2022年2022年集散控制系统原理及应用 .pdf

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1、第二章 集散控制系统基础知识DCS 是由工作站和通信网络两大部分组成的，系统利用通信网络将各工作站连接起来，实现集中监视、操作、信息管理和分散控制。2.1 集散控制系统的体系结构 图 2.1 为一个 DCS 的典型体系结构。图 2.1 集散控制系统的体系结构1.现场控制级 现场控制级设备的任务主要有：1）完成过程数据采集与处理。2）直接输出操作命令、实现分散控制。3）完成与上级设备的数据通信，实现网络数据库共享。4）完成对现场控制级智能设备的监测、诊断和组态等。现场网络的信息传递有三种方式：1）传统的模拟信号(如 420mADC 或者其他类型的模拟量信号)传输方式。2）全数字信号（现场总线信号

2、）传输方式。3）混合信号（在420mADC 模拟量信号上，叠加调制后的数字量信号）传输方式。2.过程控制级 过程控制级主要由过程控制站、数据采集站和现场总线接口等构成。过程控制级的主要功能：1）采集过程数据，进行数据转换与处理。2）对生产过程进行监测和控制，输出控制信号，实现反馈控制、逻辑控制、顺序控制和批量控制功能。3）现场设备及 I/O 卡件的自诊断；四是与过程操作管理级进行数据通信。3.过程管理级-2-名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 16 页 -过程管理级的主要设备有操作站、工程师站和监控计算机等。操作站是操作人员与DCS相互交换信息的人机接口设备，是DCS

3、的核心显示、操作和管理装置。工程师站是为了控制工程师对DCS进行配置、组态、调试、维护所设置的工作站。工程师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、组态文件，如各种图样、表格等。监控计算机的主要任务是实现对生产过程的监督控制，如机组运行优化和性能计算，先进控制策略的实现等。4.经营管理级 经营管理级所面向的使用者是厂长、经理、总工程师等行政管理或运行管理人员。2.2 集散控制系统的硬件结构 2.2.1 现场控制站 1.机柜 现场控制站的机拒内部均装有多层机架，以供安装各种模块及电源之用。2.电源 为了保证电源系统的可靠性，通常采取以下几种性措施。(1)每一个现场控制站均采用

4、双电源供电，互为冗余。(2)如果现场控制站机拒附近有经常开关的大功率用电设备，应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。(3)如果电网电压波动很严重，应采用交流电子调压器，快速稳定供电电压。(4)在石油、化工等对连续性控制要求特别高的场合，应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 (1)CPU 现场控制站大都采用Motorola 公司 M68000 系列和 Intel 公司 80X86 系列的CPU 产品。(2)存储器控制计算机的存储器也分为RAM

5、 和ROM。(3)总线常见的控制计算机总线有Intel公司的多总线 MULTIBUS，“EOROCARD”标准的 VME 总线。(4)输入/输出通道模拟量输入输出通道(AI/AO)开关量输入/输出通道(SI/SO)脉冲输入通道(PI)-3-名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 16 页 -2.2.2 操作站 DCS 操作站一般分为操作员站和工程师站两种。操作站必须配置有以下设备。1.操作台 操作台用来安装、承载和保护各种计算机和外部设备。目前流行的操作台有桌式操作台、集成式操作台和双屏操作台等。2.微处理机系统 一般的 DCS 操作站采用 32 位或 64 位微处理机。

6、3.外部存储设备 操作站都配有一到两个大容量的外部存储设备，有些系统还配备了历史数据记录仪。4.图形显示设备 当前 DCS的图形显示设备主要是LCD，有些 DCS还在使用 CRT。有些 DCS操作站配备有厂家专用的图形显示器。5.操作键盘和鼠标(l)操作员键盘(2)工程师键盘6.打印输出设备 一台用于打印生产记录报表和报警报表；另一台用来拷贝流程画面。2.2.3 冗余技术 1.冗余方式 DCS 的冗余技术可以分为多重化自动备用和简易的手动备用两种方式。多重化自动备用就是对设备或部件进行双重化或三重化设置，当设备或部件万一发生故障时，备用设备或部件自动从备用状态切换到运行状态，以维持生产继续进行

