集散控制系統(tǒng)運行及維護

1、集散控制系統(tǒng)運行及維護課件第1頁，共40頁，2022年，5月20日，1點46分，星期四第2章 集散控制系統(tǒng)導(dǎo)論集散控制系統(tǒng)運行及維護 高職高專 ppt 課件第2頁，共40頁，2022年，5月20日，1點46分，星期四一、集散控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成及特點 集散控制系統(tǒng)又稱分布式控制系統(tǒng)，它是技術(shù)的產(chǎn)物（計算機技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)，圖形顯示技術(shù)），是通過某種通信網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場控制站、操作員站、工程師站聯(lián)系起來，共同完成分級控制、集中管理的綜合控制系統(tǒng)。它的基本設(shè)計思想是危險分散、控制功能分散、而操作和管理集中。 集散控制系統(tǒng)的英文縮寫（DISTRIBUTED CONTROL SYSTEM)，簡稱DCS

2、。 DCS是由過程控制站、數(shù)據(jù)采集器、CRT操作站（工程師站與操作員站）、監(jiān)控計算機以及高速數(shù)據(jù)通路等五大部分組成的，系統(tǒng)利用通信網(wǎng)絡(luò)將各工作站連接起來，實現(xiàn)集中監(jiān)視、操作、信息管理和分散控制。圖2-1為一個DCS的典型結(jié)構(gòu)組成圖。 (一)、基本組成集散控制系統(tǒng)運行及維護 高職高專 ppt 課件第3頁，共40頁，2022年，5月20日，1點46分，星期四集散控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)組成圖2-1 集散控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成 集散控制系統(tǒng)運行及維護 高職高專 ppt 課件第4頁，共40頁，2022年，5月20日，1點46分，星期四1 現(xiàn)場圾現(xiàn)場級設(shè)備一般位于被控生產(chǎn)過程的附近。典型的現(xiàn)場級設(shè)備是各類傳感器、變

3、送器和執(zhí)行器，它們將生產(chǎn)過程中的各種物理量轉(zhuǎn)換為電信號。例如4-20mA的電信號(一般變送器) 送往控制站或數(shù)據(jù)采集站，或者將控制站輸出的控制量(420mA的電信號)轉(zhuǎn)換成機械位移，帶動調(diào)節(jié)機構(gòu)，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制。集散控制系統(tǒng)運行及維護 高職高專 ppt 課件第5頁，共40頁，2022年，5月20日，1點46分，星期四 控制級 控制級主要由過程控制站和數(shù)據(jù)采集站構(gòu)成 一 般在電廠中，把過程控制站和數(shù)據(jù)采集站集中安裝在位于主控室后的電子設(shè)備室中。 過程控制站接收由現(xiàn)場設(shè)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(xiàn)場的執(zhí)行器中去 過程控制站可以同時完成連續(xù)控制

4、、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 數(shù)據(jù)采集站與過程控制站類似，也接收由現(xiàn)場設(shè)備送來的信號，并對其進行一些必要的轉(zhuǎn)換和處理之后送到分散型控制系統(tǒng)中的其他部分，主要是監(jiān)控級設(shè)備中去。數(shù)據(jù)采集站接收大量的過程信息，并通過監(jiān)控級設(shè)備傳遞給運行人員。數(shù)據(jù)采集站不直接完成控制功能，這是它與過程控制站的主要區(qū)別。集散控制系統(tǒng)運行及維護 高職高專 ppt 課件第6頁，共40頁，2022年，5月20日，1點46分，星期四監(jiān)控級監(jiān)控級監(jiān)控級的主要設(shè)備有運行員操作站、工程師工作站和計算站。其中運行員操作站安裝在中央控制室，工程師工作站和計算站一般安裝在電子設(shè)備室。運行員操作站是運行員與控制系

5、統(tǒng)交換信息的人機接口設(shè)備。運行人員通過運行員操作站來監(jiān)視和控制整個生產(chǎn)過程。并且可以隨時進行手動自動控制方式的切換，修改給定位，調(diào)整控制量，操作現(xiàn)場設(shè)備。以實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的干預(yù)。工程師工作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(diào)試、維護所設(shè)計的工作站工程師工作站一般由Pc機配置一定數(shù)量的外部設(shè)備所組成，例如打印機、繪圖機等。計算站的主要任務(wù)是實現(xiàn)對牛產(chǎn)過程的監(jiān)督控制，例如機組運行優(yōu)化和件能計算一般，if算站由超級微型機或小型機構(gòu)成。集散控制系統(tǒng)運行及維護 高職高專 ppt 課件第7頁，共40頁，2022年，5月20日，1點46分，星期四管理級管理級包含的內(nèi)容比較廣泛，一般來說，它可能

