DCS第2章集散控制系统原理及其应用[张德泉主编][电子教案].ppt

第2章 集散控制系统 基础知识,➢知识点： ●掌握DCS的基本概念 ●了解DCS的设计思想 ●掌握DCS的体系结构及各层次的主要功能 ●了解DCS现场控制站的主要组成部分，掌握其基本功能 ●了解DCS操作站的基本构成及功能 ●了解DCS软件系统的主要内容 ●了解DCS的组态功能 ●了解数据通信基本知识 ●掌握通信网络基础知识,学习目标,☞集散控制系统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从总体结构上看，DCS是由工作站和通信网络两大部分组成的，系统利用通信网络将各工作站连接起来，实现集中监视、操作、信息管理和分散控制➢技能点： 结合DCS实训，培养以下技能 ●能够识别现有实训装置中DCS的各个组成部分 ●能够利用现有资源，组成一个最小配置的DCS ●能够熟练地指出DCS各组成部分的功能特性,学习目标,2.1 集散控系统的体系结构,☞集散控制系统经过三十多年的发展，其结构不断更新随着 DCS 开放性的增强，其层次化的体系结构特征更加显著，充分体现了DCS集中管理、分散控制的设计思想DCS是纵向分层、横向分散的大型综合控制系统，它以多层局部网络为依托，将分布在整个企业范围内的各种控制设备和数据处理设备连接在一起，实现各部分的信息共享和协调工作，共同完成各种控制、管理及决策任务。

图2.1 集散控制系统的体系结构,1.现场控制级,➢现场控制级设备直接与生产过程相连，是DCS的基础典型的现场控制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工艺变量转换为适宜于计算机接收的电信号（如常规变送器输出的 4～20mADC电流信号或现场总线变送器输出的数字信号），送往过程控制站或数据采集站；过程控制站又将输出的控制器信号（如4～20mADC信号或现场总线数字信号)送到现场控制级设备，以驱动控制阀或变频调速装置等，实现对生产过程的控制➢归纳起来，现场控制级设备的任务主要有以下几个方面一是完成过程数据采集与处理二是直接输出操作命令、实现分散控制三是完成与上级设备的数据通信，实现网络数据库共享四是完成对现场控制级智能设备的监测、诊断和组态等 ➢现场网络与各类现场传感器、变送器和执行器相连，以实现对生产过程的监测与控制同时与过程控制级的计算机相连，接收上层的管理信息，传递装置的实时数据➢现场网络的信息传递有三种方式，一种是传统的模拟信号 (如4～20mADC或者其他类型的模拟量信号)传输方式，第二种是全数字信号（现场总线信号）传输方式；第三种是混合信号（如在 4～20mADC 模拟量信号上，叠加调制后的数字量信号）传输方式。

现场信息以现场总线为基础的全数字传输是今后的发展方向2.过程控制级,➢过程控制级主要由过程控制站、数据采集站和现场总线接口等构成 ➢过程控制站接收现场控制级设备送来的信号，按照预定的控制规律进行运算，并将运算结果作为控制信号，送回到现场的执行器中去过程控制站可以同时实现反馈控制、逻辑控制或顺序控制等功能➢数据采集站与过程控制站类似，也接收由现场设备送来的信号，并对其进行必要的转换和处理之后送到集散控制系统中的其他工作站（如过程管理级设备）数据采集站接收大量的非控制过程信息，并通过过程管理级设备传递给运行人员，它不直接完成控制功能 ➢在DCS的监控网络上可以挂接现场总线服务器 (Fieldbus Server，FS)，实现DCS网络与现场总线的集成现场总线服务器是一台安装了现场总线接口卡与DCS监控网络接口卡的完整的计算机现场设备中的输入、输出、运算、控制等功能模块，可以在现场总线上独立构成控制回路，不必借用DCS控制站的功能➢现场设备通过现场总线与FS上的接口卡进行通信FS通过它的 DCS 网络接口卡与 DCS 网络进行通信FS 和DCS 可以实现资源共享，FS可以不配备操作员站或工程师站，直接借用DCS 的操作员站或工程师站实现监控和管理。

