HOLLIASMACS系统在薄页纸生产线中的应用本科毕业论文

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1、毕 业 设 计题目:HOLLYSYS- MACS系统在薄页纸生产线中的应用学 生: 学 号: 院 （系）：电气与信息工程学院 专 业：电气工程及自动化 指导教师: 2007 年 06 月 10日陕 西 科 技 大 学毕业设计（论文）任务书电气与信息工程学院电气工程及其自动化专业 班级 学生 毕业设计题目：HOLLYSYS-MACS 系统在薄页纸生产线中的应用 毕业设计（论文）从2007 年 2 月 26 日起到2007 年 6 月 15 日 课题的意义及培养目标： 本课题所做的是薄页纸生产线当中打浆工段的集散控制系统，采用和利时公司的HOLLYSYS-MACS系统来实现其控制功能。集散控制系统

2、（DCS）是当今比较普遍使用的控制系统，采用“集中管理、分散控制”的方式，使得系统工作的可靠性和稳定性较计算机控制系统大幅提高，具有很强的实用性和研究价值。 通过本课题的设计，可以培养学生分析问题、解决问题的能力使学生熟悉并掌握对某一具体任务如何查资料，进行方案设计，方案论证，方案实施及撰写论文的实际工程方法。 设计（论文）所需收集的原始数据与资料： HOLLYSYS-MACS系统使用手册 集散控制系统相关资料 有关通讯及总线接口的相关资料 计算机控制系统相关资料 薄页纸生产工艺流程 课题的主要任务（需附有技术指标分析）： 熟悉集散控制系统相关知识 熟悉薄页纸生产工艺流程 熟悉HOLLYSYS

3、-MACS系统硬件和软件 设计薄页纸生产线的打浆部分DCS系统 设计进度安排及完成的相关任务（以教学周为单位）：周 次设计（论文）任务及要求14收集相关资料5熟悉生产工艺56熟悉CONMAKER软件和FACVIEW软件715确定实施方案，系统设计1617撰写论文，准备答辩学生签名： 日期： 指导教师： 日期： 教研室签字： 日期： IIIHOLLYSYS-MACS 系统在薄页纸生产线中的应用摘 要本设计采用HOLLSYS公司的HOLLYSYS-MACS多级分布式集散控制系统（DCS），对薄页纸生产线中的控制环节进行了优化处理，得到较好的结果。本设计以造纸厂中薄页纸生产线为例，利用CONMAKE

4、R软件对其进行了编程，编写了配浆，液位高停泵、液位高报警等程序；硬件方面使用了FM801为主控单元的系统配置。工业现场的实时监控操作主要通过软件FAVIEW软件来实现。关键词：集散控制系统，薄页纸，HOLLYSYS-MACS， 控制软件,组态软件The System of HOLLYSYS-MACS is in the Tissue Paper Production Line of AppliedABSTRACTThe HOLLYSYS-MACSof the this design adoption HOLLSYS company many istributes type gather to

5、spread control system(DCS) and carried on to the control link in the tissue paper production line excellent turn a processing, get better result.This design takes the tissue paper production line in the deckle factory as an example and make use of CONMAKER software as to its carried on a plait dista

6、nce, wrote to go together with syrup, liquid Gao Ting2 Liu2, liquid the Gao report to the police etc. procedure;The hardware used the system allocation that the FM801 controls unit for the lord.Industry the spot of solid hour supervise and control an operation to mainly pass software FAVIEW software

7、 to carry out.KEY WORDS: DCS ，Tissue paper,HOLLYSYS-MACS, Control software，SCADA目 录摘 要IABSTRACTII1 计算机控制系统11.1 计算机控制系统的一般概念11.1.1 硬件组成21.1.2软件组成41.2计算机控制系统的分类41.3 控制计算机的几种机型72 DCS系统介绍92.1 DCS的体系结构92.2 DCS的硬件102.3 DCS的软件143 HOLLIAS MACS系统简介203.1 MACS的硬件体系及其通信网络203.1.1 通讯系统 通讯系统由网络、管理网关和通讯控制站组成。203.1.

8、2现场控制站(分散过程控制装置)223.1.3集中管理装置233.2 MACS的软件体系244 HOLLIAS MACS在薄页纸生产线中的应用274.1 薄页纸生产线打浆部分工艺简介274.1.1打浆工艺过程274.1.2 打浆过程自动控制274.2 硬件组成284.2.1系统硬件配置及功能划分284.2.2主控单元FM801简介294.2.3 I/O模块介绍304.3软件编程364.3.1 CONMAKER软件介绍364.3.2 程序374.3.2 FACVIEW软件435总 结47致 谢48参 考 文 献49附 录（配浆段控制程序）50附 录（液位电机控制程序）55附 录（各工段操作界面）

9、6063HOLLYSYS-MACS系统在薄页纸生产线中的应用1 计算机控制系统1.1 计算机控制系统的一般概念计算机控制是关于计算机技术如何应用于工业生产过程自动化的一门综合性学问。计算机控制的应用领域是非常广泛的，从计算机应用的角度出发，工业自动化是其重要的一个领域；而从工业自动化的领域来看，计算机控制系统又是其主要的实现手段。可以说，计算机控制系统与用于科学计算及数据处理的一般计算机是两类不同用途、不同结构组成的计算机系统。计算机控制系统是融计算机技术与工业过程控制于一体的综合性技术，它是在常规仪表控制系统的基础上发展起来的。液位控制系统是一个基本的常规控制系统，结构组成如图1-1所示。系

