DCS緒論集散控制系統(tǒng)原理及其應(yīng)用[張德泉主編][電子教案]

1、緒緒 論論集散控制系統(tǒng)原理及其應(yīng)用緒緒 論論緒緒 論論集散控制系統(tǒng)是 20 世紀(jì) 70 年代中期發(fā)展起來的、以微處理器為基礎(chǔ)的、實(shí)行集中管理、分散控制的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。由于該系統(tǒng)在發(fā)展初期以實(shí)行分散控制為主，因此又稱為分散型控制系統(tǒng)或分布式控制系統(tǒng)(Distributed Control System，DCS)，簡稱為集散系統(tǒng)或DCS。緒緒 論論集散控制系統(tǒng)是控制技術(shù) (Control)、計(jì)算機(jī)技術(shù) (Computer)、通信技術(shù) (Communication)、陰極射線管(CRT)圖形顯示技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(Network)相結(jié)合的產(chǎn)物，是一種操作顯示集中、控制功能分散、采用分級分層體系結(jié)構(gòu)、局

2、部網(wǎng)絡(luò)通信的計(jì)算機(jī)綜合控制系統(tǒng)，其目的在于控制或控制管理一個工業(yè)生產(chǎn)過程或工廠。緒緒 論論集散控制系統(tǒng)自問世以來，發(fā)展異常迅速 ,幾經(jīng)更新?lián)Q代，技術(shù)性能日臻完善，并以其技術(shù)先進(jìn)、性能可靠、構(gòu)成靈活、操作簡便和價格合理的特點(diǎn)，贏得了廣大用戶，巳被廣泛應(yīng)用于石油、化工、電力、冶金和輕工等工業(yè)領(lǐng)域。 緒緒 論論1集散控制系統(tǒng)產(chǎn)生的背景20 世紀(jì) 60 年代初，人們開始將電子計(jì)算機(jī)用于過程控制，試圖利用計(jì)算機(jī)所具有的能執(zhí)行復(fù)雜運(yùn)算、處理速度快、集中顯示操作、易于通信、易于實(shí)現(xiàn)多種控制算法、易于改變控制方案、控制精度高等特點(diǎn)，來克服常規(guī)模擬儀表的局限性。一臺計(jì)算機(jī)控制著幾十甚至幾百個回路，整個生產(chǎn)過程的

3、監(jiān)視、操作、報警、控制和管理等功能都集中在這臺計(jì)算機(jī)上。一旦計(jì)算機(jī)的公共部分發(fā)生故障時，輕則造成裝置或整個工廠停工，重則導(dǎo)致設(shè)備的損壞甚至發(fā)生火災(zāi)、爆炸等惡性事故，這就是所謂“危險集中”。 緒緒 論論而采用一臺計(jì)算機(jī)工作、另一臺計(jì)算機(jī)備用的雙機(jī)雙工系統(tǒng)，或采用常規(guī)儀表備用方式，雖可提高控制系統(tǒng)的可靠性，但成本太高，如果工廠的生產(chǎn)規(guī)模不大，則經(jīng)濟(jì)性更差，用戶難以接受。因此，有必要吸收常規(guī)模擬儀表和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，并且克服它們的弱點(diǎn)，利用各種新技術(shù)和新理論，研制出新型的控制系統(tǒng)。 緒緒 論論20 世紀(jì) 70 年代初，大規(guī)模集成電路的問世及微處理器的誕生，為新型控制系統(tǒng)的研制創(chuàng)造了物質(zhì)條件。同

