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东北大学硕士学位论文 摘要 一 一_。一。1。1 d c s 在发电厂锅炉机电一体化改造中的应用 摘要 分散控制系统( d c s ，d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 是生严过程崦视、控制技 术的发展和计算机与网络技术应用的产物，它是以大型工业生产过程及其相互关 系日益复杂的控制对象为前提，从生产过程综合自动化的角度出发，按照系统工 程中分解与协调的原则开发出来的，以微处理机为核心，结合了控制技术、通信 技术和c r t 显示技术的新型控制系统。d c s 主导着当今连续生产过程控制的潮流， 广泛应用于电力、石油、化工、冶金、建材、制药等行业的各种生产过程。在电 力领域，近些年来不仅新建的大型发电机组几乎无一例外的应用了d c s 技术，老 机组的热工控制系统改造也大多采用了d c s 系统。 本文结合本钢发电厂2 1 号锅炉应用d c s 进行控制系统改造的工程讨论了 d c s 的丁程设计步骤。第一章介绍了d c s 的概况和它的发展历史及发展趋势；介 绍了本研究课题实施的背景( 即本铜发电厂的设备概况) 和老设备应用d c s 进行 控制系统技术改造的意义。第二章对d c s 的体系结构、分敞方式、特点、系统功 能、软硬件等做了简要介绍。第三章结合本钢发电厂的工程实际讨论了d c s 总体 没汁内容和系统选型方法。总体设计提出了对d c s 改造工程的总体要求，规定了 工程的控制范围、深度和控制方式；讨论了系统选型依据，设计了系统的评估方 法。第四章介绍了本工程应用的a p a c s 系统的硬件，结合1 ：程实际详细讨论了 d c s 硬、软件初步设计的内容。第五章简要介绍了a p a c s 系统的软件，详细介绍 了过程控制站和人机接口的组态方法和步骤。过程控制站的绢态包含控制站的硬 件组态和控制组态；人机接口组态包含人机接口数据库组态及过程画而组态。分 别给出了部分组态示例。第六章给出了：j 二程实施的结论和今后进一一步改进的建议。 关键词：分散控制系统d c s 发电厂锅炉控制技术过程控制应用设计 东北大学硕士学位论文 a b s ，j r a c t a p p l i c a t i o n o fd c si nm e c h a t r o n i c st e c h n o l o g i c a li n n o v a t i o n o fp o w e rp l a n tb ：o i l e r a b s t r a c t d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ( d c s ) i st h eo u t c o m eo fp r o d u c t i o n p r o c e s sm o n i t o r ， c o n t r o lt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n ta n dc o m p u t e r ，n e t w o r kt e c h n o l o g ya p p l i c a t i o n i ti sa n e w t y p e c o n t r o l s y s t e m t h a ti tc o m b i n e sc o n t r o l t e c h n o l o g y , c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g ya n dc r tt e c h n o l o g y i tt a k e sl a r g e s c a l ei n d u s t r yp r o d u c t i o n - p r o c e s sa n d c o r r e l a t i o ni n c r e a s i n gi n t r i c a t ec o n t r o lo b j e c t sa si t sp r e c o n d i t i o n i ts t a r t sf r o mt h e a n g l eo fp r o d u c t i o n p r o c e s si n t e g r a t e d a u t o m a t i z a t i o n i tw a si m p o l d e r e da c c o r d i n gt o t h e p r i n c i p l e o f d e c o m p o s e a n d c o r r e s p o n d i n s y s t e m se n g i n e e r i n g i tt a k e s m i c r o p r o c e s s o r a si t s c o r e t o d a y ，d c s i s l e a d i n g t h et i d eo ft h ec o n s e c u t i v e p r o d u c t i