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1、济南大学控制科学与工程学院,集散控制系统与局域网第三课 DCS的发展趋势与基本组成,授课人:于宏亮济南大学控制科学与工程学院,济南大学控制科学与工程学院,回顾：,回顾：1.4 过程控制系统设计面临的新问题2.1 各代DCS的系统结构和特点,济南大学控制科学与工程学院,本课主要内容：,2.2 DCS的发展趋势1、影响因素2、进一步开放3、进一步智能化与分散化4、PLC技术的影响5、管控一体化2.3 DCS的基本组成部分1、DCS的系统网络2、现场站3、操作员站4、工程师站,济南大学控制科学与工程学院,2.2 DCS的发展趋势一、影响DCS发展的几个要素,（一）生产过程自动化发展趋势1、控制自动化
2、程度越来越高。2、控制的综合性大大提高。3、人工的操作和干预越来越少。4、操作方式越来越软件化。5、CRT的作用越来越强。6、数字信号越来越深入现场。7、控制系统的功能越来越向综合性发展。8、控制算法多种多样。,济南大学控制科学与工程学院,一、影响DCS发展的几个要素,（二）用户要求的不断提高1、系统的功能2、系统的可靠性3、系统的易用性4、安全性5、信息广泛共享6、系统的规模要求更大7、系统容易升级8、系统的成本降低,济南大学控制科学与工程学院,（三）各项应用技术的不断提高1、计算机技术的发展与进步2、网络技术的发展与进步3、软件技术的发展与进步,一、影响DCS发展的几个要素,济南大学控制科
3、学与工程学院,二、DCS的进一步开放,从工程实践的角度而言，开放性就是软、硬件系统本身所具有的互连互通的能力，一般表现在具有一些公开发表的标准性能或技术，这些标准性能和技术无需许可证就可以自由获得,并由许多供应商所支持，虽然不一定获得官方认可，但已被普遍接受，成为事实上的工业标准。,济南大学控制科学与工程学院,二、DCS的进一步开放,开放性要求各个厂家的产品具有互操作性、互换性、可替代性、可扩充性（即可增值性）和多平台支持（可移植性）。其中在现场控制方面的总线标准，如Profibus，FF；控制软件方面的组态方式，如梯形图、功能块图；应用软件方面的接口标准，如OPC、DCOM技术；通讯方面的网
4、络标准，如TCP/IP协议、光纤环网标准等等在各自领域都有着极大的影响。,济南大学控制科学与工程学院,二、DCS的进一步开放,在开放性的基础之上，对控制系统、管理信息系统进行优化配置，将使得系统能在同水平甚至更高水平实现水泥企业各运营环节的功能基础之上，大大降低原始投资成本及后期运行成本。,济南大学控制科学与工程学院,三、DCS的智能化和进一步分散化,（一）现场总线技术介绍1、智能化仪表：建立在微电子的发展之上，超大规模集成电路、嵌入式系统（Embedded Systems)、CPU、存储器、A/D转换器和输入输出回路等功能集成在一块芯片上的单片机，使得将模拟信号数字化这一工作从计算机端移到了
5、现场端，现场仪表与计算机之间传送的不是模拟信号，而是数字信号，或更确切的说是信息。,济南大学控制科学与工程学院,三、DCS的智能化和进一步分散化,（一）现场总线技术介绍2、现场总线：为了适应智能化仪表的发展，多台智能化仪表公用一对传输线，从而产生了现场总线。现场总线简化了仪表信号线的布线工作，可机节省大量金属导线，数字信息传输方面完善的纠错技术使得信息传输的误差大大降低，同时可以利用多种传输介质完成信息传输，如双绞线、光纤、无线电波、红外线等，大大提高了在不同现场条件下信息传输的适应性。现场总线实际上是一种计算机网络，在这个网络上的每个接点都是一个智能化仪表。但也不同于一般计算机网络，要解决信
6、息碰撞问题。一般的现场总线规约中只包括物理层、链路层和应用层，有些现场总线具有网络层。,济南大学控制科学与工程学院,济南大学控制科学与工程学院,济南大学控制科学与工程学院,3、现场总线的种类,（1）Bit Bus总线：最初由Intel于1984年提出，适用于仪表、分散数据采集系统、控制设备及测试检测应用等。是一种很老的现场总线方案，已有广泛的安装和应用，其问题在于总线芯片已过时。（2）HART（Highway Addressable Remote Transducer)协议：Rosemount1985年开发。在不中断4-20mA信号情况下，实现智能现场设备与主设备之间的双向数字通信。是一种过渡
7、性的现场总线协议。（3）Profibus总线:由Siemens领导开发，共有3种版本-FMS（Fieldbus Message Specification）DP（Decentralised Peripherals）、PA（Process Automation）。,济南大学控制科学与工程学院,3、现场总线的种类,（4）FF(Foundation Fieldbus)总线:1994年10月，可互操作系统工程基金会（Interoperable Systems Project Foundation,ISPF）和北美WorldFIP（WorldFIP North America,WorldFIP NA）合
8、并成为一个新组织：现场总线基金会，以加速现场总线的标准化。其明确目的定位在过程控制领域种的可靠、分散控制.(5)Modbus:是为工业控制应用（如过程控制和监控信息传递）设计的局域网，由AEG Modicon开发。（6）CAN(Controller Area Network)总线：最初由Robert Bosch设计，以提供车辆内电子面板控制单元的串行通信。汽车行业应用较多，也推广到移动机床等领域。（7）Lon Works总线：LonWorks是对等控制网络，适用于分散控制和楼宇自动化中连接智能设备，由美国Echelon公司开发。,济南大学控制科学与工程学院,（二）分散控制模块技术的发展,济南大
