第9章計算機過程控制系統(tǒng)

1、主要內(nèi)容主要內(nèi)容 9.1 計算機過程控制系統(tǒng) 9.2 集散控制系統(tǒng) 9.3 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) 9.4 工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng) 第九章 計算機過程控制系統(tǒng) -以微處理機為核心，接收和輸出都可以是 4-20mA.DC標(biāo)準(zhǔn)的、連續(xù)的電模擬量信號；內(nèi)部 處理信號為數(shù)字量，可由用戶編制程序，可組 成多種控制規(guī)律的一種數(shù)字式過程控制裝置。 9.1 計算機過程控制系統(tǒng) 9.1 計算機過程控制系統(tǒng)-結(jié)構(gòu) 9.1 計算機過程控制系統(tǒng)-結(jié)構(gòu)特點 1）結(jié)構(gòu)上：計算機過程控制系統(tǒng)通常是由模擬和數(shù)字器件構(gòu)成的混合系統(tǒng)： 控制器采用計算機實現(xiàn)，檢測變送環(huán)節(jié)和執(zhí)行器多采用模擬器件。 2）信號形式上：連續(xù)模擬信號,離散模擬信號,

2、離散數(shù)字信號,連續(xù)數(shù)字信號等。 3）工作方式上：一個由計算機實現(xiàn)的控制器可以同時為多個控制回路服務(wù)。 采用巡回方式實現(xiàn)多路控制。彼此之間采用分時并行控制。 4）控制算法上：通過計算機軟件實現(xiàn)，可以實現(xiàn)許多復(fù)雜控制策略。 5）實現(xiàn)功能上：靈活，適應(yīng)性強。 由計算機軟件實現(xiàn)的控制算法修改方便，無需硬件改變。 9.1 計算機過程控制系統(tǒng)-結(jié)構(gòu)發(fā)展 1）集中計算機控制系統(tǒng) 優(yōu)點：整體性好、協(xié)調(diào)性好。計算機便于統(tǒng)一調(diào)度和安排控制方式，實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫 的有效管理，保證數(shù)據(jù)的一致性。 缺點：計算機集中實現(xiàn)各種功能，當(dāng)被控對象的任務(wù)數(shù)量增加時，系統(tǒng)運行效 率會下降；一旦計算機出現(xiàn)故障，可能會影響到正常的生產(chǎn)運行。

3、軟件可靠性 不高。檢測點和執(zhí)行器距離主機較遠(yuǎn)，傳輸信息的線路費用較高。 9.1 計算機過程控制系統(tǒng)-結(jié)構(gòu)發(fā)展 2）集散控制系統(tǒng) 核心思想-“信息集中，控制分散”。 通過多臺計算機分擔(dān)控制功能和范圍，使處理能力大大提高，將危 險性分散；系統(tǒng)擴充時，只要根據(jù)需要增加所需的節(jié)點，并修改相 應(yīng)的組態(tài)，即可完成。 9.1 計算機過程控制系統(tǒng)-結(jié)構(gòu)發(fā)展 3）現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) 1）采用全分散化結(jié)構(gòu)。 2）信號傳輸實現(xiàn)了全數(shù)字化。 3）技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)全開放，現(xiàn)場設(shè)備具有互操作性，不同廠家的現(xiàn)場設(shè)備可 互聯(lián)可互換，并統(tǒng)一組態(tài)，從而能降低系統(tǒng)投資成本，并減少運行費用。 4）通信網(wǎng)絡(luò)采用開放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，可極其方便地

4、實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。 連接現(xiàn)場智能設(shè)備與控制 室之間的全數(shù)字式、開放 的、雙向的通信網(wǎng)絡(luò)。 具有綜合功能的 智能儀表 9.1 計算機過程控制系統(tǒng)-計算機選擇 根據(jù)系統(tǒng)要求不同，可以作出不同的選擇。 單片機或可編程邏輯控制器：被控變量較少、控制功 能單一、不需要顯示過多數(shù)據(jù)的場合； 工業(yè)控制計算機（簡稱工控機）：既要檢測，又要實 現(xiàn)控制，同時要顯示、打印大量生產(chǎn)數(shù)據(jù)的場合。 9.1 計算機過程控制系統(tǒng)-數(shù)據(jù)采集 過程輸入/輸出設(shè)備，實現(xiàn)信號的變換、隔離、采集等。 -生產(chǎn)過程中的所有工業(yè)參數(shù)（如模擬量、開關(guān)信號、 脈沖與頻率信號等）被轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號送入計算機； -計算機發(fā)出的控制信號（如給定值、閥門開度

5、等）轉(zhuǎn) 化為具體操作量送到執(zhí)行器去控制生產(chǎn)過程。 9.1 計算機過程控制系統(tǒng)-數(shù)據(jù)采集 1）模擬量輸入 把來自于被控過程的溫度、壓力、流量、料位和成分 等模擬量信號轉(zhuǎn)換成計算機可以處理的數(shù)字信號。 模/數(shù)轉(zhuǎn)換器： 1）分辨力：A/D轉(zhuǎn)換器的輸出每改變lLSB所對應(yīng)輸入模擬量的最小變化值。 2）轉(zhuǎn)換精度：給定數(shù)字量的實際模擬輸入值與理論模擬輸入值之間差值 。 3）轉(zhuǎn)換時間與轉(zhuǎn)換速率。轉(zhuǎn)換時間是A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需的時間； 轉(zhuǎn)換速率是轉(zhuǎn)換時間的倒數(shù)。 9.1 計算機過程控制系統(tǒng)-數(shù)據(jù)采集 1）模擬量輸入 在CPU控制下，由接口控制電路控制多路開關(guān)將過程參數(shù)選中，經(jīng)過放大器、采 樣保持器送到

