3第三篇 DCS的体系结构

26第三篇DCS的体系结构自从1975年DCS诞生以来，随着计算机、通信网络、屏幕显示和控制技术的发展与应用，DCS也不断发展和更新。尽管不同DCS产品在硬件的互换性、软件的兼容性、操作的一至性上很难达到统一，但从其基本构成方式和构成要素来分析，仍然具有相同或相似的体系结构。本章仅从其功能、性能和通用性上分析DCS的体系结构，以便读者了解和认识DCS。本章介绍了DCS的层次结构、硬件结、软件结构和网络结构，并给出几种DCS体系结构的典型示例。3．1DCS的层次结构DCS按功能分层的层次结构充分体现了其分散控制和集中管理的设计思想。DCS从下至上依次分为直接控制层、操作监控层，生产管理层和决策管理层，如图3.1所示。本节介图3.1绍了各层的构成和功能。3.1.1DCS的直接控制层直接控制层是DCS的基础，其主要设备是过程控制站（PCS），PCS主要由输入输出单元（IOU）和过程控制单元（PCU）两部分组成。输入输出单元（IOU）直接与生产过程的信号传感器、变送器和执行器连接，其功能一27是采集反映生产状况的过程变量（如温度、压力、流量、料位、成分）和状态变量（如开关或按扭的通或断，设备的启或停），并进行数据处理；二是向生产现场的执行器传送模拟量操作信号（4mA∽20mADC）和数字量操作信号（开或关、启或停）。过程控制单元下与IOU连接，上与控制网络（CNET）连接，其功能一直是直接数字控制（DDC），即连续控制、逻辑控制、顺序控制和批量控制等；二是与控制网络通信，以便操作监控层对生产过程进行监视和操作；三是进行安全冗余处理，一旦发现PCS硬件或软件故障，就立即切换到备用件，保证系统不间断地安全运行。3.1.2DCS的操作监控层操作监控层是DCS的中心，其主要设备是操作员站、工程师站、监控计算机站和计算机网关。操作员站（OS）为32位（或64位）微处理机或小型机，并配置彩色CRT、操作员专用键盘和打印机等外部设备，供工艺操作员对生产过程进行监视、操作和管理，具备图文并茂、形象逼真、动态效应的人机界面（MMI）。工程师站（ES）为32位（或64位）微处理机，或由操作员站兼用。供计算机工程师对DCS进行系统生成和诊断维护；供控制工程师进行控制回路组态、人机界面绘制、报表制作和特殊应用软件编制。监控计算机站（SCS）为32位或64位小型机，用来建立生产过程的数学模型，实施高等过程控制策略，实现装置级的优化控制和协调控制；并对生产过程进行故障诊断、预报和分析，保证安全生产。计算机网关（CG1）用作控制网络（CNET）和生产管理网络（MNET）之间相互通信。3.1.3DCS的生产管理层生产管理层的主要设备是生产管理计算机（manufactorymanagementcomputer,MMC）,一般由一台中型机和若干台微型机组成。该层处于工厂级，根据订货量、库存量、生产能力、生产原料和能源供应情况及时制定全厂的生产计划，并分解落实到生产车间或装置；另外还要根据生产状况及时协调全厂的生产，进行生产调度和科学管理，使全厂的生产始终处于最佳状态，并能应付不可预测的事件。计算机网关（CG2）用作生产管理网络（MNET）和决策管理网络（DNET）之间相互通信。283.1.4DCS的决策管理层决策管理层的主要设备是决策管理计算机（decisionmanagementcomputer，DMC），一般由一台大型机、几台中型机、若干台微型机组成。该层处于公司级，管理公司的生产、供应、销售、技术、计划、市场、财务、人事、后勤等部门。通过收集各部门的信息，进行综合分析，实时作出决策，协助各级管理人员指挥调度，使公司各部门的工作处于最佳运行状态。另外还协助公司经理制定中长期生产计划和远景规划。计算机网关（CG3）用作决策管理网络（DNET）和其他网络之间相互通信，即企业网和公共网络之间的信息通道。目前世界上有多种DCS产品，具有定型产品供应户选择的一般仅限于直接控制层和操作监控层。