过程控制与自动化仪表（第3版）-杨延西、潘永湘、赵跃配套资料教学教案课件
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过程控制与自动化仪表（第3版）-杨延西、潘永湘、赵跃配套资料教学教案课件,过程,控制,自动化,仪表,杨延西,潘永湘,配套,资料,教学,教案,课件
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第9章 基于网络的过程计算机 控制系统,本章主要内容,4、现场总线控制系统(FCS,2、计算机网络控制技术概述,3、集散控制系统（DCS,1、计算机工业网络基础,总体结构（一个用于工业控制领域的通信系统示意图,一、计算机工业网络基础,网络的三大功能： （l）数据传送 （2）资源共享 （3）提高计算机的可靠性和可用性,网络的类型 通信网络的类型可以按不同的标准进行划分，按网络范围和计算机之间互连的距离可分为广域网（WAN）和局域网（LAN）两种,一、计算机工业网络基础,网络拓扑结构,1星形结构,星形结构的特点： （1）结构简单，便于管理。 （2）控制简单，建网容易，通信功能简单。 （3）网络延迟时间小，传输误差较低,一、计算机工业网络基础,网络拓扑结构,2环形结构,环形结构的特点： （1）在环路上，每个节点的地位是相同的，每个节点都可以获得网络的控制权。 （2）不需要进行路径选择，控制比较简单，意味在环形结构中，信息从源地址到目的地的路径只有一条。 （3）传输信息的延迟时间固定，有利于实时控制,一、计算机工业网络基础,网络拓扑结构,3总线形结构,总线形结构的特点： （l） 较好的扩充性，网络上节点的增删容易，网络大小可通过转接部件延伸和扩展。 （2）不需要中央控制器，有利于分布控制，可靠性高。 （3）由于多台设备共用一条通信线，所以信道利用率较高,一、计算机工业网络基础,网络拓扑结构,4树线形结构,树线形结构的特点： 树形结构是分层结构，适用于分级管理和分级控制系统。与星形结构相比，由于通信线路总长度较短，故它连网成本低，易于维护和扩展，但结构较星形结构复杂,一、计算机工业网络基础,网络传输介质,传输介质又称传输媒体，是通信系统中接收方与发送方之间的物理通道，起了设备互连和传播信息的作用。传输介质可分为两大类：有线介质（如双绞线、同轴电缆、光纤等）和无线介质（如卫星通信、红外通信、微波通信的载体,网络访问控制,信息访问控制有：查询、令牌环、令牌总线、CSMACD、信息槽等,信息交换技术,信息交换技术是计算机网络实现技术中十分重要和基本的内容，它分为两类：线路交换与存储转发交换。存储转发交换中又分为两种：报文存储转发交换与报文分组存储转发交换,一、计算机工业网络基础,网络协议及其层次结构,在通信网络中，对所有的节点来说，它们都要共享网络中的资源或相互之间要进行信息交换，但由于连接到网上的计算机或设备可能出自不同的生产厂家，型号也不尽相同，再加上软硬件的差异，这些都给节点之间的通信带来了困难。 因此在通信网络中所有“成员”必须遵循某种相互都能接受的一组规则，以便实现彼此的通信和资源共享。这些规则的集合称为网络协议。在计算机网络中各终端用户之间，用户与资源之间或资源与资源之间的对话与合作必须按照预先规定的协议进行,一、计算机工业网络基础,网络协议及其层次结构,利用分层方法，可以容易地实现网际联网、网络配置间的连接。为了实现计算机系统之间的互连，1977年国际标准化组织（ISO）提出了开放系统互连参考模型OSI（Open System InterconnectionReference Model）。这个网络层次结构模型规定了七个功能层，每层都使用它自己的协议,一、计算机工业网络基础,网络互连,网络互连是指采用网络互连设备将同一类型的网络或不同类型的网络及其产品相互连接起来组成地理覆盖范围更大，功能更强的网络,网络互连常用设备有： 中继器、网桥、路由器、网关,中继器是网络物理层的一种介质连接设备，是延长网络距离的最简 单、最廉价的互连设备,网桥同类型网络之间的互连设备,一、计算机工业网络基础,路由器属于OSI网络层的一种互连设备，对应于网络层进行数据分组转发，用路由器连接的网络可以使用在数据链路层和物理层互不相同的协议。