9、学控制科学与工程学院,四、PLC技术的发展及其队对DCS的影响,（一）用PLC构成的控制系统原有的缺陷 1、PLC之间如何协调 2、现场编程或现场组态的需求不易满足。3、仅有逻辑功能或简单数值运算不能满足要求。,济南大学控制科学与工程学院,四、PLC技术的发展及其队对DCS的影响,（二）现在PLC的几点重大改变 1、在数据高速公路上挂接了在线的通用计算机。2、在PLC中增加了数值量的I/O接口和数值处理计算功能。3、越来越多的PLC厂家把专用的数据高速公路改为通用网络，并逐步将PLC之间的通信规约向通用的网络规约靠拢。,济南大学控制科学与工程学院,五、管理和控制一体化,目前DCS有两个发展方向
10、，一是向现场深入，二是向高层发展，使得面向控制过程的DCS和面向生产管理与调度的管理信息系统MIS可以互相传递信息，出现了将DCS与MIS集成在一起的计算机集成制造系统CIMS和计算机集成过程控制系统CIPS。实现这一目标的关键是各个子系统之间的网络通讯接口：以太网通信标准、TCP/IP标准、SQL、ODBC、OPC、DDE,济南大学控制科学与工程学院,2.3DCS的基本组成部分,三点一线,一线：DCS骨架计算机网络,三点：面向过程的现场站（PS），面向操作人员的操作站（OS），面向DCS监督管理人员的工程师站（ES）,济南大学控制科学与工程学院,一、DCS的系统网络,用于DCS的计算机网络在
11、很多方面不同于通用的计算机网络。它是一个实时网络，即网络需要现场通讯实时性的要求，在确定的时限内完城信息的传送。这里所说的“确定”的时限是指，无论在何种情况下，信息传送都能在这个时限内完成，而这个时限则是根据被控制过程的实时性要求确定的（一）网络结构：可分为星形、总线形、环形三种,济南大学控制科学与工程学院,星型结构从传送实时性讲，星形网是最好的，因为这种结构无公用传输介质，但DCS不采用这种结构，由于其中心节点的存在使危险性集中，不符合DCS的设计原则。目前DCS应用最为广泛的网络结构是环形网和总线形网，因为在这两种结构中，各个节点是平等的，任意两个节点之间的通信可以直节通过网络进行，无需其
12、它节点的介入。但存在共用传输介质的问题，这是影响网络传输实时性的关键。（二）DCS传输介质共享的方式 传输介质：细同轴电缆（细缆）、粗同轴电缆（粗缆）、光缆 为解决传输介质共享，对于多个节点传送信息的请求必须采用分时方法，避免信息在网络上的碰撞，一种方式为Token Ring(对于环形网），Token Passing（对于总线性网），即令牌方式；另一种方式为载波侦听与碰撞技术，即CSMA/CD方式。,济南大学控制科学与工程学院,二、过程现场站PROCESS STATION,主要功能：（一）将各种现场发生的过程量（流量、压力、温度、电流、功率及各种状态等）进行数字化，并将这些数字量存在存储器中，
13、形成一个与需现场一致的、能一一对应的、并按实际运行情况实时的改变和更新的现场过程量的实时映象。（二）将本站采集到的实时数据通过网络送到操作站、工程师站及其它现场站以便实现全系统范围内的监督和控制，同时现场站还可接受由操作员站、工程师站下发的信息，以实现对现场的控制或对本站的参数设定。（三）在本站实现局部控制、回路的计算及闭环控制、顺序控制等。,济南大学控制科学与工程学院,二、过程现场站PROCESS STATION,其它功能：（一）为二线制仪表提供电源（二）为现场信号的输入输出回路配备必要的隔离电路和保护电路。（三）对于一些重要的控制输出量，必须具备断电保护和上电跟随特性。（四）可靠性要高。（
14、五）具备不依赖DCS其它部分独立运行的能力（DCS系统初始启动除外）。,济南大学控制科学与工程学院,三、操作员站OPERATOR STATION,DCS的操作员站是处理一切与运行操作有关的人机界面（MMI）功能的网络接点。其主要功能为：（一）及时了解现场运行状态、各种运行参数的当前值、是否有异常情况等。（二）对工艺过程进行控制和调节，以保证生产过程的安全、可靠、高效、高质。显示内容为：（一）生产过程的模拟流程图，包括关键数据、控制参数及设备运行状态等（二）报警窗口：以倒排时间顺序的方式列出所有生产过程的异常情况（异常状态、数值越限等（三）最关键数据的常驻显示（四）实时趋势显示（五）检测及控制仪
15、表的模拟显示（六）多窗口显示功能（七）灵活方便的画面调用方法（八）音响报警装置,济南大学控制科学与工程学院,济南大学控制科学与工程学院,济南大学控制科学与工程学院,四、工程师站 ENGINEER STATION,工程师站：是对DCS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。主要功能：提供对DCS进行组态、配置工作的组态软件，并在DCS在线运行时实时地监视DCS网络上个节点的运行情况，使系统工程师可以通过工程师站及时调整系统配置及一些系统参数的设定，使DCS随时处在最佳工作状态下。,济南大学控制科学与工程学院,回顾：,2.2 DCS的发展趋势1、影响因素2、进一步开放3、进一步智能化与分散化4、PLC技术的影响5、管控一体化2.3 DCS的基本组成部分1、DCS的系统网络2、现场I/O控制站3、操作员站4、工程师站,济南大学控制科学与工程学院,作业：,无,济南大学控制科学与工程学院,结束,好运,