其原因是下面两层有固定的输入、输出、控制、操作和监控模式，而上面两层的体系结构因企业而异，生产管理与决策管理方式也因企业而异，因而上面两层要针对各企业的要求分别设计和配置系统。3．2DCS的硬件结构DCS硬件采用积木式结构，可灵活地配置成小、中、大系统；另外，还可根据企业的财力或生产要求，逐步扩展系统和增加功能。DCS控制网络（CNET）上的各类节点数，即过程控制站（PCS）、操作员站（OS）、工程师站（ES）和监控计算机站（SCS）的数量，可按生产要求和用户需要灵活地配置，如图3.1所示；另外，还可灵活地配置每个节点的硬件资源，如内存容量、硬盘容量和外部设备种类等。3.2.1DCS控制站的硬件结构控制站（CS）或过程控制站（PCS）主要由输入出单元（IOU）、过程控制单元（PCU）和电源三部分组成，如图3.2所示。29输入输出单元（IOU）是PCS的基础，由各种类型的输入输出处理板（IOP）组成，如模拟量输入板（4mA-20mADC，0-5VDC）、热电偶输入板、热电阻输入板、脉冲量输入板、数字量输入板、模拟量输出板（4mA-20mADC）、数字量输出板和串行通信接口板等。这些输入输出处理板的类型和数量可按生产过程信号类型和数量来配置；另外，与每块输入输出处理板配套的还有信号调整板（signalconditionercard,SCC）和信号端子板（signalterminalcard,STC）,其中SCC用作信号隔离、放大或驱动，STC用作信号接线。上述IOP、SCC和STC的物理划分因DCS而异，有的划分为三块板结构；有的划分为两块板结构，即IOP和SCC合并，外加一块STC；有的将IOP，SCC和STC三者合并成一块物理模件，并附有接线端子。过程控制单元（PCU）是PCS的核心，并且是PCS的基本配置，主要由控制处理器板、30输入输出接口处理器板、通信处理器板、冗余处理器板组成。控制处理器板功能是运算、控制和实时数据处理；输入输出接口处理器板是PCU和IOP之间的接口；通信处理器板是PCS与控制网络（CNET）的通信网卡，实现PCS与CNET之间的信息交换；PCS采用冗余PCU和IOU，冗余处理器板承担PCU和IOU的故障分析与切换功能。上述4块板的物理划分因DCS而异，可以分为4、3、2块，甚至合并为1块。3.2.2DCS操作员站的硬件结构操作员站（OS）为32位（或64位）微处理机或小型机，主要由主机、彩色显示器（CRT）、操作员专用键盘和打印机等组成。其中主机的内存容量、硬盘容量可由用户选择，彩色CRT可选触屏式或非触屏式，分辨率也可选择（1280×1024）。一般用工业PC机（IPC）或工作站做OS主机，个别DCS制作厂配专用OS主机，前者是发展趋势，这样可增强操作员站的通用性及灵活性。3.2.3DCS工程师站的硬件结构工程师站（ES）为32位（或64位）微处理机，主要由主机、彩色显示器（CRT）、键盘和打印机等组成。一般用工业PC机或工作站做ES主机，个别DCS制造厂配专用ES主机。工程师站既可用作离线组态，也可用作在线维护和诊断。如果用作离散组态，则可以选用普通PC机。有的DCS用操作员站兼作工程师站，此时只需用普通键盘。3.2.4DCS监控计算机站的硬件结构监控计算机站（SCS）为32位或64位小型机和高档微型机，主要由主机、彩色显示器（CRT）、键盘、打印机等组成，其中主机的内存容量、硬盘容量、CD或磁带机等外部设备均可由用户选择。一般DCS的直接控制层和操作监控层的设备（如PCS，OS，ES，SCS）都有定型产品供用户选择，即DCS制造厂为这两层提供了各种类型的配套设备。惟有生产管理层和决策管理层的设备无定型产品，一般由用户自行配置，当然要由DCS制造厂提供控制网络（CNET）与生产管理网络（MNET）之间的硬、软件接口，即计算机网关（CG1），如图3.1所示。这是因为一般DCS的直接控制层和操作监控层不直接对外开发，必须由DCS制造厂提供专用的接口才能与外界交换信息，所以说DCS的开放是有条件的开放。