计算机控制技术及工程应用第十二章.ppt

第十二章 DCS与FCS,本章要点: 1.DCS的基本概 、体系结构与功能特点。 2.FCS的基本概念、体系结构与功能特点 。 3. DCS 与FCS的几种典型产品。,返回总目录,本章主要内容,引 言 12.1 DCS体系结构 12.2 DCS功能特点 12.3 DCS产品简介 12.4 FCS体系结构 12.5 FCS功能特点 12.6 FCS产品简介,引 言,分散控制系统DCS-以微型计算机为基础的集散型综合控制系统。 特点设计遵循控制功能分散、操作管理集中的原则。 历史-1975年美国霍尼韦尔公司成功推出世界上第一套DCS 以来，产品几经更新换代，技术性能日趋完善。二十几年来，DCS首当其冲地成为大型工业生产过程的主流控制系统。 现场总线控制系统FCS-基于计算机总线的综合控制系统 特点-它代表的是一种数字化网络化到现场、控制管理到现场的发展方向。实时性、通信性好 发展前景-成为当今世界范围内自动控制系统的热点,12.1 DCS体系结构,主要知识点 前言 12.1.1 分散过程控制级 12.1.2 集中操作监控级 12.1.3 综合信息管理级 12.1.4 通信网络系统,图12-1分散控制系统体系结构,前 言,12.1.1 分散过程控制级,分散过程控制级-是DCS的基础层,它向下直接面向工业对象，其输入信号来自于生产过程现场的传感器（如热电偶、热电阻等）、变送器（如温度、压力、液位、流量等）及电气开关（输入触点）等，其输出去驱动执行器（如调节阀、电磁阀、电机等）. 功能数据采集、闭环调节控制、顺序控制、数据通信，信息整理后向操作站报告等。 构成装置有现场控制站，可编程控制器，智能调节器及其它测控装置。,1 .现场控制站,2智能调节器,智能调节器一种数字化的过程控制仪表，也称可编程调节器；组成由微处理器CPU、存储器RAM、ROM、模拟量和数字量I/0 通道、电源等部分组成的一个微型计算机系统。 输入信号420mA模拟量信号和开关量信号； 通信具有RS232或RS-485等串行通信接口； 功能一般有单回路、2回路、或4回路的调节器； 可以作为大型分散控制系统中最基层的一种控制单元，与 上位机（即操作监控级）连成主从式通信网络，接受上位 机下传的控制参数，并上报各种过程参数； 控制方式除一般的单回路PID之外，还可组成串级控制、前馈 控制等复杂回路。 3可编程控制器 特点-开关量输人、输出通道，用于执行顺序控制功能。,12.1.2 集中操作监控级,构成这一级的主要装置有：面向操作人员的操作员操作站、面向监督管理人员的工程师操作站、监控计算机及层间网络联接器。一般情况下，一个DCS系统只需配备一台工程师站，而操作员站的数量则需要根据实际要求配置。,1.操作员操作站 （1）操作员站的硬件 （2）操作员站的功能,2.工程师操作站 （1）工程师站的硬件 （2）工程师站的功能,12.1.3 综合信息管理级,DCS的综合信息管理级实际上是一个管理信息系统（Management lnformation System，简称MIS），由计算机硬件、软件、数据库、各种规程和人共同组成的工厂自动化综合服务体系和办公自动化系统。 MIS是一个以数据为中心的计算机信息系统。企业MIS可粗略地分为市场经营管理、生产管理、财务管理和人事管理四个子系统。子系统从功能上说应尽可能独立，子系统之间通过信息而相互联系。 DCS的综合信息管理级主要完成生产管理和经营管理功能。比如进行市场预测，经济信息分析；对原材料库存情况、生产进度、工艺流程及工艺参数进行生产统计和报表；进行长期性的趋势分析，作出生产和经营决策，确保最优化的经济效益。,DCS通信网络各级之间的信息传输网络。通信网分成 低速、中速、高速通信网络。低速网络 面向分散过程控制级；中速网络面向集 中操作监控级；高速网络面向管理级。 分类分为星型、总线型和环型结构三种。后 两种常用。 特点在提高系统性能，也可以把集中网络结 构合理地运用于一个系统中，以充分利 用各网络结构的优点。,12.1.4 通信网络系统,12.2 DCS功能特点,主要知识点 12.2.1 DCS的软件 12.2.2 DCS的特点,用于分散过程控制级的控制软件包为用户提供各种过程控 制的功能，包括数据采集和处理、控制算法、运算公式和控 制输出等功能模块。 软件平台有图形化编程、文本化语言、面向问题的语言、和 通用的高级语言（又分VB、VC等）等多种。 用于集中操作监控级的操作显示软件包为用户提供了丰富的 人-机接口联系功能。在显示器和键盘组成的操作站上进行 集中操作监视，可以选择多种图形显示画面，如总貌显示、 分组显示、回路（点）显示、趋势显示、流程显示、报警 显示和操作指导等画面，并可以在图形画面上进行各种操作。 