DCS系统概述

DCS系统概述2020年2月12日星期三•据有关咨询机构2003年发布的世界DCS市场预测报告称：世界DCS市场从2002年至2007年将保持2.5％的增长，从2003年的91亿美元增长到103亿美元。•DCS的发展速度之所以不高，主要原因是美国等发达国家的经济增长速度减慢所造成。而中国近几年的DCS的增长速度应该在10％以上。•当今的DCS与十年前的DCS相比，发生了根本性的变化。•依据“中国国际招标网”数据统计：•在“十一五”第二个开局之年初（2007年1月-3月），我国DCS国际招标市场状况并不理想，季度累计招标项目20余项，与去年同比项目数量有所减少，影响了中标金额和数量。•集散控制系统•DCS（DistributedControlSystem）集散控制系统是随着现代大型工业生产自动化的不断兴起和过程控制要求的日益复杂应运而生的综合控制系统。它紧密依赖于自动控制技术、计算机技术、通信技术和CRT显示技术(4C)。“分散”指：1、工艺上各种设备地理位置的分散。2、功能分散。“集”：集中监视、集中管理。•DCS的基本思想是：分散控制集中操作分级管理配置灵活组态方便。集散控制系统–分散式控制系统=集散控制系统=分布控制系统–DCS系统的结构是一个分布式系统。其逻辑结构为树结构。按系统结构进行垂直分解各级既相互独立由相互联系。每一级又水平分解成若干子集。集散控制系统发展历史与常规控制仪表相比较：优点：控制功能齐全，可实现复杂控制、最优控制便于信息的综合和分析。存在问题：1、危险集中2、性能问题：单机负荷过载3、开发周期解决方法：选用高可靠性能的计算机引入双重化，增加后备装置–美国的Honeywell公司于1975年成功地推出世界上第一套集散型控制系统。–目前，已有60多家公司在生产开发各种类型的集散控制系统。–TDC-3000，NETwork-90、CENTUM，在我国广泛使用。–我国自行设计制造的系统：1979年，天津市工业自动化仪表研究所开始研制国产DCS系统，1983年，第一套国产小规模DCS系统诞生。与此同时，西安仪表厂引进日本横河公司YEWPACKMARKⅡDCS系统，川仪总厂引进美国HoneywellTDC-3000BASICDCS系统，上海·福克斯波罗公司在中国销售SPECTRUMDCS系统。DCS系统的发展DCS的发展阶段•DCS经历了初创(1975～1980年)、成熟(1980～1985年)、扩展(1985年以后)几个发展时期：也有人称第一代、第二代、第三代……等.•DCS是继1969年PLC问世后，由HONEYWELL公司在1975年首先推出的系统。即：TDC2000，它只有模拟量控制。国内石化,化纤引进过.DCS发展的三个时期•1．初创期(1975～l976年)•组成：具有许多微处理机的分级控制系统。采用分散的控制设备来适应分散的生产过程，通过高速数据通道将系统各个单元联系起来——中初级的局部网络。•代表性集散控制系统：TDC－2000；Foxboro的Spectrum；Bailey的Network－90；横河的CENTUM。•70年代初，有人用如DEC公司的PDP11/24这样的小型机代替原来的集中安装的模拟仪表控制。安装在中央控制室的PDP11/24，用电缆把现场仪表的信号传到中央控制室。小型机既作为控制器、同时把连接小型机的CRT又作为显示设备（即人机界面）。一台小型机需接收几上千台变送器或别的传感器来的信号，完成几百个回路的运算。很显然其危险有点集中。一旦小型机坏了，控制和显示都没有了。当时数字控制没有达到预期的目的。当时有一个比喻，称为把所有的鸡蛋放在一个篮子内。篮子坏了，所有鸡蛋也都坏了。初创期DCS基本结构2．成熟期(1977～1984年)•发展：从单纯工业控制向生产管理自动化发展。•产品：Honewell公司的TDC3000，Fisher公司的PROVOX，Bailey公司的MCS，日本横河的YEWPACK－MARKⅡ等。