分散式控制系統(tǒng)

集散控制系統(tǒng)DCS系統(tǒng)簡介12串行通訊與接口現(xiàn)場總線3一、概述1、什么是分散式控制系統(tǒng)DCS（DistributedControlSystem）又稱為集散控制系統(tǒng)。其基本思想是：分散控制、集中操作、分級管理、配置靈活、組態(tài)方便。系統(tǒng)由過程控制級、過程監(jiān)控級組成，以通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶，綜合應(yīng)用計算機(jī)（Computer）、通信（Communication）、顯示（CRT）、控制（Control）4C技術(shù)。一、概述2、DCS的組成：現(xiàn)場級、控制級、監(jiān)控級、管理級一、概述一、概述2、DCS的組成一、概述2、DCS的組成現(xiàn)場級設(shè)備直接與生產(chǎn)過程相連，是DCS的基礎(chǔ)。典型的現(xiàn)場級設(shè)備：各類傳感器、變送器和執(zhí)行器。（1）現(xiàn)場級壓力變送器壓力傳感器氣動執(zhí)行器電磁閥一、概述采集數(shù)據(jù)、執(zhí)行控制?，F(xiàn)場級功能現(xiàn)場級信息傳遞方式：模擬信號

：4～20mA、0～10V等傳輸方式；全數(shù)字信號：總線方式混合信號：如在

4～20mADC模擬量信號上，疊加調(diào)制后的數(shù)字量信號）傳輸方式。一、概述0-10V轉(zhuǎn)4-20mA4-20mA電流模擬量光纖轉(zhuǎn)換器一、概述（2）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PLC數(shù)據(jù)采集卡變頻器一、概述現(xiàn)場總線接口Profibus從站接口Profibus主站接口S7-400總線接口模塊一、概述控制級功能：

接收現(xiàn)場設(shè)備信號，按對應(yīng)算法計算出相應(yīng)的控制量，并送會現(xiàn)場執(zhí)行器。

控制站功能

數(shù)據(jù)采集站功能

接收現(xiàn)場設(shè)備傳輸信號，并進(jìn)行轉(zhuǎn)換和必要處理，再傳輸給集散系統(tǒng)其他部分（主要是監(jiān)控級設(shè)備）一、概述（3）監(jiān)控級主要由：操作站、工程師站和監(jiān)控計算機(jī)構(gòu)成功能：是操作人員與DCS相互交換信息的人機(jī)接口設(shè)備是DCS的核心顯示、操作和管理裝置。配置要求：由一臺具有較強(qiáng)圖形處理功能的微型機(jī)、相應(yīng)的外部設(shè)備：顯示器、大屏幕顯示裝置、打印機(jī)、鍵盤、鼠標(biāo)等開放型DCS采用個人計算機(jī)作為人機(jī)接口站。操作站功能及配置要求：一、概述操作站一、概述（3）監(jiān)控級工程師站工程師站功能及其配置功能：控制工程師對DCS進(jìn)行配置、組態(tài)、調(diào)試、維護(hù)所設(shè)置。對各種設(shè)計文件進(jìn)行歸類和管理，形成各種設(shè)計、組態(tài)文件，

如各種圖樣、表格等。配置要求：工程師站一般由PC機(jī)配置一定數(shù)量的外部設(shè)備組成，例如打印機(jī)、繪圖儀等。一、概述（3）監(jiān)控級工程師站一、概述（3）監(jiān)控級監(jiān)控計算機(jī)監(jiān)控計算機(jī)功能及其配置功能：用于實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的監(jiān)督控制獲取控制級的實時數(shù)據(jù)配置要求：由超級微型機(jī)或小型機(jī)構(gòu)成，對運算能力和運算速度的要求較高一、概述（4）管理級由：若干個管理計算機(jī)組成功能：監(jiān)測企業(yè)各部門的運行情況，利用歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)預(yù)測可能發(fā)生的各種情況，從企業(yè)全局利益出發(fā)，幫助企業(yè)管理人員進(jìn)行決策，幫助企業(yè)實現(xiàn)其計劃目標(biāo)。配置要求：能夠?qū)刂葡到y(tǒng)做出高速反應(yīng)的實時操作系統(tǒng)。能夠連續(xù)運行可冗余的高可靠性系統(tǒng)。優(yōu)良的、高性能的、方便的人機(jī)接口，豐富的數(shù)據(jù)庫管理軟件，過程數(shù)據(jù)收集軟件，人機(jī)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(jī)的集成化。一、概述3