6、是一個發(fā)電廠長級管理汁算機，也可能是經(jīng)理、總工程帥、值班長等政管理或運行管理人員廠級管理系統(tǒng)的主要任務(wù)是監(jiān)測企業(yè)各部分的運行情況，利用歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)預(yù)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(xiàn)其規(guī)劃目標(biāo)。對管理計算機的要求：能夠?qū)刂葡到y(tǒng)做出高速反應(yīng)的實時操作系統(tǒng)能夠長期保存生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并日具有優(yōu)良的、高性能的、方便的人機接口豐富的數(shù)據(jù)庫管理軟件，過程數(shù)據(jù)收集軟件，人機接口軟件以及生產(chǎn)管理系統(tǒng)等工具軟件，實現(xiàn)整個工廠的網(wǎng)絡(luò)化和計算機的集成化。集散控制系統(tǒng)運行及維護 高職高專 ppt 課件第8頁，共40頁，2022年，5月20日，1點46分，星期四(二)、集

7、散控制系統(tǒng)的特點1、高可靠性 2、靈活的擴展性3、完善的自主控制性4、完善的通信網(wǎng)絡(luò) 集散控制系統(tǒng)運行及維護 高職高專 ppt 課件第9頁，共40頁，2022年，5月20日，1點46分，星期四 二、集散控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) 現(xiàn)場控制站主要由機柜、電源及控制計算機等組成。1、機柜：現(xiàn)場控制站的機拒內(nèi)部均裝有多層機架，以供安裝各種模塊（控制模塊與通信模塊）及電源之用。2、電源為了保證電源系統(tǒng)的可靠性，通常采取以下幾種性措施。(1) 每一個現(xiàn)場控制站均采用雙電源供電，互為冗余。 (2) 如果現(xiàn)場控制站機拒附近有經(jīng)常開關(guān)的大功率用電設(shè)備，應(yīng)采用超級隔離變壓器，將其初級、次級線圈間的屏蔽層可靠接地，以克服

8、共模干擾的影響。(3) 如果電網(wǎng)電壓波動很嚴(yán)重，應(yīng)采用交流電子調(diào)壓器，快速穩(wěn)定供電電壓。 (4) 在石油、化工等對連續(xù)性控制要求特別高的場合，應(yīng)配有不間斷供電電源 UPS，以保證供電的連續(xù)性?，F(xiàn)場控制站內(nèi)各功能模塊所需直流電源一般為5V、15V(或12 V)、以及+24V。（一）現(xiàn)場控制站 集散控制系統(tǒng)運行及維護 高職高專 ppt 課件第10頁，共40頁，2022年，5月20日，1點46分，星期四 二、集散控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) 3.控制計算機(1)CPU 現(xiàn)場控制站大都采用Motorola公司 M68000 系列和Intel公司 80X86 系列的 CPU 產(chǎn)品。(2)存儲器 控制計算機的存儲器

9、也分為RAM和ROM。(3)總線 常見的控制計算機總線有Intel公司的多總線 MULTIBUS，“EOROCARD”標(biāo)準(zhǔn)的 VME 總線。(4)輸入/輸出通道模擬量輸入輸出通道(AI/AO) 開關(guān)量輸入/輸出通道(SI/SO) 脈沖輸入通道(PI) (5)通信設(shè)備 交換機、modem、集線器等(6)外存儲器、打印機等第11頁，共40頁，2022年，5月20日，1點46分，星期四 二、集散控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) DCS 操作站一般分為操作員站和工程師站兩種。操作站必須配置有以下設(shè)備。1、操作臺2、微處理機系統(tǒng)3、外部存儲設(shè)備4、圖形顯示設(shè)備5、操作鍵盤和鼠標(biāo)6、打印輸出設(shè)備（二）操作站 第12頁，

