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集散控制系统原理及装置第3章第1部分3.1集散控制系统（DCS）发展及其组成了解DCS的基本概念及组成3.2DCS现场控制站的功能现场操作站的组成及主要模块原理3.3DCS操作站的功能功能简述及操作界面3.4DCS控制系统的通信及现场总线CENTUM系统的HF及其它现场总线3.5现场总线系统的管理组态管理软件的应用及FCS知识更新第3章集散控制系统与现场总线系统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。集散控制系统的组成现场控制站现场控制站现场控制站通信总线监控操作站(上上上上网关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8~40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8~40个，状态量约为100~500个，集中在一个站内可省去通信过程，实时性好。横河公司：CENTUMA型集散控制系统配有YEWCOM7000小型机作为上位机，包括现场控制站CFCD2、操作站COPSV／COPCV、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COPSV／COPCV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。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P120RF-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SC运算控制器1运算控制器2SC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1~5V输入，8路4~20mA输出。（2）必要时需加接隔离电路，例：光隔输入、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。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变送器光电隔离RC滤波No1RC滤波No2多路开关No1多路开关No2A/DNo1A/DNo2数据库No1数据库No2站内总线接口No1站内总线接口No2双重化控制输出电路No1输出电路No2电磁隔离执行器经总线与计算机相连运算控制工作流程（以其中某一通道为例说明）双重化（冗余）输出控制电路原理开关控制信号检测读回数据输出+-4~20mA输出V+V+开关控制信号1#开关控制信号2#双重化控制1#双重化控制2#工作状态指示1#工作状态指示2#双重化控制执行电路原理简图双重化（冗余）输入控制电路原理VT1VT2VD1VD2+24V1+24V2K2K1V2'V1'V2V1R1R2I1#板2#板基准1+5V基准2+5VRtVD1VD2K1K2R1R1-7.5V-7.5VA1A210K10K10K10K++--ViIa.电流双重化输入b.电压双重化输入3.2DCS现场控制站的功能输入输出接口卡反馈控制单元顺序控制单元报警输出单元运算功能单元CPU通信接口单元集中监视操作站HART总线显示操作面板现场控制站的功能框图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）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。反馈控制功能实例上上上上上上上上上上上上上上上上上上上上上上上上上上上上上上上上上上上上上上上上上上上上上上PID上上上上上上上上上上上上上上上上上上上上上上上上1上上上上上上上上上上上上上上上上上上上上2上上上上上上上3上上上上上上4上上上上上上上5上上上上上上上数字调节器单元内涵缓冲罐的选择控制框图M-2-1-04-0M-2-1-04-0PIC1017DC-D5INOUTPIC1027DC-D5INOUT7SL1037SS-ALIN1IN2OUTMAC2MAC2MAC2M-2-1-04-0上上上上PID上上上上3上1上上上上8上8上上上上上上上P124RF-TAB3-2CFCD2上上上上上上上上反馈控制功能应用实例冷却塔的顺序控制PB01(启动按钮）LA01LA02TA01V001V002V003上限时开关ON下限时开关ON温度下限接点ON去下一道工序START启动按钮(PB01ON）冷却罐空？排出阀(V003）关闭注入阀(V001）打开冷却罐满？注入阀(V001）关闭冷却阀(V002）打开完成冷却？冷却阀(V002）关闭排出阀(V003）打开罐已空？排出阀(V003）关闭ENDNOYESYESYESYESNONONOLA02=ON？LA01=ON？TA01=ON？LA02=ON？STEP1STEP2STEP3STEP4STEP5顺序控制功能应用实例3.3DCS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。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P132（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。P133（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。P134（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。P136（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。P135（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。P137利用VB开发的一种总貌显示操作界面现场总线技术应用基础第3章第2部分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。OSIOpenSystemsInterconnection应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层物理介质信息数据包装及传输过程应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层网络层数据链路层物理层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（physicallayer）：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（datalinklayer）：发送将用户数据封装成帧，按顺序传送各帧。3．网络层（networklayer）：选择网络节点间信息传送的路径。4.传输层（transportlayer）：建立、维护和取消传输连接，负责可靠地传输数据。5.会话层(SessionLayer)：调度两个节点间通信任务的启动和停止。6.表示层（presentationlayer）：信息格式的转换。7.应用层（applicationlayer）：召唤底层协议为其服务。HART总线模型及与标准OSI对照(模拟/数字兼容的过渡形式）协议规范层Bell202协议HART命令层应用层数据链路层物理层未使用721分层OSI层次HART层次+0.5mA-0.5mA模拟信号‘1’1200HZ‘0’2200HZ4~20mA前导码帧前定界码SD地址ADHART命令CD字节数BD变送器和通信状态数据校验字节SDHART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。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BELL202FSK信号加载于4~20mA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。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。FF通信模型简化的ISO/OSI三层结构现场总线报文规范子层现场总线访问子层数据链路层物理层应用层用户层FMSPDUFASPDUDLLPDUPHPDU通信栈用户数据的长度（位）FMS-PDU4~255FAS-PDU5~256DLL-PDU8~273PH-PDU11~280FF通信模型RF-P-143-FIG-3-23FF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。周期时钟数据01曼彻斯特编码前导码帧前定界码帧结束码FF现场总线数据信号的编码形式N+N-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。