代集散系统的基本结构过程控制单元.ppt

集散控制系统,下图以一个水位信号调节的例子简单地说明DCS的应用过程：,DCS的概念,我们可以把上述过程引申如下：,DCS的概念,第1章 分散控制系统概论,1.1 分散控制系统的产生 1.2 分散控制系统的结构 1.3 分散控制系统的特点 1.4 分散控制系统的分散方式 1.5 分散控制系统的发展,1.1 分散控制系统的产生,背景： 分散型控制(Distributed Control System，简称Dcs)，正是在这种背景下产生的，它是继直接作用式气动仪表、气动单元组合仪表、电动单元组合仪表和组件组装式仪表之后的新一代控制系统。,随着现代化工业的飞速发展，工业生产过程的控制规模不断扩大，对过程控制和生产管理系统提出了越来越高的要求。面临着日趋激烈的市场竞争，我们的工业生产过程正处于一个由劳动力密集型、设备密集型、信息密集型到知识密集型的转变过程。在这一过程中，以计算机为基础而构成的控制、管理、决策系统无疑起着非常重要的作用。,DCS：是分散控制系统(Distributed Control System)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4C技术。 4C技术：计算机(Computer)、通讯(Communication)、显示(CRT)和控制(Control)等，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。,工业控制发展历程,1、机械式仪表 也叫“直接作用式气动控制器”“基地式调节器”。 主要包括：变送器、调节器、调节阀等部件，这是最初的单元控制系统。 调节阀手动执行，管理人员巡回检查奔波于现场，完成单回路控制，按地理位置分散于现场，构成体系。 适用于：生产规模不大，工艺不太复杂的生产过程。,2、大型气动仪表 变送器和执行器安装在现场，控制器安装在中央控制室。 这种集中控制方式的优点：运行人员在中央控制室获得整个生产过程的有关信息，能够及时有效进行各部分之间的协调控制。 注：此种集中只是控制仪表、运行人员在地理位置上的集中，控制任务仍由许多控制器分别完成的。,3、气动单元组合仪表：50年代 计算机开始进取过程控制领域， 最初用于生产过程的安全监视和操作指导，后来用于实现监督控制。 没有用于直接控制生产过程 4、电动单元组合仪表： 60年代计算机开始用于生产过程的直接数字控制 一台计算机控制全厂的生产过程，造成整个系统控制任务的集中。 缺点：计算机可靠性低、机器故障、整个工厂生产瘫痪 5、分散控制系统：70年代,定义：以多台微处理器为核心，采用控制功能分散、显示操作集中，兼顾分而自治和综合协调原则设计的新一代仪表控制系统即：计算机网络控制系统。 分散控制系统； 分散型综合控制系统； 集散型控制系统或集散系统。 Distributed Control System，简称DCS,控制仪表的分类：,1、按能源类型： 气动60年代前的主要种类，简单、稳定、防爆，目前仍有应用。 液动如汽轮机调速系统，简单、平稳、功率大，慢。 电动50年代后发展（DDZ），快速，远传、功能强，应用广。 2、按信号类型： 模拟仪表模拟电路为基础，模拟信号运算，它确定受控对象参数的模拟形式测量值与给定值的偏差，并根据一定的调节规律产生模拟输出信号推动执行器消除偏差，使受控参数保持在给定值附近或按预定规律变化。所调节的参数包括温度、压力、流量、液位、成分等。 数字仪表数字电路为基础，数字信号运算。 智能仪表数字电路为基础，微处理机为核心，仪表功能=硬件+软件。,控制仪表的分类：,按结构形式： 基地式仪表就地指示、记录、调节于一体。 单元组合式50年代DDZ-I；60年代DDZ - II ； 70年代DDZ-III 组件组装式机柜+模件+电源+显示操作盘 集散控制式4C技术 控制仪表发展的原因 工业过程 仪表控制技术 微电子、计算机技术 控制仪表发展的过程 基地式仪表 单元组合式 组件组装式：,由于生产过程向大型化、复杂化发展，模拟仪表控制系统遇到了难题： 模拟仪表的局限性 生产规模大型化，中控室表盘愈来愈长，难于实现集中监视和操作。例如 300MW机组，控410450点，测1000点以上,盘长10米，存在事故隐患。 各控制系统的通信联系困难。 难于实现分级控制，难于实现全厂的综合管理。 难于实现复杂规律的控制。预估、自适应、模糊、最优 系统变更困难。,分散控制系统的产生,集中型计算机控制阶段； 计算机与模拟仪表混合式分散控制阶段； 第一代集散系统； 第二代集散系统； 第三代集散系统。,集中型计算机控制阶段,称作集散系统的孕育期。 1946第一台数字计算机问世。美国阿伯丁港，军用，弹道计算； 1959美国 TRW公司研制的TEW300用于德州阿赛港的炼油厂，投运成功。 