DCS基础知识

分散控制系统概述随着我国电力事业的飞速发展，火电厂单机容量及生产过程的控制规模不断增大，运行参数越来越高，主辅机及其相应的热力设备和系统更加复杂；同时电力市场的竞争日趋激烈，这就要求我们的电力生产必须从劳动密集型、设备密集型向信息密集型和知识密集型转变。以计算机控制为基础的分散控制系统（DistributedControlSystem）就是在这一转变过程中的产物，简称：DCS,它是继直接作用式气动仪表、气动单元仪表、电动单元组合仪表和组件组装式仪表之后的新一代控制系统。分散控制系统是生产过程监视、控制技术发展和计算机网络技术应用的产物，它包括了当今热工自动化的所有精华，即：控制（Control）、报警（Alarm）、监测(Monitor)、保护(Protection),简称：CAMP。从锅炉点火、汽轮机冲转、机组自动同期并网直至正常运行及事故处理的全过程，各种参数的监测、报警信号的发出、装置的调节、控制及设备危险时的保护都由DCS系统来完成。实践证明DCS系统可以有效的防止事故扩大，保证设备和人身的安全。DCS系统的核心是：功能分散、位置分散、操作管理集中。其主要有以下几大子系统组成：DEHdigitalelectric-hydraulic数字电液调节系统FSSSfurnacesafeguardsupervisorysystem炉膛安全监控系统SCSsequencecontrolsystem顺序控制系统DASdataacquisitionsystem数据采集系统BPSbypasscontrolsystem旁路控制系统ETSendangertripsystem危急跳闸系统TSIturbinesupervisoryinstrument汽机监视仪表其中，SCS、DEH、CCS、FSSS是DCS的四大支柱系统。我们先来介绍一下DCS系统的硬件组成：（如图所示）这是我公司135MW机组应用的新华公司WDPS-400系统结构。大体上来分，DCS系统有三部分组成：（详细内容在以后介绍）1、分散控制装置-DPU（现场控制站，过程控制站，数据采集站），即图中实时网下边的部分。实现DCS与生产过程的接口；实现数据采集；回路控制；逻辑控制和事故追忆。2、操作管理装置,也就是人机接口MMI,包括工程师站（ENG）、操作员站（OPU）、历史站（HSU）,起到维护、操作、显示、打印等功能。3、通信网络，也就是计算机网络，其作用是连接各工作站，图中分三层网，A、B实时网和C网（信息网）。DCS系统的有以下特点：1、分级性：从结构上可分为现场级、控制级、监控级、生产管理级和经营管理级。现场级设备一般位于被控生产过程的附近；控制级主要有过程控制站和数据采集站构成；监控级的主要设备有工程师站（ENG）、操作员站（OPU）、历史站（HSU），其中操作员站（OPU）安装在中央控制室，工程师站（ENG）、历史站（HSU）安装在电子设备间。管理级就是若干个管理计算机，可分为实时监控和日常管理两部分，它所面临的使用者是总经理、总工程师、值长等行政管理人员或运行管理人员，其主要功能是监测企业各部分的运行情况，利用历史数据和实时数据预测可能发生的各种情况，从企业全局利益出发辅助管理人员进行决策，帮助企业实现其规划目标。2、自治性：每套装置都能独立运行。3、分散性：控制分散、功能分散、地域分散、危险分散。4、界面友好：采用CRT、键盘、鼠标等设备，显示内容丰富、操作简单、便于维护。5、灵活性：硬件采用积木式结构，软件采用模块化结构，组态配置灵活方便。6、可靠性：采用了冗余设计（电源冗余、控制器冗余、网络冗余、I/O冗余），而且采用了容错设计，当出现错误后有对应的解决办法。软件具有自诊断功能，元器件采用了表面安装技术。上面是对DCS系统的基本概念和结构特点的简要叙述，仅供大家参考，详细的内容在今后向大家逐一介绍。