第六章集散控制系統(tǒng)DCS

第六章集散控制系統(tǒng)

6.1概述

6.2浙大中控DCS系統(tǒng)硬件構成

6.3浙大中控DCS軟件組態(tài)6.1概述

6.1.1DCS系統(tǒng)的概念

6.1.2DCS系統(tǒng)的基本組成和特點6.1.3DCS系統(tǒng)的發(fā)展過程

6.1.4DCS典型產品6.1.1DCS系統(tǒng)的概念1958年開始陸續(xù)出現了有計算機組成的控制系統(tǒng)-DDC系統(tǒng)在人機界面、控制、計算等方面實現了數字化，但還保留現場模擬方式的變送單元和執(zhí)行單元。所有控制回路的計算都集中在主CPU中，引起了可靠性和實時性問題。1975年出現了DCS，結合了儀表控制系統(tǒng)和DDC兩者的優(yōu)勢很好的解決了DDC存在的兩個問題。在現場端仍采用模擬儀表的變送單元和執(zhí)行單元，其余都是基于數字技術的，均采用數字方式。以計算機的CRT、鍵盤、鼠標等代替儀表盤形成系統(tǒng)人機界面。人機界面由操作員站實現，系統(tǒng)可有多臺操作員站。回路控制功能有現場控制站完成，系統(tǒng)可由多臺現場控制站，每臺控制一部分回路。6.1概述

6.1.1DCS系統(tǒng)的概念

6.1.2DCS系統(tǒng)的基本組成和特點6.1.3DCS系統(tǒng)的發(fā)展過程

6.1.4DCS典型產品6.1.2DCS系統(tǒng)的基本組成和特點一、DCS系統(tǒng)的分層體系結構CG:6.1.2DCS系統(tǒng)的基本組成和特點直接控制層過程控制計算機直接與現場各類裝置相連，對所連接的裝置實施監(jiān)測、控制，向上與第二層的計算機相連，接收上層的管理信息，并向上傳遞裝置的特性數據和采集到的實時數據。過程管理層主要有監(jiān)控計算機、操作站、工程師站。綜合監(jiān)視過程各站的所有信息、集中顯示操作，控制回路組態(tài)和參數修改，優(yōu)化過程處理等。過程控制級操作監(jiān)控層一、DCS系統(tǒng)的分層體系結構6.1.2DCS系統(tǒng)的基本組成和特點生產管理層管理計算機根據產品各部件的特點，協調各單元級的參數設定，是產品的總體協調員和控制器。決策管理層這一級居于中央計算機上，并與辦公室自動化連接起來，擔負起全廠的總體協調管理，包括各類經營活動、人事管理等。產品管理級工廠總體管理和經營管理層一、DCS系統(tǒng)的分層體系結構6.1.2DCS系統(tǒng)的基本組成和特點二、DCS系統(tǒng)的基本構成四個大的組成部分：

