02 分布式控制系统的构成

1、2 2 分布式控制分布式控制 系统的构成系统的构成 2 分布式控制系统的构成 v2.1 过程控制站 v2.2 运行员操作站 v2.3 工程师工作站 分布式控制系统典型结构 v2. 2. 控制级：过程控制站和数据采集站控制级：过程控制站和数据采集站 v（1）过程控制站过程控制站 v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，并送回到现场的执行器 中去。 v可同时完成连续控制、顺序控制或逻辑 控制功能。 2.1 过程控制站 vDCS中实现过程控制的重要设备。 v按控制方式，过程控制站分为： 直接数字控制站 顺序控制站 批量控制站 v直接数字控制站直接数字控

2、制站：主要用于生产过程中连续：主要用于生产过程中连续 量量 ( (又称模拟量，例如，温度、压力、流量又称模拟量，例如，温度、压力、流量 等等) )的控制；的控制； v顺序控制站顺序控制站：主要用于生产过程中离散量：主要用于生产过程中离散量 ( (又称开关量，例如，电机的启又称开关量，例如，电机的启/ /停、阀门的停、阀门的 开开/ /关等）的控制；关等）的控制； v批量控制站批量控制站：既可以实现连续量的控制，又：既可以实现连续量的控制，又 可以实现离散量的控制。可以实现离散量的控制。 2.1.1 过程控制 站的结构 一一. .机械结构机械结构 标准的机柜式结构标准的机柜式结构 二、系统结构二

3、、系统结构 一个过程控制站可能包含一个或多个基 本控制单元;基本控制单元由处理器模件和 输入/输出模件组成 v功能功能: 处理器模件：控制或数据处理任务 输入/输出模件：与处理器模件相连 v通信通信: v基本控制单元之间通过控制网络Cnet连接， Cnet网络上的上传信息通过通信模件，送到 监控网络Snet，同理Snet的下传信息，通过 通信模件和Cnet传到各个基本控制单元。 v每个基本控制单元中，处理器模件与输入/输 出模件之间的信息交换由内部总线完成。 2.1.2 基本控制单元的种类 基本控制单元BCU(Basic Control Unit)： DCS中直接控制生产过程的那一部分硬件和软

4、 件的统称。 功能：BCU接受来自传感器或变送器的过程 变量，按照一定的控制策略，计算出需要的 控制变量，并把这些控制变量传送到生产过 程中去，通过执行机构去调整生产过程中的 温度、压力、流量、液位等被控变量。 BCUBCU分为三种分为三种类型类型 ： 1单回路型;2功能分离型 ;3多回路型 （1）单回路型 v控制规模:小，一个PID回路或一台电动机 v控制功能：连续控制、顺序控制、简单的逻 辑控制 v典型回路：BCU有24个模拟量输入通道， 12个模拟量输出通道，以及24个开关量 输入通道和24个开关量输出通道。 v适用范围：从小到大各种规模的系统，不能 用于非常复杂的系统 v硬件要求：用廉

5、价的硬件就能达到所需要的 性能 v通信要求：实现复杂系统需要的通信量大， 人机接口通信量小 v安全措施：仅控制一个回路不采取冗余技术， 仅设置备用手动操作回路 （2）功能分离型 v控制规模：中，几个控制回路，小型的逻辑 控制和顺序控制系统 v控制功能：把连续控制功能和顺序控制功能 分开，由不同的BCU完成 v硬件要求：由于功能分离，可以合理使用硬 件 v适用范围：即使在小型控制系统中，也需要 两种类型的控制单元 v功能分离型BCU属于中规模控制器。连续控制 的BCU一般有16个模拟量输入通道、8个模拟 量输出通道，能够运行几十个连续控制功能 块；实现顺序控制的BCU一般有32个开关量输 入通道

6、、16个开关量输出通道，能够运行上 百个顺序控制功能块。 v通信方面：不同控制功能的单元之间的通信 量较大 v在可靠性要求比较高时，采用冗余技术。 （3）多回路型 v控制规模：大，几十个控制回路多回路，大 型的逻辑或顺序控制系统，控制规模控制规模上接近 过去的直接数字控制系统 v控制功能控制功能：连续控制和顺序控制 v典型回路：多回路型BCU具有64个模拟量输入、 32个模拟量输出、128个开关量输入、64个开 关量输出 v适用范围：可以控制具有一定规模的生产过 程，不适于太小的控制系统硬件要求：控制 功能很强，对硬件要求很高 v通信要求：控制单元通信量小，人机接口通 信量大 v安全措施：由于

