网络与集散控制系统教案

1、 教 案课程名称 网络与集散控制系统 总学时数 32 学 时 使用班级 测控2011-1,2,3 任课学期 2014/2015学年第一学期 任课教师 杨立清 编制时间 2014年9月2日 内蒙古科技大学教案课程名称：网络与集散控制系统授课章节§1-1 集散控制系统的体系结构目的要求掌握集散控制系统的概念及其体系结构重点难点集散控制系统的体系结构 一、概念集散控制系统是一种操作显示集中、控制功能分散、采用分级分层体系结构、局部网络通信的计算机综合控制系统。从总体结构上看，DCS是由工作站和通信网络两大部分组成的，系统利用通信网络将各工作站连接起来，实现集中监视、操作、信息管理和分散控制

2、。二、DCS的体系结构如图1-1第 1次 第1页内蒙古科技大学教案图1-1 集散控制系统的体系结构第1次 第 2 页内蒙古科技大学教案 1.现场控制级 现场控制级设备直接与生产过程相连，是DCS的基础。典型的现场控制级设备是各类传感器、变送器和执行器。归纳起来，现场控制级设备的任务主要有以下几个方面。一是完成过程数据采集与处理。二是直接输出操作命令、实现分散控制。三是完成与上级设备的数据通信，实现网络数据库共享。四是完成对现场控制级智能设备的监测、诊断和组态等。2.过程控制级 过程控制级主要由过程控制站、数据采集站和现场总线接口等构成。 过程控制站接收现场控制级设备送来的信号，按照预定的控制规

3、律进行运算，并将运算结果作为控制信号，送回到现场的执行器中去。过程控制站可以同时实现反馈控制、逻辑控制或顺序控制等功能。 3.过程管理级过程管理级的主要设备有操作站、工程师站和监控计算机等。（1） 操作站是操作人员与DCS相互交换信息的人机接口设备，是DCS的核心显示、操作和管理装置。（2） 工程师站是为了控制工程师对DCS进行配置、组态、调试、维护所设置的工作站。工程师站的另一个作用是对各种设计文件进行归类和管理，形成各种设计、组态文件，如各种图样、表格等。（3） 监控计算机的主要任务是实现对生产过程的监督控制，如机组运行优化和性能计算，先进控制策略的实现等。4.经营管理级 经营管理级是全厂

4、自动化系统的最高一层。只有大规模的集散控制系统才具备这一级。第 1 次 第 3 页内蒙古科技大学教案三、集散控制系统特点1功能分层体系2. 容错能力强3.通信功能强4.功能齐全5.扩张方便、组态灵活6.节约成本增加效益课堂教学小结：第 1 次 第4页内蒙古科技大学教案课程名称：网络与集散控制系统授课章节§1-2 集散控制系统网络与通信目的要求掌握集散控制系统的网络结构重点难点集散控制系统的网络结构及通信原理 一、 集散控制系统网络结构与四层结构相对应的四层局部网络分别是现场网络 (Field Network，Fnet)、控制网络 (Control Network，Cnet)、监控网络

5、 (Supervision Network，Snet) 和管理网络 (Management Network，Mnet)。 图 1-2 集散控制系统网络结构第 2次 第1页内蒙古科技大学教案1. 现场网络(Field Network，Fnet)现场网络与各类现场传感器、变送器和执行器相连，以实现对生产过程的监测与控制。同时与过程控制级的计算机相连，接收上层的管理信息，传递装置的实时数据。现场网络的信息传递有三种方式，一种是传统的模拟信号 (如420mADC或者其他类型的模拟量信号)传输方式，第二种是全数字信号（现场总线信号）传输方式；第三种是混合信号（如在 420mADC 模拟量信号上，叠加调制

