控制仪表及装置第07章

控制仪表及装置第七章集散控制系统第一节概述第二节集散控制系统通信网络第三节TPS集散控制系统第四节PCS7过程控制系统第五节集散控制系统可靠性集散控制系统第一节概述>集散控制系统的发展历程20世纪50、60年代，过程工业主要使用模拟式仪表，它们功能单一、控制精度不高。以后的DDC和SCC集中型计算机控制系统能进行复杂控制,但存在危险集中的问题。1975年Honeywell推出了世界上第一套集散控制系统–TDC2000,实现了分散控制和集中操作与管理的功能,以后十年DCS不断完善。20世纪90年代以来推出了以管控一体化为主要特征的DCS,随着PLC和FCS技术的发展,DCS与PLC和FCS相融合的混合型分布式控制系统也已出现。>集散控制系统的特点功能齐全人机联系完善可靠性高系统拓展灵活安装调试简单集散控制系统的性能比常规仪表控制系统和集中型计算机控制系统更为优越,它的主要特点如下：CRT操作站管理计算机过程控制单元过程控制单元数据采集单元…集中操作与管理装置分散控制装置通信系统>集散控制系统的结构与一般的局域网不同，集散控制系统中采用的通信网络是用于生产过程的控制和管理，它具有下列特点：第二节集散控制系统通信网络>通信网络的特点

1.实时性好，动态响应快2.可靠性高3.适应恶劣的工业现场环境>通信介质1.双绞线–最常用的通信介质。2.同轴电缆–用于较高速率的数据传输。

3.光缆–不受电磁波干扰，广泛应用于集散系统。>网络结构

从站从站从站从站主站星型网络结构站站站站站总线型网络结构环型网络结构站站站站站站通常有星型、总线型和环型及混合型：>网络通信协议

通信协议以开放系统互连(OSI)参考模型为基础，常基于物理层和数据链路层而制定。数据链路层分为介质访问控制层(MAC)和逻辑链路控制层(LLC)。应用最广泛的通信协议是IEEE802系列，常用通信协议有：IEEE802.1局域网概述、体系结构；IEEE802.2逻辑链路控制；IEEE802.3

总线网的MAC与物理层标准；IEEE802.4令牌总线网的MAC与物理层标准；IEEE802.5令牌环网的MAC与物理层标准；IEEE802.11无线局域网标准；IEEE802.15短距离无线网络技术标准等。第三节TPS集散控制系统万能工作站UWS万能操作站US新型万能操作站UXS应用模件AM新型应用模件AXM连接器CG、PLCG网络连接器NG全方位万能操作站GUS高速通路连接器HG网络接口模件NIM基本控制器BC多功能控制器MC先进多功能控制器AMC数据高速通路口DHP扩展控制器EC增强型操作EOS基本操作站BOS过程接口单元PIU通用计算机接口GPCI逻辑管理器LM先进过程管理器APM故障安全控制管理器FSC过程管理器PM高性能过程管理器HPMDECVAX计算机AXP计算机管理计算机历史模件HM工厂信息网(PIN)局域控制网(LCN)万能控制网(UCN)基本系统(BASIC)高速通路指挥器HTD数据高速通路DHTPS系统基本构成图>系统构成>分散过程控制装置

分散过程控制装置包括连接在

DH

上的BC、EC、MC、AMC

和连接在

UCN

上的

PM、APM、HPM、LM和FSC。过程管理器PM

基本构成：由过程管理模件PMM和IO

子系统组成。PMM包括通信处理器和调制解调器、I/O链路接口处理器以及控制处理器三部分。I/O

子系统由双重冗余的

I/O链路和最多40个I/O处理器组成。完成I/O处理、各种控制和报警任务通信处理器和调制解调器(M68000)I/O链路接口处理器(80C51)控制处理器(M68000)PMM高电平

