分散控制系统(2)

1、华北电力大学分 散 控 制 系 统华北电力大学 自动化系2.1 DCS的组成 4C技术： Computer, Communication, Control, CRT, 20世纪80年代，网络技术的发展，使分布式系统易于实现。 分布式计算机：多机系统多CPU 分布式：DCS中的多台计算机的划分有功能上的，也有控制、监视范围上的。 从管控角度来看：控制分散，管理集中。因此早期称为集散控制系统。华北电力大学组成 三站一线：工程师站、操作员站、现场控制站、系统网络华北电力大学工程师站 对DCS进行进行离线的配置、组态工作和在线的系统监督、控制、维护的网络接点。 主要功能：提供对DCS进行组态，配置工作

2、的工具软件，并在DCS在线运行时实时地监视DCS网络上各个节点的运行情况，使系统工程师可以通过工程师站及时调整系统配置及一些系统参数的设定，使DCS随时处在最佳的工作状态之下。华北电力大学操作员站 处理一切与运行操作有关的人机界面（OI，Operator Interface或MMI，Man Machine Interface）功能的网络节点。 主要功能：为系统的运行操作人员提供人机界面，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，并可通过输入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。华北电力大学操作员站华北电力大学操作员

3、站华北电力大学操作员站华北电力大学现场控制站 现场控制站是DCS的核心。 对现场I/O处理并实现直接数字控制（DDC）功能的网络节点。 系统主要的控制功能由它来完成。系统的性能、可靠性等重要指标也都要依靠现场控制站保证。 其设计、生产及安装都有很高的要求。 分散控制系统中的主要任务执行者。华北电力大学现场控制站组成 现场控制站的硬件一般都采用专门的工业级计算机系统。 主要包括两部分： 一部分是运算器（即主CPU）、存储器等组成的计算机单元，称之为逻辑部分或主控制器， 另一部分是现场测量单元、执行单元的输入输出设备，即过程量I/O或现场I/O，称为过程通道。华北电力大学典型系统的直接控制单元厂商

4、系统名称直接控制单元名称主控制器名称B a i l e y ControlsINFI-90Process Control Unit过程控制单元多功能处理模件WestinghouseWDPF-IIDistributed Processing Unit分布式处理单元功能处理机Leeds&NMAX-1000Remote Processing Unit远程处理单元数字处理器（DSP）SiemensTeleperm-MEAutomation Subsystem自动子系统智能或功能模件FoxboroI/A Series控制处理机和现场总线模件控制处理主模件（CP）HITACHHIACS-3000H

5、ISEC-04M/L,M/F高性能控制器H04-M控制器华北电力大学典型的现场控制器华北电力大学典型的现场控制器华北电力大学过程I/O单元华北电力大学典型的现场控制站机柜图华北电力大学典型的现场控制站机柜图华北电力大学现场控制站华北电力大学系统网络 是连接系统各个站的桥梁。 由于DCS是由各种不同功能的站组成的，这些站之间必须实现有效的数据传输，以实现系统总体的功能。 系统网络的实时性、可靠性和数据通信能力关系到整个系统的性能，特别是网络的通信规约，关系到网络通信的效率和系统功能的实现。 DCS得以实现的技术关键。华北电力大学2.2 分散控制系统结构华北电力大学INFI-90INFI-90 B

6、ailey/ABB 公司 N-90,INFI-90,OPEN-INFI90,SYMPHONY BLOCK系列/RACK系列 过程控制单元PCU 过程控制观测站PCV 操作员接口站OIS CONDUCTOR NT 工程师工作站EWS COMPUSER 计算机接口单元CIU 通信网络等WDPFWDPF 美国西屋 WDPF 数据高速公路 信息高速公路 分布式处理单元DPU 完全控制单元TCU 通用可编程控制器接口UPCI 站接口单元SIU WEStation 工作站 PC机接口和中心遥测单元CTUMAX-1000MAX-1000 美国利兹-诺斯拉普公司 远程处理单元RPU 工作站WS 通信网络：光纤

7、高速公路、电缆数据公路、并行总线HIACS-3000HIACS-3000 主控站、工程师工作站、操作员工作站、管理计算机、系统控制器、机群控制器、驱动控制模件DCM和通信网络。 操作员站：16位微处理器、CRT、专用键盘 工程师站：编程和维护功能，32位微处理器，键盘，彩色CRT，打印机，RS-232C通信接口 主控站：主协调控制器 管理计算机：32位微机HIACS-5000MHIACS-5000M 工程师站、操作员站、历史站、通讯接口站、FDDI高速光纤控制网络、R600C基本控制器（控制周期50ms-500ms）驱动控制模件DCM、IO模件和PCM。 操作员站：Windwos NT、32位

