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(gè)階段： 19751980年為誕生期。 19801985年為成熟期。 1985年至今為擴(kuò)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(jì)算機(jī) 11.1.3 分散型控制系統(tǒng)的特點(diǎn) （1）采用微機(jī)智能技術(shù) （2）采用分級(jí)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(qiáng)有力的人機(jī)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(biāo)準(zhǔn)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(chǎng)控制站功能 現(xiàn)場(chǎng)控制站是完成對(duì)過程現(xiàn)場(chǎng)I/O信號(hào)處理，并實(shí)現(xiàn)直接數(shù)字控制（DDC）的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，主要功能有三個(gè)： 將各種現(xiàn)場(chǎng)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(jìn)行數(shù)字化，并將這些數(shù)字化后的量存放在存儲(chǔ)器中，形成一個(gè)與現(xiàn)場(chǎng)過程量一致的、能一一對(duì)應(yīng)的、并按實(shí)際運(yùn)行情況實(shí)時(shí)地改變和更新的現(xiàn)場(chǎng)過程量的實(shí)時(shí)映像。 將本站采集到的實(shí)時(shí)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(chǎng)I/O控制站，以便實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)范圍內(nèi)的監(jiān)督和控制，同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)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(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的人工控制或?qū)Ρ菊镜膮?shù)設(shè)定。 在本站實(shí)現(xiàn)局部自動(dòng)控制、回路的計(jì)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(biāo)準(zhǔn)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(bào)警提示畫面 控制回路畫面 過程趨勢(shì)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(bào)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(cè)試功能 3）系統(tǒng)維護(hù)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(chǎng)控制單元(FCU) 1）機(jī)柜 2）供電電源 3）信號(hào)輸入、輸

4、出I/O插板 輸入信號(hào)種類 模擬輸入信號(hào)變換 模數(shù)轉(zhuǎn)換 信號(hào)輸出 4）運(yùn)算電路主機(jī)插板 5）信號(hào)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(shí)時(shí)趨勢(shì)顯示； 生產(chǎn)過程模擬流程圖顯示； 報(bào)警顯示； 關(guān)鍵數(shù)據(jù)常駐顯示； 檢測(cè)及控制儀表模擬顯示； 數(shù)據(jù)及報(bào)表生成。 2）鍵盤輸入設(shè)備 3）信息存儲(chǔ)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(jì)算機(jī)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(gè)網(wǎng)絡(luò)有下列特點(diǎn)： （1）實(shí)時(shí)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖11.4 通信網(wǎng)絡(luò)的物理拓?fù)浣Y(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(huì)出現(xiàn)爭(zhēng)搶現(xiàn)象，可提供通信的優(yōu)先級(jí)服務(wù)等。 控制功能集中在該中心節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)的控制邏輯大大地簡(jiǎn)化，只要在安排的占用時(shí)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(diǎn)，如： 對(duì)中心節(jié)點(diǎn)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(diǎn)，使危險(xiǎn)性增加。 數(shù)據(jù)和信息都要經(jīng)過中心節(jié)點(diǎn)，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(cè)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(biāo)準(zhǔn) 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(yàn)碼。在接收端，拆卸數(shù)據(jù)幀，核對(duì)地址和校驗(yàn)碼，取出數(shù)據(jù)。圖11.5 IEEE802標(biāo)準(zhǔn)組成 增加對(duì)點(diǎn)到點(diǎn)的通信進(jìn)行管理所需的邏輯功能，即連接控制。 對(duì)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(biāo)準(zhǔn)，

7、子標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容為： 為L(zhǎng)LC子層提供的服務(wù)規(guī)范。 MAC標(biāo)準(zhǔn)，這是子標(biāo)準(zhǔn)的核心，它規(guī)定了數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)和對(duì)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(biāo)準(zhǔn)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(hào)電氣特性。 （2）MAP協(xié)議 Mini MAP 增強(qiáng)型MAP 全MAP 寬帶MAP圖11.6 NBS模型與MAP （3）PROWAY標(biāo)準(zhǔn) 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(jìn)行組態(tài)準(zhǔn)備工作 3)利用PC機(jī)進(jìn)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(gè)部分： 1)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)文件(NCF)組態(tài) 2)數(shù)據(jù)點(diǎn)組態(tài) 3)用戶畫面、自由格式報(bào)表和鍵定義組態(tài) 4)區(qū)域數(shù)據(jù)庫(kù)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(jiǎn)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(jìn)過程管理站（APM） 邏輯管理站(LM) （3）TDC3000系統(tǒng)特點(diǎn) 1）開放性系統(tǒng) 2）人機(jī)接口功能強(qiáng)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(hù)方便 11.5.2 和利時(shí)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(chǎng)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(jí)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)由I/O現(xiàn)場(chǎng)控制站向操作員站的數(shù)據(jù)傳輸； 實(shí)現(xiàn)各I/O現(xiàn)場(chǎng)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(shí)現(xiàn)操作員站和工程師站向現(xiàn)場(chǎng)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(jí)做起； 采用工業(yè)令牌總線協(xié)議(Token Bu