7、。多重化自动备用还可以进一步分为同步运转、待机运转、后退运转等三种方式。简易的手动备用方式是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 DCS的冗余包括通信网络的冗余、操作站的冗余、现场控制站的冗余、电源的冗余、输入/输出模块的冗余等。通常将工作冗余称“热备用”，而将后备冗余称为“冷备用”。除了硬件冗余外，DCS还采用了信息冗余技术，就是在发送信息的末尾增加多余的信息位，以提供检错及纠错的能力，降低通信系统的误码率。2.3 集散控制系统的软件体系 2.3.1 集散控制系统的系统软件 集散控制系统的系统软件是由实时多

8、任务操作系统、面向过程的编程语言和工具软件等部分组成。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，而操作系统则是控制计算机自身运行的系统软件。2.3.2 集散控制系统的组态软件-5-名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 16 页 -DCS组态是指根据实际生产过程控制的需要，利用 DCS所提供的硬件和软件资源，预先将这些硬件设备和软件功能模块组织起来，以完成特定的任务。这种设计过程习惯上称作组态或组态设计。从大的方面讲，DCS的组态功能主要包括硬件组态(又叫配置)和软件组态两个方面。-6-名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 1

9、6 页 -2.4 集散控制系统的基本功能 2.4.1 现场控制站的基本功能 1.反馈控制(1)输入信号处理零偏修正规格化模拟信号的规格化，是指将15VDC 的模拟信号经 A/D 转换器变成规格化的数字量，该规格化数值送到计算机直接参与运算。规格化运算式为00)(41xxxuxm+-=(2-1)工程量变换当监控计算机或操作站需显示或打印时，还应将规格化的数据转换成工程量单位值y，它按式 (2-2)进行计算。000)(yxxxxMym+-=（2-2）【例 21】设1V电压信号表示 10，5V电压信号表示 200，求电压信号为 4V 时的规格化值及显示的工程量为多少?已知：温度上限对应的规格化值为

10、3847.0，温度下限对应的规格化值为 247.0。解：按式 (2-1)，得 4V 时的规格化值为0.29470.247)0.2470.3847(414=+-=x代入式 (2-2)，得 4V 时显示的工程量为5.15210)10200(0.2470.38470.2470.2947=+-=y非线性处理开方运算补偿运算脉冲序列的瞬时值变换及累计(2)报警处理报警类型 报警类型通常可分为仪表异常报警、绝对值报警、偏差报警、速率报警以及累计值报警等。报警限值 为了实现预报警，DCS中通常还设置了多重报警限，如上限、上上限、下限、下下限等。报警优先级 报警优先级参数表示当超限报警发生时，报警信号的优先级

11、别。报警链中断参数用于给出顺序事件的主要报警源。最高报警选择参数(3)控制运算常用的算法有常规 PID、微分先行 PID、积分分离、开关控制、时间比例式开关控制、信号选择、比率设定、时间程序设定、Smith 预估控制、多变量解耦控制、一阶滞后运算、超前-滞后运算及其他运算等。(4)控制回路组态现场控制站中的回路组态功能类似于模拟仪表的信号配线和配管。由于现场控制站的输入、输出信号处理、报警检验和控制运算等功能是由软件实现的，这些软件构成了 DCS内部的功能模块，或称作内部仪表。-8-名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 16 页 -(5)输出信号处理输出信号处理功能有输

12、出开路检验，输出上下限检验、输出变化率限幅、模拟输出、开关输出、脉冲宽度输出等功能。2.逻辑控制 逻辑运算包括与(AND)、或(OR)、非(NO)、异或(XOR)、连接(LINK)、进行延时(ON DELAY)、停止延时(OFF DELAY)、触发器(FLIP-FLOP)、脉冲(PULSE)等。3.顺序控制 顺序控制就是按预定的动作顺序或逻辑，依次执行各阶段动作程序的控制方法。顺序表法是将控制顺序按逻辑关系和时间关系预先编成顺序记录，存储于管理文件中，然后逐项执行。程序语言方式是通过语言编程来实现顺序控制的，所采用的语言是一种面向现场、面向过程的简单直观的控制语言。梯形图法又称梯形逻辑控制语言

13、，它是由继电器逻辑电路图演变而来的一种解释执行程序的设计语言。它的书写方式易被控制工程师理解和接受，实现起来也更方便。随着 DCS 的发展，已出现了梯形逻辑与连续控制算法相结合的复合控制功能。4.批量控制 批量控制就是根据工艺要求将反馈控制与逻辑、顺序控制结合起来，使一个间歇式生产过程得到合格产品的控制。(1)控制方式选择DCS有手动、自动、串级和计算机等四种控制方式可供选择。(2)测量值跟踪增量型和速度型 PID 算法通常具有测量值跟踪功能。(3)输出值跟踪混合型 PID 算法，在设置测量值跟踪的同时，还需要设置输出值跟踪功能。在自动方式时，手操器的输出值是始终跟踪控制器的自动输出值的，因此

