DCS控制系統(tǒng)【教育課件】

1、集散控制系統(tǒng)原理及裝置,第3章 第1部分,1,研究學(xué)習(xí),第3章 集散控制系統(tǒng)與現(xiàn)場總線系統(tǒng),2,研究學(xué)習(xí),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(jì)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(jì)算機(jī)上，采取雙重化冗余措施,3,研究學(xué)習(xí),集散控制系統(tǒng)的組成,4,研究學(xué)習(xí),現(xiàn)場控制站危險分散的設(shè)計(jì)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840個回路； 2、自帶程序存儲器和數(shù)據(jù)

2、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840個，狀態(tài)量約為100500個，集中在一個站內(nèi)可省去通信過程，實(shí)時性好,5,研究學(xué)習(xí),橫河公司：CENTUM A型集散控制系統(tǒng),配有YEWCOM 7000小型機(jī)作為上位機(jī)，包括現(xiàn)場控制站CFCD2、操作站COPSVCOPCV、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)。現(xiàn)場控制站CFCD2用作直接控制，操作站COPSVCOPCV完成操作和現(xiàn)場監(jiān)視

3、，現(xiàn)場控制站和操作站通過HF-BUS相連接,6,研究學(xué)習(xí),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 P120 RF-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,7,研究學(xué)習(xí),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15V輸入，8路4

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(jì)算機(jī)（控制部分RF-FIG-3-2）內(nèi)完成，插件與計(jì)算機(jī)之間采用站內(nèi)通信總線交換數(shù)據(jù),8,研究學(xué)習(xí),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,9,研究學(xué)習(xí),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,10,研究學(xué)習(xí),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,11,研究學(xué)習(xí),3.2 DCS現(xiàn)場控制站的功能,現(xiàn)場控制站的功能框圖,12,研究學(xué)習(xí),DCS現(xiàn)場控制站概述說明,概述：控制站支持多回路控制，

5、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,13,研究學(xué)習(xí),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,

6、14,研究學(xué)習(xí),反饋控制功能實(shí)例,數(shù)字調(diào)節(jié)器單元內(nèi)涵,15,研究學(xué)習(xí),緩沖罐的選擇控制框圖,反饋控制功能應(yīng)用實(shí)例,16,研究學(xué)習(xí),冷卻塔的順序控制,順序控制功能應(yīng)用實(shí)例,17,研究學(xué)習(xí),3.3 DCS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,18,研究學(xué)習(xí),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 P 132 （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。 P 133 （3）回路調(diào)整畫面-細(xì)致觀

7、測單元儀表的情況，可用于單回路的PID整定。 P 134 （4）報(bào)警畫面-按時間順序排列顯示報(bào)警（總貌種只顯示報(bào)警性質(zhì)和場所），有聲光配合。 P 136 （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。 P 135 （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。 P 137,19,研究學(xué)習(xí),利用VB開發(fā)的一種總貌顯示操作界面,20,研究學(xué)習(xí),現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ),第3章 第2部分,21,研究學(xué)習(xí),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。 現(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

8、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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信的基礎(chǔ) 計(jì)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),22,研究學(xué)習(xí),OSI Open Systems Interconnection,23,研究學(xué)習(xí),信息數(shù)據(jù)包裝及傳輸過程,24,研究學(xué)習(xí),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（physical layer）：規(guī)定通信介質(zhì)，完

9、成節(jié)點(diǎn)之間原始比特流的傳輸。 2數(shù)據(jù)鏈路層（ data link layer）：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（network layer）：選擇網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間信息傳送的路徑。 4. 傳輸層（ transport layer）：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 (Session Layer) ：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（ presentation layer）：信息格式的轉(zhuǎn)換。 7. 應(yīng)用層（ application layer）：召喚底層協(xié)議為其服務(wù),25,研究學(xué)習(xí),HART總線模型及與標(biāo)準(zhǔn)OSI對照(模擬/數(shù)字兼容的過渡

10、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),26,研究學(xué)習(xí),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)BELL202 FSK信號加載于420mA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,27,研究學(xué)習(xí),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)

11、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

12、制器與智能儀器的接口技術(shù)-使現(xiàn)場總線與計(jì)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)洹⑴渚€、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,28,研究學(xué)習(xí),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-PDU 4255 FAS-PDU 5256 DLL-PDU 8273 PH-PDU 11280,FF通信模型,RF-P-143-FIG-3-23,29,研究學(xué)習(xí),FF 通信模型各層次的功能與結(jié)

13、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,30,研究學(xué)習(xí),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,31,研究學(xué)習(xí),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(bào)文編碼-即數(shù)據(jù)報(bào)文，由上層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元生層，被加載

14、到直流電壓或電流上形成物理信號，每幀協(xié)議報(bào)文的長度為8273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,32,研究學(xué)習(xí),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：50產(chǎn)生1V峰-峰值電壓。 b.供電電壓：DC-932V。使用于本安場合時電壓由安全柵額定

15、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-7-1,33,研究學(xué)習(xí),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,34,研究學(xué)習(xí),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,35,研究學(xué)習(xí),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

16、動調(diào)度表控制與設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸,36,研究學(xué)習(xí),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),37,研究學(xué)習(xí),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-P147148-FIG-3-283-24 a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

17、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（Compel data），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 (Pass token)，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,38,研究學(xué)習(xí),鏈路活動調(diào)度器的調(diào)度方法,39,研究學(xué)習(xí),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

18、除； d數(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(bào)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； fLAS冗余-LAS失效時，其它鏈路主設(shè)備可成為LAS,40,研究學(xué)習(xí),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(bào)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(bào)文規(guī)范

19、（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(bào)文格式，用戶應(yīng)用采用這種格式在總線上傳送信息,41,研究學(xué)習(xí),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,42,研究學(xué)習(xí),FF現(xiàn)場儀表的功能塊,功能塊的基本概念：RF-P156159 FIG3-3236 a.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.VFD中的功能塊