12 集散控制系统

12 集散控制系统 本章学习内容 12.1 集散控制系统概论 12.2 集散系统的通信技术及体系结构 12.3 和利时MACS系统 12.1 集散控制系统概论 12.2 集散系统的通信技术及体系结构 12.3 和利时MACS系统 12.4 国产集散系统——HS2000

12 集散控制系统 12.1 集散控制系统概论 12.1.1 集散控制系统的产生 12.1.2 集散控制系统的结构 12.1.3 集散控制系统的特点 12.1.4 集散控制系统的分散方式 12.1.5 集散控制系统的发展

12 集散控制系统 12.1.1 集散控制系统的产生

12 集散控制系统 12.1.1 集散控制系统的产生 集散控统是生产过程监视、控制技术发展和 计算机与网络技术应用的产物。 过程控制系统的发展历史图如图12.1所示。

12 集散控制系统 12.1.1 集散控制系统的产生

12 集散控制系统 12.1.1 集散控制系统的产生 图12.1 过程控制系统的发展历史

12 集散控制系统 12.1.1 集散控制系统的产生 控制系统的发展历史实际上经历了一个由控制 分散、管理分散，控制集中、管理集中到控制 分散、管理集中的过程。 集散控制系统的应用大幅度地提高了生产过程 的安全性、经济性、稳定性和可靠性。

12 集散控制系统 12.1.1 集散控制系统的产生 国外称集散控制系统为4C技术的产物。 4C技术就是指控制(Control)技术、计算机(Computer)技术、通信(Communication)技术和CRT(Cathode Ray Tube)显示技术。

12 集散控制系统 12.1.2 集散控制系统的结构

12 集散控制系统 12.1.2 集散控制系统的结构 图12.2 集散控制系统的典型结构

12 集散控制系统 12.1.2 集散控制系统的结构 系统中的所有设备分别处于四个不同的层次， 自下而上分别是：现场级、控制级、监控级和管理级。 对应着这四层结构，分别由四层计算机网络即 现场网络FNET (Field Network) 控制网络CNET (Control Network) 监控网络SNET (Supervision Network) 和管理网络MNET (Management Network) 把相应的设备连接在一起。

12 集散控制系统 12.1.2 集散控制系统的结构 1.现场级 典型的现场级设备是各类传感器、变送器和执行器，它们将生产过程中的各种物理量转换为电信号。 目前现场级的信息传递有三种方式： 传统的4-20mA(或其他类型的模拟量信号)模拟量传输方式 另一种是现场总线的全数字量传输方式 还有一种是在4-20mA 模拟量信号上，叠加上调制后的数字量信号的混合传输方式

12 集散控制系统 12.1.2 集散控制系统的结构 2.控制级 控制级主要由过程控制站和数据采集站构成。 过程控制站接收由现场设备，按照一定的控制策略计算出所需的控制量，并送回到现场的执行器中去。 数据采集站接收由现场设备送来的信号，并对其进行一些必要的转换和处理之后送到分散型控制系统中的其他部分，主要是监控级设备中去。

12 集散控制系统 12.1.2 集散控制系统的结构 3.监控级 主要设备有运行员操作站、工程师工作站和计算站。运行员操作站安装在中央控制室，工程师工作站和计算站一般安装在电子设备室。

12 集散控制系统 12.1.2 集散控制系统的结构 4.管理级 包含的内容比较广泛，一般来说，它可能是一个发电厂的厂级管理计算机，可能是若干个机组的管理计算机。它所面向的使用者是厂长、经理、总工程师、值长等行政管理或运行管理人员。

12 集散控制系统 12.1.3 集散控制系统的特点

12 集散控制系统 12.1.3 集散控制系统的特点 1．适应性和扩展性 在结构上采用了常规控制系统的模块化设计方法，无论是硬件还是软件都可以根据实际应用的需要去灵活地加以组合。 模块化设计方法带来的另一个优点是系统的扩展性。 集散控制系统的可扩展性具有两个明显的特征： 一个是它的递进性；另一个是它的整体性

12 集散控制系统 12.1.3 集散控制系统的特点 2．控制能力 在集散控制系统中，控制功能主要是由软件实现的，因此它具有高度的灵活性和完善的控制能力。它不仅能够实现常规控制系统的各种控制功能，而且还能完成各种复杂的优化控制算法和各种逻辑推理及逻辑判断。

12 集散控制系统 12.1.3 集散控制系统的特点 3．人机联系手段 具有比常规控制系统更先进的人机联系手段，其中最重要的一点，就是采用了CRT图形显示和键盘操作。人机联系按照信息的流向分为“人一过程”联系和“过程一人”联系。

12 集散控制系统 12.1.3 集散控制系统的特点 比以往任何一种控制系统的可靠性都要高，反映在以下几方面： 4. 可靠性 系统采用模块化结构以及元器件的高度集成化和严格的筛选有效地保证了控制系统的可靠性。 集散控制系统广泛采用各种冗余技术。 集散控制系统采用软件模块组态方法形成各种控制方案，大大地减少了由连接导线和连接端子所造成的故障。

12 集散控制系统 12.1.3 集散控制系统的特点 5. 可维修性 集中式计算机控制系统的可维修性比常规控制系统要好些，但由于它有一个庞大的、相互关联十分密切的硬件和软件系统，所以也要求维修人员具有较高的技术水平。

12 集散控制系统 12.1.3 集散控制系统的特点 6．安装费用 控制系统的安装费用主要包括电缆、导线的安装敷设费用和控制室、电子设备室的建筑费用。

12 集散控制系统 12.1.4 集散控制系统的分散方式

12 集散控制系统 12.1.4 集散控制系统的分散方式 包含了功能分散、物理分散与地理分散三个不同的概念。

12 集散控制系统 12.1.4 集散控制系统的分散方式 1．功能分散 一个大系统的控制功能分解为一些基本的控制功能，这就是系统的功能分散。 一个单元机组的控制功能在纵向上可分为四个级，即单元机组级、功能组级、子功能组级和过程I/O级。

12 集散控制系统 12.1.4 集散控制系统的分散方式 图 12.3 系统功能的分层分块结构

12 集散控制系统 12.1.4 集散控制系统的分散方式 2. 物理分散 控制分散在系统硬件上的反映，就是系统的物理分散。 2. 物理分散 控制分散在系统硬件上的反映，就是系统的物理分散。 就分散控制系统而言，它有两种分散形式： 一种为层次分散型，如图（a）所示； 一种为水平分散型，如图（b）所示。

12 集散控制系统 12.1.4 集散控制系统的分散方式 图12.4 层次分散（a）与水平分散（b）

12 集散控制系统 12.1.4 集散控制系统的分散方式 3．地理分散 物理分散是由控制系统的硬件结构所定的。对于分散控制系统的安装布置方式而言，则有两种不同的选择：一种是地理集中式；另一种是地理分散式。 地理集中式，就是把所有的基本控制单元集中安装在中央控制室或附近的电子设备室内；而所谓地理分散式，就是把基本控制单元安装在被控生产过程的附近，即在整个厂房内分散布置。

12 集散控制系统 12.1.5 集散控制系统的发展

12 集散控制系统 12.1.5 集散控制系统的发展 集散控制系统的发展主要体现在以下几个方面： 1. 集散控制系统的体系结构 传统的集散控制系统采用水平分散式或层次分散式的系统结构。 最近的研究焦点集中在“自律分散”上，即满足“自律可控性”和“自律可协调性”的系统即为自律分散系统。 自律分散系统、层次分散系统、水平分散系统和集中式系统之间的关系示于图12.5。 图12.6为自律分散系统结构。

12 集散控制系统 12.1.5 集散控制系统的发展 图 12.5 系统关系图

12 集散控制系统 12.1.5 集散控制系统的发展 图12.6 自律分散系统结构

12 集散控制系统 12.1.5 集散控制系统的发展 2．集散控制系统的网络结构 传统的集散控制系统多采用制造商自行开发的专用计算机网络。 随着网络技术的不断发展，集散控制系统的上层将与国际互联网Internet融合在一起，而下层将采用现场总线通信技术，使通信网络延伸到现场。最终实现以现场总线为基础的底层网Intranet、以局域网为基础的企业网Intranet和以广域网为基础的互联网Internet所构成的三网融合的网络架构。

12 集散控制系统 12.1.5 集散控制系统的发展 3．EIC综合技术 在以往的过程控制系统中，电气控制装置E(Electric)、仪表控制装置I (Instrument)和计算机控制装置C(Computer)作为彼此独立的系统，分别设计和安装。 采用EIC综合技术，把电气控制、仪表控制和计算机控制等功能统一由集散控制系统完成，是今后的发展方向。

12 集散控制系统 12.1.5 集散控制系统的发展 4．人机接口技术 工业图形显示系统IGDS (Industrial Graphic Display System)是最常用的人机接口设备之一。IGDS目前正向着高速度、高密度、多画面、多窗口和大屏幕方向发展。