o n p r o c e s sc o n t r 0 1 i ti s a b r o a da p p l i e di nd i v e r s i f i e dp r o d u c t i o n p r o c e s s e s ， s u c ha se l e c t r i c p o w e rp l a n t ，p e t r o l e u mp l a n t ，c h e m i c a l p l a n t ，m e t a l l u r g yp l a n t b u i l d i n gm a t e r i a l sp l a n ta n dp h a r m a c yp l a n t i nt h ee l e c t r i cp o w e rf i e l d ，r e c e n ty e a r s n o to n l ym o s tn e wp o w e rg e n e r a t i n gu n i t sb u ta l s om a n yo l dp o w e rg e n e r a t i n gu n i t s a p p l y t h et e c h n o l o g yo fd c st oi m p r o v et h ec o n t r o ls y s t e m t h e p a p e rc o m b i n i n gt h ee n g i n e e r i n gt h a tb e n g a n gp o w e rp l a a ta p p l i e dd c s t o i m p r o v ei t s n o 2 1b o i l e r sc o n t r o ls y s t e md i s c u s s e st h ee n g i n e e r i r t gd e s i g ns t e p so f d e s t h e c h a p t e ro n ei n t r o d u c e st h eg e n e r a l s i t u a t i o no fd c sa n di t s d e v e l o p m e n t h i s t o r ya n dt r e n d i ti n t r o d u c e st h eb a c k d r o po ft h ee n g i n e e r i n ga n dt h es i g n i f i c a n c e t h a to l dp o w e rp l a n t sa p p l yd c st oi m p r o v eo l dp o w e rg e n e r a t i n gu n i t s t h ec h a p t e r t w ob r i e fi n t r o d u c e st h ed c s s t r u c t u r e f u n c t i o n ，c h a r a c t e r i s t i c ，d i s t r i b u t e df a s h i o n a n di t ss o f t w a r ea n dh a r d w a r e t h ec h a p t e rt h r e ec o m b i n i n gt h ee n g i n e e r i n go f b e n g a n gp o w e rp l a n td i s c u s s e sd c s g e n e r a ld e s i g ns t e p sa n ds y s t e 】i 1 m o d e ls e l e c t i n g m e t h o d t h eg e n e r a l d e s i g nb r i n g s f o r w a r dt h e g e n e r a l d e m a n dt o i m p r o v e m e n t e n g i n e e r i n go fd c s i to r d a i n st h ec o n t r o lb o u n d ，c o n t r o ld e p t ha n dc o n t r o lm o d e i t i i i 东北大学硕士学位论文a b s 丁r a c i d i s c u s s e st h eg i s to f s e l e c t i n gs y s t e mm o d e l i tg i v e st h em e t h o d o f e v a l u a t i n gs y s t e m t h ec h a p t e rf o u ri n t r o d u c e st h eh a r d w a r eo fa p a c st h a ti tw a s a p p l i e d i nt h e e n g i n e e r i n g ，c o m b i n i n gt h ee n g i n e e r i n gf a c ti td e t a i