工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)

1、工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)學(xué)習(xí)重點 工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)是一種涉及局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)、分布式計算等多方面技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)，在工業(yè)自動化領(lǐng)域中還包含現(xiàn)場檢測和控制系統(tǒng)。作為一種綜合應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的特點是要適應(yīng)各類工業(yè)企業(yè)的不同應(yīng)用需求，并確定各具應(yīng)用特色的技術(shù)實現(xiàn)方案。本章重點對對工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中的集散控制系統(tǒng)、現(xiàn)場控制系統(tǒng)、工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)組成及工作原理進行論述。1.工業(yè)控制的需求？2. 問什么要研究工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)？5節(jié)省成本的潛力安裝節(jié)省 電線 PLC I/O板 安裝元件（Ex-/電流隔離器等） 排列機架 空間 減少錯誤 減少安裝時間工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是在工業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)代化要求情況下提出來的，與

2、計算機技術(shù)、控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)。 隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，Internet正在把全世界的計算機系統(tǒng)、通信系統(tǒng)逐漸集成起來，形成信息高速公路，形成公用數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。在此基礎(chǔ)上，傳統(tǒng)的工業(yè)控制領(lǐng)域也正經(jīng)歷一場前所未有的變革，開始向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，形成了新的控制網(wǎng)絡(luò)。 工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)一般用來處理現(xiàn)場實時的測控信息,是網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)進行實時控制信息處理的數(shù)據(jù)流通道。它是工業(yè)企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的一個重要部分（另一部分是信息網(wǎng)絡(luò)）。 按照工業(yè)自動化與信息化層次模型，控制網(wǎng)絡(luò)可以分為兩類：設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)，如 Profibus等 面向自動化的主干控制網(wǎng)絡(luò)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)8工業(yè)控制網(wǎng)與企業(yè)網(wǎng) 工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)

3、域中的具體應(yīng)用，是工業(yè)企業(yè)網(wǎng)中的一個重要組成部分。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)一般可以分為上層的信息網(wǎng)和下層的控制網(wǎng)。有如下三種常見的體系結(jié)構(gòu)： 信息網(wǎng)絡(luò)與控制網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一組網(wǎng)，再與現(xiàn)場總線互聯(lián)構(gòu)成工業(yè)企業(yè)網(wǎng)。如圖所示。 現(xiàn)場設(shè)備的控制采用嵌入式系統(tǒng)加以實現(xiàn)，該嵌入式系統(tǒng)具有網(wǎng)絡(luò)通信能力的接口，能夠?qū)崿F(xiàn)與控制網(wǎng)的信息交換，而控制網(wǎng)與信息網(wǎng)統(tǒng)一構(gòu)建組網(wǎng)形成工業(yè)企業(yè)網(wǎng)。如圖 所示。10 現(xiàn)場總線與內(nèi)聯(lián)網(wǎng)集成。在該方案中，動態(tài)數(shù)據(jù)庫一方面根據(jù)現(xiàn)場信息，動態(tài)地修改自身的數(shù)據(jù)；另一方面接收監(jiān)控站的控制信息對其進行處理并送往現(xiàn)場。同時，為了保證控制的實時性，控制信息也可 直 接 下 送 至 現(xiàn) 場 。 如 圖 所 示 。典

4、型工業(yè)企業(yè)網(wǎng) 工業(yè)企業(yè)網(wǎng)的產(chǎn)生和發(fā)展背景 工業(yè)企業(yè)網(wǎng)的產(chǎn)生和發(fā)展是需求拉動和技術(shù)推動的結(jié)果。 從需求上來說，作為企業(yè)信息基礎(chǔ)設(shè)施的企業(yè)網(wǎng)越來越被企業(yè)所重視，企業(yè)的需求呼喚著企業(yè)網(wǎng)的產(chǎn)生和發(fā)展。 從技術(shù)上來說，飛速發(fā)展的計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)和控制技術(shù)推動著企業(yè)網(wǎng)技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展。工業(yè)企業(yè)網(wǎng)正是這3種技術(shù)在企業(yè)中的融合和應(yīng)用。工業(yè)企業(yè)網(wǎng)的基本概念和特性 工業(yè)企業(yè)網(wǎng)（Enterprise Network）目前尚無統(tǒng)一定義。一般是指在一個工業(yè)企業(yè)范圍內(nèi)將實現(xiàn)信號檢測、控制以及數(shù)據(jù)傳遞、處理與計算的設(shè)備、裝置或系統(tǒng)連接在一起，以實現(xiàn)企業(yè)內(nèi)的資源共享、信息管理、過程控制、經(jīng)營決策，并能夠訪問企業(yè)外的

