分布式控制系统(DCS)6-第一章-DCS课件

1、课前提问课前提问 1 1、DCSDCS硬件结构硬件结构 2、分散控制系统的分散方式 3 3、DCSDCS的特点的特点第一章第一章DCSDCS概述概述1.5 1.5 国内电厂国内电厂DCSDCS的应用情况的应用情况 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D

2、CS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。第一章第一章DCSDCS概述概述 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，94HIACS-3000 日本日立公司，北京电子部6所合资，86MAX-1000 美 L&N（利之脑），上海自动化仪表

3、公司DCS分公司1991TELEPERM-ME 德 SIMENS, 南京电力自动化设备总厂，1993I/A SERIES 美 FOXBORO 上海仪表公司 1982PROCONTROL-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）四川仪表总厂第一章第一章DCSDCS概述概述 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） INFI-905个厂 模件 1.74 %外设 2.8%W

4、DPF5个厂模件 5.86 %外设 3.08%H-30003个厂模件 0.5 %外设 0%T-ME2个厂模件 8.2 %外设 2.35%MAX-10002个厂模件 2.8 %外设 11.85%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”。第一章第一章DCSDCS概述概述 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

5、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实行动态管理第一章第一章DCSDCS概述概述 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

6、： 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

7、的产品第一章第一章DCSDCS概述概述 实际情况实际情况 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600MW及以下的机组中（国电智深）。 如今25MW机组也在采用DCS。总体数量无从统计。“盘台全推”模式。1.6.1 TDC-30001.6.1 TDC-3000的开发过程和系统介绍的开发过程和系统介绍 （1）TDC-3000的开发Honeywell公司是美国最大的仪表公司，故它的产品在同类产品中举足轻重。TDC-3000全称为：“综合分散型控

8、制系统3000型” 过程简介： 早在1969年，开始投资PACE工程“过程应用与控制工程”。即：未来十年过程控制系统的研究。 1971年，提出了“Contrax”的新概念面向未来的系统系统必须采用专门的分散控制装置，并采用高速数据公路。开发数字控制技术，解决硬件、软件问题开发带CRT的人机接口装置第一章第一章DCSDCS概述概述1.6 DCS1.6 DCS的典型示例的典型示例 1972年，“Contrax”开始研究，即TDC-2000开始启动研究，芯片上与DEC公司合作采用16位CPU NMOS CP-1600,ROM及LSI I/O电路。 1974年，完成样机，开始现场测试。 1975年1月

9、，在日本、美国、欧洲及各分公司同时向世界发表了TDC-2000(TDC-3000BASIC),从而确立了该公司在控制界的领先地位。第一章第一章DCSDCS概述概述 1977年，开发出了新型的无瞬断自动控制系统（UAC）及全分散的智能I/O, 改进了中央操作站（硬件与软件） 1979年，发表了综合管理系统，多功能控制器（顺控、批控） 1980年10月，推出了LCN（局部控制网）标志TDC-3000的正式上市。 至今TDC-3000几经更新换代，其基本系统仍有很强的生命力。第一章第一章DCSDCS概述概述 （2 2）TDC-3000TDC-3000的系统结构的系统结构 PCUPCU包括：包括： B

10、C基本控制器；MC多功能控制器； AMC先进的多功能控制器； LC/LM逻辑控制/管理器； PC/PM过程控制/管理器； HPM高性能过程管理器； KMM单回路控制器； PLC可编程控制器。 第一章第一章DCSDCS概述概述1.6.2 HS20001.6.2 HS2000系列系列DCSDCS的体系结构的体系结构1.6.2.11.6.2.1概述概述国产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

11、，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。 第一章第一章DCSDCS概述概述第一章第一章DCSDCS概述概述 1.6.2.21.6.2.2网络体系网络体系 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

12、不同的系统规模可进行灵活配置。 (1) (1) 管理协调网络管理协调网络MNET 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) (2) 系统网络系统网络SNET 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

