DCS的基本結構及原理（課堂PPT）

1、1DCSDCS的基本結構及原理的基本結構及原理o DCS的概念o DCS的結構特點o DCS控制原理o DCS和儀表控制系統(tǒng)的區(qū)別主要內容2DCS的概念o DCS：Distributed Control Systemo 英文直譯為“分布式控制系統(tǒng)”。由于產品生產廠家眾多，系統(tǒng)設計不盡相同，功能和特點各具千秋，所以，對產品的命名也各顯特色。o 國內在翻譯時，也有不同的稱呼：o 分散控制系統(tǒng)（Distributed Control System，簡稱 DCS）；o 集散控制系統(tǒng)（Total Distributed Control System，簡稱 TDCS或 TDC）；o 分布式計算機控制系統(tǒng)（

2、Distributed Computer Control System，簡稱DCCS）。3系統(tǒng)組成o三站一線：工程師站、操作員站、現場控制站、系統(tǒng)網絡4工程師站o 對DCS進行進行離線的配置、組態(tài)工作和在線的系統(tǒng)監(jiān)督、控制、維護的網絡接點。o 主要功能：提供對DCS進行組態(tài)，配置工作的工具軟件，并在DCS在線運行時實時地監(jiān)視DCS網絡上各個節(jié)點的運行情況，使系統(tǒng)工程師可以通過工程師站及時調整系統(tǒng)配置及一些系統(tǒng)參數的設定，使DCS隨時處在最佳的工作狀態(tài)之下。5操作員站o 處理一切與運行操作有關的人機界面（HIS, Human Interface Station, 或 OI , Operator

3、Interface ,或MMI , Man Machine Interface）功能的網絡節(jié)點。o 主要功能：為系統(tǒng)的運行操作人員提供人機界面，使操作員可以通過操作員站及時了解現場運行狀態(tài)、各種運行參數的當前值、是否有異常情況發(fā)生等，并可通過輸入設備對工藝過程進行控制和調節(jié)，以保證生產過程的安全、可靠、高效、高質。6現場控制站o 現場控制站是DCS的核心。o 對現場I/O處理并實現直接數字控制（DDC）功能的網絡節(jié)點。o 系統(tǒng)主要的控制功能由它來完成。系統(tǒng)的性能、可靠性等重要指標也都要依靠現場控制站保證。o 其設計、生產及安裝都有很高的要求。o 分散控制系統(tǒng)中的主要任務執(zhí)行者。7系統(tǒng)網絡o 是

4、連接系統(tǒng)各個站的橋梁。o 由于DCS是由各種不同功能的站組成的，這些站之間必須實現有效的數據傳輸，以實現系統(tǒng)總體的功能。o 系統(tǒng)網絡的實時性、可靠性和數據通信能力關系到整個系統(tǒng)的性能，特別是網絡的通信規(guī)約，關系到網絡通信的效率和系統(tǒng)功能的實現。o DCS得以實現的技術關鍵。8分散控制系統(tǒng)結構9基本構成o 基本構成由現場級、控制級、監(jiān)控級、管理層四級構成。o 現場級主要包括各種過程通道卡件或者模塊。o 控制級包括所有的過程站。o 監(jiān)控級包括工程師站、操作員站、歷史站和打印機等附屬設備。o 管理級包括管理計算機。o 四層中間相應的通信網絡由控制網絡（Cnet）、監(jiān)控網絡（Snet）、管理網絡（Mn

5、et）三層網絡結構。 10現場級-傳感器、變送器、執(zhí)行器等o 現場級設備一般位于被控生產過程的附近。典型的現場級設備是各類傳感器、變送器和執(zhí)行器，它們將生產過程中的各種物理量轉換為電信號。o 例：將 420mA的電信號（一般變送器）或符合現場總線協(xié)議的數字信號（現場總線變送器），送往控制站或數據采集站進行，將控制站輸出的控制量（420mA的電信號或現場總線數字信號）轉換成機械位移，帶動調節(jié)機構，實現對生產過程的控制。11現場級-信號傳輸方式o 目前現場級的信息傳遞有三種方式：o 一種是傳統(tǒng)的 420mA（或者其他類型的模擬量信號）模擬量傳輸方式；o 一種是現場總線的全數字量傳輸方式；o 一種是

