系统概述及结构 -...

M5A01课程1-系统概述及结构

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系统概述及结构

HOLLiAS-MACSⅤ系统培训教程系列之基础应用培训课程(M5A01)1

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自动控制的相关信息

DCS的概念

DCS的现状与发展趋势

HOLLiAS-MACS系统的组成结构

HOLLiAS-MACS系统的硬件体系结构

HOLLiAS-MACS系统的软件体系结构

思考与练习

系统概述及组成结构部分重点内容

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1.自动控制的相关信息

1、自动控制的概念自动控制是指在没有人直接参与的情况下，利用控制装置使被控对象(如：机

器、设备或生产过程)的某一物理量(或工作状态)自动地按照预定的规律运行(或变化)。

我们在生产设备上配置一些自动化装置，代替人的部分直接劳动，使生产在

不同程度上自动地进行。这种在无人直接参与的情况下，由自动化仪表和装置来控制生产过程的办法就称为过程自动化。如：化工过程反应塔的控制，水箱的水

位控制等。2、实现自动控制的意义

(1)生产过程自动化是科技发展的必然趋势，是工业生产技术的一场革命。(2)生产过程自动化彻底改变了原始落后的生产状态，可以代替人的重复性劳

动，摆脱繁重、脏乱的环境，保障设备及人身安全，减轻劳动强度，改善劳动条件。

(3)生产过程自动化能够提高产品的质量和产量，使能源合理的使用和分配，降低能源消耗，延长设备使用寿命，从而获得好的经济效益。

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3、生产过程自动化的组成(1)自动检测：对反映生产过程运行状态的物理量、化学量以及表征设备工作状

况的参数自动地检查、测量和监视。(2)自动调节：为了保证设备安全经济运行，必须要求某些表征设备正常工作的

物理量始终维持在某一规定值或预定范围内、按预定的规律来变化，但生产过程中经常受到各种外界或内部因素的干扰，使被调量发生偏离规定值的倾向时，就需要进行相应的调节，使之保持或恢复到规定的范围内，保证生产过程的稳定。

自动调节就是依靠自动调节设备来实现这种调节作用的，所以自动调节设备必须具备检测、定值、运算、执行等功能。

(3)自动保护：设备发生异常，导致工艺参数超过允许范围，甚至发生事故时，

为确保生产的安全，保证产品的质量，需要对某些关键性参数设置信号、联锁装置，事故发生前，信号系统能发出声、光信号，提醒操作人员采取措施。若工矿已近危险状态时，联锁系统采取紧急措施，以防事故发生或进一步扩大，或保证设备不受损坏，是一种安全装置。

(4)自动操作(包括远方控制、程序控制或顺序控制)：根据预先规定的程序或条件自动地对生产设备进行某种周期性操作，把操作人员从重复性劳动中解放出来。


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4、人工控制和自动控制人工控制：在人的直接参与下，使被控量等于给定值。

特点：反应不及时，可以处理复杂问题。

自动控制：在没有人的直接参与下，利用控制装置操纵受控对象，使被控量等于给定值

特点：反应快，按设定的程序控制，必须有模型(或算法)

例如：水箱水位的控制人工控制

人在完成水箱水位的控制任务所经历的过程眼睛→观察大脑→分析决策、预期目标手→调节阀→执行水箱→受控对象

自动控制控制装置在完成水箱水位的控制任务所经历的过程测量变送单元→观察调节器→分析决策、给定值调节器给出的指令→调节阀→执行水箱→受控对象


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2.DCS的概念

DCS即集散型控制系统，又称分布式控制系统(Distributed Control System)。它的主要基础是4C技术，即:

Computer－计算机Control－控制Communication－通信CRT－显示技术。

DCS系统通过某种通信网络将分布在工业现场附近的现场控制站和控制中心的操作员站及工程师站等连接起来，以完成对现场生产设备的分散控制和集中操作管理。

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DCS自1975年问世以来已经历了近三十年的时间，其可靠性、实用性不断提高，功能日益增强。如控制器的处理能力、网络通讯能力、控制算法、画面显示及综合管理能力等。DCS系统过去只应用在少数大型企业的控制系统中，但随着4C技术及软件技术的迅猛发展，到目前已经在电力、石油、化工、制药、冶金、建材等众多行业得到了广泛的应用，特别是电力、石化这样的行业。

