分散控制系统81109

-.z.分散控制系统及其应用分散控制系统〔DistributedControlSystem，DSC〕是20世纪70年代中期开展起来的以微处理器为根底，采用控制功能分散，显示操作集中，兼顾分而自治和综合协调原则设计的分散型控制系统。它是控制技术〔Control〕、计算机技术〔puter〕、通信技术〔munication〕、阴极射线管〔CRT〕图形显示技术和网络技术相结合的产物。该装置时利用计算机技术对生产过程进展集中监视、操作、管理和分散控制的一种全新的分布式计算机控制系统。分散控制系统的开展与构成DCS自20世纪70年代问世以来，开展异常迅速。目前，它作为新一代工业自动化过程控制设备，在世界范围内被广泛应用于石油、化工、冶金、纺织、电力、食品等工业，我国在石油、冶金、化工与电力等行业也已普遍推广应用。在生产控制领域，常规模拟仪表控制系统经历了基地式，单元组合式，组件组装式等几个开展阶段。应当说仪表控制系统不同阶段的开展，一方面整个科学技术开展水平密切相关；另一方面，生产过程的规模对控制水平的要求也处于不断和开展进步中。直至今天，也并不是任何一个简单的生产过程都需要采用分散控制系统，然而，以现代化大型发电机组为例，设备与生产过程十分复杂，需要采用复杂控制方案，而常规模拟仪表存在难以克制的弊病：首先是控制功能过于单一，难以实现*些复杂控制功能；其次是难于集中操作和监视，长达几十米的高密集排列仪表屏，操作和调整都十分困难，因此难以采用。20世纪50年代末期人们开场将电子计算机用于过程控制，但是它本身存在严重的弱点：首先是危险高度集中，在一个大型工厂中，一台计算机要控制几十个，甚至几百个回路，当计算机的公共局部发生故障时，轻则造成装置或整个工厂停车，重则导致设备的损坏甚至发生火灾、爆炸等恶性事故；其次是本钱高，为了提高计算机的可靠性，一般都采用双机、双工运行或常规仪表备用，这样不仅维修工作量大，而且本钱将成倍增加。为继承常规模拟仪表及集中控制计算机系统的优点，并摒弃其缺乏，人们开场了新的探索。20世纪70年代初随着微处理机技术的高速开展，过去有一台大型计算机完成的功能，可以由几十甚至几百台微处理机来完成，各微处理机之间又可以用计算机网络连接起来，构成一个完整的系统，正是在这一根底上出现了集散控制系统。人们按控制功能或按区域将微处理机进展分散配置，每个微处理机只需控制少数几个回路，使危险性大大分散。该系统又使用假设干个彩色图形显示器进展监视和操作，并运用通讯手段，将各微机连接起来，它比常规模拟仪表有更强的通信、显示、控制功能，又比集中过程控制计算机平安可靠。这是一种分散型多微处理机综合过程控制系统，又称分散型综合控制系统，俗称集散控制系统，简称DCS。DCS的组成及特点分散控制系统是利用计算机技术对生产过程进展集中监视操作,管理和分散控制的一种新型控制技术。一般性分散控制系统的根本构成如图1所示。总的来说是三站一线：工程师站、操作员站、现场控制站、系统网络。图1.DCS体系构造工程师站对DCS进展进展离线的配置、组态工作和在线的系统监视、控制、维护的网络接点。其主要功能是提供对DCS进展组态，配置工作的工具软件，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随时处在最正确的工作状态之下。2、操作员站其组成如图2所示。处理一切与运行操作有关的人机界面〔OI，OperatorInterface或MMI，ManMachineInterface〕功能的网络节点。其主要功能：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展控制和调节，以保证生产过程的平安、可靠、高效、高质。图2.操作员站的组成3、现场控制站现场控制站是DCS的核心，是一个可独立运行的计算机监视控制系统。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，因此对它的设计、生产及安装都有很高的要求。现场控制站的控制模件、组态模件、输入/输出模件、电源模件等均装在一个机柜内。