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DCS集散控制系统第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识 集散控制系统的体系结构集散控制系统的体系结构 集散控制系统的硬件结构集散控制系统的硬件结构 集散控制系统的软件体系集散控制系统的软件体系 集散控制系统的基本功能集散控制系统的基本功能 数据通信技术数据通信技术本章主要内容本章主要内容2第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识2.过程控制级过过程程控控制制级级主主要要设设备备：过过程程控控制制站站、数数据据采采集集站站和和现现场场总总线服务器线服务器等。等。过程控制站过程控制站产生控制作用。产生控制作用。可可以以实实现现反反馈馈控控制制、逻逻辑辑控控制制、顺顺序序控控制制和和批批量量控控制制等等功功能。能。6第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识数据采集站数据采集站接收大量的非控制过程信息接收大量的非控制过程信息；不直接完成控制功能。不直接完成控制功能。现场总线服务器现场总线服务器一一台台安安装装了了现现场场总总线线接接口口卡卡与与DCS监监控控网网络络接接口口卡卡的的计计算算机。机。过程控制级设备的主要功能采集过程数据，进行采集过程数据，进行数据转换与处理；数据转换与处理；对生产过程进行对生产过程进行监测和控制；监测和控制；现场设备及现场设备及 I/O I/O 卡件的卡件的自诊断；自诊断；与过程管理级进行与过程管理级进行数据通信。数据通信。7第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识3.过程管理级过过程程管管理理级级的的主主要要设设备备：操操作作站站、工工程程师师站站和和监监控控计计算机算机等。等。操作站操作站操作人员与操作人员与DCS相互交换信息的相互交换信息的人机接口设备；人机接口设备；DCS的核心的核心显示、监视、操作和管理显示、监视、操作和管理装置。装置。工程师站工程师站对对DCS进行进行配置、组态、调试、维护配置、组态、调试、维护。监控计算机监控计算机实现实现对生产过程的监督控制；对生产过程的监督控制；机组机组运行优化和性能计算，先进控制策略的实现等。运行优化和性能计算，先进控制策略的实现等。8第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识过程管理级设备的主要功能对生产过程进行对生产过程进行监测和控制；监测和控制；对对DCSDCS进行进行配置、组态、调试、维护配置、组态、调试、维护 ；对各种设计文件进行对各种设计文件进行归类和管理归类和管理 。实现对生产过程的实现对生产过程的监督控制，故障检测和数据存档。监督控制，故障检测和数据存档。9第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识4.经营管理级 经经营营管管理理级级的的设设备备可可能能是是厂厂级级管管理理计计算算机机，也也可可能能是是若干个若干个生产装置的管理计算机生产装置的管理计算机。厂厂级级管管理理系系统统的的主主要要功功能能是是监监视视企企业业各各部部门门的的运运行行情情况。况。管管理理计计算算机机的的要要求求是是具具有有能能够够对对控控制制系系统统做做出出高高速速反反应的实时操作系统。应的实时操作系统。10第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识经营管理级设备的主要功能经营管理级设备的主要功能监视监视企业各部门的运行情况企业各部门的运行情况 ；实时监控实时监控承担全厂性能监视、运行优化、全厂负荷分配承担全厂性能监视、运行优化、全厂负荷分配和日常运行管理等任务和日常运行管理等任务 ；日常管理日常管理承担全厂的管理决策、计划管理、行政管理等承担全厂的管理决策、计划管理、行政管理等任务任务 。11第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识2.2 集散控制系统的硬件结构本节内容提要本节内容提要控控制制站站包包括括现现场场控控制制站站和和数数据据采采集集站等。站等。机柜机柜电源电源控制计算机控制计算机其他部件其他部件操操作作站站一一般般分分为为操操作作员员站站和和工工程程师师站站 。操作台操作台 微处理机系统微处理机系统图形显示设备图形显示设备 操作键盘和鼠标操作键盘和鼠标 打印输出设备等打印输出设备等冗余技术冗余技术冗冗余余方方式式：多多重重化化自自动备用和手动备用。动备用和手动备用。冗冗余余措措施施：通通信信网网络络冗冗余余、操操作作站站冗冗余余、现现场场控控制制站站冗冗余余、电电源源冗冗余余、输输入入/输输出模块冗余。出模块冗余。