第1章 分散控制系統(tǒng)基礎(chǔ)-LN2000

分散控制系統(tǒng)基礎(chǔ)1.1概述1.1.1分散控制系統(tǒng)（DistributedControlSystem，DCS)以分布在不同物理位置的多臺計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，采用“分散控制、集中操作”分級管理”原則設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)。1.1.2分散控制系統(tǒng)的產(chǎn)生與發(fā)展1.常規(guī)模擬儀表控制系統(tǒng)基地式儀表：控制系統(tǒng)與被控對象在機(jī)械結(jié)構(gòu)上是組合在一起的；而且控制系統(tǒng)的各個(gè)部分包括檢測、計(jì)算、執(zhí)行、人機(jī)界面等也做成一個(gè)整體，就地安裝在被控對象之上。單元組合儀表：控制系統(tǒng)與被控對象在機(jī)械結(jié)構(gòu)上是分開的；檢測、計(jì)算、執(zhí)行、人機(jī)界面有不同的單元實(shí)現(xiàn)，根據(jù)控制功能進(jìn)行組合構(gòu)成控制系統(tǒng)。分散控制系統(tǒng)基礎(chǔ)缺點(diǎn)：在控制功能方面：控制算法靠電阻、電容、電感等元件的電氣規(guī)律完成，不能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制。在監(jiān)視操作方面：儀表多，監(jiān)視操作不方便。在信息管理方面：手工抄表，不準(zhǔn)確。2.計(jì)算機(jī)集中控制系統(tǒng)克服了常規(guī)儀表的缺點(diǎn)，但存在致命缺點(diǎn)“功能集中，危險(xiǎn)集中”?？刂乒δ?、監(jiān)視操作功能和信息管理功能集中在一臺計(jì)算機(jī)上完成。3.分散控制系統(tǒng)在分析常規(guī)模擬儀表控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)集中控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，人們產(chǎn)生了危險(xiǎn)分散的設(shè)計(jì)思想，即控制功能分散、監(jiān)視操作功能集中?？刂乒δ埽悍植荚陔娮釉O(shè)備間的多個(gè)現(xiàn)場站中。監(jiān)視操作：分布在控制室的多個(gè)操作員站中。信息管理：分布在辦公室的多個(gè)工作站中。分散控制系統(tǒng)基礎(chǔ)4.DCS的產(chǎn)生和發(fā)展微機(jī)技術(shù)+通信技術(shù)+CRT技術(shù)+控制技術(shù)=DCS分散功能

集中功能

人機(jī)界面

控制功能TDC-2000國家公司系統(tǒng)名稱美國Honeywell

Bailey

Westinghouse

Foxboro

Leeds&NorthrupTDC-2000，TDC-3000

N-90，INFI-90，Symphony

WDPF，OVATION

I/ASeries

MAX-1000日本橫河

日立CENTUM，μXL

HIACS-3000，HIACS-5000中國山東魯能控制和利時(shí)北京智深LN-2000HS2000，MACSEDPF-NT分散控制系統(tǒng)基礎(chǔ)1.1.3火電廠自動(dòng)化系統(tǒng)組成廠級自動(dòng)化系統(tǒng)廠級管理信息系統(tǒng)MIS廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)SIS機(jī)組級自動(dòng)化系統(tǒng)DCS熱工系統(tǒng)自動(dòng)化電氣系統(tǒng)自動(dòng)化功能配置MIS系統(tǒng)

處于電廠的最高級，具有對內(nèi)管理和對外營銷兩大功能。SIS系統(tǒng)作為機(jī)組級DCS系統(tǒng)與廠級MIS系統(tǒng)的中間系統(tǒng)SIS，起著承上啟下的作用。它以實(shí)時(shí)監(jiān)控為主，同時(shí)兼有實(shí)時(shí)信息管理的作用。因此，必須建立一個(gè)較為完善并具有一定規(guī)模的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫。其主要功能：分散控制系統(tǒng)基礎(chǔ)全廠綜合性能計(jì)算和操作指導(dǎo)全廠負(fù)荷優(yōu)化調(diào)度機(jī)組壽命管理狀態(tài)監(jiān)視、故障診斷及相關(guān)處理指導(dǎo)機(jī)組優(yōu)化控制DCS系統(tǒng)

