DCS集散控制系统

第2章集散控制系统基础知识1第2章集散控制系统基础知识第2章集散控制系统基础知识2●集散控制系统的体系结构●集散控制系统的硬件结构●集散控制系统的软件体系●集散控制系统的基本功能●数据通信技术本章主要内容第2章集散控制系统基础知识32.1集散控系统的体系结构本节内容提要☞集散控制系统体系结构的特征●纵向分层●横向分散●设备分级●网络分层☞按照功能，集散控制系统设备分为四级●现场控制级●过程控制级●过程管理级●经营管理级☞与四级设备对应的四层网络●现场网络●控制网络●监控网络●管理网络第2章集散控制系统基础知识4图2.1集散控制系统的体系结构现场网络控制网络监控网络管理网络第2章集散控制系统基础知识51.现场控制级➢典型的现场控制级设备●各类传感器●各类变送器●各类执行器➢现场控制级设备的主要任务●完成过程数据采集与处理。●直接输出操作命令、实现分散控制。●完成与上级设备的数据通信，实现网络数据库共享。第2章集散控制系统基础知识62.过程控制级➢过程控制级主要设备：过程控制站、数据采集站和现场总线服务器等。➢过程控制站●产生控制作用。●可以实现反馈控制、逻辑控制、顺序控制和批量控制等功能。第2章集散控制系统基础知识7➢数据采集站●接收大量的非控制过程信息；●不直接完成控制功能。➢现场总线服务器●一台安装了现场总线接口卡与DCS监控网络接口卡的计算机。➢过程控制级设备的主要功能●采集过程数据，进行数据转换与处理；●对生产过程进行监测和控制；●现场设备及I/O卡件的自诊断；●与过程管理级进行数据通信。第2章集散控制系统基础知识83.过程管理级➢过程管理级的主要设备：操作站、工程师站和监控计算机等。➢操作站●操作人员与DCS相互交换信息的人机接口设备；●DCS的核心显示、监视、操作和管理装置。➢工程师站●对DCS进行配置、组态、调试、维护。➢监控计算机●实现对生产过程的监督控制；●机组运行优化和性能计算，先进控制策略的实现等。第2章集散控制系统基础知识9➢过程管理级设备的主要功能●对生产过程进行监测和控制；●对DCS进行配置、组态、调试、维护；●对各种设计文件进行归类和管理。●实现对生产过程的监督控制，故障检测和数据存档。第2章集散控制系统基础知识104.经营管理级➢经营管理级的设备可能是厂级管理计算机，也可能是若干个生产装置的管理计算机。➢厂级管理系统的主要功能是监视企业各部门的运行情况。➢管理计算机的要求是具有能够对控制系统做出高速反应的实时操作系统。第2章集散控制系统基础知识11➢经营管理级设备的主要功能●监视企业各部门的运行情况；●实时监控承担全厂性能监视、运行优化、全厂负荷分配和日常运行管理等任务；●日常管理承担全厂的管理决策、计划管理、行政管理等任务。第2章集散控制系统基础知识122.2集散控制系统的硬件结构本节内容提要☞控制站包括现场控制站和数据采集站等。●机柜●电源●控制计算机●其他部件☞操作站一般分为操作员站和工程师站。●操作台●微处理机系统●图形显示设备●操作键盘和鼠标●打印输出设备等☞冗余技术●冗余方式：多重化自动备用和手动备用。●冗余措施：通信网络冗余、操作站冗余、现场控制站冗余、电源冗余、输入/输出模块冗余。第2章集散控制系统基础知识132.2.1现场控制站☞主要设备：现场控制单元。☞主要任务：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。●以面向连续生产的过程控制为主，顺序逻辑控制为辅，构成一个可以实现多种复杂控制方案的现场控制站;●以顺序控制、联锁控制功能为主的现场控制站；●构成对大批量过程信号进行总体信息采集的现场控制站。第2章集散控制系统基础知识141.机柜现场控制站机柜中央控制室机柜间机柜间机柜组有了现场控制站，生产过程控制的安全性和可靠性都很容易得到保证第2章集散控制系统基础知识15现场控制单元多层I/O卡件箱电源单元通信接口接线端子板机柜正面（前面）机柜背面（后面）现场控制站机柜第2章集散控制系统基础知识162.