現場控制站操作員站工程師站系統(tǒng)網絡6.1.2DCS系統(tǒng)的基本組成和特點二、DCS系統(tǒng)的基本構成6.1.2DCS系統(tǒng)的基本組成和特點現場控制站DCS的核心部分，對生產過程進行閉環(huán)控制，可控制數個至數十個回路，還可進行順序、邏輯和批量控制PCU-ProcessControlUnit二、DCS系統(tǒng)的基本構成操作員站OS-OperatingStation監(jiān)視操作、打印報表調出有關畫面，進行有關操作，如修改某個回路的給定值；改變某個回路的運行狀態(tài)；對某回路進行手工操作、確認報警和打印報表等。6.1.2DCS系統(tǒng)的基本組成和特點工程師站進行系統(tǒng)的組態(tài)、編程和監(jiān)視。ES-EngineerStation在系統(tǒng)運行之前所有的監(jiān)控點、控制回路、各種畫面、報警清單和工藝報警表均由技術人員通過工程師站進行組態(tài)。系統(tǒng)在線運行時，工程師站可以對DCS本身的運行進行監(jiān)視，能及時發(fā)現系統(tǒng)異常，并及時進行處置。二、DCS系統(tǒng)的基本構成6.1.2DCS系統(tǒng)的基本組成和特點系統(tǒng)網絡是連接系統(tǒng)各個站的橋梁。網絡的實時性、可靠性和數據通信能力關系到整個系統(tǒng)的性能;以太網應用的廣泛性和成熟性，特別是開放性，使得大多數DCS廠家都先后轉向了以太網。但網絡的高層規(guī)約方面，仍是DCS廠家自有的技術。二、DCS系統(tǒng)的基本構成服務器及其它功能站主要完成監(jiān)督控制的工作，在控制系統(tǒng)出現異常，需要實行人工干預6.1.2DCS系統(tǒng)的基本組成和特點二、DCS系統(tǒng)的基本構成6.1.2DCS系統(tǒng)的基本組成和特點1、分散性和集中性三、DCS系統(tǒng)的特點分散性：分散控制，地域分散、設備分散、功能分散和危險分散分散的目的是為了使危險分散，進而提高系統(tǒng)的可靠性和安全性。集中性：集中監(jiān)視、集中操作和集中管理通信網絡和分布式數據庫是集中性的具體體現，用通信網絡把物理分散的設備構成統(tǒng)一的整體，用分布式數據庫實現全系統(tǒng)的信息集成，進而達到信息共享。6.1.2DCS系統(tǒng)的基本組成和特點2、自治性和協調性三、DCS系統(tǒng)的特點自治性：各臺計算機均可獨立工作控制站可自主進行信號輸入、運算、控制和輸出；操作員站能自主地實現監(jiān)視、操作和管理；工程師站的組態(tài)可在線也可離線，或在其它計算機上進行，形成組態(tài)文件裝入DCS運行協調性：系統(tǒng)中的各臺計算機用通信網絡互聯在一起，相互傳送信息，相互協調工作，以實現系統(tǒng)的總體功能。6.1.2DCS系統(tǒng)的基本組成和特點3、靈活性和擴展性三、DCS系統(tǒng)的特點硬件采用積木式結構，可靈活配置成小、中、大各類系統(tǒng)。還可根據生產要求，逐步擴展系統(tǒng)，改變系統(tǒng)的配置。軟件采用模塊式結構，提供各類功能模塊，可靈活組態(tài)構成簡單、復雜各類控制系統(tǒng)?？筛鶕a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，只需通過組態(tài)就可以構成新的控制方案，不需要改變硬件配置。6.1.2DCS系統(tǒng)的基本組成和特點4、先進性和繼承性三、DCS系統(tǒng)的特點DCS綜合了“4C”（Computer，Control,Communication,CRT）技術，隨著4C技術的發(fā)展而發(fā)展。硬件上采用先進的計算機、通信網絡和屏幕顯示；軟件上采用先進的操作系統(tǒng)、數據庫、網絡管理和算法語言；算法上采用自適應、預測、推理、優(yōu)化等先進控制算法，建立生產過程數學模型和專家系統(tǒng)。DCS更新換代比較快，出現新型DCS時，老DCS作為新DCS的一個子系統(tǒng)繼續(xù)工作，還可互相傳遞信息，避免更新換代給用戶帶來不兼容和經濟損失。-繼承性6.1.2DCS系統(tǒng)的基本組成和特點5、可靠性和適應性三、DCS系統(tǒng)的特點DCS的分散性帶來系統(tǒng)的危險分散，提高了系統(tǒng)的可靠性；硬件上采用一系列冗余技術，控制站主機、I/O板、通信網絡和電源均可雙重化，且采用熱備份工作方式，自動檢測故障，一旦出現故障立即自動切換。硬件上采用高性能電子元器件、先進的生產工藝和各項抗干擾技術，可使DCS能夠適應惡劣的工作環(huán)境。軟件上安裝了一些列故障診斷和維護軟件，實時檢查系統(tǒng)的硬件和軟件故障，并采用故障屏蔽技術，使故障影響盡可能地小。6.1概述