10、统中的测量变送器对被控对象进行检测，把被控量(如温度、压力、流量、液位、转速、位移等物理量)转换成电信号(电流或电压)再反馈到控制器中。控制器将此测量值与给定值进行比较，并按照一定的控制规律产生相应的控制信号驱动执行器工作，使被控量跟踪给定值，从而实现自动控制的目的。 图1-1 储液罐液位控制系统一个典型的计算机控制系统的结构如图1-3所示，它是把图1-2中的控制器用控制计算机即计算机及其输入/输出通道来代替，常把被控对象及一次仪表统称为生产过程。这里，计算机采用的是数字信号传递，而一次仪表多采用模拟信号传递。因此，系统中需要有将模拟信号转换为数字信号的模/数(A/D)转换器和将数字信号转换为

11、模拟信号的数/模(D/A)转换器。图1-3中的A/D转换器与D/A转换器就表征了计算机控制系统这种典型的输入/输出通道。图1-2 常规仪表控制系统原理框图图1-3 计算机控制系统原理框图一个完整的计算机控制系统是由硬件和软件两大部分组成的。1.1.1 硬件组成计算机控制系统的硬件一般由主机、常规外部设备、过程输入/输出设备、操作台和通信设备等组成，如图1-4所示。 图1-4 计算机控制系统硬件组成框图1) 主机由中央处理器(CPU)、内存储器(RAM、ROM)和系统总线构成的主机是控制系统的核心。主机根据过程输入通道发送来的实时反映生产过程工况的各种信息，以及预定的控制算法，做出相应的控制决策

12、，并通过过程输出通道向生产过程发送控制命令。主机所产生的各种控制是按照人们事先安排好的程序进行的。这里，实现信号输入、运算控制和命令输出等功能的程序已预先存入内存，当系统启动后，CPU就从内存中逐条取出指令并执行，以达到控制目的。2) 常规外部设备常规外部设备由输入设备、输出设备和外存储器等组成。常规的输入设备有键盘、光电输入机等，主要用来输入程序、数据和操作命令。 常规的输出设备有打印机、绘图机、显示器(CRT显示器或数码显示器)等，主要用来把各种信息和数据提供给操作者。外存储器有磁盘装置(软盘、硬盘和半导体盘)、磁带装置，兼有输入/输出两种功能，主要用于存储系统程序和数据。 这些常规的外部

13、设备与主机组成的计算机基本系统(即通常所言的计算机)，用于一般的科学计算和管理是可以满足要求的，但是用于工业过程控制，则必须增加过程输入/输出设备。3) 过程输入/输出设备过程输入/输出设备是在计算机与工业对象之间起着信息传递和转换作用的装置，除了其中的测量变送单元和信号驱动单元属于自动化仪表的范畴外，主要是指过程输入/输出通道(简称过程通道)。过程输入通道包括模拟量输入通道(简称A/D通道)和数字量输入通道(简称DI通道)，分别用来输入模拟量信号(如温度、压力、流量、液位等)和开关量信号(继电器触点、行程开关、按钮等)或数字量信号(如转速、流量脉冲、BCD码等)。过程输出通道包括模拟量输出通

14、道(简称D/A通道)和数字量输出通道(简称DO通道)，D/A通道把数字信号转换成模拟信号后再输出，DO通道则直接输出开关量信号或数字量信号。 4) 操作台 操作台是操作员与系统之间进行人机对话的信息交换工具，一般由CRT显示器(或LED等其他显示器)、键盘、开关和指示灯等构成。操作员通过操作台可以了解与控制整个系统的运行状态。操作员分为系统操作员与生产操作员两种。系统操作员负责建立和修改控制系统，如编制程序和系统组态；生产操作员负责与生产过程运行有关的操作。为了安全和方便，系统操作员和生产操作员的操作设备一般是分开的。 5) 接口电路主机与外围设备(包括常规外部设备和过程通道)之间，因为外设结

15、构、信息种类、传送方式、传送速度的不同而不能直接通过总线相连，必须通过其间的桥梁接口电路来传送信息和命令。计算机控制系统有各种不同的接口电路，一般分为并行接口、串行接口、管理接口和专用接口等几类。6) 通信设备现代化工业生产过程的规模一般比较大，其控制与管理也很复杂，往往需要几台或几十台计算机才能分级完成控制和管理任务。这样，在不同地理位置、不同功能的计算机之间就需要通过通信设备连接成网络，以进行信息交换。1.1.2软件组成上述硬件只能构成裸机，仅为计算机控制系统的躯体。要使计算机正确地运行以解决各种问题，必须为它编制各种程序。软件是各种程序的统称，是控制系统的灵魂。因此，软件的优劣直接关系到

16、计算机的正常运行、硬件功能的充分发挥及其推广应用。软件通常分为系统软件和应用软件两大类。系统软件是一组支持系统开发、测试、运行和维护的工具软件，核心是操作系统，还有编程语言等辅助工具。在计算机控制系统中，为了满足实时处理的要求，通常采用实时多任务操作系统。在这种操作环境下，要求将应用系统中的各种功能划成若干任务，并按其重要性赋予不同的优先级，各任务的运行进程及相互间的信息交换由实时多任务操作系统协调控制。另外系统提供的编程语言一般为面向过程或对象的专用语言或编译类语言。系统软件一般由计算机厂商以产品形式向用户提供。应用软件是系统设计人员利用编程语言或开发工具编制的可执行程序。对于不同的控制对象

