集散控制系統(tǒng)的組成特點(diǎn)與設(shè)計(jì)方法

集散控制系統(tǒng)的組成特點(diǎn)與設(shè)計(jì)方法作者：李易昭專業(yè)：測(cè)試計(jì)量與儀器

DCS的組成及特點(diǎn)

分層結(jié)構(gòu)分塊結(jié)構(gòu)DCS的硬件與軟件構(gòu)成DCS體系結(jié)構(gòu)技術(shù)特點(diǎn)

DCS的設(shè)計(jì)方法

總體設(shè)計(jì)初步設(shè)計(jì)詳細(xì)設(shè)計(jì)

基于單片機(jī)的DCS例解第一節(jié)、DCS的組成及特點(diǎn)一、分層結(jié)構(gòu)集散控制系統(tǒng)的構(gòu)成方式：分四個(gè)層次功能分層是集散控制系統(tǒng)的體系特征，反映了集散控制系統(tǒng)的“分散控制、集中管理”的特點(diǎn)。典型系統(tǒng)分為四個(gè)層次?，F(xiàn)場(chǎng)級(jí)：現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)Fnet(FieldNetwork)控制級(jí)：控制網(wǎng)絡(luò)Cnet(ControlNetwork)監(jiān)控級(jí)：監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)Snet(SuperVisionNetwork)管理級(jí)：管理網(wǎng)絡(luò)Mnet(ManagementNetwork)1、現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的功能采集過程數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；輸出過程操作命令；進(jìn)行直接數(shù)字控制；完成與過程裝置控制級(jí)的數(shù)據(jù)通信；對(duì)現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)的設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)和診斷。

現(xiàn)場(chǎng)級(jí)實(shí)現(xiàn)控制的前提：微處理器進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)變送器、傳感器和執(zhí)行器；現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用；部分或完全完成過程控制級(jí)的功能。2、控制級(jí)的功能

結(jié)構(gòu)：過程控制設(shè)備(下位機(jī))+I/O卡件

功能：進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和處理；數(shù)據(jù)的監(jiān)視和存儲(chǔ)；實(shí)施連續(xù)、批量或順序控制的運(yùn)算和輸出控制作用；數(shù)據(jù)和設(shè)備的自診斷；數(shù)據(jù)通信。3、監(jiān)控級(jí)的功能中央控制室：操作站、工程師站(上位機(jī))、打印機(jī)、計(jì)算站功能：數(shù)據(jù)顯示與記錄；過程操作（含組態(tài)操作、維護(hù)操作）；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和壓縮歸檔；報(bào)警、事件的診斷和處理；系統(tǒng)組態(tài)、維護(hù)和優(yōu)化處理；數(shù)據(jù)通信；報(bào)表打印和畫面硬拷貝。

4、全廠優(yōu)化和調(diào)度管理級(jí)的功能從系統(tǒng)的觀點(diǎn)：原料銷售；優(yōu)化協(xié)調(diào)功能：優(yōu)化控制；協(xié)調(diào)和調(diào)度各車間生產(chǎn)計(jì)劃和各部門的聯(lián)系；主要數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)和打?。粩?shù)據(jù)通信。

二、集散控制系統(tǒng)的構(gòu)成方式二：分塊結(jié)構(gòu)

集散系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)：“三大塊”（1）分散過程控制裝置（2）操作管理裝置（3）通信系統(tǒng)（1）分散過程控制裝置(下位機(jī))

是集散控制系統(tǒng)與生產(chǎn)過程間的界面，即過程界面。

過程變量→分散過程控制裝置→操作監(jiān)視的數(shù)據(jù)操作信息→分散過程控制裝置→執(zhí)行機(jī)構(gòu)。數(shù)/模、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、控制算法、軟件濾波等分散過程控制裝置部分的特征適應(yīng)惡劣的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境；分散控制，監(jiān)視和控制分離；實(shí)時(shí)性；獨(dú)立性和可靠性要求高。（2）操作管理裝置(上位機(jī))

