和利时dcs介绍

DCS系统概述一、过程控制系统的发展历程早期的控制系统往往是一台二次仪表控制一个回路，各回路的仪表相互之间没有关联关系，单个回路的仪表损坏之后并不影响其他回路仪表的正常运行。第一代过程控制系统（PCS，PneumaticControlSystem）是基于气信号的气动仪表控制系统；第二代过程控制系统（ACS，AnalogousControlSystem）是基于模拟电流信号的电动模拟单元组合式仪表控制系统；20世纪80年代，微处理机的出现和应用，从而产生了分布式控制系统，即第三代过程控制系统（DCS，DistributedControlSystem）；20世纪90年代，现场总线技术的出现产生了新的一代过程控制系统，即现场总线控制系统FCS(FieldbusControlSystem)。DCS即集散型控制系统，又称分布式控制系统（DistributedControlSystem）。它是指利用计算机技术将所有的二次显示仪表集中在电脑上显示，同时所有的一次表及调节阀等仍然分散安装在生产现场，DCS系统的核心是布置在机柜室的现场控制站，一旦控制站出现出现故障，将会导致灾难性的后果，为了避免这种情况的发生，各DCS生产厂家采用在线冗余（如同机泵的备用泵一样，一台坏了，另一台自动运行，而且是无扰动的切换。在这种切换方式下，我们人根本感觉不到任何变化发生）的技术来解决这一问题。DCS系统的主要基础是4C技术，即计算机－Computer、控制－Control、通信－Communication和CRT显示技术。DCS系统通过某种通信网络（如以太网、总线等）将分布在工业现场的现场控制站和操作室（控制中心）的操作员站及工程师站等连接起来，以完成对现场生产设备的分散控制和集中操作管理（工程师站与操作站一样都是普通的计算机，只是因为其内部装有组态软件而已，大多数情况下工程师站也能作为操作站使用）。下图以一个水位信号调节的例子简单地说明DCS系统在实际生产中的应用过程：被控对象(过程)：工艺生产设备(如反应釜，换热器，汽包、水箱等)，从传感器(测量变送单元)到执行器之间。被控参数：各种工艺参数，如液位，温度，压力等。测量变送：对被控参数进行测量转换的装置(转换成标准信号)。调节器：把测定值和设定值进行比较和运算并输出控制信号的装置。执行器(调节阀)：接收调节器来的信号并予以执行的装置。我们可以把上述过程引申如下：二、DCS系统的现状与发展趋势经历了二十几年的发展，DCS有了很大的变化。这种变化来自两方面的动力：用户需求的不断提高和电子与信息技术的快速发展。用户的需求已经不再满足于应用DCS代替常规的仪表控制和简单的数据检测，同时随着电子与信息技术的进步使得DCS应用的构成元件(电子元器件、处理器、软件、网络等)性能大大提高且价格大幅度下降，特别是各种板级OEM部件和HMI软件的发展进一步简化了DCS的开发难度并降低了开发成本。目前，一套使用户满意的DCS系统应该具备以下特点：1.系统具备开放的体系结构，可以提供多层的开放数据接口；2.系统应具备强大的处理功能，并提供方便的组态复杂控制系统的能力与用户自主开发专用高级控制算法的支持能力；3.系统应支持多种现场总线标准以便适应未来的扩充需要；4.系统应高可靠、维修方便、工艺先进、价格合理。三、和利时公司DCS系统和利时公司DCS系统经历了HS-DCS-1000、HS2000到MACS的巨大转变，现在常用的系统是Smartpro系统和MACSV系统，HS-DCS-1000、HS2000已经退出历史舞台。下面对Smartpro系统和MACSV系统分别进行介绍。1、Smartpro系统系统的体系结构该系统是由以太网和使用现场总线技术的控制网络连接的各工程师站、操作员站、现场控制站、通讯控制站、打印服务站、数据服务器（上述各中站是根据其在控制系统中的担负的任务不同来命名，其实都是普通的计算机）组成的综合自动化系统，完成大型、中型分布式控制系统（DCS）、大型数据采集监控系统（SCADA）功能。