先进过程控制系统

先进过程控制系统AdvancedProcessControlSystems自动化技术前沿讲座之四2020年2月12日星期三©CopyrightbyZhihuanSong2课程主要内容集散控制系统（DistributedControlSystem，DCS）现场总线控制系统（FieldbusControlSystem,FCS）工业以太网控制系统（IndustrialEthernetControlSystem,FCS）2020年2月12日星期三©CopyrightbyZhihuanSong3过程控制系统构成Web服务器操作站工程师站远程节点Internet一、集散控制系统DistributedControlSystem：DCS2020年2月12日星期三©CopyrightbyZhihuanSong5DCS的发展及典型产品DCS的开创期(1975年~1980年)DCS的组成现场控制站现场监测站CRT操作站(利用CRT的显示功能和键盘的操作功能对生产过程进行集中操作和监视)。高速数据总线监控计算机CRT操作站监控计算机高速数据总线现场监测站现场控制站第一代DCS基本结构…………2020年2月12日星期三©CopyrightbyZhihuanSong6DCS的成长与完善时期(1980年~1985年)以局部网络LAN为主干其它各单元都是挂在它上面的网络节点工作站主要组成部分局部网络、多功能现场控制站、增强型操作站、通用型操作站、网关、系统管理模块、主计算机DCS的发展及典型产品2020年2月12日星期三©CopyrightbyZhihuanSong7第二代DCS基本结构示意图局部网络LAN其它网络DHW网关多功能控制器网关……系统管理模块通用操作站主计算机增强型操作站……DCS的发展及典型产品2020年2月12日星期三©CopyrightbyZhihuanSong8DCS的扩展期（1985年以后）典型产品有Honeywell公司的TDC3000/PMYOKAGAWA公司的Centum-XLFoxboro公司的I/ASeriesTAILORInstruments公司的Mod300BaileyControl公司的INFI-90等浙大中控的SUPCONJX-300X北京和利时的HS2000DCS的发展及典型产品2020年2月12日星期三©CopyrightbyZhihuanSong9DCS概述DCS的诞生及开放系统专用计算机控制系统专用计算机控制系统过程装置过程装置过程装置车间设备专用机专用机专用机…2020年2月12日星期三©CopyrightbyZhihuanSong10DCS概述中央计算机集中控制系统引入中央计算机的控制系统车间设备前端机前端机前端机…过程装置中央计算机过程装置过程装置中央计算机执行器车间设备变送器中央计算机集中式控制系统2020年2月12日星期三©CopyrightbyZhihuanSong11DCS概述集散控制系统层次化体系结构的形成集散控制技术成为过程计算机控制系统的主流技术的原因从经济角度考虑性能价格比技术角度考虑系统的功能分散与风险分散分层的计算机控制系统2020年2月12日星期三©CopyrightbyZhihuanSong12DCSD层次化体系结构三层结构模式的计算机控制系统中间层计算机中央计算机车间设备中间层计算机中间层计算机微型机微型机微型机微型机微型机微型机设备单元设备单元设备单元2020年2月12日星期三©CopyrightbyZhihuanSong13DCS功能分层体系过程控制级进行过程数据采集、直接数字控制、设备监测和系统测试与诊断、实施安全性、冗余化方面的措施过程管理级优化过程控制、先进控制、协调各装置、对实时数据进行分析、存档、状态报告等2020年2月12日星期三©CopyrightbyZhihuanSong14DCS概述DCS的突出优点硬件和软件都具有灵活的组态和配置能力硬件的组态确定硬件的模块化配置操作站的选择现场控制站的配置电源的选择等DCS的实际硬件差别很大2020年2月12日星期三©CopyrightbyZhihuanSong15DCS的现场控制站(单元)现场控制站的机柜电源（直流、交流）控制计算机——是现场控制站的核心CPU存储器总线输入/输出通道等2020年2月12日星期三©CopyrightbyZhihuanSong16DCS的操作站操作站分为操作员站和工程师站操作台处理机系统外部存储设备图形显示设备操作站键盘打印输出设备2020年2月12日星期三©CopyrightbyZhihuanSong17DCS的冗余技术DCS的冗余电源、输入/输出模块、控制回路、过程数据高速公路多重化自动备用、同步运转、待机运转、后退运转等三种方式简易的手动备用2020年2月12日星期三©CopyrightbyZhihuanSong18DCS的软件体系工程师站系统设计软件--组态软件控制站实时监控软件操作站实时监控软件DCS的软件体系2020年2月12日星期三©CopyrightbyZhihuanSong19DCS的组态软件（1）基本配置组态给系统一个配置信息：如各种站的个数、其索引标志、各现场工作站的最大点数、最短执行周期应用软件组态数据库的生成、历史库的生成、图形的生成、报表生成和控制组态等Monitoringviewofraworesprocessing2020年2月12日星期三©CopyrightbyZhihuanSong20画面组态数据组态报表生成回路组态操作级别DCS的操作软件监督员级工程师级DCS的组态软件（2）2020年2月12日星期三©CopyrightbyZhihuanSong21DCS的操作软件（1）操作站要实现的功能实时数据管理历史数据存储和管理控制回路调节和显示生产工艺流程画面显示系统状态、趋势显示生产记录的打印和管