dcs的发展及基本组成(1)(完整版).doc

dcs的发展及基本组成(1)（完整版）(文档可以直接使用，也可根据实际需要修改使用,可编辑 欢迎下载）一、过程控制系统发展的三条主线1、对离散过程的控制机械电磁原理的继电器电子逻辑开关（开关电路）PLC（数字技术和微处理器芯片）（直接控制系统）2、SCADA遥测遥感系统SCADA功能：数据采集、监督控制特点：（1）控制地域宽 （2）远程通信（3） 不区分模拟过程和连续过程3、连续过程控制系统（仪表控制系统和计算机控制系统）仪表控制系统+计算机控制系统DCS分布式控制系统DCS？（1）仪表控制系统的发展（2）计算机控制系统仪表控制系统概念：仪表控制系统：指由模拟式仪表组成的控制系统。功能：回路控制参数：1-2个现场输入（测量值） 1个现场输出（控制量） 1个设定值作用：保证被控对象的一个最基本的运行单元能够按照预定的参数正常运行。（1） 基地式仪表控制系统基地式仪表：指控制系统（仪表）与被控对象在机械在机械机构上是结合在一起的，而且仪表各个部分，包括检测、计算、执行及简单的人机界面等做成一个整体，就地安装在被控界面上。特点：（1）单回路控制 （2）简单实用问题：（1）针对不同的控制参数，成套设备分散安装在生产设备的控制点上。操作、观察上的困难；（2）控制功能有限难以实现复杂的控制算法（2）单元式组合仪表特点1：测量、控制计算、执行及显示、设定、记录等功能分别由不同的单元实现，单元之间采用某种标准的物理信号实现连接。特点2：单元可根据控制功能的需求进行灵活的组合，以实现更多的控制功能。仪表类型：气动单元组合仪表（1）以经过干燥净化的压缩空气作为动力（2）以气压传递现场信号，20-100Kpa（3）QDE系列（4）变送单元（B）给定值单元（G）调节单元（T）辅助单元（F）显示单元（X）转换单元（Z） 计算单元（J）（5）特点 防爆 直接驱动气动阀门 抗干扰性好（6）存在的问题 防腐蚀、防泄露管道的铺设 , 管道材料、连接件技术要求. 建设成本、运行维护成本高仪表类型：电动单元组合仪表（1）直流电源为运行动力（2）以直流电信号（电压或电流）传递现场信号， 0-10mA；4-20mA（3）DDZ-II；DDZ-III（4） 变送单元（B）给定值单元（G） 调节单元（T）辅助单元（F） 显示单元（X）转换单元（Z） 计算单元（J）执行单元（K）（5）特点 轻便灵活 功能齐全（6）执行机构 采用电磁原理设计的设备或装置 电磁阀 电动机 继电器现代控制系统1、控制系统的现场安装部分 检测/变送单元 控制和执行单元 一次仪表2、人机部分 观测的仪表显示 操作的操作单元 仪表盘/模拟盘 二次仪表3、传输部分一次仪表传输电缆二次仪表思考一1、基地式仪表单元式组合仪表2、控制装置控制系统3、模拟式控制系统数字式控制系统（现场总线标准）结论： 信号传输的出现思考二1、电动单元组合仪表调节、计算单元都是采用模拟原理来实现的。2、气动单元组合仪表调节、计算单元都是利用射流原理来模拟各种控制规律后果： 计算精度不高 控制精度不够 经典PID控制 结论： 寻求更好的控制器或调节器微处理器的出现和数字技术的发展，以数字技术为基础的数字化控制逐步占据了控制系统的主导地位。2、 计算机控制系统1946，第一台电子数字计算机问世；1958年，计算机进入了控制领域； （I）发电厂现场状态监视（1958.9）现场检测仪表的数据进行采集；屏幕显示监视系统说明：代替检测控制仪表的显示部分，实现多台检测仪表的集中监视功能。（II）炼油厂（1959.3）现场状态监测；设定值给定或修订设定值系统（SPC）监督控制系统（最早）（III）化工厂（1960.4） 完成检测数据的监视；设定值；实际完成控制计算并实际输出控制量直接数字控制系统（DDC）（第一个）DDC的特点1、所有控制回路的计算、控制集中；2、实现复杂控制功能；3、安全性问题；4、可靠性问题。思考三：寻求更好的计算机控制系统电动单元组合仪表控制系统的优势；DDC计算机直接数字控制系统的优势。二、集散控制系统DCS一、系统分析计算机进入控制领域，带来从模拟技术向数字技术革命性的变化。