第六章集散控制系统DCS

第六章集散控制系统6.1概述6.2浙大中控DCS系统硬件构成6.3浙大中控DCS软件组态6.1概述6.1.1DCS系统的概念6.1.2DCS系统的基本组成和特点6.1.3DCS系统的发展过程6.1.4DCS典型产品6.1.1DCS系统的概念1958年开始陆续出现了有计算机组成的控制系统-DDC系统在人机界面、控制、计算等方面实现了数字化，但还保留现场模拟方式的变送单元和执行单元。所有控制回路的计算都集中在主CPU中，引起了可靠性和实时性问题。1975年出现了DCS，结合了仪表控制系统和DDC两者的优势很好的解决了DDC存在的两个问题。在现场端仍采用模拟仪表的变送单元和执行单元，其余都是基于数字技术的，均采用数字方式。以计算机的CRT、键盘、鼠标等代替仪表盘形成系统人机界面。人机界面由操作员站实现，系统可有多台操作员站。回路控制功能有现场控制站完成，系统可由多台现场控制站，每台控制一部分回路。6.1概述6.1.1DCS系统的概念6.1.2DCS系统的基本组成和特点6.1.3DCS系统的发展过程6.1.4DCS典型产品6.1.2DCS系统的基本组成和特点一、DCS系统的分层体系结构CG:6.1.2DCS系统的基本组成和特点直接控制层过程控制计算机直接与现场各类装置相连，对所连接的装置实施监测、控制，向上与第二层的计算机相连，接收上层的管理信息，并向上传递装置的特性数据和采集到的实时数据。过程管理层主要有监控计算机、操作站、工程师站。综合监视过程各站的所有信息、集中显示操作，控制回路组态和参数修改，优化过程处理等。过程控制级操作监控层一、DCS系统的分层体系结构6.1.2DCS系统的基本组成和特点生产管理层管理计算机根据产品各部件的特点，协调各单元级的参数设定，是产品的总体协调员和控制器。决策管理层这一级居于中央计算机上，并与办公室自动化连接起来，担负起全厂的总体协调管理，包括各类经营活动、人事管理等。产品管理级工厂总体管理和经营管理层一、DCS系统的分层体系结构6.1.2DCS系统的基本组成和特点二、DCS系统的基本构成四个大的组成部分：现场控制站操作员站工程师站系统网络6.1.2DCS系统的基本组成和特点二、DCS系统的基本构成6.1.2DCS系统的基本组成和特点现场控制站DCS的核心部分，对生产过程进行闭环控制，可控制数个至数十个回路，还可进行顺序、逻辑和批量控制PCU-ProcessControlUnit二、DCS系统的基本构成操作员站OS-OperatingStation监视操作、打印报表调出有关画面，进行有关操作，如修改某个回路的给定值；改变某个回路的运行状态；对某回路进行手工操作、确认报警和打印报表等。6.1.2DCS系统的基本组成和特点工程师站进行系统的组态、编程和监视。ES-EngineerStation在系统运行之前所有的监控点、控制回路、各种画面、报警清单和工艺报警表均由技术人员通过工程师站进行组态。系统在线运行时，工程师站可以对DCS本身的运行进行监视，能及时发现系统异常，并及时进行处置。二、DCS系统的基本构成6.1.2DCS系统的基本组成和特点系统网络是连接系统各个站的桥梁。网络的实时性、可靠性和数据通信能力关系到整个系统的性能;以太网应用的广泛性和成熟性，特别是开放性，使得大多数DCS厂家都先后转向了以太网。但网络的高层规约方面，仍是DCS厂家自有的技术。二、DCS系统的基本构成服务器及其它功能站主要完成监督控制的工作，在控制系统出现异常，需要实行人工干预6.1.2DCS系统的基本组成和特点二、DCS系统的基本构成6.1.2DCS系统的基本组成和特点1、分散性和集中性三、DCS系统的特点分散性：分散控制，地域分散、设备分散、功能分散和危险分散分散的目的是为了使危险分散，进而提高系统的可靠性和安全性。