6、A/D轉(zhuǎn)換器，并由控制電路啟動A/D轉(zhuǎn)換過程，轉(zhuǎn)換完畢后，將結(jié)果 經(jīng)接口送入計算機。 模擬量輸入通道的性能指標(biāo)有：1）輸入通道數(shù)。2）輸入信號。3）A/D轉(zhuǎn)換位 數(shù)。4）轉(zhuǎn)換精度。5）線性度。6）采集時間或采集速度。 9.1 計算機過程控制系統(tǒng)-數(shù)據(jù)采集 2）數(shù)字量輸入 數(shù)字量：生產(chǎn)過程中的電接點（通或斷：觸點式信號）信號或 邏輯電平（0或l：電壓式信號）信號。 數(shù)字量輸入：將生產(chǎn)過程中開關(guān)數(shù)字量傳送到計算機里。 觸點輸入方式 電壓輸入方式 光電耦合器 實現(xiàn)數(shù)字輸 入信號隔離 9.1 計算機過程控制系統(tǒng)-數(shù)據(jù)采集 3）模擬量輸出 把計算機輸出的數(shù)字量信號轉(zhuǎn)換成模擬電壓或電流 信號，以驅(qū)動相應(yīng)的

7、執(zhí)行器，實現(xiàn)控制作用。 一個通道有一個D/A轉(zhuǎn)換器 多個通道共用一個D/A轉(zhuǎn)換器 模擬量輸出通道的性能指標(biāo)：1）輸出通道數(shù)。2）輸出信號。3）轉(zhuǎn)換位數(shù)。 4）轉(zhuǎn)換精度。 5）線性度。 9.1 計算機過程控制系統(tǒng)-數(shù)據(jù)采集 4）數(shù)字量輸出 將計算機輸出的0或1信號轉(zhuǎn)換成電平信號和接點信號。 為防止干擾竄入計算 機，數(shù)字量輸出通道需 設(shè)置隔離電路。 9.1 計算機過程控制系統(tǒng)-軟件體系 系統(tǒng)軟件：為提高計算機使用效率、擴展功能，為方便 用戶使用、維護、管理計算機所提供的程序總稱。 應(yīng)用軟件：用戶為解決生產(chǎn)過程控制問題而提出，一 般由用戶自行設(shè)計和編制。為完成特定控制功能而編 寫的各種程序的總稱。

8、9.1 計算機過程控制系統(tǒng)-軟件體系 1）系統(tǒng)軟件 編輯程序。對程序進行插入、增補、刪除、修改、移動等編輯加工，并 在磁盤上建立源程序文件。 編譯程序。把用戶應(yīng)用源程序“翻譯”成機器代碼；并對用戶程序進行 語法檢查并顯示出錯信息。 連接程序。將浮動地址的目標(biāo)程序連接起來，形成一個完整的絕對地址 的目標(biāo)程序。 調(diào)試程序。實現(xiàn)設(shè)置斷點和啟動地址、單步跟蹤等跟蹤功能；修改、檢 查內(nèi)存和寄存器、移動內(nèi)存內(nèi)容的功能；讀寫磁盤的功能。 子程序庫。經(jīng)過系統(tǒng)軟件設(shè)計者仔細(xì)推敲并經(jīng)長期運行考驗后設(shè)計而成。 診斷軟件。指出故障類型和發(fā)生故障的部件，為修復(fù)系統(tǒng)提供方便。 9.1 計算機過程控制系統(tǒng)-軟件體系 2）應(yīng)

9、用軟件 控制程序。控制算法實現(xiàn)對被控對象的控制。 數(shù)據(jù)采集和處理程序。包括：數(shù)據(jù)可靠性檢查程序、A/D轉(zhuǎn)換及采樣程序、 數(shù)字濾波程序、線性化處理程序等。 巡回檢測程序。包括：畫面顯示程序、越限報警程序、事故預(yù)告程序等。 數(shù)據(jù)管理程序。包括：統(tǒng)計報表程序、產(chǎn)品銷售程序、生產(chǎn)調(diào)度程序、 庫存管理程序和產(chǎn)值利潤預(yù)測程序等。 9.1 計算機過程控制系統(tǒng)-軟件體系 3）系統(tǒng)組態(tài) 將實時數(shù)據(jù)庫、點記錄、歷史數(shù)據(jù)庫、圖形顯 示、控制回路等軟件的結(jié)構(gòu)與實現(xiàn)進行標(biāo)準(zhǔn)化、 通用化，使執(zhí)行軟件固定化。 GE公司的Cimplicity，Intellution公司的FIX、iFIX，Rockwell公司的RSVIEW，

10、 Simens公司的Wincc，美國NI公司的LABVIEW，國內(nèi)的組態(tài)王等。 具有多任務(wù)結(jié)構(gòu)，即計算機并行地運行幾個不同的程序，分別處理不同的事件和 完成不同的任務(wù)。在多任務(wù)結(jié)構(gòu)中，多個任務(wù)往往以某種方式分時占用CPU。 9.1 計算機過程控制系統(tǒng)-軟件體系 3）系統(tǒng)組態(tài) 實時數(shù)據(jù)庫生成。建立和修改實時輸入/輸出點記錄，保存應(yīng)用對象各種 信號綜合信息。生成方法：借助通用數(shù)據(jù)庫工具，生成數(shù)據(jù)庫文件；再 用轉(zhuǎn)換程序轉(zhuǎn)換成計算機所需結(jié)構(gòu)形式。用文本編輯器編輯一個ASCII碼 源文件，再用轉(zhuǎn)換程序轉(zhuǎn)換成可執(zhí)行的數(shù)據(jù)記錄格式。設(shè)計一個具有操 作指導(dǎo)和提示的屏幕編輯器，將屏幕畫面格式與數(shù)據(jù)格式相對應(yīng)，從

