《集散控制系统》PPT课件

计算机集散控制系统DistributedControlSystem 计算机集散控制系统 1 10 7 Ethernet 企业实时历史数据库服务器 以太主干网 空分 DCSFOXbroI AS 醋酸 气化 净化甲醇 隔离光纤 DCSHoneywellPlantScape 循环水及硫回收 DCS中自PCC800 输煤 SiemensS7PLC 防火墙 污水处理 隔离光纤 ModiconQuntumPLC 各车间工作站 公司文档 OA数据库服务器 公司通用SQL数据库服务器 公司财务SQL数据库服务器 以太主干网 部门工作站 公司WEB数据发布服务器 企业级防火墙 公司远程办公 公司移动办公 公司领导 购销存 调度工作站 部门级防火墙 PlantScapeOPCDAS服务器 国泰管控一体化企业网拓扑结构 本章主要内容 DCS 计算机集散控制系统 概念 重点 DCS的体系结构 重点 DCS的基本控制器 难点 DCS中的软件技术 难点 DCS典型产品 第十章计算机集散控制系统 3 7 1集散控制系统 DCS 概念主要内容 DCS的整体概念DCS的特点DCS的发展及典型产品 第十章计算机集散控制系统 4 内容回顾 先回顾第一章有关计算机控制系统原理及按计算机参与应用的特点和控制目标 解决方案 分类的知识 DAS DataAcquisitionSystemOGC OperationGuideControlDDC DirectDigitalControlSCC SupervisoryComputerControlDCS DistributedControlSystemFCS FieldbusControlSystem 第十章计算机集散控制系统 5 图1 1常规仪表控制系统框图 图1 2计算机控制系统原理图 图1 3计算机控制系统硬件组成框图 图1 4计算机软件分类 图1 5数据采集系统 图1 6操作指导控制系统 图1 7直接数字控制系统 图1 8监督计算机控制系统的两种结构形式 7 1 1DCS的整体概念 计算机集散控制系统 简称 集散系统 是一种为满足大型工业生产复杂控制要求 利用计算机网络实现集中操作管理 分散控制的多计算机协同工作的计算机控制系统 集散系统 也即DCS DistributedControlSystem 直译为分布式计算机控制系统 又称分散型控制系统 是随着现代微型计算机 通信 CRT图形显示和控制技术 简称 4C 技术 的发展而不断发展的 2020 4 19 第十章计算机集散控制系统 14 7 1 2DCS的特点 集中分散型结构分散性 分散控制 设备地域分散 功能分散 危险分散 具体表现为 硬件积木化 软件模块化 分层分子系统 集中性 集中监视 集中操作 集中管理 表现为采用实时通信网络和分布式数据库 分级递阶控制功能DCS控制算法丰富 集连续控制 顺序控制和批处理控制于一体 可实现前馈 解耦 自适应和预测控制等先进控制和优化控制 并支持开发特殊应用软件 实现综合自动化和管控一体化 第十章计算机集散控制系统 15 7 1 2DCS的特点 可靠性高实时性好适应性强系统分散控制的结构 冗余技术 自诊断自恢复技术 抗干扰技术和高性能的元件 适应各种规模 环境 功能需求 界面友好 维护方便专用人机接口 控制系统用组态方法生成 几乎不编程 开放系统标准化 系列化设计 可移植性 互操作性 可得到性 第十章计算机集散控制系统 16 第一阶段 1975年 1980年 DCS的开创期DCS的组成现场控制站 8位微机4 8回路1 2S现场监测站 8位CRT操作站 16位数据高速公路 几十kbps 几十米 监控计算机典型产品TDC2000 CENTUM SPECTRUM NETWORK90 7 1 3DCS的发展及典型产品 第十章计算机集散控制系统 17 7 1 3DCS的发展及典型产品 第二代DCS基本结构示意图 第十章计算机集散控制系统 18 7 1 3DCS的发展及典型产品 第二阶段 80年代 DCS的成长与完善时期以局部网络LAN为主干其它各单元都是挂在它上面的网络节点工作站主要组成部分局部网络 多功能现场控制站 