第三章过程控制站

1、第三章过程控制站分散控制系统与现场总线控制系统课件过程控制站按控制方式分，过程控制站可分为：按控制方式分，过程控制站可分为：(1)(1)直接数字控制站直接数字控制站- -连续量连续量(2)(2)顺序控制站顺序控制站- -离散量离散量(3)(3)批量控制站批量控制站- -连续量连续量/ /离散量离散量 目前的目前的DCS控制站均能同时实现这些功能，控制站均能同时实现这些功能，在没有必要加以区别时，统称为过程控制站。在没有必要加以区别时，统称为过程控制站。过程控制站的结构机械结构vCOM模件vCPU模件vI/O模件v总线v电源模件v风扇组件过程控制站的结构Snet过过 程程控制站控制站CnetCn

2、et通信接通信接 口模件口模件I/OI/O模件模件CPUCPU模件模件I/OI/O模件模件I/OI/O模件模件I/OI/O模件模件CPUCPU模件模件I/OI/O模件模件I/OI/O模件模件I/OI/O模件模件CPUCPU模件模件I/OI/O模件模件I/OI/O模件模件基本控制单元基本控制单元基本控制单元系统结构I/O总线I/O总线I/O总线基本控制单元基本概念 基本控制单元基本控制单元BCUBCU(Basic Control Unit)(Basic Control Unit)是是分散控制系统中直接控制生产过程的那分散控制系统中直接控制生产过程的那一部分硬件和软件的统称一部分硬件和软件的统称。

3、 基本控制单元在控制功能上，可以同时基本控制单元在控制功能上，可以同时实现连续控制和顺序控制实现连续控制和顺序控制, ,具有几十个到上具有几十个到上百个模拟量输入通道、模拟量输出通道、百个模拟量输入通道、模拟量输出通道、开关量输入通道和开关量输出通道开关量输入通道和开关量输出通道, ,可以控可以控制具有一定规模的生产过程。制具有一定规模的生产过程。n处理器模件处理器模件n模拟量输入（模拟量输入（AIAI）模件）模件n热电阻温度输入模件（热电阻温度输入模件（RTDRTD）n热电偶温度输入模件（热电偶温度输入模件（TCTC）n变送器信号输入模件（变送器信号输入模件（4-20mA,1-5V,0-10

4、V4-20mA,1-5V,0-10V）n模拟量输出（模拟量输出（AOAO）模件）模件n开关量输入（开关量输入（DIDI）模件）模件n普通的无源开关量输入模件普通的无源开关量输入模件nSOESOE输入模件（输入模件（Sequence Of EventSequence Of Event，事件记录），事件记录） 基本控制单元硬件硬件类型n开关量输出（开关量输出（DODO）模件）模件n脉冲量输入（脉冲量输入（PIPI）模件）模件n液压伺服模件液压伺服模件n现场总线模件现场总线模件n通信接口模件通信接口模件硬件类型基本控制单元硬件基本控制单元硬件处理器模件 处理器模件有时也称为控制器模件、主控制器处理器

5、模件有时也称为控制器模件、主控制器模件等，是完成过程控制的核心模件，它完成用模件等，是完成过程控制的核心模件，它完成用户所设计的各种控制策略。户所设计的各种控制策略。 控制策略以组态文件的形式存储于非易失性存控制策略以组态文件的形式存储于非易失性存储器（储器（NVRAMNVRAM）中。）中。 多数分散型控制系统中的处理器模件都是可冗多数分散型控制系统中的处理器模件都是可冗余设置的。余设置的。基本控制单元硬件处理器模件基本控制单元硬件模拟量输入模件 模拟量输入信号有三类：模拟量输入信号有三类：热电阻（热电阻（RTDRTD）输入信号）输入信号: :低电平（小信号）输入低电平（小信号）输入热电偶（热

6、电偶（TCTC）输入信号）输入信号: :低电平（小信号）输入低电平（小信号）输入变送器输入信号变送器输入信号: :为高电平（大信号）输入（为高电平（大信号）输入（4-20mA/1-5V/0-4-20mA/1-5V/0-10V10V） 模拟量输入模件必须能够针对这三类不同的模拟量模拟量输入模件必须能够针对这三类不同的模拟量输入信号进行处理。功能较简单的输入模件，只能处输入信号进行处理。功能较简单的输入模件，只能处理一类信号，功能复杂的输入模件根据通道配置可以理一类信号，功能复杂的输入模件根据通道配置可以处理三类信号。处理三类信号。基本控制单元硬件模拟量输入模件基本控制单元硬件模拟量输出模件 模拟

