企业培训_dcs基础知识培训讲义

DCS基础知识 DCS是分布式控制系统 DistributedControlSystem 的英文缩写 在国内自控行业又称之为集散控制系统 是以微处理机为基础 以危险分散控制 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 DCS系统的理念是 分散控制 集中管理 尽量将控制所造成的危险性分散 而将管理和显示功能集中的一种自动化控制系统 DCS的概念 带I O部件的控制器 控制器I O部件直接与生产过程相连 接收现场设备送来的信号 通讯网络 通讯网络将控制器和人机接口联系起来 形成一个有机的整体 人机接口 HMI 人机接口是操作人员与DCS相互交换信息的设备 DCS的系统结构 DCS产生 上个世纪20年代算起 那时的过程控制系统为简单系统 仪表是基地式 大尺寸的 到二战前后 气动单元组合仪表 QDZ 和电动单元组合仪表 DDZ 成为当时控制仪表的主流 上个世纪70年代 数字计算机进入到了工业控制领域 产生了第一代控制系统 计算机集中控制系统CCS ConcentratedControlSystem CCS控制直接面向被控对象 集中了控制的同时也集中了危险 CCS之后几年 DCS出现 DCS的系统结构 DCS的硬件设备 DCS系统的构成作为一种纵向分层和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的数据处理设备连接在一起 实现各部分信息的共享的协调工作 共同完成控制 管理及决策功能 其硬件设备由管理操作应用工作站 现场控制站和通信网络组成 DCS的硬件设备 管理操作应用工作站包括工程师站 操作员站 历史数据站等各种功能服务站 工程师站 ES 提供技术人员生成控制系统的人机接口 主要用于系统组态和维护 技术人员也可以通过工程师站对应用系统进行监视 操作员站 OS 提供技术人员与系统数据库的人机交互界面 用于监视可以完成数据的状态值显示和操作员对数据点的操作 历史站保存整个系统的历史数据 供组态软件实现历史趋势显示 报表打印和事故追忆等功能 DCS的硬件设备 现场控制站用于现场信号的采集处理 控制策略的实现 并具有可靠的冗余保证 网络通信功能 通信网络连接分散控制系统的各个分布部分 完成数据 指令及其它信息的传递 为保证DCS可靠性 电源 通信网络 过程控制站一般都采用冗余配置 DCS的网络分级体系 早期的DCS系统的通讯网络都是专用的 DCS有几级网络 完成不同模件之间的通讯 从目前的情况来看 DCS的最多网络级有四级 它们分别是I O总线 现场总线 控制总线和DCS网络 其网络结构图如下 DCS的网络分级体系 早期的DCS系统的通讯网络都是专用的 DCS有几级网络 完成不同模件之间的通讯 从目前的情况来看 DCS的最多网络级有四级 它们分别是I O总线 现场总线 控制总线和DCS网络 其网络结构图如下 把多种I O信号送到控制器 由控制器读取I O信号 I O模件之间并不交换数据 I O总线包括并行总线和串行总线 I O总线的传输速率是不高的 从几十K到几兆不等 为了快速 最好是并行总线 采用并行总线 其I O模件必须与控制器模件相邻 若采用串行总线 I O模件和控制器之间的距离也要比较近才行 通常把控制器模件和I O模件装在一个机柜内或相邻的机柜内 DCS的网络分级体系 I O总线 现场总线是90年代初发展起来的 远程I O应该采用现场总线 如CAN LONWORKS HART总线等 在DCS系统中 远程I O采用HART总线比较多 比如现场的变送器 距离控制器机柜比较远 常把16个变送器来的信号编成一组 用HART总线把信号送到控制器 控制器同时读进16个变送器来的信号 采用现场总线 控制器和变送器两者距离可达1公里以上 DCS的网络分级体系 现场总线 DCS的网络分级体系 控制总线 把完成不同任务的几种控制器连在一条总线上 实现控制器之间的通讯 