认识工业控制网络

TDC-3000系统构成图
工业控制网络技术
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早期控制网络——集散控制
2） 集散控制系统的基本构成
❖ 集中操作管理装置是人与DCS联系的接口，按其功能又可分 为操作员工作站（简称操作站）、工程师工作站（简称工程 师站）和监控计算机（又称上位机）等。通信系统（又称通 信网络）是DCS的中枢，它将DCS的各部分连接起来构成一 个整体。因此，操作员站、工程师站、监控计算机、现场控 制站、数据采集站和通信系统等是构成DCS的最基本部分， 如图所示。
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早期控制网络——集散控制
(3)控制功能丰富
❖ DCS可以进行连续的反馈控制、间断的批量控制 和顺序逻辑控制，可以完成简单控制和复杂的多 变量模型优化控制，可以执行 PID 运算和 Smith 预估补偿等多种控制运算，并具有多种信号报警、 安全联锁保护和自动开停车等功能。
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早期控制网络——集散控制
(2)工程师站
❖ 工程师站用于对DCS进行 离线的组态工作和在线的 系统监督、控制与维护。 工程师能够借助于组态软 件对系统进行离线组态， 并在DCS在线运行时，可 以实时地监视通信网络上 各工作站的运行情况。
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早期控制网络——集散控制
❖ 现场控制站可控制多个回 路，具有极强的运算和控 制功能，能够自主地完成 回路控制任务，实现反馈 控制、逻辑控制、顺序控 制和批量控制等功能。
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早期控制网络——集散控制
(5)数据采集站
❖ 数据采集站通过现场仪表直接与生产过程相连接， 对过程非控制变量进行数据采集和预处理，并对 实时数据进一步加工。
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早期控制网络——集散控制
❖ 1975 年 12 月，美国霍尼威尔 (Honeywell) 公司正 式向市场推出了世界上第一套集散控制系统——TDC2000（Total Distributed Control 2000）系统， 成为最早提出集散控制系统设计思想的开发商。
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1.2 工业控制网络特点
工业控制网络是3C技术——即计算机、通信和控 制（Computer,Communication and Control） 发展汇集成的结合点，是信息技术、数字化、智 能化网络发展到现场的结果。 1.应用于工业现场 2.网络节点多为专业设备 3.传输测控数据任务 4.满足对控制的实时性要求 5.满足工厂监控要求
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1.1 工业自动控制系统历史
二、直接数字控制系统（DDC） 20世纪60年代，计算机用到工业控制。
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1.1 工业自动控制系统历史
直接数字控制系统缺点：
❖中心计算机的负担太重，当系统规模扩大 时，实时性不能保证，所以系统规模不能 很大；
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1.1 工业自动控制系统历史
❖FCS特点： 1）FCS的信号传输实现了全数字化 2）FCS系统结构是全分散式 3）FCS的现场设备具有互操作性 4）FCS的技术和标准实现了全开放 5）FCS的环境适应性与总线供电
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1.1 工业自动控制系统历史
❖ 现场总线的国际标准一直未能统一，真正实现开 放性远未达到。
❖各公司的DCS各有各的标准，不能实现互 联。
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1.1 工业自动控制系统历史
四、现场总线控制系统（FCS）
20世纪90年代，采用现场总线作为系统的底 层控制网络，沟通生产过程现场仪表、控制设备 及其与更高控制管理层次之间的联系，相互间可 以直接进行数字通信。
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❖ 根据“危险分散”的设计思想，过去由一台大型计算机完 成的功能，现在可以由几十台甚至几百台微处理机来完成。
❖ 各微处理机之间可以用通信网络连接起来，从而构成一个 完整的系统。
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早期控制网络——集散控制
❖ 系统中的一台微处理机只需控制几个至几十个回 路，即使某一微处理机发生故障，只影响它所控 制的少数回路，而不会对整个系统造成严重影响， 从而在很大程度上使危险分散。
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早期控制网络——集散控制
1） 集散控制系统产生的背景
❖ 20 世纪 60 年代初，人们开始将电子计算机用于过 程控制，试图利用计算机所具有的能执行复杂运算、 处理速度快、集中显示操作、易于通信、易于实现多 种控制算法、易于改变控制方案、控制精度高等特点， 来克服常规模拟仪表的局限性。