6.1.1DCS系統(tǒng)的概念

6.1.2DCS系統(tǒng)的基本組成和特點

6.1.3DCS系統(tǒng)的發(fā)展過程

6.1.4DCS典型產品6.1.3DCS系統(tǒng)的發(fā)展過程一、DCS系統(tǒng)的發(fā)展趨勢系統(tǒng)功能從低層（現場控制層）逐步向高層（監(jiān)督控制、生產調度管理）擴展系統(tǒng)的控制功能由單一的回路控制逐步發(fā)展到綜合了邏輯控制、順序控制、程序控制、批量控制及配方控制等混合控制功能。構成系統(tǒng)的各個部分由DCS廠家專有的產品逐步改變?yōu)殚_放的市場采購的產品。開放的趨勢使得DCS廠家越來越重視采用公開標準，這使得第三方產品更加容易集成到系統(tǒng)中來。數字化的發(fā)展越來越向現場延伸，使得現場控制功能和系統(tǒng)體系結構發(fā)生重大變化，將發(fā)展成為更加智能化、更加分散化的新一代控制系統(tǒng)。6.1.3DCS系統(tǒng)的發(fā)展過程二、DCS系統(tǒng)的發(fā)展過程第一代DCS（初創(chuàng)期）1975—1980代表系統(tǒng)——Honeywell公司的TDC-2000四個組成部分，奠定了DCS的基礎體系結構注重控制功能的實現，設計的重點是現場控制站，控制功能成熟可靠人機界面功能相對較弱，操作站提供信息有限各廠家系統(tǒng)均有專有產品構成，包括高速數據通道、控制站等。造成價位高、系統(tǒng)的維護運行成本高，應用范圍受限。6.1.3DCS系統(tǒng)的發(fā)展過程二、DCS系統(tǒng)的發(fā)展過程第二代DCS（成熟期）1980—1985代表系統(tǒng)——Honeywell公司的TDC-3000引入局域網（LAN）作為系統(tǒng)骨干，系統(tǒng)的擴充更加方便。增加順序控制、邏輯控制等功能，加強了系統(tǒng)管理站的功能，可實現一些優(yōu)化控制和生產管理功能。網絡協議仍各自為政，不同廠家的系統(tǒng)不能進行數據交換。用戶圖形界面逐步豐富，提供更多生產現場信息和系統(tǒng)控制信息。6.1.3DCS系統(tǒng)的發(fā)展過程二、DCS系統(tǒng)的發(fā)展過程第三代DCS（擴展期）1985—代表系統(tǒng)——Foxboro公司的I/ASeries,Yokogawa的Centum-XL形成現代DCS的標準體系結構，直接控制、監(jiān)督控制和協調優(yōu)化、上層管理三層功能結構組態(tài)方面實現了標準化，IEC61131-3所定義的五種組態(tài)語言為大多數DCS廠家所采納。各廠家普遍采用了標準的網絡產品，如各種實時網絡和以太網等。6.1.3DCS系統(tǒng)的發(fā)展過程二、DCS系統(tǒng)的發(fā)展過程新一代DCS——FCS生產現場層進行變革將控制站內的軟功能模塊分散地分布在各臺現場數字儀表中，實現徹底的分散控制6.1概述

6.1.1DCS系統(tǒng)的概念

6.1.2DCS系統(tǒng)的基本組成和特點6.1.3DCS系統(tǒng)的發(fā)展過程

6.1.4DCS典型產品6.1.4DCS典型產品一、Honeywell公司的TDC-3000US:通用操作站GUS:全局用戶操作站6.1.4DCS典型產品一、Honeywell公司的TDC-30006.1.4DCS典型產品一、Honeywell公司的TDC-3000TDC-3000系統(tǒng)已形成了現場直接控制層（由DataHiway