1965 用于电力系统：美小吉普赛电厂，中国同期上海南市电厂，北京石景山电厂高井电站 50年代末、60年代初，计算机技术迅速发展起来,MTBF2000h(平均无故障时间)。 70年代初约5000台中小型计算机用于过程控制，70年代中=5万台。,结构及应用方式： 集中式生产过程全部信息都集中于一台计算机中。 直接数字控制(DDC：Direct Digital Control) 监督计算机控制(SCC: Supervisory Computer Control)。 DDC与SCC在实际应用中并不成功。弊病主要有： 投资大，安装困难。 由于现场条件恶劣，干扰多。 扩展困难。 计算机技术不成熟，慢、功能少。 危险集中。这是一个尤为严重的问题。一个系统成百个回路，主计算机发生故障，全系统停运，这将给生产过程带来严重威胁。,计算机与模拟仪表混合式分散控制阶段,集中型计算机系统暴露了集中控制的重大缺馅，促使控制系统向分散型转变。美国的Bailey公司率先发表了Bailey tronic2系列仪表控制系统。 它采用了分层分叉结构,在Bailey tronic2中，现场的控制功能是由传统的模拟仪表(单回路调节仪表)实现的。 但模拟显示器与操作器却是另一个分离的单元，通过多芯电缆与调节仪相连。 突破： 这是在过程控制中第一次实现了输入输出、控制功能与操作显示功能的分离，实现了控制器向现场的分散。 系统中调节仪的信号也送入主计算机，主计算机可显示过程参数，并附带文档存储和管理的装置。 Bailey tronic2主要用于电站控制中，虽然它还属牙SCC范畴。但毕竟实现了控制器与显示操作的分离。,第一代集散系统,一、背景及产品： 70年代初，大规模集成电路制造技术成熟，微处理器问世可靠、低耗、低价，为计算机分散控制提供了可能。 组装仪表的结构+板级产品的智能化+信息管理的集中化=DCS 1975年美国最大的仪表公司Honey Well首次向全世界推出了它的TDC-2000(Total Distributed Control 2000). 1975年5月，东芝公司的TOSDIC;1975年6月，日立公司的UNITROL; 美国泰勒仪器公司(Taylor Instrument Co.)的MOD III 美国费希尔公司（Fisher Porter Co.）的DC1-4000，福克斯波罗的Spectrum； 英国肯特公司的P4000(第一代) 德国西门子公司的Teleperm(第一代)等 此后的三、四年间，美国和西欧、日本的一些著名公司都相继推出里了他们的第一代系统。,第一代集散系统的技术特征,技术重点是：实现分散控制，引入网络通信技术，加强可靠性设计。 1、用以微处理为基础的过程控制单元(PCU)实现了分散控制。 2、 CRT操作站与PCU相分离，使集中显示、集中操作、远程组态、全系统信息的综合管理与现场控制相分离，这是集散系统的重要标志。 3、采用了电缆和双绞线作转输媒质，大幅度地降低了连线费用。 注：第一代集散系统是应克服计算机集中控制系统的四大弊病的需求而产生的。一方面它必须保持计算机控制的优点，解决模拟仪表解决不了的问题。另一方面又要实现分散控制，将集中产生的危险分散，并要大幅度地减少集中系统的连线费用。更为重要的是必须能适应现场环境的严酷要求，满足现代大工业过程有效度9999的要求。,第一代集散系统的基本结构,过程控制单元（PCU）： 亦称现场控制单元FCU（Field Control Unit）或基本控制器BC(Basic Controller)。一般它是由微处理器(CPU)、存贮器(ROM、RAM)、多路转换器、IO输入输出板、AD、DA转换、内总线、电源、通信接口等组成。它可以控制一个和多个回路，具有较强的运算能力和较复杂的控制功能。 数据采集装置(DAU：Data Acquisition Unit)： 亦称过程接口单元(PIU：Process Interface Unit)。它也是以微处理器为基础的结构。主要作用是采集非控制变量，进行数据处理，并将所采集的过程信息经数据传输通道(通信系统)送到监控计算机。它使集散系统获得了分散数据采集的能力(Distributed DAS)。,CRT操作站： 是集散系统的人机接口，是系统与外界联系的单一窗口。CRT操作站由CRT、微型计算机、键盘、外存装置、磁盘驱动器、打印机等组成。它可以以高分辨率彩色画面显示过程的各类信息，并对PCU进行组态和操作，对全系统进行管理。 监控计算机： 是集散系统的主计算机，国内习惯上称它为上位机。多采用小型计算机。它综合监视全系统的各工作站（PCU，DAU，CRT），管理全系统的所有信息。一般都具有进行大型且复杂运算能力，通过它可以实现全系统的最优控制和全工厂的优化管理。,数据传输通道： 亦称数据高速公路(Highway)。它是第一代集散系统关键的一部分。它一般由通信电缆和数据传输管理指挥装置组成。经由它，PCU、DAU的现场信息送至CRT操作站和监控计算机进行集中处理。