网络化监控系统课件第一章

国内生产工控机的厂家有研祥、华北工控、研华、爱雷丝等。国外的工控机西门子的很出名。工控机箱标准长度为19英寸，高度为4U 。
注：高度以U为单位（1U=1.75英寸=44.45毫米），通常有1U，2U，3U，4U，5U，7U几种标准的服务器
很多网络化计算机监督与控制系统的下位自动化设备是可编程序逻辑控制器(Programmable Logic Controller，简称PLC)；
初创期(1975——l980年)
熟期(1980——1985年)
扩展期(1985年以后)
国际著名厂商
TDC-2000 TDC3000
SPECTRUM I/A series
CENTUM
爱默生电气公司
WDPF
PROVOX
国际著名厂商
DCS系统中，它是一个完整的计算机，实际运行中可以在不与操作站及网络相连的情况下，完成过程控制策略，保证生产装置正常运行。 控制站作为一个完整的计算机，它的主要I/O设备为现场的输入、输出处理设备，以及过程输入/输出（P I/O）量，包括信号变换与信号调理，A/D、D/A转换等。它在第二代和第三代产品中已陆续采用了嵌入式技术，并采用单片机等完成量程调整、远程I/O数据传输、小型化及减少P I/O卡硬件规格等功能，直至连接智能化的现场变送器或接受采用现场总线提供的数字信号。
设计思想仍然采用先进的硬件积木化，软件模块化的思想；不同之处是硬件可以选用不同厂家的产品，软件中集成了对各厂家生产的硬件模块的驱动程序，用户可用硬件组态的方法选用不同的设备。
工控机即工业控制计算机，英文简称IPC，全称Industrial Personal Computer。工控机通俗的说就是专门为工业现场而设计的计算机。是从PC机演变过来的，因为一些工作环境，比如说：工业现场，那里是的环境是很恶劣的，一般PC就工作不了，所在才产生了工业控制计算机，主要表现在：工控机插槽的可扩展性、抗震、防尘、防潮湿等等，随着工控机所应用的行业越来越广，现在也超出了只应用在工业现场的范围，比如说现在很多网络安全方面的硬件、数字监控录像机，等等，都用到了工控方面的产品。但现在，更时髦的叫法是产业电脑或工业电脑。
由于IPC的性能可靠、软件丰富、价格低廉，而在工控机中异军突起，后来居上，应用日趋广泛。目前，IPC已被广泛应用于通讯、工业控制现场、路桥收费、医疗、环保及人们生活的方方面面。
工控机可以作为一个工业控制器在工业环境中可靠运行。早在80年代初期，美国AD公司就推出了类似IPC的MAC-150工控机，随后美国IBM公司正式推出工业个人计算机IBM7532。
分散控制方式：仪表间相距过远、仪表盘尺寸过大、无法全面了解信息；
集散控制方式：控制功能分散、操作管理集中－DCS。
集中控制方式：危险过集中，计算机出现故障时整个生产装置瘫痪；
集散控制中危险分散的方法：将控制功能分散到多台计算机上，采取双重化冗余措施。现场控制站危险分散的设计原则
控制设备的分散,监视和管理操作的集中,开放的系统结构. 硬件单元化：系统分级。 第一级现场级。直接数字控制装置，采集现场信息。 第二级操作站级。微型计算机控制直接数字装置。 第三级管理级。高档微机，对整体系统进行监督管理和信息处理。 软件与模块化：采用组态方式生成各种控制系统。 系统结构灵活，易于扩展。一般只需两级，规模大的需要第三级。 可靠性高，功能分散。 降低了成本，提高了性能/价格比。直接数字控制装置安装在现场。减少了现场单元到操作站的电缆连接。 集散控制系统(DCS)存在的问题是控制站虽然放在离现场比较近的地方，但它仍是一种集中式控制，它与现场设备仍须大量电缆连接。
嵌入型台式操作站
桌面型操作站
信息报警站
工程师站
标准键盘
控制站
显示器
主机
操作站主机柜
工作台
☞ DCS 操作站一般分为操作员站和工程师站两种。
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工程师站主要是技术人员与控制系统的人机接口，可以对应用系统进行监视。
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工程师站为用户提供了一个灵活的、功能齐全的工作平台，通过组态软件来实现用户所要求的各种控制策略。
直接控制计算机和监控计算机是主从关系。直接控制计算机接收命令。（作用于生产过程）
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是利用监督控制系统作为单元，组成的功能及规模更强大的系统。