17、，控制和管理软件的复杂程度差别很大。但在一般的计算机控制系统中，以下几类功能模块是必不可少的：过程输入模块、基本运算模块、控制算法模块、报警限幅模块、过程输出模块、数据管理模块等。1.2计算机控制系统的分类计算机控制系统与所控制的生产过程密切相关，根据生产过程的复杂程度和工艺要求的不同，系统设计者可采用不同的控制方案。现从控制目的、系统构成的角度介绍几种不同类型的计算机控制系统。（1）数据采集系统(DAS)数据采集系统(Data Acquisition System，DAS)是计算机应用于生产过程控制最早、也是最基本的一种类型，如图1-5所示。生产过程中的大量参数经仪表发送和A/D通道或DI通

18、道巡回采集后送入计算机，由计算机对这些数据进行分析和处理，并按操作要求进行屏幕显示、制表打印和越限报警。该系统可以代替大量的常规显示、记录和报警仪表，对整个生产过程进行集中监视。因此，该系统对于指导生产以及建立或改善生产过程的数学模型，是有重要作用的。图1-5 数据采集系统（2） 操作指导控制系统(OGC)操作指导控制(Operation Guide Control，OGC)系统是基于数据采集系统的一种开环系统，如图1-6所示。计算机根据采集到的数据以及工艺要求进行最优化计算，计算出的最优操作条件，并不直接输出控制生产过程，而是显示或打印出来，操作人员据此去改变各个控制器的给定值或操作执行器，

19、如此达到操作指导的作用。显然，这属于计算机离线最优控制的一种形式。图1-6 操作指导控制系统操作指导控制系统的优点是结构简单，控制灵活和安全。缺点是要由人工操作，速度受到限制，不能同时控制多个回路。因此，常常用于计算机控制系统设置的初级阶段，或用于试验新的数学模型、调试新的控制程序等场合。 （3） 直接数字控制系统(DDC)直接数字控制(Direct Digital Control，DDC)系统是用一台计算机不仅完成对多个被控参数的数据采集，而且能按一定的控制规律进行实时决策，并通过过程输出通道发出控制信号，实现对生产过程的闭环控制，如图1-7所示。为了操作方便，DDC系统还配置一个包括给定、

20、显示、报警等功能的操作控制台。图1-7 直接数字控制系统DDC系统中的一台计算机不仅完全取代了多个模拟调节器，而且在各个回路的控制方案上，不改变硬件只通过改变程序就能有效地实现各种各样的复杂控制。因此，DDC系统是计算机在工业生产过程中最普遍的一种应用方式。 （4） 计算机监督控制(SCC)系统计算机监督控制(Supervisory Computer Control，SCC)系统是OGC系统与常规仪表控制系统或DDC系统综合而成的两级系统，如图1-8所示。SCC系统有两种不同的结构形式，一种是SCC+模拟调节器系统(也可称计算机设定值控制系统即SPC系统)，另一种是SCC+DDC控制系统。其中

21、，作为上位机的SCC计算机按照描述生产过程的数学模型，根据原始工艺数据与实时采集的现场变量计算出最佳动态给定值，送给作为下位机的模拟调节器或DDC计算机，由下位机控制生产过程。这样，系统就可以根据生产工况的变化，不断地修正给定值，使生产过程始终处于最优工况。显然，这属于计算机在线最优控制的一种形式。 图1-8 计算机监督控制系统另外，当上位机出现故障时，可由下位机独立完成控制。下位机直接参与生产过程控制，要求其实时性好、可靠性高和抗干扰能力强；而上位机承担高级控制与管理任务，应配置数据处理能力强、存储容量大的高档计算机。（5） 集散控制系统(DCS)随着生产规模的扩大，信息量的增多，控制和管理

22、的关系日趋密切。对于大型企业生产的控制和管理，不可能只用一台计算机来完成。于是，人们研制出以多台微型计算机为基础的分散控制系统(Distributed Control System，DCS)。DCS采用分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调的设计原则，自下而上可以分为若干级，如过程控制级、控制管理级、生产管理级和经营管理级等。DCS又称分布式或集散式控制系统。1.3 控制计算机的几种机型为适应不同行业、不同工艺设备的需求，在计算机控制技术发展中，控制计算机制造厂家已生产了几种典型的常用机型。 （1） 可编程控制器(PLC) 可编程逻辑控制器(Programmable Logical

23、Controller，PLC)，简称可编程控制器，是计算机技术和继电逻辑控制概念相结合的产物，其低端为常规继电逻辑控制的替代装置，而高端为一种高性能的工业控制计算机。1985年1月，IEC(国际电工委员会)作了如下定义：PLC是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境下应用而设计。它采用可编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。PLC是目前工业控制中应用最为广泛的一种机型。（2） 可编程调节器可编程调

24、节器(Programmable Controller，PC)，又称单回路调节器、智能调节器、数字调节器。它主要由微处理器 (Micro Processor Unit，MPU)单元、过程I/O单元、面板单元、通信单元、硬手操单元和编程单元等组成。可编程调节器实际上是一种仪表化了的微型控制计算机，它既保留了仪表面板的传统操作方式，易于为现场人员接受，又发挥了计算机软件编程的优点，可以方便灵活地构成各种过程控制系统。可编程调节器还有断电保护和自诊断功能，系统的可靠性得以保证。另外，通信单元(通信接口)使之能与集中监视操作站、上位机通信、计算机控制系统实现各种高级控制和管理。因此，可编程调节器不仅可以

