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1、,计算机控制系统,网络化的 计算机控制系统,第 10 章,授课老师：陈良 ChenL,1 集散控制系统DCS概述2 DCS的体系结构与应用3 现场总线FCS概述4 具有代表性的FCS与应用实例5 传感网与物联网技术,DCS概述,DCS,DCS概述,DCS的基本概念 DCS（Distributed Control System）,分布式控制系统、分散控制系统。因其核心思想是“集中管理、分散控制”，所以用集散控制系统命名。DCS采用标准化、模块化和系列化设计，从整体逻辑结构上看是一个以通信网络为纽带的集中管理、分散控制，具有灵活配置，组态方便的多级计算机控制系统,DCS概述,DCS的基本概念 DC
2、S是随着3C技术的飞速发展而逐渐形成的，现已广泛应用于石化、电力、冶金、制药、核电等领域。DCS不仅具有连续控制和逻辑控制功能，而且具有顺序控制和批量控制功能，因此DCS既可以应用于连续过程，也可以用于连续和离散混合的间歇过程，总之DCS已成为主流的工业自动化系统。,DCS概述,DCS的基本概念 核心思想：集中管理（操作、监控、显示）分散控制（控制，高度自治，分散危险）历史：1975年，Honeywell推出了首个集散控制系统TDC2000。,DCS概述,Honeywell：TDC3000/PM横河（YOKOGAWA）：Centum-XL艾默生：OVATION-XPFoxboro：I/A Se
3、riesTaylor Instrument:Mod 300Bailey Control：INFI-90浙大中控：SUPCON和利时：MACSV,目前，主要的厂商和产品如下：,DCS概述,目前，主要的厂商和产品如下：,DCS源起,历史缘起：模拟仪表手操控制系统（手动，人为因素）,DCS源起,历史缘起：单机控制系统（自动，单机系统，回路少）,DCS源起,历史缘起：集中控制系统（高度集中，危险集中）,DCS源起,集散控制系统（分层，集散）,DCS的体系架构,DCS的分层思想,PCS:Process Control SystemMES:Manufacturing Execution SystemERP
4、:Enterprise Resource Plan,金字塔模型,DCS的体系架构,DCS各模块功能,管理计算机：信息管理，决策支持工程师站：组态与维护操作站：参数显示、过程监控（上位机）控制站：底层控制,IPC,PLC单片机、微型机（下位机）,DCS的体系架构,DCS的通信网络,控制网络（CNET）实时性、极高安全性、恶劣环境的适应性、快速响应,同轴电缆等，传输距离1km-5km；速率10Mbps-100Mbps,管理网络（DNET）一般选局域网（LAN）或广域网,各种总线,Ethernet；速率100Mbps-1000Mbps,广域网,DCS的特点,分散性与集中性,DCS硬件积木化+软件模块
5、化是分散性的具体体现 分散性（地域、设备、功能控制危险）保障可靠性和安全性纵向分层次、横向分子系统DCS通信网络+分布式数据库是集中性的具体体现集中性（监视、操作、管理）通信网实现物理分散设备的统一、分布式数据库实现全系统的信息集成。,DCS的特点,可靠性与适应性,系统结构容错：集散系统固有优点、危险分散 硬件冗余设计：主要部件（操作站、控 制站、I/O板、通信网络）双重系统（Dual System）热备份 双工系统（Duplex System）冷备份硬件选材满足严格的工业标准，抗干扰技术，可以在恶劣环境下工作一系列故障诊断软件MTBF 50kh；MTTR：5min,DCS的特点,DCS的可靠
6、性：双重系统（热备份）,DCS的特点,灵活性与扩展性,硬件采用积木式结构，可灵活配置小、中、大各类系统；软件采用模块化结构，提供输入、输出、运算和控制功能块，可组态构成各类控制系统；系统易于扩展、配置容易改变；通过组态易于修改控制方案；可自定义生产各类先进控制算法,控制站,控制站CS（Control Station）分布于过程控制层,是DCS分散控制的基础，直接与生产过程的信号传感器、变送器和执行器相连，具有信号输入、输出、运算、控制和通信功能。,控制站,控制站的硬件主要由输入输出单元IOU（Input&Output Unit）、主控单元MCU（Main Control Unit）和电源3部分