5、信息資源，使得各項事務(wù)協(xié)調(diào)運作，從而實現(xiàn)企業(yè)集成管理和控制的一種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。 工業(yè)企業(yè)網(wǎng)有很多的特性，如：范圍確定性、集成性、安全性以及相對開放性等等。工業(yè)企業(yè)網(wǎng)的發(fā)展歷程 工業(yè)企業(yè)網(wǎng)的發(fā)展有三個階段： 20世紀 70年代中期開始，企業(yè)網(wǎng)只是指企業(yè)中傳統(tǒng)的分時共享中心主機及其各終端所構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，基本上只限于作業(yè)處理，其功能和應(yīng)用是有限的。 隨著局域網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，企業(yè)內(nèi)不僅中小型計算機而且微型計算機也能夠被連入網(wǎng)絡(luò)，共享信息與資源，其功能有了很大的擴展。而且由于工業(yè)以太網(wǎng)、集散控制系統(tǒng)以及可編程序控制器的產(chǎn)生和發(fā)展，工業(yè)企業(yè)內(nèi)的現(xiàn)場控制設(shè)備也被集成到一起，使得企業(yè)網(wǎng)發(fā)展到了一個新階段。工業(yè)企業(yè)網(wǎng)的

6、發(fā)展有三個階段(續(xù)) 從 20世紀 90年代開始，由于 Internet技術(shù)的成熟和迅速推廣，出現(xiàn)了 Intranet的概念，進而在 Intranet的基礎(chǔ)上又出現(xiàn)了 Extranet（外聯(lián)網(wǎng)）和基礎(chǔ)網(wǎng)的概念，而且現(xiàn)場總線技術(shù)也越來越為人們所接受，并被普遍用于過程自動化、制造自動化、樓宇自動化等系統(tǒng)之中，于是便分別以Infranet或Extranet技術(shù)和現(xiàn)場總線技術(shù)（或工業(yè)以太網(wǎng)）為信息網(wǎng)絡(luò)和控制網(wǎng)絡(luò)的依托，形成了當(dāng)前意義上的企業(yè)網(wǎng)概念。什么是Extranet、Intranet、 Infranet ？ Extranet（外聯(lián)網(wǎng)）是一個使用Internet/Intranet技術(shù)使企業(yè)與其客戶、

7、其他企業(yè)相連來完成其共同目標的合作網(wǎng)絡(luò)。它通過存取權(quán)限的控制，允許合法使用者存取遠程公司的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)資源，達到企業(yè)與企業(yè)間資源共享的目的。 Intranet（企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)）與Internet相比，Internet是面向全球的網(wǎng)絡(luò)，而Intranet則是Internet 技術(shù)在企業(yè)機構(gòu)內(nèi)部的實現(xiàn),它能夠以極少的成本和時間將一個企業(yè)內(nèi)部的大量信息資源高效合理地傳遞到每個人。Intranet為企業(yè)提供了一種能充分利用通訊線路、經(jīng)濟而有效地建立企業(yè)內(nèi)聯(lián)網(wǎng)的方案 Infranet（基礎(chǔ)網(wǎng)）是一個通用的、公共的、數(shù)據(jù)包交換網(wǎng)絡(luò)補充設(shè)施，為企業(yè)和高要求的私人用戶提供一個高安全性、靈活性和高質(zhì)量服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

8、Internet與Intranet及Extranet的比較：Internet Internet Intranet Intranet Extranet Extranet 參與人員參與人員 一般大一般大眾眾 公司內(nèi)部員工公司內(nèi)部員工 公司內(nèi)部員工、顧客、戰(zhàn)公司內(nèi)部員工、顧客、戰(zhàn)略聯(lián)盟廠商略聯(lián)盟廠商 存取模式存取模式 自由自由授權(quán)授權(quán) 授權(quán)授權(quán) 可用帶寬可用帶寬 少少多多 中等中等 隱私性隱私性 低低高高中等中等 安全性需求安全性需求 高高較低較低較高較高 控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)的互連1）必要性可以建立實時信息庫有利于決策?？梢约皶r交換控制信息和生產(chǎn)信息，有利于了解生產(chǎn)情況。建立分布式數(shù)據(jù)庫有利于保證數(shù)

9、據(jù)的一致性完整性和互操作性?？梢詫刂凭W(wǎng)絡(luò)進行遠程操作，節(jié)省資源。為企業(yè)提供完善的信息資源。2）特點 要求節(jié)點有較高的實時性。 容錯能力強，有較高的可靠性和安全性。 控制網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實用、簡單、可靠以及結(jié)構(gòu)的分散性。 現(xiàn)場控制設(shè)備的智能化和功能自治性。 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸量小和節(jié)點處理能力需要減小。性能價格比高。3）應(yīng)用Internet對傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的影響Infranet和 Intranet與現(xiàn)場總線的結(jié)合 目前控制系統(tǒng)的設(shè)計思想已經(jīng)趨向于網(wǎng)絡(luò)化、分散化、開放性等。網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點不僅有計算機、工作站，還有智能測控儀表。當(dāng)傳統(tǒng)DCS逐漸走向基于現(xiàn)場總線的Infranet之后，就可能建立Internet的新型

