DCS控制系统

主要介绍操作功能---运行中的操作画面
（1）总貌画面—反映生产过程总体状况 P 132 （2）分组画面--对应显示各内部仪表状态，在操作中观察其它回路 的关联变化。 P 133 （3）回路调整画面--细致观测单元仪表的情况，可用于单回路的 PID整定。 P 134 （4）报警画面--按时间顺序排列显示报警（总貌种只显示报警性质 和场所），有声光配合。 P 136 （5）趋势分组画面--显示过程变化曲线，可出现在总貌画面和趋势 画面。 P 135 （6）流程子画面—绘有过程图形的仪表面板。显示在屏幕上，可模 拟原有仪表。 P 137



CPU控制回路的数量与实际要求的关系---生产装臵中联系紧密的控制回 路数目约为8~40个，状态量约为100~500个，集中在一个站内可省去通 信过程，实时性好。
横河公司： CENTUM A型集散控制系统
配有YEWCOM 7000小型机作为上位机， 包括现场控制站CFCD2、操作站 COPSV／COPCV、数据通讯母线HFBUS等构成。 上位机可以连接数个终端和其它外 设。现场控制站CFCD2用作直接控制， 操作站COPSV／COPCV完成操作和现 场监视，现场控制站和操作站通过 HF-BUS相连接。

第一类：通用命令,读型号、厂名、过程变量及单位等；
第二类：普通命令,写时间常数、量程标定等； 第三类：专用命令,针对个体设备的特殊性。
基金会现场总线技术（FF)6点

基金会现场总线的主要技术---技术特色及主要内容： （1）基金会总线的通信技术--包括通信模型、通信协议、通信控制芯片、通信网络及系统管理 内容，涉及与网络相关的硬、软件、各种网关、网桥、中继器等。； （2）标准化功能模块与功能应用进程 a.提供一个通用结构，将控制系统中各种功能划分为功能模块，使其公共特征标准化； b.规定各自的输入、输出、算法、时间、参数及块控制图并将其组成设备中的应用进程； c.便于实现不同制造商产品的混合组态与调用。 （3）设备描述及描述语言 a.设备描述为控制系统理解现场设备的数据提供必要信息； （4）现场总线通信控制器与智能仪器的接口技术 --使现场总线与计算机平台结合，在网络上的 各层次设备能够共享网络数据。 （5）系统集成技术--通信系统与控制系统的集成，包括：网络通信系统组态、网络拓扑、配线、 网络系统管理、控制系统组态、人机接口、系统管理维护等。 （6）系统测试技术--包括通信系统一致性与可操作性测试、监听分析、系统功能和性能测试。
利用VB开发的一种总貌显示操作界面
现场总线技术应用基础
第3章 第2部分
现场总线技术的应用

采用现场总线的必要性：4-20mA模拟信号传输无法满足开放数字化通信的
要求。

现场总线的基本描述：连接智能测量与控制设备的全数字式、双向传输、
多节点、多分支结构的通信链路。


总结：现场总线是以智能化仪表为基础实现网络化数据传送。 计算机网络通信的基础
CPU
反馈控制单元
报警输出单元
顺序控制单元
通 信 接 口 单 元
显示操作面板
HART 总线
集中监视操作站
现场控制站的功能框图
DCS现场控制站概述说明

概述：控制站支持多回路控制，在加强单回路控制器的基础 上增加了顺序控制功能。 特点：反馈控制与顺序控制由同一CPU操纵，容易完成生产 现场的工艺组合，能够实现生产全过程的自动化。
8入8出模拟量 接口卡
液位
流量
P124 RF-TAB 3-2 CFCD2 反馈控制内部仪表
反馈控制功能应用实例
冷却塔的顺序控制
STEP1 NO
START
启动按钮(PB01 ON）
冷却罐空？ YES
LA02= ON？
PB01(启动按钮）
STEP2
排出阀(V003）关闭
V001 上限时开关ON V002 LA01
罐已空？ YES 排出阀(V003）关闭
LA02= ON？
END
顺序控制功能应用实例
3.3

