1、第9章 基于網(wǎng)絡(luò)的過程計算機 控制系統(tǒng),本章要點,1）了解集散控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)、內(nèi)涵和特點； 2）熟悉現(xiàn)場控制單元的硬件結(jié)構(gòu)形式及功能； 3）熟悉集散控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和通信協(xié)議； 4）掌握控制算法的組態(tài)方法； 5）了解現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的基本概念和特點； 6）熟悉常見的幾種現(xiàn)場總線及其通信模型； 7）掌握現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的設(shè)計方法。,9.1 集散控制系統(tǒng)9.1.1 集散控制系統(tǒng)概述,問題： 1）系統(tǒng)主機過于龐大，一旦出現(xiàn)故障，影響全局，可靠性差； 2）同一臺計算機完成多種不同的任務(wù)，工作效率低； 3）信息源（檢測點）和執(zhí)行器距離主機遠(yuǎn)，傳輸信息的線路費用高； 4）缺乏靈活性與可擴展性。,1 、

2、集中型過程計算機控制系統(tǒng)。,2 、分散型過程計算機 控制系統(tǒng)。,3、 集散型過程計算機 控制系統(tǒng),集散控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)由分散控制裝置、集中操作與管理系統(tǒng)和通信系統(tǒng)三部分組成。,一、集散控制系統(tǒng)的基本概念,集散控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及相互關(guān)系,二、集散控制系統(tǒng)的功能,（1）數(shù)據(jù)采集功能。,（2）監(jiān)視操作功能。,（3）過程控制功能。,三、集散控制系統(tǒng)的特點,（1）功能分散,1）分散負(fù)荷 2）分散顯示 3）分散數(shù)據(jù)庫 4）分散通信 5）分散供電,（2）信息綜合與集中管理,（3）局域網(wǎng)通信技術(shù),（4）高可靠性,（5）構(gòu)成靈活與擴展方便,（6）采用面向過程的語言， 操作使用簡單方便,過程控制單元的功能圖,四、

3、集散控制系統(tǒng)的主要類型,（1）按集散控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程劃分,第一代智能控制系統(tǒng)。,第二代智能控制系統(tǒng)。,第三代智能控制系統(tǒng)。,（2）按集散控制系統(tǒng)的規(guī)模劃分,小型集散控制系統(tǒng)。,ULFU通信接口單元 UFCH現(xiàn)場控制單元 UFMH現(xiàn)場監(jiān)視單元 CNN信號變換器 YS80數(shù)字調(diào)節(jié)器 ULDU盤裝式儀表,中型集散控制系統(tǒng)。,MOPS，MOPL操作站； PLC可編程控制器； SC信號變換器； MEXUIO擴展單元； MFCD現(xiàn)場控制單元；,大型集散控制系統(tǒng)。,AIWS人工智能站,ECMP計算機,ENGS-工程師站, EOPS中央操作站, PRIN打印機,COPY拷貝機,COPYSY局部操作站, CF

4、CSZPFCS現(xiàn)場控制站,CFCDEFCD雙重化控制站, YEWCOM9000管理計算機, CFMSZCFCDI現(xiàn)場監(jiān)視站 CFBSZ高分散控制站,9.1.2 集散控制系統(tǒng)的遞階結(jié)構(gòu),9.1.2.1 過程控制級,集散控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)自下而上可分為過程控制級、過程管理級、 生產(chǎn)管理級和經(jīng)營管理級。,1.過程控制單元（PCU）的硬件結(jié)構(gòu),（1）基于微型機的硬件結(jié)構(gòu)。,（2）IO與通用卡硬件結(jié)構(gòu)。,（3）串行通信總線+模件結(jié)構(gòu)。,（4）節(jié)點工作站結(jié)構(gòu)。,（5）過程控制單元的主要功能： 反饋控制功能；順序控制功能； 批量控制功能；數(shù)據(jù)采集與處理功能； 數(shù)據(jù)通訊功能；本地操作與監(jiān)視功能。,2.過程接口單元（

