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承德石油高等专科学校重点课程建设热工仪表及自动化（适用于热工、制冷、储运、智建专业）胡德双热工仪表教研室第八章 计算机集散型控制系统 主要内容集散型控制系统总貌 工程师站现场I/O控制站DCS的基础硬件上一页上一页返回返回首页首页8-1计算机集散型控制系统简介 集散型控制系统（DCS）也就是所说的分布式控制系统，是相对于集中式控制系统而言的一种新型计算机控制系统。DCS是在集中式控制系统的基础上发展、演变而来的，我们根据现有的，应用比较广泛的若干种DCS的结构的总结，来说明、分析和比较DCS的结构。上一页上一页返回返回首页首页8-1计算机集散型控制系统简介一、“三点一线”式结构DCS自70年代问世以来，很多公司推出了多种不同设计、风格各异的DCS，即是同一厂家，早期的产品与近期的产品也有不少的差异，但是仅管种种DCS千差万别，其核心结构却基本上一致，可将其归纳为“三点一线”式结构。“一线”是指DCS的骨架计算机网络；上一页上一页返回返回首页首页一、“三点一线”式结构“三点”是指联接在网络上的三种不同的类型的节点，分别是：面向被控过程现场的现场I/O控制站；面向操作人员的操作站；面向DCS监督管理人员的工程师站。一般情况下，一个DCS只需配备一个工程师站，而现场I/O控制站和操作员站的数目则需根据实际需要配置，这三种节点通过系统网络进行联接并互相交换信息，协调各方面的工作，共同完成DCS的整体功能。上一页上一页返回返回首页首页二、DCS的系统网络SNET DCS的计算机网络在很多方面的要求 实时性网络。实时性网络。网络需要根据现场通讯实时性网络需要根据现场通讯实时性的要求，在确定的时限内完成信息的传送。的要求，在确定的时限内完成信息的传送。“确定的时限确定的时限”是指无论在何种情况下，信是指无论在何种情况下，信息传送度能在这个时限内完成，而这个时限息传送度能在这个时限内完成，而这个时限则是根据被空过程的实时性要求确定的。则是根据被空过程的实时性要求确定的。系统的拓扑结构。系统的拓扑结构。大致可分为星型，总线型大致可分为星型，总线型和环型三种。目前应用最广泛的是环网和总线和环型三种。目前应用最广泛的是环网和总线网。网。上一页上一页返回返回首页首页二、DCS的系统网络SNET各种网络解决碰撞的技术各种网络解决碰撞的技术:一种是一种是TOKEN RINGTOKEN RING（对于环型网）对于环型网）或或TOKEN PASSINGTOKEN PASSING（对于总线型网）对于总线型网）方式方式;另一种另一种解决碰撞的技术是载波侦解决碰撞的技术是载波侦听与碰撞检测技术，即听与碰撞检测技术，即CSMA/CDCSMA/CD方式方式.上一页上一页返回返回首页首页8-2 工程师站 工程师站是对DCS进行离线的配置，组态工作和在线的系统监督，控制，维护的网络节点。主要功能是提供对DCS进行组态，配制工作的工具软件，并在DCS在线运行时实时地监视DCS网络上各个节点的运行情况，使系统工程师可以通过工程师站及时调整系统配制及一些系统参数的设定，使DCS随时处在最佳的工作状态下。上一页上一页返回返回首页首页8-2 工程师站 一、工程师站提供的组态功能工程师站提供的组态功能 工程师站的最主要功能是对DCS进行离线的配制和组态工作。我们知道在DCS进行配制和组态之前，只是一个硬件、软件的集合体。它对于实际应用来说是毫无意义的，只有在经过对应用过程进行详细透彻的分析，设计并按设计要求正确地完成组态工作之后DCS才真正成为一个适于某个生产过程的使用的应用控制系统。上一页上一页返回返回首页首页一、工程师站提供的组态功能工程师站提供的组态功能硬件配制组态功能：硬件配制组态功能：其中包括定义各个现场其中包括定义各个现场I/O控制站的站号，控制站的站号，网络节点号等网络参数，站内的网络节点号等网络参数，站内的I/O配制，如配制，如各个点各个点I/O信号的性质，信号调理类型。信号的性质，信号调理类型。