单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,*,*,DCS,控制系统介绍,演讲人：陈志林,随着计算机技术、网络技术和控制技术的不断发展，,DCS,自,20,世纪,70,年代问世以来，先后经历了四个发展时期，具体划分为：,(1)1975,1980,初创期。此时的,DCS,通讯系统只是一种初级局部网络，全系统一个通讯指挥器指挥，对各单元的访问是轮流询问方式。如,TDC-2000,、,MOD-3,等。,(2)1980,1985,成熟期。采用局域网络，由主从式星型网络转变成对等式的总线网络通信或环网通信，扩大了通信范围，提高了传输速率。如,TDC-3000,、,MOD-300,等。,(3)1985,1990,扩展期。在局域网络方面采用国际标准组织,ISO,的,OSI,开放系统互联的参考模型，使符合开放系统的各制造厂的产品可以互连，互通信以及进行数据交换，第三方软件以可以应用。改变了过去,DCS,各厂自成系统的封闭结构，,DCS,由原来的仅能应用发展到不仅能应用而且能开发。如,TDC-3000,（带,UCN,网）,Centum,XL,等。,(4),90,年代以后,网络开放期。采用符合国际标准的通信协议和规程，即,IEE802,（以太网）、,IEE802.4,（令牌总线）、,EEFDDI,（光纤分布数据界面）、,TCP/IP,（传输控制协议,/,互联协议）或,MAP,（制造自动化协议）等，使不同厂家型号、不同操作系统的计算机可共存一个网络标准，达到产品互换、资源共享的目的。如,Centum CS-3000,、,Advant-500,、,Delta V,等。,一、发展历史,二、,DCS,的结构组成,DCS,由四部份组成：,I/O,板、控制器、操作站、通讯网络。,1,、,I/O,板常用的有,输入输出卡件,RTD TC AI(HART,）,PI MV AO(HART),DI DO SOE,以及支持各种总线协议的数据接口卡,2,、,控制器,通过,I/O,部件直接与生产过程相连，接收现场设备送来的信号；控制器国际上各,DCS,厂家的技术水平都相差不远，如果说有些差别的话是控制器内的算法有多有少，算法的组合有些不一样，运算能力上的差异。,3,、,操作站,-,人机接口（,CRT),是操作人员与,DCS,相互交换信息的设备；,4,、,通讯网络,将控制器和人机接口联系起来，形成一个有机的整体。从某种意义上说，控制器是,“,心脏,”,；人机接口是,“,眼睛,”,；通讯网络则是,“,神经网络,”,。,DCS,的典型结构如图一：图,1 DCS,的典型结构,图,1 DCS,的典型结构,三、,DCS,系统的通讯网络,早期的,DCS,系统的通讯网络都是专用的，,DCS,有几级网络，完成不同模件之间的通讯。从目前的情况来看，,DCS,的最多网络级有四级，它们分别是,I/O,总线、现场总线、控制总线和,DCS,网络。其网络结构图如图二：,图,2,通讯网络的分级体系,1,、,I/O,总线,它把多种,I/O,信号送到控制器，由控制器读取,I/O,信号，,I/O,模件之间并不交换数据。,I/O,总线包括并行总线和串行总线。,I/O,总线的传输速率是不高的，从几十,K,到几兆不等，为了快速，最好是并行总线。采用并行总线，其,I/O,模件必须与控制器模件相邻。若采用串行总线，,I/O,模件和控制器之间的距离也要比较近才行。,通常把控制器模件和,I/O,模件装在一个机柜内或相邻的机柜内。,2,、,现场总线,现场总线是,90,年代初发展起来的，远程,I/O,应该采用现场总线，如,CAN,、,LONWORKS,、,HART,总线等。,在,DCS,系统中，远程,I/O,采用,HART,总线比较多。比如现场的变送器，距离控制器机柜比较远，常把,16,个变送器来的信号编成一组，用,HART,总线把信号送到控制器，控制器同时读进,16,个变送器来的信号。采用现场总线，控制器和变送器两者距离可达,1,公里以上。