14、，从自动切换到手动时，手操器的输出值与PID的输出值相等，切换是无扰动的。-9-名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 16 页 -2.4.2 操作站的基本功能 1.显示 它以模拟方式、数字方式及趋势曲线实时显示每个控制回路的测量值(PV)、设定值(SV)及控制输出值(MV)。在显示器上，工艺设备和控制设备等的开关状态，运行、停止及故障状态，回路的操作状态(手动、自动、串级)，顺序控制、批量控制的执行状态等能以字符方式、模拟方式、图形及色彩等多种方式显示出来。2.操作 操作站可对全系统每个控制回路进行操作，对设定值、控制输出值、控制算式中的常数值、顺控条件值和操作值进行调

15、整，对控制回路中的各种操作方式(如手动、自动、串级、计算机、顺序手动等)进行切换。对报警限设定值、顺控定时器及计数器的设定值进行修改和再设定。为了保证生产的安全，还可以采取紧急操作措施。3.报警 操作站以画面方式、色彩(或闪光 )方式、模拟方式、数字方式及音响信号方式对各种变量的越限和设备状态异常进行各种类型的报警。4.系统组态 DCS实际应用于生产过程控制时，需要根据设计要求，预先将硬件设备和各种软件功能模块组织起来，以使系统按特定的状态运行，这就是系统组态。DCS 的组态分为系统组态和应用组态两类，相应的有系统组态软件和应用组态软件。应用组态软件用来建立功能模块，包括输入模块、输出模块、运

16、算模块、反馈控制模块、逻辑控制模块、顺序控制模块和程序模块等，将这些功能模块适当的组合，而构成控制回路，以实现各种控制功能。应用组态方式有填表式、图形式、窗口式及混合式等。组态过程是先系统组态，后应用组态。组态主要针对过程控制级和过程管理级。设备组态的顺序是自上而下，先过程管理级，后过程控制级；功能组态的顺序恰好相反，先过程控制级，后过程管理级。5.系统维护 当系统中的某设备发生故障时，一方面立刻切换到备用设备，另一方面经通信网络传输报警信息，在操作站上显示故障信息，蜂鸣器等发出音响信号，督促工作人员及时处理故障。6.报告生成 根据生产管理需要，操作站可以打印各种班报、日报、操作日记及历史记录

17、，还可以拷贝流程图画面等。2.4.3 自诊断功能 在系统投运前，用离线诊断程序检查各部分的工作状态；系统运行中，各设备不断执行在线自诊断程序，一旦发现错误，立即切换到备用设备；同时经过通信网络在显示器上显示出故障代码，等待及时处理。通常故障代码可以定位到卡件板，用户只需及时更换卡件。-11-名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页，共 16 页 -2.5 数据通信技术 2.5.1 数据通信原理 1.数据通信系统的组成 通信是指用特定的方法，通过某种介质将信息从一处传输到另一处的过程。数据通信系统由信号、发送装置、接收装置、信道和通信协议等部分组成，如图2.2所示。图2.2 通信

18、系统模型(1)信号或称报文，指需要传送的数据，由文本、数字、图片或声音等及其组合方式组成。在数据通信系统内部，信号是任何计算机能够识别的信息。(2)发送装置指具有作为二进制数据源的能力，任何能够产生和处理数据的设备。(3)接收装置指能够接收模拟或数字形式数据的任何功能的设备。(4)信道信道是指发送装置与接收装置之间的信息传输通道，包括传输介质和有关的中间设备，它用来实现数据的传送。常用的传输介质是双绞线、同轴电缆、光缆、无线电波、微波等。(5)通信协议通信协议是控制数据通信的一组规则、约定与标准，它定义了通信的内容、格式，通信如何进行、何时进行等。2.通信类型 模拟通信是以连续模拟信号传输信息

19、的通信方式。数字通信是将数字信号进行传输的通信方式。数据信息是具有一定编码、格式和字长的数字信息。3.传输方式 信息按其在信道中的传输方向分为单工、半双工和全双工三种传输方式，如图2.3所示。(l)单工方式信息只能沿一个方向传输，而不能沿相反方向传输的通信方式称为单工方式。(2)半双工方式信息可以沿着两个方向传输，但在指定时刻，信息只能沿一个方向传输的通信方式称为半双工方式。(3)全双工方式信息可以同时沿着两个方向传输的通信方向称为全双工方式。-13-名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 8 页，共 16 页 -图2.3 信息传输方式4.串行传输与并行传输(1)串行传输是把数据逐位

