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笔记

绪论

1.分散控制系统是继直接作用式气动仪表，气动单元组合仪表。

电动单元组合仪表和组件组装式仪表之后的新一代控制系统

2.

（1）工业自动控制仪表主要包括：

变送器，调节器，调节阀等部件，这是最初的单元控制系统，也称基地式调节器

（2）气动组合式仪表（3）电动组合式仪表（4）计算机控制系统，也成为直接数字控制系统（5）分散控制系统：

顺序控制系统（PLC）（6）DCS+PLC控制系统（7）现场总线控制系统（FCS）

3.火电厂的工作过程主要是以燃烧系统，烟风系统和汽水系统这三条线展开的。

存在问题：

高能耗，高污染，高投入

第一章：

一DCS定义：

以多台微处理器为核心，采用控制功能分散，显示操作集中，兼顾分而自治和综合原则设计的新一代仪表控制系统——即：

计算机网络控制系统

二控制仪表分类：

1.按能源类型：

气动——简单，稳定，防爆；液动——如汽轮机调速系统，简单，平稳，功率大，慢；电动——快速，远传，功能强，应用广

2.按信号类型：

模拟仪表——模拟电路为基础，模拟信号运算，仪表功能=硬件；数字仪表——数字电路为基础，数字信号运算，仪表功能=硬件；智能仪表：

数字电路为基础，微处理机为核心，仪表功能=硬件+软件

3.按结构形式：

基地式仪表——就地指示，记录，调节于一体

单元组合式——DDZ-I、II、III

组件组装式——机柜+模件+电源+显示操作盘

集散控制式——4C技术（control、computer、communication、CRT）

三控制仪表的发展原因：

工业过程—仪表控制技术—微电子、计算机技术

四控制仪表的发展过程

基地式仪表—单元组合式—组件组装式

模拟仪表的局限性：

生产规模大型化，中控室表盘愈来愈长，难于实现集中监视和；各控制系统的通信联系困难；难于实现分级控制；难于实现复杂规律的控制；系统变更困难解决办法：

计算机

1.1DCS的产生

五个阶段：

集中型计算机控制阶段；计算机与模拟仪表混合式分散控制阶段；第一代集散系统；第二代集散系统；第三代集散系统

结构及应用方式：

集中式——生产过程全部信息都集中于一台计算机中

直接数字控制（DDC）监督计算机控制（SCC）

DDC与sCC在实际应用中并不成功

弊病：

投资大，安装困难现场条件恶劣，干扰多；安装困难；计算机技术不成熟，慢，功能少；危险集中，这是一个尤为严重的问题，一个系统成百个回路，主计算机发成故障。

计算机与模拟仪表混合式分散控制阶段：

采用分层分差结构

现场的控制功能是由传统的模拟仪表（单回路调节仪表）实现的，但模拟显示器与操作器却是另一个分离的单元，通过多芯电缆与调节仪相连。

突破

第一代集散系统的技术特征

技术重点是：

实现分散控制，引入网络通信技术，加强可靠性设计。

1.用以微处理为基础的过程控制单元（PCU）实现了分散控制

2.CRT操作站与PCU相分离，使集中显示，集中操作，远程组态，全系统信息的综合管理与现场控制相分离，这是集散系统的重要标志

3.采用了电缆和双绞线作传输媒质，大幅度降低连线费用

第一代集散系统的基本结构：

过程控制单元（PCU）

亦称现场控制单元FCU（fieldcontrolunit）或基本控制器（basiccontroller）一般是由微处理器（CPU），存贮器（rom，ram）多路转换器，I/O输入输出模板，AD、DA转换，内总线，电源，通信接口等组成。

它可以控制一个和多个回路，具有较强的运算能力和较复杂的控制功能。

信号流程：

从现场采集信号经过过程控制站计算，一方面送入现场控制设备，另一方面送入监督计算机进行存储。

数据采集装置DAU（dataacquisitionunit）

亦称过程接口单元PIU（processinterfaceunit）它也是以微处理器为基础的结构，主要作用是采集非控制变量，进行数据处理，并将所采集的过程信息经数据传输通道（通信系统）送到监视计算机，它使集散系统获得了分散数据采集的能力（distributedDAS）