12 集散控制系统 12.1.5 集散控制系统的发展 5．标准化、通用化技术 集散控制系统的另一个重要的发展方向是大量采用标准化和通用化技术。 集散控制系统中的硬件平台、软件平台、组态方式、通信协议、数据库等各方面都将采用标准化和通用化技术。

12 集散控制系统 12.1.5 集散控制系统的发展 6．人工智能 未来的集散控制系统中，将逐渐采用人工智能研究成果。例如，智能报警系统IMARK (Intelligent Alarm System Marking Process Data with Significant Words)。

12 集散控制系统 12.2 集散系统的通信技术及体系结构 12.2.1 数据通信原理 12.2.2 数据通信系统结构 12.2 集散系统的通信技术及体系结构 12.2.1 数据通信原理 12.2.2 数据通信系统结构 12.2.3 通信协议

12 集散控制系统 通信就是信息从一处传输到另一处的过程。任何通信系统都是由发送装置、接收装置、信道和信息四大部分所组成的，如图12.7所示。

12 集散控制系统 图12.7 通信系统的基本组成

12 集散控制系统 12.2.1 数据通信原理

12 集散控制系统 12.2.1 数据通信原理 1．基本概念及术语 数据信息 具有一定编码、格式和字长的数字信息被称为数据信息。

12 集散控制系统 12.2.1 数据通信原理 传输速率 指信道在单位时间内传输的信息量。一般以每秒钟所能够传输的比特数来表示，常记为bps或b/s。 大多数集散控制系统的数据传输速率一般为0.5—100Mbps。

12 集散控制系统 12.2.1 数据通信原理 传输方式 通信方式按照信息的传输方向分为： 12.2.1 数据通信原理 传输方式 通信方式按照信息的传输方向分为： 单工(simplex)方式，如图12.8(a)所示； 半双工(Half duplex)方式，如图12.8(b)所示； 全双工(Full duplex)方式，如图12.8(c)所示。

12 集散控制系统 12.2.1 数据通信原理 图12.8 通信方式

12 集散控制系统 12.2.1 数据通信原理 基带传输、载带传输与宽带传输 所谓基带传输，就是直接将这些脉冲信号通过信道进行传输。 12.2.1 数据通信原理 基带传输、载带传输与宽带传输 所谓基带传输，就是直接将这些脉冲信号通过信道进行传输。 用基带信号调制载波之后，在信道上传输调制后的载波信号，这就是载带传输。 如果要在一条信道上同时传送多路信号，这就称之为宽带传输。

12 集散控制系统 12.2.1 数据通信原理 异步传输与同步传输 在异步传输中，信息以字符为单位进行传输。 12.2.1 数据通信原理 异步传输与同步传输 在异步传输中，信息以字符为单位进行传输。 在同步传输中，信息以数据块为单位进行传输的。

12 集散控制系统 12.2.1 数据通信原理 串行传输与并行传输 串行传输是把构成数据的各个二进制位依次在信道上进行传输的方式 12.2.1 数据通信原理 串行传输与并行传输 串行传输是把构成数据的各个二进制位依次在信道上进行传输的方式 并行传输是把构成数据的各个二进制位同时在信道上进行传输的方式。 串行传输与并行传输的示意图见图12.9。 在分散控制系统中，数据通信网络几乎全部采用串行传输方式。

图12.9 串行传输（a）与并行传输（b）的示意图 12 集散控制系统 12.2.1 数据通信原理 图12.9 串行传输（a）与并行传输（b）的示意图

12 集散控制系统 2．二进制数据的表示方法 12.2.1 数据通信原理 基带传输中数据的表示方法 12.2.1 数据通信原理 2．二进制数据的表示方法 基带传输中数据的表示方法 基带传输用各种不同的方法来表示二进制数0和1。数据表示方法如图12.10所示。 信息传输有平衡传输和非平衡传输; 信息传输可以分为归零 传输和不归零传输; 信息传输分为单极性传输和 双极性传输。

12 集散控制系统 12.2.1 数据通信原理 图12.10 数据表示方法

12 集散控制系统 12.2.1 数据通信原理 载带传输中的数据表示方法 载带传输是指用基带信号去调制载波信号，然后传输调制信号的方法。 12.2.1 数据通信原理 载带传输中的数据表示方法 载带传输是指用基带信号去调制载波信号，然后传输调制信号的方法。 相应地有三种调制方式，即调幅方式、调频方式和调相方式。 数据调试方式如图12.11所示。

12 集散控制系统 12.2.1 数据通信原理 （a）调幅； （b）调频； （c）调相 图12.11 数据调制方式

12 集散控制系统 12.2.1 数据通信原理 3 . 数据交换方式 在数据通信系统中通常采用三种数据交换方式：线路交换方式、报文交换方式、报文分组交换方式 其中报文分组交换方式又包含虚电路和数据报两种交换方式

12 集散控制系统 12.2.1 数据通信原理 线路交换方式 在需要通信的两个节点之间事先建立起一条实际的物理连接，然后在这条实际的物理连接上交换数据，数据交换完成之后再拆除物理连接。 报文交换方式 不需要事先建立实际的物理连接，而是经由中间节点的存储转发功能来实现数据交换。 报文分组交换方式 基本数据单位是一个报文分组。报文分组是个完整的报文按顺序分割开来的比较短的数据组。

12 集散控制系统 12.2.1 数据通信原理 4 . 信道 所谓信道，系指发送装置和接收装置之间的信息传输通路，它包括传输介质和有关的中间设备。 传输介质 在分散控制系统中，常用的传输介质有双绞线、同轴电缆和光缆。

12 集散控制系统 12.2.1 数据通信原理 三种介质的信息传输特性如图12.13所示。 双绞线 12.2.1 数据通信原理 双绞线 由两个相互绝缘的导体扭绞而成的线对。在线对的外面常有金属箔组成的屏蔽层和专用的屏蔽线，如图12.12(a)。 同轴电缆 它是由内导体、中间绝缘层、外导体和外绝缘层组成的，如图12.12(b)。 光缆 光缆的结构如图12.12(c)。 三种介质的信息传输特性如图12.13所示。

（a）双绞线；（b）同轴电缆；（c）光缆 12 集散控制系统 12.2.1 数据通信原理 （a）双绞线；（b）同轴电缆；（c）光缆 图12.12 三种常用的传输介质

12 集散控制系统 12.2.1 数据通信原理 图12.13 信息传输特性

12 集散控制系统 12.2.1 数据通信原理 连接方式 双绞线只要通过普通接线端子就可以把各种设备与通信网络连接起来，不需要任何专用设备 12.2.1 数据通信原理 连接方式 双绞线只要通过普通接线端子就可以把各种设备与通信网络连接起来，不需要任何专用设备 同轴电缆的连接稍复杂，一般要通过专用的“T”形连接器进行连接。 光缆的连接比较困难。 图12.14是一个光缆连接器的电路图。 表12.1列出了传输介质的特点。

12 集散控制系统 12.2.1 数据通信原理 图12.14 光缆连接器电路图

12 集散控制系统 12.2.1 数据通信原理 表12.1 传输介质特点

12 集散控制系统 12.2.1 数据通信原理 5 . 差错控制 差错控制的概念 12.2.1 数据通信原理 5 . 差错控制 差错控制的概念 集散控制系统的通信网络是在条件比较恶劣的工业环境下工作的，因此必须采取一定的措施来检测错误并纠正错误，检错和纠错统称为差错控制。

12 集散控制系统 12.2.1 数据通信原理 传输错误及可靠性指标 12.2.1 数据通信原理 传输错误及可靠性指标 传输错误或者是把0误传为1，或者是把1误传为0。根据错误的特征，可以把它们分为两类： 一类称为突发错误；另一类称为随机错误。 传输可靠性用误码率表示，其定义式如下： Pe = 出错的码元数/传输的总码元数

12 集散控制系统 12.2.1 数据通信原理 差错控制方法及其分类 12.2.1 数据通信原理 差错控制方法及其分类 差错控制方法一般分为两类，一类是在传输信息中附加冗余度的方法;另一类是在传输方法中附加冗余度的方法。图12.15表示了这两种差错控制方法。

12 集散控制系统 12.2.1 数据通信原理 图12.15 两种差错控制方法

12 集散控制系统 12.2.1 数据通信原理 奇偶校验 汉明校验 循环冗余校验 12.2.1 数据通信原理 奇偶校验 奇偶校验是一种经常使用的比较简单的校验技术。所谓奇偶校验就是在每个码组之内附加一个校验位，使得整个码组中1的个数为奇数(奇校验)或偶数(偶校验)。 汉明校验 循环冗余校验

12 集散控制系统 12.2.1 数据通信原理 回送校验 连发校验 12.2.1 数据通信原理 回送校验 回送校验就是在接收端接收传输数据的同时，将传输数据送回发送端，由发送端校验发送南数据和送回的数据是否一致。如果不一致，说明传输出错，由发送端将数据再重发一次。 连发校验 连发校验是把同一数据连发两次，在接收端比较这两次的数据是否相同，如果不同，则说明传输出错。由于连发会导致传输效率下降，所以有时只把一些重要数据连发。