6、后的数字量信号）传输方式。现场信息以现场总线为基础的全数字传输是今后的发展方向。 2. 控制网络 (Control Network，Cnet)（1） 位于现场控制站内部（2） Profibus-DP现场总线（3） 采用带屏蔽的双绞线连接（4） 完成数据输入/输出传输和从站设备诊断信息的传递。3. 监控网络 (Supervision Network，Snet)在DCS的监控网络上可以挂接现场总线服务器 (Fieldbus Server，FS)，实现DCS网络与现场总线的集成。4. 管理网络 (Management Network，Mnet)提供上层计算机系统通过以太网访问底层的数据。这一层采用符

7、合公共标准传输控制协议的TCP/IP协议的以太网。第2次 第 2 页内蒙古科技大学教案 二、集散控制系统网络通信通信系统是DCS的主干，决定着系统的基本特性。通信系统引入局部网络技术后，促进了DCS的更新换代，增强了全系统的功能。 1. 数据通信原理数据通信是计算机或其他数字装置与通信介质相结合，实现对数据信息的传输、转换、存储和处理的通信技术。在DCS中，各单元之间的数据信息传输就是通过数据通信系统完成的。 （1） 数据通信系统的组成 图1-3 数据通信系统的组成 （2）. 通信类型（3）.传输方式（4）.串行传输与并行传输（5）. 基带传输与宽带传输（6）.异步传输与同步传输（7）.传输速

8、率（8）.信息编码（9）.数据交换方式2. 通信网络DCS的通信网络实质就是计算机网络，因为系统中的每一个节点工作站和网络接口相当于一个计算机系统。 (1).局部网络的概念(2).局部网络拓扑结构(3).传输介质 第 2 次 第 3 页内蒙古科技大学教案(4).网络控制方法 (5).差错控制技术3. 通信协议(1).通信协议的概念(2).开放系统互连参考模型作业：1. 什么是集散控制系统?其基本设计思想是什么?2. 简述集散控制系统的体系结构及各层次的主要功能。课堂教学小结：第 2次 第4页内蒙古科技大学教案课程名称：网络与集散控制系统授课章节§2-1 现场总线的基本概念目的要求掌握

9、现场总线的基本概念重点难点现场总线的发展历程一、现场总线的概念： 定义一：现场总线（Fieldbus）是用于现场仪表与控制系统之间的一种全分散、全数字化、智能、双向互联、多变量、多点、多站的通信网络系统。现场总线控制系统FCS（Fieldbus Control System）是基于现场总线技术的新一代控制系统。定义二：现场总线是连接现场智能设备和自动化控制设备的双向、串行、数字式、多节点的通信网络，被称为现场底层设备控制网络（Infranet）。二、现场总线的发展现场总线的思想起源于八十年代初，它的出现是微电子技术，计算机技术，网络技术，自动控制技术共同推动的结果。 八十年代中，现场总线产品出

10、现 1988年，IEC开始现场总线国际标准的制订 1992年由Siemens等公司成了ISP(Interoperable System Project)组织，以Profibus为基础制订现场总线标准。 1993年，由Honeywell、Bailey等公司牵头，有约120个公司加盟，成立了WorldFIP,。 1994年ISP与WorldFIP（北美部分）两大集团握手言和，成立了现场总线基金会FF(Fieldbus Foundation)。 1998年9月30日，IEC对现场总线国际标准最终草案进行了表决，结果以68%赞成，32%反对而未能通过。 1999年6月， IEC对标准草案的第3、4、5

11、、6部分进行了讨论，决议 图2-1 现场总线通信模型第 3次 第1页内蒙古科技大学教案要求修改现有的技术报告，以便至少包括一种其它协议。 2000年1月，国际电工委员会通过了包括FF和PROFIBUS在内的8种现场总线协议成为IEC标准的决议。 课堂教学小结：第 3次 第2页内蒙古科技大学教案课程名称：网络与集散控制系统授课章节§2-2 现场总线的特点目的要求掌握现场总线的结构特点、技术特点重点难点现场总线的特点一、现场总线的硬件结构特点： 图2-1现场总线的硬件结构1.测量系统2.控制系统3.设备管理系统4.通信系统5.计算机服务模式6.数据库二、现场总线的软件构成 1993年，由