下面为路由器工作原理,一、计算机工业网络基础,网关又称为网间连接器，能使不同类型（异种网络操作系统）的网络连接在一起,下图是网关连接示意图,1、典型控制网络体系结构,工业控制网络的基本层次,二、计算机网络控制技术概述,信息层 控制系统的最上层 通信的主要特点：通信数据量大，通信的发生较为集中，要求有高速链路支持，对实时性要求不高 通信范围从车间级到全厂级甚至因特网范围，与数据库技术、互联网技术、数据分析和处理技术紧密关联 可连接的设备包括控制器、PC、操作员站、高速I/O、其它局域网设备，通过网关设备可以连接入因特网,控制层 处于控制的中间层次 连接不同的可编程设备、控制器、人机终端等，通过网关设备与信息层相连，很多应用实时性要求较高，包括I/O的实时刷新、互锁信息和控制器等之间报文的报文传递等 通信特点是要求有较高的网络速率，实时性要求高的情况下要求通信是确定的、可重复的,设备层 控制网络的最底层 面向大量的现场设备，包括离散型的I/O（光电传感器、接近开关等），温度变送器、流量计等较为复杂的设备，通过扫描器或网关设备将数据传送到控制层 通信特点是速度要求不一定很高，有一定的智能和容错能力，要求网络节点设备的经济性、智能化，设备添加/删除简单方便，故障诊断和纠错容易，适应现场的不同恶劣条件,二、计算机网络控制技术概述,2、控制网络的特点 从技术上讲，控制网络有以下一些技术特点： (1)要求有高实时性和良好的时间确定性； (2)传送的信息多为短帧信息，且信息交换频繁； (3)容错能力强，可靠性、安全性好； (4)控制网络协议简单实用，工作效率高； (5)控制网络结构具有高度分散性； (6)控制设备的智能化与控制功能的自治性； (7)与信息网络之间有高效的通信，易于实现与信息网络的集成,二、计算机网络控制技术概述,3.控制网络与信息网络的区别 控制网络和信息网络有以下四点区别： (1)控制网络中数据传输的及时性和系统响应的实时性是控制系统最基本的要求。 (2)控制网络强调在恶劣环境下数据传输的完整性、可靠性。 (3)在企业自动化系统中，分散的单一用户必须借助控制网络进入系统，所以通信方式多使用广播和组播方式，在信息网络中某个自主系统与另外一个自主系统一般都建立一对一的通信方式。 (4)控制网络必须解决多家公司产品和系统在同一网络中相互兼容问题，即互操作性问题,二、计算机网络控制技术概述,4.控制网络的类型及其相互关系,三、集散控制系统（DCS,设计原则,采用分散控制和集中管理的设计思想、分而自治和综合协调的设计原则，并采用层次化的体系结构,所谓分散控制是用多台微型计算机，分散应用于生产过程控制; 所谓集中管理是用通信网络技术把多台计算机构成网络系统,分散控制系统是纵向分层、横向分散的大型综合控制系统。 见下图,1.集散控制系统,三、集散控制系统（DCS,三、集散控制系统（DCS,2.集散控制系统（DCS）的特点,分散性和集中性 自治性和协调性 灵活性和扩展性 先进性和继承性 可靠性和适应性 友好性和新颖性,三、集散控制系统（DCS,3.集散控制系统（DCS）的体系结构,主要有三代产品,第一代DCS的基本结构,其基本结构由监控机、操作站、数据采集装置、过程控制单元及高速数据通道等5部分组成,三、集散控制系统（DCS,3.集散控制系统（DCS）的体系结构,第二代DCS的基本结构,组成： (1)局部网络 (LAN) ； (2)节点工作站，即指过样控制单(PCU)； (3)中央操作站，它是挂接在LAN上的节点工作站，负责对全系统的信息进行综合管理，是系统的主操作站； (4)系统管理站，又称为系统管理模块； (5)主计算机，也称管理计算机； (6)网关(GateWay,三、集散控制系统（DCS,3.集散控制系统（DCS）的体系结构,第三代DCS的基本结构,第一、二代DCS基本上为封闭系统，不同系统之间无法互连，第三代DCS局域网(LAN)遵循开放系统互连参考模型的7层通信协议,符合国际标准，比较容易构成信息集成系统,三、集散控制系统（DCS,3.集散控制系统（DCS）的体系结构,第四代DCS的基本结构,DCS发展第三代，尽管采用了一系列新技术，但是生产现场层仍然没有摆脱沿用了几十年的常规模拟仪表。电子信息技术的开放潮流和现场总线技术的成熟与应用，造就了新一代DCS。将控制器的软功能模块分散地分布在各台现场数字仪表中，并统一组态构成控制回路，实现彻底的分散控制。其核心是现场总线,三、集散控制系统（DCS,电厂DCS实例,三、集散控制系统（DCS,电厂DCS实例,三、集散控制系统（DCS,电厂DCS实例,三、集散控制系统（DCS,电厂DCS实例,4.集散控制系统的发展趋势,在过去三十年中，集散控制系统已经经历了四代的变迁，系统功能不断完善，可靠性不断提高，开放性不断增强。