集散控制系统(第9讲)

1、集散控制系统(DCS )第九届、华东理工大学自动化系统凌志浩、第一部分集散控制系统的构成、第一节集散控制系统的构成要素、第一节集散控制系统的构成方式、功能层集散控制系统的系统特征是集散控制系统的“集散控制、集中管理”特征4级三个方框，分布式控制系统的典型结构，一、分布式控制系统各层功能，一.现场控制级功能前提：微处理器进入现场变送器、传感器和驱动器的现场总线的应用。 部分或完全完成过程控制级功能：收集过程数据，输出转换数据的过程操作命令，直接与进行数字控制的过程装置的控制级完成数据通信，进行现场控制级设备的检查和诊断。 2、过程装置控制级的功能、结构：过程控制设备I/O卡收集过程数据，进行数据

2、转换和处理的数据监视和存储连续、实施批次或顺序控制运算和输出控制作用的数据和设备的自诊断数据通信。 3、现场操作管理级别的功能、中央控制室的操作站、打印机、复印机、工程师站、计算站的数据显示和记录过程操作(包括配置操作、维护操作)数据存储和压缩存档报警、事件诊断和处理系统结构、维护4、全厂优化和日程管理级功能，从系统角度：优化原料销售调整优化控制协调各厂生产计划和各部门的联系，进行主要数据的显示、保存、打印数据通信。 二、集散系统三大基本构成特征，“三大模块”与四层的关系：1.分散过程控制装置对应于现场控制级和过程控制装置级2 .集中操作和管理系统对应于现场操作管理级和全工厂优化调度管理级3

3、.通信系统完成各层间的通信。 1 .分散过程控制装置的一部分适应性差的是生产环境即分散控制实时性独立性。 2 .集中操作和管理系统部分，信息量多，操作性耐故障性好，3 .通信系统部分，传输率差错率的开放性互操作性，第2节分布式系统的构成要素，一、分布式控制系统的构成特征的阶段性控制结构的分布式控制结构的冗馀控制结构1 .步进控制结构：多层结构， 多级结构和多重结构(1)多层结构(根据控制功能和规则)直接控制层：一般的单纯控制优化控制或监视层：对象数学模型和参数已知， 直接决定控制层的控制器的设定值学习层或适应层：针对实际的系统观测，识别在优化层使用的数学模型结构和参数，使模型和实际的过程从组织

4、级别一致：根据系统的总控制目标，选择在下层使用的模型结构、控制策略等多级结构为减少同一级别的各子系统之间的信息交换和决策冲突，在分散的各决策子系统上追加水平协调水平。 (3)多重结构第一重：以一定物理规律变化的物理现象第二、控制系统(从信息处理和控制的观点)第三、评价经济实体及其利益(经济学的观点)的比较：多重结构：主要从建模考虑的多级结构：子系统关联、横向分解、纵向层次多层结构阶段性控制结构的优点系统结构灵活，容易变化，系统容量扩大或缩小的控制功能得到了增强，除了直接控制以外，控制、自学习、自适应、自适应等功能也被优化了，减少了信息存储量、计算量，设置了减少了计算时间的备用子系统，降低了成本

5、。2、集散控制系统分散控制结构，结构：垂直型(分层型):监控，调节水平型：自我管理复合型，分层分散和水平分散模式图，集散控制系统分散控制结构体现：(1)组织人事分散； (2)地域的分散(3)功能的分散(4)负荷的分散。 3 .冗馀结构经常采用冗馀结构作为分布式控制系统的重要设备，影响全局系统的公共设备，以提高系统可靠性。 频繁采用的冗馀方式是同步运行方式。待机运行方式、后退运行方式、多级操作方式。 (1)同步运行方式中，使2台以上的装置同样地进行同步运行，输入相同的信号，进行相同的处理，比较输出，如果输出一致，则系统正常动作。 双重冗馀，“三中取二”(联锁)应用于可靠性要求极高的情况，(2)待

6、机运行方式采用n台同种设备，备用设备，平时备用设备处于准备状态，n台设备中的任一台设备发生故障时，可以启动备用设备运行。 1:1备用系统，N:1备用系统热备用系统，指挥装置，(3)后退运行方式，正常时，n台设备分担运行，其中一台损坏时，其馀设备放弃不重要的功能，从而损害设备的功能。 典型： CRT和操作站(第一台监视、第二台操作、第三台警报)，(4)多级操作方式，纵向冗馀的方法。 正常的操作从上层进行，该层的故障在下一层进行，逐渐降低最终的部件执行机构的控制。 例如，功能模块由手动、自动切换开关、二、集散控制系统构成分类三大组成部分：分布式控制装置通信系统集中操作和管理装置(1)工业级微机通信

