2022年集散控制系统总结 .pdf

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1、1 1.1 DCS 定义： 以多台微处理器为核心，采用控制功能分散，显示操作集中，兼顾分而自治和综合协调原则设计的新一代仪表控制系统。（distributed control system ）基地式仪表单元式仪表组件组装式仪表模拟仪表的局限性：1）生产规模大型化，中控室表盘愈来愈长，难于实现集中监视和操作。2）各控制系统的通信联系困难。3）难于实现分级控制，难于实现全厂的综合管理。4）难于实现复杂规律的控制。预估、自适应、模糊、最优5）系统变更困难。1.2 DCS 的五个发展阶段，各阶段技术特征: 1）集中计算机控制阶段2）计算机与模拟仪表混合式分散控制阶段3）第一代集散系统:实现分散控制，引

2、入网络通信技术，加强可靠性设计。4）第二代集散系统：以实现分散控制为主，实现全系统的信息管理。引入先进的局部网络技术。5）第三代集散系统：局部网络采用MAP 协议或其他工业通信协议，智能向现场方向延伸，尚未成熟。1.3 分散控制系统的四个层次，自下而上为：1）现场级： 包括各类传感器、变送器和执行器（安装在被控生产过程附近）2）控制级： 包括过程控制站（PCU）和数据采集站（DAU ） （安装在主控室后的电子设备室中）3）监控级 ：包括运行员操作站（安装在中央控制室） 、工程师工作站和计算站（安装在电子设备室）4）管理级 ：包括厂级管理计算机或是若干个机组的管理计算机。可分为实时监控和日常管理

3、两部分。1.4 各个站的功能：1）现场级设备 ：将生产过程中的各种物理量转换为电信号。或符合现场总线协议的数字信号，送往控制站或数据采集站，或者将控制站输出的控制量转换成机械位移，带动调节机构，实现对生产过程的控制。现场级的信息传递三种方式：传统的4-20mA 模拟量传输方式；现场总线的全数字量传输方式；在4-20mA的模拟量信号上，叠加调制后的数字量信号的混合传输方式。现场信息以现场总线为基础的全数字传输是今后的发展方向。2）过程控制站 ： 接受由现场设备， 如传感器、 变送器来的信号， 按照一定的控制策略计算出所需的控制量，并送回到现场的执行器中去，过程控制站可以同时完成连续控制、顺序控制

4、或逻辑控制功能，也可能仅完成其中的一种控制功能。3）数据采集站 ：接受由现场设备送来的信号，并对其进行一些必要的转换和处理之后送到分散型控制系统中的其他部分，主要是监控级设备中去。数据采集站接受大量的过程信息，并通过监控级设备传递给运行人员。4）运行员操作站： 是运行员与分散型控制系统相互交换信息的人机接口设备。运行人员通过运行员操作站来监视和控制整个生产过程。运行人员可以在运行员操作站上观察生产过程的运行情况，读出每一个过程变量的数值和状态，判断每个控制回路是否工作正常，并且可以随时进行手动/自动控制方式的切换，修改给定值，调整控制量，操作现场设备。以实现对生产过程的干扰、另外还可以打印各种

5、报表，拷贝屏幕上的画面和曲线等。要求：具有一台较强图形处理功能的微型机，以及相应的外部设备，一般配有CRT 显示器，大屏幕显示装置，打印机，拷贝机，键盘，鼠标。5）工程师工作站： 是为了控制工程师对分散控制系统进行配置、组态、调试、维护所设置的工作站。工程师工作站的另一个作用是对各种设计文件进行归类和管理，形成各种设计文件。要求：由pc 机配置一定数量的外部设备所组成。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 7 页2 6）计算站： 主要任务是实现对生产过程的监督控制，例如机组运行优化和性能计算，先进控制策略的实现等，主要功能是完