8、微处理器、CRT、专用键盘 工程师站：编程和维护功能，32位微处理器，键盘，彩色CRT，打印机，RS-232C通信接口I/A SeriesI/A Series 美国福克斯波罗公司 现场总线模件，控制处理机，操作处理机，应用处理机，通信处理机，个人计算机，宽度接口和载带接口，网间连接器，通信网络等等 现场总线模件：单片机，模拟IO，数字IO，触点IO，智能变送器 控制处理机：微处理系统 操作站处理机与操作站：监视器，触摸屏，鼠标，键盘 应用处理机：计算站 通信处理器：通信接口,RS-232接口。 个人计算机：工程师工作站，微机 通信网络：四个部分，宽带网络，载带网络，节点总线，现场总线Telep

9、erm-MET-ME 德国西门子公司 自动子系统，操作监视系统，过程计算机，中央组态工作站，通信网络和接口 自动子系统：多个型号 操作监视系统：总线连接，集中监视和操作 过程计算机：计算工作，Unix操作系统，功能块 中央组态工作站：对AS进行组态设计和装载 通信网络：总线型结构MACSVMACSV 和利时公司 工程师站，操作员站，服务器，通信网络 通信网络：监控网络，系统网络，控制网络 按域设立独立的服务器，系统网络和控制站，每个域对应数据库总控中一个工程XDPS-400XDPS-400 新华控制公司 通讯网络，人机接口站MMI，分布式处理单元DPU，输入输出子系统，电源 通讯网络：A/B网

10、，C网。 人机接口站MMI：操作员站OPU，工程师站ENG，历史数据站HSU和计算站CAC。 输入输出子系统：输入输出卡件箱，输入输出卡件，输入输出端子柜基本构成 基本构成由现场级、控制级、监控级、管理层四级构成。 现场级主要包括各种过程通道卡件或者模块。 控制级包括所有的过程站。 监控级包括工程师站、操作员站、历史站和打印机等附属设备。 管理级包括管理计算机。 四层中间相应的通信网络由控制网络（Cnet）、监控网络（Snet）、管理网络（Mnet）三层网络结构。 华北电力大学现场级 现场级设备一般位于被控生产过程的附近。典型的现场级设备是各类传感器、变送器和执行器，它们将生产过程中的各种物理

11、量转换为电信号。 例：将 420mA的电信号（一般变送器）或符合现场总线协议的数字信号（现场总线变送器），送往控制站或数据采集站进行，将控制站输出的控制量（420mA的电信号或现场总线数字信号）转换成机械位移，带动调节机构，实现对生产过程的控制。华北电力大学现场级 目前现场级的信息传递有三种方式： 一种是传统的 420mA（或者其他类型的模拟量信号）模拟量传输方式； 一种是现场总线的全数字量传输方式； 一种是在420mA模拟量信号上，叠加上调制后的数字量信号的混合传输方式。 现场信息以现场总线为基础的数字传输是今后的发展方向。华北电力大学控制级 控制级主要由现场控制站和数据采集站构成。一般在电

12、厂中，把现场控制站和数据采集站集中安装在位于主控室后的电子设备室中。 现场控制站接收由现场设备，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。现场控制站可以同时完成连续控制、顺序控制或逻辑控制功能，也可能仅完成其中的一种控制功能。华北电力大学控制级 数据采集站与现场控制站类似，也接收由现场设备送来的信号，并对其进行一些必要的转换和处理之后送到分散型控制系统中的其它部分，主要是监控级设备中去。 数据采集站接收大量的过程信息，并通过监控级设备传递给运行人员。 数据采集站不直接完成控制功能，这是它与现场控制站的主要区别。 电子间一般不再独立设置，更多为远程

13、I/O站。华北电力大学监控级 监控级的主要设备有操作员站、工程师站、历史站和计算站等。 操作员站安装在中央控制室。 工程师站、历史站和计算站一般安装在电子设备室。华北电力大学监控级 操作员站是运行员与分散控制系统相互交换信息的人机接口设备。 运行人员通过操作员站来监视和控制整个生产过程。 运行人员可以在操作员站上观察生产过程的运行情况，读出每一个过程变量的数值和状态，判断每个控制回路是否工作正常，并且可以随时进行手动/自动控制方式的切换，修改给定值，调整控制量，操作现场设备，以实现对生产过程的干预；华北电力大学监控级 另外操作员站还可以打印各种报表，拷贝屏幕上的画面和曲线等。 为了实现以上功能

