DCS控制网络系统及网络控制技术.ppt

1、9.1 集散型控制系统集散型控制系统9.2 现场总线控制系统现场总线控制系统 9.3 以太控制网络系统以太控制网络系统9.4 控制网络与管理网络集成技术控制网络与管理网络集成技术9.5 网络控制系统及其时间同步网络控制系统及其时间同步 9.6 闭环网络控制系统分析闭环网络控制系统分析 9.7 闭环网络控制系统的控制器设计方法闭环网络控制系统的控制器设计方法19.1 集散型控制系统集散型控制系统9.1.1 概述概述9.1.2 功能分层体系及基本结构功能分层体系及基本结构9.1.3 集散控制系统的组态性集散控制系统的组态性 29.1.1 概述概述 相关概念相关概念集中控制集中控制采用单一的计算机来

2、实现对工业大系统的控制。采用单一的计算机来实现对工业大系统的控制。分布式控制分布式控制将一个工业大系统划分为若干个子系统，分别由若干台控制器将一个工业大系统划分为若干个子系统，分别由若干台控制器去控制。分布式控制承认各个子系统间的联系，经过通信子网去控制。分布式控制承认各个子系统间的联系，经过通信子网将各个局部控制器联系起来，为了实现大系统意义上的总体目将各个局部控制器联系起来，为了实现大系统意义上的总体目标最优，还设置上级协调器，实现全系统的协调控制。标最优，还设置上级协调器，实现全系统的协调控制。集散型计算机控制系统集散型计算机控制系统又称为又称为分散型综合控制系统分散型综合控制系统（To

3、tal Distributed Control Systems，简称，简称集散系统集散系统DCS）以微处理器为基础，是应用于过程控制的工程化的分布式计算以微处理器为基础，是应用于过程控制的工程化的分布式计算机控制系统。机控制系统。实际需要实际需要管理要集中，控制要分散管理要集中，控制要分散3DCS发展新趋势：发展新趋势：(1)网络系统的功能增强，而且朝着开放、标准化方向发展。网络系统的功能增强，而且朝着开放、标准化方向发展。(2)中小型集散控制系统有较大发展。现场总线技术的发展和中小型集散控制系统有较大发展。现场总线技术的发展和PLC的发展的发展更促进了各集散控制系统制造商推出中小型集散控制系

4、统。更促进了各集散控制系统制造商推出中小型集散控制系统。(3)电控、仪表与计算机（电控、仪表与计算机（Electrical Instrumentation Computer，EIC）“机电一体化机电一体化”将导致各公司的兼并，将导致各公司的兼并，EIC集成已是大势所趋。集成已是大势所趋。(4)软件与人机界面更加丰富。集散系统已经采用实时多用户、多任务操软件与人机界面更加丰富。集散系统已经采用实时多用户、多任务操作系统。配备先进控制软件的新型集散系统将可以实现适应控制、解耦作系统。配备先进控制软件的新型集散系统将可以实现适应控制、解耦控制、优化控制和智能控制。控制、优化控制和智能控制。(5)系统

5、集成化。集散控制系统作为系统集成化。集散控制系统作为CIMS（计算机集成化制造系统）的（计算机集成化制造系统）的基础，是其系统集成的主要组成部分，成为提高企业综合效益的重要途基础，是其系统集成的主要组成部分，成为提高企业综合效益的重要途径。径。(6)以因特网（以因特网（Internet）、内联网、局域网、控制网或现场总线为通信）、内联网、局域网、控制网或现场总线为通信网络框架结构的一种更开放、更分散、集成度更高的分布式计算机控制网络框架结构的一种更开放、更分散、集成度更高的分布式计算机控制网络正在迅速发展，相应的控制理论和控制方法也将得到新的发展。网络正在迅速发展，相应的控制理论和控制方法也将

6、得到新的发展。49.1.2 功能分层体系及基本结构功能分层体系及基本结构1.集散控制系统集散控制系统功能分层体系功能分层体系 集散控制系统的本质是：采用分散控制和集中管理的设计思集散控制系统的本质是：采用分散控制和集中管理的设计思想、分而自治和综合协调的设计原则、采用层次化体系结构。想、分而自治和综合协调的设计原则、采用层次化体系结构。图图9-2 集散控制系统体系结构的各层功能集散控制系统体系结构的各层功能52.集散控制系统基本结构集散控制系统基本结构(1)第一代集散控制系统第一代集散控制系统以以1975年由美国霍尼威尔年由美国霍尼威尔（Honeywell）公司首先）公司首先推出的集散系统推出