目前，集散控制系统的发展主要体现在以下几个方面,1）集散控制系统的网络结构 随着网络技术的不断发展，集散控制系统的上层将于Internet融合在一起，而下层将采用现场总线通信技术，使通信网络延伸到现场，最终实现以现场总线为基础的底层网Infranet、以局域网为基础为企业网Intranet和以广域网为基础的互联网Internet所构成的三网融合的网络结构,4.集散控制系统的发展趋势,2）人机接口技术 工业图形显示系统是最常用的人机接口设备之一，现正向着高速度、高密度、多画面、多窗口和大屏幕的方向发展。 工业图形显示系统的硬件趋向于采用专用器件，以达到更高的响应速度。 新型工业图形显示系统具有多窗口功能，可从多个帧存储器中随意切出几部分画面，很方便地组合在一起，以多窗口方式显示出来；此外，还具有多层重合画面功能，可将几个画面重合在一起，按其优先顺序，以透过或非透过方式显示。 大屏幕显示装置已进入实用阶段。 多媒体技术将在人机接口设备中发挥越来越重要的作用。语音信息、图像信息将为操作人员提供良好的“视听功能,4.集散控制系统的发展趋势,3）标准化、通用化技术 集散控制系统的另一个重要的发展方向是大量采用标准化和通用化技术。集散控制系统的硬件平台、软件平台、组态方式、通信协议、数据库等各方面都采用标准化和通用化技术。例如，现在许多集散控制系统的厂商都推出了基于PC和Windows/UNIX平台的操作员站。这不仅降低了系统造价，提供了更完善的系统功能，而且便于运行人员学习并掌握使用方法。另外，许多系统都采用了OPC（OLE for Process）技术，使各种不同厂商的产品之间能十分方便的交换信息,4）人工智能技术 未来的集散控制系统中，将逐渐采取人工智能研究成果，如智能报警系统IMARK。模式控制系统正走向实用阶段,4.集散控制系统的发展趋势,5）厂级监控信息系统 近年来，以经济控制为目标的发电厂厂级监控信息系统SIS（Supervisory Information System）成为研究的热点，并在新建电厂得以应用。监督控制的目的是在一定的约束条件下，求出一组能够使生产过程的目标取得极值的最优操作变量。从工程应用角度来看，SIS主要包括五个功能：生产过程的监控、经济信息的管理和生产成本的在线计算、竞价上网报价系统、经济分析和最优控制,5.集散控制系统的设计实例,储液罐液位流量串级控制系统，其任务是将储液罐中的液体保持在一定的液位，然后将液体稳定的送给下一道工序,选取储液罐流出流量为调节参数。但是由于储液罐的容量滞后较大，干扰因素也较多，单回路控制系统不能满足工艺对储液罐液位的要求。为此，可以选择滞后较小的输出流量作为副参数，构成储液罐液位对储液罐流出流量的串级控制系统，利用副回路的快速作用，有效提高控制质量，从而满足工艺要求,5.集散控制系统的设计实例,1）首先创建泵MTR-203，通过DeltaV Explore，从Library中将MTR-11模块拖放至PLANT_AREA_B，重命名为MTR-203，启动Control Studio，按照表1所示修改模块。然后分配控制器，保存控制模块,5.集散控制系统的设计实例,2）创建副回路流量控制模块如图3所示。具体为通过 DeltaV Explorer 界面，把位于Module Template的AnalogControl类别中的CASCADE_MASTER模板拖放到PLANT_AREA_B，控制功能块和参数如图4所示。注意：IO_IN 和 IO_OUT不占用 DST。IO_IN将来源于FLOWSIM的PV，IO_OUT将输出到FLOWSIM的VO端口。接着展开CASCADE_MAS_1，选择CASCADE_SLAVE1，把该模块功能块重命名为FIC-20X，如图5所示。然后在Control Studio修改相应模块参数与属性，分配控制器，保存并下装,5.集散控制系统的设计实例,5.集散控制系统的设计实例,3）创建主回路流量控制模块如图6所示。具体为通过 DeltaV Explorer 界面，把位于Module Template的AnalogControl类别中的CASCADE_MASTER模板拖放到PLANT_AREA_B，把该模块功能块重命名为LIC-20X，控制功能块和参数如图7所示。然后在Control Studio修改相应模块参数与属性，分配控制器，保存并下装。至此就完成了储液罐液位流量串级控制系统在DeltaV中的控制系统组态,5.集散控制系统的设计实例,4）完成上述控制系统组态后，通过DeltaV的图形组态软件，进行串级控制系统操作界面的组态，如图8所示。使组态能够实现在运行时，实时查看运行过程的历史趋势曲线，如图9所示。 完成上述工作后，需要将编译好的工程生成下载文件，进行下装。下装包括下装控制器、下装数据库和下装操作员站。