《计算机控制技术》课件

《计算机控制技术》

东南大学自动化学院戴先中

1

第9章网络化计算机控制技术

9.1集散型控制系统

9.2现场总线控制系统

9.3以太控制网络系统

9.4控制网络与管理网络集成技术

9.5网络控制系统

2计算机控制技术东南大学自动化学上一页下一页

9.1集散型控制系统

9.1.1概述

9.1.2功能分层体系及基本结构

9.1.3集散控制系统的组态性

9.1.4常见集散控制系统简介

3计算机控制技术东南大学自动化学上一页下一页

9.1.1概述

■相关概念

□集中控制

■采用单一的计算机来实现对工业大系统的控制。

■危险性高度集中。

□分布式控制

■将一个工业大系统划分为若干个子系统，分别由若

干台控制器去控制。分布式控制承担各个子系统间

的联系，经过通信子网将各个局部控制器联系起

来，为了实现大系统意义上的总体目标最优，还设

置上级协调器，实现全系统的协调控制。

4H-/算fifr机l-n控H制-il4技U-—术lx东南大学自动化学上一页下一页

□集散控制系统又称为分散控制系统

(DistributedControlSystems,简称DCS)

■控制要分散，管理要集中:过程控制单元独立地对回

路进行各种复杂控制，分散于现场。通过通信系统集

中到中央操作站，实现综合管理。

■Distributed：a)地域分散b)功能分布

——为了满足大型工业生产日益复杂的过程控制要求,

从综合自动化角度出发，按照功能分散、管理集中的原则

构成的系统。它以微型计算机技术为核心，与通信技术、

CRT技术、人机接口、I/O技术相结合，用于生产过程控制

与管理的计算机控制系统。

5

■集散控制系统的发展历程

(1)第一阶段(初创期)

■以1975年由美国霍尼韦尔口霭

(Honeywell)公司首先推出监控计算机CRT操作中心

的集散系统TDC-2000为第z

一代集散系统的标志。,高速数据通道

过程控制单元U…数据采集装置J

■还有Yokogawa(横河)的

CENTUM系统、Bailey公司

的Network-90系统、第一代集散系统结构简图

Siemens的TelepermM系

统等。

J;甫大学I'I动化学院4一页|下一」

6计算机控制技术

■集散控制系统的发展历程（续）

（2）第二阶段（成熟期）

■20世纪80年代，由于微机

技术的成熟和网络技术的进nQH!■

1/-I-JU—

入，使得集散系统得到飞速赭II中央操作站管理计算机

发展。第二代集散系统以局

域网为主干来统领全系统，（节点LAN节点

系统中各单兀都可以看作是

网络节点的工作站。A-fl±石

GW>GWJ

-------zPCUJ-------zPCU）

/______//______/

■Honeywell的TDC-3000、字圣循其他

Taylor公司的MOD300、于.凯/|工业两络「

ABB公司的MASTER等。

第二代集散系统结构简图

4一页尸一合

7计算机控制技术

■集散控制系统的发展历程（续）

（3）第三代集散控制系统

■局域网采用了MAP或MAP

兼容网络

■MAP是由美国GM（通用汽车

公司）制定的一种工厂系统

公共的通信标准。

■第三代集散控制系统的其它

单元无论是硬件还是软件，

都有很大的变化，但系统的智能变送器，智能仪表

基本组成变化不大。

第三代集散系统结构简图

8计算机控制技术东南大学向动化学院

■集散控制系统的发展历程(续)

