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1、测控系统网络化技术及应用（第2版）,机械工业出版社 2014,第4章 网络化先进控制系统,机械工业出版社 2014,第4章 网络化先进控制系统,本章主要内容 4.1 集散过程控制系统（DCS） 4.2 现场总线控制系统（FCS） 4.3 FCS 与DCS的分析比较,4.1 集散过程控制系统（DCS）,本节主要内容 4.1.1 DCS系统概述 4.1.2 现场控制站 4.1.3 操作员站及工程师站 4.1.4 DCS系统网络,4.1.1 DCS系统概述,1DCS的体系结构 集散控制系统的体系结构通常分为三级： 第一级为分散过程控制级； 第二级为集中操作监控级； 第三级为综合信息管理级。 各级之间
2、由通信网络连接，级内各装置之间由本级的通信网络进行通信联系。 其典型的集散控制系统体系结构如图4-1（下页）所示,4.1.1 DCS系统概述,4.1.1 DCS系统概述,2DCS的特点 1）硬件积木化 2）软件模块化 3）控制系统组态 4）通信网络的应用 5）可靠性高,4.1.2 现场控制站,1现场控制站的结构 现场控制站由以下5个部分组成: 机箱（柜） 电源 工业控制机 通信控制单元 手动/自动显示操作单元,4.1.2 现场控制站,2现场控制站的功能 现场控制站的功能主要有以下6点: 数据采集功能 反馈控制功能 顺序控制功能 信号报警功能 打印报表功能 数据通信功能,4.1.3 操作员站及工
3、程师站,1操作员站 操作员站由工业微型计算机或工作站、工业键盘、光标控制设备 （鼠标或轨迹球）、大屏幕CRT、操作控制台等硬件设备和软件组成， 是系统与操作人员之间的接口。操作人员通过操作站了解生产过程的 运行情况，包括各种过程参数的当前值、系统是否有异常情况等。在 CRT上还可以显示系统总貌、分组和单元等的数据、模拟图、趋势图， 以及各种操作、报警信息等。 操作人员通过操作员站还可以对现场进行直接的调节与控制，如 对控制回路进行在线调整；启动或终止某个回路；手工调节某个回路 或控制某个现场设备的动作。操作员站还具有历史数据的处理功能， 可以方便地形成运行报表和历史趋势曲线。,4.1.3 操作
4、员站及工程师站,2 工程师站 工程师站一般由通用微型计算机工作站构成，是对系统进行离线配置、组态和在线监督、控制以及维护的人机接口。 (1)系统离线配置和组态功能 硬件配置; 数据库组态; 回路组态; 显示画面组态、组态系统画面和过程操 作画面.,4.1.3 操作员站及工程师站,(2)系统监控功能 工程师站还具有系统运行状态的监控功能，包括对各现场控制站的运行状态、各操作站的运行情况、网络通信情况等的监控，以便发生异常时，能及时采取措施进行维护或调整，不致对生产过程产生失控或造成损失。 另外，工程师站还具有在线修改功能，如：上下限值的改变、控制参数的调整等。,4.1.4 DCS系统网络,HS2
5、000是我国国内研制的一套分层分布式综合控制系统。它通过多层数据网络将各种不同的设备连接在一起，实现各部分信息共享和协调工作，从而完成综合控制与管理功能。图4-2（下页）为HS2000系统的总体结构。HS2000系统为三层网络结构: 1.管理协调网络MNET 2.系统网络SNET 3.控制网络CNET,4.1.4 DCS系统网络,不同的网络适应不同层次和规模的控制与管理任务，这种分层结构提高 了系统的整体可靠性和灵活性。每层网络功能如下：,4.2 现场总线控制系统（FCS）,本节主要内容 4.2.1 现场总线的概念 4.2.2 现场总线的结构和技术特点 4.2.3 现场总线的基本设备 4.2.