11、而為 每一類數(shù)據(jù)點設(shè)置一幅編輯畫面。每個測控點設(shè)計一項紀(jì)錄，每個紀(jì)錄用 一個二進制數(shù)設(shè)置一個標(biāo)識符（ID）。 連續(xù)控制系統(tǒng)生成。針對被控過程，構(gòu)建控制回路結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)控制參數(shù) 設(shè)定，并產(chǎn)生一個可供執(zhí)行的目標(biāo)文件，下裝到計算機上。 圖形生成。 9.1 計算機過程控制系統(tǒng)-數(shù)字PID 1）位置式PID控制算法 0 c D 0 I c c ) 1()()()()(ukeke T T ie T T keKku k i 采樣周期 不能直接與執(zhí)行器連接，必須經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為模擬量，并經(jīng)過保持電路，使 輸出信號保持到下一采樣周期輸出信號到來為止。 計算機的輸出直接與執(zhí)行器位置相對應(yīng)，如果計算機出現(xiàn)故障，輸

12、出發(fā)生大幅度 變化，會引起執(zhí)行器的較大變化，使被控過程發(fā)生波動，不利于過程安全穩(wěn)定。 算法在計算過程中需要累加輸入誤差，不僅要占用較多的存儲單元，而且計算費 時、不便編程實現(xiàn)。 9.1 計算機過程控制系統(tǒng)-數(shù)字PID 2）增量式PID控制算法 k時刻的實際控制 輸出量 特點：計算機只輸出控制增量，如果計算機出現(xiàn)故障或誤動作時，對被控過程 的影響較??；手動/自動切換方便，沖擊小；算式不需要累加，占用存儲空 間較少，計算方便。 缺點：必須采用具有保持歷史位置的執(zhí)行器；存在靜態(tài)誤差。 0 c D 1 0 I c c )2() 1()() 1() 1(ukeke T T ie T T keKku k

13、i )2() 1(2)()()1()()( c D I c c kekeke T T ke T T kekeKku )() 1()(kukuku 9.1 計算機過程控制系統(tǒng)-數(shù)字PID 3）改進型PID控制算法 低通濾波器時間 常數(shù) 微分先行PID控制算法、帶死區(qū)的PID控制算法、積分分離PID控制算法等。 2)-(1)-()(1)-()( 3210 keakeakeakuaku 1 1 0 1 d d a c D I c 1 c 1 1 T T T T d K a c D 1 c 2 2 1 T T d K a c1 Dc 3 Td TK a cD D 1 1 TK T d 9.2 集散控制

14、系統(tǒng) 以微型計算機為基礎(chǔ)、利用控制技術(shù)、通信技術(shù)、計算機 技術(shù)和CRT技術(shù)，將分散型控制裝置、通信系統(tǒng)、集中操作 與信息管理系統(tǒng)綜合在一起的新型過程控制系統(tǒng)。 9.2 集散控制系統(tǒng)-組成 實現(xiàn)DCS與生產(chǎn)過程的接口。 分散于控制現(xiàn)場 用于系統(tǒng)的集中監(jiān)視與操作、系統(tǒng)的 組態(tài)與維護以及系統(tǒng)的信息管理和優(yōu) 化控制。 通信系統(tǒng)：連接系統(tǒng)各單元，完成數(shù) 據(jù)、指令及其它信息的傳遞。 9.2 集散控制系統(tǒng)-特點 （1）功能分散 現(xiàn)場的過程控制單元：自動實現(xiàn)對參數(shù)檢測、運算處理、控制策略、控制 信息輸出等，實現(xiàn)功能的高度分散，使故障影響面小，危險分散。 控制和數(shù)據(jù)采集設(shè)備：盡可能地接近現(xiàn)場安裝，避免模擬信號的

15、長距離傳 輸，提高運行的可靠性； （2）信息綜合與集中管理 保證操作的一致性，由專人進行運行條件的操作，減少誤操作可能性。 （3）開放的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 硬件和軟件設(shè)計成模塊式，具有較好的開放性、通用性，擴展方便；可以 根據(jù)規(guī)模需求，靈活組建不同配置的系統(tǒng)。 （4）系統(tǒng)可靠性高 采用冗余（增加額外設(shè)備）技術(shù)和容錯技術(shù)，各單元都具有自診斷、自檢 查和自修復(fù)功能，及故障自動報警功能。 9.2 集散控制系統(tǒng)-發(fā)展 （1）第一階段：從20世紀(jì)70年代中期到后期 將控制功能分散到現(xiàn)場，通過總線將監(jiān)視和控制兩級連成整體，實現(xiàn)信息和數(shù) 據(jù)交換。由過程控制單元、數(shù)據(jù)采集裝置、CRT操作站、監(jiān)控計算機和數(shù)據(jù)傳輸 通道構(gòu)

16、成?，F(xiàn)場控制簡單，沒有高級控制算法，監(jiān)視功能少，上下級之間信息交 換量少，通信速度較慢，主要功能還是集中在常規(guī)控制上。 （2）第二階段：20世紀(jì)80年代 以局域網(wǎng)構(gòu)建的集散控制系統(tǒng)。系統(tǒng)中各單元都被看成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的工作站。由 節(jié)點工作站、中央操作站、系統(tǒng)管理站、管理計算機、網(wǎng)關(guān)和局域網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。監(jiān) 視和管理功能擴大，各節(jié)點工作站的控制功能增強，實時操作系統(tǒng)和圖形顯示技 術(shù)更加完善，網(wǎng)絡(luò)中的通信協(xié)議隨標(biāo)準(zhǔn)化網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用而得到推進，數(shù)據(jù)傳送也更 加可靠、更加快速。 （3）第三階段：20世紀(jì)80年代后 集散控制系統(tǒng)不僅包含生產(chǎn)過程的控制和監(jiān)視，還引入更多的管理信息，使其 成為過程自動化和管理自動化相結(jié)合的