7、的集散系统TDC-2000为第一代集散系统的为第一代集散系统的标志。标志。这一代集散系统主要解决当这一代集散系统主要解决当时过程工业控制应用中采用时过程工业控制应用中采用模拟电动仪表难以解决的有模拟电动仪表难以解决的有关控制问题。关控制问题。图图9-3 第一代集散系统结构简图第一代集散系统结构简图62.集散控制系统基本结构（续）集散控制系统基本结构（续）(2)第二代集散控制系统第二代集散控制系统20世纪世纪80年代，由于微机年代，由于微机技术的成熟和局部网络技术技术的成熟和局部网络技术的进入，使得集散系统得到的进入，使得集散系统得到飞速发展。第二代集散系统飞速发展。第二代集散系统以局部网络为主

8、干来统领全以局部网络为主干来统领全系统工作，系统中各单元都系统工作，系统中各单元都可以看作是网络节点的工作可以看作是网络节点的工作站，局部网络节点又可以挂站，局部网络节点又可以挂接桥和网间连接器，并与同接桥和网间连接器，并与同网络和异型网络相连。网络和异型网络相连。特点是系统功能扩大及增强。特点是系统功能扩大及增强。图图9-4 第二代集散系统结构简图第二代集散系统结构简图72.集散控制系统基本结构（续）集散控制系统基本结构（续）(3)第三代集散控制系统第三代集散控制系统其结构的主要变化是局部网络采其结构的主要变化是局部网络采用了用了MAP或者是与或者是与MAP兼容、兼容、或者局部网络本身就是实

9、时或者局部网络本身就是实时MAP LAN。MAP是由美国是由美国GM（通用汽车公（通用汽车公司）负责制定的，它是一种工厂司）负责制定的，它是一种工厂系统公共的通信标准，已逐步成系统公共的通信标准，已逐步成为一种事实上的工业标准。为一种事实上的工业标准。除了局部网络的根本进步之外，除了局部网络的根本进步之外，第三代集散控制系统的其它单元第三代集散控制系统的其它单元无论是硬件还是软件，都有很大无论是硬件还是软件，都有很大的变化，但系统的基本组成变化的变化，但系统的基本组成变化不大，其主要特征为开放系统。不大，其主要特征为开放系统。图图9-5 第三代集散系统结构简图第三代集散系统结构简图82.集散控

10、制系统基本结构（续）集散控制系统基本结构（续）(4)第四代集散控制系统第四代集散控制系统20世纪世纪90年代末期至年代末期至21世纪开始，由于电子信息产世纪开始，由于电子信息产业的开放潮流和现场总线技术的成熟与应用，业的开放潮流和现场总线技术的成熟与应用，DCS厂厂家进一步提升了系统功能范围，将系统开发的方式由原家进一步提升了系统功能范围，将系统开发的方式由原来完全自主开发变为集成开发，推出了第四代来完全自主开发变为集成开发，推出了第四代DCS。共性：共性：全面支持企业信息化、系统构成集成化、混合控制功能兼容，全面支持企业信息化、系统构成集成化、混合控制功能兼容，营建进一步分散化、智能化和低成

11、本化，系统平台开放化、应营建进一步分散化、智能化和低成本化，系统平台开放化、应用系统专业化。用系统专业化。主要特征为：主要特征为：信息化和集成化；混合控制系统；融合采用现场总线技术的进信息化和集成化；混合控制系统；融合采用现场总线技术的进一步分散化；一步分散化；I/O处理单元小型化、智能化、低成本；系统平处理单元小型化、智能化、低成本；系统平台开放型与应用的专业化。台开放型与应用的专业化。9图图9-6 和利时第四代集散控制系统体系结构和利时第四代集散控制系统体系结构103.集散控制系统特点集散控制系统特点(1)分散性和集中性分散性和集中性系统控制分散、功能分散，负荷分散，从而危险分散。系统控制

