第十二章计算机控制技术及其应用

1、第十二章 DCS与FCS,本章要点: 1.DCS的基本概 、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 。 3. DCS 与FCS的几种典型产品。,返回总目录,本章主要内容,引 言 12.1 DCS体系结构 12.2 DCS功能特点 12.3 DCS产品简介 12.4 FCS体系结构 12.5 FCS功能特点 12.6 FCS产品简介,引 言,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。 特点设计遵循控制功能分散、操作管理集中的原则 历史-1975年美国霍尼韦尔公司成功推出世界上第一套DCS 以来，产品几经更新换代，技术性能日趋完善。二十几年来，DCS首当其

2、冲地成为大型工业生产过程的主流控制系统。 现场总线控制系统FCS-基于计算机总线的综合控制系统 特点-它代表的是一种数字化网络化到现场、控制管理到现场的发展方向。实时性、通信性好 发展前景-成为当今世界范围内自动控制系统的热点,12.1 DCS体系结构,主要知识点 前言 12.1.1 分散过程控制级 12.1.2 集中操作监控级 12.1.3 综合信息管理级 12.1.4 通信网络系统,图12-1分散控制系统体系结构,前言 典型的DCS体系结构分为三层，第一层为分散过程控制级；第二层为集中操作监控级；第三层为综合信息管理级。层间由高速数据通路HW和局域网络LAN两级通信线路相连，级内各装置之间

3、由本级的通信网络进行通信联系。,12.1.1 分散过程控制级,分散过程控制级-是DCS的基础层,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、电机等）. 功能数据采集、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。 构成装置有现场控制站，可编程控制器，智能调节器及其它测控装置。,现场控制站具有多种功能集连续控制、顺序控制、批量控制及数据采集功能为一身。 （1）现场控制站的硬件构成 系统结构如图所示。组成基本控制单元、通信模块 基本控制单元由一个

4、完成控制或数据处理任务的处理器模件、IO模件 通信基本控制单元之间，通过控制网络Cnet 连接在一起； 基本控制单元与上微机之间通过通信模块同监控网络Snet互传信息； 基本控制单元内部通信通过内部总线完成；,1 . 现场控制站,（ 2）现场控制站的软件功能 数据采集功能：对过程参数，主要是各类传感变送器的模拟信号进据采集、变 换、处理、显示、存储、趋势曲线显示、事故报警等。DDC控制功能：包括接受现场的测量信号，进而求出设定值与测量值的偏差，并 对偏差进行PID控制运算，最后求出新的控制量，并将此控制量 转换成相应的电流送至执行器驱动被控对象。顺序控制功能：通过来自过程状态输入输出信号和反馈

5、控制功能等状态信号，按 预先设定的顺序和条件，对控制的各阶段进行顺序控制。信号报警功能：对过程参数设置上限值和下限值，若超过上限或下限则分别进行 越限报警；对非法的开关量状态进行报警；对出现的事故进行 报警。信号的报警是以声音/光或CRT屏幕显示颜色变化来表示。打印报表功能：定时打印报表；随机打印过程参数；事故报表的自动记录打印。数据通信功能：完成分散过程控制级与集中操作监控之间的信息交换。,2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。组成由微处理器CPU、存储器RAM、ROM、模拟量和数字量I/0 通道、电源等部分组成的一个微型计算机系统。 输入信号420mA模拟量信

6、号和开关量信号； 通信具有RS232或RS-485等串行通信接口； 功能一般有单回路、2回路、或4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 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； 控制方式除一般的单回路PID之外，还可组成串级控制、前馈 控制等复杂回路。 3可编程控制器 特点-开关量输人、输出通道，用于执行顺序控制功能,12.1.2 集中操作监控级 集中操作监控级主要任务：把过程参数的信息集中化，对各个现场控制站的数据进行收集，并通过简单的操作，进行工程量的显示、各种工艺流程图的显示、趋势曲线的显示以及改变过程参数（