称为控制总线 在控制总线上的不同控制器的数量不受限制 在这一条总线还有DCS网络的接口模件 在控制总线上 控制器之间可以调用数据 使得模拟量和开关量之间的结合很好 控制总线不是DCS系统都具有 可以把各种控制器分别连到DCS网络上 控制器之间的数据调用通过DCS网络 控制总线的传输速率与I O总线的传输速率相类似 通常是几十K到几兆之间 当CPU和存储器的能力比较强时 把开关量的逻辑运算和模拟量的采集功能都在一个控制器中完成 这样在控制总线上就只有一种形式的控制器 DCS的硬件的网络分层结构 DCS网络系统可分为过程控制级 控制管理级 生产管理级三个分级 第一层过程控制级主要以PLC或I O模块通过现场总线构成对现场设备的基本控制 第二层是控制管理级 即以监控计算机通过工控网络与PLC或I O模块相连 实现对流程设备的上位机监控 第三层为生产管理层 即以文件服务器 管理计算机极其工业局域网与监控计算机相连 随时读取现场信息实现上层的生产管理 这种系统的构成 对于某个局部的不可靠 从而使对整个系统构成损害的概率降的很低 加之各种软硬件技术的不断走向成熟 极大地提高了整个系统的可靠性 因而DCS成为了当今工业自动控制系统地主流 它把现场控制器和人机界面连成一个系统 为了确保通讯可靠 DCS生产厂家无论是电缆 还是通讯接口 都作成冗余的 一条网络发生故障 另一条备用网络立即投入运行 连在DCS通讯网络上的部件称为结点 节点 在地理位置上 结点可以分散配置 各结点的距离各DCS系统不同 有的可达几百米 DCS网络的传输速率在几百K至一百兆之间 网络的总长度可达几公里 最短也有几百米 网络不够长时需加中继器 DCS的网络分级体系 DCS网络 网络结构又称网络拓扑 它是指网络结点的互连方式 在DCS中通常有总线型 环型 星型三种 总线型在逻辑上也是环型的 星型通常只用于小系统 DCS的网络结构形式 所有结点都挂接在总线上 为控制通讯 有的设有通讯控制器 采取集中控制方式 有的把通讯控制功能分设在各通讯接口中 称为发散控制方式 总线型通讯网络的性能主要取决于总线的 带宽 挂接设备的数目及总线访问规程 总线型网络结构简单 系统可大可小 扩展方便 易设置备用部件 安装费用低 某设备故障不会威胁整个系统 是目前广泛采用的一种网络结构 DCS的网络结构形式 总线型 网上所有结点都通过点对点链路连接 并构成一封闭环 工作站通过结点接口单元与环相连 数据沿环单向或双向传输 当然在双向传输时须考虑路径控制问题 环型结构的突出优点是结构简单 控制逻辑简单 挂接或摘除结点也比较容易 系统的初始开发成本以及修改费用较低 环型结构的主要问题是可靠性较差 当结点处理机或数据通道出现故障时 会给整个系统带来威胁 虽可通过增设 旁路通道 或采用双向环形数据通道等措施加以克服 但增加了系统的复杂性 DCS的网络结构形式 环型 星的中心为主结点 其他为从结点 网上各从站间交换信息都要通过主站 这种拓扑结构体现了一种集中式通讯控制策略 主结点负责全部信息的协调和传输 一旦发生故障 殃及整个网络 为了提高可靠性 主结点采用冗余结构 使系统投资较大 DCS的网络结构形式 星型 回路控制器 70年代 因为在现场工作的仪表工程师们对数字控制不太熟悉 希望数字控制的仪表面板作成与原来的模拟仪表的一样 这样就可以不改变操作习惯 另外也是为了危险分散 因而就出现了回路控制器 这些仪表在面板上有过程变量 PV 设定值和控制输出 CO 的棒图 指针式显示的过程值 手 自动切换 报警确认等 80年代出现了双回路 可作两个串级回路 四回路的控制器 32路数据采集器以及无纸记录仪等一系列数字仪表 在面板上仍保留棒图和手 自动切换 用数字显示代替指针显示 这些数字仪表统称为回路控制器 到目前为止 这种仪表种类很多 最有特点的是能与上位 即人机界面 通讯组成一个系统 每一块表可以与现场总线相连 I O可以根据需要扩展 它内部的算法预先用程序作成功能块的形式 存在ROM中 