➢过程控制级的主要功能表现在以下几个方面一是采集过程数据，进行数据转换与处理；二是对生产过程进行监测和控制，输出控制信号，实现反馈控制、逻辑控制、顺序控制和批量控制功能；三是现场设备及 I/O 卡件的自诊断；四是与过程操作管理级进行数据通信3.过程管理级,➢过程管理级的主要设备有操作站、工程师站和监控计算机等 ➢操作站是操作人员与DCS相互交换信息的人机接口设备，是DCS的核心显示、操作和管理装置操作人员通过操作站来监视和控制生产过程，可以在操作站上观察生产过程的运行情况，了解每个过程变量的数值和状态，判断每个控制回路是否工作正常，并且可以根据需要随时进行手动、自动、串级、后备串级等控制方式的无扰动切换，修改设定值，调整控制信号，操控现场设备，以实现对生产过程的干预另外还可以打印各种报表，复制屏幕上的画面和曲线等➢为了实现以上功能，操作站是由一台具有较强图形处理功能的微型机，以及相应的外部设备组成的，一般配有 CRT或LCD 显示器、大屏幕显示装置 (选件)、打印机、键盘、鼠标等，开放型DCS采用个人计算机作为其人机接口 ➢工程师站是为了控制工程师对DCS进行配置、组态、调试、维护所设置的工作站。

工程师站的另一个作用是对各种设计文件进行归类和管理，形成各种设计、组态文件，如各种图样、表格等工程师站一般由 PC 机配置一定数量的外部设备组成，例如打印机、绘图仪等➢监控计算机的主要任务是实现对生产过程的监督控制，如机组运行优化和性能计算，先进控制策略的实现等根据产品、原材料库存以及能源的使用情况，以优化准则来协调装置间的相互关系，以实现全企业的优化管理另外，监控计算机通过获取过程控制级的实时数据，进行生产过程的监视、故障检测和数据存档由于监控计算机的主要功能是完成复杂的数据处理和运算功能，因此，对它主要是运算能力和运算速度的要求一般，监控计算机由超级微型机或小型机构成4.经营管理级,➢经营管理级是全厂自动化系统的最高一层只有大规模的集散控制系统才具备这一级经营管理级的设备可能是厂级管理计算机，也可能是若干个生产装置的管理计算机它们所面向的使用者是厂长、经理、总工程师等行政管理或运行管理人员➢厂级管理系统的主要功能是监视企业各部门的运行情况，利用历史数据和实时数据预测可能发生的各种情况，从企业全局利益出发，帮助企业管理人员进行决策，帮助企业实现其计划目标它从系统观念出发，从原料进厂到产品的销售，市场和用户分析、定货、库存到交货，生产计划等进行一系列的优化协调，从而降低成本，增加产量，保证质量，提高经济效益。

此外还应考虑商业事务、人事组织以及其他各方面，并与办公自动化系统相连，实现整个系统的优化➢经营管理级也可分为实时监控和日常管理两部分实时监控是全厂各机组和公用辅助工艺系统的运行管理层，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日常管理承担全厂的管理决策、计划管理、行政管理等任务，主要是为厂长和各管理部门服务 ➢对管理计算机的要求是具有能够对控制系统做出高速反应的实时操作系统，能够对大量 数据进行高速处理与存储，具有能够连续运行可冗余的高可靠性系统，能够长期保存生产数 据，并具有优良的、高性能的、方便的人机接口，丰富的数据库管理软件，过程数据收集软件，人机接口软件以及生产管理系统生成等工具软件，能够实现整个工厂的网络化和计算机的集成化2.2 集散控制系统的硬件结构,☞DCS 的硬件系统主要由集中操作管理装置、分散过程控制装置和通信接口设备等组成，通过通信网络系统将这些硬件设备连接起来，共同实现数据采集、分散控制和集中监视、操作及管理等功能由于不同 DCS 厂家采用的计算机硬件不尽相同，因此，DCS 的硬件系统之间的差别也很大为了从功能上和类型上来介绍 DCS 的硬件构成，只能抛开各种具体的 DCS 的硬件组成及特点。