12第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识2.2.1 2.2.1 现场控制站现场控制站主要设备：主要设备：现场控制单元。现场控制单元。主主要要任任务务：进进行行数数据据采采集集及及处处理理，对对被被控控对对象象实实施施闭闭环环反反馈馈控制、顺序控制和批量控制。控制、顺序控制和批量控制。用用户户可可以以根根据据不不同同的的应应用用需需求求，选选择择配配置置不不同同的的现现场场控控制制单单元元以构成现场控制站。以构成现场控制站。以以面面向向连连续续生生产产的的过过程程控控制制为为主主，顺顺序序逻逻辑辑控控制制为为辅辅，构构成成一个可以实现多种复杂控制方案的现场控制站一个可以实现多种复杂控制方案的现场控制站;以顺序控制、联锁控制功能为主以顺序控制、联锁控制功能为主的现场控制站；的现场控制站；构成对构成对大批量过程信号进行总体信息采集大批量过程信号进行总体信息采集的现场控制站。的现场控制站。13第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识1.机柜 现场控制站机柜中央控制室机柜间机柜间机柜组有了现场控制站，生产过程控制的安全性和可靠性都很容易得到保证14第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识现场控制单元多层I/O卡件箱电源单元通信接口接线端子板机柜正面（前面）机柜背面（后面）现场控制站机柜15第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识2.电源电源系统的可靠性措施电源系统的可靠性措施每一个现场控制站均采用每一个现场控制站均采用双电源供电，互为冗余双电源供电，互为冗余。采采用用超超级级隔隔离离变变压压器器，将将其其初初级级、次次级级线线圈圈间间的的屏屏蔽蔽层层可靠接地，以克服共模干扰的影响。可靠接地，以克服共模干扰的影响。采用采用交流电子调压器交流电子调压器，快速稳定供电电压。，快速稳定供电电压。配有配有不间断供电电源不间断供电电源 UPS，以保证供电的连续性。，以保证供电的连续性。现现场场控控制制站站内内各各功功能能模模块块所所需需直直流流电电源源一一般般为为5V、15V(或或12 V)、以及、以及+24V。16第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识增加直流电源系统的稳定性措施增加直流电源系统的稳定性措施给给主主机机供供电电与与给给现现场场设设备备供供电电的的电电源源要要在在电电气气上上隔隔离离，以以减少相互间的干扰减少相互间的干扰。采用采用冗余的双电源方式冗余的双电源方式给各功能模块供电。给各功能模块供电。一一般般由由统统一一的的主主电电源源单单元元将将交交流流电电变变为为 24V 直直流流电电供供给给柜柜内内的的直直流流母母线线，然然后后通通过过 DC-DC 转转换换方方式式将将 24V 直直流流电电源变换为子电源所需的电压。源变换为子电源所需的电压。主主电电源源一一般般采采用用 1:1 冗冗余余配配 置置，而而子子电电源源一一般般采采用用 N:1 冗冗余配置。余配置。17第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识3.控制计算机 控制器电源单元I/O卡件现场总线接口卡件导轨控制计算机控制计算机18第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识控控制制计计算算机机一一般般是是由由 CPUCPU、存存储储器器、输输入入 /输输出出通通道道等基本部分组成。等基本部分组成。(1)CPU(1)CPU 用以实现用以实现算术运算和逻辑运算算术运算和逻辑运算。可可以以执执行行复复杂杂的的先先进进控控制制算算法法，如如自自动动整整定定、预预测测控控制制、模糊控制和自适应控制等。模糊控制和自适应控制等。19第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识(2)(2)存储器存储器 控制计算机的存储器分为控制计算机的存储器分为RAMRAM和和ROMROM。在控制计算机中在控制计算机中 ROM ROM 占有较大的比例占有较大的比例。由由于于控控制制计计算算机机在在正正常常工工作作时时运运行行的的是是一一套套固固定定的的程程序序，DCS中大都采用了中大都采用了程序固化的办法。程序固化的办法。在在冗冗余余控控制制计计算算机机系系统统中中，还还特特别别设设有有双双端端口口随随机机存存储储器器RAM RAM，其其中中存存放放有有过过程程输输入入输输出出数数据据、设设定定值值和和PIDPID参数等参数等。20第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识(3)总线 总线是总线是将现场控制站内部各单元连接起来将现场控制站内部各单元连接起来的通信介质。