10、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過網(wǎng)絡(luò)互連的控制系統(tǒng)功能將遠遠大于系統(tǒng)中獨立個體功能的總和，我們把這種強大的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)稱為“網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)”。工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的特點分析1.集散控制系統(tǒng) 計算機 A /D 轉(zhuǎn) 換 D /A 轉(zhuǎn) 換 變 送 器 /執(zhí) 行 器 檢 測 /執(zhí) 行 元 件 被控對象 計算機集中控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的特點分析1.集散控制系統(tǒng) 集散控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 現(xiàn) 場 控 制 室 控 制 單 元 （ 控 制 ） 工 作 站 工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)集散控制系統(tǒng) CRT 操作站 臨控計算機 過程控制單元 （PCU） 數(shù)據(jù)采集單元 （DAU） 高速數(shù)據(jù)總線 （HW） 第一代DCS結(jié)構(gòu) 3.2 工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

11、工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)集散控制系統(tǒng) 圖 3-5 第二代DCS結(jié)構(gòu) 主 計 算 機 （ H C ） 通 過 操 作 站 （ U S ） 系 統(tǒng) 管 理 模 塊 （ S M M ） 多 功 能 控 制 器 （ M C ） 網(wǎng) 間 連 接 器 （ G W ） 局 域 網(wǎng) 絡(luò) （ L A N ） G W C P U C R T 顯 示 器 D A U E O S 增 強 型 操 作 站 其他網(wǎng)絡(luò) 3.2 工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)集散控制系統(tǒng) 第三代DCS的四個層次 經(jīng) 營 管 理 級 過 程 控 制 級 生 產(chǎn) 管 理 級 控 制 管 理 級 與一般的計算機控制系統(tǒng)相比，DCS具有以下特點：（1）松

12、耦合的多處理器系統(tǒng)，可實現(xiàn)硬件積木化；（2）軟件模塊化；（3）控制系統(tǒng)用組態(tài)方法生成；（4）通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用；（5）可靠性高。集散控制系統(tǒng)DCS 集散控制系統(tǒng)是集散控制系統(tǒng)是20世紀世紀70年代中期發(fā)展起來的以微處理年代中期發(fā)展起來的以微處理器為基礎(chǔ)的、實行集中管理、分散控制的計算機控制系器為基礎(chǔ)的、實行集中管理、分散控制的計算機控制系統(tǒng)。它是統(tǒng)。它是計算機計算機（Computer）、）、通信通信（Communication）、）、 CRT和和控制控制（Control）技術(shù)發(fā)）技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物。由于該系統(tǒng)在發(fā)展初期以實行分散控制為主展的產(chǎn)物。由于該系統(tǒng)在發(fā)展初期以實行分散控制為主，因此又稱為分散型

13、控制系統(tǒng)或分布式系統(tǒng)（，因此又稱為分散型控制系統(tǒng)或分布式系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS），簡稱為集散系），簡稱為集散系統(tǒng)或統(tǒng)或DCS DCS自問世以來，發(fā)展異常迅速，幾經(jīng)更新?lián)Q代，技術(shù)性能日臻完善，并以其技術(shù)先進、性能可靠、構(gòu)成靈活、操作簡便和價格合理的特點，贏得了廣大用戶，已被廣泛應(yīng)用于是有、化工、電力、冶金和輕工等工業(yè)領(lǐng)域 集散控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)集散控制系統(tǒng)經(jīng)過三十多年的發(fā)展，其結(jié)構(gòu)不斷更新。隨著 DCS 開放性的增強，其層次化的體系結(jié)構(gòu)特征更加顯著，充分體現(xiàn)了DCS集中管理、分散控制的設(shè)計思想。DCS是縱向分層、橫向分散的大型綜合控制系統(tǒng)，它以多層局部網(wǎng)

14、絡(luò)為依托，將分布在整個企業(yè)范圍內(nèi)的各種控制設(shè)備和數(shù)據(jù)處理設(shè)備連接在一起，實現(xiàn)各部分的信息共享和協(xié)調(diào)工作，共同完成各種控制、管理及決策任務(wù)。 下圖為一個DCS的典型體系結(jié)構(gòu)。按照DCS各組成部分的功能分布，所有設(shè)備分別處于四個不同的層次，自下而上分別是：現(xiàn)場控制級、過程控制級、過程管理級和經(jīng)營管理級。與這四層結(jié)構(gòu)相對應(yīng)的四層局部網(wǎng)絡(luò)分別是現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò) (Field Network，F(xiàn)net)、控制網(wǎng)絡(luò) (Control Network，Cnet)、監(jiān)控網(wǎng)絡(luò) (Supervision Network，Snet) 和管理網(wǎng)絡(luò) (Management Network，Mnet)。 集散控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