DCS控制系统概述（二）----------分散控制系统的评价与选择---------分散控制系统从八十年代引入我国已有十几年的历史，引进的系统主要有美国西屋公司（Westinghouse）的WDPF，比如：石横电厂的300MW机组就是引进的WDPF系统；贝利公司（Bailey）的INFI-90,聊城600MW机组及菏泽300MW机组引进的就是INFI-90；福克斯布罗（Foxboro）公司的I/AS,莱芜的125MW机组改造引进的就是I/AS系统。随着我国电力技术的进步，国内的DCS系统也逐步发展起来，比如：上海新华公司的XDPS-400,北京和利时公司的HS-2000等。也在国内的大小型机组中得到了广泛应用，我厂135MW机组就是选用的上海新华公司的XDPS-400。伴随着国产DCS系统的不断完善，我们对DCS系统的评价、选择及使用的方法也在逐步走向成熟，从开始时的基本接受和试用到现在有组织的评价，从相对被动转为比较主动。就现在而言DCS评价与选择方法不仅能使用户得到满足其过程要求的系统而且评选过程作为一种市场活动，也会对DCS的发展起到推动作用。DCS评价与选择的过程包括目标的设定、适用的准则、信息的收集与分析、对特征做加权和做出最终决定等几个方面。第一部分：分散控制系统的评价：DCS系统是综合性很强的系统，因此它的评价方法也就比较复杂，涉及到很多因素，而且各因素之间有密切的联系，从技术应用的角度看，DCS应用的技术有计算机技术、电子技术、软件工程、通信技术、自动控制技术等。从DCS使用的功能角度来看，可分成过程控制站部分、运行员操作站部分、工程师工作站部分、通信系统部分、接口部分等。在工程项目使用DCS的过程中，可分成设计方面、调试方面、使用方面、维护方面、更新方面等等，为了选择合适的DCS就要综合分析所有的方方面面。作为使用部门，我们从使用的角度来分析一下DCS的评价过程。一、控制站在概述中我们已经提到，过程控制站是完成实时控制的单元，对它的要求主要有几个方面：可靠性、分散性、对控制对象的适应性、抗干扰能力等。其组成部分可分为：控制器、I/O模件、电源、机柜等几大部分。如下图所示：1、控制器：l硬件方面。控制器的硬件内容很多，最重要的有：运算能力、运算速度、内存的大小、处理器与内存的关系、对外接口的方式等，但并不是运算速度越快，处理器功能越强九越好，它必须要兼顾冗冗余余处处理理器器RReedduunnddaannttDDPPUU电电源源分分配配盘盘PPoowweerrDDiissttrriibbuuttiioonn输输入入//输输出出卡卡件件II//OOCCaarrddss冗冗余余电电源源组组RReedduunnddaannttPPoowweerr标标准准机机柜柜SSttaannddaarrddCCaabbiinneett冗冗余余II//OO总总线线RReedduunnddaannttII//OOBBuuss其经济性，我们现在接触的是商用机、PC机的处理器，而工业控制方面很少用这样的CPU，原因是功能要求不一样，商用机可能有很强的图形处理功能，而实时控制并不需要，耗电量和发热量指标也不能比较，因此，一般不能用商用机的指标来衡量控制器中的微处理机。l软件方面。包括软件的功能、覆盖的范围、运行方式、灵活性等，工业机要求控制器软件方面不仅要涵盖各种工业控制要求同时要具有实现各种特殊功能的灵活性。l内接口部分。是指控制器以什么样的方式与上、下、平级的模件通信。由于我们通常希望控制器是独立的，所以一般要求它对上、平级应该是平等的通信方式，而对下级摸件是主从通信方式。l外接口部分。是指控制器与其它系统的接口能力。主要体现在通信协议的适应性，通信的容量大小，设备是否可以方便的适用来自被接口设备的数据或者信息。接口的可靠性也是评价的重要标准，一般来说对可靠性的要求是与接口在系统中的作用密切相关的。接口所通过的、用于保护和控制的信息越多，对接口的可靠性的要求就越高，也正是由于这样的要求，我们一般希望减少系统之间的接口。