12-《过程控制与集散系统DCS》方康玲集散控制系统DCS

est112集散控制系统2本章学习内容12.1集散控制系统概论12.2集散系统的通信技术及体系结构12.3和利时MACS系统12.4国产集散系统——HS200012集散控制系统312.1.1集散控制系统的产生12.1.2集散控制系统的结构12.1.3集散控制系统的特点12.1.4集散控制系统的分散方式12.1.5集散控制系统的发展12集散控制系统12.1集散控制系统概论412集散控制系统12.1.1集散控制系统的产生512集散控制系统集散控统是生产过程监视、控制技术发展和计算机与网络技术应用的产物。过程控制系统的发展历史图如图12.1所示。12.1.1集散控制系统的产生612集散控制系统12.1.1集散控制系统的产生712集散控制系统图12.1过程控制系统的发展历史12.1.1集散控制系统的产生812集散控制系统控制系统的发展历史实际上经历了一个由控制分散、管理分散，控制集中、管理集中到控制分散、管理集中的过程。集散控制系统的应用大幅度地提高了生产过程的安全性、经济性、稳定性和可靠性。12.1.1集散控制系统的产生912集散控制系统国外称集散控制系统为4C技术的产物。4C技术就是指控制(Control)技术、计算机(Computer)技术、通信(Communication)技术和CRT(CathodeRayTube)显示技术。12.1.1集散控制系统的产生1012集散控制系统12.1.2集散控制系统的结构1112集散控制系统12.1.2集散控制系统的结构图12.2集散控制系统的典型结构1212集散控制系统12.1.2集散控制系统的结构系统中的所有设备分别处于四个不同的层次，自下而上分别是：现场级、控制级、监控级和管理级。对应着这四层结构，分别由四层计算机网络即现场网络FNET(FieldNetwork)控制网络CNET(ControlNetwork)监控网络SNET(SupervisionNetwork)和管理网络MNET(ManagementNetwork)把相应的设备连接在一起。1312集散控制系统12.1.2集散控制系统的结构1.现场级典型的现场级设备是各类传感器、变送器和执行器，它们将生产过程中的各种物理量转换为电信号。目前现场级的信息传递有三种方式：传统的4-20mA(或其他类型的模拟量信号)模拟量传输方式另一种是现场总线的全数字量传输方式还有一种是在4-20mA模拟量信号上，叠加上调制后的数字量信号的混合传输方式1412集散控制系统12.1.2集散控制系统的结构2.控制级控制级主要由过程控制站和数据采集站构成。过程控制站接收由现场设备，按照一定的控制策略计算出所需的控制量，并送回到现场的执行器中去。数据采集站接收由现场设备送来的信号，并对其进行一些必要的转换和处理之后送到分散型控制系统中的其他部分，主要是监控级设备中去。1512集散控制系统12.1.2集散控制系统的结构3.监控级主要设备有运行员操作站、工程师工作站和计算站。运行员操作站安装在中央控制室，工程师工作站和计算站一般安装在电子设备室。1612集散控制系统12.1.2集散控制系统的结构4.管理级包含的内容比较广泛，一般来说，它可能是一个发电厂的厂级管理计算机，可能是若干个机组的管理计算机。它所面向的使用者是厂长、经理、总工程师、值长等行政管理或运行管理人员。1712集散控制系统12.1.3集散控制系统的特点1812集散控制系统12.1.3集散控制系统的特点1．适应性和扩展性在结构上采用了常规控制系统的模块化设计方法，无论是硬件还是软件都可以根据实际应用的需要去灵活地加以组合。模块化设计方法带来的另一个优点是系统的扩展性。集散控制系统的可扩展性具有两个明显的特征：一个是它的递进性；另一个是它的整体性1912集散控制系统12.1.3集散控制系统的特点2．控制能力在集散控制系统中，控制功能主要是由软件实现的，因此它具有高度的灵活性和完善的控制能力。