DCS控制系統(tǒng)講解(計算機(jī)控制系統(tǒng))

1、DCS控制系統(tǒng)第一章 自控儀表工基礎(chǔ)識圖在講DCS系統(tǒng)系統(tǒng)之前 , 先和大家一起回顧一下儀表工的基礎(chǔ)識 圖，對今后大家日后的學(xué)習(xí)，儀表、控制系統(tǒng)檢修維護(hù)都會有一定的 意義。1.1 儀表功能標(biāo)志1.1.1 儀表功能標(biāo)志組成 儀表的功能標(biāo)志由一個首位字母及一個或多個后繼字母組成。 示 例如下:例1 PI 功能標(biāo)志P 首位字母（表示被測變量）I 后繼字母（表示功能）例2 TIC 功能標(biāo)志T 首位字母（表示被測變量）IC 后繼字母（表示功能）表示連鎖功能）1.1.2 儀表功能字母代號儀表功能標(biāo)志的字母代號見表 1.1表 1.1 常用儀表功能字母代號首字母后繼字母被測變量修飾詞讀出功能輸出功能修飾詞A分

2、析報警C電導(dǎo)率控制F流量I電流指示H手動高L物位燈低P壓力RHFS記錄、 DCS趨勢S速度、頻率開關(guān)、連鎖T溫度1.2 儀表檢測流程圖常見圖形符號1.2.1 常用儀表流程圖符號及其含義a) 常規(guī)儀表b) 引入計算機(jī)或 DCS控制系統(tǒng)儀表1.3 儀表檢測流程圖識圖M圖1.1 工藝檢測控制流程圖1.4 儀表接線圖識圖(略)第二章 計算機(jī)控制系統(tǒng)及 DCS 基礎(chǔ)知識集散控制系統(tǒng) (Distributed Control System, DCS) 是計算機(jī)控 制系統(tǒng)的一種結(jié)構(gòu)形式。 計算機(jī)控制是以自動控制理論和計算機(jī)技術(shù) 為基礎(chǔ)的， 自動控制理論是計算機(jī)控制的理論支柱， 計算機(jī)技術(shù)的發(fā) 展又促進(jìn)了自動

3、控制理論的發(fā)展與應(yīng)用。 計算機(jī)控制系統(tǒng)有多種結(jié)構(gòu) 形式， DCS就是其中的一種。2.1 計算機(jī)控制系統(tǒng)基礎(chǔ)知識2.1.1 計算機(jī)控制系統(tǒng)的一般概念 計算機(jī)控制是關(guān)于計算機(jī)技術(shù)如何應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程自動化 的一門綜合性學(xué)問。 計算機(jī)控制的應(yīng)用領(lǐng)域是非常廣泛的， 從計算機(jī) 應(yīng)用的角度出發(fā)， 工業(yè)自動化是其重要的一個領(lǐng)域； 而從自動化的領(lǐng) 域來看，計算機(jī)控制系統(tǒng)又是其主要的實現(xiàn)手段?？梢哉f，計算機(jī)控 制系統(tǒng)與用于科學(xué)計算及數(shù)據(jù)處理的一般計算機(jī)是兩類不同用途、 不 同結(jié)構(gòu)組成的計算機(jī)系統(tǒng)。計算機(jī)控制系統(tǒng)是融計算機(jī)技術(shù)與工業(yè)過程控制于一體的綜合 性技術(shù)，它是在 常規(guī)儀表控制系統(tǒng) 的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。例如

4、：液位控制系統(tǒng)是一個基本的常規(guī)控制系統(tǒng)， 結(jié)構(gòu)組成如圖2.1 所示。系統(tǒng)中的測量變送器對被控對象進(jìn)行檢測，把被控量 （ 如 溫度、壓力、流量、液位、轉(zhuǎn)速、位移等物理量 ）轉(zhuǎn)換成電信號 （ 電流 或電壓 ）再反饋到控制器中?？刂破鲗⒋藴y量值與給定值進(jìn)行比較， 并按照一定的控制規(guī)律產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號驅(qū)動執(zhí)行器工作， 使被控圖 2.1 儲液罐液位控制系統(tǒng)圖 2.2 常規(guī)儀表控制系統(tǒng)原理框圖把圖2.2 中的控制器用控制計算機(jī)即計算機(jī)及其輸入 / 輸出通道 來代替就構(gòu)成了計算機(jī)控制系統(tǒng)。 這里，計算機(jī)采用的是數(shù)字信號傳 遞，而一次儀表多采用模擬信號傳遞。因此，系統(tǒng)中需要有將模擬信 號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的 模