l e dd i s c u s s e sd c s s o f t w a r ea n d h m l d w a r ei n i t i a ld e s i g n t h ec h a p t e rf i v eb r i e fi m r o d u c e sa p a ( ：s s o f t w a r e i td e t a i l e d i n t r o d u c e st h es y s t e mc o n f i g u r a t i o nm e t h o da n ds t e p so f p r o c e s sc o n t r o ls t a t i o na n d m m i ( m a nm a c h i n ei n t e r f a c e ) t h ec o n f i g u r a t i o no fp r o c e s sc o n t r o ls t a t i o ni n c l u d e s h a r d w a r e c o n f i g u r a t i o n a n dc o n t r o l c o n f i g u r a t i o n m m ic o n f i g u r a t i o n i n c l u d e s m m l 一d a t a b a s e c o n f i g u r a t i o n a n d p r o c e s sp i c t u r e sc o n f i g u r a t i o n i tg i v e ss o m e e x a r a p l e so fc o n f i g u r a t i o n t h ec h a p t e r s i xg i v e st h ec o n c l u s i o no ft h ee n g i n e e r i n ga n d t h es u g g e s t i o no ff u r t h e ri m p r o v e m e n t k e y w o r d s ：d c s ，p o w e rp l a n t ，b o i l e r , c o n t r o lt e c l m o l o g y , p r o c e s sc o n t r o l ，a p p l y i n g d e s i g n i v 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的 说明并表示了谢意。 本人签名：t e 誓 日期：，知p 3 孽2 1 7 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 序言 第一章绪论 机电一体化技术又称机械电子技术，是机械技术、电子技术和信息技术有机 结合的产物。生产过程的机电一体化是机电一体化技术的两大分支之一，根据生 产过程的特点( 如生产设备和生产工艺是否连续) 又可划分为离散制造过程的机 电一体化和连续生产过程的机电一体化。热力发电厂的生产过程是典型的连续生 产过程，现代化的热力发电厂生产过程控制具有典型的连续生产过程机电一体化 的特征。 分散控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，简称d c s ) 是生产过程监视、控 制技术的发展和计算机与网络技术应用的产物。国外称分散控制系统为4 c 技术的 产物。这4 c 技术就是指控制( c o n t r 0 1 ) 技术、计算机( c o m p u t e r ) 技术、通信 f c o m m u n i c a t i o n ) 技术和c r t ( c a t h o d er a yt u b e ) , 显示技术。分散控制系统就是以大 型工业生产过程及其相互关系日益复杂的控制对象为前提，从生产过程综合自动 化的角度出发，按照系统工程中分解与协调的原则开发出来的，以微处理机为核 心，结合了控制技术、通信技术和c r t 显示技术的新型控制系统。 d c s 是纵向分层、横向分散的大型综合控制系统。它以多层计算机网络为依 托，将分布在全厂范围内的各种控制设备和数据处理设备连接在一起，实现各部 分的信息共享和协调工作，共同完成各种控制、管理及决策功能。 热力发电厂的生产过程控制系统是指热工控制系统，它是伴随着电能需求的 日益增加、单机容量的不断扩大和自动化技术在热力发电厂中应用的深度与广度 与日俱增而发展起来的。随着自动控制理论的发展，新的自动控制技术的出现， 特别是计算机工业的兴起与发展，使得包括热力发电厂热工自动控制系统在内的 过程控制系统跨入了计算机控制时代。数字计算机应用于工业自动化领域，它运 算速度快、精度高、逻辑判断能力强，所以其控制功能比常规调节器要强得多。 而d c s 系统作为计算机控制系统的后起之秀更为生产过程的自动控制提供了强有 力的控制手段。它不仅具有计算机控制系统的各项优点，而且因为采用了分级递 阶结构，使系统功能分散、危险分散，大大提高了系统的可靠眭和灵活性。近蝗 年来不仅新建的大型发电机组几乎无一例外的应用了d c s 技术，老机组的热工控 制系统改造也大多采用了d c s 系统。