它不仅能够实现常规控制系统的各种控制功能，而且还能完成各种复杂的优化控制算法和各种逻辑推理及逻辑判断。2012集散控制系统12.1.3集散控制系统的特点3．人机联系手段具有比常规控制系统更先进的人机联系手段，其中最重要的一点，就是采用了CRT图形显示和键盘操作。人机联系按照信息的流向分为“人一过程”联系和“过程一人”联系。2112集散控制系统12.1.3集散控制系统的特点4.可靠性比以往任何一种控制系统的可靠性都要高，反映在以下几方面：系统采用模块化结构以及元器件的高度集成化和严格的筛选有效地保证了控制系统的可靠性。集散控制系统广泛采用各种冗余技术。集散控制系统采用软件模块组态方法形成各种控制方案，大大地减少了由连接导线和连接端子所造成的故障。2212集散控制系统12.1.3集散控制系统的特点5.可维修性集中式计算机控制系统的可维修性比常规控制系统要好些，但由于它有一个庞大的、相互关联十分密切的硬件和软件系统，所以也要求维修人员具有较高的技术水平。2312集散控制系统12.1.3集散控制系统的特点6．安装费用控制系统的安装费用主要包括电缆、导线的安装敷设费用和控制室、电子设备室的建筑费用。2412集散控制系统12.1.4集散控制系统的分散方式2512集散控制系统12.1.4集散控制系统的分散方式包含了功能分散、物理分散与地理分散三个不同的概念。2612集散控制系统12.1.4集散控制系统的分散方式1．功能分散一个大系统的控制功能分解为一些基本的控制功能，这就是系统的功能分散。一个单元机组的控制功能在纵向上可分为四个级，即单元机组级、功能组级、子功能组级和过程I/O级。2712集散控制系统12.1.4集散控制系统的分散方式图12.3系统功能的分层分块结构2812集散控制系统12.1.4集散控制系统的分散方式2.物理分散控制分散在系统硬件上的反映，就是系统的物理分散。就分散控制系统而言，它有两种分散形式：一种为层次分散型，如图（a）所示；一种为水平分散型，如图（b）所示。2912集散控制系统12.1.4集散控制系统的分散方式图12.4层次分散（a）与水平分散（b）3012集散控制系统12.1.4集散控制系统的分散方式3．地理分散物理分散是由控制系统的硬件结构所定的。对于分散控制系统的安装布置方式而言，则有两种不同的选择：一种是地理集中式；另一种是地理分散式。地理集中式，就是把所有的基本控制单元集中安装在中央控制室或附近的电子设备室内；而所谓地理分散式，就是把基本控制单元安装在被控生产过程的附近，即在整个厂房内分散布置。3112集散控制系统12.1.5集散控制系统的发展3212.1.5集散控制系统的发展12集散控制系统集散控制系统的发展主要体现在以下几个方面：1.集散控制系统的体系结构传统的集散控制系统采用水平分散式或层次分散式的系统结构。最近的研究焦点集中在“自律分散”上，即满足“自律可控性”和“自律可协调性”的系统即为自律分散系统。自律分散系统、层次分散系统、水平分散系统和集中式系统之间的关系示于图12.5。图12.6为自律分散系统结构。3312集散控制系统12.1.5集散控制系统的发展图12.5系统关系图3412集散控制系统12.1.5集散控制系统的发展图12.6自律分散系统结构3512集散控制系统12.1.5集散控制系统的发展2．集散控制系统的网络结构传统的集散控制系统多采用制造商自行开发的专用计算机网络。随着网络技术的不断发展，集散控制系统的上层将与国际互联网Internet融合在一起，而下层将采用现场总线通信技术，使通信网络延伸到现场。最终实现以现场总线为基础的底层网Intranet、以局域网为基础的企业网Intranet和以广域网为基础的互联网Internet所构成的三网融合的网络架构。3612集散控制系统12.1.5集散控制系统的发展3．