7、组成控制站的软件分为系统软件和应用软件，其中应用软件具有各类功能块，如输入功能块、输出功能块、运算功能块、连续控制功能块、逻辑控制功能块和顺序控制功能块。这些功能块是实现各类过程控制的基础，在工程师站组态软件的支持下，对功能块组态即可构成控制回路或控制策略。,控制站,主控卡冗余,控制站机柜包括电源、主控制卡、数据转发卡、I/O卡，集线器/交换机等。P250-P256,操作站,DCS的操作员站OS（Operator System）OS的功能是操作、监视和管理作为DCS的人机界面，提供通用画面、专用画面和管理画面一般选用工控机或工作站,工程师站,DCS的操作员站ES（Engineer System
8、）功能是组态、绘图和编程控制站的控制功能首先是在工程师站上组态生成；操作站的操作画面首先在工程师站组态生成组态的主要内容：系统设备组态（硬件）、控制功能组态和操作画面组态（软件）常用工控机或工作站,DCS的组态,组态的定义：根据设计需要来确定DCS控制回路中所完成的特定功能,硬件组态（又叫系统配置）软件组态,DCS组态功能分类：,硬件组态的作用1.它是完成系统设备间的硬连接2.首先选择好硬件设备，然后完成系统的硬件 配置，即所谓的硬件系统的建立,硬件组态,工程师站的选择 操作员站的选择 现场控制站的选择,DCS的组态,DCS的组态,现场控制站的选择,现场控制站的个数 现场控制站处在的地域分布状
9、况 I/O点数 现场控制站的板卡的种类与数目 电源的选择等,DCS的组态,硬件组态,DCS的组态,软件组态包含两方面内容,画面组态 控制组态,画面组态的作用完成操作员站上的各种画面各种画面间的连接,控制组态的作用生成各种控制软件包括基本配置组态和应用软件的组态,DCS的组态,软件组态,DCS的组态,应用软件的组态采用功能块语言，用最简单的编程语言或图上作业方法将这些模块进行软连接，构成各种控制系统的应用软件应用软件主要用于现场控制层。对于管理层的生产优化或经营优化的管理软件，仍然用高级语言(如C语言和Fortran语言等)编制,DCS,延伸阅读：浙大中控SUPCON品牌DCS入选“2004年度
10、自动化领域最具影响力产品”,1993年，浙大中控成功研制开发出了国内第一套具有1:1热冗余技术的SUPCON JX-100 DCS，填补了国内空白。随后，SUPCON JX-200、SUPCON JX-300、SUPCON WebField JX-300X DCS相继问世。2000年，又全新推出了基于网络技术的控制系统SUPCON WebField ECS-100。,DCS,延伸阅读：浙大中控SUPCON品牌DCS入选“2004年度自动化领域最具影响力产品”,2001年，成功推出开放式控制系统SUPCON WebField GCS-1。其后不久，架构在100M以太网基础上的超大规模DCS系统S
11、UPCON WebField GCS-200也正式投放市场。浙大中控的全系列控制系统，融合了当前最先进的自动化技术、计算机技术、通信技术、故障诊断技术、冗余技术和软件技术。具有成本低、可靠性高、使用方便、安装简单、维护容易等特点，系统全部数字化，且支持现场总线和HART协议。,DCS,WebField架构,ERP,MES,PCS,DCS应用示例,化工,石化,钢铁,造纸,电力,水处理,有色金属,图：DCS的应用领域,DCS,表：2005年DCS市场份额,DCS,延伸阅读1.垃圾焚烧发电厂自动化解决方案2.DCS主要产品对比分析,DCS,DCS的主要缺点和发展趋势 a).非完全分布式的，控制功能未
