第9章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

第9章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

2021/5/91工業(yè)過程中廣泛應(yīng)用的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng):集散控制系統(tǒng)(DCS)是70年代中期發(fā)展起來的以微處理器為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)綜合系統(tǒng)。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）是一種基于現(xiàn)場總線技術(shù)的新型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，它采用現(xiàn)場總線把傳感器、變送器、執(zhí)行器和控制器集成在一起，形成真正的開放式互連系統(tǒng)結(jié)構(gòu)?？删幊炭刂破飨到y(tǒng)2021/5/929.1集散型控制系統(tǒng)

（TotalDistributedControlSystem，DCS）

以多臺(tái)微型計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，采用數(shù)據(jù)通信和CRT顯示技術(shù)，應(yīng)用控制理論，對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行分散控制、集中操作、分級(jí)管理、分而自治和綜合協(xié)調(diào)的系統(tǒng)。

2021/5/93DCS的特點(diǎn)硬件積木化硬件采用積木化組裝結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)配置靈活，可以方便的構(gòu)成多級(jí)控制體統(tǒng)。軟件模塊化為用戶提供了豐富的功能軟件，主要包括控制軟件包、操作顯示軟件包、報(bào)表顯示軟件包等，用戶只需按要求選用即可。2021/5/94控制組態(tài)化具有常用的運(yùn)算和控制模塊，控制工程師只需按照系統(tǒng)的控制方案，選擇模塊，并以填表方式來定義這些軟功能模塊，進(jìn)行控制系統(tǒng)的組態(tài)。通信網(wǎng)絡(luò)化通信網(wǎng)絡(luò)是分散控制系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，它將物理上分散的多臺(tái)計(jì)算機(jī)裝置有機(jī)地聯(lián)系起來，實(shí)現(xiàn)了相互協(xié)調(diào)、資源共享的集中管理。2021/5/95高可靠性DCS的可靠性高體現(xiàn)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、冗余技術(shù)、自診斷功能、抗干擾措施，高性能的元件等方面。2021/5/96DCS的發(fā)展及典型產(chǎn)品DCS的開創(chuàng)期(1975年~1980年)DCS的組成現(xiàn)場控制站現(xiàn)場監(jiān)測站CRT操作站數(shù)據(jù)高速公路監(jiān)控計(jì)算機(jī)基本上體現(xiàn)了集中管理、分散控制的特點(diǎn)

CRT操作站

監(jiān)控計(jì)算機(jī)

數(shù)據(jù)高速公路HW現(xiàn)場監(jiān)測站

現(xiàn)場控制站第一代DCS基本結(jié)構(gòu)

……

……2021/5/97DCS的發(fā)展及典型產(chǎn)品DCS的成長與完善時(shí)期(1980年~1985年)特點(diǎn)：控制功能擴(kuò)充，常規(guī)控制、邏輯控制、批量控制；增強(qiáng)了顯示功能；以局部網(wǎng)絡(luò)LAN為主干，其它各單元都是掛在它上面的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)工作站，通信范圍擴(kuò)大，數(shù)據(jù)傳送速率提高。