7、如设定值、控制参数、报警状态等信息）；另一个任务是兼有部分管理功能：进行控制系统的组态与生成。 构成这一级的主要装置有：操作员操作站、工程师操作站、监控计算机及层间网络联接器。,1操作员操作站 硬件组成 IPC（常用）或工作站、工业键盘、大屏幕图形显 示器和操作控制台组成。 操作员站的功能主要是指正常运行时的工艺监视和运行操 作，主要由总貌画面、分组画面、点画面、 流程图画面、趋势曲线画面、报警显示画面 及操作指导画面等7种显示画面构成 2工程师操作站 工程师站的硬件计算机也多采用IPC、其它外设一般采用普通 的标准键盘、图形显示器，打印机等 功能组态功能：对DCS进行离线的配置和组态工作 监

8、督功能：对DCS本身的运行状态进行监视,12.1.3 综合信息管理级 构成由高档微机或小型机担当的管理计算机构成。 DCS综合信息管理级实际上是一个管理信息系统（Management lnformation System，简称MIS），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化综合服务体系和办公自动化系统。 功能完成生产管理和经营管理功能。,12.1.4 通信网络系统 DCS通信网络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。 分类分为星型、总线型和环型结构三种。后两种常用 特点

9、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，以充分利用各网络结构的优点。,12.2 DCS功能特点 由于DCS是多层体系结构，每层的硬件组成及其完成功能不同，因而相应的软件系统也会不同。处于高层的DCS综合信息管理级是一个以数据处理为中心的管理信息系统，而从自动控制的角度出发，更关心用于底层与中间层的软件系统，它主要包括控制软件包、操作显示软件包等。,主要知识点 12.2.1 DCS的软件 12.2.2 DCS的特点,12.2.1 DCS的软件 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制的功能，包括数据采集和处理、控制算法、常用运算公式和控制输出等功能模块。 软件平

10、台有图形化编程、文本化语言、面向问题的语言、和 通用的高级语言（又分VB、VC等）等多种。 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人-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、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。 软件平台LABVIEW,组态王，力控等,12.2.2 DCS的特点 1硬件积木化 DCS采用积木化硬件组装式结构，如果要扩大或缩小系统的规模，只需按要求在系统配置中增加或拆除部分单元，而系统不会受到任何影响。2软件模块化 DCS为用户提供了丰富的

11、功能软件，用户只需按要求选用即可，大大减少了用户的开发工作量。3通信网络的应用 通信网络是DCS的神经中枢，它将物理上分散的多台计算机有机地连接起来，实现了相互协调、资源共享的集中管理。通过高速数据通信线，将现场控制站、操作员站、工程师站、监控计算机、管理计算机连接起来，构成多级控制系统。4.可靠性高 DCS的可靠性高，体现在系统结构、冗余技术、自诊断功能、抗干扰措施和高性能的部件。,12.3 DCS产品简介,当前在我国应用较多的DCS产品，其中典型的产品有： TDC-3000、 I/AS、 SUPCON JX300,12.3.1 TDC-3000,主要知识点 1系统结构 2主要组成 3功能特

12、点,1系统结构 Honeywell公司TDC-3000的系统结构如图所示，TDC-3000主干网络称为局部控制网络（Local Control Network，即LCN），在LCN上可以挂接通用操作站、历史模件、应用模件、存档模件、各种过程管理站及各种网关接口。TDC-3000的下层网称为通用控制网络（Universal Control Network，即UCN），在UCN上连接各种I/O与控制管理站。为了与Honeywell公司老的产品Data Hi-way相兼容，在LCN上设有专门的接口模块Hiway，在其Data Hi-way上可以接有操作员站、现场I/O控制站等。,2主要组成 通用操作

13、站（UniVersal Station，US）完成人-机接口功能，由监视器和带有用户定义的功能键盘组成。 历史模件（History Module，HM）收集和存储包括常规报告、历史事件和操作记录在内的过程历史 存档模件（Archive Replay Module，ARM） 完成数据存取、数据分析功能。 应用模件（Application Module，AM）完成高级控制策略，进行复杂的运算控制。 过程管理站（Process Manager，PM）提供常规控制、顺序控制、逻辑控制、计算机控制以及结合不同控制的综合控制功能。 高级过程管理站（Advaced Process Manager，APM）提