经由它，监控机和CRT操作站的管理信息、操作信息送至PCU和DAU。,第二代集散系统,一、背景及产品： 世界市场需求变化的三个方面： 第一，70年代末，世界市场上畅销产品的变换周期变短，从而促使PCU发展为多功能PCU，或者在原系统中增加新的现场批量控制单元(FBCU)。 第二，世界市场上，产品竞争愈来愈激烈，迫使生产厂家必须提高产品质量，提高生产效率。由此提出了全系统的优化管理、全系统信息综合管理的管理要求。 第三，70年代末，80年代初，市场对过程控制系统的规模要求多样化。系统的扩展要求愈来愈多，从而刺激了软件发展。,典型代表有： TDC-3000（HoneyWell公司），TOSDlC ADVANCED SYSTEM(东芝公司)，MOD-300(Taylor仪器公司)，第二代INFI-90(Bailey公司)，MAX1(利芝脑公司Leeds Northruo)等。 二、技术特征 加强了全系统信息管理；引入先进的局部网络技术。 这就要求用同样的设备，通过软件来组织大小不同的系统，通过软件来更新系统的原设计目标，通过软件来扩展系统， 第一代集散系统以实现分散控制为主的话，第二代集散系统则是以实现全系统信息的管理为主。,第二代集散系统是以局部网络为主干，统领了全系统。系统中各单元都看作网络节点的工作站。局部网络节点又可挂接桥和网间连接器与同网络和异型网络相连。第一代系统仅仅通过桥或网间连接器挂接于系统局部网络上的子系统。,70年代初，计算机网络技术开始发展局部网络(LAN: Local Area Network)。它是一种分布在有限地理范围内的计算机网络。与早期的远程网络(WAN：Wide Area Network)相比，LAN的覆盖范围小(0.1 10公里)，传输速率高(0.1 20Mbps)，出错率低(10-1810-11)。与传统的多机系统通信相比，通信距离又较大，可连数十个甚至上百个工作站。因此，局部网络更便于多个计算机互连，便于多机资源共享，分布式控制，信道复用。 过程控制站(PCU)、现场控制单元是一种多功能PCU：由第一代PCU基础上发展而来，采用了更先进的CPU芯片（32位），更大存贮量的ROM、RAM或EEPROM。具有完善的连续控制功能，也具有顺控、批控功能，兼有数据采集能力。,中央操作站 是挂接在LAN上的节点工作站。它的主要作用是对全系统的信息进行综合、管理(主要通过画面功能和键盘功能进行)。它是全系统主操作站。 主计算机 主计算机亦称管理计算机或上位计算机。一般为小型计算机，带海量存贮器等外部设备，具有复杂运算能力和较强管理能力。GW可由将第二代子系统连入局部网络，这一子系统在结构形式上与第一代集散系统相似，但各单元功能都大大加强，它们仍由高速公路、过程控制单元；本地操作站、上位机构成，但第二代的上述单元是功能增强型的。此外，第一代DCS也可以作为子系统与LAN相连。 有些性能优良的集散系统并不专带主计算机，可以是无主机系统，这时它的中央操作站具有更强功能，而且各节点、工作站得到了加强。, 系统管理站 系统管理站或称系统管理模件(SMM：System Management Module)。第二代集散系统比第一代集散系统的技术进步主要反映在全系统管理功能的加强。 网间连接器(GW：Gate Way) 它是局部网络与其子网络或其它工业网络的接口装置，起着通信系统转接器、协议翻译器或系统扩展器的作用。 GW可由将第二代子系统连入局部网络，这一子系统在结构形式上与第一代集散系统相似，但各单元功能都大大加强，它们仍由高速公路、过程控制单元；本地操作站、上位机构成，但第二代的上述单元是功能增强型的。此外，第一代DCS也可以作为子系统与LAN相连,第三代集散系统,一、背景及产品： 第二代集散系统最主要的弊病是:几乎都是各公司的专利产品，采用的都是专利网络。80年代末，许多公司推出了新一代集散系统。 第三代集散系统还在开发阶段，因为MAP协议在发展，特别是适于过程控制的MAP尚未成熟。近年来出现的工业以太网等有待于进一步完善。 从更为广阔的网络结构意义上讲，第三代集散系统引入了现场总线，使通信网络覆盖到现场级，使所有的传感器和执行器都纳入网络通信，真正实现了系统的完全自动化和智能化。 二、技术特征 局部网络采用MAP协议，或其它工业通信协议。智能向现场延伸，尚未成熟。,1.2 分散控制系统的结构,1.2.1功能层次结构 1、管理级 经营管理级：市场和用户分析，订货销售统计、制造协调、合同人、财、档案。 生产管理级 ：生产监视、报告，规划产品结构和规模。（上位机，协调各单元之间的参数设定。值长、分场级） 过程管理级 ：过程操作，装之间协调，优化过程控制，错误检测、数据存档等。 内容：发电厂的厂级管理计算机或若干个机组的管理计算机。,使用者：厂长，经理，总工程师，值长 任务：监测企业各部分的运行情况，利用历史数据和实时数据预测可能发生的各种情况，从全局利益出发辅助企业管理人员进行决策，帮助企业实现规划目标。 