5、PIU)的硬件結(jié)構(gòu),在工業(yè)生產(chǎn)過程控制中，將完成非控制變量的采集或直接輸出的裝置稱為過程接口單元（PIU），過程接口單元按輸入信號的種類、采集速度的大小與使用的現(xiàn)場將其分為三類：HLPIU ， LLPIU ，LEPIU 。上述三種類型的通用部分通用卡文件夾（CCFA）結(jié)構(gòu)如下：,9.1.2.2 過程管理級：,集散控制系統(tǒng)的過程管理級是為實現(xiàn)集中操作和統(tǒng)一管理而設(shè)置的。其主要設(shè)備有操作站和通信設(shè)備等。操作站是由通信電纜將分散于生產(chǎn)現(xiàn)場的過程控制單元（PCU）、過程輸入/輸出單元（PIU）連接而成，可分為操作員級和工程師級。,操作站結(jié)構(gòu)框圖,的CRT操作員級畫面調(diào)用示例圖,9.1.2.3 生產(chǎn)管理

6、與經(jīng)營管理級,集散控制系統(tǒng)的過程控制級和過程管理級實現(xiàn)了生產(chǎn)裝置或生產(chǎn)過程的 集中操作和分散優(yōu)化控制，而生產(chǎn)管理和經(jīng)營管理級則對整個企業(yè)的生產(chǎn)和 經(jīng)營實現(xiàn)最優(yōu)化管理。,TDCS-3000系統(tǒng)構(gòu)成框圖,LCN為局部控制網(wǎng)絡(luò); US為通用操作站; CG、HG、PG、UG為 通信網(wǎng)絡(luò)連接器; CM為計算模件; BC為基本控制器; RBC為備用基本控制器; RCD為備用控制器指揮器; AM為應(yīng)用模件; MC為多功能控制器; HM為歷史模件; RMC為備用多功能控制器; RMCD為備用多功能控制器指揮器; PIU為過程接口單元; LOS為局部操作站。,9.1.3 集散控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò),一、通信網(wǎng)絡(luò)的形

7、式,集散控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)一般采用兩種基本形式，即主從形式和同等同等形式。,二、通信網(wǎng)絡(luò)的組成,集散控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)主要由兩部分組成，即傳輸電纜（或其他媒介）和接口設(shè)備。傳輸電纜有同軸電纜、雙股電纜、屏蔽雙絞線、光纜等；接口設(shè)備通常稱為鍵路接口單元，或稱調(diào)制解調(diào)器、網(wǎng)絡(luò)適配器等。,三、通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),1.星形結(jié)構(gòu)：,2.總線結(jié)構(gòu)：,3.環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：,4.復(fù)合形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：,四、通信協(xié)議,通信雙方對信道使用權(quán)的規(guī)定方式稱為通信協(xié)議。在集散控制系統(tǒng)中，較常用的有沖突檢測式載波偵聽多路訪問通信協(xié)議（Carrier Sensing Multi AccessCollision Detect，CSM

8、ACD）和令牌傳遞通信協(xié)議兩種。,五、數(shù)據(jù)分類與分類通信,1.數(shù)據(jù)分類： 在集散控制系統(tǒng)中，根據(jù)系統(tǒng)對數(shù)據(jù)響應(yīng)速度的不同要求，對數(shù)據(jù)進行了分類。對于要求實時傳送而且變化很快（約為毫秒級）的數(shù)據(jù)定為第一級，將操作員需要的數(shù)據(jù)定為第二級 ，第三級數(shù)據(jù)主要包括組態(tài)數(shù)據(jù)、算法等。,2.分類通信 根據(jù)數(shù)據(jù)的不同類型采用不同的通信方式 。,9.1.3 集散控制系統(tǒng)的軟件及組態(tài),1、集散控制系統(tǒng)的軟件配置,基于主計算機的軟件配置。 基于控制設(shè)備的軟件配置。,2控制算法的組態(tài),（1）組態(tài)字的構(gòu)成。,（2）組態(tài)步驟 ： 1）畫出控制系統(tǒng)框圖； 2）畫出組態(tài)字功能圖。 3）確定各槽路的有關(guān)特征，填寫組態(tài)數(shù)據(jù)表 ；