14、供马达控制、事件顺序记录、扩充的批量和连续量过程处理能力以及增强的子系统数据一体化 逻辑管理站（Logic Manager，LM）适用于快速逻辑、连锁、顺序控制、批量处理和马达控制。 3功能特点提供必要的数据库，及各种控制技术,12.3.2 I/AS,主要知识点,1系统结构 2主要组成 3系统特点,1系统结构,2主要组成 I/AS系统的节点主要由节点总线和节点工作站两部分组成。 处理机组件是I/AS节点的重要组成部分，主要有控制处理机（CP）、应用处理机（AP）、操作站处理机（WP）和通信处理机（COMP）四类 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制处理机通信。 接口组

15、件它主要分为载波带LAN接口组件和信息网络接口组件两种 网间连接器用来实现非I/A节点的互连。 节点总线 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。 3系统特点 I/AS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,12.3.3 SUPCON JX300,主要知识点,1系统结构 2主要组成 3功能特点,1系统结构,2主要组成,操作站由工业PC、CRT、键盘、鼠标、打印机等组成的人-机系统，是操作人员完成过程监控管理任务的环境。实现生产过程信息的集中显示、集中操作、集中管理 工程师站为自动化专业工程技术人员设计的，内有相应的组态平台 现场控制站它是

16、系统中直接与现场打交道的I/O处理单元（包括 PLC和智能数字仪表），完成整个工业过程的实时监控功能 过程控制网络 用以实现操作站、工程师站、现场控制站的连接，完成信息、控制命令的传输，它采用双重化冗余设计。 3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 具有模拟量信号输入输出、数字量信号输入输出、回路控制等DCS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 FCS体系结构,主要知识点 前言 1现场通信网络 2现场设备互连 3互操作性 4分散功能块 5现场总线供电 6开放式互连网络,前言 发展趋势 FCS具有数字化、全分散式、

17、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。 定义根据国际电工委员会IEC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现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。 应用方式 两种应用方式，分别用代码H1和H2表示。H1方式主要用于代替直流010mA或420mA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，可达1900米，称为低速方式；H2方式主要用于高性能的通信系统，它的传输速度高，达到 1兆波特，传输距离一般不超过750米，称为高速方式。,FCS的体系结构如图12-6所示，比较对照图12-1 D

18、CS，FCS主要表现在以下六个方面。,图12-6 现场总线控制系统体系结构,1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现场设备互连现场设备指连接在现场总线上的各种仪表设备，分类变送器：温度、压力、流量、物位、分析，具有检测、变换和补偿功 能、PID控制和运算执行器：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：服务器下接 H1和 H2，上接局域网 LAN（Local Area Network）；网桥上接H2，下接H1 辅助设备：辅助设备有 H1/气压转换器、H1/电流转换器、电流/H1转 换器、安全栅、总

19、线电源、便携式编程器等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。,。,3互操作性各个厂家产品兼容，实现“即接即用”， 4分散功能块控制站功能分配给现场仪表，构成虚拟控制站 5现场总线供电除传输信息以外完成为现场设备供电的功能 6开放式互连网络采用公开化、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,分散功能块示意图,12.5 FCS功能特点,现场总线技术是计算机技术、通信技术和控制技术的综合与集成。它的出现将使传统的模拟仪表、微机控制以及DCS等自动化控制系统产生根本性的变革，包括变革传统的信号标准、通信标准和系统标准；变革传统的自动化系统体系结构、设计方法和安装调