10、共40頁，2022年，5月20日，1點46分，星期四 二、集散控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) 1、冗余方式 DCS的冗余技術(shù)可以分為多重化自動備用和簡易的手動備用兩種方式。多重化自動備用就是對設(shè)備或部件進行雙重化或三重化設(shè)置，當(dāng)設(shè)備或部件萬一發(fā)生故障時，備用設(shè)備或部件自動從備用狀態(tài)切換到運行狀態(tài)，以維持生產(chǎn)繼續(xù)進行。多重化自動備用還可以進一步分為同步運轉(zhuǎn)、待機運轉(zhuǎn)、后退運轉(zhuǎn)等三種方式。2、冗余措施 DCS的冗余包括通信網(wǎng)絡(luò)的冗余、操作站的冗余、現(xiàn)場控制站的冗余、電源的冗余、輸入/輸出模塊的冗余等。通常將工作冗余稱“熱備用”，而將后備冗余稱為“冷備用”。 除了硬件冗余外，DCS還采用了信息冗余技術(shù)，就是在發(fā)

11、送信息的末尾增加多余的信息位，以提供檢錯及糾錯的能力，降低通信系統(tǒng)的誤碼率。（三）DCS的冗余化結(jié)構(gòu) 第13頁，共40頁，2022年，5月20日，1點46分，星期四 三、集散控制系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu) 所謂軟件是指完成各種功能的計算機程序的總和，它是計算機控制系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，整個系統(tǒng)的動作都是在軟件程序指揮下協(xié)調(diào)工作的。集散控制系統(tǒng)（DCS）軟件及其基本功能如圖2-2所示。 圖2-2 DCS軟件及其基本功能第14頁，共40頁，2022年，5月20日，1點46分，星期四 四、集散控制系統(tǒng)組態(tài) DCS組態(tài)是指根據(jù)實際生產(chǎn)過程控制的需要，利用DCS所提供的硬件和軟件資源，預(yù)先將這些硬件設(shè)備和軟件功能模塊組織

12、起來，以完成特定的任務(wù)。這種設(shè)計過程習(xí)慣上稱作組態(tài)或組態(tài)設(shè)計。從大的方面講，DCS的組態(tài)功能主要包括硬件組態(tài)(又叫配置)和軟件組態(tài)兩個方面。 第15頁，共40頁，2022年，5月20日，1點46分，星期四（一）集散控制系統(tǒng)硬件組態(tài) 集散控制系統(tǒng)的硬件組態(tài)實際上是完成系統(tǒng)設(shè)備間的軟連接，它是選擇硬件設(shè)備，然后在顯示器上完成系統(tǒng)硬件的配置，也就是硬件系統(tǒng)的建立(setup)問題，它包括以下幾個方面的的內(nèi)容：工程師站的選擇(包括機型、顯示器尺寸、內(nèi)存、硬盤容量、打印機等)；操作員站的選擇(包括操作員站的個數(shù)和操作員站的配置，如顯示器尺寸是否采用雙屏、主機型號、內(nèi)存配置、磁盤容量的配置、打印機的臺數(shù)和

13、型號等)；現(xiàn)場控制站的選擇(包括現(xiàn)場控制站的個數(shù)、地域分布、每個現(xiàn)場控制站中所配的各種模板的種類及塊數(shù)、電源的選擇等)。硬件配置一般根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場具體要求來定。 第16頁，共40頁，2022年，5月20日，1點46分，星期四（二）集散控制系統(tǒng)的軟件組態(tài)DCS軟件組態(tài)包括畫面組態(tài)和控制組態(tài)。畫面組態(tài)主要完成操作員站上的各種畫面、畫面間連接；而控制組態(tài)是指控制系統(tǒng)軟件的生成，包括基本配置組態(tài)和應(yīng)用軟件的組態(tài)?；九渲媒M態(tài)是給系統(tǒng)一個配置信息，采用面向問題的語言，其方法是填表式語言，可確定系統(tǒng)中各站的個數(shù)、組成、索引標(biāo)志，每個站的最大點數(shù)、最短執(zhí)行周期等；應(yīng)用軟件的組態(tài)采用功能塊語言，即把常用的運算功

14、能、信號交換功能、PID控制功能及其他功能所對應(yīng)的程序預(yù)先固化成ROM中的各種模塊，然后用最簡單的編程語言或圖上作業(yè)方法將這些模塊進行軟連接，構(gòu)成各種控制系統(tǒng)的應(yīng)用軟件，這類應(yīng)用軟件主要用于現(xiàn)場控制層。對于管理層的生產(chǎn)優(yōu)化或經(jīng)營優(yōu)化的管理軟件，仍然用高級語言(如C語言等)編制。第17頁，共40頁，2022年，5月20日，1點46分，星期四五、集散控制系統(tǒng)的基本功能 1、反饋控制2、串聯(lián)控制3、前饋控制4、順序控制（一）現(xiàn)場控制站的基本功能 第18頁，共40頁，2022年，5月20日，1點46分，星期四（二）操作站的基本功能1、顯示：它以模擬方式、數(shù)字方式及趨勢曲線實時顯示每個控制回路的測量值(