12、彻底下放底层仍为模拟信号，并非全数字通信b).各厂商产品并不兼容，形成封闭系统，称为企业综合自动化的“信息孤岛”未来方向：FCS、工业以太网,现场总线,FCS（Fieldbus Control System）现场总线 定义：现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多分支的通信网络。21世纪的自动化领域是现场总线的世界,现场总线,FCS 的优点 用智能现场仪表取代模拟仪表，用总线连接取代了一一对应的电缆连接，极大地降低了成本，并且方便仪表的安装维护控制功能完全下放，高度自治。智能仪表带有现场控制功能，集检测、控制功能于一体全数字化通信，提高了可靠性,现场总线,FCS 与DCS的区别
13、,现场总线,FCS 的应用现状 工业现场存在大量的模拟仪表，更换成本过高，意愿不强 智能仪表较少 新建的工厂较多采用FCS，FCS有更优秀的体系结构，代表未来的发展趋势,现场总线,FCS 的种类FCS面临的主要问题是没有建立统一的国际标准。各产商为了各自的商业利益，推行各自的现场总线，形成商业壁垒。主要的现场总线有 FF：基金会现场总线 Profibus HART CAN LonWorks 以及Control-Net,P-Net,InterBus,SwiftNet,WorldFIP等,现场总线,FCS 的种类,现场总线,FCS 一般采用OSI七层模型的第1、2、7层,现场总线-FF,FF(Fi
14、eldbus Foundation)背景：FF的前身是美国Rosemount公司为首，联合ABB，Foxboro，Siemens，Yokogawa等80多公司成立的ISP协会和以Honeywell公司为首，联合欧洲等地150家公司成立的WorldFIP。ISP和WorldFIP两大集团于1994年合并，成立现场总线基金会，致力于开发国际上统一标准的现场总线协议。得到了北美、欧洲、亚太等地的广泛支持。,现场总线-FF,FF适用于过程自动化：本质安全防爆、总线供电,背景知识：总线供电,即工业控制网络不仅能传输通信信息,而且能够为现场设备传输工作电源。总线供电能减少线缆,降低布线成本。符合本质安全的
15、现场总线仪表几乎都采用总线供电技术。总线供电由于取自信号线,所以在构成本质安全的防爆结构时,具有很大的优势,现场总线-FF,采用总线供电的现场总线主要有：FF，Profibus，Hart，LonWorks,现场总线-FF,FF的多层架构,H1：低速网络 31.25K/1900m,HSE（高速以太网）1M/750m，2.5 M/500m,FF的应用,延伸阅读：中国成为FF现场总线应用的领先者,最新市场调查显示基金会现场总线（Foundation Fieldbus,FF）这一开放，可互操作的技术已经成为全球范围内领先的数字化控制系统解决方案。在过程控制领域，FF已成为公认的第一流技术。从全球范围内
16、看，FF现场总线技术的应用量一直在增长，尤其是中国，已成为主要FF总线技术应用项目的关键市场。FF基金会总裁兼CEO Richard Timoney说:“中国的最终用户认为现场总线具有很强的性能优势,它能节约支出并改善运行条件,，目前中国已有超过70个FF总线应用项目,有4000多台注册的FF现场总线设备,应用于石化、油气、食品和饮料以及生物制药等诸多行业。,FF的应用,FF基金会最近宣布：上海赛科（SECCO）石化有限公司，由英国石油公司（BP）、中国石化（Sinopec）和上海石化（SPC）共同投资27亿美元组建的合资公司将会在其10套大型石化装置中，安装目前世界上最大的FF现场总线控制系
17、统。SECCO将成为世界上自动化程度最高的石化企业之一，年产石化产品230万吨。,FF的应用,FF现场总线将为SECCO提供开放、集成操作和诊断信息的系统。该系统将管理全厂范围内10套装置共8万多个I/O点，及与23000多个FF设备的通讯。SECCO认为现场总线系统超强的自诊断能力将能降低维修时间和费用，提高系统正常运转时间，从而使工厂始终处于最佳的控制状态。Timoney先生说：SECCO发现现场总线技术能够极大地提高处理过程的适应性及其产量，改善公司的资产管理及利用，产品质量也会得到极大的提高。而所有这些优势对目前竞争日益激烈的市场非常重要。,HART现场总线,Rosemount公司推出