EIC综合技术在以往的过程控制系统中，电气控制装置E(Electric)、仪表控制装置I(Instrument)和计算机控制装置C(Computer)作为彼此独立的系统，分别设计和安装。采用EIC综合技术，把电气控制、仪表控制和计算机控制等功能统一由集散控制系统完成，是今后的发展方向。3712集散控制系统12.1.5集散控制系统的发展4．人机接口技术工业图形显示系统IGDS(IndustrialGraphicDisplaySystem)是最常用的人机接口设备之一。IGDS目前正向着高速度、高密度、多画面、多窗口和大屏幕方向发展。3812集散控制系统12.1.5集散控制系统的发展5．标准化、通用化技术集散控制系统的另一个重要的发展方向是大量采用标准化和通用化技术。集散控制系统中的硬件平台、软件平台、组态方式、通信协议、数据库等各方面都将采用标准化和通用化技术。3912集散控制系统12.1.5集散控制系统的发展6．人工智能未来的集散控制系统中，将逐渐采用人工智能研究成果。例如，智能报警系统IMARK(IntelligentAlarmSystemMarkingProcessDatawithSignificantWords)。4012集散控制系统12.2集散系统的通信技术及体系结构12.2.1数据通信原理12.2.2数据通信系统结构12.2.3通信协议4112集散控制系统通信就是信息从一处传输到另一处的过程。任何通信系统都是由发送装置、接收装置、信道和信息四大部分所组成的，如图12.7所示。4212集散控制系统图12.7通信系统的基本组成4312集散控制系统12.2.1数据通信原理4412集散控制系统12.2.1数据通信原理1．基本概念及术语数据信息具有一定编码、格式和字长的数字信息被称为数据信息。4512集散控制系统12.2.1数据通信原理传输速率指信道在单位时间内传输的信息量。一般以每秒钟所能够传输的比特数来表示，常记为bps或b/s。大多数集散控制系统的数据传输速率一般为0.5—100Mbps。4612集散控制系统12.2.1数据通信原理传输方式通信方式按照信息的传输方向分为：单工(simplex)方式，如图12.8(a)所示；半双工(Halfduplex)方式，如图12.8(b)所示；全双工(Fullduplex)方式，如图12.8(c)所示。4712集散控制系统12.2.1数据通信原理图12.8通信方式4812集散控制系统12.2.1数据通信原理基带传输、载带传输与宽带传输所谓基带传输，就是直接将这些脉冲信号通过信道进行传输。用基带信号调制载波之后，在信道上传输调制后的载波信号，这就是载带传输。如果要在一条信道上同时传送多路信号，这就称之为宽带传输。4912集散控制系统12.2.1数据通信原理异步传输与同步传输在异步传输中，信息以字符为单位进行传输。在同步传输中，信息以数据块为单位进行传输的。5012集散控制系统12.2.1数据通信原理串行传输与并行传输串行传输是把构成数据的各个二进制位依次在信道上进行传输的方式并行传输是把构成数据的各个二进制位同时在信道上进行传输的方式。串行传输与并行传输的示意图见图12.9。在分散控制系统中，数据通信网络几乎全部采用串行传输方式。5112集散控制系统12.2.1数据通信原理图12.9串行传输（a）与并行传输（b）的示意图5212集散控制系统12.2.1数据通信原理2．二进制数据的表示方法基带传输中数据的表示方法基带传输用各种不同的方法来表示二进制数0和1。数据表示方法如图12.10所示。信息传输有平衡传输和非平衡传输;信息传输可以分为归零传输和不归零传输;信息传输分为单极性传输和双极性传输。5312集散控制系统12.2.1数据通信原理图12.10数据表示方法5412集散控制系统12.2.1数据通信原理载带传输中的数据表示方法载带传输是指用基带信号去调制载波信号，然后传输调制信号的方法。相应地有三种调制方式，即调幅方式、调频方式和调相方式。