15、DCS的構(gòu)成與聯(lián)系的構(gòu)成與聯(lián)系一一.DCS硬件基本構(gòu)成硬件基本構(gòu)成橋梁系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)：連接各站的進行應(yīng)用組態(tài)和監(jiān)控工程師站：對與計算機的人機交互操作員站：完成操作員現(xiàn)場測量單元運算器、存儲器核心現(xiàn)場控制站DCS:DCS1.現(xiàn)場控制級 現(xiàn)場控制級設(shè)備直接與生產(chǎn)過程相連，是DCS的基礎(chǔ)。典型的現(xiàn)場控制級設(shè)備是各類傳感器、變送器和執(zhí)行器。它們將生產(chǎn)過程中的各種工藝變量轉(zhuǎn)換為適宜于計算機接收的電信號，送往過程控制站或數(shù)據(jù)采集站；過程控制站又將輸出的控制器信號送到現(xiàn)場控制級設(shè)備，以驅(qū)動控制閥或變頻調(diào)速裝置等，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制。歸納起來，現(xiàn)場控制級設(shè)備的任務(wù)主要有以下幾個方面。一是完成過程數(shù)據(jù)采集與處理。二

16、是直接輸出操作命令、實現(xiàn)分散控制。三是完成與上級設(shè)備的數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫共享。四是完成對現(xiàn)場控制級智能設(shè)備的監(jiān)測、診斷和組態(tài)等?，F(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)與各類現(xiàn)場傳感器、變送器和執(zhí)行器相連，以實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的監(jiān)測與控制。同時與過程控制級的計算機相連，接收上層的管理信息，傳遞裝置的實時數(shù)據(jù)。 現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)的信息傳遞有三種方式，一種是傳統(tǒng)的模擬信號 傳輸方式，第二種是全數(shù)字信號（現(xiàn)場總線信號）傳輸方式；第三種是混合信號（如在 模擬量信號上，疊加調(diào)制后的數(shù)字量信號）傳輸方式?，F(xiàn)場信息以現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)的全數(shù)字傳輸是今后的發(fā)展方向。 2.過程控制級過程控制級主要由過程控制站、數(shù)據(jù)采集站和現(xiàn)場總線接口等構(gòu)成。過程控制站

17、接收現(xiàn)場控制級設(shè)備送來的信號，按照預(yù)定的控制規(guī)律進行運算，并將運算結(jié)果作為控制信號，送回到現(xiàn)場的執(zhí)行器中去。過程控制站可以同時實現(xiàn)反饋控制、邏輯控制或順序控制等功能。 數(shù)據(jù)采集站與過程控制站類似，也接收由現(xiàn)場設(shè)備送來的信號，并對其進行必要的轉(zhuǎn)換和處理之后送到集散控制系統(tǒng)中的其他工作站（如過程管理級設(shè)備）。數(shù)據(jù)采集站接收大量的非控制過程信息，并通過過程管理級設(shè)備傳遞給運行人員，它不直接完成控制功能。在DCS的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)上可以掛接現(xiàn)場總線服務(wù)器 (Fieldbus Server，F(xiàn)S)，實現(xiàn)DCS網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場總線的集成。現(xiàn)場總線服務(wù)器是一臺安裝了現(xiàn)場總線接口卡與DCS監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)接口卡的完整的計算機?，F(xiàn)場

18、設(shè)備中的輸入、輸出、運算、控制等功能模塊，可以在現(xiàn)場總線上獨立構(gòu)成控制回路，不必借用DCS控制站的功能。過程控制級的主要功能表現(xiàn)在以下幾個方面。一是采集過程數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與處理；二是對生產(chǎn)過程進行監(jiān)測和控制，輸出控制信號，實現(xiàn)反饋控制、邏輯控制、順序控制和批量控制功能；三是現(xiàn)場設(shè)備及 I/O 卡件的自診斷；四是與過程操作管理級進行數(shù)據(jù)通信。3.過程管理級過程管理級的主要設(shè)備有操作站、工程師站和監(jiān)控計算機等。操作站是操作人員與DCS相互交換信息的人機接口設(shè)備，是DCS的核心顯示、操作和管理裝置。操作人員通過操作站來監(jiān)視和控制生產(chǎn)過程，可以在操作站上觀察生產(chǎn)過程的運行情況，了解每個過程變量的數(shù)