(4)第四代集散控制系统

■20世纪90年代末期至21世纪开始，由于电子信息产业

的开放潮流和现场总线技术的成熟与应用，DCS厂家

进一步提升了系统功能范围，将系统开发的方式由原来

完全自主开发变为集成开发。

■共性：

□全面支持企业信息化、系统构成集成化、混合控制

功能兼容，营建进一步分散化、智能化和低成本

化，系统平台开放化、应用系统专业化。

■主要特征为：

□信息化和集成化；混合控制系统；融合采用现场总

线技术的进一步分散化；I/O处理单元小型化、智能

化、低成本；系统平台开放型与应用的专业化。

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9.1.2功能分层体系及基本结构

LDCS的基本构成（最简）

现场控制站、操作员站、工程师站、系统网络

■早期DCS仍采用模拟式仪表的检测/变送/执行单元

现场总线(Fieldbus)技术的引入

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,它的关键标志是能支持双向、

多节点、总线式的全数字通讯。结构简单，易于维护。

控制系统网络

|控制器|

现场总线

°H

现场总线连线

多台设备共用一个安全栅

传统的连线

4-20mA和一根总线

每台设备需要一个安全栅和一对连线

减少了现场仪表与控制室之间的连线(l：n)EU

11

现场总线(Fieldbus)技术的引入

可以把一些回路控制功能下放到现场I/O和现

场总线仪表来完成，提高控制功能的分散性。

12计算机上一页F一页

1.DCS的基本构成（加入现场总线技术）

现场

现场

现现

线

线

总

总

场场

表

表

仪

仪

I/OI/O

系统与现场之间也通过数字通信网络，使整个系统变为

全数字

13

集散控制系统DCS与现场总线控制系统FCS

■从本质来说，FCS是一个网络通信系统，它代表的是一

或数字传哲H传判现场》起割管理到现场的发展方向。

而DCS只是强调前络通信功能。

■在已有的DCS系统中应用现场总线新技术，实现FCS与

DCS的紧密集成（现场总线集成在DCS的I/O总线上）

■可以说DCS在吸纳FCS。

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LDCS的基本构成（扩展高层管理网络）

।信息系

统终端

高层管理网络I

域

域

服

服

务

操作员站工程师站务

器

器

系统网络

现场控制站

现场总线网络

场

现

现场

现现

线

线

总

总

场场

表

表

仪

仪

I/OI/O

■高层管理网络：管理信息和生产调度信息

■控制与管理功能结合的大型综合监控自动化系统

15计行大学自动上一页下一页

2.集散控制系统功能分层体系

集散控制系统的本质是：采用分散控制和集中管理的设计思

想、分而自治和综合协调的设计原则、采用层次化体系结构。

综合信息管理级

集中操作监控级

分散过程控制级

集散控制系统体系结构的各层功能

16计算机控制技术东南大学自动化学

3.集散控制系统特点

⑴分散性和集中性

•系统控制分散、功能分散，负荷分散，从而危险分散。

•集中性体现：监视集中、操作集中、管理集中。

⑵自治性和协调性

•各工作站独立自主地完成分配给自己任务，并通过通信网

络传送各种信息，协调工作，以完成控制系统的总体功能

和优化处理。

⑶友好性

•采用实用而简洁的人机会话系统，丰富的画面显示。

(4)适应性、灵活性和可扩充性

•采用开放式、标准化和模块化设计，具有灵活的配置，可

以适应不同用户的需要。可以根据生产要求，改变系统的

大小配置。

17计算机控制技术有大学自动化学附上一页下一页

3.集散控制系统特点(续)

⑸实时性

•采用网络通信技术，实现集中监视、操作和管理。使得管

理与现场分离，管理更能综合化和系统化。

•通过人机接口和I/O接口，可对过程对象进行实时采集、分

析、记录、监视、操作控制，并包括对系统结构和组态回

路的在线修改、局部故障的在线维护等，提高了系统的可

用性。

(6)可靠性

□广泛采用了冗余技术、容错技术。各单元都具备自诊断、

自检查、自修理功能，故障出现时还可自动报警。

□使集散系统的可靠性和安全性得到大大提高。

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4.集散控制系统数据通信

(1)数据传输的介质

□双绞线、光钎、同轴电缆等。

(2)数据传输方式

□基带传输方式

□频带传输方式

(3)数据通信网络的拓扑结构

□星型、环型和总线/树型等常见几种

(4)网络的访问控制方法

集散控制系统采用的信息存取控制方式主要为：

■CSMA/CD(带有冲突检测的载波侦听多路存取)

