DCS控制系統(tǒng)詳解

會計學(xué)1DCS控制系統(tǒng)詳解3.1集散控制系統(tǒng)（DCS）發(fā)展及其組成了解DCS的基本概念及組成3.2DCS現(xiàn)場控制站的功能現(xiàn)場操作站的組成及主要模塊原理3.3DCS操作站的功能功能簡述及操作界面3.4DCS控制系統(tǒng)的通信及現(xiàn)場總線CENTUM系統(tǒng)的HF及其它現(xiàn)場總線3.5現(xiàn)場總線系統(tǒng)的管理組態(tài)管理軟件的應(yīng)用及FCS知識更新第3章集散控制系統(tǒng)與現(xiàn)場總線系統(tǒng)第1頁/共45頁3.1集散控制系統(tǒng)的發(fā)展及其組成

發(fā)展過程分散控制方式：儀表間相距過遠(yuǎn)、儀表盤尺寸過大、無法全面了解信息及操作；集中控制方式：危險過于集中，計算機(jī)出現(xiàn)故障時整個生產(chǎn)裝置癱瘓；集散控制方式：控制功能分散、操作管理集中---DCS。集散控制中危險分散的方法：將控制功能分散到多臺計算機(jī)上，采取雙重化冗余措施。第2頁/共45頁集散控制系統(tǒng)的組成第3頁/共45頁現(xiàn)場控制站危險分散的設(shè)計原則（以日本橫河CENTUM集散控制系統(tǒng)為例）1、站內(nèi)一個微處理器控制8~40個回路；2、自帶程序存儲器和數(shù)據(jù)庫，能脫離操作站（上位機(jī)）獨(dú)立控制生產(chǎn)過程；3、可以多個現(xiàn)場操作站組合控制一個大型生產(chǎn)過程，某站故障時只影響所控制的回路。集散控制可能涉及的問題CPU控制回路的數(shù)量與實(shí)際要求的關(guān)系---生產(chǎn)裝置中聯(lián)系緊密的控制回路數(shù)目約為8~40個，狀態(tài)量約為100~500個，集中在一個站內(nèi)可省去通信過程，實(shí)時性好。第4頁/共45頁橫河公司：

CENTUMA型集散控制系統(tǒng)

配有YEWCOM7000小型機(jī)作為上位機(jī)，包括現(xiàn)場控制站CFCD2、操作站COPSV／COPCV、數(shù)據(jù)通訊母線HF-BUS等構(gòu)成。上位機(jī)可以連接數(shù)個終端和其它外設(shè)?，F(xiàn)場控制站CFCD2用作直接控制，操作站COPSV／COPCV完成操作和現(xiàn)場監(jiān)視，現(xiàn)場控制站和操作站通過HF-BUS相連接。第5頁/共45頁1、控制站內(nèi)關(guān)鍵部件都采用雙重化冗余；2、冗余備用設(shè)備始終處于熱備用待機(jī)方式；3、設(shè)備自診斷監(jiān)視，發(fā)現(xiàn)故障無間斷平滑切換。

雙重化（熱備用）詳細(xì)原理P120RF-FIG3-2、3-3核心問題：主要部件采用雙配置。雙配置部件包括：（1）運(yùn)算控制部件、（2）供電電源、（3）總線及通信耦合器等。雙重化切換原理：兩個運(yùn)算控制插件并聯(lián)相接，某一運(yùn)算控制插件有故障時相互切換，同時保證切換時無擾動。站內(nèi)集中控制危險的防范措施雙重化措施示意圖第6頁/共45頁運(yùn)算控制插件說明：（1）插件可包含多路輸入輸出，例：MAC2有8路1~5V輸入，8路4~20mA輸出。（2）必要時需加接隔離電路，例：光隔輸入、磁隔輸出。（3）插件實(shí)際運(yùn)算工作在計算機(jī)（控制部分RF-FIG-3-2）內(nèi)完成，插件與計算機(jī)之間采用站內(nèi)通信總線交換數(shù)據(jù)。第7頁/共45頁雙重化（熱備用）詳細(xì)原理