要求： 能够对控制系统做出高速反应的实时操作系统； 大量数据的高速处理与存储； 能够连续运行，高可靠性系统； 能长期保存生产数据； 并且具有优良的、高性能的、方便的人机接口； 丰富的数据库管理软件，过程数据收集软件，人机接口软件，以及生产管理系统生成的工具软件。 实现整个工厂的网络化和计算机的集成化。,2、监控级： 内容：运行员操作站， 工程师工作站，计算站 安装在中央控制室 电子设备室 工程师站： 为了控制工程师对DCS进行配置、组态、调试、维护所设置的工作站，并对各种设计文件进行归类和管理，形成各种设计文件，例如各种图纸，表格。 要求： 一般由PC机配置一定数量的外部设备所组成，例如打印机，绘图机等。,运行员操作站： 运行员与DCS相互交换信息的人机接口设备，据此来监视和控制整个生产过程。 通过观察生产过程的运行情况，读出每一个过程变量的数值和状态，判断每个回路是否正常工作。 并且可以随时进行手动/自动方式的切换，修改给定值，调整控制量，操作现场设备，以实现对生产过程的干预。 另外还可以打印各种报表，拷贝屏幕画面和曲线等。 要求： 一台具有较强功能的微型机，CRT显示器，大屏幕显示装置（选件），打印机，拷贝机，键盘，鼠标。,计算站： 实现对生产过程的监督控制，例如机组运行优化和性能运算，先进控制策略的实现等。主要完成复杂的数据处理和运算功能， 要求 具有较强的运算能力和速度，一般用超级微型机或小型机构成。,3、控制级 设备：过程控制站，数据采集站 安装在主控室后的电子设备室中 过程控制站： 接收由现场设备，如传感器，变送器来的信号，按照一定的控制策略计算出所需的控制量，并送回现场的执行器中去。可以同时完成连续控制顺序控制或逻辑控制，也可能仅完成其中的一种 。 数据采集站： 接收有现场设备送来的信号，并对其进行一些必要的转换和处理之后送到DCS的其它部分去。主要是监控级设备，它接收大量的过程信息，并通过监控级设备传递给运行人员。 数据采集站并不直接完成控制功能,现场级： 一般位于被控生产过程附近，典型设备为各类传感器，变送器，执行器。它们将生产过程中各种物理量转换为电信号，送往控制站或者数据采集站，或者将控制站输出的控制量转换成机械位移，带动调节机构，实现对生产过程的控制。 现场级信息的传递方式： 1、传统的420毫安模拟量信号传输方式 2、现场总线的全数字量传输方式 3、420毫安模拟量信号基础上，叠加调制后的数字量信号的混合传输方式。,1.2.2硬件系统结构 集散控制系统通常由过程控制单元、过程接口单元、CRT显示操作站、管理计算机以及计算机网络等五个主要部分组成其基本结构。,过程控制单元：亦称现场控制单元或基本控制器，可以控制一个或多个回路。过程接口单元：亦称数据采集装置，是采集非控制变量，进行数据处理。 CRT操作站：是集散系统的人机接口装置。一般配有高分辨力大屏幕的彩色CRT、操作者键盘、工程师键盘、打印机、硬拷贝机和大容量存贮器。 操作站除了执行对过程的监控操作外，系统的组态、编程工作也在操作站上进行。为了使操作直观方便，一般都有动态流程图显示功能，操作站还可完成部分的生产管理工作，如打印班/日报表和用户自己设计的工艺报表等。 管理计算机：习惯上称为上位机。它综合监控全系统的各单元，管理全系统的所有信息，实现全系统的最优控制和全厂的优化管理。,1.3 分散控制系统的特点,1.3.1 适应性和扩展性 DCS在结构上采用了常规扩展系统的模块化设计方法，无论硬件还是软件都可以根据实际应用需要去灵活的组合。 小规模生产：12个过程控制站和数据采集站，简单的人机接口设备。 大规模生产：几十个或上百个过程控制站和数据采集站，外加高层计算站，运行员操作站，工程师站等人机接口设备。 模块化设计决定了它的易扩展性，可以根据生产过程的发展，逐渐扩充系统的硬件和软件。,1.3.2 控制功能完善 常规控制系统功能 硬件实现 改变或升级功能即改变硬件配置 DCS 软件实现 具有高度灵活性和完善的控制能力 改变或升级功能只需改变软件设计 现代DCS控制单元具有连续、离散、批量控制功能，实现高级控制。 高级控制 串级调节系统 自适应控制系统 前馈-反馈复合调节器 多变量解耦系统 SMITH预估器,1.3.3 人机联系手段窗口功能丰富 DCS人机联系手段：采用了CRT图形显示和键盘操作。 常规控制系统： 人 过程：运行员通过各种操作器、定值器、开关、按钮等实现。 过程 人：各种显示仪表，记录仪表，报警信号灯，通过它们了解生产过程运行情况 。 DCS： 人 过程：键盘 过程 人：信息直接显示在CRT屏幕上。,1.3.4 系统可靠性高 1、由于系统采用模块化结构，每个过程站仅控制少数几个回路，个别回路或者单元故障不影响全局。而且元件的高度集成化和严格筛选有效的保证了系统的可靠性。 