5、/數(shù)(A/D) 轉(zhuǎn)換器和將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信 號的數(shù)/模(D/A)轉(zhuǎn)換器。圖2.3 中的A/D 轉(zhuǎn)換器與 D/A 轉(zhuǎn)換器就表征 了計算機(jī)控制系統(tǒng)這種典型的輸入 / 輸出通道一個完整的計算機(jī)控制系統(tǒng)是由 硬件和軟件兩大部分組成的圖 2.3 計算機(jī)控制系統(tǒng)原理框圖2.1.1.1 硬件組成計算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件一般由主機(jī)、 常規(guī)外部設(shè)備、 過程輸 入/ 輸出設(shè)備、操作臺和通信設(shè)備等組成，如圖 2.4所示圖 2.4 計算機(jī)控制系統(tǒng)硬件組成框圖1) 主機(jī)由中央處理器 (CPU)、內(nèi)存儲器 (RAM、 ROM和) 系統(tǒng)總線構(gòu)成的主 機(jī)是控制系統(tǒng)的核心。 主機(jī)根據(jù)過程輸入通道發(fā)送來的實時反映生產(chǎn) 過程工況的

6、各種信息，以及預(yù)定的控制算法，作出相應(yīng)的控制決策， 并通過過程輸出通道向生產(chǎn)過程發(fā)送控制命令。主機(jī)所產(chǎn)生的各種控制是按照人們事先安排好的程序進(jìn)行的。 這 里，實現(xiàn)信號輸入、 運(yùn)算控制和命令輸出等功能的程序已預(yù)先存入內(nèi) 存，當(dāng)系統(tǒng)啟動后， CPU 就從內(nèi)存中逐條取出指令并執(zhí)行，以達(dá)到控 制目的。2) 常規(guī)外部設(shè)備 常規(guī)外部設(shè)備由輸入設(shè)備、輸出設(shè)備和外存儲器等組成。 常規(guī)的輸入設(shè)備有鍵盤、光電輸入機(jī)等，主要用來輸入程序、數(shù) 據(jù)和操作命令。常規(guī)的輸出設(shè)備有打印機(jī)、繪圖機(jī)、顯示器 (CRT 顯示器或數(shù)碼 顯示器)等，主要用來把各種信息和數(shù)據(jù)提供給操作者。外存儲器有磁盤裝置 （ 軟盤、硬盤和半導(dǎo)體盤 ）

7、 、磁帶裝置，兼有 輸入/ 輸出兩種功能，主要用于存儲系統(tǒng)程序和數(shù)據(jù)。外部設(shè)備與主機(jī)組成的計算機(jī)基本系統(tǒng) （ 即通常所言的計算機(jī) ） ， 用于一般的科學(xué)計算和管理是可以滿足要求的， 但是用于工業(yè)過程控 制，則必須增加過程輸入 / 輸出設(shè)備。3）過程輸入/輸出設(shè)備（I/O 設(shè)備）過程輸入 / 輸出設(shè)備是在計算機(jī)與工業(yè)對象之間起著信息傳遞和 轉(zhuǎn)換作用的裝置， 除了其中的測量變送單元和信號驅(qū)動單元屬于自動 化儀表的范疇外，主要是指過程輸入 /輸出通道（簡稱過程通道 ）。過程輸入通道包括模擬量輸入通道 （ 簡稱A/D 通道）和數(shù)字量輸 入通道 （簡稱DI 通道） ，分別用來輸入模擬量信號 （如溫度、壓

8、力、流 量、液位等 ）和開關(guān)量信號 （ 繼電器觸點、行程開關(guān)、按鈕等 ）或數(shù)字 量信號 （如轉(zhuǎn)速、流量脈沖、 BCD 碼等）。過程輸出通道包括模擬量輸出通道 （ 簡稱D/A 通道）和數(shù)字量輸 出通道 （簡稱DO 通道） ，D/A 通道把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號后再輸 出，DO 通道則直接輸出開關(guān)量信號或數(shù)字量信號。4）操作臺 操作臺是操作員與系統(tǒng)之間進(jìn)行人機(jī)對話的信息交換工具， 一般 由顯示器 （ 或LED等其他顯示器 ） 、鍵盤、開關(guān)和指示燈等構(gòu)成。操作 員通過操作臺可以了解與控制整個系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。操作員分為系統(tǒng)操作員與生產(chǎn)操作員兩種。 系統(tǒng)操作員負(fù)責(zé)建立 和修改控制系統(tǒng)， 如編制程序和系統(tǒng)