12、Honeywell、Bailey等公司牵头，有约120个公司加盟，成立了WorldFIP,。 1994年ISP与WorldFIP（北美部分）两大集团握手言和，成立了现场总线基金会FF(Fieldbus Foundation)。 1998年9月30日，IEC对现场总线国际标准最终草案进行了表决，结果以68%赞成，32%反对而未能通过。 1999年6月， IEC对标准草案的第3、4、5、6部分进行了讨论，决议 图2-1 现场总线通信模型第 4次 第1页内蒙古科技大学教案1.操作系统2.网络管理软件3.通信软件 4.组态软件三、现场总线的技术特点(1)系统的开放性 (2)互可操作性与互用性 (3)现

13、场设备的智能化与功能自治性 (4)系统结构的高度分散性 (5)对现场环境的适应性 四、现场总线的优越性：(1)节省硬件数量与投资 (2)节省安装费用 (3)节省维护开销 (4)用户具有高度的系统集成主动权 (5)提高了系统的准确性与可靠性 课堂教学小结：第 4次 第2页内蒙古科技大学教案课程名称：网络与集散控制系统授课章节§2-3 现场总线的类型目的要求掌握几种常见现场总线的标准重点难点OSI现场总线模型一、几种典型的现场总线： 1.基金会现场总线2.Profibus 现场总线3.ControlNet 现场总线4.CAN总线5.DeviceNet 总线 6.LonWorks 总线7.

14、HART总线8.Modbus总线9.CC-Link总线二、现场总线互联参考模型 第 5次 第1页内蒙古科技大学教案图2-2 开放系统互连参考模型三、现场总线通信协议模型第5次 第 2 页内蒙古科技大学教案课程名称：网络与集散控制系统授课章节§2-4现场总线协议规范目的要求掌握几种常见现场总线的协议规范重点难点常见现场总线协议规范一、FF总线基金会现场总线FF (Foundation Fieldbus) : 由现场总线基金会开发。1996颁布低速总线标准H1。FF系统是为适应自动化系统、特别是过程自动化系统专门设计的:1)它可以工作在工厂生产的现场环境下，2)能适应本质安全防爆的要求，

15、3)还可通过传输数据的总线为现场设备提供工作电源。1. FF 现场总线的优点减少接线与安装 灵活的拓朴结构易于集成 对等实体间高速通信简化操作和维护 完善的售后服务与技术支持 第 6次 第1页内蒙古科技大学教案2. FF 通信模型FF协议数据的生成 第6次 第 2 页内蒙古科技大学教案3.网络拓补结构二、ProfiBus现场总线标准1. PROFIBUS 应用领域PROFIBUS DP：主要应用于制造业自动化系统中单元级和现场级设备高速通信。 PROFIBUS PA：电源和通信数据通过总线并行传输，主要用于面向过程自动化系统中单元级和现场级通讯。PROFIBUS FMS：主要用于自动化系统中系

16、统级和车间级的过程数据交换。2、PROFIBUS 协议结构 第6次 第 3 页内蒙古科技大学教案第6次 第 4页内蒙古科技大学教案3. 过程自动化典型结构第6次 第 5 页内蒙古科技大学教案三、CAN现场总线的概念及其相关协议1. CAN现场总线的概念CAN（Controller Area Network）即控制器局域网，可以归属于工业现场总线的范畴，是目前国际上应用最广泛的开放式现场总线之一。与一般的通信总线相比，CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性，它在汽车领域上的应用最为广泛，世界上一些著名的汽车制造厂商，如BENZ(奔驰)、BMW(宝马)、volkswagen (大众)

17、等都采用了CAN总线来实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构间的数据通信。由于CAN总线的特点，其应用范围目前已不仅局限于汽车行业，已经在自动控制、航空航天、航海、过程工业、机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械及传感器等领域中得到了广泛应用。 CAN 最初出现在汽车工业中，80年代由德国Bosch公司最先提出。最初动机是为了解决现代汽车中庞大的电子控制装置之间的通讯，减少不断增加的信号线。由于其良好的性能及独特的设计，CAN总线越来越受到人们的重视。随着应用领域的增多，CAN的规范从CAN 1.2 规范(标准格式)发展为兼容CAN 1.2 规范的CAN2.0规范(CAN2.