17、綜合自動化系統(tǒng)。包含服務(wù)于控制和監(jiān)視 的底層網(wǎng)和服務(wù)于信息管理的上層網(wǎng)。 9.2 集散控制系統(tǒng)-遞階結(jié)構(gòu) 9.2 集散控制系統(tǒng)-遞階結(jié)構(gòu) 1）過程控制級 實時過程數(shù)據(jù)的采集和處理。 設(shè)備監(jiān)測和系統(tǒng)測試與診斷。 實施安全性、冗余化方面的措施。 直接數(shù)字控制。 反饋控制用于保證過程的關(guān)鍵變量按照工藝要求的規(guī)律變化。 順序控制用于保證設(shè)備狀態(tài)按照指定邏輯順序(按時間、位置原則)變化。 批量控制是針對間歇生產(chǎn)過程，將反饋控制與順序控制相結(jié)合構(gòu)成。 9.2 集散控制系統(tǒng)-遞階結(jié)構(gòu) 2）過程管理級 優(yōu)化控制。當(dāng)現(xiàn)場條件發(fā)生改變時，根據(jù)優(yōu)化策略，進行分析計 算，產(chǎn)生新的給定值和調(diào)節(jié)值交由過程控制級執(zhí)行。 協(xié)

18、調(diào)控制。根據(jù)單元內(nèi)的產(chǎn)品、原材料、庫存以及能源使用情況， 以優(yōu)化準(zhǔn)則協(xié)調(diào)相互的關(guān)系等。 系統(tǒng)運行監(jiān)視。監(jiān)視整個系統(tǒng)的運行參數(shù)、狀態(tài)，制定生產(chǎn)記錄 報表，進行報警顯示，故障顯示、分析、記錄等。 9.2 集散控制系統(tǒng)-遞階結(jié)構(gòu) 2）過程管理級-操作員站 系統(tǒng)與操作人員之間的接口，為操作人員提供現(xiàn)場運行 的狀態(tài)、參數(shù)的當(dāng)前值以及是否有異常情況等的顯示； 同時提供系統(tǒng)相關(guān)操作，實現(xiàn)系統(tǒng)的管理。 顯示畫面：工藝流程圖和控制界面；報警提示界面；控制回路界面；過 程趨勢界面；提示信息界面；記錄和表格界面。 用來管理系統(tǒng)的正常運行，包括：用戶通過定義操作鍵盤上的功能鍵來實現(xiàn)特 定操作命令；實現(xiàn)控制回路中給定值

19、和控制參數(shù)的修改；通過打印機打印、 磁盤保存等方式來輸出狀態(tài)信息、報警信息以及其它操作信息。 9.2 集散控制系統(tǒng)-遞階結(jié)構(gòu) 2）過程管理級-工程師站 提供對生產(chǎn)過程的監(jiān)控操作，對系統(tǒng)進行離線配置、組態(tài) 和編程，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的優(yōu)化控制等功能的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。 功能： 1）系統(tǒng)離線配置與組態(tài)功能：硬件配置。數(shù)據(jù)庫組態(tài)。回路組態(tài)。 2）系統(tǒng)監(jiān)控功能：對各過程控制單元的運行狀態(tài)、各操作員站的運行情況、網(wǎng) 絡(luò)通信情況等的監(jiān)控。 3）系統(tǒng)管理功能：將組態(tài)文件自動加上信息，生成規(guī)定格式的文件，便于保 存、檢索和傳送；對這些文件進行復(fù)制、列表、初始化或重建等。 9.2 集散控制系統(tǒng)-遞階結(jié)構(gòu) 3）生產(chǎn)管理級 根據(jù)

20、產(chǎn)品特點，協(xié)調(diào)各控制單元的參數(shù)給定值，對 產(chǎn)品生產(chǎn)進行總體協(xié)調(diào)和控制。 功能： 根據(jù)用戶訂貨、庫存情況、能源情況等規(guī)劃產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和規(guī)模，進行生產(chǎn)調(diào)度。 對產(chǎn)品進行隨時更新、重新組織和柔性調(diào)度，。 對工廠級的生產(chǎn)狀況進行觀察，監(jiān)測產(chǎn)品質(zhì)量，對產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量的相關(guān)數(shù)據(jù) 進行統(tǒng)計和報表制定，并向上層傳遞數(shù)據(jù)和信息。 9.2 集散控制系統(tǒng)-遞階結(jié)構(gòu) 4）經(jīng)營管理級 完成工程技術(shù)、商務(wù)事務(wù)、人事及經(jīng)濟等方面問題的集 體協(xié)調(diào)和管理任務(wù)，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的最優(yōu)化。 功能：市場分析、用戶信息的收集、訂貨統(tǒng)計分析、銷售與產(chǎn)品計劃、合同事宜、 接收訂貨與期限監(jiān)測、產(chǎn)品制造協(xié)調(diào)、價格計算、生產(chǎn)能力與訂貨的平衡、訂貨 的分