电源➢电源系统的可靠性措施●每一个现场控制站均采用双电源供电，互为冗余。●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。●采用交流电子调压器，快速稳定供电电压。●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。第2章集散控制系统基础知识17➢增加直流电源系统的稳定性措施●给主机供电与给现场设备供电的电源要在电气上隔离，以减少相互间的干扰。●采用冗余的双电源方式给各功能模块供电。●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。第2章集散控制系统基础知识183.控制计算机控制器电源单元I/O卡件现场总线接口卡件导轨控制计算机第2章集散控制系统基础知识19➢控制计算机一般是由CPU、存储器、输入/输出通道等基本部分组成。(1)CPU●用以实现算术运算和逻辑运算。●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。第2章集散控制系统基础知识20(2)存储器●控制计算机的存储器分为RAM和ROM。●在控制计算机中ROM占有较大的比例。●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。●在冗余控制计算机系统中，还特别设有双端口随机存储器RAM，其中存放有过程输入输出数据、设定值和PID参数等。第2章集散控制系统基础知识21(3)总线●总线是将现场控制站内部各单元连接起来的通信介质。(4)输入/输出通道●模拟量输入/输出(AI/AO)●开关量输入/输出(SI/SO)●数字量输入/输出(DI/DO)●脉冲量输入通道(PI)第2章集散控制系统基础知识22①模拟量输入输出通道(AI/AO)●模拟量输入通道(AI)➢模拟量输入通道(AI)将来自在线检测仪表和变送器的连续性模拟电信号转换成数字信号，送给CPU进行处理。●模拟量输出通道(AO)➢模拟量输出通道(AO)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。第2章集散控制系统基础知识23②开关量输入/输出通道(SI/SO)●开关量输入通道(SI)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(SO)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)脉冲输入通道(PI)将现场仪表（如涡轮流量计等）输出的为脉冲信号处理后送入计算机。第2章集散控制系统基础知识242.2.2操作站嵌入型台式操作站桌面型操作站信息报警站工程师站控制站显示器标准键盘主机操作站主机柜工作台中央控制室设备第2章集散控制系统基础知识25☞DCS操作站一般分为操作员站和工程师站两种。●工程师站主要是技术人员与控制系统的人机接口，可以对应用系统进行监视。●工程师站为用户提供了一个灵活的、功能齐全的工作平台，通过组态软件来实现用户所要求的各种控制策略。●有些小型DCS的工程师站可以用一个操作员站代替。第2章集散控制系统基础知识26●操作台●微处理机系统●外部存储设备●图形显示设备●操作键盘和鼠标●打印输出设备DCS操作站主要设备操作站设备第2章集散控制系统基础知识272.2.3冗余技术1.冗余方式第2章集散控制系统基础知识28同步运转双重化配置输入输出输入输出三重化配置第2章集散控制系统基础知识29➢同步运转方式●让两台或两台以上的设备或部件同步运行，进行相同的处理，并将其输出进行核对。●两台设备同步运行，只有当它们的输出一致时，才作为正确的输出，这种系统称为“双重化系统”(DualSystem)。