18、，事实上的国际标准。特点：过渡性标准兼容模拟信号与数字信号，非常流行，HART变送器占世界智能变送器市场的60%。专家估计，HART协议仍能存活15-20年采用OSI模型的1，2，7层,HART现场总线,物理层（Bell202，FSK技术）在4-20mA的模拟信号上叠加0.5mA的正弦波（数字信号经FSK生成）,HART现场总线,数据链路层可寻址范围为0-15，其中地址为0时，处于数字信号与模拟信号的兼容状态，当地址为1-15是出于全数字通信状态 HART总线的主要优点：过渡总线，适合老厂改造，设备升级；协议简单，用户或企业可以开发自己的Hart仪表；采用总线供电，电流小于4mA，采用低功耗器
19、件，有利于节能降耗。,HART的应用,延伸阅读：HART总线在深海原油开采中的应用,HART的应用,HART的应用,延伸阅读：HART总线在深海原油开采中的应用,CAN总线,CAN（Controller Area Network）最初Bosch公司为汽车内部的控制系统、检测元件、执行机构间的数字通信而设计（现在已成为最有前途的几种总线之一）CAN采用了OSI中的三层模型,CAN总线,优点：a 高速、传输距离远 5Kbps/10km,1Mbps/40mb 多节点 110个c 实时性好：非破坏性总线优先级仲裁技术 最高优先级节点 d 低误码率，采用CRC校验,CAN的应用,延伸阅读：CAN总线在汽
20、车生产中的应用,CAN的应用,延伸阅读：CAN总线在汽车生产中的应用,80年代以来，随着集成电路和单片机在汽车上的广泛应用，汽车上电子控制单元越来越多，例如电子燃油喷射装置、防抱死制动装置（ABS）、安全气囊装置、电控门窗装置和主动悬架等等。在这种情况下，如果仍采用常规的布线方式，即电线一端与开关相接，另一端与用电设备相通，将导致车上电线数目急剧增加。一辆采用传统布线方法的高档汽车，其导线长度可达2000米，电气节点达1500个，电线的重量可以达到4060公斤。,CAN的应用,延伸阅读：CAN总线在汽车生产中的应用,另外，电控系统的增加虽然提高了轿车 的安全性、经济性和舒适性，但随之增加的复杂
21、电路也降低了车辆的可靠性，增加了维修的难度。为此，改革汽车电气技术的呼声日益高涨，于是车上控制器局域网络CAN（ControllerAreaNetwork）就应运而生。,CAN的应用,延伸阅读：CAN总线在汽车生产中的应用,由于我国的车型以欧美车型为主，且欧美车型又以CAN总线为主流，目前国内使用总线技术的车型几乎全部使用CAN总线，因此汽车总线的研发应该结合国内外实际情况选用CAN总线。目前汽车上的网络连接方式主要采用2条CAN，一条用于动力系统的高速CAN(FlexRay)，速率达到500kb/s；另一条用于车身系统的低速CAN，速率是100kb/s。,CAN的应用,延伸阅读：CAN总线在
22、汽车生产中的应用,动力系统CAN主要连接对象是发动机控制器（ECU）、变速箱、ABS控制器、安全气囊控制器等等，它们的基本特征相同，都是控制与汽车行驶直接相关的系统。车身系统CAN主要连接和控制的汽车内外部照明、灯光信号、空调、组合仪表及其他辅助电器等。,CAN的应用,延伸阅读：CAN总线在汽车生产中的应用,目前，动力系统CAN和车身系统CAN这两条独立的总线之间设计有“网关”，以实现在各个CAN之间的资源共享，并将各个数据总线的信息反馈到仪表板上。驾车者只要看仪表板，就可以知道各个电控装置是否正常工作了。自1989年以来，支持CAN总线标准的公司越来越多，其中有奔驰、大众、宝马、保时捷、劳斯
23、莱斯、美洲豹等。支持CAN总线标准的电子公司有英特尔、摩托罗拉、菲利普、Microchip、西门子等。,LONWorks总线,LONWorks（Local Operating NetWork）局部操作网络广泛应用于工业、楼宇、家庭、交通、能源等过程。开发低成本网络控制。,LONWorks总线,LONWorks采用OSI七层模型 最多可挂载32000个节点传输速率与距离78K/2700m1.25M/130m,LONWorks总线,LONWorks的核心是Neuron芯片由Echelon公司研发的集通信、控制、调度和I/O于一体的VLSI器件,LONWorks总线,Neuron包含3个8位的CPU