6、在420mA模擬量信號上，疊加上調制后的數字量信號的混合傳輸方式。o 現場信息以現場總線為基礎的數字傳輸是今后的發(fā)展方向。12控制級-現場控制站o 控制級主要由現場控制站和數據采集站構成。一般在電廠中，把現場控制站和數據采集站集中安裝在位于主控室后的電子設備室中。o 現場控制站接收由現場設備，如傳感器、變送器來的信號，按照一定的控制策略計算出所需的控制量，并送回到現場的執(zhí)行器中去?，F場控制站可以同時完成連續(xù)控制、順序控制或邏輯控制功能，也可能僅完成其中的一種控制功能。13控制級-數據采集站o 數據采集站與現場控制站類似，也接收由現場設備送來的信號，并對其進行一些必要的轉換和處理之后送到分散型控

7、制系統(tǒng)中的其它部分，主要是監(jiān)控級設備中去。o 數據采集站接收大量的過程信息，并通過監(jiān)控級設備傳遞給運行人員。o 數據采集站不直接完成控制功能，這是它與現場控制站的主要區(qū)別。 o 電子間一般不再獨立設置，更多為遠程I/O站。14監(jiān)控級o 監(jiān)控級的主要設備有操作員站、工程師站、歷史站和計算站等。o 操作員站安裝在中央控制室。o 工程師站、歷史站和計算站一般安裝在電子設備室。15監(jiān)控級-操作員站o 操作員站是運行員與分散控制系統(tǒng)相互交換信息的人機接口設備。o 運行人員通過操作員站來監(jiān)視和控制整個生產過程。o 運行人員可以在操作員站上觀察生產過程的運行情況，讀出每一個過程變量的數值和狀態(tài)，判斷每個控制

8、回路是否工作正常，并且可以隨時進行手動/自動控制方式的切換，修改給定值，調整控制量，操作現場設備，以實現對生產過程的干預；16監(jiān)控級-操作員站o 另外操作員站還可以打印各種報表，拷貝屏幕上的畫面和曲線等。o 為了實現以上功能，操作員站是由一臺具有較強圖形處理功能的微型機，以及相應的外部設備組成，一般配有大屏幕顯示器、大屏幕顯示裝置、打印機、鍵盤、鼠標或球標。17監(jiān)控級-工程師站o 工程師站是為了控制工程師對分散控制系統(tǒng)進行配置、組態(tài)、調試、維護所設置的工作站。o 工程師站的另一個作用是對各種設計文件進行歸類和管理，形成各種設計文件，例如，各種圖紙、表格等。o 工程師站一般由PC機配置一定數量的

9、外部設備所組成，例如打印機、繪圖機等。18監(jiān)控級-歷史站o 歷史站的主要任務是存儲過程控制的實時數據，實時報警，實時趨勢等與生產密切相關的數據，用來進行事故分析，性能優(yōu)化計算，故障診斷等；o 也可以通過歷史站實現與外部網絡的接口，使外部網絡不直接訪問DCS監(jiān)控網絡就可以獲得所需要的數據，即保證了開放性，又保證了安全性。 19管理級-管理系統(tǒng)o 管理級包含的內容比較廣泛，一般來說，它可能是一個發(fā)電廠的廠級管理計算機，也可能是若干個機組的管理計算機。o 它所面向的使用者是廠長、經理、總工程師、值長等行政管理或運行管理人員。o 廠級管理系統(tǒng)的主要任務是監(jiān)測企業(yè)各部分的運行情況，利用歷史數據和實時數據

