《DCS控制系统》PPT课件.ppt

集散控制系统原理及装置,第3章 第1部分,第3章 集散控制系统与现场总线系统,3.1 集散控制系统的发展及其组成,发展过程分散控制方式：仪表间相距过远、仪表盘尺寸过大、无法全面了解信息及操作；集中控制方式：危险过于集中，计算机出现故障时整个生产装置瘫痪；集散控制方式：控制功能分散、操作管理集中-DCS。集散控制中危险分散的方法：将控制功能分散到多台计算机上，采取双重化冗余措施。,集散控制系统的组成,现场控制站危险分散的设计原则,（以日本横河CENTUM集散控制系统为例）1、站内一个微处理器控制840个回路；2、自带程序存储器和数据库，能脱离操作站（上位机）独立控制生产过程；3、可以多个现场操作站组合控制一个大型生产过程，某站故障时只影响所控制的回路。集散控制可能涉及的问题CPU控制回路的数量与实际要求的关系-生产装置中联系紧密的控制回路数目约为840个，状态量约为100500个，集中在一个站内可省去通信过程，实时性好。,横河公司：CENTUM A型集散控制系统,配有YEWCOM 7000小型机作为上位机，包括现场控制站CFCD2、操作站COPSVCOPCV、数据通讯母线HF-BUS等构成。上位机可以连接数个终端和其它外设。现场控制站CFCD2用作直接控制，操作站COPSVCOPCV完成操作和现场监视，现场控制站和操作站通过HF-BUS相连接。,1、控制站内关键部件都采用双重化冗余；2、冗余备用设备始终处于热备用待机方式；3、设备自诊断监视，发现故障无间断平滑切换。,双重化（热备用）详细原理 P120 RF-FIG3-2、3-3核心问题：主要部件采用双配置。双配置部件包括：（1）运算控制部件、（2）供电电源、（3）总线及通信耦合器等。双重化切换原理：两个运算控制插件并联相接，某一运算控制插件有故障时相互切换，同时保证切换时无扰动。,站内集中控制危险的防范措施,双重化措施示意图,运算控制插件说明：,（1）插件可包含多路输入输出，例：MAC2有8路15V输入，8路420mA输出。（2）必要时需加接隔离电路，例：光隔输入、磁隔输出。（3）插件实际运算工作在计算机（控制部分RF-FIG-3-2）内完成，插件与计算机之间采用站内通信总线交换数据。,双重化（热备用）详细原理,多路模拟量输入输出卡结构示意框图,运算控制工作流程（以其中某一通道为例说明）,双重化（冗余）输出控制电路原理,双重化控制执行电路原理简图,双重化（冗余）输入控制电路原理,a.电流双重化输入 b.电压双重化输入,3.2 DCS现场控制站的功能,现场控制站的功能框图,DCS现场控制站概述说明,概述：控制站支持多回路控制，在加强单回路控制器的基础上增加了顺序控制功能。特点：反馈控制与顺序控制由同一CPU操纵，容易完成生产现场的工艺组合，能够实现生产全过程的自动化。说明：补充资料具有相同功能的技术手段-PLC现场控制站原理示意图（配电炉控制彩图）,DCS现场控制站的2大功能,反馈控制功能反馈控制功能的实现-由内部仪表完成，用功能自程序模块实现单回路控制仪表的功能。名词解释：内部仪表能够完成不同标准功能的程序模块顺序控制功能用于断续处理，根据控制要求，对时间、状态等条件进行逻辑判断，分步骤完成一系列操作控制。注：复杂控制中可能在连续控制中含有断续控制，断续控制的某一操作需要加入连续控制。,反馈控制功能实例,数字调节器单元内涵,缓冲罐的选择控制框图,反馈控制功能应用实例,冷却塔的顺序控制,顺序控制功能应用实例,3.3 DCS监控操作站的功能（三大功能）,工程功能-完成系统生成、系统维护、系统测试和系统管理；操作功能-监视、记录、运行；通信功能-完成现场控制站于上位机之间的数据交换。,DCS监控操作站的主要功能,主要介绍操作功能-运行中的操作画面,（1）总貌画面反映生产过程总体状况 P 132（2）分组画面-对应显示各内部仪表状态，在操作中观察其它回路的关联变化。P 133（3）回路调整画面-细致观测单元仪表的情况，可用于单回路的PID整定。P 134（4）报警画面-按时间顺序排列显示报警（总貌种只显示报警性质和场所），有声光配合。P 136（5）趋势分组画面-显示过程变化曲线，可出现在总貌画面和趋势画面。P 135（6）流程子画面绘有过程图形的仪表面板。显示在屏幕上，可模拟原有仪表。P 137,利用VB开发的一种总貌显示操作界面,现场总线技术应用基础,第3章 第2部分,现场总线技术的应用,采用现场总线的必要性：4-20mA模拟信号传输无法满足开放数字化通信的要求。现场总线的基本描述：连接智能测量与控制设备的全数字式、双向传输、多节点、多分支结构的通信链路。