工业自动化系统部分.docx

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工业自动化系统部分

3.工业自动化系统

3.1工业自动化系统原理

工业自动化系统其实从20世纪40年代就开始使用了，早期的现场基地式仪表和后期的继电器构成了控制系统的前身。

现在所说的工业自动化系统，多指采用电脑或微处理器进行智能控制的系统，在控制系统的发展史上，称为第三代控制系统，以PLC和DCS为代表，从70年代开始应用以来，在冶金、电力、石油、化工、轻工等工业过程控制中获得迅猛的发展。

从90年代开始，陆续出现了现场总线控制系统、基于PC的控制系统等，下文将简要介绍各种常见的控制系统。

3.1.1集散控制系统（DCS）

DCS是英文DstvibutedControlSystem的缩写，意为计算机集散控制系统，也称分布式计算机控制系统。

它是20世纪70年代中期发展起来的计算机系统。

它综合了计算机技术、信号处理技术、测量控制技术，通信网络和人机接口技术等对生产过程进行分散控制、集中监视操作和管理。

它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机（Computer）、通讯（Communication）、显示（CRT）和控制（Control）等4C技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、组态方便。

DCS具有以下特点：

（1）高可靠性

由于DCS将系统控制功能分散在各台计算机上实现，系统结构采用容错设计，因此某一台计算机出现的故障不会导致系统其它功能的丧失。

此外，由于系统中各台计算机所承担的任务比较单一，可以针对需要实现的功能采用具有特定结构和软件的专用计算机，从而使系统中每台计算机的可靠性也得到提高。

（2）开放性

DCS采用开放式、标准化、模块化和系列化设计，系统中各台计算机采用局域网方式通信，实现信息传输，当需要改变或扩充系统功能时，可将新增计算机方便地连入系统通信网络或从网络中卸下，几乎不影响系统其他计算机的工作。

（3）灵活性

通过组态软件根据不同的流程应用对象进行软硬件组态，即确定测量与控制信号及相互间连接关系、从控制算法库选择适用的控制规律以及从图形库调用基本图形组成所需的各种监控和报警画面，从而方便地构成所需的控制系统。

（4）易于维护

功能单一的小型或微型专用计算机，具有维护简单、方便的特点，当某一局部或某个计算机出现故障时，可以在不影响整个系统运行的情况下在线更换，迅速排除故障。

（5）协调性

各工作站之间通过通信网络传送各种数据，整个系统信息共享，协调工作，以完成控制系统的总体功能和优化处理。

（6）控制功能齐全

控制算法丰富，集连续控制、顺序控制和批处理控制于一体，可实现串级、前馈、解耦、自适应和预测控制等先进控制，并可方便地加入所需的特殊控制算法。

集散控制系统的体系结构通常分为三级，第一级为直接过程控制级，它直接面向生产过程；第二级为集中操作监视级，进行监视过程管理；第三级为综合信息管理级，用来综合处理、优化组合。

各级之间通信网络相连，级内各站台票或单元由本级的通信网络进行联系。

由于安全方面和传输等方面的限制，目前我国绝大部分企业建到第二级，上位机尚未建成。

控制管理层的作用是实现集中操作和统一管理，通过监控系统和生产过程实现控制方案，生成系统数据库，用户画面和报表等。

从而在用户和系统功能之间提供了一个接口，使操作员能够观察过程回路参数状态，实时趋势和报警和报警情况，实现设备起停过程回路操作和参数调整。

DCS的现场控制单元直与现场传感器，变送器执行器、继电器等到相连接，完成过程输入输出的控制。

各线现场控制单元通过网络接口连接起来，独立自主的完成系统分配的任务，控制功能分散，危险也分散，从而提高了系统的可靠性。

DCS的构成方式十分灵活，可由专用的管理计算机站、操作员站、工程师站、记录站、现场控制站和数据采集站等组成，也可由通用的服务器、工业控制计算机和可编程控制器构成。

   DCS系统中，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（PI/O），包括信号变换与信号调理，A/D、D/A转换。

控制站是整个DCS的基础，它的可靠性和安全性最为重要，死机和控制失灵的现象是绝对不允许的，而且冗余、掉电保护、抗干扰、构成防爆系统等方面都应很有效而可靠，才能满足用户要求。

   关于DCS控制站的系统软件，包括实时操作系统、编程语言及编译系统、数据库系统、自诊断系统等，只是完善程度不同而已。

第二代DCS控制站开始有面向过程语言和高级语言；第三代DCS控制站的系统软件可以完成离线组态及在线修改控制策略。

为了完成控制策略，目前典型的DCS具有各种功能模块，这是DCS厂家的专有技术。

对于顺序控制和批量控制组态编程，各种DCS控制站采用不同的方法，直到近年来才向IEC61131-3编程语言标准靠拢。

   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（Utility）功能，还有系统配置、操作标记、趋势记录、历史数据管理、总貌画面组态、控制站组态、工艺单元或区域组态等。