7、系统操作管理机(2)单环路控制器通信系统工业级微机(3)PLC通信系统工业级微机(3) 工业级微机通信系统工业级微机(5)智能前端通信系统工业级微机，(1)工业级微机通信系统操作管理机工业级微机作为多功能环路的分散控制装置起作用的操作管理机使用PC机，对应的软件由软件制造商开发。 (2)单环控制器、通信系统以工业级微机、单环控制器为分散控制装置的工业级微机作为操作管理站，通用性高，独自开发软件。 面向中小企业(分布式控制系统)。 (3)作为PLC通信系统工业级微机PLC分散控制装置，其他相同2。 在制造业广泛应用的集散控制系统的结构尤其适用于许多逻辑顺序控制的过程。 (4)工业级微机通信系统工

8、业级微机工业级微机兼具分散控制装置、操作和管理装置。 (5)智能前端通信系统工业级微机智能前端作为分散控制装置，用于指生产现场的智能控制设备的小型集散控制系统。第2部分集散控制系统的性能指标评价，第1节集散系统的可靠性第2节集散系统的操作性第3节集散控制系统的构成性第4节集散控制系统的其他性能指标，第1节集散系统的可靠性，第1、可靠性1 .可靠性设备、部件或系统按规定的工作条件，规定的广义可靠性和狭义可靠性：狭义可靠性：一次使用的设备、部件或系统的寿命。 广义可靠性：可修复的机械、零件或系统在使用中不发生故障，发生故障时容易修复，具有经常使用的性能。(包括维护性)，2 .评价可靠性的指标，(1

9、)可靠性(2)平均故障时间MTBF(Mean Time Between Failure) (3)到故障发生为止的平均时间MTTF(Mean Time To Failure) (4) (瞬时)故障率FR(Failure Rate 零件或系统，开始工作后，在规定的工作条件下的工艺周期内，达到规定的性能，也是无故障正常工作的概率。 (2)平均故障时间(MTBF ) :可以边修理边使用的机器、零件或系统、与故障时间相邻的正常时间的平均值。 (3)故障发生前的平均时间(MTTF ) :无法修理的机器、零件或系统、故障发生前的运行时间的平均值。 (4)故障率：通常指瞬时故障率，能工作到某一时间的机器、零件

10、或系统，以连续的单位时间内发生故障的比率，也称为低效率或风险率。 二、提高可靠性的途径，从可靠性设计和维护性两方面来看，1 .有效利用可靠性设计的规范(1)以前的经验(2)尽量减少零件数量(3)采用标准化产品(4)的检查、调整和更换(5)零件兼容性好(6)。 可靠性容易实现特殊设计方法2 .提高分布式系统硬件可靠性的措施(1)冗馀结构设计根据冗馀部件、装置或系统的工作状态分为冗馀(热备件)备份冗馀(冷备件)，冗馀下层的零件、装置、系统越需要冗馀性，冗馀性越高。 供电系统冗馀：外部双工供电，内部大容量电池供电保护数据过程控制器冗馀：装置冗馀(n:1 )和CPU冗馀(双工冗馀，热备份方式)通信系统

11、冗馀：冗馀双重化，智能变送器，数据通信采用现场总线操作站的冗馀性： 23台操作站并行运行，具有双重冗馀性或(2，3 )构成投票系统冗馀性的系统输入输出信号的卡部件冗馀性和上位机的冗馀性等。 冗馀设计以投入相同的装置、部件为代价来提高系统的可靠性。 (2)为了不易故障的硬件设计，提高寿命，硬件被认为是设计和系统的选定。 运动部件：由于电子部件的寿命比机械运动部件的寿命长，因此运动部件的寿命成为测量系统可靠性的指标。 连接器零件：卡本身，卡与卡支架接触部分的设计采用先进的制造技术，零件：机械和电子零件。 选择品牌制造商的高性能、标准化、系列化的零件，严格地进行预处理和筛选。 电路优化设计：采用大规

12、模超大规模集成电路芯片，尽可能减少焊盘的电路优化设计(电缆优化布局、优化性能的部件、多级控制系统整体设计)，(3)采用快速排除故障的硬件设计，为了快速排除故障，减少MTTR， 除了具有充足的备品备件和服务人员技能外，在硬件设计方面，还需要自我诊断：硬件和软件相结合完成。 当硬件设计使系统发生故障时标志的变化软件设计将检测值与故障极限值进行比较来发出信号。 硬件设计：硬件机械零件和电子零件的设计不易检查、更换、故障。 专用诊断检查设备：为了便于诊断和检查，许多分散控制系统制造商可以制造专用设备，用于在线和离线的检查和修理，还可以进行模拟运行。 售后服务和备品备件：人员培训、售后服务、升级和备品备