10、預測可能發(fā)生的各種情況，從企業(yè)全局利益出發(fā)輔助企業(yè)管理人員進行決策，幫助企業(yè)實現其規(guī)劃目標。20管理級-管理計算機o 對管理計算機的要求是：o 能夠對控制系統(tǒng)做出高速反應的實時操作系統(tǒng)及數據庫。o 大量數據的高速處理與存儲，能夠連續(xù)運行可冗余的高可靠性系統(tǒng)，能夠長期保存生產數據，并且具有優(yōu)良的、高性能的、方便的人機接口，豐富的數據庫管理軟件，過程數據收集軟件，人機接口軟件以及生產管理系統(tǒng)生成等工具軟件，實現整個工廠的網絡化和計算機的集成化。21管理級-實時監(jiān)控和日常管理o 管理級也可分成實時監(jiān)控和日常管理兩部分。o 實時監(jiān)控是全廠各機組和公用輔助工藝系統(tǒng)的運行管理層，承擔全廠性能監(jiān)視、運行優(yōu)化

11、、全廠負荷分配和日常運行管理等任務，即監(jiān)控信息系統(tǒng)（SIS）。o 日常管理承擔全廠的管理決策、計劃管理、行政管理等任務，即管理信息系統(tǒng)（MIS）。22系統(tǒng)網絡結構23通信介質24DCS網絡o 在早期的DCS中，傳統(tǒng)的分散控制系統(tǒng)多采用制造商自行開發(fā)的專用計算機網絡。o 網絡的覆蓋范圍上至用戶的廠級管理信息系統(tǒng)，下至現場控制站的I/O子系統(tǒng)。o 系統(tǒng)網絡，包括其硬件和軟件，都是各個廠家專門設計的專有產品。25網絡技術的發(fā)展o 近年來，隨著技術的發(fā)展，分散控制系統(tǒng)的網絡有了長足的進步。很多標準的網絡產品陸續(xù)推出，特別是以太網逐步成為事實上的工業(yè)標準，越來越多的DCS廠家直接采用了以太網作為系統(tǒng)網絡

12、。26DCS網絡與互聯(lián)網的融合o 隨著網絡技術的不斷進步，集散控制系統(tǒng)的上層將與國際互聯(lián)網Internet融合在一起，而下層將采用現場總線通信技術，使通信網絡延伸到現場。o 最終實現: 以現場總線為基礎的底層網Infranet 以局域網為基礎的企業(yè)網Intranet 以廣域網為基礎的互聯(lián)網Internet 所構成的三網融合的網絡架構。27分散控制系統(tǒng)信號流程過 程 通 道過 程 控 制 設 備過 程 通 道執(zhí) 行 機 構檢 測 儀 表上 層 指 令上 層 顯 示系 統(tǒng) 網 絡28功能結構29功能結構o 從系統(tǒng)的功能角度上看，分散控制系統(tǒng)是一個多功能分級控制系統(tǒng)的結構體系，分散控制系統(tǒng)按功能可劃

13、分為經營管理、生產管理、過程管理（監(jiān)督控制）、直接控制等四個層次級別。o o 應用中的DCS系統(tǒng)并非全部具有上述四層功能。大多數應用系統(tǒng)，目前只配置和發(fā)揮到第一層和第二層中小規(guī)模上，少數應用系統(tǒng)使用到第三層功能，只在大規(guī)模的綜合控制系統(tǒng)中才應用到全部四層功能。 30現場控制站組成o 現場控制站的硬件一般都采用專門的工業(yè)級計算機系統(tǒng)。o 主要包括兩部分：一部分是運算器（即主CPU）、存儲器等組成的計算機單元，稱之為邏輯部分或主控制器；另一部分是現場測量單元、執(zhí)行單元的輸入輸出設備，即過程量I/O或現場I/O，稱為過程通道。31DCS的特點-數字方式1）數字方式o 從系統(tǒng)的結構形式看，DCS確實與

14、儀表控制系統(tǒng)相類似，它在現場端仍然采用模擬儀表的變送單元和執(zhí)行單元，在主控制室端是計算單元和顯示、記錄、給定值等單元。o 但從實質上DCS和儀表控制系統(tǒng)有著本質的區(qū)別。32DCS和儀表控制系統(tǒng)的區(qū)別o 首先，DCS是基于數字技術的，除了現場的變送和執(zhí)行單元外，其余均采用數字方式。o 而且，DCS的計算單元并不是針對每一個控制回路設置一個計算單元，而是將若干個控制回路集中在一起，由一個現場控制站來完成這些控制回路的計算功能。o 這樣的結構形式不只是為了成本上的考慮。o 一個控制站執(zhí)行多個回路控制的結構形式，是由于DCS的現場控制站有足夠的能力完成多個回路的控制計算。33DCS有著極大的靈活性o