19、值和狀態(tài)，判斷每個控制回路是否工作正常，并且可以根據(jù)需要隨時進行手動、自動、串級、后備串級等控制方式的無擾動切換，修改設(shè)定值，調(diào)整控制信號，操控現(xiàn)場設(shè)備，以實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的干預(yù)。另外還可以打印各種報表，復(fù)制屏幕上的畫面和曲線等。 為了實現(xiàn)以上功能，操作站是由一臺具有較強圖形處理功能的微型機，以及相應(yīng)的外部設(shè)備組成的，一般配有 CRT或LCD 顯示器、大屏幕顯示裝置 (選件)、打印機、鍵盤、鼠標等，開放型DCS采用個人計算機作為其人機接口。工程師站是為了控制工程師對DCS進行配置、組態(tài)、調(diào)試、維護所設(shè)置的工作站。工程師站的另一個作用是對各種設(shè)計文件進行歸類和管理，形成各種設(shè)計、組態(tài)文件，如各種圖

20、樣、表格等。工程師站一般由 PC 機配置一定數(shù)量的外部設(shè)備組成，例如打印機、繪圖儀等。 監(jiān)控計算機的主要任務(wù)是實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的監(jiān)督控制，如機組運行優(yōu)化和性能計算，先進控制策略的實現(xiàn)等。根據(jù)產(chǎn)品、原材料庫存以及能源的使用情況，以優(yōu)化準則來協(xié)調(diào)裝置間的相互關(guān)系，以實現(xiàn)全企業(yè)的優(yōu)化管理。另外，監(jiān)控計算機通過獲取過程控制級的實時數(shù)據(jù)，進行生產(chǎn)過程的監(jiān)視、故障檢測和數(shù)據(jù)存檔。由于監(jiān)控計算機的主要功能是完成復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理和運算功能，因此，對它主要是運算能力和運算速度的要求。一般，監(jiān)控計算機由超級微型機或小型機構(gòu)成。 4.經(jīng)營管理級 經(jīng)營管理級是全廠自動化系統(tǒng)的最高一層。只有大規(guī)模的集散控制系統(tǒng)才具備這一級

21、。經(jīng)營管理級的設(shè)備可能是廠級管理計算機，也可能是若干個生產(chǎn)裝置的管理計算機。它們所面向的使用者是廠長、經(jīng)理、總工程師等行政管理或運行管理人員。 經(jīng)營管理級也可分為實時監(jiān)控和日常管理兩部分。實時監(jiān)控是全廠各機組和公用輔助工藝系統(tǒng)的運行管理層，承擔(dān)全廠性能監(jiān)視、運行優(yōu)化、全廠負荷分配和日常運行管理等任務(wù)。日常管理承擔(dān)全廠的管理決策、計劃管理、行政管理等任務(wù)，主要是為廠長和各管理部門服務(wù)。對管理計算機的要求是具有能夠?qū)刂葡到y(tǒng)做出高速反應(yīng)的實時操作系統(tǒng)，能夠?qū)Υ罅?數(shù)據(jù)進行高速處理與存儲，具有能夠連續(xù)運行可冗余的高可靠性系統(tǒng)，能夠長期保存生產(chǎn)數(shù) 據(jù)，并具有優(yōu)良的、高性能的、方便的人機接口，豐富的數(shù)據(jù)

22、庫管理軟件，過程數(shù)據(jù)收集軟件，人機接口軟件以及生產(chǎn)管理系統(tǒng)生成等工具軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)整個工廠的網(wǎng)絡(luò)化和計算機的集成化。 集散控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)DCS 的硬件系統(tǒng)主要由集中操作管理裝置、分散過程控制裝置和通信接口設(shè)備等組成，通過通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將這些硬件設(shè)備連接起來，共同實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、分散控制和集中監(jiān)視、操作及管理等功能。由于不同 DCS 廠家采用的計算機硬件不盡相同，因此，DCS 的硬件系統(tǒng)之間的差別也很大。為了從功能上和類型上來介紹 DCS 的硬件構(gòu)成，只能拋開各種具體的 DCS 的硬件組成及特點。集中操作管理裝置的主要設(shè)備是操作站，而分散過程控制裝置的主要設(shè)備是現(xiàn)場控制站。這里，著重介紹DCS

23、的現(xiàn)場控制站和操作站。 現(xiàn)場控制站現(xiàn)場控制站從功能上講，分散過程控制裝置主要包括現(xiàn)場控制站、數(shù)據(jù)采集站、順序邏輯控制站和批量控制站等，其中現(xiàn)場控制站功能最為齊全，為了便于結(jié)構(gòu)的劃分, 下面統(tǒng)稱之為現(xiàn)場控制站?，F(xiàn)場控制站是DCS與生產(chǎn)過程之間的接口，它是DCS的核心。分析現(xiàn)場控制站的構(gòu)成，有助于理解DCS的特性。 現(xiàn)場控制站是一個可獨立運行的計算機檢測控制系統(tǒng)。由于它是專為過程檢測、控制而設(shè)計的通用型設(shè)備，所以其機柜、電源、輸入輸出通道和控制計算機等與一般的計算機系統(tǒng)有所不同。 1.機柜 現(xiàn)場控制站的機拒內(nèi)部均裝有多層機架，以供安裝各種模塊及電源之用。為了給機柜內(nèi)部的電子設(shè)備提供完善的電磁屏蔽，