具备网络化的功能，各计算机之间是随时可以进行信息交换。
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直接控制计算机3
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监控计算机1
直接控制计算机1
监控计算机3
直接控制计算机2
监控计算机2
多计算机的监督控制系统
工程设计及文件设计 设计与建立应用技术文档文件。 系统应用软件设计 机房或控制室设计
方案设计 根据厂方提供的技术资料，结合生产工艺过程实际，确定系统的硬件配置，列出详细的订货清单。
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这种系统在通用性上比集散控制系统前进了一步。这种软件以工业控制机的WINDOWS操作系统为平台，可以通过网络连接不同厂家的远距离智能I/O模块、PLC、变频调速器、智能仪表等。
目前绝大多数PLC都具有数据通信与连网的能力，用PLC构成网络化计算机监督与控制系统是非常容易的。
现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间数字式、串行、多点通信的数据总线。
现场总线是以单个分散的数字化智能化的测量设备和控制设备作为网络节点用总线相连接实现相互交换信息共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统。
现场总线的出现是计算机、通信和控制技术发展的结晶，它彻底动摇并取代了20世纪60年代至80年代一直占据过程控制领域的4—20mA信号标准的地位。
在复杂或大规模的应用中需要使用大量的传感器、执行器和控制器等，它们通常分布在非常广的范围内，如果在底层上采用传统的星形拓扑结构，那么安装成本和介质造价都将非常高；所以需要在底层设计一种造价低又能经受工业现场环境的通信系统。现场总线就是在这种背景下产生的。
工程功能－完成系统生成、系统维护、系统测试和系统管理； 操作功能－监视、记录、运行； 通信功能－完成现场控制站于上位机之间的数据交换。 主要介绍操作功能－操作运行中的操作画面 （1）总貌画面－反映生产过程总体状况。 （2）分组画面－对应显示各内部仪表状态，操作中观察其 它回路中的关联变化。 （3）回路调整画面 （4）报警画面 （5）趋势分组画面 （6）流程子画面
实际的DCS操作站是典型的计算机，它与控制站不同，有着丰富的外围设备和人机界面。70年代中期，CRT显示器技术已成熟，以外部存储器为特征，第二代DCS操作站还具有如下特点：操作站和工程师站（或称工作站）分开，也有公司将操作站的历史数据存储用硬盘（历史模件）和高级语言应用站（应用模件）分别独立挂在通信网络上；操作系统除采用DOS系统以外，有的产品采用Unix等操作系统；实时数据库储存性能逐渐完善；在人机界面方面，逐渐过渡为以GUI图形用户界面为平台并采用鼠标、组态时制作流程图和控制回路图等方法，采用菜单、窗口、CAD等技术，使人机界面友好。
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☞主要任务：进行数据采集及处理，对被控对象实施闭环反馈控制、顺序控制和批量控制。
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以面向连续生产的过程控制为主，顺序逻辑控制为辅，构成一个可以实现多种复杂控制方案的现场控制站;
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构成对大批量过程信号进行总体信息采集的现场控制站。
DCS操作站具有操作员功能、工程师功能、通信功能和高级语言功能等，其中工程师功能中包括系统组态、系统维护、系统通用功能。
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有些小型DCS的工程师站可以用一个操作员站代替。
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操作站的 基本功能
显示
操作
报警
（1）方案论证：
c) 系统的选型。如规模、生产厂家等。
b) 硬件配置。（可提出几种配置方案）
a) 制定系统功能规范，其中包括：系统功能，即信号处理功能、输入量的通道数和输出量的路数。显示功能、操作功能、报警功能、控制功能、管理功能、通信功能和可扩展功能等；系统的性能指标，如信号处理指标、控制品质指标、通信功能指标、可靠性指标等；环境要求，如湿度、温度、抗震动抗冲击、电源等指标。
