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1、第五章 集散控制系统 第一节 概述 第二节 集散系统的现场控制站 第三节 集散系统的操作员和工程 第四节 集散系统的网络与通信 第五节 集散系统的工程化设计,过程控制工程,第一节 概述,集散控制系统：又称为分布式控制系统，是现代化科学技术的综合成果，集性能优越、使用灵活、可靠性高等特征。,5,一、集散系统的组成,1、拓扑结构,5,2、功能分析,图中数据高速公路上的装置可分为： 1、分散安装在靠近工业设备的现场，并完成工况控制和数据采集任务的装置，被称为过程控制单元或现场控制站； 2、集中安装在远离现场的地方，完成工况监视和系统管理及操作的装置,5,5,5,二、集散系统的特点,集散系统的特点：,
2、1、控制设备分散 2、监视和管理操作的集中 3、开放系统结构,5,三、集散系统的发展,第一套集散系统1974年美国Honeywell公司推出，经历了三个阶段：,第一阶段基本成形阶段； 第二阶段扩大功能阶段； 第三阶段称为扩大规模和综合功能的阶段,第二节 集散系统的现场控制站,现场控制站：是接近被控过程和设备现场、直接面向生产过程的设备，主要是控制站和监视站。,5,现场控制站的控制设备按规模大小和功能配备来划分， 有下面三类：,1、小规模单功能控制器：完成参数控制或逻辑顺序控制中的一种， 被控回路可以是单回路也可以是多回路 2、中规模多功能控制器：能实现参数控制，又能实现顺序控制， 两种功能集成
3、起来，统一管理。 3、先进多功能控制器：不仅包含前述所有功能，还配备了先进的 控制算法,5,现场控制设备的硬件结构为框架式，在一个控制柜内设有专门框架，内设若干个糟，每个糟内可插入一块指定功能的电路板，板与板之间通过底板上的总线相连，或直接从端子输入和输出。,现场控制站的软件设置要求：,1、它能给用户提供一种舒服的方式来指定所需实现的功能,2、要至少提供一组控制功能和通信功能给用户选用，而不要用户从头设计程序。,4,控制功能和通信功能包括：,1、数据采集和输入输出 2、极限检测和报警 3、控制功能、 4、顺序控制及逻辑运算功能 5、数值计算功能 6、用于控制和指示信号输出 7、控制器之间及控制
4、器内部的通信功能 8、人机通信功能,5,集散系统为现场控制站提供的三种编程语言：,1、功能块语言 用图形表示，每个块固定一种简单的功能和运算其参数可由用户设定,2、面向问题的语言（POL） 由系统制作商按照应用需要专门设计,3、高级语言 在保持与功能块语言和POL兼容的前提下，提供用户自己编写控制程序的某种程度的灵活性,5,一、参数控制,现场控制站的参数控制实际是一个微处理机控制系统； 参数控制目标的实现是靠不同的算法组合来完成的，每个集散系统都有自己的标准算法模块。,标准算法共三类：第一类（只有一种）数据采集法，用来采集参数实际值或设定值送去显示或报警； 第二类（筛选后13种）控制算法 ，主
5、要是常用的PID算法及其变型； 第三类（12种）辅助算法，是一些不随时间变动的变量间的固定算法,5,控制算法中最基本的常规PID表达式,5,PID算法，配置的无扰动切换功能包括：,1、手动自动无扰动切换 2、自动手动无扰动切换 3、自动串级无扰动切换 4、串级自动无扰动切换 5、手动串级无扰动切换,控制系统设计好后，由现场控制站执行对参数的控制，为此要分别对各个参数控制回路进行组态，组态内容：1）控制算法、辅助算法及其相互连接方式的选定；2）各个算法模块的工作方式及参数的设定,5,现场组态的操作方法如下：,1、按保持（HOLD）键，组态开始 2、按下选定的回路（SLOT）键，从18 3、将数据