12 集散控制系统 12.2.2 数据通信系统结构

12 集散控制系统 12.2.2 数据通信系统结构 为了把分散控制系统中的各个组成部分连接在一起，常常需要把整个通信系统的功能分成若干个层次去实现，每一个层次就是一个通信子网 通信子网具有以下特征：

12 集散控制系统 12.2.2 数据通信系统结构 通信子网具有自己的地址结构。 通信子网相连可以采用自己的专用通信协议。 12.2.2 数据通信系统结构 通信子网具有自己的地址结构。 通信子网相连可以采用自己的专用通信协议。 一个通信子网可以通过接口与其他网络相连，实现不同网络上的设备相互通信。

12 集散控制系统 12.2.2 数据通信系统结构 一般，分散控制系统有以下几种通信： 12.2.2 数据通信系统结构 一般，分散控制系统有以下几种通信： 过程控制站中基本控制单元之间的通信实现不同网络上的设备相互通信。 中央控制室中的人机联系设备与电子设备 室高层设备之间的通信。 现场设备和中央控制室设备之间的通信。

12 集散控制系统 12.2.2 数据通信系统结构 通信系统的结构 图12.16所示是通信系统的一种结构。 12.2.2 数据通信系统结构 通信系统的结构 图12.16所示是通信系统的一种结构。 在这种结构中，把整个通信系统分为三级。

（a）星型结构（b）环形结构（c）总线型结构 12 集散控制系统 12.2.2 数据通信系统结构 （a）星型结构（b）环形结构（c）总线型结构 图12.16 通信系统的结构

12 集散控制系统 12.2.2 数据通信系统结构 这种通信系统结构的缺点是不便于进行高层设备之间的高速通信，另外，这种结构会造成高层通信接口的“拥挤”。图12.17所示的通信系统结构不存在以上问题。

12 集散控制系统 12.2.2 数据通信系统结构 图12.17 通信系统的结构（一）

12 集散控制系统 12.2.2 数据通信系统结构 图12.18 通信系统的结构（二）

12 集散控制系统 12.2.2 数据通信系统结构 2 . 通信网络的拓扑结构 12.2.2 数据通信系统结构 2 . 通信网络的拓扑结构 通信网络的拓扑结构就是指通信网络中各个节点或站相互连接的方法。拓扑结构决定了一对节点之间可以使用的数据通路，或称链路。 在分散控制系统中应用较多的拓扑结构是星型、环型和总线型，如图12.16所示。

12 集散控制系统 12.2.2 数据通信系统结构 星型结构 在星型结构中，每一个节点都通过一条链路连接到一个中央节点上去。任何两个节点之间的通信都要经过中央节点。在中央节点中，有一个“智能”开关装置来接通两个节点之间的通信路径。

12 集散控制系统 12.2.2 数据通信系统结构 环型结构 在环型结构中，所有的节点通过链路组成一个环形。需要发送信息的节点将信息送到环上，信息在环上只能按某一确定的方向传输。

12 集散控制系统 12.2.2 数据通信系统结构 总线型结构 与星型和环型结构相比，总线型结构采用的是一种完全不同的方法。这时的通信网络仅仅是一种传输介质，所有的站都通过相应的硬件接口直接接到总线上。

12 集散控制系统 12.2.2 数据通信系统结构 3 . 链路控制 在共享链路的网络结构中，链路控制是一个关键问题。由于网上连接着许多设备，它们彼此间要频繁地交换信息，这些信息都要通过链路进行传输，所以必须确定在什么时间里，在什么条件下，哪些节点可以得到链路的使用权，这就是链路的控制问题。

12 集散控制系统 12.2.3 通信协议

12 集散控制系统 12.2.3 通信协议 在计算机通信网络中，对数据传输过程进行管理的规则被称为协议。 12.2.3 通信协议 在计算机通信网络中，对数据传输过程进行管理的规则被称为协议。 为了便于实现网络的标准化，国际标准化组织ISO提出了一个开放系统互连OSI (Open System Interconnection)参考模型，简称ISO／OSI模型。

12 集散控制系统 12.2.3 通信协议 1 . 协议的参考模型 ISO/OSI模型将各种协议分为七层，自下而上依次为：物理层、链路层、网络层、传 送层、会话层、表达层和应用层，见图12.19。 各层协议的主要作用如下。

12 集散控制系统 12.2.3 通信协议 图12.19 ISO/OSI模型

12 集散控制系统 12.2.3 通信协议 物理层 限定了通信介质、驱动电路和接收电路之间接口的电气特性和机械特性。 12.2.3 通信协议 物理层 限定了通信介质、驱动电路和接收电路之间接口的电气特性和机械特性。 链路层 作用是即链路使用权的分配和确定比特级的信息传输结构。 网络层 主要功能就是处理信息的传输路径问题。 传输层 功能是确认两个节点之间的信息传输任务是否已经正确完成。 会话层 用来对两个节点之间的通信任务进行启动和停止调度。 表达层 任务是进行信息格式的转换。 应用层 它的作用是召唤低层协议为其服务。

12 集散控制系统 12.2.3 通信协议 2．物理层协议 物理层协议涉及通信系统的驱动电路、接收电路与通信介质之间的接口问题。物理层协议主要包括以下内容：

12 集散控制系统 12.2.3 通信协议 接插件的类型以及插针的数量和功能； 12.2.3 通信协议 接插件的类型以及插针的数量和功能； 数字信号在通信介质上的编码方式，如电平的高低和0、1的表达方法； 确定与链路控制有关的硬件功能，如定义信号交换控制线或者忙测试线等。

12 集散控制系统 12.2.3 通信协议 下面是一些标准的物理层接口： 12.2.3 通信协议 下面是一些标准的物理层接口： RS-232C 是1969年由美国电子工业协会EIA修订的串行通信接口标准。主要用于只有一个发送器和一个接收器的通信线路。 RS-449 进一步提高了RS-232C的性能。它的抗干扰能力更强，它还允许在同一通信线路上连接多个接收器。 RS-485 允许在一条通信线路上连接多个发送器和接收器。

12 集散控制系统 12.2.3 通信协议 3 . 链路层协议 链路层协议主要完成两个功能：一个是对链路的使用进行控制，一个是组成具有确定格式的信息帧。 表12.2列举了一些常用网络访问控制协议的优缺点。

12 集散控制系统 12.2.3 通信协议 表12.2 网络访问控制协议

12 集散控制系统 12.2.3 通信协议 大多数集散控制系统均采用标准的链路层协议，其中比较常用的有： BISYNC二进制同步通信协议 12.2.3 通信协议 大多数集散控制系统均采用标准的链路层协议，其中比较常用的有： BISYNC二进制同步通信协议 DDCMP数字数据通信协议 SDLC同步数据链路控制协议 HDLC高级数据链路控制协议 ADCCP高级数据通信控制规程

12 集散控制系统 12.2.3 通信协议 4 . 网络层协议 网络层协议主要处理通信网络中的路径选择问题。另外，它还负责子网之间的地址变换。

12 集散控制系统 12.2.3 通信协议 5 . 传输层和会话层协议 在工业过程控制所用的通信系统中，为了简单起见，常常把传输层和会话层协议合在一起。更新数据库的功能是在传输层和会话层协议中实现的。 常用的三种更新数据库的方法： 查询法 广播法 例外报告法

12 集散控制系统 12.2.3 通信协议 6 . 高层协议 所谓高层协议，是指表达层和应用层协议，它们用来实现低层协议与用户之间接口所需要的一些内部操作。 高层协议的重要作用之一就是区别信息的类型，并确定它们在通信系统中的优先级。

12 集散控制系统 12.2.3 通信协议 根据优先级顺序，高层协议可以对信息进行分类，并且把最高优先级的信息首先传输给较低层的协议。

12 集散控制系统 12.3.1 MACS组态原理 12.3.2 应用系统组态 12.3 和利时MACS系统

12 集散控制系统 12.3.1 MACS组态原理

12 集散控制系统 12.3.1 MACS组态原理 MACS系统概述 新一代DCS，采用Profibus-DP现场总线结构 三个层次 监控网络 系统网络 控制网络

12 集散控制系统 12.3.1 MACS组态原理 系统网络 实现现场控制站与I／O单元的通信 现场控制站主要完成数据采集、工程单位变换、控制和联锁算法、控制输出、通过系统网络将数据和诊断结果传送到系统服务器等功能 主控单元 智能IO单元 电源单元 专用机柜

12 集散控制系统 12.3.1 MACS组态原理 控制网络 控网络实现工程师站、操作员站、高级计算站与系统服务器的互连以及与企业其他网络的连接 操作员站对生产进行实际操作，需要采用专用的高可靠工业微机和操作员专用软件。 工程师站由高档微机和各种组态工具软件组成，软件运行在中文Windows NT4.0平台上，站点具有对系统进行组态的功能。

12 集散控制系统 12.3.1 MACS组态原理 MACS系统现场总线标准 MACS系统控制站采用标准的现场总线PROFIBUS-DP、CAN和其它总线标准，将高性能的冗余主控单元与可分布在现场的信号处理模块、回路控制模块、其它智能设备连接起来,共同构成该控制系统。

