函数 功能块来实现程序 程序可以调用标准算法库中多达150种函数和功能块 也可以由用户自己创建自己的用户算法库 这些函数和功能块可以由任意五种编程语言完成 包括功能块图本身 块和块之间用连线建立逻辑联接 连续功能块图CFC ContinueFunctionChart 连续功能块图CFC是对功能块图FBD的扩充 为编程人员提供了更自由 直观的编程方法 功能块可以依据控制方案的可阅性自由排放 适合于大型控制方案的编程 CFC还支持功能块的信号反馈 另外 可以指定控制方案中每个功能块的执行顺序 即方便控制方案实施 同时也为控制方案的跟踪调试提供方便 语句表IL InstructionList 是一种汇编语言风格的程序语言 具有结构紧凑占用内存少 执行效率高的特点 这方面是其他编程语言所无法比拟的 对要求达到 S级 K步的高速逻辑运算的应用场合 IL语言具有明显优势 IL和LD SFC语言为实现DCS的混合控制提供了可能 结构化文本语言ST StructuredText 结构化文本语言是一种高级程序语言 ST语言语法和风格类似PASCAL程序语言 程序设计结构化 灵活而易读 便于对应用程序的维护 常被用于编制用户自定义的函数和功能块 由其他编程语言如FBD LD CFC调用这些函数和功能块 功能强大控制组态软件 顺序功能图SFC SequentialFuntionChart 顺序功能图 是用一系列的 步 Step 执行块 ActionBlock 和 转换 Transition 来完成复杂的运算 SFC非常适合于顺序控制应用领域的设计和控制方案编程 主要用来实现批量控制 SFC支持顺序 并行分支 互斥分支 回路等结构 Batch处理 对于间断性的批量生产过程 MACS除提供SFC顺序功能图外 还提供模块化的Batch软件包 全面解决批量生产的自动化问题 使用灵活的SFC和Batch软件包 可以用不同的控制方法 简单 灵活地解决复杂的批量生产问题 功能强大的控件系统可方便使用第三方控件 用户可通过多种途径获得众多实用的工程控件 方便应用到工程项目中 通过使用自定义控件可将彼此相关的对象 静态数据 动态数据合并为一体 作为单独的对象使用 使用控件可完成 用户定义的弹出式控制器界面 集中参数组态 批量界面组态 批量的设备操作与控制 可将控件保存为专门的库文件 可反复调用 先进丰富的人机界面组态软件 内置InterCode编程接口提供专为工厂自动化监控而设计的简单易用的编程语言InterCode提供功能强大的接口函数无需专业编程经验即可掌握支持多任务 多线程 远程调用可访问系统所有的应用 变量 报警 趋势 图形 控制 操作系统 通讯接口 ConMaker控制组态软件 负责系统控制站控制程序的生成与维护 PlantView人机界面软件 负责系统的在线监控 操作 控制 调试 维护 ConRTS现场控制器运行软件 负责系统控制站控制程序的运行 WebView INTERNET浏览软件 OPCPacket OPC工具包 控制层软件的组成 7 6 2SunyPCC800小型集散控制系统 SunyPCC800集成智能仪表 多功能回路控制器 顺序控制器 可编程控制器功能的小型集散控制系统 具有先进控制策略 图形操作界面和在线实时组态工具 实现工业过程的实时监视 记录 操作 管理 及其连续控制 逻辑控制 顺序控制的综合 实现复杂多样工业自动化构想的新型计算机控制系统 SunyPCC800小型集散控制系统网络结构图 主要特点 1 SmartBus模块总线 网络技术深入到点 为用户定制特殊模块 运用ODBC OPC ActiveX TCP IP技术 界面友好 系统开放 2 基于数字时代的智能化 智能调理 通用输入 适应现场信号的复杂性 在线自校正和自诊断 保证信号精度 3 基于工业时代的可靠性 信号 模板 控制器 网络 电源全隔离 保证极强的抗干扰能力 模板 控制器 电源 网络任意冗余设计 自由配置 4 基于商业时代的经济性 所有信号提供隔离24VDC配电 降低用户配套设备成本 结合行业应用 提供二次开发平台及快捷实用的集成解决方案 先进控制与过程优化策略 充分挖掘企业潜力 创造最大经济效益 网络结构 MicroDCS SunyPCC800小型集散控制系统采用二层网络结构 分别是系统网络SNet 控制网络CNet I O功能模板通过SmartBus连接智能I O调理模块 CNet连接各个功能模板 SNet采用工业以太网 可连接多套控制站 或多台操作站 工程师站 并可无缝连接MIS ERP 7 6 3TDC3000 TDC3000是美国Honywell公司在TDC2000基础上开发而成的开放性分散系统 在世界范围内广泛应用 1 LCN通信网络及模块 1 局部控制网 LCN网 2 万能操作站 US 3 万能工作站 UWS 4 应用模块 AM 5 历史模块 HM 6 存档模件 ARM 2 万能控制网络 UCN 