第9章_计算机过程控制系统

第9章基于网络的过程计算机控制系统本章要点1）了解集散控制系统基本结构、内涵和特点；2）熟悉现场控制单元的硬件结构形式及功能；3）熟悉集散控制系统的网络结构和通信协议；4）掌握控制算法的组态方法；5）了解现场总线控制系统的基本概念和特点；6）熟悉常见的几种现场总线及其通信模型；7）掌握现场总线控制系统的设计方法。9.1集散控制系统9.1.1集散控制系统概述问题：1）系统主机过于庞大，一旦出现故障，影响全局，可靠性差；2）同一台计算机完成多种不同的任务，工作效率低；3）信息源（检测点）和执行器距离主机远，传输信息的线路费用高；4）缺乏灵活性与可扩展性。1、集中型过程计算机控制系统。。。2、分散型过程计算机控制系统。。。3、集散型过程计算机控制系统集散控制系统的基本结构由分散控制装置、集中操作与管理系统和通信系统三部分组成。一、集散控制系统的基本概念集散控制系统的结构及相互关系二、集散控制系统的功能（1）数据采集功能。。。（2）监视操作功能。。。（3）过程控制功能。。。三、集散控制系统的特点（1）功能分散1）分散负荷2）分散显示3）分散数据库4）分散通信5）分散供电（2）信息综合与集中管理（3）局域网通信技术（4）高可靠性（5）构成灵活与扩展方便（6）采用面向过程的语言，操作使用简单方便过程控制单元的功能图四、集散控制系统的主要类型（1）按集散控制系统的发展历程划分第一代智能控制系统。。。第二代智能控制系统。。。第三代智能控制系统。。。（2）按集散控制系统的规模划分小型集散控制系统。。。ULFU－通信接口单元UFCH－现场控制单元UFMH—现场监视单元CNN—信号变换器YS－80—数字调节器ULDU－盘装式仪表中型集散控制系统。。。MOPS，MOPL－操作站；PLC－可编程控制器；SC—信号变换器；MEXU—I／O扩展单元；MFCD—现场控制单元；大型集散控制系统。。。AIWS－人工智能站,ECMP—计算机,ENGS-工程师站,EOPS—中央操作站,PRIN—打印机,COPY—拷贝机,COPYSY—局部操作站,CFCSZ／PFCS—现场控制站,CFCD／EFCD—双重化控制站,YEWCOM－9000－管理计算机,CFMSZ／CFCDI—现场监视站CFBSZ—高分散控制站9.1.2集散控制系统的递阶结构9.1.2.1过程控制级集散控制系统结构自下而上可分为过程控制级、过程管理级、生产管理级和经营管理级。1.过程控制单元（PCU）的硬件结构（1）基于微型机的硬件结构。。。（2）I／O与通用卡硬件结构。。。（3）串行通信总线+模件结构。。。（4）节点工作站结构。。。（5）过程控制单元的主要功能：①反馈控制功能；②顺序控制功能；③批量控制功能；④数据采集与处理功能；⑤数据通讯功能；⑥本地操作与监视功能。2.过程接口单元（PIU)的硬件结构在工业生产过程控制中，将完成非控制变量的采集或直接输出的装置称为过程接口单元（PIU），过程接口单元按输入信号的种类、采集速度的大小与使用的现场将其分为三类：HLPIU，LLPIU，LEPIU。上述三种类型的通用部分通用卡文件夹（CCFA）结构如下：9.1.2.2过程管理级：集散控制系统的过程管理级是为实现集中操作和统一管理而设置的。其主要设备有操作站和通信设备等。操作站是由通信电缆将分散于生产现场的过程控制单元（PCU）、过程输入/输出单元（PIU）连接而成，可分为操作员级和工程师级。操作站结构框图的CRT操作员级画面调用示例图XL9.1.2.3生产管理与经营管理级集散控制系统的过程控制级和过程管理级实现了生产装置或生产过程的集中操作和分散优化控制，而生产管理和经营管理级则对整个企业的生产和经营实现最优化管理。TDCS-3000系统构成框图LCN为局部控制网络;US为通用操作站;CG、HG、PG、UG为通信网络连接器;CM为计算模件;BC为基本控制器;RBC为备用基本控制器;RCD为备用控制器指挥器;AM为应用模件;MC为多功能控制器;HM为历史模件;RMC为备用多功能控制器;RMCD为备用多功能控制器指挥器;PIU为过程接口单元;LOS为局部操作站。9.1.3集散控制系统的通信网络一、通信网络的形式集散控制系统的通信网络一般采用两种基本形式，即主－从形式和同等－同等形式。二、通信网络的组成集散控制系统的通信网络主要由两部分组成，即传输电缆（或其他媒介）和接口设备。传输电缆有同轴电缆、双股电缆、屏蔽双绞线、光缆等；接口设备通常称为键路接口单元，或称调制－解调器、网络适配器等。三、通信网络的拓扑结构1.星形结构：2.总线结构：3.环形网络结构：4.复合形网络结构：四、通信协议通信双方对信道使用权的规定方式称为通信协议。在集散控制系统中，较常用的有冲突检测式载波侦听多路访问通信协议（CarrierSensingMultiAccess／CollisionDetect，CSMA／CD）和令牌传递通信协议两种。