12 集散控制系统 12.3.1 MACS组态原理 标准的Client／Server结构 双冗余的系统服务器 真正实现了功能分散

12 集散控制系统 12.3.1 MACS组态原理 MACS系统网络结构和网络速度 100Mbps以太网 标准的RS485，RS232通信协议(MODBUS协议) TCP／IP协议的现场总线接口和无线通信 各现场信号处理模块 管理网络和系统操作层、控制层网络速率为100Mbps，现场信号处理网络速率为1.5-12Mbps

12 集散控制系统 12.3.1 MACS组态原理 MACS的硬件结构 服务器采用高性能的IPC，CPU主频率大于600MHz，内存大于256M，硬盘大于30G 操作员站和工程师站：CPU采用PentiumⅢ以上芯片，主频率大于450MHz，内存大于128M，硬盘大于20G，显示器分辨率为l600×l280 控制站主控单元：CPU采用PentiumⅡ以上芯片，带32M内存，配有2M显存 各I／O信号处理单元全部为智能结构

12 集散控制系统 12.3.1 MACS组态原理 图12.20 MACS系统体系结构图

12 集散控制系统 12.3.1 MACS组态原理 MACS的功能 软件功能 系统功能 各部分功能 工程师站(ENS) 操作员站(OPS) 现场控制站(FCS) 通信控制站(CCS) 高级计算站(ACS)

12 集散控制系统 12.3.1 MACS组态原理 MACS的软件功能 有丰富的全汉字图形组态 有功能强大的控制组态 可以将报表组态与Excel相互进行转换，支持各种报表和图形打印功能 能进行丰富的历史记录分析和处理 强大的系统逐级自诊断功能与故障报警功能

12 集散控制系统 12.3.1 MACS组态原理 MACS的系统功能 数据采集、控制运算 闭环控制输出 设备和状态监视、报警监视 远程通信 实时数据处理和显示 历史数据管理、日志记录、事件顺序记录、事故追忆 图形显示、控制调节 报表打印、高级计算 组态、调试、打印、下装、诊断

12 集散控制系统 12.3.1 MACS组态原理 MACS的其他部分功能 工程师站(ENS) 系统数据库组态 设备组态 图形组态 控制语言组态 报表组态 事故库组态 离线查询 调试、下装

12 集散控制系统 12.3.1 MACS组态原理 MACS的其他部分功能 操作员站(OPS) 流程图显示与操作 报警监视及确认 日志查询 趋势显示 参数列表显示 控制调节 在线参数修改 报表打印

12 集散控制系统 12.3.1 MACS组态原理 MACS的其他部分功能 现场控制站(FCS) 由专用控制柜和专用控制软件组成，控制柜中包括电源、主控单元、过程I/O单元、通信单元及控制网络等组件。 可根据组态的数据库和算法完成数据采集与处理 、控制和联锁运算、控制输出

12 集散控制系统 12.3.1 MACS组态原理 MACS的其他部分功能 现场控制站(FCS)

12 集散控制系统 12.3.1 MACS组态原理 MACS的其他部分功能 通信控制站(CCS) 由高可靠工业微机、各种通信卡件和通信软件组成，实现与各类现场总线仪表、PLC、智能电子设备IED、RTU及其它子系统的通信，完成各种通信协议的解释和数据格式转换等功能的计算机。 支持RS-232、RS-422、RS-485、Ethernet、Arcnet

12 集散控制系统 12.3.1 MACS组态原理 MACS的其他部分功能 高级计算站(ACS) 系统服务器(SVR) 由高可靠工业微机或高性能工作站组成，配有各种专用数据处理、数据分析或高级控制算法软件，具有用户可编程环境的计算机。 由高档微机或服务器构成，完成实时数据库管理和存取、历史数据库管理和存取、文件存取服务、数据处理、系统装载等功能的计算机。系统服务器可两冗余配置。

12 集散控制系统 12.3.1 MACS组态原理 MACS的其他部分功能 管理网关(Gateway) 企业管理网 (E-NET) 监控网络(M-NET) 由高档微机和通用数据库组成，完成系统实时数据库的对外开放功能。 由10M/100M高速冗余以太网络构成，用于企业级的信息系统管理。 由10M/100M高速冗余以太网络构成，用于系统服务器与工程师站、操作站、高级计算站等的连接。完成工程师站的数据下装，操作员站、高级阿计算站等的在线数据通讯。

12 集散控制系统 12.3.1 MACS组态原理 MACS的其他部分功能 系统网络(S-NET) 控制网络(C-NET) 由10M/100M高速实时以太网络或ARCNET网络构成，用于系统服务器与现场控制站、通信控制站等的连接。完成现场控制站、通信控制站的数据下装，服务器与现场控制站、通信控制站之间的实时数据通讯。 由ProfiBus-DP构成，可兼容CAN、FF、MODBUS等多种现场总线网络，用来与现场控制站主控单元和过程I/O单元通信，完成实时输入、输出数据传送服务的专用网络系统。

12 集散控制系统 12.3.1 MACS组态原理 MACS的运行环境 工程师站运行环境 硬件环境 ： 软件环境 ： CPU PentiumⅢ 450及以上 RAM 128M 彩色CRT， 256色，85HZ 1280*1024/1024*768 软驱1.44M 光驱 鼠标 系统平台：中文WindowsNT4.0 workstation或以上版本，SP3/SP4/IE4.01或以上版本 数据库支撑软件：Sybase 公司的SQL Anywhere 应用软件：MACS专用组态软件，Microsoft Excel，可选装MACS专用操作员站软件

12 集散控制系统 12.3.1 MACS组态原理 MACS的运行环境 操作员站运行环境 硬件环境 ： 软件环境 ： CPU PentiumⅢ 350及以上 RAM 128M 彩色CRT，256色，85HZ，1280*1024/1024*768 软驱1.44M 光驱 、以太网卡2块 鼠标 或轨迹球 专用键盘、工业机箱（可选单屏显卡或多屏显卡） 系统平台：中文WindowsNT4.0 workstation或以上版本，SP3/SP4/IE4.01或以上版本 应用软件：MACS专用操作员站软件，MACS专用打印处理软件，Microsoft Excel

12 集散控制系统 12.3.1 MACS组态原理 MACS的运行环境 系统服务器运行环境 硬件环境 ： 软件环境 ： CPU PentiumⅢ 500及以上 RAM 256M 彩色CRT，256色，85HZ，1280*1024/1024*768 软驱1.44M 可擦写光驱 键盘、鼠标 以太网卡4块 系统平台：中文WindowsNT4.0 workstation或以上版本，SP3/SP4/IE4.01或以上版本 应用软件：MACS系统服务器软件

12 集散控制系统 12.3.1 MACS组态原理 MACS的运行环境 通信控制站运行环境 硬件环境 ： 软件环境 ： CPU PentiumⅢ 300及以上 RAM 32M 软驱1.44M 相应通讯口卡件或通讯链路 ARCNET网卡或10/100M以太网卡2块 系统平台：QNX实时操作系统 应用软件：MACS专用通讯软件

12 集散控制系统 12.3.1 MACS组态原理 MACS的运行环境 现场控制站运行环境 硬件环境 ： 软件环境 ： CPU PentiumⅢ 233及以上 RAM 8M 电子盘 相应通讯口卡件或通讯链路 CAN总线和ARCNET网卡或DP总线和以太网卡 系统平台：QNX实时操作系统 应用软件：MACS现场控制站专用实时控制软件和I/O单元运行软件

12 集散控制系统 12.3.1 MACS组态原理 MACS的运行环境 管理网关运行环境 硬件环境 ： 软件环境 ： CPU PentiumⅢ 300及以上 RAM 32M 软驱1.44M 以太网卡 系统平台：中文WindowsNT4.0 workstation或以上版本 数据库支撑软件：Sybase 公司的SQL Anywhere 应用软件：MACS网关专用管理软件

12 集散控制系统 12.3.2 应用系统组态

12 集散控制系统 12.3.2 应用系统组态 MACS系统为用户提供通用的系统组态和运行控制平台，应用系统需要通过工程师站软件组态产生，即把通用系统提供的模块化的功能单元按一定的逻辑组合起来，形成一个完成特定要求的应用系统。系统组态后将产生应用系统的数据库、控制运算程序、历史数据库、监控流程图以及各类生产管理报表。 右图为推荐流程 图12.22 系统组态流程图

12 集散控制系统 12.3.2 应用系统组态 系统组态流程 前期准备工作（进入系统组态前） 确定测点清单 控制运算方案 系统硬件配置 12.3.2 应用系统组态 系统组态流程 前期准备工作（进入系统组态前） 确定测点清单 控制运算方案 系统硬件配置 （规模、IO单元、测点等） 提出对流程图、报表、历史库、追忆库等的设计要求。

12 集散控制系统 12.3.2 应用系统组态 系统组态流程 建立目标工程 12.3.2 应用系统组态 系统组态流程 建立目标工程 在正式进行应用工程的组态前，必须针对该应用工程定义一个工程名，该目标工程建立后，便建立起了该工程的数据目录