万能控制网络UCN是Honeywell公司1988年推出的新型过程控制和数据采集系统 有先进过程管理站 APM 过程管理站 PM 逻辑管理站 LM 网络接口模件 NIM 及通信系统组成 3 过程管理站 PM 过程管理站是UCN网络的核心设备 主要用于工业控制和数据采集 有很强的控制功能和灵活的组态方式 还有丰富的输入输出功能 提供常规控制 顺序控制 逻辑控制 计算机控制以及结合不同控制的综合控制功能 4 先进过程管理站 APM 先进过程管理站APM是HoneywellTDC3000最新的用于工业控制和数据采集的工具 为监控和控制提供更灵活的I O功能 除PM的功能外 还提供马达控制 顺序控制 事件顺序记录 扩充的批量和连续量过程处理能力以及增强的子系统数据一体化 5 逻辑管理站 LM 逻辑管理站 LM 是用于逻辑控制的现场管理站 LM具有PLC控制的优点 同时LM在UCN网络上可以方便地与系统中各模件进行通信 使DCS与PLC更加有机的结合 并能使其数据集中显示 操作和管理 LM提供逻辑处理 梯形图编程 执行逻辑程序 与LCN UCN中模件进行通信等功能 能构成冗余化结构 TDC3000系统的特点 1 开放性系统2 人机接口功能强化3 过程接口功能广泛4 工程综合管理控制一体化5 可靠性 7 8现场总线技术及其应用 现场总线简介现场总线的发展与趋势现场总线的主要技术特点现场总线的优点计算机控制系统 DCS FCS 1 现场总线简介 现场总线是用于自动化等领域最底层的 具有开放 统一的通信协议的通信网络实现微机化的现场测量控制仪表或设备间的双向串行多节点数字通信现场总线技术现场总线技术把单个分散的仪表或设备变成了网络的节点 现场总线简介 现场总线控制系统FCS以现场总线为纽带 连接分散的现场仪表或设备 使之成为可以相互沟通信息 共同完成自动控制任务的网络系统与控制系统与传统仪表的不同之处现场总线技术的关键使自动控制系统与现场设备具有通信能力连接成网络系统 现场总线简介 现场总线控制系统FCS的核心现场总线的优点适应了工业控制系统向分散化 网络化 智能化方向发展的趋势具有的开放性 数字化 多点通信等功能应用领域不断扩大 2 现场总线的发展与趋势 历史的回顾具备简单测量控制功能的就地式气动仪表气动 电动单元组合式仪表和集中控制室集中式计算机控制系统计算机集散控制系统DCS现场总线的提出 现场总线的发展与趋势 现场总线是企业综合自动化的发展需要企业综合自动化是企业必然的选择与趋势DCS在实施企业综合自动化时的缺陷通信是专用网络的封闭系统 无互换性现场总线的解决方案基于公开化 标准化 遵守同一协议规程的产品具有互换性 可组成在同个系统中 现场总线的发展与趋势 智能仪表为现场总线的出现奠定了基础智能化设备的提出模拟通信式的智能设备模拟 数字混合的智能设备现场总线的出现现场总线标准化的现状 3 现场总线系统的技术特点 系统的开放性互可操作性与互换性现场设备的智能化与功能自治性系统结构的高度分散性对现场环境的适应性 4 现场总线系统的优点 节省硬件数量与投资节省安装费用节省维护开销用户具有高度的系统集成主动权提高了系统的准确性与可靠性提高了系统的可控性和可维护性 5 现场总线与计算机控制系统 DCS 现场设备现场总线技术将基本控制功能已完全下放到现场现场控制系统FCSFCS未来的趋势 6 现场总线标准化组织及标准 国际电工委员会 IEC 和美国仪表协会 ISA IEC ISA标准现场总线基金会 简称FF 采用IEC ISA标准 未定义的采用自己的FF协议欧洲智能化作用和测量用户集团 EIAMUG 现场总线标准化组织及标准 LonWorks LocalOperatingNetwork 局部操作网络 Profibus ProcessFieldBus 过程现场总线 HART HighwayAddressableRemoteTransducer 可寻址远程传感器数据通路 CAN ControllerAreaNetwork 控制器局域网 现场总线标准 现场总线的七层模型现场总线物理层标准简介现场总线其他层次协议简介 1 现场总线的七层模型 ISO OSI七层参考模型物理层 PhysicalLayer 数据链路层 DataLinkLayer 网络层 NetworkLayer 传输层 TransportLayer 会话层 SessionLayer 表示层 PresentationLayer 应用层 ApplicationLayer 2 现场总线物理层标准简介 IEC定义的现场总线物理层标准传输线媒介媒介的主要区别物理层提供选择现场总线是一种实时网络现场总线物理层的作用是实现最终的信号收发 现场总线物理层标准简介 物理层的编码方法曼彻斯特 Manchester 编码方法本层的控制信号为 前导码 帧前定界码 帧结束码前导码帧前定界码帧结束码现场总线分为高速和低速两类规范 现场总线其他层次协议简介 数据链路层 DLL 负责总线控制权的获取 出错检查 