模拟输入处理器16低电平模拟输入处理器8低电平多路转换器32智能变送器接口处理器16模拟输出处理器8脉冲输入处理器8数字输入处理器32数字输出处理器16至远处I/O处理器光缆I/O链路I/O子系统(80C31)过程管理器结构UCN输入输出处理功能由不同类型的I/O卡实现，有8种类型：高电平模拟输入处理器、低电平模拟输入处理器、低电平多路模拟输入转换器、智能变送器接口处理器、模拟输出处理器、数字输入处理器、数字输出处理器）和脉冲输入处理器。功能：输入输出处理、控制和报警功能。控制功能有连续控制、逻辑控制和顺序控制几种，这些控制功能是由PMM中各种类型的功能槽slot完成。一个slot称为一个数据点。类型包括常规PV、常规控制、数字复合、逻辑、过程模件、数值、状态标志和定时点。报警功能中的参数包括报警类型、报警限值和报警优先。类型有绝对值、偏差与速率报警；限值有上限、下限、上上限、下下限等；报警优先级有三个。先进过程管理器APM

APM具有与PM相似的结构形式，但在I/O接口、控制功能、内存容量和CL语言等方面都较PM有很大改进。APMM由先进通信处理器和调制解调器、先进I/O链路接口处理器和先进控制处理器三部分组成。基本构成：先进过程管理模件APMM和I/O子系统。I/O子系统由11种I/O处理器组成，比PM多了数字输入事件顺序、串行设备接口和串行接口三种处理器。功能：输入输出处理和控制功能。输入输出功能比PM增加三个功能：数字输入事件顺序、串行设备接口、串行接口。共有12种数据点，比PMM多了设备管理点、数组点、时间变量点和字符串点四种。高性能过程管理器HPM

HPM是APM更新产品，采用两个68040处理器作为通信处理器和控制处理器,80C32作为I/O链路接口处理器。与APM相比，HPM在输入输出处理功能和控制功能方面有所提高：

HPM的I/O处理器的类型也比PM多了三种，但是它的输出通道有所增加。

HPM的常规控制点算法比APM增加了三种，分别是乘法器/除法器、带位置比例的PID和常规控制求和器。逻辑管理器LM

主要用于逻辑控制，它具有PLC的优点。由于它直接挂在UCN网上，故可与网络上其他模件PM、APM、HPM等进行数据通信，使PLC和DCS有机结合，能集中显示、操作和管理。基本构成：由逻辑管理模件

LMM、控制处理器和

I/O链路处理器及I/O模件组成。功能：LM以数据点为基础，实现顺序控制和紧急联锁等功能。共有9种数据点：数字输入点、数字输出点、模拟输入点、模拟输出点、数字复合点、链接点、状态标志点、数值点、时间点。其功能同PM基本相同。逻辑管理模件LMM控制处理器I/O链路处理器并行I/O模件最大点数2048逻辑管理器LM串行连接模块SLM串行I/O模件最大点数2040并行连接驱动模块PLDM冗余UCN逻辑管理器结构

故障安全控制管理器FSC

FSC是一种具有高级自诊断的生产过程保护系统，其容错安全停车系统用于保护生产装置和操作人员的安全。作为UCN的节点，可与PM和LM通信，也可经网络接口NIM与LCN上的历史模件HM和应用模件AM交换信息。FSC安全管理模件FSC-SMM冗余UCNFSC控制器控制处理器I/O模件通信模件FSC用户操作站现场设备FSC网络基本构成：包括FSC安全管理模件和FSC控制器：故障安全控制管理器安全管理模件允许FSC通过串行通信链路与UCN设备进行点对点通信，或经NIM与LCN上的模块进行通信。功能：联锁控制、停车控制和装置的整体安全控制。控制处理器执行逻辑图组态的控制程序，并将结果传到输出接口。它对FSC硬件进行连续测试,一旦发现故障，诊断信息立即通过SMM在操作站上报告，确保过程的安全控制、系统扩展的控制以及过程设备的诊断。I/O模件连接各种数字量和模拟量信号,所有的I/O模件与现场信号之间都采用光隔离。故障安全I/O模件支持系统的自诊断功能，用于安全检测和控制。通信模件：一是FSC网络的通信模件,通过它可与其他FSC系统进行通信。二是FSC用户操作站通信模件,允许用户在操作站上对FSC的参数及其属性进行组态。>集中操作管理装置