,3,、控制总线,把完成不同任务的三种控制器连在一条总线上，实现控制器之间的通讯，称为控制总线。,在控制总线上的不同控制器的数量不受限制，在这一条总线上除三种不同的控制器模件以外，还有,DCS,网络的接口模件。,在控制总线上，控制器之间可以调用数据，使得模拟量和开关量之间的结合很好。控制总线不是,DCS,系统都具有，可以把各种控制器分别连到,DCS,网络上，控制器之间的数据调用通过,DCS,网络。,控制总线的传输速率与,I/O,总线的传输速率相类似。通常是几十,K,到几兆之间。当,CPU,和存储器的能力比较强时，把开关量的逻辑运算和模拟量的采集功能都在一个控制器中完成，这样在控制总线上就只有一种形式的控制器。其通讯协议类似以太网，采用载波监听，令牌广播发送。,4,、,DCS,网络,把现场控制器和人机界面连成一个系统。,为了确保通讯可靠，,DCS,生产厂家无论是电缆，还是通讯接口，都作成冗余的，一条网络发生故障，另一条备用网络立即投入运行。,连在,DCS,通讯网络上的部件称为结点（节点）。在地理位置上，结点可以分散配置，各结点的距离各,DCS,系统不同，有的可达几百米。,DCS,网络的传输速率在几百,K,至一百兆之间，网络的总长度可达几公里，最短也有几百米，网络不够长时需加中继器。,(1),总线型网络,总线型网络结构如图三示。所有结点都挂接在总线上，为控制通讯，有的设有通讯控制器，采取集中控制方式；有的把通讯控制功能分设在各通讯接口中，称为发散控制方式。总线型通讯网络的性能主要取决于总线的“带宽”，挂接设备的数目及总线访问规程。总线型网络结构简单，系统可大可小，扩展方便，易设置备用部件，安装费用低，某设备故障不会威胁整个系统，是目前广泛采用的一种网络结构。,(2),环型网络,环型网络结构如图四示。网上所有结点都通过点对点链路连接，并构成一封闭环，工作站通过结点接口单元与环相连，数据沿环单向或双向传输，当然在双向传输时须考虑路径控制问题。环型结构的突出优点是结构简单，控制逻辑简单，挂接或摘除结点也比较容易，系统的初始开发成本以及修改费用较低，环型结构的主要问题是可靠性较差，当结点处理机或数据通道出现故障时，会给整个系统带来威胁，虽可通过增设“旁路通道”或采用双向环形数据通道等措施加以克服，但增加了系统的复杂性。,(3),星型网络,星型网络结构如图五示。星的中心为主结点，其他为从结点，网上各从站间交换信息都要通过主站，这种拓扑结构体现了一种集中式通讯控制策略，主结点负责全部信息的协调和传输，一旦发生故障，殃及整个网络。为了提高可靠性，主结点采用冗余结构，使系统投资较大。如,JX-300,等采用星型网络。,四、通讯网络的通讯协议,当结点连到,DCS,的通讯网络上时，通常有一个网络接口，控制器把数据送到接口，人机界面从网络接口读取数据，读取数据时应遵循网络通讯协议。,常用的,DCS,的通讯控制方式分为,令牌广播式,、,问询式,和,存储转发,式三种，通讯协议是由各,DCS,生产厂家自行开发的，一般不公开。它们各有特点，应用都较为广泛。,(1),令牌广播式协议,令牌广播式由一个结点发出一个令牌（令牌是特别的比特组，比特组内无源地址和目的地址），令牌沿环绕行。拿到这个令牌的结点就改变令牌中一个特定位，将令牌变成一信息帧的帧起始定界符，加挂上构成一帧所需要的其余字段以发送信息，网络上的其他结点都在收听信息。当本站检测到帧的目的地址与本站地址相符时，就接收该信息帧（目的结点）。同时转发该帧，直到该帧回到发送站（源结点），才把该帧释放。再发送新令牌。在同一时间内只有一个结点在发送信息，其他都在收听。这种协议的特点是只有持有令牌的结点才能发送信息。令牌广播式协议的网络中，可以连接多个人机界面的结点，在网络上的结点都是平等的，每一个结点都有机会发送信息。,(2),问询式,问询式协议的网络设有交通指挥器，当人机界面向控制器请求数据时，必须通过交通指挥器，由交通指挥器来向控制器请求数据，控制器才能发送信息给人机界面。