网络控制系统概述

17.1集散控制系统简介7.2现场总线技术简介7.3中国国家标准《用于测量与控制系统的EPA系统结构与通信标准》简介第七章网络控制系统概述27.1集散控制系统简介7.1.1集散控制系统的发展历程共出现了3代DCS产品。1975年至80年代前期为第一代产品，80年代中期至90年代前期为第二代产品，90年代中期至21世纪初为第三代产品。7.1.2集散控制系统的主要组成部分–DCS控制站–DCS操作站–数据通信及网络–DCS面临的主要问题341．DCS控制站DCS系统中，控制站继承了DDC技术，它是一个完整的计算机，实际运行中可以在不与操作站及网络相连的情况下，完成过程控制策略，保证生产装置正常运行。控制站作为一个完整的计算机，它的主要I/O设备为现场的输入、输出处理设备，以及过程输入/输出（PI/O）量，包括信号变换与信号调理，A/D、D/A转换等。它在第二代和第三代产品中已陆续采用了嵌入式技术，并采用单片机等完成量程调整、远程I/O数据传输、小型化及减少PI/O卡硬件规格等功能，直至连接智能化的现场变送器或接受采用现场总线提供的数字信号。5关于DCS控制站的系统软件，原则上也有实时操作系统、编程语言及编译系统、数据库系统、自诊断系统等，只是完善程度不同而己。第一代DCS控制站的功能更近似于多回路调节器，而且每个控制站都可以配置人机界面和备用操作器；第二代DCS控制站的实时操作系统及程序编译系统比较完整，编程语言有面向过程语言和高级语言，控制策略的组态由操作站或工作站在与控制站联机的情况下，完成编译和下载；第三代DCS控制站的系统软件齐全，操作站或工程师站可以完成离线组态及在线修改控制策略。6控制站是整个DCS的基础，它的可靠性和安全性最为重要，死机和控制失灵的现象是绝对不允许的，而且冗余、掉电保护、抗干扰、防爆系统构成等方面都应有很高的可靠性，才能满足用户要求。多年的实践经验证明，绝大多数厂家的DCS控制站都能够胜任用户要求。72．DCS操作站DCS操作站具有操作员功能、工程师功能、通信功能和高级语言功能等，其中工程师功能中包括系统组态、系统维护、系统通用（Utility）功能。实际的DCS操作站是典型的计算机，它与控制站不同，有着丰富的外围设备和人机界面。70年代中期，CRT显示器技术已成熟，以外部存储器为特征，第二代DCS操作站还具有如下特点：操作站和工程师站（或称工作站）分开，也有公司将操作站的历史数据存储用硬盘（历史模件）和高级语言应用站（应用模件）分别独立挂在通信网络上；操作系统除采用DOS系统以外，有的产品采用Unix等操作系统；实时数据库储存性能逐渐完善；在人机界面方面，逐渐过渡为以GUI图形用户界面为平台并采用鼠标、组态时制作流程图和控制回路图等方法，采用菜单、窗口、CAD等技术，使人机界面友好。83．数据通信及网络在DCS系统诞生时，主要解决一个生产装置中几个控制站和一个或几个操作站之间的数据通信问题；第二代DCS则解决多个装置的DCS互联问题；第三代DCS则解决一个工厂的多个车间互联及与全厂计算机管理网络互联的问题，这是总的设计思想。在实际应用中，如石化行业，DCS一直多用在一个生产装置范围内的多机通信系统中，而且控制站和操作站均集中放置在控制室内。在DCS中采用数字通信技术，还有在控制站内采用站内通信总线及远程I/O总线，以及在第三代DCS的控制站内增加了连接PLC、分析仪和现场智能仪表的接口卡，使DCS与现场仪表之间的接线减少，并对现场仪表进行设备管理，这为DCS向下兼容并与现场总线通信技术融合打下基础。94．DCS面临的主要问题目前，DCS如何解决现场接线繁杂、DCS控制站控制比较集中、FCS与DCS控制站的相互关系、智能控制、先进控制与优化如何在DCS、FCS中实现等已成为DCS发展中急需解决的问题。107.1.3JX-300X集散控制系统系统结构JX-300X集散控制系统是浙大中控开发的具有自主知识产权的集散控制系统，其结构如图7.1所示。JX-300X的基本组成包括工程师站（ES）、操作站（OS）、控制站（CS）和通讯网络SCnetII。