和UCN連接的各種控制模塊組成）監(jiān)督控制層（由LCN連接的底層控制網和人機界面等功能單元組成）工廠管理層（由PCN連接的控制層功能和管理層功能所組成）三層清晰的體系結構Honeywell公司所推出的各代系統(tǒng)都具有向前的兼容性，可以在已有系統(tǒng)的基礎上通過擴充新設備實現系統(tǒng)的升級。但系統(tǒng)顯得有些煩瑣，為追求兼容性，不得不增加很多接口單元，影響運行效率。典型的從底層控制逐步發(fā)展到高層管理的系統(tǒng)，是大部分具有儀表控制系統(tǒng)背景的公司發(fā)展DCS的模式6.1.4DCS典型產品二、ABB公司的IndustrialIIT6.1.4DCS典型產品核心設計理念是高度集成化的工廠信息：

1)

集成了ABB公司的800xA控制系統(tǒng)，具有過程控制、邏輯控制、操作監(jiān)視、歷史趨勢和報警處理等綜合型的系統(tǒng)控制能力

2)

支持多種現場總線、OPC等開放系統(tǒng)標準，形成了從現場控制到高層經營管理的一體化信息平臺。

3)

以控制網絡為核心，向下連接現場總線型網絡，向上連接工廠管理網絡二、ABB公司的IndustrialIIT典型的采用自頂向下設計方式形成的系統(tǒng)，注重信息技術的標準，在統(tǒng)一的標準構架上集成各個方面的產品，是很多有計算機系統(tǒng)背景的公司所采取的方法。具有開放性好、適應性強及功能完善的特點。行業(yè)背景略差，在不同行業(yè)應用時，要針對行業(yè)點進行專門的開發(fā)，才能充分滿足應用需求6.1.4DCS典型產品三、和利時公司的HOLLiAS系統(tǒng)采用多“域”的結構形式，每個裝置就是一個“域”，就是一個典型的傳統(tǒng)意義上的DCS，多個域通過骨干網連接，形成功能完善、范圍廣泛的信息系統(tǒng)。第六章集散控制系統(tǒng)

6.1概述

6.2浙大中控DCS系統(tǒng)硬件構成

6.3浙大中控DCS軟件組態(tài)6.2浙大中控DCS系統(tǒng)硬件構成

6.2.1系統(tǒng)總體結構

6.2.2控制站規(guī)模6.2.3控制站硬件6.2.1系統(tǒng)總體結構6.2.1系統(tǒng)總體結構6.2.1系統(tǒng)總體結構1、信息管理網2、過程控制網3、控制站內部網絡(名稱為SBUS)采用符合TCP／IP協議的以太網，連接了各個控制裝置的網橋以及企業(yè)內各類管理計算機，用于工廠級的信息傳送和管理，是實現全廠綜合管理的信息通道。