如,Honeywell,的,TDC-2000,，,Fisher,的,Provox,，都有交通指挥器。在星型网络中，人机界面（操作站）可以作为交通指挥器，但它只能连接一个人机界面的结点。由一些回路控制器组成的系统通常都连成星型网络。,(3),存储转发式,存储转发式协议是一个结点发出信息，传给下一个，这个结点接到信息，必须先存下来，如果自己要，就可以接收下来，如果不需要，就把它转发出去。直到需要这个信息的结点为止。然后信息再返回到源结点，才释放这个信息。这种协议主要用于环型网络中，如,Beiley,NETWORK-90 JX-300,系统等。,(4),第四代,DCS,网络的开放性,开放性体现在,DCS,可以从三个不同层面与第三方产品相互连接：在企业管理层支持各种管理软件平台连接；在工厂车间层支持第三方先进控制产品,SCADA,平台、,MES,产品、,BATCH,处理软件，同时支持多种网络协议（以以太网为主）；在装置控制层可以支持多种,DCS,单元（系统）、,PLC,、,RTU,、各种智能控制单元等，以及各种标准的现场总线仪表与执行机构。,五、某热电项目结构图,彩色打印机,黑白打印机,MIS,网,工程师站（,1,台）,操作站*,6,台,继电器柜,电源柜,DCS,网络总线,#,2,机,控制站,#,3,炉,控制站,1,#,2,炉,控制站,1,#,1,炉,控制站,1,#,1,机,控制站,公用系统,控制站,黑白打印机,OPC,驱动软件,FW244,接口卡,与,PLC,等系统接口,1,FW244,接口卡,与,PLC,等系统接口,2,黑白打印机,打印站（,1,台）,#,1,炉,控制站,2,#,2,炉,控制站,2,#,3,炉,控制站,2,控制机柜,采取,19,吋国际标准的机械结构，满足各种应用环境；,控制站机柜依照通风散热、防湿、防腐蚀及安全保护等原则专门设计制造；,外壳采用铝合金材料，保证完善的电磁屏蔽；,系统采用,“,一点接地,”,原则，所有接地线连到,GND,汇流铜棒；,2024/11/14,系统基本单元,电源,交直流电源采用双重化热冗余供电模式,电源箱采用热插拔结构，方便电源安装和维护,交流电源带功率因数校正和功率自动平衡,直流供电采用低阻抗汇流条，使系统供电噪声最小化,保证控制系统和生产过程的平稳运行。,主控制卡,WebField,ECS-100,主控卡,基于,ARM,低功耗、高性能、,32,位工业级的嵌入式微处理器，,4M,用户程序，,RISC,指令，,3,级流水线结构,适应各种工况条件以及长时间无故障运行时间的系统设计,在线控制程序维护和下装,FW 243,主控卡,FW 233,数据转发卡,FW 244,网关卡,FW 246,系统仿真模块,FW 235,光中继器,FW 236,电气中继器,系统基本单元,系统卡件,系统基本单元,机笼,机笼,分为,I/O,机笼和电源箱机笼,；,机笼框架内部固定有,20,条导轨，用于固定卡件；,主控机笼与,I/O,卡件机笼；,本地机笼与远程机笼；,2024/11/14,I/O,卡件,PhotoMos,管技术：,保证信号的抗干扰能力 和可靠性,-A/D,技术：,22,位高精度模,/,数转换,热插拔技术：,实施系统在线维护,现场标定技术：,系统投运方便易行,2024/11/14,FW351,标准信号输入卡,FW352,热电偶信号输入卡,FW353,热电阻信号输入卡,FW372,模拟量输出卡,FW366,开关量输入卡,FW367,开关量输出卡,系统基本单元,I/O,卡件,2024/11/14,事故顺序记录卡（,SOE,）,1,毫秒，单卡可储存,3000,条,SOE,事件的数据库,位置调整卡（,PAT,）,代替伺服放大器,采集,4,路电流、电压,运算电流、电压有效值、有功功率、无功功率、有功电能、无功电能、频率,应变信号卡,多功能智能卡件,端子板种类,开入端子板,开出端子板,模入端子板,模出端子板,冗余用端子版,其它类型端子板,过流、过压、浪涌,抑制等安