4、時，CRT 圖形顯示技術(shù)和數(shù)字通信技術(shù)的發(fā)展，為新型控制系統(tǒng)的研制提供了技術(shù)條件，現(xiàn)代控制理論的發(fā)展為新型控制系統(tǒng)的研制和開發(fā)提供了理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。根據(jù)“危險分散”的設(shè)計(jì)思想，過去由一臺大型計(jì)算機(jī)完成的功能，現(xiàn)在可以由幾十臺甚至幾百臺微處理機(jī)來完成。各微處理機(jī)之間可以用通信網(wǎng)絡(luò)連接起來，從而構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)。緒緒 論論系統(tǒng)中的一臺微處理機(jī)只需控制幾個至幾十個回路，即使某一微處理機(jī)發(fā)生故障，只影響它所控制的少數(shù)回路，而不會對整個系統(tǒng)造成嚴(yán)重影響，從而在很大程度上使危險分散。這種新型控制系統(tǒng)采用多臺彩色圖形顯示器監(jiān)視著過程和系統(tǒng)的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了操作和信息綜合管理的集中，利用通信系統(tǒng)將各微機(jī)連接

5、起來，按控制功能或按區(qū)域?qū)⑽⑻幚頇C(jī)進(jìn)行分散配置，實(shí)行分散控制，增強(qiáng)了全系統(tǒng)的安全可靠性。 緒緒 論論 1975 年 12 月，美國霍尼威爾 (Honeywell) 公司正式向市場推出了世界上第一套集散控制系統(tǒng)TDC-2000（Total Distributed Control 2000）系統(tǒng)，成為最早提出集散控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想的開發(fā)商。 緒緒 論論2集散控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成綜觀各種集散控制系統(tǒng)，盡管其品種規(guī)格繁多，設(shè)計(jì)風(fēng)格各異，但大多數(shù)都包含有分散過程控制裝置、集中操作管理裝置和通信系統(tǒng)等三大部分。分散過程控制裝置是DCS與生產(chǎn)過程聯(lián)系的接口，按其功能又可分為現(xiàn)場控制站（簡稱控制站）和數(shù)據(jù)采集站等

6、。 緒緒 論論集中操作管理裝置是人與DCS聯(lián)系的接口，按其功能又可分為操作員工作站（簡稱操作站）、工程師工作站（簡稱工程師站）和監(jiān)控計(jì)算機(jī)（又稱上位機(jī)）等。通信系統(tǒng)（又稱通信網(wǎng)絡(luò)）是DCS的中樞，它將DCS的各部分連接起來構(gòu)成一個整體。因此，操作員站、工程師站、監(jiān)控計(jì)算機(jī)、現(xiàn)場控制站、數(shù)據(jù)采集站和通信系統(tǒng)等是構(gòu)成DCS的最基本部分，如圖1 所示。 緒緒 論論圖1 集散控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成 緒緒 論論(1)操作站操作站是操作人員對生產(chǎn)過程進(jìn)行顯示、監(jiān)視、操作控制和管理的主要設(shè)備。操作站提供了良好的人機(jī)交互界面，用以實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)視、操作和信息管理等功能。在有的小DCS中，操作站兼有工程師站的功能，在操

7、作站上也可以進(jìn)行系統(tǒng)組態(tài)和維護(hù)的部分或全部工作。 緒緒 論論(2)工程師站工程師站用于對DCS進(jìn)行離線的組態(tài)工作和在線的系統(tǒng)監(jiān)督、控制與維護(hù)。工程師能夠借助于組態(tài)軟件對系統(tǒng)進(jìn)行離線組態(tài)，并在DCS在線運(yùn)行時，可以實(shí)時地監(jiān)視通信網(wǎng)絡(luò)上各工作站的運(yùn)行情況。緒緒 論論(3)監(jiān)控計(jì)算機(jī)監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)收集系統(tǒng)中各單元的數(shù)據(jù)信息，根據(jù)數(shù)學(xué)模型和優(yōu)化控制指標(biāo)進(jìn)行后臺計(jì)算、優(yōu)化控制等，它還用于全系統(tǒng)信息的綜合管理。 緒緒 論論(4)現(xiàn)場控制站 現(xiàn)場控制站通過現(xiàn)場儀表直接與生產(chǎn)過程相連接，采集過程變量信息，并進(jìn)行轉(zhuǎn)換和運(yùn)算等處理，產(chǎn)生控制信號以驅(qū)動現(xiàn)場的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制?，F(xiàn)場控制站可控制多個回

