計算機分散控制系統(tǒng)

計算機分散控制系統(tǒng)

第三講、集散控制系統(tǒng)

過程控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史

30年代

機械式儀表

現(xiàn)場操作

40年代

大型氣動式儀表

控制室操作

*

50年代

氣動單元組合儀表

控制室操作

60年代

電動單元組合儀表

控制室操作

70年代

分散控制系統(tǒng)

控制室操作

圖L1過程控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史

一、DCS的基本概念

★它是4C技術的產(chǎn)物（計算機技術、通信技術、控制

技術，圖形顯示技術）

★它是通過某種通信網(wǎng)絡將現(xiàn)場控制站、操作員站、工

程師站聯(lián)系起來，共同完成分級控制、集中管理的綜合

控制系統(tǒng)。它的基本設計思想是危險分散、控制功能分

散、而操作和管理集中。

英文縮寫DISTRIBUTEDCONTROLSYSTEM

二、分散控制系統(tǒng)的產(chǎn)生

★在復雜化過程控制需求推動下；

★在總結和吸取常規(guī)模擬儀表控制優(yōu)點基礎上;

★在總結和吸取計算機控制優(yōu)點的基礎上;

★綜合應用現(xiàn)代科技成果的基礎上。

三、集散控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程

經(jīng)歷了三個發(fā)展階段：

?第一階段：1975-1980（初始階段）.TDC2000系統(tǒng)，橫河的

ECNTUM系統(tǒng)，Bailey公司N-90系統(tǒng)等

★這一時期的產(chǎn)品在技術上尚存在一定的局限性；

★系統(tǒng)尚采用8位或16位微處理器；

★通訊所采用的是初級工業(yè)控制局部網(wǎng)絡；

★有的系統(tǒng)還不具備順序控制等功能。

?第二階段：1980-1985（成熟階段）.隨著信息和網(wǎng)

絡技術的發(fā)展，控制功能增強，系統(tǒng)軟硬件水平

提高，如CPU由16位向32位發(fā)展，價格下降

★是DCS的成長階段。其特點是：

▲產(chǎn)品設計走向標準化、模塊化

▲工作單元結構化

▲控制功能更加完善，用戶界面更加友好

▲數(shù)據(jù)通訊的能力大大加強并向著標準化方向發(fā)展

▲管理功能得到分散

▲可靠性進一步提高

系統(tǒng)的適應性及其擴充的靈活性增強。

?第三階段：(80年代中、后期)(1985)年以后擴展階段.把過

程控制/監(jiān)督控制/管理調度結合到一塊，使的系統(tǒng)功能

綜合化，網(wǎng)格水平開放化.TDC3000JNFI-90等

★是DCS的完善階段。目前分散控制系統(tǒng)仍在不斷融合

多種先進技術，使其規(guī)模、功能、可靠性、柔軟性、適

應性、靈活性、實時性、擴展性、經(jīng)濟性等不斷完善和

提高。

★至今，世界上幾十家公司已推出近百個分散控制系統(tǒng)

品種，且有幾代產(chǎn)品。

四、分散控制系統(tǒng)的應用

★DCS以良好的技術效果和經(jīng)濟效果，顯示出強大的競

爭力，被公認為當今最先進的過程控制系統(tǒng)。目前，國內

新建的大型火電機組都積極地采用分散控制系統(tǒng)。

★DCS一經(jīng)問世，在電力工業(yè)、鋼鐵冶煉等領域中得到了

廣泛地應用。不同程度上提高了單元火電機組、爐溫等的

數(shù)據(jù)采集與處理、生產(chǎn)過程控制、邏輯控制、監(jiān)視報警、

聯(lián)鎖保護、操作、管理的能力和水平，加速了我國生產(chǎn)自

動化的發(fā)展

五、集散控制系統(tǒng)的基本組成

它由過程控制單元、數(shù)據(jù)采集器、CRT操作

站、監(jiān)控計算機以及高速數(shù)據(jù)通路等五部分組成。

CRT操作站監(jiān)控計算機

高速數(shù)據(jù)通路

數(shù)據(jù)采集器過程控制單元

至其它局域網(wǎng)

管理計算機網(wǎng)間連接器-------------?

