集散控制系统的组成特点与设计方法

1、集散控制系统的组成特点与设计方法作者：李易昭作者：李易昭专业：测试计量与仪器专业：测试计量与仪器u DCS的组成及特点 分层结构 分块结构 DCS的硬件与软件构成 DCS体系结构技术特点u DCS的设计方法 总体设计 初步设计 详细设计 u 基于单片机的DCS 例解第一节、DCS的组成及特点一、分层结构一、分层结构u集散控制系统的构成方式：分四个层次集散控制系统的构成方式：分四个层次 功能分层是集散控制系统的体系特征，反映了集散控制系统的“分散控制、集中管理”的特点。典型系统分为四个层次。 现场级：现场网络现场级：现场网络Fnet(Field Network)Fnet(Field Networ

2、k) 控制级：控制网络控制级：控制网络Cnet(Control Network)Cnet(Control Network) 监控级：监控网络监控级：监控网络Snet(Super Vision Network)Snet(Super Vision Network) 管理级：管理网络管理级：管理网络Mnet(Management Network)Mnet(Management Network)1、现场级的功能、现场级的功能采集过程数据，对数据进行数据转换；采集过程数据，对数据进行数据转换；输出过程操作命令；输出过程操作命令；进行直接数字控制；进行直接数字控制；完成与过程装置控制级的数据通信；完成与过

3、程装置控制级的数据通信；对现场控制级的设备进行检测和诊断。对现场控制级的设备进行检测和诊断。 现场级现场级实现控制的前提：实现控制的前提：微处理器进入现场变送微处理器进入现场变送器、传感器和执行器；现场总线的应用；部分或器、传感器和执行器；现场总线的应用；部分或完全完成过程控制级的功能。完全完成过程控制级的功能。 2 2、控制级的功能、控制级的功能 结构：过程控制设备结构：过程控制设备(下位机下位机)+I/O卡件卡件 功能：功能： 进行数据转换和处理；进行数据转换和处理； 数据的监视和存储；数据的监视和存储； 实施连续、批量或顺序控制的运算和输出控制实施连续、批量或顺序控制的运算和输出控制作用

4、；作用； 数据和设备的自诊断；数据和设备的自诊断； 数据通信。数据通信。3 3、监控级的功能、监控级的功能中央控制室：操作站、工程师站中央控制室：操作站、工程师站(上位机上位机)、打印机、计算站、打印机、计算站功能：功能：数据显示与记录；数据显示与记录；过程操作（含组态操作、维护操作）；过程操作（含组态操作、维护操作）； 数据存储和压缩归档；数据存储和压缩归档；报警、事件的诊断和处理；报警、事件的诊断和处理；系统组态、维护和优化处理；系统组态、维护和优化处理；数据通信；数据通信；报表打印和画面硬拷贝。报表打印和画面硬拷贝。 4 4、全厂优化和调度管理级的功能、全厂优化和调度管理级的功能从系统的

5、观点：原料从系统的观点：原料销售；优化协调销售；优化协调功能：功能：优化控制；优化控制；协调和调度各车间生产计划和各部门的联系；协调和调度各车间生产计划和各部门的联系；主要数据的显示、存储和打印；主要数据的显示、存储和打印；数据通信。数据通信。 二、集散控制系统的构成方式二：分块结构二、集散控制系统的构成方式二：分块结构 集散系统的基本结构： “三大块”（1）分散过程控制装置（2）操作管理装置（3）通信系统 （1）分散过程控制装置(下位机) 是集散控制系统与生产过程间的界面，即过程界面。 过程变量分散过程控制装置操作监视的数据操作信息分散过程控制装置执行机构。 数/模、模/数转换、控制算法、软

6、件滤波等分散过程控制装置部分的特征适应恶劣的工业生产环境；分散控制，监视和控制分离；实时性；独立性和可靠性要求高。（2）操作管理装置(上位机) 是集散控制系统与操作人员、管理人员间的界面，即人机界面。 监视和操作。u 集中操作和管理系统部分特征： 信息量大； 易操作性； 容错性好；（3）通信系统通讯系统： 是分散过程控制装置与操作管理装置之间数据传递和交换的桥梁。 u 通信系统部分特征 开放性：上层与其他厂商产品间 互操作性：下层与其他厂商变送器、执行器间 传输速率 误码率三、 DCS的硬件与软件构成1 、DCS的基本构成四大基本部分：现场控制站；操作员站；工程师站；系统网络 其他：扩充功能站

