第3章集散控制系统的硬件结构概要

第3章集散控制系统的硬件结构☞DCS的硬件系统主要由集中操作管理装置、分散过程控制装置和通信接口设备等组成，通过通信网络系统将这些硬件设备连接起来，共同实现数据采集、分散控制和集中监视、操作及管理等功能。这里，分别介绍DCS的现场控制站、DCS的操作员站和DCS的工程师站。3.1DCS的现场控制站☞现场控制站是DCS与生产过程之间的接口，它是DCS的核心。现场控制站是DCS中实现过程控制的重要设备。按控制方式，现场控制站分为：直接数字控制站、顺序控制站和批量控制站。☞一般来说，现场控制站中的主要设备是现场控制单元。现场控制单元是DCS直接与生产过程进行信息交互的I/O处理系统，它的主要任务是进行数据采集及处理，对被控对象实施闭环反馈控制、顺序控制和批量控制。用户可以根据不同的应用需求，选择配置不同的现场控制单元以构成现场控制站。☞现场控制站是一个可独立运行的计算机检测控制系统。由于它是专为过程检测、控制而设计的通用型设备，所以其机柜、电源、输入输出通道和控制计算机等与一般的计算机系统有所不同。☞现场控制站的硬件系统主要包括：机柜、电源、输入输出通道等。1.机柜2.电源➢只有保持电源(交流电源和直流电源)稳定、可靠，才能确保现场控制站正常工作。➢为了保证电源系统的可靠性，通常采取以下几种措施。(1)每一个现场控制站均采用双电源供电，互为冗余。(2)如果现场控制站机拒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，以克服共模干扰的影响。(3)如果电网电压波动很严重，应采用交流电子调压器，快速稳定供电电压。(4)在石油、化工等对连续性控制要求特别高的场合，应配有不间断供电电源UPS，以保证供电的连续性。现场控制站内各功能模块所需直流电源一般为±5V、±15V(或±12V)、以及+24V。➢为增加直流电源系统的稳定性，一般可以采取以下几条措施。(1)为减少相互间的干扰，给主机供电与给现场设备供电的电源要在电气上隔离。(2)采用冗余的双电源方式给各功能模块供电。(3)一般由统一的主电源单元将交流电变为24V直流电供给柜内的直流母线，然后通过DC-DC转换方式将24V直流电源变换为子电源所需的电压，主电源一般采用1:1冗余配置，而子电源一般采用N:1冗余配置。3.控制器➢控制器是现场控制站的核心，也是DCS的核心。一般是由CPU、存储器、输入/输出通道等基本部分组成。AC800F控制器(1)CPU尽管世界各地的DCS产品差别很大，但现场控制站大都采用Motorola公司M68000系列和Intel公司80X86系列的CPU产品。为提高性能，在各生产厂家大都采用准32位或32位微处理器。由于数据处理能力的提高，因此可以执行复杂的先进控制算法，如自动整定、预测控制、模糊控制和自适应控制等。(2)存储器与其他计算机一样，控制计算机的存储器也分为RAM和ROM。由于控制计算机在正常工作时运行的是一套固定的程序，DCS中大都采用了程序固化的办法，因此在控制计算机中ROM占有较大的比例。有的系统甚至将用户组态的应用程序也固化在ROM中，只要一加电，控制站就可正常运行，使用更加方便，但修改组态时要复杂一些。➢在一些采用冗余CPU的系统中，还特别设有双端口随机存储器，其中存放有过程输入输出数据、设定值和PID参数等。两块CPU板均可分别对其进行读写，保证了双CPU间运行数据的同步。当原先在线主CPU板出现故障时，原离线CPU板可立即接替工作，这样对生产过程不会产生任何扰动。(3)总线常见的控制计算机总线有Intel公司的多总线MULTIBUS，“EOROCARD”标准的VME总线和STD总线，前两种总线都是支持多主CPU的16位/32位总线，由于STD总线是一种8位数据总线，使用受到限制，已经逐渐淡出市场。➢近年来，随着PC机在过程控制领域的广泛应用，PC总线(ISA、EISA总线等)在中规模DCS的现场控制站中也得到应用。