是集散控制系統(tǒng)與操作人員、管理人員間的界面，即人機(jī)界面。監(jiān)視和操作。

集中操作和管理系統(tǒng)部分特征：信息量大；易操作性；容錯(cuò)性好；（3）通信系統(tǒng)通訊系統(tǒng)：

是分散過程控制裝置與操作管理裝置之間數(shù)據(jù)傳遞和交換的橋梁。

通信系統(tǒng)部分特征

開放性：上層與其他廠商產(chǎn)品間互操作性：下層與其他廠商變送器、執(zhí)行器間傳輸速率誤碼率三、

DCS的硬件與軟件構(gòu)成1、DCS的基本構(gòu)成四大基本部分：現(xiàn)場(chǎng)控制站；操作員站；工程師站；系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)其他：擴(kuò)充功能站；總線網(wǎng)絡(luò)等等

2DCS的軟件構(gòu)成

按所附屬的硬件分類現(xiàn)場(chǎng)控制站軟件；操作員站軟件；工程師站軟件；網(wǎng)絡(luò)軟件按DCS軟件運(yùn)行時(shí)機(jī)和環(huán)境分類：在線運(yùn)行軟件；離線開發(fā)軟件；現(xiàn)場(chǎng)控制站軟件：操作員站軟件工程師站軟件其他功能站的軟件數(shù)據(jù)服務(wù)器軟件；歷史數(shù)據(jù)軟件；網(wǎng)絡(luò)通信軟件等。四、

DCS的體系結(jié)構(gòu)的技術(shù)特點(diǎn)1信息集成化1）DCS系統(tǒng)各站通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息交換；2）系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)注重實(shí)時(shí)性、可靠性和數(shù)據(jù)通信能力；3）網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議對(duì)系統(tǒng)性能有重要影響；4）DCS的網(wǎng)絡(luò)通信不僅要注意數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰?，還要注重考慮信息的表達(dá)方式。2控制功能的分散化1）從儀表的角度看，DCS具備了傳統(tǒng)儀表不具備的通信功能；2）從計(jì)算機(jī)的角度看，DCS將系統(tǒng)功能分散到不同設(shè)備中完成，并通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換與協(xié)調(diào)；3）DCS的檢測(cè)、計(jì)算與控制在現(xiàn)場(chǎng)控制站完成，人機(jī)界面由操作站實(shí)現(xiàn)；4）DCS系統(tǒng)有多臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)控制站、操作站，分別對(duì)各自控制對(duì)象實(shí)施控制與監(jiān)視。第二節(jié)、集散型控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法DCS是綜合性很強(qiáng)的控制系統(tǒng)，它采用諸多復(fù)雜的計(jì)算機(jī)技術(shù)、各種類型的通信技術(shù)、電子與電氣技術(shù)以及控制系統(tǒng)技術(shù)。DCS所控制的往往都是大范圍的對(duì)象，涉及各種類型的控制、監(jiān)視和保護(hù)功能。DCS在應(yīng)用過程中有各種技術(shù)人員和管理人員參與。DCS是針對(duì)某一工藝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本章將從工程設(shè)計(jì)程序的角度來說明這些問題。通常把工程設(shè)計(jì)分成以下幾個(gè)階段：總體設(shè)計(jì)初步設(shè)計(jì)詳細(xì)設(shè)計(jì)一、總體設(shè)計(jì)在工程設(shè)計(jì)的開始階段，要對(duì)DCS所應(yīng)完成的基本任務(wù)做出設(shè)計(jì)，這時(shí)的設(shè)計(jì)實(shí)際上是對(duì)DCS的功能提出要求，這些功能通常是由用戶提出。

