集散控制系统基础知识.

1、第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识第2章集散控制系统基 础 知 识第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识 集散控制系统的体系结构集散控制系统的体系结构 集散控制系统的硬件结构集散控制系统的硬件结构 集散控制系统的软件体系集散控制系统的软件体系 集散控制系统的基本功能集散控制系统的基本功能 数据通信技术数据通信技术本章主要内容本章主要内容第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识2.1 2.1 集散控系统的体系结构集散控系统的体系结构本节内容提要本节内容提要集散控制系集散控制系统体系结构统体系结构的的特征特征纵向分层纵向分层横向分散横向分散设备分级

2、设备分级网络分层网络分层按照功能，集散按照功能，集散控制系统设备分控制系统设备分为四级为四级现场控制级现场控制级过程控制级过程控制级过程管理级过程管理级经营管理级经营管理级与四级设备与四级设备对应的四层对应的四层网络网络现场网络现场网络控制网络控制网络监控网络监控网络管理网络管理网络第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识图图2.1 集散控制系统的体系结构集散控制系统的体系结构 现场网络现场网络控制网络控制网络监控网络监控网络管理网络管理网络第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识1.现场控制级 典型的现场控制级设备典型的现场控制级设备各类各类传感器传感器各类各类变

3、送器变送器各类各类执行器执行器现场控制级设备的主要任务现场控制级设备的主要任务 完成过程完成过程数据采集与处理。数据采集与处理。 直接输出操作命令、直接输出操作命令、实现分散控制。实现分散控制。 完成与上级设备的完成与上级设备的数据通信数据通信，实现网络数据库共享。，实现网络数据库共享。第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识2.过程控制级过程控制级主要设备：过程控制级主要设备：过程控制站、数据采集站和现场总过程控制站、数据采集站和现场总线服务器线服务器等。等。过程控制站过程控制站产生控制作用。产生控制作用。可以实现可以实现反馈控制、逻辑控制、顺序控制和批量控制反馈控制、逻辑控制

4、、顺序控制和批量控制等功等功能。能。第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识数据采集站数据采集站 接收大量的非控制过程信息接收大量的非控制过程信息； 不直接完成控制功能。不直接完成控制功能。现场总线服务器现场总线服务器 一台安装了一台安装了现场总线接口卡与现场总线接口卡与DCS监控网络接口卡监控网络接口卡的计算的计算机。机。过程控制级设备的主要功能采集过程数据，进行采集过程数据，进行数据转换与处理；数据转换与处理；对生产过程进行对生产过程进行监测和控制；监测和控制；现场设备及现场设备及 I/O I/O 卡件的卡件的自诊断；自诊断；与过程管理级进行与过程管理级进行数据通信。数据通信

5、。第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识3.过程管理级过程管理级的主要设备：过程管理级的主要设备：操作站、工程师站和监控计操作站、工程师站和监控计算机算机等。等。操作站操作站 操作人员与操作人员与DCS相互交换信息的相互交换信息的人机接口设备；人机接口设备； DCS的核心的核心显示、监视、操作和管理显示、监视、操作和管理装置。装置。工程师站工程师站 对对DCS进行进行配置、组态、调试、维护配置、组态、调试、维护。监控计算机监控计算机 实现实现对生产过程的监督控制；对生产过程的监督控制； 机组机组运行优化和性能计算，先进控制策略的实现等。运行优化和性能计算，先进控制策略的实现等。

6、第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识过程管理级设备的主要功能 对生产过程进行对生产过程进行监测和控制；监测和控制； 对对DCSDCS进行进行配置、组态、调试、维护配置、组态、调试、维护 ； 对各种设计文件进行对各种设计文件进行归类和管理归类和管理 。 实现对生产过程的实现对生产过程的监督控制，故障检测和数据存档。监督控制，故障检测和数据存档。 第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识4.经营管理级 经营管理级的设备可能是经营管理级的设备可能是厂级管理计算机厂级管理计算机，也可能是，也可能是若干个若干个生产装置的管理计算机生产装置的管理计算机。厂级管理系统厂级管理

7、系统的主要功能是的主要功能是监视企业各部门的运行情监视企业各部门的运行情况。况。管理计算机管理计算机的要求是的要求是具有能够对控制系统做出高速反具有能够对控制系统做出高速反应的实时操作系统。应的实时操作系统。第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识经营管理级设备的主要功能经营管理级设备的主要功能 监视监视企业各部门的运行情况企业各部门的运行情况 ； 实时监控实时监控承担全厂性能监视、运行优化、全厂负荷分配承担全厂性能监视、运行优化、全厂负荷分配和日常运行管理等任务和日常运行管理等任务 ； 日常管理日常管理承担全厂的管理决策、计划管理、行政管理等承担全厂的管理决策、计划管理、行政管

8、理等任务任务 。第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识2.2 集散控制系统的硬件结构本节内容提要本节内容提要控制站控制站包括包括现场控制站现场控制站和数据采集和数据采集站等。站等。机柜机柜电源电源控制计算机控制计算机其他部件其他部件操作站操作站一般分为一般分为操作员站和工程操作员站和工程师站师站 。操作台操作台 微处理机系统微处理机系统图形显示设备图形显示设备 操作键盘和鼠标操作键盘和鼠标 打印输出设备等打印输出设备等冗余技术冗余技术冗余方式冗余方式：多重化多重化自动备用和手动备自动备用和手动备用。用。 冗余措施冗余措施：通信网通信网络冗余、络冗余、操作站冗操作站冗余余、现场控