12 集散控制系统 12.3.2 应用系统组态 系统组态流程 系统设备组态 应用系统的硬件配置通过系统配置组态软件 完成。 12.3.2 应用系统组态 系统组态流程 系统设备组态 应用系统的硬件配置通过系统配置组态软件 完成。 采用图形方式，系统网络上连接的每一种设 备都与一种基本图形对应。 在进行系统设备组态之前必须在数据库总控 中创建相应的工程。

12 集散控制系统 12.3.2 应用系统组态 系统组态流程 数据库组态 定义和编辑系统各站的点信息 结构编辑 数据编辑 物理测点 虚拟量点 12.3.2 应用系统组态 系统组态流程 数据库组态 定义和编辑系统各站的点信息 结构编辑 数据编辑 物理测点 虚拟量点 面向应用开发人员 不对用户开放 面向最终用户

12 集散控制系统 12.3.2 应用系统组态 系统组态流程 算法组态 变量定义 在功能块中定义的算法块的名字 12.3.2 应用系统组态 系统组态流程 算法组态 变量定义 在功能块中定义的算法块的名字 计算公式中的公式名（主要用于计算公式的引用） 各方案页定义的局部变量（如浮点型、整型、布尔型等） 各站全局变量 注意：其中功能块名和公式名命名规则同数据库点一致且必须唯 一，在定义的同时连同相关的数据进行定义；各方案页定 义的局部变量在同一方案页中不能同名；在同一站中不能 有同名的站全局变量；站内同名的全局变量和局部变量， 除特别指明外，当作局部变量处理。

12 集散控制系统 12.3.2 应用系统组态 系统组态流程 算法组态 变量的使用 12.3.2 应用系统组态 系统组态流程 算法组态 变量的使用 对于数据库点，用点名.项名表示，项名由两个字母或数字组成，如果使用的是数据库点的实时值项，“.项名”部分（如：AV，.DV）可以省略。对于ST、FM要在“点名”前加“_”，（如：_点名.项名） 站全局变量可以在本站内直接使用，而其他站不能使用。变量名为12个字符 站局部变量仅在定义该点的方案页中使用，变量可以在站变量定义表中添加，变量名为12个字符。 常数定义，根据功能块输入端所需的数据类型直接定义。

12 集散控制系统 12.3.2 应用系统组态 系统组态流程 算法组态 编制控制运算程序 变量定义后即可编制

12 集散控制系统 12.3.2 应用系统组态 系统组态流程 图形、报表组态 12.3.2 应用系统组态 系统组态流程 图形、报表组态 图形组态时不需编译，相应点名的合法性不作检查，在线运行软件将忽略无定义的动态点。报表组态包括表格定义和动态点定义 报表中大量使用的是历史动态点，编辑后要进行合法性检查，因此这些点必须在简化历史库中有定义，这也规定了报表组态应在简化历史库生成后进行。

12 集散控制系统 12.3.2 应用系统组态 系统组态流程 编译生成 简化历史库、图形、追忆库和报表等软件涉及到的点只能是系统库中的点 12.3.2 应用系统组态 系统组态流程 编译生成 简化历史库、图形、追忆库和报表等软件涉及到的点只能是系统库中的点 系统库包括实时库和参数库两个组成部分

12 集散控制系统 12.3.2 应用系统组态 系统组态流程 系统下装 12.3.2 应用系统组态 系统组态流程 系统下装 数据库完全下装时服务器和操作员站的启停顺序：停操作员站、停服务器、启服务器、启操作员站 数据库增量下装中不能增加站间引用，不能修改设备信息 以下情况可能造成下装时的扰动 ： 修改控制策略 使用全局变量 错误使用局部变量 完全下装时，由于站间引用造成扰动

12 集散控制系统 12.4 国产集散系统—HS2000 12.4.1 HS2000系统的基本特点 12.4.2 HS2000系统的基本组成

12 集散控制系统 12.4.1 HS2000系统的基本特点

12 集散控制系统 12.4.1 HS2000系统的基本特点 高可靠性 直观、方便的操作 方便的维护手段 系统的开放性 完善的质量保证体系 系统性能高

12 集散控制系统 12.4.2 HS2000系统的基本组成

12 集散控制系统 12.4.2 HS2000系统的基本组成 分层式集散型控制系统

12 集散控制系统 12.4.2 HS2000系统的基本组成 HS2000系统的三层网络结构 管理协调网络 （MNET） HS2000的最高一级网络，配置在HS2000L大型系统中 系统网络（SNET） 连接系统中工程师站、操作员站和I/O现场控制站的干网，配置在HS2000M中型系统中 控制网络（CNET） 各个I/O组件之间及各组件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

12 集散控制系统 12.4.2 HS2000系统的基本组成 HS2000系统的I/O现场控制站

12 集散控制系统 12.4.2 HS2000系统的基本组成 HS2000系统的I/O现场控制站 主控组件 构成一个主控组件的基本要素是机笼，底板和电源。机笼和底板为固 定结构。每个底板上有8组插槽，每组插槽上插一种功能模板。 0号插槽只能插入电源模板 1号插槽内插入CPU模板 2号插槽内可插入各种I/O通道模板，也可插入CPU模板。若插入CPU模板，则该CPU模板是1号插槽内CPU模板的冗余备份板 3~7号插槽内只能插入I/O通道模板，其中任意两个相邻的插槽可以插入同一配置的I/O通道模板，构成冗余结构

12 集散控制系统 12.4.2 HS2000系统的基本组成 HS2000系统的I/O现场控制站 辅助组件 辅助组件和主控组件的区别是： 辅助组件机箱内不插入CPU主控制器模板 1~7号插槽内全部插入I/O通道模板 其它完全同主控组件

12 集散控制系统 12.4.2 HS2000系统的基本组成 HS2000系统的操作员站 具有完成诸如总貌显示、工艺画面显示、控制分组调节、趋势曲线显示、报警观察处理、生产记录报表的在线打印、运行状态及故障显示等功能。 组成如下： 工业操作台 高可靠工业PC机，80386或80486CPU，4~8MB内存，210MB硬盘，串、并行接口等 20英寸工业彩色监视器 彩色薄膜操作键盘，轨迹球 双冗余网络控制板

12 集散控制系统 12.4.2 HS2000系统的基本组成 HS2000系统的工程师站 实现对应用系统的功能组态、组态数据下装，也能起到运行监视作用 在工程师站上运行的全方位、汉化组态软件，具有工位数据库组态、图形组态、历史数据及趋势组态等功能 组成如下： 标准的IBM-PC兼容机：80386或80486CPU，4MB内存，串、并行接口 210MB硬盘，3.5英寸软盘驱动器 14英寸彩色监视器 汉字打印机 标准键盘 网络控制板

12 集散控制系统 12.4.3 HS2000系统的硬件配置

12 集散控制系统 12.4.3 HS2000系统的硬件配置 成以下三种模式： 为了适应不同用户的需要，HS2000系统可以配置 HS2000S小型集散型控制系统，适用于工业锅炉控制及石油、化工、冶金、制药等行业的小型装置 HS2000M中型集散型控制系统，适用于20万kW及以下电站控制和数据采集、中型石化、冶金、建材等大多数工业装置的过程控制和数据管理 HS2000L大型集散型控制系统，适用于大型火电、水电站等大型工业装置、全厂能源管理及厂级综合自动化系统

12 集散控制系统 12.4.3 HS2000系统的硬件配置 HS2000S小型集散型控制系统的配置 HS2000S小型控制系统由辅助组件和工业PC机通 过CNET控制网络连接直接构成，如图12.24所示。 图12.24 HS2000S小型系统

12 集散控制系统 12.4.3 HS2000系统的硬件配置 HS2000S小型集散型控制系统的配置 配置规模 系统可以配置1~2个操作员站，其中只能有一个站作为控制站，另一个作为监视站兼在线备份站 I/O辅助组件最多为4个，最多可容纳I/O通道模板数为28块 最大I/O点数如下： AI：200点 AO：32点 DI/DO：200点 CNET控制网络最大传输距离为1000m

12 集散控制系统 12.4.3 HS2000系统的硬件配置 HS2000S中型集散型控制系统的配置 典型的“三站一线”结构 每个I/O现场控制站内一般包括1个主控组件和1～3个辅助组件，构成一个较大规模的工业控制系统 典型的集散型控制系统 图12.25 HS2000M中型系统

12 集散控制系统 12.4.3 HS2000系统的硬件配置 HS2000S中型集散型控制系统的配置 配置规模 工程师站：1台 操作员站：1～8台 I/O现场控制站：1～20台： 工程师站可以用操作员站复用 I/O现场控制站可以配置成HS2000S

12 集散控制系统 12.4.3 HS2000系统的硬件配置 HS2000S大型集散型控制系统的配置 HS2000L大型系统是在HS2000M中型集散型控制系统和HS2000S小型集散型控制系统的基础上，集现场装置控制、多装置协调控制和厂级生产管理功能于一体的大型综合性系统。见图3-1所示。 HS2000L系统由多套HS2000M中型系统和HS2000S小型系统构成控制层，由基于MS-window的PC机以及X-window的工作站（workstation）构成管理层，两者之间通过高速局域网连接起来。