313.3DCS的软件结构DCS软件采用模块式结构，给用户提供了一个十分友好、简便的使用环境。在组态软件支持下，通过调用功能模块可快速地构成所需的控制回路；在绘图软件支持下，通过调用绘图工具和标准图素，可简便地绘制出人机界面（MMI）。3.3.1DCS控制站的软件结构控制站（CS）或过程控制站（PCS）软件的用户表现形式是各类功能模块，如输入模块、输出模块、控制模块、运算模块和程序模块。在工程师站组态软件的支持下，用这些功能模块构成所需的控制回路。例如，若要构成单回路PID控制，那么只需调用一个模拟量输入模块（AI）、一个PID控制模块（PID）和一个模拟量输出模块（AO），如图3.3所示。过程控制站（PCS）的输入输出单元（IOU）中，每个信号输入点对应一个输入模块，如模拟量输入模块、数字量输入模块；每个信号输出点对应一个输出，如模拟量输出模块、数字量输出模块。在工程师站组态软件的支持下，对每个信号点组态，定义工位号（tagname）、信号类型（4mA-20mA、热电偶、热电阻）、工程单位（℃,m3/h）和量程等，即可在过程控制单元（PCU）中建立相应的输入、输出模块。过程控制站的过程控制单元（PCU）中，还为用户准备了运算模块和控制模块。常用的运算模块有加、减、乘、除、求平方根、一阶惯性、超前滞后和纯迟延补偿等。控制模块又分为连续控制模块、逻辑控制模块和顺序控制模块3类，每类又有多种控制算法，如连续控制模块中有PID控制模块，可以构成单回路、前馈、串级、比值、选择等控制回路，逻辑控制模块中有与（AND）、或（OR）、非（NOT）、异或（XOR）等算法模块。过程控制站中的各类功能模块也被称作点（point）或内部仪表，如在TDC3000或TPS中被称作点，而在CENTUM中又被称作内部仪表，至今仍无统一的名称，也有人形象地称其为软点、软模块或软仪表。3.3.2DCS操作员站的软件结构操作员站是DCS的人机界面（MMI），其软件的用户表现形式是为用户提供了丰富多彩、图文并茂、形象直观的动态画面。一般有总貌、组、点、趋势和报警等通用操作画面，工艺流程图、操作指导和操作面板等专用操作画面，操作员操作、过程点报警和事故追忆日志等历史信息画面，系统设备状态和功能模块汇总等系统信息画面，以及各类报表、日志、记录和报告的打印，并具有语音合成和工业电视（ITV）等多媒体功能。32总貌（overview）画面汇集了数十个或数百个点的状态，用文字、颜色和符号等简要形象地描述每个点的工作状态，如用红色A闪烁表示被控量（PV）处于上限或下限报警（alarm）状态，用红色M表示控制回路处于手动（man）状态，用黄色F表示信号处于故障（fail）状态。操作员通过总貌画面了解重要控制回路和关键信号点的工作状态，以便及时处理有关事件。组（group）画面汇集了8个点的主要参数，并用数字、文字、光柱、颜色和符号等形象地描述。例如，用红、绿、黄光柱分别表示被控量（PV）、设定值（SV）、控制量（MV）,并用红、绿、黄数字表示相应的数值；用文字表示PID控制回路的状态，如AUTO（自动）、MAN（手动）、CAS（串级）等；用红色方框表示开关点为ON（接通）状态，用绿色方框表示开关点为OFF（断开）状态。操作员通过组画面可以实施主要的操作，如改变给定值（SV）、改变控制回路的状态（MAN.AUTO,CAS）、在手动（MAN）状态下改变控制量（MV）。点（point）画面给出了该点的全部参数，又称细目（detail）画面。例如，PID控制回路点画面参数有PV，SV，MV，AUTO（MAN或CAS）、比例带（P）、积分时间（I）、微分时间（D）等，以及PV，SV,MV,AUTO(MAN或CAS)、比例带(p)、积分时间(I)、微分时间(D)等，以及PV,SV和MV这三条曲线。操作员通过画面可调整该点的每个参数，如调整比例带、积分时间和微分时间，所以点画面也称调整画面。流程图(flowdiag