软件平台LABVIEW,组态王，力控等。,12.2.1 DCS的软件,1硬件积木化 2软件模块化 3通信网络的应用 4. 可靠性高,12.2.2 DCS的特点,12.3 DCS产品简介,12.3.1 TDC-3000,主要知识点 1系统结构 2主要组成 3功能特点,1系统结构,通用操作站（UniVersal Station，US。） 历史模件（History Module，HM） 存档模件（Archive Replay Module，ARM） 应用模件（Application Module，AM） 过程管理站（Process Manager，PM） 高级过程管理站（Advanced Process Manager，APM） 逻辑管理站（Logic Manager，LM） 3功能特点 提供必要的数据库，及各种控制技术,2主要组成,12.3.2 I/AS,主要知识点,1系统结构 2主要组成 3系统特点,1系统结构,处理机组件是I/AS节点的重要组成部分，主要有控制处理机 （CP）、应用处理机（AP）、操作站处理机（WP）和通 信处理机（COMP）四类 现场总线组件直接与现场传感器、执行器相连，它通过现场总线与控 制处理机通信。 接口组件它主要分为载波带LAN接口组件和信息网络接口组件两种 网间连接器用来实现非I/A节点的互连。 节点总线 它与每个站中的节点总线接口电路一起工作，提供各站点间 数据传输和总线存取。 3系统特点- I/AS系统硬件品种少但通用性强，系统组态灵活，提供了 综合控制软件包,2主要组成,12.3.3 SUPCON JX300,主要知识点,1系统结构 2主要组成 3功能特点,1系统结构,图12-5 SUPCON JX-300系统结构,2主要组成,操作站 工程师站 现场控制站 过程控制网络 3功能特点 具有的安全性、冗余功能、网络扩展功能、集成的用户界面及信息存取功能 具有模拟量信号输入输出、数字量信号输入输出、回路控制等DCS功能 具有高速数字量处理、高速顺序事件记录、可编程逻辑控制等特殊功能,12.4 FCS体系结构,主要知识点 前言 1现场通信网络 2现场设备互连 3互操作性 4分散功能块 5现场总线供电 6开放式互连网络,发展趋势 FCS具有数字化、全分散式、可互操作的和全开放 式的新型控制系统，是控制系统的发展趋势。 定义根据国际电工委员会IEC标准和现场总线基金会FF （Fieldbus Foundation）的定义：现场总线是连接智能 现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构 的通信网络。 应用方式 两种应用方式，分别用代码H1和H2表示。H1方式 主要用于代替直流010mA或420mA以实现数字传输， 它的传输速度较低，每秒几千波特，但传输距离较远，可 达1900米，称为低速方式；H2方式主要用于高性能的通信 系统，它的传输速度高，达到 1兆波特，传输距离一般不 超过750米，称为高速方式。,前 言,图12-6 现场总线控制系统体系结构,1现场通信网络 现场总线通信网络采用点到点式的模拟量信号传输或开关量信号的单向并行传输变为多点一线的双向串行数字式传输。 2现场设备互连 现场设备指连接在现场总线上的各种仪表设备。 分类变送器：温度、压力、流量、物位、分析，具有检测、变换和补偿功 能、PID控制和运算 执行器：电动和气动两类，具有控制信号的驱动和执行功能 服务器和网桥：服务器下接 H1和 H2，上接局域网 LAN （Local Area Network）；网桥上接H2，下接H1 辅助设备：辅助设备有 H1/气压转换器、H1/电流转换器、电流/H1转 换器、安全栅、总线电源、便携式编程器等 连接通过一对传输线即现场总线直接在现场互连，交换信息。,。,3互操作性各个厂家产品兼容，实现“即接即用”， 4分散功能块控制站功能分配给现场仪表，构成虚拟控制站 5现场总线供电除传输信息以外完成为现场设备供电的功能 6开放式互连网络采用公开化、标准化、规范化的通信协 议，使不同制造商的现场设备互连成系统,12.5 FCS功能特点,12.5.1 FCS的特点 12.5.2 FCS的组态,12.5.1 FCS的特点,1.一对N 结构 2可靠性高 3可控状态 4互换性 5.互操作性 6综合功能 7分散控制 8统一组态 9开放式系统,12.5.2 FCS的组态,FCS软件模块-功能块、转换块和资源块。 组态方法当用一些功能块组成了某一装置的控制 策略时，就把这些功能块的有序集合 称为一个“功能应用块”。