2、DCS广泛采用各种冗余技术（电源、通信系统、过程控制站）。常规系统虽然采用冗余措施，但是故障判断和系统切换都不易实现。DCS采用计算机技术，这一问题得到了解决。 3、DCS 采用软件模块组态的方法形成各种控制方案，取消了常规系统中各模块之间的连接导线，因此大大减少了有连接导线和连接端子所造成的故障。 4、各单元都具有自诊断、自检查、自修理功能，出现故障可以自动报警。,1.3.5 可维修性 模块更换较方便 具有完善的在线故障诊断技术，可以准确定位至模件级，通过人机接口，能够迅速发现设备故障的性质和地点，并且可以在不中断被控过程的情况下更换故障模件。,1.3.6 安装费用 安装费用包括：电缆、导线的安装敷设费用，控制室电子室的建筑费用。 DCS过程控制站可以采用地理分散的方式安装在被控过程附近，这样就减少了变送器、传感器、执行器与控制系统之间的连接电缆，节省了导线电缆的安装费用，减少了控制系统在中央控制室所占用的空间。 DCS安装工作量仅为常规控制系统的30%50%。 DCS所需控制室的面积仅为常规控制系统的60%。,1.3.7 网络通信技术先进 都采用了工业局部网络技术进行通信； 信道传输率多在510Mbps，甚至更高，响应时间仅数百微秒； 误码率低于10-8,一般可达10-10。 采用了光纤传输媒质，使通信的安全性大大提高。 通信协议也在向标准化方向前进，与MAP兼容已是一种发展潮流。,1.3.8 管理功能强 实现所谓“4A”目标： 生产过程自动化(PA：Production Automation)； 过程监督、节能控制、安全监督、环境监视及生产计划管理等等 工厂自动化 (FA：Factory Automation)； 实现加工、装配、检查、挑选、仓库搬运控制，设备诊断，工程过程和产品质量管理 实验室自动化 (LA：Laboratory Automation)； 办公室业务自动化(OA: Office Automation)。,1.4 分散控制系统的分散方式,系统的分散包含了三层意思： 功能分散：将一个主系统的控制功能分解成若干子系统控制功能来完成。 物理分散：整个系统控制功能由许多不同的物理实体（硬件）分散实现。 地理分散：基本控制单元安放在就地。 集散系统的发展目标 ： 应是过程控制单元按地理位置分散于现场，控制一个或数个回路，即：将中央控制室中的控制功能移植到传感器和执行器附近的现场去。各控制单元的信息通过通信系统集中到中央操作站，实现全系统的综合管理。,分散控制的内涵包括：,分散智能（DI: Distributed Intelligence） 过程单元本身都可以与简单的本地显示装置（或数据显示装置）接口，中央操作站可以显示全系统任何一个分散过程点全部信息。 分散显示（DD: Distributed Display） 各个本地显示操作站既可以调用其它各地显示操作站的信息，又可以调用中央操作站的信息。 分散数据库（DDB: Distributed Data Base） 分散通信功能（DC: Distributed Communication） 分散供电（DP: Distributed Power） 分散负荷,功能分散：,火电厂的热力系统是一个复杂的大系统 ，常把它划分为若干个系统，如：制粉系统，燃烧系统，汽水系统等等。 单元机组的控制功能纵向可分为4级，,功能分散,1、单元机组级： 主要实现与协调控制系统高层控制任务有关的控制功能，例如： 单元机组主控指令的形成， 单元机组负荷给定值的形成和控制， 单元机组的协调控制； 单元机组的负荷能力计算， 机组自启停的顺序控制。,功能分散,2、功能组级：主要实现子系统中较高层次的顺序控制和连续控制。 对应某些子系统： 燃烧系统， 风烟系统， 给水系统， 过热蒸汽系统， 再热蒸汽系统， 高低压旁路系统， 凝结水系统。,顺序控制：在功能组级形成控制子功能组的启动或停止命令。 连续控制：功能组级完成某些控制回路的主控任务，向下一级控制器发出主控信号。,功能分散,3、子功能组级 主要实现每个被控对象的顺序控制与连续控制，许多基本的控制作用均在这一级实现。 4、过程I/O级 是分散控制系统与被控生产过程之间的桥梁，是每一个模拟量或开关量的出入口，它们直接与现场的变送器、执行器、继电器、电动装置等现场设备相连。,物理分散,物理分散=控制分散在系统硬件上的反映。 整个系统所要完成的控制任务是由许多不同的物理实体分散的实现的。 1、层次分散型： 分为2层或多层，上层控制器用以实现高级控制功能，下层实现一些基本功能。,层次分散型的特点： 1 硬件结构与系统的功能分散相适应，每一部分都有较强的自制性，上层实效下层仍可维持基本功能。 2 合理的进行功能分配，每个控制器负荷比较均匀，因而可降低对硬件技术指标的要求。 3 系统中的通信是多层次的，直接与控制有关的信息在低层通信总线上高速传播，监视和管理信息在高层通信网络传输。