计算机控制系统基础知识及特性组态

1、第一章 导论前言 计算机控制系统基础知识1.1 集散控制系统DCS的概念、特点、体系结构和功能集散控制系统DCS的通信网络和系统特性1.3 组态集散控制系统DCS的通信网络和系统特性1、通信介质2、网络结构3、通信控制方式4、TDC-3000系统特性5、JX-300X的通信系统1、通信 介质 通信介质（传输介质、信道）是通信网络的物质基础。常见传输介质双绞线同轴电缆光缆常见传输介质双绞线光缆同轴电缆(1)双绞线 双绞线是由两条相互绝缘的导体扭绞而成的线对。在线对的外面常有金属箔组成的屏蔽层和专用的屏蔽线，当传输距离比较远时，其传输速率受到限制，一般不超过 10 Mbps。 屏蔽双绞线结构图(2

2、)同轴电缆 同轴电缆由内导体（中心导体）、中间绝缘层、外屏蔽导体和外绝缘层构成。信号通过内导体和外导体传输。外导体一般是接地的，起屏蔽作用。基带同轴电缆 (如 50同轴电缆 )用于基带传输。宽带同轴电缆 (如75电视天线电缆)用于宽带传输。同轴电缆的数据传输速率、传输距离、可支持的节点数、抗干扰等性能优于双绞线，成本也高于双绞线，但低于光纤。(3)光缆 光缆的内芯是由二氧化硅拉制成的光导纤维，外面敷有一层玻璃或聚丙烯材料制成的覆层。由于内芯和覆层的折射率不同，以一定角度进入内芯的光线能够通过覆层折射回去，沿着内芯向前传播以减少信号的损失。如果光的入射角足够大，就会出现全反射，光也就从输入端传到

3、了输出端。因为光缆中的信息是以光的形式传播的，电磁干扰对它几乎毫无影响，所以，光缆具有良好的抗干扰性能。光缆的构成光在纤芯中的传播原理 传输介质 2、网络结构计算机网络把分布在不同地点且具有独立功能的多个计算机系统通过通信设备和介质连接起来，在功能完善的网络软件和协议的管理下，以实现网络中的资源共享。DCS的通信网络实质上 就是计算机网络。 （1）局部网络的概念局部区域网络 (Local Area Network，LAN)一种分布在有限区域内的计算机网络。将分布在不同地理位置上的多个具有独立工作能力的计算机系统连接起来，并配置了网络软件的一种网络。用户能够共享网络中的所有硬件、软件和数据等资源

4、。 （2）局部网络拓扑结构网络拓扑结构网络节点互连的方法。网络拓扑结构类型星型环型总线型树型菊花链(1)星型结构每一个节点都通过一条链路连接到中央节点上。任何两个节点之间的通信都要经过中央节点。在中央节点中，有一个“智能”开关装置，用来接通两个节点之间的通信路径。中央节点的构造比较复杂，一旦发生故障，整个通信系统就要瘫痪。星型拓扑结构 (2)环型结构所有的节点通过链路组成一个封闭的环路。需要发送信息的节点将信息送到环上，信息在环上只能按某一确定的方向传输。当信息到达接收节点时，该节点识别信息中的目的地址。若与自己的地址相同，就将信息取出，并加上确认标记，以便由发送节点清除。 环型拓扑结构(3)

5、总线型结构所有的工作站都通过相应的硬件接口直接接到总线上。所有的节点都共享一条公用的传输线路。每次只能由一个节点发送信息。信息由发送它的节点向两端扩散。 总线型拓扑结构(4)树型结构树型拓扑形状像一棵倒置的树，顶端有一个带分支的根，每个分支还可延伸出子分支。当节点发送信息时，根接收该信息，然后再重新广播发送到全网。树型拓扑结构 (5)菊花链型结构用一个网段分别连接两个节点的联接器。多个节点的联接器依次互连，从而形成一个链状通信网络。 图2.10 菊花链型拓扑结构传输方式(l)单工方式 信息只能沿一个方向传输，而不能沿相反方向传输。(2)半双工方式 信息可以沿着两个方向传输，但在指定时刻，信息只

6、能沿一个方向传输。(3)全双工方式 信息可以同时沿着两个方向传输。 传输方式单工全双工半双工 信息传输方式3. 通信控制方法网络控制方法：在通信网络中，使信息从发送装置迅速而正确地传递到接收装置的管理机制。常用的方法：查询令牌传送自由竞争存储转发(1)查询式 中，如星型网络或具有主站的总线型用于主从结构网络网络。主站依次询问各站是否需要通信，收到通信应答后再控制信息的发送与接收。当多个从站要求通信时，按站的优先级安排发送。 (2)自由竞争式 控制策略：竞争发送广播式传输载体侦听冲突检测冲突时退回再试发送 (3)令牌传送 有一个称为令牌（Token）的信息段在网络中各节点之间依次传递。令牌有空、