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 国内外概况及发展趋势 五十年代计算机开始进入工业过程控制领域，但由于当时计算机技术的限制 及控制模式的不足，在过程控制领域没得到大的发展。1 9 7 5 年美国h o n e y w e l l 公 司成功的推出了世界上第一套分散控制系统( d c s ) ，随着计算机技术、通信技术、 控制技术、大规模集成电路技术、图形显示技术、多媒体技术、人工智能技术及 其它高新技术的发展，分散控制系统历经几代变迁，已成为工业过程控制、管理 和决策的核心，广泛应用于电力、石油、化：【、- 冶金、建材、制药等行业的各种 生产过程。分散控制系统在保持生产过程的安全稳定，提高一- - 。c ：u - 系统的经济效益， 实现全厂范围内的优化运行，并且在管理层的决策支持方面发阵着越来越重要的 作用。 国际上比较著名的d c s 生产厂商有霍尼韦尔公司、福克斯波罗公司、贝利公 司、利兹若思拉普公司、西门子公司、日本横河公司、西屋公司、摩尔公司等。 这些公司大多在中国大陆都有分公司或代理商。在我国各行业中投入使用的d c s 系统大多为这些公司的产品。 随着改革开放，d c s 技术在八十年代进入中国市场，截至2 0 0 1 年底，我国各 行业共计应用d c s4 2 0 0 余套。通过合资合作等方式，现在一批国内公司已具备了 独立自主研发、生产能力。如新华控制工程有限公司在其十余年实际应用和国产 化经验基础上升级开发的x d p s - - 4 0 0 ，在短短的两年中。就在国内一百多个新建 电厂和老电厂改造项目及造纸、冶金、化工等行业的几十个项目中得到了实际应 用，从中小型机组到3 0 0 m w 、6 0 0 m w 机组。最新的x d p s - - 4 0 0 在系统软件、硬 件和系统可靠性方面也已经达到了进口d c s 的水平。当前国内还有北京和时利、 中国电科院、龙源电力科技等单位开发了自己的d c s 系统。 d c s 系统的发展主要有以下一些特征： ( 1 ) 传统的分散控制系统采用水平分散式或层次分散式的系统结构，只具有自 律可控性，不具有自律可协调性，发生局部故障时，整体功能要下降：最新提出的 自律分散控制系统具有自律可协调性，局部发生故障时整个系统应可协调控制。 ( 2 ) 随着计算机硬件的发展，d c s 的硬件水平越来越高，如新华的x d p s - - 4 0 0 控制模件已经应用p e n t i u m 2 3 3 c p u3 2 mr a m ，霍尼韦尔公司的i l o 模件上已经应 用3 2 位的c p u 。液晶显示器、大屏幕也得到了越来越多的应用。 ( 3 ) 大量采用标准化、通用化技术。分散控制系统中的硬件平台、软件平台、 组态方式、通信协议、数据库等各方面都将采用标准化和通用化技术，使分散控制 系统的开放程度大大提高，系统的制造、开发、调试和维护费用大大减少。 2 东北大学硕士学位论文第一章绪论 ( 4 ) 网络由传统的d c s 制造商自行开发专用计算机网络向采用标准化的网络 发展。将管理信息系统m i s 与d c s 相结合的一体化的信息网络是今后发展方向。 ( 5 ) 人工智能技术将越来越多的应用到d c s 中，以人工智能方法为基础的各 种控制方案会不断出现。 ( 6 ) 随着技术的进步及激烈的市场竞争，d c s 的应用将越来越，1 一泛，在电力行 业，d c s 早已不是大机组的专利，越来越多的中小机组已经应用了d c s 技术。 1 3 d c s 在国内电力行业应用情况 由于电力行业的高度安全可靠性要求，在我国d c s 进入电厂比冶金、化工行 业要滞后几年。一九八五年后，才在成套引进的发电机组中配供_ 了多套d c s ，一 九八七年，作为原电力部计算机监控科研试点的望亭电厂等项目投运成功，为d c s 在中国电厂的推广应用起了一个良好的开端。从8 0 年代末起国内新建的2 0 万以 上的大型发电机组均采用了d c s 技术。随着电网对发电质量要求的提高，9 0 年代 电力行业开始对采用常规控制系统的大中型机组进行d c s 改造，如原东北电管局 所属的几十台2 0 万k w 机组在2 0 0 0 年之前全部完成了控制系统的d c s 改造。从 本世纪丌始几乎所有新建的小型发电机组采用了d c s 技术，部分5 万k w 、2 5 万 k w 的老机组应用d c s 进行了控制系统的改造。据统计，截至2 0 0 1 年底，在电力 行业共应用d c s6 7 9 套。 1 4 锅炉生产工艺简介 在火力发电厂中，锅炉担负着将燃料的化学能转化为蒸汽的内能的作用，是 电厂的三大主体设备之一。锅炉可以分为锅和炉两个部分，锅的部分是汽水部分， 炉的部分是燃烧、烟风部分。 图1 1 简单表示了一台普通电站锅炉的二 艺流程( 不同型号略有差异) 。 ( 1 ) 炉侧流程 原煤通过输煤皮带l 进入原煤仓2 中，由给煤机3 按需要量送入磨煤机4 中， 磨制的煤粉经燃烧器8 送入锅炉炉膛9 ，煤粉在炉膛中燃烧后形成烟气经屏式过热 器1 5 、对流过热器1 6 、再热器1 7 、省煤器1 8 、空气预热器1 9 ，出锅炉本体后， 进入除尘器2 1 ，再由引风机2 2 ，送到烟囱2 3 排入大气。 