過程控制之分散型控制系統(tǒng)

1、第11章 分散型控制系統(tǒng) 11.1 概 述 11.1.1 分散型控制系統(tǒng)的發(fā)展 其發(fā)展大致經(jīng)歷了三個階段： 19751980年為誕生期。 19801985年為成熟期。 1985年至今為擴展期。 11.1.2 分散型控制系統(tǒng)的基本組成圖11.1 分散型控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) （1）過程輸入/輸出接口 （2）過程控制單元 （3）CRT操作站 （4）高速數(shù)據(jù)通路 （5）上位計算機 11.1.3 分散型控制系統(tǒng)的特點 （1）采用微機智能技術(shù) （2）采用分級遞階結(jié)構(gòu) （3）豐富的功能軟件包 （4）采用局部網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù) （5）強有力的人機接口功能 （6）采用高可靠性的技術(shù) 11.1.4 分散型控制系統(tǒng)的展望

2、（1）系統(tǒng)的硬件 （2）系統(tǒng)的軟件 （3）標準化 11.2 分散型控制系統(tǒng)的組成 11.2.1 分散型控制系統(tǒng)的功能劃分 （1）現(xiàn)場控制站功能 現(xiàn)場控制站是完成對過程現(xiàn)場I/O信號處理，并實現(xiàn)直接數(shù)字控制（DDC）的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，主要功能有三個： 將各種現(xiàn)場發(fā)生的過程量(流量、壓力、液位、溫度、電流、電壓、功率以及各種狀態(tài)等)進行數(shù)字化，并將這些數(shù)字化后的量存放在存儲器中，形成一個與現(xiàn)場過程量一致的、能一一對應(yīng)的、并按實際運行情況實時地改變和更新的現(xiàn)場過程量的實時映像。 將本站采集到的實時數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)送到操作員站、工程師站及其他現(xiàn)場I/O控制站，以便實現(xiàn)全系統(tǒng)范圍內(nèi)的監(jiān)督和控制，同時，現(xiàn)場I/O控

3、制站還可接收由操作員站、工程師站下發(fā)的信息，以實現(xiàn)對現(xiàn)場的人工控制或?qū)Ρ菊镜膮?shù)設(shè)定。 在本站實現(xiàn)局部自動控制、回路的計算及閉環(huán)控制、順序控制等，這些算法一般是一些經(jīng)典的算法，也可下裝非標準算法、復(fù)雜算法等。 （2）操作員站功能 1）顯示 工藝流程和控制畫面 報警提示畫面 控制回路畫面 過程趨勢畫面 提示信息畫面 記錄和表格畫面 2）操作 功能鍵 回路狀態(tài)修改 畫面調(diào)用和展開 過程報告 信息輸出 （3）工程師站的功能 1）系統(tǒng)組態(tài)功能 2）系統(tǒng)測試功能 3）系統(tǒng)維護功能 4）系統(tǒng)管理功能 11.2.2 分散型控制系統(tǒng)的硬件 （1）現(xiàn)場控制單元(FCU) 1）機柜 2）供電電源 3）信號輸入、輸

4、出I/O插板 輸入信號種類 模擬輸入信號變換 模數(shù)轉(zhuǎn)換 信號輸出 4）運算電路主機插板 5）信號的接線 （2）操作接口 1）顯示設(shè)備 在CRT上顯示輸出的主要內(nèi)容有： 生產(chǎn)過程狀態(tài)顯示； 實時趨勢顯示； 生產(chǎn)過程模擬流程圖顯示； 報警顯示； 關(guān)鍵數(shù)據(jù)常駐顯示； 檢測及控制儀表模擬顯示； 數(shù)據(jù)及報表生成。 2）鍵盤輸入設(shè)備 3）信息存儲設(shè)備 4）打印輸出設(shè)備 11.2.3 分散型控制系統(tǒng)的軟件 （1）工業(yè)控制計算機部分 （2）通信網(wǎng)絡(luò)部分 （3）工業(yè)控制和生產(chǎn)過程控制設(shè)備部分 11.3 分散型控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò) 11.3.1 概述 這個網(wǎng)絡(luò)有下列特點： （1）實時性 （2）高可靠性 （3）高抗干

5、擾能力 （4）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的層次性和開放性圖11.2 主從設(shè)備的通信網(wǎng)絡(luò)（PC為從屬站）圖11.3 同等同等設(shè)備之間的通信網(wǎng)絡(luò) 11.3.2 分散型控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)形式 11.3.3 通信網(wǎng)絡(luò)的組成 11.3.4 通信網(wǎng)絡(luò)的物理拓撲結(jié)構(gòu)圖11.4 通信網(wǎng)絡(luò)的物理拓撲結(jié)構(gòu)(a)星形；(b)樹形；(c)環(huán)形；(d)總線形；(e)復(fù)合形 11.3.5 網(wǎng)絡(luò)的控制 （1）集中控制 這種方法的好處是： 控制質(zhì)量高，不會出現(xiàn)爭搶現(xiàn)象，可提供通信的優(yōu)先級服務(wù)等。 控制功能集中在該中心節(jié)點，其他節(jié)點的控制邏輯大大地簡化，只要在安排的占用時間內(nèi)發(fā)送或接收信息即可。 但這種方法也存在一些缺點，如： 對中心節(jié)點要求高，使