   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。

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采用菜单、窗口等，使人机界面友好。

第三代DCS操作站是在个人计算机（PC）及Windows操作系统普及和通用监控图形软件已商品化的基础上诞生的。

目前大多数DCS操作站已采用高档PC机或工控机，WindowsNT（或Windows98）操作系统，客户机/服务器（C/S）结构，DDE或OPC接口技术，以太网接口与管理网络相连。

DCS系统组态、操作站组态、控制站组态均有相应软件，为DCS用户的工程设计人员提供人机界面。

有的DCS的采用通用监控图形软件，或以此类软件为核心，进行二次开发。

   因为数据通信标准牵涉到网络结构、通信介质（信道）、通信协议、不同用户行业的行规等方面，所以直至目前也没有工业（或过程工业）网络的完整的统一标准。

到目前为止，IEEE802.4令牌总线传输方式和IEEE802.5令牌环网传输方式的通信协议在DCS系统中应用最广;现在第三代DCS通信均有向以太网开放的趋势，工业以太网的标准也在制订之中，是否能够成为今后DCS的通讯标准，还有待观察。

3.1.2现场总线控制系统（FCS）

   现场总线的突出特点在于它把集中与分散相结合的DCS集散控制结构，变成新型的全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场，依靠现场智能设备本身实现基本控制功能。

现场总线的特点主要表现在以下几个方面:

（1）以数字信号完全取代传统的模拟信号

   以数字信号完全取代传统DCS的4～20mA模拟信号，且双向传输信号。

一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大为减少。

同时，通信总线延伸到现场传感器、变送器、控制器和伺服机构，操作人员在控制室就能实现主控系统对现场设备的在线监视、诊断、校验和参数整定，节省了硬件数量与投资。

（2）现场总线实现了结构上的彻底分散

   现场总线在结构上只有现场设备和操作管理站2个层次，将传统DCS的I/O控制站并入现场智能设备，取消了I/O模件，现场仪表都是内装微处理器的，输出的结果直接送到邻近的调节阀上，完全不需要经过控制室主控系统，实现了结构上的彻底分散。

（3）总线网络系统是开放的

   将系统集成的权力交给用户，用户可以按自己的需要和考虑，把来自不同供应商的产品组成规模各异的系统。

可以用不同厂家的现场仪表去替换出现故障的另一厂家的现场仪表。

   现场总线技术是从80年代后期诞生的网络通信技术，经历十几年左右的发展，国际上出现了几个有代表性的现场总线标准和几个系列产品，较流行的有:

（1）基金会现场总线（FoundationFieldbus）

   在现场总线标准的研究制订过程中，出现过多种企业集团或组织，通过不断的竞争，到1994年在国际上基本上形成了两大阵营，一个以Fisher-Rosemount公司为首，联合Foxboro、横河、ABB、西门子等80家公司制订的ISP协议；另一个以Honeywell公司为首，联合欧洲150家公司制订的WorldFIP协议。

这两大集团于1994年合并，成立现场总线基金会（FieldbusFoundation,FF），致力于开发国际上统一的现场总线协议。

FF的协议符合IEC1158-2标准，也称为SP50标准。

（2）Profibus现场总线

   它是作为德国国家标准和欧洲国家标准的现场总线标准。

该项技术是由西门子公司为主的十几家德国公司、研究所共同推出的。

它采用OSI模型的物理层、数据链路层。

现场总线信息规范（FMS）型则只隐去了OSI标准的第三至第六层，采用了应用层。

（3）LonWork（LocalOperatingNetwork局部操作网）现场总线

   它是由美国Echelon公司于1990年正式推出的。

它采用ISO/OSI模型的全部7层协议，采用了面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，其最大传输速率为1.5Mbps,传输距离为2700m，传输介质可以是双绞线、光缆、射频、红外线和电力线等。

（4）控制局域网（ControlAreaNetwork，CAN）控制网络

   最早由德国BOSCH公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。

CAN结构模型取ISO/OSI模型的第1、2、7层协议，即物理层、数据链路层和应用层。

   此外还值得一提的是，可寻址远程传感器数据公路（HighwayAddressableRemoteTransducer，HART）协议，它是由美国Rosemount公司最早推出的一种兼容4~20mA模拟信号和调制数字信号的现场总线协议。