6、4 现场总线的未来趋势,4.2.1 现场总线的概念,现场总线作为生产过程自动化、制造工业自动化、楼宇自动化等领域中智能设备之间的互联通信网络，沟通了生产过程与现场控制设备之间及其与更高控制管理层之间的联系，为消除自动化系统的信息孤岛创造了条件。因此，在这些领域中具有广泛的发展和应用前景。,4.2.1 现场总线的概念,现场总线技术与传统测控仪表技术上的区别是： 1）现场总线将专用的微处理器置入测量控制仪表中，使这些测控仪表各自都具有数字计算、逻辑判断和数字通信能力； 2）采用多种规格的传输导线作为总线介质，把多个测量控制仪表连接成网络系统，并按公开、规范的通信协议； 3）在位于现场的多个微机化测
7、量控制设备之间以及现场仪表与远程监控计算机之间，实现数据传输、信息交换、远程登录、远程访问，形成满足各种实际需要的自动控制系统。,4.2.2 现场总线的结构和技术特点,1现场总线系统的结构 下图为现场总线控制系统与传统控制系统结构的比较图。图中AI、AO和PID分别代表针对现场设备的模拟量输入、模拟量输出和PID控制的输出。,由于现场总线的特点，特别是现场总线系统结构的简化，使控制系统从设计、安装、到投入正常生产运行以及其后的检修维护中，都体现出极大的优越性。其主要原因有： 高精度、高可靠性 一次性硬件投资 工程现场安装费 日常维护费用,4.2.2 现场总线的结构和技术特点,4.2.2 现场总
8、线的结构和技术特点,2现场总线的技术特点 全数字化 开放性 智能化 互换性 风险分散性,4.2.3 现场总线的基本设备,以现场总线基金会（FF）的FCS为例，用于过程自动化构成FCS的基本设备如下： 1）变送器 2）执行器 3）服务器和网桥 4）辅助设备 5）监控设备,4.2.4 现场总线的未来趋势,现场信号的数字化为实现复杂的控测应用提供了条件。但不同厂商所提供的设备之间的通信标准不统一，严格束缚了工厂底层网络的发展。从用户到设备制造商都强烈要求形成统一的标准，组成开放互联网络，以便用户将不同厂商提供的自动化设备互连成测控系统。开放意味着标准是公开的，统一意味着不同厂商共同遵守着同一个技术标
9、准，设备可互联为一致通信系统。从这个意义上说，现场总线就使工厂自动化领域的开放互联系统。开发这项技术的先决条件就是首先必须制定相应的统一标准。,4.2.5 以现场总线为基础的控制系统,作为控制系统，现场总线控制系统在控制方案的选择上与普通控制系统基本相同。 下面将以锅炉汽包水位的三冲量系统为例，介绍现场总线控制系统在设计、安装、运行方面的特色，以及如何一步实现现场总线控制系统。,4.2.5 以现场总线为基础的控制系统,1根据控制方面的需要选择必须的智能仪表 一个经典的三冲量水位控制系统需要一个液位变送器、蒸汽流量和给水流量两个流量变送器、一个给水调节阀。,4.2.5 以现场总线为基础的控制系统
10、,2选择计算机与网络配件 图（a）为现场总线基本硬件构成图。图中两台配置相同的工业PC机主要是为系统的安全冗余而设置的。图中所表示的现场总线PCI接口卡具有4个通道，每个PCI接口卡可与4条总线网段连接。,图（b）表示另一种流行的硬件配置办法，其一侧与现场总线网段连接，另一侧按通常采用的PC机联网方式，通过以太网方式，采用TCPIP通信协议、网络BIOS协议，完成现场总线网段与PC机之间的信息交换。,4.3 FCS 与DCS的分析比较,在技术上，FCS与DCS相比，具有以下几点优势： 1)FCS的信号传输实现了全数字化，从最底层的传感器和执行器就采用现场总线网络，逐层向上直至最高层均为通信网络
11、互连。 2）FCS的系统结构是全分散式，FCS废弃了DCS的输入输出单元和控制站，由现场设备或现场仪表取而代之，即把DCS控制站的功能化整为零，分散地分配给现场仪表，实现彻底的分散控制。 3）FCS的现场设备具有互操作性，不同厂商的现场设备既可互连也可互换，并可以统一组态，彻底改变传统DCS控制层的封闭性和专用性。 4）FCS的通信网络为开放式互连网络，既可与同层网络互连，也可与不同层网络互连，用户可极其方便地共享网络数据库。 5）FCS的技术和标准实现了全开放、专利许可要求，可供任何人使用，从总线标准、产品检验到信息发布全是公开的，面向世界任何一个制造商和用户。,4.3 FCS 与DCS的分
12、析比较,另一方面，由于FCS是一种新技术，目前真正意义上的现场总线的统一国际标准尚不具备，因此FCS与成熟的DCS相比，还存在下列的一些不足。 1）由于现场总线标准本身尚在发展中，从而给产品的开发和测试带来难度。 2）虽然IEC已经确定了8种总线作为标准，但是仍然让设备生产商和用户无所适从，只有当真正意义上的现场总线的标准确立以后，FCS才可以走向成熟。 3）现阶段，在某些场合中FCS还无法提供DCS已有的控制功能。 4）目前FCS成功应用于各行业的实例不多，难以评估实际应用效果。 总的来说，FCS的这些劣势使得其在实施推广过程中经常遇到问题，但是FCS在技术上的优势已经得到大家的承认，FCS还是今后最有前途的控制系统。,第四章结束,谢 谢！,