集中操作管理装置包括BOS、EOS、US、UXS、UWS、GUS、以及AM、AXM和HM。万能操作站USUS是LCN网上的模件，是TPS系统中主要的人机界面。它提供了综合性的单一窗口。基本构成：由硬件和软件两部分组成：硬件包括主机、彩色CRT显示器、操作员/工程师键盘、轨迹球、键锁和外围设备等。软件有两类：一类是操作员属性的系统软件,另一类是工程师系统软件。操作员属性功能监视和控制生产过程,包括启停车；处理报警和操作员信息；显示和打印过程历史数据、趋势、平均值、值班记录等；归档历史数据；监视和改变设备的状态；从历史模块或软磁盘中加载操作程序和数据库等。功能：提供不同的功能画面以完成相应的操作：过程工程师属性功能除具有操作员属性功能外,还增加了系统组态，数据点建立，用户图形建立，自由格式报表建立，控制语言程序的编写、编译和装载功能。维护工程师属性功能提供了系统维护主菜单,可显示维护建议画面、相关信息画面、故障设备错误信息和过程连接装置状态。US、UWS和UXS性能比较US与UWS：UWS

工程师键盘比US

多了17个特殊功能键，且未带LED显示和可组态功能，它的驱动装置一般配置两个软盘和两个硬盘，另外还可带矩阵打印机。

UWS的主要功能与US相同，它具有过程工程师功能、维护工程师功能和过程管理工程师功能。US与UXS：UXS是US的改进型，带有工业标准协处理器，采用改进型高分辨率CRT。除具有过程人机接口的功能外，还具有基于Unix操作系统的工厂网外设信息通信接口功能,并可实现X-windows环境下的系统操作功能,用户可通过它将第三方计算机与系统连接。全方位万能操作站GUSGUS是较新的操作管理站，兼有操作员站和工程师站两种功能，是采用WindowsNT操作系统的TPS节点之一。基本构成：GUS构成与US类似，由主机、显示器、键盘、外设等组成，但它是双处理器结构，有两块主机板。GUS除配置操作员键盘外，还有PC标准键盘及鼠标。

GUS采用Uniformance集成软件，主要有商业应用软件、过程历史数据库和桌面办公软件三部分。功能：GUS继承了US的显示、操作、过程组态等全部功能，同时提供了先进的视窗式人机接口技术，通过窗口管理软件SafeView，实现对显示环境的管理，可选定每屏的窗口数、窗口位置、窗口移动的限制等。应用模件AMAM是具有高级控制和计算算法的LCN模件。基本构成：包括微处理器卡、LCN接口卡、LCN输入输出卡以及存储器卡等部分。AM具有适应各种机型的软件,除了AM系统的软件之外，还具有基于DEC公司VAX计算机的、PC的和Macintosh计算机软件。功能：包括控制、计算以及通信功能。其控制功能也是由各种类型的数据点来完成的。包括：常规点、旗标点、数字点、时间点、计算点、开关点和用户数据段。

AM起着特殊的网络沟通作用，与三条网络LCN、UCN和DH上的所有设备均有联系。AXM性能优于AM,用双重处理器,可带浮点处理硬件,RISC协处理器用于与UNIX系统连接。软件环境是OpenUSE。历史模件HMHM是大容量存储器，存储系统软件、应用软件和历史数据。基本构成：HM的构成和AM类似，其硬件组成包括：LCN接口、微处理器和存储器。HM的存储器分为冗余的单驱动和双驱动，不冗余的单驱动和双驱动四种组合类型。

功能：用于存储三种信息：过程历史数据（连续的过程瞬时值或平均值、过程事件、系统事件、日志等）、应用软件（用户文件、系统组态文件、应用数据库文件、用户图形、控制语言程序等）、系统软件（支持系统正常工作的软件）。>通信网络

通信网络包括数据高速通路(DH)、局域控制网(LCN)、万能控制网(UCN)和工厂信息网(PIN)。数据高速通路DHDH是TPS

基本系统的通信网络，用于早期分散控制装置间的信息传递。它采用总线型结构和广播式通信协议，传输速率为

250kb/s，由高速通路指挥器

HTD来指挥各模块间的信息传递。LCN是一种高速局域控制网，通信系统由同轴电缆、连接器、终端连接器以及LCN接口板组成。通信链路还包括LCN和DH间接口HG、LCN与UCN间接口NIM以及计算机连接器CG等。采用两条冗余的同轴电缆，传输速率为5Mb/s，采用IEEE802.4通信协议。局域控制网LCN万能控制网络UCNUCN是一个过程控制级网络，由冗余的同轴电缆组成，长度通常为800米。网络通信采用IEEE802.4协议，令牌总线存取方式，通信速率为5MB/s。网间接口模件NIM网络接口模件NIM是LCN网和UCN