14、，操作员站是由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组成，一般配有大屏幕显示器、大屏幕显示装置、打印机、键盘、鼠标或球标。华北电力大学监控级 工程师工作站是为了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。 工程师工作站的另一个作用是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。 工程师工作站一般由PC机配置一定数量的外部设备所组成，例如打印机、绘图机等。华北电力大学监控级 历史站的主要任务是存储过程控制的实时数据，实时报警，实时趋势等与生产密切相关的数据，用来进行事故分析，性能优化计算，故障诊断等； 也可以通过历史站实现与外部网络的

15、接口，使外部网络不直接访问DCS监控网络就可以获得所需要的数据，即保证了开放性，又保证了安全性。 华北电力大学管理级 管理级包含的内容比较广泛，一般来说，它可能是一个发电厂的厂级管理计算机，也可能是若干个机组的管理计算机。 它所面向的使用者是厂长、经理、总工程师、值长等行政管理或运行管理人员。 厂级管理系统的主要任务是监测企业各部分的运行情况，利用历史数据和实时数据预测可能发生的各种情况，从企业全局利益出发辅助企业管理人员进行决策，帮助企业实现其规划目标。华北电力大学管理级 对管理计算机的要求是： 能够对控制系统做出高速反应的实时操作系统及数据库。 大量数据的高速处理与存储，能够连续运行可冗余

16、的高可靠性系统，能够长期保存生产数据，并且具有优良的、高性能的、方便的人机接口，丰富的数据库管理软件，过程数据收集软件，人机接口软件以及生产管理系统生成等工具软件，实现整个工厂的网络化和计算机的集成化。华北电力大学管理级 管理级也可分成实时监控和日常管理两部分。 实时监控是全厂各机组和公用辅助工艺系统的运行管理层，承担全厂性能监视、运行优化、全厂负荷分配和日常运行管理等任务，即监控信息系统（SIS）。 日常管理承担全厂的管理决策、计划管理、行政管理等任务，即管理信息系统（MIS）。华北电力大学监控层软件（一）工程师站软件 工程师站软件则主要完成系统的组态功能和系统运行期间的状态监视功能。1）硬

17、件配置组态：定义DCS中各种站的数量及其标识，参数。2）数据库生成：定义各个数据库点。3）控制回路组态：定义各个控制回路，包括算法、流程、原始数据和结果输出等。华北电力大学工程师站软件4）历史库生成：定义需保留的各个数据点及保存方法。5）引用生成：定义有数据交换的各站，以建立通信连接。6）控制算法语言组态：使用结构化文本语言编制特殊控制步骤和方法。以实现控制回路组态和梯形图组态难以实现的功能。7）各种定义文件的编译、连接和下装，成为现场I/O控制站和操作品站在运行时使用的组态定义。华北电力大学华北电力大学系统数据库组态界面SAMA图组态界面华北电力大学SAMA图组态界面华北电力大学SAMA图组

18、态界面图形组态界面华北电力大学操作员界面华北电力大学多窗口显示西屋DCS华北电力大学西门子DCS华北电力大学国产DCS华北电力大学HIACS-5000MHIACS-5000MHIACS-5000MHIACS-5000M系统网络结构华北电力大学网络介质华北电力大学网络技术的发展 网络技术的发展，使DCS从设计思想阶段走向具体实现阶段。 在DCS系统诞生时，主要解决一个生产装置中几个控制站和一个或几个操作站之间的数据通信问题； 第二代DCS则解决多个装置的DCS互联问题； 第三代DCS则解决一个工厂的多个车间互联及与全厂计算机管理网络互联的问题，这是总的设计思想。华北电力大学网络技术的发展 通信技

19、术的发展，也促进了DCS的设计思想一步步走向现实。 DCS系统的规模与通信能力也有很大关系，第一、二代DCS的信道和传输速率有变化。 第一代DCS采用双绞线信道或同轴电缆，速率在1Mb/s以下。 第二代DCS采用同轴电缆或光纤，通信速率为110Mb/s。 第一代DCS通信为数据高速公路 第二代DCS通信为局域网。华北电力大学网络技术的发展 在早期的DCS中，传统的分散控制系统多采用制造商自行开发的专用计算机网络。网络的覆盖范围上至用户的厂级管理信息系统，下至现场控制站的I/O子系统。 系统网络，包括其硬件和软件，都是各个厂家专门设计的专有产品。华北电力大学网络技术的发展 近年来，随着技术的发展