DCS监控操作站的功能（三大功能）
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。
DCS监控操作站的主要功能
计算机网络系统的特征：是一种开放网络系统，通过网络实现数据交换和资源共享。 对开放网络的要求（开放系统互连参考模型OSI）：开放系统中各种设备与网络连接 必须制定统一的规则。ISO采纳了OSI通用参考模型作为一个国际标准。
OSI Open Systems Interconnection
应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 物理介质

HART协议信息结构属于HDL。数据长度不恒定，最多可包括25个字节。
HART总线各层功能介绍

概述：对应ISO/OSI模型的1，2，7层。 物理层：标准BELL202 FSK信号加载于4~20mA信号上,其中1200HZ代表 逻辑‘1’，2200HZ代表逻辑‘0’。 数据链路层：规定完整的通信数据结构。 应用层：规定HART命令,命令分为3类。

反馈控制功能实例
（3）报警检测 回 路 连 接 数字滤波 开方 折线函数 脉冲输入 （1）信号输入交换
温度补偿积算
输入开路、上下 限及变化率报警
（2）补偿、积算
回 路 连 接
输出开路检测 输出变化率及高低限幅 脉冲输出、开关输出等
PID控制 （含内部运算）
回 路 连 接
（5）输出信号处理
（4）指示、调节
STEP3 NO
注入阀(V001）打开
冷却罐满？ YES 注入阀(V001）关闭
LA01= ON？
冷却阀(V002）打开
下限时开关ON LA02
STEP4
NO
完成冷却？ YES 冷却阀(V002）关闭
TA01= ON？
TA01 V003 温度下限接点ON 去下一道工序
STEP5 NO
排出阀(V003）打开
+24V1
+24V2
VD1
I
VD2
A2 VD1 VD2
+
V1' VT1 K1 V1 R1 R2 V2 VT2 K2 10K V2' K1
+
-
-
K2
R1 I
Vi Rt
R1
10K
-7.5V
-7.5V
a.电流双重化输入
b.电压双重化输入
3.2 DCS现场控制站的功能
输 入 输 出 接 口 卡 运 算 功 能 单 元
集散控制系统原理及装置
第3章 第1部分
第3章 集散控制系统与现场总线系统
3.1 集散控制系统（DCS）发展及其组成 了解DCS的基本概念及组成
3.2 DCS现场控制站的功能
3.3 DCS操作站的功能 3.4 DCS控制系统的通信及现场总线
现场操作站的组成及主要模块原理
功能简述及操作界面 CENTUM系统的HF及其它现场总线
运算控制工作流程（以其中某一通道为例说明）
双重化（冗余）输出控制电路原理
V+ 工作状态指示1#
检测读回
开关控制信号1#
双重化控制1#
+ 4~20mA输出 数据输出
开关控制信号2# 双重化控制2# V+ 工作状态指示2#
开关控制信号
双重化控制执行电路原理简图
双重化（冗余）输入控制电路原理
1#板 2#板 基准1 +5V 10K A1 基准2 +5V 10K
变送器 光电隔离 RC滤波 No1 多路开关 No1 A/D No1 输出电路 No1 执行器 电磁隔离 双重化控制 输出电路 No2 RC滤波 No2 多路开关 No2 A/D No2 数据库 No2 站内总线接口 No2 数据库 No1 站内总线接口 No1
经 总 线 与 计 算 机 相 连
多路模拟量输入输出卡结构示意框图


可靠地传输数据。

5. 会话层 (பைடு நூலகம்ession Layer) ：调度两个节点间通信任务的启动和停止。 6. 表示层（ presentation layer）：信息格式的转换。 7. 应用层（ application layer）：召唤底层协议为其服务。
HART总线模型及与标准OSI对照
应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层
信息数据包装及传输过程
应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 网络层 数据链路层 物理层 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层
OSI的核心：

