DCS的基本結(jié)構(gòu)及原理

1、DCSDCS的基本結(jié)構(gòu)及原理的基本結(jié)構(gòu)及原理o DCS的概念o DCS的結(jié)構(gòu)特點o DCS控制原理o DCS和儀表控制系統(tǒng)的區(qū)別主要內(nèi)容DCS的概念o DCS：Distributed Control Systemo 英文直譯為“分布式控制系統(tǒng)”。由于產(chǎn)品生產(chǎn)廠家眾多，系統(tǒng)設計不盡相同，功能和特點各具千秋，所以，對產(chǎn)品的命名也各顯特色。o 國內(nèi)在翻譯時，也有不同的稱呼：o 分散控制系統(tǒng)（Distributed Control System，簡稱 DCS）；o 集散控制系統(tǒng)（Total Distributed Control System，簡稱 TDCS或 TDC）；o 分布式計算機控制系統(tǒng)（Di

2、stributed Computer Control System，簡稱DCCS）。系統(tǒng)組成o三站一線：工程師站、操作員站、現(xiàn)場控制站、系統(tǒng)網(wǎng)絡工程師站o 對DCS進行進行離線的配置、組態(tài)工作和在線的系統(tǒng)監(jiān)督、控制、維護的網(wǎng)絡接點。o 主要功能：提供對DCS進行組態(tài)，配置工作的工具軟件，并在DCS在線運行時實時地監(jiān)視DCS網(wǎng)絡上各個節(jié)點的運行情況，使系統(tǒng)工程師可以通過工程師站及時調(diào)整系統(tǒng)配置及一些系統(tǒng)參數(shù)的設定，使DCS隨時處在最佳的工作狀態(tài)之下。操作員站o 處理一切與運行操作有關的人機界面（HIS, Human Interface Station, 或 OI , Operator Inter

3、face ,或MMI , Man Machine Interface）功能的網(wǎng)絡節(jié)點。o 主要功能：為系統(tǒng)的運行操作人員提供人機界面，使操作員可以通過操作員站及時了解現(xiàn)場運行狀態(tài)、各種運行參數(shù)的當前值、是否有異常情況發(fā)生等，并可通過輸入設備對工藝過程進行控制和調(diào)節(jié)，以保證生產(chǎn)過程的安全、可靠、高效、高質(zhì)?，F(xiàn)場控制站o 現(xiàn)場控制站是DCS的核心。o 對現(xiàn)場I/O處理并實現(xiàn)直接數(shù)字控制（DDC）功能的網(wǎng)絡節(jié)點。o 系統(tǒng)主要的控制功能由它來完成。系統(tǒng)的性能、可靠性等重要指標也都要依靠現(xiàn)場控制站保證。o 其設計、生產(chǎn)及安裝都有很高的要求。o 分散控制系統(tǒng)中的主要任務執(zhí)行者。系統(tǒng)網(wǎng)絡o 是連接系統(tǒng)各個站

4、的橋梁。o 由于DCS是由各種不同功能的站組成的，這些站之間必須實現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)傳輸，以實現(xiàn)系統(tǒng)總體的功能。o 系統(tǒng)網(wǎng)絡的實時性、可靠性和數(shù)據(jù)通信能力關系到整個系統(tǒng)的性能，特別是網(wǎng)絡的通信規(guī)約，關系到網(wǎng)絡通信的效率和系統(tǒng)功能的實現(xiàn)。o DCS得以實現(xiàn)的技術(shù)關鍵。分散控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本構(gòu)成o 基本構(gòu)成由現(xiàn)場級、控制級、監(jiān)控級、管理層四級構(gòu)成。o 現(xiàn)場級主要包括各種過程通道卡件或者模塊。o 控制級包括所有的過程站。o 監(jiān)控級包括工程師站、操作員站、歷史站和打印機等附屬設備。o 管理級包括管理計算機。o 四層中間相應的通信網(wǎng)絡由控制網(wǎng)絡（Cnet）、監(jiān)控網(wǎng)絡（Snet）、管理網(wǎng)絡（Mnet）三層網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