15、從功能上講，由一個現場控制站執(zhí)行多個控制回路的計算和控制功能更便于這些控制回路之間的協(xié)調，這在模擬儀表系統(tǒng)中是無法實現的。o 一個現場控制站應該執(zhí)行多少個回路的控制，則與被控對象有關，系統(tǒng)設計師可以根據控制方法的要求具體安排在系統(tǒng)中使用多少個現場控制站，每個現場控制站中各安排哪些控制回路。在這方面，DCS有著極大的靈活性。34DCS的特點-分散方式o 2）分散方式o 從儀表控制系統(tǒng)的角度看，DCS的最大特點在于其具有傳統(tǒng)模擬儀表所沒有的通信功能。o 從計算機控制系統(tǒng)的角度看，DCS的最大特點則在于它將整個系統(tǒng)的功能分成若干臺不同的計算機去完成，各個計算機之間通過網絡實現互相之間的協(xié)調和系統(tǒng)的集

16、成。35DCS的特點o 在DDC系統(tǒng)中，計算機的功能可分為檢測、計算、控制及人機界面等幾大塊。o 在DCS中，檢測、計算和控制由現場控制站的計算機完成，而人機界面則由操作員站的計算機完成。這是兩類功能完全不同的計算機。o 一個系統(tǒng)有多臺現場控制站和多臺操作員站，每臺現場控制站或操作員站對部分被控對象實施控制或監(jiān)視。這種劃分是功能相同而范圍不同的計算機。36DCS的特點o 因此，DCS中多臺計算機的劃分有功能上的，也有控制、監(jiān)視范圍上的。o 這兩種劃分就形成了DCS的“分布”一詞的含義。37DCS的特點-數據庫o 3）數據庫o 系統(tǒng)總體數據庫是分散控制系統(tǒng)的核心，有了這個總體數據庫，分散控制系統(tǒng)

17、才能真正實現資源共享。o 各控制站上存在分布式數據庫，僅包含各自站所需要的數據點信息。o 通過分散的數據采集和處理，在上位依據總數據庫形成總體數據庫，這是分散控制系統(tǒng)的軟件核心。38數據庫設計是分散控制系統(tǒng)的核心o 上位數據庫和下位數據庫要保持一致，避免沖突。o 數據庫組態(tài)也是整個分散控制系統(tǒng)設計的關鍵，如何合理的分配數據點，使各現場站結構更合理，數據交換各合理，所以說，數據庫設計是分散控制系統(tǒng)的核心。o 數據庫確定后，才可以進行進一步的組態(tài)工作，所有的顯示、操作、報表、歷史記錄都是圍繞數據庫進行的。39DCS的定義集散控制系統(tǒng)：集中顯示，分散控制。o 1）集中式數據庫，顯示管理整個系統(tǒng)的數據

18、信息，實現信息的集中管理，方便地進行資源共享。o 2）分散式處理單元，系統(tǒng)可以有多臺現場控制站，每臺控制一部分回路；40DCS定義o 1）以回路控制為主要功能的系統(tǒng)；o 2）除了變送器和執(zhí)行單元外，各種控制功能以及通信、人機界面均采用數字技術；o 3) 以計算機的CRT、鍵盤、鼠標/軌跡球代替儀表盤形成系統(tǒng)人機界面。o 4）回路控制功能由現場控制站完成，系統(tǒng)可以有多臺現場控制站，每臺控制一部分回路；o 5）人機界面由操作員站實現，系統(tǒng)可有多臺操作員站；o 6）系統(tǒng)中所有的現場控制站、操作員站均通過數字通信網絡實現連接。41信號傳輸方式的演變o 機械氣動模擬電量數字電量o 基地式儀表發(fā)展到單元式