增强型操作站 通用型操作站 网关 可联结第一代DCS PLS系统 系统管理模块 主计算机用16 32位微机 0 5 1S 16 32回路 彩色 在线组态 CPU及电源在线热备份典型产品TDC3000 CNTUM XL I AS INFI 90 第十章计算机集散控制系统 19 7 1 3DCS的发展及典型产品 第三代DCS基本结构示意图 第十章计算机集散控制系统 20 7 1 3DCS的发展及典型产品 第三阶段 90年代前后 DCS的更新发展期DCS向计算机网络控制扩展 在硬件上采用了开放的工作站 采用了Client Server的结构 控制站采用多CPU结构 各类模块网络全面冗余 在网络结构上增加了工厂信息网 并可与互联网联网 构建管控一体化系统 在软件上采用WINDOWS UNIX环境X Windows的图形用户界面 各类DBMS 一些优化和管理良好的界面的软件被开发并移植到DCS中 从而克服了自动化孤岛问题典型产品有 Honeywell公司的TPS控制系统日本横河公司的Centum CS控制系统Foxboro公司的I AS50 51系统Rosemount公司的DeltaV 国内有浙江中控的JX 300XP 和利时公司的HOLLiAS MACS系统 第十章计算机集散控制系统 21 7 1 3DCS的发展及典型产品 第四阶段 1990年以后 新一代DCS FCS 第十章计算机集散控制系统 22 7 1 3DCS的发展及典型产品 第四阶段 1990年以后 新一代DCS FCS 改变前三代没有解决的常规模拟仪表一个测点传输一对信号到控制室的浪费现象 3 5 m 1 1 5mm2 计算3000点信号电缆费 模拟仪表改数字仪表 用现场总线互联 彻底分散控制 组态构成现场虚拟控制站VCS 第十章计算机集散控制系统 23 7 2DCS体系结构主要内容 大型DCS的体系结构概述各层的功能 世界上拥有生产DCS FCS PLC产品的厂家数量最多的国家前5名是哪些 中国有哪几家 世界知名DCS FCS PLC品牌和厂家有哪些 5月30日前发邮件至yszhou 第十章计算机集散控制系统 24 7 2集散控制系统功能分层体系 典型的DCS体系结构分为三层 如下图所示 第一层为分散过程控制级 第二层为集中操作监控级 第三层为综合信息管理级 层间由高速数据通路HW和局域网络LAN两级通信线路相连 级内各装置之间由本级的通信网络进行通信联系 第十章计算机集散控制系统 25 7 2 2DCS的体系结构 2020 4 19 第十章计算机集散控制系统 26 分散控制系统体系结构 1 控制级的功能及其主要装置 分散过程控制级 面向生产过程 功能 完成生产过程的数据采集 调节控制等功能 装置 现场控制站 工业控制机 可编程序控制器 PLC 智能调节器其它测控装置 第十章计算机集散控制系统 1 控制级的功能及其主要装置 续 现场控制站 主要由机箱 柜 电源 总线式工业控制机 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 第十章计算机集散控制系统 1 控制级的功能及其主要装置 续 智能调节器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 第十章计算机集散控制系统 1 控制级的功能及其主要装置 续 可编程控制器即PLC与智能调节器最大的不同点是 它主要配制的是开关量输人 输出通道 用于执行顺序控制功能 在新型的PLC中 也提供了模拟量输入输出及PID控制模块 而且均带有通信接口 同智能调节器一样 PLC的高可靠性和不断增强的功能 使它既可以在小型控制系统中担当控制主角 又可以作为大型分散控制系统中最基层的一种控制单元 详见11章 第十章计算机集散控制系统 集中操作监控级 面向操作员和系统工程师 功能 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 组成 监控计算机工程师显示操作站操作员显示操作站 2 集中操作监控级的功能及其主要装置 第十章计算机集散控制系统 DCS的操作员站是处理一切与运行操作有关的人 