多路模擬量輸入輸出卡結(jié)構(gòu)示意框圖運(yùn)算控制工作流程（以其中某一通道為例說明）第8頁/共45頁雙重化（冗余）輸出控制電路原理

雙重化控制執(zhí)行電路原理簡圖

第9頁/共45頁雙重化（冗余）輸入控制電路原理

a.電流雙重化輸入b.電壓雙重化輸入第10頁/共45頁3.2DCS現(xiàn)場控制站的功能現(xiàn)場控制站的功能框圖第11頁/共45頁DCS現(xiàn)場控制站概述說明概述：控制站支持多回路控制，在加強(qiáng)單回路控制器的基礎(chǔ)上增加了順序控制功能。特點(diǎn)：反饋控制與順序控制由同一CPU操縱，容易完成生產(chǎn)現(xiàn)場的工藝組合，能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)全過程的自動化。說明：補(bǔ)充資料—具有相同功能的技術(shù)手段--PLC現(xiàn)場控制站原理示意圖（配電爐控制彩圖）第12頁/共45頁DCS現(xiàn)場控制站的2大功能反饋控制功能反饋控制功能的實(shí)現(xiàn)--由內(nèi)部儀表完成，用功能自程序模塊實(shí)現(xiàn)單回路控制儀表的功能。名詞解釋：內(nèi)部儀表—能夠完成不同標(biāo)準(zhǔn)功能的程序模塊順序控制功能用于斷續(xù)處理，根據(jù)控制要求，對時間、狀態(tài)等條件進(jìn)行邏輯判斷，分步驟完成一系列操作控制。注：復(fù)雜控制中可能在連續(xù)控制中含有斷續(xù)控制，斷續(xù)控制的某一操作需要加入連續(xù)控制。第13頁/共45頁反饋控制功能實(shí)例數(shù)字調(diào)節(jié)器單元內(nèi)涵第14頁/共45頁緩沖罐的選擇控制框圖反饋控制功能應(yīng)用實(shí)例第15頁/共45頁冷卻塔的順序控制順序控制功能應(yīng)用實(shí)例第16頁/共45頁3.3DCS監(jiān)控操作站的功能（三大功能）

工程功能---完成系統(tǒng)生成、系統(tǒng)維護(hù)、系統(tǒng)測試和系統(tǒng)管理；操作功能---監(jiān)視、記錄、運(yùn)行；通信功能---完成現(xiàn)場控制站于上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換。第17頁/共45頁DCS監(jiān)控操作站的主要功能主要介紹操作功能---運(yùn)行中的操作畫面（1）總貌畫面—反映生產(chǎn)過程總體狀況P132（2）分組畫面--對應(yīng)顯示各內(nèi)部儀表狀態(tài)，在操作中觀察其它回路的關(guān)聯(lián)變化。P133（3）回路調(diào)整畫面--細(xì)致觀測單元儀表的情況，可用于單回路的PID整定。P134

（4）報警畫面--按時間順序排列顯示報警（總貌種只顯示報警性質(zhì)和場所），有聲光配合。P136（5）趨勢分組畫面--顯示過程變化曲線，可出現(xiàn)在總貌畫面和趨勢畫面。P135（6）流程子畫面—繪有過程圖形的儀表面板。顯示在屏幕上，可模擬原有儀表。P137第18頁/共45頁利用VB開發(fā)的一種總貌顯示操作界面第19頁/共45頁現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)第3章第2部分第20頁/共45頁現(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用

采用現(xiàn)場總線的必要性：4-20mA模擬信號傳輸無法滿足開放數(shù)字化通信的要求?，F(xiàn)場總線的基本描述：連接智能測量與控制設(shè)備的全數(shù)字式、雙向傳輸、多節(jié)點(diǎn)、多分支結(jié)構(gòu)的通信鏈路。總結(jié)：現(xiàn)場總線是以智能化儀表為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)傳送。計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信的基礎(chǔ)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的特征：是一種開放網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和資源共享。對開放網(wǎng)絡(luò)的要求（開放系統(tǒng)互連參考模型OSI）：開放系統(tǒng)中各種設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)連接必須制定統(tǒng)一的規(guī)則。ISO采納了OSI通用參考模型作為一個國際標(biāo)準(zhǔn)。第21頁/共45頁OSI

