计算机控制技术及工程应用第12章

1、第十二章第十二章 DCSDCS与与FCSFCS本章要点本章要点: :1.DCS的基本概的基本概 、体系结构与功能特点。、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的基本概念、体系结构与功能特点 。3. DCS 与与FCS的几种典型产品。的几种典型产品。返回总目录返回总目录本章主要内本章主要内容容 引引 言言 12.1 DCS12.1 DCS体系结构体系结构 12.2 DCS12.2 DCS功能特点功能特点 12.3 DCS12.3 DCS产品简介产品简介 12.4 FCS12.4 FCS体系结构体系结构 12.5 FCS12.5 FCS功能特点功能特点 12.6 FCS12.

2、6 FCS产品简介产品简介引引 言言分散控制系统分散控制系统DCS-以微型计算机为基础的集散型综合控制系统。以微型计算机为基础的集散型综合控制系统。特点特点设计遵循控制功能分散、操作管理集中的原则。设计遵循控制功能分散、操作管理集中的原则。历史历史-1975年美国霍尼韦尔公司成功推出世界上第一套年美国霍尼韦尔公司成功推出世界上第一套DCS 以来，产品几经以来，产品几经更新换代，技术性能日趋完善。二十几年来，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首当其冲地成为大型工业生产过程的主流控制系统业生产过程的主流控制系统。 现场总线控制系统现场总线控制系统FCS-基于计算机总

3、线的综合控制系统基于计算机总线的综合控制系统特点特点-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、通信性好发展方向。实时性、通信性好发展前景发展前景-成为当今世界范围内自动控制系统的热点成为当今世界范围内自动控制系统的热点12.1 DCS12.1 DCS体系结构体系结构主要知识点主要知识点 前言前言 12.1.1 分散过程控制级分散过程控制级 12.1.2 集中操作监控级集中操作监控级 12.1.3 综合信息管理级综合信息管理级 12.1.4 通信网络系统通信网络系统 图图12-112-1分散控制系统体系结构分散控制系统

4、体系结构 前前 言言 12.1.1 12.1.1 分散过程控制级分散过程控制级 分散过程控制级分散过程控制级-是是DCSDCS的基础层的基础层, ,它向下直接面向工业对象，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、（输入触点）等，其输出去驱动执行器（如调节阀、电磁阀、电机等）电机等）. . 功能功能数据采集、闭环调节控制、顺序控制、数据通信，信数据采

5、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。息整理后向操作站报告等。 构成装置有构成装置有现场控制站，可编程控制器，智能调节器及其它现场控制站，可编程控制器，智能调节器及其它测控装置。测控装置。 1 .1 .现场控制站现场控制站2 2智能调节器智能调节器 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；一种数字化的过程控制仪表，也称可编程调节器；组成组成由微处理器由微处理器CPUCPU、存储器、存储器RAMRAM、ROMROM、模拟量和数字量、模拟量和数字量I/0 I/0 通道、电源等部分组成的一个微型计算机系统。通道、电源等部分组成的一个微型计算机系统。

6、输入信号输入信号4 420mA20mA模拟量信号和开关量信号；模拟量信号和开关量信号；通信通信具有具有RSRS232232或或RS-485RS-485等串行通信接口；等串行通信接口；功能功能一般有单回路、一般有单回路、2 2回路、或回路、或4 4回路的调节器；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；机下传的控制参数，并上报各种过程参数；控制方式控制方式除一般的单回路除一般的单回路

7、PIDPID之外，还可组成串级控制、前馈之外，还可组成串级控制、前馈 控制等复杂回路。控制等复杂回路。 3 3可编程控制器可编程控制器 特点特点-开关量输人、输出通道，用于执行顺序控制功能。开关量输人、输出通道，用于执行顺序控制功能。 12.1.2 12.1.2 集中操作监控级集中操作监控级 构成这一级的主要装置有：面向操作人员的构成这一级的主要装置有：面向操作人员的操作员操作操作员操作站站、面向监督管理人员的、面向监督管理人员的工程师操作站工程师操作站、监控计算机监控计算机及层间及层间网络联接器网络联接器。一般情况下，一个。一般情况下，一个DCS系统只需配备一台工程系统只需配备一台工程师站，

8、而操作员站的数量则需要根据实际要求配置。师站，而操作员站的数量则需要根据实际要求配置。1.操作员操作站操作员操作站（1）操作员站的硬件）操作员站的硬件（2）操作员站的功能）操作员站的功能2.工程师操作站工程师操作站（1）工程师站的硬件）工程师站的硬件（2）工程师站的功能）工程师站的功能12.1.3 12.1.3 综合信息管理级综合信息管理级v DCS的综合信息管理级实际上是一个的综合信息管理级实际上是一个管理信息系统管理信息系统（Management lnformation System，简称，简称MIS），由计算），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机硬件、软件、数据