成熟期集散控制系统基本结构局域网LAN•组成：通信电缆和网络节点–通信电缆（双绞线、同轴电缆、光导纤维）高速、远距离传输数据信息。–网络节点工作站按功能划分成过程控制单元、CRT操作站和系统管理站。网间连接器GW•功能：LAN与子网络以及其他网络的接口装置，起到通信系统转换器、网络协议翻译器或系统扩展器的作用什么时候用网桥？•当两种相同类型但又使用不同通信协议的网络进行互连时，就需要使用桥接器，也就是通常所说的网桥。如图所示。网桥对应OSI参考模型的第二层（包括物理层与链路层）。因此网桥只能连接同一类型的网络（如以太网与以太网）。什么时候用网关？•当连接两个完全不同结构的网络时，必须使用网关。例如Ethernet网与一大型电脑主机网络（例如IBMSNA）相连，必须用网关来完成这项工作。如图所示。网关工作在OSI模型的最高层（应用层），在转换信息包格式时，必须将各层协议一一转换。3．扩展期(1985年～)•结构：增加了综合信息管理层，把过程控制、监督控制、管理调度有机结合在一起•发展：采用专家系统MAP标准、引入计算机集成制造系统CIMS等。–综合化•纵向：加强综合管理功能，包括从原料进厂到生产设计、计划进度、质量检查、成品包装、出厂以及供销等一系列的管理调度。•横向：形成过程自动化与顺序控制、电机控制相结合的计算机、仪表、电器综合控制系统。CIMS计算机集成制造系统缩写－哈林顿1974•开放化–DCS按照国际统一标准组成“开放”的系统网络•现场级的智能化–传感器、变送器智能化–现场仪表可以由现场通信器或系统的工作站进行远程访问、调零、调量程……–传感器输出的数字信号直接在现场仪表的通信网络上传递DCS的结构和特点经营管理级生产管理级过程管理级过程控制级连续控制批量过程顺序过程数据采集；直接数字控制；设备检测、系统测试和诊断；实施安全性方面的措施。协调各单元的参数设置，起到产品的总协调和控制功能综合监视系统各单元，管理全系统的所用信息，完成集中显示操作，控制回路组态和参数修改的任务工程技术、经济、人事、商务的总体协调和管理。集散控制系统分层结构DCS基本结构操作员站工程师站过程控制单元过程控制单元数据传输通道（高速数据公路）…...1．小型系统YEWPACKMARKⅡ2．中型系统μXLMFCD-CENTUM—XL3.大型系统集散控制系统结构中央操作台网间连接器生产管理级LAN局域网过程管理级管理计算机工程师操作站操作员站监控计算机网间连接器高速数据公路过程控制级DDC直接数字控制站数据采集站多功能控制站可编程逻辑控制站单回路调节控制站过程控制级（ProcessControlUnit）直接面向生产过程，是系统与过程之间的接口操作的各种信息执行机构特征：能适应恶劣的工业生产过程环境分散控制实时性好独立性强过程变量(参数)操作监视的数据过程控制装置过程控制级•过程控制级功能生产过程的数据采集、反馈控制、顺序控制、批量控制等。在其内部完成：A/D转换，各种控制算法的运算，对模拟量进行滤波及工程单位转换，将采集到的实时数据通过网络送到操作员(工程师)站或其他I/O站。•过程控制级装置–多回路控制器单回路控制器–多功能控制器可编程逻辑控制器–数据采集装置系统硬件控制站（CONTROLSTATION,简称CS）:由主控制卡、数据转发卡、I/O卡件、供电单元组成通过不同的硬件配置和软件设置可构成不同功能的控制站：过程控制站PCS逻辑控制站LCS数据采集站DAS核心部件是主控制卡，它能进行多种过程控制运算和数字逻辑运算，并能通过下一级通信总线（SBUS)获得各种I/O卡件的信息。I/O单元机笼I/O单元机笼机柜结构外壳采用金属材料以提供电磁屏蔽。机柜内部装有多层机架，安装电源及多种模件为保证散热降温，柜内装有风扇。柜内大多设有温度自动控制装置控制站插件箱I/O插件箱柜顶风扇接线端子卡件实例图电源交流电源：交流电源经过集散系统的电盘的断路器给系统供电，保证现场控制站供电系统高效、稳定、无干扰。