9、組態(tài)； 生產(chǎn)操作員負(fù)責(zé)與生產(chǎn)過 程運(yùn)行有關(guān)的操作。 為了安全和方便， 系統(tǒng)操作員和生產(chǎn)操作員的操 作設(shè)備一般是分開的。5) 接口電路主機(jī)與外圍設(shè)備 ( 包括常規(guī)外部設(shè)備和過程通道 ) 之間，因為外設(shè) 結(jié)構(gòu)、信息種類、 傳送方式、傳送速度的不同而不能直接通過總線相 連，必須通過其間的橋梁接口電路來傳送信息和命令。 計算機(jī)控 制系統(tǒng)有各種不同的接口電路，一般分為并行接口、串行接口、管理 接口和專用接口等幾類。6) 通信設(shè)備現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)過程的規(guī)模一般比較大， 其控制與管理也很復(fù)雜， 往往需要幾臺或幾十臺計算機(jī)才能分級完成控制和管理任務(wù)。這樣， 在不同地理位置、 不同功能的計算機(jī)之間就需要通過通信設(shè)

10、備連接成 網(wǎng)絡(luò)，以進(jìn)行信息交換。2.1.1.2 軟件上述硬件只能構(gòu)成計算機(jī)控制系統(tǒng)的軀體。 要使計算機(jī)正確地運(yùn) 行以解決各種問題，必須為它編制各種程序。 軟件是各種程序的統(tǒng)稱， 是控制系統(tǒng)的靈魂。因此，軟件的優(yōu)劣直接關(guān)系到計算機(jī)的正常運(yùn)行、 硬件功能的充分發(fā)揮及其推廣應(yīng)用。 軟件通常分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟 件兩大類。系統(tǒng)軟件是一組支持系統(tǒng)開發(fā)、測試、運(yùn)行和維護(hù)的工具軟件， 核心是操作系統(tǒng)，還有編程語言等輔助工具。在計算機(jī)控制系統(tǒng)中， 為了滿足實時處理的要求， 通常采用實時多任務(wù)操作系統(tǒng)。 在這種操 作環(huán)境下， 要求將應(yīng)用系統(tǒng)中的各種功能劃成若干任務(wù)， 并按其重要 性賦予不同的優(yōu)先級， 各任務(wù)的運(yùn)

11、行進(jìn)程及相互間的信息交換由實時 多任務(wù)操作系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制。 另外系統(tǒng)提供的編程語言一般為面向過程 或?qū)ο蟮膶Ｓ谜Z言或編譯類語言。系統(tǒng)軟件一般由計算機(jī)廠商以產(chǎn)品形式向用戶提供。 應(yīng)用軟件是系統(tǒng)設(shè)計人員利用編程語言或開發(fā)工具編制的可執(zhí) 行程序。對于不同的控制對象， 控制和管理軟件的復(fù)雜程度差別很大。 但在一般的計算機(jī)控制系統(tǒng)中， 以下幾類功能模塊是必不可少的： 過 程輸入模塊、基本運(yùn)算模塊、控制算法模塊、報警限幅模塊、過程輸 出模塊、數(shù)據(jù)管理模塊等。作為系統(tǒng)設(shè)計人員只有首先了解并會使用系統(tǒng)軟件， 才能編制出 較好的應(yīng)用軟件。 而設(shè)計開發(fā)應(yīng)用軟件， 已成為當(dāng)前計算機(jī)控制應(yīng)用 領(lǐng)域中最重要的一個方面。2

12、.1.2 計算機(jī)控制系統(tǒng)的分類計算機(jī)控制系統(tǒng)與所控制的生產(chǎn)過程密切相關(guān)， 根據(jù)生產(chǎn)過程的 復(fù)雜程度和工藝要求的不同， 系統(tǒng)設(shè)計者可采用不同的控制方案。 現(xiàn) 從控制目的、系統(tǒng)構(gòu)成的角度介紹幾種不同類型的計算機(jī)控制系統(tǒng)。2.1.2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) (DAS)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) (Data Acquisition System， DAS)是計算機(jī)應(yīng)用于生產(chǎn)過程控制最早、也是最基本的一種類型，如圖 2.5 所示圖 2.5 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2.1.2.2 操作指導(dǎo)控制系統(tǒng) (OGC)操作指導(dǎo)控制 (Operation Guide Control ， OGC系) 統(tǒng)是基于數(shù)據(jù) 采集系統(tǒng)的一種開環(huán)系統(tǒng)， 如圖 2.