9、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。化综合服务体系和办公自动化系统。v MIS是一个以数据为中心的计算机信息系统。企业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。间通过信息而相互联系。v DCS的综合信息管理级主要完成生产管理和经营管理功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、能

10、。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。济效益。DCSDCS通信网络通信网络各级之间的信息传输网络。通信网分成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。中操作监控级；高速网络面向管理级。 分类分类分为星型

11、、总线型和环型结构三种。后分为星型、总线型和环型结构三种。后 两种常用。两种常用。 特点特点在提高系统性能，也可以把集中网络结在提高系统性能，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。用各网络结构的优点。12.1.4 12.1.4 通信网络系统通信网络系统12.2 DCS12.2 DCS功能特点功能特点 主要知识点主要知识点 12.2.1 DCS的软件的软件 12.2.2 DCS的特点的特点 用于分散过程控制级的控制软件包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

12、法、运算公式和控制的功能，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。制输出等功能模块。n软件平台软件平台有图形化编程、文本化语言、面向问题的语言、和有图形化编程、文本化语言、面向问题的语言、和 n 通用的高级语言（又分通用的高级语言（又分VBVB、VCVC等）等多种。等）等多种。n用于集中操作监控级的操作显示软件包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为用户提供了丰富的人人- -机接口联系功能。在显示器和键盘组成的操作站上进行机接口联系功能。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、集中操作监视，可以选择多种图形显示画

13、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。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。n软件平台软件平台LABVIEW,LABVIEW,组态王，力控等。组态王，力控等。 12.2.1 DCS 12.2.1 DCS的软件的软件1 1硬件积木化硬件积木化2 2软件模块化软件模块化 3 3通信网络的应用通信网络的应用 4. 4. 可靠性高可靠性高12.2.2 DCS12.2.2 DCS的特点的特点12.3 DCS12.3 DCS产品简介产品简介 12.3.1

14、TDC-300012.3.1 TDC-3000 主要知识点主要知识点1系统结构系统结构2主要组成主要组成3功能特点功能特点 1 1系统结构系统结构通用操作站（通用操作站（UniVersal StationUniVersal Station，USUS。）。）历史模件（历史模件（History ModuleHistory Module，HMHM）存档模件（存档模件（Archive Replay ModuleArchive Replay Module，ARMARM）应用模件（应用模件（Application ModuleApplication Module，AMAM）过程管理站（过程管理站（Proc

15、ess ManagerProcess Manager，PMPM）高级过程管理站（高级过程管理站（Advanced Process ManagerAdvanced Process Manager，APMAPM）逻辑管理站（逻辑管理站（Logic ManagerLogic Manager，LMLM） 3 3功能特点功能特点 提供必要的数据库，及各种控制技术提供必要的数据库，及各种控制技术2 2主要组成主要组成 12.3.2 I/AS12.3.2 I/AS 主要知识点主要知识点1系统结构系统结构2主要组成主要组成3系统特点系统特点1 1系统结构系统结构 处理机组件处理机组件是是I/ASI/AS节点的

16、重要组成部分，主要有控制处理机节点的重要组成部分，主要有控制处理机 （CPCP）、应用处理机（）、应用处理机（APAP）、操作站处理机（）、操作站处理机（WPWP）和通）和通 信处理机（信处理机（COMPCOMP）四类）四类现场总线组件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。制处理机通信。接口组件接口组件它主要分为载波带它主要分为载波带LANLAN接口组件和信息网络接口组件两种接口组件和信息网络接口组件两种网间连接器网间连接器用来实现非用来实现非I/AI/A节点的互连。节点的互连。节点总线节点总线 它与每个站中

17、的节点总线接口电路一起工作，提供各站点间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。数据传输和总线存取。3 3系统特点系统特点- I/ASI/AS系统硬件品种少但通用性强，系统组态灵活，提供了系统硬件品种少但通用性强，系统组态灵活，提供了 综合控制软件包综合控制软件包2 2主要组成主要组成 12.3.3 SUPCON JX12.3.3 SUPCON JX300300主要知识点主要知识点1系统结构系统结构2主要组成主要组成3功能特点功能特点 1 1系统结构系统结构图13-5 SUPCON JX-300系统结构图图12-5 SUPCON JX-300系统结构系统结构2

18、 2主要组成主要组成 操作站操作站工程师站工程师站现场控制站现场控制站过程控制网络过程控制网络3 3功能特点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DCSDCS功能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12.4 FCS12.4 FCS体系结构体系结构主要知识点主要知识点 前言前言n 1现场通信网络现场