7、忙两种状态，开始时为空闲。节点只有得到空令牌时才具有信息发送权，同时将令牌置为忙。令牌沿网络而行，当信息被目标节点取走后，令牌被重新置为空。令牌传送的方法实际上是一种按预先的安排让网络中各节点依次轮流占用通信线路的方法。令牌是一组特定的二进制代码，它按照事先排列的某种逻辑顺序沿网络而行。只有获得令牌的节点才有权控制和使用网络。令牌传送的次序是由用户根据需要预先确定的，而不是按节点在网络中的物理次序传送的。图 2.13 令牌传递过程示意图 (4)存储转发式 信息传送过程：源节点发送信息，到达它的相邻节点；相邻节点将信息存储起来，等到自己的信息发送完，再转发这个信息，直到把此信息送到目的节点；目的

8、节点加上确认信息 (正确) 或否认信息 (出错)，向下发送直至源站；源节点根据返回信息决定下一步动作，如取消信息或重新发送。4、TDC-3000系统特性TDC-3000系统由美国Honey Well公司设计包括：LCN网络及其模件、UCN网络及其管理站、TDC-3000 BASIC 的DHW通信通道及其设备等组成，如图所示TDC-3000系统由LCN网络及其模件、UCN网络及其管理站和DHW通信通道及其设备等组成，如图所示1.局部控制网络及其模件2.万能控制网络及其管理器3.数据高速通道及其设备系统构成主要完成用户需要的各种功能，如系统的监视、操作、工程管理和维护.实现数据采集与控制功能的过程

9、网络。通过高速通道接口（HG）与局部控制网络 (LCN) 相连。 局部控制网络LCN及其模件局部控制网络 (LCN) 及其所连接的模件组成有：LCN和万能操作站US、万能工作站UWS、历史模件HM、应用模件AM、网络接口模件NIM、数据通道接口HG、计算机接口CG、可编程逻辑控制器接口PLCG等。主要完成的功能：系统的监视、操作、工程管理和维护；先进控制和综合信息处理；提供与过程控制网络之间的连接；与LCN网络上模件之间的通信，信息处理与存储。(1)万能操作站（US）万能操作站是TDC-3000系统的主要人机接口，能满足操作人员、管理人员、系统工程师及维护人员的各种要求。(2)万能工作站（UW

10、S） 是人机接口，具有US的全部功能，为工厂办公室管理而设计的。(3)历史模件（HM） 历史模件是TDC-3000系统的存储单元，它可以存储过程报警、操作员状态改变、操作员信息、系统状态信息、系统维护提示信息、连续过程历史数据等，还存储系统文件、确认点（CHENKPOINT）文件及在线维护信息等。(4)应用模件（AM） 应用模件用来完成复杂运算，实现高级、多变量控制功能，以提高过程控制及管理水平。(5)网络接口模件（NIM）、高速通道接口（HG）和计算机接口（CG）其他模块：如可编程逻辑控制器接口PLCG等万能控制网络及其管理器万能控制网络（UCN） 是一个开放式通信网络，它采用标准通信协议，

11、与ISO标准相兼容，通信速率为5Mbps，点对点（Peer-to-Peer）对等通信方式, 令牌总线传送。(1)过程管理器 (PM) 为数据监测和控制提供了输入输出功能、控制功能。(2) 先进过程管理器（APM) 它比 PM 增加了数字输入事件顺序(DICOE)处理、设备 (DEVICE) 管理点、CL 程序等数据点和非 TDC-3000 设备串行接口能力。(3)逻辑管理站（LM） 是用于逻辑控制的现场管理站，提供逻辑处理、梯形逻辑编程、执行逻辑程序、与UCN和LCN网络中的模件进行通信等功能。数据高速通道及其设备DHW是TDC-3000 BASIC的数据高速通道。用来相连基本控制器（BC）、

12、增强控制器（EC）、多功能控制器（MC）、先进多功能控制器（AMC）、过程接口单元（PIU）、数据高速通道接口（DHP）、基本操作站（BOS）等单元通信，实现生产过程的控制和数据采集。TDC-3000系统的特点1.开放式系统2.递增的分级控制3.范围广泛的数据采集与控制功能4.面向过程的单一窗口5.工厂综合管理、控制一体化6.系统规模配置灵活、扩展方便7.系统安全可靠，便于维修8.真正的分散9.新老系统兼容系统特点在LCN（上可挂接多种网络模件，如US，HM，AM，NIM，GUS等，以实现对工业过程的监视操作、文件管理、历史数据采集、检测存档，同时也可实现与其他计算机网络的通信。 UCN网络是