20、试方法。归纳起来，FCS的优点十分显著。 12.5.1 FCS的特点 12.5.2 FCS的组态,12.5.1 FCS的特点,1.一对N 结构-一对传输线，N台仪表，双向传输 2可靠性高-传输数字信号，抗干扰强、精度高，无需采用抗干扰和提高精度的措施，减少了成本。 3可控状态-远程监视与可控状态，提高了系统的可靠性、可控 性和可维护性 4互换性-用户可以自由选择不同制造商所提供的性能价格比最 优的现场设备或现场仪表进行互连互换。 5.互操作性-用户可把不同制造商仪表集成在一起，进行统一组态 6综合功能- 有检测、变换和补偿功能、控制和运算功能。 7分散控制-控制站功能分散在现场仪表 8统一组态

21、-所有制造商都使用相同的功能块，并统一组态 9开放式系统,12.5.2 FCS的组态,FCS软件模块-功能块、转换块和资源块。 组态方法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称为一个“功能应用块”。一个功能块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个功能块应用。,12.6 FCS产品简介,现场总线是FCS的核心。目前，世界上出现了多种现场总线的企业或国家标准。这些现场总线技术各具特点，已经逐渐形成自己的产品系列，并占有相当大的市场份额。由于技术和商业利益的原因，尚没有统一。以下就是目前流行的几种著名的现场总线。 12.6.1 CAN 12.

22、6.2 Lon Works 12.6.3 PROFIBUS 12.6.4 WorldFIP 12.6.5 HART 12.6.6 FF,12.6.1 CAN 1.发展 CAN是控制局域网络Control Area Network的缩写，它 是由德国Bosch公司推出、最早用于汽车内部监测部件与 控制部件的数据通信网络。现在已应用到各控制领域。 2.CAN协议-CAN协议也是建立在OSI模型基础上的，它采用了OSI底层的物理层、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1Mbps（通信距离40m），最远通信距离可达10km（通信速率为5kbps），节点总数可达110个。 3

23、.CAN传输-采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个，每帧信息 均采用循环冗余校验CRC及其它检错措施，通信误码率 极低。 4.CAN传输校验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 点的通信不受影响。,12.6.2 Lon Works,1.发展 Lon Works是局部操作网络Local Operating Network 的缩写。它是由美国 Echelon公司研制、于1990年正式 公布的现场总线网络。 2.协议采用了ISO/OSI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 为参数设置，其最高通信速率为1.

24、25MbpS（通信距离不 超过130m），最远通信距离为27000m（通信速率为 78kbps），节点总数可达32000个。 3.传输介质双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电力线 4.传输采用可变长帧结构。每帧的有效字节可由0288个。,12.6.3 PROFIBUS,1.发展过程现场总线Process Field Bus的缩写。它是德国国 家标准 DIN 19245和欧洲标准 EN 50170所规定的现场 总线标准。 2.构成 PROFIBUSDP、PROFIBUSPA和 PROFIBUSFMS。 3.传输采用定长或可变长帧结构，定长帧一般为8字节，可变 长帧每帧的有效字节数为l244个

25、。最高通信速率为 12Mbps（通信距离不超过100m），最大通信距离为 1200m（通信速率为9.6kbps）。如果采用中继器可延长 至10km ，其传输介质可以是双绞线或光缆。每个网络 可挂32个节点，如带中继器，最多可挂127个节点。,12.6.4 WorldFIP,1.发展 WorldFIP是世界工厂仪表协议World Factory Instrument Protocol的缩写。最初由Cegelec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制定，随后即成为法国标准，后来又采纳了IEC物理层国际标准（IEC6ll582），并命名为WorldFIP。 2.协议WorldFIP采用有调度的总线访问控制，通信速率分别为 31.35kbps、1Mbps、2.5Mbps，对应的最大通信距离分 别为5000m、1000m、500m ，其通信介质为双绞线。如 果采用光纤，其最大通信距离可达40km。每段现场总线 的最大节点数为32个，使用分线盒可连接256个节点。 整个网络最多可以使用3个中继器，连接4个网段。 3.传输采用可变长帧结构，每帧最大字节数为256个。,12.6.5 HART,1.发展可寻址远程传感器数据通路（Highway A