5、。 現(xiàn)場級-傳感器、變送器、執(zhí)行器等o 現(xiàn)場級設備一般位于被控生產(chǎn)過程的附近。典型的現(xiàn)場級設備是各類傳感器、變送器和執(zhí)行器，它們將生產(chǎn)過程中的各種物理量轉(zhuǎn)換為電信號。o 例：將 420mA的電信號（一般變送器）或符合現(xiàn)場總線協(xié)議的數(shù)字信號（現(xiàn)場總線變送器），送往控制站或數(shù)據(jù)采集站進行，將控制站輸出的控制量（420mA的電信號或現(xiàn)場總線數(shù)字信號）轉(zhuǎn)換成機械位移，帶動調(diào)節(jié)機構(gòu)，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制?，F(xiàn)場級-信號傳輸方式o 目前現(xiàn)場級的信息傳遞有三種方式：o 一種是傳統(tǒng)的 420mA（或者其他類型的模擬量信號）模擬量傳輸方式；o 一種是現(xiàn)場總線的全數(shù)字量傳輸方式；o 一種是在420mA模擬量信號上，

6、疊加上調(diào)制后的數(shù)字量信號的混合傳輸方式。o 現(xiàn)場信息以現(xiàn)場總線為基礎的數(shù)字傳輸是今后的發(fā)展方向。控制級-現(xiàn)場控制站o 控制級主要由現(xiàn)場控制站和數(shù)據(jù)采集站構(gòu)成。一般在電廠中，把現(xiàn)場控制站和數(shù)據(jù)采集站集中安裝在位于主控室后的電子設備室中。o 現(xiàn)場控制站接收由現(xiàn)場設備，如傳感器、變送器來的信號，按照一定的控制策略計算出所需的控制量，并送回到現(xiàn)場的執(zhí)行器中去?，F(xiàn)場控制站可以同時完成連續(xù)控制、順序控制或邏輯控制功能，也可能僅完成其中的一種控制功能?？刂萍?數(shù)據(jù)采集站o 數(shù)據(jù)采集站與現(xiàn)場控制站類似，也接收由現(xiàn)場設備送來的信號，并對其進行一些必要的轉(zhuǎn)換和處理之后送到分散型控制系統(tǒng)中的其它部分，主要是監(jiān)控級設

7、備中去。o 數(shù)據(jù)采集站接收大量的過程信息，并通過監(jiān)控級設備傳遞給運行人員。o 數(shù)據(jù)采集站不直接完成控制功能，這是它與現(xiàn)場控制站的主要區(qū)別。 o 電子間一般不再獨立設置，更多為遠程I/O站。監(jiān)控級o 監(jiān)控級的主要設備有操作員站、工程師站、歷史站和計算站等。o 操作員站安裝在中央控制室。o 工程師站、歷史站和計算站一般安裝在電子設備室。監(jiān)控級-操作員站o 操作員站是運行員與分散控制系統(tǒng)相互交換信息的人機接口設備。o 運行人員通過操作員站來監(jiān)視和控制整個生產(chǎn)過程。o 運行人員可以在操作員站上觀察生產(chǎn)過程的運行情況，讀出每一個過程變量的數(shù)值和狀態(tài)，判斷每個控制回路是否工作正常，并且可以隨時進行手動/自

8、動控制方式的切換，修改給定值，調(diào)整控制量，操作現(xiàn)場設備，以實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的干預；監(jiān)控級-操作員站o 另外操作員站還可以打印各種報表，拷貝屏幕上的畫面和曲線等。o 為了實現(xiàn)以上功能，操作員站是由一臺具有較強圖形處理功能的微型機，以及相應的外部設備組成，一般配有大屏幕顯示器、大屏幕顯示裝置、打印機、鍵盤、鼠標或球標。監(jiān)控級-工程師站o 工程師站是為了控制工程師對分散控制系統(tǒng)進行配置、組態(tài)、調(diào)試、維護所設置的工作站。o 工程師站的另一個作用是對各種設計文件進行歸類和管理，形成各種設計文件，例如，各種圖紙、表格等。o 工程師站一般由PC機配置一定數(shù)量的外部設備所組成，例如打印機、繪圖機等。監(jiān)控級-歷史