13、面对过程的控制网络，在UCN网络上可挂多种过程管理器，可实现对温度、压力、流量和液位等过程变量的数据采集、常规控制以及先进控制。5、JX-300X的通信系统（1）总体概述图1 JX-300X体系结构图a、 系统主要设备主要设备控制站（CS）操作站（OS）工程师站（ES）通信接口单元（CIU）多功能站（MFS）过程控制网（SCnet ）实现对物理位置、控制功能都相对分散的现场生产过程进行控制的主要硬件设备.由工业PC机、CRT、键盘、鼠标、打印机等组成的人机接口设备.集散控制系统中用于控制应用软件组态、系统监视、系统维护的工程设备.用于实现JX-300X系统与其它计算机、各种智能控制设备接口的硬

14、件设备.用于工艺数据的实时统计、性能运算、优化控制、通信转发等特殊功能的工程设备.控制站、操作站、通信接口单元等硬件设备连接起来，构成一个完整的分布式控制系统，实现系统各节点间相互通信的网络. b 、 系统软件组态软件包SCKey（系统组态）SCDraw（流程图绘制）SCControl（图形化组态）SCDiagnose（系统诊断）实时监控软件AdvanTrol/AdvanTrol-Pro（2 ） 通信网络2 JX-300X系统网络结构示意图 a.信息管理网 Ethernet信息管理网连接各个控制装置的网桥和企业各类管理计算机，用于工厂级的信息传送和管理，是实现全厂综合管理的信息通道。信息管理网

15、通过在多功能站MFS上安装双重网络接口（信息管理和过程控制网络）转接的方法，获取集散控制系统中过程参数和系统运行信息，同时向下传送上层管理计算机的调度指令和生产指导信息。管理网采用大型网络数据库实现信息共享，并可将各种装置的控制系统连入企业信息管理网，实现工厂级的综合管理、调度、统计和决策等。 拓扑结构：总线形或星形结构； 传输方式：曼彻斯特编码方式；通信控制：符合标准协议和TCP/IP标准协议；通信速率：10Mbps、100Mbps、1Gbps等； 网上站数：最大1024个；通信介质：双绞线、50细同轴电缆、光纤等； 通信距离：最大10km。 信息管理网的基本特性拓扑结构：总线形或星形结构；

16、 传输方式：曼彻斯特编码方式；通信控制：符合标准协议和TCP/IP标准协议；通信速率：10Mbps、100Mbps、1Gbps等；节点容量：最多15个控制站、32个操作站或工程师站或多功能站;通信介质：双绞线、50细同轴电缆、光纤等； 通信距离：最大10km。 SCnet 基本性能指标b.过程控制网络 SCnet JX-300X SCnet 网络采用双重化冗余结构 图5.3 SCnet 网络双重化冗余结构示意图SCnet 网络SCnet 网卡操作站SCnet 网卡工程师站主控制卡主控制卡控制站冗余 c. SBUS总线 SBUS总线是控制站各卡件之间进行信息交换的通道。SBUS总线由两层构成，即

17、SBUS-S1和SBUS-S2。主控制卡就是通过SBUS总线来管理分散于各个机笼的I/O卡件的。 第一层为双重化总线SBUS-S2，它是系统的现场总线，位于控制站所管辖的I/O机笼之间，连接主控制卡和数据转发卡，用于主控制卡与数据转发卡间的信息交换。 第二层为SBUS-S1网络，位于各I/O机笼内，连接数据转发卡和各块I/O卡件，用于数据转发卡与各块I/O卡件间的信息交换。1.高速、可靠、开放的通信网络SCnet .2.分散、独立、功能强大的控制站.3.多功能的协议转换接口.4.全智能化卡件设计，可任意冗余配置.5.简单、易用的组态手段和工具.6.丰富、实用、友好的实时监控界面.7.事件记录功

18、能.8.与异构化系统的集成。(3) 系统主要特点组态1、 基本概念 组态:集散控制系统实际应用于生产过程控制时，需要根据设计要求，预先将硬件设备和各种软件功能模块组织起来，以使系统按特定的状态运行。 集散控制系统所提供的功能模块、组态编辑软件以及组态语言，组成所需的系统结构和操作画面，完成所需的功能。集散控制系统的组态包括系统组态、画面组态和控制组态。 2 组态软件主要解决的问题 （1）如何与控制设备之间进行数据交换，将来自设备 的数据与计算机图形画面上的各元素关联起来。 （2）处理数据报警和系统报警。 （3）存储历史数据和支持历史数据的查询。 （4）各类报表的生成和打印输出。 （5）具有与第