13、件的服务。 3 .提高分布式系统软件可靠性的措施，(1)分布式结构设计将整体软件设计分散到各子系统的设计中，各自独立地共享资源，不仅有利于设计工作的开展，而且有利于软件的调试。把整体设计分为控制器模块、历史数据模块、打印模块、报警事件模块等子系统的软件设计。 (2)容错技术在设计软件时，如果不响应操作者的误操作，即不按照设计顺序，软件就不输出操作指令或输出通知操作错误的信息。 (3)采用标准化软件可以提高软件工作的可靠性，为其他软件公司的软件移植、应用提供条件。 第2节集散控制系统的操作性、集散控制系统的操作包括生产过程操作、构成和编程操作及维护修理操作。 操作透明度：操作信息和更新速度的可操

14、作性：容易实现必要操作，不易发生误操作允许范围的技术：发生误操作时，不影响正常运行安全性：进入对应操作环境的安全许可措施，操作的透明性，操作的透明性：生产过程的操作信息被操作员明确接受和理解，适用于生产过程操作的能力。 (1)仪表使用初期：在现场工作，有真实感的理解过程(真实，形象)，(2)CRT集中显示和操作：操作员对生产过程状态的认识和真实感变得稀薄。 操作员的经验、知识和想法需要处理、理解信息，降低操作的透明度。 (3)集散控制系统：建立生产过程、与模拟仪表相似的趋势显示屏、面板、实时更新等。 用于提高操作的透明度。 操作性、操作性：分布式系统提供的操作环境易于操作员接受，根据提供的信息

15、操作生产的全过程。 操作环境、操作功能、容错技术、安全性、(1)操作环境：舒适地工作，数据、状态等信息容易识别的警报和事件等信息能引起注意长期工作不感到疲劳的开关和设备能最快地实现操作容易的必要操作。 关于舒适的学、系统的构成、结构的知识。 舒适的学、舒适的学(人类工程学):人类科学”和“工学技术”的组合，是研究“人-机械-环境”系统中人、机械、环境三个要素之间的关系和相互作用规律，为解决系统中人的性能、健康等问题提供理论和方法的新兴边缘科学人类工程学的基本理论是“产品设计必须符合人的生理、心理因素”。 (2)操作功能、分散控制系统的操作功能主要由驾驶台执行。 从操作性分析操作功能的实施，其判

16、别标准是，必要的信息经过何种程度的操作，到达能提供信息的画面，流程操作画面：流程画面、流程画面、组画面、电路画面、历史趋势画面、警报画面等的维护和构成画面：系统维护、系统构成、电路构成、警报显示趋势构成等的功能，显示画面：过程操作画面：图像画面、过程画面、组画面、电路画面、历史趋势画面、警报画面等的维护和构成画面：系统维护、系统构成、电路构成、警报构成、趋势构成等过程操作画面的切换比很重要(过程减少工作量、提高可靠性、减少过程操作画面的切换操作画面的方法：评价固定键、动态键、下拉菜单、画面编号、页面切换等过程显示功能的优劣：画面显示全面、切换方法简易、调用的迅速性、(2)过程监视功能、驾驶员安

17、全图像显示画面：过程变量的位编号、过程变量与设定值的偏差、过程变量的柱状图、警报限制值、警报信息等。 驾驶员定性地理解过程变量是否超过其规定值，并根据系统提供的形象画面、驾驶员的要求、画面提供的信息等进行综合评价。(3)操作功能、分散控制系统的操作：过程操作、构成操作和维护操作过程操作：对控制回路的操作、对各控制点的操作控制回路的操作：控制方式、设定值、手动输出值、警报限制值、控制器操作方式、调整参数等。 控制点的操作：设备的停止、正反转、控制方式、连锁状态、警报限制等。 评价：专用键的数量，动态键是否可用，调整参数是否容易配置操作：系统、电路、报警等配置时进行的操作，有离线配置和在线配置的差异。 离线结构容易与设置时间同步进行，可以缩短生产时间。 在线配置不影响生产的正常运行，进行贵路结构等的变更。 评价设定操作：设定软件、设定工具、编程语言、图形编辑方式、工作方便性、速度。 保养工作主要是画面的调用。 显示层次画面，进行故障定位，读取与