通过在JX-300X的通讯网络上挂接总线变换单元（BCU）可实现与JX-100、JX-200、JX-300系统的连接；在通讯网络上挂接通信接口单元（CIU）可实现JX-300X与PLC等数字设备的连接；通过多功能计算站（MFS）和相应的应用软件AdvanTrol-PIMS可实现与企业管理计算机网的信息交换，实现企业网络（Intranet）环境下的实时数据采集、实时流程查看、实时趋势浏览、报警记录与查看、开关量变位记录与查看、报表数据存贮、历史趋势存贮与查看、生产过程报表生成与输出等功能，从而实现整个企业生产过程的管理、控制全集成综合11系统特点：JX-300X控制站以先进的微控制器为核心，提高了系统的实时性和控制品质，系统能完成各种先进的控制算法；过程管理级采用高性能CPU的主机和WINDOWS9X/NT/2000的多任务操作系统，以适合集散控制系统良好的操作环境和管理任务的多元化；过程控制网络采用双重化的Ethernet技术，使过程控制级能快速安全的协调工作，做到真正的分散控制和集中管理。JX-300X覆盖了大型集散系统的安全性、冗余功能、网络扩展功能、集成的用户界面及信息存取功能，除了具有模拟量信号输入输出、数字量信号输入输出、回路控制等常规DCS的功能，还具有高速数字量处理、高速顺序事件记录（SOE）、可编程逻辑控制等特殊功能；它不仅提供了功能块图（SCFBD）、梯形图（SCLD）等直观的图形组态工具，又为用户提供开发复杂高级控制算法（如模糊控制）的类C语言编程环境SCX。12JX-300X采用高速、可靠、开放的通讯网络SCnetII。JX-300X系统控制网络SCnetⅡ连接工程师站、操作站、控制站和通讯处理单元。通讯网络采用总线形或星形拓扑结构，曼彻斯特编码方式，遵循开放的TCP/IP协议和IEEE802.3标准。SCnetⅡ采用1∶1冗余的工业以太网，TCP/IP的传输协议辅以实时的网络故障诊断。其特点是可靠性高、纠错能力强、通信效率高。通讯速率为10Mbps。13返回本章首页OS：操作站；ES：工程师站；MFS：多功能计算站；BCU：总线变换单元；CIU：通讯接口单元；PCS：过程控制站；ACS：区域控制站；LCS：逻辑控制站；DAS：数据采集站；SBUS：系统I/O总线；IOU：IO单元；RIOU：远程IO单元图7.1JX-300X集散控制系统结构示意图147.2现场总线技术简介7.2.1传统控制系统向基于现场总线的控制系统演变现场总线技术的一个显著特点是其开放性，允许并鼓励不同厂家按照现场总线技术标准，自主开发具有特点及专有技术的产品。因此，现场总线技术引入自动化控制系统，促使传统控制系统结构演化，逐步形成基于现场总线的控制系统FCS。1．从PLC到通用工业PC（1）在传统控制系统中，控制器（或称CPU、或处理器）与I/O模块及其它功能模块、机架为同一系列产品，有一致的物理结构设计。15（2）基于现场总线的控制系统中，控制器与现场设备（I/O模块、功能模块及传感器、变送器、驱动器等）连接是通过标准的现场总线，因此没有必要使用与控制器捆绑的I/O模块产品（这与插在PLC机架上的I/O模块的配置方法不同），可使用任何一家的具有现场总线接口的现场设备与控制器集成。因此控制器趋向于采用标准的、通用的硬件平台一工业计算机（IndustrialCompactComputer），如Intel/Windows类PC机。近年来嵌入式控制器（如PC/104产品）的发展和WINDOWS-CE的推出，逐渐使用嵌入式控制器硬件和WINDOWS-CE软件作为控制器平台。162.从PLC的I/O模块到现场总线分布式I/O在FCS系统中，插在控制器机架上的I/O模块将被连接到现场总线上的分散式I/O模块所取代。分散式I/O不再是控制器厂家的捆绑产品，而是第3方厂家的产品；廉价的、专用的、具有特殊品质的I/O模块（如高防护等级、本征安全、可接受高压或大电流信号等）将具有广阔市场。FCS的控制器与传统PLC配置方式的比较见图7.2。17图7.2FCS控制器与传统PLC配置方式的比较183.从PLCI/O控制的现场设备到具有现场总线接口的现场设备现场设备如传感器、变送器、开关设备、驱动器、执行机构等；传统PLC控制系统的I/O设备与PLCI/O模块连接，PLC通过模拟量(4-20mA)或开关量（如24VDC）控制监测现场设备。