13、6 所示。計算機(jī)根據(jù)采集到的數(shù)據(jù) 以及工藝要求進(jìn)行最優(yōu)化計算， 計算出的最優(yōu)操作條件， 并不直接輸 出控制生產(chǎn)過程， 而是顯示或打印出來， 操作人員據(jù)此去改變各個控 制器的給定值或操作執(zhí)行器，如此達(dá)到操作指導(dǎo)的作用。顯然，這屬 于計算機(jī)離線最優(yōu)控制的一種形式。2.1.2.3 直接數(shù)字控制系統(tǒng) (DDC)直接數(shù)字控制 (Direct Digital Control， DDC系) 統(tǒng)是用一臺計 算機(jī)不僅完成對多個被控參數(shù)的數(shù)據(jù)采集， 而且能按一定的控制規(guī)律 進(jìn)行實時決策， 并通過過程輸出通道發(fā)出控制信號， 實現(xiàn)對生產(chǎn)過程 的閉環(huán)控制，如圖 2.7 所示。為了操作方便， DDC系統(tǒng)還配置一個包 括給

14、定、顯示、報警等功能的操作控制臺。圖 2.7 直接數(shù)字控制系統(tǒng)2.1.2.4 分散控制系統(tǒng) (DCS)隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大， 信息量的增多， 控制和管理的關(guān)系日趨密 切。對于大型企業(yè)生產(chǎn)的控制和管理， 不可能只用一臺計算機(jī)來完成。 于是，人們研制出以多臺微型計算機(jī)為基礎(chǔ)的分散控制系統(tǒng) (Distributed Control System ，DCS)。DCS 采用分散控制、集中操 作、分級管理、 分而自治和綜合協(xié)調(diào)的設(shè)計原則，自下而上可以分為 若干級，如過程控制級、控制管理級、生產(chǎn)管理級和經(jīng)營管理級等。 DCS 又稱分布式或集散式控制系統(tǒng)。2.1.2.5 其他計算機(jī)控制系統(tǒng)如：可編程邏輯控制器(

15、 Programmable Logical Controller ， PLC)、可編 程調(diào)節(jié)器 (Programmable Controller ，PC)、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) (Fieldbus Control System 。FCS)等。2.2 集散控制系統(tǒng) (DCS)2.2.1 概念DDC將所有控制回路的計算都集中在主 CPU 中，這引起了可靠性 問題和實時性問題， 上節(jié)對此已有論述。 隨著系統(tǒng)功能要求的不斷增 加，性能要求的不斷提高和系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大， 這兩個問題更加突 出。經(jīng)過多年的探索，在 1975 年出現(xiàn)了 DCS，這是一種結(jié)合了儀表控 制系統(tǒng)和DDC兩者的優(yōu)勢而出現(xiàn)的全新控制系統(tǒng)

16、， 它很好地解決了 DDC 存在的兩個問題。 如果說， DDC是 計算機(jī)進(jìn)入控制領(lǐng)域后出現(xiàn)的新型 控制系統(tǒng)，那么 DCS 則是網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入控制領(lǐng)域后出現(xiàn)的新型控制系統(tǒng)。DCS是集散控制系統(tǒng) (Distributed Control System)的簡稱，國內(nèi)一般又習(xí)慣稱為分散控制系統(tǒng)、 分布式控制系統(tǒng)。 它是一個由過程 控制級和過程監(jiān)控級組成的以通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶的多級計算機(jī)系統(tǒng)， 綜 合了計算機(jī) (Computer) 、通訊 (Communication) 、顯示(CRT)和控制 (Control) 等 4C技術(shù)，其基本思想是分散控制、 集中操作、分級管理、 配置靈活、組態(tài)方便。2.2.2 DCS

17、的結(jié)構(gòu)形式從結(jié)構(gòu)上劃分， DCS包括過程級、操作級和。過程級主要由過程 控制站、 I/O 單元組成，是系統(tǒng)控制功能的主要實施部分。操作級包 括：操作員站和工程師站等，完成系統(tǒng)的操作和 組態(tài)。管理級主要是 指工廠管理信息系統(tǒng)( MIS系統(tǒng))，作為 DCS更高層次的應(yīng)用。圖 2.8 DCS 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)過程級在現(xiàn)場的表現(xiàn)形式多為過程控制站，過程控制站是 DCS系 統(tǒng)的核心DCS的過程控制站是一個完整的計算機(jī)系統(tǒng)，主要由電源、 CPU （中央處理器）、網(wǎng)絡(luò)接口和 I/O 組成I （ Input 輸入） /O（ Output 輸出）：控制系統(tǒng)需要建立信號的輸 入和輸出通道，這就是 I/O 。DCS中的