9、制现场控制站站冗冗余余、电源冗余、输、电源冗余、输入入/ /输出模块冗余。输出模块冗余。 第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识2.2.1 2.2.1 现场控制站现场控制站主要设备：主要设备：现场控制单元。现场控制单元。主要任务：主要任务：进行数据采集及处理，对被控对象实施闭环反馈进行数据采集及处理，对被控对象实施闭环反馈控制、顺序控制和批量控制。控制、顺序控制和批量控制。用户可以用户可以根据不同的应用需求，选择配置不同的现场控制单根据不同的应用需求，选择配置不同的现场控制单元元以构成现场控制站。以构成现场控制站。以面向连续生产的以面向连续生产的过程控制为主，顺序逻辑控制为辅过

10、程控制为主，顺序逻辑控制为辅，构成，构成一个可以实现多种复杂控制方案的现场控制站一个可以实现多种复杂控制方案的现场控制站; 以顺序控制、联锁控制功能为主以顺序控制、联锁控制功能为主的现场控制站；的现场控制站；构成对构成对大批量过程信号进行总体信息采集大批量过程信号进行总体信息采集的现场控制站。的现场控制站。 第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识1.机柜 现场控制站机柜中央控制室机柜间机柜间机柜组有了现场控制站，生产过程控制的安全性和可靠性都很容易得到保证第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识现场控制单元多层I/O卡件箱电源单元通信接口接线端子板机柜正面（前面）

11、机柜背面（后面）现场控制站机柜第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识2.电源电源系统的可靠性措施电源系统的可靠性措施 每一个现场控制站均采用每一个现场控制站均采用双电源供电，互为冗余双电源供电，互为冗余。 采用采用超级隔离变压器超级隔离变压器，将其初级、次级线圈间的屏蔽，将其初级、次级线圈间的屏蔽层可靠接地，以克服共模干扰的影响。层可靠接地，以克服共模干扰的影响。采用采用交流电子调压器交流电子调压器，快速稳定供电电压。，快速稳定供电电压。配有配有不间断供电电源不间断供电电源 UPS，以保证供电的连续性。，以保证供电的连续性。现场控制站内各现场控制站内各功能模块所需直流电源功能模

12、块所需直流电源一般为一般为5V、15V(或或12 V)、以及、以及+24V。 第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识增加直流电源系统的稳定性措施增加直流电源系统的稳定性措施给主机供电与给现场设备供电的电源要在给主机供电与给现场设备供电的电源要在电气上隔离电气上隔离，以，以减少相互间的干扰减少相互间的干扰 。 采用采用冗余的双电源方式冗余的双电源方式给各功能模块供电。给各功能模块供电。一般由统一的主电源单元将交流电变为一般由统一的主电源单元将交流电变为 24V 直流电供给柜直流电供给柜内的直流母线，然后内的直流母线，然后通过通过 DC-DC 转换方式将转换方式将 24V 直流电直

13、流电源变换为子电源所需的电压。源变换为子电源所需的电压。主电源一般采用主电源一般采用 1:1 冗余配冗余配 置，置，而子电源一般采用而子电源一般采用 N:1 冗冗余配置。余配置。第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识3.控制计算机 控制器电源单元I/O卡件现场总线接口卡件导轨控制计算机控制计算机第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识控制计算机一般是由控制计算机一般是由 CPUCPU、存储器、输入、存储器、输入 / / 输出通道输出通道等基本部分组成。等基本部分组成。(1)CPU(1)CPU 用以实现用以实现算术运算和逻辑运算算术运算和逻辑运算。可以可以执行复杂的

14、先进控制算法执行复杂的先进控制算法，如自动整定、预测控，如自动整定、预测控制、模糊控制和自适应控制等。制、模糊控制和自适应控制等。 第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识(2)(2)存储器存储器 控制计算机的存储器分为控制计算机的存储器分为RAMRAM和和ROMROM。在控制计算机中在控制计算机中 ROM ROM 占有较大的比例占有较大的比例。由于控制计算机在正常工作时运行的是一套固定的程由于控制计算机在正常工作时运行的是一套固定的程序，序，DCS中大都采用了中大都采用了程序固化的办法。程序固化的办法。在冗余控制计算机系统中，还特别设有在冗余控制计算机系统中，还特别设有双端口随

15、机存双端口随机存储器储器RAM RAM ，其中存放有，其中存放有过程输入输出数据、设定值和过程输入输出数据、设定值和PIDPID参数等参数等。第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识(3)总线 总线是总线是将现场控制站内部各单元连接起来将现场控制站内部各单元连接起来的通信介质。的通信介质。 (4)输入/输出通道 模拟量输入模拟量输入/输出输出(AI/AO)开关量输入开关量输入/输出输出(SI/SO)数字量输入数字量输入/输出输出(DI/DO)脉冲量输入通道脉冲量输入通道 (PI) 第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识模拟量输入输出通道模拟量输入输出通道(AI/A