24、其外殼均采用金屬材料 (如鋼板或鋁材)，并且活動部分 (如柜門與機柜主體) 之間要保證有良好的電氣連接。同時，機柜還要求可靠接地，接地電阻應(yīng)小于 4。為保證柜中電子設(shè)備的散熱降溫，一般柜內(nèi)均裝有風(fēng)扇，以提供強制風(fēng)冷。同時為防止灰塵侵入，在與柜外進行空氣交換時，要采用正壓送風(fēng)，將柜外低溫空氣經(jīng)過濾網(wǎng)過濾后引入柜內(nèi)。 在灰塵多、潮濕或有腐蝕性氣體的場合 (例如安裝在室外使用時)，一些廠家還提供有密封式機柜，冷卻空氣僅在機柜內(nèi)循環(huán)，通過機柜外殼的散熱葉片與外界交換熱量。為了保證在特別冷或熱的室外環(huán)境下正常工作，還為這種密封式機柜設(shè)計了專門的空調(diào)裝置，以保證柜內(nèi)溫度維持在正常值。另外，現(xiàn)場控制站機柜內(nèi)

25、大多設(shè)有溫度自動檢測裝置，當(dāng)機柜內(nèi)溫度超過正常范圍時，會產(chǎn)生報警信號。 2.電源只有保持電源 ( 交流電源和直流電源 )穩(wěn)定、可靠，才能確?，F(xiàn)場控制站正常工作。為了保證電源系統(tǒng)的可靠性，通常采取以下幾種性措施(1)每一個現(xiàn)場控制站均采用雙電源供電，互為冗余。 (2)如果現(xiàn)場控制站機拒附近有經(jīng)常開關(guān)的大功率用電設(shè)備，應(yīng)采用超級隔離變壓器，將其初級、次級線圈間的屏蔽層可靠接地，以克服共模干擾的影響。(3)如果電網(wǎng)電壓波動很嚴重，應(yīng)采用交流調(diào)壓器，快速穩(wěn)定供電電壓。 3.控制計算機 控制計算機是現(xiàn)場控制站的核心，一般是由 CPU、存儲器、輸入 / 輸出通道等基本部分組成。 操作站操作站 DCS 操作

26、站一般分為操作員站和工程師站兩種。其中工程師站主要是技術(shù)人員與控制系統(tǒng)的人機接口，或者對應(yīng)用系統(tǒng)進行監(jiān)視。工程師站上配有組態(tài)軟件，為用戶提供了一個靈活的、功能齊全的工作平臺，通過它來實現(xiàn)用戶所要求的各種控制策略。為節(jié)省投資，許多系統(tǒng)的工程師站可以用一個操作員站代替。 運行在PC硬件平臺、NT操作系統(tǒng)下的通用操作站的出現(xiàn)，給DCS用戶帶來了許多方便。由于通用操作站的適用面廣，相對生產(chǎn)量大，成本下降，因而可以節(jié)省用戶的經(jīng)費。維護費用也比較少。采用通用系統(tǒng)要比使用各種不同的專用系統(tǒng)更為簡單，用戶也可減少人員培訓(xùn)的費用。開放性能好，很容易建立生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)，更新和升級容易。因此，通用操作站是DCS的

27、發(fā)展方向。為了實現(xiàn)監(jiān)視和管理等功能，操作站必須配置有以下設(shè)備。 1.操作臺操作臺用來安裝、承載和保護各種計算機和外部設(shè)備。目前流行的操作臺有桌式操作臺、集成式操作臺和雙屏操作臺等，用戶可以根據(jù)需要選擇使用。2.微處理機系統(tǒng) DCS 操作站的功能越來越強，這就對操作站的微處理機系統(tǒng)提出了更高的要求。一般的 DCS操作站采用 32 位或 64 位微處理機。 3.外部存儲設(shè)備為了很好的完成 DCS 操作站的歷史數(shù)據(jù)存儲功能，許多 DCS 的操作站都配有一到兩個大容量的外部存儲設(shè)備，有些系統(tǒng)還配備了歷史數(shù)據(jù)記錄儀。 4.圖形顯示設(shè)備當(dāng)前DCS的圖形顯示設(shè)備主要是LCD，有些DCS還在使用CRT。有些D