4.输入/输出通道过程控制计算机的输入/输出通道一般包括模拟量输入/输出(AI/AO)、开关量输入/输出(SI/SO)或数字量输入/输出(DI/DO)以及脉冲量输入通道(PI)。(1)模拟量输入输出通道(AI/AO)生产过程中的连续性被测变量(如温度、流量、液位、压力、浓度、pH值等)，只要由在线检测仪表将其转变为相应的电信号，均可送入AI通道，经过A/D转换后，将数字量送给CPU。而模拟量输出通道一般将计算机输出的数字信号转换为4~20mADC(或1~5VDC)的连续直流信号，用于控制各种执行机构。(2)开关量输入/输出通道(SI/SO)开关量输入通道主要用来采集各种限位开关、继电器或电磁阀连动触点的开、关状态，并输入至计算机。开关量输出通道主要用于控制电磁阀、继电器、指示灯、声光报警器等只具有开、关两种状态的设备。(3)脉冲输入通道(PI)许多现场仪表（如涡轮流量计、罗茨式流量计以及一些机械计数装置等）输出的测量信号为脉冲信号，它们必须通过脉冲输入通道才能送入计算机。系统结构5、现场总线模件是现场总线与DCS间的一个接口。为现场的智能装置提供数字通信通道。在一条现场总线通信线路上，可以并联连接32个符合该现场总线通信协议的智能设备。智能设备以全数字方式传递过程变量、控制变量、状态信息、管理信息等。有些现场总线模件支持数/模混合通信。以4～20mA的模拟量信号传输过程变量信号，其他信号的数字量调制信号叠加在模拟量信号上传输。6、现场控制站通信接口是连接基本控制单元的控制网络Cnet与连接运行员操作站以及其他站的监控网络Snet之间的通信接口。从某种意义上来说，它就是一个网间连接器。7.现场控制站的可靠性措施现场控制站是直接控制生产过程的重要环节，可靠性要求高，即使在故障情况下，也应保证生产过程的安全。可靠性措施：（1）、手动后备（2）、冗余（3）、在线诊断（4）、输出保护（1）、手动后备应用十分普遍的后备方法。当控制系统故障时，运行人员通过操作器或操作开关手动控制生产过程。在DCS中，习惯上把手动操作设备称为手动操作站。当BCU故障时，系统就转换为运行人员手动控制。（2）．冗余在DCS中，冗余技术的应用十分广泛。通信总线、通信接口、I/O模件、电源设备等均可采取冗余措施，这里主要讨论基本控制单元的冗余。1．CPU冗余2．1:1冗余3．N:l冗余4．多重冗余1．CPU冗余是一种部分冗余措施。一般用在控制回路比较多的基本控制单元中，因为这种情况下，CPU故障会影响所有的回路。2、1:1冗余采用另一个完整的基本控制单元作为备用，称为1:1冗余，如图所示。3.N:l冗余1:1冗余造价很高，N：1冗余则比较经济。4．多重冗余用于要求可靠性极高的场合。(3)、在线诊断利用BCU中的微处理器实现在线诊断，在BCU的指令系统中有各种自诊断程序。诊断程序可分为输入诊断、组态诊断、内存诊断、输出诊断、联合诊断、电源系统诊断、启动过程诊断、工作过程诊断和周期性诊断等。(4)、输出保护BCU的输出信号是直接控制生产过程的。如果BCU在故障时输出信号发生紊乱，就会严重影响生产过程的运行，甚至会造成人身伤亡或者设备损坏。BCU的输出电路中常采用各种安全保护措施，保护原则如下:(1)尽量减少每个D/A转换器所控制的输出通道数。(2)模拟量和开关量输出在BCU故障时应进入安全状态。(3)输出电路的电源最好与BCU其他部分的电源分开。(4)输出电路将输出的实际值反馈到BCU中，有两个目的:一是可以让BCU检查输出的正确性；二是让BCU与手动操作站或其他冗余BCU之间实现无扰切换。(5)尽量减少输出电路中硬件和接线的数量。控制器冗余连接Ethernet模件第2个Ethernet模件用于控制器冗余连接IP地址设定为15(Hex=F)作为LINK模件2个控制分别设定为不同IP地址(IP1/IP2)P代表主控制器,S代表后备控制器3.2DCS的操作员站操作员站的功能主要是操作、监视和管理。