1.DCS的控制范圍

設(shè)備的形式、作用、復(fù)雜程度決定了該設(shè)備是否適合采用DCS控制。

2.DCS的控制深度

幾乎任何一臺(tái)主要設(shè)備都不是完全受DCS控制，只是部分受DCS控制。

3.DCS的控制方式

即DCS的運(yùn)行方式，要確定以下內(nèi)容：人機(jī)接口的數(shù)量，輔助設(shè)備的數(shù)量，DCS的分散程度。

在設(shè)計(jì)的過程中要經(jīng)常權(quán)衡性能與價(jià)格兩方面的因素，設(shè)計(jì)的級(jí)別越高，需要權(quán)衡的問題就越多，從經(jīng)濟(jì)方面來說，總體設(shè)計(jì)的意義重大就在于此。

二、初步設(shè)計(jì)

初步設(shè)計(jì)是介于總體設(shè)計(jì)與詳細(xì)設(shè)計(jì)之間的設(shè)計(jì)，其基本任務(wù)是在總體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，為DCS的每一個(gè)部分做出典型的設(shè)計(jì)，為DCS所控制的每一個(gè)工藝環(huán)節(jié)提出基本的控制方案。

1.初步設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容硬件初步設(shè)計(jì)的內(nèi)容滿足已基本確定的工程對(duì)DCS硬件的要求，及DCS對(duì)相關(guān)接口的要求。即確定系統(tǒng)I/O點(diǎn)，確定DCS硬件。軟件初步設(shè)計(jì)的內(nèi)容設(shè)計(jì)的結(jié)果應(yīng)使工程師可以在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)組態(tài)圖。人機(jī)接口設(shè)計(jì)的內(nèi)容決定了今后工程設(shè)計(jì)的風(fēng)格。三、詳細(xì)設(shè)計(jì)詳細(xì)設(shè)計(jì)是初步設(shè)計(jì)在DCS上的具體實(shí)現(xiàn)。

詳細(xì)設(shè)計(jì)具有下面的特點(diǎn)：

(1)詳細(xì)設(shè)計(jì)更針對(duì)DCS，而不是工藝過程。

(2)詳細(xì)設(shè)計(jì)與初步設(shè)計(jì)是相互聯(lián)系。

(3)詳細(xì)設(shè)計(jì)從DCS設(shè)備出發(fā)。

(4)與其他的設(shè)計(jì)不同，DCS詳細(xì)設(shè)計(jì)的結(jié)果有兩個(gè)：一是設(shè)計(jì)的組態(tài)結(jié)果，二是對(duì)設(shè)計(jì)的說明，而后者往往容易被忽視。

第三節(jié)、基于單片機(jī)的小型DCS系統(tǒng)例解

基于PC機(jī)與單片機(jī)的合成氨DCS隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是隨著大規(guī)模集成電路大量出現(xiàn)的微型計(jì)算機(jī)，給各工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域帶來了一次新的技術(shù)革命。該例采用了以單片機(jī)為核心的智能化儀表(簡(jiǎn)稱下位機(jī))與工業(yè)PC機(jī)（簡(jiǎn)稱上位機(jī)）組成的分布型微機(jī)控制系統(tǒng)，自1995年開始成功應(yīng)用于聯(lián)堿生產(chǎn)系統(tǒng)，1997年起先后在公司的變換、合成氨、精煉、鍋爐、復(fù)合肥等車間崗位得到廣泛應(yīng)用。這樣大大提高了自動(dòng)化水平和管理平，為化肥廠的節(jié)能降耗和提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益起到了積極作用?，F(xiàn)主要介紹DCS在合成氨廠的應(yīng)用。一、體系結(jié)構(gòu)與選擇工控系統(tǒng)采用了分布式控制方案，分上下兩層系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖：上位機(jī)采用工業(yè)PC機(jī)（也可用普通PC機(jī)代用），配置CKICC工控軟件，下位機(jī)是采用以MCS-51系列單片機(jī)為核心的智能數(shù)字儀表，采用RS485通訊總線，將各下位機(jī)和上位機(jī)連成一個(gè)整體。上機(jī)一般2～6臺(tái)PC機(jī)并用，互為備用。下位機(jī)采用多臺(tái)，可采用冗余。每臺(tái)下位機(jī)均使用獨(dú)立CPU、顯示器和鍵盤，若一機(jī)有故障，不影響其他分的運(yùn)行，互為備用，真正達(dá)到危險(xiǎn)分散，管理集中的要求。