集中性：集中监视、集中操作和集中管理通信网络和分布式数据库是集中性的具体体现，用通信网络把物理分散的设备构成统一的整体，用分布式数据库实现全系统的信息集成，进而达到信息共享。6.1.2DCS系统的基本组成和特点2、自治性和协调性三、DCS系统的特点自治性：各台计算机均可独立工作控制站可自主进行信号输入、运算、控制和输出；操作员站能自主地实现监视、操作和管理；工程师站的组态可在线也可离线，或在其它计算机上进行，形成组态文件装入DCS运行协调性：系统中的各台计算机用通信网络互联在一起，相互传送信息，相互协调工作，以实现系统的总体功能。6.1.2DCS系统的基本组成和特点3、灵活性和扩展性三、DCS系统的特点硬件采用积木式结构，可灵活配置成小、中、大各类系统。还可根据生产要求，逐步扩展系统，改变系统的配置。软件采用模块式结构，提供各类功能模块，可灵活组态构成简单、复杂各类控制系统。可根据生产工艺和流程的改变，随时修改控制方案，在系统容量允许范围内，只需通过组态就可以构成新的控制方案，不需要改变硬件配置。6.1.2DCS系统的基本组成和特点4、先进性和继承性三、DCS系统的特点DCS综合了“4C”（Computer，Control,Communication,CRT）技术，随着4C技术的发展而发展。硬件上采用先进的计算机、通信网络和屏幕显示；软件上采用先进的操作系统、数据库、网络管理和算法语言；算法上采用自适应、预测、推理、优化等先进控制算法，建立生产过程数学模型和专家系统。DCS更新换代比较快，出现新型DCS时，老DCS作为新DCS的一个子系统继续工作，还可互相传递信息，避免更新换代给用户带来不兼容和经济损失。-继承性6.1.2DCS系统的基本组成和特点5、可靠性和适应性三、DCS系统的特点DCS的分散性带来系统的危险分散，提高了系统的可靠性；硬件上采用一系列冗余技术，控制站主机、I/O板、通信网络和电源均可双重化，且采用热备份工作方式，自动检测故障，一旦出现故障立即自动切换。硬件上采用高性能电子元器件、先进的生产工艺和各项抗干扰技术，可使DCS能够适应恶劣的工作环境。软件上安装了一些列故障诊断和维护软件，实时检查系统的硬件和软件故障，并采用故障屏蔽技术，使故障影响尽可能地小。6.1概述6.1.1DCS系统的概念6.1.2DCS系统的基本组成和特点6.1.3DCS系统的发展过程6.1.4DCS典型产品6.1.3DCS系统的发展过程一、DCS系统的发展趋势系统功能从低层（现场控制层）逐步向高层（监督控制、生产调度管理）扩展系统的控制功能由单一的回路控制逐步发展到综合了逻辑控制、顺序控制、程序控制、批量控制及配方控制等混合控制功能。构成系统的各个部分由DCS厂家专有的产品逐步改变为开放的市场采购的产品。开放的趋势使得DCS厂家越来越重视采用公开标准，这使得第三方产品更加容易集成到系统中来。数字化的发展越来越向现场延伸，使得现场控制功能和系统体系结构发生重大变化，将发展成为更加智能化、更加分散化的新一代控制系统。6.1.3DCS系统的发展过程二、DCS系统的发展过程第一代DCS（初创期）1975—1980代表系统——Honeywell公司的TDC-2000四个组成部分，奠定了DCS的基础体系结构注重控制功能的实现，设计的重点是现场控制站，控制功能成熟可靠人机界面功能相对较弱，操作站提供信息有限各厂家系统均有专有产品构成，包括高速数据通道、控制站等。造成价位高、系统的维护运行成本高，应用范围受限。6.1.3DCS系统的发展过程二、DCS系统的发展过程第二代DCS（成熟期）1980—1985代表系统——Honeywell公司的TDC-3000引入局域网（LAN）作为系统骨干，系统的扩充更加方便。增加顺序控制、逻辑控制等功能，加强了系统管理站的功能，可实现一些优化控制和生产管理功能。网络协议仍各自为政，不同厂家的系统不能进行数据交换。用户图形界面逐步丰富，提供更多生产现场信息和系统控制信息。