7、量输出模件的作用是把处理器模件输出模拟量输出模件的作用是把处理器模件输出的控制量信号转化成具有一定带负载能力的电的控制量信号转化成具有一定带负载能力的电压或电流信号，输出到现场的执行机构，以实压或电流信号，输出到现场的执行机构，以实现对生产过程的控制。现对生产过程的控制。基本控制单元硬件模拟量输出模件基本控制单元硬件开关量输入模件 开关量输入模件接受由现场输入的开关量信号，对其开关量输入模件接受由现场输入的开关量信号，对其进行预处理之后，将反映开关量状态变化的数字量信号进行预处理之后，将反映开关量状态变化的数字量信号经经I/O总线送往处理器模件。总线送往处理器模件。 来自现场的开关量信号一般是

8、无源的，开闭时有可能来自现场的开关量信号一般是无源的，开闭时有可能产生抖动，这些开关量信号首先进入输入隔离电路，该产生抖动，这些开关量信号首先进入输入隔离电路，该电路通过光电耦合器提供现场输入线路与模件内部电路电路通过光电耦合器提供现场输入线路与模件内部电路之间的电气隔离。之间的电气隔离。 还有一种特殊的开关量输入模件，还有一种特殊的开关量输入模件，SOE输入模件输入模件，不，不仅要采集仅要采集DI的状态，还要同步记录的状态，还要同步记录DI状态变位发生的时状态变位发生的时刻。刻。基本控制单元硬件开关量输入模件基本控制单元硬件开关量输出模件 开关量输出模件通过开关量输出模件通过I/O总线接收处

9、理器模件输出总线接收处理器模件输出的开关量信号，经该模件输出，以便控制现场的开关量的开关量信号，经该模件输出，以便控制现场的开关量控制设备。控制设备。 输出驱动电路采用输出驱动电路采用光电隔离光电隔离或或继电器隔离继电器隔离，以避免，以避免引入干扰。同时输出驱动电路还具有功率放大作用，以引入干扰。同时输出驱动电路还具有功率放大作用，以增加模件的带负载能力。根据现场负荷功率大小不同，增加模件的带负载能力。根据现场负荷功率大小不同，可选用不同功率放大器件构成不同的开关量驱动输出通可选用不同功率放大器件构成不同的开关量驱动输出通道。一般有道。一般有机械电磁继电器机械电磁继电器和和固态继电器固态继电器

10、两类。两类。基本控制单元硬件开关量输出模件电磁继电器输出电路基本控制单元硬件开关量输出模件固态继电器输出电路基本控制单元硬件开关量输出模件基本控制单元硬件脉冲量输入模件 脉冲量输入模件的作用是将来自生产过程中的脉冲量脉冲量输入模件的作用是将来自生产过程中的脉冲量信号进行处理，存储并通过信号进行处理，存储并通过I/O总线传送给处理器模件。总线传送给处理器模件。有三种工作方式：有三种工作方式：积算方式积算方式:用于累积脉冲的总数，一般用于流量或电量用于累积脉冲的总数，一般用于流量或电量的积算；的积算；频率方式频率方式:用于测量脉冲的频率，也就是单位时间内脉用于测量脉冲的频率，也就是单位时间内脉冲的

11、个数，其典型应用是转速的测量；冲的个数，其典型应用是转速的测量；周期方式周期方式:测量两个脉冲之间的时间间隔，事实上周期测量两个脉冲之间的时间间隔，事实上周期是频率的倒数，当脉冲的频率很低时，为了提高测量精是频率的倒数，当脉冲的频率很低时，为了提高测量精度，常常采用测周期的方式。度，常常采用测周期的方式。基本控制单元硬件脉冲量输入模件基本控制单元硬件液压伺服模件 液压伺服模件的主要功能是实现对现场液压伺服机构的控液压伺服模件的主要功能是实现对现场液压伺服机构的控制。它可以接受液压伺服机构的位置反馈信号，实现位置的制。它可以接受液压伺服机构的位置反馈信号，实现位置的闭环控制闭环控制。它还具有较大