CRT操作站

是集散系统的人机接口，是系统与外界联系的单一窗口，crt操作站由crt、微型计算机，键盘，外存装置、磁盘驱动器、打印机等组成。

它可以以高分辨率画面显示过程的各类信息，并对PCU进行组态和操作，对全系统进行管理。

监控计算机：

是集散系统的主计算机习惯上称为上位机。

多采用小型计算机。

它综合监视全系统的各工作站（PCU，DAU，CRT）管理全系统的所有信息。

一般都具有进行大型且复杂运算能力，通过它可以实现全系统的最优控制和全工厂的优化管理。

数据传输通道

亦称数据高速公路（highway）。

是第一代集散系统关键一部分。

一般由通信电缆和数据传输管理指挥装置组成

第二代DCS

技术特征

加强了全系统信息管理；引入先进的局部网络技术。

这就要求用同样的设备，通过软件来组织大小不同的系统，通过软件来更新系统的原设计目标，通过软件来扩展系统。

第一代集散系统以实现分散控制为主，第二代集散系统则是以实现全系统信息的管理为主。

第二代DCS以局部网络为主干，统领了全系统。

系统中各单元都可看作网络节点的工作站。

局部网络节点又可挂接桥和网间连接器和异型网络连接连接。

第一代仅仅

第二代DCS构成

LAN（localareanetwork）的覆盖范围小，传输速率高，出错率低，通信距离较大，可连接多个工作站。

中央操作站

是选挂在LAN上的节点工作站，它的主要作用是对全系统的信息进行综合，管理（主要通过画面功能和键盘功能进行）它是全系统主操作站。

主计算机

亦称管理计算机或上位机，具有复杂运算能力和较强管理能力。

一般为小型计算机，带海量存贮器等外部设备。

GW可由将第二代子系统连接入局部网络，这一子系统在结构形式上与第一代集散系统相似，但各单元功能都大大加强，它们仍由高速公路，过程控制单元；本地操作站，上位机构成，但第二代的上述单元是功能增强型的。