数据库组态功能：数据库组态功能：定义系统中数据库的各个参数，系统的数定义系统中数据库的各个参数，系统的数据库包括实时数据库和历史数据库，实时数据据库包括实时数据库和历史数据库，实时数据库组态主要对各数据库点逐点定义其名称，工库组态主要对各数据库点逐点定义其名称，工程量转换系数，上下限值，线性化处理，报警程量转换系数，上下限值，线性化处理，报警特性，报警条件等，历史数据库组态需要定义特性，报警条件等，历史数据库组态需要定义各个进入历史库的点的保存周期。各个进入历史库的点的保存周期。上一页上一页返回返回首页首页一、工程师站提供的组态功能工程师站提供的组态功能控制回路组态功能：控制回路组态功能：该功能定义各个控制回路的控制算法；调该功能定义各个控制回路的控制算法；调节周期及调节参数，某些系数等，进行控制回节周期及调节参数，某些系数等，进行控制回路的组态，最常用的功能快图组态语言。路的组态，最常用的功能快图组态语言。逻辑控制及批控制组态：逻辑控制及批控制组态：这种组态定义的处理过程，一般使用梯形这种组态定义的处理过程，一般使用梯形图语言进行定义，该语言可以使用图形表示各图语言进行定义，该语言可以使用图形表示各种处理条件及各个处理互相之间的联接关系。种处理条件及各个处理互相之间的联接关系。上一页上一页返回返回首页首页一、工程师站提供的组态功能工程师站提供的组态功能控制算法语言的组态：控制算法语言的组态：工程师站应具有控制算法的处理程序，以工程师站应具有控制算法的处理程序，以便进行算法语言定义。算法语言的主要方法是便进行算法语言定义。算法语言的主要方法是用一些语言的语句组合来描述一个控制过程以用一些语言的语句组合来描述一个控制过程以实现预定的控制功能。实现预定的控制功能。操作员站显示画面的生成：操作员站显示画面的生成：使用在使用在CRTCRT屏幕上以人机交互方式直接作屏幕上以人机交互方式直接作图的方法生成显示画面。这种方式的优越性在图的方法生成显示画面。这种方式的优越性在于其工作效果济高，全部定义工作直观具体，于其工作效果济高，全部定义工作直观具体，实现了实现了“所见即所得所见即所得”的定义方法。的定义方法。上一页上一页返回返回首页首页一、工程师站提供的组态功能工程师站提供的组态功能报表生成组态：报表生成组态：类似于显示画面的生成利用类似于显示画面的生成利用CRTCRT屏幕以人屏幕以人机交互方式直接生成报表，利用机交互方式直接生成报表，利用CRTCRT设计的报设计的报表基本上可以和实际打印出的报表格式一致，表基本上可以和实际打印出的报表格式一致，工作效率很高，灵活性极大。工作效率很高，灵活性极大。组态数据的编译和下装：组态数据的编译和下装：将文本文件的定义项先通过一些专用的程将文本文件的定义项先通过一些专用的程序编译成为二进制文件，在以后运行中，只需序编译成为二进制文件，在以后运行中，只需要直接使用就可以了。所有定义数据编译完成要直接使用就可以了。所有定义数据编译完成后，将被下装到对应的操作员站和现场后，将被下装到对应的操作员站和现场I/OI/O控控制站中，以在实际运行中使用。制站中，以在实际运行中使用。上一页上一页返回返回首页首页一、工程师站提供的组态功能工程师站提供的组态功能操作安全保护组态：操作安全保护组态：操作员站必须有口令字保护，以确保操作操作员站必须有口令字保护，以确保操作安全性，并要对操作员所有操作命令进行口令安全性，并要对操作员所有操作命令进行口令字复核和操作复核。功能就是定义每个操作员字复核和操作复核。功能就是定义每个操作员的口令字，操作权限及操作范围，以便在运行的口令字，操作权限及操作范围，以便在运行时进行检查和记录。时进行检查和记录。上一页上一页返回返回首页首页二、二、工程师站对系统的监控功能工程师站对系统的监控功能 工程师站必须对工程师站必须对DCSDCS本身的运行状态进行监视，本身的运行状态进行监视，一旦发现异常，系统工程师必须及时采用措施，一旦发现异常，系统工程师必须及时采用措施，进行维修和调整，以使进行维修和调整，以使DCSDCS能保证长时间连续能保证长时间连续运行，不会因对生产过程的失控造成损失。