的通信介质。(4)输入/输出通道 模拟量输入模拟量输入/输出输出(AI/AO)开关量输入开关量输入/输出输出(SI/SO)数字量输入数字量输入/输出输出(DI/DO)脉冲量输入通道脉冲量输入通道(PI)21第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识模拟量输入输出通道模拟量输入输出通道(AI/AO)(AI/AO)模拟量输入通道模拟量输入通道(AI)(AI)模模拟拟量量输输入入通通道道(AI)(AI)将将来来自自在在线线检检测测仪仪表表和和变变送送器器的的连续性模拟电信号转换成数字信号连续性模拟电信号转换成数字信号，送给送给CPUCPU进行处理。进行处理。模拟量输出通道模拟量输出通道(AO)(AO)模模拟拟量量输输出出通通道道(AO)(AO)一一般般将将计计算算机机输输出出的的数数字字信信号号转转换换为为4-20mADC(4-20mADC(或或1-5VDC)1-5VDC)的的连连续续直直流流信信号号，用用于于控制各种执行机构。控制各种执行机构。22第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识开关量输入开关量输入/输出通道输出通道(SI/SO)(SI/SO)开开关关量量输输入入通通道道(SI)(SI)主主要要用用来来采采集集各各种种限限位位开开关关、继继电电器器 或或电电磁磁阀阀连连动动触触点点的的开开、关关状状态态，并并输输入入至至计计算机。算机。开开关关量量输输出出通通道道(SO)(SO)主主要要用用于于控控制制电电磁磁阀阀、继继电电器器、指示灯、声光报警器指示灯、声光报警器等只具有开、关两种状态的设备。等只具有开、关两种状态的设备。脉冲输入通道脉冲输入通道(PI)(PI)脉冲输入通道脉冲输入通道(PI)(PI)将将现场仪表（如涡轮流量计现场仪表（如涡轮流量计等）输出的为脉冲信号等）输出的为脉冲信号处理后送入计算机。处理后送入计算机。23第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识2.2.2 2.2.2 操作站操作站嵌入型台式操作站 桌面型操作站信息报警站工程师站 控制站 显示器 标准键盘 主机 操作站主机柜 工作台 中央控制室设备中央控制室设备24第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识 DCS DCS 操作站一般分为操作站一般分为操作员站和工程师站操作员站和工程师站两种两种。工工程程师师站站主主要要是是技技术术人人员员与与控控制制系系统统的的人人机机接接口口，可可以以对应用系统进行监视。对应用系统进行监视。工工程程师师站站为为用用户户提提供供了了一一个个灵灵活活的的、功功能能齐齐全全的的工工作作平平台，台，通过组态软件来实现用户所要求的各种控制策略通过组态软件来实现用户所要求的各种控制策略。有些小型有些小型DCSDCS的的工程师站可以用一个操作员站代替工程师站可以用一个操作员站代替。25第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识 操作台操作台 微处理机系统微处理机系统 外部存储设备外部存储设备 图形显示设备图形显示设备 操作键盘和鼠标操作键盘和鼠标 打印输出设备打印输出设备DCS DCS 操作站主要设备操作站主要设备操作站设备操作站设备26第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识2.2.3 2.2.3 冗余技术冗余技术1.1.冗余方式冗余方式27第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识同同 步步 运运 转转双重化配置双重化配置输入输入输出输出输入输入输出输出三重化配置三重化配置28第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识同步运转方式同步运转方式让让两两台台或或两两台台以以上上的的设设备备或或部部件件同同步步运运行行，进进行行相相同同的的处理，并处理，并将其输出进行核对将其输出进行核对。两两台台设设备备同同步步运运行行，只只有有当当它它们们的的输输出出一一致致时时，才才作作为为正正确确的的输输出出，这这种种系系统统称称为为“双双重重化化系系统统”(Dual System)。三三台台设设备备同同步步运运行行，将将三三台台设设备备的的输输出出信信号号进进行行比比较较，取取两两个个相相等等的的输输出出作作为为正正确确的的输输出出值值，这这就就是是设设备备的的三重化设置，三重化设置，29第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识待机运转方式待机运转方式同时配备两台设备，同时配备两台设备，使一台设备处于待机备用状态。