现场控制站至少要有一个以CPU为核心的控制器模件,通过内部总线与其他过程接口模件、通信接口模件构成一个整体，其根本构造如图3所示。图3.现场控制站根本构造现场控制站的存储器中固化有一个控制和运算功能的程序库，可进展PID运算，上下限幅及各种数字运算。使用者可根据需要建立自己的控制系统。例如，用户可选用一块具有CPU的多功能控制器主模件，一块存储器板〔EEPROM、RAM〕，一定数量的模拟量、数字量输入/模出模件，一块环路接口模件，一块总线接口模件，即可构成一定规模的现场控制站〔PCU〕。由许许多多现场控制站来实现对生产过程的分散控制。4、系统网络DCS网络包括系统网络、现场总线网络和高层管理网络。系统网络是连接DCS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，因此系统网路的实时性、可靠性和数据通信能力关系到网络通信的效率和系统功能的实现。现场总线将现场检测变送单元和控制执行单元被数字化，因此DCS将成为一种全数字化的系统。在以往采用模拟式变送单元和执行单元时，系统与现场之间是通过模拟信号线连接的，而在实现全数字化后，系统与现场之间的连接也将通过计算机数字通信网络，即通过现场总线实现连接，这将彻底改变整个控制系统的面貌。高层管理网络将DCS从单纯的低层控制功能开展到了更高层次的数据采集、监视控制、生产管理等全厂范围的控制、管理系统，使DCS成为一个计算机管理控制系统，包含了全厂自动化的丰富内涵。DCS的功能分层体系从控制系统的角度来看功能分层体系是分散控制系统的显著特点，是实现控制功分散，操作显示集中的关键。可以将DCS分为四层，如图4示。1、过程控制级在这一级上，过程控制计算机直接与现场各类装置〔如变送器、执行器、记录仪表等〕相连，承受上层的管理信息，并向上传递装置的特性数据和采集到的实时数据。其主要任务有：进展过程数据采集，即对被控设备的每个过程量和状态信息进展快速采集，使进展数字控制、开环控制、设备监测、状态报告的过程等获得所需要输入的信息。2〕进展直接数字的过程控制。根据控制组态数据库、控制算法模块来实施实时的过程量〔如开关量、模拟量等〕的控制。3〕进展设备监测和系统的测试和诊断。把过程变量和状态信息取出后，分析是否可以承受以及是否可以允许向高层传输。进一步确定是否对被控装置实施调节，并根据状态信息判断计算机系统硬件和控制板的性能〔功能〕，在必要时实施报警、错误或诊断报告等措施。实施平安性、冗余化方面的措施。一旦发现计算机系统硬件或控制板有故障就立即实施备用件的切换，保证整个系统平安运行。控制管理级过程控制级实现的是分散控制，控制管理级则是以实现集中显示、操作与管理的。所以，分散控制系统又曾名为集散型控制系统。控制管理级包括操作控制站、工程师站和通信设备。有些系统还设置了用于系统管理和计算的管理计算机，一般称上位机，与此相对应的过程控制级中使用的微处理机称为下位机。由通信网络把分散在现场的许多现场控制站、数据采集站与操作控制站、工程师站连接起来，对过程控制级的设备进展控制管理。生产管理级主要由实时数据效劳器和工作站组成。其功能是实现厂级生产过程的监视和管理，厂级故障诊断和分析，厂级性能指标计算。经网关机向经营管理级发送数据。经营管理级经营管理级居于工厂自动化系统的最高一层，它的管理范围很广，包括工程技术方面、经济方面、商业事务方面、人事活动方面以及其它方面的功能。把这些功能都集成到软件系统中，通过综合的产品方案，在各种变化条件下，结合多种多样的材料和能量调配，以到达最优化的解决这些问题。在这一层中，通过与公司的经理部、市场部、方案部以及人事部等办公自动化相连接，来实现整个制造系统的最优化。经营管理级由数据效劳器和工作站等设备构成。主要用来实现厂级经营管理、财务管理和人事管理等。二〕从信息系统的角度来看DCS是一个数据通信系统，具有不同的网络构造，连接着功能各异的一个个节点，实现节点间的信息传送与互换。1、通信网络构造通信网络构造是指网络中各节点设备之间相互连接的方式。常用的网络构造有星型、环型、及总线型。