每一现场控制站场均用双相交流电源供电，两相互为冗余。如果附近有经常开关的大功率用电设备，应采用超级隔离变压器，将其初级、次级线圈间的屏蔽层可靠接地。这样能很好的隔离共模干扰。对控制连续性要求特别高的场合，应装设不间断供电电源UPS。电源柜内直流稳压电源：统一的主电源单元将交流电整流成直流电（一般为24V）供给柜内直流母线。各层机架内设有子电源单元，将母线上送来的单一直流电压转变成机架所需的各种电压（+5V、±12V、±15V等）。主控电源采用1：1冗余配置。子电源单元采用1：1或N：1冗余配置I/O通道在过程控制计算机中，种类最多，数量最大的是各种I/O接口模件(卡件)。来自过程对象的被测信号通过输入卡件，进入现场控制站，然后按一定的算法进行数据处理，并通过输出卡件向执行设备送出控制或报警等信息。现场控制站数据处理输入卡件信号输出卡件执行设备I/O通道AI通道AO通道SI通道SO通道模拟量输入通道(AI)一般由端子板、信号调节器、A/D插板、及柜内连接电缆组成。端子板：用于连接现场信号电缆，对每一路信号线路提供正负极两个接线端子及屏蔽层的接地端子。柜内电缆：端子板、信号调节器与A/D板之间的信号连接。信号调节器：将各种范围的模拟量输入信号统一转换成0—5V或0—10V的电压信号送入A/D板。采用差动放大器，并且每一路都串接了滤波器。A/D插板：信号调节器输入的多路模拟信号，按CPU的指令逐一转变为数字量送给CPU。DCS多用12位A/D转换器。时间在100微秒左右。每块A/D插板输入8—64路模拟信号模拟量输出通道（AO）输出4—20mA或0—10mA的直流电流信号。组成：D/A插板输出端子板柜内电缆D/A插板每板可提供4—8路模拟输出，精度有8位、12位几种。输出负载能力一般要求小于500欧。SI通道开关量输入通道。用来输入各种限位开关、继电器或电磁阀门连动触点的开、关状态；输入信号可能是交流电压信号，直流电压信号或干接点。SO通道开关量输出通道，用于控制电磁阀门、继电器、指示灯、声报警器等只具有开、关两种状态的设备，它是由端子板、SO板及机柜内电缆构成。开关量输入/输出通道（SI/SO）过程管理级控制系统工程师、操作员与DCS的界面—人机界面。MMI—ManMachineInterface；OI—OperatorInterface操作人员了解生产过程的运行指令给生产过程发出操作指令操作管理装置功能：以操作、监视为主要任务、兼有部分管理功能，可对系统进行组织、监视和操作，对生产过程控制管理、故障诊断等。显示各种参数特征信息量大易操作性容错性好构成装置监控计算机工程师操作台操作员操作站(配有技术手段齐备、功能强的计算机、CRT显示器、操作键盘、及较大存储量的软、硬盘)过程管理级生产管理级•指定区域生产计划；•各单元间的协调控制；•装置的故障诊断处理和记录；•各类操作数据的显示和记录。综合（经营）管理级主要任务：①收集各种信息(经济情报、市场预测、销售合同、原材料库存状况、生产进度、工艺流程及工艺参数).②产生综合性报表③进行长期性的趋势分析④审查最优化⑤协调和调度各车间生产计划和各部门的关系管理范围：工程技术、经济、商业实务、人事活动概貌显示画面仪表面板显示画面时间范围前翻半页后翻半页当前显示在数据库中位置本页时间本页描述时间轴时间轴指示时间显示全部曲线消隐全部曲线趋势曲线显示画面报警显示画面故障诊断画面调整画面系统软件•操作站监控软件系统简介系统总貌报警一览控制分组调整画面趋势图流程图数据一览故障诊断•组态软件I/O组态常规控制方案组态SCX语言组态标准画面组态流程图登录组态网络交换数据组态报表登录组态语言报警组态图形化控制方案组态DCS系统的发展趋势及特点•第四代DCS的最主要标志是两个“I”开头的单词：Information(信息)和Integration（集成。传统DCS和现场总线的结合数字直接控制传统DCS•以Honeywell、Emerson、Foxb