9、站o 歷史站的主要任務是存儲過程控制的實時數(shù)據(jù)，實時報警，實時趨勢等與生產(chǎn)密切相關的數(shù)據(jù)，用來進行事故分析，性能優(yōu)化計算，故障診斷等；o 也可以通過歷史站實現(xiàn)與外部網(wǎng)絡的接口，使外部網(wǎng)絡不直接訪問DCS監(jiān)控網(wǎng)絡就可以獲得所需要的數(shù)據(jù)，即保證了開放性，又保證了安全性。 管理級-管理系統(tǒng)o 管理級包含的內(nèi)容比較廣泛，一般來說，它可能是一個發(fā)電廠的廠級管理計算機，也可能是若干個機組的管理計算機。o 它所面向的使用者是廠長、經(jīng)理、總工程師、值長等行政管理或運行管理人員。o 廠級管理系統(tǒng)的主要任務是監(jiān)測企業(yè)各部分的運行情況，利用歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)預測可能發(fā)生的各種情況，從企業(yè)全局利益出發(fā)輔助企業(yè)管理人員

10、進行決策，幫助企業(yè)實現(xiàn)其規(guī)劃目標。管理級-管理計算機o 對管理計算機的要求是：o 能夠?qū)刂葡到y(tǒng)做出高速反應的實時操作系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫。o 大量數(shù)據(jù)的高速處理與存儲，能夠連續(xù)運行可冗余的高可靠性系統(tǒng)，能夠長期保存生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并且具有優(yōu)良的、高性能的、方便的人機接口，豐富的數(shù)據(jù)庫管理軟件，過程數(shù)據(jù)收集軟件，人機接口軟件以及生產(chǎn)管理系統(tǒng)生成等工具軟件，實現(xiàn)整個工廠的網(wǎng)絡化和計算機的集成化。管理級-實時監(jiān)控和日常管理o 管理級也可分成實時監(jiān)控和日常管理兩部分。o 實時監(jiān)控是全廠各機組和公用輔助工藝系統(tǒng)的運行管理層，承擔全廠性能監(jiān)視、運行優(yōu)化、全廠負荷分配和日常運行管理等任務，即監(jiān)控信息系統(tǒng)（SIS）。o

11、日常管理承擔全廠的管理決策、計劃管理、行政管理等任務，即管理信息系統(tǒng)（MIS）。系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)通信介質(zhì)DCS網(wǎng)絡o 在早期的DCS中，傳統(tǒng)的分散控制系統(tǒng)多采用制造商自行開發(fā)的專用計算機網(wǎng)絡。o 網(wǎng)絡的覆蓋范圍上至用戶的廠級管理信息系統(tǒng)，下至現(xiàn)場控制站的I/O子系統(tǒng)。o 系統(tǒng)網(wǎng)絡，包括其硬件和軟件，都是各個廠家專門設計的專有產(chǎn)品。網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展o 近年來，隨著技術(shù)的發(fā)展，分散控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡有了長足的進步。很多標準的網(wǎng)絡產(chǎn)品陸續(xù)推出，特別是以太網(wǎng)逐步成為事實上的工業(yè)標準，越來越多的DCS廠家直接采用了以太網(wǎng)作為系統(tǒng)網(wǎng)絡。DCS網(wǎng)絡與互聯(lián)網(wǎng)的融合o 隨著網(wǎng)絡技術(shù)的不斷進步，集散控制系統(tǒng)的上層將與國際互