12、的带负载能力，可以直接驱动液压。它还具有较大的带负载能力，可以直接驱动液压伺服阀的线圈。另外它的可靠性很高，提供了两路输出信号，伺服阀的线圈。另外它的可靠性很高，提供了两路输出信号，任何一路输出出现故障，不会影响另一路输出。任何一路输出出现故障，不会影响另一路输出。 其其PIDPID运算部分输出的模拟量信号叠加上一个小幅度的振运算部分输出的模拟量信号叠加上一个小幅度的振荡信号之后送入伺服放大器，其目的是克服液压伺服机构的荡信号之后送入伺服放大器，其目的是克服液压伺服机构的摩擦力并且防止液压伺服机构卡涩摩擦力并且防止液压伺服机构卡涩。基本控制单元硬件液压伺服模件基本控制单元硬件现场总线模件 分散

13、控制系统为了与现场总线技术兼容分散控制系统为了与现场总线技术兼容, ,还会设计一还会设计一些现场总线模件。些现场总线模件。现场总线模件为现场的智能装置提供现场总线模件为现场的智能装置提供了一条数字通信通道了一条数字通信通道。在一条被称为现场总线的通信线。在一条被称为现场总线的通信线路上，可以连接多达路上，可以连接多达3232个符合该现场总线通信协议的智个符合该现场总线通信协议的智能设备。现场总线模件是现场总线与分散型控制系统之能设备。现场总线模件是现场总线与分散型控制系统之间的一个接口。间的一个接口。 基本控制单元硬件现场总线模件基本控制单元硬件通信接口模件 分散型控制系统中的过程控制站不是一

14、个孤立的系分散型控制系统中的过程控制站不是一个孤立的系统，它与其它过程控制站以及处于上层的运行员操作站、统，它与其它过程控制站以及处于上层的运行员操作站、工程师工作站等设备都是相互联系的，这就需要高一层工程师工作站等设备都是相互联系的，这就需要高一层的通信系统的通信系统监控网络监控网络Snet。过程控制站通信接口。过程控制站通信接口就是连接基本控制单元的控制网络就是连接基本控制单元的控制网络Cnet与连接运行员与连接运行员操作站以及其它站的监控网络操作站以及其它站的监控网络Snet之间的一个通信接之间的一个通信接口。从某种意义上来说，它就是一个口。从某种意义上来说，它就是一个网间连接器网间连接

15、器 。基本控制单元硬件通信接口模件v功能块图功能块图FBD(Function Block Diagram)FBD(Function Block Diagram)v梯形图梯形图LD(Ladder Diagram)LD(Ladder Diagram)v顺序功能图顺序功能图SFC(Sequential Function Chart)SFC(Sequential Function Chart)v指令表指令表IL(Instruction List)IL(Instruction List)v结构化文本结构化文本ST(Structured Text) ST(Structured Text) 图形化文本化基本

16、控制单元软件编程语言的种类 功能块是一种预先编好程序的软件模块，用户确定它的参数，并且通过组态将其连接在一起。每一个功能块完成一种或几种基本的控制功能，如PID控制、开方运算、乘除运算，等等。 在目前的分散控制系统中，功能块是在BCU一级最流行的方法。厂家把所有的控制和计算功能块都编好程序存放在基本控制单元的ROM之中，用户只要选择适当的功能块，把它们连接在一起，设置好必要的参数，就可以组成所需要的控制系统。基本控制单元软件图形化编程语言(一)功能块图 功能码、块地址和说明表定义了一个功能块所实现的作用，所以也把它们称为功能块的三个要素。 功能码功能码用来说明功能块所完成的功能，每一种功能块具

17、有唯一的一个功能码。 块地址块地址并不是指一个功能块所对应程序的首地址，而是指一个功能块的运算输出结果的存放地址。 说明表说明表每个功能块都要有一个输入说明表和参数说明表。输入说明表指出该功能块的输入数据来自何处，参数说明表说明该功能块进行运算时所需要的参数值。基本控制单元软件图形化编程语言(一)功能块图-功能块三要素基本控制单元软件图形化编程语言( (一一) )功能块图功能块图- -单回路控制系统组态单回路控制系统组态基本控制单元软件图形化编程语言( (一一) )功能块图功能块图- -电动机控制系统组态电动机控制系统组态基本控制单元软件图形化编程语言( (一一) )功能块图功能块图- -组态

18、步骤组态步骤 (1)根据控制系统的功能要求选择适当的功能块。 (2)把所选用的各种功能块按照系统功能要求连接起来。 (3)系统会为每个功能块输出端自动添上功能码（冠以方括号）和块地址。 (4)根据每个功能块的输入信号来源填写输入说明表，根据控制和运算要求添写参数说明表。 (1)将要执行的功能块程序，如PID算法功能块、乘法功能块等，从ROM中调入RAM的工作区。 (2)将与功能块有关的参数，如比例带、积分时间、微分时间等，调入工作区。 (3)将与功能块有关的输入数据调入工作区，这些数据可能来自生产过程，也可能来自其他功能块的输出。 (4)执行功能块定义的处理功能，得到计算结果。 (5)把计算结