因此通信系统信息流分布合理，不会造成通信网络上信息拥挤。,水平分散型： 各个控制器在硬件结构上处于平等地位。 特点： 硬件结构清晰，控制器形式统一，便于维护和备份。由于没有多层次的通信系统，所以尽管对通信系统的速度和容量要求较高，但是结构比层次分散型更简单。,地理分散,功能分散是由被控生产过程的特点所决定的， 物理分散是由控制系统的硬件结构所决定的。 DCS的安装布置方式有两种： 地理集中式：把所有的基本控制单元集中安装在中央控制室或附近的电子设备室内； 地理分散式：就是把基本控制单元安装在被控生产过程附近，在整个厂房内分散布置。 目前大多采用的是地理集中的分布方式。将基本控制单元分别布置在锅炉房和汽机房的按机柜地理分散方式也逐渐推广应用。,DDZ-I、II、III型： 功能分散+物理分散+地理集中； 组件组装式： 功能分散+物理分散+地理集中； 计算机集中控制式： 功能集中+物理集中+地理集中； 计算机与模拟仪表混合： 功能分散、物理分散、地理集中型。 第一、二代DCS： 功能分散+物理分散+地理集中； 第三代DCS： 功能分散+物理分散+地理适度分散或彻底分散,国内电厂DCS的应用情况,DCS自1975年出现，已经历3代的更新，几乎每个发达国家都有自己的产品。且2-3年更新一次。型号、种类难以统计。 1985年电力规划设计总院批准，在望亭电厂300MW机组，选用美国西屋WDPF进行DCS应用试点，实现DAS和MCS（模拟量控制）功能。同期，华能国际电力开发公司在300MW机组进口成套发电设备的时候，也随主机进口了以DCS为基础的控制系统。几年的安装调试，这些电厂的DCS均随机组同时投运。结果：能满足大机组运行要求，解决了用户所担心的可靠性问题，开始推广，但功能还只限于DAS，MCS，SCS（顺控系统）。同时还保留了较多的模拟仪表和硬手操设备。,1992年1994年，原能源部、电力部热工自动化领导小组（后为国家电力公司热工自动化领导小组）推荐了8种先进的DCS品种： INFI-90（N-90）美 Bailey ，北京自动化研究所合资，1989年引进 WDPF 美WestingHouse, 上海自动化仪表公司合资，94 HIACS-3000 日本日立公司，北京电子部6所合资，86 MAX-1000 美 L&N（利之脑），上海自动化仪表公司DCS分公司1991 TELEPERM-ME 德 SIMENS, 南京电力自动化设备总厂，1993 I/A SERIES 美 FOXBORO 上海仪表公司 1982 PROCONTROL-P 瑞士 ABB公司，电力部中能电力科技开发公司 CONTRONIC-E 德 H&B（哈特曼布朗）四川仪表总厂,1994年，国家电力部组织专家，由“中国电机工程学会，过程自动化交流中心”牵头，对16家电厂的5种DCS进行了使用情况调查。,1995年底专家组提出调查报告。 例：损坏情况（16个电厂17套DCS，按年平均损坏率计算）,损坏原因：有质量问题，有施工问题。 结论：“均能满足大型火电机组的运行要求”。,95年后，一些大型DCS生产厂家（特别是8种以外）加紧了对我国的市场拓展，纷纷在价格、性能等方面进行调整，其中包括HoneyWell. 97.8.24 电力部热工自动化领导小组召开了第6次会议： 总结DCS试点经验，继续抓好扩大试点。在单机600MW和“按新厂新模式管理”的单机300MW机组上采用DCS 坚持DEH与FSSS宜独立配置，可用DCS实现，也可单独实现。不强调三者的一致性。更不强求没有DEH和FSSS业绩的DCS供应商在提供DCS的同时提供这两套系统。 推荐使用国产化DEH和FSSS 加快电气纳入DCS的工程试点 对推荐的8套DCS实行动态管理,因为台州电厂#7机组（300MW）使用的西门子T-ME/XP系统：自1996.10时运以来到97.3：22次死机，8次不正常跳闸，数据采集不对，CRT显示时间过长等事故。 2002年6月11日，国家电力公司办公厅印发了办科200215号文关于撤消原“部热工自动化领导小组”的通知，全文如下： 各有关单位： 1992年1994年期间，原能源部、电力部热工自动化领导小组根据热工技术的发展趋势对微机分散控制系统（简称DCS）在火电大机组上应用的问题提出了指导性意见，根据DCS产品的先进性及其在火电厂的应用业绩、工程经验及与国内制造厂家合作等情况，曾先后提出了推荐的DCS产品供工程招标选用。该指导性意见在DCS引进初期，对促进其推广应用，规范市场竞争，降低造价，促进技术进步，支持国产化等方面发挥了重要作用。 为适应我国加入WTO后的要求，经公司研究决定撤销原部热工自动化领导小组，原领导小组关于DCS选型的推荐意见也同时废止，各发电企业在今后的DCS招标工作中可根据工程的需要，通过公平竞争自行选用适用的产品。,实际情况 19852001年国内火电厂已采用229套DCS（不包括小型DCS），其中用于300MW以上机组的176套，有14个型号。 