25、作为大型分散控制系统中最基层的控制单元，而且可以在一些重要场合下单独构成复杂控制系统，完成14个控制回路，其在过程控制的广泛应用上是不言而喻的。（3）单片微型计算机单片机是将CPU、存储器、串并行I/O接口、定时/计数器，甚至A/D转换器、脉宽调制器、图形控制器等功能部件全都集成在一块大规模集成电路芯片上，构成了一个完整的具有相当控制功能的微控制器。这种单片机有两种结构：一种是将程序存储器和数据存储器分开，分别编址的Harvard结构，如MCS-51系列；另一种是对两者不作逻辑上区分，统一编址的Princeton结构，如MCS-98系列。由于单片机具有体积小、功耗低、性能可靠、价格低廉、功能扩

26、展容易、使用方便灵活、易于产品化等诸多优点，特别是强大的面向控制的能力，使它在工业控制、智能仪表、外设控制、家用电器、机器人、军事装置等方面得到了极为广泛的应用。（4） 总线式工控机总线即是一组信号线的集合，一种传送规定信息的公共通道。它定义了各引线的信号特性、电气特性和机械特性。按照这种统一的总线标准，计算机厂家可设计制造出若干具有某种通用功能的模板，而系统设计人员则根据不同的生产过程，选用相应的功能模板组合成自己所需的计算机控制系统。这种采用总线技术研制生产的计算机控制系统就称为总线式工控机。总线式工控机具有小型化、模板化、组合化、标准化的设计特点，能满足不同层次，不同控制对象的需要，又能

27、在恶劣的工业环境中可靠地运行，因而，其应用极为广泛。目前我国工控领域的主流机型当首推STD总线工控机，它有3种系列：Z80系列、8088/86系列和单片机系列。（5） 集散控制系统(DCS)DCS是在人们分析比较了模拟仪表分散控制与计算机集中控制的特点之后，综合了两者的优点而推出的一种控制分散、操作集中的新型高级控制系统。自1975年第一套DCS问世以来，世界上各大仪表公司便纷纷研制出各种类型各具特色的系列产品。20年来，DCS在技术发展与市场需求方面都是其他机型无法比拟的，未来的DCS必将取代绝大多数仪表，而在控制领域中占据主导统治地位。（6） 现场总线控制系统(FCS)FCS用现场总线把传

28、感器、变送器、执行器和控制器集成在一起，实现生产过程的信息集成。它把通信一直延伸到生产现场或生产设备，在生产现场直接构成现场通信网络，是现场通信网络与控制系统的集成。直接在现场总线上组成控制回路，在生产现场构成分布式网络自动化系统，使系统进一步开放。2 DCS系统介绍集散控制系统是计算机控制系统的一种结构形式，又称多级计算机分布控制系统和分布式控制系统。它是以微处理器为基础的集中分散控制系统，根据分级设计的基本思想，实现功能上分离，位置上分散，以达到“分散控制为主，集中控制为辅”的控制目的。本章着重从集散控制系统的体系结构出发，来分析DCS体系结构的特点和功能。尽管不同DCS产品在硬件的互换性

29、、软件的兼容性、操作的一致性上很难达到统一，但从其基本构成方式和构成要素来分析，仍然具有相同或相似的体系结构。因此，本章介绍了DCS的体系结构、硬件、软件和通信网络。2.1 DCS的体系结构集中式计算机控制系统，其两大应用指标就是中央计算机的处理速度和计算机自身的可靠性，存在如下问题：(1) 计算机的处理速度问题。(2) 系统的复杂性问题。(3) 系统维修改造问题。基于这种状况，必须寻求一种更加可靠的计算机自动化控制系统，其方案不外乎有以下两种。(1) 使计算机本身更加可靠。(2) 引入功能上可替代的集散型控制技术，以改善系统的可靠性。这就意味着要中央计算机更加可靠，其实施的方法可以采用大规模

30、集成电路过程控制计算机或是采用多计算机(多CPU)结构。后来的发展朝集散型控制技术方向发展，DCS应运而生。DCS按功能分层的层次结构充分体现了其分散控制和集中管理的设计思想，DCS从下至上依次分为直接控制层、操作监控层、生产管理层，决策管理层。图2-1 DCS的层次结构（1） 现场装置管理层次的直接控制层(过程控制级) 在这一级上，过程控制计算机直接与现场各类装置(如变送器、执行器、记录仪表等)相连，对所连接的装置实施监测、控制，同时它还向上与第二层的计算机相连，接收上层的管理信息，并向上传递装置的特性数据和采集到的实时数据。（2） 过程管理层(操作监控层)在这一级上的过程管理计算机主要有监

31、控计算机、操作站、工程师站。它综合监视过程各站的所有信息、集中显示操作，控制回路组态和参数修改，优化过程处理等。（3） 生产管理层(产品管理级) 在这一级上的管理计算机根据产品各部件的特点，协调各单元级的参数设定，是产品的总体协调员和控制器。 （4） 决策管理层(工厂总体管理和经营管理层 )这一级居于中央计算机上，并与办公室自动化连接起来，担负起全厂的总体协调管理，包括各类经营活动、人事管理等。集散控制系统的四级典型功能层次，其各层的功能如下图。图2-2 集散控制系统体系结构的各层功能2.2 DCS的硬件一个最基本的DCS应包括四个大的组成部分：至少一台现场控制站，至少一台操作员站一台工程师站

