DCS控制系统ppt课件

1、集散控制系统原理及装置,第3章 第1部分,1,第3章 集散控制系统与现场总线系统,2,3.1 集散控制系统的发展及其组成,发展过程 分散控制方式：仪表间相距过远、仪表盘尺寸过大、无法全面了解信息及操作； 集中控制方式：危险过于集中，计算机出现故障时整个生产装置瘫痪； 集散控制方式：控制功能分散、操作管理集中-DCS。 集散控制中危险分散的方法：将控制功能分散到多台计算机上，采取双重化冗余措施。,3,集散控制系统的组成,4,现场控制站危险分散的设计原则,（以日本横河CENTUM集散控制系统为例） 1、站内一个微处理器控制840个回路； 2、自带程序存储器和数据库，能脱离操作站（上位机）独立控制生

2、产过程； 3、可以多个现场操作站组合控制一个大型生产过程，某站故障时只影响所控制的回路。 集散控制可能涉及的问题 CPU控制回路的数量与实际要求的关系-生产装置中联系紧密的控制回路数目约为840个，状态量约为100500个，集中在一个站内可省去通信过程，实时性好。,5,横河公司：CENTUM A型集散控制系统,配有YEWCOM 7000小型机作为上位机，包括现场控制站CFCD2、操作站COPSVCOPCV、数据通讯母线HF-BUS等构成。 上位机可以连接数个终端和其它外设。现场控制站CFCD2用作直接控制，操作站COPSVCOPCV完成操作和现场监视，现场控制站和操作站通过HF-BUS相连接。

3、,6,1、控制站内关键部件都采用双重化冗余； 2、冗余备用设备始终处于热备用待机方式； 3、设备自诊断监视，发现故障无间断平滑切换。,双重化（热备用）详细原理 P120 RF-FIG3-2、3-3 核心问题：主要部件采用双配置。 双配置部件包括：（1）运算控制部件、（2）供电电源、（3）总线及通信耦合器等。 双重化切换原理：两个运算控制插件并联相接，某一运算控制插件有故障时相互切换，同时保证切换时无扰动。,站内集中控制危险的防范措施,双重化措施示意图,7,运算控制插件说明：,（1）插件可包含多路输入输出，例：MAC2有8路15V输入，8路420mA输出。 （2）必要时需加接隔离电路，例：光隔输

4、入、磁隔输出。 （3）插件实际运算工作在计算机（控制部分RF-FIG-3-2）内完成，插件与计算机之间采用站内通信总线交换数据。,8,双重化（热备用）详细原理,多路模拟量输入输出卡结构示意框图,运算控制工作流程（以其中某一通道为例说明）,9,双重化（冗余）输出控制电路原理,双重化控制执行电路原理简图,10,双重化（冗余）输入控制电路原理,a.电流双重化输入 b.电压双重化输入,11,3.2 DCS现场控制站的功能,现场控制站的功能框图,12,DCS现场控制站概述说明,概述：控制站支持多回路控制，在加强单回路控制器的基础上增加了顺序控制功能。 特点：反馈控制与顺序控制由同一CPU操纵，容易完成生

5、产现场的工艺组合，能够实现生产全过程的自动化。 说明：补充资料具有相同功能的技术手段-PLC现场控制站原理示意图（配电炉控制彩图）,13,DCS现场控制站的2大功能,反馈控制功能 反馈控制功能的实现-由内部仪表完成，用功能自程序模块实现单回路控制仪表的功能。 名词解释：内部仪表能够完成不同标准功能的程序模块 顺序控制功能 用于断续处理，根据控制要求，对时间、状态等条件进行逻辑判断，分步骤完成一系列操作控制。 注：复杂控制中可能在连续控制中含有断续控制，断续控制的某一操作需要加入连续控制。,14,反馈控制功能实例,数字调节器单元内涵,15,缓冲罐的选择控制框图,反馈控制功能应用实例,16,冷却塔

6、的顺序控制,顺序控制功能应用实例,17,3.3 DCS监控操作站的功能（三大功能）,工程功能-完成系统生成、系统维护、系统测试和系统管理； 操作功能-监视、记录、运行； 通信功能-完成现场控制站于上位机之间的数据交换。,18,DCS监控操作站的主要功能,主要介绍操作功能-运行中的操作画面,（1）总貌画面反映生产过程总体状况 P 132 （2）分组画面-对应显示各内部仪表状态，在操作中观察其它回路的关联变化。 P 133 （3）回路调整画面-细致观测单元仪表的情况，可用于单回路的PID整定。 P 134 （4）报警画面-按时间顺序排列显示报警（总貌种只显示报警性质和场所），有声光配合。 P 13