机界面功能的网络节点 其主要功能就是使操作员可以通过操作员站及时了解现场运行状态 各种运行参数的当前值 是否有异常情况发生等 并可通过输出设备对工艺过程进行控制和调节 以保证生产过程的安全 可靠 高效 高质 提问运行操作功能如何实现 操作员站的功能实现主要由总貌画面 分组画面 点画面 流程图画面 趋势曲线画面 报警显示画面及操作指导画面等7种显示画面构成 详见第6 3 2图形显示画面 配置多台 2 集中操作监控级的功能及其主要装置 续 第十章计算机集散控制系统 工程师站功能 1 系统组态 组建和变更操作员站和现场控制站的功能 2 系统测试 测试系统的逻辑算法是否正确 测试系统的网络的通信是否正常 测试系统外部设备连接是否正常 3 系统维护 对系统定期检查或更改 生成组态文件存储 数据恢复等 4 系统管理 主要对系统文件的管理 如将组态文件加密 备份 对系统运行数据的文件存储 转存 归档管理等 一般配置1 2台 2 集中操作监控级的功能及其主要装置 续 第十章计算机集散控制系统 监控计算机 实施先控策略和数据管理的节点 优化控制 应用数学模型或其它形式的模型 结合装置的约束统计和控制目标函数 计算出最优的操作统计 送下一级执行 自适应控制 根据采集到的各种物理量 对系统的模型参数进行在线估计 然后根据自适应算法或自调节算法得出控制给定 送下一级执行 协调控制 根据各部分的关系和运行状态 装置的生产要求 原材料 库存和能耗等数据 以及一些优化数据 产生控制指令 送下一级执行 装置运行数据管理 收集整个装置运行参数 状态 生成实时 历史数据库 制定生产记录报表和报警 故障记录等 2 集中操作监控级的功能及其主要装置 续 第十章计算机集散控制系统 综合信息管理级 面生产管理人员 功能 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 组成 管理计算机 办公自动化系统 工厂自动化服务系统 应用了MIS MES ERP系统 3 综合信息管理级 第十章计算机集散控制系统 DCS的通信网络系统 通信网络分类 低速 中速 高速 网络拓扑结构 星型 总线型 树型 环型 网络访问控制方式 令牌传送协议 改进CSMA CD协议 网络访问控制方式DCS局域网与一般办公系统的局域网络不同 要求实时响应 能适应恶劣的工业环境 具有开发性等 对网络可靠性要求很高 4 DCS的通信网络系统 4 DCS的通信网络系统 续 7 3DCS的基本控制器本节主要内容 基本控制器的构成基本控制器的功能基本控制器的工作原理基本控制器的可靠性基本控制器的特征 2020 4 19 第十章计算机集散控制系统 38 7 3DCS的基本控制器 2020 4 19 第十章计算机集散控制系统 39 7 3 1基本控制器的构成 7 3DCS的基本控制器 续 2020 4 19 第十章计算机集散控制系统 40 基本控制器的两种形式 以模拟控制为主 带有简单的程序控制功能 以顺序控制 程序控制为主 兼有模拟控制功能 一般系统中通常两种形式的基本控制器混用 7 3DCS的基本控制器 续 2020 4 19 第十章计算机集散控制系统 41 7 3 2基本控制器的功能 控制功能 基本的PID控制 远方 本地设定值功能 数字逻辑功能 以时间或逻辑为基础的程序控制功能 远方调整参数功能 远方 本地手动功能 多种报警功能 多种数字滤波功能和算术运算功能 这些功能可组合成相当复杂的控制算式 7 3DCS的基本控制器 续 2020 4 19 第十章计算机集散控制系统 42 7 3 2基本控制器的功能 接口功能 在采集数据后进行预处理并向上级计算机传送 其工作存储器可作为上级计算机的分散数据存储器 供上级计算机直接查用 7 3DCS的基本控制器 续 2020 4 19 第十章计算机集散控制系统 43 7 3 2基本控制器的功能 基本控制器的工作方式 自动控制 由操作员在数据输入板DEP上设定本地设定值 串级控制 其给定值是其它某一个回路的输出值 由组态字指定 上级计算机控制 由监控计算机代替基本控制器进行控制 它经高速数据通道输出基本控制器的给定值或输出幅值 