20、依次在信道上进行传输的方式。如图2.4(a)所示。(2)并行传输是把数据多位同时在信道上进行传输的方式。如图2.4(b)所示。在DCS中，数据通信网络几乎全部采用串行传输方式。图2.4 串行传输与并行传输(a)串行传输；(b)并行传输5.基带传输与宽带传输 (1)基带传输所谓基带，是指电信号所固有的频带。基带传输就是直接将代表数字信号的电脉冲信号原样进行传输。(2)宽带传输在信道上传输调制信号，就是载带传输。如果要在一条信道上同时传送多路信号，各路信号可以以不同的载波频率加以区别，每路信号以载波频率为中心占据一定的频带宽度，而整个信道的带宽为各路载波信号所分享，实现多路信号同时传输，这就是宽带

21、传输。6.异步传输与同步传输 在异步传输中，信息以字符为单位进行传输，每个信息字符都具有自己的起始位和停止位，一个字符中的各个位是同步的，但字符与字符之间的时间间隔是不确定的。在同步传输中，信息不是以字符而是以数据块为单位进行传输的。7.传输速率 信息传输速率又称为比特率，是指单位时间内通信系统所传输的信息量。一般以每秒钟所能够传输的比特数来表示，记为Rb。其单位是比特/秒，记为 bit/s 或 bps。-14-名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 9 页，共 16 页 -8.信息编码 用模拟信号表示数字信息的编码称为数字-模拟编码。在模拟传输中，发送设备产生一个高频信号作为基波，

22、来承载信息信号。将信息信号调制到载波信号上，这种形式的改变称为调制 (移动键控)，信息信号被称为调制信号。数字信息是通过改变载波信号的一个或多个特性(振幅、频率或相位)来实现编码的。载波信号是正弦波信号，它有三个描述参数，即振幅、频率和相位，所以相应地也有三种调制方式，即调幅方式、调频方式和调相方式。常用编码方法是幅移键控(ASK)、频移键控(FSK)和相移键控(PSK)，此外还有振幅与相位变化结合的正交调幅(QAM)。(1)幅移键控法(Amplitude Shift Keying，ASK)它是用调制信号的振幅变化来表示二进制数的，例如用高振幅表示1，用低振幅表示0，如图 2.5(a)所示。(

23、2)频移键控法(Frequency Shift Keying，FSK)它是用调制信号的频率变化来表示二进制数的，例如用高频率表示1，用低频率表示0，如图 2.5(b)所示。(3)相移键控法(Phase shift keying，PSK)它是用调制信号的相位变化来表示二进制数的，例如用 0相位表示0，用 180 相位表示1，如图 2.5(c)所示。图2.5 三种调制方式9.数据交换方式(1)线路交换方式(2)报文交换方式(3)报文分组交换方式2.5.2 通信网络 1.局部网络的概念 局部区域网络(Local Area Network，LAN)，简称为局部网络或局域网，是一种分布在有限区域内的计算

24、机网络，是利用通信介质将分布在不同地理位置上的多个具有独立工作能力的计算机系统连接起来，并配置了网络软件的一种网络，用户能够共享网络中的所有硬件、软件和数据等资源。2.局部网络拓扑结构(1)星型结构星型结构如图 2.6 所示。-15-名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 10 页，共 16 页 -图2.6 星型拓扑结构(2)环型结构环型结构如图 2.7 所示。图2.7 环型拓扑结构(3)总线型结构总线型结构如图 2.8 所示。图2.8 总线型拓扑结构(4)树型结构图 2.9 是这种树型拓扑结构。图 2.9 树型拓扑结构(5)菊花链型结构菊花链型也称链型结构，如图2.10所示。-16

25、-名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 11 页，共 16 页 -图 2.10 菊花链型拓扑结构3.传输介质 传输介质是通信网络的物质基础。常见的传输介质主要有双绞线、同轴电缆和光缆三种，如图 2.11所示。(1)双绞线(2)同轴电缆(3)光缆图 2.11 传输介质图 2.12 光在纤芯中的传播原理4.网络控制方法 (1)查询式(2)自由竞争式(3)令牌传送图 2.13 是一个令牌传送示意图。由图可见，令牌传送的次序是由用户根据需要预先确定的，而不是按节点在网络中的物理次序传送的。图中的传送次序为ACFBDEA。-17-名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 12 页，共

