第9章_计算机过程控制系统-过程控制与自动化仪表-潘永湘

1、 第第9 9章章 基于网络的过程计算机基于网络的过程计算机 控制系统控制系统 1 1）了解了解集散控制系统基本结构、内涵和特点；集散控制系统基本结构、内涵和特点； 2 2）熟悉熟悉现场控制单元的硬件结构形式及功能；现场控制单元的硬件结构形式及功能； 3 3）熟悉熟悉集散控制系统的网络结构和通信协议；集散控制系统的网络结构和通信协议； 4 4）掌握掌握控制算法的组态方法；控制算法的组态方法； 5 5）了解了解现场总线控制系统的基本概念和特点；现场总线控制系统的基本概念和特点； 6 6）熟悉熟悉常见的几种现场总线及其通信模型；常见的几种现场总线及其通信模型； 7 7）掌握掌握现场总线控制系统的设计

2、方法。现场总线控制系统的设计方法。 问题：问题： 1）系统主机过于庞大，一旦出现故障，影响全局，可靠性差；）系统主机过于庞大，一旦出现故障，影响全局，可靠性差； 2）同一台计算机完成多种不同的任务，工作效率低；）同一台计算机完成多种不同的任务，工作效率低； 3）信息源（检测点）和执行器距离主机远，传输信息的线路费用高；）信息源（检测点）和执行器距离主机远，传输信息的线路费用高； 4）缺乏灵活性与可扩展性。）缺乏灵活性与可扩展性。 1 1 、集中型过程计算机控制系统。、集中型过程计算机控制系统。 2 、分散型过程计算机、分散型过程计算机 控制系统。控制系统。 3、 集散型过程计算机集散型过程计算

3、机 控制系统控制系统 集散控制系统的集散控制系统的 基本结构由分散控基本结构由分散控 制装置、集中操作制装置、集中操作 与管理系统和通信与管理系统和通信 系统三部分组成。系统三部分组成。 （1 1）数据采集功能数据采集功能。 （2 2）监视操作功能。监视操作功能。 （3 3）过程控制功能。过程控制功能。 （1 1）功能分散功能分散 1）分散负荷 2）分散显示 3）分散数据库 4）分散通信 5）分散供电 （2 2）信息综合与集中管理信息综合与集中管理 （3 3）局域网通信技术局域网通信技术 （4 4）高可靠性高可靠性 （5 5）构成灵活与扩展方便构成灵活与扩展方便 （6 6）采用面向过程的语言，

4、采用面向过程的语言， 操作使用简单方便操作使用简单方便 过程控制单元的功能图过程控制单元的功能图 （1 1）按集散控制系统的发展历程划分）按集散控制系统的发展历程划分 第一代智能控制系统。第一代智能控制系统。第二代智能控制系统。第二代智能控制系统。 第三代智能控制系统。第三代智能控制系统。 （2 2）按集散控制系统的规模划分）按集散控制系统的规模划分 小型集散控制系统小型集散控制系统。 ULFUULFU通信接口单元通信接口单元 UFCHUFCH现场控现场控 制单元制单元 UFMHUFMH现场监视单元现场监视单元 CNNCNN信号变换器信号变换器 YSYS8080数字调节器数字调节器 ULDUU

5、LDU盘装盘装 式仪表式仪表 中型集散控制系统。中型集散控制系统。 MOPS，MOPL操作站；操作站； PLC可编程控制器；可编程控制器； SC信号变换器；信号变换器； MEXUIO扩展单元；扩展单元； MFCD现场控制单元；现场控制单元； 大型集散控制系统。大型集散控制系统。 AIWSAIWS人工智能站人工智能站,ECMP,ECMP计算机计算机,ENGS-,ENGS-工程师工程师 站站, EOPS, EOPS中央操作站中央操作站, PRIN, PRIN打印打印 机机,COPY,COPY拷贝机拷贝机,COPYSY,COPYSY局部操作站局部操作站, , CFCSZCFCSZPFCSPFCS现场