13、态数据或控制指令；保持各操作员站之间数据的一致性。 第一章第一章DCSDCS概述概述 (3)(3)控制网络控制网络CNET 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。 第一章第一章DCSDCS概述概述 1.6.2.3 1.6.2.3 操作站体系操作站体系 （1 1）工程师站）工程师站 HS2000系统的工程师站用于对应用

14、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 2）操作员站）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。 第一章第一章DCSDCS概述概述 （3 3）历史站）历史站 在历史站上运行着HS2000-Plu

15、s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。 第一章第一章DCSDCS概述概述 （4 4）现场控制站）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

16、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。 第一章第一章DCSDCS概述概述1.6.2.41.6.2.4冗余体系冗余体系 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。 第一章第一章DCSDCS概述概述1.6.2.51.6.2.5隔离体系隔离体系 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。

17、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。 第一章第一章DCSDCS概述概述 1.6.2.61.6.2.6可维护体系可维护体系诊断包括诊断包括CPUCPU、内存等自检；开关量输出、回读比较自检；、内存等自检；开关量输出、回读比较自检；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；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

18、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。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。在故障指示齐全在操作员站上，可随时调出系统状态图，从中可看各站、板运行状态；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，换板时不涉及接线的变动。 第一章第一章DCSDCS概述概述1.6.2.61.6.2.6软件体系软件体系 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

19、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。 第一章第一章DCSDCS概述概述 1.7 HS20001.7 HS2000系列系列DCSDCS的网络体系的网络体系 1.7.1 HS20001.7.1 HS2000系统的网络结构系统的网络结构 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。 第一章第一章DCSDCS概述概述 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

20、，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。系统的总体结构如图3-27所示。 第一章第一章DCSDCS概述概述第一章第一章DCSDCS概述概述第一章第一章DCSDCS概述概述 HS2000HS2000系统基本构成单元系统基本构成单元 (1)(1)现场控制站现场控制站 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)(2

21、)操作员站操作员站 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)(3)工程师站工程师站 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。 第一章第一章DCSDCS概述概述 HS2000HS2000系统的网络结构系统的网络结构 (1)(1)管理协调网络管理协调网络MNETMNET MNET为HS2000系统的最高一级网络，配置在HS2000L

22、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为开放式标准局域网络，采用诸如TCPIP、Ethemet等网络协议以及Novell网络结构； 通信介质采用光纤或同轴电缆； 通信速率不低于10Mbps； 通信距离数公里-20公里。 第一章第一章DCSDCS概述概述 (2)(2)系统网络系统网络SNETSNET SNET是连接HS2000系统中操作员站、IO站和工程师站的干网，配置在HS2000M中型系统中，应用于中等规模装置的控制系统，功能如下： 由IO现场控制站向操作员站的数据传输； 各IO现场控制站间的

23、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IO控制站的组态数据或控制指令的传递； 保持各操作员站之间数据的一致性。 第一章第一章DCSDCS概述概述 SNET采用双冗余结构，在任何条网络失效的情况下都不会影响通信功能，从而大大提高了通信的可靠性。 网络的冗余从板级作起； 采用工业令牌总线协议(Token Bus)，符合IEEE 802.4标准； 传输速率2.5Mbps； 传输最大距离6.5km； 传输介质采用隔离同轴电缆或光缆； 网络上最大节点数为32个。 第一章第一章DCSDCS概述概述 (3)(3)控制网络控制网络CNETCNET HS2000系统的一个突出特点是IO

24、站内采用了目前国际工控界较为先进的体系结构，即各个IO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。采用网络技术连接各模板，有利于提高系统配置的灵活性。网络连接很容易将各I/O组件分散到现场，从而提高系统的IO处理能力并缩短信号电缆的长度。其中的某块模板出现故障不会影响其它模板；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。 第一章第一章DCSDCS概述概述 HS2000系统的CNET采用CAN (Control Area Network) 现场总线网，符合ISO 11898 CAN Spe

