集散控制系统概述讲述

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1、控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系 第八章第八章 集散控制系统集散控制系统 1 控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系 8.1.1 8.1.1 DCSDCS的基本概念的基本概念 集散控制系统DCS是随着现代大型工业生产自动化的 不断兴起和过程控制要求的日益复杂应运而生的综合 控制系统。 D Distributed C Control S SystemDCSDCS DCS可直译为“分布式控制系统” “集散控制系统”是按中国人习惯理解而称谓的。 DCS的主要特征是它的集中管理集中管理和分散控制分散控制 它采用危险分散、控制分散，而操作和管理集中的基 本设计思想，多层分级

2、、合作自治的结构形式 DCS在电力、冶金、石油、化工、制药等各种领域都 得到了极其广泛的应用。 2 控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系 8.1.2 8.1.2 DCSDCS的特点的特点 经营管理级 生产管理级 控制管理级 过程控制级 根本：根本：管理集中和控制分散管理集中和控制分散 具体表现在： （1）分级递阶结构 3 控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系 (1) (1)分级递阶结构分级递阶结构 通常分为：直接控制级、过程管理级、生产管理级、经营管理级直接控制级、过程管理级、生产管理级、经营管理级各级从“上级”获取指 示，从“下级”获取信息，产生对“下级”的控制。

3、 直接控制 经营 管理 生产管理 过程管理 连续过程 间歇过程 离散过程 经营管理级居于工厂自动化系统的最 高一层，负责全厂广泛的工程、经济 、商务、人事以及其它的工作。如： 市场分析、销售和生产计划 过程管理级主要功能包括回路 组态、优化控制、性能监视、 故障监测、记录、报警 生产管理主要完成生产规划，生产监 视，根据用户订单、库存、能耗约束 、能耗需求等指标进行生产调度。在 许多DCS中，这级就充当最高管理层。 直接控制级主要功能包括现场数据采 集、过程监视、故障诊断，控制输出 、安全性能和冗余性能的实施 在很多情况下，功能层次和物理层次不一定完全相同，常常将在很多情况下，功能层次和物理层

4、次不一定完全相同，常常将2 2个或多个功能个或多个功能 层上的任务或部分任务压缩到一个物理层次上去实现，这使层上的任务或部分任务压缩到一个物理层次上去实现，这使DCSDCS得以大大简化得以大大简化 。 4 控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系 (2) (2)采用微机智能技术采用微机智能技术 DCS采用了以微处理器为基础的“智能技术”，成为 计算机应用最完善、最丰富的领域。 DCS的现场控制单元、过程输入输出接口、数据通信 装置等均采用微处理器，可以实现自适应、自诊断和 自检测等“智能”。 5 控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系 (3) (3)采用局部网络通信技术采

5、用局部网络通信技术 DCS的数据通信网络采用工业局部网络技术进行通信， 传输实时控制信息，进行全系统信息综合管理，并对 分散的现场控制单元、人机接口进行控制和操作管理 。大多采用光纤传输媒质，通信的可靠性和安全性大 为提高。通信协议已开始向标准化前进，如采用 IEEE802.3、IEEE802.4、IEEE802.5和MAP3.0等。 6 控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系 (4) (4)丰富的功能软件包丰富的功能软件包 DCS具有丰富的功能软件包，它能提供控制运 算、过程监视、组态、报表打印和信息检索 等功能。 7 控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系 (5)

6、(5)采用高可靠性技术采用高可靠性技术 高可靠性是DCS发展的生命，当今大多数DCS的MTBF达 10万小时以上，MTTR一般只有5min左右。 硬件工艺、冗余、容错是提高可靠性的主要措施硬件工艺、冗余、容错是提高可靠性的主要措施。 在硬件设计硬件设计上，各级人机接口、控制单元、过程接口 、电源、通信接口、内部通信总线和系统通信网络等 均可采用冗余化配置 在软件设计软件设计上，则广泛采用了容错技术、故障的智能 化自检和自诊断等技术，以提高系统的整体可靠性。 8 控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系 8.1.3 8.1.3 DCSDCS的发展趋势的发展趋势 客观的评价： 随着计算机

7、技术的发展及其在工业控制系 统中的应用，DCS表现出十分优越的性能， 将工业过程自动化提高到一个新的水平。 好的一面： 传统DCS基于模拟仪表，模拟仪表的单一功能使得： 过程监控站仍是集中的；（半分散）过程监控站仍是集中的；（半分散） 现场信号的检测、传输与控制还是保留了与常规仪 表相同的方式，即以420mA模拟方式传输。存在的 问题是： 精度低、动态补偿能力差、无自诊断功能；精度低、动态补偿能力差、无自诊断功能； 同时由于各DCS开发商生产自己的专用平台，使得： 不同厂商的不同厂商的DCSDCS之间不兼容、互操作性差之间不兼容、互操作性差 不好的一面： 问题1 问题2 问题3 9 控制仪表和

8、计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系 8.1.3 8.1.3 DCSDCS的发展趋势的发展趋势 向开放式系统发展( (针对问题针对问题3)3) 智能变送器、远程I/O和现场总线的发展，进一步使现场测控 功能下移分散 ( (针对问题针对问题1)1) DCS、PLC、PCCS相互渗透融合，形成数字化、模块化、网 络化的分布式控制系统 现场总线集成于DCS系统是现阶段控制网络的发展趋势 现场总线于DCS系统I/O总线上的集成 现场总线于DCS系统网络层的集成 现场总线通过网关与DCS系统并行集成 10 控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系 8.1.3 8.1.3 DCSDCS的发展

