工业自动控制DCS分散控制系

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1、 目录 Contents 第一章什么是DCS 前言 目前 在连续型流程生产自动控制 PA 或习惯称之为工业过程控制中 有三大控制系统 即DCS 分散控制系统 PLC 可编程逻辑控制器 和FCS 现场总线控制系统 什么是DCS 第一章 DCS集散控制系统 DistributedControlSystem 是20世纪70年代中期发展起来的以微处理器为基础的分散型计算机制系统 它是控制技术 Control 计算机技术 Computer 通信技术 Communication 图形显示 Display 相结合的产物 该装置是利用计算机技术对生产过程进行集中监视 操作 管理和分散制的一种全新的分布式计算机

2、控制系统 DCS是计算机技术 控制技术和网络技术高度结合的产物 DCS通常采用若干个控制器 过程站 对一个生产过程中的众多控制点进行控制 各控制器间通过网络连接并可进行数据交换 操作采用计算机操作站 通过网络与控制器连接 收集生产数据 传达操作指令 因此 DCS的主要特点归结为一句话就是 分散控制集中管理 DCS的特点 最简单的DCS系统至少在垂直方向分两级 即 操作管理级和过程控制级 在水平方向上各个过程控制级之间是相互协调的分级 它们把数据向上送达操作管理级 同时接收操作管理级的指令 各个水平分级间相互也进行数据交换 DCS系统越大 其垂直方向和水平方向分级的范围也越广 分级递阶控制系统的

3、优点是各个分级有各自的分工范围 相互之间有协调 通常 这种协调由上一级来完成 在垂直和水平方向都是分级的 分级递阶控制系统 分散的含义不单是分散控制 还包含了其他意义 如 地域分散 功能分散 设备分散 危险分散等 分散的目的是为了使危险分散 提高设备的可利用率 分散是DCS的一个重要特点 分散控制 DCS的各个组成部分是各自为政的自治系统 各自完成各自的功能 相互之间又有联系 数据信息相互交换 各种条件相互制约 在系统的协调下工作 分散过程控制装置完成数据的采集 信号的处理 计算以及数据输出等功能 操作管理装置完成数据的显示 操作监视和操纵信号的发送等功能 通信系统则完成操作管理装置与分散过程

4、控制装置间的通信 分散的基础是被分散的系统是自治的系统 递阶分级的基础是被分级的系统是协调的 自治与协调性 第二章DCS的基本结构 DCS的基本结构 第二章 是集散控制系统与生产过程间的界面 生产过程的各种变量通过分散控制装置转化为操作监视的数据 而操作的各种信息也通过分散控制装置送到执行机构 在分散控制站装置内 进行模拟量与数字量的相互转换 完成控制算法的各种运算 对输入量与输出量进行有关的软件滤波及其他的一些运算 DCS控制系统包括分散过程控制装置 操作管理装装置 数据通信系统 分散过程控制装置 DCS的基本结构 第二章 是操作人员与集散控制系统间的界面 操作人员通过操作管理装置了解生产过

5、程的运行状况 并通过它发出操作指令给生产系统 生产过程的各种参数在操作管理装置上显示 以便于操作人员监视和操作 包括操作员站和工程师站 完成系统的操作和组态 以及工厂管理信息系统 MIS系统 这是DCS更高层次的应用 数据通信系统 操作管理装置 完成分散控制装置与操作管理装置之间的数据传递与交换 使之连成一个整体 通讯网络有几种不同的结构行式 如总线式 环形和星形 总线形在逻辑上也是环形的 星形的只适用于小系统 不论是环形还是总线形 一般都采用广播式 其它一些协议方式已用的较少 通讯网络的速率在10M和100M左右 有的集散控制系统在分散控制装置内又增加了现场级的控制装置和现场总线的通信系统

6、有的集散控制系统在操作管理装置内增加了综合级的控制装置和相应的通信系统 但从总的结构来看 都是由这三部分组成的 第三章DCS集散控制系统的硬件构成 DCS集散控制系统的硬件构成 第三章 1 控制站控制站包括现场控制站和数据采集站等 有机柜 电源 控制计算机 其他部件 现场控制单元的主要任务是进行数据采集及处理 对被控对象实施闭环反馈控制 顺序控制和批量控制 用户可以根据不同的应用需求 选择配置不同的现场控制单元以构成现场控制站 以面向连续生产的过程控制为主 顺序逻辑控制为辅 构成一个可以实现多种复杂控制方案的现场控制站 以顺序控制 联锁控制功能为主的现场控制站 构成对大批量过程信号进行总体信息

