第9章_計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)

1、 教書育人要義 傳道授業(yè)釋疑； 師生同心協(xié)力, 共探過控真諦 。 熟悉儀表原理, 統(tǒng)領(lǐng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)； 理論實(shí)踐結(jié)合，思維創(chuàng)新第一。過程控制與自動化儀表過程控制與自動化儀表西安理工大學(xué) 潘永湘 楊延西 趙躍 制作教學(xué)理念：教學(xué)理念： 第第9 9章章 基于網(wǎng)絡(luò)的過程計(jì)算機(jī)基于網(wǎng)絡(luò)的過程計(jì)算機(jī) 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)1 1）了解了解集散控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)、內(nèi)涵和特點(diǎn)；集散控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)、內(nèi)涵和特點(diǎn)；2 2）熟悉熟悉現(xiàn)場控制單元的硬件結(jié)構(gòu)形式及功能；現(xiàn)場控制單元的硬件結(jié)構(gòu)形式及功能；3 3）熟悉熟悉集散控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和通信協(xié)議；集散控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和通信協(xié)議；4 4）掌握掌握控制算法的組態(tài)方法；控制算法的

2、組態(tài)方法；5 5）了解了解現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的基本概念和特點(diǎn)；現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的基本概念和特點(diǎn)；6 6）熟悉熟悉常見的幾種現(xiàn)場總線及其通信模型；常見的幾種現(xiàn)場總線及其通信模型；7 7）掌握掌握現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。問題：問題：1）系統(tǒng)主機(jī)過于龐大，一旦出現(xiàn)故障，影響全局，可靠性差；）系統(tǒng)主機(jī)過于龐大，一旦出現(xiàn)故障，影響全局，可靠性差；2）同一臺計(jì)算機(jī)完成多種不同的任務(wù)，工作效率低；）同一臺計(jì)算機(jī)完成多種不同的任務(wù)，工作效率低；3）信息源（檢測點(diǎn)）和執(zhí)行器距離主機(jī)遠(yuǎn)，傳輸信息的線路費(fèi)用高；）信息源（檢測點(diǎn)）和執(zhí)行器距離主機(jī)遠(yuǎn)，傳輸信息的線路費(fèi)用高；4）缺乏靈活性與

3、可擴(kuò)展性。）缺乏靈活性與可擴(kuò)展性。1 1 、集中型過程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)集中型過程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。2 、分散型過程計(jì)算機(jī)分散型過程計(jì)算機(jī) 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)。3、 集散型過程計(jì)算機(jī)集散型過程計(jì)算機(jī) 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 集散控制系統(tǒng)的集散控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)由分散控基本結(jié)構(gòu)由分散控制裝置、集中操作制裝置、集中操作與管理系統(tǒng)和通信與管理系統(tǒng)和通信系統(tǒng)三部分組成。系統(tǒng)三部分組成。（1 1）數(shù)據(jù)采集功能數(shù)據(jù)采集功能。（2 2）監(jiān)視操作功能。監(jiān)視操作功能。（3 3）過程控制功能。過程控制功能。（1 1）功能分散功能分散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 2）信息綜合與集中管理信息綜

4、合與集中管理（3 3）局域網(wǎng)通信技術(shù)局域網(wǎng)通信技術(shù)（4 4）高可靠性高可靠性（5 5）構(gòu)成靈活與擴(kuò)展方便構(gòu)成靈活與擴(kuò)展方便（6 6）采用面向過程的語言，采用面向過程的語言，操作使用簡單方便操作使用簡單方便過程控制單元的功能圖過程控制單元的功能圖 （1 1）按集散控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程劃分）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)。第一代智能控制系統(tǒng)。第二代智能控制系統(tǒng)。第二代智能控制系統(tǒng)。第三代智能控制系統(tǒng)。第三代智能控制系統(tǒng)。（2 2）按集散控制系統(tǒng)的規(guī)模劃分）按集散控制系統(tǒng)的規(guī)模劃分小型集散控制系統(tǒng)小型集散控制系統(tǒng)。ULFUULFU通信接口單元通信接口單元 UFCHUFCH現(xiàn)場控現(xiàn)場控制