■令牌环法

-令牌总线

z

19页1m显

9.1.3集散控制系统的组态性

1.集散控制系统的组态类型

□系统组态

完成组成系统的各设备间的连接；

□画面组态

完成操作站的各种画面、画面间的连接；

□控制组态

完成各控制器、过程控制装置的控制结构连接、参数

设置等。

■组态(Configuration)为模块化任意组合

■用户可以“配置”、“设定，“设置”自己所需要的软件功能

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2.集散控制系统的组态软件

组态软件也称为“组态式监控软件”

■包括数据采集与工程控制的专用软件，属于控

制和监控层一级的软件平台和开发环境

■以灵活多样的组态方式提供良好的用户开发界

面和简捷的使用方法

■容易实现监控层的各项功能，并同时能支持各

种硬件厂家的计算机和I/O设备，向控制层和管

理层提供软硬件全部接口，进行系统集成

21计算机控制技术东南大学自动化’上一页下一页

某工厂集散控制系统的组态画面

气

文件(F)特别(S)

定封油沟油位B密封油沟油位C

0inin0mm

密封加压泵汽压力：O.OOMPa

o次120000nP高炉煤气;

仪表压缩空气压力：正常#2工作油泵。次

工作油系

»分钟43

。分钟

0次

池M。次

#2缶用油泵活塞运动速度

样3各用油泵

0分钟1().0nVmin

,oEnioo|0分钟

0ppm活塞上部(O・A■

K00ppm活塞上部CO-B

放散流量0ppm活塞上部CO-C

0km3放散塔

600ppm活案上部CO・D

。mm活塞油沟油位A

4,10mm活塞油沟油位B

0mm活塞油沟油位C

密封油沟油位A20密封油沟油位D

0mm0mm活籍油沟油位D0linn

0次0aA

■I<fl0.00KPa柜内煤气压力

。分钟

进出口地下室Q>

0凶幽一:威

*i备用油泵tb

()分怦

密封油温度A进出门地下室CO南封油温应C

密封油温度B密封油温度D

密封切断网煤气柜台入口压力0.00KPu

—*显示设备名称▼显示窝点名称

通信状态2(>05-5-2«22:4407CGC画面报警一览历史趋势实时趋势多数当

22计算机控制技术东南大学自动化学院上一页下一页

■组态软件的分类:

国外专业软件厂商提供的产品

匚美国Wonderware公司的INTOUCH畛空裂

匚美国Intellution公司的FIX唯甥m

□西门子公司的WINCCwinCC

,Version6

国内自行开发的国产化产品

□Synalk组态王、力控、MAGS>Controlx等

23计算机控制技术东南大学自动化学上一页下一页

(1)组态软件需要解决的问题:

■如何与采集、控制设备间进行数据交换。

■使来自设备的数据与计算机图形画面上的各元素关联起来。

■处理数据报警及系统报警。

■存储历史数据并支持历史数据的查询。

■各类报表的生成和打印输出。

■为使用者提供灵活、多变的组态工具，可以适应不同应用

领域的需求。

■最终生成的应用系统运行稳定可靠。

■具有与第三方程序的接口，方便数据共享。

24计算机控制技术东南大学自动化

⑵组态软件的突出特性：

①组态向导（软件助手）

□组态向导提供预定义的参数，组态工程师可借鉴它来

进行或修改组态过程。

②库和模块

□已建立的对象可储存在一个库内，也可将它们从库中

调出。这样使用户可以开发公司、技术或部门专用的

标准，有助于快速建立项目。

③交叉引用组态

□可以通过交叉索引列表的画面，提供处理大量数据的

组态工具，具有数据的导入/导出功能，可以导入和导

出变量、导入和导出消息、导入和导出文本。

④测试、试运行和维护

□只需应用仿真器就可对一个组态进行测试。

9.1.4常见集散控制系统简介

■和利时自动化工程公司:

HOLLiAS-MACS系统

■美国Honywell公司：

TDC3000系统

26儿控制技术K南大学自动化学院上一页下一页

和利时的HOLLiAS—MACS系统

1992年自主开发设计成功HS—DCS—1000系统

1995年底推出了升级版本HS2000集散控制系统

应用于我国石油化工、电力、玻璃、水泥、制药

和冶金等工业控制系统，得到我国广大用户的认

可和支持。该系统不但用于普通工业装置的数据

采集和实时检测，而且更多地应用于复杂的实时

控制。

%

采用成熟的先进控制算法，推出了第四代DCS

系统：HOLLiAS—MACS系统

27计算机控制技术行大学自动化学上一页下一页

HOLLiAS—MACS简介

■MACS是综合自动化系统，完成大型、中型分布式控制系

统(DCS)、大型数据采集监控系统(SCADA)功能。

■应用：能够满足各行业核电石油和化工

我们已经具备为核电厂提供全生命周我们能够为石油和化工行业从控制层到

从现场层一装置控制层期，即整个建设过程的专业化服务能管理层提供完整解决方案，以实现生产

一生产管理层一经营管力.流程各个环节的自动化和信息化.

理层各个层次的信息化、

造纸

自动化需求。

和利时的产品在火电行业的应用，已覆和利时控制系统已经在制浆造纸行业数

盖到电厂生产流程的每一个环节，包含百套装置上成功应用，积累了丰富的行

6MW至600MW的机组容量范围。业应用经验。

建材冶金环保

«电针对水泥、玻璃纤维和玻璃等建材企业针对城市生活污水集中处理、烟气除尘

HollySys和空分、铅冶炼等冶金企业，提供管控脱硫、垃坡焚烧等环境基础设施的自控

0一体化解决方案.方案.

/index.aspx

28计算H上一页下一页

SCMCRMERP

Internet

企业经营管理层实时关系

数据库

□Inlcmct服务器

RMIS实时QAS质最MMS设备管rBMS能源BMS批次PSS生产MCAS生产成本

信息系统分析系统埋及维护系统管理系统管理系统调度系统统计与核算系统

企业生产管理层

61月0

TEthernet

HOLLiAS-PADS工厂电站HOLLiAS-VSI车站

HOLLiAS—MACS系统综合自动化系统信号联锁系统

第三方设备效捷服务器(BS酹一，

•1

第三।DBS

|大屏幕I113SI1站除襦机微机联锁历史站

方鼎示

接口IGBS

RBS

装置与控制站主控单元

过程现场总线

控制层・：•'•EtliernctRS-485

通信DO

TTH控制器

RASC冗余先TH1

进系统控制器IJ

•小电1就电器网络

流接1

合

标电容器拣合坦选兽

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傀

单元控制系统PROFIBUS保保护保护第三方产品线森

置

置

装

-DP公装置装置现场设备

现

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处

号

理

单

与

元FM系列DAS数据CGPLEC逻辑

制

控

层1/。模块采集设备RTU远程可编程紧凑式通和嵌人式智能仪天

控制器用处理器控制器营目匕以衣

处理单元

和利时第四代集散控制系统体系结构

29计算机控制技术东南大学自动化学院上一页下一页

HOLLiAS控制层

第三方设备数据服务器

C8S

DBS

第三方大屏幕HBS

接口显示GBS

R8S

控制站

Ethernet

RASC冗余先进

系统控制器

单元控机系统

Profibus-DP

O皿1

族系列"。模块妁金DAS二LEC逻辑和嵌

可编程逻，紧凑式通入式控制器

"隔程处理单元智能仪表

控制捐用处理修

HOLLiAS—MACS系统的两种型号

（i）HOLLiASMACS-F系统：规模上适合于中大型

项目（2万个物理点以内），结构上为高密度安

装，单机柜含端子可达1056点。

⑵HOLLiASMACS-S系统：规模上适合于大型

或超大型项目（10万个物理点以内），结构上安

装密度适中，单机柜含端子可达720点。

■目前已成功应用在300MW火力发电机组的全

功能控制和秦山核电600MW机组等工程项目o

31

HOLLiASMACS的体系结构

■由以太网和使用现场总线技术的控制网络连接。

■硬件由各工程师站、操作员站、现场控制站、通讯控制站、

打印服务站、数据服务器、系统服务器、系统网络、控制

网络等组成。

HOLLiAS—MACS系统中的“站”

是物理上的一套独立设备，也是网络中的一个通信节点，完成

某一类特定的处理任务。

(1)工程师站(ENS)