火力發(fā)電廠中，DCS系統(tǒng)包括熱工系統(tǒng)自動(dòng)化和電氣自動(dòng)化。

在尚未統(tǒng)籌考慮廠級自動(dòng)化前，單元機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)DCS不僅完成機(jī)組直接監(jiān)控功能，而且逐步擴(kuò)大管理職能。例如機(jī)組性能計(jì)算、壽命管理等。管理功能的加強(qiáng)使DCS系統(tǒng)日趨復(fù)雜，每臺機(jī)組重復(fù)設(shè)置相同的軟件模塊。這樣，往往造成投資浪費(fèi)和可靠性降低。在明確提出火電廠廠級自動(dòng)化以后，應(yīng)盡量簡化單元機(jī)組級DCS的功能，主要服務(wù)于對機(jī)組的直接監(jiān)控。凡是實(shí)時(shí)性不強(qiáng)的功能可上移至廠級SIS。分散控制系統(tǒng)基礎(chǔ)DCS的主要功能包括：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DateAcquisitionSystem,DAS）

快速準(zhǔn)確的反應(yīng)參數(shù)變化和設(shè)備狀態(tài)，為操作提供依據(jù)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要功能包括：數(shù)據(jù)采集與處理、屏幕顯示、打印記錄、歷史數(shù)據(jù)存儲與檢索等。模擬量調(diào)節(jié)系統(tǒng)（ModulationControlSystem,MCS）維持設(shè)備正常運(yùn)行，保證參數(shù)在正常范圍，提高生產(chǎn)穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性。MCS系統(tǒng)一般包括：機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)、主汽溫控制系統(tǒng)、再熱汽溫控制系統(tǒng)、給水控制系統(tǒng)、燃燒控制系統(tǒng)、除氧器水位控制系統(tǒng)、除氧器壓力控制系統(tǒng)、輔助蒸汽壓力控制系統(tǒng)、高加水位控制系統(tǒng)、低加水位控制系統(tǒng)等。開關(guān)量順序控制系統(tǒng)（SequenceControlSystem,SCS）主、輔機(jī)的啟動(dòng)順序和機(jī)組的聯(lián)鎖保護(hù)。順序控制是按一定的順序、條件和時(shí)間要求，對工藝系統(tǒng)中各有關(guān)對象進(jìn)行自動(dòng)控制的一種技術(shù)，主要用于主輔機(jī)的自動(dòng)啟停操作和聯(lián)鎖保護(hù)分散控制系統(tǒng)基礎(chǔ)爐膛監(jiān)測保護(hù)系統(tǒng)（FurnaceSafeguardSupervisionSystem,FSSS）

防止?fàn)t膛爆炸，燃燒管理。對鍋爐點(diǎn)火和油槍進(jìn)行程序自動(dòng)控制，并有防止鍋爐爐膛由于燃燒熄火、過壓等原因引起爐膛爆炸而采取的監(jiān)視和自動(dòng)控制措施。其包括燃燒器控制系統(tǒng)BCS和爐膛安全系統(tǒng)FSS，實(shí)現(xiàn)功能有：爐膛吹掃、點(diǎn)火器及油槍切投控制、火焰監(jiān)視及爐膛滅火保護(hù)、主燃料跳閘MFT。汽輪機(jī)數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)（DigitalElectro-HydraulicControlSystem,DEH）