19、通信网络n 2现场设备互连现场设备互连n 3互操作性互操作性n 4分散功能块分散功能块n 5现场总线供电现场总线供电n 6开放式互连网络开放式互连网络发展趋势发展趋势 FCS具有数字化、全分散式、可互操作的和全开放具有数字化、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。式的新型控制系统，是控制系统的发展趋势。定义定义根据国际电工委员会根据国际电工委员会IEC标准和现场总线基金会标准和现场总线基金会FF（Fieldbus Foundation）的定义：现场总线是连接智能）的定义：现场总线是连接智能现现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构场设备和自动化系统的数字

20、式、双向传输、多分支结构的的通信网络。通信网络。应用方式应用方式 两种应用方式，分别用代码两种应用方式，分别用代码H1和和H2表示。表示。H1方式方式主要用于代替直流主要用于代替直流010mA或或420mA以实现数字传输，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，可它的传输速度较低，每秒几千波特，但传输距离较远，可达达1900米，称为米，称为低速方式低速方式；H2方式主要用于高性能的通信方式主要用于高性能的通信系统，它的传输速度高，达到系统，它的传输速度高，达到 1兆波特，传输距离一般不兆波特，传输距离一般不超过超过750米，称为米，称为高速方式高速方式。前前 言言图图1

21、2-6 现场总线控制系统体系结构现场总线控制系统体系结构1 1现场通信网络现场通信网络 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。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 2现场设备互连现场设备互连现场设备现场设备指连接在现场总线上的各种仪表设备。指连接在现场总线上的各种仪表设备。分类分类变送器：变送器：温度、压力、流量、物位、分析，具有温度、压力、流量、物位、分析，具有检测、变换和补偿功检测、变换和补偿功 能、能、PIDPID控制和运算控制和运算执行器：执行器：电动

22、和气动两类，具有控制信号的驱动和执行功能电动和气动两类，具有控制信号的驱动和执行功能服务器和网桥：服务器和网桥：服务器下接服务器下接 H1H1和和 H2H2，上接局域网，上接局域网 LANLAN （Local Area NetworkLocal Area Network）；网桥上接）；网桥上接H2H2，下接，下接H1H1 辅助设备：辅助设备：辅助设备有辅助设备有 H1/H1/气压转换器、气压转换器、H1/H1/电流转换器、电流电流转换器、电流/H1/H1转转 换器、安全栅、总线电源、便携式编程器等换器、安全栅、总线电源、便携式编程器等连接连接通过一对传输线即现场总线直接在现场互连，交换信息通过

23、一对传输线即现场总线直接在现场互连，交换信息。 3 3互操作性互操作性各个厂家产品兼容，实现各个厂家产品兼容，实现“即接即用即接即用”，4 4分散功能块分散功能块控制站功能分配给现场仪表，构成虚拟控制站控制站功能分配给现场仪表，构成虚拟控制站5 5现场总线供电现场总线供电除传输信息以外除传输信息以外完成为现场设备供电的功能完成为现场设备供电的功能6 6开放式互连网络开放式互连网络采用公开化、标准化、规范化的通信协采用公开化、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议，使不同制造商的现场设备互连成系统 12.5 FCS12.5 FCS功能特点功能特点 12.5.1 FCS的特

24、点的特点 12.5.2 FCS的组态的组态 12.5.1 FCS 12.5.1 FCS的特点的特点1.1.一对一对N N 结构结构2 2可靠性高可靠性高3 3可控状态可控状态4 4互换性互换性5.5.互操作性互操作性6 6综合功能综合功能7 7分散控制分散控制8 8统一组态统一组态9 9开放式系统开放式系统 12.5.2 FCS12.5.2 FCS的组态的组态FCSFCS软件模块软件模块-功能块、转换块和资源块。功能块、转换块和资源块。组态方法组态方法当用一些功能块组成了某一装置的控制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策略时，就把这些功能块的有序集合称为一个称为

25、一个“功能应用块功能应用块”。一个功能。一个功能块块应用可以和另一个功能块应用互连在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起，一个功能块应用也可以包含另一个功能块应用。一个功能块应用。 12.6 FCS 12.6 FCS产品简介产品简介 主要内容主要内容 12.6.1 CAN 12.6.2 Lon Works 12.6.3 PROFIBUS 12.6.4 WorldFIP 12.6.5 HART 12.6.6 FF 1.1.发展发展 CANCAN是控制局域网络是控制局域网络Control Area NetworkControl Area Network的缩写，的缩写

26、， 是由德国是由德国BoschBosch公司推出。公司推出。2.CAN2.CAN协议协议-CANCAN协议也是建立在协议也是建立在OSIOSI模型基础上的，它采用了模型基础上的，它采用了OSIOSI底底 层的物理层、数据链路层和高层的应用层，其信号传层的物理层、数据链路层和高层的应用层，其信号传 输介质为双绞线。最高通信速率为输介质为双绞线。最高通信速率为1Mbps1Mbps（通信距离（通信距离 40m40m），最远通信距离可达），最远通信距离可达10km10km（通信速率（通信速率5bps5bps），）， 节点总数可达节点总数可达110110个。个。 3.CAN3.CAN传输传输-采用短帧结