32、(也可利用一台操作员站兼做工程师站)，一条系统网络。一个典型的DCS体结构如图2-3所示，图中表明了DCS各主要组成部分和各部分之间的连接关系。除了上述四个基本的组成部分之外，DCS还可包括完成某些专门功能的站、扩充生产管理和信息处理功能的信息网络。以及实现现场仪表、执行机构数字化的现场总线网络。图2-3 典型的DCS体系结构（1） 操作员站操作员站主要完成人机界面的功能，一般采用桌面型通用计算机系统，如图形工作站或个人计算机等。其配置与常规的桌面系统相同，但要求有大尺寸的显示器(CRT或液晶屏)和性能好的图形处理器，有些系统还要求每台操作员站使用多屏幕，以拓宽操作员的观察范围。为了提高画面的

33、显示速度，一般都在操作员站上配置较大的内存。（2） 现场控制站现场控制站是DCS的核心，系统主要的控制功能由它来完成。系统的性能、可靠性等重要指标也都要依靠现场控制站保证，因此对它的设计、生产及安装都有很高的要求。现场控制站的硬件一般都采用专门的工业级计算机系统，其中除了计算机系统所必需的运算器(即主CPU)、存储器外，还包括了现场测量单元、执行单元的输入/输出设备，即过程量I/O或现场I/O。在现场控制站内部，主CPU和内存等用于数据的处理、计算和存储的部分被称为逻辑部分，而现场I/O则被称为现场部分，这两个部分是需要严格隔离的，以防止现场的各种信号，包括干扰信号对计算机的处理产生不利的影响

34、。现场控制站内的逻辑部分和现场部分的连接，一般采用与工业计算机相匹配的内部并行总线，如Multibus、VME、STD、ISA、PCI04、PCI和Compact PCI等。由于并行总线结构比较复杂，用其连接逻辑部分和现场部分很难实现有效的隔离，成本较高，很难方便地实现扩充，现场控制站内的逻辑部分和现场I/O之间的连接方式转向了串行总线。（3） 工程师站工程师站是DCS中的一个特殊功能站，其主要作用是对DCS进行应用组态。应用组态是DCS应用过程当中必不可少的一个环节，因为DCS是一个通用的控制系统，在其上可实现各种各样的应用，关键是如何定义一个具体的系统完成什么样的控制，控制的输入/输出量是

35、什么，控制回路的算法如何，在控制计算中选取什么样的参数，在系统中设置哪些人机界面来实现人对系统的管理与监控，还有诸如报警、报表及历史数据记录等各个方面功能的定义，所有这些都是组态所要完成的工作，只有完成了正确的组态，一个通用的DCS才能够成为一个针对一个具体控制应用的可运行系统。组态工作是在系统运行之前进行的，或说是离线进行的，一旦组态完成，系统就具备了运行能力。当系统在线运行时，工程师站可起到一个对DCS本身的运行进行状态进行监视的作用能及时发现系统出现的异常，并及时进行处置。在DCS在线运行当中，也允许进行组态，并对系统的一些定义进行修改和添加，这种操作被称为在线组态，同样，在线组态也是工

36、程师站的一项重要功能。（4） 服务器及其他功能站 在现代的DCS结构中，除了现场控制站和操作员站以外，还可以有许多执行特定功能的计算机，如专门记录历史数据的历史站；进行高级控制运算功能的高级计算站；进行生产管理的管理站等。这些站也都通过网络实现与其他各站的连接，形成一个功能完备的复杂的控制系统。（5） 系统网络 DCS的另一个重要的组成部分是系统网络，它是连接系统各个站的桥梁。由于DCS是由各种不同功能的站组成的，这些站之间必须实现有效的数据传输，以实现系统总体的功能，因此系统网络的实时性、可靠性和数据通信能力关系到整个系统的性能，特别是网络的通信规约，关系到网络通信的效率和系统功能的实现，因

37、此都是由各个DCS厂家专门精心设计的，以太网逐步成为事实上的工业标准，越来越多的DCS厂家直接采用了以太网作为系统网络。（6） 现场总线网络早期的DCS在现场检测和控制执行方面仍采用了模拟式仪表的变送单元和执行单元，在现场总线出现以后，这两个部分也被数字化，因此DCS将成为一种全数字化的系统。在以往采用模拟式变送单元和执行单元时，系统与现场之间是通过模拟信号线连接的，而在实现全数字化后，系统与现场之间的连接也将通过计算机数字通信网络，即通过现场总线实现连接，这将彻底改变整个控制系统的面貌。由于现场总线涉及到现场的测量和执行控制等与被控对象关系密切的部分，特别是它将使用数字方式传输数据而不是使用

38、简单的4mA20mA模拟信号，其传输的内容也完全不局限于测量值或控制量，而包含了许多与现场设备运行相关的数据和信息，因此现场总线的传输问题要比模拟信号的传输问题复杂得多，这就是现场总线虽已出现多年，但至今仍然不能形成如4mA20mA这样统一标准的原因。这种多标准并存的局面很有可能长期延续下去，因为工业的应用是复杂多样的，而现场总线又涵盖了许多应用方面的内容 (4mA20mA标准仅仅实现了各种物理量的电气表示，而不管被表示的物理量做什么用途)，加上各个利益集团的竞争，因此在一个不会很短的时期内，无法用一个单一的标准来满足所有需求。图2-4是采用了现场总线技术以后的DCS体系结构，如果仅仅使用现场