可以按照所要求的控制策略 进行组态 不是编程 数据采集系统 数据采集系统只是把现场信号采集到控制计算机中 在计算机中没有回路控制功能块 只是供人机界面显示 硬件结构上它可以分成三级 也可以是两级 分别是I O板 控制器和人机界面 简单的可以分为I O板和人机界面 DCS控制器中的功能块 DCS采用了先进的计算机技术 通讯技术 CRT技术和控制技术等4C技术 采用数字控制以后 控制器中预先存到ROM中的算法每一种算法代表一种功能 这些功能在模拟仪表中是用模拟线路来实现的 它受到模拟线路的漂移 电阻 电容等器件的限制 而数字控制的算法是用程序实现的 用程序来代替模拟线路所能实现的功能 在理论上是无限的 这是很大的进步 对于各种DCS系统其原理都是一样的 通常称各种算法为功能块 功能块的总成称为功能块库 功能块库中最重要的功能块是PID功能块 它的输出Y t 和输入X t 的关系是比例 积分 微分关系 作为一个DCS控制器 必须具备的功能块有 与硬件连接的功能块通常是4块 这与输入板的类型有关 包括模拟量输入功能块 模拟量输出功能块 开关量输入功能块 开关量输出功能块 每一个功能块必须与特定的端子板连接在一起 如果有接收现场总线的信号 还需要接收现场总线信号的功能块 4块与网络相连的功能块 他们分别是 模拟量网络输入 模拟量网络输出 开关量网络输入 开关量网络输出 其次是PID功能块 站功能块 再其次是算术运算 加 减 乘 除 然后才是函数运算 一次滤波 超前 滞后 二维曲线等 三角几何运算 正弦 余弦 正切 余切等 和三维矩阵运算 一些高级运算 如模糊逻辑 模型控制等是可多可少的 但它们是判断DCS系统功能强弱的标准 至于一些行业的被控对象功能必须有一些特殊的硬件支持 如 电厂的SOE 事件顺序记录 SEQUENCEOFEVENT 功能 必需有快速中断的硬件输入板 DCS控制器中的功能块 DCS的软件特点 如图所示为DCS软件的构成框图和工作原理 从中我们可以发现 它充分体现了DCS的分层网络结构 对于我们来说大量工作集中在工程师站上 而操作员站 服务器站和现场控制站一般都用其专用软件来实现 我们只是学会使用就行了 过程控制系统的发展 50年前 过程控制是基于3 15psi的气动信号标准的基地式气动控制仪表系统 即第一代过程控制体系结构 PCS PneumaticControlSystem 基于模拟电流信号标准0 10mA 4 20mA 的电动单元组合式模拟仪表控制系统 即为第二代过程控制体系结构 ACS AnalogousControlSystem 20世纪70年代 由于使用了数字计算机 从而产生了集中式数字控制系统 即第三代过程控制体系结构 CCS ComputerControlSystem 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 即第四代过程控制体系结构 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体系结构 即现场总线控制系统FCS FieldbusControlSystem 一 DCS充分体现信息化和集成化DCS主要提供工厂 车间 级的所有控制和管理功能 并集成全企业的信息管理功能 信息化体现在DCS系统已经不是一个以控制功能为主的控制系统 而是一个充分发挥信息管理功能的综合平台系统 现阶段DCS的技术特点 1 信息化大部分DCS提供了过去常规DCS功能 SCADA 监控和数据采集 功能以及MES 制造执行系统 的部分功能 现阶段DCS的技术特点 2 DCS的集成性体现在功能的集成和产品的集成 当今的DCS厂商更强调的系统集成性和方案能力 DCS中除保留传统DCS所实现的过程控制功能之外 还集成了PLC 可编程逻辑控制器 RTU 采集发送器 FCS 各种多回路调节器 各种智能采集或控制单元等 此外 各DCS厂商不再把开发组态软件或制造各种硬件单元视为核心技术 