機(jī)組啟動(dòng)，轉(zhuǎn)速控制。汽輪機(jī)緊急跳閘系統(tǒng)（ExigencyTreadSystem,ETS）

汽機(jī)保護(hù)跳閘。確保在下列事故狀態(tài)關(guān)閉汽輪機(jī)全部蒸汽進(jìn)汽閥門、抽汽逆止門等，以使汽輪機(jī)安全停機(jī)。汽輪機(jī)主機(jī)保護(hù)有：潤滑油壓低、真空低跳閘、就地手動(dòng)停機(jī)、軸向位移大跳閘、發(fā)電機(jī)跳閘、電超速保護(hù)跳閘等。電氣自動(dòng)化系統(tǒng)（ElectricityAutomationSystem,EAS）

電氣系統(tǒng)的操作，監(jiān)視。分散控制系統(tǒng)基礎(chǔ)1.2分散控制系統(tǒng)的構(gòu)成原理分散控制系統(tǒng)是一種集成了多種高新技術(shù)的新型控制系統(tǒng)，其原理結(jié)構(gòu)是比較復(fù)雜的。我們應(yīng)該從多種角度來認(rèn)識和分析分散控制系統(tǒng)。1.2.1從控制系統(tǒng)的角度來看DCS是一種分級的控制系統(tǒng)。各級完成不同的功能。分散控制系統(tǒng)的功能分層體系功能分層體系是分散控制系統(tǒng)的顯著特點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)控制功能分散，操作顯示集中的關(guān)鍵。按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行垂直分解：它包括四級（見圖1-3），各級相對獨(dú)立，又相互聯(lián)系，不同的級完成不同的功能。同一級進(jìn)行水平分解：它可分為具有功能類似的站，各站相對獨(dú)立，又相互聯(lián)系，不同的站完成不同的功能。分散控制系統(tǒng)基礎(chǔ)過程控制級設(shè)備：現(xiàn)場站（采集站、控制站）。功能：數(shù)據(jù)采集、運(yùn)算處理和控制輸出；經(jīng)通信網(wǎng)絡(luò)和控制管理級通信。

輸入信號正確性判斷

數(shù)字濾波

非線性修正

參數(shù)補(bǔ)償

工程單位轉(zhuǎn)換

A/D、D/A轉(zhuǎn)換

輸出檢查

缺省值輸出組成：通信模件、控制器模件、I/O模件和電源模件。分散控制系統(tǒng)基礎(chǔ)控制管理級設(shè)備：操作員站，工程師站，歷史站。功能：操作員站：監(jiān)視和操作；人和過程的接口。顯示功能：過程畫面，趨勢畫面，一覽畫面，系統(tǒng)狀態(tài)畫面，報(bào)

警相關(guān)畫面等。操作功能：和系統(tǒng)有關(guān)的操作，和過程有關(guān)的操作。報(bào)警功能：開關(guān)量變態(tài)報(bào)警，模擬量越限報(bào)警，系統(tǒng)本身的報(bào)警

報(bào)警過濾功能，報(bào)警優(yōu)先級功能，報(bào)警抑制功能等記錄打印功能：隨機(jī)打印（事件觸發(fā)），周期性打?。〞r(shí)間觸

發(fā)），請求打印（命令觸發(fā)）工程師站：工程組態(tài)和系統(tǒng)維護(hù)；人和系統(tǒng)的接口。歷史站：歷史站主要負(fù)責(zé)采集和儲存生產(chǎn)過程的歷史數(shù)據(jù)，以供形成

運(yùn)行報(bào)表和歷史趨勢曲線組成：主機(jī)和外設(shè)。分散控制系統(tǒng)基礎(chǔ)生產(chǎn)管理級設(shè)備：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)器，工作站。功能：廠級生產(chǎn)過程的監(jiān)視和管理，廠級故障診斷和分析，廠級性能指標(biāo)計(jì)

