网络化的计算机控制系统（已）课件

1、,计算机控制系统,网络化的 计算机控制系统,第 10 章,授课老师：陈良 ChenL,1 集散控制系统DCS概述 2 DCS的体系结构与应用 3 现场总线FCS概述 4 具有代表性的FCS与应用实例 5 传感网与物联网技术,DCS概述,DCS,DCS概述,DCS的基本概念 DCS（Distributed Control System）, 分布式控制系统、分散控制系统。因其核心思想是“集中管理、分散控制”，所以用集散控制系统命名。 DCS采用标准化、模块化和系列化设计，从整体逻辑结构上看是一个以通信网络为纽带的集中管理、分散控制，具有灵活配置，组态方便的多级计算机控制系统,DCS概述,DCS的基本概念 DCS是随着3C技术的飞速发展而逐渐形成的，现已广泛应用于石化、电力、冶金、制药、核电等领域。DCS不仅具有连续控制和逻辑控制功能，而且具有顺序控制和批量控制功能，因此DCS既可以应用于连续过程，也可以用于连续和离散混合的间歇过程，总之DCS已成为主流的工业自动化系统。,DCS概述,DCS的基本概念 核心思想：集中管理（操作、监控、显示）分散控制（控制，高度自治，分散危险） 历史：1975

2、年，Honeywell推出了首个集散控制系统TDC2000。,DCS概述,Honeywell：TDC3000/PM 横河（YOKOGAWA）：Centum-XL 艾默生：OVATION-XP Foxboro：I/A Series Taylor Instrument: Mod 300 Bailey Control：INFI-90 浙大中控：SUPCON 和利时：MACSV,目前，主要的厂商和产品如下：,DCS概述,目前，主要的厂商和产品如下：,DCS源起,历史缘起： 模拟仪表手操控制系统 （手动，人为因素）,DCS源起,历史缘起： 单机控制系统 （自动，单机系统，回路少）,DCS源起,历史缘起： 集中控制系统 （高度集中，危险集中）,DCS源起,集散控制系统 （分层，集散）,DCS的体系架构,DCS的分层思想,PCS: Process Control System MES: Manufacturing Execution System ERP: Enterprise Resource Plan,金字塔模型,DCS的体系架构,DCS各模块功能,管理计算机：信息管理，决策支持 工程师站：组态

3、与维护 操作站：参数显示、过程监控 （上位机） 控制站：底层控制,IPC, PLC单片机、微型机（下位机）,DCS的体系架构,DCS的通信网络,控制网络（CNET） 实时性、极高安全性、恶劣环境的适应性、快速响应,同轴电缆等，传输距离1km-5km；速率10Mbps-100Mbps,管理网络（DNET） 一般选局域网（LAN）或广域网,各种总线,Ethernet；速率100Mbps-1000Mbps,广域网,DCS的特点,分散性与集中性,DCS硬件积木化+软件模块化是分散性的具体体现 分散性（地域、设备、功能控制危险）保障可靠性和安全性 纵向分层次、横向分子系统 DCS通信网络+分布式数据库是集中性的具体体现 集中性（监视、操作、管理） 通信网实现物理分散设备的统一、分布式数据库实现全系统的信息集成。,DCS的特点,可靠性与适应性,系统结构容错：集散系统固有优点、危险分散 硬件冗余设计：主要部件（操作站、控 制站、I/O板、通信网络） 双重系统（Dual System） 热备份 双工系统（Duplex System） 冷备份 硬件选材满足严格的工业标准，抗干扰技术，可以在恶劣环境下工作

4、 一系列故障诊断软件 MTBF 50kh；MTTR：5min,DCS的特点,DCS的可靠性：双重系统 （热备份）,DCS的特点,灵活性与扩展性,硬件采用积木式结构，可灵活配置小、中、大各类系统； 软件采用模块化结构，提供输入、输出、运算和控制功能块，可组态构成各类控制系统； 系统易于扩展、配置容易改变；通过组态易于修改控制方案； 可自定义生产各类先进控制算法,控制站,控制站CS（Control Station）分布于过程控制层,是DCS分散控制的基础，直接与生产过程的信号传感器、变送器和执行器相连，具有信号输入、输出、运算、控制和通信功能。,控制站,控制站的硬件主要由输入输出单元IOU（Input & Output Unit）、主控单元MCU（Main Control Unit）和电源3部分组成 控制站的软件分为系统软件和应用软件，其中应用软件具有各类功能块，如输入功能块、输出功能块、运算功能块、连续控制功能块、逻辑控制功能块和顺序控制功能块。这些功能块是实现各类过程控制的基础，在工程师站组态软件的支持下，对功能块组态即可构成控制回路或控制策略。,控制站,主控卡冗余,控制站机柜包括电源

5、、主控制卡、数据转发卡、I/O卡，集线器/交换机等。 P250-P256,操作站,DCS的操作员站OS（Operator System） OS的功能是操作、监视和管理 作为DCS的人机界面，提供通用画面、专用画面和管理画面 一般选用工控机或工作站,工程师站,DCS的操作员站ES（Engineer System） 功能是组态、绘图和编程 控制站的控制功能首先是在工程师站上组态生成；操作站的操作画面首先在工程师站组态生成 组态的主要内容：系统设备组态（硬件）、控制功能组态和操作画面组态（软件） 常用工控机或工作站,DCS的组态,组态的定义： 根据设计需要来确定DCS控制回路中所完成的特定功能, 硬件组态（又叫系统配置） 软件组态,DCS组态功能分类：,硬件组态的作用 1. 它是完成系统设备间的硬连接 2. 首先选择好硬件设备，然后完成系统的硬件 配置，即所谓的硬件系统的建立,硬件组态, 工程师站的选择 操作员站的选择 现场控制站的选择,DCS的组态,DCS的组态,现场控制站的选择, 现场控制站的个数 现场控制站处在的地域分布状况 I/O点数 现场控制站的板卡的种类与数目 电源的选择等,DC