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早期控制网络——集散控制
❖ 集散控制系统自问世以来， 发展异常迅速 ,几经更新 换代，技术性能日臻完善， 并以其技术先进、性能可 靠、构成灵活、操作简便 和价格合理的特点，赢得 了广大用户，巳被广泛应 用于石油、化工、电力、 冶金和轻工等工业领域。
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❖模拟信号传输，抗干扰能力差；
❖系统功能集中，危险也集中，相当脆弱。
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1.1 工业自动控制系统历史
三、集散控制系统（DCS）
20世纪70年代，又名分布式计算机控制系 统。
核心：“分散控制，集中管理”
它既不同于分散的模拟仪表控制系统， 又不同于集中式直接数字控制系统。
具备通用性、系统组态灵活、控制功能完 备、显示操作集中、人机界面友好、运行安 全可靠的显著特点。
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早期控制网络——集散控制
(2)操作管理便捷
❖ DCS的集中监控管理装置无论采用专用人机接口 系统还是通用PC机系统，操作人员都能通过高分 辨率彩色显示器（CRT or LCD）和操作键盘及鼠 标等，方便的监视生产装置乃至整个工厂的运行 情况，快捷的操控各种机电设备；技术人员可按 预定的控制策略组态不同的控制回路，并调整回 路的某些常数；存储装置可以保存大量的过程历 史信息和系统信息，打印机能打印出各种报告和 报表，适应了现代化生产综合管理的要求。
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❖ 工业控制网络大体分为三个层面 ❖ 集散控制系统 ❖ 现场总线控制系统 ❖ 工业以太网
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早期控制网络——集散控制
❖ 集散控制系统是 20 世纪 70 年代中期发展起来的、以 微处理器为基础的、实行集中管理、分散
控制的计算机控制系统。由于该系统在发展初期 以实行分散控制 为主，因此又称为分散型控制系统或
❖ 而采用一台计算机工作、另一 台计算机备用的双机双工系统， 或采用常规仪表备用方式，虽 可提高控制系统的可靠性，但 成本太高，如果工厂的生产规 模不大，则经济性更差，用户 难以接受。
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早期控制网络——集散控制
❖ 20 世纪 70 年代初，大规模集成电路的问世及微处理器 的诞生，为新型控制系统的研制创造了物质条件。同时， CRT 图形显示技术和数字通信技术的发展，为新型控制 系统的研制提供了技术条件，现代控制理论的发展为新型 控制系统的研制和开发提供了理论依据和技术指导。
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河南工业职业技术学院 电气工程系 袁铸
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1.1 工业自动控制系统历史
工业自动控制系统
一、 模拟仪表控制系统（ACS）
从20世纪50年代，模拟仪表和继电器进 入工业生产领域。
基地式仪表主要对单闭环系统实现较为 简单的控制；
继电器控制电路主要完成逻辑顺序控制。
分布式控制系统(Distributed Control System，DCS)， 简称为集散系统或DCS。
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早期控制网络——集散控制
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早期控制网络——集散控制
集散控制系统是控制技术 (Control)、计算机技术 (Computer)、通信技术 (Communication)、 阴 极 射 线 管 (CRT) 图 形 显 示 技 术 和 网 络 技 术 (Network)相结合的产物，是一种操作显示集中、 控制功能分散、采用分级分层体系结构、局部网 络通信的计算机综合控制系统，其目的在于控制 或控制管理一个工业生产过程或工厂。
1.1 工业自动控制系统历史
❖ 工业以太网的特点
在工业领域中使用以太网会会带来很多好处：
▪ 使用以太网要比其他现场总线容易
▪ 以太网产品的价格比较低廉，使用以太网会降低 成本
▪ 以太网技术发展迅速，其技术之先进、功能之 强 大是其他现场总线所无法比拟的
▪ 信息集成更加方便
▪ 在工业应用中使用以太网，符合自动化系统的 网络结构扁平化的必然趋势
❖ 一台计算机控制着几十甚至几百个回路，整个生产过 程的监视、操作、报警、控制和管理等功能都集中在 这台计算机上。
❖ 一旦计算机的公共部分发生故障时，轻则造成装置或 整个工厂停工，重则导致设备的损坏甚至发生火灾、
爆炸等恶性事故，这就是所谓“危险集中”。
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Hale Waihona Puke 早期控制网络——集散控制工业控制网络技术
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早期控制网络——集散控制
(1)操作站
❖ 操作站是操作人员对生产过程进行显示、监视、 操作控制和管理的主要设备。操作站提供了良好 的人机交互界面，用以实现集中监视、操作和信 息管理等功能。在有的小DCS中，操作站兼有工 程师站的功能，在操作站上也可以进行系统组态 和维护的部分或全部工作。