7、控制任务过于集中，必须采 用冗余措施 v基本控制单元硬件： 1.完成控制算法或数据任务的处理器模件 2.与其相连的其他输入/输出模件 v输入/输出模件: 模拟量输入模件(AI)、模拟量输出模件(AO)、开关量输 入模件(DI)、开关量输出模件(DO)、脉冲量输入模件 (PI)等基本模件。 还有通信接口模件，专门用于汽轮 机电液控制系统的液压伺服模件，用于连接现场总线的 现场总线模件等专用模件。 2.1.3 基本控制单元的硬件 v(1)(1)运行员操作站运行员操作站 v运行员与分布式控制系统交换信息的人 机接口。 v运行员操作站组成：一台具有较强图形 处理功能的微型机，以及相应的外部设 备，一般

8、配有CRT显示器、大屏幕显示装 置 (选件)、打印机、拷贝机、键盘、鼠 标或球标。 2.2 运行员操作站 v2.2.1 概述概述 v运行员操作站是运行员对过程与系统的 接口，常被称为人机接口 Man MachineInterface(MMI)，或称为 运行员工作站。 v采用DCS以前的单元 控制室里，过程信号 是直接通过硬接线从 现场变送器连接到单 元控制室的。那时过 程信号有以下特点： v没有延时 v在固定的位置显示 v故障的原因比较简单 v重要参数的报警非常 明显 DCS控制系统： DCS提 供大量的数据，这些数 据到达人机接口之后， 要通过MMI的设计将数据 转换成信息，并且以操 作员习

9、惯的方式按过程 对操作员的需求的重要 性顺序反映出来。 设计：全部功能、即时 性、规律性、突出重点 2.2.2 MMI的结构 vMMI通常由 计算机及其 辅助系统组 成。当前的 MMI由通用 计算机配以 DCS厂家的 人机接口软 件来组成 一、 MMI与 DCS的接口 vMMI通过与DCS数 据通道的接口来 维护一个实时数 据库。实时数据 库不断地获得数 据，使MMI和DCS 数据通道都把它 看做是自己的内 存，获得需要的 数据。 二、 MMl主机与外设 vMMI总是通过外设与操作员打交道， CRT给操 作员显示信息，键盘接收操作员指令，打印 机、报警板向操作员打印记录或提供报警。 无论什么功

10、能几乎都是通过主机将外设与实都是通过主机将外设与实 时数据库联系起来时数据库联系起来。 DCS中MMI的不同构成方式 三、 MMI的开放结构 v从上可知MMI内部的网络给MMI设备配置所带 来的好处，当MMI内部结构中的纽带数据通数据通 信网的协议信网的协议是公共的协议时，这种结构更 为重要的特性MMI的开放。MMI利用自己内 部的总线与其他的设备通信时，整个系统就 更加灵活了。 v通信系统中的开放：开放：指不同通信设备之间通 信的能力，当一个设备能与多种设备通信时， 这个设备就是开放的。 DCSDCS之间的之间的两种通信结构 MMI开放结构：大屏幕大屏幕 v大屏幕上的信息可以使多名操作员、管

11、理人 员、维护人员同时看到系统与过程参数和状 态，从而建立他们之间的交流。 vMMI结构中的CRT的两种形式： v常规的供一名操作员使用的人机接 v供多名人员共同使用的大屏幕的人机接口 大屏幕的系统组成 2.2.3 MMI的基本功能 v操作员通过MMI监视、控制工业过程。其基本功能基本功能： （1）显示过程信息，传递操作员的指令，显示处理各 种报警。 （2）监视DCS中所有设备的状态，包括MMI本身及其外 设的状态。 （3）通过MMI确诊某一个过程通道的故障。 （4）操作员通过MMI管理运行过程，记录各种过程与系 统的事件，存储、打印记录的结果，生成报表。 （5）操作员通过MMI维护、调整生产

12、过程与DCS，提供 对过程控制参数、结构的调整手段，调整MMI内的各 种软硬配置，提供过程与系统各类帮助指导。 v（2 2）工程师工作站）工程师工作站 v为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。 v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、表格等。 v工程师工作站组成：由PC机配置一定数量的 外部设备所组成，如打印机、绘图机等。 2.3 工程师工作站 v工程师工作站Engineering Work Station(EWS)：DCS中用于系统设计的工作站。 v主要功能主要功能：为系统设计工程师提供各种设计 工具，使工程师利用它们来组合、调用D