5、單元制單元 UFMHUFMH現(xiàn)場監(jiān)視單元現(xiàn)場監(jiān)視單元 CNNCNN信號變換器信號變換器 YSYS8080數(shù)字調(diào)節(jié)器數(shù)字調(diào)節(jié)器 ULDUULDU盤裝盤裝式儀表式儀表中型集散控制系統(tǒng)。中型集散控制系統(tǒng)。MOPS，MOPL操作站；操作站；PLC可編程控制器；可編程控制器； SC信號變換器；信號變換器；MEXUIO擴(kuò)展單元；擴(kuò)展單元；MFCD現(xiàn)場控制單元；現(xiàn)場控制單元；大型集散控制系統(tǒng)。大型集散控制系統(tǒng)。AIWSAIWS人工智能站人工智能站,ECMP,ECMP計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī),ENGS-,ENGS-工程師工程師站站, EOPS, EOPS中央操作站中央操作站, PRIN, PRIN打印打印機(jī)機(jī),COPY,

6、COPY拷貝機(jī)拷貝機(jī),COPYSY,COPYSY局部操作站局部操作站, , CFCSZCFCSZPFCSPFCS現(xiàn)場控制站現(xiàn)場控制站,CFCD,CFCDEFCDEFCD雙重雙重化控制站化控制站, YEWCOM, YEWCOM90009000管理計(jì)算機(jī)管理計(jì)算機(jī), CFMSZ, CFMSZCFCDICFCDI現(xiàn)場監(jiān)視站現(xiàn)場監(jiān)視站 CFBSZCFBSZ高分散控制站高分散控制站 9.1.2.1 9.1.2.1 過程控制級過程控制級 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、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。生產(chǎn)管理級和經(jīng)營管理級。1.1.過程控

7、制單元（過程控制單元（PCUPCU）的硬件結(jié)構(gòu)）的硬件結(jié)構(gòu) （1 1）基于微型機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)。）基于微型機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)。（2）IO與通用卡硬件結(jié)構(gòu)。與通用卡硬件結(jié)構(gòu)。（3 3）串行通信總線）串行通信總線+ +模件結(jié)構(gòu)。模件結(jié)構(gòu)。（4 4）節(jié)點(diǎn)工作站結(jié)構(gòu)。）節(jié)點(diǎn)工作站結(jié)構(gòu)。 （5 5）過程控制單元的主要功能：）過程控制單元的主要功能： 反饋控制功能；順序控制功反饋控制功能；順序控制功能；能； 批量控制功能；數(shù)據(jù)采集與批量控制功能；數(shù)據(jù)采集與處理功能；處理功能； 數(shù)據(jù)通訊功能；本地操作與數(shù)據(jù)通訊功能；本地操作與監(jiān)視功能。監(jiān)視功能。 2.2.過程接口單元（過程接口單元（PIU)PIU)的硬件結(jié)構(gòu)的硬件結(jié)

8、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（置稱為過程接口單元（PIUPIU），過程接口單元按輸入信號的種類、采集速），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：度的大小與使用的現(xiàn)場將其分為三類：HLPIU HLPIU ， LLPIU LLPIU ，LEPIU LEPIU 。上述。上述三種類型的通用部分通用卡文件夾（三種類型的通用部分通用卡文件夾（CCFACCFA）結(jié)構(gòu)如下：）結(jié)構(gòu)如下： 9.1.2.2 9.1.2.2 過程管理級：過程管理級： 集散控制系統(tǒng)的過程管理級是

9、為實(shí)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)框圖操作站結(jié)構(gòu)框圖 的的CRTCRT操作員級畫面調(diào)用示例圖操作員級畫面調(diào)用示例圖 XL9.1.2.3 9.1.2.3 生產(chǎn)管理與經(jīng)營管理級生產(chǎn)管理與經(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(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)裝置或生產(chǎn)過程的集散控制系統(tǒng)的過程控制級和過程管理級實(shí)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(gè)企業(yè)的生產(chǎn)和集中操作和分散優(yōu)化控制，而生產(chǎn)管理和經(jīng)營管理級則對