燃烧及制粉系统所需的空气由鼓风机2 0 将空气打入空气预热器1 9 ，一部分送 入磨煤机作为燃料的干燥剂和部分作为输送煤粉的一次风，在进入磨煤机前的管 道5 上另分一股管道7 ，将热空气作为二次风送入燃烧器，、二次风进入炉膛与 燃料发生作用，燃烧形成烟气。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 图1 1 电站锅炉系统图 f i 9 1 1 t h e s y s t e mf i g u r eo fp o w e rp l a n tb o i l e r 1 一输煤皮带；2 一煤斗；3 一给煤机；4 一磨煤机；5 一一次风道；6 一水冷壁 下集箱；7 一二次风道；8 燃烧器；9 一炉膛；1 0 一下降管；1 1 一水冷壁；1 2 炉 墙；1 3 一水冷壁上集箱；1 4 一汽包；1 5 一屏式过热器；1 6 一对流过热器： 1 7 一再热器；1 8 一省煤器；1 9 一空气预热器；2 0 一送风机；2 l 一除尘器；2 2 引 风机；2 3 一烟囱：2 4 一灰渣沟；2 5 一排渣机； 炉膛中，燃料在燃烧中形成的渣落入锅炉下部的渣池，经除渣设备除去，燃 烧中形成的灰，随烟气流走或是在某些部位沉积下来或分离出来，其余部分随烟 气进入除尘器除去，尚未除去的细灰则随烟气排入大气。 ( 2 ) 锅侧流程 给水首先进入省煤器1 8 吸热，然后进入汽包1 4 ，进入汽包的水与来自上升管 水冷壁1 1 中的汽水混合物分离出的水混合后，由下降管l o 进入水冷壁管1 1 的下 集箱6 ，然后进入水冷壁管1 l ，在水冷壁管中接受炉膛的辐射热量，来自汽包的 水进一步加热并蒸发形成汽水混合物，在压差的作用下，汽水混合物回到汽包， 进行汽水分离，分离出的水与来自省煤器的水混合再进入下降管，重复上述循环。 分离出来的蒸汽由汽包进入炉膛顶部的顶棚管，蒸汽出顶棚管后进入低温过热器 1 6 ，出低温过热器后进入屏式过热器1 5 ，使蒸汽进一步过热；再进入高温过热器， 加热到所要求的蒸汽温度后出过热器离开锅炉，进入汽轮机作功。 为满足连续的电力生产的需要及保证设备的自身安全，需要对锅炉的一些运 行参数进行不断的调节及控制，如调整锅炉出口的汽温，以保汪设备的安全；渊 整进入锅炉的燃料量，以使蒸发量满足电负荷的需要；调整合透的供风量，以提 高锅炉效率等等。 - d - 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 5 课题实施背景及意义 本钢发电厂是国有特大型钢铁联合企业本溪钢铁有限责任公司的自备发电 厂，它是本钢的重要能源介质单位，除担负着年发电1 5 5 亿k w h 的任务外，还负 责向其它厂矿供风、供热、供软化水的任务，被誉为本钢的，b 脏。 本钢发电，+ 共装有1 5 台锅炉、9 台汽轮发电机和4 台汽轮鼓风机。除2 0 0 1 年 投产的6 号汽轮鼓风机外其它设备均为老设备，有五十年代f i _ i 苏联的和国内仿制 锅炉和机组，有七、八十年代的国产机组，自动化控制水平都比较低，随着时代 的发展，不仅从技术上说已经大大落伍，而且在一定程度 二已经不能满足本钢生 产、发展的要求，因控制系统原因出现事故影响生产的事时有发生。因此对老设 备的技术改造势在必行。 本钢发电厂的高压车间( 新发电) 装有四台w g z 2 2 0 t h 高温高压锅炉，两台 c c 5 0 9 0 13 1 2 型双抽汽轮发电机组和一台b 2 5 背压发电机组，投产于八十年代 末、九十年代初。这个车间的设备有一定的自动化装备基础，通过d c s 技术改造， 控制系统可以达到当前较先进的水平，不仅可以使自动化水平得到大大的提高， 并可为厂级管理的信息化工作打下一定基础。 2 1 号锅炉控制系统原采用的是常规仪表，自动调节采用单回路调节器实现， 原设计有十余台单回路调节器；联锁保护系统用继电器实现。投产十余年来，由 于诸多原因，大部分自动凋节已经不能投入，锅炉的调整完全依靠操作人员的手 动控制；联锁保护系统也经常出现误动或拒动，许多监测仪表也坏掉了。监控系 统的这种状况不仅使锅炉运行的经济性大大下降，操作人员的劳动强度增加，也 时刻威胁着设备的安全稳定运行。因此本锅炉的控制系统必须进行大修或改造， 以恢复炉组的性能。如按原设计进行大修恢复，虽然在投资上略有优势，但技术 上没有进步，由于常规仪表的可靠性不高，自动调节的投入率不会很高，也不利 于电厂的管理水平的提高。而应用d c s 进行控制系统改造具有很多优点。 应用d c s 进行改造的优点和意义是： ( 1 ) 计算机本身可靠性高，可以依靠计算机监控来保证锅炉的安全、稳定运 仃。 ( 2 ) 投入率。 ( 3 ) 化控制， ( 4 ) 在丰富的软件系统的支持下，控制方式完善、灵活，可提高自动调节的 可以应用计算机的强大的计算能力来实现复杂的控镀l ，如燃烧系统的优 提高经济效益。 减少运行和设备事故，延长主体设备使用寿命。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 ( 5 ) 改善运行条件，减轻操作人员的劳动强度。 ( 6 ) 为电厂应用m i s 系统，提高电厂的管理水平奠定了基础。 ( 7 ) 可以为其它设备的控制系统改造工作积累经验，以提高电厂的自动化水 平。 综合以上因素，发电厂决定对2 1 号锅炉的控制系统进行d c s 改造。d c s 改 造的目标是： ( 1 ) 改造后2 1 号锅炉原设计的自动调节项目在现场设备完好的前提下能1 0 0 投入。 ( 2 ) 各项联锁及联锁保护不应出现误动或拒动现象。 ( 3 ) 能计算出锅炉效率等经济指标及进行炉组性能优化管理。 ( 4 ) 综合自动化水平接近或达到当前新安装的同等级锅炉自动化水平。 ( 5 ) 在大修改造后，若锅炉本体及附属设备达到原设计标准，d c s 系统投入后 保证锅炉能达到原设计的锅炉效率。 1 6 本文主要工作 论文的主要工作有： ( 1 ) 对d c s 的特点、结构、功能、现状及发展趋势进行了研究。 ( 2 ) 结合本钢发电厂2 l4 锅炉控制系统应用d c s 改造，对d c s 改造工程进行 了总体和初步设计。设计了d c s 选型原则和方法，设计了本工程的控制策略，编 制了模拟量控制说明，设计调节系统的系统框图和顺序控制系统的逻辑框图。 ( 3 ) 根据设计的控制策略和框图进行了控制站的控制组态及人机接口的数据 库、流程图的组态。 ( 4 ) 对工程进行了总结，得出了具有一定执导意义的结论，给出了今后改造建 议。 - 6 东北大学硕士学位论文第二章分散控制系统( d c s ) 第二章分散控制系统( d c s ) 2 1 d c s 的体系结构 2 1 1d c s 的组成 图2 1 分散控制系统的组成 f 电2 1 t h e c o m p o s e i n g o fd c s d c s 虽然类型众多，但其组成一般都如图2 i 所示。其中的现场控制站和过程监测站属于 分散控制部分，工程师站、操作员站、管理计算机和显示装置属于操作管理部分，分散控制 部分和操作管理部分通过计算机网络连接成一个整体。 分散控制装置包括现场控制站和过程监测站，该类装置与生产过程直接发生 信息交换。生产过程中的各种参量由传感器接受并转换送给过程嗡测站作为控制 和监测的依据，而各种操作( 往往是控制系统的控制输出) 通过现场控制站送到 各执行机构。有关信号的模拟量和数字量的转换、各类基本控制算法也在分散控 制装置中实现。 操作管理装置包括工程师站、操作员站、管理计算机和显示装置，这类装置 与操作人员、管理人员直接发生信息交换。操作人员由该类装置观测生产过程的 状态，并通过操作管理装置发出命令，干预生产过程。 通信系统即计算机网络部分，它将各类装置连接成为个有机的整体，实现 操作管理装置和分散控制装置之间的资料交换和传递，办调他们之间的工作，使 整个系统即能分散控制，又能集中管理，以完成复杂工业过程的控制和管理任务。 7 东北大学硕士学位论文 第= 章分散控制系统( d c s ) 2 1 2d c s 的功能结构 d c s 是纵向分层、横向分散的大型综合控制系统。它以多层计算机网络为依托， 将分布在伞厂范围内的各种控制设备和数据处理设备连接在一起，实现各部分的 信息共享和仂调工作，共同完成各种控制、管理及决策功能。 图2 2 所示为一个分散控制系统的典型结构，系统中所有的设备分别处于四 个不同的层次，自下而上分别是：现场级、控制级、监控级和管理级。对应着这 四层结构，分别由四层计算机网络即现场网络f n e # ( f i e i d n e t w o r k ) 、控制网络 c n e t ( c o n t r o ln e t w o r k ) 、监控网络s n e t ( s u p e r v i s i o nn e t w o k ) 和管理网络 m n e t ( m a n a g e m e n tn e t w o r k ) 把相应的设备连接在一起。 i 一雠窜。 过程控制站r 。；i i 订数据采曩站厂；i 1 石 掣“。掣。 i 嘲离离 i 苎型苎垂i 乜塑苎到i 塑望兰墨i 1 1 1 1 r 1 _ 广 i 2 1 2 1 现场级 图2 2 分散控制系统的典型结构 f i g 2 2t h e t y p i c a ls t r u c t u r eo f d c s 现场级设备一般位于被控生产过程附近。典型的现场设备是各类传感器、变 送器和执行器，他们将生产过程中的各种物理量转换为电信号，送往控制站或数 据采集站，或者将控制站输出的控制变量转换成机械位移，带动调节机构，实现 对生产过程的控制。 2 1 2 2 控制级 控制级主要由过程控制站和数据采集站构成。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，并回送 到现场的执行器中去。过程控制站可以同时完成连续控制、顺序控制或逻辑控制 8 一 缓 一 缓 一 蛆 一蛾一 一蜊 一雌一 洲 i 霎一 东北大学硕士学位论文第二章分散控制系统( d c s ) 功能。 数据采集站与过程控制站类似，也接受由现场设备送来的信号，并列其进行 一些必要的转换和处理之后送到分散控制系统中的其它部分，主要是监控设备中 去。数据采集站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 采集站不直接完成控制功能，这是它与过程控制站的主要区别。 