18、I/O 一般是模塊化的，一個 I/O 模塊上有一個或多個 I/O 通道，用來連接傳感器和執(zhí)行器 （調(diào)節(jié)閥）。I/O 單元：通常，一個過程控制站是有幾個機(jī)架組成，每個機(jī)架 可以擺放一定數(shù)量的模塊。 CPU所在的機(jī)架被稱為 CPU單元， 同一個過 程站中只能有一套 CPU單元，其用來擺放 I/O 模塊的機(jī)架就是 I/O 單元。2.2.3 DCS的特點A）分散性和集中性DCS 分散性的含義是廣義的，不單是分散控制，還有地域分散、 設(shè)備分散、 功能分散和危險分散的含義。 分散的目的是為了使危險分 散，進(jìn)而提高系統(tǒng)的可靠性和安全性。DCS 硬件積木化和軟件模塊化是分散性的具體體現(xiàn)。因此，可以 因地制宜地

19、分散配置系統(tǒng)。 DCS 橫向分子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)， 如直接控制層中 一臺過程控制站 (PCS)可看作一個子系統(tǒng)；操作監(jiān)控層中的一臺操作 員站 (OS)也可看作一個子系統(tǒng)。DCS 的集中性是指集中監(jiān)視、 集中操作和集中管理。 DCS通信網(wǎng)絡(luò) 和分布式數(shù)據(jù)庫是集中性的具體體現(xiàn)， 用通信網(wǎng)絡(luò)把物理分散的設(shè)備 構(gòu)成統(tǒng)一的整體， 用分布式數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)全系統(tǒng)的信息集成， 進(jìn)而達(dá)到 信息共享。因此， 可以同時在多臺操作員站上實現(xiàn)集中監(jiān)視、集中操 作和集中管理。當(dāng)然，操作員站的地理位置不必強(qiáng)求集中。B) 自治性和協(xié)調(diào)性DCS 的自治性是指系統(tǒng)中的各臺計算機(jī)均可獨立地工作，例如， 過程控制站能自主地進(jìn)行信號輸入、運(yùn)算、控

20、制和輸出；操作員站能 自主地實現(xiàn)監(jiān)視、操作和管理；工程師站的組態(tài)功能更為獨立，既可 在線組態(tài)， 也可離線組態(tài)， 甚至可以在與組態(tài)軟件兼容的其他計算機(jī) 上組態(tài)，形成組態(tài)文件后再裝入 DCS運(yùn) 行。DCS 的協(xié)調(diào)性是指系統(tǒng)中的各臺計算機(jī)用通信網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)在一起， 相互傳送信息，相互協(xié)調(diào)工作，以實現(xiàn)系統(tǒng)的總體功能。 DCS的分散 和集中、自治和協(xié)調(diào)不是互相對立，而是互相補(bǔ)充。 DCS 的分散是相 互協(xié)調(diào)的分散， 各臺分散的自主設(shè)備是在統(tǒng)一集中管理和協(xié)調(diào)下各自 分散獨立地工作， 構(gòu)成統(tǒng)一的有機(jī)整體。 正因為有了這種分散和集中 的設(shè)計思想，自治和協(xié)調(diào)的設(shè)計原則，才使 DCS獲得進(jìn)一步發(fā)展，并 得到廣泛地應(yīng)用。C）靈活性和擴(kuò)展性置D）這DCS 硬件采用積木式結(jié)構(gòu)，類似兒童搭積木那樣，可靈活地配置 成小、中、大各類系統(tǒng)。另外，還可根據(jù)企業(yè)的財力或生產(chǎn)要求，逐 步擴(kuò)展系統(tǒng)，改變系統(tǒng)的配置。 DCS軟件采用模塊式結(jié)構(gòu)，提供各類 功能模塊，可靈活地組態(tài)構(gòu)成簡單、復(fù)雜各類控制系統(tǒng)。另外，還可 根據(jù)生產(chǎn)工藝和流程的改變， 隨時修改控制方案， 在系統(tǒng)容量允許范 圍內(nèi)，只需通過組態(tài)就可以構(gòu)成新的控制方案， 而不需要改變硬件配 先進(jìn)性和繼承性DCS 綜合了“ 4C”（ 計算機(jī)、控制、通信和屏幕顯示 ） 技術(shù)，隨著 4C”技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展。也就是說， DCS 硬件上采用先進(jìn)的