使一台设备处于待机备用状态。当当工工作作设设备备发发生生故故障障时时，启启动动待待机机设设备备来来保保证证系系统统正正常常运行。这种方式称为运行。这种方式称为1:1 的备用方式的备用方式。对对于于N台台同同样样设设备备，采采用用一一台台待待机机设设备备的的备备用用方方式式就就称称为为 N:1 备用备用。待机运行方式是待机运行方式是 DCS 中主要采用的冗余技术中主要采用的冗余技术。30第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识后退运转方式后退运转方式使用多台设备，在正常运行时，使用多台设备，在正常运行时，各自分担各种功能运行各自分担各种功能运行。当当其其中中之之一一发发生生故故障障时时，其其他他设设备备放放弃弃其其中中一一些些不不重重要要的功能，进行互相备用的功能，进行互相备用。31第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识简易的手动备用方式简易的手动备用方式采用采用手动操作手动操作方式实现对方式实现对自动控制自动控制方式的方式的备用备用。当当自自动动方方式式发发生生故故障障时时，通通过过切切换换成成手手动动工工作作方方式式，来来保持系统的控制功能。保持系统的控制功能。32第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识2.冗余措施通信网络的冗余：通信网络的冗余：采用采用一备一用一备一用的配置。的配置。操作站的冗余操作站的冗余：采用采用工作冗余工作冗余的方式。的方式。现现场场控控制制站站的的冗冗余余：有有的的采采用用 1:1 冗冗余余，也也有有的的采采用用N:1 冗余冗余。采用无中断自动切换方式。采用无中断自动切换方式。电电源源的的冗冗余余：除除了了 220V 交交流流供供电电外外，还还采采用用了了镍镍镉镉电电池、铅钙电池以及干电池池、铅钙电池以及干电池等多级掉电保护措施。等多级掉电保护措施。输入输入/输出模块的冗余：部分输出模块的冗余：部分重要卡件重要卡件采用采用 1:1 冗余冗余。DCS软件软件还采用了还采用了信息冗余技术信息冗余技术。33第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识2.3 集散控制系统的软件体系本节内容提要本节内容提要软件体系软件体系组态软件、控制层软件和监控软件的功能组态软件、控制层软件和监控软件的功能34第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识DCS软件主要分为：软件主要分为：组态软件、控制层软件、监控软件组态软件、控制层软件、监控软件（1）组态软件：安装于工程师站。完成系统控制层软件和监）组态软件：安装于工程师站。完成系统控制层软件和监控软件的组态功能。控软件的组态功能。根据根据实际生产过程控制的需要实际生产过程控制的需要，预先将预先将DCS所提供的硬所提供的硬件设备和软件功能模块组织起来件设备和软件功能模块组织起来，以完成特定的任务。，以完成特定的任务。要做的组态主要包括：要做的组态主要包括：l硬件配置硬件配置l数据库组态数据库组态l控制算法组态控制算法组态l流程显示及操作画面组态流程显示及操作画面组态l报表组态报表组态l编译和下装编译和下装35第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识（2）控制层软件：特指运行于现场控制站的）控制层软件：特指运行于现场控制站的控制器中的软件，针对控制对象，完成控制控制器中的软件，针对控制对象，完成控制功能。功能。其基本功能：其基本功能：I/O数据的采集、数据预处理、数据的采集、数据预处理、数据组织管理、控制运算及数据组织管理、控制运算及I/O数据的输出数据的输出。36第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识（3）监控软件）监控软件 指操作员站或工程师站上的软件，主要完指操作员站或工程师站上的软件，主要完成操作人员所发出的各个命令的执行、图形成操作人员所发出的各个命令的执行、图形与画面的显示、报警信息的显示处理、对现与画面的显示、报警信息的显示处理、对现场各类检测数据的集中处理。场各类检测数据的集中处理。37第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识2.4 集散控制系统的基本功能本节内容提要本节内容提要控制站的基本功能控制站的基本功能 反馈控制反馈控制逻辑控制逻辑控制顺序控制顺序控制批量控制批量控制数据采集与处理数据采集与处理数据通信数据通信操作站的基本功能操作站的基本功能 显示显示操作操作报警报警组态组态系统维护系统维护报告生成报告生成 自诊断功能自诊断功能 离线自诊断离线自诊断 在线自诊断在线自诊断 显示故障代码显示故障代码定位故障卡件定位故障卡件 38第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识1.