高性能微机，采用Windows操作系统，运行相应的组态

管理程序，对整个系统进行集中控制和管理。

功能：

□控制策略组态(包括系统硬件设备、数据库、控制算法)、

人机界面组态(包括图形、报表)、数据库组态、设备组

态、报表组态等。

□现场控制站的下装和在线调试，操作员站人机界面的在

线修改、相关系统参数的设置。

□在工程师站上运行操作员站实时监控程序后，可以把工

程师站作为操作员站使用。

⑵操作员站(OPS)

■操作员站采用Windows操作系统，运行相应的

实时监控程序，对整个系统进行监视和控制。

■操作员站主要完成以下功能：

□各种监视信息的显示、查询和打印，主要有工艺流程

图显示、趋势显示、参数列表显示、报警监视、日志

查询、系统设备监视等。

□通过键盘、鼠标或触摸屏等人机设备，通过命令和参

数的修改，实现对系统的人工干预，如在线参数修改、

控制调节等。

操作员站和工程师站：CPU采用PentiumIII以上，主频800MHz以上,

内存大于128M,硬盘大于20G,显示器分辨率1280x1024工业级IPC。

34计算机控制技术有大学自动化学上一页下一页

(2)操作员站(OPS)「?2)日志区各按键用广

进入不同的日志显示窗

口。

y用户自定义键

，趋势、(日志

歹U表表格

权限10Oft限4nnnnnnRi

权限锁

01

1114I-co一R-cT

国试验日志I范本系统mnnnnnn

区各按键用于进

OC9OCA

CRT1CRT2CRT3(4)表格区各按键用表显示窗口。

厂事故追忆和soA于进入不同的事件表

产1\格。

⑴趋势3F3

进入模拟量点或开关量点、圜

囱

及统计计算类型点的趋势显

画面。NB

TabX__

专用键盘和轨迹球到日

35计算机控制技术大学自动化学院上一页下一页

(3)通信控制站(CCS)

■实现与各类现场总线仪表、PLC、智能电子设备IED、

远程终端单元RTU及其他子系统的通信，完成各种通信

协议的解释和数据格式转换等功能。

36计算机控制技术东南大学自动化学上一页下一页

■主控单元是一台特殊设计的专用控制器，例如嵌入式Intel

486DX4-100兼容处理器，配有1M静态存储器(SRAM)。

■智能I/O单元完成现场内的数据采集和控制输出

□模入处理：每模件一个A/D转换器，16位分辨率。信号

处理精度：大信号不大于0.1%,小信号不大于0.2%；巡

检周期可调，最小50ms。

□模出处理：每路一个12位D/A转换器，精度不小于0・2虬

口开关量输入/输出处理：SOE分辨率为1ms,所有开关量

输入均带有信号消抖处理。

■电源单元为主控单元、智能10单元提供稳定的工作电源；

■现场总线为主控单元与智能10单元之间进行数据交换提供

通讯链路；

38计算机控制技术东南大学自动化学上一页下一页

■主控单元

主控单元通过监控网络与工程师站和操作员站进行通

讯，运行工程师站所下装的控制程序。将数据和诊断结

果传送到监控网络。

系统服务器

工程师站一，操作员站

0JEthernet「GPC

FM系列冗余FM系列冗余

主控制器及I/O主控制器及电源

PROFIBUS-DP

DP/PALK系列

一连接器

PROFIBUS-PA

4-20mA仪表PA智能仪衣

39计算机控制技术东南大学自动化学上一页下一页

■主控单元

＞主控单元通过Profibiis・DP技术可以直接连接其他各大

厂商的PLC,如Siemens,VIPA,GE等；可以通过DP/DA

连接器方便接入Profibiis・PA智能变送器或执行器；

＞通过分布式过程I/O连接4・20mA仪表。

4・20mA仪表PA智能仪表

40计算机控制技术东南大学自动化学上一页下一页

■分布式过程I/O

□每个I/O支持模拟量8点，开关量16点，每路采用单独A/D

或D/A转换器；

□支持Profibus-DP现场总线接口，可节省电缆；

□支持软件设定，免跳线，避免更换模