过程控制系统与仪表 王再英第9章 计算机控制系统-2010

1《过程控制仪表及系统》第9章计算机控制系统29.1概述计算机控制系统（简称CCS）是应用计算机参与控制并借助一些辅助部件与被控对象相联系，以获得一定控制目的而构成的系统。计算机过程控制系统与常规过程控制系统相比，其主要特点体现在三个方而：控制器的核心器件：控制规律的实现方法；控制功能的灵活性与先进性。39.1概述常规过程控制系统的控制器为模拟调节器，其核心器件是模拟电子器件构成的模拟电路。它由相关的模拟器件实现所需的控制规律。控制器的参数借助可调阻、容器件进行调整。若需要改变控制方案，则必须更换模拟调节器的模拟电路。49.1概述计算机过程控制系统的控制器其核心是微处理器、单片计算机或微型计算机，它们不是用模拟器件实现控制规律，而是由计算机的软件实施。改变系统控制方案不必更换硬件，只是对软件进行选择、组合或补充即可。软件愈丰富系统控制功能愈灵活。59.1概述计算机控制系统的分类数据采集系统直接数字控制（DDS）系统监督计算机控制系统集散控制（DCS）系统现场总线控制（FCS）系统69.2直接数字控制（DDC）系统9.2.1DDC系统的特点及组成1．DDC系统的特点直接数字控制系统简称DDC系统，就是用一台工业计算机配以适当的输入输出设备，从输入通道获取生产过程的信息，按照预先规定的控制算法计算出控制量，并通过输出通道，直接作用于执行器，实现对整个生产过程的控制。DDC系统能满足不同生产过程的控制要求。当系统控制要求发生变化时，可通过重新编制程序来适应控制要求的改变，而不必进行大量硬件结构改动。DDC系统的另一个优点是易于实现各种比较复杂的控制规律及特殊的的控制算法，如串级、前馈、选择大滞后补偿等控制。79.2直接数字控制（DDC）系统9.2.1DDC系统的特点及组成1.DDC系统的特点直接数字控制系统简称DDC系统，就是用一台工业计算机配以适当的输入输出设备，从输入通道获取生产过程的信息，按照预先规定的控制算法计算出控制量，并通过输出通道，直接作用于执行器，实现对整个生产过程的控制。DDC系统能满足不同生产过程的控制要求。当系统控制要求发生变化时，可通过重新编制程序来适应控制要求的改变，而不必进行大量硬件结构改动。DDC系统的另一个优点是易于实现各种比较复杂的控制规律及特殊的的控制算法，如串级、前馈、选择大滞后补偿等控制。89.2直接数字控制（DDC）系统2.DDC系统的组成99.2直接数字控制（DDC）系统9.2.2DDC系统的设计原则系统操作性能好;可靠性高；通用性强，便于扩充；实时性好；设计周期短、价格便宜。109.3集散控制系统9.3.2集散控制系统的基本组成与功能化分集散控制系统虽然品种繁多，但其基本组成部分是相同的。典型的DCS如右图所示，由分散执行控制功能的现场控制站（FCS）和进行集中监视、操作的操作站（OperatorStation）以及高速通信总线组成。119.3.2集散控制系统的基本组成与功能化分集散控制系统的基本结构129.3.3现场控制站现场控制站一般分散安装在靠近生产现场的位置，实现对生产过程数据的采集与实时控制。即对过程输入、输出数据进行检测与处理，用最新信息更新数据库；根据最新的数据，按照一定的控制逻辑与算法形成相应的控制命令，对生产过程进行控制。同时将相关信息上传到操作站，并接受操作站下传的控制指令。通过通信总线实现现场控制站之间的数据交换。139.3.3现场控制站现场控制站的功能现场控制站与单回路控制仪表相比，除反馈控制功能、运算功能、报警功能、通信功能更加充实之外，最主要的特点是顺序控制大大增强。现场控制站内的顺序控制，除能按常规的开关条件切换外，还包含各种定时器、计数器算术运式、逻辑关系运算式等，能自动监视连续量的变化。149.3.4DCS操作站的功能集散控制系统的操作站主要有三大功能：以系统生成、维护为主的工程功能；以监视、运行、记录为主的操作功能；与现场控制站和上位计算机交换信息的通信功能以及运行数据文件的存储、管理功能。DCS的工程功能通过工程师站实现，操作功能由操作员站实现。