6、成复杂的数据处理和运算功能。要求：运算功能和运算速度。7）厂级管理系统 ：监测企业各部分的运行情况，利用历史数据和实时数据预测可能发生的各种情况，从企业全局利益出发辅助企业管理人员进行决策，帮助企业实现其规划目标。1.5 过程控制站和数据采集站的区别数据采集站不直接完成控制功能。这是它与过程控制站的主要区别。1.6 分散控制系统的分散方式。1）功能分散2）物理分散3）地理分散1.7 功能分散纵向从上到下分级及其功能1）单元机组级： 主要实现与机组协调控制系统高层控制任务有关的控制功能。2）功能组级： 主要实现子系统中较高层次的顺序控制和连续控制。对于顺序控制， 在功能组级形成控制子功能组的启动

7、或停止命令。对于连续控制，功能组级完成某些控制回路的主控任务，向下一级控制器发出主控信号。3）子功能组级 ：主要实现每个被控对象的顺序控制和连续控制。4）过程 I/O 级：是分散控制系统与被控生产过程之间的桥梁，是每一个模拟量或开关量的入口和出口，他们直接与现场的变送器、执行器、继电器、电动装置等现场设备相连。1.8 物理分散的形式1）层次分散型（自律可控性强）2）水平分散型（自律可调性好）1.9 地理分散方式地理集中式：是把所有的基本控制单元集中安装在中央控制室或附近的电子设备室内地理分散式：就是把基本控制单元安装在生产过程的附近，即在整个厂房内分散布置。1.10 判断 DCS 已经完全实现

8、地理分散（错）1.11 自律分散系统：所谓“自律可控性”是指任何一个子系统故障时，其余子系统的控制器可随意控制系统的各个状态变量。 “自律可协调性” 是指任一子系统故障时，其余子系统的控制器可协调各控制器彼此不同的控制目标。满足以上两点的系统即为自律分散系统。（集中式系统因为只有一个控制器，既无自律可空性，也无自律可协调性）自律分散系统同时强调了子系统的均质性，局域性，自含性。1.12 自律分散系统的特点：没有中央操作系统和中央协调系统，每个子系统都有自己的管理系统。2.1 数据信息 ：具有一定的编码、格式和字长的数字信息被称为数据信息（填空和判断）2.2 传输速率：指信道在单位时间内传输的信

9、息量，大多数分散控制系统的数据传输速率一般为0.5100Mbps 左右。2.3 通信系统的组成：发送装置、接收装置和信道2.4 信息的通信方式：单工方式，半双工方式，全双工方式。2.4 基带传输的是 脉冲信号载带传输的是 调制后的载波信号宽带传输的是 以载波频率区分的多路信号2.5 异步传输中 ，信息是以字符为单位进行传输同步传输中 ，信息是以数据块为单位进行传输2.6 串行传输是把数据的各个二进制位依次在信道上进行传输，并行传输是把构成数据的各个二进制同时在信道上进行传输的方式2.7 载带传输中的数据表示方法：调幅 调频调相精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 -

10、- - - - - -第 2 页，共 7 页3 2.8 数据的交换方式：线路交换方式,报文交换方式,报文分组交换方式(虚电路法 ,数据报方法 ) 2.9 信道 ：指发送装置和接收装置之间的信息传输通路，包括传输介质和有关的中间设备。1）传输介质：1，双绞线 ：由两个相互绝缘的的导体扭绞而成的先对。适用于网络类型：环形或总线型网络. 2.同轴电缆： 总线型或环形网络3.光缆： 具有良好的信息传输特性，料号的抗干扰特性。缺点：分支比较困难。主要用于环形网络。2.10 差错控制： 在 DCS 网络中，采取一定的措施来检测错误并纠正错误，检错和纠错成为差错控制（1）突发错误：由外界干扰，突发噪声引起的