主要組成部分局部網(wǎng)絡(luò)、多功能現(xiàn)場控制站、增強(qiáng)型操作站、通用型操作站、網(wǎng)關(guān)、系統(tǒng)管理模塊、主計(jì)算機(jī)2021/5/98DCS的發(fā)展及典型產(chǎn)品第二代DCS基本結(jié)構(gòu)示意圖局部網(wǎng)絡(luò)LAN其它網(wǎng)絡(luò)DHW網(wǎng)關(guān)多功能控制器網(wǎng)關(guān)……系統(tǒng)管理模塊通用操作站主計(jì)算機(jī)增強(qiáng)型操作站……2021/5/99DCS的發(fā)展及典型產(chǎn)品DCS的擴(kuò)展期（1985年以后）第三代DCS的主要特點(diǎn)是：開放式的系統(tǒng)通信，向上能與MAP和Ethernet接口，或者通過網(wǎng)間連接器與其它網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系，構(gòu)成綜合管理系統(tǒng)；向下支持現(xiàn)場總線?？刂普臼褂?2位微處理器，控制功能更強(qiáng)，體積更小，可靠性更高。操作站采用高檔微型計(jì)算機(jī)，增強(qiáng)圖形顯示功能，多窗口技術(shù)和觸摸屏技術(shù)。過程控制組態(tài)使用CAD方法，更加直觀方便；引入專家系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)參數(shù)自整定。2021/5/910DCS的發(fā)展及典型產(chǎn)品典型產(chǎn)品有Honeywell公司的TDC3000/PMYOKAGAWA公司的Centum-XLFoxboro公司的I/ASeriesTAILORInstruments公司的Mod300BaileyControl公司的INFI-90等2021/5/911DCS的發(fā)展及典型產(chǎn)品第四代集散控制系統(tǒng)以管控一體化的形式出現(xiàn)。廣泛采用了開放的工作站和客戶機(jī)／服務(wù)器結(jié)構(gòu)；增加了工廠信息網(wǎng)。典型產(chǎn)品有Honeywell公司的TPS，YOKOGAWA公司的CENTUM－CS，F(xiàn)oxboro公司的I/AS50/5l等。2021/5/912集散控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)2021/5/913DCS的結(jié)構(gòu)與功能2021/5/914其標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)按功能分為三層功能結(jié)構(gòu)：管理層主要功能為生產(chǎn)調(diào)度管理及廠級(jí)優(yōu)化；監(jiān)督控制和協(xié)調(diào)優(yōu)化層主要是機(jī)組級(jí)的集中操作、協(xié)調(diào)控制和運(yùn)行優(yōu)化，這部分可分為運(yùn)行人員操作站、工程師工作站和監(jiān)控計(jì)算機(jī)；2021/5/915直接控制層由分布式多功能處理單元組成，按功能分為現(xiàn)場控制站、監(jiān)測站，用于實(shí)現(xiàn)地理上分散的回路控制和檢測功能。整個(gè)DCS系統(tǒng)通過通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)控制指令及各種信息的傳遞和數(shù)據(jù)資源的共享。2021/5/916一、分散控制裝置分散控制裝置包括現(xiàn)場控制站與過程監(jiān)測站，是集散控制系統(tǒng)與生產(chǎn)過程的接口?，F(xiàn)場控制站（分散處理單元DPU）可以控制一個(gè)或多個(gè)回路，具有較強(qiáng)的運(yùn)算能力和控制能力，是集散控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)分散控制的關(guān)鍵部分?，F(xiàn)場控制站中固化有各種數(shù)據(jù)處理及控制運(yùn)算算法模塊，通過組態(tài)的方法可靠性：一對(duì)一備用、N對(duì)一備用2021/5/9172021/5/918過程監(jiān)測站（又稱數(shù)據(jù)采集裝置或過程接口單元PIU等）主要作用：采集過程變量信息，數(shù)據(jù)處理，送入數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)綜合數(shù)據(jù)管理。過程監(jiān)測站除不具備控制功能外，與現(xiàn)場控制站的功能和結(jié)構(gòu)相似。2021/5/919二、操作管理裝置操作管理裝置包括操作員站、工程師站、監(jiān)控計(jì)算機(jī)等，是操作、管理人員與集散控制系統(tǒng)的接口。完成監(jiān)視、操作、系統(tǒng)組態(tài)、優(yōu)化控制等任務(wù)。2021/5/920圖9-3操作員站結(jié)構(gòu)框圖2021/5/921操作員站CRT顯示器：生產(chǎn)畫面的總貌顯示、分組顯示、單回路細(xì)目顯示、流程圖顯示、歷史趨勢(shì)顯示和報(bào)警概貌顯示等。鍵盤：發(fā)出畫面選擇、功能請(qǐng)求、數(shù)據(jù)輸入和報(bào)警確認(rèn)等操作指令。打印機(jī)：打印時(shí)、班、日等報(bào)表。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器：保存歷史數(shù)據(jù)微處理器：控制各實(shí)時(shí)任務(wù)執(zhí)行2021/5/922工程師站完成系統(tǒng)組態(tài)、畫面生成、參數(shù)調(diào)整、文檔管理、系統(tǒng)調(diào)試等工作監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過通信接口，綜合監(jiān)視全系統(tǒng)的各工作站，管理全系統(tǒng)的所有信息，實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)的最優(yōu)控制和全廠的優(yōu)化管理。2021/5/923三、通信系統(tǒng)通信系統(tǒng)即計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，它將集散控制系統(tǒng)的各工作站連接起來。2021/5/924集散控制系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)過程控制級(jí)生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)采集與回路控制。如汽包水位控制、機(jī)爐協(xié)調(diào)控制及各種順序控制等。2021/5/925過程管理級(jí)主要由操作員站、工程師站及監(jiān)控計(jì)算機(jī)等組成，其主要功能是：數(shù)據(jù)顯示與控制操作；報(bào)警顯示與處理；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與壓縮歸檔；性能計(jì)算與優(yōu)化控制；制表打?。幌到y(tǒng)組態(tài)。2021/5/926生產(chǎn)管理級(jí)由服務(wù)器及工作站組成，主要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制之外的管理功能。如發(fā)電量的分配。經(jīng)營管理級(jí)與辦公自動(dòng)化連接起來，擔(dān)負(fù)起全廠的總體協(xié)調(diào)管理。包括各類經(jīng)營活動(dòng)、人事管理、財(cái)務(wù)管理等。2021/5/927集散控制系統(tǒng)的組態(tài)硬件組態(tài)即系統(tǒng)配置，是根據(jù)系統(tǒng)的規(guī)模及控制要求而進(jìn)行的硬件選擇。工程師站的選擇、操作員站的選擇、現(xiàn)場控制站的選擇軟件組態(tài)畫面組態(tài)數(shù)據(jù)組態(tài)報(bào)表組態(tài)控制回路組態(tài)2021/5/928典型集散控制系統(tǒng)