此外，第一代DCS。

系统管理站

或称系统管理模件（SMM：

systemmanagementmodule）第二代比第一代的技术进步要反映在全系统管理功能的加强。

网间连接器GW（gateway）

它是局部网络与其子网络或其它工业网络的接口装置，起着通信系统转换器、协议翻译器或系统扩展器的作用。

GW可由将第二代子系统连入局部网络，这一子系统在结构形式上与一代相似，但功能大大加强，仍由高速公路；本地操作站、上位机构成。

此外，一代DCS也可作为子系统与LAN相连。

上述功能原件是增强型的。

第三代集散系统

技术特征：

局部网络采用MAP协议，或其它工业通信协议。

智能向现场延伸，尚未成熟。

分散控制系统的结构

（1）DCS功能层次结构

经营管理级：

市场和用户分析，订货销售统计、制造协调，合同、人、财、档案

生产管理级：

生产监视、报告，规划产品结构和规模

过程管理级：

过程操作：

装置之间协调。

优化过程控制、错误监测、数据存档

过程控制级：

数据采集、预处理、开闭环控制、设备监诊、实验安全、冗余措施

现场级：

连续控制、批量控制、离散控制

（2）DCS部件组成

IO板、控制器、通信网络、操作站

（3）硬件系统结构

过程控制单元：

亦称现场控制单元或基本控制器，可控制一个或多个过程接口单元：

亦称数据采集装置，是采集非控制变量，进行数据处理

工程师站：

除了执行对过程的监控操作，系统的组态，编程工作在操作站上进行，

过程控制单元和过程接口单元结构：

相当于微机化的单回路数字控制装置和微机化的检测装置，它们虽然功能不同，但它们的硬件组成基本相同。

过程控制单元和过程接口单元：

管理计算机：

除了在CRT操作站中完成主要的集中管理功能之外，以上位机为核心配以相应的外部设备则构成一个工厂级管理系统。

上位机的管理站，不象CRT操作站那样直接挂到数据高速通路上，而是通过上位机数据库与数据高速通路相连，配置更加灵活

数据传输通道：

又称数据高速公路，计算机高速通信总线，计算机网络介质等，它一般由通信电缆和数据传输管理装置组成

1.3分散控制系统的分散方式

系统的分散包含三层意思

（1）功能分散：

将一个主系统的控制功能分解成若干子系统控制功能来完成

（2）物理分散：

整个系统控制功能由许多不同的物理实体（硬件）分散实现

（3）地理分散：

基本控制单元安防在就地

集散控制系统的发展目标：

应是过程控制单元按地理位置分散于现场控制一个或多个回路，即：

将中央控制室中的控制功能移植到传感器和执行器附近的现场去，各控制单元的信息通过通信系统集中到中央操作站，实现全系统的综合管理

分散控制内涵

分散智能DI：

distributuedintelligence

分散显示：

DDddisplay

分散数据库：

DDBddatabase

分散通信功能：

DCdcommunication

分散供电：

DPdpower

分散负荷

1.4DCS的特点

（1）自律性极强

所谓自律性是指单元功能齐全，可靠性极高，是一个自治的小系统

（2）控制功能完善

现代集散系统的控制单元具有连续，离散，批量控制功能，可以实现高级控制。

高级控制是：

串级控制系统、前馈——反馈负荷调节系统、史密斯预估器、自适应控制系统、多变量解耦系统。

（3）窗口功能丰富：

指其CRT操作站——人机接口功能，CRT分辨率已到1600x1200以上

（4）网络通信技术先进

都采用了工业局部网络技术进行通信

信道传输率多在5-10Mbps，甚至更高，响应时间仅数百微秒

（5）管理能力强：

工厂自动化FA、实验室自动化LA、办公室业务自动化OA

（6）系统可靠性提高

有效率高达99.9999%，MTBF达几十年至上百年，系统中广泛采用了冗余技术、容错技术。

各单元都具自诊断、自检查、自修理功能。

故障出现时，自动报警，甚至可以提供故障维修服务，许多系统还可以提供远方技术中心服务

（7）系统构成灵活，扩展方便

多采用模块、模件结构，可以灵活组建系统规模；

通过系列选型，或系统生成构成大、中、小各类系统。

1.6DCS的典型示例

系统必须采用专门的分散控制装置，并采用高速

网络体系

（1）管理协调网络mnet——HS2000最高一级网络

其功能为完成不同装置之间的协调控制、数据通信，通信介质采用光纤或同轴电缆

HS2000系统是一个三层网络结构，三层网络将整个系统分为管理级，操作级及现场级，根据不同的系统规模可进行灵活配置

（2）SNET是系统连接工程师站、操作员站和现场控制站等节点的实时通讯网络，其冗余结构热备份工作，保证在任何一网络失效的情况下不影响系统通信，功能为完成现场控制向操作员站传输数据；各现场控制站间的数据传递，以满足大范围协调控制的需要；操作站和工程师站向现场控制站传递组态数据或控制指令；保持各操作员站之间数据的一致性。

（3）控制网络CNET

现场控制站内各个I/O组件之间及各组内部的各模板之间的数据联系采用了网络通信，而不是传统的并行总线，优点是各IO模板之间相互独立，其中的模块出现故障只影响本模板。

操作站体系

（1）工程师站

用于对应系统进行功能组态，组态数据下装，亦可兼作操作员，工程师站硬件也可不单独配置，而由系统中的任何一台操作员站代替

（2）操作员站

使操作人员能通过专用薄膜键盘或轨迹球灵活，方便，准确地监视过程量，以及根据流程变化调整过程参数等。

（3）历史站

保存了整个系统的历史数据，可完成对历史数据的收集，存储和发送，当操作员站通过历史网络向历史站发出历史数据申请时，历史站将历史数据发送给操作员站。

（4）现场控制站

是HS2000系统直接与现场打交道的，大规模的IO处理系统是一个具有信号采集、回路调节，逻辑连锁、顺序控制及本地操作功能的现场控制设备

功能：

以过程控制为主，辅以顺序逻辑控制；以顺控逻辑，连锁控制功能为主题的现场控制装置；构成一个对大批过程信号进行总体信号采集的现场采集站；现场控制站可配置本地操作员操作接口，实现本地操作；提供了与其他现场只能设备如PLC，智能仪表，智能调节仪等的接口