9、,3組態(tài)舉例,某加熱爐燃料流量與出料溫度組成的串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)流程圖（如下）：,組態(tài)字功能圖,組態(tài)數(shù)據(jù)表,9.2 基于現(xiàn)場總線的過程控制系統(tǒng)9.2.1 現(xiàn)場總線的基本概念,1 、現(xiàn)場總線及其應(yīng)用。,2 、現(xiàn)場總線的特點 （1）結(jié)構(gòu)特點：與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)對比如圖。,（2）技術(shù)特點： 1）開放性 2）互可操作性和互用性 3）智能性與功能自治性 4） 結(jié)構(gòu)的高度分散性 5）對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性,9.2.2 現(xiàn)場總線的通信模型,9.2.2.1 開放系統(tǒng)互連模型（OSI),9.2.2.2 現(xiàn)場總線的通信模型,1通信模型的制定原則與一般結(jié)構(gòu),不完全OSI模型 結(jié)構(gòu)越簡單越好 不同總線通信模型不同,2典型現(xiàn)場

10、總線的通信模型,（1）基金會現(xiàn)場總線FF（Foundation Fieldbus）模型,（2）過程現(xiàn)場總線PROFIBUS（Process Fieldbus）模型,（3）HART通信協(xié)議,1）物理層采用Bell 202國際標(biāo)準(zhǔn)；,2）數(shù)據(jù)鏈路層用于按HART通信協(xié)議規(guī)則建立的HART報文格式，其信息構(gòu)成包括前導(dǎo)碼、幀前定界碼、現(xiàn)場設(shè)備地址、字節(jié)數(shù)、現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)與通信狀態(tài)、數(shù)據(jù)、奇偶校驗等，如下圖。,3）應(yīng)用層規(guī)定了HART命令。,目前現(xiàn)場總線通信模型眾多，妨礙了現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展。依靠市場的力量，發(fā)展共同遵從的統(tǒng)一的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范模型，真正形成開放互連的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，是大勢所趨。幾種可能

11、的解決方案為：,1）各種現(xiàn)場總線統(tǒng)一到12種，這種可能性幾乎很??；,2）采用已經(jīng)是通用的國際標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)（Ethernet）、TCP/IP等協(xié)議，并解決它在工業(yè)控制中應(yīng)用存在的有關(guān)問題。既便這樣，它也不可能全部占領(lǐng)自動化市場；,3）開發(fā)所有現(xiàn)場總線的通用接口（如計算機的USB接口一樣），這樣做雖然成本很高，但比較可行，因為它能保證各公司的利益。,3現(xiàn)場總線通信方式的實現(xiàn),微處理器CPU實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層的功能； 通信控制單元實現(xiàn)物理層的功能，完成信息幀的編碼和解碼、幀校驗、數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收； 媒體訪問單元的主要功能是發(fā)送與接收符合現(xiàn)場總線規(guī)范的信號。,說明：,9.2.3 基于現(xiàn)場總線的過程控

12、制系統(tǒng),9.2.3.1 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng),1.可以在現(xiàn)場構(gòu)成完整的基本控制系統(tǒng)；,9.2.3.2 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的方案設(shè)計,特點,2.可以與多個現(xiàn)場智能設(shè)備互換信息；,3.可以很方便地構(gòu)成復(fù)雜的過程控制系統(tǒng),4.與集散控制系統(tǒng)相比，具有控制功能更加分散，智能化與功能自治性更高、系統(tǒng)的構(gòu)成更加靈活、可擴展性與可互換性更強、可靠性與可維護性更好等諸多優(yōu)點。,鍋爐汽包水位常規(guī)儀表控制系統(tǒng),現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)設(shè)計步驟,1、 選擇必需的智能儀表,2、 選擇計算機與網(wǎng)絡(luò)配件的配置方案,1）基于PC總線接口卡（PCI）的配置方案；,2）基于通信控制器的配置方案。,3 、選擇或開發(fā)組態(tài)軟件,組態(tài)軟件的功能：,1）能在界面上選擇設(shè)備；,2）能對所選設(shè)備分配位號；,3）能選擇功能模塊；,4）能實現(xiàn)連接；,5）能賦予特征參數(shù)；,6）能進行網(wǎng)絡(luò)組態(tài)；,7）能下載信息。,4、組態(tài)過程示例,1）選擇功能模塊；,2）完成功能模塊的位號分配及其連接；,3）確定功能模塊的特征參數(shù)