DCS系統(tǒng)的特點（1）可靠性高

由于DCS將系統(tǒng)控制功能分散在各臺計算機(jī)上實現(xiàn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用容錯設(shè)計，因此某一臺計算機(jī)出現(xiàn)的故障不會導(dǎo)致系統(tǒng)其他功能的喪失。此外，由于系統(tǒng)中各臺計算機(jī)所承擔(dān)的任務(wù)比較單一，可以針對需要實現(xiàn)的功能采用具有特定結(jié)構(gòu)和軟件的專用計算機(jī)，從而使系統(tǒng)中每臺計算機(jī)的可靠性也得到提高。（2）開放性好

DCS采用開放式，標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和系列化設(shè)計，系統(tǒng)中各臺計算機(jī)采用局域網(wǎng)方式通信，實現(xiàn)信息傳輸，當(dāng)需要改變或擴(kuò)充系統(tǒng)功能時，可將新增計算機(jī)方便地連入系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)或從網(wǎng)絡(luò)中卸下，幾乎不影響系統(tǒng)其他計算機(jī)的工作一、概述5主要DCS廠家（1）國外

Honeywell公司、日本橫河電機(jī)株式會社、Siemens、ABB等公司

（2）國內(nèi)

浙大中控、北京和利時公司等一、概述6DCS的發(fā)展方向“向上”發(fā)展：

是指對DCS收集的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，利用先進(jìn)的數(shù)據(jù)庫技術(shù)、通訊技術(shù)，結(jié)合用戶的工藝實際作進(jìn)一步的深度加工，從而為用戶提供更大的增值作用。

“向下”發(fā)展：是指結(jié)合當(dāng)前現(xiàn)場總線技術(shù)，開發(fā)現(xiàn)場總線接口。將采集數(shù)據(jù)和操作指令通過現(xiàn)場總線傳達(dá)，并將簡單功能“下放”到現(xiàn)場儀表中去。（1）隨著PLC技術(shù)的發(fā)展，DCS傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域被PLC所挑戰(zhàn)（2）DCS系統(tǒng)一定被FCS（FieldbusControlSystem）所替代二、串行通訊及接口

1、通訊編碼（1）單極性碼、雙極性碼，歸零碼、非歸零碼------電平轉(zhuǎn)換問題單極性碼雙極性碼單極性歸零碼雙極性歸零碼歸零碼：為1時，發(fā)一個窄脈沖后歸零。為0不發(fā)脈沖二、串行通訊及接口（2）Manchesterencoding（曼切斯特編碼）Manchesterencoding：每個比特時間內(nèi)都有信號電平跳轉(zhuǎn)。0是上跳、1是下跳。DifferentialManchesterencoding：差分碼用時間起點電平表示0、1，起點低是0，起點高是1。同時具備Manchesterencoding的信號跳變特點。二、串行通訊及接口（3）模擬數(shù)據(jù)編碼：ASK、FSK、PSKASK（amplitude-sheftkeying）：幅值鍵控編碼FSK（frequency-sheftkeying）：頻率鍵控編碼PSK（phase-sheftkeying）：相位鍵控二、串行通訊及接口（4）單字節(jié)數(shù)據(jù)的報文幀總線上，空閑時為高電平（5）通訊握手----通訊連接確認(rèn)（硬件握手、軟件握手）二、串行通訊及接口2、串行通訊接口（1）EIA232（ElectronicIndustriesAssociation）電子工業(yè)協(xié)會由早期推薦標(biāo)準(zhǔn)RS232（RecommendedStandard）發(fā)展而來。傳輸距離15m，傳輸速率115.2Kb/s，負(fù)邏輯（-5V~-15V表示邏輯1，+5V~+15V表示邏輯0）DB9管腳定義：二、串行通訊及接口（2）EIA485（ElectronicIndustriesAssociation485）由早期推薦標(biāo)準(zhǔn)RS485（RecommendedStandard）發(fā)展而來。一對線路上最多連接32個發(fā)送和接受器。采用差分電路收發(fā)數(shù)據(jù)。僅用Data+、Data-和GND3個接口信號。采用正邏輯時，發(fā)送端的Data+與Data-之間的電壓差為+2~+6V表示1；-2~-6V表示0。接收端，只要相差+200mV表示為1，相差-200mV表示0