8、路，具有極強(qiáng)的運(yùn)算和控制功能，能夠自主地完成回路控制任務(wù)，實(shí)現(xiàn)反饋控制、邏輯控制、順序控制和批量控制等功能。緒緒 論論(5)數(shù)據(jù)采集站數(shù)據(jù)采集站通過現(xiàn)場儀表直接與生產(chǎn)過程相連接，對過程非控制變量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理，并對實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)一步加工。為操作站提供數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對過程的監(jiān)視和信息存儲；為控制回路的運(yùn)算提供輔助數(shù)據(jù)和信息。 緒緒 論論(6)通信系統(tǒng)通信系統(tǒng)連接DCS的各操作站、工程師站、監(jiān)控計(jì)算機(jī)、控制站、數(shù)據(jù)采集站等部分，傳遞各工作站之間的數(shù)據(jù)、指令及其他信息，使整個系統(tǒng)協(xié)調(diào)一致地工作，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和信息資源的共享。 緒緒 論論綜上所述，操作站、工程師站和監(jiān)控計(jì)算機(jī)構(gòu)成了DCS的人機(jī)接口，用以

9、完成集中監(jiān)視、操作、組態(tài)和信息綜合管理等任務(wù)。現(xiàn)場控制站和數(shù)據(jù)采集站構(gòu)成DCS的過程接口，用以完成數(shù)據(jù)采集與處理和分散控制任務(wù)。通信系統(tǒng)是連接DCS各部分的紐帶，是實(shí)現(xiàn)集中管理、分散控制目標(biāo)的關(guān)鍵。緒緒 論論3集散控制系統(tǒng)的特點(diǎn)集散控制系統(tǒng)與常規(guī)模擬儀表及集中型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)相比，具有十分顯著的特點(diǎn)。 緒緒 論論(1)(1)系統(tǒng)構(gòu)成靈活系統(tǒng)構(gòu)成靈活從總體結(jié)構(gòu)上看，DCS可以分為通信網(wǎng)絡(luò)和工作站兩大部分，各工作站通過通信網(wǎng)絡(luò)互連起來，構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)。工作站采用標(biāo)準(zhǔn)化和系列化設(shè)計(jì)，硬件采用積木搭接方式進(jìn)行配置，軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)采用組態(tài)方法構(gòu)成各種控制回路，很容易對方案進(jìn)行修改。用戶可根

10、據(jù)工程對象要求，靈活方便地擴(kuò)大或縮小系統(tǒng)的規(guī)模。 緒緒 論論(2)(2)操作管理便捷操作管理便捷 DCS的集中監(jiān)控管理裝置無論采用專用人機(jī)接口系統(tǒng)還是通用PC機(jī)系統(tǒng)，操作人員都能通過高分辨率彩色顯示器（CRT or LCD）和操作鍵盤及鼠標(biāo)等，方便的監(jiān)視生產(chǎn)裝置乃至整個工廠的運(yùn)行情況，快捷的操控各種機(jī)電設(shè)備；技術(shù)人員可按預(yù)定的控制策略組態(tài)不同的控制回路，并調(diào)整回路的某些常數(shù)；存儲裝置可以保存大量的過程歷史信息和系統(tǒng)信息，打印機(jī)能打印出各種報告和報表，適應(yīng)了現(xiàn)代化生產(chǎn)綜合管理的要求。 緒緒 論論(3)(3)控制功能豐富控制功能豐富 DCS可以進(jìn)行連續(xù)的反饋控制、間斷的批量控制和順序邏輯控制，可以

11、完成簡單控制和復(fù)雜的多變量模型優(yōu)化控制，可以執(zhí)行 PID 運(yùn)算和 Smith 預(yù)估補(bǔ)償?shù)榷喾N控制運(yùn)算，并具有多種信號報警、安全聯(lián)鎖保護(hù)和自動開停車等功能。 緒緒 論論(4)(4)信息資源共享信息資源共享 DCS采用局部區(qū)域網(wǎng)絡(luò) (Local Area Network，LAN) 把各工作站連接起來，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、指令及其他信息的傳輸，使整個系統(tǒng)信息、資源共享。系統(tǒng)通信采用國際標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，便于系統(tǒng)間的互連，提高了系統(tǒng)的開放性。緒緒 論論(5)(5)安裝調(diào)試簡單安裝調(diào)試簡單 DCS的各單元都安裝在標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜內(nèi)，模件之間采用多芯電纜、標(biāo)準(zhǔn)化接插件相連；與過程連接時采用規(guī)格化端子板，到中控室操作站只需敷設(shè)同

