分布式控制系统

1系统介绍分布式控制系统是由多台计算机分别控制生产过程中多个控制回路，同时又可集中获取数据、集中管理和集中控制的自动控制系统。分布式控制系统采用微处理机分别控制各个回路，而用中小型工业控制计算机或高性能的微处理机实施上一级的控制。各回路之间和上下级之间通过高速数据通道交换信息。分布式控制系统具有数据获取、直接数字控制、人机交互以及监控和管理等功能。分布式控制系统是在计算机监督控制系统、直接数字控制系统和计算机多级控制系统的基础上发展起来的，是生产过程的一种比较完善的控制与管理系统。在分布式控制系统中，按地区把微处理机安装在测量装置与控制执行机构附近，将控制功能尽可能分散，管理功能相对集中。这种分散化的控制方式能改善控制的可靠性，不会由于计算机的故障而使整个系统失去控制。当管理级发生故障时，过程控制级（控制回路）仍具有独立控制能力，个别控制回路发生故障时也不致影响全局。与计算机多级控制系统相比，分布式控制系统在结构上更加灵活、布局更为合理和成本更低。分散型控制系统（DCS）是以微处理机为基础，以微机分散控制，操作和管理集中为特性，集先进的计算机技术、通讯技术、CRT技术和控制技术即4C技术于一体的新型控制系统。随着现代计算机和通讯网络技术的高速发展，DCS正向着多元化、网络化、开放化、集成管理方向发展，使得不同型号的DCS可以互连，进行数据交换，并可通过以太网将DCS系统和工厂管理网相连，实现实时数据上网，成为过程工业自动控制的主流。近几年来，生产行业进一步提高了工厂综合自动化水平，注重信息化的建设，特别是各地的火电厂纷纷提出适合自己工厂的厂级监控信息系统（SIS）以提高生产效率，实现工厂管理信息系统与各种分散控制系统之间的数据交换。厂级实时监控信息系统以分散控制系统为基础，以经济运行和提高发电企业整体效益为目的，采用先进、适用、有效的专业计算方法，实现整个电厂范围内信息共享，厂级生产过程的实时信息监控和调度，同时又提高了机组运行的可靠性。它为电厂管理层的决策提供真实、可靠的实时运行数据，为市场运作下的企业提供科学、准确的经济性指标。DCS是分散控制系统（DistributedControlSystem）的简称，国内一般习惯称为集散控制系统。它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机（Computer）、通讯（Communication）、显示（CRT）和控制（Control）等4C技术，其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。2系统特点高可靠性由于DCS将系统控制功能分散在各台计算机上实现，系统结构采用容错设计，因此某一台计算机出现的故障不会导致系统其它功能的丧失。此外，由于系统中各台计算机所承担的任务比较单一，可以针对需要实现的功能采用具有特定结构和软件的专用计算机，从而使系统中每台计算机的可靠性也得到提高。开放性DCS采用开放式、标准化、模块化和系列化设计，系统中各台计算机采用局域网方式通信，实现信息传输，当需要改变或扩充系统功能时，可将新增计算机方便地连入系统通信网络或从网络中卸下，几乎不影响系统其他计算机的工作。灵活性通过组态软件根据不同的流程应用对象进行软硬件组态，即确定测量与控制信号及相互间连接关系、从控制算法库选择适用的控制规律以及从图形库调用基本图形组成所需的各种监控和报警画面，从而方便地构成所需的控制系统。易于维护功能单一的小型或微型专用计算机，具有维护简单、方便的特点，当某一局部或某个计算机出现故障时，可以在不影响整个系统运行的情况下在线更换，迅速排除故障。协调性各工作站之间通过通信网络传送各种数据，整个系统信息共享，协调工作，以完成控制系统的总体功能和优化处理。功能齐全控制算法丰富，集连续控制、顺序控制和批处理控制于一体，可实现串级、前馈、解耦、自适应和预测控制等先进控制，并可方便地加入所需的特殊控制算法。