2000年后，凡新上机组，几乎都采用DCS, 同时国产DCS开始应用到100MW及以下的机组中。 如今25MW机组也在采用DCS。总体数量无从统计。“盘台全推”模式。,DCS的典型示例,HS2000系列DCS的体系结构 概述 国产DCS中的典型代表之HS2000型集散控制系统 北京和利时公司1995年10月推出的分布式控制系统。 HS2000系统是中型的分层分布式控制系统，采用冗余设计、现场总线结构、带电插拔技术、智能I/O、自动诊断等先进技术，在可靠性方面达到国际同类产品水平，具有较高的性价比。 HS2000CAS综合自动化系统 是以实现全厂综合自动化为目标的，层次和规模易于改变的大型系统。MACS（Meet All Customers Satisfaction）系统综合了国际最新技术成果，旨在令绝大多数用户满意。 两种主要类型：HS2000标准型与HS2000-Plus，两种类型的系统在功能上基本相同，HS2000-Plus系统主要在网络性能、处理速度等方面更具优越性。,网络体系 HS2000系统是一个三层网络结构，三层网络将整个系统分为管理级、操作级及现场级，根据不同的系统规模可进行灵活配置。 (1) 管理协调网络MNET 管理协调网络是HS2000 系统的最高一级网络，其功能为完成不同装置之间的协调控制、数据通信；企业内多组装置的管理数据通信；大型工业过程不同部分间的协调控制。通信介质采用光纤或同轴电缆。 (2) 系统网络SNET SNET是系统连接工程师站、操作员站和现场控制站等节点的实时通讯网络。其冗余结构、热备份工作，保证在任何一网络失效的情况下不影响系统通信。功能为完成现场控制站向操作员站传输数据；各现场控制站间的数据传递，以满足大范围协调控制的需要；操作员站和工程师站向现场控制站传递组态数据或控制指令；保持各操作员站之间数据的一致性。,(3)控制网络CNET 现场控制站内各个I/O组件之间及各组件内部的各模板之间的数据联系采用了网络通信，而不是传统的并行总线。这样做的优点是各I/O模板之间相对独立，其中的某块模板出现故障只影响本板而不会影响其它模板。而在过去的并行总线结构中，如果某块模板出现故障，特别是总线接口部分出现故障，则故障很难隔离，经常导致整个系统的瘫痪。,操作站体系 （1）工程师站 HS2000系统的工程师站用于对应用系统进行功能组态，组态数据下装，亦可兼作操作员站。工程师站上运行一套在 MS-Windows图形界面下的全方位的汉化组态软件,为用户提供一个灵活、方便、全面的工程平台, 以实现用户的各种控制策略。工程师站硬件也可不单独配置，而由系统中的任何一台操作员站代替。 （2）操作员站 HS2000系统的操作员站使操作人员能通过专用薄膜键盘或轨迹球灵活、方便、准确地监视过程量，以及根据流程变化调整过程参数等。 操作员站采用开放结构，选用高可靠工业控制机，配以其它设备，组成一个完整的操作员站系统。,（3）历史站 在历史站上运行着HS2000-Plus系统的历史服务器软件。历史站上保存了整个系统的历史数据，可完成对历史数据的收集、存储和发送。当操作员站通过历史网络向历史站发出历史数据申请时，历史站将历史数据发送给操作员站。 （4）现场控制站 现场控制站是HS2000系统直接与现场打交道的、大规模的I/O处理系统,是一个具有信号采集、回路调节、逻辑联锁、顺序控制及本地操作功能的现场控制设备。根据现场的不同需求，用户可对现场控制站进行灵活配置，以实现下述功能： 以过程控制为主, 辅以顺序逻辑控制； 以顺控逻辑、连锁控制功能为主体的现场控制装置； 构成一个对大批过程信号进行总体信号采集的现场采集站； 现场控制站上可配置本地操作员操作接口，实现本地操作； 提供了与其它现场智能设备如PLC、智能仪表、智能调节仪表等的接口。,冗余体系 现场控制站标准配置为两个主控制器，为冗余结构。 主控制器上有硬件构成的冗余切换电路和故障自检电路。 两个主控制器进行热备份，切换过程是无扰的。 电源单元采用特殊设计，冗余配置，并联使用，均流运行。 各种I/O模板均带有冗余切换机制或备份机制。 隔离体系 实现I/O模板智能化，将控制有效分散到各I/O模板，降低主控制器负担。 采用现场总线技术，取代传统的并行总线，使各摸板的故障被有效地隔离。 所有模板均带有隔离电路，无需另配隔离器。 通道间也可提供隔离措施，清除由于现场地电位差时系统造成的损坏。,可维护体系 现场控制站的所有模板上均带有CPU，每板均周期性地进行自诊断；诊断包括CPU、内存等自检；开关量输出、回读比较自检； 模入通道采用双通道输入，将结果进行比较，判断模入通道的正确性； 系统具有热偶信号的断偶检查功能； 模出通道采用双通道输出，硬件自动比较输出结果一致性，进行自检。 电流输出通道具有自动断线自检功能。 系统的网上每秒进行网络各节点状态检测。 