16、O)(AI/AO) 模拟量输入通道模拟量输入通道(AI)(AI)模拟量输入通道模拟量输入通道(AI)(AI)将来自将来自在线检测仪表和变送器在线检测仪表和变送器的的连续性模拟电信号转换成数字信号连续性模拟电信号转换成数字信号，送给送给CPUCPU进行处理。进行处理。模拟量输出通道模拟量输出通道(AO)(AO) 模拟量输出通道模拟量输出通道(AO)(AO)一般一般将计算机输出的数字信号转将计算机输出的数字信号转换为换为420mADC(420mADC(或或15VDC) 15VDC) 的连续直流信号的连续直流信号，用于，用于控制各种执行机构。控制各种执行机构。第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控

17、制系统基础知识开关量输入开关量输入/ /输出通道输出通道(SI/SO)(SI/SO) 开关量输入通道开关量输入通道(SI)(SI)主要用来采集各种主要用来采集各种限位开关、限位开关、继电器继电器 或电磁阀连动触点的开、关状态或电磁阀连动触点的开、关状态，并输入至计，并输入至计算机。算机。开关量输出通道开关量输出通道(SO)(SO)主要用于控制主要用于控制电磁阀、继电器、电磁阀、继电器、指示灯、声光报警器指示灯、声光报警器等只具有开、关两种状态的设备。等只具有开、关两种状态的设备。脉冲输入通道脉冲输入通道(PI)(PI) 脉冲输入通道脉冲输入通道(PI)(PI)将将现场仪表（如涡轮流量计现场仪表

18、（如涡轮流量计等）输出的为脉冲信号等）输出的为脉冲信号处理后送入计算机。处理后送入计算机。 第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识2.2.2 2.2.2 操作站操作站嵌入型台式操作站 桌面型操作站信息报警站工程师站 控制站 显示器 标准键盘 主机 操作站主机柜 工作台 中央控制室设备中央控制室设备第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识 DCS DCS 操作站一般分为操作站一般分为操作员站和工程师站操作员站和工程师站两种两种。工程师站主要是工程师站主要是技术人员与控制系统的人机接口技术人员与控制系统的人机接口，可以，可以对应用系统进行监视。对应用系统进行监视。工程

19、师站为用户提供了一个灵活的、功能齐全的工作平工程师站为用户提供了一个灵活的、功能齐全的工作平台，台，通过组态软件来实现用户所要求的各种控制策略通过组态软件来实现用户所要求的各种控制策略。有些小型有些小型DCSDCS的的工程师站可以用一个操作员站代替工程师站可以用一个操作员站代替。 第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识 操作台操作台 微处理机系统微处理机系统 外部存储设备外部存储设备 图形显示设备图形显示设备 操作键盘和鼠标操作键盘和鼠标 打印输出设备打印输出设备DCS DCS 操作站主要设备操作站主要设备操作站设备操作站设备第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知

20、识2.2.3 2.2.3 冗余技术冗余技术1. 1. 冗余方式冗余方式冗余技术冗余技术多重化自动备用多重化自动备用简易的手动备用简易的手动备用后退运转后退运转同步运转同步运转待机运转待机运转第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识同同 步步 运运 转转双重化配置双重化配置输入输入输出输出输入输入输出输出三重化配置三重化配置第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识同步运转方式同步运转方式让两台或两台以上的设备或部件同步运行，进行相同让两台或两台以上的设备或部件同步运行，进行相同的处理，并的处理，并将其输出进行核对将其输出进行核对。两台设备同步运行，两台设备同步运行，只

21、有当它们的输出一致时，才作只有当它们的输出一致时，才作为正确的输出，为正确的输出，这种系统称为这种系统称为“双重化系统双重化系统”(Dual System)。三台设备同步运行，三台设备同步运行，将三台设备的输出信号进行比较，将三台设备的输出信号进行比较，取两个相等的输出作为正确的输出值，取两个相等的输出作为正确的输出值，这就是设备的这就是设备的三重化设置，三重化设置，第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识待机运转方式待机运转方式同时配备两台设备，同时配备两台设备，使一台设备处于待机备用状态。使一台设备处于待机备用状态。当工作设备发生故障时，启动待机设备来保证系统正当工作设备发生

22、故障时，启动待机设备来保证系统正常运行。这种方式称为常运行。这种方式称为1:1 的备用方式的备用方式。对于对于N台同样设备，采用一台待机设备的备用方式就称台同样设备，采用一台待机设备的备用方式就称为为 N:1 备用备用。待机运行方式是待机运行方式是 DCS 中主要采用的冗余技术中主要采用的冗余技术。第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识后退运转方式后退运转方式使用多台设备，在正常运行时，使用多台设备，在正常运行时，各自分担各种功能运各自分担各种功能运行行。当其中之一发生故障时，其他设备当其中之一发生故障时，其他设备放弃其中一些不重放弃其中一些不重要的功能，进行互相备用要的功能，

23、进行互相备用。第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识简易的手动备用方式简易的手动备用方式采用采用手动操作手动操作方式实现对方式实现对自动控制自动控制方式的方式的备用备用。当当自动方式自动方式发生发生故障时故障时，通过，通过切换成手动工作方式切换成手动工作方式，来保持系统的控制功能。来保持系统的控制功能。 第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识2.冗余措施 通信网络的冗余：通信网络的冗余：采用采用一备一用一备一用的配置的配置。操作站操作站的的冗余冗余：采用采用工作冗余工作冗余的方式的方式。现场控制现场控制站的站的冗余冗余：有的采用有的采用 1:1 冗余冗余，也有的