3系统组成DCS的构成方式十分灵活，可由专用的管理计算机站、操作员站、工程师站、记录站、现场控制站和数据采集站等组成，也可由通用的服务器、工业控制计算机和可编程控制器构成。处于底层的过程控制级一般由分散的现场控制站、数据采集站等就地实现数据采集和控制，并通过数据通信网络传送到生产监控级计算机。生产监控级对来自过程控制级的数据进行集中操作管理，如各种优化计算、统计报表、故障诊断、显示报警等。随着计算机技术的发展，DCS可以按照需要与更高性能的计算机设备通过网络连接来实现更高级的集中管理功能，如计划调度、仓储管理、能源管理等。1975年美国霍尼韦尔(HoneyWell)第一套分布式控制系统TDCS-2000问世以来，分布式控制系统已经在工业控制的各个领域得到了广泛的应用，以其高度的可靠性、方便的组态软件、丰富的控制算法、开放的联网能力，逐渐成为过程工业自动控制的主流系统。迄今，全世界数百家厂商已经开发了各种类型的分布式控制系统1500余种，DCS以其先进、可靠、灵活和操控简便以及合理的价格而得到广大工业用户的青睐，广泛应用于冶金、电力、化工、石油和造纸等工业领域。系统硬件现场控制站主要由机箱（柜）、电源、PC总线工业控制机、通信控制单元、手动、自动显示操作单元等构成。其功能主要有6种，即数据采集功能、DDC控制功能、顺序控制功能、信号报警功能、打印报表功能、数据通信功能。智能调节器是一种数字化的过程控制仪表，其外表类似于一般的盘装仪表。智能调节器不仅可接受4～20mA，DC电流信号输入的设定值，还具有异步通信接口RS－422/485、RS－232等，可与上位机连成主从式通信网络，接受上位机下传的控制参数，并上报各种过程参数。集中操作监控级（面向操作员和系统工程师）功能主要是以操作监视为主要任务，兼有部分管理功能。配备计算机及外设，以及相应软件，对生产过程实行高级控制策略、故障诊断、质量评估。其组成如下：监控计算机工程师显示操作站操作员显示操作站显示工作站主要由键盘、CRT显示器和打印机构成，是实现和操作员以及工程师有关的系统的功能：操作员在运转整个系统时必要的操作功能，工程师为了进行系统的生成和维护时必要的工程师功能。综合信息管理级的功能是实现整个企业的综合信息管理（主要包括生产管理和经营管理），主要由管理计算机、办公自动化系统、工厂自动化服务系统组成，应用了MIS系统。系统软件分布式控制系统的软件可分为系统软件、组态软件、应用软件。其功能如下所述：系统软件：提供系统运行和管理的基本环境。组态软件：对过程管理系统组态、系统内各设备的定义、确定各设备的工作要求，设备网地址分配、定义各种控制点、点数据在显示图上的编排等。应用软件：用于整个生产过程的操作和控制，过程数据收集，信息分析、优化，监控控制，外来设备的网络化及完善。运行于系统人机界面工作站、服务器等节点中的软件，提供数据采集和事件分析处理、信息存储和管理、二次计算、人机界面监视、远程控制操作及其他的应用功能。4系统原理电源分布式直流电源是一种新型的直流电源设备，主要应用于小型开关站和用户末端，为二次控制线路（如微机保护等智能终端及指示灯、模拟指示器等）提供可靠不间断工作电源，避免交流失电时导致微机保护失去保护作用，解决因操作过电压及谐波等因素使UPS失效从而导致微机保护失效问题。同时还可为符合装置功率要求的一次开关设备（弹簧机构真空断路器、永磁机构真空断路器、电动负荷开关等）提供直流操作电源。分布式直流电源具有市电输入和PT输入两种方式，输出方式从DC220V至DC24V各种规格，可以满足各种使用场合。装置最大输出功率可达600W，可以满足不同负载的需求。分布式直流电源体积小，安装接线方便，适合分散安装于各种型号的开关设备内。使之比一般直流屏系统更可靠，更经济（对小型用户终端更明显），又节省占地空间，降低线路损耗及安装工程量，且维护方便，为电力系统供电可靠性提供新的选择方案。分布式直流电源采用高频电源技术，蓄电池采用自动充电管理模块进行维护，大大延长蓄电池的使用寿命，使得装置运行更加安全可靠。