工程师站与操作员站共同组成DCS操作站。159.3.4DCS操作站的功能1.工程师站的功能1）系统组态系统组态就是生成和变更操作员站和现场控制站的功能。通过填写标准工作本，由组态工具软件将工作单显示于屏幕上，用会话方式实现功能的生成和变更。组态内容包括操作站功能组态、现场控制站功能组态和用户自定义功能组态等。操作站组态包括操作站的规格指定、信号点数指定及其它一些共同的规定；然后定义操作站的标准功能，如画面编号、工位号、信息编号、标准功能键等义等站内自身的标准信息；用户需要定义功能，如某些功能键、指定画面、报表格式等。169.3.4DCS操作站的功能1.工程师站的功能2）系统测试测试功能用来检查组态后系统的工作情况，内容包括对反馈控制回路的测试和对顺序控制状态的测试。3）系统维护系统维护是对系统作定期检查或更改、生成的组态文件存储、数据恢复等。4）系统管理主要是对系统文件的管理。179.3.4DCS操作站的功能2．操作员站功能画面显示和运行操作是操作员站的基本功能。操作人员通过各种画面的显示、切换以及功能键、鼠标、触摸屏的操作，实现对生产过程正常运行的监视与操作管理。为满足运行操作的要求，集散控制系统的操作站上都备有总貌画面、分组画面、回路调整画面、报警画面、趋势分组画面五种标准画面，此外，还能根据用户的不同特点，生成各种流程图画面及工艺数据汇总画面等。下面以一个中型DCS的操作站为例，说明这些画面在监视和操作中的作用。189.3.4DCS操作站的功能9.3.4.2．操作员站功能1.系统总体画面199.3.4DCS操作站的功能9.3.4.2．操作员站功能2.控制组画面209.3.4DCS操作站的功能9.3.4.2．操作员站功能3.回路调整画面219.3.4DCS操作站的功能9.3.4.2．操作员站功能4.分组趋势画面229.3.4DCS操作站的功能9.3.4.2．操作员站功能5.报警记录画面239.3.4DCS操作站的功能9.3.4.2．操作员站功能6.流程图画面249.3.5DCS的通信网络DCS通过分布在现场的控制站实现对生产过程的控制，通过操作站进行集中监视和操作管理，达到实时了解生产的总体状况，实现对生产过程全面监控与管理的目的。只有将现场控制站和操作站通过通信网络连接起来，才能实现上述目标。DCS的现场控制站和操作站在空间上总是分布在一定区域之内，它的通信网络是一个局部网络。DCS局部网与一般办公系统的局部网络不同，要求实时响应迅速、能适应恶劣的工业现场环境、具有开放性等，对网络的可靠性要求很高。259.3.5DCS的通信网络1.DCS的网络形式1）主－从通信网络主站采用独立访问每个从属设备的方式，实现主设备和被访问从属设备之间的数据传送，从属设备之间不能直接通信。主－从网络具有整体控制网络通信的优点，缺点是整个系统内的通信全部依赖于主站。269.3.5DCS的通信网络1.DCS的网络形式2）同等－同等通信网络在同等－同等通信网络中，每个网络设备都有要求使用且控制网络的权力，能够发送或访问其它网络设备的信息。复杂又困难，优点是一个或几个设备发生故障时，并不影响整个通信网络的正常运行。279.4现场总线技术与现场总线控制系统总线的定义：总线（Bus）是计算机各种功能部件之间传送信息的公共通信干线，它是由导线组成的传输线束，按照计算机所传输的信息种类，计算机的总线可以划分为数据总线、地址总线和控制总线，分别用来传输数据、数据地址和控制信号。总线是一种内部结构，它是cpu、内存、输入、输出设备传递信息的公用通道，主机的各个部件通过总线相连接，外部设备通过相应的接口电路再与总线相连接，从而形成了计算机硬件系统。在计算机系统中，各个部件之间传送信息的公共通路叫总线，微型计算机是以总线结构来连接各个功能部件的。289.4现场总线技术与现场总线控制系统总线的分类：1.片内总线：它是位于大规模、超大规模集成芯片内部各单元电路之间的总线，作为这些单元电路之间的信息通路。2.局部总线（也称内部总线）：通常指微机主板上各部件之间的信息通路。由于是一块电路板内部的总线，故又称在板局部总线。