OpenSystemsInterconnection

第22頁/共45頁信息數(shù)據(jù)包裝及傳輸過程第23頁/共45頁OSI的核心：將兩個終端用戶的通訊過程分為7層，每層有自己的功能集。1．物理層（physicallayer）：規(guī)定通信介質(zhì)，完成節(jié)點(diǎn)之間原始比特流的傳輸。2．?dāng)?shù)據(jù)鏈路層（datalinklayer）：發(fā)送將用戶數(shù)據(jù)封裝成幀，按順序傳送各幀。3．網(wǎng)絡(luò)層（networklayer）：選擇網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間信息傳送的路徑。4.傳輸層（transportlayer）：建立、維護(hù)和取消傳輸連接，負(fù)責(zé)可靠地傳輸數(shù)據(jù)。5.會話層(SessionLayer)：調(diào)度兩個節(jié)點(diǎn)間通信任務(wù)的啟動和停止。6.表示層（presentationlayer）：信息格式的轉(zhuǎn)換。7.應(yīng)用層（applicationlayer）：召喚底層協(xié)議為其服務(wù)。第24頁/共45頁HART總線模型及與標(biāo)準(zhǔn)OSI對照

(模擬/數(shù)字兼容的過渡形式）

HART協(xié)議信息結(jié)構(gòu)形式

HART協(xié)議信息結(jié)構(gòu)屬于HDL。數(shù)據(jù)長度不恒定，最多可包括25個字節(jié)。第25頁/共45頁HART總線各層功能介紹概述：對應(yīng)ISO/OSI模型的1，2，7層。物理層：標(biāo)準(zhǔn)BELL202FSK信號加載于4~20mA信號上,其中1200HZ代表邏輯‘1’，2200HZ代表邏輯‘0’。數(shù)據(jù)鏈路層：規(guī)定完整的通信數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。應(yīng)用層：規(guī)定HART命令,命令分為3類。第一類：通用命令,讀型號、廠名、過程變量及單位等；第二類：普通命令,寫時間常數(shù)、量程標(biāo)定等；第三類：專用命令,針對個體設(shè)備的特殊性。第26頁/共45頁基金會現(xiàn)場總線技術(shù)（FF)6點(diǎn)基金會現(xiàn)場總線的主要技術(shù)---技術(shù)特色及主要內(nèi)容：（1）基金會總線的通信技術(shù)--包括通信模型、通信協(xié)議、通信控制芯片、通信網(wǎng)絡(luò)及系統(tǒng)管理內(nèi)容，涉及與網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的硬、軟件、各種網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)橋、中繼器等。；（2）標(biāo)準(zhǔn)化功能模塊與功能應(yīng)用進(jìn)程a.提供一個通用結(jié)構(gòu)，將控制系統(tǒng)中各種功能劃分為功能模塊，使其公共特征標(biāo)準(zhǔn)化；b.規(guī)定各自的輸入、輸出、算法、時間、參數(shù)及塊控制圖并將其組成設(shè)備中的應(yīng)用進(jìn)程；c.便于實(shí)現(xiàn)不同制造商產(chǎn)品的混合組態(tài)與調(diào)用。（3）設(shè)備描述及描述語言a.設(shè)備描述為控制系統(tǒng)理解現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)提供必要信息；b.描述語言是設(shè)備描述的標(biāo)準(zhǔn)語言，采用設(shè)備描述編譯器可以設(shè)備描述源程序轉(zhuǎn)化為可輸出文件。（4）現(xiàn)場總線通信控制器與智能儀器的接口技術(shù)--使現(xiàn)場總線與計算機(jī)平臺結(jié)合，在網(wǎng)絡(luò)上的各層次設(shè)備能夠共享網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。（5）系統(tǒng)集成技術(shù)--通信系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的集成，包括：網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)組態(tài)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、配線、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)管理、控制系統(tǒng)組態(tài)、人機(jī)接口、系統(tǒng)管理維護(hù)等。（6）系統(tǒng)測試技術(shù)--包括通信系統(tǒng)一致性與可操作性測試、監(jiān)聽分析、系統(tǒng)功能和性能測試。第27頁/共45頁FF通信模型簡化的ISO/OSI三層結(jié)構(gòu)