域

網(wǎng)

局

r*工程師站

CRT顯示上位網(wǎng)間寺本系統(tǒng)網(wǎng)新

操作站計算機連接器

基本控制單元基本控制單元數(shù)據(jù)

(PLC)(智能調節(jié)器)采集站

□現(xiàn)場控制站□

生過程

布Ute揄就施穌涌通本紈成樞圖

三級結構說明

1現(xiàn)場圾

★現(xiàn)場級設備一般位于被控生產(chǎn)過程的附近

★典型的現(xiàn)場級設備是各類傳感器、變送器和

執(zhí)行器，它們將生產(chǎn)過程中的各種物理量轉換

為電信號。

★例如4-20mA的電信號（一般變送器）送往控

制站或數(shù)據(jù)采集站，或者將控制站輸出的控制

量（4—20mA的電信號）轉換成機械位移，帶動

調節(jié)機構，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制

2控制級

★控制級主要由過程控制站和數(shù)據(jù)采集站構成

★一般在電廠中，把過程控制站和數(shù)據(jù)采集站集中安裝

在位于主控室后的電子設備室中。

★過程控制站接收由現(xiàn)場設備，如傳感器、變送器來的

信號，按照一定的控制策略計算出所需的控制量，并送

回到現(xiàn)場的執(zhí)行器中去

★過程控制站可以同時完成連續(xù)控制、順序控制或邏輯控

制功能，也可能僅完成其中的一種控制功能

★數(shù)據(jù)采集站與過程控制站類似。

3監(jiān)控級

★監(jiān)控級監(jiān)控級的主要設備有運行員操作站、工程師工作站和計算站。

★運行員操作站是運行員與控制系統(tǒng)交換信息的人機接口設備。

★工程師工作站是為了控制工程師對分散控制系統(tǒng)進行配置、組態(tài)、調

試、維護所設計的工作站

★工程師工作站一般由Pc機配置一定數(shù)量的外部設備所組成，例如打

印機、繪圖機等。

★計算站的主要任務是實現(xiàn)對牛產(chǎn)過程的監(jiān)督控制，例如機組運行優(yōu)化

和件能計算一般，if算站由超級微型機或小型機構成。

4管理級

★一般來說，它可能是一個發(fā)電廠長級管理汁算機，也可能

是經(jīng)理、總工程帥、值班長等政管理或運行管理人員

★廠級管理系統(tǒng)的主要任務是監(jiān)測企業(yè)各部分的運行情況。

★對管理計算機的要求:

能夠對控制系統(tǒng)做出高速反應的實時操作系統(tǒng)。

能夠長期保存生產(chǎn)數(shù)據(jù)的人機接口

豐富的數(shù)據(jù)庫管理軟件，過程數(shù)據(jù)收集軟件，人機接口軟

件以及生產(chǎn)管理系統(tǒng)等工具軟件。

第四講

DCS的網(wǎng)絡通信技術

★1計算機網(wǎng)絡

定義：計算機網(wǎng)絡是將地理位置不同，而且具有

獨立功能的多個計算機系統(tǒng)，通過通信設備和線

路連接起來，由功能完善的網(wǎng)絡軟件（網(wǎng)絡協(xié)議、

信息交換方式、控制程序和網(wǎng)絡操作系統(tǒng)）實現(xiàn)網(wǎng)

絡資源（硬件、軟件、信息）共享的系統(tǒng)。

分類：遠程網(wǎng)、廣域網(wǎng)、局域網(wǎng)及互聯(lián)I

★2網(wǎng)絡結構及特點

計算機網(wǎng)絡結構，如書上11頁圖2?2所示

主機

接口，又稱節(jié)點

通信鏈路

通信子網(wǎng)

資源子網(wǎng)。

通信子網(wǎng)類型：

★點對點子網(wǎng)

★廣播子網(wǎng)。

點對點子網(wǎng)的特點是：每一條通信鏈路只連接一對節(jié)點。

如果不是在同一條鏈路上的兩個節(jié)點之間要通信，必須經(jīng)