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DCS概念图

DCS俗称为“工业大脑”。

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下图以一个水位信号调节的例子简单地说明DCS系统在实际生产中的应用过程：

被控对象(过程):工艺生产设备(如反应釜，换热器，汽包、水箱等)，从传感器(测量变送单元)到执行器之间。

被控量：表征被控对象工作状态的物理量，如液位，温度，压力等。测量变送:对被控量进行测量(转换成标准信号)的装置。

调节器：把测定值和设定值进行比较的装置。执行器(调节阀):把调节器的指令成比例

地转换为直线或角位移地装置。

调节器执行器被控对象

测量变送

测定值/过程值

设定值水箱调节阀PID调节器

变送器

2.DCS的概念

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我们可以把上述过程引申如下：

2.DCS的概念

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3.DCS系统的现状与发展趋势经历了二十几年的发展，DCS有了很大的变化。这种变化来自两方面的动力：用户需求的不断提高和电子与信息技术的快速发展。用户的需求已经不再满足于应用DCS代替常规的仪表控制和简单的数据检测，同时随着电子与信息技术的进步使得DCS应用的构成元件(电子元器件、处理器、软件、网络等)性能大大提高且价格大幅度下降，特别是各种板级OEM部件和HMI软件的发展进一步简化了DCS的开发难度并降低了开发成本。

目前，一套使用户满意的DCS系统应该具备以下特点：

1.系统具备开放的体系结构，可以提供多层的开放数据接口；

2.系统应具备强大的处理功能，并提供方便的组态复杂控制系统的能力与用户自主开发专用高级控制算法的支持能力；

3.系统应支持多种现场总线标准以便适应未来的扩充需要；

4.系统应高可靠、维修方便、工艺先进、价格合理。

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4.HOLLiAS—MACS系统的组成结构

1.HOLLiAS—MACS系统是由以太网和使用现场总线技术的控制网络连接的各工程师站、操作员站、现场控制站、通讯控制站、数据服务器组成的综合自动化系统，完成大型、中型分布式控制系统(DCS)、大型数据采集监控系统(SCADA)功能。

2.HOLLiAS—MACS系统硬件由工程师站、操作站、现场控制站(包括主控单元设备和I/O单元设备)、通讯控制站、系统服务器、系统网络、监控网络、控制网络等组成。

3.HOLLiAS—MACS系统软件包括：工程师站组态软件；操作员站在线软件；现场控制器运行软件；服务器软件等。

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5.HOLLiAS—MACS系统的硬件体系结构

和利时公司在成功地开发并应用了HS-DCS-1000系统和HS2000系统之后，在系统地总结了各行业用户的意见和建议，充分调查了计算机技术、网络技术、应用软件技术、信号处理技术等新发展动态的情况下，基于当今先进的技术，采用成熟的先进控制算法，推出了公司的第四代DCS系统HOLLiAS—MACS系统。

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1. 是系统结构中的一个组成环节

2. 是物理上的一套独立设备

3. 是网络中的一个通信节点

4. 在系统功能中完成某一类特定的处理任务

HOLLiAS—MACS系统中“站”的概念

5.HOLLiAS—MACS系统的硬件体系结构-“站”的概念

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5.HOLLiAS—MACS系统的硬件体系结构-“站”的概念

HOLLiAS—MACS系统中的“站”包括1.工程师站2.操作员站(站号为50～79)3.通讯站4.服务器(站号为0)5.现场控制站(站号为10～49)

