集散控制系统电子教学案(原创).doc

电子教案基础模块集散控制系统必备知识1.1计算机控制系统的组成与应用类型1.2 计算机网络基础1.3 集散控制系统概论1.4 集散控制系统的硬件结构1.5 集散控制系统软件体系应用模块模块一 浙大中控JX-300X集散控制系统2.1 JX-300X系统基础知识2.2 控制站组成与主要卡件2.3 系统组态2.4 系统实时监控2.5 系统调试与维护2.6 工程应用实例模块二 霍尼维尔TDC-3000和TPS/PKS集散控制系统3.1 TDC-3000系统概述3.2 TPS系统概述3.3 TPS控制站组成3.4 TPS系统组态3.5 系统实时监控3.6 工程应用实例模块三 日本横河CENTUM-CS集散控制系统4.1 CENTUM-CS系统基础知识4.2 现场控制站组成与主要卡件4.3 系统组态4.4 系统实时监控4.5 工程应用实例模块四 其它集散控制系统5.1 MACS集散控制系统5.2 I/AS系统5.3 MACS系统组态5.4 工程应用实例模块五 现场总线控制系统6.1 现场总线概述6.2 几种典型的现场总线6.3 现场总线控制系统6.4 现场总线设备6.5 现场总线网络的组态6.6 现场总线控制系统的应用实例技能模块技能模块一基本技能技能模块二综合技能技能模块三技能测试1.1计算机控制系统的组成与应用类型通过与模拟控制系统比较，认识计算机控制系统与其组成。

计算机控制系统的组成计算机控制系统是以计算机为核心部件的自动控制系统在工业控制系统中，计算机承担着数据采集与处理、顺序控制与数值控制、直接数字控制与监督控制、最优控制与自适应控制、生产管理与经营调度等任务它已广泛应用于生产现场，并深入各行业的许多领域一）基本概念1、计算机控制系统的组成有关的术语概念如下：（1）计算机控制系统：利用计算机(通常称为工业控制计算机)来实现工业过程自动控制的系统2）方式：在计算机控制系统中，生产过程和计算机直接连接，并受计算机控制的方式3）离线方式：生产过程不和计算机相连，且不受计算机控制，而是靠人进行联系并作相应操作的方式4）实时：是指信号的输入、计算和输出都在一定的时间X围内完成2、计算机控制系统的工作原理计算机控制系统的工作原理可归纳为以下三个步骤：(1)实时数据采集对测量变送装置输出的信号经A/D转换后进行处理2)实时控制决策对被控变量的测量值进行分析、运算和处理，并按预定的控制规律进行运算3)实时控制输出实时地输出运算后的控制信号，经D/A转换后驱动执行机构，完成控制任务上述过程不断重复，使被控变量稳定在设定值上二）硬件系统计算机控制系统由工业控制机和生产过程两大部分组成。

如图1.2所示工业控制机硬件：硬件是指计算机本身与外围设备硬件包括计算机、过程输入、输出接口、人机接口、外部存储器等生产过程包括被控对象，测量变送、执行机构、电气开关等装置三）软件系统软件是指能完成各种功能的计算机程序的总和，通常包括系统软件和应用软件计算机控制系统的应用类型计算机控制系统种类繁多，命名方法也各有不同根据应用特点、控制功能和系统结构，计算机控制系统主要可分为六种类型：数据采集系统、直接数字控制系统、计算机监督控制系统、分级控制系统、集散型控制系统与现场总线控制系统一)数据采集系统如图1.3所示在数据采集系统中，计算机只承担数据的采集和处理工作，而不直接参与控制二)直接数字控制系统直接数字控制（Direct Digital Control，DDC）系统的构成如图1.4所示直接数字控制系统与模拟系统的比较：（1）在DDC中，在信号出入计算机时必须经D/A、A/D转换（2）其控制方式比常规控制系统灵活且又经济直接数字控制系统的性能特点：由于DDC系统中的计算机直接承担控制任务，所以要XX时性好、可靠性高和适应性强三)计算机监督控制系统监督计算机控制(Supervisory Computer Control，SCC)系统，简称SCC系统，系统结构如图l.5所示。

SCC系统是一种两级微型计算机控制系统，其中DDC级微机完成生产过程的直接数字控制；SCC级微机则根据生产过程的工况和已定的数学模型，进行优化分析计算，产生最优化设定值，送给DDC级执行SCC级微机承担着高级控制与管理任务，要求数据处理功能强，存储容量大等，一般采用较高档微机四)分级控制系统特点：控制功能分散，集中管理图1.6所示的分级计算机控制系统是一个四级系统1)装置控制级(DDC级) 对生产过程进行直接控制，如进行PID控制或前馈控制，使所控制的生产过程在最优工作状况下工作2)车间监督级(SCC级) 它根据厂级计算机下达的命令和通过装置控制级获得的生产过程数据，进行最优化控制它还担负着车间内各工段间的协调控制和对DDC计算机级进行监督的任务3)工厂集中控制级它可根据上级下达的任务和本厂情况，制定生产计划、安排本厂工作、进行人员调配与各车间的协调，并与时将SCC级和DDC级的情况向上级报告4)企业管理级制定长期发展现划、生产计划、销售计划，发命令至各工厂，并接受各工厂、各部门发回来的信息，实现全企业的总调度五)集散控制系统组成：集散控制系统分为多个层次，每层由多个计算机组成，分别行使不同的功能，主要由数据采集站、控制站、数据通信系统、操作站、工程师站、监控计算机、输入输出通道等部分组成特点：集中监视、集中操作，分散控制、分散危险其结构如图1.7所示。