28、CS操作站配備有廠家專用的圖形顯示器。 5.操作鍵盤和鼠標(l)操作員鍵盤 操作員鍵盤一般都采用具有防水、防塵能力、有明確圖案或標志的薄膜鍵盤。這種鍵盤從鍵的分配和布置上都充分考慮到操作直觀、方便，外表美觀，并且在鍵體內(nèi)裝有電子蜂鳴器，以提示報警信息和操作響應(yīng)。(2)工程師鍵盤 工程師鍵盤一般為常用的擊打式鍵盤，主要用來進行編程和組態(tài)?，F(xiàn)代的DCS操作站已采用了通用PC機系統(tǒng)，因此，無論是操作員鍵盤，還是工程師鍵盤都在使用通用標準鍵盤和鼠標。6.打印輸出設(shè)備有些DCS 操作站配有兩臺打印機，一臺用于打印生產(chǎn)記錄報表和報警報表；另一臺用來拷貝流程畫面。隨著激光等非擊打式打印機的性能不斷提高，價格

29、不斷下降，有的 DCS 己經(jīng)采用這類打印機，以求得清晰、美觀的打印質(zhì)量和降低噪聲。 集散控制系統(tǒng)的軟件體系一個計算機系統(tǒng)的軟件一般包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩部分。由于集散控制系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，在其軟件體系中既包括了上述兩種軟件，還增加了諸如通信管理軟件、組態(tài)生成軟件及診斷軟件等。 集散控制系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件集散控制系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件集散控制系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件是一組支持開發(fā)、生成、測試、運行和維護程序的工具軟件，它與一般應(yīng)用對象無關(guān)，主要由實時多任務(wù)操作系統(tǒng)、面向過程的編程語言和工具軟件等部分組成。 集散控制系統(tǒng)的組態(tài)軟件集散控制系統(tǒng)的組態(tài)軟件DCS組態(tài)是指根據(jù)實際生產(chǎn)過程控制的需要，利用DCS所提供的硬件

30、和軟件資源，預(yù)先將這些硬件設(shè)備和軟件功能模塊組織起來，以完成特定的任務(wù)。這種設(shè)計過程習(xí)慣上稱作組態(tài)或組態(tài)設(shè)計。從大的方面講，DCS的組態(tài)功能主要包括硬件組態(tài)(又叫配置)和軟件組態(tài)兩個方面。DCS軟件一般采用模塊化結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)的圖形顯示功能、數(shù)據(jù)庫管理功能、控制運算功能、歷史存儲功能等都有成熟的軟件模塊。但不同的應(yīng)用對象，對這些內(nèi)容的要求有較大的區(qū)別。因此，一般的DCS具有一個(或一組)功能很強的軟件工具包(即組態(tài)軟件)，該軟件具有一個友好的用戶界面，使用戶在不需要什么代碼程序的情況下便可以生成自己需要的應(yīng)用“程序”。 操作系統(tǒng)是一組程序的集合，用來控制計算機系統(tǒng)中用戶程序的執(zhí)行順序，為用戶程序

31、與系統(tǒng)硬件提供接口軟件，并允許這些程序 ( 包括系統(tǒng)程序和用戶程序 ) 之間交換信息。用戶程序也稱為應(yīng)用程序，用來完成某些應(yīng)用功能。在實時工業(yè)計算機系統(tǒng)中，應(yīng)用程序用來完成功能規(guī)范中所規(guī)定的功能，而操作系統(tǒng)則是控制計算機自身運行的系統(tǒng)軟件。 集散控制系統(tǒng)的基本功能集散控制系統(tǒng)自問世至今，市場上的產(chǎn)品不計其數(shù)。它們結(jié)構(gòu)類型各具特色，功能特性有弱有強，但一些基本功能是必須具備的。這里主要介紹現(xiàn)場控制站和操作站的基本功能。 現(xiàn)場控制站的基本功能現(xiàn)場控制站的基本功能現(xiàn)代DCS的現(xiàn)場控制站是多功能型的，其基本功能包括反饋控制、邏輯控制、順序控制、批量控制、數(shù)據(jù)采集與處理和數(shù)據(jù)通信等功能。 1.反饋控制在

32、生產(chǎn)過程控制諸多類型中，反饋控制仍然是數(shù)量最多、最基本、最重要的控制方式?，F(xiàn)場控制站的反饋控制功能主要包括輸入信號處理、報警處理、控制運算、控制回路組態(tài)和輸出信號處理等。 (1)輸入信號處理對于過程的模擬量信號，一般要進行采樣、模 / 數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、合理性檢驗、規(guī)格化、工程量變換、零偏修正、非線性處理、補償運算等。對于數(shù)字信號則進行狀態(tài)報警及輸出方式處理。對于脈沖序列，需進行瞬時值變換及累積計算。 (2)報警處理集散控制系統(tǒng)具有完備的報警功能，使操作管理人員能得到及時、準確又簡潔的報警信息，從而保證了安全操作。DCS 的報警可選擇各種報警類型、報警限值和報警優(yōu)先級。 操作站的基本功能操作站