13、CS的 各种资源。 v利用工作站来组合DCS提供的控制算法或画面 符号，而不是编制具体的计算机程序或软件， 也不是用来描绘制造或安装用的图纸，所以 把这种设计过程称作组态组态或组态设计。 2.3.1 工程师站的组成 vPCPC机硬件及操作系统机硬件及操作系统。 v工程师站的基本设备工程师站的基本设备：一台完整的PC机，有 的用“工作站”式的PC，有的采用服务器 客户机结构，这显然是一种趋势，因为它更 适合于多个设计者共享一个项目的资源。 v工程设计软件工程设计软件。各DCS都有进行工程组态的软 件，它们只适用于自己的系统。 v其他辅助性通用软件其他辅助性通用软件。如办公软件、数据库 软件等。

14、2.3.2 工程师站在DCS中的作用 v一用一用EWSEWS做系统组态设计做系统组态设计 v二系统调试与设计更改二系统调试与设计更改 v三运行记录三运行记录 v四文件整理四文件整理 一用EWS做系统组态设计 v系统组态设计的主要任务：利用DCS提供的所 有控制、监视功能来设计实际的过程 v控制系统。组态设计包括： v(1)系统硬件构成的总体设计系统硬件构成的总体设计 v(2)系统的硬件设计系统的硬件设计 v(3)控制逻辑设计控制逻辑设计 v(4)人机接口站组态设计人机接口站组态设计 v(5)文件组态文件组态 v(6)系统运行之后的维护管理基本方法系统运行之后的维护管理基本方法 (1)系统硬件构

15、成的总体设计系统硬件构成的总体设计 (2)系统的硬件设计系统的硬件设计 v硬件设计的结果是安装、组装和接线所用的 工程图纸。 v通常包括过程控制单元中的模件布置、电源 分配、现场I/O的连接方法、屏蔽与接地等设 计，使用EWS可以方便地根据DCS的设计规范 和过程控制的具体要求设计出这些接线图、 配置图。 (3)控制逻辑设计控制逻辑设计 v根据DCS中给出的控制元件 (算法，或称功能 码)组成控制方案的过程。 v简单说，包括采集现场信号的设计、控制运 算、决策的设计、控制输出的设计、通信与 传递信号的设计、系统诊断与处理方面的设 计等。 (4)人机接口站组态设计人机接口站组态设计 v根据运行、

16、维护等日常由运行员完成的 任务，通过DCS的运行员站所提供的功能， 设计并组成一个监控系统的过程。 v包括画面设计、报警设计、数据库设计、 记录设计、帮助指导设计等。 (5)文件组态文件组态 v为使DCS正常运行而编制的各种说明指导 性文件。 vDCS的安装、使用、应用方法，故障处理 方法都应该在DCS中提供，根据问题性质 的不同，或者在人机接口站上提供，或 者在工程师工作站上提供。 (6)系统运行之后的维护管理基本方法系统运行之后的维护管理基本方法 vDCS的组态任务中应包括设计一套管理这些信 息的系统，虽然在DCS的设计过程中这些问题 可能尚未发生，但有了这样的一种信息结构， 对运行过程中

17、的维护是很有用的，有些DCS系 统己能够自动产生一些硬件方面的问题报告。 二系统调试与设计更改二系统调试与设计更改 v由于EWS的设计中心的地位，所以在DCS的系 统调试与设计更改过程中，EWS发挥了最重要 的作用。 v*调试过程中，可通过EWS来确认控制组态是 否执行得正确，这需要在线运行EWS，以实时 监视过程中的动态数据，发现问题后，修改 组态。 v*在下载了人机接口的组态之后，如果有问题， 也要在EWS上修改。所以在调试过程中，EWS 显得最忙，这时尤其要注意的是EWS上的文 件的管理。 三运行记录 v特殊的参数特殊的参数 控制回路之间相交联的变量的耦合程度；系统 运行过程中DCS的负荷参数、通信负荷率、运 算负荷率等。 v注意:把这些用于控制或系统分析的信息与运 行员日常处理的信息分开，以避免相互干扰。 vEWS上对数据做分析的软件要丰富，这些软件 对控制系统做分析更有效。 四文件整理 vEWS作为设计中心。EWS也应作为向用户 提供DCS全部设计文件与系统说明文件的 中心。 v实际上，如果EWS管理得好，它还应提供 系统调试、运行、管理过程中相关的全 部文件，使得与DCS相关的文件都可以在