39、总线连接现场控制站的主处理器和现场I/O，即使用串行总线来代替并行总线，这对DCS的体系结构的改变还不是很大，而如果将现场总线引到现场，实现了现场I/O和现场总线仪表与现场控制站主处理器的连接，那么DCS的体系结构将发生很大的改变。图2-4 现场总线技术进入DCS后的系统体系结构（7） 高层管理网络目前DCS已从单纯的低层控制功能发展到了更高层次的数据采集、监督控制、生产管理等全厂范围的控制、管理系统，因此再将DCS看做是仪表系统已不符合实际情况，从当前的发展看，DCS更应该被看成是一个计算机管理控制系统，其中包含了全厂自动化的丰富内涵。从现在多数厂家对DCS体系结构的扩展就可以看到这种趋势。

40、针对一个企业或工厂常有多套DCS的情况，以多服务器、多域为特点的大型综合监控自动化系统也已出现，这样的系统完全可以满足全厂多台生产装置自动化及全面监控管理的系统需求。这种具有系统服务器的结构，在网络层次上增加了管理网络层，主要是为了完成综合监控和管理功能，在这层网络上传送的主要是管理信息和生产调度指挥信息，图2-5给出了这种系统结构。这样的系统实际上就是一个将控制功能和管理功能结合在一起的大型信息系统。图2-5 综合监控自动化系统2.3 DCS的软件DCS的硬件基本构成已如前面所述，而DCS软件的基本构成也是按照硬件的划分形成的，这是由于软件是依附于硬件的，对于DCS的发展也是如此。当DDC系

41、统的数字处理技术与单元式组合仪表的分散化控制、集中化监视的体系结构相结合产生了DCS时，软件就跟随硬件被分成控制层软件、监控软件和组态软件，同时，还有运行于各个站的网络软件，作为各个站上功能软件之间的桥梁。控制层软件是运行在现场控制站上的软件，主要完成各种控制功能，包括PID回路控制、逻辑控制、顺序控制，以及这些控制所必需针对现场设备连接的I/O处理；监控软件是运行于操作员站或工程师站上的软件，主要完成运行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、对现场各类检测数据的集中处理等；组态软件则主要完成系统的控制层软件和监控软件的组态功能，安装在工程师站中。下面简要介绍一

42、下各个软件功能及其构成。（1）控制层软件 现场控制站中的控制层软件的最主要功能是直接针对现场I/O设备，完成DCS的控制功能。这里面包括了PID回路控制、逻辑控制、顺序控制和混合控制等多种类型的控制。为了实现这些基本功能，在现场控制站中还应该包含以下主要的软件。(1) 现场I/O驱动，主要是完成I/O模块(模板)的驱动，完成过程量的输入/输出。采集现场数据，输出控制计算后的数据。(2) 对输入的数据进行预处理，如滤波处理、除去不良数据、工程量的转换、统一计量单位等，总之，是要尽量真实地用数字值还原现场值并为下一步的计算做好准备。(3) 实时采集现场数据并存储在现场控制站内的本地数据库中，这些数

43、据可作为原始数据参与控制计算，也可通过计算或处理成为中间变量，并在以后参与控制计算。所有本地数据库的数据(包括原始数据和中间变量)均可成为人机界面、报警、报表、历史、趋势及综合分析等监控功能的输入数据。(4) 按照组态好的控制程序进行控制计算，根据控制算法和检测数据、相关参数进行计算，得到实施控制的量。为了实现现场控制站的功能，在现场控制站中建立有与本站的物理I/O和控制相关的本地数据库，这个数据库中只保存与本站相关的物理I/O点及与这些物理I/O点相关的，经过计算得到的中间变量。本地数据库可以满足本现场控制站的控制计算和物理I/O对数据的需求，有时除了本地数据外还需要其他现场控制站上的数据，

44、这时可从网络上将其他节点的数据传送过来，这种操作被称为数据的引用。（2）监控软件 监控软件的主要功能是人机界面，其中包括图形画面的显示、对操作员操作命令的解释与执行、对现场数据和状态的监视及异常报警、历史数据的存档和报表处理等。为了上述功能的实现，操作员站软件主要由以下几个部分组成。(1) 图形处理软件，通常显示工艺流程和动态工艺参数，由组态软件组态生成并且按周期进行数据更新。(2) 操作命令处理软件，其中包括对键盘操作、鼠标操作、画面热点操作的各种命令方式的解释与处理。(3) 历史数据和实时数据的趋势曲线显示软件。(4) 报警信息的显示、事件信息的显示、记录与处理软件。(5) 历史数据的记录

45、与存储、转储及存档软件。(6) 报表软件。(7) 系统运行日志的形成、显示、打印和存储记录软件。(8) 工程师站在线运行时，对DCS系统本身运行状态的诊断和监视，发现异常时进行报警，同时通过工程师站上的CRT屏幕给出详细的异常信息，如出现异常的位置、时间、性质等。为了支持上述操作员站软件的功能实现，在操作员站上需要建立一个全局的实时数据库，这个数据库集中了各个现场控制站所包含的实时数据及由这些原始数据经运算处理所得到的中间变量。这个全局的实时数据库被存储在每个操作员站的内存之中，而且每个操作员站的实时数据库是完全相同的复制，因此每个操作员站可以完成完全相同的功能，形成一种可互相替代的冗余结构。