五、数据分类与分类通信1.数据分类：在集散控制系统中，根据系统对数据响应速度的不同要求，对数据进行了分类。对于要求实时传送而且变化很快（约为毫秒级）的数据定为第一级，将操作员需要的数据定为第二级，第三级数据主要包括组态数据、算法等。2.分类通信根据数据的不同类型采用不同的通信方式。9.1.3集散控制系统的软件及组态1、集散控制系统的软件配置基于主计算机的软件配置。。。基于控制设备的软件配置。。。2．控制算法的组态（1）组态字的构成。。。（2）组态步骤：1）画出控制系统框图；2）画出组态字功能图。3）确定各槽路的有关特征，填写组态数据表；3．组态举例某加热炉燃料流量与出料温度组成的串级调节系统流程图（如下）：组态字功能图Slot编号12调节器FCTCCONF01130101CONF＋HI11202123CONF＋LO10011610CONF＋HI＋LO10110010量程0％100％0kg／h0℃1000kg／h200℃阀位极限LOHI－6.9％20％106.9％80％积分极限LOHI－5.00％30％+105.00％70％报警极限LOHI600kg／h－10％800kg／h＋5％设定值（SP）Slot2输出120℃比率（Ratio）100％100％偏置（Bias）00调整常数，增量（KA）按需要调整按需要调整T（K1）T（K2）TD正常操作方式串级自动组态数据表9.2基于现场总线的过程控制系统9.2.1现场总线的基本概念1、现场总线及其应用。。。2、现场总线的特点（1）结构特点：与传统控制系统的结构对比如图。（2）技术特点：1）开放性2）互可操作性和互用性3）智能性与功能自治性4）结构的高度分散性5）对现场环境的适应性9.2.2现场总线的通信模型9.2.2.1开放系统互连模型（OSI)9.2.2.2现场总线的通信模型1．通信模型的制定原则与一般结构①不完全OSI模型②结构越简单越好③不同总线通信模型不同2．典型现场总线的通信模型（1）基金会现场总线FF（FoundationFieldbus）模型（2）过程现场总线PROFIBUS（ProcessFieldbus）模型（3）HART通信协议1）物理层采用Bell202国际标准；2）数据链路层用于按HART通信协议规则建立的HART报文格式，其信息构成包括前导码、帧前定界码、现场设备地址、字节数、现场设备状态与通信状态、数据、奇偶校验等，如下图。3）应用层规定了HART命令。目前现场总线通信模型众多，妨碍了现场总线技术的发展。依靠市场的力量，发展共同遵从的统一的现场总线标准规范模型，真正形成开放互连的现场总线网络系统，是大势所趋。几种可能的解决方案为：1）各种现场总线统一到1～2种，这种可能性几乎很小；2）采用已经是通用的国际标准以太网（Ethernet）、TCP/IP等协议，并解决它在工业控制中应用存在的有关问题。既便这样，它也不可能全部占领自动化市场；3）开发所有现场总线的通用接口（如计算机的USB接口一样），这样做虽然成本很高，但比较可行，因为它能保证各公司的利益。3．现场总线通信方式的实现微处理器CPU实现数据链路层和应用层的功能；通信控制单元实现物理层的功能，完成信息帧的编码和解码、帧校验、数据的发送与接收；媒体访问单元的主要功能是发送与接收符合现场总线规范的信号。说明：9.2.3基于现场总线的过程控制系统9.2.3.1现场总线控制系统1.可以在现场构成完整的基本控制系统；9.2.3.2现场总线控制系统的方案设计特点2.可以与多个现场智能设备互换信息；3.可以很方便地构成复杂的过程控制系统4.与集散控制系统相比，具有控制功能更加分散，智能化与功能自治性更高、系统的构成更加灵活、可扩展性与可互换性更强、可靠性与可维护性更好等诸多优点。锅炉汽包水位常规仪表控制系统现场总线控制系统设计步骤1、选择必需的智能仪表2、选择计算机与网络配件的配置方案1）基于PC总线接口卡（PCI）的配置方案；2）基于通信控制器的配置方案。3、选择或开发组态软件组态软件的功能：1）能在界面上选择设备；2）能对所选设备分配位号；3）能选择功能模块；4）能实现连接；5）能赋予特征参数；6）能进行网络组态；7）能下载信息。4、组态过程示例1）选择功能模块；2）完成功能模块的位号分配及其连接；3）确定功能模块的特征参数；4）网络的组态；5）下载组态信息。4、选择或开发现场总线控制系统的其他软件1）用于对现场总线控制系统软、硬件的运行状态进行监测、故障诊断和维护的软件；3）用于对现场设备进行维护管理的工具软件等；4）直接用于生产操作和监视的控制系统软件包；5）人机接口装置的驱动软件。2）用于对现场控制系统的部件进行仿真的软件以及对系统进行组态、测试、研究的工具软件等；本章结束，谢谢！