9、趋势的发展趋势 总而言之：总而言之： 未来的DCS将采用智能化仪表和现场总线技术，从而彻底实现分 散控制，并可节约大量的布线费用，提高系统的易展性。OPC标 准的出现从根本上解决了控制系统的共享问题，使系统的集成更 加方便，从而导致控制系统价格的下降。 基于PC机的解决方案将使控制系统更具有开放性。Internet技术在 控制系统中的应用，将使操作界面更加友好、数据访问更加方便 ，并且Window NT将成为控制系统的优秀平台。总之，DCS通过 不断采用新技术将向标准化、开放化、通用化的方向发展。 11 控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系 8.2 8.2 DCSDCS的硬件体系

10、结构的硬件体系结构 12 控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系 8.2.1 8.2.1 概述概述 DCS的层次结构中，最低级是与生产过程直接相连的过程控制级。 在不同的DCS中，过程控制级所采用的装置结构形式大致相同，但名 称各异，如过程控制单元、现场控制站、过程监测站、基本控制器、 过程接口单元等，在这里，我们统称现场控制单元FCU。 FCU实现了DCS的分散控制功能，是DCS的核心部分。生产过程的各种 参量由传感器接受并转换送给现场控制单元作为控制和监测的依据， 而各种操作通过现场控制单元送到各执行机构。有关信号的转换、各 类基本控制算法都在现场控制单元中完成。 过程管理级由

11、工程师站、操作员站、管理计算机和显示装置组成直接 完成对过程控制级的集中监视和管理，通常称为操作站。 DCS的生产管理级、经营管理级是由功能强大的计算机来实现，没有 更多的硬件构成，这里不作阐述。 13 控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系 组态的概念组态的概念 DCS的硬件和软件，都是按模块化结构设计的 DCS的开发实际上就是：将系统提供的各种基本模块（软 件、硬件两方面）按实际的需要组合为一个系统，这个过 程称为系统的组态。 采用组态的方式构建系统可以极大限度地减少许多重复的 工作，为DCS的推广应用提供了技术保证。 DCS的硬件组态就是根据实际系统的规模对计算机及其网 络系

12、统进行配置，选择适当的工程师站、操作员站和现场 控制单元。 14 控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系 以典型的中小型DCSCENTUM-XL为例论述FCU和操作站的硬件构成 15 控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系 8.2.2 8.2.2 现场控制单元现场控制单元 FCUFCU 现场控制单元一般远离控制中心，安装在靠近现场的地方，以消除 长距离传输的干扰。 其高度模块化结构可以根据过程监测和控制的需要配置成由几个监 控点到数百个监控点的规模不等的过程控制单元。 它的结构是许多功能分散的插板（或称模件）、插板箱，各箱又分 层地插入机柜。 16 控制仪表和计算机控制

13、装置 广东石油化工学院自动化系 8.2.2.2 8.2.2.2 现场控制单元的功能现场控制单元的功能 在DCS中，FCU具有如下功能： 完成来自变送器的信号的数据采集，有必要时，要对采集的信号进 行校正、非线性补偿、单位换算、上下限报警以及累计量的计算等。 将采集和通过运算得到的中间数据通过网络传送给操作站。 通过其中的软件组态，对现场设备实施各种控制，包括反馈控制和 顺序控制。 一般现场控制单元还设置手动功能，以实施对生产过程的直接操作 和控制。现场控制单元通常不配备CRT显示器和操作键盘，但可备有 袖珍型现场操作器，或在前面板上装备小型开关和数字显示设备。 现场控制单元具有很强的自治能力，

14、可单独运行。 17 控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系 8.2.2.3 8.2.2.3 现场控制单元的结构现场控制单元的结构 分为：基本型现场控制单元分为：基本型现场控制单元 扩展型现场控制单元扩展型现场控制单元 18 控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系 基本型控制单元的构成基本型控制单元的构成 M A C 2 V M 1 V M 1 V M 2 S T 2 N P 5 X N P 5 X P S 3 X P S 3 X 输入、输出插件 通用插件 CPU插件 (可双重化) 电源插件 (可双重化) RL总线耦合器(可双重化) 在基本型控制单元上，可 插入12块功能

15、插件。 左侧的1#8#个插槽可安装8个输入、输出插件，和现场来的信号 相配合 右边4块是通用插件，从右边起，有电源插件、双重化时的电源插 件（在非双重化时此槽为空槽）、基本型CPU存储插件、双重化时 的CPU存储插件。 19 控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系 扩展型控制单元的构成扩展型控制单元的构成 在扩展型FCU和输入输出扩展单元均可插12块功能插件 扩展型FCU外形、插入插件的块数、插槽构成等和基本型FCU一样，左边8个是输入、输出插槽 ，右边4个是通用插槽。 但是，扩展型FCU还可以通过NE总线连接不超过3个输入输出扩展单元，此时从右边数起第5个 插槽内要插入NE总线通

16、信插件NE53，因而这时输入、输出插件的实际可插入数为7块。 输入输出扩展单元的外形也和基本型控制单元相同，左起前8个插槽可安装输入、输出插件， 第9块插件为NE总线通信插件，第10、11槽为空槽，第12块插件为电源插件。 除了可用于基本型控制单元的插件之外，还增加了若干专门用于扩展型控制单元的输入输出插 件 M A C 2 V M 1 V M 1 R S 2 N E 5 3 N P 5 X N P 5 X P S 3 X P S 3 X RL总线耦合器(可双重化) 输入、输出插件 输入输出扩展单元 N E 5 3 P S 3 X NE总线 20 控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系 8.2.2.4 8.2.2.4 现场控制单元的部分插件现场控制单元的部分插件