计算机分散控制系统

计算机分散控制系统

第三讲、集散控制系统

过程控制系统的发展历史

30年代

机械式仪表

现场操作

40年代

大型气动式仪表

控制室操作

*

50年代

气动单元组合仪表

控制室操作

60年代

电动单元组合仪表

控制室操作

70年代

分散控制系统

控制室操作

图L1过程控制系统的发展历史

一、DCS的基本概念

★它是4C技术的产物（计算机技术、通信技术、控制

技术，图形显示技术）

★它是通过某种通信网络将现场控制站、操作员站、工

程师站联系起来，共同完成分级控制、集中管理的综合

控制系统。它的基本设计思想是危险分散、控制功能分

散、而操作和管理集中。

英文缩写DISTRIBUTEDCONTROLSYSTEM

二、分散控制系统的产生

★在复杂化过程控制需求推动下；

★在总结和吸取常规模拟仪表控制优点基础上;

★在总结和吸取计算机控制优点的基础上;

★综合应用现代科技成果的基础上。

三、集散控制系统的发展历程

经历了三个发展阶段：

♦第一阶段：1975-1980（初始阶段）.TDC2000系统，横河的

ECNTUM系统，Bailey公司N-90系统等

★这一时期的产品在技术上尚存在一定的局限性；

★系统尚采用8位或16位微处理器；

★通讯所采用的是初级工业控制局部网络；

★有的系统还不具备顺序控制等功能。

♦第二阶段：1980-1985（成熟阶段）.随着信息和网

络技术的发展，控制功能增强，系统软硬件水平

提高，如CPU由16位向32位发展，价格下降

★是DCS的成长阶段。其特点是：

▲产品设计走向标准化、模块化

▲工作单元结构化

▲控制功能更加完善，用户界面更加友好

▲数据通讯的能力大大加强并向着标准化方向发展

▲管理功能得到分散

▲可靠性进一步提高

系统的适应性及其扩充的灵活性增强。

♦第三阶段：(80年代中、后期)(1985)年以后扩展阶段.把过

程控制/监督控制/管理调度结合到一块，使的系统功能

综合化，网格水平开放化.TDC3000JNFI-90等

★是DCS的完善阶段。目前分散控制系统仍在不断融合

多种先进技术，使其规模、功能、可靠性、柔软性、适

应性、灵活性、实时性、扩展性、经济性等不断完善和

提高。

★至今，世界上几十家公司已推出近百个分散控制系统

品种，且有几代产品。

四、分散控制系统的应用

★DCS以良好的技术效果和经济效果，显示出强大的竞

争力，被公认为当今最先进的过程控制系统。目前，国内

新建的大型火电机组都积极地采用分散控制系统。

★DCS一经问世，在电力工业、钢铁冶炼等领域中得到了

广泛地应用。不同程度上提高了单元火电机组、炉温等的

数据采集与处理、生产过程控制、逻辑控制、监视报警、

联锁保护、操作、管理的能力和水平，加速了我国生产自

动化的发展

五、集散控制系统的基本组成

它由过程控制单元、数据采集器、CRT操作

站、监控计算机以及高速数据通路等五部分组成。

CRT操作站监控计算机

高速数据通路

数据采集器过程控制单元

至其它局域网

管理计算机网间连接器-------------»