33、的基本功能操作站的基本功能主要表現(xiàn)為顯示、操作、報警、組態(tài)、系統(tǒng)維護和報告生成等幾個方面。 1.顯示操作站的彩色顯示器(CRT或LCD)具有很強的顯示功能。DCS能將系統(tǒng)信息集中地反映在屏幕上，并自動地對信息進行分析、判斷和綜合。它以模擬方式、數(shù)字方式及趨勢曲線實時顯示每個控制回路的測量值(PV)、設(shè)定值(SV)及控制輸出值(MV)。所有控制回路以標記形式顯示于總貌畫面中，而每個回路中的信息又可以詳盡地顯示于分組畫面中。非控制變量的實時測量值以及經(jīng)處理后的輸出值也可以各種方式在屏幕上顯示。2.操作操作站可對全系統(tǒng)每個控制回路進行操作，對設(shè)定值、控制輸出值、控制算式中的常數(shù)值、順控條件值和操作值

34、進行調(diào)整，對控制回路中的各種操作方式 ( 如手動、自動、串級、計算機、順序手動等 ) 進行切換。對報警限設(shè)定值、順控定時器及計數(shù)器的設(shè)定值進行修改和再設(shè)定。為了保證生產(chǎn)的安全，還可以采取緊急操作措施。 3.報警操作站以畫面方式、色彩 ( 或閃光 ) 方式、模擬方式、數(shù)字方式及音響信號方式對各種變量的越限和設(shè)備狀態(tài)異常進行各種類型的報警。 4.報告生成根據(jù)生產(chǎn)管理需要，操作站可以打印各種班報、日報、操作日記及歷史記錄，還可以拷貝流程圖畫面等。 工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的特點分析2.現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) 現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 信 息 層 控 制 層 設(shè) 備 層 設(shè) 備 層 現(xiàn)場總線概述現(xiàn)場總線概述控制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場總

35、線控制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場總線 控制網(wǎng)絡(luò)與計算機網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別控制網(wǎng)絡(luò)與計算機網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng) 現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線 現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng) 現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的組成數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的組成數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的組成數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的組成 發(fā)送設(shè)備發(fā)送設(shè)備 接收設(shè)備接收設(shè)備 傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì) 傳輸報文傳輸報文 通信協(xié)議通信協(xié)議 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)實數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)實際上是一個硬軟際上是一個硬軟件的結(jié)合體件的結(jié)合體 接收設(shè)備發(fā)送設(shè)備傳輸介質(zhì) 報文協(xié)議現(xiàn)場總線與上層網(wǎng)絡(luò)的三種連接方式與上層網(wǎng)絡(luò)的三種連接方式 3.2 工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)現(xiàn)場總線系統(tǒng)的特

36、點（1）系統(tǒng)的開放性：開放是指與相關(guān)標準的一致性、公開性，強調(diào)對標準的共識與遵從。一個開放系統(tǒng)，是指它可以與世界上任何地方遵守相同標準的其他設(shè)備或系統(tǒng)連接。通信協(xié)議一致公開，各不同廠家的設(shè)備之間可實現(xiàn)信息交換。（2）互可操作性與互用性：互可操作性，是指實現(xiàn)互連設(shè)備間、系統(tǒng)間的信息傳送與溝通；而互用則意味著不同生產(chǎn)廠家的性能類似的設(shè)備可實現(xiàn)相互替換?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)的特點（3）現(xiàn)場設(shè)備的智能化與功能自治性：它將傳感測量、補償計算、工程量處理與控制等功能分散到現(xiàn)場設(shè)備中完成，僅靠現(xiàn)場設(shè)備即可完成自動控制的基本功能，并可隨時診斷設(shè)備的運行狀態(tài)。（4）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性：現(xiàn)場總線已構(gòu)成一種新的全分散性控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，從根本上改變了現(xiàn)有DCS集中與分散相結(jié)合的集散控制系統(tǒng)體系，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了可靠性。（5）對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性：工作在生產(chǎn)現(xiàn)場前端，作為工廠網(wǎng)絡(luò)底層的現(xiàn)場總線是專為現(xiàn)場環(huán)境而設(shè)計的，可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等，具有較強的抗干擾能力，能采用兩線制實現(xiàn)供電與通信，并可滿足本質(zhì)安全防爆要求等。現(xiàn)場總線的特點和優(yōu)點FCS與DCS的詳細對比 1.結(jié)構(gòu) FCS：一對多：一對傳輸線接多臺儀表，雙向傳輸多個信號。 DCS：一對一:一對傳輸線接一臺儀表，單項傳輸一個信號?，F(xiàn)場總線的特點和優(yōu)點FCS與DCS的詳細對比 2.可靠性 FCS：操作