网之间的连接器。它负责网络间通信技术及协议的相互转换,为LCN网上的模件访问UCN网络设备的数据提供了可能。高速通路连接器HG

是LCN

网与DH

网的网络接口，不仅担负着LCN和DH之间的通信任务,还要提供DH的数据管理功能。此外，HG还有诊断、报警和时间同步等功能。>系统组态

组态是用系统提供的功能模块或算法组成所需控制结构,完成所需功能。有系统设备组态、控制组态和画面组态。系统设备组态DCS中的所有设备，都是网络上的一个节点，必须为这些节点分配网络地址，这就是系统设备的组态。它是系统操作、管理、查询、诊断和维护的基础，分两个层次进行，先是集中操作管理层设备组态，再是分散过程控制层设备组态。集中操作管理层设备组态该层组态包括系统取名、节点组态和系统通用信息的确定等。分散过程控制层设备组态该层组态包括节点登记和节点特性组态。控制组态控制组态为控制站建立各类模块，包括输入/输出模块，运算模块，连续/逻辑/顺序控制模块和程序模块，并将它们组成所需的控制回路。控制组态方式：分为填表组态、语言组态和图形组态。图形组态是常采用的组态方法,它采用图形模块与窗口参数相结合的方式,它的基本图素是输入、输出、运算、控制等功能模块。组态时先从模块库中调出所需的模块，然后进行模块间的连接，最后调出该模块的参数窗口，用户只要在这个有输入项含义提示的相关菜单中，直接送入数据和变量，最终构成所需的控制系统。

。

各种功能模块的图形组态顺序为先输入/输出模块，再运算模块和控制模块：输入/输出模块的组态包括定义输入/输出数据点的位号和对点的描述，确定模块在系统中的位置和确定数据点的各项特性。

运算模块组态先调出所需的算法模块，然后单击该模块框图，打开参数表窗口，逐项填写。主要内容包括位号、算法名称、所在控制网络的位置、输入和输出信号以及相应的运算常数。

控制模块组态分为连续控制、逻辑控制和顺序控制。连续控制模块组态以常规PID控制模块为核心，结合运算模块和输入/输出模块，即可构成单回路或复杂控制回路。见下例：逻辑控制模块组态

有梯形图、逻辑图和指令表三种：梯形图组态方式是先调出触点、线圈和元件，再进行触点、线圈和元件之间的连线，并填写触点名。逻辑图组态方式是先调出逻辑模块，再进行模块之间的连线，并填写输入或输出变量名。指令表组态方式是将逻辑图或梯形图用相应指令来描述，形成指令表或程序。该方式因缺乏直观性，较少采用。

顺序控制模块组态顺序控制是按照时间顺序、逻辑顺序或混合顺序逐步进行各阶段信息处理的控制方法。在顺序控制中兼有连续控制、逻辑控制和输入

/

输出监控的功能，在PM中,实现一般的顺序控制可通过各类数据点的组合使用加以实现。CL编程与程序模块组态CL（ControlLanguage）语言是TPS系统的控制语言，供用户自行编制专用的应用程序，以实现常规控制点无法完成的控制任务。CL包括CL/AM、CL/PM(APM、HPM)、CL/MC(AMC)，是一种面向过程的高级控制语言，其语法和功能类似于高级算法语言；提供了各种基于过程的语句，如OPEN或CLOSE（开或关阀门），ON或OFF（通或断设备）；还提供了功能齐全的算式、逻辑关系式和函数等。画面组态画面组态是指操作站、管理站、工程师站及简易型操作终端的画面组态。包括用户流程编制、历史数据生成以及自由格式报表编制等内容。用户流程编制-流程画面形式和流程图编辑：流程画面形式：静态画面、动态画面和上述画面的合成。流程图编辑：用线和实体画基本图形，作子图，在图中加字符和数据并赋予条件，加趋势、棒图等。