算。經(jīng)網(wǎng)關(guān)機(jī)向經(jīng)營管理級發(fā)送數(shù)據(jù)。組成：主機(jī)和外設(shè)。經(jīng)營管理級設(shè)備：數(shù)據(jù)服務(wù)器，工作站。功能：廠級經(jīng)營管理、財(cái)務(wù)管理和人事管理等。組成：主機(jī)和外設(shè)。分散控制系統(tǒng)基礎(chǔ)1.2.2從信息系統(tǒng)的角度來看DCS是一個(gè)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，具有不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，連接著功能各異的一個(gè)個(gè)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的信息傳送與互換。1.通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：是指網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)設(shè)備之間相互連接的方式。常用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有三種：星型、環(huán)型、總線型。節(jié)點(diǎn)：參加網(wǎng)絡(luò)通信的最小單位稱為節(jié)點(diǎn)。一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以是一臺計(jì)算機(jī)，也可以是幾臺甚至幾十臺計(jì)算機(jī)形成的數(shù)據(jù)集中器。星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：如圖1-4所示。網(wǎng)絡(luò)描述：在網(wǎng)絡(luò)中的各站有主、從之分。處于中心位置的主節(jié)點(diǎn)稱為主站，

分布于各處的節(jié)點(diǎn)為從站，任何兩個(gè)站之間的通信都必須通過主

站。網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)：主從站之間的鏈路是專用的傳輸效率高

適用各

站之間信息

流量大的場合。

對主站的依賴性強(qiáng)

可靠性低。分散控制系統(tǒng)基礎(chǔ)總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：如圖1-5所示。網(wǎng)絡(luò)描述：它是以一條開環(huán)的無源通信電纜作為高速公路。所有的站都通過相應(yīng)的硬件接口掛到總線上。各站的功能可以有主從之分，也可以不

分主從站。網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)：各站分時(shí)使用總線。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，易于擴(kuò)展，可靠性高，某一個(gè)站的故障不致影響其

站的工作（無主從結(jié)構(gòu)方式下）。這種結(jié)構(gòu)易于實(shí)現(xiàn)通信線路冗余，安裝費(fèi)用較低。因此，總線型結(jié)構(gòu)的應(yīng)用最為普遍。如日本橫河公司的CENTUM系統(tǒng)，BBC公司的Procontrol-P系統(tǒng)，Westinghouse（西屋）公司的WDPF系統(tǒng)，Honeywell（霍尼維爾）公司的TDC-2000、TDC-3000系統(tǒng)等等，均采用了總線形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。分散控制系統(tǒng)基礎(chǔ)環(huán)型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：如圖1-6所示。網(wǎng)絡(luò)描述：是一個(gè)首尾相連的環(huán)型總線，各個(gè)站都通過各自的硬件接口掛到環(huán)

上。環(huán)上的各站無主從之分，平等地使用通信控制權(quán)。網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)：各站可以同時(shí)發(fā)送接收信息。信息在網(wǎng)上的傳遞總是從始發(fā)站出發(fā)，經(jīng)過網(wǎng)上每個(gè)站整形、放