25、cification 2.0A标准，是一种按优先级抢占式的总线网络，它支持多主结构；可以与各种微处理器连接；提供优先级控制；具有很强的错误识别和处理能力，支持点对点发送和广播发送功能；网络上实际使用节点数30个；工业工作温度。 第一章第一章DCSDCS概述概述CNET它具有以下特点： 支持多主结构； 可以与各种微处理器连接； 提供优先级控制，实时性强； 具有很强的错误识别和处理能力： 支持点对点发送和广播发送功能； 可编程传输速率：1Mbps； 工业工作温度：-40一85。 由上述指标可知，CAN BUS非常适合于工业现场的数据传输。该总线是目前国际上流行的工业总线，也是各种现场总线(Fiel

26、d Bus)产品中已经成熟的一种。 第一章第一章DCSDCS概述概述课前提问课前提问 1 1、DCSDCS国内应用情况国内应用情况 2 2、HS2000HS2000系统体系结构系统体系结构 HS2000HS2000系统的三种配置结构系统的三种配置结构 由于HS2000系统以三层网络为主的分层分布结构，给系统配置带来了极大的伸缩性和灵活性。用户可以根据自动化系统的设计目标，选择三种不同规模的系统配置。 第一章第一章DCSDCS概述概述HS2000HS2000小型分布式控制系统配置小型分布式控制系统配置 HS2000S系统的配置规模： 系统可以配置12个操作员站，其中只能有一个站作控制站，另一个作

27、监示站兼热备份站； IO辅助组件：最多4个，最多可容纳IO模板数28块； 最大IO点数：AI：200点；AO：32点；DI/DO：200点； CNET控制网络最大传输距离：1000m。 第一章第一章DCSDCS概述概述第一章第一章DCSDCS概述概述HS2000MHS2000M中型分布式控制系统配置中型分布式控制系统配置 如图3-29所示，HS2000M中型系统由SNET系统网络连接多个操作员站、工程师站及IO现场控制站组成，每个IO现场控制站内一般包含一个主控组件和02个辅助组件，构成一个较大规模的工业控制系统，是一个典型的、完整的分布式控制系统。 第一章第一章DCSDCS概述概述 HS20

28、00M系统的配置规模： 工程师站： 1台 操作员站： 18台 IO控制站： 120台 其中： 工程师站可以与操作员站复用： IO控制站可以配置成HS2000S系统，即IO站可带有本地操作功能(CRT和操作键盘、轨迹球等)。 每个IO站配置主控组件1个，辅助组件O一2个。 组件中共可容纳双电源、双CPU控制器模板及26个IO模板。 HS2000M系统I/O吞吐量： 可控制：几个-几百个回路 采集：几百-几千点 总之，可以根据用户的需要作到最佳配置，满足绝大多数工业控制场合的需要。 第一章第一章DCSDCS概述概述第一章第一章DCSDCS概述概述 (3)HS2000L(3)HS2000L大型分布式

29、控制系统配置大型分布式控制系统配置 HS2000L大型分布式控制系统是基于HS2000M中型系统和HS2000S小型系统的基础上，集现场装置控制、多装置协调控制和厂级生产管理功能为一体的大型综合性系统。 HS2000L系统由多套HS2000M中型系统和HS2000S小型系统构成控制层，由基于MS DOS或MSWindows的PC机以及基于XWindows的工作站(Workstation)构成管理层，二者之间通过高速局域网络连接起来，由于采用了开放标准，在这个高速局域网络上能挂接的工作站、PC机的数量没有明确的限制，配置也极为灵活。 第一章第一章DCSDCS概述概述1.7.2 HS2000CAS