域

网

局

r*工程师站

CRT显示上位网间寺本系统网新

操作站计算机连接器

基本控制单元基本控制单元数据

(PLC)(智能调节器)采集站

□现场控制站□

生过程

布Ute揄就施稣涌通本纨成枢图

三级结构说明

1现场圾

★现场级设备一般位于被控生产过程的附近

★典型的现场级设备是各类传感器、变送器和

执行器，它们将生产过程中的各种物理量转换

为电信号。

★例如4-20mA的电信号（一般变送器）送往控

制站或数据采集站，或者将控制站输出的控制

量（4—20mA的电信号）转换成机械位移，带动

调节机构，实现对生产过程的控制

2控制级

★控制级主要由过程控制站和数据采集站构成

★一般在电厂中，把过程控制站和数据采集站集中安装

在位于主控室后的电子设备室中。

★过程控制站接收由现场设备，如传感器、变送器来的

信号，按照一定的控制策略计算出所需的控制量，并送

回到现场的执行器中去

★过程控制站可以同时完成连续控制、顺序控制或逻辑控

制功能，也可能仅完成其中的一种控制功能

★数据采集站与过程控制站类似。

3监控级

★监控级监控级的主要设备有运行员操作站、工程师工作站和计算站。

★运行员操作站是运行员与控制系统交换信息的人机接口设备。

★工程师工作站是为了控制工程师对分散控制系统进行配置、组态、调

试、维护所设计的工作站

★工程师工作站一般由Pc机配置一定数量的外部设备所组成，例如打

印机、绘图机等。

★计算站的主要任务是实现对牛产过程的监督控制，例如机组运行优化

和件能计算一般，if算站由超级微型机或小型机构成。

4管理级

★一般来说，它可能是一个发电厂长级管理汁算机，也可能

是经理、总工程帅、值班长等政管理或运行管理人员

★厂级管理系统的主要任务是监测企业各部分的运行情况。

★对管理计算机的要求:

能够对控制系统做出高速反应的实时操作系统。

能够长期保存生产数据的人机接口

丰富的数据库管理软件，过程数据收集软件，人机接口软

件以及生产管理系统等工具软件。

第四讲

DCS的网络通信技术

★1计算机网络

定义：计算机网络是将地理位置不同，而且具有

独立功能的多个计算机系统，通过通信设备和线

路连接起来，由功能完善的网络软件（网络协议、

信息交换方式、控制程序和网络操作系统）实现网

络资源（硬件、软件、信息）共享的系统。

分类：远程网、广域网、局域网及互联I

★2网络结构及特点

计算机网络结构，如书上11页图2・2所示

主机

接口，又称节点

通信链路

通信子网

资源子网。

通信子网类型：

★点对点子网

★广播子网。

点对点子网的特点是：每一条通信链路只连接一对节点。

如果不是在同一条链路上的两个节点之间要通信，必须经

过一些中间节点进行间接通信

点对点子网的拓扑结构主要有全连接、星形连接、环形连

接、树形连接以及不规则连接等形式，如书上11页图

2—3所示

广播子网的特点：

★所有节点共享单一的通信媒体，任何一个节点发出的信

息都能直接被所有节点接收到，而不需经过中间节点的

转接，因此，又称多点共享。

广播子网传播方式：

★有无线

★无线

其中总线网和环形总线网是有线广播子网的常

见拓扑结构，如图2・4所示，其中图2.4a为总

线网，图2・4b为环形总线网。

a）总线网b）环形总线网

图2・4广播子网拓扑结构

★3通信介质

通信介质又称传输介质或信道，是指连接网上各节点之间

的物理信号通路。常见的通信介质有三种：

♦双绞线

♦同轴电缆

♦光缆

XXXXXX

a）双绞线b）同轴电缆C）光缆

图2—5通信介质

对通讯介质作进一步说明:

通讯介质是连接系统各个站点的物理信号通

道。

在DCS中,数据通讯普遍采用的通讯介质有

以下三种：

（一）双绞线

适应于低速传输场合,

最大带宽约100kHz—1MHz,

传输速率一般小于2Mbps。

模拟信号传输时每5—6km要有一个放大器,

数字信号传输时每2—3km需要一个转发器o

（二）同轴电缆

外绝

缘层

I即夕靡

同轴电缆大致可分两类:

1、基带同轴电缆（如500同轴电缆）

2、宽带同轴电缆（如75Q同轴电缆）

（三）光缆

2鲁合成1

心层钎I维层层

光缆中的信息是以光的形式传输的，它对电

磁干扰几乎毫无反应。

主要缺点是分支、连接比较困难和复杂，需采

用专用的光缆连接器。

三种通讯介质的特点:

项目、\双绞线同轴电缆光缆

传输介质价格较低较高较高

连接件价格低较低高

标准化程度高较高低

连接简单需专用连接器需复杂连接器和工艺

敷设简单稍复杂简单

抗干扰能力较好很好特别好

环境的适应性较好较好特别好

适用的网络环形网总线型或环形网目前多用于环形网

★4数据通信

通信的目的就是传输信息（如语言、文字、数码、符号、图像等）。传

输信息的实体就是数据

♦数字数据

♦模拟数据

★信息的传送有以下4种组合形式：

♦1.模拟数据的模拟信号传送

♦2.模拟数据的数字信号传送

♦3.数字数据的模拟信号传送

♦4.数字数据的数字信号传送

通信的类型

存在两大类通信方式：非电通信和电通信。其中电

通信在工业过程中的应用极为普通，它可分为三种类型:

1.模拟通信：是以模拟信号传输信息的通信方式。

例如：在常规控制系统中采用的0~10mA

或4~20mA或0~5V的模拟电信号。

2.数字通信：是将模似电信号转换为数字信号后，再进

行传输的通信方式。

例如：A/D转换器与CPU之间的信息传输。

3.数据通信：是一种通过计算机或其它数字装置与通信

线路相结合，实现对数据信息（具有一

定编码、格式和位长要求的数字信息）

的传输、转换、存储和处理的通信技术。

数据通信与数字通信的不同之处是：

数字通信的信息源发出的是模拟信号;

数据通信的信息源发出的是数字信息。

数据通信是本章讨论的主题

数据通信方式

根据不同的分类方法加以说明。

(-)按数据位的传送方式分，有:

1.并行通信方式：将一个二进制数据的所有位同时传送

I---------1的方式，如图所示。

IIIIIIII特点：传送速度快，线路成本高。

只适用于近距离的数据通信。

2.串行通信方式：将一个二进制数据逐位顺序传送的方式,

如图所示。

10010100特点：线路投资省，传输速度比并行通信的

-----------速度慢。

适用于长距离传送。

3.过程I/O连接的通信方式：利用计算机的输入/输出接

口的功能传送数据的，如图所示。

4.高速数据通道连接的通信方式：采用二进制串行高速

传送的方式，如图所示。

计算机计算机

高速通道接口一|高速通道接E

高速数据通道

★实现数字数据的数字信号编码方法有多种，常

用的3种编码方式：如书上图2—7所示

♦不归零制编码(NRZ)

曼彻斯特(Manchester)编码：重点掌握

♦差分曼彻斯特编码

★5数据传输中的差错控制

数据传输系统的基本任务就是高效、无差错地传送数据,

但任何传输信道（或传输过程）都会存在一定程度的噪声或

干扰，导致接收端收到的二进制数据序列R与发送端发送

出来的二进制数据序列C不一致，即产生“差错”。

例如：

C=0100I101011・・.

R=01100I10001...

c与R比较，可知第3、5、7、8、10位的二进制

数据发生了错误。

常用的抗干扰编码有奇偶校验码,循环

冗余码。

1.奇偶校验码

♦垂直奇偶校验

♦水平奇偶校验

♦水平垂直奇偶校验

2.循环冗余码

循环冗余校验的编码和检错方法:

♦是通过位移寄存器

♦触发器等硬件予以实现

现已制成各种适应不同生成多项式的专用集成

电路芯片供选用,使得编码和检错电路的实现更

为简单方便。

6数据通信的技术指标

1.数据传输速率——单位时间内传送的信息量。

2.信道容量——信道所具有的最大传输能力

3.误码率二进制码元在传输系统中被传错

的概率。

第五讲

，DCS的通信网络

1、DCS通信网络的特点:

与一般的商用局域网络（邮电通信网络、办公

自动化网络等）不同，用于DCS工业控制局域网

具有自己突出的特点，主要体现在以下几个方面：

厂1.具有快速实时响应能力

2.具有恶劣环境的适应性

Y

3.具有极高的可靠性

Q4.具有合理的分层网络结构

2、DCS通信网络形式:

A主一从通信方式

»同等一一同等网络形式:

二、DCS的通信协议

定义:

DCS中常用的通信协议有:

（一）、网络协议

在计算机通信网络中，对所有的站点来说,

它们都要共享网络中的资源。但由于挂接在网上

的计算机或设备是各种各样的，可能出自于不同

的生产厂家，型号也不尽相同，它们在硬件及其

软件上的差异，给相互间的通信带来一定的困难。

因此，需要有一套所有“成员”共同遵守的“约

定”，以便实现彼此的通信和资源共享。这种约

定称为“网络协议”。

为了便于实现网络的标准化，国际上一些标准化组织已

在工业控制局域网络协议的标准化方面做了大量地工作。

本节扼要介绍目前较有影响的协议结构框架和有关协议标准。

1、协议层次参考模型

国际标准化组织(ISO)于1977年成立了一个

研究通信任务体系结构的分委员会，针对网络通信

在功能上的层次，提出了开放系统互连(Open

SystemInterconnection简称OSI)参考模型，从而

定义了任何计算机互连时通信任务的结构框架。

站s1站S2

应用层应用层