產(chǎn)品名稱生產(chǎn)廠家I/ASeriesFoxboro（美國）SymphonyABB（瑞士）OvationWestinghouse（美國）MAX1000Leeds&Northrup（美國）HIACS5000/7000Hitachi（日本）TelepermXPSiemens（德國）XDPS-400新華（中國）HOLLiAS-MACS和利時(shí)（中國）2021/5/929圖9-5

Symphony系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)2021/5/930圖9-9

DCS信號(hào)流程圖2021/5/931DSC調(diào)試（1）

靜態(tài)調(diào)試。靜態(tài)調(diào)試是指系統(tǒng)還沒有與生產(chǎn)現(xiàn)場相連時(shí)的調(diào)試，主要包括：①通電試驗(yàn)；②I/O卡件性能測試；③組態(tài)軟件編譯下裝；④外加仿真信號(hào)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測試。

（2）動(dòng)態(tài)調(diào)試。動(dòng)態(tài)調(diào)試是指系統(tǒng)與生產(chǎn)現(xiàn)場相連時(shí)的調(diào)試。由于生產(chǎn)過程已經(jīng)處于運(yùn)行或試運(yùn)行階段，此時(shí)應(yīng)以觀察為主，當(dāng)涉及到必需的系統(tǒng)修改時(shí)，應(yīng)做好充分的準(zhǔn)備及安全措施，以免影響正常生產(chǎn)，更不允許造成系統(tǒng)或設(shè)備故障。2021/5/932DCS調(diào)試動(dòng)態(tài)調(diào)試一般包括以下內(nèi)容：①觀察過程參數(shù)顯示是否正常、執(zhí)行機(jī)構(gòu)操作是否正常；②檢查控制系統(tǒng)邏輯是否正確，并在適當(dāng)時(shí)候投入自動(dòng)運(yùn)行；③對(duì)控制回路進(jìn)行在線整定；④當(dāng)系統(tǒng)存在較大問題時(shí)，如需進(jìn)行控制結(jié)構(gòu)修改、增加測點(diǎn)等，應(yīng)盡量在停機(jī)狀態(tài)下重新組態(tài)下裝。若條件不允許，也可進(jìn)行在線組態(tài)，但要熟悉在線組態(tài)的各個(gè)環(huán)節(jié)并做好應(yīng)急措施。2021/5/933信號(hào)類型DASMCSSCSFSSSETSECS合計(jì)AI（4～20mA）300280108510188873AI（RTD）1904516512030550AI（TC）11456101820218DI28710143011691207503766PI1035568AO（4～20mA）4170174DO4024790551602301695SO計(jì)11005852465194324314087744表9-2每臺(tái)單元機(jī)