最后，进行了在线测试,四、现场总线控制系统(FCS,1.现场总线,现场总线(Fieldbus)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,现场总线控制系统(Fieldbus Control System，FCS)是一种以现场总线为基础的分布式网络自动化系统，它既是现场通信网络系统，也是现场自动化系统,2.现场总线的优点 一对N结构 可靠性高 可控状态 互可操作性与互换性 系统结构的高度分散性 系统的开放性,四、现场总线控制系统(FCS,3.现场总线对自动化领域的变革 现场总线对当今的自动化领域带来的变革是： 用一对通信线连接多台数字仪表取代一对信号线只能连接一台仪表； 用多变量、双向、数字通信方式取代单变量、单向、模拟传输方式； 用多功能的现场数字仪表取代单功能的现场模拟仪表； 用分散式的虚拟控制站代替集中式的控制站； 用现场总线控制系统FCS代替传统的分散控制系统DCS； 变革传统的信号标准、通信标准和系统标准； 变革传统的自动化系统体系结构、设计方法和安装调试方法,四、现场总线控制系统(FCS,4.FCS对 DCS的变革 FCS的信号传输实现了全数字化，从最底层的传感器和执行器就采用现场总线网络，逐层向上直至最高层均为通信网络互连。 FCS的系统结构为全分散式，它废弃了DCS的输入/输出单元和控制站，由现场设备或现场仪表取而代之，即把DCS控制站的功能化整为零，分散地分配给现场仪表，从而构成虚拟控制站，实现彻底的分散控制。 FCS的现场设备具有互操作性，彻底改变传统DCS控制层的封闭性和专用性，使不同厂商的现场设备既可互连也可互换，还可统一组态。 FCS的通信网络为开放式互连网络，用户可非常方便地共享网络数据库，使同层网络可以互连，也可以使不同网络互连。 FCS的技术和标准实现了全开放，无专利许可要求，可供任何人使用,四、现场总线控制系统(FCS,5.现场总线的特点,系统的分散性 系统的开放性 产品的互操作性 环境的适应性 使用的经济性 维护的简易性 系统的可靠性,1、FF总线（Fieldbus Foundation） FF（现场总线基金会）是国际公认的唯一不附属于某企业的公正非商业化的国际标准化组织，其宗旨是制定统一的现场总线国际标准，无专利许可要求，可供任何人使用 FF总线由低速FF_H1和高速FF_HSE组成，其协议规范建立在OSI参考模型之上,四、现场总线控制系统(FCS,6.几种有影响的现场总线,1、FF,FF_H1：以OSI参考模型为基础的四层结构模型，采用令牌总线介质访问技术，用于工业生产现场设备连接 FF_HSE：采用基于Ethernet(IEEE 802.3)+TCP/IP的六层结构，主要用于制造业（离散控制）自动化以及逻辑控制、批处理和高级控制等场合,2、 LonWorks,LonWorks现场总线（Local Operating Networks） LonWorks是1991年美国Echelon公司推出的通用总线，它提供了完整的端到端的控制系统解决方案，可同时应用在装置级、设备级、工厂级等任何一层总线中，并提供实现开放性互操作控制系统所需的所有组件，使控制网络可以方便地与现有的数据网络实现无缝集成,2、LonWorks,LonTalk通信协议是LonWorks技术的核心，它提供了OSI参考模型的全部7层服务，并固化于Neuron芯片,3、CAN,CAN总线（Controller Area Network） CAN是德国Bosch公司从20世纪初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议，1993年11月国际标准化组织ISO正式颁布了关于CAN总线的ISO11898标准，目前CAN得到了Motorola、Intel、Philips、Siemens、NEC等公司的支持，已广泛应用在离散控制领域,3、CAN,CAN总线的网络结构 CAN总线也是建立在ISO参考模型基础上的，不过只采用了其中最关键的两层，即物理层和数据链路层,4、Modbus,Modbus协议 Modbus是一种工业通信和分布式控制系统协议，由美国Modicon公司出品。Modbus是一种主从网络，允许一个主计算机和一个或多个从机通信，以完成编程、数据传送、程序上装/下装及其主机操作 Modbus通讯主要采用RS232，RS485等其它通讯媒介，它为用户提供了一种开放、灵活和标准的通讯技术，降低了开发和维护成
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