运行，不会因对生产过程的失控造成损失。另外有些对组态的线性修改，如上下限的设定另外有些对组态的线性修改，如上下限的设定值的改变，控制参数的调节，对某个检测点或值的改变，控制参数的调节，对某个检测点或若干个检测点，甚至对某个现场若干个检测点，甚至对某个现场I/OI/O站的离线站的离线直接操作。直接操作。上一页上一页返回返回首页首页8-3 现场现场I/O控制站控制站 一、现场一、现场I/O控制站主要功能：控制站主要功能：将各种现场发生的过程量（流量、压力、电流、功将各种现场发生的过程量（流量、压力、电流、功率及各种状态等）进行数字化后，存储在存储器中，率及各种状态等）进行数字化后，存储在存储器中，形成一个与现场过程量一致的，能一一对应的，并且形成一个与现场过程量一致的，能一一对应的，并且实际运行情况实时地改变和更新的现场过程量的实时实际运行情况实时地改变和更新的现场过程量的实时映象；映象；将本站采集到的实时数据通过网络传送到操作员站、将本站采集到的实时数据通过网络传送到操作员站、工程师站以及其它现场工程师站以及其它现场I/OI/O控制站，以便实现全系统范控制站，以便实现全系统范围内的监督和控制，同时现场围内的监督和控制，同时现场I/OI/O控制站还可接收由操控制站还可接收由操作员站、工程师站下发的信息，以实现对现场的人工作员站、工程师站下发的信息，以实现对现场的人工控制或对本站的参数设定；控制或对本站的参数设定；上一页上一页返回返回首页首页一、现场一、现场I/O控制站主要功能：控制站主要功能：在本站实现局部的自动控制，顺序控制等，这在本站实现局部的自动控制，顺序控制等，这些算法一般是经典的算法，也可下装非标准算些算法一般是经典的算法，也可下装非标准算法、复杂算法。法、复杂算法。上一页上一页返回返回首页首页二、物理量的分类物理量的分类 实现上述三种功能首先要实现现场过程量的数字处理，这是实现其它功能的基础。对于状态量数字化的过程比较简单，一般都是用电汽节点表示各个状态，通过数字量的输入和输出，即可实现数字量和状态量之间的转换。而对于其它的物理量，就需要一些特别的转换方法，从总体上看，物理量基本上可分为两种。上一页上一页返回返回首页首页二、物理量的分类物理量的分类一种是物理量的瞬时值。一种是物理量的瞬时值。瞬时值可以通过模拟瞬时值可以通过模拟数字变换（数字变换（A/DA/D或或D/AD/A），），实现数字化，这种变实现数字化，这种变换是通过检测元件和执行文件，将物理量用电换是通过检测元件和执行文件，将物理量用电信号变成数字量或由信号变成数字量或由D/AD/A变换器将数字量变成变换器将数字量变成电信号。电信号。另一种是累计值。另一种是累计值。（流量的累计，电流的累计（流量的累计，电流的累计等）累计量可以用两种方法实现变换：等）累计量可以用两种方法实现变换：利用瞬时值，通过计算机内部的积分运算计算出量利用瞬时值，通过计算机内部的积分运算计算出量值，如流量的累计，可利用孔板式流量计取得流量值，如流量的累计，可利用孔板式流量计取得流量的瞬时值，分时段进行积分，变成立方值。时段分的瞬时值，分时段进行积分，变成立方值。时段分的越细，其结果精度越高。的越细，其结果精度越高。上一页上一页返回返回首页首页二、物理量的分类物理量的分类取得累计值的第二个方法是使用称为取得累计值的第二个方法是使用称为“脉冲脉冲量量”输入的方法，即使用具有累计功能的检输入的方法，即使用具有累计功能的检 测元件，并将累计的结果以脉冲的方式送给测元件，并将累计的结果以脉冲的方式送给计算机处理。计算机处理。上一页上一页返回返回首页首页三、常用的线性化的方法三、常用的线性化的方法 由于各种物理量的检测元件和执行元件的使用原理和方法不同，数字化后的物理量往往存在非线性，这就需要通过非线性补偿算法对其进行修正，以得到正确的物理量。实际示例：温度测量元件使用热电偶，温度的变化引起热电偶两端电压的变化，通过对其电压的测量即可得到温度。