30、系统的网络结构 HS2000CAS系统的节点从功能上分为现场控制站、操作员站、打印控制站、服务器、通讯控制站和工程师站六种类型。其中现场控制站、通讯控制站与操作员站、打印控制站之间通过服务器连接，所有节点通过网络连接起来，服务器和现场控制站、通讯控制站通过系统网络连接，服务器和操作员站、打印控制站、工程师站通过管理网络连接在一起，整个系统通过管理网络和系统网络完成各节点间数据和信息的传递。如图3-30所示。 第一章第一章DCSDCS概述概述第一章第一章DCSDCS概述概述1.7.3 HS2000 MACSTM1.7.3 HS2000 MACSTM系统的网络结构系统的网络结构（1 1）MACST

31、MMACSTM系统的组成系统的组成 MACSTM系统的多域系统体系结构如图3-31所示。 第一章第一章DCSDCS概述概述第一章第一章DCSDCS概述概述 MACSTM系统的网络由上到下分为监控网络、系统网络和控制网络三个层次，监控网络实现工程师站、操作员站、打印服务站、高级计算站与系统服务器的互连；系统网络实现现场控制站与系统服务器的互连，控制网络实现现场控制站与过程IO单元的通讯。 一个大型系统可由多组服务器组成，由此将系统划分成多个域，每个域可由独立的服务器。系统网络SNET和多个现场控制站组成，完成相对独立的采集和控制功能。域有域名，域内数据单独组态和管理，域间数据可以重名。各个域可以

32、共享监控网络和工程师站。而操作员站、打印站和高级计算站等可通过域名登录到不同的域进行操作。 第一章第一章DCSDCS概述概述 数据按域独立组态，域间数据可以由域间引用或域间通信组态进行定义，并通过监控网络相互引用。 如果只配置一个域，体系结构可简化为图3-32 模式。单域系统中，SNET与MNET可共用100M高速冗余以太网传输介质。另外，中央服务器也可同时兼作操作员站使用。 MACSTM系统具有的功能：数据采集、控制运算、闭环控制输出、设备和状态监视、报警监视、远程通信、实时数据处理和显示、历史数据管理、日志记录、事件顺序记录、事故追忆、图形显示、控制调节、报表打印、高级计算组态、调试、打印

33、、下装、诊断。 第一章第一章DCSDCS概述概述第一章第一章DCSDCS概述概述图3-32 MACSTM系统的单域系统的体系结构图现场控制站(FCS) 由专用控制柜和专用控制软件组成，控制柜中包括系统电源、现场电源、主控单元、过程、IO单元、通信单元及控制网络等组件。 可根据组态的数据库和算法完成信号采集、数据转换、控制和联锁算法、现场信号输出。通信控制站(CCS) 由高可靠工业微机、各种通信卡件和通信软件组成，实现与各类现场总线仪表、PLC、智能电子设备IED、RTU及其它子系统的通信，完成各种通信协议的解释和数据格式转换等功能的计算机。 通讯控制站支持如下通讯线路：RS232、RS422、

34、RS485、Ethernet网络、Arcnet网络。高级计算站(ACS) 由高可靠工业微机或高性能工作站组成，配有各种专用数据处理、数据分析或高级控制算法软件，具有用户可编程环境的计算机。 第一章第一章DCSDCS概述概述 打印服务站(PTS) 由高可靠工业微机、打印机组成，完成系统服务器提交的图形或文本的打印。 系统服务器(SVR) 由高档微机或服务器构成，完成实时数据库管理和存取、历史数据库管理和存取、文件存取服务、数据处理、系统装载等功能的计算机。系统服务器可两冗余配置。 管理网关(Gateway) 由高档微机和通用数据库组成，完成系统实时数据库的对外开放功能。 第一章第一章DCSDCS概述概述 企业管理网(ENET) 由10M100M高速冗余以太网络构成，用于系统服务器与工程师站、操作站、高级计算站等的连接。完成工程师站的数据下装，操作员站、打印服务