24、采用也有的采用N:1 冗余冗余。采用无中断自动切换方式采用无中断自动切换方式。电源的冗余：电源的冗余：除了除了 220V 交流供电外交流供电外，还还采用采用了了镍镉镍镉电电池、铅钙电池以及干电池池、铅钙电池以及干电池等多级掉电保护措施。等多级掉电保护措施。输入输入/输出模块的冗余：部分输出模块的冗余：部分重要卡件重要卡件采用采用 1:1 冗余冗余。DCS软件软件还采用了还采用了信息冗余技术信息冗余技术。第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识2.3 集散控制系统的软件体系本节内容提要本节内容提要系统软件系统软件实时多任务操作系统实时多任务操作系统面向过程的编程语言面向过程的编程语

25、言工具软件工具软件应用软件应用软件通信管理软件通信管理软件组态生成软件组态生成软件诊断软件诊断软件第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识2.3.1 2.3.1 集散控制系统的系统软件集散控制系统的系统软件集散控制系统的系统软件集散控制系统的系统软件一组支持一组支持开发、生成、测试、运行和维护程序开发、生成、测试、运行和维护程序的工具的工具软件。软件。操作系统操作系统用来用来控制控制计算机系统中计算机系统中用户程序的执行顺序。用户程序的执行顺序。为用户程序与系统硬件为用户程序与系统硬件提供接口软件。提供接口软件。允许这些允许这些程序程序 ( 包括系统程序和用户程序包括系统程序和用

26、户程序 ) 之间交换信之间交换信息。息。 第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识2.3.2 2.3.2 集散控制系统的组态软件集散控制系统的组态软件在实时工业计算机系统中，在实时工业计算机系统中，应用程序应用程序用来用来完成功能规范完成功能规范中所规定的功能。中所规定的功能。DCS组态（或组态设计）组态（或组态设计）根据根据实际生产过程控制的需要实际生产过程控制的需要，预先将预先将DCS所提供的硬所提供的硬件设备和软件功能模块组织起来件设备和软件功能模块组织起来，以完成特定的任务。，以完成特定的任务。DCS组态组态硬件组态硬件组态软件组态软件组态第第2 2章集散控制系统基础知识

27、章集散控制系统基础知识2.4 集散控制系统的基本功能本节内容提要本节内容提要控制站的基本功能控制站的基本功能 反馈控制反馈控制逻辑控制逻辑控制顺序控制顺序控制批量控制批量控制数据采集与处理数据采集与处理数据通信数据通信操作站的基本功能操作站的基本功能 显示显示操作操作报警报警组态组态系统维护系统维护报告生成报告生成 自诊断功能自诊断功能 离线自诊断离线自诊断 在线自诊断在线自诊断 显示故障代码显示故障代码定位定位故障卡故障卡件件 第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识1.反馈控制2.4.1 2.4.1 现场控制站的基本功能现场控制站的基本功能反馈控制反馈控制输入处理输入处理控制

28、运算控制运算回路组态回路组态输出处理输出处理报警处理报警处理反馈控制功能分布图反馈控制功能分布图第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识(1)(1)输入信号处理输入信号处理模拟输入信号处理模拟输入信号处理合理性检验合理性检验零偏零偏修修正正 规格化规格化 工程量变换工程量变换 非线性非线性处理处理 开方开方运算运算 补偿运算补偿运算 脉冲序列的瞬时值变换及累计脉冲序列的瞬时值变换及累计第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识对于对于数字信号数字信号状态报警及输出方式处理。状态报警及输出方式处理。对对于于脉冲序列脉冲序列瞬时值变换及累积计算瞬时值变换及累积计算。 第第

29、2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识报警类型报警类型报警限值报警限值 报警优先级报警优先级 报警优先级参数报警优先级参数 报警链中断参数报警链中断参数 最高报警选择参数最高报警选择参数 (2)(2)报警处理报警处理第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识(3)(3)控制运算控制运算常规常规 PID 微分先行微分先行PID积分分离积分分离开关控制开关控制时间比例式开关控制时间比例式开关控制信号选择信号选择比率设定比率设定常 用 算 法时间程序设定时间程序设定 Smith 预估控制预估控制多变量解耦控制多变量解耦控制一阶滞后运算一阶滞后运算超前超前-滞后运算滞后运算其他

30、运算等其他运算等第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识(4) 控制回路组态根据控制策略的需要，根据控制策略的需要，将一些功能模块通过软件连接将一些功能模块通过软件连接起来起来，构成检测回路或控制回路。，构成检测回路或控制回路。温度与压力串级控制系统回路组态图温度与压力串级控制系统回路组态图第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识(5)输出信号处理输出开路检验输出开路检验输出上下限检验输出上下限检验输出变化率限幅输出变化率限幅模拟输出模拟输出开关输出开关输出脉冲宽度输出脉冲宽度输出 第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识2.逻辑控制根据输入变量的状态