冗余体系

现场控制站标准配置为两个主控制器，为荣誉结构

主控制器上有硬件构成的冗余切换电路和故障自检电路

两个主控制器进行热备份，切换过程是无扰的

电源单元采用特殊设计，冗余配置，并联使用，均流运行

各种IO模板均带有冗余切换机制或备份机制

隔离体系

实现IO模板智能化，将控制有效分散到各IO模板，降低至控制器负担

采用现场总线技术，取代传统的并行总线，使各模板的故障被有效地隔离

所有模板均带有隔离电路，无需另配隔离器

可维护体系

诊断包括CPU，内存等自检；开关量输出、回读比较自检

软件体系

工程师站组态软件，操作员站实时监控软件及现场控制站实时控制软件三大部分

1.7HS2000系统DCS的网络体系

1.7.1hs2000系统的网络结构

HS2000系统是一套分层分式的综合控制系统，它通过多层数据网络将各种不同的设备挂接在一起，实现各部分信息共享和协调工作，从而完成综合控制与管理功能系统适用于生产设备，生产装置或生产过程以及工厂、企业的综合生产过程管理和控制

HS2000系统基本构成单元

（1）现场控制站

主要由主控组件和辅助组件构成，主控组件包括主控模板、IO模板、系统电源模板、总线底板和插件箱，辅助组件除不包括主控模板外，其余部分和主控组件一样。

主要完成现场信号的输入输出和回路控制，一个现场控制由一个主控组件及0~3个辅助组件构

（2）操作员站

由工控机（IPC）及操作员站软件构成，主要完成系统与操作员之间的人机界面功能，包括现场状态的显示、报警、报表及操作命令的执行等功能。

（3）工程师站

由IBM，PC兼容微机及工程师组态软件构成，主要完成HS2000系统的配置，控制回路组态及下装目标运行系统到操作员站和现场控制站的功能，工程师站中装载了操作员站软件后也可作为操作员站使用

HS2000系统的网络结构

（1）管理协调网络MNET

功能：

（1）

（2）企业内多组装置的管理数据通信（3）大型工业工程不同部分间的协调控制

MNET为开放式标准局域网络，采用TCP/IP、Ethernet等网络协议及novell网络结构

通信介质采用光纤或同轴电缆

通信速率不低于10Mbps

通信距离数公里~20公里

（2）系统网络SNET

SNET采用双冗余结构，在任何一条网络失效的情况下都不会影响通信功能，从而大大提高了通信的可靠性

网络冗余从板级做起

采用工业令牌协议（TokenBus），符合IEEE802.4标准

传输速率2.5Mbps；

传输最大距离6.5km‘

（3）控制网络CNET

采用CAN（controlareanetwork）现场总线网，是一种按优先级抢占式总线网络，支持多主结构；网络实际使用节点小于30

CNET特点：

支持多主结构；可与各种微处理器连接；提供优先级控制，实时性强；具有很强的错误识别和处理能力

支持点对点发送和广播发送功能

可编程传输速率：

<1Mpbs

工业工作温度：

-40~85℃

因此，CANBUS非常适合于工业现场的数据传输。

HS2000小型分布式控制系统配置

配置规模：

系统可配置1-2个操作员站，其中只能有一个站作控制站，另一个作监视站兼热备份站；

IO辅助组件：

最多4个，最多可容纳IO模板数28块；

最大IO点数：

ＡＩ：

200点；ＡＯ：

32点；ＤＩ／ＤＯ：

200点

CNET控制网络最大传输距离：

1000m

小型规模：

工程师站：

1台

操作员站：

1-8台

IO控制站：

1-20台

其中：

工程师站可与操作员站服用

IO控制站可以配置成HS2000系统，即IO站可带有本地操作功能

每个IO站配置主控组件一个，辅助组件0-2个

组件中可容纳双电源、双CPU控制器模板及26个IO模板

HS2000M系统IO吞吐量:

可控制几个~几百个回路

Hs2000M系统的配置规模

工程师站：

1台

操作员站：

1-8台

IO控制站：

1-20台

其中：

工程师站可以与操作员站复用；

IO控制站可以配置成HS2000系统，即IO站可带有本地操作功能（CRT和操作键盘、轨迹球等）

每个IO站配置主控组件1个，辅助组件0~2个

组件中共可容纳双电流、双CPU控制器模板及26个IO模板

HS2000M系统IO吞吐量：

可控制：

几个-几百个回路

采集：

几百-几千点

第二章

网络的传输介

（1）传输介质的特性：

物理描述：

传输特性：

模拟信号发送还是数字信号、调制技术、传输容量及传输频率连通性：

点到点或者多点连接

地理范围：

网上各点间的最大距离

抗干扰性：

防止噪音对传输数据的影响能力

相对价格：

以元件、安装和维护的价格为基础

（2）种类

双绞线，同轴电缆、光导纤维，视线介质简介——微波，红外线和激光

局域网络的拓扑结构

星型，总线，环型，树型

网络存取控制方式类型

（1）存储转发式

问询方式：

由主节点依次闻讯普通节点，普通节点把信息送给主节点，主节点再把信息转发给所需接收的普通节点，此方式使信息响应较慢，存储转发式：

在同一时间内，挂接在网络上的所有节点都可发送信息和接受信息。

当一个节点发送信息时，该信息被环路中的每一个节点接收和转送。

即每个节点都要储存检查，最后回到发送节点信息，在发送节点被冲掉

（2）广播式

特点1：

广播式又可分为令牌，自由竞争，时间片等

特点2：

广播式的重要标志是在同一时间内，只有一个节点在发送信息，而其他节点都在收听信息，环型和总线型网络中采用较多。

令牌方式：

令牌控制方式是当运行开始时，一个被指令的节点产生一个空闲令牌，它按照某种预定方式逐个节点通过，持有令牌的节点有权发送信息，此时其他各节点只能接收信息，发送节点负责将信息送到环路上（或总线上），当传送结束是，发送节点产生一个新的空闲令牌并将它传送至下一个节点，这就是令牌式的广播方式

自由竞争方式：

是按接到网络上的各个节点，自由竞争方式发送信息，即任何一个节点，只要它打算发送信息，就可以随时把信息播送出去，当发生冲突时，发送信息都退回到原来节点，经过随机延时后再重新发送信息

时间片方式：

是把一段时间分成若干时间片，在一个时间片内，某节点发送信息，在另一个时间片内，另一个节点发送信息。

令牌存取控制方式

（1）令牌传送的工作过程

令牌是一个控制性标志，通常由8位二进制符号组成，如“11111111”任何一个节点获得令牌后，就拥有发送信息的权利，没有令牌就只能等待

帧是传送信息的基本单元（信息组），有一定的格式

（2）环形网络中令牌传送的情况

假定环形网络只包含4个节点，节点A有信息要送往C，当空闲令牌传到A时，A检测出令牌代码并立即将令牌变为标志，插入信息送上环路

（3）传送监控功能

监控计算机

令牌丢失：

网络通信陷入混乱，因此网中需要有发现令牌丢失和恢复令牌的机构

办法：

采用一个计时器，某节点经过一定时间没有收到令牌时，就认为网络中的令牌已丢失，便重新产生一个新的令牌，如果收到两个或两个以上的令牌，就要设法去掉多余的令牌（目前的设计方案只允许一个令牌存在）

孤儿帧：

总线型网络也可采用令牌方式，能把各节点连接成一个“逻辑环”

为了防止令牌和标志在帧内部出现，插入“0”