基地式仪表、单元组合式仪表，在每个单回路控制的单元中都是采用模拟技术，很难实现复杂的控制功能。计算机控制系统，利用计算机强大的计算功能、数据处理能力和数字技术的灵活性，实现了生产过程中复杂的控制功能。1、计算机监视系统（Monitoring）（1）检测和显示环节实现数字化；（2）控制部分仍采用模拟仪表实现。 2、设定值系统/监督系统（SPC）（1）检测和设定值实现数字化；（2）控制计算、输出环节仍采用模拟仪表实现。 3、直接数字控制系统（DDC） 检测、计算、控制输出等全部环节实现数字化。数字技术特点优点（1）完成各种复杂的计算和智能化的处理；（2）人机界面的优化（3）形成控制网络（最大优势）缺点（1）容错性较差（2）软件程序 : 程序“跑飞” , 分时回路控制控制功能实现方面仪表：控制回路完全分开；每个回路有自己的测量单元、变送单元、控制计算单元等等。DDC：控制回路联系所有回路的控制计算由DDC的计算机全部集中完成；每个回路的输入输出都连接在计算机充当的控制器/调节器上。二、DCS（集散控制系统）DCS1975年特点：结合了仪表控制系统和DDC的优势特征：DCS是网络进入控制领域后出现的新型控制系统体系：DDC的数字技术计算机局域网单元式组合仪表的分布式体系结构1、概念1983定义：某一类仪器仪表（输入/输出设备、控制设备和操作员接口设备），不仅可以完成指定的控制功能，还允许将控制、测量和运行信息在具有通信链路的、可由用户指定的一个或多个地点之间相互传递。解释DCS具有数字通信能力的仪表系统（1）现场端仍采用模拟仪表的变送单元和执行单元（2）主控制室采用计算单元、显示、记录和给定单元等单元，处理基于数字技术（3）计算单元连接多个控制回路（4）分布性（功能划分、范围划分等）综合定义以回路控制为主要功能的系统；除变送和执行单元外，各种控制功能及通信、人机界面均采用数字技术；以计算机的CRT、键盘、鼠标/轨迹球代替仪表盘形成系统人机界面；回路控制功能由现场控制站完成，系统可有多台现场控制站，每台控制一部分回路；人机界面由操作员站实现，系统可有多台操作员站；系统中所有的现场控制站、操作员站均通过数字通信网络实现连接。2、发展历程第一代DCS（初创期）1975-1980（1）Honeywell的TDC-2000系统（2）重控制功能（现场控制站），轻人机界面功能（操作员站）第二代DCS（成熟期）1980-1985（1）Honeywell的TDC-3000系统（2）引入局域网（3）控制功能更加完善第三代DCS（扩展期）（1）1987，Foxboro的I/A Series（2）三层体系结构管理层（3）ISO标准MAP（制造自动化规约）网络（4）功能扩展新一代DCS的出现特点：全数字化、信息化、集成化3、 DCS的体系结构集散控制系统体系结构的特征纵向分层横向分散设备分级网络分层按照功能，集散控制系统设备分为四级现场控制级过程控制级过程管理级经营管理级与四级设备对应的四层网络现场网络cnet控制网络cnei监控网络(snet)管理网络按照功能，集散控制系统设备分为四级(1） 现场控制级典型的现场控制级设备（工业现场控制系统相关设备）各类传感器各类变送器各类执行器现场控制级设备的主要任务完成过程数据采集与处理。直接输出操作命令、实现分散控制。完成与上级设备的数据通信，实现网络数据库共享。（2） 过程控制级过程控制级主要设备：过程控制站、数据采集站和现场总线服务器（逻辑站）等。过程控制站产生控制作用。可以实现反馈控制、逻辑控制、顺序控制和批量控制等功能。数据采集站接收大量的非控制过程信息；（开关量和模拟量）不直接完成控制功能。（基本监视任务）现场总线服务器一台安装了现场总线接口卡与DCS监控网络接口卡的计算机。过程控制级设备的主要功能采集过程数据，进行数据转换与处理；对生产过程进行监测和控制；现场设备及 I/O 卡件的自诊断；与过程管理级进行数据通信。（3） 过程管理级过程管理级的主要设备：操作站、工程师站和监控计算机、（数据站）等。操作站操作人员与DCS相互交换信息的人机接口设备； DCS的核心显示、监视、操作和管理装置。工程师站对DCS进行配置、组态、调试、维护。监控计算机实现对生产过程的监督控制；机组运行优化和性能计算，先进控制策略的实现等。