10、整個(gè)企業(yè)的生產(chǎn)和經(jīng)營實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化管理。經(jīng)營實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化管理。TDCS-3000TDCS-3000系統(tǒng)構(gòu)成框圖系統(tǒng)構(gòu)成框圖 LCNLCN為局部控制網(wǎng)絡(luò)為局部控制網(wǎng)絡(luò); ;USUS為通用操作站為通用操作站; ;CGCG、HGHG、PGPG、UGUG為為通信網(wǎng)絡(luò)連接器通信網(wǎng)絡(luò)連接器; ;CMCM為計(jì)算模件為計(jì)算模件; ;BCBC為基本控制器為基本控制器; ;RBCRBC為備用基本控制器為備用基本控制器; ;RCDRCD為備用控制器指揮器為備用控制器指揮器; ;AMAM為應(yīng)用模件為應(yīng)用模件; ;MCMC為多功能控制器為多功能控制器; ;HMHM為歷史模件為歷史模件; ; RMCRMC為備用多功能控制器為備

11、用多功能控制器; ;RMCDRMCD為備用多功能控制器指揮器為備用多功能控制器指揮器; ;PIUPIU為過程接口單元為過程接口單元; ;LOSLOS為局部操作站。為局部操作站。 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。和同等同等形式。 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。 1.1.星形結(jié)構(gòu)：星形結(jié)構(gòu)：2.2.總線結(jié)構(gòu)：總線結(jié)構(gòu)： 3.3.環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

12、： 4.4.復(fù)合形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：復(fù)合形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)： 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，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，較常用的有較常用的有沖突檢測式載波偵聽多路訪問沖突檢測式載波偵聽多路訪問通信協(xié)議（通信協(xié)議（Carrier Sensing Carrier Sensing Multi AccessMulti AccessCollision DetectCollision Detect，CSMACSMACDCD）和）和令牌傳遞令牌傳遞通信協(xié)議兩種。通信協(xié)議兩種。 1.1.數(shù)據(jù)分類：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，

13、對數(shù)據(jù)進(jìn)行在集散控制系統(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(jìn)行了分類。對于要求實(shí)時(shí)傳送而且變化很快（約為毫秒級）的數(shù)據(jù)定為第一了分類。對于要求實(shí)時(shí)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，第三級數(shù)據(jù)主要包括組態(tài)數(shù)據(jù)、算法等。法等。2.分類通信分類通信 根據(jù)數(shù)據(jù)的不同類型采用不同的通信方式根據(jù)數(shù)據(jù)的不同類型采用不同的通信方式 ?；谥饔?jì)算機(jī)的軟件配置。基于主計(jì)算機(jī)的軟件配置?；诳刂圃O(shè)備的軟件配置。基于控制設(shè)備的軟件配置。 （1）組態(tài)字的構(gòu)成。）組態(tài)字的構(gòu)成。 （2）組態(tài)步驟）組態(tài)步驟

14、 ： 1 1）畫出控制系統(tǒng)框圖；）畫出控制系統(tǒng)框圖； 2）畫出組態(tài)字功能圖。）畫出組態(tài)字功能圖。 3 3）確定各槽路的有關(guān)特征，填）確定各槽路的有關(guān)特征，填寫組態(tài)數(shù)據(jù)表寫組態(tài)數(shù)據(jù)表 ； 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)字功能圖 SlotSlot編號編號1 12 2調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器FCFCTCTCCONFCONF0113011301010101CONFCONFHIHI1120112021232123CONFCONFLOLO1001100116101610CONFCONFHIHILOLO1011101100100010量程量程 0 0 1001000kg0

15、kgh h001000kg1000kgh h200200閥位極限閥位極限 LOLO HI HI6. 96. 92020106. 9106. 98080積分極限積分極限 LOLO HI HI5. 005. 003030+105. 00+105. 007070報(bào)警極限報(bào)警極限 LOLO HI HI600kg600kgh h1010800kg800kgh h5 5設(shè)定值設(shè)定值 （SPSP）Slot2Slot2輸出輸出120120比率（比率（RatioRatio）100100100100偏置偏置 （BiasBias）0 00 0調(diào)整常數(shù)，增量（調(diào)整常數(shù)，增量（K KA A）按需要調(diào)整按需要調(diào)整按需要調(diào)

16、整按需要調(diào)整T T（K1K1） T T（K2K2）TDTD正常操作方式正常操作方式串級串級自動自動組態(tài)數(shù)據(jù)表組態(tài)數(shù)據(jù)表1 、現(xiàn)場總線及其應(yīng)用。、現(xiàn)場總線及其應(yīng)用。2 、現(xiàn)場總線的特點(diǎn)、現(xiàn)場總線的特點(diǎn) （1）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：與傳統(tǒng)控與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)對比如圖。制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)對比如圖。 （2）技術(shù)特點(diǎn)：）技術(shù)特點(diǎn)： 1）開放性）開放性 2）互可操作性和互用性）互可操作性和互用性 3）智能性與功能自治性）智能性與功能自治性 4） 結(jié)構(gòu)的高度分散性結(jié)構(gòu)的高度分散性 5）對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性）對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性1通信模型的制定原則與一般結(jié)構(gòu)通信模型的制定原則與一般結(jié)構(gòu)不完全不完全OSIOSI模型模型