2、信息传输控制技术通信网络上连接着众多的设备，要实现设备之间的信息传送，必须有适合于不同网络构造的信息传输控制技术，常用的信息传输控制技术有查询式、播送式及存贮转发式。查询式是一种有主站控制的通信协议方式，适用于具有主从节点的网络构造。播送式是一种无主站控制的通信协议方式，适用于总线形和环形网络构造。其根本特征是在任何时刻，网络中仅允许有一个站处于发送信息状态，而其余各站只能处于接收状态。存贮转发式是是一种无主站控制的通信协议方式，适用于环型网络构造。协议的根本特征是允许网上所有站同时发送和接收信息。三〕从计算机系统的角度来看DCS分为硬件系统和软件系统。硬件系统是一系列以微处理器为根底的智能模件、过程通道、通信接口和各种外部设备。软件系统是包括对系统进展管理的操作系统、数据库系统、组态工具软件和对过程进展控制的一系列标准化功能模块。四，DCS组态过程DCS组态过程主要包括硬件配置和软件组态。硬件配置过程控制级是按系统规模配置现场站，现场站的个数由测点、功能及位置决定。控制管理级按系统规模配置，操作员站的个数由运行方式、功能及位置确定。而工程师站的个数由生产要求来决定。。软件组态a〕控制组态控制组态是指根据用户要求，利用DCS厂家提供的控制组态工具软件和固化在现场站控制器模件ROM中的各种功能模块生成控制策略。分成五步完成：生成组态、编译组态、下装组态、调试组态、运行组态。组态方式分两种，分别是CAD图形组态和填表式组态。b〕系统组态系统组态是指根据用户要求，利用DCS厂家提供的系统组态工具软件〔图形组态、数据库组态、记录组态〕和标准元素〔符号、模板〕生成数据库、监控画面和报表。其组态方式多种多样，即可在操作员站，又可在工程师站。五、Sympnony系统组成一〕系统硬件Symphony系统有现场控制单元、人系统接口设备、系统工程工具、计算机接口设备和网络接口设备五种节点类型。现场控制单元〔HarmonyControlUnit，HCU〕用于过程控制，实现物理位置相对分散、控制功能相对分散。人系统接口设备〔HumanSystemInterface〕用于现场的过程监视、操作、记录管理等功能，它的型号为Conductor。系统工程工具poser用于工程组态、系统监视、系统维护等功能。计算机接口单元〔puterInterfaceUnit〕用于Symphony系统在通信网络上与其它计算机及有关控制设备接口，简称CIU。网络接口设备〔NetworkInterfaceUnit〕用于Symphony系统网络和网络连接，常用的型号有IIL、IIR。系统软件主要包括四方面：功能码、功能块、组态工具及通信驱动软件。功能码〔Functioncode〕用于完成特定功能的标准化子程序，固化在现场站智能模件的ROM中。功能块〔FuctionBlock〕在带后备电池的BATRAM中安排了地址的功能码。组态工具软件〔ConfigurationSoftware〕是用于给系统设备如HCU、HSI进展组态的专用软件。通信驱动软件〔municationDriveSoftware〕是用来与其它第三方计算机或现场控制、数据采集设备进展通信的驱动软件。Symphony系统通信网络使用的技术为防止通信通道的堵塞，保证通信传输的畅通和提高网络的通信效率，在Symphony通信系统中，使用了两种有效的通信技术，即：例外报告技术、信息打包技术。例外报告技术——减少不必要的信息传输所谓例外报告是指一个数据点超出指定的参数时产生的数据更新。实际上，例外报告所描述的是发生变化的数据，并且变化越大、越快，相对来讲产出的报告就越多，就相当于建立起一个自由活动的监视器。哪里的变量变化大就往哪里看，变得快，看的越细，得到的报告就越多。从采样的观点来理解例外报告的产生过程，可以把这种采样的扫描方式看成是变周期式采样，并且周期的变化与信号的变化相一致，从而提高了信息的利用效率。减少了不必要的信息传输。其技术主要涉及四项根本要素：例外报告死区、最小例外报告时间、最大例外报告时间、高/低限警限。2、信息打包技术——提高信息传输效率。所谓打包技术就是把去同一地址的所有信息压