3.系统总线（也称外部总线）：是指微机底板上的总线，用来构成微机系统的各插件板、多处理器系统各CPU模块之间的信道。有时我们把局部总线和系统总线同称为系统内总线。4.通信总线：它是微机系统与系统之间、微机系统与其它仪器仪表或设备之间的信息通路。为与系统内总线区别，通信总线又称为系统外总线。299.4现场总线技术与现场总线控制系统9.4.1.2几种主要的现场总线技术①基金会现场总线FF基金会现场总线FF系统是为适应自动化系统、特别是过程自动化系统在功能、环境与技术上的需要而专门设计的。它可以工作在工厂生产的现场环境下，能适应本征安全防爆的要求，还可通过传输数据的总线为现场设备提供工作电源。通过FF总线，可将现场设备与其它控制监视设备组成分布式自动化系统。这些设备应遵循相同的协议规范，在产品开发期间通过一致性测试，确认产品与协议规范的一致性。当不同制造商的产品连接到同一网络系统时，作为网络节点的各设备间可实现互操作，同时，还容许不同厂商生产的相同功能的设备之间进行相互替换。309.4现场总线技术与现场总线控制系统9.4.1.2几种主要的现场总线技术②过程现场总线ProfibusProfibus是一种不依赖于厂家的开放式现场总线标准，可广泛应用于制造加工、过程自动化和建筑自动化领域。采用Profibus标准的系统，不同厂商所生产的设备无须对其接口进行特别调整就可进行通信。Profibus用于对时间苛求的高速数据传输，也可用于大范围的复杂通信场合。319.4现场总线技术与现场总线控制系统9.4.1.2几种主要的现场总线技术③HART现场总线HART（HighwayAddressableRemoteTransducer寻址远程传感器变速通道）的特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号传输，属于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡性产品。因而在过渡时期具有较强的市场竞争能力，得到了较快发展。329.4现场总线技术与现场总线控制系统9.4.1.2几种主要的现场总线技术④WorldFIP现场总线WorldFIP具有单一的总线，可用于过程控制及离散控制；没有任何网桥或网关，通过软件解决低速传输和高速传输部分之间的衔接问题；并有比较完整的系列产品；已准备与互联网连接。WorldFIP一方面保持其独立的的产品地位，首先使自己成为欧洲标准，并推出产品，占领市场；同时做好准备，一旦IEC标准通过，立即与IEC靠拢。339.4现场总线技术与现场总线控制系统9.4.1.2几种主要的现场总线技术⑤控制器局域网总线CANCAN（ControllerAreaNetwork）即控制器局域网络，主要用于过程监测及控制。CAN具有很高的可靠性和卓越的性能，特别适合于工业过程监控设备的互连，日益受到工业界的重视，并成为几种主要的现场总线之一。CAN属于总线型结构，采用同步、串行、多主、双向通信数据块的通信方式，不分主从，网络上每一个节点都可以主动发送信息，可以很方便地构成多机备份。349.4现场总线技术与现场总线控制系统9.4.1.2几种主要的现场总线技术⑥LonWorks总线LonWorks总线采用了ISO／OSI模型的全部7层通信协议，采用了面向对象的设计方法。它把单个分散的测量控制设备变成网络节点，通过网络实现集散控制。通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，其通信速率从300kbps至1.5Mbps不等，直接通信距离可达2700m（双绞线）；支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线和电力线等多种通信介质，并开发了相应的安全防爆产品。LonWorks所采用的LonTalk协议被封装在称为Neuron的神经元芯片中而得以实现。359.4现场总线技术与现场总线控制系统1.现场总线控制系统369.4现场总线技术与现场总线控制系统2.引