12、分散、功能分散，负荷分散，从而危险分散。集中性体现：监视集中、操作集中、管理集中。集中性体现：监视集中、操作集中、管理集中。(2)自治性和协调性自治性和协调性 各工作站独立自主地完成分配给自己任务，并通过通信网各工作站独立自主地完成分配给自己任务，并通过通信网络传送各种信息，协调工作，以完成控制系统的总体功能络传送各种信息，协调工作，以完成控制系统的总体功能和优化处理。和优化处理。(3)友好性友好性采用实用而简洁的人机会话系统，丰富的画面显示。采用实用而简洁的人机会话系统，丰富的画面显示。(4)适应性、灵活性和可扩充性适应性、灵活性和可扩充性 采用开放式、标准化和模块化设计，具有灵活的配置，可

13、采用开放式、标准化和模块化设计，具有灵活的配置，可以适应不同用户的需要。可以根据生产要求，改变系统的以适应不同用户的需要。可以根据生产要求，改变系统的大小配置。大小配置。113.集散控制系统特点（续）集散控制系统特点（续）(5)实时性实时性 采用网络通信技术，实现集中监视、操作和管理。使得管采用网络通信技术，实现集中监视、操作和管理。使得管理与现场分离，管理更能综合化和系统化。理与现场分离，管理更能综合化和系统化。通过人机接口和通过人机接口和I/O接口，可对过程对象进行实时采集、接口，可对过程对象进行实时采集、分析、记录、监视、操作控制，并包括对系统结构和组态分析、记录、监视、操作控制，并包括

14、对系统结构和组态回路的在线修改、局部故障的在线维护等，提高了系统的回路的在线修改、局部故障的在线维护等，提高了系统的可用性。可用性。(6)可靠性可靠性 广泛采用了冗余技术、容错技术。各单元都具备自诊断、广泛采用了冗余技术、容错技术。各单元都具备自诊断、自检查、自修理功能，故障出现时还可自动报警。自检查、自修理功能，故障出现时还可自动报警。使集散系统的可靠性和安全性得到大大提高。使集散系统的可靠性和安全性得到大大提高。124.集散控制系统数据通信集散控制系统数据通信(1)数据传输的介质数据传输的介质 双绞线、光钎、同轴电缆等。双绞线、光钎、同轴电缆等。(2)数据传输方式数据传输方式基带传输方式基

15、带传输方式频带传输方式频带传输方式(3)数据通信网络的拓扑结构数据通信网络的拓扑结构星型、环型和总线星型、环型和总线/树型等常见几种树型等常见几种(4)网络的访问控制方法网络的访问控制方法集散控制系统采用的信息存取控制方式主要为：集散控制系统采用的信息存取控制方式主要为：CSMACD（带有冲突检测的载波侦听多路存取）（带有冲突检测的载波侦听多路存取）令牌环法令牌环法令牌总线令牌总线139.1.3 集散控制系统的组态性集散控制系统的组态性1.集散控制系统的组态类型集散控制系统的组态类型系统组态系统组态完成组成系统的各设备间的连接；完成组成系统的各设备间的连接；画面组态画面组态完成操作站的各种画面

16、、画面间的连接；完成操作站的各种画面、画面间的连接；控制组态控制组态 完成各控制器、过程控制装置的控制结构连接、完成各控制器、过程控制装置的控制结构连接、参数设置等。参数设置等。142.集散控制系统的组态软件集散控制系统的组态软件指一些包括数据采集与工程控制的专用软件，属于自动控制监控层一指一些包括数据采集与工程控制的专用软件，属于自动控制监控层一级的软件平台和开发环境，以灵活多样的组态方式提供良好的用户开级的软件平台和开发环境，以灵活多样的组态方式提供良好的用户开发界面和简捷的使用方法，可以非常容易实现和完成监控层的各项功发界面和简捷的使用方法，可以非常容易实现和完成监控层的各项功能，并能同时支持各种硬件厂家的计算机和能，并能同时支持各种硬件厂家的计算机和I/O设备，向控制层和管设备，向控制层和管理层提供软、硬件的全部接口，进行系统的集成。理层提供软、硬件的全部接口，进行系统的集成。组态软件的分类：组态软件的分类：国外专业软件厂商提供的产品，如美国国外专业软件厂商提供的产品，如美国Wonderware公司的公司的INTOUCH、美国、美国Intellution公司的公司的FIX以及西