集中操作管理装置的主要设备是操作站，而分散过程控制装置的主要设备是现场控制站这里，着重介绍DCS 的现场控制站和操作站2.2.1 现场控制站,☞从功能上讲，分散过程控制装置主要包括现场控制站、数据采集站、顺序逻辑控制站和批量控制站等，其中现场控制站功能最为齐全，为了便于结构的划分, 下面统称之为现场控制站现场控制站是DCS与生产过程之间的接口，它是DCS的核心分析现场控制站的构成，有助于理解DCS的特性☞一般来说，现场控制站中的主要设备是现场控制单元现场控制单元是 DCS 直接与生产过程进行信息交互的 I/O 处理系统，它的主要任务是进行数据采集及处理，对被控对象实施闭环反馈控制、顺序控制和批量控制用户可以根据不同的应用需求，选择配置不同的现场控制单元以构成现场控制站它可以是以面向连续生产的过程控制为主，辅以顺序逻辑控制，构成一个可以实现多种复杂控制方案的现场控制站；也可以是以顺序控制、联锁控制功能为主的现场控制站；还可以是一个对大批量过程信号进行总体信息采集的现场控制站☞现场控制站是一个可独立运行的计算机检测控制系统由于它是专为过程检测、控制而设计的通用型设备，所以其机柜、电源、输入输出通道和控制计算机等与一般的计算机系统有所不同。

1.机柜,➢现场控制站的机拒内部均装有多层机架，以供安装各种模块及电源之用为了给机柜内部的电子设备提供完善的电磁屏蔽，其外壳均采用金属材料 (如钢板或铝材)，并且活动部分 (如柜门与机柜主体) 之间要保证有良好的电气连接同时，机柜还要求可靠接地，接地电阻应小于 4Ω ➢为保证柜中电子设备的散热降温，一般柜内均装有风扇，以提供强制风冷同时为防止灰尘侵入，在与柜外进行空气交换时，要采用正压送风，将柜外低温空气经过滤网过滤后引入柜内➢在灰尘多、潮湿或有腐蚀性气体的场合 (例如安装在室外使用时)，一些厂家还提供有密封式机柜，冷却空气仅在机柜内循环，通过机柜外壳的散热叶片与外界交换热量为了保证在特别冷或热的室外环境下正常工作，还为这种密封式机柜设计了专门的空调装置，以保证柜内温度维持在正常值另外，现场控制站机柜内大多设有温度自动检测装置，当机柜内温度超过正常范围时，会产生报警信号2.电源,➢只有保持电源 ( 交流电源和直流电源 )稳定、可靠，才能确保现场控制站正常工作 ➢为了保证电源系统的可靠性，通常采取以下几种性措施 (1)每一个现场控制站均采用双电源供电，互为冗余 (2)如果现场控制站机拒附近有经常开关的大功率用电设备，应采用超级隔离变压器，将其初级、次级线圈间的屏蔽层可靠接地，以克服共模干扰的影响。

(3)如果电网电压波动很严重，应采用交流电子调压器，快速稳定供电电压4)在石油、化工等对连续性控制要求特别高的场合，应配有不间断供电电源 UPS，以保证供电的连续性现场控制站内各功能模块所需直流电源一般为±5V、±15V(或±12 V)、以及+24V ➢为增加直流电源系统的稳定性，一般可以采取以下几条措施 (1)为减少相互间的干扰，给主机供电与给现场设备供电的电源要在电气上隔离 (2)采用冗余的双电源方式给各功能模块供电 (3)一般由统一的主电源单元将交流电变为 24V 直流电供给柜内的直流母线，然后通过 DC-DC 转换方式将 24V 直流电源变换为子电源所需的电压，主电源一般采用 1:1 冗余配 置，而子电源一般采用 N:1 冗余配置3.控制计算机,➢控制计算机是现场控制站的核心，一般是由 CPU、存储器、输入 / 输出通道等基本部分组成 (1)CPU 尽管世界各地的DCS产品差别很大，但现场控制站大都采用Motorola公司 M68000 系列和Intel公司 80X86 系列的 CPU 产品为提高性能，在各生产厂家大都采用准 32 位或 32 位微处理器由于数据处理能力的提高，因此可以执行复杂的先进控制算法，如自动整定、预测控制、模糊控制和自适应控制等。

2)存储器 与其他计算机一样，控制计算机的存储器也分为RAM和ROM由于控制计算机在正常工作时运行的是一套固定的程序，DCS中大都采用了程序固化的办法，因此在控制计算机中 ROM 占有较大的比例有的系统甚至将用户组态的应用程序也固化在 ROM 中，只要一加电，控制站就可正常运行，使用更加方便，但修改组态时要复杂一些 ➢在一些采用冗余 CPU 的系统中，还特别设有双端口随机存储器，其中存放有过程输入输出数据、设定值和PID参数等两块 CPU 板均可分别对其进行读写，保证了双 CPU 间运行数据的同步当原先主 CPU 板出现故障时，原离线 CPU 板可立即接替工作，这样对生产过程不会产生任何扰动。