手动 操作员在DEP或CRT上直接调整回路的输出 回路手动 在选用的模拟显示器上通过增 减键调整输出 基本控制器处于保持状态 7 3DCS的基本控制器 续 2020 4 19 第十章计算机集散控制系统 44 7 3 3工作原理 控制流程图 7 3DCS的基本控制器 续 2020 4 19 第十章计算机集散控制系统 45 7 3 3工作原理 典型控制回路 7 3DCS的基本控制器 续 2020 4 19 第十章计算机集散控制系统 46 7 3 3工作原理 控制软件包的结构 7 3DCS的基本控制器 续 2020 4 19 第十章计算机集散控制系统 47 7 3 3基本控制器的可靠性 冗余手段 每若干台基本控制器有一个备用控制器 再加上一个备用切换指挥器构成无中断控制系统 自诊断措施 启动时的初始化检查 每隔一定时间进行在线的周期性检查 7 3DCS的基本控制器 续 2020 4 19 第十章计算机集散控制系统 48 7 3 4基本控制器的特征 带有固化的软件 算法可以组态 形成相对高级的控制算法 可以与上级计算机配合 完成高级控制功能 功能可变 改变控制方案不必更换硬件 可以在就地操作员单元上显示和调整各种参数 具有自诊断功能 7 4DCS的软件技术主要内容 DCS的组态软件DCS操作软件DCS的控制软件 2020 4 19 第十章计算机集散控制系统 49 7 4 1DCS的组态软件 1 基本配置组态给系统一个配置信息 如各种站的个数 其索引标志 各现场工作站的最大点数 最短执行周期 操作级别 DCS的操作员级 监督员级 工程师级应用软件组态设备 点数据库的生成 历史库的生成 图形的生成 报表生成和控制组态等 2020 4 19 第十章计算机集散控制系统 50 7 4 1DCS的组态软件 2 控制组态 新系统采用IEC61131 3国际标准的控制组态工具 可为用户提供SFC 顺序流程图 FBD 功能块图 LD 梯形图 ST 结构文本 IL 指令语言 和CFC 控制功能模块 等方式进行控制组态 2020 4 19 第十章计算机集散控制系统 51 7 4 2DCS的操作软件 1 操作站要实现的功能实时数据管理历史数据存储和管理控制回路调节和显示生产工艺流程画面显示系统状态 趋势显示生产记录的打印和管理等 2020 4 19 第十章计算机集散控制系统 52 7 4 2DCS的操作软件 2 实时多任务操作系统的功能软硬件逻辑接口 LogicInterface 以及任务调度 任务间通信 资源管理等实时多任务操作系统的实时特征异步事件响应 任务切换能力 中断响应能力 优先级中断和调度 强占式调度能力 同步能力 2020 4 19 第十章计算机集散控制系统 53 7 4 2DCS的操作软件 3 实时数据库是全局数据库数据库系统在不同层次上的结构现场控制站上存储该站所用的各种点记录的全记录信息操作站的实时数据库实时数据管理程序 2020 4 19 第十章计算机集散控制系统 54 7 4 2DCS的操作软件 4 历史数据库短时间间隔历史数据 存储间隔一般为秒级 长时间间隔历史数据 存储间隔一般为分级 2020 4 19 第十章计算机集散控制系统 55 7 4 2DCS的操作软件 5 网络通信 是DCS的关键技术之一DCS对网络通信的要求高可靠性硬件上高度可靠 软件上有较好的容错能力实时性灵活性能够支持多种数据信息格式DCS的通信软件接口专用API编程接口通用接口 网络DDE DynamicDataExchange 动态数据交换 OPC技术 2020 4 19 第十章计算机集散控制系统 56 7 4 3DCS的控制软件 1 通用的现场控制站功能数据采集 控制输出 自动控制和网络通信数据采集功能 DDC控制功能 顺序控制功能 信号报警功能 数据通信功能现场控制站的软件系统执行代码 周期执行和随机执行一般固化在EPROM中数据部分保留在RAM中 2020 4 19 第十章计算机集散控制系统 57 7 4 3DCS的控制软件 2 现场控制站软件 2020 4 19 第十章计算机集散控制系统 58 7 4 3DCS的控制软件 3 实时数据库的基本数据类型模