分布式控制DCS-C2

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1、DCS 集散控制系统 第2章 DCS的体系结构 示例补充 工业计算机（Industrial PC） 3 现场总线系统（Field Bus System） 4 现场总线系统是全数字串行、双向通信系统。系统内测量和控制设 备如探头、激励器和控制器可相互连接、监测和控制。在工厂网络 的分级中，它既作为过程控制（如PLC，LC等）和应用智能仪表 （如变频器、阀门、条码阅读器等）的局部网，又具有在网络上分 布控制应用的内嵌功能。由于其广阔的应用前景，众多国外有实力 的厂家竞相投入力量，进行产品开发。目前，国际上已知的现场总 线类型有四十余种，比较典型的现场总线有：FF，Profibus，LON work

2、s，CAN，HART，CC-LINK等。 现场总线系统的技术特征 5 (1) 全数字化通信 (2) 开放型的互联网络 (3) 互可操作性与互用性 (4) 现场设备的智能化 (5) 系统结构的高度分散性 (6) 对现场环境的适应性 6 7 8 9 10 11 12 HOLLiAS-MACS 13 主要内容 2.1 DCS的体系结构 2.2 DCS分层结构中的功能 2.3 DCS的构成与联系 2.4 DCS的体系结构的技术特点 2.5 DCS体系结构的典型示例 14 2.1 DCS的体系结构形成 1975年Honeywell 公司宣 布第一套集散控制系统TDC- 2000诞生后，工业控制自 动化进

3、入了一个崭新的时期 集中型 多级型 集散型 ? 2.1.1 中央计算机集中控制系统的形成 15 20世纪60年代前期，大量的工业控制计算机用来解决特定而明确 的工业控制问题（如数据采集、数据处理、过程监视等），这类计 算机通常称为专用机。 由于专用机只能处理一类特定的事情，因此，工程系统必然需要一 系列这类计算机来解决各种各样的问题。 如果需要相互之间联系，只有依靠数据传输介质（磁带、纸带、 卡片）来传输。 2.1.1 中央计算机集中控制系统的形成 16 专用计算机1 过程装置1 专用计算机2 过程装置2 专用计算机3 过程装置3 图2.1 专用计算机控制系统 2.1.1 中央计算机集中控制系

4、统的形成 17 由于中央计算机的引入，各专用计算机都可连接在中央计算机上， 专用机之间的联系可以通过中央计算机的转换而实现，进而整个系 统就可能协调一致地运行，奠定了几种控制模式的基础。 2.1.1 中央计算机集中控制系统的形成 18 专用计算机1 过程装置1 专用计算机2 过程装置2 专用计算机3 过程装置3 图2.2 中央计算机的引入 中央计算机 Mission 19 中央计算机 数据采集过程监测 报警记录 数据存档数据处理 过程控制 20世纪60年代中期出现 了大型高速的过程控制计 算机，使得采用一台大型 计算机代替多个专用机， 使监视和控制多个装置称 为可能。 2.1.2 DCS分层体

5、系结构的形成 20 中央计算机集中控制结构 的制约与限制： 1. 计算机的处理速度问题 2. 系统的复杂性问题 3. 系统的维修改造问题 1. 使计算机本身更加可靠 2. 引入分散控制系统 解决 方案 2.1.2 DCS分层体系结构的形成 21 20世纪60年代末期到70年代初，出现了大型高速的过程控制计算 机，使得采用一台大型计算机代替多个专用机，使监视和控制多个装置 成为可能。 70年代末期，多计算机自动化系统由制造商推出，而系统一旦由用户 采用，就必然会在满足自己应用的前提下，选择价格更加合理的不同厂 家的计算机产品，使分散式系统逐渐形成。 中央计算机只充当后继处理设备，不直接和现场设备