6.1.3DCS系统的发展过程二、DCS系统的发展过程第三代DCS（扩展期）1985—代表系统——Foxboro公司的I/ASeries,Yokogawa的Centum-XL形成现代DCS的标准体系结构，直接控制、监督控制和协调优化、上层管理三层功能结构组态方面实现了标准化，IEC61131-3所定义的五种组态语言为大多数DCS厂家所采纳。各厂家普遍采用了标准的网络产品，如各种实时网络和以太网等。6.1.3DCS系统的发展过程二、DCS系统的发展过程新一代DCS——FCS生产现场层进行变革将控制站内的软功能模块分散地分布在各台现场数字仪表中，实现彻底的分散控制6.1概述6.1.1DCS系统的概念6.1.2DCS系统的基本组成和特点6.1.3DCS系统的发展过程6.1.4DCS典型产品6.1.4DCS典型产品一、Honeywell公司的TDC-3000US:通用操作站GUS:全局用户操作站6.1.4DCS典型产品一、Honeywell公司的TDC-30006.1.4DCS典型产品一、Honeywell公司的TDC-3000TDC-3000系统已形成了现场直接控制层（由DataHiway和UCN连接的各种控制模块组成）监督控制层（由LCN连接的底层控制网和人机界面等功能单元组成）工厂管理层（由PCN连接的控制层功能和管理层功能所组成）三层清晰的体系结构Honeywell公司所推出的各代系统都具有向前的兼容性，可以在已有系统的基础上通过扩充新设备实现系统的升级。但系统显得有些烦琐，为追求兼容性，不得不增加很多接口单元，影响运行效率。典型的从底层控制逐步发展到高层管理的系统，是大部分具有仪表控制系统背景的公司发展DCS的模式6.1.4DCS典型产品二、ABB公司的IndustrialIIT6.1.4DCS典型产品核心设计理念是高度集成化的工厂信息：1)集成了ABB公司的800xA控制系统，具有过程控制、逻辑控制、操作监视、历史趋势和报警处理等综合型的系统控制能力2)支持多种现场总线、OPC等开放系统标准，形成了从现场控制到高层经营管理的一体化信息平台。3)以控制网络为核心，向下连接现场总线型网络，向上连接工厂管理网络二、ABB公司的IndustrialIIT典型的采用自顶向下设计方式形成的系统，注重信息技术的标准，在统一的标准构架上集成各个方面的产品，是很多有计算机系统背景的公司所采取的方法。具有开放性好、适应性强及功能完善的特点。行业背景略差，在不同行业应用时，要针对行业点进行专门的开发，才能充分满足应用需求6.1.4DCS典型产品三、和利时公司的HOLLiAS系统采用多“域”的结构形式，每个装置就是一个“域”，就是一个典型的传统意义上的DCS，多个域通过骨干网连接，形成功能完善、范围广泛的信息系统。第六章集散控制系统6.1概述6.2浙大中控DCS系统硬件构成6.3浙大中控DCS软件组态6.2浙大中控DCS系统硬件构成6.2.1系统总体结构6.2.2控制站规模6.2.3控制站硬件6.2.1系统总体结构6.2.1系统总体结构6.2.1系统总体结构1、信息管理网2、过程控制网3、控制站内部网络(名称为SBUS)采用符合TCP／IP协议的以太网，连接了各个控制装置的网桥以及企业内各类管理计算机，用于工厂级的信息传送和管理，是实现全厂综合管理的信息通道。采用双高速冗余工业以太网SCnetII作为其过程控制网络，连接操作站、工程师站与控制站等，传输各种实时信息。采用主控制卡指挥式令牌网，存储转发通信协议，是控制站各卡件之间进行信息交换的通道。6.2浙大中控DCS系统硬件构成6.2.1系统总体结构6.2.2控制站规模6.2.3控制站硬件6.2.2控制站规模控制站主要由机柜、机笼、供电单元和各类卡件（包括主控制卡、数据转发卡和各种信号输入输出卡）组成，其核心是主控制卡。主控制卡通过系统内高速数据网络-SBUS扩充各种功能，实现现