19、三方程序的接口，方便数据共享。 （6）为用户提供灵活多变的组态工具。（1）组态软件的安装。（2）工程项目系统分析。（3）设计用户操作菜单。 （4）画面设计与编辑。（5）编写程序进行调试。 （6）综合调试。3基于组态软件的工业控制系统的一般组建过程4 常用组态软件 （1）InTouch （2）FIX系列 （3）WinCC （4）MCGS （5）组态王 （6）ForceControl（力控） 例: 组态软件SCKey主画面及菜单标题栏状态栏操作显示区菜单栏工具栏操作显示区图5.4 SCKey组态软件主画面 总体信息菜单项功能简介菜单项名功能说明主机设置进行控制站（主控卡）和操作站的设置编 译将组态

20、保存信息转化为控制站（主控卡）和操作站识别的信息，即将.SCK文件转化为.SCO和.SCC文件备份数据备份所有与组态有关的数据到指定的文件夹组态下载将.SCC文件通过网络下载到控制站（主控卡）组态传送将.SCO文件通过网络传送到操作站 控制站菜单项功能简介菜单项名功能说明I/O组态对数据转发卡、I/O卡件、I/O点进行各种设置自定义变量对1字节变量、2字节变量、4字节变量、8字节变量和自定义回路（64个）的一些参数进行设置常规控制方案在每个控制站中可以对64个回路进行常规控制方案的设置自定义控制方案在每个控制站中使用SCX语言或图形化环境进行控制站编程折线表定义折线表，在模拟量输入和自定义控制

21、方案中使用 操作站菜单项功能简介菜单项名功能说明操作小组设置定义操作小组总貌画面设置总貌画面趋势画面设置趋势曲线画面分组画面设置控制分组画面一览画面设置数据一览画面流程图登录登录流程图文件报表登录登录报表文件自定义键设置操作员键盘上自定义键的功能语音报警对语音报警的参数进行设置菜单项名功能说明状态栏当选中状态栏选项后，状态栏出现在主画面的最下端，显示当前的状态工具栏当选中工具栏选项后，工具栏将出现在主画面的上端错误信息错误信息项被选中时，操作显示区右下方会显示具体错误信息，在大多数的错误条目上双击可直接修改相应的内容，程序启动时不显示，编译之后会自动显示位号查询根据位号或者地址查找位号信息选项

22、设置一些选项，这些选项可能对某个或全部组态文件产生影响 查看菜单项功能简介 6.组态内容 （1）总体信息组态 （2）控制站组态控 制 站 组 态系统单元登录数据转发卡组态I/O卡件组态信号点组态信号点参数设置组态自定义变量折线表组态系统控制方案组态自定义一字节变量自定义四字节变量自定义回路自定义八字节变量自定义二字节变量自定义控制方案常规控制方案组态图5.5 控制站组态流程 （3）操作站组态 操作小组设置标准画面（总貌画面、趋势画面、控制分组画面、数据一览画面）组态流程图登录报表制作自定义键语音报警组态等六部分操 作 站 组 态标 准 画 面 组 态总 貌 画 面趋 势 画 面分 组 画 面一

23、 览 画 面流 程 图 登 录报 表 登 录自 定 义 键 组 态语 音 报 警 组 态操 作 小 组 设 置图5.6 操作站组态流程 操作站组态功能简介图5.7 流程图制作窗口7 流程图绘制 菜单栏和菜单图标栏 流程图制作流程 (1)在组态软件中进行流程图文件登录(2)启动流程图制作软件。(3)设置流程图文件版面格式。(4)根据工艺流程要求，绘制工艺装置的流程图(5)根据监控要求，绘制流程图中的动态监控对象(6)绘制完毕后，用样式工具完善流程图(7)保存流程图文件至硬盘上，以登录时所用文件名保存。(8)在组态软件中进行组态信息总编译,生成代码文件。(9)设置操作员键盘上自定义键的功能举例:JX-300X系统在工业生产装置上的应用1 工艺简介 蒸汽锅炉通过燃烧煤、油或天燃气等释放出化学能，并通过传热过程把能量传递给水，使水转变成蒸汽，直接供给工业生产中所需的热能，或通过蒸汽动力机械转换为机械能，或通过汽轮发电机转换为电能。 锅炉的中心任务就是把燃料中的化学能最有效的转化为蒸汽的热能。图串级三冲量给水控制原理框图2 主要控制方案干 扰副对象手动值副控制器主对象前馈补偿器干扰通道DV2INPVEXMVINMV前馈开关INSV主控制器EXSVEXPVDV1控制参数控制参数