装置具备通讯、报警功能，可以方便地实现无人值守的远程自动化管理。应用范围分布式直流电源主要应用于各种型号的开关设备内，为主开关（断路器、负荷开关等）和二次保护装置提供可靠的直流操作电源。环境条件工组环境温度：-10℃～+45℃；最大月平均相对湿度：≤90%；最大日平均相对湿度：≤95%；海拔高度：不大于2000米；工作环境条件：无导电微粒尘埃，无腐蚀金属和破坏绝缘的化学物质，使用地点应具有防御雨、雪、风、沙的设施，周围不允许充满水蒸气或有较严重的霉菌存在。输入电源交流输入电压：85～265VAC；频率：50Hz±10%；波形：正弦波，波形畸变5%；功率要求：单台不小于150VA。输出功率及功耗（1）连续运行功率：连续运行：≤100W，可满足微机保护装置、指示灯、模拟指示器供电需要；由电池供电时，根据电池容量及负载参数可长达8～24小时。短时运行功率：≤200W，20S，可满足VS1、VD4、ZN21等大多数10KV系统弹操机构断路器，电动负荷开关储能供电需要。瞬时运行功率：≤600W，100ms，可满足VS1、VD4、ZN21等大多数10KV系统弹操机构断路器及负荷开关分合闸供电需要；由电池后备供电时，可操作20次以上。（2）功率消耗：装置本身消耗的功率不大于8W。蓄电池的充放电装置外接2节12V蓄电池，当装置交流供电停电后，保证直流供电正常连续，具体备用时间由蓄电池容量和负载大小决定，当蓄电池放电至过欠压时，装置发出报警信号，并为保护蓄电池自动停止直流输出；当交流供电正常时，装置自动恢复直流供电并在72小时之内可将蓄电池重新充满。5日常维护1.过程通道故障过程通道故障出现最的多的是I/O卡故障：I/O卡故障一般的判断与处理，通过系统诊断，更换通道或通过更换备用件处理，至于其内部元件老化或是其他原因造成的损坏，一般热控制人员不好判断。I/O卡的检修一般是由厂家处理，热控检修人员的手段还不能达到像检修常规仪表那样检修。而且生产厂家的I/O卡件已制造成一体化的趋势，这样只能购买备件。好在这类故障只是在调试阶段出现较多，正常运行中出现几率很低。一次元件或控制设备出现故障有时不能直接被操作员发现，只有异常或报警后才通知热控人员处理。这样对检修人员和运行人员的素质要求就要提高，运行人员要详细介绍故障前后的状态便于热控检修人员能够快速、准确地处理缺陷，减少故障的扩大化，另外许多DCS厂家在产品宣传上都支持卡件热拨，做为控制人员，在运行中更换卡件时一定要做好安全防护措施否则会引起系统变化或负荷变化，尤其数字量卡件。2.对于操作员站死机无论国产与进口设备都有相关的报道，那么究其原因比较多，硬盘或卡件故障，冷却风扇负荷过重等等，有时会发生人为操作现象，一般在修改控制逻辑下装软件重启设备或强制设备保护信号时，最易发生操作事件，轻则设备异常，重则易造成设备停运后果非常严重；对死机后重启，不同厂家的启动时间不同，少则几十秒，多则几分钟，人为该操作发生的故障在热工专业中的不安全事件中占有很大比例，在操作中尤为引起高度重视，减少人为故障。3.球标操作不正常，一般是由于机械装置长期工作、老化、污染、点通断不可靠、电缆插件不牢等这样的就需要换检查即可。4.控制操作失灵：是由于球标的操作信号没有正常改变过程通道的状态，造成操作失效，这是2个方面造成的，一个方面是软件缺陷，另一方面是硬件本身故障的状态针对这样的缺陷通常做法检查过程通道功能正常后，再检查操作远必要时进行重起初始操作。5.对于薄膜键盘主要是键盘接触不良信号电缆松动或主机误动键盘或启动不完整都可以导致其功能不正常应用针对不同情况处理。6.打印机不工作一般是由于配置的原因，这样的故障应检查打印机的设置及其硬件是否正常进行处理。报表软件功能不强主要表现在由于打印机打印报表和SOE等造成死机，或者打印机的SOE记录时问与实际情况不符；SOE打印浏览后不能返回历史曲线；SOE时间顺序不一致有时偏差很大，这会延误事故分析的进展时，有时还会误导分析方向，SOE问题