数据站是用于数据处理的，目前系统保留，尚未使用过程管理级设备的主要功能对生产过程进行监测和控制；对DCS进行配置、组态、调试、维护 ；对各种设计文件进行归类和管理 。实现对生产过程的监督控制，故障检测和数据存档。（4） 经营管理级 经营管理级的设备可能是厂级管理计算机，也可能是若干个生产装置的管理计算机。厂级管理系统的主要功能是监视企业各部门的运行情况。管理计算机的要求是具有能够对控制系统做出高速反应的实时操作系统。经营管理级设备的主要功能监视企业各部门的运行情况 ；实时监控承担全厂性能监视、运行优化、全厂负荷分配和日常运行管理等任务 ；日常管理承担全厂的管理决策、计划管理、行政管理等任务 。基本DCS应包括四大组成部分：1、一台现场控制站；（至少）2、一台操作员站；（至少）3、一台工程师站（至少）4、一条系统网络（至少）还包括：完成特殊功能站；扩充上层管理和信息处理功能的信息网络；以及实现现场仪表、执行结构数字化的现场总线网络(1) 操作站操作站：是操作人员对生产过程进行显示、监视、操作控制和管理的主要设备。操作站提供了良好的人机交互界面，用以实现集中监视、操作和信息管理等功能。在有的小DCS中，操作站兼有工程师站的功能，在操作站上也可以进行系统组态和维护的部分或全部工作。 (2)工程师站工程师站：用于对DCS进行离线的组态工作和在线的系统监督、控制与维护。工程师能够借助于组态软件对系统进行离线组态，并在DCS在线运行时，可以实时地监视通信网络上各工作站的运行情况。(3) 监控计算机监控计算机通过网络收集系统中各单元的数据信息，根据数学模型和优化控制指标进行后台计算、优化控制等，它还用于全系统信息的综合管理。(4) 现场控制站 现场控制站通过现场仪表直接与生产过程相连接，采集过程变量信息，并进行转换和运算等处理，产生控制信号以驱动现场的执行机构，实现对生产过程的控制。 现场控制站可控制多个回路，具有极强的运算和控制功能，能够自主地完成回路控制任务，实现反馈控制、逻辑控制、顺序控制和批量控制等功能。(5) 数据采集站数据采集站通过现场仪表直接与生产过程相连接，对过程非控制变量进行数据采集和预处理，并对实时数据进一步加工。为操作站提供数据，实现对过程的监视和信息存储；为控制回路的运算提供辅助数据和信息。 (6) 通信系统通信系统连接DCS的各操作站、工程师站、监控计算机、控制站、数据采集站等部分，传递各工作站之间的数据、指令及其他信息，使整个系统协调一致地工作，从而实现数据和信息资源的共享。 操作站、工程师站和监控计算机构成了DCS的人机接口，用以完成集中监视、操作、组态和信息综合管理等任务。 现场控制站和数据采集站构成DCS的过程接口，用以完成数据采集与处理和分散控制任务。 通信系统是连接DCS各部分的纽带，是实现集中管理、分散控制目标的关键。 DCS 操作站一般分为操作员站和工程师站两种（数据站）。工程师站主要是技术人员与控制系统的人机接口，可以对应用系统进行监视。工程师站为用户提供了一个灵活的、功能齐全的工作平台，通过组态软件来实现用户所要求的各种控制策略。有些小型DCS的工程师站可以用一个操作员站代替。操作站设备操作台微处理机系统外部存储设备图形显示设备操作键盘和鼠标打印输出设备Y现场控制站主要设备：现场控制单元。主要任务：进行数据采集及处理，对被控对象实施闭环反馈控制、顺序控制和批量控制。用户可以根据不同的应用需求，选择配置不同的现场控制单元以构成现场控制站。以面向连续生产的过程控制为主，顺序逻辑控制为辅，构成一个可以实现多种复杂控制方案的现场控制站; 以顺序控制、联锁控制功能为主的现场控制站；构成对大批量过程信号进行总体信息采集的现场控制站。(1) 机柜有了现场控制站，生产过程控制的安全性和可靠性都很容易得到保证(2) 电源电源系统的可靠性措施每一个现场控制站均采用双电源供电，互为冗余。 采用超级隔离变压器，将其初级、次级线圈间的屏蔽层可靠接地，以克服共模干扰的影响。采用交流电子调压器，快速稳定供电电压。配有不间断供电电源 UPS，以保证供电的连续性。现场控制站内增加直流电源系统的稳定性措施 给主机供电与给现场设备供电的电源要在电气上隔离，以减少相互间的干扰 。 