26、 16 页 -图 2.13 令牌传递过程示意图(4)存储转发式5.差错控制技术(1)差错控制(2)传输错误及可靠性指标(3)反馈重发纠错方式(ARQ)奇偶检验循环冗余码校验-18-名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 13 页，共 16 页 -2.5.3 通信协议 1.通信协议的概念 网络通信功能包括数据传输和通信控制两大部分。将通信的全过程称为通信体系结构，一组组通信控制功能应当遵守通信双方共同约定的规则，并受这些规则的约束。在计算机通信网络中，对数据传输过程进行管理的规则称为协议。2.开放系统互连参考模型 开放系统互连参考模型(OSI)是将开放系统的通信功能分为七层，描述了分层

27、的意义及各层的命名和功能。图 2.14 开放系统互连参考模型在图 2.14 中，两个系统相互通信时应具有相同的层次结构。总之，下面三层主要解决网络通信的细节，并为上层用户服务。上面四层解决端对端的通信，并不涉及实现传输的具体细节。2.5.4 现场总线简介 1.现场总线的国际标准 (1)IEC TC65(国际电工委员会第 65 技术委员会)2003 年IEC 通过了修订的现场总线国际标准 IEC 61158，共有 10种类型，其内容见表2.1。表2.1 IEC 61158 现场总线类型 类型编号现场总线名称主要支持的公司1 FF H1 Emerson(美)2 Control Net Rockwe

28、ll(美)3 Profibus Siemens(德)4 P-Net Process Data(丹麦)5 FF HSE Emerson(美)-20-名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 14 页，共 16 页 -6 Swift Net Boeing(美)7 World FIP Alstom(法)8 Inter Bus Phoenix Contact(德)9 FF FMS Emerson(美)10 Profi Net Siemens(德)(2)IEC TC17(国际电工委员会第 l7 技术委员会)IEC62026 有 4 种现场总线类型，即AS-i(Actuator Sensor In

29、terface，执行器传感器接口，Siemens 公司)；Device Net(设备网，Rockwell 公司)；SDS(Smart Distributed System，灵巧式分散型系统，Honeywell 公司)及Seriplex(串联多路控制总线)。(3)ISO11898 与 ISO11519 ISO有 一 种 CAN(控 制 局 域 网)现 场 总 线 类 型，即 CAN ISO11898(1Mbps)和CAN ISO11519(125kbps)，主要由德国 Robert Bosch 公司支持。2.现场总线通信模型 基金会现场总线 FF H1模型如图 2.15 的右侧一列所示。图 2.

30、15 FF H1 模型3.现场总线的网络拓扑结构 基金会现场总线分高速、低速两种规范。图2.16为 FF 现场总线拓扑结构示意图。图 2.16 基金会现场总线的拓扑结构-21-名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 15 页，共 16 页 -3.HART 总线简介 (1)HART 编码 HART采用基于 Bell 202 标准的频移键控(FSK)技术，将数字信号作为交流信号叠加在420mA 的直流信号上，如图2.17所示。“0”和“1”对应的位分别被编码为 2200Hz 和 1200Hz 的正弦波，如图2.18所示。传送时将信息比特转换为相应频率的正弦波，接收时将一定频率的正弦波转换

31、回对应状态的信息比特。(2)HART 信号传输 FSK 信号的传输是在电流回路上调制一个幅度大约在 0.5mA 的交流信号。被动的设备（如多数现场仪表）是通过改变它们的电流来实现信号调制的。主动设备（像手持编程器）则可以直接发送信号。图 2.17 数字信号叠加在直流信号上图 2.18 Bell 202 波形HART 协议是主从式通信协议，变送器作为从设备应答主设备的询问，连接模式有一台主机对一台变送器或一台主机对多台变送器。当一对一，即点对点通信时，智能变送器处于模拟信号与数字信号兼容状态。当多点通信时，420mADC 信号作废，只有数字信号，每台变送器的工作电流均为 4mA DC。(3)HART 字符 HART 使用一个异步模式来通信，这意味着数据的传输不依赖于一个时钟信号。为了保持发送和接收设备的同步，数据一次一个字节地被传送。字符从一个起始位“0”开始，其后是8个真实数据位，一个奇校验位以及一个停止位“1”如图 2.19所示。图2.19 HART字符-22-名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 16 页，共 16 页 -