7、6 （5）趋势分组画面-显示过程变化曲线，可出现在总貌画面和趋势画面。 P 135 （6）流程子画面绘有过程图形的仪表面板。显示在屏幕上，可模拟原有仪表。 P 137,19,利用VB开发的一种总貌显示操作界面,20,现场总线技术应用基础,第3章 第2部分,21,现场总线技术的应用,采用现场总线的必要性：4-20mA模拟信号传输无法满足开放数字化通信的要求。 现场总线的基本描述：连接智能测量与控制设备的全数字式、双向传输、多节点、多分支结构的通信链路。 总结：现场总线是以智能化仪表为基础实现网络化数据传送。 计算机网络通信的基础 计算机网络系统的特征：是一种开放网络系统，通过网络实现数据交换和资

8、源共享。 对开放网络的要求（开放系统互连参考模型OSI）：开放系统中各种设备与网络连接必须制定统一的规则。ISO采纳了OSI通用参考模型作为一个国际标准。,22,OSI Open Systems Interconnection,23,信息数据包装及传输过程,24,OSI的核心：,将两个终端用户的通讯过程分为7层，每层有自己的功能集。 1物理层（physical layer）：规定通信介质，完成节点之间原始比特流的传输。 2数据链路层（ data link layer）：发送将用户数据封装成帧，按顺序传送各帧。 3网络层（network layer）：选择网络节点间信息传送的路径。 4. 传输层

9、（ transport layer）：建立、维护和取消传输连接，负责可靠地传输数据。 5. 会话层 (Session Layer) ：调度两个节点间通信任务的启动和停止。 6. 表示层（ presentation layer）：信息格式的转换。 7. 应用层（ application layer）：召唤底层协议为其服务。,25,HART总线模型及与标准OSI对照(模拟/数字兼容的过渡形式）,HART协议信息结构形式,HART协议信息结构属于HDL。数据长度不恒定，最多可包括25个字节。,26,HART总线各层功能介绍,概述：对应ISO/OSI模型的1，2，7层。 物理层：标准BELL202 F

10、SK信号加载于420mA信号上,其中1200HZ代表逻辑1，2200HZ代表逻辑0。 数据链路层：规定完整的通信数据结构。 应用层：规定HART命令,命令分为3类。 第一类：通用命令,读型号、厂名、过程变量及单位等； 第二类：普通命令,写时间常数、量程标定等； 第三类：专用命令,针对个体设备的特殊性。,27,基金会现场总线技术（FF)6点,基金会现场总线的主要技术-技术特色及主要内容： （1）基金会总线的通信技术-包括通信模型、通信协议、通信控制芯片、通信网络及系统管理内容，涉及与网络相关的硬、软件、各种网关、网桥、中继器等。； （2）标准化功能模块与功能应用进程 a.提供一个通用结构，将控制

11、系统中各种功能划分为功能模块，使其公共特征标准化； b.规定各自的输入、输出、算法、时间、参数及块控制图并将其组成设备中的应用进程； c.便于实现不同制造商产品的混合组态与调用。 （3）设备描述及描述语言 a.设备描述为控制系统理解现场设备的数据提供必要信息； b.描述语言是设备描述的标准语言，采用设备描述编译器可以设备描述源程序转化为可输出文件。 （4）现场总线通信控制器与智能仪器的接口技术-使现场总线与计算机平台结合，在网络上的各层次设备能够共享网络数据。 （5）系统集成技术-通信系统与控制系统的集成，包括：网络通信系统组态、网络拓扑、配线、网络系统管理、控制系统组态、人机接口、系统管理维

12、护等。 （6）系统测试技术-包括通信系统一致性与可操作性测试、监听分析、系统功能和性能测试。,28,FF通信模型简化的ISO/OSI三层结构,用户数据的长度（位） FMS-PDU 4255 FAS-PDU 5256 DLL-PDU 8273 PH-PDU 11280,FF通信模型,RF-P-143-FIG-3-23,29,FF 通信模型各层次的功能与结构,物理层： 主要功能： a.实现现场设备与物理总线的连接； b.为现场设备与传输媒体的连接提供机械电气接口； c.为现场设备对总线的收发提供合乎规范的物理信号； d.应考虑电气隔离、信号滤波、设备供电等； e.一般使用双绞线，表明+、- 表示接