而是纷纷把DCS的各个组成部分采用第三方集成方式或OEM方式 现阶段DCS的技术特点 二 DCS变成真正的混合控制系统过去DCS和PLC主要通过被控对象的特点 过程控制和逻辑控制 来进行划分 但是 现在的DCS已经将这种划分模糊化了 几乎所有的DCS都包容了过程控制 逻辑控制和批处理控制 实现混合控制 这也是为了适应用户的真正控制需求 多数的第四代DCS都可以集成中小型PLC作为底层控制单元 现阶段DCS的技术特点 三 DCS包含FCS功能并进一步分散化分布式控制的一个重要优点是逻辑分割 工程师可以方便地把不同设备的控制功能按设备分配到不同的合适控制单元上 这样操作工可以根据需要对单个控制单元进行模块化的功能修改 下装和调试 另一个优点是 各个控制单元分布安装在被控设备附近 既节省电缆 又可以提高该设备的控制速度 现阶段DCS的技术特点 四 DCS进入低成本时代现在DCS的一个显著特征就是各系统纷纷采用现成的软件技术和硬件 I O处理 技术 采用灵活的规模配置 模块化 明显地了降低系统的成本与价格 现阶段DCS的技术特点 五 DCS的开放性开放性体现在DCS可以从三个不同层面与第三方产品相互连接 在企业管理层支持各种管理软件平台连接 在工厂车间层支持第三方先进控制产品SCADA平台 MES产品 BATCH处理软件 同时支持多种网络协议 以以太网为主 在装置控制层可以支持多种DCS单元 系统 PLC RTU 各种智能控制单元等 以及各种标准的现场总线仪表与执行机构 现阶段DCS的技术特点 PLC与DCS的区别 一 PLC1 从开关量控制发展到顺序控制 运送处理 是从下往上的 2 连续PID控制等多功能 PID在中断站中 3 可用一台PC机为主站 多台同型PLC为从站 4 也可一台PLC为主站 多台同型PLC为从站 构成PLC网络 这比用PC机作主站方便之处是 有用户编程时 不必知道通信协议 只要按说明书格式写就行 5 PLC网格既可作为独立DCS 也可作为DCS的子系统 6 大系统同DCS 7 PLC网络如Siemens公司的SINEC L1 SINEC H1 S4 S5 S6 S7等 GE公司的GENET 三菱公司的MELSEC NET 8 主要用于工业过程中的顺序控制 新型PLC也兼有闭环控制功能 9 数字量与逻辑处理能力较强 二 DCS1 分散控制系统DCS是集4C Communication Computer Control CRT 技术于一身的监控技术 2 从上到下的树状拓扑大系统 其中通信 Communication 是关键 3 PID在中断站中 中断站联接计算机与现场仪器仪表与控制装置 4 是树状拓扑和并行连续的链路结构 也有大量电缆从中继站并行到现场仪器仪表 5 模拟信号 A D D A 带微处理器的混合 6 一台仪表一对线接到I O 由控制站挂到局域网LAN 7 DCS是控制 工程师站 操作 操作员站 现场仪表 现场测控站 的3级结构 8 缺点是成本高 各公司产品不能互换 不能互操作 大DCS系统是各家不同的 9 用于大规模的连续过程控制 如石化等 10 接地电阻和隔离要求高 模拟量处理能力较强 PLC与DCS的区别 DCS的缺点 系统接线工作特别繁重 因为每个现场设备都需要用线缆连至控制室 因而为以后的查线 维护带来许多不便 由于采用的是标准模拟4 20mA信号 不是数字信号进行数据传输 因此在信号可靠性 抗干扰等方面值得怀疑 各种不同的DCS在互连时存在问题 也就是说我们在同一工程中选用不同DCS联接时 在互相通讯上往往有一些麻烦 这就给系统集成带来困难 影响DCS发展的几种技术 一 现场总线系统 FCS 的迅速发展现场总线系统是指一种新的控制系统 它是在现场总线技术发展的驱动之下形成的新型网络集成式全分布控制系统 主要特点有 1 从结构上讲打破了传统的系统结构 将控制单元置入现场设备 加上现场设备的通讯功能 现场变速器可直接与阀门等执行机构通讯 因而控制系统能够不依赖于控制室的计算机而直