第二章 集散控制系统的硬件构成

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1、1,第二章 集散控制系统的硬件构成,第一节 集散控制系统的构成方式 第二节 DCS的结构特点 第三节 集散控制系统的硬件构成,2,第一节 集散控制系统的构成方式,3,(集散控制系统 DCS）集中操作监控级,4,5,第一节 集散控制系统的构成方式,功能分层是集散控制系统的体系特征，反映了集散控制系统的“分散控制、集中管理”的特点。 四个层次,一、集散控制系统的各层功能,6,四个层次,一、集散控制系统的各层功能,7,1、现场级的功能 采集过程数据，对数据进行数据转换； 输出过程操作命令； 进行直接数字控制； 完成与过程装置控制级的数据通信； 对现场控制级的设备进行检测和诊断。,现场级实现控制的前提

2、：微处理器进入现场变送器、传感器和执行器；现场总线的应用。部分或完全完成过程控制级的功能。,8,四个层次,一、集散控制系统的各层功能,9,2、过程控制级的功能,结构：过程控制设备(下位机)+I/O卡件 功能： 进行数据转换和处理； 数据的监视和存储； 实施连续、批量或顺序控制的运算和输出控制作用； 数据和设备的自诊断； 数据通信。,10,四个层次,一、集散控制系统的各层功能,11,3、监控级的功能,中央控制室：操作站、工程师站(上位机)、打印机、计算站 功能： 数据显示与记录； 过程操作（含组态操作、维护操作）； 数据存储和压缩归档； 报警、事件的诊断和处理； 系统组态、维护和优化处理； 数据

3、通信； 报表打印和画面硬拷贝。,12,四个层次,一、集散控制系统的各层功能,13,4、全厂优化和调度管理级的功能,从系统的观点：原料销售；优化协调 功能： 优化控制； 协调和调度各车间生产计划和各部门的联系； 主要数据的显示、存储和打印； 数据通信。,14,二、集散系统的基本结构,（1）分散过程控制装置 （2）操作管理装置 （3）通信系统,基本结构：“三大块”,第一节 集散控制系统的构成方式,15,二、集散系统的基本结构,（1）分散过程控制装置-下位机 是集散控制系统与生产过程间的界面，即过程界面。 过程变量分散过程控制装置操作监视的数据 操作信息分散过程控制装置执行机构。 数/模、模/数转换

4、、控制算法、软件滤波等,16,（2）操作管理装置-上位机 是集散控制系统与操作人员、管理人员间的界面，即人机界面。 监视和操作。 （3）通信系统 是分散过程控制装置与操作管理装置之间数据传递和交换的桥梁。,17,1、分散过程控制装置部分 适应恶劣的工业生产环境； 分散控制，监视和控制分离； 实时性； 独立性和可靠性要求高。,“三大块”的特征,18,2、集中操作和管理系统部分,信息量大； 易操作性； 容错性好；,“三大块”的特征,3、通信系统部分,开放性：上层与其他厂商产品间 互操作性：下层与其他厂商变送器、执行器间 传输速率 误码率,19,第二节 DCS的结构特点,一、集散控制系统的结构特征

5、1、递阶控制 结构 2、分散控制 结构 3、冗余控制 结构,20,1、递阶控制结构 （1）多层结构（按控制功能和规律） 直接控制层：一般的简单控制 优化控制或监视层：对象数学模型和参数已知，确定直接控制层的控制器的设定值 学习层或自适应层：对实际系统的观测来辨识优化层中所使用的数学模型结构和参数，使模型和实际过程一致 自组织层：按系统总控制目标选择下层所用的模型结构、控制策略等,21,1、递阶控制结构 （2）多级结构 为了减少同一级的各子系统之间信息的交换和决策的冲突，在分散的各决策子系统添加一级协调级。,22,1、递阶控制结构 （3）多重结构 第一重：按一定物理规律变化的物理现象； 第二重：