傳輸距離1200m，最高傳輸速度10Mb/s，為增加傳輸距離，一般采用9600Kb/s。二、串行通訊及接口（2）EIA485（ElectronicIndustriesAssociation485）屬半雙工通訊形式，僅需2個雙絞線即可通訊，也可采用DB9接口、水晶頭等形式。485總線式現(xiàn)場總線的鼻祖！三、現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線（Fieldbus）起源于20世紀(jì)80年代末、90年代初用于現(xiàn)場總線技術(shù)、過程自動化、制造自動化、樓宇自動化等領(lǐng)域的現(xiàn)場智能設(shè)備互連通訊網(wǎng)絡(luò)。它作為工廠數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，溝通了生產(chǎn)過程現(xiàn)場及控制設(shè)備之間及其與更高控制管理層次之間的聯(lián)系。三、現(xiàn)場總線

1、現(xiàn)場總線技術(shù)的特點（1）總線式連接方式-----傳統(tǒng)連接時點對點連接（2）開放性------只要遵循規(guī)定原則，任何廠家的任何設(shè)備都可以通訊（3）數(shù)字化（4）具備穩(wěn)定性與實時性（5）環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)三、現(xiàn)場總線

2、現(xiàn)場總線的分類：傳感器總線、設(shè)備總線、現(xiàn)場總線（1）傳感器總線：通訊長度一般為幾個或幾十個數(shù)據(jù)位，屬位級總線。如：ASI總線（actuatorsensorinterface）（2）設(shè)備級總線：

通訊幀長一般為幾個到幾十個字節(jié)，屬字節(jié)級總線。如：CAN總線（controlareanetwork）（3）現(xiàn)場總線：

通訊幀長一般為幾百到上千字節(jié)。如：FoundationFieldbus、Controlnet、profibus等。三、現(xiàn)場總線

3、現(xiàn)場總線的協(xié)議參考模型OSI(OpenSystemInterconnection)參考模型三、現(xiàn)場總線（1）物理層:

任務(wù)就是提供網(wǎng)絡(luò)的物理連接。

物理層是建立在物理介質(zhì)上（而不是邏輯上的協(xié)議和會話），它提供的是機(jī)械和電氣接口。主要包括電纜、物理端口和附屬設(shè)備，如雙絞線、同軸電纜、接線設(shè)備（如網(wǎng)卡等）、串口和并口等在網(wǎng)絡(luò)中都是工作在這個層次的。

物理層提供的服務(wù)包括：物理連接、物理服務(wù)數(shù)據(jù)單元順序化（接收物理實體收到的比特順序，與發(fā)送物理實體所發(fā)送的比特順序相同）和數(shù)據(jù)電路標(biāo)識。三、現(xiàn)場總線（2）數(shù)據(jù)鏈路層是建立在物理傳輸能力的基礎(chǔ)上，以幀為單位傳輸數(shù)據(jù)。

