过程控制及自动化仪表课件第9章 计算机过程控制系统

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）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）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）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）掌握掌握控制算法的组态方法；控制算法的组态方法；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）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）掌握掌握现场总线控制系统的设计方法。现场总线控制系统的设计方法。 集散控

2、制系统(Distributed Control System，DCS)是以微型计算机为基础 ，将分散型控制装置、通信系统、集中操作与信息管理系统综合在一起的新型过程控制系统。 集散控制系统的主干与核心是基于计算机的控制装置和通信网络。 基于工业过程计算机的控制系统按总体结构可分为：集中型控制、分散型控制和集散控制三大类。集中型过程计算机控制系统结构简单，便于实现与维护。集中型过程计算机控制系统结构简单，便于实现与维护。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

3、计算机完成多种不同的任务，工作效率低；3）检测点和执行器距离主机远，传输信息的线路费用高；）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。 由一台计算机对大型生产装置或生产过程进行控制和管理，计算机、指示器、记录仪等安装在中央控制室中，现场传感器、执行器等通过电缆或双绞线与之相连，计算机采集过程数据，进行运算并发出控制信号，以这种方式构成的过程计算机控制系统称为集中型过程计算机控制系统。 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3、 集散型过程计算机控制系统集散型过程计算机控制系统2 、分散型过程计算机控制系统、分散型过程计算

4、机控制系统 分散型过程计算机控制系统是将计算机安装在现场附近，分散型过程计算机控制系统是将计算机安装在现场附近，就地实现各回路的控制与管理，在布局时形成一种按地理位置就地实现各回路的控制与管理，在布局时形成一种按地理位置分散的控制结构。而对整个系统的管理与操作，则需要技术人分散的控制结构。而对整个系统的管理与操作，则需要技术人员巡回进行。员巡回进行。 集散型过程计算机控制系统是以计算机技术和网络技术集散型过程计算机控制系统是以计算机技术和网络技术为基础，对生产过程进行集中监视、操作和管理，而将控制为基础，对生产过程进行集中监视、操作和管理，而将控制功能分散到现场的一种过程计算机控制系统。功能分

5、散到现场的一种过程计算机控制系统。 集散控制系统的基本结构由分散控制装置、集中操作与集散控制系统的基本结构由分散控制装置、集中操作与管理系统和通信系统三部分组成。管理系统和通信系统三部分组成。集散型过程计算机控制系统的基本结构框图1、数据采集功能、数据采集功能2、监视操作功能、监视操作功能3、过程控制功能、过程控制功能1 1、分散控制装置是基于微处理器的过程控制单元。它由各类多回、分散控制装置是基于微处理器的过程控制单元。它由各类多回路控制器、批量控制器以及数据采集装置等组成，是路控制器、批量控制器以及数据采集装置等组成，是DCSDCS与生产过与生产过程的接口部分。程的接口部分。2、集中操作与

6、管理系统由系统操作站、各种管理单元和管理计算集中操作与管理系统由系统操作站、各种管理单元和管理计算机组成。系统操作站是系统的人机接口，即系统与操作管理人员机组成。系统操作站是系统的人机接口，即系统与操作管理人员的界面。的界面。3、通信系统是、通信系统是DCS各单元的内联网络各单元的内联网络1、功能分散、功能分散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、高可靠性高可靠性5、构成灵活与扩展方便构成灵活与扩展方便6、采用面向过程的语言，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（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

7、一代集散控制系统第一代集散控制系统第二代集散控制系统第二代集散控制系统第三代智能控制系统第三代智能控制系统（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ULFU通信接口单元通信接口单元 UFCH现场控制单元现场控制单元 UFMH现场现场监视单元监视单元 CNN信号变换器信号变换器 YS80数字调节器数字调节器 ULDU盘装式仪表盘装式仪表 HF 总线总线 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