2 1 2 3 监控级 监控级的设备主要有运行员操作站、工程师工作站和计算站。其中运行员操 作站安装在中央控制室，工程师工作站和计算站般安装在电子发备室。 运行员操作站是运行人员与分散型控制系统的人机接口设备。运行人员通过 运行人员操作站来监视和控制整个生产过程，可以随时进行手动自动控制方式的 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。 工程师工作站是为了控制工程师对分散控制系统进行配置、组态、调试、维 护所设置的工作站，其另一个作用是对各种设计文件进行归类和管理，形成各种 设计文件，如各种图纸、表格等。 计算站的主要任务是实现对生产过程的监督控制，如机绍的运行优化、性能 计算、先进控制策略的实现等。 2 1 2 4 管理级 管理级包含的内容比较广泛，它可能是一个发电厂的厂级管理计算机，也可 能是若干个机组的管理计算机。它所面对的使用者是厂长、经理、总工程师、值 长等行政管理或运行管理人员。主要任务是监测企业各部分的运行情况，利用历 史资料和实时数据预测可能发生的各种情况，从企业全局利益出发辅助企业管理 人员进行决策，帮助企业实现其规划目标。 2 1 3d c s 的网络体系 在d c s 中，依靠计算机局域网络完成数据通信，除一般网络的安全可靠性要 求外，d c s 中的局域网络应能满足以下特殊要求： 实时性好，能适应工业实时控制的需要。 能适应恶劣的工业现场环境。 下面介绍d c s 的网络体系。 ( 1 ) 网络的拓扑结构 所谓网络的拓扑结构是指网络上的各个部分( 站) 的连接方式，局域网络常 采用的拓扑结构有总线型、环型、和星型三种。如图2 3 所示。 总线型。在这种结构中，网络上所有站都通过硬件接口直接连接到总线 9 东北大学硕士学位论文第二章分散控制系统( d c s ) 上，任何一个站发送的数据都在总线上传播，并能被所有的其它站所接受。这种 结构的网络又称为广播式网络。在网络上可以增加新站或撤销故障站，而不影响 f ) | | 络的正常工作。由于所有站共享一条传输通路，故在同一时刻只能有一个站发 送数据。总线型结构是分散控制系统采用的最多的一种网络拓扑结构。 导 【a j 总线型f b ) 环型( c ) 星型 图2 3 网络拓扑结构 f i g 2 3t h e t o p o l o g ys t r u c t u r eo fn e t w o r k 环型。在这种结构中所有站都通过点对点链路相连，并形成封闭的环。 一个站发送的信息只能传送到下一个站，若该站不是目的站，再向下传送，直到 到达目的站为止。因为数据有序流动，故其控制较总线型简单，其可靠性也较高。 缺点是一个站的故障可能会影响网络的通信，为解决这个问题，常采用双环冗余 结构。另外环形结构在节点数量太多时会影响通信速度，且环是封闭的，不便于 扩充。 星型。星型网设中央站，各站交换信息均通过中央站，中央站一旦发生 故障，整个通信系统就会瘫痪。因此它不符合d c s 危险分散设计思想，在d c s 中很少采用。 ( 2 ) 传输介质 网络需要的传输介质应满足传输特性( 包括容量和频率范围等) 优良、连接 简便、传输距离符合要求以及抗干扰能力强等方面的要求，目前在d c s 中常采用 的传输介质有双绞线、同轴电缆和光纤，它们的特点、性能比较见表2 1 。 ( 3 ) 局域网的控制方法 因为在d c s 采用的总线型和环型网络结构中，各站共享一条通信线路，故必 须确定网络的控制方法，即按某种原则决定在某一时刻由哪个站控制网络。在d c s 中网络控制方法有如下两种： 载波侦听多工访问碰撞监测方法( c s m a c d c a r r i e r s e n s e m u l t i p l e a c c e s sw i t hc o l l i s i o nd e t e c t i o n ) 。运行中，每个节点都在“监听”网络，旦“听” 到网络中无信息传送，即控制网络，发送信息。在某一时刻，如有两站或多站同 时发送信息，发生“碰撞”时，这些站将分别等待一个不同的随机时间，再尝试 控制刚络。 这种网络控制属于争用方法，组建灵活，易于扩展，町靠性高，但由于会发 1 0 东北大学硕士学位论文第二章分散控制系统( d c s ) 生碰撞，故在重载时，响应时间氏，实时性差。 表2 1 传输介质性能、特点 t a b l e2 1t h e c a p a b i l i t ya n dc h a r a c t e r i s t i co f t r a n s f e r s m e d i u m 心 双绞线同轴电缆光缆 传输线价格较低较高较高 连接器件和支持电路的价格低较低 如采用屏蔽措施，则 抗干扰能力很好特别好 比较好 标准化能力高较高低 敷设简单稍复杂简单 同普通导线一样简需要专用的连接需要很复杂的连接 连接 苣 器器件和连接- l 艺 总线型或环垂! 网主要片j 于环型网络 适用于网络类型环型或总线型网络 络 特别好，耐高温， 对环境的适应性较好较好 适用各种恶劣环境 令牌传送方法( t o k e np a s s i n g ) 。令牌是一种二进制码，网上节点按用户 组态决定的逻辑次序排队，令牌按此逻辑次序传送，只有得到令牌的节点才有权 控制网络。 