12、聯(lián)網(wǎng)Internet融合在一起，而下層將采用現(xiàn)場總線通信技術(shù)，使通信網(wǎng)絡延伸到現(xiàn)場。o 最終實現(xiàn): 以現(xiàn)場總線為基礎的底層網(wǎng)Infranet 以局域網(wǎng)為基礎的企業(yè)網(wǎng)Intranet 以廣域網(wǎng)為基礎的互聯(lián)網(wǎng)Internet 所構(gòu)成的三網(wǎng)融合的網(wǎng)絡架構(gòu)。分散控制系統(tǒng)信號流程過 程 通 道過 程 控 制 設 備過 程 通 道執(zhí) 行 機 構(gòu)檢 測 儀 表上 層 指 令上 層 顯 示系 統(tǒng) 網(wǎng) 絡功能結(jié)構(gòu)功能結(jié)構(gòu)o 從系統(tǒng)的功能角度上看，分散控制系統(tǒng)是一個多功能分級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系，分散控制系統(tǒng)按功能可劃分為經(jīng)營管理、生產(chǎn)管理、過程管理（監(jiān)督控制）、直接控制等四個層次級別。o o 應用中的DCS系統(tǒng)并

13、非全部具有上述四層功能。大多數(shù)應用系統(tǒng)，目前只配置和發(fā)揮到第一層和第二層中小規(guī)模上，少數(shù)應用系統(tǒng)使用到第三層功能，只在大規(guī)模的綜合控制系統(tǒng)中才應用到全部四層功能。 現(xiàn)場控制站組成o 現(xiàn)場控制站的硬件一般都采用專門的工業(yè)級計算機系統(tǒng)。o 主要包括兩部分：一部分是運算器（即主CPU）、存儲器等組成的計算機單元，稱之為邏輯部分或主控制器；另一部分是現(xiàn)場測量單元、執(zhí)行單元的輸入輸出設備，即過程量I/O或現(xiàn)場I/O，稱為過程通道。DCS的特點-數(shù)字方式1）數(shù)字方式o 從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式看，DCS確實與儀表控制系統(tǒng)相類似，它在現(xiàn)場端仍然采用模擬儀表的變送單元和執(zhí)行單元，在主控制室端是計算單元和顯示、記錄、給

14、定值等單元。o 但從實質(zhì)上DCS和儀表控制系統(tǒng)有著本質(zhì)的區(qū)別。DCS和儀表控制系統(tǒng)的區(qū)別o 首先，DCS是基于數(shù)字技術(shù)的，除了現(xiàn)場的變送和執(zhí)行單元外，其余均采用數(shù)字方式。o 而且，DCS的計算單元并不是針對每一個控制回路設置一個計算單元，而是將若干個控制回路集中在一起，由一個現(xiàn)場控制站來完成這些控制回路的計算功能。o 這樣的結(jié)構(gòu)形式不只是為了成本上的考慮。o 一個控制站執(zhí)行多個回路控制的結(jié)構(gòu)形式，是由于DCS的現(xiàn)場控制站有足夠的能力完成多個回路的控制計算。DCS有著極大的靈活性o 從功能上講，由一個現(xiàn)場控制站執(zhí)行多個控制回路的計算和控制功能更便于這些控制回路之間的協(xié)調(diào)，這在模擬儀表系統(tǒng)中是無法

15、實現(xiàn)的。o 一個現(xiàn)場控制站應該執(zhí)行多少個回路的控制，則與被控對象有關，系統(tǒng)設計師可以根據(jù)控制方法的要求具體安排在系統(tǒng)中使用多少個現(xiàn)場控制站，每個現(xiàn)場控制站中各安排哪些控制回路。在這方面，DCS有著極大的靈活性。DCS的特點-分散方式o 2）分散方式o 從儀表控制系統(tǒng)的角度看，DCS的最大特點在于其具有傳統(tǒng)模擬儀表所沒有的通信功能。o 從計算機控制系統(tǒng)的角度看，DCS的最大特點則在于它將整個系統(tǒng)的功能分成若干臺不同的計算機去完成，各個計算機之間通過網(wǎng)絡實現(xiàn)互相之間的協(xié)調(diào)和系統(tǒng)的集成。DCS的特點o 在DDC系統(tǒng)中，計算機的功能可分為檢測、計算、控制及人機界面等幾大塊。o 在DCS中，檢測、計算和