6、S的组态,硬件组态,DCS的组态,软件组态包含两方面内容, 画面组态 控制组态,画面组态的作用 完成操作员站上的各种画面 各种画面间的连接,控制组态的作用 生成各种控制软件 包括基本配置组态和应用软件的组态,DCS的组态,软件组态,DCS的组态,应用软件的组态 采用功能块语言，用最简单的编程语言或图上作业方法将这些模块进行软连接，构成各种控制系统的应用软件 应用软件主要用于现场控制层。对于管理层的生产优化或经营优化的管理软件，仍然用高级语言(如C语言和Fortran语言等)编制,DCS,延伸阅读：浙大中控SUPCON品牌DCS入选“2004年度自动化领域最具影响力产品 ”,1993年，浙大中控成功研制开发出了国内第一套具有1:1热冗余技术的SUPCON JX-100 DCS，填补了国内空白。随后，SUPCON JX-200 、SUPCON JX-300、SUPCON WebField JX-300X DCS相继问世。2000年，又全新推出了基于网络技术的控制系统SUPCON WebField ECS-100。,DCS,延伸阅读：浙大中控SUPCON品牌DCS入选“2004年度自动化领域

7、最具影响力产品 ”,2001年，成功推出开放式控制系统SUPCON WebField GCS-1。其后不久，架构在100M以太网基础上的超大规模DCS系统SUPCON WebField GCS-200也正式投放市场。浙大中控的全系列控制系统，融合了当前最先进的自动化技术、计算机技术、通信技术、故障诊断技术、冗余技术和软件技术。具有成本低、可靠性高、使用方便、安装简单、维护容易等特点，系统全部数字化，且支持现场总线和HART协议。,DCS,WebField架构,ERP,MES,PCS,DCS应用示例,化工,石化,钢铁,造纸,电力,水处理,有色金属,图：DCS的应用领域,DCS,表：2005年DCS市场份额,DCS,延伸阅读 1.垃圾焚烧发电厂自动化解决方案 2. DCS主要产品对比分析,DCS,DCS的主要缺点和发展趋势 a). 非完全分布式的，控制功能未彻底下放底层仍为模拟信号，并非全数字通信 b). 各厂商产品并不兼容，形成封闭系统，称为企业综合自动化的“信息孤岛” 未来方向：FCS、工业以太网,现场总线,FCS （Fieldbus Control System ）现场总线 定义：现

8、场总线是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多分支的通信网络。 21世纪的自动化领域是现场总线的世界,现场总线,FCS 的优点 用智能现场仪表取代模拟仪表，用总线连接取代了一一对应的电缆连接，极大地降低了成本，并且方便仪表的安装维护 控制功能完全下放，高度自治。智能仪表带有现场控制功能，集检测、控制功能于一体 全数字化通信，提高了可靠性,现场总线,FCS 与DCS的区别,现场总线,FCS 的应用现状 工业现场存在大量的模拟仪表，更换成本过高，意愿不强 智能仪表较少 新建的工厂较多采用FCS，FCS有更优秀的体系结构，代表未来的发展趋势,现场总线,FCS 的种类 FCS面临的主要问题是没有建立统一的国际标准。各产商为了各自的商业利益，推行各自的现场总线，形成商业壁垒。 主要的现场总线有 FF：基金会现场总线 Profibus HART CAN LonWorks 以及Control-Net, P-Net, InterBus, SwiftNet, WorldFIP等,现场总线,FCS 的种类,现场总线,FCS 一般采用OSI七层模型的第1、2、7层,现场总线-FF,FF (Field

9、bus Foundation) 背景：FF的前身是美国Rosemount公司为首，联合ABB，Foxboro，Siemens，Yokogawa等80多公司成立的ISP协会和以Honeywell公司为首，联合欧洲等地150家公司成立的WorldFIP。ISP和WorldFIP两大集团于1994年合并，成立现场总线基金会，致力于开发国际上统一标准的现场总线协议。得到了北美、欧洲、亚太等地的广泛支持。,现场总线-FF,FF适用于过程自动化 ：本质安全防爆、总线供电,背景知识：总线供电,即工业控制网络不仅能传输通信信息,而且能够为现场设备传输工作电源。 总线供电能减少线缆,降低布线成本。 符合本质安全的现场总线仪表几乎都采用总线供电技术。总线供电由于取自信号线, 所以在构成本质安全的防爆结构时, 具有很大的优势,现场总线-FF,采用总线供电的现场总线主要有：FF，Profibus，Hart，LonWorks,现场总线-FF,FF的多层架构,H1：低速网络 31.25K/1900m,HSE（高速以太网） 1M/750m，2.5 M/500m,FF的应用,延伸阅读：中国成为FF现场总线应用的领先者,最新市场调查显示基金会现场总线（Foundation Fieldbus,FF）这一开放，可互操作的技术已经成为全球范围内领先的数字化控制系统解决方案。在过程控制领域，FF已成为公认的第一流技术。 从全球范围内看，FF现场总线技术的应用量一直在增长，尤其是中国，已成为主要FF总线技术应用项目的关键市场。FF基金会总裁兼CEO Richard Timoney说:“中国的最终用户认为现场总线具有很强的性能优势,它能节约支出并改善运行条件,，目前中国已有超过70个FF总线应用项目,有4000多台注册的FF现场总线设备,应用于石化、油气、食品和饮料以及生物制药等诸多行业。“,FF的应

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