反馈控制2.4.1 2.4.1 现场控制站的基本功能现场控制站的基本功能反馈控制反馈控制输入处理输入处理控制运算控制运算回路组态回路组态输出处理输出处理报警处理报警处理反馈控制功能分布图反馈控制功能分布图39第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识(1)(1)输入信号处理输入信号处理模拟输入信号处理模拟输入信号处理合理性检验合理性检验零偏修正零偏修正 规格化规格化 工程量变换工程量变换 非线性处理非线性处理 开方运算开方运算 补偿运算补偿运算 脉冲序列的瞬时值变换及累计脉冲序列的瞬时值变换及累计40第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识对于对于数字信号数字信号状态报警及输出方式处理。状态报警及输出方式处理。对于脉冲序列对于脉冲序列瞬时值变换及累积计算。瞬时值变换及累积计算。41第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识报警类型报警类型 仪仪表表异异常常报报警警、绝绝对对值值报报警警、偏偏差差报报警警、速速率率报警以及累计值报警报警以及累计值报警等等。报警限值报警限值 为为了了实实现现预预报报警警，DCS中中通通常常还还设设置置了了多多重重报报警限，如上限、上上限、下限、下下限等。警限，如上限、上上限、下限、下下限等。报警优先级报警优先级 报警优先级参数报警优先级参数 报警链中断参数报警链中断参数 最高报警选择参数最高报警选择参数 (2)(2)报警处理报警处理42第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识(3)(3)控制运算控制运算常规常规 PID 微分先行微分先行PID积分分离积分分离开关控制开关控制时间比例式开关控制时间比例式开关控制信号选择信号选择比率设定比率设定常 用 算 法时间程序设定时间程序设定 Smith 预估控制预估控制多变量解耦控制多变量解耦控制一阶滞后运算一阶滞后运算超前超前-滞后运算滞后运算其他运算等其他运算等43第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识(4)控制回路组态根根据据控控制制策策略略的的需需要要，将将一一些些功功能能模模块块通通过过软软件件连连接接起来起来，构成检测回路或控制回路。，构成检测回路或控制回路。温度与压力串级控制系统回路组态图温度与压力串级控制系统回路组态图44第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识(5)输出信号处理输出开路检验输出开路检验输出上下限检验输出上下限检验输出变化率限幅输出变化率限幅模拟输出模拟输出开关输出开关输出脉冲宽度输出脉冲宽度输出 45第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识2.逻辑控制根据输入变量的状态，根据输入变量的状态，按逻辑关系进行的控制按逻辑关系进行的控制。在在DCS中，由中，由逻辑功能模块逻辑功能模块实现逻辑控制功能。实现逻辑控制功能。逻 辑 控 制 功 能与与(AND)或或(OR)非非(NO)异或异或(XOR)连接连接(LINK)进行延时进行延时(ON DELAY)停止延时停止延时(OFF DELAY)触发器触发器(FLIP-FLOP)脉冲脉冲(PULSE)46第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识3.顺序控制顺顺序序控控制制：按按预预定定的的动动作作顺顺序序或或逻逻辑辑，依依次次执执行行各各阶阶段动作程序段动作程序。顺顺序序控控制制中中可可以以兼兼用用反反馈馈控控制制、逻逻辑辑控控制制和和输输入入/输输出出监视监视等功能。等功能。实现顺序控制的常用方法实现顺序控制的常用方法顺序表法顺序表法程序语言方式程序语言方式梯形图法梯形图法47第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识顺序表法顺序表法将将控控制制顺顺序序按按逻逻辑辑关关系系和和时时间间关关系系预预先先编编成成顺顺序序记记录录，存储于管理文件中，然后逐项执行存储于管理文件中，然后逐项执行。程序语言方式程序语言方式通过语言编程来实现顺序控制通过语言编程来实现顺序控制。梯形图法梯形图法（梯形逻辑控制语言梯形逻辑控制语言）由由继继电电器器逻逻辑辑电电路路图图演演变变而而来来的的一一种种解解释释执执行行程程序序的的设设计语言计语言。随随着着 DCS 的的发发展展，已已出出现现了了梯梯形形逻逻辑辑与与连连续续控控制制算算法法相结合相结合的复合控制功能。的复合控制功能。