7、；总线网络等等 2 DCS的软件构成 按所附属的硬件分类 现场控制站软件； 操作员站软件； 工程师站软件； 网络软件按DCS软件运行时机和环境分类：在线运行软件；离线开发软件；现场控制站软件：操作员站软件工程师站软件其他功能站的软件数据服务器软件；历史数据软件；网络通信软件等。四、 DCS的体系结构的技术特点1 信息集成化1）DCS系统各站通过网络实现信息交换；2）系统网络注重实时性、可靠性和数据通信能力；3）网络通信协议对系统性能有重要影响；4）DCS的网络通信不仅要注意数据传输的能力， 还要注重考虑信息的表达方式。2 控制功能的分散化1）从仪表的角度看，DCS具备了传统仪表不具备的通信功能

8、；2）从计算机的角度看，DCS将系统功能分散到不同设备中完成，并通过网络进行数据交换与协调；3）DCS的检测、计算与控制在现场控制站完成，人机界面由操作站实现；4）DCS系统有多台现场控制站、操作站，分别对各自控制对象实施控制与监视。第二节、集散型控制系统的设计方法DCS是综合性很强的控制系统，它采用诸多复杂的计算机技术、各种类型的通信技术、电子与电气技术以及控制系统技术。DCS所控制的往往都是大范围的对象，涉及各种类型的控制、监视和保护功能。DCS在应用过程中有各种技术人员和管理人员参与。DCS是针对某一工艺系统的设计。本章将从工程设计程序的角度来说明这些问题。通常把工程设计分成以下几个阶段

9、：总体设计初步设计详细设计详细设计一、总体设计 在工程设计的开始阶段，要对DCS所应完成的基本任务做出设计，这时的设计实际上是对DCS的功能提出要求，这些功能通常是由用户提出。 1.DCS的控制范围 设备的形式、作用、复杂程度决定了该设备是否适合采用DCS控制。 2.DCS的控制深度 几乎任何一台主要设备都不是完全受DCS控制，只是部分受DCS控制。 3.DCS的控制方式 即DCS的运行方式，要确定以下内容：人机接口的数量，辅助设备的数量，DCS的分散程度。 在设计的过程中要经常权衡性能与价格两方面的因素，设计的级别越高，需要权衡的问题就越多，从经济方面来说，总体设计的意义重大就在于此。 二、

10、初步设计 初步设计是介于总体设计与详细设计之间的设计，其基本任务是在总体设计的基础上，为DCS的每一个部分做出典型的设计，为DCS所控制的每一个工艺环节提出基本的控制方案。 1.初步设计的主要内容硬件初步设计的内容 满足已基本确定的工程对DCS硬件的要求，及DCS对相关接口的要求。即确定系统I/O点，确定DCS硬件。 软件初步设计的内容 设计的结果应使工程师可以在此基础上设计组态图。人机接口设计的内容 决定了今后工程设计的风格。三、详细设计 详细设计是初步设计在DCS上的具体实现。 详细设计具有下面的特点： (1)详细设计更针对DCS，而不是工艺过程。 (2)详细设计与初步设计是相互联系。 (

11、3)详细设计从DCS设备出发。 (4)与其他的设计不同，DCS详细设计的结果有两个：一是设计的组态结果，二是对设计的说明，而后者往往容易被忽视。 第三节、基于单片机的小型DCS系统例解 基于PC机与单片机的合成氨DCS 随着电子技术的迅速发展，特别是随着大规模集成电路大量出现的微型计算机，给各工业测控领域带来了一次新的技术革命。该例采用了以单片机为核心的智能化仪表(简称下位机)与工业PC机（简称上位机）组成的分布型微机控制系统，自1995年开始成功应用于联碱生产系统，1997年起先后在公司的变换、合成氨、精炼、锅炉、复合肥等车间岗位得到广泛应用。这样大大提高了自动化水平和管理平，为化肥厂的节能

12、降耗和提高企业的经济效益起到了积极作用。现主要介绍DCS在合成氨厂的应用。一、体系结构与选择 工控系统采用了分布式控制方案，分上下两层系统，系统结构如图：上位机采用工业PC机（也可用普通PC机代用），配置CKICC工控软件，下位机是采用以MCS-51系列单片机为核心的智能数字仪表，采用RS485通讯总线，将各下位机和上位机连成一个整体。上机一般26台PC机并用，互为备用。下位机采用多台，可采用冗余。每台下位机均使用独立CPU、显示器和键盘，若一机有故障，不影响其他分的运行，互为备用，真正达到危险分散，管理集中的要求。u 系统功能概述 具有普通DCS相同的功能，根据合成氨厂生产特点要求还有如下诸