6、控制站现场控制站,CFCD,CFCDEFCDEFCD双重双重 化控制站化控制站, YEWCOM, YEWCOM90009000管理计算机管理计算机, CFMSZ, CFMSZ CFCDICFCDI现场监视站现场监视站 CFBSZCFBSZ高分散控制站高分散控制站 9.1.2.1 9.1.2.1 过程控制级过程控制级 集散控制系统结构自下而上可分为过程控制级、过程管理级、集散控制系统结构自下而上可分为过程控制级、过程管理级、 生产管理级和经营管理级。生产管理级和经营管理级。 1.1.过程控制单元（过程控制单元（PCUPCU）的硬件结构）的硬件结构 （1 1）基于微型机的硬件结构。）基于微型机的硬

7、件结构。 （2）IO与通用卡硬件结构。与通用卡硬件结构。 （3 3）串行通信总线）串行通信总线+ +模件结构。模件结构。（4 4）节点工作站结构。）节点工作站结构。 （5 5）过程控制单元的主要功能：）过程控制单元的主要功能： 反馈控制功能；反馈控制功能；顺序控制功顺序控制功 能；能； 批量控制功能；批量控制功能；数据采集与数据采集与 处理功能；处理功能； 数据通讯功能；数据通讯功能；本地操作与本地操作与 监视功能。监视功能。 2.2.过程接口单元（过程接口单元（PIU)PIU)的硬件结构的硬件结构 在工业生产过程控制中，将完成非控制变量的采集或直接输出的装在工业生产过程控制中，将完成非控制变

8、量的采集或直接输出的装 置称为过程接口单元（置称为过程接口单元（PIUPIU），过程接口单元按输入信号的种类、采集速），过程接口单元按输入信号的种类、采集速 度的大小与使用的现场将其分为三类：度的大小与使用的现场将其分为三类：HLPIU HLPIU ， LLPIU LLPIU ，LEPIU LEPIU 。上述。上述 三种类型的通用部分通用卡文件夹（三种类型的通用部分通用卡文件夹（CCFACCFA）结构如下：）结构如下： 9.1.2.2 9.1.2.2 过程管理级：过程管理级： 集散控制系统的过程管理级是为实现集中操作和统一管理而设置的。 其主要设备有操作站和通信设备等。操作站是由通信电缆将分散

9、于生产现 场的过程控制单元（PCU）、过程输入/输出单元（PIU）连接而成，可分 为操作员级和工程师级。 操作站结构框图操作站结构框图 的 的CRTCRT操作员级画面调用示例图操作员级画面调用示例图 XL 9.1.2.3 9.1.2.3 生产管理与经营管理级生产管理与经营管理级 集散控制系统的过程控制级和过程管理级实现了生产装置或生产过程的集散控制系统的过程控制级和过程管理级实现了生产装置或生产过程的 集中操作和分散优化控制，而生产管理和经营管理级则对整个企业的生产和集中操作和分散优化控制，而生产管理和经营管理级则对整个企业的生产和 经营实现最优化管理。经营实现最优化管理。 TDCS-3000

10、TDCS-3000系统构成框图系统构成框图 LCNLCN为局部控制网络为局部控制网络; ; USUS为通用操作站为通用操作站; ; CGCG、HGHG、PGPG、UGUG为为 通信网络连接器通信网络连接器; ; CMCM为计算模件为计算模件; ; BCBC为基本控制器为基本控制器; ; RBCRBC为备用基本控制器为备用基本控制器; ; RCDRCD为备用控制器指挥器为备用控制器指挥器; ; AMAM为应用模件为应用模件; ; MCMC为多功能控制器为多功能控制器; ; HMHM为历史模件为历史模件; ; RMCRMC为备用多功能控制器为备用多功能控制器; ; RMCDRMCD为备用多功能控制

