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1、第第8 8章计算机控制系统章计算机控制系统化工仪表及自动化第八章 计算机控制系统 化工仪表及自动控制Chemical Industry Instrument and Automation control化工仪表及自动化内容提要n 概述概述n计算机控制系统的组成计算机控制系统的组成n计算机控制系统的分类计算机控制系统的分类n 集散控制系统概述集散控制系统概述n集散控制系统的组成集散控制系统的组成n集散控制系统的应用集散控制系统的应用n 现场总线控制系统现场总线控制系统n现场总线系统的技术现场总线系统的技术特征特征n现场总线控制系统国现场总线控制系统国际标准化际标准化n现场总线系统简介现场总线系统
2、简介化工仪表及自动化定义p这里的计算机通常指数字计算机，可以是微型计算机、大型的通用计这里的计算机通常指数字计算机，可以是微型计算机、大型的通用计算机或专用计算机。算机或专用计算机。p辅助部件主要指输入输出接口、检测装置和执行装置等。辅助部件主要指输入输出接口、检测装置和执行装置等。p计算机与被控对象的联系以及控制部件间的联系，可以是有线方式，计算机与被控对象的联系以及控制部件间的联系，可以是有线方式，如通过电缆的模拟信号或数字信号进行联系；也可以是无线方式，如如通过电缆的模拟信号或数字信号进行联系；也可以是无线方式，如用红外线、微波、无线电波、光波等进行联系。用红外线、微波、无线电波、光波等
3、进行联系。计算机控制系统（计算机控制系统（Computer Control System，简称，简称CCS）是应用计算机参与控制并借助一些辅助部件与被控对象相是应用计算机参与控制并借助一些辅助部件与被控对象相联系，以获得一定控制目的而构成的系统。联系，以获得一定控制目的而构成的系统。一、计算机控制系统的组成化工仪表及自动化计算机控制系统计算机控制系统需要有需要有D-A（数（数-模）转换和模）转换和A-D（模（模-数）转换数）转换这这两个环节。两个环节。图图8-1 计算机控制系统框图计算机控制系统框图如图如图8-1所示，测量元件（传感器）、变送单元（变送器）所获得的模所示，测量元件（传感器）、变
4、送单元（变送器）所获得的模拟信号经由拟信号经由A-D（模（模/数）转换，转换为数字信号，计算机将此数字信号与数）转换，转换为数字信号，计算机将此数字信号与输入端的设定值相比较，根据差值按一定的运算法则进行运算，所得的数输入端的设定值相比较，根据差值按一定的运算法则进行运算，所得的数字量作为输出信号经过字量作为输出信号经过D-A转换，转换为模拟信号送到执行机构，再由执转换，转换为模拟信号送到执行机构，再由执行机构对被控对象进行控制。行机构对被控对象进行控制。一、计算机控制系统的组成化工仪表及自动化一、计算机控制系统的组成广义的计算机控制系统包括了工控机和生产过程两广义的计算机控制系统包括了工控机
5、和生产过程两大部分。大部分。计算机控制系统和一般的计算机系统一样也由软件计算机控制系统和一般的计算机系统一样也由软件和硬件构成。和硬件构成。p硬件包括计算机本身、输入输出接口、人机接口、通信设备硬件包括计算机本身、输入输出接口、人机接口、通信设备、现场仪表、系统总线等。、现场仪表、系统总线等。p软件是指完成各种功能的计算机程序的总和，通常包括系统软件是指完成各种功能的计算机程序的总和，通常包括系统软件和应用软件。其中，系统软件一般包括操作系统、语言处软件和应用软件。其中，系统软件一般包括操作系统、语言处理程序和服务性程序等，它们通常由计算机制造厂商为用户配理程序和服务性程序等，它们通常由计算机
6、制造厂商为用户配套提供，有一定的通用性。套提供，有一定的通用性。化工仪表及自动化二、计算机控制系统的分类按照系统构成、控制目的、控制方案和应用特点可将按照系统构成、控制目的、控制方案和应用特点可将工业过程计算机控制系统分为操作指导控制系统工业过程计算机控制系统分为操作指导控制系统（OGC）、直接数字控制系统（）、直接数字控制系统（DDC）、监督计算机控）、监督计算机控制系统（制系统（SCC）、集散控制系统（）、集散控制系统（DCS）和现场总线控）和现场总线控制系统（制系统（FCS）等。）等。化工仪表及自动化操作指导控制系统（操作指导控制系统（Operation Guide Control）又称