系統(tǒng)功能概述

具有普通DCS相同的功能，根據(jù)合成氨廠生產(chǎn)特點(diǎn)要求還有如下諸多功能：

1）遠(yuǎn)程通訊功能。下位機(jī)與PC機(jī)之間，或者下位機(jī)與下位機(jī)之間，或PC機(jī)與PC機(jī)之間，均可允許1200m間隔距離，再用通訊線連成一體。信息同步顯示于控制室、調(diào)度室。

2）每個(gè)下位機(jī)均可獨(dú)立工作。即不僅具有數(shù)據(jù)采集和控制功能，還具有完整的顯示功能和鍵盤輸入功能，通常下位機(jī)安裝于現(xiàn)場(chǎng)，用總線（BUS）連到總控室，可省大量訊號(hào)線。平時(shí)可在總控室集中操作管理，在開停車或生產(chǎn)不正常時(shí)，操作工也可以在現(xiàn)場(chǎng)操作、就地控制。

3）管控一體化功能。生產(chǎn)過程的各種數(shù)據(jù)狀況，能在控制室經(jīng)遠(yuǎn)程通訊接口用電纜或光纜送到車間辦公室、調(diào)度室、各職能管理辦公室等，并具有完備的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能，有利于生產(chǎn)管理者管理和控制一體化PC機(jī)功能

本系統(tǒng)的PC機(jī)用作系統(tǒng)的操作站，是人機(jī)信息交換的主要工其功能是：過程顯示和控制；實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集、顯示；模擬流程顯示和總貌顯示；數(shù)據(jù)的處理：歷史數(shù)據(jù)的顯示、統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示及打印、工藝指標(biāo)考核、報(bào)警信息的打印等；系統(tǒng)配置、設(shè)定：參數(shù)設(shè)置、下位機(jī)數(shù)據(jù)設(shè)置等；系統(tǒng)操作記錄：登錄、密碼、修改權(quán)限、操作記錄等。下位機(jī)功能下位機(jī)是一種智能化數(shù)字儀表，集數(shù)據(jù)采集、計(jì)算、控制、顯示、輸入、輸出、雙向通訊功能于一體，具體功能如下：

1）8通道模擬量輸入（作為數(shù)據(jù)采集儀使用時(shí)）。模擬量為以下一種或多種：熱電偶—K、E、S、B、J等分度；熱電阻—Pt100、Cu50等；過程變量—0～5V、1～5V、0～10mA、4～20mA、0～5A（AC）、0～100V（AC）等；輸出信號(hào)：4～20mA、5A/220V三態(tài)輸出、繼電器輸出；通訊標(biāo)準(zhǔn)：RS232、RS485。

2）回路控制功能（6通道AI+2通道輸出）。每臺(tái)下位機(jī)既能作為數(shù)據(jù)采集儀使用，也能作為控制儀使用。作控制儀使用時(shí)，其中兩個(gè)回路（1#、2#）可以實(shí)施PID控制。

3）自動(dòng)校準(zhǔn)和人工校準(zhǔn)功能。

4）全部參數(shù)可按鍵設(shè)定。參數(shù)調(diào)整不用打開機(jī)箱，只需調(diào)節(jié)面板上的8個(gè)按鈕，也可使用上位機(jī)通過監(jiān)控軟件調(diào)校下位機(jī)參數(shù)。參數(shù)設(shè)定值可永久保存。