在FCS系统中，现场设备具有现场总线接口，控制器通过标准的现场总线与现场设备连接。4.系统软件在传统PLC系统中，系统软件（包括PLC系统软件和编程软件）与PLC硬件联系紧密，技术上对外是封闭的。在FCS系统中，控制器采用通用工业PC平台，系统软件不再与控制器、I/O、现场设备等硬件捆绑，可运行在通用标准的工业PC+WINDOWS/NT平台上。197.2.2现场总线技术的特点(1)系统的开放性开放系统是指通信协议公开,各不同厂家的设备之间可进行互连并实现信息交换。现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统。这里的开放是指对相关标准的一致性、公开性,强调对标准的共识与遵从。一个开放系统,它可以与任何遵守相同标准的其它设备或系统相连。一个具有总线功能的现场总线网络系统必须是开放的,开放系统把系统集成的权利交给了用户。用户可按自己的需要和对象把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。20(2)互可操作性与互用性这里的互可操作性,是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通,可实行点对点,一点对多点的数字通信。而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用。(3)现场设备的智能化与功能自治性它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成,仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能,并可随时诊断设备的运行状态。21(4)系统结构的高度分散性由于现场设备本身已可完成自动控制的基本功能,使得现场总线已构成一种新的全分布式控制系统的体系结构。从根本上改变了现有ＤＣＳ集中与分散相结合的集散控制系统体系,简化了系统结构,提高了可靠性。(5)对现场环境的适应性工作在现场设备前端,作为工厂网络底层的现场总线,是专为在现场环境工作而设计的,它可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等,具有较强的抗干扰能力,能采用两线制实现送电与通信,并可满足本质安全防爆要求等。227.2.3典型现场总线简介有较强实力和影响的有:FoundationFieldbus(FF)、LonWorks、Profibus、HART、CAN、Dupline等。1．基金会现场总线基金会现场总线,即FoundationFieldbus,简称FF。它以ISO/OSI开放系统互连模型为基础,取其物理层、数据链路层、应用层为ＦＦ通信模型的相应层次,并在应用层上增加了用户层。基金会现场总线分低速Ｈ1和高速Ｈ2两种通信速率。Ｈ1的传输速率为31.25kbps,通信距离可达1900ｍ(可加中继器延长),可支持总线供电,支持本质安全防爆环境。Ｈ2的传输速率为1Mbps和25Mbps两种,其通信距离为750ｍ和500ｍ。23物理传输介质可支持双绞线、光缆和无线发射,协议符合IEC1158-2标准。其物理媒介的传输信号采用曼彻斯特编码。242．LonWorksLonWorks是又一具有强劲实力的现场总线技术,它是由美国Echelon公司推出并由它们与摩托罗拉、东芝公司共同倡导,于1990年正式公布而形成的。它采用了ISO/OSI模型的全部七层通讯协议,采用了面向对象的设计方法,通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置,其通讯速率从300bps至15Mbps不等,直接通信距离可达到2700ｍ(78kbps,双绞线),支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电源线等多种通信介质,并开发相应的本安防爆产品,被誉为通用控制网络。25LonWorks技术所采用的LonTa