31、，根据输入变量的状态，按逻辑关系进行的控制按逻辑关系进行的控制。在在DCS中，由中，由逻辑功能模块逻辑功能模块实现逻辑控制功能。实现逻辑控制功能。逻 辑 控 制 功 能与与 ( AND )或或 ( OR )非非 ( NO )异或异或 ( XOR )连接连接 ( LINK )进行延时进行延时 ( ON DELAY )停止延时停止延时 ( OFF DELAY )触发器触发器 ( FLIP - FLOP) 脉冲脉冲 ( PULSE )第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识3.顺序控制顺序控制：顺序控制：按按预定预定的动作顺序的动作顺序或逻辑或逻辑，依次执行各阶，依次执行各阶段动作程序

32、段动作程序。顺序控制中可以顺序控制中可以兼用反馈控制、逻辑控制和输入兼用反馈控制、逻辑控制和输入 / 输出输出监视监视等功能。等功能。实现顺序控制的常用方法实现顺序控制的常用方法顺序表法顺序表法程序语言方式程序语言方式梯形图法梯形图法第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识顺序表法顺序表法将控制顺序按逻辑关系和时间关系将控制顺序按逻辑关系和时间关系预先编成顺序记录预先编成顺序记录，存储于管理文件中存储于管理文件中，然后逐项执行然后逐项执行。程序语言方式程序语言方式通过语言编程来实现顺序控制通过语言编程来实现顺序控制。梯形图法梯形图法（梯形逻辑控制语言梯形逻辑控制语言）由继电器逻辑

33、电路图演变而来的一种由继电器逻辑电路图演变而来的一种解释执行程序解释执行程序的的设设计语言计语言。随着随着 DCS 的发展的发展，已出现了已出现了梯形逻辑与连续控制算法梯形逻辑与连续控制算法相结合相结合的复合控制功能。的复合控制功能。 第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识4.批量控制根据工艺要求，将根据工艺要求，将反馈控制与逻辑、顺序控制结合起反馈控制与逻辑、顺序控制结合起来来，使一个间歇式生产过程得到合格产品的控制。，使一个间歇式生产过程得到合格产品的控制。反馈控制的报警信号反馈控制的报警信号回路状态信号回路状态信号模拟信号的比较、判断、运算结果模拟信号的比较、判断、运算结

34、果顺序控制的条件信号顺序控制的条件信号第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识回路的切换回路的切换参数的变更参数的变更设定值的调整设定值的调整控制算法的变更控制算法的变更控制方案的变更控制方案的变更由顺序控制转换为反馈控制的条件由顺序控制转换为反馈控制的条件第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识5.辅助功能(1)控制方式选择手动手动( MAN ) 自动自动( AUT ) 串级串级( CAS ) 计算机计算机( COMP ) (2)测量值跟踪在手动方式时，使本回路的设定值不再保持原来的值，在手动方式时，使本回路的设定值不再保持原来的值，而跟踪测量值。而跟踪测量值。第

35、第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识(3)输出值跟踪在手动方式时，使内存单元中在手动方式时，使内存单元中 PID 输出值跟踪手操输输出值跟踪手操输出值。出值。从手动切换到自动时，从手动切换到自动时，内存单元中的自动输出数值与内存单元中的自动输出数值与手操输出值相等，手操输出值相等，切换是无扰动的。切换是无扰动的。 在自动方式时，在自动方式时，手操器的输出值手操器的输出值是始终是始终跟踪跟踪控制器的控制器的自动输出值自动输出值的。的。从自动切换到手动时，从自动切换到手动时，手操器的输出值与手操器的输出值与PID的输出值的输出值相等，相等，切换是无扰动的。切换是无扰动的。 第第2

36、2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识2.4.2 2.4.2 操作站的基本功能操作站的基本功能操作站的操作站的基本功能基本功能显示显示报警报警系统维护系统维护报告生成报告生成操作操作系统组态系统组态操作站的基本功能分布图操作站的基本功能分布图第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识2.4.32.4.3自诊断功能自诊断功能在在系统投运前系统投运前，用用离线诊断程序检查离线诊断程序检查各部分各部分的的工作状态工作状态。系统运系统运行行中中，各设备不断执行各设备不断执行在线自诊断程序在线自诊断程序。一旦发现错误一旦发现错误，立，立即切换到备用设备即切换到备用设备；同时经过通信网

37、络在显示器上同时经过通信网络在显示器上显示出故障代码，显示出故障代码，等待及时等待及时处理处理；故障代码可以故障代码可以定位到定位到卡卡件件板板，用户只需及时用户只需及时更换卡更换卡件件。 第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识2.5 数据通信技术本节内容提要本节内容提要通信系统的组成通信系统的组成 通信类型通信类型 传输方式传输方式 串行传输与并行传输串行传输与并行传输 基带传输与宽带传输基带传输与宽带传输异步传输与同步传输异步传输与同步传输 传输速率传输速率 信息编码信息编码 数据交换方式数据交换方式1. 1.数数 据据 通通 信信 原原 理理 第第2 2章集散控制系统基础