20、，分散控制系统的网络有了长足的进步。很多标准的网络产品陆续推出，特别是以太网逐步成为事实上的工业标准，越来越多的DCS厂家直接采用了以太网作为系统网络。华北电力大学网络技术的发展 随着网络技术的不断进步，分散控制系统的上层将与国际互联网Internet融合在一起，而下层将采用现场总线通信技术，使通信网络延伸到现场。 最终实现: 以现场总线为基础的底层网Infranet 以局域网为基础的企业网Intranet 以广域网为基础的互联网Internet 所构成的三网融合的网络架构。华北电力大学分散控制系统信号流程过 程 通 道过 程 控 制 设 备过 程 通 道执 行 机 构检 测 仪 表上 层 指

21、 令上 层 显 示系 统 网 络华北电力大学分散控制系统信号流程华北电力大学功能结构华北电力大学功能结构 从系统的功能角度上看，分散控制系统是一个多功能分级控制系统的结构体系，分散控制系统按功能可划分为经营管理、生产管理、过程管理（监督控制）、直接控制等四个层次级别。 应用中的DCS系统并非全部具有上述四层功能。大多数应用系统，目前只配置和发挥到第一层和第二层中小规模上，少数应用系统使用到第三层功能，只在大规模的综合控制系统中才应用到全部四层功能。 华北电力大学2.3 DCS的特点1）数字方式 从系统的结构形式看，DCS确实与仪表控制系统相类似，它在现场端仍然采用模拟仪表的变送单元和执行单元，

22、在主控制室端是计算单元和显示、记录、给定值等单元。 但从实质上DCS和仪表控制系统有着本质的区别。华北电力大学DCS的特点 首先，DCS是基于数字技术的，除了现场的变送和执行单元外，其余均采用数字方式。 而且，DCS的计算单元并不是针对每一个控制回路设置一个计算单元，而是将若干个控制回路集中在一起，由一个现场控制站来完成这些控制回路的计算功能。 这样的结构形式不只是为了成本上的考虑。 一个控制站执行多个回路控制的结构形式，是由于DCS的现场控制站有足够的能力完成多个回路的控制计算。华北电力大学DCS的特点 从功能上讲，由一个现场控制站执行多个控制回路的计算和控制功能更便于这些控制回路之间的协调

23、，这在模拟仪表系统中是无法实现的。 一个现场控制站应该执行多少个回路的控制，则与被控对象有关，系统设计师可以根据控制方法的要求具体安排在系统中使用多少个现场控制站，每个现场控制站中各安排哪些控制回路。在这方面，DCS有着极大的灵活性。华北电力大学DCS的特点 2）分散方式 从仪表控制系统的角度看，DCS的最大特点在于其具有传统模拟仪表所没有的通信功能。 从计算机控制系统的角度看，DCS的最大特点则在于它将整个系统的功能分成若干台不同的计算机去完成，各个计算机之间通过网络实现互相之间的协调和系统的集成。华北电力大学DCS的特点 在DDC系统中，计算机的功能可分为检测、计算、控制及人机界面等几大块

24、。 在DCS中，检测、计算和控制由现场控制站的计算机完成，而人机界面则由操作员站的计算机完成。这是两类功能完全不同功能完全不同的计算机。 一个系统有多台现场控制站和多台操作员站， 每台现场控制站或操作员站对部分被控对象实施控制或监视。这种划分是功能相同而范围不同的计算机。华北电力大学DCS的特点 因此，DCS中多台计算机的划分有功能上的，也有控制、监视范围上的。 这两种划分就形成了DCS的“分布”一词的含义。华北电力大学DCS的特点 3）数据库 系统总体数据库是分散控制系统的核心，有了这个总体数据库，分散控制系统才能真正实现资源共享。 各控制站上存在分布式数据库，仅包含各自站所需要的数据点信息

25、。 通过分散的数据采集和处理，在上位依据总数据库形成总体数据库，这是分散控制系统的软件核心。华北电力大学DCS的特点 上位数据库和下位数据库要保持一致，避免冲突。 数据库组态也是整个分散控制系统设计的关键，如何合理的分配数据点，使各现场站结构更合理，数据交换各合理，所以说，数据库设计是分散控制系统的核心。 数据库确定后，才可以进行进一步的组态工作，所有的显示、操作、报表、历史记录都是围绕数据库进行的。华北电力大学华北电力大学 DAS Data Acquisition System 数据采集系统 CCS Coordinated Control System 协调控制系统 MCS Modular

26、Control System 模拟量控制系统 SCS Sequence Control System 顺序控制系统 BMS Burner Management System 燃烧器管理系统FSSS Furnace Safeguard Supervisory System 炉膛安全监控系统 FSS Fuel Safety System 燃料安全保护系统 BCS Burner Control System 燃烧器控制系统 ECS Electro Control System 电气控制系统（G/A） NCS Network Control System 升压站计算机监控系统 ASS Automatic Synchronization System 发电机自动同期系统 DEH Digital