但是由于热电偶两端电压的变化并不是随温度呈线性变化的，因此必须对其进行非线性补偿（或称为线性化）。上一页上一页返回返回首页首页三、常用的线性化的方法三、常用的线性化的方法多项式曲线逼近法由于需要大量的计算而效率多项式曲线逼近法由于需要大量的计算而效率不高，较少采用。不高，较少采用。查表法实际上是分段线性插值法，它需要在计查表法实际上是分段线性插值法，它需要在计算机中存入若干点的温度电压对照值，利用等算机中存入若干点的温度电压对照值，利用等比算法得出温度的近似值比算法得出温度的近似值上一页上一页返回返回首页首页四、四、现场I/O控制站其它功能 除了上述过程量的基本输入输出功能外，现场I/O控制站还需要实现下述功能：为一些无源的测量元件提供电源，最常用的是24V直流电源。现场信号的输入输出回路必须配备良好的隔离电路和保护电路。常用的隔离电路有光电隔离，通道开关隔离，采择电容隔离，隔离放大器隔离等；常用保护电路包括熔丝，压敏电阻，隧道二极管等上一页上一页返回返回首页首页四、四、现场I/O控制站其它功能对于一些重要的控制输出量，必须具备断电保护和上电跟随特性，而不致因断电或上电或由于电厂偶然故障而对现场发生错误的控制信号，造成生产过程的失稳甚至事故。一般要求其平均无故障时间MTBF不小于3*104H，出现故障后的故障修复时间MTTR应尽量短，一般不大于3H，这样才能保证系统可用率达到99.99%。上一页上一页返回返回首页首页8-4 DCSDCS的基础硬件的基础硬件 DCS由三种节点组成：现场I/O控制站、操作员站、和工程师站，通过局域网络互联在一起形成一个系统。对于局域网来说，所有的节点都没有什么本质的和原则的区别，它们都是具有自己特定的网络地址，都可以通过局域网接收和发送数据。因此所有节点度必须有一个中央处理器CPU和一个局域网接口。但是由于它们的功能不同，每种节点的硬件配置还存在有很大的差别。上一页上一页返回返回首页首页8-4 DCSDCS的基础硬件的基础硬件一、现场一、现场I/O控制站的基础硬件控制站的基础硬件 现场I/O控制站的主要功能是对现场检测进行输入，对现场控制设备进行输出和实现回路控制或流程控制（顺序控制，批量控制或逻辑控制）。最重要的硬件是过程量I/O设备，其中包括数字量的输入（DI），数字输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO），脉冲量的输入（PI），脉冲量的输出（PO）及其他一些针对特殊过程量的输入输出板。上一页上一页返回返回首页首页一、现场一、现场I/O控制站的基础硬件控制站的基础硬件被控制过程现场的信号种类被控制过程现场的信号种类 模拟量输入：模拟量输入：常用到有二型表的常用到有二型表的0-10V，-5-+5V，-1MA-+1MA，三型表的三型表的4-20MA，热电阻（包括热电阻（包括50欧的铜电阻，欧的铜电阻，100欧的铂电欧的铂电阻等），热电偶型（包括阻等），热电偶型（包括K、J、E、R、S、F型等）及某些非标准型等。型等）及某些非标准型等。开关量输入开关量输入:输出的信号调理板。输出的信号调理板。脉冲量输入脉冲量输入:输出的信号调理板。输出的信号调理板。上一页上一页返回返回首页首页一、现场一、现场I/O控制站的基础硬件控制站的基础硬件各种隔离和保护电路各种隔离和保护电路 为了保证现场为了保证现场I/O通过不受外界的干扰和偶通过不受外界的干扰和偶然出现的高电压，大电流串扰信号的破坏，现然出现的高电压，大电流串扰信号的破坏，现场场I/O控制站中必须配置各种隔离和保护电路，控制站中必须配置各种隔离和保护电路，如开关量输入，输出的光电隔离，模拟量输入如开关量输入，输出的光电隔离，模拟量输入的隔离放大器隔离及飞跃电容隔离。的隔离放大器隔离及飞跃电容隔离。安装在各个安装在各个I/O通过现场端的熔丝，压敏电通过现场端的熔丝，压敏电阻和隧道二极管等都是有效的隔离与保护措施。阻和隧道二极管等都是有效的隔离与保护措施。