l下面的分支图是对控制器评价的主要几个方面：2、I/O模件：对I/O模件的要求是看它对工业过程的适用性，是否满足工业过程的各种电气特性、实时、可靠性的要求，以及它同控制器之间的关系。l电气特性：应适应各种变送器、传感器、仪表的信号、供电方式、接地方式、屏蔽方式。l安装方面：适应各种安装、接线方法、尽可能提供现成的端子、插座、减少转接、配线。l对环境的要求：应最大限度的适应现场环境的要求。l与控制器的关系：要求两者之间是通过确定性总线来通信的。因为现场信号应在确定的时间内被采样和处理。3、电源及安装系统：电源、机柜与安装系统的任务是为控制器和I/O模件创造、维持一个良好的工作环境。考察电源时，既要考虑到设备本身的可靠性还要从冗余的方式来分析电源系统的可利用率、供电能力、容量、抗电源波动的能力过程控制器硬件软件冗余性中央处理器能力模件工艺带电插拔诊断维护后备电池多种接口多任务在线组态控制算法独立工作兼容性等。采用模块化的电源灵活性大，可维护性高，可以大大提高系统的可用率。安装系统也很重要，模件的环境越舒适，其可靠性当然越强。DCS控制系统概述（二）----------分散控制系统的评价与选择--------二、人机接口人机接口是DCS中发展变化得最快的系统，它随着计算机、软件的发展而改变。但总的大原则是统一的。1、计算机硬件：计算机的概念大家是比较熟悉的，计算机的处理能力是重要而又易于比较评价的，其运算速度、内存、外设等都具有比较具体的指标，但是对这些资源的使用方式却与软件有密切的关系。再有硬件的变化是很快的，不能指望系统总是是当时或今后最先进的，而要看其与功能的适应性。另外不要被定义不清的词汇所迷惑。计算机的发展很快，一些功能经常用专用的术语来表示，而这些术语从英文翻译过来时，常常缺乏标准化或推敲过程，使得我们从字面上看不出其具体的功能或作用，这时要写时搞清楚他的具体含义，而不要以为功能描述中的生词、缩写越多越好。2、操作系统与应用软件：对于软件来讲，最重要的就是其可靠性，也就是平常说的软件是否成熟。从人机接口的角度上讲，应注意以下几个方面：Ø开放性。主要是针对通信系统来讲的，而不是针对各种软件而言的，我们一般不希望在运行员的平台上运行各类软件，对软件的开放性往往是对工程师站和上位管理机的要求。通信上的开放性使运行员可以获得更多的信息以了解控制过程。同时使运行员操作站可以送出更多的数据用于更高级的管理。Ø数据处理能力。以什么样的方式向运行人员显示过程信息是人机接口站的重要特性，运行员对过程的控制，监视方式越来越向办公化方向发展，常规的柱状图、趋势图已不能满足要求，需要有更直观、更能深入反映过程动态特性的方式来显示分析的结果。这方面的能力很难用定量的方法来描述，应请厂家通过实例说明自己的处理方式与能力。Ø软件维护，更新能力。这种能力有的属于软件本身，有的属于供货厂家的工程服务能力。软件如果能够不断的更新、升级、消除缺陷，显然对用户的投资有很大好处。Ø防病毒问题。一般来说这不是过程控制软件厂家应解决的问题，病毒的种类与作用方式在不断变化，在计算机的维护工作中应包含这部分内容，使人机接口时刻有最新的防毒软件保护着。运行员操作站与工程师站的操作平台应该是分开的。三、工程师站(ENG)工程师站的主要工作是组态设计，并将设计结果下载到摸件中执行。1、触及DCS资源的深度Ø监视DCS设备的状态。反映控制系统中所有设备的状态，包括静态状态，如、停止、还是故障状态；以及动态状态，如模件运行到什么程度了，负荷怎样，有无故障的趋势，发生了什么故障等。Ø监视过程变量的动态变化值，反映系统中非控制设备的状态，如人机接口、通信系统，对外的接口，特别是对这些设备的运行状态做出评价，如数据库利用率、通信负荷、对外接口的忙闲程度等。另一方面就是对这些设备的故障诊断，这种诊断应高于人机接口上的由运行员做出的诊断，因为一般用户的责任划分是由运行员发现故障，而且主要是与过程相关的故障，而有工程师找出内部的深层原因，而这时的工具应是工程师站。Ø对所有DCS的设备做组态设计。设计可以分成“硬”