6、输入键打开，转向输入位置 4、按组态（CONF）键，用增或减键逐位输入第一组指令数字，移位用 %键盘逐位右移 5、按CONF+HI键，用增或减键逐位输入第二组指令数字，移位方法同上 6、按CONF+LO键，用增或减键逐位输入第三组指令数字，移位方法同上 7、按CONF+HI+LO键，用增或减键逐位输入第四组指令数字，移位方法同上 8、逐个按下所需的操作参数键，相应的输入或修改各操作参数 9、锁上数据输入键，再按保持（HOLD）键，即可将系统投入运行,5,5,二、逻辑和顺序控制,逻辑算法分四类：,第一类 序号13为三输入运算，运算结果为状态 第二类 序号47为二输出一输出算法，可以作两个信号的
7、逻辑运算 第三类 序号8为连接运算，它有一个输入和两个输出，它的 输出跟随输入 第四类 序号911为带时延的运算，包含通延时、断开延时 和产生脉宽为T的脉冲,5,逻辑运算要确定三个问题：,1、进行哪一种运算 2、它的输入变量和输出变量是什么 3、参与逻辑运算有无常数，如有则是多少,5,简单的或运算组态数据,5,语言SOPL是美国公司开发的一种用于顺序控制的编程语言,5,在顺序名称下包含两个部分： 定义部分（程序中要用到的变量和常量） 执行部分（真正使系统运行的程序）,执行程序包含正常顺序和非正常顺序,SOPL语句功能分两类： 1、指令语句（用于顺序解释，不参与执行） 2、执行语句（用于来完成指
8、定功能）,5,5,执行语句分为三部分：,1、最高位起14的标题字 用来表示顺序中步的特征 和语句编号 2、610位是判断字 是语句要执行的特性 3、1240是操作数 表示语句要执行的具体内容，它 随判断字的不同而变化，包括六种（常数、系统变 量、用户定义名称、表达式、函数、转移目标） 4、1240位是指定空格，作为字间分隔,5,顺序控制系统的程序编制步骤：,1、由工艺要求画出系统工作流程图 2、由流程图画出程序框图，划分顺序，阶段和步 3、对每一步用SOPL语言写出控制语句 4、填写标准源程序表,5,三、数据监测,1、输入处理 1）模拟量输入 2）数字量输入 3）脉冲输入,2、输出处理 1）模
9、拟输出 2）数字输出,第三节 集散系统的操作员站和工程师站,5,一、操作员站和工程师站的功能,1、操作员站的功能,显示：这是操作员站的基本功能，它与键盘一起，完成各种画面的切换和显示，显示的画面有 （1、工艺流程画面、2、报警提示画面、3、控制回路画面、4、过程趋势画面、5、提示信息画面、6、记录和表格画面）,5,操作：操作员站的操作具有很强大的操作功能，用来管理整个系统的正常运行，操作与画面相结合，借助功能能键来完成。具体操作有 （1、功能键定义、2、回路状态修改、3、画面调用和展开、4、过程报告、5、信息输出）,5,2、工程师站的功能,1）系统组态功能：是用来生成和变更操作员站和现场控制站
10、的功能，其内容为填写标准工作单，由组态工具软件将工作单显示于屏幕上，用会话方式完成功能的生成和变更。,4,组态形式有： 1、操作站组态：从系统做起，包括操作站的规格指定，站的组成指定，信号点数指定及其它一些共同的规定。 2、现场控制站组态：用来生成和变更站内反馈控制功能、顺序控制功能和报警工能。 3、用户自定义组态：客户的专用功能,5,2、系统测试功能： 是用来检查组态后系统的工作情况 3、系统维护功能： 对系统作定期检查或更改 4、系统管理功能： 用来管理系统文件。,5,二、操作员站和工程师站的硬设备,按功能指定需要，操作员站的硬设备由：显示器、键盘和外围设备组成，构成一个专用的控制计算机系
11、统。,按功能要求工程师站配置一台功能强的计算机系统，它要储存全部的组态软件，通过人机对话实现组态和其他功能。,5,三、操作员站和工程师站的软件,软件分为：系统软件和应用软件,系统软件包括： 1、管理计算机系统工作的操作系统 2、供用户组态用的各种工具软件 3、面向过程高级语言,5,1、操作员站软件,1、实时多任务操作系统：操作员站的计算机直接参与过程运行和管理，对信息的处理必须及时，实时性强，故必须要有一个功能强的实时多任务操作系统。 2、工具软件：是连接集散系统和用户的桥梁，它提供一个环境，便于用户根据控制和管理要求，组态生成应用文件，然后自动编译和生成执行程序，由集散系统各部分去执行。,5