12、軸電纜進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，所以布線量大為減少，便于裝配和更換。系統(tǒng)采用專用軟件進(jìn)行調(diào)試，并具有強(qiáng)大的自診斷功能，為故障判別提供準(zhǔn)確的指導(dǎo)，維修迅速。緒緒 論論(6)(6)安全可靠性高安全可靠性高 DCS在設(shè)計(jì)、制造時，采用了多種可靠性技術(shù)。系統(tǒng)采用了多微處理機(jī)分散控制結(jié)構(gòu)，某一單元失效時，不會影響其他單元的工作。即使在全局性通信或管理站失效的情況下，局部站仍能維持工作。 系統(tǒng)硬件采用冗余技術(shù)，操作站、控制站和通信線路采用雙重化等配置方式。軟件采用程序分段、模塊化設(shè)計(jì)和容錯技術(shù)。系統(tǒng)各單元具有強(qiáng)有力的自診斷、自檢查、故障報警和隔離等功能。系統(tǒng)具有抗干擾能力，對測量信號和控制信號要經(jīng)過隔離處理，信號電纜

13、進(jìn)行良好的屏蔽和接地。 緒緒 論論(7)(7)性能價格比高性能價格比高 DCS技術(shù)先進(jìn)、功能齊全、可靠性高、適應(yīng)能力強(qiáng)。規(guī)模越大，平均每個回路的投資費(fèi)用越省，數(shù)據(jù)、資源的共享本身就意味著系統(tǒng)成本的降低。緒緒 論論4集散控制系統(tǒng)發(fā)展概況集散控制系統(tǒng)的發(fā)展，大致經(jīng)歷了四個時期。緒緒 論論(1)1975(1)1975年至年至19801980年為初創(chuàng)期年為初創(chuàng)期這個時期的DCS基本上由過程控制裝置、數(shù)據(jù)采集裝置、操作管理裝置、監(jiān)控計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)傳輸通道等部分組成。這個時期DCS的技術(shù)重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了分散控制，從而克服集中型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)危險高度集中的致命弱點(diǎn)，加強(qiáng)了可靠性設(shè)計(jì)。初創(chuàng)期DCS的典型代表有：美國

14、霍尼威爾 (Honeywell) 公司的 TDC-2000，福克斯波羅 (Foxboro) 公司的 SPECTRUM，日本橫河 (YOKOGAWA) 公司的 CENTUM 及德國西門子 (Siemens) 公司的 TELEPERM M 等。緒緒 論論(2)1980 (2)1980 年至年至 1985 1985 年為成熟期年為成熟期這一時期的DCS由局部網(wǎng)絡(luò)、多功能過程控制站、增強(qiáng)型操作站、主計(jì)算機(jī)、系統(tǒng)管理站和網(wǎng)間連接器等部分組成。DCS的技術(shù)重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)信息的綜合管理，為此，必然要引入先進(jìn)的局部網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以加強(qiáng)通信系統(tǒng)。DCS的代表產(chǎn)品有：Honeywell 的 TDC-3000，YOK

15、OGAWA 的 CENTUM，Taylor 的 MOD-300 等。 緒緒 論論(3)1985 (3)1985 年至年至 1990 1990 年為擴(kuò)展期年為擴(kuò)展期擴(kuò)展期DCS結(jié)構(gòu)的主要變化是局部網(wǎng)絡(luò)采用標(biāo)準(zhǔn)化開放型的通信協(xié)議。如采用以開放系統(tǒng)互連參考模型為基礎(chǔ)的制造自動化協(xié)議（MAP），或與 MAP 兼容，或其本身就是實(shí)時 MAP 局部網(wǎng)絡(luò)。其他單元無論是硬件還是軟件都有較大改進(jìn)，但系統(tǒng)的基本組成變化不大。擴(kuò)展期DCS的另一種特點(diǎn)是系統(tǒng)的智能向現(xiàn)場延伸，系統(tǒng)中引入了智能變送器 (Smart Transmitters) 和現(xiàn)場總線 (Field Bus) 技術(shù)。緒緒 論論智能變送器具有數(shù)字通信能