48第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识4.批量控制根根据据工工艺艺要要求求，将将反反馈馈控控制制与与逻逻辑辑、顺顺序序控控制制结结合合起起来来，使一个间歇式生产过程得到合格产品的控制。，使一个间歇式生产过程得到合格产品的控制。反馈控制的报警信号反馈控制的报警信号回路状态信号回路状态信号模拟信号的比较、判断、运算结果模拟信号的比较、判断、运算结果顺序控制的条件信号顺序控制的条件信号49第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识回路的切换回路的切换参数的变更参数的变更设定值的调整设定值的调整控制算法的变更控制算法的变更控制方案的变更控制方案的变更由顺序控制转换为反馈控制的条件由顺序控制转换为反馈控制的条件50第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识5.辅助功能(1)控制方式选择手动手动(MAN)自动自动(AUT)串级串级(CAS)计算机计算机(COMP)(2)测量值跟踪在在手手动动方方式式时时，使使本本回回路路的的设设定定值值不不再再保保持持原原来来的的值值，而跟踪测量值。而跟踪测量值。51第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识(3)输出值跟踪在在手手动动方方式式时时，使使内内存存单单元元中中 PID 输输出出值值跟跟踪踪手手操操输输出值。出值。从从手手动动切切换换到到自自动动时时，内内存存单单元元中中的的自自动动输输出出数数值值与与手操输出值相等，手操输出值相等，切换是无扰动的。切换是无扰动的。在在自自动动方方式式时时，手手操操器器的的输输出出值值是是始始终终跟跟踪踪控控制制器器的的自动输出值自动输出值的。的。从从自自动动切切换换到到手手动动时时，手手操操器器的的输输出出值值与与PID的的输输出出值值相等，相等，切换是无扰动的。切换是无扰动的。52第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识2.4.2 2.4.2 操作站的基本功能操作站的基本功能操作站的操作站的基本功能基本功能显示显示报警报警系统维护系统维护报告生成报告生成操作操作系统组态系统组态操作站的基本功能分布图操作站的基本功能分布图53第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识1.1.显示显示 它以模拟方式、数字方式及趋势曲线实时显示每个控制回路它以模拟方式、数字方式及趋势曲线实时显示每个控制回路的测量值的测量值(PV)、设定值、设定值(SV)及控制输出值及控制输出值(MV)。在显示器上，工艺设备和控制设备等的各种状态等能以字符在显示器上，工艺设备和控制设备等的各种状态等能以字符方式、模拟方式、图形及色彩等多种方式显示出来。方式、模拟方式、图形及色彩等多种方式显示出来。2.2.操作操作 操作站可对全系统每个控制回路进行操作，对设定值、控操作站可对全系统每个控制回路进行操作，对设定值、控制输出值、控制算式中的常数值、顺控条件值和操作值进行调整，制输出值、控制算式中的常数值、顺控条件值和操作值进行调整，对控制回路中的各种操作方式对控制回路中的各种操作方式(如手动、自动、串级、计算机、如手动、自动、串级、计算机、顺序手动等顺序手动等)进行切换。对报警限设定值、顺控定时器及计数器进行切换。对报警限设定值、顺控定时器及计数器的设定值进行修改和再设定。的设定值进行修改和再设定。54第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识3.3.报警报警 操作站以画面方式、色彩操作站以画面方式、色彩(或闪光或闪光)方式、模拟方式、数方式、模拟方式、数字方式及音响信号方式对各种变量的越限和设备状态异常进行各字方式及音响信号方式对各种变量的越限和设备状态异常进行各种类型的报警。种类型的报警。4.4.系统组态系统组态 DCS实际应用于生产过程控制时，需要根据设计要求，预实际应用于生产过程控制时，需要根据设计要求，预先将硬件设备和各种软件功能模块组织起来，以使系统按特定的先将硬件设备和各种软件功能模块组织起来，以使系统按特定的状态运行，这就是系统组态。状态运行，这就是系统组态。55第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识 应用组态软件用来建立功能模块，包括输入模块、输出模应用组态软件用来建立功能模块，包括输入模块、输出模块、运算模块、反馈控制模块、逻辑控制模块、顺序控制模块块、运算模块、反馈控制模块、逻辑控制模块、顺序控制模块和程序模块等，将这些功能模块适当的组合，而构成控制回路，和程序模块等，将这些功能模块适当的组合，而构成控制回路，以实现各种控制功能。以实现各种控制功能。