6、打交道，从而把 部分功能和危险都分散到前端计算机上，如果中央计算机失效，依旧能 保持设备的控制功能。 2.1.2 DCS分层体系结构的形成 22 图2.3 二级自动化控制系统结构 前端计算机1 过程装置1 前端计算机2 过程装置2 前端计算机3 过程装置3 中央计算机 二级计算机系统 一级计算机系统 2.1.2 DCS分层体系结构的形成 23 三层结构仅限于前端计算机较少的情况。当控制规模增大时，随着前 端计算机的增加，中央计算机的负载也增大，单台中央计算机难以完成 大负荷的计算量。 在这种应用条件下，中间计算机分布在各个车间和工段上，处于前端 计算机和中央计算机之间，分担一些中央计算机的任务

7、。 2.1.2 DCS分层体系结构的形成 24 图2.4 三级自动化控制系统结构 中间层 计算机1 前端计算机1前端计算机2 中间层 计算机2 前端计算机3 中央计算机 三级计算机系统 一级计算机系统 前端计算机3 二级计算机系统 2.1.3 DCS的分层体系结构 25 1. 现场装置直接管理层次的直接控制层 2. 操作监控层次的过程管理层 3. 产品管理级别的生产管理层 4. 工厂总体管理和经营管理层次的决策管理层 26 图2.5 DCS的层次结构 决策管理层 生产管理层 决策 管理 网络 决策管理 计算机 决策管理 网关 生产 管理 网络 生产管理 计算机 生产管理 网关 控制 网络 操作

8、员站工程师站 监控 计算机站 控制网关 过程控制站 Structure 操作控制层 直接控制层 2.2 DCS分层中各层的功能 27 新型集散控制系统时开放型的体系结构，可方便地与生产管理的上位 计算机相互交换信息，形成计算机一体化生产体系，实现工厂的信息一 体化。 28 图2.6 集散控制体系结构的 各层功能 决策管理 市场和用户分析 订货和销售统计 销售计划 产品制造协调 合同事宜 期限监测 2.2 DCS分层中各层的功能 生产管理 规划产品结构规模 产品监视 产品报告 工厂生产监视 过程管理 过程操作测试 装置间协调 优化过程控制 错误监测 数据存档 直接控制 数据采集监测 数字开闭环控

9、制 监测与故障诊断 数据检查 实施安全型措施 2.3 DCS的构成与联系 29 现场控制站是DCS的核心，因此各个厂家都把开发的重心放到这里。 从CPU到I/O模块的设计，最大区别在于软件设计和网络设计。 对DCS体系结构的讨论，实际上是对系统的软件组织方式，网络通信 方式的讨论。 2.3.1 DCS的基本构成 30 1. 现场控制站 2. 操作员站 3. 工程师站 4. 系统网络 2.3.1 DCS的基本构成 31 1. 现场控制站 - 作为DCS的核心，主要控制功能由它来完成 - 系统的性能、可靠性尤其保证 - 主CPU、内存等用于数据处理、计算和存储的部分被称为逻辑部分 - 现场I/O被

10、称为现场部分 - 逻辑部分与现场部分需要严格隔离 - 由于现场控制站有比较严格的实时要求，需要在确定的时间期内完成 测量值的输入、运算和控制量的输出，因此现场控制站的运算速度和 现场I/O速度都应满足很高的设计指标 2.3.1 DCS的基本构成 32 2. 操作员站 - 主要完成人机界面功能， 一般采用台式通用计算机 系统，如图形工作站或PC - 要求有大型显示器和高性 能图形处理器 - 有些系统还需要使用多屏 幕，以拓展操作员的观察 范围 2.3.1 DCS的基本构成 33 3. 工程师站 - 工程师站是DCS中的一个特殊功能站，其主要作用是对DCS进行应 用组态（Configure）。应用

11、组态是DCS应用过程当中一个必不可少 的环节，用来定义一个具体的分散子系统完成什么样的控制方案 - 组态工作是在系统运行之前进行的，是离线进行的。一旦组态完成， 系统就具备了运行能力 - 在DCS在线运行当中，也允许运行组态，对系统的一些定义进行修改 和添加，这种操作叫在线组态 34 “组态(Configure)”的含义是 “配置”、“设定”、“设置” 等意思，是指用户通过类似“搭 积木”的简单方式来完成自己所 需要的软件功能，而不需要编写 计算机程序，也就是所谓的“组 态”。它有时候也称为“二次开 发”，组态软件就称为“二次开 发平台”。 Confi gure 2.3.1 DCS的基本构成