11、，特正是误码连续成片出现。它的持续时间较长，可能影响多为数据突发状态。 （2）随机错误：主要由传输介质或电子电路中的分子热运动以及随机噪声引起的，特征是误码与其前后的代码是否出错无关。2.11 差错控制方法1 传输信息冗余（1）采用检错码（垂直奇偶校验方式，水平奇偶校验方式，矩阵奇偶校验方式，累加和校验方式）（2）采用纠错码（汉明码方式，循环码方式，其他各种编码方式）2 传输方法冗余（1）回送（回送比较方式，回送校验字符方式）（2）连发（并列传输方式，重复传输方式）2.12 奇偶校验原理：就是在每个码组之内附加一个校验位，使得整个码组中1 的个数为奇数（奇校验）或偶数（偶校验），其规则是：公式

12、2.13 矩阵奇偶校验方式既有垂直奇偶校验方式又有水平奇偶校验方式2.14 汉明校验：距离越大，可靠性越高2.15 循环冗余校验法校验码的生成过程：1）设要发送的数据位D，把 D 与 G（称为生成多项式）的最高次项相乘得到D (通过移位来实现) 2）用 G 除 G3）将上一步相除后所得的余数作为校验码（即CRC）4）将 D 与余数相加后输出在接受端的校验方式如下：1）用与发送端相同的多项式G 去除所接收到的D +余数2）如果能除尽，表示无差错，去掉余数后，得到数据3）如果除不尽，说明有差错，按一定规则进行纠错或请求重发2.16 通信网络的拓扑结构包括星型结构，环型结构，总线型结构（画出图要知道

13、是那种结构）2.17 星型结构特点：在星型结构中，每一个节点都通过一条链路连接到一个中央节点上去。任何两个节点之间的通信都要经过中央节点。在中央节点中，有一个“智能”开关装置来接通两个节点之间的通信路径。优点：结构简单，故障诊断和隔离容易。缺点：中央节点的构造是比较复杂的，一旦发生故障，整个通信系统就要瘫痪，因此，这种系统的可靠性是比较低的。环形结构：特点：在环型结构中，所有的节点通过链路组成一个环形。需要发送信息的节点将信息发送到环上，信息在环上只能按某一确定的方向传输。当信息到达接收节点时，该节点识别信息中的目的地址与自己的地址相同，就将信息取出，并加上确认标示，以便由发送节点清除。精选学

14、习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 7 页4 优点：由于传输是单方向的，所以不存在确认信息传输路径的问题，这可以简化链路的控制。当某一节点故障时，可以将该节点旁路，以保证信息畅通无阻。为了进一步提高可靠性，在某些分散控制系统中采用双环，或者在故障时支持双向传输。缺点：节点数量太多时会影响通信速度，另外，环是封闭的，不便于扩充。总线型结构：特点：所有的站都通过相应的硬件接口直接接到总线上。由于所有的节点都共享一条共用传输线路，所以每次只能由一个节点发送信息，信息由发送它的节点向两端扩散。在有用信息之前有一个询问信息，询问信息中包含着

15、接受该信息的节点地址，总线上其他节点同时接受这些信息。当某个节点由询问信息中鉴别出接受地址与自己的地址相符时，这个节点做好准备，接受后面所传送的信息。优点：结构简单，便于扩充。另外，由于网络是无源的，所以当采取冗余措施时并不增加系统的复杂性。缺点：总线结构对总线的电气性能要求很高，对总线的长度也有一定的限制，因此，它的通信距离不可能太长。2.18 ISO/OSI 将各种协议自下而上分为：物理层，链路层，网络层，传送层，会话层，表达层，应用层。2.19 物理层规定了那些内容？物理层协议规定了通信介质、驱动电路和接受电路之间接口的电气特性和机械特性。2.20 链路层规定了那些内容？链路层协议规定了