这种逻辑控制方法提供了各站的优先级别，实时性好，对噪声不敏感。但控 制起来比较复杂，扩展不易，另外令牌可能丢失，可靠性差。 ( 4 ) 局域网络使用的通信协议 网络通信必须规定通信协议，以实现通信的控制和数据的传送，保证数据正 确地发送和接收。网络通信协议均采用分层结构，每层完成一定功能，且高一层 数据不含低层协议控制信息，这样，低层实现方法的变化不影响高一层功能的执 行。 在d c s 的发展中，网络咖议的标准化受到生产厂家和用户的普遍重视。标准 化的网络协议应遵循通信任务应具有的体系结构，这一体系结构即是国际标准化 组织( i s o ) 提出的开放系统互连( o s i ，o p e ns y s t e mi n t e r c o n a e c t i c n ) 参考模型，如 图2 4 所示。它定义了不同计算机连接在一起的结构框架。针对局域网的情况，i e e e ( 电气和电子工程师协会) 计算机学会制定了i e e e s 0 2 标准，实现了o s i 参考模 型中的低层协议。d c s 中的网络属于工业环境下的局域网络，美国的 m a p ( m a n u f a c t u r ea u t o m a t i o np r o t o c 0 1 ) 集团制定的m a p 协议对d c s 网络踟议的标 准化产生了深刻影响。此外，近年来由于计算机网络技术的发展，各种网络的性 东北大学硕士学位论文第二章分散控制系统( d c s ) 能不断提高，在公用网络中广泛应用的以太网和t c p i p 协议i 土! _ 在d c s 中获得了 广泛应用。 应_ _ f 】层应用层 表达层 一 同 一 会话层 二 固 二卜妥甍争一 l传揄屏 i 一 l 仕揣岸 网络层 一幢：一i网略犀 链路层 一 一 链路层 物理层 一 0 )i 物l 删屡 率撇唾骂 li 通信嘲络 l 2 2d c s 的特点 图2 4i s o o s i 参考模型 f i g 2 4t h er e f e r e n c em o d e lo fi s o o s i 由于分散控制系统采用了先进的计算机控制技术和分级分布式的结构，所以 与常规控制系统和集中式控制系统相比，它具有很多优点。 ( 1 ) 适应性和扩展性 分散控制系统适应性很强。分散控制系统在结构上采用了常规控制系统的模 块化设计方法，无论是硬件还是软件都可以根据实际需要去灵活的加以组合。对 于小规模的生产过程，可以只用一、两个过程控制站或数据采集站，配以简单的 人机接口装置，即可以实现生产过程的直接数字控制。对于大规模的生产过程， 可以采用几十个、甚至上百个过程控制站或数据采集站以及各种实现优化控制任 务的高层计算站和运行员操作站、工程师工作站等人机接口漫备，组成一个具有 管理和控制功能的大型分级计算机管理控制系统。 模块化设计方法带来的另一个优点是系统的扩展性。分散控制系统可以随着 生产过程的不断发展，逐渐扩充系统的硬件和软件，以期达到更大的控制范围和 更高的控制水平。其可扩展性具有两个明显的特征：一个是它的递进性，即扩充 新的控制范围或控制功能时，并不需要摈弃已有的硬件和软件；另一个是它的整 体性，系统在扩展时，并不是让新扩充的部分形成一个与原有部分毫无联系的孤 岛，而是通过通信网络把他们联系起来，形成一个有机的整体。这一点对于现代 化的大型工业生产过程来说尤为重要。 1 2 东北大学硕士学位论文第二章分散控制系统( d c s ) ( 2 ) 控制能力 常规控制系统的控制功能是用硬件实现的，因而要改变系统的控制功能，就 要改变硬件本身，或者改变硬件之间的连接关系。在分散控制系统中，控制功能 主要是出软件实现的，因此它具有高度的灵活性和完善的控制能力。它不仅能够 实现常规控制系统的各种控制功能，而且还能完成各种复杂的优化控制算法和各 种逻辑推理及逻辑判断。它不但保持了数字控制系统的全部优点，而且解决了集 中式计算机控制系统由于功能过分集中所造成的可靠性的问题。因此，它的控制 能力是常规控制系统所无法比拟的。 ( 3 ) 人机联系手段 分散控制系统具有比常规控制系统更先进的人机联系手段，其中最重要的一 点就是采用了c r t 图形显示和键盘操作。 与常规控制系统相比，在分散控制系统中，由于采用了c r t 显示和键盘操作 技术，人机联系手段得到了根本的改善。运行人员可以随时凋用他所关心的显示 画面来了解生产过程中的情况，同时运行人员还可以通过键盘输入各种操作命令， 对生产过程进行干预。也就是说分散控制系统的人机联系手段是双向集中的。另 一个好处是键盘操作使许多操作过程得到统一，大大减少了误操作的可能性。 ( 4 ) 高可靠性 分散控制系统的可靠性比任何一种控制系统的可靠性都要高，这主要反映在以 下几个方面； 由于系统采用模块化结构，每个程控站仅控制几个控制回路，个别回路或 单元故障不会影响全局，而且元器件的高度集成化和严格的筛选有效地保证了控 制系统的可靠性。 分散控制系统广泛的采用了各种冗余技术，例如，电源、通信系统、程控 站等都采用了冗余技术。 分散控制系统采用软件模块组态方法形成各种控制方案，取消了常规系统 中各种模件之间的连接导线，因此，大大地减少了由连接导线和连接端予所造成 的故障。 ( 5 ) 可维修性 分散控制系统的可维修性明显优于常规控制系统和集中式控制