18、0A为标准格式，CAN2.0B为扩展格式)，目前应用的CAN器件大多符合CAN2.0规范。2. CAN协议规范 CAN为串行通讯协议，能有效地支持具有很高安全等级的分布实时控制。CAN的应用范围很广，从高速的网络到低价位的多路接线都可以使用CAN。在汽车电子行业里，使用CAN连接发动机控制单元、传感器、防刹车系统、等等，其传输速度可达1Mbit/s。第6次 第 6 页内蒙古科技大学教案 同时，可以将CAN安装在卡车本体的电子控制系统里，诸如车灯组、电气车窗等等，用以代替接线配线装置。 技术规范的目的是为了在任何两个CAN仪器之间建立兼容性。可是，兼容性有不同的方面，比如电气特性和数据转换的解释

19、。为了达到设计透明度以及实现灵活性，根据ISO/OSI参考模型，CAN 2.0规范细分为以下不同的层次：数据链路层和物理层(如图所示)。 数据链路层MAC 数据链路层数据链路层数据链路层数据封装/拆装帧编码（填充/解除）LLC接收滤波超载通知恢复管理媒体访问管理串行化/解除串行化物理层PLS 位编码/解码位定时 同步错误监测出错标定应答PMA 驱动器/接收器特性MDI 连接器监控器故障界定总线故障管理CAN的分层结构和功能LLC功能：为数据传送和远程数据请求提供服务，确认有LLC子层接收报文实际已被接收和为恢复管理和通知超载提供信息MAC子层的功能：传送规则，亦即控制帧结构，执行仲裁，错误检测

20、，出错标定和故障界定。物理层功能：定义信号怎样进行发送，涉及位定时、位编码和同步描述第6次 第 7 页内蒙古科技大学教案 四、HART n HART是Highway Addressable Remote Transducer的缩写。n 最早由Rosemount公司开发并得到八十多家著名仪表公司的支持，于1993年成立了HART通信基金会。n 这种被称为可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议，其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡性产品，因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力，得到了较快发展。 n 它规定了一系列命令，按命令方式工作。它有三类命

21、令：n 第一类称为通用命令，这是所有设备都理解、执行的命令；n 第二类称为一般行为命令，所提供的功能可以在许多现场设备(尽管不是全部)中实现，这类命令包括最常用的现场设备的功能库；n 第三类称为特殊设备命令，以便在某些设备中实现特殊功能，这类命令既可以在基金会中开放使用，又可以为开发此命令的公司所独有。n 在一个现场设备中通常可发现同时存在这三类命令。 第6次 第 8 页内蒙古科技大学教案课程名称：网络与集散控制系统授课章节§2-5 主要现场总线系统目的要求掌握几种常见现场总线的系统重点难点现场总线系统一、现场总线控制系统的硬件构成：二、现场总线控制系统软件构成：1.操作系统2.网络

22、管理软件3.通信软件 4.组态软件第 7次 第1页内蒙古科技大学教案三、FF现场总线系统： IEC推荐的现场总线控制系统体系结构FF压力、流量、 高准质量流量和密度变送器液位变送器第7次 第2页内蒙古科技大学教案三、Dleta V现场总线控制系统简介Delta V系统是Fisher-Rosemount 公司在原有两套DCS（RS3、PROVOX）的基础上，依据现场总线FF标准设计出的兼容现场总线功能的全新控制系统，它充分发挥众多DCS 的优势，如系统的安全性、冗余功能、集成的用户界面、信息集成等，同时克服传统DCS的不足，具有规模灵活可变、使用简单、维护方便的特点，是代表现场总线控制系统（FC