上一页上一页返回返回首页首页一、现场一、现场I/O控制站的基础硬件控制站的基础硬件I/O控制站的电源 不仅要为自己提供电源，还要为现场检不仅要为自己提供电源，还要为现场检测元件设备提供电源，以使这些检测元件设备测元件设备提供电源，以使这些检测元件设备能提供符合要求的电信号，这两种电源（用于能提供符合要求的电信号，这两种电源（用于现场现场I/O控制站本身的电源和用于现场的电源）控制站本身的电源和用于现场的电源）必须互相隔离，尤其不可共地，以免干扰信号必须互相隔离，尤其不可共地，以免干扰信号通过电源回路耦合到通过电源回路耦合到I/O通道中去。通道中去。上一页上一页返回返回首页首页二、二、操作员站的基础硬件操作员站的基础硬件 操作员站由工业微型计算机或工作站，操作员站由工业微型计算机或工作站，工业键盘，轨迹球，大屏幕工业键盘，轨迹球，大屏幕CRT和操作员控制和操作员控制台组成，这些设备除工业键盘外，均属通用型台组成，这些设备除工业键盘外，均属通用型设备，一般不需要特殊制造。设备，一般不需要特殊制造。工业键盘工业键盘:主要要根据系统的功能用途以及应主要要根据系统的功能用途以及应用现场的要求进行设计和安排，例如功能键盘用现场的要求进行设计和安排，例如功能键盘的设置，盘面的布置和安排以及特殊功能键的的设置，盘面的布置和安排以及特殊功能键的定义，等等。定义，等等。上一页上一页返回返回首页首页二、二、操作员站的基础硬件操作员站的基础硬件轨迹球：轨迹球：很多功能可以通过屏幕操作实现。很多功能可以通过屏幕操作实现。操作控制台：操作控制台：由于由于DCS的操作员的主要工作的操作员的主要工作基本上都是通过基本上都是通过CRT、工业键盘和轨迹球完成工业键盘和轨迹球完成的，因此操作控制台必须合理设计，使操作员的，因此操作控制台必须合理设计，使操作员能长时间工作不感到吃力。能长时间工作不感到吃力。CRT的高度，倾斜的高度，倾斜角，工业键盘的位置，轨迹球的位置等都要仔角，工业键盘的位置，轨迹球的位置等都要仔细安排。细安排。上一页上一页返回返回首页首页二、二、操作员站的基础硬件操作员站的基础硬件CRT屏幕的光线要求。屏幕的光线要求。应避免应避免CRT的屏幕向直线光线，这样将造成的屏幕向直线光线，这样将造成屏幕反光，使操作员看不清画面，同时也对屏幕反光，使操作员看不清画面，同时也对CRT的寿命不利。的寿命不利。要注意要注意CRT的亮度和对比度，最好将这两个的亮度和对比度，最好将这两个调整旋钮放在便于调整的地方，以根据调度室调整旋钮放在便于调整的地方，以根据调度室实际情况而调整，一般亮度在中等就可以了，实际情况而调整，一般亮度在中等就可以了，太亮会使操作员长期观看产生疲劳，太暗会影太亮会使操作员长期观看产生疲劳，太暗会影响观察的效果。响观察的效果。上一页上一页返回返回首页首页二、二、操作员站的基础硬件操作员站的基础硬件在操作控制台一般还应保留有安放打印在操作控制台一般还应保留有安放打印机的位置，以便放置报警打印机或报表机的位置，以便放置报警打印机或报表打印机。打印机。上一页上一页返回返回首页首页三、系统工程师站的基础硬件三、系统工程师站的基础硬件 系统工程师站的硬件没有什么特殊的系统工程师站的硬件没有什么特殊的要求，选用通用的微型计算机工作站就要求，选用通用的微型计算机工作站就可以了，基本要求为：可以了，基本要求为：CPU 32位运算能力位运算能力10SPECINT 92以上以上 内存内存 8M或以上或以上 外存外存 270M字节以上字节以上 显示器显示器 14寸彩色，分辨率寸彩色，分辨率640*480以上以上 标准键盘标准键盘 轨迹球或鼠标器轨迹球或鼠标器 电源电源200W上一页上一页返回返回首页首页三、系统工程师站的基础硬件三、系统工程师站的基础硬件 由于工程师站放在计算机房内，工由于工程师站放在计算机房内，工作环境较好，因此不一定要选用工业型作环境较好，因此不一定要选用工业型的机器，但是由于工程师站要长期连续的机器，但是由于工程师站要长期连续地在线运行，因此其可靠性要求较高。地在线运行，因此其可靠性要求较高。上一页上一页返回返回首页首页上机实验集散系统运行实验（2学时）上一页上一页返回返回首页首页