7、又称数据采集和监视系统，它是计算机应用于生产过程控制最早的一和监视系统，它是计算机应用于生产过程控制最早的一种类型，在这种应用中，种类型，在这种应用中，计算机只承担数据的采集和处理工只承担数据的采集和处理工作，而不作，而不直接参与控制。参与控制。它对生产过程各种工艺变量进行巡回检测、处理、记录它对生产过程各种工艺变量进行巡回检测、处理、记录及变量的超限报警，同时对这些变量进行累计分析和实时分及变量的超限报警，同时对这些变量进行累计分析和实时分析，得出各种趋势分析，为操作人员提供析，得出各种趋势分析，为操作人员提供参考。1.操作指导控制系统（操作指导控制系统（OGC）二、计算机控制系统的分类化工
8、仪表及自动化直接数字控制系统（直接数字控制系统（Direct Digital Control）是用一）是用一台计算机取代模拟控制器直接控制执行器，使被控变量台计算机取代模拟控制器直接控制执行器，使被控变量保持在给定值。保持在给定值。2.直接数字控制系统（直接数字控制系统（DDC）DDC系统中的计算机直接承担着控制任务，因而系统中的计算机直接承担着控制任务，因而要求实时性好、可靠性高和适应性强。要求实时性好、可靠性高和适应性强。二、计算机控制系统的分类化工仪表及自动化 3.监督控制系统监督控制系统(SCC)监督控制（监督控制（Supervisory Computer Control）中，系统根据
9、生产过程的工况和已定的数学模型，中，系统根据生产过程的工况和已定的数学模型，进行优化分析计算，产生最优化设定值，然后，进行优化分析计算，产生最优化设定值，然后，送给模拟调节器或直接数字控制系统执行。送给模拟调节器或直接数字控制系统执行。二、计算机控制系统的分类化工仪表及自动化4.集散控制系统（集散控制系统（DCS）集散控制系统（集散控制系统（Distributed Control System）又称分又称分布控制系统或分散型控制系统，它采用分散控制、集中操布控制系统或分散型控制系统，它采用分散控制、集中操作，分级管理和综合协调的设计原则和网络化的控制结构，作，分级管理和综合协调的设计原则和网络
10、化的控制结构，把系统从上到下分为现场级、分散过程控制级、集中操作把系统从上到下分为现场级、分散过程控制级、集中操作监控级、综合信息管理级等。监控级、综合信息管理级等。二、计算机控制系统的分类化工仪表及自动化5.现场总线控制系统（现场总线控制系统（FCS）现场总线控制系统（现场总线控制系统（Fieldbus Control System）是新一是新一代分布式控制系统。所谓现场总线是一种工业数据总线，代分布式控制系统。所谓现场总线是一种工业数据总线，是自动化领域中底层通信网络。是自动化领域中底层通信网络。从本质上说，它是一种数字通信协议，是连接智能现从本质上说，它是一种数字通信协议，是连接智能现场
11、设备和自动化系统的数字式、全分散、双向传输、多分场设备和自动化系统的数字式、全分散、双向传输、多分支结构的通信网络。支结构的通信网络。二、计算机控制系统的分类化工仪表及自动化n 一、集散控制系统的组成一、集散控制系统的组成DCS（Distributed Control System），直译应该是），直译应该是分布式控制系统，我国的习惯叫法是集散控制系统分布式控制系统，我国的习惯叫法是集散控制系统。DCS通常适用于规模较大的控制系统，由三级系统通常适用于规模较大的控制系统，由三级系统构成，分别是构成，分别是现场控制站、操作站和工程师站现场控制站、操作站和工程师站。8.2 集散控制系统化工仪表及自
12、动化最底层是现场控制站最底层是现场控制站，通常由放在一个大型机柜内的模，通常由放在一个大型机柜内的模块组成，每个机柜内的模块与块组成，每个机柜内的模块与PLC的结构类似，有的结构类似，有CPU模模块、电源模块、通讯模块、块、电源模块、通讯模块、I/O模块和存储模块，这些模块模块和存储模块，这些模块均插在一个通讯底板上，一个均插在一个通讯底板上，一个CPU往往可以带多个底板。往往可以带多个底板。现场控制站的上面一层是现场控制站的上面一层是操作站操作站，负责，负责DCS的人机界面的人机界面功能。通常，操作站通过内部总线与控制站进行通讯。操功能。通常，操作站通过内部总线与控制站进行通讯。操作站也可以