17、結(jié)構(gòu)越簡單越好結(jié)構(gòu)越簡單越好不同總線通信模型不同不同總線通信模型不同2典型現(xiàn)場總線的通信模型典型現(xiàn)場總線的通信模型（1）基金會現(xiàn)場總線）基金會現(xiàn)場總線FF（Foundation Fieldbus）模型）模型（2）過程現(xiàn)場總線）過程現(xiàn)場總線PROFIBUS（Process Fieldbus）模型）模型 （3）HART通信協(xié)議通信協(xié)議 1 1）物理層采用物理層采用Bell 202Bell 202國際標(biāo)準(zhǔn)；國際標(biāo)準(zhǔn)；2 2）數(shù)據(jù)鏈路層用于按數(shù)據(jù)鏈路層用于按HARTHART通信協(xié)議規(guī)則建立的通信協(xié)議規(guī)則建立的HARTHART報(bào)文格式，其信息報(bào)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)

18、數(shù)、現(xiàn)場設(shè)備狀構(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(yàn)等，如下圖。態(tài)與通信狀態(tài)、數(shù)據(jù)、奇偶校驗(yàn)等，如下圖。 3 3）應(yīng)用層規(guī)定了應(yīng)用層規(guī)定了HARTHART命令。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。幾種可能的解決方案為：連的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，是大勢所趨。幾種可能的解決方案為：1 1）各種現(xiàn)場總線統(tǒng)

19、一到各種現(xiàn)場總線統(tǒng)一到1 12 2種，這種可能性幾乎很小；種，這種可能性幾乎很??；2 2）采用已經(jīng)是通用的國際標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)（采用已經(jīng)是通用的國際標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)（EthernetEthernet）、）、TCP/IPTCP/IP等協(xié)議，并等協(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；占領(lǐng)自動化市場； 3 3）開發(fā)所有現(xiàn)場總線的通用接口（如計(jì)算機(jī)的開發(fā)所有現(xiàn)場總線的通用接口（如計(jì)算機(jī)的USBUSB接口一樣），這樣做雖接口一樣），這樣做雖然成本很高，但比較可行，因?yàn)樗鼙ＷC各公司的利益。然成本很高，但比較

20、可行，因?yàn)樗鼙ＷC各公司的利益。 3現(xiàn)場總線通信方式的實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場總線通信方式的實(shí)現(xiàn) 微處理器微處理器CPUCPU實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層的功能；實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層的功能； 通信控制單元實(shí)現(xiàn)物理層的功能，完成信息幀的編碼和解碼、幀校驗(yàn)、通信控制單元實(shí)現(xiàn)物理層的功能，完成信息幀的編碼和解碼、幀校驗(yàn)、數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收；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。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：9.2.3.1 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)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(jì)現(xiàn)場總線控制系

21、統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)特點(diǎn)2.可以與多個(gè)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(kuò)展性與可互換性更強(qiáng)、可靠性與可維護(hù)性更好等諸多優(yōu)點(diǎn)。點(diǎn)。鍋爐汽包水位常規(guī)鍋爐汽包水位常規(guī)儀表控制系統(tǒng)儀表控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟1 1、 選擇必需的智能儀表選擇必需的智能儀表2 2、 選擇計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)配件的配置方案選擇計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)配件的配置方案1 1）基于基于PCPC總線接口卡（總線接口卡（PCIPCI）的配置方案；）的配置方案；2 2）基于通信控制器的配置方案。基于通信控制器的配置方案。 3 、選擇或開發(fā)組態(tài)軟件、選擇或開發(fā)組態(tài)軟件組態(tài)軟件的功能：組態(tài)軟件的功能：1 1）能在界面上選擇設(shè)備；能在界面上選擇設(shè)備；2 2）能對所選設(shè)備分配位號；能對所選設(shè)備分配位號； 3 3）能選擇功能模塊；能選擇功