8、； 大型集散控制系统大型集散控制系统AIWS人工智能站人工智能站, ECMP计算机计算机, ENGS-工程师站工程师站, EOPS中中央操作站央操作站, PRIN打印机打印机, COPY拷贝机拷贝机, COPYSY局部操作局部操作站站, CFCSZPFCS现场控制站现场控制站, CFCDEFCD双重化控制站双重化控制站, YEWCOM9000管理计算机管理计算机, CFMSZCFCDI现场监视站现场监视站 CFBSZ高分散控制站高分散控制站 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

9、级和经营管理级。生产管理级和经营管理级。1. 过程控制单元（过程控制单元（PCU）的硬件结构）的硬件结构 （1）基于）基于 微微 型机的型机的硬件结构硬件结构基于微型机结构的PCU（2）IO与通用卡硬件结构与通用卡硬件结构（3）串行通信总线）串行通信总线+模件结构模件结构（4）节点工作站结构）节点工作站结构 （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； 顺序控制功能；顺序控制功能； 批量控制功能；批量控制功能； 数据采集与处理功能；数据采集与处理功能； 数据通讯功能；数据通讯功能； 本地操作与监视功能。本地操作与监视功能。 2.过程接口单元（过程接口单

10、元（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（PIU），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：第一类是来自生产过程的高电平度的大小与使用的现场将其分为三类：第一类是来自生产过程的高电平信号（信号（4-20mA DC和和1-5V DC)，数字信号和脉冲信号的高电平过程接口，数字信号和脉冲信号的高电平过程接口单元（单元（HLPIU） ，第二类是由可变增益放大器将来自热电偶、热电阻和，第

11、二类是由可变增益放大器将来自热电偶、热电阻和直流毫伏等小信号经最佳增益放大后作为直流毫伏等小信号经最佳增益放大后作为A/D转换器输入的低电平过程接转换器输入的低电平过程接口单元口单元 （LLPIU ），第三类是用于生产现场防爆的低能量过程接口单元），第三类是用于生产现场防爆的低能量过程接口单元（LEPIU) 。PIU的CCFA结构上述三种类型的通用部分称为通用卡文件夹（上述三种类型的通用部分称为通用卡文件夹（CCFA），其结构如下：），其结构如下： 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

12、信电缆将分散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 中型集散控制系统中型集散控制系统CRT操作员级画面调用示例图操作员级画面调用示例图 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系

13、统构成框图系统构成框图 LCN为局部控制网络为局部控制网络;US为通用操作站为通用操作站;CG、HG、PG、UG为为通信网络连接器通信网络连接器;CM为计算模件为计算模件;BC为基本控制器为基本控制器;RBC为备用基本控制器为备用基本控制器;RCD为备用控制器指挥器为备用控制器指挥器;AM为应用模件为应用模件;MC为多功能控制器为多功能控制器;HM为历史模件为历史模件; RMC为备用多功能控制器为备用多功能控制器;RMCD为备用多功能控制器指挥器为备用多功能控制器指挥器;PIU为过程接口单元为过程接口单元;LOS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

14、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.星形结构：星形结构：2.总线结构：总线结构： 3.环形网络结构：环形网络结构： 4.复合形网络结构：复合形网络结构： 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，较常用的有统中，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

15、协议（通信协议（Carrier Sensing Multi AccessCollision Detect，CSMACD）和）和令牌传递令牌传递通通信协议两种。信协议两种。 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）的数据定为第一级，将操作员需要的数据定为第二级据定为第一级，将操作员需要的数据定为第二级 ，第三级数据主要包，第三级数据主要包括组态数据、算法等。括组态数据、算法等。2.分类

16、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 基于主计算机的软件配置有实时多通道网络操作系统、系统公基于主计算机的软件配置有实时多通道网络操作系统、系统公用程序如编辑程序、连接装配程序、运行程序及各种软件工具等；用程序如编辑程序、连接装配程序、运行程序及各种软件工具等；各种高级语言如各种高级语言如BASIC、 C等；在上述背景下开发出的软件包。等；在上述背景下开发出的软件包。 基于控制设备的软件配置有两种：一是采用高级语言编制控制程基于控制设备的软件配置有两种：