7、采集的现场控制站 DCS集散控制系统的硬件构成 第三章 2 操作站DCS操作站一般分为操作员站和工程师站两种 工程师站主要是技术人员与控制系统的人机接口 可以对应用系统进行监视 工程师站为用户提供了一个灵活的 功能齐全的工作平台 通过组态软件来实现用户所要求的各种控制策略 有些小型DCS的工程师站可以用一个操作员站代替 操作站的主要设备有操作台 微处理机系统 外部存储设备 图形显示设备 操作键盘和鼠标 打印输出设备 第四章DCS的软件系统 包括组态软件 控制层软件和监控软件 DCS的软件系统 第四章 1 组态软件 DCS的软件系统 第四章 3 监控软件 第五章DCS和PLC之间有什么不同 DC

8、S和PLC之间有什么不同 第五章 关键字 关键字 关键字 先进的大中型过程控制基本上以采用PLC和DCS为主 包括将DCS概念拓展的FCS 而目前 新型的DCS与新型的PLC 都有向对方靠拢的趋势 新型的DCS已有很强的顺序控制功能 而新型的PLC 在处理闭环控制方面也不差 并且两者都能组成大型网络 DCS与PLC的适用范围 已有很大的交叉 之前我们介绍过PLC 自控系统发展到现在 DCS和PLC之间没有一个严格的界线 在大多数人看来 大的系统就是DCS 小的系统就叫PLC 现在我们就这两个来找不同 DCS和PLC之间有什么不同 第五章 关键字 关键字 关键字 DCS从传统的仪表盘监控系统发展

9、而来 因此 DCS从先天性来说较为侧重仪表的控制 比如我们使用的YOKOGAWACS3000DCS系统甚至没有PID数量的限制 PID 比例微分积分算法 是调节阀 变频器闭环控制的标准算法 通常PID的数量决定了可以使用的调节阀数量 PLC从传统的继电器回路发展而来 最初的PLC甚至没有模拟量的处理能力 因此 PLC从开始就强调的是逻辑运算能力 1 发展的来由 DCS和PLC之间有什么不同 第五章 关键字 关键字 关键字 市场上控制类产品繁多 无论DCS还是PLC 均有很多厂商在生产和销售 对于PLC系统来说 一般没有或很少有扩展的需求 因为PLC系统一般针对于设备来使用 一般来讲 PLC也很

10、少有兼容性的要求 比如两个或以上的系统要求资源共享 对PLC来讲也是很困难的事 而且PLC一般都采用专用的网络结构 比如西门子的MPI总线性网络 甚至增加一台操作员站都不容易或成本很高 DCS在发展的过程中也是各厂家自成体系 但大部分的DCS系统 比如横河 YOKOGAWA 霍尼维尔 ABB等等 虽说系统内部 过程级 的通讯协议不尽相同 但操作级的网络平台不约而同的选择了以太网络 采用标准或变形的TCP IP协议 这样就提供了很方便的可扩展能力 在这种网络中 控制器 计算机均作为一个节点存在 只要网络到达的地方 就可以随意增减节点数量和布置节点位置 另外 基于windows系统的OPC DDE

11、等开放协议 各系统也可很方便的通讯 以实现资源共享 2 系统的可扩展性和兼容性 DCS和PLC之间有什么不同 第五章 关键字 关键字 关键字 DCS一般都提供统一的数据库 换句话说 在DCS系统中一旦一个数据存在于数据库中 就可在任何情况下引用 比如在组态软件中 在监控软件中 在趋势图中 在报表中 而PLC系统的数据库通常都不是统一的 组态软件和监控软件甚至归档软件都有自己的数据库 为什么常说西门子的S7400要到了414以上才称为DCS 因为西门子的PCS7系统才使用统一的数据库 而PCS7要求控制器起码到S7414 3以上的型号 3 数据库 DCS和PLC之间有什么不同 第五章 关键字 关