16、控制由現(xiàn)場控制站的計算機完成，而人機界面則由操作員站的計算機完成。這是兩類功能完全不同的計算機。o 一個系統(tǒng)有多臺現(xiàn)場控制站和多臺操作員站，每臺現(xiàn)場控制站或操作員站對部分被控對象實施控制或監(jiān)視。這種劃分是功能相同而范圍不同的計算機。DCS的特點o 因此，DCS中多臺計算機的劃分有功能上的，也有控制、監(jiān)視范圍上的。o 這兩種劃分就形成了DCS的“分布”一詞的含義。DCS的特點-數(shù)據(jù)庫o 3）數(shù)據(jù)庫o 系統(tǒng)總體數(shù)據(jù)庫是分散控制系統(tǒng)的核心，有了這個總體數(shù)據(jù)庫，分散控制系統(tǒng)才能真正實現(xiàn)資源共享。o 各控制站上存在分布式數(shù)據(jù)庫，僅包含各自站所需要的數(shù)據(jù)點信息。o 通過分散的數(shù)據(jù)采集和處理，在上位依據(jù)總數(shù)

17、據(jù)庫形成總體數(shù)據(jù)庫，這是分散控制系統(tǒng)的軟件核心。數(shù)據(jù)庫設計是分散控制系統(tǒng)的核心o 上位數(shù)據(jù)庫和下位數(shù)據(jù)庫要保持一致，避免沖突。o 數(shù)據(jù)庫組態(tài)也是整個分散控制系統(tǒng)設計的關鍵，如何合理的分配數(shù)據(jù)點，使各現(xiàn)場站結(jié)構(gòu)更合理，數(shù)據(jù)交換各合理，所以說，數(shù)據(jù)庫設計是分散控制系統(tǒng)的核心。o 數(shù)據(jù)庫確定后，才可以進行進一步的組態(tài)工作，所有的顯示、操作、報表、歷史記錄都是圍繞數(shù)據(jù)庫進行的。DCS的定義集散控制系統(tǒng)：集中顯示，分散控制。o 1）集中式數(shù)據(jù)庫，顯示管理整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)信息的集中管理，方便地進行資源共享。o 2）分散式處理單元，系統(tǒng)可以有多臺現(xiàn)場控制站，每臺控制一部分回路；DCS定義o 1）以回

18、路控制為主要功能的系統(tǒng)；o 2）除了變送器和執(zhí)行單元外，各種控制功能以及通信、人機界面均采用數(shù)字技術(shù)；o 3) 以計算機的CRT、鍵盤、鼠標/軌跡球代替儀表盤形成系統(tǒng)人機界面。o 4）回路控制功能由現(xiàn)場控制站完成，系統(tǒng)可以有多臺現(xiàn)場控制站，每臺控制一部分回路；o 5）人機界面由操作員站實現(xiàn)，系統(tǒng)可有多臺操作員站；o 6）系統(tǒng)中所有的現(xiàn)場控制站、操作員站均通過數(shù)字通信網(wǎng)絡實現(xiàn)連接。信號傳輸方式的演變o 機械氣動模擬電量數(shù)字電量o 基地式儀表發(fā)展到單元式組合儀表，從控制裝置發(fā)展到控制系統(tǒng)，引起這個根本變化或引起質(zhì)變的因素，是信號傳輸?shù)某霈F(xiàn)。o 也就是說，信號的傳輸技術(shù)造成了功能上的分工與配合，使控