12、,5,5,1、建立现场控制站各点的数据记录 2、建立操作员站的点记录 3、建立点名和索引对照表,现场数据库和操作员数据库合称系统的全局数据库，生成步骤：,b）图形生成：图形画面生成的步骤： 1、背景画面编辑 2、动态画面编辑 3、图形连接,5,c）反馈控制组态：目标是选择和定义实现控制所用的算法模块，并将它们按次序连接起来，构成控制回路，以达到指定性能指标,组态方法有两种：一种是图形组态；一种是列表组态,5,1、进入组态编辑模块，屏幕上出现输入线，模块框和输出线， 删去不必要的模块框和线 2、定义输入和输出索引号 3、指定模块框，按选择算法键，根据列出的选项，指定算法 4、屏幕进入参数编辑，将
13、预定参数键入，模块组态完成 5、按信号流向完成模块间连线，组态编辑完成。,图形组态的步骤：,5,5,5,5,2、工程师站软件,工程师站软件是一个计算机系统，有类似的软件组成，和操作员站的软件有两点差别：,1、工程师站的功能可以离线进行，因此对操作系统的实时 性要求不高，可以采用通用的操作系统 2、工程师站的组态功能比操作员站丰富，因此要配备更多 的工具软件,4,第四节 集散系统的网络与通信,网络的特点：,一、概述,1、实时性强 2、长时间的高可靠性 3、高抗干扰能力 4、网络结构的层次性和开放性,5,二、网络技术初步,1、网络的组成,网络是由若干台计算机和传输介质连接而成的用于交换信息的整体，
14、每台计算机称为网络的节点，在网络中自主地向网上发送信息或接收信息。,一个集散系统的网络连接器的构成,5,5,1）链接口单元：通过指定的接口标准与网络相连，基本是一个调制调节器，对要发送的信号调制和对接收的信号调解。 2）站接口单元：用来执行指定的网络规程和对发送/接收信号处理。,集散系统网络使用的传媒介质种类：,a) 双绞线：将两条绝缘导线规则地绞在一起称为一对双绞线，一条 作信号线，一条作公共线 b) 同轴电缆：它由中心导体、固定中心导体的电介质绝缘层、外屏 蔽导体和外绝缘层组成 c) 光缆：由若干条光纤组成，传输的是由电信号转换二成的光信号,5,2、网络的拓 扑结构,网络的拓扑结构分为：总
15、线形、树形、环形、星行,5,3、网络的控制,其优点： 1、控制质量高，不会出现争抢显现，提供通信的优先级服务 2、控制功能集中在该中心节点，其它节点的控制逻辑大大简化，只要在安排的占用时间内发送或接收信息即可,网络控制有两种方法：集中控制和分散式控制,1）集中控制：指定某个节点负责管理各节点的占用请求，由它来选择哪个节点用介质发送信息。,5,其缺点： 1、对中心节点要求高，使其结构复杂 2、通信可靠性集中在中心节点，使危险性增加3、数据和信息都要经过中心节点，在其它网络中已很少应用。,2）分散式控制：不设中心节点来管理各节点的请求，而由各节点按一定的规则轮换上网，传送信息。,5,使用规则：,带
16、碰撞检测的载波侦听多路访问规则：缩写为CSMA/CD,简单来说是一种争用规则，即网上的每个节点争取占用介质的方法。,其特点：算法简单、成本低、可靠性高；缺点是节点占用介质的时间不固定，实时性差，同时对碰撞检测技术要求较高。,5,2. 令牌传送规则：令牌（Token）是一组特定的而进制码，作为有权占用的介质的标志。令牌在网中各节点间按次序轮流传递，形成循环。,其特点：每个节点两次占用介质的时间间隔是确定的，因此信息传送的实时性好，同时节点占用介质的顺序可以设定和调整，便于安排优先顺序。,5,三、信息传输技术初步,基带和宽带,基带信号：数字信号在传输介质上以数字形式传送，即将二进制码的矩形脉冲直接送到介质上，由于矩形波形的频率很宽，称为基带信号 宽带信号：数字信号在传输介质上以模拟形式传送，即将数字信号用模拟信号调制，一路信号占用一个调制频带，一条介质上可以传送不同调制频带的多路信号，称为宽带信号。 编码：将数字信号转换成基带传输的代码过程。,5,编码的种类：,5,1)、不归零码 用高电平表示二进制数1，