19、果存放在预定的位置，或者输出到生产过程中。 (6)执行下一个功能块。 基本控制单元软件图形化编程语言( (一一) )功能块图功能块图- -功能块执行过程功能块执行过程 基本控制单元软件图形化编程语言( (一一) )功能块图功能块图- -组态时注意的若干问题组态时注意的若干问题 (1)(1)处理能力处理能力 一个基本控制单元中的CPU和MEM等资源总是有限的，不可能在规定的时间内处理太多的功能块。因此，在对一个控制系统进行组态时，应该考虑到基本控制单元的处理能力。厂家往往给出各种指标来限制功能块的使用数量。一种规定指标是基本控制单元所能运行的功能块总数，另一种规定指标是每一个功能块的内存占有率，

20、在组态时应注意不要使功能块总数或总的内存占用率超过规定的数值。另外，工程上还经常用CPU的负荷率作为基本控制单元处理能力的指标。一般，CPU的负荷率应小于60%。 基本控制单元软件图形化编程语言( (一一) )功能块图功能块图- -组态时注意的若干问题组态时注意的若干问题 (2)(2)功能块执行顺序功能块执行顺序 功能块一般是按照其块号顺序执行的，所以在组态时要合理地编排块号，以减少系统中不必要的延迟。如果块号的编排不合理，会产生所谓的“绕圈”(Loop-backs)现象。 ORANDx1x2x3y1y2x1x2x3y1y2y2t基本控制单元软件图形化编程语言( (一一) )功能块图功能块图-

21、 -组态时注意的若干问题组态时注意的若干问题(2)(2)功能块执行顺序功能块执行顺序x11t2 3t基本控制单元软件图形化编程语言( (一一) )功能块图功能块图- -组态时注意的若干问题组态时注意的若干问题(3)(3)功能块执行相位功能块执行相位基本控制单元软件图形化编程语言( (二二) )梯形图梯形图 梯形图来源于传统的继电器逻辑控制图，与电器控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂电气人员掌握，特别适用于开关量逻辑控制和顺序控制。例如，电机的启停控制，阀门的顺序开关以及保护和报警系统等。基本控制单元软件图形化编程语言(二)梯形图 梯形图主要由触点、线圈和用方框表示的功能块

22、组成。 触点代表逻辑“输入”条件，如外部开关、按钮和内部条件等。 线圈代表逻辑“输出”结果，用来控制外部指示灯、交流接触器、中间继电器和内部的输出条件等。 功能块代表附加指令，如定时器、计数器或者数字运算指令，功能块是可选的。 除了以上3个编程元件外，一般还有标号及连接线。基本控制单元软件图形化编程语言( (二二) )梯形图梯形图 梯形图的触点和线圈构成了梯形图的触点和线圈构成了“软继电器软继电器”，它不是真实的物理继电器，而是一些存储单元，如输入继电器、输出继电器、内部辅助继电器等。 每一个软继电器与控制器模件中的一个存储单元相对应。 该存储单元如果为“1”状态，则表示梯形图中对应软继电器的

23、线圈“通电”，其常开触点接通，常闭触点断开。 如果该存储单元为“0”状态，对应软继电器的线圈和触点的状态与上述的相反。基本控制单元软件图形化编程语言( (二二) )梯形图梯形图 输入继电器输入继电器用于接收外部的输入信号，而不能由系统内部其他继电器的触点来驱动。因此，梯形图中只出现输入继电器的触点，而不出现其线圈。 输出继电器输出继电器输出程序执行结果给外部输出设备，当梯形图中的输出继电器线圈得电时，就有信号输出，但不是直接驱动输出设备，而要通过输出接口的继电器、晶体管或晶闸管才能实现。输出继电器的触点可供内部编程使用。基本控制单元软件图形化编程语言(二)梯形图-火灾报警系统基本控制单元软件图