一个功能块 应用可以和另一个功能块应用互连在 一起，一个功能块应用也可以包含另 一个功能块应用。,12.6 FCS产品简介,主要内容 12.6.1 CAN 12.6.2 Lon Works 12.6.3 PROFIBUS 12.6.4 WorldFIP 12.6.5 HART 12.6.6 FF,1.发展 CAN是控制局域网络Control Area Network的缩写， 是由德国Bosch公司推出。 2.CAN协议-CAN协议也是建立在OSI模型基础上的，它采用了OSI底 层的物理层、数据链路层和高层的应用层，其信号传 输介质为双绞线。最高通信速率为1Mbps（通信距离 40m），最远通信距离可达10km（通信速率5bps）， 节点总数可达110个。 3.CAN传输-采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个，每帧信息 均采用循环冗余校验CRC及其它检错措施，通信误码率 极低。 4.CAN传输校验节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线 的功能，这时故障节点与总线脱离，使其它节 点的通信不受影响。,12.6.1 CAN,12.6.2 Lon Works,1.发展 Lon Works是局部操作网络Local Operating Network 的缩写。它是由美国 Echelon公司研制、于1990年正式 公布的现场总线网络。 2.协议采用了ISO/OSI模型中完整的七层通信协议，采用了面 向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化 为参数设置，其最高通信速率为1.25MbpS（通信距离不 超过130m），最远通信距离为27000m（通信速率为 78kbps），节点总数可达32000个。 3.传输介质双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电力线 4.传输采用可变长帧结构。每帧的有效字节可由0288个。,12.6.3 PROFIBUS,1.发展过程现场总线Process Field Bus的缩写。它是德国国 家标准 DIN 19245和欧洲标准 EN 50170所规定的现场 总线标准。 2.构成 PROFIBUSDP、PROFIBUSPA和 PROFIBUSFMS。 3.传输采用定长或可变长帧结构，定长帧一般为8字节，可变 长帧每帧的有效字节数为l244个。最高通信速率为 12Mbps（通信距离不超过100m），最大通信距离为 1200m（通信速率为9.6kbps）。如果采用中继器可延长 至10km ，其传输介质可以是双绞线或光缆。每个网络 可挂32个节点，如带中继器，最多可挂127个节点。,12.6.4 WorldFIP,1.发展 WorldFIP是世界工厂仪表协议World Factory Instrument Protocol的缩写。最初由Cegelec等几家 法国公司在原有通信技术的基础上根据用户的要求所 制定，随后即成为法国标准，后来又采纳了IEC物理 层国际标准（IEC6ll582），并命名为WorldFIP。 2.协议WorldFIP采用有调度的总线访问控制，通信速率分别为 31.35kbps、1Mbps、2.5Mbps，对应的最大通信距离分 别为5000m、1000m、500m ，其通信介质为双绞线。如 果采用光纤，其最大通信距离可达40km。每段现场总线 的最大节点数为32个，使用分线盒可连接256个节点。 整个网络最多可以使用3个中继器，连接4个网段。 3.传输采用可变长帧结构，每帧最大字节数为256个。,12.6.5 HART,1.发展可寻址远程传感器数据通路（Highway Addressable Remote Transducer）的缩写。最早由Rosemount公司开 发，得到了80多家仪表公司的支持，并于1993年成立了 HART 通信基金会。 2.协议HART 协议参考了ISO/OSI参考模型的物理层、数据链路 层和应用层。其主要特点是采用基于Bell 202通信标准 的频移键控FSK技术。在现有的420mA模拟信号上叠加 FSK数字信号，以1200HZ的信号表示逻辑1，以2200HZ的 信号表示逻辑0，通信速率为1200bps，单台设备的最大 通信距离为3000m，多台设备互连的最大通信距离为 1500m ，通信介质为双绞线，最大节点数为15个。 3.传输HART采用可变长帧结构，每帧最长为25个字节，寻址范 围为015。,12.6.