16、信息每一位和每一个字节的格式，同时还确定了检错和纠错方式，以及每一帧信息的启始和停止标记的格式。2.21 RS232 以-5V-15V 的低电平信号表示逻辑1，以 +5V+15V 的高电平信号表示逻辑0 2.22 链路层协议类型，适用类型及工作过程，优缺点。1)时分多路访问法（适用于总线型）过程：在网络中有一个总线控制器，它负责把时钟脉冲送到网络中的每个节点上，每个节点有一个预先分配好的时间槽，在给定的时间槽里它可以发送信息。在某些系统中，时间槽的分配不是固定不变的而是动态进行的。2)查询法（总线型或环型）过程：网络控制器按照一定的次序查询网络中的每个节点，看看它们是否要求发送信息。如果节点不

17、需要发送信息，网络控制器就转向下一个节点。3)令牌法（总线型或环型）令牌按照预先确定的次序，从网络中的一个节点传到下一个节点，并且循环进行。只有获得令牌的节点才能发送信息。4)带有冲突监测的载波侦听多路访问法又称为CSMA/CD( 总线型 ) 过程：它的工作过程类似于一个公用电话网络。打电话的人（相当于网络中的一个节点）首先听一听线路是否被其他用户占用。如果未被占用，他就可以开始讲话，而其他用户都处于受话状态。他们同时收到了讲话声音，但只有与讲话内容有关的人才将信息记录下来。如果有两个节点同时发送了信息，那么通过检测电路可以发现这种情况，这时，两个节点都停止发送，随机等待一段时间后再重新发送。

18、5)扩展环型法（环型）过程：当采用这种方法时，准备发送信息的节点不断监视着通过它的信息流，一旦发现信息流通过完毕，他就把要发送的信息送上网络，同时把随后进入该节点的信息存入缓冲器。当信息发送完毕之后，再把缓冲器中暂存的信息发送出去。3.1 过程控制站 发展过程中出现的结构有哪些？1）微型机结构2）I/O 卡与通用卡结构3）串行通信总线加模件结构精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 7 页5 4）节点工作站结构3.2 过程控制站的结构：1）处理器与通信模件2）I/O 模件3）总线4）电源3.3 在每个基本控制单元中，处理器模件与

19、输入/输出模件之间的信息交换由内部总线 完成。3.4 基本控制单元的种类（是否采用冗余技术）1）单回路型（不设冗余，采用手动后备）2）功能分离型（一般采用冗余技术，冗余方案为n：1）3）多回路型（必须采用冗余措施，冗余方案1：1）3.5 基本控制单元是分散控制系统中直接控制生产过程的那一部分硬件和软件的统称3.6 冗余与电厂中应用联系起来。电厂所应用的基本控制单元应该具有哪些特点：1）具有在一个基本控制单元内完成比较复杂的多变量耦合系统的控制能力2）能够在一个基本控制单元内实现连续控制和顺序控制两种控制功能3）为了实现高可靠性的要求，必须采用冗余措施，而不能只采用手动后备的方式。3.7 实际上

20、基本控制单元的结构与这三种典型结构不尽相同，但通过这些讨论可以明确一下几点：1）对于复杂度较高的系统，例如大型机组的锅炉控制系统，不宜采用单回路式的基本控制单元、2）电厂主系统的控制不宜采用功能分离型的基本控制单元。3）多回路型的基本控制单元比较适合于电厂应用，但基本控制单元的规模和处理能力要与所控制的子系统相匹配。4）老电厂的改造，自动化程度较低的中，小规模电厂可以考虑采用单回路型的基本控制单元。3.8 基本控制单元的硬件1）处理器模件2）模拟量输入模件3）模拟量输出模件4）开关量输入模件5）开关量输出模件6）脉冲量出入模件7）液压伺服模件8）现场总线模件9）过程控制站通信接口3.9 组态的

21、含义 ：组态“Configuration”：就是用应用软件中提供的工具、方法，实现工程中某一具体任务的过程3.10 功能块含义： 一种预先编好程序的软件模块，用户通过确定它的参数，并且通过组态将其连接在一起。每个功能块完成一种或几种基本的控制功能，如PID 控制，开放运算、乘除运算等。3.11 功能块的三要素1）功能码 ：功能码用来说明功能块所完成的功能，每一种功能块具有惟一的一个功能码。2）块地址 ：指一个功能块的运算输出结果的存放地址3）输入说明表和参数说明表：每个功能块都要有一个输入说明表和参数表。输入说明表指出该功能块的输入数据来自何处，参数说明表说明该功能块运算时所需要的参数值。3.