11、器指挥器为备用多功能控制器指挥器; ; PIUPIU为过程接口单元为过程接口单元; ; LOSLOS为局部操作站。为局部操作站。 集散控制系统的通信网络一般采用两种基本形式，即主从形式集散控制系统的通信网络一般采用两种基本形式，即主从形式 和同等同等形式。和同等同等形式。 集散控制系统的通信网络主要由两部分组成，即传输电缆（或其他媒介） 和接口设备。传输电缆有同轴电缆、双股电缆、屏蔽双绞线、光缆等；接口 设备通常称为键路接口单元，或称调制解调器、网络适配器等。 1.1.星形结构：星形结构： 2.2.总线结构：总线结构： 3.3.环形网络结构：环形网络结构： 4.4.复合形网络结构：复合形网络结

12、构： 通信双方对信道使用权的规定方式称为通信协议。在集散控制系统中，通信双方对信道使用权的规定方式称为通信协议。在集散控制系统中， 较常用的有较常用的有冲突检测式载波侦听多路访问冲突检测式载波侦听多路访问通信协议（通信协议（Carrier Sensing Carrier Sensing Multi AccessMulti AccessCollision DetectCollision Detect，CSMACSMACDCD）和）和令牌传递令牌传递通信协议两种。通信协议两种。 1.1.数据分类：数据分类： 在集散控制系统中，根据系统对数据响应速度的不同要求，对数据进行在集散控制系统中，根据系统对

13、数据响应速度的不同要求，对数据进行 了分类。对于要求实时传送而且变化很快（约为毫秒级）的数据定为第一了分类。对于要求实时传送而且变化很快（约为毫秒级）的数据定为第一 级，将操作员需要的数据定为第二级级，将操作员需要的数据定为第二级 ，第三级数据主要包括组态数据、算，第三级数据主要包括组态数据、算 法等。法等。 2.分类通信分类通信 根据数据的不同类型采用不同的通信方式根据数据的不同类型采用不同的通信方式 。 基于主计算机的软件配置。基于主计算机的软件配置。 基于控制设备的软件配置。基于控制设备的软件配置。 （1）组态字的构成。）组态字的构成。 （2）组态步骤）组态步骤 ： 1 1）画出控制系统

14、框图；）画出控制系统框图； 2）画出组态字功能图。）画出组态字功能图。 3 3）确定各槽路的有关特征，填）确定各槽路的有关特征，填 写组态数据表写组态数据表 ； 某加热炉燃料流量与出料温度组成 的串级调节系统流程图（如下）： 组态字功能图组态字功能图 SlotSlot编号编号1 12 2 调节器调节器FCFCTCTC CONFCONF0113011301010101 CONFCONFHIHI1120112021232123 CONFCONFLOLO1001100116101610 CONFCONFHIHILOLO1011101100100010 量程量程 0 0 100100 0kg0kgh

15、h00 1000kg1000kgh h200200 阀位极限阀位极限 LOLO HI HI 6. 96. 92020 106. 9106. 98080 积分极限积分极限 LOLO HI HI 5. 005. 003030 +105. 00+105. 007070 报警极限报警极限 LOLO HI HI 600kg600kgh h1010 800kg800kgh h5 5 设定值设定值 （SPSP）Slot2Slot2输出输出120120 比率（比率（RatioRatio）100100100100 偏置偏置 （BiasBias）0 00 0 调整常数，增量（调整常数，增量（K KA A） 按需要

16、调整按需要调整按需要调整按需要调整 T T（K1K1） T T（K2K2） TDTD 正常操作方式正常操作方式串级串级自动自动 组态数据表组态数据表 1 、现场总线及其应用。、现场总线及其应用。 2 、现场总线的特点、现场总线的特点 （1）结构特点：）结构特点：与传统控与传统控 制系统的结构对比如图。制系统的结构对比如图。 （2）技术特点：）技术特点： 1）开放性）开放性 2）互可操作性和互用性）互可操作性和互用性 3）智能性与功能自治性）智能性与功能自治性 4） 结构的高度分散性结构的高度分散性 5）对现场环境的适应性）对现场环境的适应性 1通信模型的制定原则与一般结构通信模型的制定原则与一