用戶數(shù)據(jù)的長度（位）FMS-PDU4~255FAS-PDU5~256DLL-PDU8~273PH-PDU11~280FF通信模型RF-P-143-FIG-3-23第28頁/共45頁FF通信模型各層次的功能與結(jié)構(gòu)物理層：主要功能：a.實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備與物理總線的連接；b.為現(xiàn)場設(shè)備與傳輸媒體的連接提供機(jī)械電氣接口；c.為現(xiàn)場設(shè)備對總線的收發(fā)提供合乎規(guī)范的物理信號；d.應(yīng)考慮電氣隔離、信號濾波、設(shè)備供電等；e.一般使用雙絞線，表明+、-表示接口處的極性。

（1）信號編碼；（2）傳輸參數(shù)；（3）傳輸介質(zhì)；（4）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；（6）網(wǎng)絡(luò)信號波形第29頁/共45頁信號編碼采用曼徹斯特雙相-L編碼技術(shù)，數(shù)據(jù)流中包含時鐘信息。

第30頁/共45頁曼徹斯特雙相-L編碼技術(shù)信號編碼：采用曼徹斯特雙相-L編碼技術(shù)，數(shù)據(jù)流中包含時鐘信息。a.協(xié)議報文編碼---即數(shù)據(jù)報文，由上層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元生層，被加載到直流電壓或電流上形成物理信號，每幀協(xié)議報文的長度為8~273個字節(jié)。b.前導(dǎo)碼---用于接收器內(nèi)部時鐘與現(xiàn)場總線信號同步，為特別規(guī)定的8位數(shù)字信號。c.幀前定界碼---表明信息的起點(diǎn)，其長度為8個時鐘周期，含特殊的N+、N-碼和正負(fù)跳變脈沖按規(guī)定序列組成。d.幀結(jié)束碼---表示信息的終點(diǎn)，長度為8個時鐘周期，含特殊的N+、N-碼和正負(fù)跳變脈沖按規(guī)定序列組成。第31頁/共45頁現(xiàn)場總線設(shè)備網(wǎng)絡(luò)接線圖

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)-現(xiàn)場總線設(shè)備網(wǎng)絡(luò)接線圖

傳輸參數(shù)：a.信號電壓：速率：31.25kbps、回路電路±10mA、等效負(fù)載：50Ω產(chǎn)生1V峰-峰值電壓。b.供電電壓：DC-9~32V。使用于本安場合時電壓由安全柵額定值決定。傳輸介質(zhì)：支持雙絞線、同軸電纜、光纜、無線介質(zhì)等。RF-TAB-7-1第32頁/共45頁31.25kbps現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)-實(shí)際電路第33頁/共45頁網(wǎng)絡(luò)信號波形