理等2020年2月12日星期三©CopyrightbyZhihuanSong22实时多任务操作系统的功能软硬件逻辑接口（LogicInterface）以及任务调度、任务间通信、资源管理等实时多任务操作系统的实时特征异步事件响应、任务切换能力、中断响应能力、优先级中断和调度、强占式调度能力、同步能力DCS的操作软件（2）2020年2月12日星期三©CopyrightbyZhihuanSong23实时数据库是全局数据库数据库系统在不同层次上的结构现场控制站上存储该站所用的各种点记录的全记录信息操作站的实时数据库实时数据管理程序DCS的操作软件（3）2020年2月12日星期三©CopyrightbyZhihuanSong24历史数据库短时间间隔历史数据（存储间隔一般为秒级）长时间间隔历史数据（存储间隔一般为分级）DCS的操作软件（4）2020年2月12日星期三©CopyrightbyZhihuanSong25DCS的操作软件（5）网络通信是DCS的关键技术之一DCS对网络通信的要求高可靠性硬件上高度可靠，软件上有较好的容错能力实时性灵活性能够支持多种数据信息格式2020年2月12日星期三©CopyrightbyZhihuanSong26通用的现场控制站功能数据采集、控制输出、自动控制和网络通信现场控制站的软件系统执行代码：周期执行和随机执行一般固化在EPROM中数据部分保留在RAM中DCS的控制软件（1）2020年2月12日星期三©CopyrightbyZhihuanSong27现场控制站软件DCS的控制软件（2）现场控制站软件执行顺序在线诊断SOE记录检查控制算法运算数据转换和报警检查通道数据巡检现场控制站软件结构网络通信模块控制输出模块实时数据库控制算法库数据采集模块2020年2月12日星期三©CopyrightbyZhihuanSong28实时数据库的基本数据类型模拟量输入输出（AN）结构开关量输入输出（DG）结构模拟计算量（AC）结构开关量点组合（GP）结构DCS的控制软件（3）2020年2月12日星期三©CopyrightbyZhihuanSong29现场控制站能够实现的控制功能反馈控制批量控制和顺序控制DCS的控制软件（4）2020年2月12日星期三©CopyrightbyZhihuanSong30DCS的局限（1）DCS的出现是控制系统发展的里程碑DCS的应用效益较高的可靠性提高了控制精度，可实现“卡边”控制操作方便2020年2月12日星期三©CopyrightbyZhihuanSong31DCS的局限（2）测量变送和执行机构仍是基于模拟仪表不同厂商的产品互不兼容，互操作性差传统DCS的编程计算工具仍显简单与上位机的接口硬件和规约各不相同2020年2月12日星期三©CopyrightbyZhihuanSong32PLC的发展对DCS的影响可编程逻辑控制器PLC简介PLC最初功能取代继电器控制系统PLC的编程PLC的改进与发展采用数据高速通道DH增加模拟量信号的处理功能网络化，实现系统集成2020年2月12日星期三©CopyrightbyZhihuanSong33DCS体系结构发展趋势FCS与DCSFCS可能会取代DCS，但相当长时间内将共存DCS的开放性与FCS初步兼容、异质兼容和同质兼容选择合适的操作系统充分利用Internet/Intranet技术和最新的计算机技术二、现场总线控制系统FieldBusControlSystem现场总线应用在生产现场、在测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的开放型控制网络技术。现场总线是工业数据通信与控制网络技术的代名词，是测控领域的通信与网络技术工业数据通信系统：在生产设备之间传递数字信息工业数据通信是形成控制网络的基础和支撑条件，是控制网络技术的重要组成部分自控领域的局域网企业的底层网络；网络集成式测量控制系统；什么是现场总线2020年2月12日星期三©CopyrightbyZhihuanSong36早期把现场总线又称为工业电话线，通过连线在测控设备之间传递数据信息，把传感器、按钮、执行机构等连接到控制器、或PLC或工业计算机上。通过相互通信共同执行测量控制任务。总线上的数据输入设备包括按钮、传感器、接触器、变送器、阀门等，传输其位置状态、参数值等数据总线上的输出数据用于驱动信号灯、接触器、开关、阀门等工业数据通信用以满足信息社会对基础设备与过程数据信息的需求数字地球、数字北京、数字…传递工农业生产过程、大气环境监测、各类交通、楼宇等系统中设备的数字化信息2020年2月12日星期三©CopyrightbyZhihuanSong37总线将分散的有通信能力的测量控制设备作为网络节点，连接成能相互沟通信息，共同完成自控任务的控制网络2020年2月12日星期三©CopyrightbyZhihuanSong38现场总线是自动化领域的通信、网络技术,也被称之为工厂的底层网络（Infranet）总线是构成自动化系统的纽带，网络所传输的是控制信息。它是有别于计算机网络，电视、电话网络的另一类网络特点：适应工业应用环境，要求实时性强，可靠性高，安全性好。多为短帧传送，通信的传输速率相对较低。2020年2月12日星期三©CopyrightbyZhihuanSong39现场总线技术的发展现场总线技术始发于二十世纪八十年代，但对该项技术的开发之热是近年之举早期的现场总线技术与PLC同时出现的、Culter-Hammer推出的DirectrolGeneralElectric的GeniusI/OPhoenix的Interbus-S，TURCK的Sensoplex丹麦ProcessData公司83年推出的P-Net；德国Siemens公司84年推出的Profibus(ProcessFieldbus的