23、S）发展趋势的新一代控制系统。 1. Delta V系统的技术特点 ：(1)系统数据结构符合FF总线标准 (2)采用OPC技术 (3)系统规模变更灵活 (4)硬件插卡即插即用 (5)采用智能设备管理系统 (6)安全管理机制加强 (7)提供远程服务 (8)流程图组态更加方便 (9)用户在任何地方均可访问系统 (10)提供多种总线接口 2.Delta V系统的构成第7次 第3页内蒙古科技大学教案Delta V系统构成.控制网络.Delta V系统工作站 Delta V系统工作站分为四种 (1)Professional Plus工作站 (2)Professional工作站 (3)操作员工作站 (4)

24、应用工作站 .I/O接口.系统软件 (1)Delta V Explorer软件 (2)Control Studio软件 (3)Graphics Studio软件 3. Delta V系统在工业生产过程控制中的应用第7次 第4页内蒙古科技大学教案（1）系统结构第7次 第5页内蒙古科技大学教案课程名称：网络与集散控制系统授课章节§3-1监控组态软件的结构目的要求掌握集散控制系统监控组态软件的结构重点难点监控组态软件的结构一、 集散控制系统的软件体系系统软件 是一组支持开发、生成、测试、运行和程序维护的工具软件 通信软件 实现DCS系统中工程师站、操作员站、控制站等设备之间 信息、控制命令

25、的传输与发送，以及与外部系统的信息交 换。 组态软件 I/O组态 常规控制方案组态 网络交换数据组态 标准画面组态 流程图登录组态 报表登录组态 语言报警组态第 8次 第1页内蒙古科技大学教案课程名称：网络与集散控制系统授课章节§3-1监控组态软件图形界面目的要求掌握集散控制系统监控组态软件的图形界面重点难点监控组态软件的图形界面一、 基本概念1命令语言2窗口3.图素也称图形对象，是组态软件中的基本元素之一。4.外部对象是指由其它Windows应用程序生成的图形或数据对象，如Active控件、Excel表格、Word文档等OLE对象。 二、图形开发环境的工作界面 1工程管理器的主要作

26、用是集中管理本机上的组态王工程。2工程浏览器3图形工具箱4图库管理器三、工艺控制流程图的组态主要知识点: 建模 变量的定义 画面的编辑与动画连接1. 建模 建模就是在对系统要求进行分析后，建立数学模型。 2.变量的定义在控制系统中，需要采用变量来存放外部设备传送来的检测信号（如水位信号），这些变量需要同外部设备进行数据交换。所以需要首先建立工程，然后进行设备配置，再建立相应的变量。第 9次 第1页内蒙古科技大学教案课程名称：网络与集散控制系统授课章节§3-4 DCS监控与组态软件的组态-画面的编辑及动画连接目的要求掌握集散控制系统监控组态软件的图形界面重点难点监控组态软件的图形界面1

27、画面的编辑以水位控制系统为例：（1）文本输入第 10次 第1页内蒙古科技大学教案（2）图素输入图库中选取水泵图素2动画连接下面是水位控制系统主画面的动画连接过程。 （1） 启动按钮的动画连接设置：（2）指示灯的动画连接设置：（3）水泵的动画连接设置：（4）水箱的动画连接设置：（5）显示文本的动画连接设置：3命令语言及控制程序编写第10次 第2页内蒙古科技大学教案课程名称：网络与集散控制系统授课章节§3-4 DCS监控与组态软件的组态-复杂图形对象的组态及应用目的要求掌握集散控制系统监控组态软件的图形界面重点难点监控组态软件的图形界面主要知识点: 趋势曲线 报表生成 报警和事件 配方管理一、趋势曲线以“水位控制系统”的实时曲线和历史曲线的设置为例，对趋势曲线做一介绍。1实时曲线实时曲线的建立是以单独画面的方式显示的。所以需要单独建立一个窗口。2历史曲线第 11次 第1页内蒙古科技大学教案图14-18 历史曲线的设置二、报表生成1实时数据报表2历史数据报表三、报警和事件1定义报警组2设置变量的报警属