24、,LONWorks总线,三个CPU的协同工作机制,LONWorks总线,基于LONTalk协议的网络模型,Profibus总线,1987年由SIEMENS等13家企业和5家研究所联合研制。世界上应用最广的现场总线。,Profibus-FMS:纺织、楼宇、电气传动,Profibus-DP,Profibus-PA:过程自动化,DP+PA的完美结合使Profibus在结构和性能上优于其他现场总线,Profibus总线,Profibus的协议结构,Profibus总线,Profibus的协议结构,Profibus总线,Profibus的协议结构:总从模式+令牌环,Profibus总线,延伸阅读：Pro
25、fibus在高速公路隧道机电控制系统中的应用,Profibus总线,延伸阅读：Profibus在高速公路隧道机电控制系统中的应用,浙大中控于2000年底成功完成了甬台温高速公路猫狸岭隧道群机电控制系统，该隧道全长8.17KM，左右4座分离式隧道组成，其中最长为3616M，采用国际先进的双环光缆冗余Profibus现场总线技术，用SIEMENS公司S7-300、S7-400可编程控制器分区域控制实现通风系统、照明系 统、火灾检测与报警系统、紧交通检测急呼救系统、控制与诱导系统、有线广播系统、闭路电视监控系统、中央管理与控制系统、供配电系统、消防系统、防雷及接 地系统。目前该隧道机电设施已成为国内
26、最先进、最完备的高速公路“绿色通道”。工程质量评定优良。,Profibus总线,采用自主开发的APC-PIMS综合集成控制软件构成计算机监控平台,实现整个隧道机电系统的控制、协调和管理。将十大系统通风、照明、火灾监测与报警、紧急呼救、交通检测控制与诱导、有线广播、闭路电视监控、中央管理与控制、供配电、消防、防雷及接地等系统高效地集成为一个整体，并将操作画面显示在DLP大屏幕投影系统中，整个机电系统集成控制技术已达到国际先进水平。,传感网与物联网,物联网,十五年周期律,IBM前首席执行官郭士纳提出一个重要的观点：计算模式每隔15年发生一次变革。1965年前后发生的变革以大型机为标志，1980年前
27、后以个人计算机的普及为标志，1995年前后则发生了互联网革命。每一次这样的技术变革都引起产业间甚至国家间竞争格局的重大动荡和变化。而互联网革命一定程度上是由美国“信息高速公路”战略所催熟。2010年前后？物联网？,物联网,十五年周期律,物联网,国际电信联盟2005年一份报告曾描绘“物联网”时代的图景：当司机出现操作失误时汽车会自动报警；公文包会提醒主人忘带了什么东西；衣服会“告诉”洗衣机对颜色和水温的要求等等。,物联网的定义,物联网,具体地说，就是把传感器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种物体中,物联网,“物联网”概念的问世,打破了传统的思维,过去的
28、思路一直是将物理基础设施和IT基础设施分开:一方面是机场、公路、建筑物,而另一方面是数据中心,个人电脑、宽带等。而在“物联网”时代,钢筋混凝土、电缆将与芯片、宽带整合为统一的基础设施,物联网,Make it real！,视频：第六感 sixth sense,物联网,物联网,美国,奥巴马就任美国总统后,1月28日与美国工商业领袖举行了一次“圆桌会议”,作为仅有的两名代表之一,IBM首席执行官彭明盛首次提出“智慧的地球”这一概念,建议新政府投资新一代的智慧型基础设施,阐明其短期和长期效益。奥巴马对此给予了积极的回应:“经济刺激资金将会投入到宽带网络等新兴技术中去,毫无疑问,这就是美国在21世纪保持和夺回竞争优势的方式。”,物联网,应用前景,智能家居智能交通安全监控智能电网,物联网,延伸阅读,中国移动的物联网战略,