13、冗余备份。作站也可以冗余备份。一、集散控制系统的组成化工仪表及自动化工程师站工程师站是对是对DCS进行离线的配置、组态工作和在线的进行离线的配置、组态工作和在线的系统监督、控制、维护的网络节点，系统监督、控制、维护的网络节点，另外，工程师站可以供工程师用来对另外，工程师站可以供工程师用来对PID控制回路的参控制回路的参数进行调节和设定或者运行优化软件时用。数进行调节和设定或者运行优化软件时用。控制站与操作站以及工程师站的连接是通过控制站与操作站以及工程师站的连接是通过DCS的骨的骨架架系统网络进行连接的。系统网络进行连接的。由于网络对于由于网络对于DCS整个系统的整个系统的实时性、可靠性和扩充
14、性，起着决定性的作用，因此各厂家实时性、可靠性和扩充性，起着决定性的作用，因此各厂家都在这方面进行了精心的设计。都在这方面进行了精心的设计。一、集散控制系统的组成化工仪表及自动化二、集散控制系统的应用图图8-2为为Experion PKS系统的构成图，其基本组件包系统的构成图，其基本组件包括混合型过程控制器括混合型过程控制器、过程服务器、人机接口、系统过程服务器、人机接口、系统软件、控制网络等。具体功能介绍如下。软件、控制网络等。具体功能介绍如下。化工仪表及自动化图8-2 PKS系统结构示意图二、集散控制系统的应用化工仪表及自动化1.PKS系统的结构和功能系统的结构和功能PKS系统采用分布式服
15、务器结构（系统采用分布式服务器结构（DSA），），DSA是集成多是集成多个控制过程，或多段控制单元的解决方案，用于地理位置上个控制过程，或多段控制单元的解决方案，用于地理位置上分散的集散系统的互联，有多个远程站连接于中央控制室。分散的集散系统的互联，有多个远程站连接于中央控制室。2.PKS系统软件系统软件（1）系统服务器软件）系统服务器软件（2）控制方案组态软件：）控制方案组态软件：COTROL BUILDER（3）系统数据库管理软件：）系统数据库管理软件：QUICK BUILDER（4）用户画面生成软件：）用户画面生成软件：DISPLAY BUILDER（5）操作站软件：）操作站软件：STA
16、TION二、集散控制系统的应用化工仪表及自动化3.操作站的使用操作站的使用PKS系统的人机交互主要通过操作站软件来实现。开机后，PKS操作站将自动运行，其窗口画面如图8-3。图8-3 PKS系统开机界面二、集散控制系统的应用化工仪表及自动化PKS操作站操作站操作画面如图，操作画面如图，包括菜单栏、工包括菜单栏、工具条、消息区、具条、消息区、命令区、监控区、命令区、监控区、报警条以及状态报警条以及状态栏等。栏等。图图8-4 PKS系统操作界面系统操作界面二、集散控制系统的应用化工仪表及自动化（1）画面使用）画面使用操作画面用于对系统的监控及维护，分为系统画面和用户画面，操作画面用于对系统的监控及
17、维护，分为系统画面和用户画面，一般每个画面有相应的页号。一般每个画面有相应的页号。（2）点的使用）点的使用点的概念点的概念 点在系统中为一组相关信息的集合，比如某一设备某点在系统中为一组相关信息的集合，比如某一设备某一部位的温度，同它的设备描述，标志号等一起构成一个点一部位的温度，同它的设备描述，标志号等一起构成一个点点的参数点的参数 点一般拥有多个参数，这些参数用于描述点的各个属点一般拥有多个参数，这些参数用于描述点的各个属性，如设备号、设备描述、当前测量值、报警设置、控制输出等性，如设备号、设备描述、当前测量值、报警设置、控制输出等。点细节画面点细节画面 点细节画面用于对点进行监控和组态。
18、它由操作盘点细节画面用于对点进行监控和组态。它由操作盘和参数页构成。和参数页构成。二、集散控制系统的应用化工仪表及自动化（3）报警和事件管理）报警和事件管理Experion PKS系统提供全面的报警和事件监测、管系统提供全面的报警和事件监测、管理、报告功能。提供多种快速查找报警和事件点的方理、报告功能。提供多种快速查找报警和事件点的方法。法。（4）趋势和报表）趋势和报表趋势显示有标准的单棒图、双棒图、多笔趋势图、趋势显示有标准的单棒图、双棒图、多笔趋势图、多量程趋势图、多量程趋势图、X-Y图、数据表、组趋势图等。图、数据表、组趋势图等。二、集散控制系统的应用化工仪表及自动化图图8-5 传统计算