它的主要任務(wù)就是進(jìn)行數(shù)據(jù)封裝和數(shù)據(jù)鏈接的建立。封裝的數(shù)據(jù)信息中，地址段含有發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點的地址，控制段用來表示數(shù)據(jù)連接幀的類型，數(shù)據(jù)段包含實際要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，差錯控制段用來檢測傳輸中幀出現(xiàn)的錯誤。常見的集線器和低檔的交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都是工作在這個層次上。三、現(xiàn)場總線（7）應(yīng)用層它解決的也是最高層次，即程序應(yīng)用過程中的問題，它直接面對用戶的具體應(yīng)用。應(yīng)用層包含用戶應(yīng)用程序執(zhí)行通信任務(wù)所需要的協(xié)議和功能。三、現(xiàn)場總線

4、現(xiàn)場總線對參考模型的簡化（1）FF（

FieldbusFoundation）基金會現(xiàn)場總線、Profibus總線使用物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層（2）CAN（

(ControllerAreaNetwork）總線，使用物理層和數(shù)據(jù)鏈路層（3）LonWorks總線采用全部7層參考模型三、現(xiàn)場總線

5、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備（1）中繼器用于延長電纜或光纜的傳輸距離或增加掛接的節(jié)點數(shù)量。Profibus光線中繼器Profibus電信號中繼器Profibus5路分支中繼器三、現(xiàn)場總線（2）網(wǎng)橋網(wǎng)橋的功能在延長網(wǎng)絡(luò)跨度上類似于中繼器，能提供智能化連接服務(wù)，即根據(jù)幀的終點地址處于哪一網(wǎng)段來進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)和濾除?？梢钥醋饕粋€“低層的路由器”Profibus總線與MODBUS總線間的網(wǎng)橋連接。將網(wǎng)橋作為Profibus的從站網(wǎng)橋可根據(jù)發(fā)送地址智能轉(zhuǎn)發(fā)或濾除信息，具有路由功能三、現(xiàn)場總線（3）路由器路由器是一種連接多個網(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)段的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，它能將不同網(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)段之間的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行“翻譯”，以使它們能夠相互“讀”懂對方的數(shù)據(jù)，從而構(gòu)成一個更大的網(wǎng)絡(luò)。是網(wǎng)絡(luò)的樞紐、"交通警察"。以太網(wǎng)路由器三、現(xiàn)場總線（4）網(wǎng)關(guān)網(wǎng)關(guān)連接不同通訊協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)。緊湊型Profibus轉(zhuǎn)其他協(xié)議網(wǎng)關(guān)Profibus轉(zhuǎn)modbus網(wǎng)關(guān)Profibus總站和以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換三、現(xiàn)場總線（5）傳輸介質(zhì)

Profibus光纖Profibus雙絞線雙絞線、同軸電纜、光纖、無線同軸電纜三、現(xiàn)場總線6幾種常見的現(xiàn)場總線-----總線江湖

目前全世界有100多種總線，40多種宣稱開放型總線。但標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一國際標(biāo)準(zhǔn)化組織:ISO（InternationalStandardOrganized）IEC（InternationalElectrotechnicalCommission）試圖將其統(tǒng)一經(jīng)過各個利益集團(tuán)博弈，2000年IEC宣布8種現(xiàn)場總線子集構(gòu)成IEC現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)。三、現(xiàn)場總線（1）FF(FoudationFieldbus)基金會現(xiàn)場總線:其前身是以美國Fisher-Rousemount公司為首，聯(lián)合Foxboro、橫河、ABB、西門子Siemens等80家公司制訂的ISP協(xié)議和以Honeywell公司為首，聯(lián)合歐洲等地的150家公司制訂的WordFIP協(xié)議。1994年9月合并，成立了現(xiàn)場總線基金會。

FF分低速H1和高速H2兩種通信速率。H1的傳輸速率為

3125Kbps，通信距離可達(dá)