6、受控系统（从信息处理和控制角度）； 第三重：经济实体，评价其效益和利润（经济学角度） 比较： 多重结构：主要从建模考虑； 多级结构：子系统关联、横向分解、纵向分级； 多层结构：复杂控制规律,23,1、递阶控制结构 （4）递阶控制结构的特点 系统结构灵活，容易改变，系统的容量可以扩大或缩小； 控制功能增强，除了直接控制外，还有优化控制、自学习、自适应和自组织等功能； 降低了信息存储量、计算量，减少了计算时间； 可以设置备用自系统，降低成本，提高可靠性； 各级的智能化将进一步提高系统的性能。,24,2、分散控制结构,分散控制结构的类型： 垂直型（阶层型）：监视、调整 水平型：自我管理 二者混合型,

7、25,垂直型(层次分散)与水平型(水平分散)示意图,26,DCS的分散控制结构体现在：,（1）组织人事的分散； （2）地域的分散； （3）功能的分散； （4）负荷的分散。,27,3、冗余控制结构,为了提高系统的可靠性，集散控制系统重要设备、对全局系统有影响的公共设备上常采用冗余结构。 经常采用的冗余方式有： 同步运转方式； 待机运转方式； 后退运转方式； 多级操作方式。,28,（1）同步运转方式,让两台或两台以上的装置以相同的方式同步运转，输入相同的信号，进行相同的处理，然后对输出进行比较，如果输出保持一致则系统是正常运行的。 双重冗余、“三中取二”（连锁） 应用于可靠性要求极高的场合,29,

8、（2）待机运转方式,采用N台同类设备，采用一台后备设备，平时后备设备处于准备状态，一旦N台设备中某一台设备发生故障，能启动后备设备使其运转。 1：1备用系统、N：1备用系统 热后备系统，指挥装置,30,（3）后退运转方式,正常时，N台设备各自分担各自功能进行运转，当其中一台设备损坏时，其余设备放弃部分不重要的功能，以此来完成损害设备的功能。 典型：CRT和操作站（第一台监视、第二台操作、第三台报警）,31,（4）多级操作方式,纵向冗余的方法。正常操作是从上一层进行的，如该层故障则由下一层完成，这样逐步向下形成对最终元件执行器的控制。 例如：功能模块设有手动、自动切换开关,32,一、按三大块分析

9、： 分散控制装置+通信系统+集中操作和管理装置 （1）工业级微机IPC+通信系统+操作管理机PC （2）单回路控制器+通信系统+工业级微机 （3）PLC+通信系统+工业级微机 （4）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,第三节 集散控制系统的硬件构成,33,（1）工业级微机+通信系统+操作管理机 工业级微机用作多功能、多回路的分散控制装置；操作管理机使用PC机，相应软件由软件厂商开发。 （2）单回路控制器+通信系统+工业级微机 单回路控制器作为分散控制装置；工业级微机作为操作管理站，通用性强、自行开发软件。适用于中小型企业（集散控制系统）。,34,（3）PLC

10、+通信系统+工业级微机 PLC作为分散控制装置；其他同2。在制造业广泛应用的集散控制系统的结构，尤其适用于有大量逻辑顺序控制的过程。 （4）工业级微机+通信系统+工业级微机 工业级微机既作分散控制装置，也作操作和管理装置。 （5）智能前端+通信系统+工业级微机 智能前端指用于生产现场的智能控制设备，作为分散控制装置；用于小型集散控制系统。,35,中央操作台,网间连接器,生产管理级,LAN局域网,监控级,管理计算机,工程师操作站,操 作 员 站,高速数据公路,过程控制级,DDC直接数字控制站,数据 采集站,多功能 控制站,可编程逻辑控制站,单回路调节控制站,生产过程,现场级,二、按四层分析：,3

11、6,系统硬件,控制站（CONTROL STATION, 简称CS，或AS） 由主控制卡、通信卡件、I/O卡件、供电单元组成 通过不同的硬件配置和软件设置可构成不同功能的控制站 过程控制站PCS 逻辑控制站LCS 数据采集站DAS 核心部件是主控制卡，它能进行多种过程控制运算和数字逻辑运算，并能通过下一级通信总线（SBUS)获得各种I/O卡件的信息。,过程控制级（Process Control Unit ）,37,系统硬件,38,机柜结构,外壳采用金属材料以提供电磁屏蔽。,机柜内部装有多层机架，安装电源及多种模件,为保证散热降温，柜内装有风扇。,柜内大多设有温度自动控制装置,39,机柜示例 ：浙