大后再傳送，直至回到始發(fā)站（順時(shí)針或反時(shí)針方向）。傳送距

離遠(yuǎn)且能保證信號質(zhì)量。當(dāng)某個(gè)站出現(xiàn)故障時(shí)，能自動(dòng)旁路信息，而不影響信息的傳遞，

但擴(kuò)展性能不像總線形方便。工程上環(huán)型網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用也比較多，例如ABB公司的Symphony系統(tǒng)等。分散控制系統(tǒng)基礎(chǔ)2.信息傳輸控制技術(shù)信息傳輸控制技術(shù)：通信網(wǎng)絡(luò)上連接著眾多的設(shè)備，要實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的信息傳送，必須有適合于不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的信息傳輸控制技術(shù)，常用的信息傳輸控制技術(shù)有：查詢式、廣播式、存貯轉(zhuǎn)發(fā)式。查詢式這是一種有主站控制的通信協(xié)議方式，適用于具有主從節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。處于網(wǎng)絡(luò)中的主節(jié)點(diǎn)對網(wǎng)絡(luò)行使控制作用。它按次序查詢各從節(jié)點(diǎn)是否需要通信，需要發(fā)送信息的從站把信息送給主站，再由主站把信息發(fā)送給需要的其它從站。其特點(diǎn)是所有通信在主站統(tǒng)一指揮下進(jìn)行，各節(jié)點(diǎn)之間沒有沖突。廣播式這是一種無主站控制的通信協(xié)議方式，適用于總線形和環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。廣播式通信控制協(xié)議的基本特征是在任何時(shí)刻，網(wǎng)絡(luò)中僅允許有一個(gè)站處于發(fā)送信息狀態(tài)，而其余各站只能處于接收狀態(tài)。如果在同一時(shí)刻有多個(gè)源站要發(fā)送信息，即發(fā)生搶占傳輸線路的沖突，因而，必須按一定協(xié)議方式協(xié)調(diào)這種沖突。在廣播式協(xié)議下，按防止沖突的方法不同又可分為自由競爭式、通行標(biāo)記式（令牌傳送式）和時(shí)間分槽式。分散控制系統(tǒng)基礎(chǔ)自由競爭式：適用于總線形網(wǎng)絡(luò)。接到總線上的各站共享一條廣播傳輸線，每個(gè)站的地位是平等的，采用自由競爭方式發(fā)送信息到總線上。由于沒有專門的通信控制站，有可能會(huì)有兩個(gè)或兩個(gè)以上站企圖同時(shí)發(fā)送信息，此時(shí)便會(huì)發(fā)生沖突，造成報(bào)文作廢。因此，必須采取措施防止沖突?？刂撇呗裕焊偁幇l(fā)送，先聽后發(fā)，邊發(fā)邊聽，沖突后退和再試重發(fā)。通行標(biāo)記式：即令牌式（TokenPassing）適用于環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。有一個(gè)被稱之為令牌的信息段繞環(huán)網(wǎng)的各節(jié)點(diǎn)依次傳送。令牌有“空”、“忙”兩種狀態(tài)。某個(gè)站接到傳給自己的令牌后，如果令牌為“空”，則首先把令牌置為“忙”，并置入發(fā)送信息、源節(jié)點(diǎn)名、目的節(jié)點(diǎn)名等信息段，然后將其送上環(huán)網(wǎng)。令牌沿環(huán)網(wǎng)運(yùn)行一周再回到源節(jié)點(diǎn)時(shí)，傳送信息已被目的節(jié)點(diǎn)取走，再把令牌置成“空”，送上環(huán)網(wǎng)繼續(xù)傳送，以便其它節(jié)點(diǎn)使用。時(shí)間分槽式：把規(guī)定的時(shí)間間隔分成若干時(shí)間槽，在槽開始時(shí)，該節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，等允許的時(shí)間槽時(shí)間到，就輪到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息。分散控制系統(tǒng)基礎(chǔ)存貯轉(zhuǎn)發(fā)式是一種無主站控制的通信協(xié)議方式，適用于環(huán)型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。存貯轉(zhuǎn)發(fā)式協(xié)議的基本特征是允許網(wǎng)上所有站同時(shí)發(fā)送和接收信息。每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以隨時(shí)向自己相鄰的下一節(jié)點(diǎn)發(fā)出信息，包括源站、目的站地址在內(nèi)。相鄰節(jié)點(diǎn)接收這些信息并存貯起來，等到自己的信息發(fā)送完畢，再對接收到的信息進(jìn)行識別。如不是目的站，則對信息進(jìn)行放大，繼續(xù)發(fā)往相鄰的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)。直至該信息到達(dá)站，目的站在該信息段上加上接收確認(rèn)信息；如檢查信息出錯(cuò)，則加上否認(rèn)信息；之后繼續(xù)向下一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送，直至重新回到源節(jié)點(diǎn)