是操作员对过程与系统的接口，常称人机接口。ManMachineInterface(MMI)为了实现监视和管理等功能，操作站必须配置有以下设备：一台具有较强图形处理功能的微型机，以及相应的外部设备，显示设备、打印机、存储设备、数据输入设备、以及一个支撑和固定这些设备的台子。DCS与传统仪表系统的比较MMI通常由计算机及其辅助系统组成。当前的MMI由通用计算机配以DCS厂家的人机接口软件来组成1、组成(1).操作台➢操作台用来安装、承载和保护各种计算机和外部设备。目前流行的操作台有桌式操作台、集成式操作台和双屏操作台等，用户可以根据需要选择使用。操作台适宜的尺寸(2).微处理机系统➢DCS操作站的功能越来越强，这就对操作站的微处理机系统提出了更高的要求。一般的DCS操作站采用32位或64位微处理机。(3).外部存储设备➢为了很好的完成DCS操作站的历史数据存储功能，许多DCS的操作站都配有一到两个大容量的外部存储设备，有些系统还配备了历史数据记录仪。(4).图形显示设备➢当前DCS的图形显示设备主要是LCD，有些DCS还在使用CRT。有些DCS操作站配备有厂家专用的图形显示器。(5).数据输入设备通常情况下，数据输入设备包括键盘和鼠标。操作员键盘一般都采用具有防水、防尘能力、有明确图案或标志的薄膜键盘。这种键盘从键的分配和布置上都充分考虑到操作直观、方便，外表美观，并且在键体内装有电子蜂鸣器，以提示报警信息和操作响应。(6).打印输出设备➢有些DCS操作站配有两台打印机，一台用于打印生产记录报表和报警报表；另一台用来拷贝流程画面。随着激光等非击打式打印机的性能不断提高，价格不断下降，有的DCS己经采用这类打印机，以求得清晰、美观的打印质量和降低噪声。2、DCS中MMI的不同构成方式3、MMI的开放结构从上可知MMI内部的网络给MMI设备配置所带来的好处，当MMI内部结构中的纽带—数据通信网的协议—是公共的协议时，这种结构更为重要的特性—MMI的开放。MMI利用自己内部的总线与其他的设备通信时，整个系统就更加灵活了。通信系统中的开放：指不同通信设备之间通信的能力，当一个设备能与多种设备通信时，这个设备就是开放的。DCS之间的两种通信结构MMI开放结构：大屏幕大屏幕上的信息可以使多名操作员、管理人员、维护人员同时看到系统与过程参数和状态，从而建立他们之间的交流。MMI结构中的CRT的两种形式：常规的供一名操作员使用的人机接□供多名人员共同使用的大屏幕的人机接口大屏幕的系统组成4、MMI的基本功能操作员通过MMI监视、控制工业过程基本功能:1）显示过程信息，传递操作员的指令，显示处理各种报警。2）监视DCS中所有设备的状态，包括MMI本身及外设的状态。3）通过MMI确诊某一个过程通道的故障。4）记录各种过程与系统的事件，存储、打印记录的结果，生成各种报表。5）操作员通过MMI维护、调整生产过程与DCS，因此MMI要提供对过程控制参数甚至结构的调整手段，同时调整MMI内的各种软硬配置，提供过程与系统各类帮助指导。5、操作员站的报警管理(1)、报警的主要内容按一定的规律去处理报警信息。根本目的:通过管理使运行员及时发现问题，快速正确地处理问题，可靠记录处理的全过程。报警的分类：按重要程度分成很多级别，如l6级。按其所在的地点分成多个报警级或区域，也可以用特殊的方法标识出来，使运行员发现哪儿出现了报警。按性质分成过程报警与系统报警。按时间先后、报警变量的标签名称等特征来分类或排序，使运行员能方便地注意到具有某些特征的报警。运行员发现报警显示信息之后，首先关心的是“什么量报警了”，然后是“我该怎么办”。应向运行员提供以下的信息:变量优先级—让运行员反映出是什么类型的报警发生了。变量的位置—让运行员了解这个报警是否发生在关键部位。变量名称—这时运行员再细看是什么变量出现了报警。报警性质—如高报警、低报警等，让运行员知道发生了什么报警。(2)、报警信息的显示提