12、大中控JX-300系统,控制站插件箱,I/O插件箱,柜顶风扇,接线端子,40,交流电源： 交流电源经过集散系统的电盘的断路器给系统供电，保证现场控制站供电系统高效、稳定、无干扰。 每一现场控制站场均用双相交流电源供电，两相互为冗余。 如果附近有经常开关的大功率用电设备，应采用超级隔离变压器，将其初级、次级线圈间的屏蔽层可靠接地。这样能很好的隔离共模干扰。 对控制连续性要求特别高的场合，应装设不间断供电电源UPS 。,41,柜内直流稳压电源： 统一的主电源单元将交流电整流成直流电（一般为24V）供给柜内直流母线。各层机架内设有子电源单元，将母线上送来的单一直流电压转变成机架所需的各种电压（+5V

13、、 12V、 15V等）。 主控电源采用1：1冗余配置。 子电源单元采用1：1或N：1冗余配置,42,I/O通道,在过程控制计算机中，种类最多，数量最大的是各种I/O接口模件(卡件)。 来自过程对象的被测信号通过输入卡件，进入现场控制站，然后按一定的算法进行数据处理，并通过输出卡件向执行设备送出控制或报警等信息。,43,卡件实例图,44,AI通道 AO通道 SI通道 SO通道,I/O通道,45,模拟量输入通道(AI),一般由端子板、信号调节器、A/D插板、及柜内连接电缆组成。 端子板：用于连接现场信号电缆，对每一路信号线路提供正负极两个接线端子及屏蔽层的接地端子。 柜内电缆：端子板、信号调节器

14、与A/D板之间的信号连接。 信号调节器：将各种范围的模拟量输入信号统一转换成05V或010V的电压信号送入A/D板。 采用差动放大器，并且每一路都串接了滤波器。 A/D插板：信号调节器输入的多路模拟信号，按CPU的指令逐一转变为数字量送给CPU。DCS多用12位A/D转换器。时间在100微秒左右。每块A/D插板输入864路模拟信号,46,模拟量输出通道（AO）,输出420mA或010mA的直流电流信号。 组成： D/A插板 输出端子板 柜内电缆,D/A插板,每板可提供48路模拟输出，精度有8位、12位几种。输出负载能力一般要求小于500欧。,47,SI通道,开关量输入通道。用来输入各种限位开关

15、、继电器或电磁阀门连动触点的开、关状态；输入信号可能是交流电压信号，直流电压信号或干接点。,SO通道,开关量输出通道，用于控制电磁阀门、继电器、指示灯、声报警器等只具有开、关两种状态的设备，它是由端子板、SO板及机柜内电缆构成。,开关量输入/输出通道（SI/SO）,48,中央操作台,网间连接器,生产管理级,LAN局域网,监控级,管理计算机,工程师操作站,操 作 员 站,高速数据公路,过程控制级,DDC直接数字控制站,数据 采集站,多功能 控制站,可编程逻辑控制站,单回路调节控制站,生产过程,现场级,49,监控级,控制系统工程师、操作员与DCS的界面人机界面。 HMIHuman Machine

16、Interface； OIOperator Interface,操作人员,了解生产过程的运行指令,给生产过程发出操作指令,操作管理装置,功能： 以操作、监视为主要任务、兼有部分管理功能，可对系统进行组织、监视和操作，对生产过程控制管理、故障诊断等。,显示各种参数,50,特征 信息量大 易操作性 容错性好,构成装置 监控计算机 工程师操作站ES 操作员操作站OS (配有技术手段齐备、功能强的计算机、CRT显示器、操作键盘、及较大存储量的软、硬盘),监控级,51,操作员站（OPERATER STATION, 简称OS） 以工业PC机为基础的人及接口设备，实现工艺过程监视、操作、记录等功能。可以一机配多 CRT，并配有薄膜键盘、触摸屏幕等输入方式。 具有丰富、使用、友好的实时监控界面。具有分组显示、趋势图、动态流程、报警管理、报表及记录、存档等监控功能。,52,工程师站（ENGINEERING STATION 简称ES)