12 集散控制系统 12.4.4 HS2000系统的现场控制站配置

12 集散控制系统 12.4.4 HS2000系统的现场控制站配置 HS2000系统的I/O现场控制站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的大型现场控制设备。它吸取了国外多家集散型控制系统在现场控制站这一级的技术特点，具有可靠性高、分散度高、可冗余配置等技术特色，用户可以根据现场的不同需要，对I/O现场控制站进行灵活配置。

12 集散控制系统 12.4.4 HS2000系统的现场控制站配置 I/O现场控制站的应用容量 1个主控组件最多容纳5块I/O通道模板，1个辅助组件最多容纳7块I/O通道模板

12 集散控制系统 12.4.4 HS2000系统的现场控制站配置 I/O现场控制站的硬件构成 I/O功能组件 主控组件内可配置两块CPU模板，构成双重化冗余结构 其余I/O功能模板，凡是相邻两块均可构成双重化冗余 每块SNET网络控制器模板内置两套SNET网络控制逻辑，本身即为双重化冗余结构

12 集散控制系统 12.4.4 HS2000系统的现场控制站配置 I/O现场控制站的硬件构成 I/O功能模板的型号及分类 9——辅助功能模板 8——主控制器CPU模板 7——保留 6——数字量通道模板 5——保留 4——模拟量通道模板 3——I/O功能扩展板 2——SNET网络接口板 1——总线底板 0——保留 HS2000系统提供了丰富的硬件模板产品，各种模板型号及其功能见教材表3-1所示。

12 集散控制系统 12.4.5 HS2000系统的软件组态

12 集散控制系统 12.4.5 HS2000系统的软件组态 HS2000系统的软件分为工程师站组态软件、操作员站实时监控软件以及I/O现场控制站软件三大部分。这三部分软件分别运行于系统的不同层次的硬件平台，并通过系统网络及网络通信软件，彼此相互配合、相互协调，交换各种数据及管理、控制信息来完成整个集散型控制系统的各种功能。

12 集散控制系统 12.4.5 HS2000系统的软件组态 工程师站组态软件 系统配置组态 控制及算法组态 流程图组态 汉字报表组态 该系统软件可以方便地定义整个系统的硬件配置，完成对现场各种信号的定义，并支持各种标准、非标准现场信号的转换。图12.26表示某模出信号的组态画面。 控制及算法组态 HS2000系统的控制及算法组态用以生成系统所有回路连续控制算法、顺序控制算法、特殊处理算法及统计算法。 流程图组态 HS2000系统提供了一个高水平的图形组态工具软件，利用该工具软件提供的大量标准图符、图表，方便地生成各种美观且直观的流程图、总貌图等。 汉字报表组态 HS2000系统提供了一个图形化的报表生成工具软件，用户通过“所见即所得”的方式，在报表编辑窗口内任意绘出所需的报表格式，再定义出在报表上需要实时打印的动态点，即完成各种工厂用的班报、日报、月报以及各种统计报表。

12 集散控制系统 12.4.5 HS2000系统的软件组态 图12.26 典型的模出信号的组态画面

12 集散控制系统 12.4.5 HS2000系统的软件组态 操作员站软件 画面及流程显示，见图12.28所示工艺流程画面。 控制调节，见图12.29所示。 趋势显示，见图12.30所示随机趋势曲线画面。 报警管理和显示，见图12.31所示。 报表管理和打印

12 集散控制系统 12.4.5 HS2000系统的软件组态 操作员站软件 图12.28 一幅流程画面的显示

12 集散控制系统 12.4.5 HS2000系统的软件组态 操作员站软件 图12.29 控制调节画面

12 集散控制系统 12.4.5 HS2000系统的软件组态 操作员站软件 图12.30 随即趋势曲线显示画面

12 集散控制系统 12.4.5 HS2000系统的软件组态 操作员站软件 图12.31 报警列表画面

12 集散控制系统 12.4.5 HS2000系统的软件组态 I/O现场控制站软件 I/O现场控制站是整个HS2000系统的核心部件，对现场信息的采集、各种控制策略的实现都是在现场控制站上完成的，在I/O现场控制站上配有固化的运行软件，支持各种控制运算、数据采集、控制策略、故障诊断、冗余切换等。 采集、控制功能 通信功能 可靠性保障功能

12 集散控制系统 本章小结 本章首先介绍了国内集散型控制系统——HS2000系统的结构及组成特点，通过对HS2000系统的三层网络性能阐述，着重介绍了如何利用这三条网络来灵活配置不同规模的集散型控制系统。 其次，通过示例要求重点掌握HS2000系统的I/O现场控制站的硬件配置方法，其内容涉及其I/O功能组件的分类、选择，为后续的DCS课程设计打下良好的基础。 最后，介绍了HS2000系统组态的基本功能及其应用，要求掌握HS2000系统组态的基本思想。

12 集散控制系统 12.5 HS2000 DCS工程建立步骤 12.5.1 工程分析 12.5.2 工程建立 12.5.3 定义设备组态工具

12 集散控制系统 12.5.1 工程分析

12 集散控制系统 12.5.1 工程分析 以单容上水箱液位为例介绍 它需要的模块为FM148A模拟量输入模块和FM151模拟量输出模块 12.5.1 工程分析 以单容上水箱液位为例介绍 它需要的模块为FM148A模拟量输入模块和FM151模拟量输出模块 需要采集上水箱液位信号（LT1）控制电动调节阀控制信号

12 集散控制系统 12.5.2 工程建立

12 集散控制系统 12.5.2 工程建立 建立工程名字 打开数据库组态工具，如图 12.32所示。 图 12.32 数据库组态工具

12 集散控制系统 12.5.2 工程建立 建立工程名字 在工具栏下的空白处有一新建工程的按钮，新建一个工程。 工程建立之后可以在 12.5.2 工程建立 建立工程名字 在工具栏下的空白处有一新建工程的按钮，新建一个工程。 工程建立之后可以在 c:/hs2000macs组态软件下看到你新建的工程名字。 图 12.33 新建工程图

12 集散控制系统 12.5.2 工程建立 编辑数据库 点菜单“编辑/编辑数据库”输入用户名字和密码进入数据库编辑界面。点击“数据操作”，编辑点名。（如图13.32） 图 12.34 数据库编辑界面

12 集散控制系统 12.5.2 工程建立 编辑数据库 如用到两个模块，两个通道,则只用编辑两个点号。选择“模拟量输入”，选择我们必须要设置的项目：CN通道号，CP采集周期，CT标度变换类型，DN设备号，MD量程下限，MU量程上限，PN点号，SA信号范围，SN站号。选择确定进入编辑状态。 图 12.35 编辑状态

12 集散控制系统 12.5.2 工程建立 编辑数据库 点工具栏中的添加按钮，添加一行设置信号。信号范围1~5v电压输入信号，站号10，点名根据自己设置，量程上限50cm，量程下限0，通道号1，采集周期1，设备号即设备地址2（FM148），{FM143为3}，标度变换类型为标准变换。点上面的更新数据库即保存。 图 12.36 数据库工程图

12 集散控制系统 12.5.2 工程建立 编辑数据库 然后设置输出的通道，设置如下：采集周期1，通道号1，标度变换类型4~20mA/1-5V，设备号4（FM151地址），两趁下限0，量程上限100，点名根据自己设置，站号10。点上面的更新数据库即保存。 图 12.37 数据库保存图

12 集散控制系统 12.5.3 定义设备组态

12 集散控制系统 12.5.3 定义设备组态工具 设置系统设备 图 12.38 设置系统设备图（一） 12.5.3 定义设备组态工具 设置系统设备 打开设备组态工具，打开新建的工程。点击“编辑/系统设备”。点“MACS组态设备”右键添加节点“现场控制站，操作员站，服务站”，然后选择“现场控制站”右键添加设备，添加“主控单元，以太网卡”然后依次如图所示添加完毕。选择操作员站下的以太网卡，右键选择属性，将他的IP地址改为128.0.0.2，然后改动服务站下的以太网卡，将他的IP地址按顺序改为128.0.0.1和168.0.0.1。 图 12.38 设置系统设备图（一）

12 集散控制系统 12.5.3 定义设备组态工具 设置I/O设备 图 12.39 设置系统设备图（二） 12.5.3 定义设备组态工具 设置I/O设备 打开新建的工程，点击“编辑/系统设备”。如果是新工程，点击“查看/自定义链路”选择DP链路，关连主卡选择“HSFM121.hsg。然后点击“查看/自定义设备”在DP链路下添加新的设备，引入你所用的设备。然后点“现场控制站”右键添加DP链路。选中FM145，更改属性为地址2，选用通道的信号量程为0～5V，FM143更改属性地址为3，选用通道的信号量程为16（-200～200），FM151更改属性地址为4，选用通道的信号量程为4～20Ma。 图 12.39 设置系统设备图（二）