将两个终端用户的通讯过程分为7层，每层有自己的功能集。 1．物理层（physical layer）：规定通信介质，完成节点之间原始比 特流的传输。 2．数据链路层（ data link layer）：发送将用户数据封装成帧，按 顺序传送各帧。 3．网络层（network layer）：选择网络节点间信息传送的路径。 4. 传输层（ transport layer）：建立、维护和取消传输连接，负责
(模拟/数字兼容的过渡形式）
分层 7 2 1 OSI层次 应用层 数据链路层 物理层 HART层次 HART命令层 未使用 协议规范层 Bell202 协议
+ 0.5mA 模拟信号
- 0.5mA
‘ 1’ 1200HZ ‘ 0’ 2200HZ
4~20 mA
HART协议信息结构形式
前导码 帧前定界码 SD 地址 AD HART命令 CD 字节数 BD 变送器和通信 状态 数据 校验字节 SD
数字调节器单元内涵
缓冲罐的选择控制框图
PIC 101 IN 7DC-D5 IN1 7SL 103 7SS-AL OUT 3选1信号单元 IN2 OUT OUT 7DC-D5 PIC 102 IN PID调节单元
MAC2 M-2-1-04-0
MAC2 M-2-1-04-0
MAC2 M-2-1-04-0


说明：补充资料—具有相同功能的技术手段--PLC现场控制 站原理示意图（配电炉控制彩图）
DCS现场控制站的2大功能


反馈控制功能
反馈控制功能的实现--由内部仪表完成，用功能自程序模块实现 单回路控制仪表的功能。

名词解释：内部仪表—能够完成不同标准功能的程序模块


顺序控制功能
用于断续处理，根据控制要求，对时间、状态等条件进行逻辑判 断，分步骤完成一系列操作控制。 注：复杂控制中可能在连续控制中含有断续控制，断续控制的某 一操作需要加入连续控制。

b.描述语言是设备描述的标准语言，采用设备描述编译器可以设备描述源程序转化为可输出文件。


FF通信模型简化的ISO/OSI三层结构
用户层
用户数据的长度（位）
现场总线 报文规范 子层
FMS-PDU 4~255
FMS PDU
FAS-PDU 5~256
运算控制插件说明：

（1）插件可包含多路输入输出，例：MAC2有8路 1~5V输入，8路4~20mA输出。 （2）必要时需加接隔离电路，例：光隔输入、磁隔输 出。 （3）插件实际运算工作在计算机（控制部分RF-FIG3-2）内完成，插件与计算机之间采用站内通信总线交 换数据。


双重化（热备用）详细原理
集散控制系统的组成
监控操作站(上位机） 网关
通信总线
现场控制站
现场控制站
现场控制站
现场控制站危险分散的设计原则

（以日本横河CENTUM集散控制系统为例）
1、站内一个微处理器控制8~40个回路； 2、自带程序存储器和数据库，能脱离操作站（上位机）独立控制生产 过程； 3、可以多个现场操作站组合控制一个大型生产过程，某站故障时只影 响所控制的回路。 集散控制可能涉及的问题
3.5 现场总线系统的管理
组态管理软件的应用及FCS知识更新
3.1 集散控制系统的发展及其组成


发展过程
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
及操作；

集中控制方式：危险过于集中，计算机出现故障时整个生产装置瘫痪； 集散控制方式：控制功能分散、操作管理集中---DCS。 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。
站内集中控制危险的防范措施
1、控制站内关键部件都采用双重化冗余； 2、冗余备用设备始终处于热备用待机方式； 3、设备自诊断监视，发现故障无间断平滑切换。
运算控制器1 SC 运算控制器2 SC
双重化措施示意图
双重化（热备用）详细原理 P120 RF-FIG3-2、3-3 核心问题：主要部件采用双配臵。 双配臵部件包括：（1）运算控制部件、（2）供电电源、（3）总线及 通信耦合器等。 双重化切换原理：两个运算控制插件并联相接，某一运算控制插件有 故障时相互切换，同时保证切换时无扰动。