過一些中間節(jié)點進行間接通信

點對點子網(wǎng)的拓撲結構主要有全連接、星形連接、環(huán)形連

接、樹形連接以及不規(guī)則連接等形式，如書上11頁圖

2—3所示

廣播子網(wǎng)的特點：

★所有節(jié)點共享單一的通信媒體，任何一個節(jié)點發(fā)出的信

息都能直接被所有節(jié)點接收到，而不需經(jīng)過中間節(jié)點的

轉接，因此，又稱多點共享。

廣播子網(wǎng)傳播方式：

★有無線

★無線

其中總線網(wǎng)和環(huán)形總線網(wǎng)是有線廣播子網(wǎng)的常

見拓撲結構，如圖2?4所示，其中圖2.4a為總

線網(wǎng)，圖2?4b為環(huán)形總線網(wǎng)。

a）總線網(wǎng)b）環(huán)形總線網(wǎng)

圖2?4廣播子網(wǎng)拓撲結構

★3通信介質

通信介質又稱傳輸介質或信道，是指連接網(wǎng)上各節(jié)點之間

的物理信號通路。常見的通信介質有三種：

?雙絞線

?同軸電纜

?光纜

XXXXXX

a）雙絞線b）同軸電纜C）光纜

圖2—5通信介質

對通訊介質作進一步說明:

通訊介質是連接系統(tǒng)各個站點的物理信號通

道。

在DCS中,數(shù)據(jù)通訊普遍采用的通訊介質有

以下三種：

（一）雙絞線

適應于低速傳輸場合,

最大帶寬約100kHz—1MHz,

傳輸速率一般小于2Mbps。

模擬信號傳輸時每5—6km要有一個放大器,

數(shù)字信號傳輸時每2—3km需要一個轉發(fā)器o

（二）同軸電纜

外絕

緣層

I即夕靡

同軸電纜大致可分兩類:

1、基帶同軸電纜（如500同軸電纜）

2、寬帶同軸電纜（如75Q同軸電纜）

（三）光纜

2魯合成1

心層釬I維層層

光纜中的信息是以光的形式傳輸?shù)?，它對?/p>

磁干擾幾乎毫無反應。

主要缺點是分支、連接比較困難和復雜，需采

用專用的光纜連接器。

三種通訊介質的特點:

項目、\雙絞線同軸電纜光纜

傳輸介質價格較低較高較高

連接件價格低較低高

標準化程度高較高低

連接簡單需專用連接器需復雜連接器和工藝

敷設簡單稍復雜簡單

抗干擾能力較好很好特別好

環(huán)境的適應性較好較好特別好

適用的網(wǎng)絡環(huán)形網(wǎng)總線型或環(huán)形網(wǎng)目前多用于環(huán)形網(wǎng)

★4數(shù)據(jù)通信

通信的目的就是傳輸信息（如語言、文字、數(shù)碼、符號、圖像等）。傳

輸信息的實體就是數(shù)據(jù)

?數(shù)字數(shù)據(jù)

?模擬數(shù)據(jù)

★信息的傳送有以下4種組合形式：

?1.模擬數(shù)據(jù)的模擬信號傳送

?2.模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號傳送

?3.數(shù)字數(shù)據(jù)的模擬信號傳送

?4.數(shù)字數(shù)據(jù)的數(shù)字信號傳送

通信的類型

存在兩大類通信方式：非電通信和電通信。其中電

通信在工業(yè)過程中的應用極為普通，它可分為三種類型:

1.模擬通信：是以模擬信號傳輸信息的通信方式。

例如：在常規(guī)控制系統(tǒng)中采用的0~10mA

或4~20mA或0~5V的模擬電信號。

2.數(shù)字通信：是將模似電信號轉換為數(shù)字信號后，再進

行傳輸?shù)耐ㄐ欧绞健?/p>

例如：A/D轉換器與CPU之間的信息傳輸。

3.數(shù)據(jù)通信：是一種通過計算機或其它數(shù)字裝置與通信

線路相結合，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)信息（具有一

定編碼、格式和位長要求的數(shù)字信息）

的傳輸、轉換、存儲和處理的通信技術。

數(shù)據(jù)通信與數(shù)字通信的不同之處是：

數(shù)字通信的信息源發(fā)出的是模擬信號;

數(shù)據(jù)通信的信息源發(fā)出的是數(shù)字信息。

數(shù)據(jù)通信是本章討論的主題

數(shù)據(jù)通信方式

根據(jù)不同的分類方法加以說明。

(-)按數(shù)據(jù)位的傳送方式分，有:

1.并行通信方式：將一個二進制數(shù)據(jù)的所有位同時傳送

I---------1的方式，如圖所示。

IIIIIIII特點：傳送速度快，線路成本高。

只適用于近距離的數(shù)據(jù)通信。

2.串行通信方式：將一個二進制數(shù)據(jù)逐位順序傳送的方式,

如圖所示。

10010100特點：線路投資省，傳輸速度比并行通信的

-----------速度慢。

適用于長距離傳送。

3.過程I/O連接的通信方式：利用計算機的輸入/輸出接

口的功能傳送數(shù)據(jù)的，如圖所示。

4.高速數(shù)據(jù)通道連接的通信方式：采用二進制串行高速

傳送的方式，如圖所示。

計算機計算機

高速通道接口一|高速通道接E

高速數(shù)據(jù)通道

★實現(xiàn)數(shù)字數(shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼方法有多種，常

用的3種編碼方式：如書上圖2—7所示

?不歸零制編碼(NRZ)

曼徹斯特(Manchester)編碼：重點掌握

?差分曼徹斯特編碼

★5數(shù)據(jù)傳輸中的差錯控制

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的基本任務就是高效、無差錯地傳送數(shù)據(jù),

但任何傳輸信道（或傳輸過程）都會存在一定程度的噪聲或

干擾，導致接收端收到的二進制數(shù)據(jù)序列R與發(fā)送端發(fā)送

出來的二進制數(shù)據(jù)序列C不一致，即產(chǎn)生“差錯”。

例如：

C=0100I101011??.

R=01100I10001...

c與R比較，可知第3、5、7、8、10位的二進制

數(shù)據(jù)發(fā)生了錯誤。

常用的抗干擾編碼有奇偶校驗碼,循環(huán)

冗余碼。

1.奇偶校驗碼

?垂直奇偶校驗

?水平奇偶校驗

?水平垂直奇偶校驗

2.循環(huán)冗余碼

循環(huán)冗余校驗的編碼和檢錯方法:

?是通過位移寄存器

?觸發(fā)器等硬件予以實現(xiàn)

現(xiàn)已制成各種適應不同生成多項式的專用集成

電路芯片供選用,使得編碼和檢錯電路的實現(xiàn)更

為簡單方便。

6數(shù)據(jù)通信的技術指標

1.數(shù)據(jù)傳輸速率——單位時間內傳送的信息量。

2.信道容量——信道所具有的最大傳輸能力

3.誤碼率二進制碼元在傳輸系統(tǒng)中被傳錯

的概率。

第五講

，DCS的通信網(wǎng)絡

1、DCS通信網(wǎng)絡的特點:

與一般的商用局域網(wǎng)絡（郵電通信網(wǎng)絡、辦公

自動化網(wǎng)絡等）不同，用于DCS工業(yè)控制局域網(wǎng)

具有自己突出的特點，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

廠1.具有快速實時響應能力

2.具有惡劣環(huán)境的適應性

Y

3.具有極高的可靠性

Q4.具有合理的分層網(wǎng)絡結構

2、DCS通信網(wǎng)絡形式:

A主一從通信方式

?同等一一同等網(wǎng)絡形式:

二、DCS的通信協(xié)議

定義:

DCS中常用的通信協(xié)議有:

（一）、網(wǎng)絡協(xié)議

在計算機通信網(wǎng)絡中，對所有的站點來說,

它們都要共享網(wǎng)絡中的資源。但由于掛接在網(wǎng)上

的計算機或設備是各種各樣的，可能出自于不同

的生產(chǎn)廠家，型號也不盡相同，它們在硬件及其

軟件上的差異，給相互間的通信帶來一定的困難。

因此，需要有一套所有“成員”共同遵守的“約

定”，以便實現(xiàn)彼此的通信和資源共享。這種約

定稱為“網(wǎng)絡協(xié)議”。

為了便于實現(xiàn)網(wǎng)絡的標準化，國際上一些標準化組織已

在工業(yè)控制局域網(wǎng)絡協(xié)議的標準化方面做了大量地工作。

本節(jié)扼要介紹目前較有影響的協(xié)議結構框架和有關協(xié)議標準。

1、協(xié)議層次參考模型

國際標準化組織(ISO)于1977年成立了一個

研究通信任務體系結構的分委員會，針對網(wǎng)絡通信

在功能上的層次，提出了開放系統(tǒng)互連(Open

SystemInterconnection簡稱OSI)參考模型，從而

定義了任何計算機互連時通信任務的結構框架。

站s1站S2

應用層應用層