46、当然各个操作员站也可根据运行的需要，通过软件人为地定义其完成不同的功能，而成为一种分工的形态。（3）组态软件 组态软件安装在工程师站中，这是一组软件工具，是为了将通用的、有普遍适应能力的DCS系统，变成一个针对某一个具体应用控制工程的专门DCS控制系统。为此，系统要针对这个具体应用进行一系列定义，如硬件配置、数据库的定义、控制算法程序的组态、监控软件的组态，报警报表的组态，等等。在工程师站上，要做的组态定义主要包括以下方面。1) 硬件配置，这是使用组态软件首先应该做的，根据控制要求配置各类站的数量、每个站的网络参数、各个现场I/O站的I/O配置(如各种I/O模块的数量、是否冗余、与主控单元的连

47、接方式等)及各个站的功能定义等。2) 定义数据库，包括历史数据和实时数据，实时数据库指现场物理I/O点数据和控制计算时中间变量点的数据。历史数据库是按一定的存储周期存储的实时数据，通常将数据存储在硬盘上或刻录在光盘上，以备查用。3) 历史数据和实时数据的趋势显示、列表及打印输出等定义。4) 控制层软件组态，包括确定控制目标、控制方法、控制算法、控制周期以及与控制相关的控制变量、控制参数等。5) 监控软件的组态，包括各种图形界面(包括背景画面和实时刷新的动态数据)、操作功能定义(操作员可以进行哪些操作、如何进行操作)等。6) 报警定义，包括报警产生的条件定义、报警方式的定义、报警处理的定义(如对

48、报警信息的保存、报警的确认、报警的清除等操作)及报警列表的种类与尺寸定义等。7) 系统运行日志的定义，包括各种现场事件的认定、记录方式及各种操作的记录等。8) 报表定义，包括报表的种类、数量、报表格式、报表的数据来源及在报表中各个数据项的运算处理等。9) 事件顺序记录和事故追忆等特殊报告的定义。（4）DCS的通信网络集散控制系统的通信网络系统的作用是互联各种通信设备，完成工业控制。因此应具有以下特点：(1) 具有快速的实时响应能力它要求的时间为0.01s0.5s。(2) 具有极高的可靠性，须连续、准确运行，数据传送误码率为10-1110-8，系统利用率在99.999%以上。(3) 适应于恶劣环

49、境下工作，能抗电源干扰、雷击干扰、电磁干扰和接地电位差干扰(4) 分层结构。为适应集散系统的分层结构，其通信网络也必须具有分层结构，例如分为现场总线、车间级网络系统和工厂级网络系统等不同层次。通信网络系统是传递住处所需的一切技术设备的总和，一般由信息源和信息接收者，发送、接收设备，传输媒介几部分组成。其中发送设备的基本功能是将信息源和传输媒介匹配起来，即将信息源产生的消息信号经过编码，并变换为便于传送的信号形式，送往传输媒介。对于数据通信系统来说，发送设备的编码常常又可分为信道编码与信源编码两部分。信源编码是把连续消息变换为数字信号；而信道编码则是使数字信号与传输介质匹配，提高传输的可靠性、有

50、效性。信号的变换方式是多种多样的，调制是最常见的变换方式之一。传输介质指发送设备到接收设备之间信号传递所经媒介。它可以是无线的，也可以是有线的(包括光纤)。有线和无线均有多种传输媒介，如电磁波、红外线为无线传输介质，各种电缆、光缆、双绞线等为有线传输介质。传输介质在传输过程中必然会引入某些干扰，如热噪声、脉冲干扰、衰减等。传输介质固有的特性和干扰特性直接关系到变换方式的选取。接收设备的基本功能是完成发送设备的反变换，即进行解调、译码、解密等。它的任务是从带有干扰的信号中正确恢复出原始信息来，对于多路复用信号，还包括解除多路复用，实现正确分路。在大多数场合下，信源兼为收信者，通信的双方需要随时交

51、流信息，因此要求双向通信。这时，通信双方都要有发送设备和接收设备。其数据传输方式及传输介质不做详细介绍。在集散控制系统中的控制网络的网络协议在功能上应该是有层次的。为了便于实现网络的标准化，国际标准化组织ISO提出了开放系统互连(Open System Interconnection，OSI)参考模型，简称ISO/OSI模型。SO/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、传输层、会话层、表示层和应用层，如图2-6所示。图2.6 ISO/OST参考模型式通信网络协议如下：1） 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。包括以下内容：(1)

52、接插件的类型以及插针的数量和功能。(2) 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。(3) 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。2） 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。由于通信网络是由通信介质和与其连接的多个节点组成的，所以链路层协议必须提出一种决定如何使用链路的规则。常用网络访问控制协议有：时分多路访问、查询式、令牌式、载波监听多路访问冲突检测和护展环形。3） 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。大多数工业过程控制系统中网络层协议的主要作用是管理子