其数字通信由于采用调制/解调方式，属于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡产品，因而在当前的过渡时期具有较强的竞争力，得到了较快的发展。

   现场总路线将成为工业控制发展的革命性飞跃，近年来，有关现场总线的报道层出不穷，其中令人关注的焦点集中在能否出现全世界统一的现场总线标准。

   不同的现场总线有不同的功能，各有其适用的场合，靠一种现场总线打天下的想法看来不太现实。

当然，从另一方面来讲，相当一部分现场总线是大同小异的，技术上非常接近，在优胜劣汰的环境下同类总线终将趋于统一。

但商业利益上的激烈竞争是这个问题的主要原因，对于现场总线形成巨大影响的自动化厂商，因为要尽可能维护自身的地位和利益而不愿放弃其已拥有的现场总线;因此，在未来较长的一段时间内，现场总线标准之争会越演越烈。

3.1.3可编程逻辑控制器（PLC）

   PLC通常根据CPU所带的I/O点数的规模分为微型PLC、小型PLC、中型PLC、大型PLC、PC插卡式PLC以及PC兼容的PLC。

   一套典型的PLC通常包括CPU模块、电源模块和一些输入/输出模块，这些模块被插在一块背板上。

如果配置增加，可能会包括一个操作员界面、监控计算机、通讯模块、软件以及一些可选的特殊功能模块。

可编程控制器不仅容易安装，占用空间小，能源消耗小，带有诊断指示器可以帮助故障诊断，而且可以被重复使用到其它的项目中去。

现在，尽管PLC的功能，如运行速度、接口种类、数据处理能力已经获得了很大的提高，但PLC的一直保持了其最初设计的原则，那就是简单至上的原则。

   PLC的技术从诞生之日起，就不停地发展。

这些发展不仅改进了PLC的设计，也改变了控制系统的设计理念。

过去，PLC适用于离散过程控制，如开关、顺序动作执行等场所，但随着PLC的功能越来越强大，PLC也开始进入过程自动化领域。

附表   PLC分类

 PLC种类

 外观

 典型I/O点数范围

 典型应用

 微型PLC

 固定I/O点，砖块式

 <32点

 替代继电器，分布式I/O

 小型PLC

 砖块式，模块式

 33-128点

 工业机器开关控制和商业用途

 中型PLC

 模块式，小机架

 129-512点

 复杂机器控制和一些分布式系统

 大型PLC

 大机架

 >513点

 分布式系统，监控系统

 PC插卡式PLC

 ISA或PCI总线卡式

 >129点

 机器控制，监控系统

 PC兼容控制器

 模块式，大或小机架

 >129点

 机器控制，监控系统

（1）PLC的硬件进展

以下列出了PLC的硬件进展：

·采用新的先进的微处理器和电子技术达到快速的扫描时间;

·小型的、低成本的PLC，可以代替四到十个继电器，现在获得更大的发展动力;

·高密度的Ｉ／Ｏ系统，以低成本提供了节省空间的接口;

·基于微处理器的智能I/O接口扩展了分布式控制能力，典型的接口如PID，网络，CAN总线，现场总线，ASCII通信，定位，主机通讯模块，和语言模块（如BASIC，PASCALC）等;

·包括输入输出模块和端子的结构设计改进，使端子更加集成;

·特殊接口允许某些器件可以直接接到控制器上，如热电偶、热电阻、应力测量、快速响应脉冲等;

·外部设备改进了操作员界面技术，系统文档功能成为了PLC的标准功能。

   以上这些硬件的改进，导致了PLC的产品系列的丰富和发展，使PLC从最小的只有10个I/O点的微型PLC，到可以达到8000点的大型PLC，应有尽有。

这些产品系列，用普通的I/O系统和编程外部设备，可以组成局域网，并与办公网络相连。

整个PLC的产品系列概念对于用户来说，是一个非常节约成本的控制系统概念。

（2）PLC的软件进展

与硬件的发展相似，PLC的软件也取得了巨大的进展，大大强化了PLC的功能:

·PLC引入了面向对象的编程工具，并且根据国际电工委员会的IEC61131-3的标准形成了多种语言;

· 小型PLC也提供了强大的编程指令，并且因此延伸了应用领域;

·高级语言，如BASIC，C在某些控制器模块中已经可以实现，在与外部通讯和处理数据时提供了更大的编程灵活性;

·梯形图逻辑中可以实现高级的功能块指令，可以使用户用简单的编程方法实现复杂的软件功能;

·诊断和错误检测功能从简单的系统控制器的故障诊断扩大到对所控制的机器和设备的过程和设备诊断;

·浮点算术可以进行控制应用中计量、平衡和统计等所牵涉的复杂计算;