12 集散控制系统 12.5.3 定义设备组态工具 算法组态 打开算法组态工具，打开新建的工程文件，在新建的工程下新建站为服务器和控制站10，在控制站10下新建方案，输入方案的名称，选择FBD的编程方式，写入方案。如图所示：分别编辑他的功能模块和输入输出端子画图的合适位置上。这就编好了一个控制算法。 图 12.40 算法组态图

12 集散控制系统 12.5.3 定义设备组态工具 算法组态 表 12.4 功能模块分组表 模块分组 功能模块 四则运算 12.5.3 定义设备组态工具 模块分组 功能模块 四则运算 加法，减法，乘法，除法，开平方，绝对值，指数，对数，多项式； 逻辑运算 逻辑与，逻辑或，异或，逻辑非，RS触发器，定时器，计数器，D触发器，数字开关； 比较运算 比较器，高选择，低选择，最大值，最小值，信号选择，统计，数值滤波，滞后比较； 折线积算 流量积算，斜坡函数，折线函数，设定曲线，斜率； 报警限制 幅值报警，开关报警，偏差报警，速率报警，幅值限制，速率限制，变化限制，接地选线； 控制算法 操作器，PID调节，开关手操，伺服放大，无扰切换，灰色预测，模糊控制，组合伺放，一阶惯性，二阶惯性，微分，积分，超前滞后，一阶滞后，二阶滞后； 其他算法 时间运算，时间判定，事件驱动，模拟存储，一维插值，二维插值，多重测量，引用页，引用公式，条件跳转，顺控，调节门，类型转换； 火电计算 模拟量越限时间累积器，自定义模拟量越限时间累积器，开关状态时间累积器，开关量变态次数累积器，步参数赋值，三取中，二取一，磨煤机逻辑判断，脉冲定位器，闪光，冗余模拟输入，双输出平衡模块，限定“或”，磨煤机控制1，磨煤机控制2； 算法组态 表 12.4 功能模块分组表

12 集散控制系统 12.5.3 定义设备组态工具 图形组态 图 12.41 切换底图对话框 12.5.3 定义设备组态工具 图形组态 打开图形组态工具，选择新建的工程，在工具栏中点打开文件夹的按钮，有一个系统自带的图形——关闭图形组态工具。在其工程中将它删掉，在另外的工程中复制一个系统图形过来。打开图形组态工具，选择新建的工程，打开系统自带的图形，选择图形，在右键中选择交互特性，会出现有切换底图的特性，切换为菜单.hsg的图形，然后新建一个图形，建立一个菜单的图形，编辑你的菜单，然后再新建图形，编辑为你的菜单交互特性指向的名字。 选择切换底图，窗口内容变为有效。 图 12.41 切换底图对话框

12 集散控制系统 12.5.3 定义设备组态工具 图形组态 文字特性只对文字对象有效，对象被定义文字特性后，其对应的数据库点的值按时间格式、按数据库的格式或按图形组态的格式显示在屏幕上。 选择“有文字特性”，窗口内容变为有效。点名：数据库点的名称。项名：数据库记录的字段名（AV）。 图 12.42 切换底图对话框

12.6 和利时MACS集散系统在工业锅炉中的应用 12 集散控制系统 12.6 和利时MACS集散系统在工业锅炉中的应用 12.6.1 系统概述 12.6.2 硬件配置 12.6.3 控制系统简介 12.6.4 DCS控制系统软件设计 12.6.5 系统组成 12.6.6 系统调试 12.6.7 结束语

12 集散控制系统 12.6.1 系统概述

12.6.1 和利时MACS集散系统在工业锅炉中的应用 12 集散控制系统 12.6.1 和利时MACS集散系统在工业锅炉中的应用 循环流化床工业锅炉具有煤种适应性广、负荷调节性能好、燃烧效率高、环境污染小等特点，在电厂、供热、化工生产等行业得到越来越广泛的应用。由于循环流化床锅炉的自身特点所决定，其对自动控制要求较高。但锅炉的燃烧、汽水过程比较复杂，且由于燃烧系统、汽水系统相互关联耦合性强，过程具有非线性和大滞后等特点，给自控设计带来一定困难，所以常规的控制方案及自控装置很难收到理想的控制效果。为了满足控制要求，设计的重要调节系统均为复杂控制系统。 设计安装的75t／h循环流化床锅炉(2台)是由济南锅炉厂设计制造的YG一75／5．4一M20型床下点火式燃煤锅炉，DCS控制系统采用北京和利时公司MACS—DCS集散控制系统。

12.6.1 和利时MACS集散系统在工业锅炉中的应用 12 集散控制系统 12.6.1 和利时MACS集散系统在工业锅炉中的应用 图 12.43 DCS控制系统结构图

12 集散控制系统 12.6.2 硬件配置

12 集散控制系统 12.6.2 硬件配置 锅炉的硬件是根据锅炉生产厂提供的测点数和设计院提供的相关数据综合考虑进行配置，如表12.5所示。 12.6.2 硬件配置 锅炉的硬件是根据锅炉生产厂提供的测点数和设计院提供的相关数据综合考虑进行配置，如表12.5所示。 表 12.5 锅炉的硬件配置

12 集散控制系统 12.6.3 控制系统简介

12 集散控制系统 12.6.3 控制系统简介 循环流化床锅炉中试装置的仪表自动化水平高，其中有许多复杂逻辑自动控制方案，要实现以上复杂控制方案就要求DCS控制系统就有强大的软件编程水平和系统稳定性。 循环流化床锅炉中试装置DCS控制系统使用的是北京和利时系统工程有限公司的MACS控制系统。 MACS控制系统的网络由上的到下分为管理网络(MNET)、系统网络(SNET)和控制网络(CNET)三个层次。系统网络实现工程师站、操作员站系统服务器与现场控制站的互连，控制网络实现主控单元与过程I／O单元的通讯。

12 集散控制系统 12.6.3 控制系统简介 系统技术特点: 相对增益法 12.6.3 控制系统简介 系统技术特点: 相对增益法 1)每个现场控制站有两个控制器，一主一辅，相互冗余，保证系统可靠性，可实现无扰动切换。 2)电源1：1冗余，保证电源系统稳定可靠。 3)I／O 卡件冗余，保证数据采集传输系统可靠性。 4)网络冗余，每个现场控制站设计两套系统网络(SNET)接口， 实现系统网络双冗余结构，保证网络系统可靠性。 5)分散隔离措施，保证系统可靠性。 6)带电插拔功能，方便维护，安全可靠。 7)系统故障自诊断能力，具有故障指示功能，便于排查故障。 8)丰富的功能实现，根据现场的不同需要用丰富的组态编程工具实现控制方案，满足客户控制要求。

12 集散控制系统 12.6.3 控制系统简介 循环流化床锅炉中中试装置DCS控制系统结构: 12.6.3 控制系统简介 循环流化床锅炉中中试装置DCS控制系统结构: 循环流化床锅炉中中试装置DCS控制系统由3台操作员站、1台I／O控制单元组成。 t／0控制单元组成：主控单元、I／O单元、电源单元、专用机柜 人机交互界面 ：操作员站和工程师 DCS控制系统网络 ：系统网络和控制网络

12 集散控制系统 12.6.3 控制系统简介 配置说明 现场控制站 ： 操作员站: 12.6.3 控制系统简介 配置说明 操作员站: 现场控制站 ： 计算机：方正 P4 2．26G／256M／40G／CD／网卡 显示器：方正科技 交换机FP030：机柜 1台 FM910一A：现场电源4块 FM801：主控单元 2块 FM143：8路热电阻输入模块 2块 FM148A：8路模拟量输入模块 19块 FM151：8路模拟量输出模块 7块 FM147：8路热电偶输入模块 1O块 FM171B：16路开关量输出模块 3块 FM192B—CC：冷端匹配器 1块 计算机：方正 P4 2．26G／256M／40G／CD／网卡 显示器：方正科技 交换机：DLINKDES一1008 专用键盘软件狗

12 集散控制系统 12.6.3 控制系统简介 循环流化床锅炉中中试装置DCS控制系统网络结构 控制结构 ： 12.6.3 控制系统简介 循环流化床锅炉中中试装置DCS控制系统网络结构 控制结构 ： 拓扑结构：总线式 最大节点数：126 传输速率：9．6kbps-12mbps 通讯介质：双绞线或光缆 图 12.44 DCS系统网络结构图

12 集散控制系统 12.6.4 DCS控制系统软件设计

12 集散控制系统 12.6.4 DCS控制系统软件设计 MACS控制系统现场控制站组态软件 ：CONMAKER 控制方案设计采用FBD功能块、ST语言等编程工具 单回路调节和模拟量输入的组态方法 图 12.45 控制及测量回路组态

12 集散控制系统 12.6.5 系统组成

12 集散控制系统 12.6.5 系统组成 系统组成：数据采集系统(DAS)、模拟量调节系统(MCS)、开关顺序控制系统(SCS)和炉膛保护系统(FSSS) 模拟图 数据采集系统 模拟量调节系统 成组显示 报警显示和响应 记录和打印 历史数据记录 主蒸汽压力调节系统 一次风量调节系统 二次风量调节系统 引风量调节系统 给水调节系统