1900m（可加中繼器延長），可支持總線供電，支持本質(zhì)安全防爆環(huán)境。H2的傳輸速率為

1Mbps和

25Mbps兩種，其通信距離為750m和500m。三、現(xiàn)場總線（2）

LonWork總線LonWorks它是由美國Ecelon公司推出并由它們與Motorola、東芝Hitach公司共同倡導(dǎo)，于1990年正式公布而形成的。它采用了ISO/OSI模型的全部七層通訊協(xié)議，其通訊速率從300bps至15Mbps不等，直接通信距離可達(dá)到2700m（78kbps，雙絞線），支持雙絞線、同軸電纜、光纖、射頻、紅外線、電源線等多種通信介質(zhì)，并開發(fā)相應(yīng)的本安防爆產(chǎn)品，被譽(yù)為通用控制網(wǎng)絡(luò)。三、現(xiàn)場總線（3）CAN總線CAN（ControlAreaNetwork），最早由德國BOSCH公司推出，用于汽車內(nèi)部測量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信。其總線規(guī)范現(xiàn)已被ISO國際標(biāo)準(zhǔn)組織制訂為國際標(biāo)準(zhǔn)，得到了Motorola、Intel、Philips、Siemens、NEC等公司的支持，已廣泛應(yīng)用在離散控制領(lǐng)域。

CAN協(xié)議也是建立在國際標(biāo)準(zhǔn)組織的開放系統(tǒng)互連模型基礎(chǔ)上的，不過，其模型結(jié)構(gòu)只有3層，只取OSI底層的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和頂上層的應(yīng)用層。其信號傳輸介質(zhì)為雙絞線，通信速率最高可達(dá)

1Mbps/40m，直接傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)

10km/kbps，可掛接設(shè)備最多可達(dá)

110個。三、現(xiàn)場總線（4）HART總線最早由Rosemout公司開發(fā)并得到80多家著名儀表公司的支持，于1993年成立了HART通信基金會。這種被稱為可尋址遠(yuǎn)程傳感高速通道的開放通信協(xié)議，其特點是現(xiàn)有模擬信號傳輸線上實現(xiàn)數(shù)字通信，屬于模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉(zhuǎn)變過程中工業(yè)過程控制的過渡性產(chǎn)品，因而在當(dāng)前的過渡時期具有較強(qiáng)的市場競爭能力，得到了較好的發(fā)展。

HART通信模型由3層組成：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。物理層采用FSK(FrequencyShiftKeying）技術(shù)在4～20mA模擬信號上迭加一個頻率信號，頻率信號采用Bell202國際標(biāo)準(zhǔn)；數(shù)據(jù)傳輸速率為1200bps，邏輯0的信號頻率為2200Hz，邏輯1的信號傳輸頻率為

1200Hz。三、現(xiàn)場總線7、Profibus總線Profibus是作為德國國家標(biāo)準(zhǔn)DIN19245和歐洲標(biāo)準(zhǔn)prEN50170的現(xiàn)場總線。Profibus的傳輸速率為96～12kbps最大傳輸距離在12kbps時為1000m，15Mbps時為400m，可用中繼器延長至10km。其傳輸介質(zhì)可以是雙絞線，也可以是光纜，最多可掛接126個站點。三、現(xiàn)場總線Profibus包含Profibus-DP、Profibus-FMS、Profibus-AP三個子集。Profibus-DP轉(zhuǎn)為自動控制系統(tǒng)與設(shè)備分散I/O之間的通訊而設(shè)計，用于分布式控制系統(tǒng)設(shè)備間的高速數(shù)據(jù)傳輸。Profibus-FMS適用于承擔(dān)車間級通用性數(shù)據(jù)通訊?？商峁┩ㄓ嵙看蟮南嚓P(guān)服務(wù)，完成中等傳輸速度的周期性和非周期性通訊任務(wù)。Profibus-PA是專門為過程自動化而設(shè)計的，采用IEC1158-2中規(guī)定的通訊規(guī)程，適用于安全性要求較高的本質(zhì)安全應(yīng)用及需要總線供電的場合。三、現(xiàn)場總線（1）Profibus的主站和從站

三、現(xiàn)場總線一類