24、形化编程语言(三)顺序功能图 顺序功能图是一个相对具有较高层次的图形语言，它可以协调用其它编程语言所编写的控制功能，使其有条不紊地执行。因此，它常用以组织复杂的控制系统功能。 例如，汽轮机的自启停系统是由盘车控制、转子应力控制、进水检测及疏水控制等十几个控制功能组所构成的，每个功能组可以用功能块图或梯形图来实现。而各个功能组之间的协调就可以用顺序功能图来实现。顺序功能图可以分进程执行，以满足不同被控对象对控制周期的不同要求。 基本控制单元软件图形化编程语言(三)顺序功能图 顺序功能图是用来描述顺序操作的一种图形化的语言，它是由“步步”和和“转换点转换点”所组成的。每一个步中所实现的功能，可以用

25、其它几种语言来描述。 顺序功能图有两条重要的基本原则：一个是两个步不能直接相连，另一个是两个转换点不能直接相连。 步用一个单线方框表示，方框内的编号用来标识步，步右侧的长方形框中可以填写文本，用来描述该步的主要动作。 基本控制单元软件图形化编程语言( (三三) )顺序功能图顺序功能图 有一种特殊的步称为初始化步，用双线方框表示。当程序开始运行时总是由初始化步开始的。一个顺序功能图至少要有一个初始化步。 转换点用两个步之间连线上的一个水平横线来表示，每一个转换点都有一个编号。与步一样转换点符号的右侧可以填写说明。 在步和转换点之间用有向连线连接起来，无箭头的连线隐含方向为由上至下。因此，当要表达

26、由下至上的流程时，要采用有箭头的连线。基本控制单元软件图形化编程语言(三)顺序功能图 当由一个步或者转换点的引出线引出多个引线时，我们称其为“分支”，反之我们称其为“汇合”。用一条长的水平直线表示的分支与汇合，称为单分支与汇合单分支与汇合，用两条水平直线表示的分支与汇合称为双分支与汇合双分支与汇合。 两者的区别在于：在程序运行时，单分支与汇合之间的多条支路只允许有一条支路处于工作状态，而双分支与汇合之间的多条支路则允许同时处于运行状态，也就是说，单分支与汇合之间的各支路是互斥的，双分支与汇合之间的各支路是相容的。20212230Start Motor M1Start TempoStop Mot

27、or M1Alarm1InitializeM1 StopTempo3sM1 StartedRun & Not ErrorErrorAcknowledge基本控制单元软件图形化编程语言(三)顺序功能图-单分支20213130Process 1Wait for Process 2Wait for Process 1Process 21InitializetrueEnd of process 1End of process 2Run基本控制单元软件图形化编程语言(三)顺序功能图-双分支 基本控制单元软件文本化编程语言( (一一) )指令表指令表 早期的单回路调节器所使用的编程语言就类似于指令表，它很

28、像“汇编语言”。因此它的优缺点均与汇编语言相似。指令表具有很大的灵活性与较高的透明度。但是它的编程比较繁琐，不易了解控制策略的总体结构，不适合于编写较大的程序。因此它常用于用户自行编制一些标准功能块不能实现的特殊算法 。 用功能块实现的控制逻辑基本控制单元软件文本化编程语言( (一一) )指令表指令表 助记符参数注释LDD1(* Load Value of D1 *)ORD2(* OR D2 *)ANDD3(* AND D3 *)ANDD4(* AND D4 *)STStartSR.S(* Store in Set input of StartSR *)用指令表来实现基本控制单元软件文本化编程

29、语言( (一一) )指令表指令表 助记符参数注释LDReset (* Load value of Reset *)STStartSR.R(* Store in Reset input of StartSR *)CALStartSR(* Cal fb.StartSR *)LDStartSR.Q1(* Load output Q1 *)STStart(* Store in Start *)用指令表来实现（续）基本控制单元软件文本化编程语言(一)指令表 结构化文本是一种特殊的高级语言，它极类似于PASCAL语言。因此它经常用来将原有的通用高级语言程序移植到分散控制系统中来。从某种意义上说，它是应用于

30、控制领域的高级语言。下面就是一段用结构化文本编写的求32个模拟量通道输入信号最大值、最小值和平均值的程序。 基本控制单元软件文本化编程语言(二)结构化文本TYPE T Channel: STRUCT Value: REAL; state: BOOL; END STRUCT;END_TYPE基本控制单元软件文本化编程语言(二)结构化文本VAR min:REAL:=0; (* Set to minimum possible value *) max:REAL:=1000.0; (* Set to max. possible value *) input:T Inputs AT %IW130; (* Input channels *) sum:LREAL:=0.0; (* To hold values total *) average:LREAL;END_VAR基本控制单元软件文本化编程语言( (二二) )结构化文本结构化文本FOR I:=1 TO 32 DO sum:=REAL_TO_LREAL(input I.valu