13、口处的极性。 （1）信号编码； （2）传输参数； （3）传输介质； （4）拓扑结构； （6）网络信号波形,30,信号编码,采用曼彻斯特双相-L编码技术，数据流中包含时钟信息。,31,曼彻斯特双相-L编码技术,信号编码： 采用曼彻斯特双相-L编码技术，数据流中包含时钟信息。 a.协议报文编码-即数据报文，由上层的协议数据单元生层，被加载到直流电压或电流上形成物理信号，每帧协议报文的长度为8273个字节。 b.前导码-用于接收器内部时钟与现场总线信号同步，为特别规定的8位数字信号。 c.帧前定界码-表明信息的起点，其长度为8个时钟周期，含特殊的N+、N-码和正负跳变脉冲按规定序列组成。 d.帧结束

14、码-表示信息的终点，长度为8个时钟周期，含特殊的N+、N-码和正负跳变脉冲按规定序列组成。,32,现场总线设备网络接线图,拓扑结构- 现场总线设备网络接线图,传输参数： a.信号电压：速率：31.25kbps、回路电路10mA、等效负载：50产生1V峰-峰值电压。 b.供电电压：DC-932V。使用于本安场合时电压由安全栅额定值决定。 传输介质： 支持双绞线、同轴电缆、光缆、无线介质等。RF-TAB-7-1,33,31.25kbps现场总线网络结构,网络结构-实际电路,34,网络信号波形,网络信号波形,(1)信号与电源叠加。（2）以7.5 10mA等效终端上获得0. 75 1.V电压信号。,3

15、5,数据链路层： 位置：处于物理层于总线访问子层之间； 作用：为总线上个链路传输活动生成协议控制信息、对传送的数据实行帧校验； 功能：链路活动调度、数据接收与发送、活动状态探测与响应、总线设备与链路时间同步； 描述：每个总线段-有一个媒体访问控制中心-称为链路活动调度器（LAS）， LAS-按照链路活动调度表控制与设备间的数据传输。,36,链路活动调度器 作用：拥有总线所有设备的清单，掌管总线段上各设备对总线的操作； 权利：总线段上的设备只有得到LAS的许可才能传输数据。,37,FF总线通信活动的归类：（分2类）,两类通信活动均由LAS控制。 RF-P147148-FIG-3-283-24 a

16、受调度通信-按预定时间表周期性发起的通信活动； 过程：LAS按预定调度时间表周期性依次发起通信活动，用于在设备之间周期性地传送控制数据；例：现场变送器与执行器之间传送测量或控制信号。 方法：调度表对应设备时刻到，LAS发CD，设备受到CD向总线广播或发布缓冲器中的数据。 b非调度通信-通过得到令牌的机会发送信息的通信活动。-LAS具有以下5种功能： * 向设备发送强制数据CD（Compel data），指示受调度设备传送信息； * 向设备发送传递令牌PT (Pass token)，为设备提供发送非周期数据的机会； * 为新入网的设备探测未被采用过的地址，用于加入活动表； * 定期向总线段发布数

17、据链路时间和调度时间； * 监视设备对传递令牌的响应，不随令牌顺序进入和不返还令牌的设备删除。,38,链路活动调度器的调度方法,39,LAS的算法说明,b连路活动的调度算法-按调度表执行或发2种令牌； c活动表的维护-活动表：含响应PT的设备，定期发PN添入或将不用者删除； d数据链路的时间同步-周期性向总线广播时间发布（TD）； e令牌的传递-向活动表中设备发PT，收到PT者允许传输非调度报文； a链路活动权的竞争过程与LAS转交-竞争后某主设备成为LAS，原则：最低节点地址； fLAS冗余-LAS失效时，其它链路主设备可成为LAS。,40,总线应用层,功能：为用户程序访问现场总线通信环境提

18、供必要手段或与相关应用程序之间的“窗口”。 分层：现场总线报文规范子层（FMS用户命令的编解码）；现场总线访问子层（FAS管理数据传输） 现场总线访问子层（FAS） 作用：为FMS提供逻辑通信通道（称为：应用关系），是VCR管理的最重要的部分。 现场总线报文规范（FMS）子层 作用：是用户应用的接口，提供一组服务和标准的报文格式，用户应用采用这种格式在总线上传送信息。,41,附加层-用户应用层,另设用户应用层的原因： a.应用层的定义比较笼统，即：为开放不同的应用提供服务； b.现场总线的特殊性，即：为自动化现场仪表实现互联而设立的总线； c.借鉴集散控制的经验，将过控领域的应用层模型化-功能块。,42,FF现场仪表的功能块,功能块的基本概念：RF-P156159 FIG3-3236 a.由功能块的参数实现某一功能； b.功能块的参数可在总线上访问； c.单一功能块可驻留在某一总线设备内； d.特定的成组功能块可驻留在一个或多个总线设备内； e.VFD中的功能块可以分为3类-