27、构，每一帧的有效字节数为采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8 8个，每帧信息个，每帧信息 均采用循环冗余校验均采用循环冗余校验CRCCRC及其它检错措施，通信误码率及其它检错措施，通信误码率 极低。极低。4.CAN4.CAN传输校验传输校验节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线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。点的通信不受影响。12.6.1 CAN12.6.1 CAN 12.6.2 Lon Works12.6.2 Lon Works1.1.发展发展 Lon WorksLon Works

28、是局部操作网络是局部操作网络Local Operating NetworkLocal Operating Network 的缩写。它是由美国的缩写。它是由美国 EchelonEchelon公司研制、于公司研制、于19901990年正式年正式 公布的现场总线网络。公布的现场总线网络。2.2.协议协议采用了采用了ISO/OSIISO/OSI模型中完整的七层通信协议，采用了面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，其最高通信速率为为参数设置，其最高通信速率为1.25MbpS1.25MbpS（通信

29、距离不（通信距离不 超过超过130m130m），最远通信距离为），最远通信距离为27000m27000m（通信速率为（通信速率为 78kbps78kbps），节点总数可达），节点总数可达3200032000个。个。3.3.传输介质传输介质双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电力线双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电力线4.4.传输传输采用可变长帧结构。每帧的有效字节可由采用可变长帧结构。每帧的有效字节可由0 0288288个个。 12.6.3 PROFIBUS12.6.3 PROFIBUS1.1.发展发展过程现场总线过程现场总线Process Field BusProcess Field

30、 Bus的缩写。它是德国国的缩写。它是德国国 家标准家标准 DIN 19245DIN 19245和欧洲标准和欧洲标准 EN 50170EN 50170所规定的现场所规定的现场 总线标准。总线标准。2.2.构成构成 PROFIBUSPROFIBUSDPDP、PROFIBUSPROFIBUSPAPA和和 PROFIBUSPROFIBUSFMSFMS。3.3.传输传输采用定长或可变长帧结构，定长帧一般为采用定长或可变长帧结构，定长帧一般为8 8字节，可变字节，可变 长帧每帧的有效字节数为长帧每帧的有效字节数为l l244244个。最高通信速率为个。最高通信速率为 12Mbps12Mbps（通信距离不

31、超过（通信距离不超过100m100m），最大通信距离为），最大通信距离为 1200m1200m（通信速率为（通信速率为9.6kbps9.6kbps）。如果采用中继器可延长）。如果采用中继器可延长 至至10km 10km ，其传输介质可以是双绞线或光缆。每个网络，其传输介质可以是双绞线或光缆。每个网络 可挂可挂3232个节点，如带中继器，最多可挂个节点，如带中继器，最多可挂127127个节点。个节点。 12.6.4 WorldFIP12.6.4 WorldFIP1.1.发展发展 WorldFIPWorldFIP是世界工厂仪表协议是世界工厂仪表协议World Factory World Facto

32、ry Instrument ProtocolInstrument Protocol的缩写。最初由的缩写。最初由CegelecCegelec等几家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，后来又采纳了制定，随后即成为法国标准，后来又采纳了IECIEC物理物理层国际标准（层国际标准（IEC6ll58IEC6ll582 2），并命名为），并命名为WorldFIPWorldFIP。2.2.协议协议WorldFIPWorldFIP采用有调度的总线访问控制，通信速率分别为采用有调度的总线访问控制，通信速率分别为 31.35k

33、bps31.35kbps、1Mbps1Mbps、2.5Mbps2.5Mbps，对应的最大通信距离分，对应的最大通信距离分 别为别为5000m5000m、1000m1000m、500m 500m ，其通信介质为双绞线。如，其通信介质为双绞线。如 果采用光纤，其最大通信距离可达果采用光纤，其最大通信距离可达40km40km。每段现场总线。每段现场总线 的最大节点数为的最大节点数为3232个，使用分线盒可连接个，使用分线盒可连接256256个节点。个节点。 整个网络最多可以使用整个网络最多可以使用3 3个中继器，连接个中继器，连接4 4个网段。个网段。3.3.传输传输采用可变长帧结构，每帧最大字节数为采用可变长帧结构，每帧最大字节数为256256个。个。 12.6.5 HART12.6.5 HART1.1.发展发展可寻址远程传感器数据通路（可寻址远程传感器数据通路（Highway Addressable Highway Addressable Remote Transducer Remote Transducer）的缩写。最早由）的缩写。最早由RosemountRosemount公司开公司开 发，得到了发，得到了8080多家仪表公司的支持，并于多家