21、發(fā)、生產(chǎn)與交貨期限的監(jiān)視、生產(chǎn)與訂貨報告、財政報告等。 9.2 集散控制系統(tǒng)-通信網(wǎng)絡(luò) 1）實時性強 通常其響應(yīng)時間在0.01-0.5s之間，底層的信息存取時間要小于10ms。 2）長時間的高可靠性 要求集散控制系統(tǒng)中的通信準(zhǔn)確率達100%；通信具有長時可靠性。 3）高抗干擾能力 要求鋪設(shè)在現(xiàn)場的網(wǎng)絡(luò)必須具有多種抗干擾措施，確保通信可靠。 4）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的層次性和開放性 底層的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)隨著現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展逐步得到完善； 中層主要是以數(shù)據(jù)高速公路為主流的局域網(wǎng)； 高層是以傳送管理信息為主的管理信息網(wǎng)。 9.2 集散控制系統(tǒng)-設(shè)計 1）功能規(guī)范的確定：系統(tǒng)功能。系統(tǒng)的性能指標(biāo)。環(huán)境要求。 2）系統(tǒng)

22、配置：選擇幾類符合要求的集散控制系統(tǒng)，進行系統(tǒng)硬件配置，確定 操作站、現(xiàn)場控制站和I/O卡件等的數(shù)量和規(guī)格，擬定出幾套配置方案。 3）評價及選型：系統(tǒng)技術(shù)性能、使用性能、可靠性和經(jīng)濟性等評價。技術(shù)性 能評價包括現(xiàn)場控制站評價、人機接口評價、過程計算機評價和通信系統(tǒng)評價等。 使用性能評價包括系統(tǒng)技術(shù)成熟性、系統(tǒng)技術(shù)支持、系統(tǒng)兼容能力等方面。可靠 性評價包括系統(tǒng)平均故障間隔時間、系統(tǒng)平均故障修復(fù)時間、冗余容錯能力及安 全性。經(jīng)濟性評價要考慮報價和系統(tǒng)運行費用。 1）方案論證 完成系統(tǒng)功能規(guī)范的制定，選出最合適的集散控制系統(tǒng)。 9.2 集散控制系統(tǒng)-設(shè)計 根據(jù)工藝要求和廠方技術(shù)資料，確定系統(tǒng)硬件配置

23、。配置時除要考慮一定的冗 余外，還要為今后控制回路和I/O點等的擴展留出10%-15%的余量；另外，要留足 三年左右維護期的備品、備件。最后制定出一張詳細(xì)的訂貨單，與制造廠進一步 進行實質(zhì)性談判，正式簽訂購買合同。合同中除了規(guī)定時間進度及廠商提供的技 術(shù)服務(wù)、文檔資料外，尤其要包含雙方認(rèn)可的系統(tǒng)功能規(guī)范。 2）方案設(shè)計 針對選定的系統(tǒng)，依據(jù)系統(tǒng)功能規(guī)范作進一步核實，考 核產(chǎn)品是否能完全符合生產(chǎn)過程提出的要求；核實無誤后 再作方案設(shè)計。 9.2 集散控制系統(tǒng)-設(shè)計 1）文檔建立與設(shè)計 回路名稱及說明表；工藝流程圖，包括控制點及系統(tǒng)與現(xiàn)場儀表接口說明； 特殊控制回路說明書；網(wǎng)絡(luò)組態(tài)數(shù)據(jù)文件；聯(lián)鎖設(shè)

24、計文件；流程圖畫面 設(shè)計；操作編程設(shè)計書；硬件連接電纜表；系統(tǒng)硬件和平面布置圖；硬件 及備品件的清單；系統(tǒng)操作手冊。 2）集散控制系統(tǒng)的應(yīng)用軟件設(shè)計 掌握系統(tǒng)軟件功能和用法；結(jié)合實際生產(chǎn)工藝過程，進行組態(tài)軟件設(shè)計；設(shè)計 好的軟件反復(fù)進行運行檢查，不斷修改至正確為止，最后生成正式系統(tǒng)應(yīng)用軟件。 3）集散控制系統(tǒng)的控制室設(shè)計 根據(jù)系統(tǒng)性能規(guī)范中關(guān)于環(huán)境的要求，應(yīng)考慮DCS控制室的位置選擇、房間配 置要求、照明和空調(diào)要求，以及供電電源、接地、防雷和安全各個方面。 3）工程設(shè)計 9.3 現(xiàn)場總線控制技術(shù)-現(xiàn)場總線 現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線-在過程自動化和制造自動化中，實現(xiàn)連接在過程自動化和制造自動化中，實現(xiàn)連

25、接 現(xiàn)場變送器、傳感器及執(zhí)行機構(gòu)等智能化現(xiàn)場儀表與上現(xiàn)場變送器、傳感器及執(zhí)行機構(gòu)等智能化現(xiàn)場儀表與上 位機系統(tǒng)的數(shù)字通信鏈路（通信網(wǎng)絡(luò)）位機系統(tǒng)的數(shù)字通信鏈路（通信網(wǎng)絡(luò)）, ,智能化現(xiàn)場設(shè)備智能化現(xiàn)場設(shè)備 與高層設(shè)備之間互連的、全數(shù)字、串行、雙向傳輸?shù)摹⑴c高層設(shè)備之間互連的、全數(shù)字、串行、雙向傳輸?shù)摹?多分支結(jié)構(gòu)的通信系統(tǒng)。多分支結(jié)構(gòu)的通信系統(tǒng)。 9.3 現(xiàn)場總線控制技術(shù)-現(xiàn)場總線 1）開放性：任何廠家的現(xiàn)場總線儀表產(chǎn)品，只要符合現(xiàn)場總線通信協(xié)議，就 能方便地連接到現(xiàn)場總線通信網(wǎng)，彼此互連并實現(xiàn)信息交換。 2）互操作性：由不同廠家生產(chǎn)的具有同一功能的同類設(shè)備之間可以互換；不 同廠商的設(shè)備之間可