5）下位機(jī)中采用E2PROM存儲(chǔ)各路數(shù)據(jù)的零位、滿度、線性校正值以及P、I、D控制參數(shù)等多種參數(shù)，與電位器相比，體積較小、可靠性高。

6）輸入信號(hào)點(diǎn)與點(diǎn)之間光電隔離、輸入信號(hào)與單片機(jī)和通訊之間光電隔離。各種輸入下位機(jī)信號(hào)全部采用光電隔離，現(xiàn)場(chǎng)的各種輸入信號(hào)可直接接到下位機(jī)的接線端子上。各點(diǎn)之間、各點(diǎn)與單片機(jī)之間具有抗1000V共模電壓能力、使下位機(jī)具有特強(qiáng)的抗干擾能力。下位機(jī)面板結(jié)構(gòu)二、系統(tǒng)硬件組成下位機(jī)硬件每臺(tái)下位機(jī)均由接線端子板、輸入調(diào)理板、CPU主板、操作顯示面板四部分構(gòu)成。

1）接線端子板。接線端子板有42個(gè)接線端子將各種信號(hào)輸入或?qū)⒖刂菩盘?hào)輸出。

2）輸入調(diào)理板。輸入調(diào)理板將輸入信號(hào)調(diào)理成統(tǒng)一的電平并經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換和光電隔離。

3）CPU主板。完成數(shù)字之間的運(yùn)算處理；完成數(shù)字之間的D/A轉(zhuǎn)換，一般轉(zhuǎn)換成4～20mA的電流信號(hào)；顯示信號(hào)的轉(zhuǎn)換并輸送到面板上。4）操作顯示面板。人機(jī)交流的主要界面之一，可以通過面板顯示如下信息：各通道PV值（模擬和數(shù)字顯示）；將其中一個(gè)控制回路切換到當(dāng)前活動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)行顯示或操作；SV、PID、A/M的顯示和設(shè)定；各參數(shù)的零位和滿度的設(shè)定；各參數(shù)的線性校正的表格查閱及修改。

PC機(jī)的硬件采用工業(yè)PC機(jī)或普通PC機(jī)，配置如下：品牌PC機(jī)（Dell）或兼容機(jī)，賽揚(yáng)2.0GHz以上CPU；中文Windows

2000或XP操作系統(tǒng)；內(nèi)存256M；40G以上硬盤容量；19′CRT或19′LCD，1024×768的分辨率；彩色噴墨打印機(jī)或針式打印機(jī)（可選）；多媒體音箱(可選)。通訊接口

通訊接口主要擔(dān)任上機(jī)與下機(jī)之間的信息交換、調(diào)度，使總線上的信息流通。其他其它硬件有：UPS（220V/5KVA、保持時(shí)間大約30min）電源、網(wǎng)絡(luò)器材等。三、系統(tǒng)軟件下位機(jī)軟件下位機(jī)軟件是用匯編語言編寫而成的，它包含了一個(gè)主程序和許多子程序。另外，還有三個(gè)中斷服務(wù)的子程序。主程序主要負(fù)責(zé)初始化下位機(jī)，并循環(huán)的對(duì)LED掃描顯示和鍵盤掃描。三個(gè)中斷服務(wù)子程序分別是：系統(tǒng)時(shí)間中斷；A/D轉(zhuǎn)換中斷；通訊服務(wù)中斷。上位機(jī)軟件上位機(jī)的CKICC工控軟件主要完成數(shù)據(jù)通訊，數(shù)據(jù)庫(kù)處理，人機(jī)對(duì)話；組態(tài)設(shè)置、數(shù)據(jù)設(shè)置、系統(tǒng)設(shè)置；下位機(jī)的零位、工程滿值顯示處理；PID參數(shù)設(shè)定；A/M、SV的傳送以及上位機(jī)各圖形畫面顯示處理等。

PC機(jī)的系統(tǒng)操作平臺(tái)為Windows

2000或XP。