13、多功能： 1）远程通讯功能。下位机与PC机之间，或者下位机与下位机之间，或PC机与PC机之间，均可允许1200m间隔距离，再用通讯线连成一体。信息同步显示于控制室、调度室。 2）每个下位机均可独立工作。即不仅具有数据采集和控制功能，还具有完整的显示功能和键盘输入功能，通常下位机安装于现场，用总线（BUS）连到总控室，可省大量讯号线。平时可在总控室集中操作管理，在开停车或生产不正常时，操作工也可以在现场操作、就地控制。 3）管控一体化功能。生产过程的各种数据状况，能在控制室经远程通讯接口用电缆或光缆送到车间办公室、调度室、各职能管理办公室等，并具有完备的数据统计功能，有利于生产管理者管理和控制一

14、体化uPC机功能 本系统的PC机用作系统的操作站，是人机信息交换的主要工其功能是：过程显示和控制；实时现场数据的采集、显示；模拟流程显示和总貌显示；数据的处理：历史数据的显示、统计结果显示及打印、工艺指标考核、报警信息的打印等；系统配置、设定：参数设置、下位机数据设置等；系统操作记录：登录、密码、修改权限、操作记录等。u下位机功能 下位机是一种智能化数字仪表，集数据采集、计算、控制、显示、输入、输出、双向通讯功能于一体，具体功能如下： 1）8通道模拟量输入（作为数据采集仪使用时）。模拟量为以下一种或多 种：热电偶K、E、S、B、J等分度；热电阻Pt100、Cu50等；过程变量05V、15V、0

15、10mA、420mA、05A（AC）、0100V（AC）等；输出信号：420mA、5A/220V三态输出、继电器输出；通讯标准：RS232、RS485。 2）回路控制功能（6通道AI+2通道输出）。每台下位机既能作为数据采集仪使用，也能作为控制仪使用。作控制仪使用时，其中两个回路（1#、2#）可以实施PID控制。 3）自动校准和人工校准功能。 4）全部参数可按键设定。参数调整不用打开机箱，只需调节面板上的8个按钮，也可使用上位机通过监控软件调校下位机参数。参数设定值可永久保存。 5）下位机中采用E2PROM存储各路数据的零位、满度、线性校正值以及P、I、D控制参数等多种参数，与电位器相比，体积

16、较小、可靠性高。 6）输入信号点与点之间光电隔离、输入信号与单片机和通讯之间光电隔离。各种输入下位机信号全部采用光电隔离，现场的各种输入信号可直接接到下位机的接线端子上。各点之间、各点与单片机之间具有抗1000V共模电压能力、使下位机具有特强的抗干扰能力。下位机面板结构二、系统硬件组成u 下位机硬件 每台下位机均由接线端子板、输入调理板、CPU主板、操作显示面板四部分构成。 1）接线端子板。接线端子板有42个接线端子将各种信号输入或将控制信号输出。 2）输入调理板。输入调理板将输入信号调理成统一的电平并经A/D转换和光电隔离。 3）CPU主板。完成数字之间的运算处理；完成数字之间的D/A转换，

17、一般转换成420mA的电流信号；显示信号的转换并输送到面板上。4）操作显示面板。人机交流的主要界面之一，可以通过面板显示如下信息：各通道PV值（模拟和数字显示）；将其中一个控制回路切换到当前活动状态，进行显示或操作；SV、PID、A/M的显示和设定；各参数的零位和满度的设定；各参数的线性校正的表格查阅及修改。u PC机的硬件 采用工业PC机或普通PC机，配置如下：品牌PC机（Dell）或兼容机，赛扬2.0GHz以上CPU；中文Windows 2000或XP操作系统；内存256M；40G以上硬盘容量；19CRT或19LCD，1024768的分辨率；彩色喷墨打印机或针式打印机（可选）；多媒体音箱(

18、可选)。u 通讯接口 通讯接口主要担任上机与下机之间的信息交换、调度，使总线上的信息流通。u 其他 其它硬件有：UPS（220V/5KVA、保持时间大约30min）电源、 网络器材等。三、系统软件u 下位机软件 下位机软件是用汇编语言编写而成的，它包含了一个主程序和许多子程序。另外，还有三个中断服务的子程序。主程序主要负责初始化下位机，并循环的对LED扫描显示和键盘扫描。三个中断服务子程序分别是：系统时间中断；A/D转换中断；通讯服务中断。u 上位机软件 上位机的CKICC工控软件主要完成数据通讯，数据库处理，人机对话；组态设置、数据设置、系统设置；下位机的零位、工程满值显示处理；PID参数设定；A/M、SV的传送以及上位机各图形画面显 示处理等。 PC机的系统操作平台为Win