26、以互連，實現(xiàn)點對點、一點對多點的數(shù)字通信。 3）智能化：將專用微處理器置入傳統(tǒng)測控儀表，使其具備檢測、控制、運算、 在線故障診斷等數(shù)字計算和數(shù)字通信功能。接線簡化，控制室占地面積減少，節(jié) 省硬件數(shù)量與投資。 4）分散化：現(xiàn)場智能設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)中一個虛擬控制站，將控制功能分散化。 當(dāng)需要增加現(xiàn)場控制設(shè)備時，可就近連接在原總線電纜上，無需增加新電纜。 5）環(huán)境適應(yīng)性：現(xiàn)場總線是專為在現(xiàn)場環(huán)境下工作而設(shè)計的，可支持多種通 信媒體，具有較強的抗干擾能力。采用兩線制實現(xiàn)總線供電，保證現(xiàn)場設(shè)備滿足 本質(zhì)安全防爆要求。 特點 9.3 現(xiàn)場總線控制技術(shù)-現(xiàn)場總線 發(fā)展 1984年，國際電工委員會IEC與美國儀表

27、學(xué)會ISA開始現(xiàn)場總線的標(biāo)準(zhǔn)制定 工作。但由于各制造商的意見不一致，導(dǎo)致制定工作進展緩慢. 1993年現(xiàn)場總線物理層規(guī)范IEC 61158.2正式通過。 1994年ISA成立非贏利性質(zhì)的現(xiàn)場總線基金會，開啟了現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)制定 的新時期。 2000年，IEC和ISA聯(lián)合制定的“工業(yè)控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線”國際標(biāo)準(zhǔn)IEC- 61158出臺。 中國的現(xiàn)場總線技術(shù)及其產(chǎn)品的開發(fā)工作起步較晚，沒有自主定制的現(xiàn)場 總線標(biāo)準(zhǔn)。 9.3 現(xiàn)場總線控制技術(shù)-現(xiàn)場總線 發(fā)展 10類互不兼容的現(xiàn)場總線。 類型1 IEC 61158技術(shù)規(guī)范，即FF基金會現(xiàn)場總線H1。 類型2 Control Net現(xiàn)場總線，由美國Rock

28、well公司支持。 類型3 Profibus現(xiàn)場總線，由德國西門子公司支持。 類型4 P-Net現(xiàn)場總線，由丹麥Process Data公司支持。 類型5 FF HSE高速以太網(wǎng)總線，由美國 Fisher Risemount公司支持。 類型6 Swift Net現(xiàn)場總線，由美國波音公司支持。 類型7 Interbus現(xiàn)場總線。 類型8 WorldFTP現(xiàn)場總線，由法國Alstom公司支持。 類型9 IEC/ISA SP50現(xiàn)場總線。 類型10 Profinet現(xiàn)場總線。 9.3 現(xiàn)場總線控制技術(shù)-現(xiàn)場總線類型 傳感器總線，其數(shù)據(jù)長度為位，如AS-i、Seriplex； 設(shè)備總線，其數(shù)據(jù)長度為字

29、節(jié)，如Interbus、CAN等； 數(shù)據(jù)流現(xiàn)場總線，其數(shù)據(jù)長度為數(shù)據(jù)塊，如FF、 Profibus、World-FIP、P-Net、Lonworks等。 9.3 現(xiàn)場總線控制技術(shù)-現(xiàn)場總線類型 FF:基金會現(xiàn)場總線(Foundation Fieldbus)，由現(xiàn)場總線基 金會提出，前身為ISP和World FIP協(xié)議。遵循OSI參考模型。 (1) FF現(xiàn)場總線 低速現(xiàn)場總線H1: 采用31.25Kbps傳輸速率， 支持總線供電，具有本質(zhì)安全防爆能力。 高速現(xiàn)場總線HSE: 采用100Mbps傳輸速率。 9.3 現(xiàn)場總線控制技術(shù)-現(xiàn)場總線類型 符合德國國家標(biāo)準(zhǔn)DIN19245和歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN501

30、70。包含OSI 模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層，支持主從方式、多主 多從通信方式，主站對總線具有控制權(quán)，主站間通過傳遞令 牌來傳遞對總線的控制權(quán)。 (2) Profibus現(xiàn)場總線 Profibus-DP（分散外圍設(shè)備） Profibus-PA（過程自動化） Profibus-FMS（現(xiàn)場總線報文規(guī)范） 9.3 現(xiàn)場總線控制技術(shù)-現(xiàn)場總線類型 通用測控總線網(wǎng)，由美國Echelon公司于20世紀(jì)90年代初推 出。其通信協(xié)議LonTalk遵循 ISOOSI參考模型，提供了ISO 所定義的全部7層服務(wù)，是唯一提供全部服務(wù)的現(xiàn)場總線。 (3) LonWorks 神經(jīng)元芯片是LonWorks技術(shù)的核

31、心，用于完成節(jié)點的事件處理和 數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)LonTalk通信協(xié)議。芯片內(nèi)含3個8位的CPU：第一個 CPU為介質(zhì)訪問控制處理器；第二個CPU為網(wǎng)絡(luò)處理器；第三個CPU 為應(yīng)用處理器。 9.3 現(xiàn)場總線控制技術(shù)-現(xiàn)場總線類型 控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network）的簡稱，由 德國Bosch公司1983年推出，是一種具有高可靠性、支持分布 式實時控制的串行數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。國際標(biāo)準(zhǔn)ISO11898。 (4) CAN 廢除傳統(tǒng)通信中的節(jié)點地址，采用通信數(shù)據(jù)塊編碼，并要求具有 高抗電磁干擾性、高傳輸速率和檢錯能力. 采用非破壞性的總線仲裁技術(shù)，根據(jù)節(jié)點的優(yōu)先級，實現(xiàn)點對點、 一點對