应用组态方式有填表式、图形式、窗口式及混合式等。应用组态方式有填表式、图形式、窗口式及混合式等。组态过程是先系统组态，后应用组态。组态主要针对过程控组态过程是先系统组态，后应用组态。组态主要针对过程控制级和过程管理级。制级和过程管理级。设备组态的顺序是自上而下，先过程管理级，后过程控制级；设备组态的顺序是自上而下，先过程管理级，后过程控制级；功能组态的顺序恰好相反，先过程控制级，后过程管理级。功能组态的顺序恰好相反，先过程控制级，后过程管理级。56第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识5.5.系统维护系统维护 当系统中的某设备发生故障时，一方面立刻切换到备用设备，当系统中的某设备发生故障时，一方面立刻切换到备用设备，另一方面经通信网络传输报警信息，在操作站上显示故障信息，另一方面经通信网络传输报警信息，在操作站上显示故障信息，蜂鸣器等发出音响信号，督促工作人员及时处理故障。蜂鸣器等发出音响信号，督促工作人员及时处理故障。6.6.报告生成报告生成 根据生产管理需要，操作站可以打印各种班报、日报、操根据生产管理需要，操作站可以打印各种班报、日报、操作日记及历史记录，还可以拷贝流程图画面等。作日记及历史记录，还可以拷贝流程图画面等。57第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识2.4.32.4.3自诊断功能自诊断功能在系统投运前，用在系统投运前，用离线诊断程序检查离线诊断程序检查各部分的工作状态。各部分的工作状态。系统运行中，各设备不断执行系统运行中，各设备不断执行在线自诊断程序在线自诊断程序。一旦发现错误，立即切换到备用设备；一旦发现错误，立即切换到备用设备；同同时时经经过过通通信信网网络络在在显显示示器器上上显显示示出出故故障障代代码码，等等待待及及时时处理处理；故障代码可以故障代码可以定位到卡件定位到卡件板，用户只需及时板，用户只需及时更换卡件。更换卡件。58第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识2.5 数据通信技术本节内容提要本节内容提要通信系统的组成通信系统的组成 通信类型通信类型 传输方式传输方式 串行传输与并行传输串行传输与并行传输 基带传输与宽带传输基带传输与宽带传输异步传输与同步传输异步传输与同步传输 传输速率传输速率 信息编码信息编码 数据交换方式数据交换方式1.1.数数 据据 通通 信信 原原 理理 59第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识局部网络的概念局部网络的概念 局部网络拓扑结构局部网络拓扑结构 传输介质传输介质 网络控制方法网络控制方法 差错控制技术差错控制技术 2.2.通通 信信 网网 络络3.3.通信协议通信协议通信协议的概念通信协议的概念 开放系统互连参考模型开放系统互连参考模型60第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识传输速率传输速率 信息编码信息编码 数据交换方式数据交换方式 现场总线的国际标准现场总线的国际标准 现场总线通信模型现场总线通信模型 现场总线的网络拓扑结构现场总线的网络拓扑结构 HART总线简介总线简介 4.4.现场总线简介现场总线简介 61第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识2.5.1 2.5.1 数据通信原理数据通信原理数据通信数据通信计计算算机机或或其其他他数数字字装装置置与与通通信信介介质质相相结结合合，实实现现对对数数据据信息的传输、转换、存储和处理信息的传输、转换、存储和处理的通信技术。的通信技术。在在DCS中中，各各单单元元之之间间的的数数据据信信息息传传输输就就是是通通过过数数据据通通信系统完成的。信系统完成的。通信通信用用特特定定的的方方法法，通通过过某某种种介介质质将将信信息息从从一一处处传传输输到到另另一一处的过程。处的过程。62第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识1.数据通信系统的组成通信系统组成通信系统组成信号信号发送装置发送装置接收装置接收装置信道信道通信协议通信协议图图2.2 通信系统模型通信系统模型63第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识(1)(1)信号信号 (报文报文)需需要要传传送送的的数数据据，由由文文本本、数数字字、图图片片或或声声音音等等及及其其组组合组成。合组成。(2)(2)发送装置发送装置 具具有有作作为为二二进进制制数数据据源源的的能能力力，任任何何能能够够产产生生和和处处理理数数据的设备据的设备。(3)(3)接收装置接收装置 能够接收模拟或数字形式数据的任何功能的设备能够接收模拟或数字形式数据的任何功能的设备。