網(wǎng)絡(luò)信號波形(1)信號與電源疊加。（2）以±7.5~±10mA等效終端上獲得0.75~1.V電壓信號。第34頁/共45頁數(shù)據(jù)鏈路層：位置：處于物理層于總線訪問子層之間；作用：為總線上個鏈路傳輸活動生成協(xié)議控制信息、對傳送的數(shù)據(jù)實(shí)行幀校驗(yàn)；功能：鏈路活動調(diào)度、數(shù)據(jù)接收與發(fā)送、活動狀態(tài)探測與響應(yīng)、總線設(shè)備與鏈路時間同步；描述：每個總線段---有一個媒體訪問控制中心---稱為鏈路活動調(diào)度器（LAS），LAS---按照鏈路活動調(diào)度表控制與設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸。第35頁/共45頁鏈路活動調(diào)度器作用：擁有總線所有設(shè)備的清單，掌管總線段上各設(shè)備對總線的操作；權(quán)利：總線段上的設(shè)備只有得到LAS的許可才能傳輸數(shù)據(jù)。第36頁/共45頁FF總線通信活動的歸類：（分2類）兩類通信活動均由LAS控制。RF-P147~148-FIG-3-28~3-24a．受調(diào)度通信---按預(yù)定時間表周期性發(fā)起的通信活動；過程：LAS按預(yù)定調(diào)度時間表周期性依次發(fā)起通信活動，用于在設(shè)備之間周期性地傳送控制數(shù)據(jù)；例：現(xiàn)場變送器與執(zhí)行器之間傳送測量或控制信號。方法：調(diào)度表對應(yīng)設(shè)備時刻到，LAS發(fā)CD，設(shè)備受到CD向總線廣播或發(fā)布緩沖器中的數(shù)據(jù)。b．非調(diào)度通信---通過得到令牌的機(jī)會發(fā)送信息的通信活動。-----LAS具有以下5種功能：*向設(shè)備發(fā)送強(qiáng)制數(shù)據(jù)CD（Compeldata），指示受調(diào)度設(shè)備傳送信息；*向設(shè)備發(fā)送傳遞令牌PT(Passtoken)，為設(shè)備提供發(fā)送非周期數(shù)據(jù)的機(jī)會；*為新入網(wǎng)的設(shè)備探測未被采用過的地址，用于加入活動表；*定期向總線段發(fā)布數(shù)據(jù)鏈路時間和調(diào)度時間；*監(jiān)視設(shè)備對傳遞令牌的響應(yīng)，不隨令牌順序進(jìn)入和不返還令牌的設(shè)備刪除。

第37頁/共45頁鏈路活動調(diào)度器的調(diào)度方法第38頁/共45頁LAS的算法說明b．連路活動的調(diào)度算法---按調(diào)度表執(zhí)行或發(fā)2種令牌；c．活動表的維護(hù)---活動表：含響應(yīng)PT的設(shè)備，定期發(fā)PN添入或?qū)⒉挥谜邉h除；d．?dāng)?shù)據(jù)鏈路的時間同步---周期性向總線廣播時間發(fā)布（TD）；e．令牌的傳遞---向活動表中設(shè)備發(fā)PT，收到PT者允許傳輸非調(diào)度報文；a．鏈路活動權(quán)的競爭過程與LAS轉(zhuǎn)交---競爭后某主設(shè)備成為LAS，原則：最低節(jié)點(diǎn)地址；f．LAS冗余---LAS失效時，其它鏈路主設(shè)備可成為LAS。第39頁/共45頁總線應(yīng)用層

功能：為用戶程序訪問現(xiàn)場總線通信環(huán)境提供必要手段或與相關(guān)應(yīng)用程序之間的“窗口”。分層：現(xiàn)場總線報文規(guī)范子層（FMS用戶命令的編解碼）；現(xiàn)場總線訪問子層（FAS管理數(shù)據(jù)傳輸）現(xiàn)場總線訪問子層（FAS）作用：為FMS提供邏輯通信通道（稱為：應(yīng)用關(guān)系），是VCR管理的最重要的部分。現(xiàn)場總線報文規(guī)范（FMS）子層作用：是用戶應(yīng)用的接口，提供一組服務(wù)和標(biāo)準(zhǔn)的報文格式，用戶應(yīng)用采用這種格式在總線上傳送信息。第40頁/共45頁附加層---用戶應(yīng)用層

另設(shè)用戶應(yīng)用層的原因：a.應(yīng)用層的定義比較籠統(tǒng)，即：為開放不同的應(yīng)用提供服務(wù)；b.現(xiàn)場總線的特殊性，即：為自動化現(xiàn)場儀表實(shí)現(xiàn)互聯(lián)而設(shè)立的總線；c.借鑒集散控制的經(jīng)驗(yàn)，將過控領(lǐng)域的應(yīng)用層模型化---功能塊。第41頁/共45頁FF現(xiàn)場儀表的功能塊

功能塊的基本概念：RF-P156~159FIG3-32~36a.由功能塊的參數(shù)實(shí)現(xiàn)某一功能；b.功能塊的參數(shù)可在總線上訪問；c.單一功能塊可駐留在某一總線設(shè)備內(nèi)；d.特定的成組功能塊可駐留在一個或多個總線設(shè)備內(nèi)；e.V