32、多點和廣播方式通信。采用短幀報文，抗干擾能力強、可靠 性高，比較適用于開關(guān)量控制。 9.3 現(xiàn)場總線控制技術(shù)-現(xiàn)場總線類型 工業(yè)控制領(lǐng)域的現(xiàn)場總線，是歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170的第3部分。 采用單一的總線結(jié)構(gòu)來適用不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求，而且沒有任 何網(wǎng)橋或網(wǎng)關(guān)。不同應(yīng)用領(lǐng)域采用不同的總線速率，過程控制 用31.25kbps，制造業(yè)用1Mbps，驅(qū)動控制用l-5Mbps。 (5) WorldFIP WorldFIP開發(fā)了低成本Device WorldFIP總 線，以適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場的各種惡劣環(huán)境。 9.3 現(xiàn)場總線控制技術(shù)-現(xiàn)場總線類型 可尋址遠(yuǎn)程傳感器數(shù)據(jù)通路（Highway Addressable T

33、ransducer）的縮寫。最早由Rosemount公司開發(fā)。其特點是 在現(xiàn)有模擬信號傳輸線上實現(xiàn)數(shù)字通信，屬于模擬系統(tǒng)向數(shù) 字系統(tǒng)轉(zhuǎn)變過程中的過渡性產(chǎn)品。 (6) HART 采用基于Bell 202通信標(biāo)準(zhǔn)的頻移鍵控FSK技術(shù)，在標(biāo)準(zhǔn)4- 20mA.DC模擬信號上疊加FSK數(shù)字信號，使模擬信號與數(shù)字雙 向通信能同時進行，且互不干擾。 9.3 現(xiàn)場總線控制技術(shù)-現(xiàn)場總線類型 基于CAN總線技術(shù)的設(shè)備級現(xiàn)場總線。由嵌入CAN 通信控制器芯片的設(shè)備組成，用于連接低壓電器和 低端工業(yè)設(shè)備. (7) DeviceNet 采用基于連接的通信方式，數(shù)據(jù)傳輸速率不高， 具有低成本、高效率、高可靠性、高性能的

34、特點。 9.3 現(xiàn)場總線控制技術(shù)-現(xiàn)場總線類型 由Rockwell公司于1995年提出。是一種具有高速、高 度確定性和可重復(fù)性的網(wǎng)絡(luò)，適用于PLC和計算機之間、 邏輯控制和過程控制系統(tǒng)之間、對時間有苛刻要求的復(fù) 雜應(yīng)用場合的信息傳輸。 (8) ControlNet 1）對時間有苛刻要求的控制信息和I/O數(shù)據(jù)。擁有最高的優(yōu)先權(quán)， 以保證不受其他信息的干擾，并具有確定性和可重復(fù)性； 2）無時間要求的發(fā)送信息和上/下載程序被授予較低的優(yōu)先權(quán)。 9.3 現(xiàn)場總線控制技術(shù)-現(xiàn)場總線類型 由德國Phoenix Contact公司開發(fā)，是一種執(zhí)行器傳 感器總線。該總線已成為德國國家標(biāo)準(zhǔn)DIN19258，歐洲

35、 標(biāo)準(zhǔn)EN50254和IEC61158標(biāo)準(zhǔn)。 (9)Interbus 采用數(shù)據(jù)環(huán)結(jié)構(gòu)，適用于分散輸入/輸出以及不同類型控制系 統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳輸。包括遠(yuǎn)程總線和本地總線。遠(yuǎn)程總線采用 RS-485、全雙工方式進行遠(yuǎn)距離網(wǎng)絡(luò)本身不供電。遠(yuǎn)程總線 數(shù)據(jù)通過總線終端轉(zhuǎn)換為本地總線數(shù)據(jù)。 9.3現(xiàn)場總線控制技術(shù)-現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(Fieldbus Control System, FCS)是 一種開放、具有互操作性、徹底分散的分布控制系統(tǒng)。 FCS的特點: 開放性、分散性與數(shù)字通信。 9.3現(xiàn)場總線控制技術(shù)-現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 利用現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，連 接作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的智能 設(shè)備，構(gòu)成

36、開放、標(biāo)準(zhǔn) 的自動化控制系統(tǒng) 9.3現(xiàn)場總線控制技術(shù)-現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) 主要設(shè)備 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中的設(shè)備，必須是數(shù)字化、智能化 儀表，具有支持現(xiàn)場總線系統(tǒng)的接口和符合現(xiàn)場總線 控制系統(tǒng)通信協(xié)議的運行程序。 檢測變送器和執(zhí)行器: 采用符合總線通信協(xié)議的智能設(shè)備。 智能設(shè)備中PID控制: 通過硬件組態(tài)組成串級控制、前饋一反饋控制等 多回路控制系統(tǒng)。通過軟件實現(xiàn)自適應(yīng)控制、推理控制等高級控制策略。 輔助設(shè)備: 包括保證總線系統(tǒng)正常工作所需的各種轉(zhuǎn)換器、總線電源、 安全柵和便攜式編程器等。 監(jiān)控設(shè)備: 包括實現(xiàn)各種硬件和軟件組態(tài)、生產(chǎn)工藝操作的設(shè)備，以及 用于過程建模、控制和優(yōu)化調(diào)度的計算機工作站等