在故障指示齐全，所有模板上均有多个指示灯，包括运行灯、故障灯、网络通信灯等。打开机柜，各板运行状态一目了然。 在操作员站上，可随时调出系统状态图，从中可看各站、板的运行状态； 所有模板(主控制器、AI、AO、DI、DO等)均可带电拔插； I/O信号与I/O接口板是通过总线底板连接的，换板时不涉及接线的变动。,软件体系 分为工程师站组态软件、操作员站实时监控软件及现场控制站实时控制软件三大部分。 三部分软件分别运行于系统不同层次的硬件平台上,并通过系统网络及网络通迅软件,彼此互为配合、互为协调,交换各种数据及管理、控制信息,完成整个集散系统的各种功能。,1.5 分散控制系统的发展,1、DCS的体系结构 自律： 自律可控性：指任何一个子系统故障时，其余子系统的控制器可随意控制系统的各个状态变量。 自律可协调性：指任何一个子系统故障时，其余子系统的控制器可协调各控制器彼此不同的控制目标。 满足以上两点的系统称为“自律分散系统”。,比较： 1、传统层次分散系统 上位子系统故障时，下位子系统之间不能协调，但是下位子系统仍旧保存局部信息，可进行局部控制。 具备自律可控性，不具备自律可协调性。 2、传统水平分散系统 部分系统不工作时，残余的子系统间可进行协调。但因不工作的子系统丧失功能，不能与其他子系统进行信息交换，其余子系统也不能对其进行控制。 具备自律可协调性，不具备自律可控性。 3、集中式系统 只有一个控制器，无自律可协调性和自律可控性。,自律分散系统的关键在于提高子系统本身的自律性。 自律性的实现： 依赖于各子系统通过数据场DF（data field）掌握整个系统状态，并依系统总体状态进行和自组织。强调子系统的均质性、局域性、自含性。 均质性：每个子系统都具有相同的成分，子系统之间可相互替换，且不存在任何主从关系。 局域性：每个子系统只依靠当地信息就可管理自身，并与其他子系统相互协调。 自含性：每个子系统本身都含有管理自身和其他子系统协调的功能。,自律分散系统特点： 没有中央操作系统和中央协调系统。 自律控制器ACP（Autonomous Control Processor） 负责管理与协调功能,2、分散控制系统的网络功能 传统的DCS网络覆盖范围上至厂级管理信息系统，下至过程控制站的I/O子系统。 最终实现 以现场总线为基础的底层网 Infranet 以局域网为基础的企业网 Intranet 以广域网为基础的互联网 Internet,3、EIC综合技术 E 电气控制装置 Electric I 仪表控制装置 Instrument C 计算机控制装置 Computer 传统DCS：彼此独立设计和安装，各自完成功能 发展方向：电气控制、仪表控制和计算机控制等功能统一由DCS完成。 要求DCS具有： 1、有实现这些功能的软硬件资源， 2、有符合这些系统惯例的编程组态方法。 3、有可支持各种面向控制问题的语言。,4、人机接口技术 常用的人机接口设备：工业图形显示系统IGS 发展方向： 高速度、高密度、多画面、多窗口、大屏幕 5、标准化通用技术 DCS的硬件平台，软件平台，组态方式，通信协议，数据库等方面都将采用标准化和通用技术，大大提高了DCS的开放程度，显著减少系统的制造开发调试和维护成本。 6、人工智能 DCS逐渐采用人工智能的研究成果。,HS2000系列DCS,HS2000系统是套分层分布式的综合控制系统，它通过多层数据网络将各种不同的设备挂接在起，实现各部分信息共享和协调工作，从而完成综合控制与管理功能。系统适用于生产设备、生产装置或生产过程以及工厂、企业的综合生产过程管理和控制。 HS2000系统为三层网络结构，不同的网络适应不同层次和规模的控制和管理任务，这种分层结构大大提高了系统的整体可靠性和效率，也使得系统的配置更为灵活，适用于各种规模的控制和管理场合。,HS2000系统基本构成单元,(1)现场控制站 现场控制站主要由主控组件和辅助组件构成。主控组件包括主控模板、I/O模板、系统电源模板、总线底板和插件箱。辅助组件除不包括主控模板外，其余部分和主控组件一样。现场控制站主要完成现场信号的输入输出及问路的控制。一个现场按制站由一个主控组件及03个辅助组件构成。 (2)操作员站 操作员站由工控机(IPC)及操作员站软件构成，它主要完成系统与操作员之间的人机界面功能，包括现场状态的显示、报警、报表及操作命令的执行等功能。 (3)工程师站 工程师站由IBM PC兼容微机及工程师组态软件构成，它主要完成HS2000系统的配置、控制回路组态及下装目标运行系统到操作员站和现场控制站的功能。工程师站中装载了操作员站软件后也可以作为操作员站使用。,HS2000系统的网络结构,(1)管理协调网络MNET MNET为HS2000系统的最高一级网络，配置在HS2000L大型系统中功能如下： 完成不同装置之间的协调控制、数据通信； 企业内多组装置的管理数据通信； 大型工业过程不同部分间的协调控制； MNET为