12、键字 关键字 PLC的程序一般不能按事先设定的循环周期运行 PLC程序是从头到尾执行一次后又从头开始执行 现在一些新型PLC有所改进 不过对任务周期的数量还是有限制 而DCS可以设定任务周期 比如 快速任务等 同样是传感器的采样 压力传感器的变化时间很短 我们可以用200ms的任务周期采样 而温度传感器的滞后时间很大 我们可以用2s的任务周期采样 这样 DCS可以合理的调度控制器的资源 4 时间调度 DCS和PLC之间有什么不同 第五章 关键字 关键字 关键字 一般来讲 DCS惯常使用两层网络结构 一层为过程级网络 大部分DCS使用自己的总线协议 比如横河的Modbus 西门子和ABB的Pro

13、fibus ABB的CANbus等 这些协议均建立在标准串口传输协议RS232或RS485协议的基础上 现场IO模块 特别是模拟量的采样数据 机器代码 213 扫描周期 十分庞大 同时现场干扰因素较多 因此应该采用数据吞吐量大 抗干扰能力强的网络标准 基于RS485串口异步通讯方式的总线结构 符合现场通讯的要求 IO的采样数据经CPU转换后变为整形数据或实形数据 在操作级网络 第二层网络 上传输 因此操作级网络可以采用数据吞吐量适中 传输速度快 连接方便的网络标准 同时因操作级网络一般布置在控制室内 对抗干扰的要求相对较低 因此采用标准以太网是最佳选择 TCP IP协议是一种标准以太网协议 一

14、般我们采用100Mbit s的通讯速度 PLC系统的工作任务相对简单 因此需要传输的数据量一般不会太大 所以常见的PLC系统为一层网络结构 过程级网络和操作级网络要么合并在一起 要不过程级网络简化成模件之间的内部连接 PLC很少使用以太网 5 网络结构 DCS和PLC之间有什么不同 第五章 关键字 关键字 关键字 PLC一般应用在小型自控场所 比如设备的控制或少量的模拟量的控制及联锁 而大型的应用一般都是DCS 当然 这个概念不太准确 但很直观 习惯上我们把大于600点的系统称为DCS 小于这个规模叫做PLC 我们的热泵及QCS 横向产品配套的控制系统一般就是称为PLC PLC与DCS发展到今

15、天 事实上都在向彼此靠拢 严格的说 现在的PLC与DCS已经不能一刀切开 很多时候之间的概念已经模糊了 6 应用对象的规模 第六章第四代DCS系统 第四代DCS系统 第六章 第四代DCS系统 第六章 1 DCS充分体现信息化和集成化信息和集成基本描述了当今DCS系统正在发生的变化 我们已经可以采集整个工厂车间和过程的信息数据 用户希望这些大量的数据能够以合适的方式体现 并帮助决策过程 让用户以他明白的方式 在他方便的地方得到他真正需要的数据 信息化体现在各DCS系统已经不是一个以控制功能为主的控制系统 而是一个充分发挥信息管理功能的综合平台系统 DCS提供了从现场到设备 从设备到车间 从车间到

16、工厂 从工厂到企业集团整个信息通道 这些信息充分体现了全面性 准确性 实时性和系统性 基本上大部分DCS提供了过去常规DCS功能 SCADA功能以及MES 制造执行系统 的大部分功能 与ERP不同 MES汇集了车间中用以管理和优化从下定单到产成品的生产活动全过程的相关硬件或软件组件 它控制和利用实时准确的制造信息来指导 传授 响应并报告车间发生的各项活动 同时向企业决策支持过程提供有关生产活动的任务评价信息 MES的功能包括车间的资源分配 过程管理 质量控制 维护管理 数据采集 性能分析及物料管理 第四代DCS的技术特点 第四代DCS系统 第六章 DCS的集成性则体现在两个方面 功能的集成 如上面所述 和产品的集成 过去的DCS厂商基本上是以自主开发为主 提供的系统也是自己的系统 当今的DCS厂商更强调系统的集成性和解决方案能力 DCS中除保留传统DCS所实现的过程控制功能之外 还集成了PLC 可编程逻辑控制器 RTU 远程终端设备 FCS 现场总线 各种多回路调节器 各种智能采集或控制单元等 此外各DCS厂商不再把开发组态软件或制造各种硬件单元视为核心技术 而是纷纷把DCS的各个组成