12、35 4. 服务器及其他功能站 - 除了上述三个功能站以外还有其他完成特定功能的站点，如专门记录 其他历史数据的历史站；进行高级控制运算功能的高级计算算法站； 进行生产管理的管理站。 - 站与站之间通过网络连接，实现监督控制功能。 2.3.1 DCS的基本构成 36 1. 网络通信系统 - 系统网络：连接各个站的桥梁，实现有效的实时数据传输 - 现场总线：传递具体的检测与控制信号的传输 - 高层管理网络：具有服务器的结构，在网络层次上增加管理网络层， 主要是为了完成综合监控和管理功能 37 总结与内容 DCS的结构形成、特点以及功能 DCS的软件构成 DCS的技术特点 DCS的结构示例 38

13、公共信箱 email: fenbu2015 password: 2015fenbu 2.3.2 DCS的软件构成 39 通过对DCS各个站的功能描述，可以清楚地知道每个站上的软件功能。 - 现场控制站上的功能主要是完成各种控制功能，包括闭环控制、逻辑控 制、顺序控制以及这些控制所需的现场I/O处理； - 操作员站上的软件主要完成运行操作人员所发出的个各个命令的执行、 图形与画面显示、报警处理、对现场各类检测数据的集中处理等； - 工程师站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。 现场控制站软件 40 1. IO驱动，其功能是完成过程量的输入输出 2. 对输入的过程量进行预处理，如

14、工程量的转换、统一计量单位、剔除 各种因现场设备和过程I/O设备引起的干扰和不良数据，对输入数据进 行线性化补偿以及规范化处理，总之是要尽量地用数字值还原现场 值，并为下一步计算做好准备 3. 采集现场数据并存储在现场控制站内的本地数据库中，这些数据可作 为原始数据参与控制计算，也可作为中间变量，在以后参与控制计算 4. 根据控制算法和检测数据、相关参数进行计算，得到实施控制的输入 5. 通过现场I/O，将控制量输入到现场 操作员站软件 41 主要功能是人机界面（Human Machine Interface, HMI） 1. 图形处理功能，该功能根据由组态软件生成的图形文件进行静态画面 的显

15、示、动态数据的显示 2. 操作命令功能，包括键盘操作、鼠标操作、画面热点操作的各种命令 方式的解释与处理，按钮命令动作下发、设定值变更等 3. 历史数据和实时数据的趋势曲线显示功能 4. 报警信息的显示、时间信息的显示、记录与处理功能 5. 历史数据的记录与存储 6. 报表功能 7. 系统运行日志的形成、显示、打印和存储功能 工程师站软件在线运行部分 42 主要分为在线运行部分和离线运行部分。在线运行的主要完成对DCS系 统本身云信个状态的诊断和监视，发现异常时报警，同时通过工程师站上 的屏幕给出详细异常信息。 工程师站软件离线运行部分（1） 43 离线态的组态软件，实际上是一组软件工具，是为

16、了将一个通用的、对 多个应用控制工程有普遍适应能力的系统，变成一个针对某一个具体应用 控制工程的专门系统。为此，系统要针对这个具体应用进行一系列定义， 如系统要进行什么样的控制；系统更要处理哪些现场量，这些现场量要进 行哪些操作；系统操作员要进行哪些控制操作，这些操作要如何具体实现 等等。 工程师站软件离线运行部分（2） 44 1. 系统硬件配置定义 2. 实时数据库的定义 3. 历史数据库的定义 4. 历史数据和实时数据的趋势显示、列表打印输出等定义 5. 控制算法的定义 6. 人机界面的定义 7. 报警定义 8. 系统运行 9. 报表定义 10.时间顺序记录和事故追忆等特殊报告 各种专用功能的节点及相应的软件 45