采用冗余的双电源方式给各功能模块供电。一般由统一的主电源单元将交流电变为 24V 直流电供给柜内的直流母线，然后通过 DC-DC 转换方式将 24V 直流电源变换为子电源所需的电压。主电源一般采用 1:1 冗余配置，而子电源一般采用 N:1 冗余配置。 各功能模块所需直流电源一般为±5V、±15V(或±12 V)、以及+24V。 (3) 控制计算机控制计算机一般是由 CPU、存储器、输入 / 输出通道等基本部分组成。(1)CPU 用以实现算术运算和逻辑运算。可以执行复杂的先进控制算法，如自动整定、预测控制、模糊控制和自适应控制等。 (2)存储器 控制计算机的存储器分为RAM和ROM。在控制计算机中 ROM 占有较大的比例。由于控制计算机在正常工作时运行的是一套固定的程序，DCS中大都采用了程序固化的办法。在冗余控制计算机系统中，还特别设有双端口随机存储器RAM ，其中存放有过程输入输出数据、设定值和PID参数等。(3)总线 总线是将现场控制站内部各单元连接起来的通信介质。 (4)输入/输出通道 模拟量输入/输出(AI/AO)开关量输入/输出(SI/SO)数字量输入/输出(DI/DO)脉冲量输入通道 (PI) 模拟量输入输出通道(AI/AO) 模拟量输入通道(AI)模拟量输入通道(AI)将来自在线检测仪表和变送器的连续性模拟电信号转换成数字信号，送给CPU进行处理。模拟量输出通道(AO) 模拟量输出通道(AO)一般将计算机输出的数字信号转换为420mADC(或15VDC) 的连续直流信号，用于控制各种执行机构。开关量输入/输出通道(SI/SO) 开关量输入通道(SI)主要用来采集各种限位开关、继电器 或电磁阀连动触点的开、关状态，并输入至计算机。开关量输出通道(SO)主要用于控制电磁阀、继电器、指示灯、声光报警器等只具有开、关两种状态的设备。脉冲输入通道(PI) 脉冲输入通道(PI)将现场仪表（如涡轮流量计等）输出的脉冲信号处理后送入计算机。冗余技术(1) 冗余方式冗余技术多重化自动备用(同步运转,待机运转，后退运转)简易的手动备用同步运转方式让两台或两台以上的设备或部件同步运行，进行相同的处理，并将其输出进行核对。两台设备同步运行，只有当它们的输出一致时，才作为正确的输出，这种系统称为“双重化系统”(Dual System)。三台设备同步运行，将三台设备的输出信号进行比较，取两个相等的输出作为正确的输出值，这就是设备的三重化设置，待机运转方式同时配备两台设备，使一台设备处于待机备用状态。当工作设备发生故障时，启动待机设备来保证系统正常运行。这种方式称为1:1 的备用方式。对于N台同样设备，采用一台待机设备的备用方式就称为 N:1 备用。待机运行方式是 DCS 中主要采用的冗余技术。后退运转方式使用多台设备，在正常运行时，各自分担各种功能运行。当其中之一发生故障时，其他设备放弃其中一些不重要的功能，进行互相备用。简易的手动备用方式采用手动操作方式实现对自动控制方式的备用。当自动方式发生故障时，通过切换成手动工作方式，来保持系统的控制功能。 (2) 冗余措施通信网络的冗余：采用一备一用的配置。操作站的冗余：采用工作冗余的方式。现场控制站的冗余：有的采用 1:1 冗余，也有的采用N:1 冗余。采用无中断自动切换方式。电源的冗余：除了 220V 交流供电外，还采用了镍镉电池、铅钙电池以及干电池等多级掉电保护措施。输入/输出模块的冗余：部分重要卡件采用 1:1 冗余。DCS软件还采用了信息冗余技术。集散控制系统的软件体系系统软件实时多任务操作系统面向过程的编程语言工具软件应用软件通信管理软件组态生成软件诊断软件集散控制系统的系统软件一组支持开发、生成、测试、运行和维护程序的工具软件。操作系统用来控制计算机系统中用户程序的执行顺序。为用户程序与系统硬件提供接口软件。允许这些程序 ( 包括系统程序和用户程序 ) 之间交换信息。 在实时工业计算机系统中，应用程序用来完成功能规范中所规定的功能。DCS组态（或组态设计）根据实际生产过程控制的需要，预先将DCS所提供的硬件设备和软件功能模块组织起来，以完成特定的任务。DCS组态分为硬件组态和软件组态