●三台设备同步运行，将三台设备的输出信号进行比较，取两个相等的输出作为正确的输出值，这就是设备的三重化设置，第2章集散控制系统基础知识30➢待机运转方式●同时配备两台设备，使一台设备处于待机备用状态。●当工作设备发生故障时，启动待机设备来保证系统正常运行。这种方式称为1:1的备用方式。●对于N台同样设备，采用一台待机设备的备用方式就称为N:1备用。●待机运行方式是DCS中主要采用的冗余技术。第2章集散控制系统基础知识31➢后退运转方式●使用多台设备，在正常运行时，各自分担各种功能运行。●当其中之一发生故障时，其他设备放弃其中一些不重要的功能，进行互相备用。第2章集散控制系统基础知识32➢简易的手动备用方式●采用手动操作方式实现对自动控制方式的备用。●当自动方式发生故障时，通过切换成手动工作方式，来保持系统的控制功能。第2章集散控制系统基础知识332.冗余措施●通信网络的冗余：采用一备一用的配置。●操作站的冗余：采用工作冗余的方式。●现场控制站的冗余：有的采用1:1冗余，也有的采用N:1冗余。采用无中断自动切换方式。●电源的冗余：除了220V交流供电外，还采用了镍镉电池、铅钙电池以及干电池等多级掉电保护措施。●输入/输出模块的冗余：部分重要卡件采用1:1冗余。●DCS软件还采用了信息冗余技术。第2章集散控制系统基础知识342.3集散控制系统的软件体系本节内容提要●软件体系●组态软件、控制层软件和监控软件的功能第2章集散控制系统基础知识35☞DCS软件主要分为：组态软件、控制层软件、监控软件（1）组态软件：安装于工程师站。完成系统控制层软件和监控软件的组态功能。根据实际生产过程控制的需要，预先将DCS所提供的硬件设备和软件功能模块组织起来，以完成特定的任务。要做的组态主要包括：硬件配置数据库组态控制算法组态流程显示及操作画面组态报表组态编译和下装第2章集散控制系统基础知识36（2）控制层软件：特指运行于现场控制站的控制器中的软件，针对控制对象，完成控制功能。其基本功能：I/O数据的采集、数据预处理、数据组织管理、控制运算及I/O数据的输出。第2章集散控制系统基础知识37（3）监控软件指操作员站或工程师站上的软件，主要完成操作人员所发出的各个命令的执行、图形与画面的显示、报警信息的显示处理、对现场各类检测数据的集中处理。第2章集散控制系统基础知识382.4集散控制系统的基本功能本节内容提要控制站的基本功能●反馈控制●逻辑控制●顺序控制●批量控制●数据采集与处理●数据通信操作站的基本功能●显示●操作●报警●组态●系统维护●报告生成自诊断功能●离线自诊断●在线自诊断●显示故障代码●定位故障卡件第2章集散控制系统基础知识391.反馈控制2.4.1现场控制站的基本功能反馈控制输入处理控制运算回路组态输出处理报警处理反馈控制功能分布图第2章集散控制系统基础知识40(1)输入信号处理➢模拟输入信号处理●合理性检验●零偏修正●规格化●工程量变换●非线性处理●开方运算●补偿运算●脉冲序列的瞬时值变换及累计第2章集散控制系统基础知识41➢对于数字信号●状态报警及输出方式处理。➢对于脉冲序列●瞬时值变换及累积计算。第2章集散控制系统基础知识42①报警类型仪表异常报警、绝对值报警、偏差报警、速率报警以及累计值报警等。②报警限值为了实现预报警，DCS中通常还设置了多重报警限，如上限、上上限、下限、下下限等。③报警优先级●报警优先级参数●报警链中断参数●最高报警选择参数(2)报警处理第2章集散控制系统基础知识43(3)控制运算●常规PID●微分先行PID●积分分离●开关控制●时间比例式开关控制●信号选择●比率设定常用算法●时间程序设定●Smith预估控制●多变量解耦控制●一阶滞后运算●超前-滞后运算●其他运算等第2章集散控制系统基础知识44(4)控制回路组态➢根据控制策略的需要，将一些功能模块通过软件连接起来，构成检测回路或控制回路。温度与压力串级控制系统回路组态图第2章集散控制系统基础知识45(5)输出信号处理●输出开路检验●输出