6、其結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 通信可靠性集中在中心節(jié)點，使危險性增加。 數(shù)據(jù)和信息都要經(jīng)過中心節(jié)點，它可能成為數(shù)據(jù)流量的瓶頸。 （2）分散式控制 1)帶碰撞檢測的載波偵聽多路訪問規(guī)則 2)令牌傳送規(guī)則 11.3.6 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議 （1）IEEE802標準 提供相鄰層之間的邏輯接口。 在發(fā)送端，將數(shù)據(jù)裝配成幀，加上地址和校驗碼。在接收端，拆卸數(shù)據(jù)幀，核對地址和校驗碼，取出數(shù)據(jù)。圖11.5 IEEE802標準組成 增加對點到點的通信進行管理所需的邏輯功能，即連接控制。 對同一LLC子層，提供四種MAC方式，集散系統(tǒng)中選用的有CSMA/CD方式、令牌總線方式和令牌方式。 MAC子層協(xié)議視訪問方式不同有相應(yīng)的子標準，

7、子標準的內(nèi)容為： 為LLC子層提供的服務(wù)規(guī)范。 MAC標準，這是子標準的核心，它規(guī)定了數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)和對介質(zhì)存取控制的具體規(guī)定。 與傳輸介質(zhì)無關(guān)的物理層規(guī)范，規(guī)定了物理層與MAC子層的接口標準及向它提供的服務(wù)。 與傳輸介質(zhì)有關(guān)的物理層規(guī)范，規(guī)定了物理層與介質(zhì)的接口、介質(zhì)的物理特性及在介質(zhì)上傳送的信號電氣特性。 （2）MAP協(xié)議 Mini MAP 增強型MAP 全MAP 寬帶MAP圖11.6 NBS模型與MAP （3）PROWAY標準 11.3.7 典型系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò) （1）TDC3000系統(tǒng) （2）CENTUM系統(tǒng) 11.4 分散型控制系統(tǒng)的組態(tài) 11.4.1 分散型控制系統(tǒng)硬件組態(tài) 11.4.2

8、 集散控制系統(tǒng)的應(yīng)用軟件組態(tài) （1）應(yīng)用軟件組態(tài)的幾種方式 1)直接在DCS上通過操作站組態(tài) 2)通過填寫表格進行組態(tài)準備工作 3)利用PC機進行組態(tài) （2）應(yīng)用軟件的組態(tài) 應(yīng)用軟件的組態(tài)包括以下幾個部分： 1)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)文件(NCF)組態(tài) 2)數(shù)據(jù)點組態(tài) 3)用戶畫面、自由格式報表和鍵定義組態(tài) 4)區(qū)域數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)組組態(tài) 5)控制算法組態(tài) 6)特殊控制功能程序的編制 11.5 常見分散型控制系統(tǒng)（DCS）簡介 11.5.1 Honeywell公司的TDC3000圖11.7 TDC3000結(jié)構(gòu)示意圖 （2）TDC3000系統(tǒng)主要組成 1）LCN通信網(wǎng)絡(luò)及其模件 局部控制網(wǎng)（LCN網(wǎng)） 萬能操

9、作站(US) 萬能工作站(UWS) 應(yīng)用模件(AM) 歷史模件(HM) 存檔模件(ARM) 2）萬能控制網(wǎng)絡(luò)（UCN）及其模件 過程管理站（PM) 先進過程管理站（APM） 邏輯管理站(LM) （3）TDC3000系統(tǒng)特點 1）開放性系統(tǒng) 2）人機接口功能強化 3）過程接口功能廣泛 4）工廠綜合管理控制一體化 5）系統(tǒng)安全可靠，維護方便 11.5.2 和利時的HS2000系統(tǒng) （1）HS2000分散控制系統(tǒng)構(gòu)成圖11.8 HS2000分散型控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu) （2）HS2000系統(tǒng)的基本構(gòu)成單元 1)現(xiàn)場控制站 2)操作員站 3)工程師站 （3）HS2000系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 1)管理協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)MN

10、ET MNET為HS2000系統(tǒng)的最高一級網(wǎng)絡(luò)，配置在HS2000L大型系統(tǒng)中，其功能如下： 完成不同裝置之間的協(xié)調(diào)控制、數(shù)據(jù)通信； 企業(yè)內(nèi)多組裝置的管理數(shù)據(jù)通信； 大型工業(yè)過程不同部分間的協(xié)調(diào)控制； MNET為開放式標準局域網(wǎng)絡(luò)，采用諸如TCP/IP、Ethernet等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議以及Novell網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)； 通信介質(zhì)采用光纖或同軸電纜； 通信速率10Mbit/s； 通信距離為20km。 2)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)SNET SNET是連接HS2000系統(tǒng)中操作員站、I/O站和工程師站的主干網(wǎng)，配置在HS2000M中型系統(tǒng)中，應(yīng)用于中等規(guī)模裝置的控制系統(tǒng)，功能如下： 實現(xiàn)由I/O現(xiàn)場控制站向操作員站的數(shù)據(jù)傳輸； 實現(xiàn)各I/O現(xiàn)場控制站間的數(shù)據(jù)傳遞，以滿足大范圍協(xié)調(diào)控制的需要； 實現(xiàn)操作員站和工程師站向現(xiàn)場I/O控制站的組態(tài)數(shù)據(jù)或控制指令的傳遞； 保持各操作員站之間數(shù)據(jù)的一致性。 網(wǎng)絡(luò)的冗余從板級做起； 采用工業(yè)令牌總線協(xié)議(Token Bu