采用雙高速冗余工業(yè)以太網SCnetII作為其過程控制網絡，連接操作站、工程師站與控制站等，傳輸各種實時信息。

采用主控制卡指揮式令牌網，存儲轉發(fā)通信協議，是控制站各卡件之間進行信息交換的通道。6.2浙大中控DCS系統(tǒng)硬件構成

6.2.1系統(tǒng)總體結構

6.2.2控制站規(guī)模6.2.3控制站硬件6.2.2控制站規(guī)?？刂普局饕蓹C柜、機籠、供電單元和各類卡件（包括主控制卡、數據轉發(fā)卡和各種信號輸入輸出卡）組成，其核心是主控制卡。主控制卡通過系統(tǒng)內高速數據網絡-SBUS擴充各種功能，實現現場信號的輸入輸出，同時完成回路控制、順序控制，以及包括優(yōu)化控制在內的各種控制算法。6.2.2控制站規(guī)模6.2.3控制站硬件1、機柜機柜采用拼裝結構，可以通過拆卸各個機柜上的側面板，形成互通的控制柜組，以方便整個系統(tǒng)內的走線。機柜最多可安裝一個控制站的電源單元、6個I/O單元（機籠）和相關的端子板。6.2.3控制站硬件2、機籠機籠由金屬框架和母板組成，母板一方面為卡件提供工作所需的直流電源（5V，24V），另一方面實現卡件之間必要的電氣連接。插拔卡件方便，容易擴展機籠分為兩類：主控制機籠（配置主控制卡）和I/O機籠。每類機籠最多可以配置20塊卡件，即除了最多配置互為冗余的主控制卡和數據轉發(fā)卡各一對外，還可以配置16塊各類I/O卡件。2、機籠接線端子DB9插頭電源端子機籠背面互為冗余的SBUS網絡接口6.2.3控制站硬件3、電源系統(tǒng)提供1種電源安裝機籠（SP251）；每個電源機籠可安裝6個SP251-1電源單體；配置電源：根據機籠數量及配置選擇電源的功率；按照系統(tǒng)容量及對安全性的要求選用單電源供電、冗余雙電源供電、冗余四電源供電等配置模式；6.2.3控制站硬件4、控制站卡件主要由主控制卡、數據轉發(fā)卡和I/O卡（即信號輸入/輸出卡）組成，卡件按一定規(guī)則組合在一起，完成信號采集、信號處理、信號輸出、控制、計算和通信等功能。（1）主控制卡（SP243X）主控制卡是控制站的軟硬件核心，負責協調控制站內的所有軟硬件關系和各項控制任務

?？扇哂嗯渲?。SBUS總線接至機籠背面互為冗余SCnet網接口網絡節(jié)點地址SCnet設置6.2.3控制站硬件4、控制站卡件（2）數據轉發(fā)卡（SP233）系統(tǒng)I/O機籠的核心單元，一方面驅動SBUS總線，另一方面管理本機籠的I/O卡件。負責主機與I/O卡件之間的數據交換，是每個機籠的必備卡件支持冗余結構，每個機籠可配置雙卡可采集冷端溫度，作為本機籠的溫度參考信號6.2.3控制站硬件4、控制站卡件（2）數據轉發(fā)卡（SP233）通過數據轉發(fā)卡，一塊主控制卡可以擴展1~8個機籠，可擴展16~128塊不同功能的I/O卡件。6.2.3控制站硬件4、控制站卡件（2）數據轉發(fā)卡（SP233）通過數據轉發(fā)卡，一塊主控制卡可以擴展1~8個機籠，可擴展16~128塊不同功能的I/O卡件。機籠間距離超過200m時，需要用SBUS中繼器6.2.3控制站硬件4、控制站卡件（2）數據轉發(fā)卡（SP233）通過數據轉發(fā)卡，一塊主控制卡可以擴展1~8個機籠，可擴展16~128塊不同功能的I/O卡件。主控制卡與數據轉發(fā)卡位于同一機籠內時，SBUS總線不必外部連接，與擴展機籠的數據轉發(fā)卡SP233連接時，SBUS總線需要通過機籠背面的“SBUS”插頭來外部連線。6.2.3控制站硬件4、控制站卡件（3）萬能模擬信號輸入卡（SP311）萬能模擬信號輸入卡是一塊智能型的、點點隔離的、帶有模擬量信號調理的二路信號采集卡；每一路分別可接收各種型號的熱電偶、熱電阻信號，毫伏信號，以及II型和III型電壓、電流信號，將其調理后轉換成數字信號送給主控制卡；并且該卡具有給變送器配電的功能；XX為I/O槽位號(0#～15#)6.2.3控制站硬件4、控制站卡件（4）電流信號輸入卡（SP313）四路電流信號采集卡；信號調理分為兩組，1、2通道為一組，3、4通道為一組，同一組內信號調理采用同一個隔離電源供電6.2.3控制站硬件4、控制站卡件（5）模擬信號輸出卡（SP322X）四路點點隔離型電流信號輸出卡；

隔離方式：光電耦合；輸出信號：0~10mA或4~20mA（可組態(tài)選擇）6.2.3控制站硬件4、控制站卡件6.2.3控制站硬件4、控制站卡件冗余卡件地址設置原則1）主控制卡可以冗余配置，也可以非冗余配置，地址范圍是2-31。