为方便系统各站的识别，对各站进行了站号的编制，如上。

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SD

ProfessionalWorkstation6000

PRO

SD


PRO

SD


PRO

SD SD

系统网 -冗余以太网

监控网-冗余以太网

通讯站

操作员站

现场控制站

厂级管理网

打印机

现场控制站

工程师站操作员站

Profibus-DP

控制网

服务器

5.HOLLiAS-MACS系统的硬件体系结构-工程师站的功能

HOLLiAS—MACS系统中各“站”的功能

工程师站1. 组态：是为实现系统对生产

过程自动控制的目的，使用软件完成工程中某一具体任务的过程。组态工作包括：设备组态、数据库组态、控制算法组态、图形组态、报表组态。

2. 下装：是将通过组态完成的工程文件下传到系统各站的过程。下装包括：下装到服务器、下装到操作员站、下装到现场控制站

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SD


PRO

SD


PRO

SD


PRO

SD SD



通讯站

操作员站

现场控制站

厂级管理网

打印机

现场控制站


Profibus-DP

控制网

服务器

5.HOLLiAS-MACS系统的硬件体系结构-操作员站的功能

HOLLiAS—MACS系统中各“站”的功能操作员站1.流程图显示及工艺生产监控功能2.报警监视3.趋势分析4.报表及日志

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SD


PRO

SD


PRO

SD


PRO

SD SD



通讯站

操作员站

现场控制站

厂级管理网

打印机

现场控制站


Profibus-DP

控制网

服务器

5.HOLLiAS-MACS系统的硬件体系结构-通讯站的功能

HOLLiAS—MACS系统中各“站”的功能通讯站1.和其它设备通讯

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SD


PRO

SD


PRO

SD


PRO

SD SD



通讯站

操作员站

现场控制站

厂级管理网

打印机

现场控制站


Profibus-DP

控制网

服务器

5.HOLLiAS-MACS系统的硬件体系结构-服务器的功能

HOLLiAS—MACS系统中各“站”的功能服务器1.计算2.实时数据和历史数据3.文件存取

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SD


PRO

SD


PRO

SD


PRO

SD SD



通讯站

操作员站

现场控制站

厂级管理网

打印机

现场控制站


Profibus-DP

控制网

服务器

5.HOLLiAS-MACS系统的硬件体系结构-现场控制站的功能

HOLLiAS—MACS系统中各“站”的功能现场控制站1.信号采集和输出2.数据转换3.控制运算

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5.HOLLiAS-MACS系统的硬件体系结构-各“站”的功能汇总

工程师站工程师站运行相应的组态管理程序，对整个系统进行集中控制和管理。工程师站主要有以下功能：1.组态(包括系统硬件设备、数据库、控制算法、图形、报表)和相关系统参数的设置。2.现场控制站的下装和在线调试，服务器、操作员站的下装。3.在工程师站上运行操作员站实时监控程序后，可以把工程师站作为操作员站使用。

操作员站操作员站运行相应的实时监控程序，对整个系统进行监视和控制。操作员站主要完成以下功能：1.各种监视信息的显示、查询和打印，主要有工艺流程图显示、趋势显示、参数列表显示、报警监视、日志查询、系统设备监视等。2.通过键盘、鼠标或触摸屏等人机设备，通过命令和参数的修改，实现对系统的人工干预，如在线参数修改、控制调节等。

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服务器服务器运行相应的管理程序，对整个系统的实时数据和历史数据进行管理。

现场控制站现场控制站运行相应的实时控制程序，对现场进行控制和管理。现场控制站主要运行工程师站所下装的控制程序，进行工程单位变换、数据采集和控制输出、控制运算等。

5.HOLLiAS-MACS系统的硬件体系结构-各“站”的功能汇总

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SD


PRO

SD


PRO

SD


PRO

SD SD



通讯站

操作员站

现场控制站

厂级管理网

打印机

现场控制站


Profibus-DP

控制网

服务器

5.HOLLiAS-MACS系统的硬件体系结构-“网络”