该系统软件包括：ConMaker控制器软件、ConRTS现场控制器运行软件、FacView人机界面软件、Internet浏览软件、OPC工具包等。工程师站工程师站一般采用Windows操作系统，运行相应的组态管理程序，对整个系统进行集中控调节器执行器被控对象测量变送设定值PID调节器变送器测定值/过程值制和管理。工程师站主要有以下功能：1)控制策略组态（包括系统硬件设备、数据库、控制算法）、人机界面组态（包括图形、报表）和相关系统参数的设置。2)现场控制站的下装和在线调试，操作员站人机界面的在线修改。3)在工程师站上运行操作员站实时监控程序后，可以把工程师站作为操作员站使用。操作员站操作员站采用Windows的操作系统，运行相应的实时监控程序，对整个系统进行监视和控制。操作员站主要完成以下功能：1)各种监视信息的显示、查询和打印，主要有工艺流程图显示、趋势显示、参数列表显示、报警监视、日志查询、系统设备监视等。2)通过键盘、鼠标或触摸屏等人机设备，通过命令和参数的修改，实现对系统的人工干预，如在线参数修改、控制调节等。通信站通信站作为SmartPro系统与其他系统的通信接口，可以连接企业的ERP系统（如：和利时的HS2000ERP）和实时信息系统RealMIS，或者接入Internet/Intranet/Extranet。工厂的各个部门可以掌握更多的生产信息，从而为最终用户提供更多的产品和更好的服务。它不仅提供了对生产过程、人员、设备和资源的管理，还可以帮助用户寻找出现问题的原因和生产过程的瓶颈。现场控制站现场控制站由、主控单元智能IO单元、电源单元、现场总线和专用机柜等部分组成，采用分布式结构设计，扩展性强。其中主控单元是一台特殊设计的专用控制器，运行工程师站所下装的控制程序，进行工程单位变换、控制运算，并通过监控网络与工程师站和操作员站进行通讯，完成数据交换；智能IO单元完成现场内的数据采集和控制输出；电源单元为主控单元、智能IO单元提供稳定的工作的电源；现场总线为主控单元与智能IO单元之间进行数据交换提供通讯链路。1)主控单元采用冗余配置，通过现场总线（Profibus-DP）与各个智能I/O单元进行连接。在主控单元和智能IO单元上，分别固化了相应的板级程序。主控单元的板级程序固化在半导体存储器中，而将实时数据存储在带掉电保护的SRAM中，完全可以满足控制系统可靠性、安全性、实时性要求。而智能IO单元的板级程序同样固化在半导体存储器中。2)现场控制站是MACS系统实现数据采集和过程控制的前端，主要完成数据采集、工程单位变换、开闭环策略控制算法、过程量的采集和控制输出、系统网络将数据和诊断结果传送到系统监控网，并有完整的表征I/O模件及MCU运行状态提示灯。3)现场控制站由主控单元、智能IO单元、电源单元、现场总线和专用机柜等部分组成，在主控单元和智能IO单元上，分别固化了实时监控（MCU）软件和I/O单元运行软件。4)现场控制站内部采用了分布式的结构，与控制网络相连接的是现场控制站的主控单元，可冗余配置。主控单元通过现场总线（Profibus-DP）与各个智能IO单元实现连接。系统的网络HOLLiAS—MACS系统由上下两个网络层次组成：监控网络（SNET）和控制网络(CNET)。上层监控网络主要用于工程师站、操作员站和现场控制站的通讯连接；下层控制网络存在于各个现场控制站内部，主要用于主控单元和智能I/O单元的通讯连接。1、监控网络上层监控网络为冗余高速以太网链路，使用五类屏蔽双绞线及光纤将各个通讯节点连接到中心交换机上。该网络中主要的通讯节点有工程师站、操作员站、现场控制站，采用TCP/IP通讯协议，不仅可以提供100Mbps的数据连接，还可以连接到Intranet、Internet，进行数据共享。监控网络实现了工程师站、操作员站、现场控制站之间的数据通讯。通过监控网络，工程师站可以把控制算法程序下装到现场控制站主控单元上，同时工程师站和操作员站也可以从主控单元上采集实时数据，用于人机界面上数据的显示。