15、PV)、設(shè)定值(SV)及控制輸出值(MV)。2、操作：操作站可對全系統(tǒng)每個控制回路進行操作，對設(shè)定值、控制輸出值、3、報警：操作站以畫面方式、色彩 ( 或閃光 ) 方式、模擬方式、數(shù)字方式及音響信號方式對各種變量的越限和設(shè)備狀態(tài)異常進行各種類型的報警。4、系統(tǒng)組態(tài)：DCS 的組態(tài)分為系統(tǒng)組態(tài)和應(yīng)用組態(tài)兩類，相應(yīng)的有系統(tǒng)組態(tài)軟件和應(yīng)用組態(tài)軟件。5、系統(tǒng)維護：當(dāng)系統(tǒng)中的某設(shè)備發(fā)生故障時，一方面立刻切換到備用設(shè)備，另一方面經(jīng)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸報警信息，在操作站上顯示故障信息，蜂鳴器等發(fā)出音響信號，督促工作人員及時處理故障。6、報表生成：根據(jù)生產(chǎn)管理需要，操作站可以打印各種班報、日報、操作日記及歷史記錄，還

16、可以拷貝流程圖畫面等。 第19頁，共40頁，2022年，5月20日，1點46分，星期四六、數(shù)據(jù)通信技術(shù)1、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的組成 通信是指用特定的方法，通過某種介質(zhì)將信息從一處傳輸?shù)搅硪惶幍倪^程。一個最基本的通信系統(tǒng)，是由信息源、發(fā)送裝置/接收裝置（收發(fā)裝置或調(diào)制解調(diào)器）、信道、通信控制部件、信息宿及協(xié)議等部分組成，如圖2-3所示。 （一）數(shù)據(jù)通信原理圖2-3 通信系統(tǒng)模型 第20頁，共40頁，2022年，5月20日，1點46分，星期四2、通信類型模擬通信是以連續(xù)模擬信號傳輸信息的通信方式。數(shù)字通信是將數(shù)字信號進行傳輸?shù)耐ㄐ欧绞?。?shù)字信號是具有一定編碼、格式和字長的數(shù)字信息。3、傳輸方式信息按其在

17、信道中的傳輸方向分為單工、半雙工和全雙工三種傳輸方式。(l) 單工（Simplex）通信方式：只允許信息沿一個方向（而不能作反向）傳輸。如圖2-4所示。 圖2-4 單工通信方式第21頁，共40頁，2022年，5月20日，1點46分，星期四(2) 半雙工（Half duplex）通信方式：允許信息在兩個方向上傳輸，但在同一時刻只限于一個方向的傳輸，如圖所示2-5所示。 圖2-5 半雙工通信方式(3) 全雙工（Full duplex）通信方式。允許信息同時在兩個方向上進行傳輸，如圖2-6所示。 圖2-6 全雙工通信方式第22頁，共40頁，2022年，5月20日，1點46分，星期四4、串行傳輸與并行

18、傳輸(1) 串行傳輸是把數(shù)據(jù)逐位依次在信道上進行傳輸?shù)姆绞?。如圖2-7 a)所示。(2) 并行傳輸是把數(shù)據(jù)多位同時在信道上進行傳輸?shù)姆绞?。如圖2-7 b)所示。 圖2-7 串行傳輸與并行傳輸 a) 串行傳輸 b) 并行傳輸?shù)?3頁，共40頁，2022年，5月20日，1點46分，星期四（二）通信網(wǎng)絡(luò)1、局部網(wǎng)絡(luò)的概念 局部區(qū)域網(wǎng)絡(luò) (Local Area Network，LAN)，簡稱為局部網(wǎng)絡(luò)或局域網(wǎng)，是一種分布在有限區(qū)域內(nèi)的計算機網(wǎng)絡(luò)，是利用通信介質(zhì)將分布在不同地理位置上的多個具有獨立工作能力的計算機系統(tǒng)連接起來，并配置了網(wǎng)絡(luò)軟件的一種網(wǎng)絡(luò)，用戶能夠共享網(wǎng)絡(luò)中的所有硬件、軟件和數(shù)據(jù)等資源。2