（4）令牌传送的接口逻辑功能

具有节点，撤销功能：

由故障继电器短路本节点使网络直通；

信息识别，识别令牌，标志，地址等

复制信息和肯定/否定应答功能及差错校验功能

信息发送和传递逻辑

信息重发及移除数据逻辑

自由式竞争（碰撞检测方式）

控制方案目的：

解决如何尽量避免碰撞，以及出现碰撞之后又如何进行处理

（3）CSMA的具体算法

假如介质是空闲的，则发送

假如介质是忙的，等待一段随机时间，重复第一步

I——坚持CSMA

假如介质是空闲的，则发送

假如介质是忙的，继续监听，直到介质空闲，立即发

假如冲突发生，则等待一段随机时间，重复第一步

P——的坚持CSMA

假如介质是空闲的，则以P的概率发送，而以（1-P）的概率延迟一个时间单位

假如介质是忙的，继续监听直到介质空闲，重复第一步

时间单位，等于最大的传播延迟

假如发送被延迟一个单位时间，则重复第一步

载波监听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）

由于通道的传播延迟，采用CSMA，一般用于伏在不重的总线网中

2.5差错控制

噪声：

由传输介质自身物理特性引起的信号干扰，具有随机性

干扰：

由外部引起的信号失真、载波

退避算法

当发送的信息遇到碰撞

方法：

（1）二进制指数算法

（2）顺序退避法

令牌传送与CSMD/CD的比较

令牌方式控制较复杂，扩展时必须重新配置硬件和软件，重新初始

CSMA/CD由于需要碰撞检查，重载时，响应时间加长，实时性变差

令牌重载时，响应时间不会增加太长，实时性好

令牌方式还提供了优先级别，网络重载时，优先级别较低的信息被缓发

令牌传送网络不检测冲突，所以对总线介质限制较少，它对噪声也不敏感

数据通信技术

数据：

定义为有意义的实体，数据涉及到事物的形式，而信息涉及的是这些数据的内容和解释

信号和信号发送：

信号是数据的电磁或电子编码，信号发送是指沿传输介质传播信号的动作

（3）差错控制方式

前向纠错自动重发请求综合前两种

（4）常用检错码奇偶校验码循环冗余校验码（CRC）

奇偶校验码、

编码规则：

首先将所要传送的信息分组，在各组信息码后面附加冗余码（称校验码），组成码字，由码字组成码组，使该组码字中“1”的个数成为偶数或奇数，如果使码字中“1”的个数为偶数，则称偶校验码，……奇校验码

译码规则：

结合搜段收到的码字进行检查，若“1”的个数符合编码规则，则认为正确，否则认为传输出错

奇偶校验码分为垂直、水平、水平垂直（仿真码）

能检查错误但不能纠正错误

循环冗余校验码（CRC）

CRC码cyclicredundancycheckcode

（n，k）码：

将待传送的K位信息码和r位校验码组成的几位数字（n=k+r）

在2^n个字码中，有2^k个长为n的不同码字的集合称为分组码（n，k）

码的检错能力与附加校验码的位数有关，一般，附加校验码数愈多，检错能力俞强，另外，检错能力还与产生校验码的规则有关

若（n-k）个校验码中的每一位都由k个信息码中某几位线性模2加得到，这种码就称为线性分组码，简称线性码

模2假发：

相同为0，相异为1

（1）CRC检错码的工作原理

CRC的检错能力强，容易实现

（4）CRC校验生成过程事例

发送数据比特序列为110011（6比特）

生成多项式比特序列为11001（5比特，k=1）；

将发送数据比特序号乘以2^4，那么产生的乘积项应为1100110000；

将乘积应用生成的多项式比特序列去除，按模二算法应为：

将余数比特序列贾导乘积中

若在数据传输过程中没有发生传输错误，那么接收端接收到的带有CRC校验码的接收数据

第三章DCS过程控制站

3.1PCU的结构原理及一般特性

3.1.1概述

集散控制系统中分散控制的关键部分是分三国城控制装置通常称作过程控制单元PCU，亦名现场控制单元FCU

分散过程装置时从微处理机为基础的过程控制器

3.1.2PCU的结构原理

集散控制系统的PCU构成方式：

（1）微型机结构式

（2）I/O卡与通用卡结构

（3）穿行通信总线加摸件结构

（4）节点工作站结构

（1）微型机结构式：

内总线连接了PCU、ROM、RAM多路转换A/D、D/A及通信装置等部分，结构上采用机箱插卡式

（2）I/O卡与通用卡结构：

控制器由I/O系列卡、通用卡和内总线构成。

通用卡主要