2、控制网络控制网络位于现场控制站内部，主控单元和智能I/O单元都连接在Profibus-DP现场总线上，采用带屏蔽的双绞铜线（串行总线）进行连接，具有很强的抗干扰能力。该网络中的通讯节点主要有DP主站（主控单元中的FB121模件）和DP从站(智能I/O单元――FM系列的输入/输出模件)。利用总线技术实现主控单元和过程I/O单元间的通讯，以完成实时输入/输出数据和从站设备诊断信息的传送，并且通过添加DP重复器模件，可以实现远距离通讯，或者连接更多的智能I/O单元。各个节点用固定分配的IP地址进行标识。为实现监控网络的冗余，网中每个节点的主机都配有两块以太网卡，分别连接到128网段和129网段的交换机上。监控网络的前两位IP地址已作了规定，分别为128.0和129.0，现场控制站主控单元IP地址的后两位已经由程序自动分配好，工程师站、操作员站IP地址的后两位则可以自行定义。计算机0计算机1计算机2计算机n(0≤n88)128网段129网段一般我们将一个现场控制站里相互冗余的两个主控单元分别成为A机、B机。它们的IP地址设置是通过一个拨码开关来实现的，具体设置如表1.1所示。对于工程师站和操作员站的计算机，我们把它看作同一类计算机，进行统一编号。#10站主控单元#11站主控单元#12站主控单元#n站主控单元A机128网段129网段B机128网段1129网段现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络，它的关键标志是能支持双向、多节点、总线式的全数字通讯。随着计算机技术、通信技术、集成电路技术、智能传感技术的发展，在工业控制领域产生现场总线技术是一场革命，代表了一种具有突破意义的控制思想，改变传统DCS结构─→FCS结构，真正做到“危险分散，控制分散，集中监控”。和利公司完全自主知识产权的Profibus-DP技术，主站和从站物理层、链路层完全自主开发，为国内第一家，其优点是：可以直接连接其它各大厂商的PLC，如Siemens,VIPA,GE等，目前已有数十个项目直接受益；可以通过耦合器或连接器方便接入Profibus-PA智能变送器或执行器；集中安装或分布安装，仍由用户选择，节省电缆；MACS软件成功与I/O设备独立，添加硬件设备极为方便；I/O设备变成了标准的可以集成的DCS部件。在ProfiBus-DP现场总线的应用开发中，和利时公司于2001年任国际现场总线基金会常务委员会单位，自主开发给予ProfiBus-DP技术的主控制器、各种类型I/O卡件等，是国内第一家自主开发主站和从站物理层、链路层产品的系统供应商。采用给予ProfiBus-DP现场总线技术的产品后，HOLLiAS—MACS系统可以方便的和其他生产厂家的智能仪表通讯和进行数据交换；I/O模块可以随用户现场需要集中安装或分散安装，节省大量的电缆费用；可以通过耦合器或连接器方便接入Profibus-PA智能变送器或执行器；MACS软件成功与I/O设备独立，添加硬件设备极为方便；I/O设备变成了标准的可以集成的DCS部件。硬件介绍（以FM系列为例）机笼单元是主控单元FM801和电源模块FM910、FM920的安装机笼，实现主控单元、电源模块的冗余配置和电源模块间的均流。主从冗余的两个FM801和冗余联用的电源模块FM910、FM920插在机笼单元的相应槽位中，形成一个完整的冗余控制结构。一个FM301机笼中有8个槽位，每个槽位有一个64针插座，连接相应的模块。最左边两个槽插入两块主从冗余主控单元模块FM801。剩下槽位插入电源模块，依次定义为1#电源、2#电源、3#电源、4#电源、5#电源、6#电源，其中1#2#电源是系统电源，提供24VDC，选用FM910；后面电源是现场电源，提供48VDC/24VDC，根据不同的电压要求，选用FM920或FM910。常用IO模块：FM801：主控单元（系统