17、一是采用高级语言编制控制程序；二是所谓序；二是所谓 “ “软件组态软件组态”方法，即所有控制功能均通过方法，即所有控制功能均通过“组态组态”完成。也就是说，在集散控制系统中，完成所有控制功能所需要的算完成。也就是说，在集散控制系统中，完成所有控制功能所需要的算法程序都已由生产制造厂家预先编好，并存放在法程序都已由生产制造厂家预先编好，并存放在ROMROM中，以备随时调中，以备随时调用。用户只要按控制功能编好的程序模块，经过用。用户只要按控制功能编好的程序模块，经过“组装连接组装连接”即可实即可实现各种控制算法。现各种控制算法。 （1）组态字的构成）组态字的构成 （2）组态步骤）组态步骤 ： 1

18、）画出控制系统框图；）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）确定各槽路的有关特征，）确定各槽路的有关特征， 填写组态数据表填写组态数据表 ； 组态字实际上是一系组态字实际上是一系列操作代码，右图所列操作代码，右图所示组态字功能图。示组态字功能图。 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： 串串级级控控制制系系统统组组态态字字功功能能图图 SlotSlot编号编号1 12 2调节器调节器FCFCTCTCCONFCONF0113011301010101CONFCONFHIHI1120112021232123CONFCONFLOLO1001100116101

19、610CONFCONFHIHILOLO1011101100100010量程量程 0 0 1001000kg0kgh h001000kg1000kgh h200200阀位极限阀位极限 LOLO HI HI6. 96. 92020106. 9106. 98080积分极限积分极限 LOLO HI HI5. 005. 003030+105. 00+105. 007070报警极限报警极限 LOLO HI HI600kg600kgh h1010800kg800kgh h5 5 设定值设定值 （SPSP）Slot2Slot2输出输出120120 比率（比率（RatioRatio）100100100100 偏

20、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组态态数数据据表表 1 、现场总线及其作用、现场总线及其作用 现场总线是应用在生产现场、微机化测量与控制设备之间实现双向串行、多节点数字通信系统，也称开放式、数字化、多点通信的底层网络系统。 现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量与控制仪表，使它们各自都具有数字计算和数字通信的能力，并用总线将它们连接在一起，按公开、规范的通信协议，把单个分散的测量控制设备变成网络节点，相互实现

21、数据传输与信息交换，以形成各种基于网络的过程控制系统。 2 、现场总线的特点、现场总线的特点 （1）结构特点：）结构特点：与传统控制系统的结构对比如图。与传统控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般结构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

22、（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）物理层采用物理层采用Bell 202国际标准；国际标准；2）数据链路层用于按数据链路层用于按HART通信协议规则建立的通信协议规则建立的HART报文格报文格式，其信息构成包括前导码、帧前定界码、现场设备地址、字式，其信息构成包括前导码、帧前定界码、现场设备地址、字节数、现场设备状态与通信状态、数据、奇偶校验等，如下图。节数、现场设备状态与通信状态、数据、奇偶校验等，如下图。 3）应用层规定了应用层规定了HART命令。命令。 目前现场总线通信模型众多，妨碍了现场总线

23、技术的发展。依靠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，真正形成开放互连的现场总线网络系统，是大势所趋。几种可能的解决方案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：为：1）各种现场总线统一到各种现场总线统一到12种，这种可能性几乎很小；种，这种可能性几乎很小；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（Ethernet）、）、TCP/IP等协等协议，并解决它在工业控制中应用存在的有关问题。既便这样，它也议，并解决它在工业

24、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；不可能全部占领自动化市场； 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USB接口一样），这接口一样），这样做虽然成本很高，但比较可行，因为它能保证各公司的利益。样做虽然成本很高，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1 1、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；2 2、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、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；帧校验、数据的发送与接收；3 3、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、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。信号。 说明：9.2.3.1 现场总线控制系统（现场总线控制系统（FCS)1.可以在现场构成完整的基本控制系统； 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