HOLLiAS—MACS系统中的“网络”包括1.监控网络MNET2.系统网络SNET3.控制网络CNET

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SD


PRO

SD


PRO

SD


PRO

SD SD



通讯站

操作员站

现场控制站

厂级管理网

打印机

现场控制站


Profibus-DP

控制网

服务器

5.HOLLiAS-MACS系统的硬件体系结构-监控网络

HOLLiAS—MACS系统中的“网络”监控网络MNET1.冗余高速以太网链路2.使用五类屏蔽双绞线或光纤将各个通讯节点连接到中心交换机上3.节点有工程师站、操作员站、服务站4.采用TCP/IP通讯协议

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操作员站50 操作员站51 操作员站52 操作员站n(工程师站) 服务站A机服务站B机

130.0.0.1 130.0.0.2

131.0.0.2131.0.0.1

130网段 130.0.0.50 130.0.0.51 130.0.0.52 130.0.0.n

131网段 131.0.0.50 131.0.0.51 131.0.0.52 131.0.0.n

5.HOLLiAS-MACS系统的硬件体系结构-监控网络

监控网络上各个节点用固定分配的IP地址进行标识。为实现监控网络的冗余，网中每个节点的主机都配有两块以太网卡，一般在工程上将两块以太网卡分别连接到130网段和131网段的交换机上。监控网络的前两位IP地址分别为130.0和131.0，后两位则可以自行定义。对于工程师站和操作员站的计算机，我们把它看作同一类计算机，进行统一编号。工程上编号的惯例为：

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SD


PRO

SD


PRO

SD


PRO

SD SD



通讯站

操作员站

现场控制站

厂级管理网

打印机

现场控制站


Profibus-DP

控制网

服务器

5.HOLLiAS-MACS系统的硬件体系结构-系统网络

HOLLiAS—MACS系统中的“网络”系统网络SNET1.冗余高速工业以太网2.采用HSIE 通讯协议3.使用五类屏蔽双绞线或光纤将各个通讯节点连接到中心交换机上4.节点有服务站、现场控制站

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5.HOLLiAS-MACS系统的硬件体系结构-系统网络

工业以太网：1.实时性：确定性实时以太网通讯协议令牌调度算法保证了通讯的确定性实时。2.开放性：兼容TCP/IP协议(走非实时通道)。3.安全性：防止"冲击波"等网络病毒对现场控制站的影响。4.稳定性：单网网络风暴不影响通信，双网网络风暴不影响现场控制站控制。5.易维护性：使用标准以太网硬件，降低维护人员培训成本、备品备件成本。

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PRO

SD


PRO

SD


PRO

SD SD



通讯站

操作员站

现场控制站

厂级管理网

打印机

现场控制站


Profibus-DP

控制网

服务器

5.HOLLiAS-MACS系统的硬件体系结构-控制网络

HOLLiAS—MACS系统中的“网络”控制网络CNET1.位于现场控制站内部2.Profibus-DP现场总线3.采用带屏蔽的双绞铜线连接4.节点主要有DP主站(主控单元)和DP从站(智能I/O单元)5.完成实时输入/输出数据和从站设备诊断信息的传送6.站地址为0-125

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1.Profibus-DP现场总线：Profibus是作为德国国家标准DIN 19245和欧洲标准prEN 50170的现场总线。ISO/OSI模型也是它的参考模型。由Profibus-Dp、Profibus-FMS、Profibus-PA组成了Profibus系列。Porfibus支持主—从系统、纯主站系统、多主多从混合系统等几种传输方式。主站具有对总线的控制权，可主动发送信息。按Profibus的通信规范，令牌在主站之间按地址编号顺序，沿上行方向进行传递。主站在得到控制权时，可以按主—从方式，向从站发送或索取信息，实现点对点通信。主站可采取对所有站点广播 (不要求应答 ),或有选择地向一组站点广播。HOLLiAS-MACS系统使用Profibus–DP协议。Profibus-DP的特性：1.传输技术：1.RS-485 双绞线电缆或光缆；2.波特率9.6Kbps-12Mbps；