·数据处理指令得到简化和改进,可以进行涉及大量数据存储、跟踪和存取的复杂控制和数据采集和处理功能。

尽快PLC比原来复杂了很多，但是，他们依然保持了令人吃惊的简单性，对操作员来说，今天的高功能的PLC与30年前的PLC一样那么容易操作，甚至更为简单。

3.1.5安全仪表系统（SIS）

安全仪表系统：

（SafetyInstrumentedSystem,SIS）也称为安全连锁系统（SafetyInterlocks）,紧急停车系统（EmergencyShutdownSystem，ESD）nc.qoos.ipi，安全关联系统（SafetyRelatedSystem）,安全停车系统（SafetyShutdownSystem），等等。

安全仪表系统（SIS）是由国际电工委员会（IEC）标准IEC61508及IEC61511定义的专门用于安全的控制系统。

它就是指设计出来用于对设备可能出现的故障进行动作的控制系统,它必须能够迅速、正确的对事故做出响应,最终能够完全避免事故的发生或者至少能减少事故给设备、环境和人员造成的危害。

其作用有维持正常减少故障后的事故发生概率；降低事故发生后的损失。

监视生产过程的状态，在出现危险条件时采取相应措施，防止危险发生或者减轻危险造成的后果，避免潜在风险对人身、设备、环境造成伤害。

一个典型的化工装置为安全所设置的层层保护包括:

工艺过程设计;基本调节,过程报警及操作员监视;紧急报警,操作员监视并且手动干预;自动操作安全仪表系统SIS（SafetyInstrumentedSystem）或紧急停车系统ESD（EmergencyShutdownSystem）;物理保护（泄压阀,爆破膜）;工厂紧急响应;所在社区紧急响应。

由此可见,从第二层到第四层的保护都是由仪表及自控系统来实现。

而仪表系统的最后一层保护———SIS或ESD更是至关重要。

它在事故和故障状态下（包括装置事故和控制系统本身发生的故障）,使装置能够安全停车并处于安全模式下,从而避免灾难的发生,即避免对装置内人员的伤害及对环境造成恶劣的影响。

因而,SIS和ESD本身必须是故障安全型（FailtoSafe）的,系统的硬件和软件的可靠性都要求很高。

紧急停车系统按照结构来分，可分为双重化冗余和三重化冗余两种。

双重化冗余ESD系统其中一套处于工作状态，另一套则处于热备状态。

三重化冗余ESD系统将CPU和I/O通道都实行三重化配置。

每次扫描后，用内部的差错分析程序判别输入数据，表决得出一个正确数据，输入到每个主处理器，主处理器执行各种控制算法，并输出值送到各输出模件，在输出模件中进行输出数据表决，这样可以使数据尽可能与现场靠近，对三总线表决和驱动现场执行元件的最终输出之间可能产生的错误进行检测和补偿。

三重化系统的主要运行模式有3-2-1-0或3-2-0两种。

3-2-1-0表示ESD系统有三个CPU，同时工作又相对独立。

当一个CPU故障时，该CPU被切除，切换到2-1-0工作方式，系统正常运行；当两个CPU故障时，这两个CPU被切除，切换到1-0工作方式，系统正常运行；如果检测到三个CPU故障，系统则停车。

3-2-0是指系统正常工作时有三个CPU正常工作。

当三个CPU中有一个运算结果与其他两个不同时，说明该CPU出现了故障，其余两个CPU工作正常，系统也能正常工作。

若其余两个CPU的运算结果也不相同，则系统停车。

3.2自动化系统主要类型及基本构成

3.2.1EMERSON（艾默生）集散控制系统（DCS）

3.2.1.1概述

DeltaV系统-是PlantWeb结构系统的核心部分，采用当今最新技术，如PC工作站，以太网，数字总线，OPC和XML，DeltaV系统可以实现更好的精确控制和预测性维护，并随时随地的传输所需的信息。

与其他系统不同的是，DeltaV是彻底采用完全数字化结构的一套全新的系统，而不是在原有系统基础上的改进，这也是为何DeltaV系统更容易操作，组态，维护以及与现有自动化系统的连接的原因。