53、网之间的接口。子网接口协议一般专门用于某一特定的通信系统。另外，网络层协议还负责管理那些与其他计算机系统连接时所需要的网间连接器。网络层协议把一些专用信息传送到低层协议中，即可实现上述功能。4） 在工业过程控制所用的通信系统中，常常把传输层和会话层协议合在一起。这两层协议确定了数据传输的启动方法和停止方法，以及实现数据传输所需要的其他信息。在集散控制系统中，每个节点都有自己的微处理器，它可以独立地完成整个系统的一部分任务。般可以把通信系统的作用看成是一种数据库更新作用，它不断地把其他节点的信息传输到需要这些信息的节点中去，相当于在整个系统中建立了一个为多个节点所共享的分布式数据库。5） 高层协

54、议是指表示层和应用层协议，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。对于通信网络的设备网络互联从通信参考模型的角度可分为几个层次：在物理层使用中继器(Repeater)，通过复制位信号延伸网段长度；在数据链路层使用网桥(Bridge)，在局域网之间存储或转发数据帧；在网络层使用路由器(Router)在不同网络间存储转发分组信号；在传输层及传输层以上，使用网关(Gateway)进行协议转换，提供更高层次的接口。因此中继器、网桥、路由器和网关是不同层次的网络互联设备。随着工业生产的发展以及控制、管理水平和通信技

55、术的提高，相对封闭的DCS已不能满足需要。而微处理器技术实现过程控制以及智能传感器的发展，导致需要用数字信号取代模似信号，这就形成了一种先进工业测控技术现场总线(Fiedbus)。现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输和多分支结构的通信网络。现场总线不单是一种通信技术，也不仅是用数字仪表代替模似仪表，而是用新一代的现场总线控制系统(FCS)代替传统的集散控制系统(Distributed Control System，DCS)。它与传统的DCS相比有很多优点，是一种全数字化、全分散式、全开放和多点通信的底层控制网络，是计算机技术、通信技术和测控技术的综合及集成。现场总线技术的特

56、点有：1）全数字化通信2）一对传输线，N台仪表3）可靠性高4）可控状态5）互换性6）互操作性7）综合功能8）分散控制9）统一组态10）开放式系统。常见的总线有：PROFIBUS总线、 IEC 61158总线、基金会现场总线（FF）、WorldFIP总线、ControlNet总线、LonWorks总线等。3 HOLLIAS MACS系统简介MACS是北京和利时（Hollysys）开发的分层分布式的大型综合控制系统，用以完成大、中型分布式控制，大型数据采集监控，具有数据采集、控制运算、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、事故顺序识别，事故追忆、

57、图形显示、控制调节、报表打印、高级计算，以及所有这些信息的组态，调试、打印、下装、诊断等功能。该系统采用了目前世界上先进的现场总线技术（ProfiBus-DP总线），对控制系统实现计算机监控，具有可靠性高、适用性强等优点，是一个完善，经济、可靠的控制系统。3.1 MACS的硬件体系及其通信网络MACS系统硬件结构如下图。它是由网络、管理网关、通信网络、管理网网关、通信控制站、现场控制站、系统服务器、工程师站、操作员站、高级计算机站等组成。图3-1 MACS系统结构图3.1.1 通讯系统 通讯系统由网络、管理网关和通讯控制站组成。(1) 网络MACS网络由上到下分为监控网络、系统网络和控制网络三

58、个层次。a) 监控网络 监控网络（M-NET）由100M高速以太网络构成，用于系统服务器与工作站，操作站、高级计算机站的连接，完成工程师站的数据下装，操作员站、高级计算站的在线数据通讯。b) 系统网络系统网络（S-NET）由100M以太网构成，用于系统服务器与现场总线控制站，通信控制站的连接，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。c) 控制网络控制网络（C-NET）由CAN总线或Profibus-DP总线构成，用来实现过程I/O模块与现场控制站住空单元的通信，完成实时输入、输出数据的传送。PROFIBUS-DP是专门为自动控制系统与设备级分散I

59、/O之间进行通讯而设计的。既可满足高速传输，又有简单实用、经济性强等特点。Profibus-DP符合EN50170标准，拓补结构为总线式，在总线两端有有源总线端接器。最大节点数为126，其中每个分段上最多可接22个节点，各段可通过中继器相连；传输速率9.6kps12Mbps，与每段距离有关。当距离在100m 内时可达12Mbps （同一系统中的全部设备需选用同一速率）。通讯介质采用屏蔽双绞线或光纤。CAN2.0A协议的网络采均高可靠性的双冗余结构，应用时可以保证在任何一条网络失效的情况下都不影响系统通信。系统的网络拓补结构为星型，中央节点为服务器。MACS网络采用可靠性高的双冗余结构，应用时可

60、以保证在任何一条网络失效的情况下都不影响系统通讯。系统的网络拓补结构为星型，中央节点为服务器。传输速率100Mbps，通讯介质采用光纤或双绞线，每根光缆的最大连接长度是2km，每根双绞线的最大长度是100m。允许的最大HUB数为4，每个HUB有16个端口。(2) 管理网关MACS系统是一个开放的系统，通过管理网网关提供外界一个访问接口。作为网关，它一侧连接到MACS系统内，另一侧连接到外界系统，是内外系统沟通的桥梁。其主要作用是通过内部网关软件，将MACSTM内部的实时数据、历史数据转换到标准关系数据库中，并对数据提供数据访问接口。硬件接口：标准10/100M以太网。通讯协议：Ethernet、TCP/IP，可与Windows65、Windows NT等系统连接。数据库接口：提供业界规范的ODBC、SQL等数据库