19、組合儀表，從控制裝置發(fā)展到控制系統(tǒng)，引起這個根本變化或引起質變的因素，是信號傳輸的出現。o 也就是說，信號的傳輸技術造成了功能上的分工與配合，使控制裝置演變成了控制系統(tǒng)。o 正是由于信號傳輸有著如此重要的作用，因此其標準的發(fā)展和演變就成為儀表控制系統(tǒng)的劃時代標志。42信號傳輸方式的演變o 如氣動單元組合儀表的標志是20100 kPa的信號傳輸標準；o II型電動單元組合儀表的標志是010mA的信號傳輸標準；o 而III型電動單元組合儀表的標志則是420 mA的信號傳輸標準。o 而近年來受到控制工程界廣泛關注的現場總線標準，則是控制系統(tǒng)由模擬技術演進到數字技術后的新一代信號傳輸標準。 43計算機

20、可靠性對計算機控制系統(tǒng)的推進計算機可靠性對計算機控制系統(tǒng)的推進o 電子計算機是20世紀40年代誕生的，但直到1958年才開始進入控制領域。o 其在控制系統(tǒng)中的發(fā)展歷程與計算機的可靠性有很著密切的聯(lián)系。o 計算機控制系統(tǒng)在電廠中的應用深度顯示了其于可靠性之間的關系。44數據采集系統(tǒng)o 對于控制系統(tǒng)來講，尤其是對于控制生產過程這種系統(tǒng)，安全性是首要條件，這就要求新的系統(tǒng)不能影響系統(tǒng)的安全運行。w 因此最先得到應用的計算機系統(tǒng)是可靠性要求最低的數據采集系統(tǒng)，即DAS（Data Acquisition System）。45監(jiān)督控制系統(tǒng)o 隨著DAS的成功應用，并且顯示出了計算機系統(tǒng)在計算、顯示和記錄等

21、方面的優(yōu)越性，工程人員對其產生了濃厚的興趣。w 并且隨著可靠性的提高，工程人員的信心也逐步增強，試圖進一步拓展其應用范圍，增加其應用功能，產生了監(jiān)督控制系統(tǒng)。46直接數字控制系統(tǒng)o 1960年4月在肯塔基州的一個化工廠投運的另一套計算機系統(tǒng)，除了完成現場檢測數據的監(jiān)視和設定值的功能外，還可以實際完成控制計算并實際輸出控制量。w 這就是第一個直接數字控制（DDC，Direct Digital Control）系統(tǒng)。這時侯工程人員對計算機的控制能力充滿信心，并將其付諸實際。 47集中型計算機控制系統(tǒng)48分散型計算機控制系統(tǒng)49網絡技術的推進o 4C技術：DCS是“4C”技術的產物，即計算機技術（c

22、omputer）、控制技術(control)、通信技術(communication)、CRT顯示技術。而其中對DCS產生和實現影響最強的是通信技術。o 在DCS之前，控制技術和計算機技術已經使直接控制技術付諸實現，可編程調節(jié)器和可編程控制器在現場得以應用。o CRT的誕生也使圖形顯示成為現實。50網絡技術的推進o 與此同時，以數字式單回路調節(jié)器（SLC）和可編程序邏輯控制器（PLC）為代表的獨立DDC控制單元得到了比較廣泛的應用，在一些電廠控制系統(tǒng)改造中發(fā)揮了計算機控制系統(tǒng)的作用。o 這些技術促成了以直接控制計算機為中心的集中式控制系統(tǒng)的產生。51數字式單回路調節(jié)器SLCo 在20世紀80年代前后，隨著大規(guī)模集成電路和微處理器的發(fā)展，在儀表控制系統(tǒng)中出現了一類新的產品，這就是以數字技術為主的單回路調節(jié)器SLC，即Single Loop Controller。o 這種產品以微處理器為核心，主要完成控制計算的功能。o 其最主要的用途是代替單元式組合儀表的計算、顯示及給定值等單元，而檢測、執(zhí)行等功能仍然