38、知识章集散控制系统基础知识局部网络的概念局部网络的概念 局部网络拓扑结构局部网络拓扑结构 传输介质传输介质 网络控制方法网络控制方法 差错控制技术差错控制技术 2. 2. 通通 信信 网网 络络3. 3.通信协议通信协议通信协议的概念通信协议的概念 开放系统互连参考模型开放系统互连参考模型第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识传输速率传输速率 信息编码信息编码 数据交换方式数据交换方式 现场总线的国际标准现场总线的国际标准 现场总线通信模型现场总线通信模型 现场总线的网络拓扑结构现场总线的网络拓扑结构 HART总线简介总线简介 4. 4.现场总线简介现场总线简介 第第2 2章集

39、散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识2.5.1 2.5.1 数据通信原理数据通信原理数据通信数据通信计算机或其他数字装置与通信介质相结合，实现计算机或其他数字装置与通信介质相结合，实现对数对数据信息的传输、转换、存储和处理据信息的传输、转换、存储和处理的通信技术。的通信技术。在在DCS中，各单元之间的数据信息传输就是通过数据中，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。通信系统完成的。通信通信用特定的方法，通过某种介质用特定的方法，通过某种介质将信息从一处传输到另将信息从一处传输到另一处的过程。一处的过程。 第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识1.数据通信系统的

40、组成通信系统组成通信系统组成信号信号发送装置发送装置接收装置接收装置信道信道通信协议通信协议图图2.2 通信系统模型通信系统模型第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识(1)(1)信号信号 ( (报文报文) )需要传送的数据，由需要传送的数据，由文本、数字、图片或声音文本、数字、图片或声音等及其等及其组合组成。组合组成。(2)(2)发送装置发送装置 具有作为二进制数据源的能力，任何具有作为二进制数据源的能力，任何能够产生和处理能够产生和处理数据的设备数据的设备。(3)(3)接收装置接收装置 能够接收模拟或数字形式数据的任何功能的设备能够接收模拟或数字形式数据的任何功能的设备。第第

41、2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识(4)(4)信道信道 信道信道发送装置与接收装置之间的发送装置与接收装置之间的信息传输通道信息传输通道。信道包括信道包括传输介质传输介质和有关的和有关的中间设备中间设备。常用的传输介质常用的传输介质双绞线双绞线同轴电缆同轴电缆光缆光缆无线电波无线电波微波微波第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识(5)(5)通信协议通信协议 通信协议是控制数据通信的一组通信协议是控制数据通信的一组规则、约定与标准规则、约定与标准。通信协议定义了通信协议定义了通信的内容、格式，通信如何进行、通信的内容、格式，通信如何进行、何时进行何时进行等。等。发

42、送装置把要发送的信息送上信道，再经过信道将信发送装置把要发送的信息送上信道，再经过信道将信息传输到接收装置。息传输到接收装置。信息在传输过程中会受到来自通信系统内外干扰的影信息在传输过程中会受到来自通信系统内外干扰的影响。响。通信过程通信过程第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识2. 通信类型模拟通信模拟通信以以连续模拟信号传输信息连续模拟信号传输信息的通信方式。的通信方式。数字通信数字通信将将数字信号进行传输数字信号进行传输的通信方式。的通信方式。数据信息数据信息具有一定具有一定编码、格式和字长编码、格式和字长的数字信息。的数字信息。通信类型通信类型模拟通信模拟通信数字通信数

43、字通信第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识3.传输方式(l)(l)单工方式单工方式 信息只能沿一个方向传输，而不能沿相反方向传输。信息只能沿一个方向传输，而不能沿相反方向传输。(2)(2)半双工方式半双工方式 信息可以沿着两个方向传输，但在指定时刻，信息只能信息可以沿着两个方向传输，但在指定时刻，信息只能沿一个方向传输。沿一个方向传输。(3)(3)全双工方式全双工方式 信息可以同时沿着两个方向传输。信息可以同时沿着两个方向传输。 传输方式传输方式单工单工全双工全双工半双工半双工第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识图图2.3 信息传输方式信息传输方式第第2 2

44、章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识4.串行传输与并行传输(1)(1)串行传输串行传输数据数据逐位依次逐位依次在信道上进行传输的方式。在信道上进行传输的方式。(2)(2)并行传输并行传输数据数据多位同时多位同时在信道上进行传输的方式。在信道上进行传输的方式。在在DCS中，数据通信网络几乎全部采用中，数据通信网络几乎全部采用串行传输串行传输方式。方式。 第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识图2.4 串行传输与并行传输(a)串行传输；(b)并行传输 第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识5. 基带传输与宽带传输(1)(1)基带传输基带传输 基带：电信号所固

45、有的频带。基带：电信号所固有的频带。基带传输：直接基带传输：直接将电脉冲信号原样进行传输将电脉冲信号原样进行传输。(2)(2)宽带传输宽带传输 载带传输：在信道上传输调制信号。载带传输：在信道上传输调制信号。宽带传输：实现多路信号同时传输。宽带传输：实现多路信号同时传输。第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识6.异步传输与同步传输在异步传输中，信息在异步传输中，信息以字符为单位以字符为单位进行传输。进行传输。每个信息字符都具有自己的每个信息字符都具有自己的起始位和停止位起始位和停止位。一个字符中的一个字符中的各个位是同步的各个位是同步的，但字符与字符之间的，但字符与字符之间的时