19、制裝置演變成了控制系統(tǒng)。o 正是由于信號傳輸有著如此重要的作用，因此其標準的發(fā)展和演變就成為儀表控制系統(tǒng)的劃時代標志。信號傳輸方式的演變o 如氣動單元組合儀表的標志是20100 kPa的信號傳輸標準；o II型電動單元組合儀表的標志是010mA的信號傳輸標準；o 而III型電動單元組合儀表的標志則是420 mA的信號傳輸標準。o 而近年來受到控制工程界廣泛關注的現(xiàn)場總線標準，則是控制系統(tǒng)由模擬技術(shù)演進到數(shù)字技術(shù)后的新一代信號傳輸標準。 計算機可靠性對計算機控制系統(tǒng)的推進計算機可靠性對計算機控制系統(tǒng)的推進o 電子計算機是20世紀40年代誕生的，但直到1958年才開始進入控制領域。o 其在控制系統(tǒng)

20、中的發(fā)展歷程與計算機的可靠性有很著密切的聯(lián)系。o 計算機控制系統(tǒng)在電廠中的應用深度顯示了其于可靠性之間的關系。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)o 對于控制系統(tǒng)來講，尤其是對于控制生產(chǎn)過程這種系統(tǒng)，安全性是首要條件，這就要求新的系統(tǒng)不能影響系統(tǒng)的安全運行。w 因此最先得到應用的計算機系統(tǒng)是可靠性要求最低的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，即DAS（Data Acquisition System）。監(jiān)督控制系統(tǒng)o 隨著DAS的成功應用，并且顯示出了計算機系統(tǒng)在計算、顯示和記錄等方面的優(yōu)越性，工程人員對其產(chǎn)生了濃厚的興趣。w 并且隨著可靠性的提高，工程人員的信心也逐步增強，試圖進一步拓展其應用范圍，增加其應用功能，產(chǎn)生了監(jiān)督控制系統(tǒng)。直接

21、數(shù)字控制系統(tǒng)o 1960年4月在肯塔基州的一個化工廠投運的另一套計算機系統(tǒng)，除了完成現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)的監(jiān)視和設定值的功能外，還可以實際完成控制計算并實際輸出控制量。w 這就是第一個直接數(shù)字控制（DDC，Direct Digital Control）系統(tǒng)。這時侯工程人員對計算機的控制能力充滿信心，并將其付諸實際。 集中型計算機控制系統(tǒng)分散型計算機控制系統(tǒng)網(wǎng)絡技術(shù)的推進o 4C技術(shù)：DCS是“4C”技術(shù)的產(chǎn)物，即計算機技術(shù)（computer）、控制技術(shù)(control)、通信技術(shù)(communication)、CRT顯示技術(shù)。而其中對DCS產(chǎn)生和實現(xiàn)影響最強的是通信技術(shù)。o 在DCS之前，控制技術(shù)和計

22、算機技術(shù)已經(jīng)使直接控制技術(shù)付諸實現(xiàn)，可編程調(diào)節(jié)器和可編程控制器在現(xiàn)場得以應用。o CRT的誕生也使圖形顯示成為現(xiàn)實。網(wǎng)絡技術(shù)的推進o 與此同時，以數(shù)字式單回路調(diào)節(jié)器（SLC）和可編程序邏輯控制器（PLC）為代表的獨立DDC控制單元得到了比較廣泛的應用，在一些電廠控制系統(tǒng)改造中發(fā)揮了計算機控制系統(tǒng)的作用。o 這些技術(shù)促成了以直接控制計算機為中心的集中式控制系統(tǒng)的產(chǎn)生。數(shù)字式單回路調(diào)節(jié)器SLCo 在20世紀80年代前后，隨著大規(guī)模集成電路和微處理器的發(fā)展，在儀表控制系統(tǒng)中出現(xiàn)了一類新的產(chǎn)品，這就是以數(shù)字技術(shù)為主的單回路調(diào)節(jié)器SLC，即Single Loop Controller。o 這種產(chǎn)品以微處理器為核心，主要完成控制計算的功能。o 其最主要的用途是代替單元式組合儀表的計算、顯示及給定值等單元，而檢測、執(zhí)行等功能仍然由常