历史数据生成历史数据是趋势显示和编制报表的数据基础。用HM作为系统的硬盘，存储历史数据和其它的过程或系统数据。自由格式报表编制自由格式报表是一幅132×66的画面，分成6屏，它是子图、文字、变量值等的组合。自由格式报表比标准格式报表更灵活，信息量更大。第四节PCS7过程控制系统>系统概述

SIMATICPCS7是一种新型过程控制系统。它提出了一种全集成自动化（TotallyIntegratedAutomation,TIA）理念，具有统一的数据管理、通信和组态功能。PCS7采用了TIA系列的标准硬件和软件，基本部件包括自动化系统、分布式I/O、操作员站、工程师站和通信网络。系统由PROFIBUS-DP总线和工业以太网两级网络组成。DP总线用于自动化系统和设备级分散I/O之间通信，是系统底层控制网络。工业以太网连接分散过程控制装置和集中操作管理装置，构成系统上层网络。AS-iProfibus-PAProfibus-PAProfibus-PAEthernetOS-LAN工业以太网标准自动化系统AS414-3等工程师站ESOS单站OS服务器容错自动化系统AS414-4H等操作管理装置归档服务器OS客户机管理计算机分布式I/OET200分布式I/OET200故障安全自动化系统AS414FH等分布式I/OET200DP/PA链接器DP/PA链接器DP/PA链接器DP/AS-i链接器过程控制装置PCS7系统结构

>分散过程控制装置

PCS7分散过程控制装置包括三种类型的自动化系统和分布式I/O。标准自动化系统包括AS414-3、AS416-2、AS416-3和AS417-4。其中AS414-3适于小型应用，其余用于中等规模或更大的系统。该由机架、电源模块（PS）、中央处理单元（CPU）和通信处理器（CP）构成。容错自动化系统容错自动化系统可以满足高可靠性的要求，它包括AS414-4-1H、AS417-4-1H、AS414-4-2H和AS417-4-2H等四种类型的产品。故障安全自动化系统故障安全系统不仅可检测过程中的故障,而且还可检测系统内部故障，在检测错误时,

自动将装置设置到一个安全状态。基于AS414H和AS417H的故障安全自动化系统（F/FH系统）将工厂自动化和安全功能组合到单一系统之中。分布式I/OET

200M

是主要的分布式

I/O产品，与PCS7的自动化系统一起用于过程控制。它由电源模块、接口模块和I/O模块组成，均可实现冗余配置。

电源模块用于供电，有不同的输入电压/电流可供选择。接口模块实现PROFIBUSDP连接。ET200M包含S7-300系列的各种I/O模块，最多8个，用于连接传感器和执行器。所有I/O模块都与背板总线光学隔离。除标准I/O模块外，还有一些专用I/O模块。ET200M可用于标准环境，也可用于防爆2区。其它分布式I/OET200iS是具有本安性能的I/O产品，防护等级IP30，可以直接安装在防爆1区或2区中，传感器/执行器置于0区。每个模块都可在防爆环境中热插拔。ET200S是一种新型产品，防护等级IP20，适用于需要故障安全电机启动器的场合。也支持模块的热插拔，但它的I/O模块比ET200iS丰富，除模拟量和数字量I/O模块以外，还包括电机起动器、气动模块等。ET200X具有较高的防护等级IP65/67,适于无控制柜场合的多功能解决方案。其

I/O模块与ET200S类似。>集中操作管理装置

PCS7的集中操作管理装置由操作员站和工程师站组成。操作员站OS是PCS7

系统的人机接口,用于生产过程的操作和监视。有单用户系统（OS单站）和具有客户机/服务器结构的多用户系统（OS客户机/OS服务器）。单用户系统所有过程操作和监视都集中在一个站中,OS单站通过RJ

45端口可与OSLAN相连，也可通过通信处理器或标准LAN卡接入工业以太网。多用户系统通过OSLAN从一个或多个OS服务器接收数据，它还具有客户机功能,能访问系统中其它OS服务器上的数据。操作员站采用WinCC组态软件，能完成从画面显示到历史趋势记录的一系列功能，并可设置操作权限。工程师站ES工程师站用于对整个PCS7系统进行组态。它采用和操作员系统的OS单站相同的硬件以及Windows2000