46、间间隔是不确定的。时间间隔是不确定的。在同步传输中，信息是在同步传输中，信息是以数据块为单位以数据块为单位进行传输的。进行传输的。通信系统中有专门用来使发送装置和接收装置保持同通信系统中有专门用来使发送装置和接收装置保持同步的步的时钟脉冲时钟脉冲，使两者以同一频率连续工作，并且保，使两者以同一频率连续工作，并且保持一定的相位关系。持一定的相位关系。第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识7.传输速率信息传输速率又称为比特率，是指信息传输速率又称为比特率，是指单位时间内通信系统单位时间内通信系统所传输的信息量所传输的信息量。比特率一般以每秒钟所能够传输的比特数来表示，记为比特率一般

47、以每秒钟所能够传输的比特数来表示，记为Rb。信息传输速率的单位是信息传输速率的单位是比特比特/秒，记为秒，记为 bit/s 或或 bps。 第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识8.信息编码信息在通过通信介质进行传输前必须信息在通过通信介质进行传输前必须先转换为电磁信先转换为电磁信号。号。将信息转换为信号将信息转换为信号需要对信息进行编码。需要对信息进行编码。数字数字-模拟编码模拟编码：用模拟信号表示数字信息的编码。：用模拟信号表示数字信息的编码。在模拟传输中，发送设备产生一个高频信号作为基波，在模拟传输中，发送设备产生一个高频信号作为基波，来承载信息信号。来承载信息信号。移动

48、键控移动键控：将信息信号调制到载波信号上，这种形式：将信息信号调制到载波信号上，这种形式的改变称为调制的改变称为调制 ( 移动键控移动键控 )，信息信号被称为调制信，信息信号被称为调制信号。号。第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识数字信息是通过数字信息是通过改变载波信号的一个或多个特性改变载波信号的一个或多个特性 ( 振幅、振幅、频率或相位频率或相位 )来实现编码的。来实现编码的。载波信号是正弦波信号，它有三个描述参数，载波信号是正弦波信号，它有三个描述参数，即振幅、即振幅、频率和相位，频率和相位，所以相应地也有三种调制方式，即所以相应地也有三种调制方式，即调幅方调幅方式、调

49、频方式和调相方式。式、调频方式和调相方式。编码方法编码方法幅移键控幅移键控相移键控相移键控频移键控频移键控第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识(1)(1)幅移键控法幅移键控法(Amplitude Shift Keying ，ASK) 用调制信号的用调制信号的振幅变化振幅变化来表示二进制数。来表示二进制数。例如用高振幅表示例如用高振幅表示 1，用低振幅表示，用低振幅表示 0，如图，如图 2.5(a) 所示。所示。(2)(2)频移键控法频移键控法(Frequency Shift Keying ，FSK) 用调制信号的用调制信号的频率变化频率变化来表示二进制数的。来表示二进制数的。

50、例如用高频率表示例如用高频率表示 1，用低频率表示，用低频率表示 0，如图，如图 2.5(b) 所示。所示。(3)(3)相移键控法相移键控法(Phase shift keying ，PSK ) 用调制信号的用调制信号的相位变化相位变化来表示二进制数。来表示二进制数。例如用例如用0相位表示相位表示 0，用，用 180相位表示相位表示 1，如图，如图 2.5(c) 所所示。示。 第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识图图2.5 三种调制方式三种调制方式第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识9.数据交换方式数据交换方式数据交换方式线路交换线路交换报文分组交换报文分组交

51、换报文交换报文交换第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识(1)(1)线路交换方式线路交换方式通信过程通信过程线路建立线路建立数据通信数据通信线路拆除线路拆除两个节点之两个节点之间，事先建间，事先建立起一条实立起一条实际的物理连际的物理连接。接。在这条实际在这条实际的物理连接的物理连接上交换数据。上交换数据。数据交换完数据交换完成之后再拆成之后再拆除物理连接。除物理连接。第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识(2)(2)报文交换方式（存储转发方式）报文交换方式（存储转发方式）经由中间节点的经由中间节点的存储转发功能存储转发功能来实现数据交换。来实现数据交换。报文交

52、换方式交换的基本数据单位是报文交换方式交换的基本数据单位是一个完整的报文一个完整的报文；源地址源地址数据数据控制信息控制信息目的目的地址地址报文的组成报文的组成(3)(3)报文分组交换方式报文分组交换方式 基本数据单位是一个基本数据单位是一个报文分组报文分组。报文分组是一个完整的报文报文分组是一个完整的报文按顺序分割按顺序分割开来的比较短开来的比较短的数据组。的数据组。第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识2.5.2 2.5.2 通信网络通信网络计算机网络计算机网络把分布在不同地点且具有独立功能的把分布在不同地点且具有独立功能的多个计算机系统多个计算机系统通过通信设备和介质通过

53、通信设备和介质连接起来连接起来，在功能完善的网络软，在功能完善的网络软件和协议的管理下，以实现网络中的件和协议的管理下，以实现网络中的资源共享资源共享。DCS的通信网络的通信网络实质实质上上 就是计算机网络。就是计算机网络。 第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识1.局部网络的概念局部区域网络局部区域网络 (Local Area Network(Local Area Network，LAN)LAN)一种一种分布在有限区域内分布在有限区域内的计算机网络。的计算机网络。将分布在不同地理位置上的将分布在不同地理位置上的多个具有独立工作能力的计多个具有独立工作能力的计算机系统连接起来，