1、全钢机箱 IPC的全钢机箱是按标准设计的，抗冲击、抗振动、抗电磁干扰，内部可安装同PC-bus兼容的无源底板。 2、无源底板 无源底板的插槽由ISA和PCI总线的多个插槽组成，ISA或PCI插槽的数量和位置根据需要有一定选择，该板为四层结构，中间两层分别为地层和电源层，这种结构方式可以减弱板上逻辑信号的相互干扰和降低电源阻抗。底板可插接各种板卡，包括CPU卡、显示卡、控制卡、I/O卡等。 3、工业电源 为AT开关电源，平均无故障运行时间达到250，000小时。 4、CPU卡 IPC的CPU卡有多种，根据尺寸可分为长卡和半长卡，根据处理器可分为386、486、586、PII、PIII主板，用户可视自己的需要任意选配。其主要特点是：工作温度0-600C；装有“看门狗”计时器；低功耗，最大时为5V/2.5A。 5、其他配件： IPC的其他配件基本上都与PC机兼容，主要有CPU、内存、显卡、硬盘、软驱、键盘、鼠标、光驱、显示器等。
1、采用符合“EIA”标准的全钢化工业机箱，增强了抗电磁干扰能力。 2、采用总线结构和模块化设计技术。CPU及各功能模块皆使用插板式结构，并带有压杆软锁定，提高了抗冲击、抗振动能力。 3、机箱内装有双风扇，正压对流排风，并装有滤尘网用以防尘。 4、配有高度可靠的工业电源，并有过压、过流保护。 5、电源及键盘均带有电子锁开关，可防止非法开、关和非法键盘输入。 6、具有自诊断功能。 7、可视需要选配I/O模板。 8、设有“看门狗”定时器，在因故障死机时，无需人的干预而自动复位。 9、开放性好，兼容性好，吸收了PC机的全部功能，可直接运行PC机的各种应用软件。 10、可配置实时操作系统，便于多任务的调度和运行。 11、可采用无源母板（底板），方便系统升级。
集散控制系统
RS485总线监督控制与数据采集系统（SCADA）
现场总线控制系统
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网络化监控系统继承于集散控制系统 一个实际的集散控制系统：日本的 系统如下：
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最小系统
集散控制系统-----又称分散型综合控制系统（DCS）系统，是对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的一种全新的分布式计算机控制系统。该系统将若干台微机分散应用于过程控制，全部信息通过通信网络由上位管理计算机监控，实现最优化控制，通过CRT装置、通信总线、键盘、打印机等，进行集中操作、显示和报警。整个装置继承了常规仪表分散控制和计算机集中控制的优点，克服了常规仪表功能单一、人一机联系差，以及单台微型计算机控制系统危险性高度集中的缺点，既在管理、操作和显示三方面集中，又在功能、负荷和危险性三方面分散。
网络化的计算机监督与控制系统概念
网络化的计算机监督与控制系统的发展历史与现状
网络化的计算机监督与控制系统的主要技术问题
网络化计算机监督与控制系统设计
典型的监督与控制系统 可以完成实时控制 可以对控制过程实行优化
监控计算机
直接控制计算机
生产过程设备
监督控制系统框图
监控计算机：采集现场生产设备的信息，决定直接控制计算机的最优设定值。（信息来源于生产过程）
4-20mA信号是国际通用标准信号，是连接仪表、变送设备、控制设备、计算机采样设备的一种标准。与此相对应的信号有：0－10mA、0－5V、0－10V等。
远距离传输模拟信号，使用电压方式显然不合理，因为有线路消耗存在压降，当然可以以高传输阻抗减少传输电流来降低压降的影响，但是系统的抗干扰能力大大降低。
ModemLeabharlann 下位机电话
网
Modem
远程监控计算机
下位机
下位机
下位机
RS
232
-
RS
485
转换器
.
.
子系统
1
……
子系统
2
以太网
一个网络化的管理监督控制系统
上位机1
本地监控计算机
上位机2
现
场
总
线
网关
4
8
5
总
线
PLC1
PLC2
PLC3
PLCn
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资源共享，包括程序和数据的共享。 可靠性高，系统对故障的免疫力强。 网络化处理的效率较高，有很高的性能价格比，即以较低的价格达到较高的性能，尤其是微处理机价格低廉。 维护方便，微型计算机维护方便。 扩充容易，不用修改软件，只需增加硬件。