19、机控制系统结传统计算机控制系统结构示意图构示意图 这种传输方式一方面要使这种传输方式一方面要使用大量的信号线缆；用大量的信号线缆； 另一方面模拟信号的传输另一方面模拟信号的传输和抗干扰能力低。和抗干扰能力低。 8.3 现场总线控制系统一、现场总线系统技术的特征一、现场总线系统技术的特征化工仪表及自动化 现场总线控制系统FCS是在DCS系统的基础上发展而成的，它继承了DCS的分布式特点，但在各功能子系统之间，尤其是在现场设备和仪表之间的连接上，采用了开放式的现场网络，从而使系统现场设备的连接形式发生了根本的改变，具有自己所特有的性能和特征。 一、现场总线系统技术的特征化工仪表及自动化图图8-6
20、现场总线控制系统结现场总线控制系统结构示意图构示意图现场总线控制系统的特征现场总线控制系统的特征 全数字化的现场通信网络。全数字化的现场通信网络。 开放型的互联网络。开放型的互联网络。 采用数字信号传输取代模采用数字信号传输取代模拟信号传输。拟信号传输。 增强了系统的自治性增强了系统的自治性, ,系统系统控制功能更加分散。控制功能更加分散。一、现场总线系统技术的特征化工仪表及自动化二、现场总线控制系统国际标准化现场总线自现场总线自20世纪世纪90年代开始发展以来，一直是世界年代开始发展以来，一直是世界各国关注和研究的热点。各国关注和研究的热点。归纳起来，归纳起来，P-Net和和SwiftNe是
21、用于有限领域的专用现是用于有限领域的专用现场总线，场总线，ControlNet、PROFIBUS、WorldFIP和和Interbus是由以是由以PLC为基础的控制系统发展起来的现场总线，为基础的控制系统发展起来的现场总线，FF H1和和HSE是由传统是由传统DCS发展起来的现场总线，总线功能发展起来的现场总线，总线功能较为复杂和全面，它们是较为复杂和全面，它们是IEC推荐的国际现场总线标准。推荐的国际现场总线标准。化工仪表及自动化三、现场总线控制系统简介1. FF 总线系统总线系统2. Profibus 总线系统总线系统3. HART 总线系统总线系统化工仪表及自动化基金会总线（基金会总线（
22、Foundation Fieldbus，FF）是在）是在过程自过程自动化动化领域拥有广泛支持且具有良好发展前景的技术。领域拥有广泛支持且具有良好发展前景的技术。为了实现通信系统的开放性，为了实现通信系统的开放性，FF通信模型参考了通信模型参考了OSI模型，模型，H1总线的通信模型包括物理层、数据链路层、应总线的通信模型包括物理层、数据链路层、应用层，和用户层。用层，和用户层。1. 1. FF 总线系统总线系统三、现场总线控制系统简介化工仪表及自动化PROFIBUS是过程现场总线（是过程现场总线（Process Field Bus）的）的缩写。它是德国国家标准缩写。它是德国国家标准DIN1924
23、5和欧洲标准和欧洲标准EN50170所规定的现场总线标准。所规定的现场总线标准。PROFIBUS现场总线是世界上应用最广泛的现场总线现场总线是世界上应用最广泛的现场总线技术之一，既适合于自动化系统与现场技术之一，既适合于自动化系统与现场I/O单元的通信，单元的通信，也可用于直接连接带有接口的各种现场仪表及设备。也可用于直接连接带有接口的各种现场仪表及设备。2. Profibus 总线系统总线系统三、现场总线控制系统简介化工仪表及自动化HART总线总线是是Highway Addressable Remote Transducer的缩写，最早是由美国的缩写，最早是由美国Rosemount公司开发。
24、公司开发。HART协议的应用层规定了三类命令，协议的应用层规定了三类命令，第一类第一类称为通称为通用命令，这是所有设备都理解、都执行的命令；用命令，这是所有设备都理解、都执行的命令；第二类第二类称称为一般行为命令，所提供的功能可以在许多现场为一般行为命令，所提供的功能可以在许多现场设备设备（尽（尽管不是全部）中实现，这类命令包括最常用的现场设备的管不是全部）中实现，这类命令包括最常用的现场设备的功能库；功能库；第三类第三类称为特殊设备命令，以便于某些设备在工称为特殊设备命令，以便于某些设备在工作中完成特殊功能。作中完成特殊功能。3. HART 总线系统总线系统三、现场总线控制系统简介化工仪表及自动化