54、算机系统连接起来，并配置了网络软件的一种网络。并配置了网络软件的一种网络。用户能够用户能够共享网络中的所有硬件、软件和数据共享网络中的所有硬件、软件和数据等资源。等资源。 第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识2.局部网络拓扑结构网络拓扑结构网络拓扑结构网络节点互连的方法。网络节点互连的方法。网络拓扑结构类型网络拓扑结构类型星型星型环型环型总线型总线型树型树型菊花链菊花链第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识(1)(1)星型结构星型结构每一个节点都通过一条链路每一个节点都通过一条链路连接到中央节点上。连接到中央节点上。任何两个节点之间的通信都任何两个节点之间的通

55、信都要经过中央节点。要经过中央节点。在中央节点中，有一个在中央节点中，有一个“智智能能”开关装置，用来接通开关装置，用来接通两个节点之间的通信路径。两个节点之间的通信路径。中央节点的构造比较复杂，中央节点的构造比较复杂，一旦发生故障，整个通信一旦发生故障，整个通信系统就要瘫痪。系统就要瘫痪。图图2.6 星型拓扑结构星型拓扑结构 第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识(2)(2)环型结构环型结构所有的节点通过链路组成一个所有的节点通过链路组成一个封闭的环路封闭的环路。需要发送信息的节点将信息送需要发送信息的节点将信息送到环上，到环上，信息在环上只能按信息在环上只能按某一确定的方向

56、传输某一确定的方向传输。当信息到达接收节点时，该节当信息到达接收节点时，该节点点识别信息识别信息中的目的地址。中的目的地址。若与自己的地址相同，就将若与自己的地址相同，就将信信息取出息取出，并加上确认标记，并加上确认标记，以便由发送节点清除。以便由发送节点清除。图图2.7 环型拓扑结构环型拓扑结构第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识(3)(3)总线型结构总线型结构所有的工作站都通过相所有的工作站都通过相应的硬件接口直接接到应的硬件接口直接接到总线上。总线上。所有的节点都共享一条所有的节点都共享一条公用的传输线路。公用的传输线路。每次只能由一个节点发每次只能由一个节点发送信息。

57、送信息。信息由发送它的节点向信息由发送它的节点向两端扩散。两端扩散。 图图2.8 总线型拓扑结构总线型拓扑结构第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识(4)(4)树型结构树型结构树型拓扑形状像一棵倒置的树，顶端有一个带分支的树型拓扑形状像一棵倒置的树，顶端有一个带分支的根，每个分支还可延伸出子分支。根，每个分支还可延伸出子分支。当节点发送信息时，根接收该信息，然后再重新广播当节点发送信息时，根接收该信息，然后再重新广播发送到全网。发送到全网。第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识图图2.9 树型拓扑结构树型拓扑结构 第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基

58、础知识(5)(5)菊花链型结构菊花链型结构用一个网段分别连接两个节点的联接器。用一个网段分别连接两个节点的联接器。多个节点的联接器依次互连，从而形成一个链状通信多个节点的联接器依次互连，从而形成一个链状通信网络。网络。 图图2.10 菊花链型拓扑结构菊花链型拓扑结构第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识3.传输介质 传输介质是通信网络传输介质是通信网络的物质基础。的物质基础。常见传输介质常见传输介质双绞线双绞线同轴电缆同轴电缆光缆光缆常见常见传输介质传输介质双绞线双绞线光缆光缆同轴电缆同轴电缆第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识(1)(1)双绞线双绞线 双绞线

59、是双绞线是由两条相互绝由两条相互绝缘的导体扭绞而成缘的导体扭绞而成的线对。的线对。在线对的外面常有在线对的外面常有金属金属箔组成的屏蔽层箔组成的屏蔽层和专用的和专用的屏蔽线，屏蔽线，当传输距离比较远时，当传输距离比较远时，其其传输速率传输速率受到限制，一受到限制，一般不超过般不超过 10 Mbps。 屏蔽双绞线屏蔽双绞线结构图结构图第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识(2)(2)同轴电缆同轴电缆 同轴电缆由同轴电缆由内导体、中间绝缘层、外导体和外绝缘层内导体、中间绝缘层、外导体和外绝缘层构成。构成。信号通过内导体和外导体传输。信号通过内导体和外导体传输。外导体外导体一般是接地

60、的，一般是接地的，起屏蔽作用。起屏蔽作用。第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识基带同轴电缆基带同轴电缆 (如如 50同轴电缆同轴电缆 )用于基带传输。用于基带传输。宽带同轴电缆宽带同轴电缆 (如如75电视天线电缆电视天线电缆)用于宽带传输。用于宽带传输。同轴电缆的同轴电缆的数据传输速率、传输距离、可支持的节点数、数据传输速率、传输距离、可支持的节点数、抗干扰等性能优于双绞线抗干扰等性能优于双绞线，成本也高于双绞线，但低于，成本也高于双绞线，但低于光纤。光纤。第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识(3)(3)光缆光缆 光缆的光缆的内芯内芯是由是由二氧化硅拉制成二