操作系统,

可通过多屏图形卡将最多四个过程监视器连接在一起来扩展工作区，使得组态更为方便。ES软件为PCS7系统的所有部件提供统一的数据管理和组态工具，包括连续功能图CFC、顺序功能图SFC、功能块库、硬件组态工具HWConfig、OS图形组态软件、过程设备管理器PDM等部分。CFC/SFC都是图形组态工具,前者以功能块为基础,主要用于连续过程的控制组态，后者用于顺序控制。HWConfig和PDM是硬件组态工具，用于自动化系统、操作员站、工程师站、通信网络及现场设备的组态。>通信网络PCS7

的通信系统包括工业以太网和现场总线。工业以太网用于自动化系统与操作员站、工程师站之间的数据通信，现场总线连接自动化系统和分布式I/O，用于现场控制及检测采集单元的数据交换。工业以太网工业以太网连接分散控制装置和操作管理装置。网络可采用总线型、星型、环型等多种拓扑结构，较大的系统均采用冗余光纤环网。通信协议符合IEEE802.3及IEEE802.3u标准。通过电气交换机和光纤交换机连接子网，最多可连接1000个站。通信距离可达1.5公里(电缆)/200公里(光纤)。三线电缆、工业用双绞线和光缆均适宜作为传输介质。现场总线PCS7系统使用PROFIBUSDP、PA和AS-I等现场总线。PROFIBUSDP适用于自动控制系统和设备级分散I/O之间通信。PROFIBUSDP网络包括由DP主站、从站和DP/PA、DP/AS-i等链接器。网络可采用总线型、星型和树型等多种结构。主站和从站之间采用轮循的通信方式，最多可连接125个从站,传输速率可设置在9.6Kbit/s到1.5Mbit/s之间。通信介质包括光纤和屏蔽两线电缆。通信距离最远可达9.6公里(电缆)/90公里(光纤)。PROFIBUSPA是专为过程自动化设计的本质安全的传输技术，一根总线上可以同时实现供电和信息传输,符合IEC1158-2中规定的通信规程，可实现总线供电和本质安全防爆。PA拓扑结构包括总线型、星型和树型。在防爆区每个DP/PA链路最多可连接15个现场设备，非防爆区最多可达31个,通信介质采用屏蔽两线电缆实现。通信距离可达1.9公里。AS-I是直接连接现场传感器和执行器的总线系统。作为电缆束的替代品,AS-I总线利用无屏蔽两芯电缆连接现场设备。AS-i总线网络为单主站系统,拓扑结构包括总线型、星型和树型。一个标准的AS-i总线系统可以最多连接31个从站,每个从站可最多配置4路输入和4路输出。经扩展，系统可连接62个从站。通信距离可达100米(无中继器)/500米(有中继器)。>系统组态

包括硬件组态、控制组态

和

画面组态。组态软件采用“SIMATICMANAGER”套件。硬件组态硬件模块上跳线、开关、量程卡等的设定，并根据这些设定通过

ES

软件中的

HWConfig

对系统硬件进行初始化定义。硬件组态是一种图形化的组态方式，其所有模块都已作为标准化的软件嵌入到控制技术库中，只需连接到过程流程中进行图形化显示即可。组态完成后，下载到相应的过程控制站。控制组态第一种为CFC，主要用来实现阀门控制、电机控制和测量点监控等功能。组态以功能块为基础，每个功能块都有一个参数表，可根据实际工艺要求选择不同的参数，功能块在CFC中的连接直接用鼠标器点接。主要有两种功能不同的控制实现方法：另一种为SFC，主要实现顺序控制。首先画出顺控的顺序图。可选择顺序、并行分支、交替分支和回路等局部结构。图中用大小两种方块分别表示步骤(Step)和转移条件(Transition)。顺控的顺序图一旦建立，只需把步骤中要执行的任务和转移条件中的条件写入，顺控的组态任务即得到完成。PCS7

中还可采用结构化编程语言

(SCL)

编写功能模块,把过程的数学模型和优化控制策略编成功能块,供调用。这是PID功能的组态实例，该功能是在CFC中完成的。串级控制模块的组态第四节集散系统的可靠性集散系统的可靠性通常包含两层意思：其一是指系统在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力，其二是指故障发生后通过维修使系统恢复工作的能力。>可靠