六）现场总线控制系统现场总线控制系统(Fieldbus Control System，FCS)，是新一代分布式控制结构，如图l.8所示几个概念：智能仪表：传统仪表与DDC相结合，带有通讯端口现场总线：连接工业现场仪表和控制装置之间的全数字化、双向、多站点的串行通信网络被称为21世纪的工业控制网络标准现场总线控制系统特点：（1）全数字化（2）彻底分散化1.2计算机网络基础通信网络举例解释计算机网络和DCS的通信网络的概念1.局部网络的概念局部区域网络(Local Area Network，LAN)，简称为局部网络或局域网，是一种分布在有限区域内的计算机网络，是利用通信介质将分布在不同地理位置上的多个具有独立工作能力的计算机系统连接起来，并配置网络软件的一种网络，广大用户能够共享网络中的所有硬件、软件和数据等资源2.局部网络拓扑结构解释拓扑结构的概念通信网络的拓扑结构主要是星型、环型、总线型、树型和菊花链型1)星型结构星型结构如图1.9所示特点：可靠性差，一旦中央节点出现故障，则整个系统就会瘫痪 (2)环型结构环型结构如图1.10所示特点：链路控制简单，节点数量太多时会影响通信速度；环是封闭的，不便于扩充。

 (3)总线型结构总线型结构如图1.11所示特点：结构简单，便于扩充 (4)树型结构树型拓扑是从总线型拓扑演变过来的，形状像一棵倒置的树，顶端有一个带分支的根，每个分支还可延伸出子分支图1.12就是这种树型拓扑结构这种拓扑和带有几个段的总线拓扑的主要区别在于根(也称头端)的存在当节点发送时，根接收该信号，然后再重新广播发送到全网这种结构不需要中继器5)菊花链型结构图1.13为菊花链型拓扑结构图菊花链型也称链型结构这种拓扑结构，在一个网段中现场总线电缆从一台现场仪表走到另一台现场仪表，在每个现场仪表的端子上互连使用这种拓扑结构应该使用联接器，否则，在拆卸一台仪表时容易使整个总线断路3.传输介质传输介质是通信网络的物质基础主要有双绞线、同轴电缆和光缆三种如图2.11所示分别解释双绞线、同轴电缆和光缆的性能特点与其优缺点通信协议1.通信协议的概念在计算机通信网络中，对数据传输过程进行管理的规则被称为协议举例）协议关键要素：（解释其作用并举例）语法( Syntax )语义( Semantics )时序( Timing )为了使各种网络能够互连，国际标准化组织(International Standards Organization，ISO)提出了一个开放系统互连(Open Systems Interconnection，OSI)参考模型，简称ISO/OSI模型。

它是系统之间相互交换信息所共同使用的一组标准化规则，凡按照该模型建立的网络就可以互连2.网络控制方法通俗讲述什么是网络控制方法，并解释下面三种网络控制方法的工作过程与其特点1)查询式(2)自由竞争式载波侦听多工访问/冲突检测(CSMA/CD)方法就是一个典型例子3)令牌传送图1.15是一个令牌传送示意图令牌传送既适合于环型网，也适合于总线型网在总线型网的情况下，各站被赋予一个逻辑位置，所有站形成一个逻辑环令牌传送效率高，信息吞吐量大，实时性好令牌传送与CSMA/CD相比，重载时响应时间较短，实时性较好而CSMA/CD在网络重载时将不断地发生冲突，因此响应时间较长，实时性变差但令牌方式控制较复杂，网络扩展时必须重新初始化4)存储转发式1.3集散控制系统概论简单介绍集散控制系统产生的必要性第一代集散控制系统1975年美国Honeywell公司推出了TDC—2000集散控制系统，它是一个多处理器的分布式控制系统，克服了集中型控制系统的危险集中的致命弱点主要产品：美国的Foxboro公司的Spectrum系统，贝利公司的N—90系统，英国肯特公司的P4000系统，德国西门子公司的TelepermM系统，日本横河的CENTUM系统等。

系统组成：现场监测站、现场控制站、数据公路、CST操作站、监控计算机等组成主要特点：监控站以8位微处理器为主，通信采用DCS制造商自己的通信协议在技术上尚有明显的局限性第二代集散控制系统主要产品：Honeywell的TDC—3000；横河的CENTUM A、B、C；Tayor公司的MOD300；Bailey公司的NETWORK—90；西屋公司的WDPF等主要特点：采用了标准化模块设计，现场控制站使用16位微处理器，增强型操作站使用32位微处理器，板级模块化，使之扩展灵活方便，控制功能更加完善，它能实现数据采集、连续控制、顺序控制和批量控制等功能，用户界面更加友好，为操作人员、工程师和维护人员提供了一种综合性的面向过程的单一窗口，便于他们完成各自的操作第三代集散控制系统美国Foxboro公司在1987年推出的I/A S系统标志着集散控制系统进入第三代主要产品：Honeywell公司的TDC—3000/PM、横河公司的CENTUM—XL、Foxboro公司的I/S S、贝利公司的INFI—90等主要特点：(1)实现开放式的系统通信 (2)控制站使用32位CPU，使控制功能更强3)操作站也采用了32位高等计算机，增强图形显示功能，采用多窗口技术和使用触摸屏调出画面，使操作更简便，操作响应速度加快。

4)过程控制组态采用CAD算法，使其更直观方便，并引人专家系统，实现自整定功能第四代集散控制系统在20世纪90年代初，随着对控制和管理要求的不断提高，第四代集散控制系统以控管一体化的形式出现主要产品：Honeywell公司的TPS控制系统横河公司的CENTUM—CS控制系统，ABB公司Advant系列OCS开放控制系统等。