2.总线存取：1.各主站间令牌传送主站与从站间数据传送；2.支持单主和多主系统；3.主-从设备总线上多站点数126；

3.通信：1.点对点用户数据发送或广播控制指令；2.循环主-从用户数据传送和非循环主-主数据传送；


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Profibus-DP现场总线：系统I/O 站总线采用了先进的现场总线技术ProfiBus-DP 总线，I/O 站的主控单元如FM801 为ProfiBus-DP 主站， I/O 输入/输出模块如FM系列模块为ProfiBus-DP 从站。主/从站及他们之间的连接件构成了完整的ProfiBus-DP 总线网络。网络配置(包括主/从站数量传输数率传输距离等)的优化，在保证系统的正确、快速工作的前提下，可大大提高系统稳定性。


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SD


PRO

SD


PRO

SD


PRO

SD SD



通讯站

操作员站

现场控制站

厂级管理网

打印机

现场控制站


Profibus-DP

控制网

服务器

工程师站和现场控制站的网络连接。工程师站下装数据时通过此连接实现。

5.HOLLiAS-MACS系统的硬件体系结构

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#10站主控单元 #11站主控单元 #12站主控单元 #n站主控单元

128网段 128.0.0.10 128.0.0.11 128.0.0.12 128.0.0.n

129网段 129.0.0.10 129.0.0.11 129.0.0.12 129.0.0.n

128网段 128.0.0.138 128.0.0.139 128.0.0.140 128.0.0.(128+n)

129网段 129.0.0.138 129.0.0.139 129.0.0.140 129.0.0.(128+n)B机

A机


由于工程师站下装现场控制站是通过TCP/IP协议进行，因此现场控制站需要设置IP地址。一般我们将一个现场控制站里相互冗余的两个主控单元分别称为A机、B机。它们的IP地址设置是通过一对拨码开关来实现的，具体设置方法详见硬件产品介绍中的机笼FM301背面拨码开关设置部分。设置后的现场控制站中系统网卡的IP地址如下表所示。工程师站下装现场控制站时需要在组态软件设置此地址，具体设置方法详见软件介绍中的控制器算法组态。

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现场控制站10 现场控制站n

A机 A机

系统网A网/下装A

128.0.0.50 HSIE Protocol

HSIE Protocol

HSIE Protocol/128.0.0.10


HSIE Protocol/128.0.0.n

HSIEProtocol/128.0.0.(128+n)

系统网B网/下装B 129.0.0.50 HSIE

ProtocolHSIE Protocol



HSIE Protocol/129.0.0.n

HSIEProtocol/129.0.0.(128+n)

网卡数量

4 2 4 4 2 2 2 2

B机

操作员站50/工程师

站

操作员站n

服务站A机

服务站B机

B机

130.0.0.n监控网A网

130.0.0.50

131.0.0.n

130.0.0.2

131.0.0.2

130.0.0.1

监控网B网 131.0.0.50 131.0.0.1

说明：每个操作员站2块网卡(每卡1个IP地址)，工程师站4块网卡(每卡1个IP地址)，每个服务器4块网卡(监控

网每卡1个IP地址，系统网网卡HSIE Protocol，没有IP地址)，每个现场控制站中有4块以太网卡(A主控有2块，B主控有2块，系统网网卡HSIE Protocol，没有IP地址，但由于接收工程师站下装每卡1个IP地址 )

5.HOLLiAS-MACS系统的硬件体系结构通过下表总结一下各站网卡数量以及网卡地址。(工程师站兼做操作员站使用时站号可根据实际情况选择，不限于50号站)

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工程师站离线组态软件

控制算法文件

图形、报表文件

主控单元运行软件

操作员站运行软件

服务器算法和数据库文件服务器运行软件

6.HOLLiAS-MACS系统的软件体系结构

HOLLiAS—MACS系统的软件分为：1.工程师站离线组态软件2.操作员站运行软件3.服务器运行软件4.现场控制站运行软件

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1.请画出硬件体系结构图(请注明系统所包含的硬件设备及网络)(答案)

7.思考与练习

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7.思考与练习

2.简述各站的功能。 (答案)

3.列出系统软件体系结构。 (答案)

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