37、。 9.3現(xiàn)場總線控制技術(shù)-現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) 系統(tǒng)特點 1）實時性 在網(wǎng)絡(luò)通信過程中，能在線實時采集過程參數(shù)，實時對系統(tǒng)信息加工 處理，并迅速反饋給系統(tǒng)完成過程控制，滿足控制對時間限制的要求。 FCS的通信協(xié)議采用簡化的OSI層協(xié)議，介質(zhì)訪問控制協(xié)議一般采用令 牌總線訪問方式?；究刂乒δ芟路诺浆F(xiàn)場具有智能的芯片或功能塊中， 實現(xiàn)徹底分散的控制功能。 2）高可靠性 硬件采用專用芯片和表面安裝技術(shù)，并且可以在線快速排除故障，以 強化硬件可修復(fù)性。 系統(tǒng)軟件采用分離化體系結(jié)構(gòu)，功能模塊化，定義清晰明確。 9.3現(xiàn)場總線控制技術(shù)-現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) 系統(tǒng)特點 FCS實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化和控制系統(tǒng)的扁平化，保證各

38、種控制系統(tǒng) 的開放性和互聯(lián)性，使得控制系統(tǒng)的組織重構(gòu)和工作協(xié)調(diào) 成為可能。 控制系統(tǒng)的組織重構(gòu): 用于實現(xiàn)各種控制作用的子系統(tǒng)或者單元， 能夠根據(jù)不同的工作需要，進行重新組織和調(diào)整，以適應(yīng)實際生產(chǎn)的需 要。各功能子系統(tǒng)通過總線連接到網(wǎng)絡(luò)上，當(dāng)有新的控制任務(wù)時，只要 改變回路控制系統(tǒng)的配置文件，重新定義構(gòu)成回路控制系統(tǒng)的有關(guān)儀表 單元，就可以實現(xiàn)功能子系統(tǒng)和儀表單元的組織重構(gòu)。 9.3現(xiàn)場總線控制技術(shù)-現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) 系統(tǒng)組成 1）測量系統(tǒng) 測量儀表采用數(shù)字信號，具有高分辨率、高精確度、強抗干擾和畸變能力。 2）管理系統(tǒng) 提供設(shè)備自身及過程的診斷信息、管理信息、設(shè)備運行狀態(tài)信息等。 3）控制系

39、統(tǒng) 采用客戶/服務(wù)器工作模式，通過系統(tǒng)管理主機、服務(wù)器、網(wǎng)關(guān)、協(xié)議變換 器、集線器、客戶計算機、底層智能化儀表口的硬件設(shè)備，以及組態(tài)軟件、維護 軟件、仿真軟件、設(shè)備軟件和監(jiān)控軟件等軟件，實現(xiàn)過程信息交換。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng) 的互操作性、分布性及實時性要求突出，常選用的數(shù)據(jù)庫有ORACLE、SYBAS、 INFORMIX, SQL SERVER等。 9.4 工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng) 實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)集成與信息 交互，包含監(jiān)控、調(diào) 度、管理等功能。 完成生產(chǎn)現(xiàn)場 測量控制功能， 提供生產(chǎn)過程 與設(shè)備的各種 信息。 9.4 工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)-工業(yè)以太網(wǎng) 工業(yè)以太網(wǎng)采用Ethernet+TCP/IP形式，底層是以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)

40、， 網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層采用TCP/IP;配備Web Server功能瀏覽PLC內(nèi) 容，提供現(xiàn)場總線級以太網(wǎng)絡(luò)和I/O模塊，并提供工業(yè)用集 線器、交換機、收發(fā)器和電纜，使以太網(wǎng)可以支持工業(yè)高層 網(wǎng)絡(luò)上的通信系統(tǒng)，還可以向下延伸到底層網(wǎng)絡(luò)，與現(xiàn)場設(shè) 備相連。 9.4 工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)-工業(yè)以太網(wǎng) 1）工業(yè)以太網(wǎng)要求數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r性和系統(tǒng)響應(yīng)實時性。過程控制系 統(tǒng)的響應(yīng)時間要求為0.010.5s，制造自動化系統(tǒng)的響應(yīng)時間為0.5 2.0s，信息網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)時間為2.06.0s。 2）工業(yè)以太網(wǎng)強調(diào)在惡劣環(huán)境下數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾?、可靠性?？刂凭W(wǎng) 絡(luò)應(yīng)具有在高溫、潮濕、震動、腐蝕、電磁干擾等工業(yè)環(huán)境中長時間、

41、 連續(xù)、可靠、完整地傳送數(shù)據(jù)的能力，并能抗工業(yè)電網(wǎng)的浪涌、跌落和 尖峰干擾。在易燃易爆場合，具有本質(zhì)安全能力。 3）由于分散的單一用戶要借助控制網(wǎng)絡(luò)進入某個系統(tǒng)，通信方式多使 用廣播或組播方式，信息網(wǎng)絡(luò)中某個自主系統(tǒng)與另一自主系統(tǒng)一般要使 用一對一通信方式。 9.4 工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)-工業(yè)以太網(wǎng) 1）物理介質(zhì)采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)連線。 2）使用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)連接設(shè)備。 3）采用IEEE802.3物理層和數(shù)據(jù)鏈路層標(biāo)準(zhǔn)、TCP/IP協(xié)議組。 4）兼容上一代現(xiàn)場總線系統(tǒng)甚至DCS系統(tǒng)。 5）將傳統(tǒng)的3層網(wǎng)絡(luò)模型簡化為兩層，甚至是一層。 與現(xiàn)場總線的關(guān)系 9.4 工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)-工業(yè)以太網(wǎng) 與現(xiàn)場總線的關(guān)系 FF-HSE是以太網(wǎng)協(xié)議IEEE802.3、 TCP/IP協(xié)議組與FF-H1的結(jié)合體，用 于實現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的集成。 9.4 工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)-NCSs 基于網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)（Networked Control Systems）是指 把實時通訊網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)通路構(gòu)成的反饋控制系統(tǒng)。它是 現(xiàn)場傳感變送單元、控制器及執(zhí)行