总结：现场总线是以智能化仪表为基础实现网络化数据传送。计算机网络通信的基础计算机网络系统的特征：是一种开放网络系统，通过网络实现数据交换和资源共享。对开放网络的要求（开放系统互连参考模型OSI）：开放系统中各种设备与网络连接必须制定统一的规则。ISO采纳了OSI通用参考模型作为一个国际标准。,OSI Open Systems Interconnection,信息数据包装及传输过程,OSI的核心：,将两个终端用户的通讯过程分为7层，每层有自己的功能集。1物理层（physical layer）：规定通信介质，完成节点之间原始比特流的传输。2数据链路层（data link layer）：发送将用户数据封装成帧，按顺序传送各帧。3网络层（network layer）：选择网络节点间信息传送的路径。4.传输层（transport layer）：建立、维护和取消传输连接，负责可靠地传输数据。5.会话层(Session Layer)：调度两个节点间通信任务的启动和停止。6.表示层（presentation layer）：信息格式的转换。7.应用层（application layer）：召唤底层协议为其服务。,HART总线模型及与标准OSI对照(模拟/数字兼容的过渡形式）,HART协议信息结构形式,HART协议信息结构属于HDL。数据长度不恒定，最多可包括25个字节。,HART总线各层功能介绍,概述：对应ISO/OSI模型的1，2，7层。物理层：标准BELL202 FSK信号加载于420mA信号上,其中1200HZ代表逻辑1，2200HZ代表逻辑0。数据链路层：规定完整的通信数据结构。应用层：规定HART命令,命令分为3类。第一类：通用命令,读型号、厂名、过程变量及单位等；第二类：普通命令,写时间常数、量程标定等；第三类：专用命令,针对个体设备的特殊性。,基金会现场总线技术（FF)6点,基金会现场总线的主要技术-技术特色及主要内容：（1）基金会总线的通信技术-包括通信模型、通信协议、通信控制芯片、通信网络及系统管理内容，涉及与网络相关的硬、软件、各种网关、网桥、中继器等。；（2）标准化功能模块与功能应用进程a.提供一个通用结构，将控制系统中各种功能划分为功能模块，使其公共特征标准化；b.规定各自的输入、输出、算法、时间、参数及块控制图并将其组成设备中的应用进程；c.便于实现不同制造商产品的混合组态与调用。（3）设备描述及描述语言a.设备描述为控制系统理解现场设备的数据提供必要信息；b.描述语言是设备描述的标准语言，采用设备描述编译器可以设备描述源程序转化为可输出文件。（4）现场总线通信控制器与智能仪器的接口技术-使现场总线与计算机平台结合，在网络上的各层次设备能够共享网络数据。（5）系统集成技术-通信系统与控制系统的集成，包括：网络通信系统组态、网络拓扑、配线、网络系统管理、控制系统组态、人机接口、系统管理维护等。（6）系统测试技术-包括通信系统一致性与可操作性测试、监听分析、系统功能和性能测试。,FF通信模型简化的ISO/OSI三层结构,用户数据的长度（位）FMS-PDU 4255FAS-PDU 5256DLL-PDU 8273PH-PDU 11280,FF通信模型,RF-P-143-FIG-3-23,FF 通信模型各层次的功能与结构,物理层：主要功能：a.实现现场设备与物理总线的连接；b.为现场设备与传输媒体的连接提供机械电气接口；c.为现场设备对总线的收发提供合乎规范的物理信号；d.应考虑电气隔离、信号滤波、设备供电等；e.一般使用双绞线，表明+、-表示接口处的极性。（1）信号编码；（2）传输参数；（3）传输介质；（4）拓扑结构；（6）网络信号波形,信号编码,采用曼彻斯特双相-L编码技术，数据流中包含时钟信息。,曼彻斯特双相-L编码技术,信号编码：采用曼彻斯特双相-L编码技术，数据流中包含时钟信息。a.协议报文编码-即数据报文，由上层的协议数据单元生层，被加载到直流电压或电流上形成物理信号，每帧协议报文的长度为8273个字节。b.前导码-用于接收器内部时钟与现场总线信号同步，为特别规定的8位数字信号。c.帧前定界码-表明信息的起点，其长度为8个时钟周期，含特殊的N+、N-码和正负跳变脉冲按规定序列组成。d.帧结束码-表示信息的终点，长度为8个时钟周期，含特殊的N+、N-码和正负跳变脉冲按规定序列组成。,现场总线设备网络接线图,拓扑结构-现场总线设备网络接线图,传输参数：a.信号电压：速率：31.25kbps、回路电路10mA、等效负载：50产生1V峰-峰值电压。b.供电电压：DC-932V。使用于本安场合时电压由安全栅额定值决定。传输介质：支持双绞线、同轴电缆、光缆、无线介质等。