下面是一套DeltaV系统的结构配置图。

∙工作站-以图形化的界面提供系统及过程控制组态，数据存储，备份，处理，过程操作监视等功能

∙控制网络-用于控制器与工作站之间的通讯

∙控制器-执行本地控制、管理数据及I/O子系统和控制网络之间通讯

∙I/O子系统-用来双向传递现场设备信息到控制网络之间的信息。

∙系统供电-为控制器及I/O子系统卡提供电源

∙大功率电源-24供电，为连接到自动化控制系统那个的现场设备供电

∙SI-加密狗-系统软件规模及功能定义的硬件加密狗。

DeltaV控制网络采用IEEE802.3以太局域网（LAN）连接DeltaV系统，实现控制器与工程师站之间的通讯。

五类或者超五类双绞线，（ScTP）Rj45接头连接控制器和工作站。

艾默生专利技术的安全网络交换机，工程师可以在单击窗口按钮，自动锁定未用的交换机端口。

防止未授权设备联入控制网络。

交换机提供2G的上行速率。

控制器与工作站的通讯采用全双工方式，100M字节通讯速率。

3.2.1.2控制器及I/O子系统

控制器提供了顺控图，结构文本，及常规过程控制，逻辑及内嵌式先进控制。

控制器提供了冗余的自适应100M以太网接口，实现与控制网络中其他节点的通讯。

I/O子系统包括：

底板-以总线方式连接控制器与I/O子系统之间的通讯。

模块化设计，即插即用在线扩展。

卡件-用于与现场设备及第三方系统通讯的各种输入及输出接口DeltaV系统支持下列I/O卡件，可以在线组态、设备检测即插即用，卡件类型：

AI-模拟信号输入4~20mA,1~5V，缺省支持HART，可以将现场变送器的测量值送到控制系统实现监视及控制，HART变量及状态值传送到系统中，实现现场仪表的仿真，组态，状态监视，及预测性维护。

AO，模拟输出信号4-20mA，缺省支持HART,连接现场阀门控制器，实现阀门的控制。

可以将阀门的HART变量传送到系统中，实现阀门的标定，组态及状态监视，支持预测性维护。

DI-离散量输入，实现内供电及外供电开关，继电器节点的离散信号输入。

DO-离散量输出，实现内供电及外供电，控制外部离散设备的动作、

AS-Interface-数字串行双向通讯协议和能够与简单的二进制开关设备（如执行机构、传感器和现场的离散设备）互连的总线系统。

AS-Interface标准是通过CENELEC标准EN50295定义的

DeviceNet-DeviceNet是全数字串行双向通讯协议，可以将现场设备PLC等连接到系统

ProfibusDP-全数字串行双向通讯协议，使现场设备PLC，马达等连接到系统

FF-基金会总线协议，实现数字串行双向通讯通讯，连接阀门控制器，变送器等现场过程设备。

实现过程控制，监视及设备诊断组态。

3.2.1.3工作站

运行DeltaV软件的人机界面，塔式或者机架安装，可以选择PC或者服务器，多显示屏幕配置，经过严格测试，适用于工业场合应用。

在线添加到控制网络中。

服务器配置RAID10数据保护。

支持1680x1050的16：

9大屏幕显示。

3.2.1.4工程师站

提供完全的原生的全局数据库，单一工具对控制策略实现组态，图形化的组态及调试界面，AMS智能设备管理，

常规软件：

DeltaVOperate，Diagnostics，EventChronicle，FlexLock，HistoryViewSuite

3.2.1.5操作员站

图形化的界面操作过程控制系统，实时的数据显示，连续历史记录与事件记录相整合，用户权限管理可以给不同的操作站，不同的操作员根据权限访问不同的工厂资源。

内嵌智能设备管理软件，及时将设备状态信息以PlantWeb报警的方式发送给操作员以采取及时的行动。

最多支持4屏幕显示

常规软件：

DeltaVOperate，HistoryViewSoftwareSuite，ContinuousHistorian，Diagnostics.

3.2.2INVENSYS（英维思）集散控制系统（DCS）

3.2.3HONEYWELL（霍尼韦尔）集散控制系统（DCS）

3.2.3.1ExperionPKS过程知识系统

ExperionPKS过程知识系统是Honeywell最新一代的过程自动化系统，是使人员与过程，经营和资产管理融合在一起，能帮助过程生产厂家提高利润和生产力的过程自动化系统。

Experion的核心是Experion平台，它集成Honeywell30年的过程控制领域的丰富经验，将所有Honeywell和非Honeywell过程控制和安全系统集成为一个单一且统一的结构。

ExperionPKS过程知识系统的主要特点如下：

全局数据库：

ControlBuilder组态时，一次输入控制处理器与监控系统服务器所需要的信息，无需多次对不同层次的数据库分别组态。

全局报警和事件：

通过ControlBuilder组态报警，由控制处理器检查和生成报警，由事件系统记录报警，操作员通过操作站的报警汇总等显示画面进行确认。

用户无需在控制器和监控系统中分别组态过程报警信息。

HoneywellHMIWeb技术：

HMIWeb技术是基