22、12基本控制单元的可靠性措施1）手动后备精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 7 页6 2）冗余（ CPU 冗余， 1:1 冗余， N：1 冗余，多重冗余）3）在线诊断4）输出保护4.1 运行员操作站是运行员对过程与系统的接口，常被称为人机接口（MMI ）4.2 人机接口的组成1）显示器2）主机3）辅助设备4）通信网络5）通信接口6）DCS 过程控制系统4.3 瓶颈现象 ：是指在节点是串联连接的通信系统中，在传递的信息量一样时，两端通道的通信速度如果不同，则速度慢的一段通信的信息量少，就像是通道上“瓶颈”。不能轻意地认定这里不

23、同的通信速率就一定一定造成通信堵塞，而要具体分析系统的结构与通信方式。4.4 运行员操作站（MMI ）功能，特点。1）操作员通过MMI 监视、控制工业过程，因此，MMI 要能够显示过程信息，传递操作员的指令，显示处理各种报警。2）操作员通过MMI 监视 DCS 的状态，因此MMI 要能够监视DCS 中所有设备的状态，包括MMI 本身及其外设的状态。 显然，所有系统故障诊断的结果，应能使维护人员能通过MMI 确诊到某一个过程通道的故障。3）操作员通过MMI 管理运行过程，因此MMI 要能记录各种过程与系统的事件，存储、打印记录的结果，生成各种报表。4）操作员通过MMI 维护、 调整生产过程与DC

24、S，因此 MMI 要提供对过程控制参数甚至结构的调整手段，同时调整 MMI 内的各种软硬配置，提供过程与系统各类帮助指导。4.5 报警管理： 就是按一定的规律去处理报警信息，其根本目的是通过管理使运行员能够及时发现问题，快速正确地处理问题，可靠记录处理的全过程。4.6 报警分类目的 ：是使运行员快速地识别报警并马上能够回答出什么量发生了报警、在什么地方出现报警、其重要程度如何等问题。4.7 报警按性质 分为 过程报警 与系统报警 。前者指过程变量出现异常情况，后者指DCS 设备出现故障。4.8 记录与报表 是将信息归档的两种形式。4.9 记录是针对事件而言的，当DCS 或工艺过程中发生了什么事

25、件时，记录下该事件供今后查找故障原因或总结控制经验使用。记录一般分成随机记录与事件触发记录。4.10 报表是按照某种规律，通常是以时间的某种规律，从DCS 历史数据库中取出数据来，放到一起，或起分析作用，或起统计作用。5.1 工程师工作站主要功能：工程师工作站是DCS 中用于系统设计的工作站。它的主要功能是为了系统设计工程师提供各种设计工具，使工程师利用他们来组合、调用DCS 的各种资源。5.2 前期组态工作：1） 系统硬件配置：包括系统的规模，各操作员站、现场控制站的数量，各站测点的分配，模块的配置等。2） 工艺系统测点清单：分类详细列出工艺系统各测点清单，包括 AI、AO、DI、DO 等类型。指明各点有关项的内容（如量程、 报警限等）。3）确定控制运算方案：根据工艺要求提出控制策略，包精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 7 页7 括模拟量控制回路调节、逻辑控制、顺序控制、批量控制等，明确各控制回路的执行机构的类型、特征。4）确定相关工艺流程：依据工艺流程确定系统图形画面，主要反映流程关系、所需监视控制的工艺参数的位置信息和类型信息等。5）确定历史库、报表、报警、事故追忆等的要求或格式。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 7 页