16、力，通過現(xiàn)場總線與過程控制站或與局部網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)相連接。在控制室或本節(jié)點(diǎn)工作站中便可對現(xiàn)場的智能變送器進(jìn)行調(diào)零、調(diào)量程、組態(tài)、自動標(biāo)定、自動診斷及自動排除故障等操作。擴(kuò)展期DCS的代表產(chǎn)品有：Honeywell 的 TDC-3000/PM，YOKOGAWA 的 CENTUM-XL，F(xiàn)oxboro 的 I/A S，Bailey Control 的 INFI-90 等。緒緒 論論(4) 1990 (4) 1990 年后為新的發(fā)展期年后為新的發(fā)展期 20 世紀(jì) 90 年代以后，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)特別是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，對控制和管理要求的不斷提高，出現(xiàn)了以管控一體化為主要特點(diǎn)的新型集散控

17、制系統(tǒng)。它采用了客戶機(jī) / 服務(wù)器的結(jié)構(gòu)，在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上增加了工廠信息網(wǎng) (Intranet)，并可與 Internet 連網(wǎng)，計(jì)算機(jī)集成過程系統(tǒng) (CIPS) 也開始進(jìn)行試點(diǎn)應(yīng)用。DCS的典型產(chǎn)品有 Honeywell 公司的 TPS 系統(tǒng)、橫河公司的 CENTUM CS 系統(tǒng)、 Foxboro 公司 I/A S 5051 系列控制系統(tǒng)等。 緒緒 論論從DCS三十多年的發(fā)展歷史中可以清楚地看到，正是計(jì)算機(jī)技術(shù)、屏幕顯示技術(shù)、控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)的不斷發(fā)展，才推動了DCS的不斷更新?lián)Q代。今后 DCS 的發(fā)展仍將繼承集中監(jiān)視管理和分散控制這一理念。向著更大范圍的集中管理和更加徹底的分散控制兩個

18、方向發(fā)展，即向著計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng) (Computer Integrated Manufacturing System，CIMS)、計(jì)算機(jī)集成過程系統(tǒng) (Computer Integrated Proces System，CIPS) 方向和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(Fieldbus Control System，F(xiàn)CS)方向發(fā)展。 緒緒 論論 FCS必將推動DCS的變革。新一代DCS都包含了各種形式的現(xiàn)場總線接口，可以支持多種標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等，此外，DCS 產(chǎn)品還改變了相對集中的控制站結(jié)構(gòu)，取而代之的是進(jìn)一步分散的導(dǎo)軌式或現(xiàn)場安裝的 I/O 模塊。DCS 將吸收 FCS 的長處，不斷發(fā)展

19、和完善。新型DCS的典型代表有Homywell 公司推出的新一代過程知識系統(tǒng)Experion PKS、Emerson 公司推出的 Delta V系統(tǒng)、中控科技自動化有限公司推出的 Web Field ECS-100系統(tǒng)等。 (5) (5) 我國我國DCSDCS的發(fā)展的發(fā)展緒緒 論論我國使用DCS是在20 世紀(jì)70 年代末、80 年代初。當(dāng)時國家為了滿足國內(nèi)新建項(xiàng)目和老廠技術(shù)改造的需要，從國外引進(jìn)的DCS多達(dá)幾百套，主要用于化工、石化、煉油、冶金、電力、輕工等工業(yè)過程控制，取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。同時，堅(jiān)持自力更生、自主開發(fā)與引進(jìn)技術(shù)相結(jié)合的方針，把引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)與對其及時消化、吸收與創(chuàng)新，