冗余配置時，主控制卡的地址遵循“I和I+1連續(xù)，且I必須為偶數，“2≤I<32”的原則，且地址不能重復。非冗余配置時，I+1地址被占用，不可做其它節(jié)點地址用。JX-300X系統(tǒng)最多可有15個控制站。3）當I/O卡按冗余配置時，互為冗余的兩卡槽地址遵循“I和I+1連續(xù)，且I必須為偶數，“0<=I<15”的原則。2）數據轉發(fā)卡可以冗余配置，也可以非冗余配置，地址范圍是0-15。冗余配置時，地址遵循“I和I+1連續(xù)，且I必須為偶數，“0<=I<15”的原則，且地址不能重復。6.2.3控制站硬件

應用實例6.2.3控制站硬件

應用實例6.2.3控制站硬件

工程設計步驟6.2.3控制站硬件1、熟悉工藝流程2、設計控制方案，形成工藝控制流程圖3、統(tǒng)計進控制室的信號類型和種類4、進行硬件配置1）操作站數量2）控制站數量3）控制站的控制柜配置、I/O機籠數量、I/O卡件類型和數量、卡件分配（信號來源）4）形成DCS配置圖和數據表

工程設計步驟6.2.3控制站硬件

工程設計步驟6.2.3控制站硬件

工程設計步驟6.2.3控制站硬件

工程設計步驟6.2.3控制站硬件

工程設計步驟6.2.3控制站硬件

工程設計步驟6.2.3控制站硬件

工程設計步驟6.2.3控制站硬件第六章集散控制系統(tǒng)

6.1概述

6.2浙大中控DCS系統(tǒng)硬件構成

6.3浙大中控DCS軟件組態(tài)6.2浙大中控DCS軟件組態(tài)一、AdvanTrolPro軟件包組成6.2浙大中控DCS軟件組態(tài)一、AdvanTrolPro軟件包組成6.2浙大中控DCS軟件組態(tài)二、系統(tǒng)組態(tài)基本功能1、說明控制系統(tǒng)的硬件配置總體信息組態(tài)-控制站，操作站總體情況的說明控制站I/O組態(tài)-卡件的配置選擇-信號點特性的設置控制站常規(guī)回路組態(tài)2、操作站一般顯示畫面的生成總貌畫面；趨勢畫面；分組畫面；一覽畫面6.2浙大中控DCS軟件組態(tài)3、提供工程設計的相關組件的接口流程圖制作軟件報表制作軟件圖形化組態(tài)軟件二次計算軟件4、配置信息的編譯、下載和傳送二、系統(tǒng)組態(tài)基本功能6.2浙大中控DCS軟件組態(tài)三、系統(tǒng)組態(tài)過程6.2浙大中控DCS軟件組態(tài)三、系統(tǒng)組態(tài)過程1、總體信息組態(tài)-控制站，操作站總體情況的說明6.2浙大中控DCS軟件組態(tài)三、系統(tǒng)組態(tài)過程1、總體信息組態(tài)-控制站，操作站總體情況的說明6.2浙大中控DCS軟件組態(tài)三、系統(tǒng)組態(tài)過程1、總體信息組態(tài)-控制站，操作站總體情況的說明6.2浙大中控DCS軟件組態(tài)三、系統(tǒng)組態(tài)過程2、控制站I/O組態(tài)

卡件的配置選擇；信號點特性的設置6.2浙大中控DCS軟件組態(tài)三、系統(tǒng)組態(tài)過程2、控制站I/O組態(tài)

卡件的配置選擇；信號點特性的設置6.2浙大中控DCS軟件組態(tài)三、系統(tǒng)組態(tài)過程2、控制站I/O組態(tài)

卡件的配置選擇；信號點特性的設置6.2浙大中控DCS軟件組態(tài)三、系統(tǒng)