64第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识(4)(4)信道信道 信道信道发送装置与接收装置之间的发送装置与接收装置之间的信息传输通道信息传输通道。信道包括信道包括传输介质传输介质和有关的和有关的中间设备中间设备。常用的传输介质常用的传输介质双绞线双绞线同轴电缆同轴电缆光缆光缆无线电波无线电波微波微波65第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识(5)(5)通信协议通信协议 通信协议是控制数据通信的一组通信协议是控制数据通信的一组规则、约定与标准规则、约定与标准。通通信信协协议议定定义义了了通通信信的的内内容容、格格式式，通通信信如如何何进进行行、何何时进行时进行等。等。发发送送装装置置把把要要发发送送的的信信息息送送上上信信道道，再再经经过过信信道道将将信信息传输到接收装置。息传输到接收装置。信信息息在在传传输输过过程程中中会会受受到到来来自自通通信信系系统统内内外外干干扰扰的的影影响。响。通信过程通信过程66第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识2.通信类型模拟通信模拟通信以以连续模拟信号传输信息连续模拟信号传输信息的通信方式。的通信方式。数字通信数字通信将将数字信号进行传输数字信号进行传输的通信方式。的通信方式。数据信息数据信息具有一定具有一定编码、格式和字长编码、格式和字长的数字信息。的数字信息。通信类型通信类型模拟通信模拟通信数字通信数字通信67第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识3.传输方式(l)(l)单工方式单工方式 信息只能沿一个方向传输，而不能沿相反方向传输。信息只能沿一个方向传输，而不能沿相反方向传输。(2)(2)半双工方式半双工方式 信信息息可可以以沿沿着着两两个个方方向向传传输输，但但在在指指定定时时刻刻，信信息息只只能能沿一个方向传输。沿一个方向传输。(3)(3)全双工方式全双工方式 信息可以同时沿着两个方向传输。信息可以同时沿着两个方向传输。传输方式传输方式单工单工全双工全双工半双工半双工68第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识图图2.3 信息传输方式信息传输方式69第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识4.串行传输与并行传输(1)(1)串行传输串行传输数据数据逐位依次逐位依次在信道上进行传输的方式。在信道上进行传输的方式。(2)(2)并行传输并行传输数据数据多位同时多位同时在信道上进行传输的方式。在信道上进行传输的方式。在在DCS中，数据通信网络几乎全部采用中，数据通信网络几乎全部采用串行传输串行传输方式。方式。70第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识图2.4 串行传输与并行传输(a)串行传输；(b)并行传输 71第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识5.基带传输与宽带传输(1)(1)基带传输基带传输 基带：电信号所固有的频带。基带：电信号所固有的频带。基带传输：直接基带传输：直接将电脉冲信号原样进行传输将电脉冲信号原样进行传输。(2)(2)宽带传输宽带传输 载带传输：在信道上传输调制信号。载带传输：在信道上传输调制信号。宽带传输：实现多路信号同时传输。宽带传输：实现多路信号同时传输。72第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识6.6.异步传输与同步传输异步传输与同步传输在异步传输中，信息在异步传输中，信息以字符为单位以字符为单位进行传输。进行传输。每个信息字符都具有自己的每个信息字符都具有自己的起始位和停止位起始位和停止位。一一个个字字符符中中的的各各个个位位是是同同步步的的，但但字字符符与与字字符符之之间间的的时时间间隔是不确定的。间间隔是不确定的。在同步传输中，信息是在同步传输中，信息是以数据块为单位以数据块为单位进行传输的。进行传输的。通通信信系系统统中中有有专专门门用用来来使使发发送送装装置置和和接接收收装装置置保保持持同同步步的的时时钟钟脉脉冲冲，使使两两者者以以同同一一频频率率连连续续工工作作，并并且且保保持持一定的相位关系。一定的相位关系。73第第2 2章集散控制系统基础知识章集散控制系统基础知识7.7.传输速率传输速率信信息息传传输输速速率率又又称称为为比比特特率率，是是指指单单位位时时间间内内通通信信系系统统所传输的信息量所传输的信息量。比比特特率率一一般般以以每每秒秒钟钟所所能能够够传传输输的的比比特特数数来来表表示示，记记为为Rb。信息传输速率的单位是信息