出错恢复以及仲裁 规划 消息装帧等链接活动调度器 Linkactivescheduler LAS 允许一个网络上有三种功能类型的设备存在基本设备桥链接主机 3 现场总线其他层次协议简介 应用层 ApplicationLayer 负责与用户层的交互并负责对消息内的命令的解释 应用层取得数据并决定它们的组织和意义定义了每个消息的内容和支持它们的服务 定义了消息中的每一个比特应用层还完成地址的自动分配用户层定义了数据的类型以及如何使用这些数据 几类有影响的现场总线 基金会现场总线 FF LonWork技术和LON总线简介HART通信协议简介CAN总线简介Profibus总线简介InterBus S总线简介 1 基金会现场总线 FF 概述FF的层次取ISO OSI模型中的物理层 数据链路层 应用层 并在应用层上增加了用户层新增用户层的主要功能定义信息存取的统一规则 采用设备描述语言规定通用的功能模块集 基金会现场总线FF的特点 FF在功能 环境与技术上的专门设计FF是开放 数字式与多节点的通信技术FF系统是一种全分布式自动化系统FF系统又是一种低带宽的通信网络作为工厂底层网络 相对一般广域网 局域网 FF是一种低速网段 新型的网络集成自动化系统 作为网络节点的智能仪表具备通信接收 发送与通信控制的能力通过节点间的信息传输 连接 由各分布节点的功能集成而共同完成各项自动化功能网络集成自动化系统的目的 FF的主要技术 基金会现场总线的通信技术标准化功能块 FB FunctionBlock 与功能块应用进程 FBAP FunctionBlockApplicationProcess 设备描述 DD DeviceDescription 与设备描述语言 DDL DeviceDescriptionLanguage FF的主要技术 现场总线通信控制器与智能仪表或工业控制计算机之间的接口技术系统集成技术包括通信系统与控制系统的集成系统测试技术包括通信系统的一致性与可互操作性测试技术 总线监听分析技术 系统的功能与性能测试技术 FF通讯模型的组成及相互关系 FF通讯四层模型物理层 数据链路层 应用层和用户层总线访问子层与总线报文规范子层FF通讯三层模型物理层 通讯栈 用户层 通信模型 通信参考模型 参见教材表11 3 在物理设备中要完成的功能通信实体系统管理内核功能块应用进程各部分之间通过总线访问子层提供的服务 虚拟通信关系VCR沟通信息 通信实体 由各层协议与网络管理代理共同组成任务是生成报文与提供报文传送服务层协议的基本目标是要构成虚拟通信关系支持组态管理 运行管理 出错管理的功能网络管理信息库NMIB NetworkManagementInformationBases 对象字典OD ObjectDictionary 系统管理内核SMK 主要负责与网络系统相关的管理任务确立本设备在网段中的位置协调与网络上其他设备的动作和功能块执行时间等系统管理内核SMK包括现场总线系统的关键结构和可操作参数 功能块应用进程FBAP 主要用于实现用户所需要的各种功能应用进程AP原来用以描述留驻在设备内的分布式应用在此指设备内部实现一组相关功能的整体功能块对象字典OD设备描述DD FF协议数据的构成与层次 现场总线协议数据的生成示意图 应用进程及其网络可视部分 应用进程 AP 现场总线应用进程结构应用进程索引对象字典网络可视对象应用层接口 FF网络通信中的虚拟通信关系 虚拟通信关系虚拟通信关系的类型客户 服务器型由用户发起的 一对一的 排队式 非周期报告分发型也由用户发起但是一对多 排队式 非周期的发布 预订接收型实现缓冲型一对多通信 FF的信息编码 FF的信息编码组成前导码帧前定界码协议报文编码帧结束码 FF的信息编码 FF现场总线的几种编码波形 FF的网络拓扑结构 低速总线H1传输速率为31 25kpbs支持点对点连接 总线型 菊花链型 树型拓朴结构高速总线H2传输速度为1Mpbs和2 5Mpbs只支持总线型拓朴结构FF还支持桥接网 FF的网络拓扑结构 基金会现场总线的拓扑结构 2 Lonworks技术和LON总线 LonWorks技术概述为Lon LocalOperatingNetworks局部操作网络 总线提供了一套包含所有设计 配置和支持控制网元素的完整的开发平台面向对象的设计方法LON现场控制网络 LonWorks技术的组成 LonWorks节点和路由器LonTalk协议LonWorks收发器网络开发工具 LonBuilder 和节点开发工具 NodeBuilder LonWorks的现场控制网络节点 一个典型的现场控制网络节点包括应用CPUI O处理单元通信处理器收发器和电源对于MC143150可以外扩16 58KEPROM或ROM LON总线的特别之处 路由器是其他现场总线所不具备的LonWorks技术中 路由器包括以下几种 中继器 桥接器 路由器总线可以不受通信介质 通信距离 通信速率的限制网络管理工具网络管理的主要功能有