19、、局部網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) (1) 星型結(jié)構(gòu) 星型結(jié)構(gòu)如圖2-8 所示。 第24頁，共40頁，2022年，5月20日，1點46分，星期四圖2-8 星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)第25頁，共40頁，2022年，5月20日，1點46分，星期四圖2-9 星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(2) 環(huán)型結(jié)構(gòu) 環(huán)型結(jié)構(gòu)如圖2-9 所示。 第26頁，共40頁，2022年，5月20日，1點46分，星期四圖2-11 總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(3) 總線型結(jié)構(gòu) 總線型結(jié)構(gòu)如圖2-10 所示。 第27頁，共40頁，2022年，5月20日，1點46分，星期四圖2-11 樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(4) 樹型結(jié)構(gòu) 樹型結(jié)構(gòu)如圖2-11所示。 第28頁，共40頁，2022年，5月20日，1點

20、46分，星期四圖2-12 菊花鏈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(5) 菊花鏈結(jié)構(gòu) 如圖2-12所示。 第29頁，共40頁，2022年，5月20日，1點46分，星期四3、傳輸介質(zhì) 傳輸介質(zhì)是通信網(wǎng)絡(luò)的物質(zhì)基礎(chǔ)?；饡F(xiàn)場總線支持的傳輸介質(zhì)如下圖2-14所示。其常見的傳輸介質(zhì)主要有雙絞線、同軸電纜和光纜三種，如圖2-15所示。 第30頁，共40頁，2022年，5月20日，1點46分，星期四第31頁，共40頁，2022年，5月20日，1點46分，星期四4、DCS的網(wǎng)絡(luò)控制方式(1) 查詢方式 (2) 自由競爭方式 (3) 令牌傳送方式 (4)存儲轉(zhuǎn)發(fā)式 5、差錯控制技術(shù)(1) 差錯控制(2) 傳輸錯誤及可靠性指標(biāo)(3)

21、反饋重發(fā)糾錯方式(ARQ) 奇偶檢驗 循環(huán)冗余碼校驗 循環(huán)冗余碼(Cyclic Redundancy Check，CRC)簡稱循環(huán)碼，它的檢錯能力相當(dāng)強，是DCS中最常用字的糾錯碼。 第32頁，共40頁，2022年，5月20日，1點46分，星期四（三）通信協(xié)議1、通信協(xié)議的概念 網(wǎng)絡(luò)通信功能包括數(shù)據(jù)傳輸和通信控制兩大部分。將通信的全過程稱為通信體系結(jié)構(gòu)，一組組通信控制功能應(yīng)當(dāng)遵守通信雙方共同約定的規(guī)則，并受這些規(guī)則的約束。在計算機通信網(wǎng)絡(luò)中，對數(shù)據(jù)傳輸過程進行管理的規(guī)則稱為協(xié)議。2、開放系統(tǒng)互連參考模型 開放系統(tǒng)互連參考模型( OSI) 是將開放系統(tǒng)的通信功能分為七層，描述了分層的意義及各層的

22、命名和功能。開放系統(tǒng)互連參考模型如圖2-16所示。第33頁，共40頁，2022年，5月20日，1點46分，星期四圖2-16 開放系統(tǒng)互連參考模型 第34頁，共40頁，2022年，5月20日，1點46分，星期四（四）現(xiàn)場總線簡介 現(xiàn)場總線是指應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場、連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化測量控制系統(tǒng)的全數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò) 1、現(xiàn)場總線的國際標(biāo)準(zhǔn) (1) IEC TC65(國際電工委員會第 65 技術(shù)委員會) 2003年IEC 通過了修訂的現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn) IEC 61158，共有10種類型，其內(nèi)容見表2-1。 第35頁，共40頁，2022年，5月20日，1點46分，星期四第36頁，共40頁，2022年，5月20日，1點46分，星期四(2) IEC TC17(國際電工委員會第 l7 技術(shù)委員會) IEC62026 有 4 種現(xiàn)場總線類型，即AS-i(Actuator Sensor Interface，執(zhí)行器傳感器接口，Siemens 公司)；Device Net (設(shè)備網(wǎng)，Rockwell 公司