17、般结构 不完全不完全OSIOSI模型模型 结构越简单越好结构越简单越好 不同总线通信模型不同不同总线通信模型不同 2典型现场总线的通信模型典型现场总线的通信模型 （1）基金会现场总线）基金会现场总线FF（Foundation Fieldbus）模型）模型 （2）过程现场总线）过程现场总线PROFIBUS（Process Fieldbus）模型）模型 （3）HART通信协议通信协议 1 1）物理层采用物理层采用Bell 202Bell 202国际标准；国际标准； 2 2）数据链路层用于按数据链路层用于按HARTHART通信协议规则建立的通信协议规则建立的HARTHART报文格式，其信息报文格式，

18、其信息 构成包括前导码、帧前定界码、现场设备地址、字节数、现场设备状构成包括前导码、帧前定界码、现场设备地址、字节数、现场设备状 态与通信状态、数据、奇偶校验等，如下图。态与通信状态、数据、奇偶校验等，如下图。 3 3）应用层规定了应用层规定了HARTHART命令。命令。 目前现场总线通信模型众多，妨碍了现场总线技术的发展。依靠市场目前现场总线通信模型众多，妨碍了现场总线技术的发展。依靠市场 的力量，发展共同遵从的统一的现场总线标准规范模型，真正形成开放互的力量，发展共同遵从的统一的现场总线标准规范模型，真正形成开放互 连的现场总线网络系统，是大势所趋。几种可能的解决方案为：连的现场总线网络系

19、统，是大势所趋。几种可能的解决方案为： 1 1）各种现场总线统一到各种现场总线统一到1 12 2种，这种可能性几乎很小；种，这种可能性几乎很小； 2 2）采用已经是通用的国际标准以太网（采用已经是通用的国际标准以太网（EthernetEthernet）、）、TCP/IPTCP/IP等协议，并等协议，并 解决它在工业控制中应用存在的有关问题。既便这样，它也不可能全部解决它在工业控制中应用存在的有关问题。既便这样，它也不可能全部 占领自动化市场；占领自动化市场； 3 3）开发所有现场总线的通用接口（如计算机的开发所有现场总线的通用接口（如计算机的USBUSB接口一样），这样做虽接口一样），这样做虽

20、 然成本很高，但比较可行，因为它能保证各公司的利益。然成本很高，但比较可行，因为它能保证各公司的利益。 3现场总线通信方式的实现现场总线通信方式的实现 微处理器微处理器CPUCPU实现数据链路层和应用层的功能；实现数据链路层和应用层的功能； 通信控制单元实现物理层的功能，完成信息帧的编码和解码、帧校验、通信控制单元实现物理层的功能，完成信息帧的编码和解码、帧校验、 数据的发送与接收；数据的发送与接收； 媒体访问单元的主要功能是发送与接收符合现场总线规范的信号。媒体访问单元的主要功能是发送与接收符合现场总线规范的信号。 说明： 9.2.3.1 现场总线控制系统现场总线控制系统 1.可以在现场构成

21、完整的基本控制系统； 9.2.3.2 现场总线控制系统的方案设计现场总线控制系统的方案设计 特点 2.可以与多个现场智能设备互换信息； 3.可以很方便地构成复杂的过程控制系统 4.与集散控制系统相比，具有控制功能更加分散，智能化与功能自治性更高、 系统的构成更加灵活、可扩展性与可互换性更强、可靠性与可维护性更好等诸 多优点。点。 锅炉汽包水位常规锅炉汽包水位常规 仪表控制系统仪表控制系统 现场总线控制系统设计步骤现场总线控制系统设计步骤 1 1、 选择必需的智能仪表选择必需的智能仪表 2 2、 选择计算机与网络配件的配置方案选择计算机与网络配件的配置方案 1 1）基于基于PCPC总线接口卡（总线接口卡（PCIPCI）的配置方案；）的