12 集散控制系统 12.6.5 系统组成 锅炉引风机子功能组 锅炉二次风机子功能组 开关顺序控制系统 炉膛保护系统 锅炉一次风机子功能组 给水泵子功能组 凝结水泵子功能组 油系统子功能组 炉膛安全监控 锅炉大联锁 MFT动作条件 MFT动作 点火启动油燃烧管理

12 集散控制系统 12.6.6 系统调试

12 集散控制系统 12.6.6 系统调试 I／O测量点单通道调试 控制回路控制手动、自动 调试 现场联调 冗余调试

12.7 大型集散控制系统——TDC3000 12.7.1 TDC3000系统的结构特性 12.7.2 TDC3000系统的数据采集和控制 12 集散控制系统 12.7 大型集散控制系统——TDC3000 12.7.1 TDC3000系统的结构特性 12.7.2 TDC3000系统的数据采集和控制 12.7.3 TDC3000系统的软件组态

12 集散控制系统 12.7.1 TDC3000系统的结构特性

12 集散控制系统 12.7.1 TDC3000系统的结构特性 TDC3000系统主要由三种通信网络组成，它们是局域控制网络LCN、通用控制网络UCN、高速数据通路HW，每种网络上挂有不同功能的模块，实现控制系统的分散控制、集中管理。

12 集散控制系统 12.7.1 TDC3000系统的结构特性 图 12.46 典型集散型控制系统TDC3000

12.7.1 TDC3000系统的结构特性 TDC3000的局域控制网络特性： 12 集散控制系统 LCN网(Local Control Network：LCN)是TDC 3000的主干网，它是短程高速通信链，采用冗余结构，令牌存取通信控制方式，符合IEEE802.4，传输速率为5Mbit/s，总线拓扑结构，传输距离不大于300m。 1.通用站（Universal Station：US） 2.通用工作站（Universal WorkStation：UWS） 3.应用模块（Application Module：AM） 4.历史模块（History Module：HM） 5.计算模块（Calculating Module: CM） 6.接口模块 (Interface Module: IM)

12.7.1 TDC3000系统的结构特性 TDC3000的通用控制网络特性： 12 集散控制系统 通用控制网络（Universal Control Network：UCN）是1988年开发的、以MAP为基础的双冗余实时控制网络，采用令牌总线通讯方式，传输速率为5Mbit/s，支持32个冗余设备，应用层采用RS511标准。UCN网是作为直接与过程相连接的数据采集和控制设备的通信通道。 1．逻辑控制站（Logic Manager：LM） 2．过程管理站（Process Manager：PM） 3．增强型过程管理站（Advanced Process Manager：APM）

12.7.1 TDC3000系统的结构特性 TDC3000的高速数据通路特性 12 集散控制系统 高速数据通路（Data HiWay：HW）是第一代集散型控制系统的通信系统，采用串行、半双工（方式传输）工作方式，采用（优先）存取和定时（轮）询问方式控制，传输介质为75Ω同轴电缆，传输速率为250kbit/s。 为了通讯可靠，HW网都是冗余配置的。它是作为直接与过程相连接的数据采集和控制设备的通信通道，即PCU、DAU的现场信息经过它送到CRT操作站和监控计算机进行集中处理；反之，将CRT操作站和监控计算机的操作、管理信息送至PCU和DAU。

12 集散控制系统 12.7.2 TDC3000系统的数据采集和控制

12 集散控制系统 12.7.2 TDC3000系统的数据采集和控制 TDC3000提供从简单到复杂整个范围的各种控制策略，许多工厂的控制策略现在可以采用一台Honeywell新的过程管理机来完成，它不仅能用来实现数据采集，而且还可扩展成强有力的控制功能，其中包括调节、逻辑和顺序控制，以适应连续的、分批的（间歇）或混合的控制。 一个典型的过程加热炉如图7-2所示，要求实现空气和燃料油的流量控制，其连续控制是由一些标准的算法，加上用户控制语言和FORTRAN编写的控制软件来实现。

12 集散控制系统 12.7.2 TDC3000系统的数据采集和控制 图 12.47 过程加热炉

12.7.2 TDC3000系统的数据采集和控制 12 集散控制系统 处理信息的基础 数据点类型 数据点驻留 数据点的建立 数据点应用 算法 控制语言

12 集散控制系统 12.7.2 TDC3000系统的数据采集和控制 图 12.48 具有标准控制算法的连续控制

12.7.2 TDC3000系统的数据采集和控制 12 集散控制系统 图7-3表示了仅仅使用具有标准算法的数据点。 ①进料温度前馈控制； ②一个圆筒炉的燃料/空气比值控制。 █ 前馈控制 这个前馈控制例子中，当被处理物料量增加（或减少）时，就必然会导致由两股燃料所提供的总热量的增加（或减少）。所以三股热流（热量输入）要应用求和与相乘算法加以计算。

12 集散控制系统 把物料从进口温度升到出口温度所需要的总热量为 ，要求用的两个公式为： （求和） （相乘） 把物料从进口温度升到出口温度所需要的总热量为 ，要求用的两个公式为： （求和） （相乘） 由废气供给的热量为 ，从下式计算求得，即 由燃料油供给的热量为 ，从下式计算求得，即 因此，燃料油的供给是出口温度和物料进料流量两者的函数，即

12.7.2 TDC3000系统的数据采集和控制 12 集散控制系统 █ 空气/燃料比控制 根据所用油和废气总量以及烟气中希望的氧气含量，本控制方案也控制空气流量。 首先，用一求和算式计算总的热量（BTU）含量。 然后，用求和算法，计算有效的空气流量给定值。 选用合适的和值，则在整个操作范围内，烟道气中氧含量可以近似保持为常数。

12 集散控制系统 12.7.3 TDC3000系统的软件组态

12.7.3 TDC3000系统的软件组态 DCS的组态可以包括两个方面： 12 集散控制系统 第一方面是硬件组态，实际上是在CRT上完成系统硬件 的配置，也就是硬件系统的建立（setup）问题。 第二方面是指控制系统软件的生成，也就是把常用的运算功能、信号变换功能、PID控制功能和其他各种功能所对应的程序、预先固化成ROM中的各种模块，然后用最简单的编程语言，填写表格或图上作业等方法，将这些模块加以连接，构成各种控制系统的应用软件。本节所指为上述第二方面描述的过程。

12.7.3 TDC3000系统的软件组态 组态的说明 12 集散控制系统 DCS的回路控制器具有丰富的控制。在具体的回路中，它总是以某些特定的功能去控制回路。这些特定的功能（包括操作）可根据设计需要来确定，这就叫做组态（configure）。 这里仅介绍TDC3000中多功能控制站MC的基本组态方法。

12.7.3 TDC3000系统的软件组态 组态字的构成 12 集散控制系统 一般来说，设计控制回路时，要对控制所涉及的若干问题给予确定的回答，使控制器的控制功能满足要求。通过设定组态字，分别与回路控制中的若干组态代码相对应。具体内容见教材中的表7-6。 组态字实质是八进制的组态代码。组态字共36位，分成9组，每组4位，每一位（或两位）表示参数性质、操作要求或功能选择。

12 集散控制系统 12.7.3 TDC3000系统的软件组态 组态步骤 画出控制系统框图 确定各槽路的有关特性 填写组态字 输入组态字

12.7.3 TDC3000系统的软件组态 组态实例 12 集散控制系统 图7-10为一加热炉燃料量与出料温度组成的串级调节系统，要求根据加热炉出料温度控制燃料量的流量。现按本节组态步骤进行组态。 图7-10 串级控制系统

12 集散控制系统 12.7.3 TDC3000系统的软件组态 第（1）步，根据系统框图，槽1的X输入来自线性输出流量变送器（F1），其量程假定为每分钟0~200加仑（gal/min）。 第（2）、（3）步，确定各槽路的有关特性并填写组态字。 第（4）步，输入组态字，可借助于操作站进行组态输入。

12.7.3 TDC3000系统的软件组态 MC的其他几种组态功能 12 集散控制系统 1．逻辑控制功能 （1）逻辑块算法 （2）输入/输出变量 （3）逻辑块的组态字 （4）组态字输入方法 2．输入/输出监控功能 （1）模拟量输入/输出监控 （2）数字量输入/输出监控 （3）脉冲计数输入监控 3．顺序控制功能

12 集散控制系统 本章小结 本章首先介绍了TDC3000系统的结构组成，要求掌握三条通讯网络的基本特性以及挂接在相应网络上的各种类型模块的基本性能。 其次，重点介绍了TDC3000系统的数据采集和控制，涉及数据点的基本知识及应用，要求重点掌握如何对TDC3000系统的不连续操作下的CL语言编程的方法。 最后，通过具体示例介绍了如何对TDC3000系统进行组态。要求掌握TDC3000系统组态的基本步骤。 课程开始