RF-TAB-7-1,31.25kbps现场总线网络结构,网络结构-实际电路,网络信号波形,网络信号波形,(1)信号与电源叠加。（2）以7.5 10mA等效终端上获得0.75 1.V电压信号。,数据链路层：位置：处于物理层于总线访问子层之间；作用：为总线上个链路传输活动生成协议控制信息、对传送的数据实行帧校验；功能：链路活动调度、数据接收与发送、活动状态探测与响应、总线设备与链路时间同步；描述：每个总线段-有一个媒体访问控制中心-称为链路活动调度器（LAS），LAS-按照链路活动调度表控制与设备间的数据传输。,链路活动调度器作用：拥有总线所有设备的清单，掌管总线段上各设备对总线的操作；权利：总线段上的设备只有得到LAS的许可才能传输数据。,FF总线通信活动的归类：（分2类）,两类通信活动均由LAS控制。RF-P147148-FIG-3-283-24a受调度通信-按预定时间表周期性发起的通信活动；过程：LAS按预定调度时间表周期性依次发起通信活动，用于在设备之间周期性地传送控制数据；例：现场变送器与执行器之间传送测量或控制信号。方法：调度表对应设备时刻到，LAS发CD，设备受到CD向总线广播或发布缓冲器中的数据。b非调度通信-通过得到令牌的机会发送信息的通信活动。-LAS具有以下5种功能：*向设备发送强制数据CD（Compel data），指示受调度设备传送信息；*向设备发送传递令牌PT(Pass token)，为设备提供发送非周期数据的机会；*为新入网的设备探测未被采用过的地址，用于加入活动表；*定期向总线段发布数据链路时间和调度时间；*监视设备对传递令牌的响应，不随令牌顺序进入和不返还令牌的设备删除。,链路活动调度器的调度方法,LAS的算法说明,b连路活动的调度算法-按调度表执行或发2种令牌；c活动表的维护-活动表：含响应PT的设备，定期发PN添入或将不用者删除；d数据链路的时间同步-周期性向总线广播时间发布（TD）；e令牌的传递-向活动表中设备发PT，收到PT者允许传输非调度报文；a链路活动权的竞争过程与LAS转交-竞争后某主设备成为LAS，原则：最低节点地址；fLAS冗余-LAS失效时，其它链路主设备可成为LAS。,总线应用层,功能：为用户程序访问现场总线通信环境提供必要手段或与相关应用程序之间的“窗口”。分层：现场总线报文规范子层（FMS用户命令的编解码）；现场总线访问子层（FAS管理数据传输）现场总线访问子层（FAS）作用：为FMS提供逻辑通信通道（称为：应用关系），是VCR管理的最重要的部分。现场总线报文规范（FMS）子层作用：是用户应用的接口，提供一组服务和标准的报文格式，用户应用采用这种格式在总线上传送信息。,附加层-用户应用层,另设用户应用层的原因：a.应用层的定义比较笼统，即：为开放不同的应用提供服务；b.现场总线的特殊性，即：为自动化现场仪表实现互联而设立的总线；c.借鉴集散控制的经验，将过控领域的应用层模型化-功能块。,FF现场仪表的功能块,功能块的基本概念：RF-P156159 FIG3-3236a.由功能块的参数实现某一功能；b.功能块的参数可在总线上访问；c.单一功能块可驻留在某一总线设备内；d.特定的成组功能块可驻留在一个或多个总线设备内；e.VFD中的功能块可以分为3类-资源块、功能块、转换块。,功能块说明,a资源块：表示VFD中的表示内容，包括：*制造商名、设备名、序列号、设备描述等特征；*在允许下载是提供CPU的时间、内存及硬件情况。b功能块：与过程相关的数据结构，说明如下：*基本要数：一个或多个“输入”；数据库；算法；一个或多个“输出”。*功能块启用：时间触发、外部事件驱动、根据最新数据输入更新。c转换块：传感器与执行器的模型*传送隔离：转换块与功能块之间有I/O硬件隔离，采用特定方法访问；*传送路径：转换块通过功能块的通道参数“CHANNEL”链接；*使用方式：通常每个输入或输出功能块内部都有一个转换块。d用户应用中定义的附加对象*连接对象-用于定义功能块之间的关系；*趋势对象-允许将功能块参数进行局部化；*报警对象-允许对报警状态和现场总线的事件进行报告；,常用功能块,5种：AI、DI、PID、AO、DO，过程控制最常用的3种：AI、DI、PID-AI功能块：模拟输入，根据通道参数（CHANNEL）既收转换块测量数据；RF-自动化仪表与过程控制P-158-FIG-3-34-AO功能块：模拟输出（连接阀门、定位器等），输入接前级CAS-IN，输出通过CHANNEL至转换块；RF-自动化仪表与过程控制P-158-FIG-3-35-PID功能块：为控制器标准化模块，IN参数输入，OUT参数输出。,