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1、1,第2章 集散控制系统,基础知识,2,2.1集散控制系统的体系结构 2.2集散控制系统的硬件系统 2.3集散控制系统的软件系统 2.4集散控制系统的基本功能,3,2.1 集散控制系统的体系结构,本节内容提要,集散控制系统体系结构的特征 纵向分层 横向分散 设备分级 网络分层,按照功能，集散控制系统设备分为四级 现场控制级 过程控制级 过程管理级 经营管理级,与四级设备对应的四层网络 现场网络 控制网络 监控网络 管理网络,4,图2.1 集散控制系统的体系结构,现场网络,控制网络,监控网络,管理网络,5,1.现场控制级,(1)典型的现场控制级设备 各类传感器 各类变送器 各类执行器 (2)现场
2、控制级设备的主要任务 完成过程数据采集与处理。 直接输出操作命令、实现分散控制。 完成与上级设备的数据通信，实现网络数据库共享。,6,2.过程控制级,(1)过程控制级主要设备 过程控制站、数据采集站、现场总线服务器 过程控制站 产生控制作用。 可以实现反馈控制、逻辑控制、顺序控制和批量控制等功能。,7,数据采集站 接收大量的非控制过程信息； 不直接完成控制功能。 现场总线服务器 一台安装了现场总线接口卡与DCS监控网络接口卡的计算机。,8,3.过程管理级,（1）过程管理级的主要设备 操作站 操作人员与DCS相互交换信息的人机接口设备； DCS的核心显示、监视、操作和管理装置。 工程师站 对DC
3、S进行配置、组态、调试、维护。 监控计算机 实现对生产过程的监督控制； 机组运行优化和性能计算，先进控制策略的实现等。,9,（2）过程管理级设备的主要功能 对生产过程进行监测和控制； 对DCS进行配置、组态、调试、维护 ； 对各种设计文件进行归类和管理； 实现对生产过程的监督控制，故障检测和数据存档。,10,4.经营管理级,（1）经营管理级的设备 厂级管理计算机 监视企业各部门的运行情况。 生产装置的管理计算机 具有能够对控制系统做出高速反应的实时操作系统。,11,（2）经营管理级设备的主要功能 监视企业各部门的运行情况 ； 实时监控承担全厂性能监视、运行优化、全厂负荷分配和日常运行管理等任务
4、 ； 日常管理承担全厂的管理决策、计划管理、行政管理等任务。,12,2.2 集散控制系统的硬件系统,本节内容提要,控制站包括现场控制站和数据采集站等。 机柜 电源 控制计算机 其他部件,操作站一般分为操作员站和工程师站 。 操作台 微处理机系统 图形显示设备 操作键盘和鼠标 打印输出设备等,冗余技术 冗余方式：多重化自动备用和手动备用。 冗余措施：通信网络冗余、操作站冗余、现场控制站冗余、电源冗余、输入/输出模块冗余。,13,2.2.1 现场控制站,主要设备：现场控制单元。 主要任务：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
5、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采集的现场控制站。,14,1.机柜,现场控制站机柜,机柜间机柜组,有了现场控制站，生产过程控制的安全性和可靠性都很容易得到保证,中央控制室机柜间,15,现场控制单元,多层I/O卡件箱,电源单元,通信接口,接线端子板,机柜正面（前面）,机柜背面（后面）,现场控制站机柜,16,2.电源,（1）电源系统的可靠性措施 每一个现场控制站均采用双电源供电，互为冗余。 采用超级隔离变压器，将其初级、次级线
6、圈间的屏蔽层可靠接地，以克服共模干扰的影响。 采用交流电子调压器，快速稳定供电电压。 配有不间断供电电源 UPS，以保证供电的连续性。 现场控制站内各功能模块所需直流电源一般为5V、15V(或12 V)、以及+24V。,17,（2）增加直流电源系统的稳定性措施 给主机供电与给现场设备供电的电源要在电气上隔离，以减少相互间的干扰 。 采用冗余的双电源方式给各功能模块供电。 一般由统一的主电源单元将交流电变为 24V 直流电供给柜内的直流母线，然后通过 DC-DC 转换方式将 24V 直流电源变换为子电源所需的电压。 主电源一般采用 1:1 冗余配 置，而子电源一般采用 N:1 冗余配置。,18,
7、新山子石化目前使用的 P+F PS1550 容错型直流电源。,19,报警监视所有关键部位均有自动报警监视，通过LED显示报警信息并可通过报警继电器触点输出。,20,1550/TB-IN 交流输入端子模块 带2路独立的相互隔离的电源输入端子和报警输出端子,21,22,23,24,内置冷却风扇,三个内置散热风扇，均带LED指示，内部统一报警监视。,25,所有模块均支持在线热插拔功能 容错性: 交流输入和直流24V输出都可配置成N+1模块冗余,26,3.控制计算机,控制器,电源单元,I/O卡件,现场总线接口卡件,导轨,控制计算机,27,控制计算机一般是由 CPU、存储器、输入 / 输出通道等基本部分
8、组成。 (1)CPU 用以实现算术运算和逻辑运算。 可以执行复杂的先进控制算法，如自动整定、预测控制、模糊控制和自适应控制等。,28,(2)存储器 控制计算机的存储器分为RAM和ROM。 在控制计算机中 ROM 占有较大的比例。 由于控制计算机在正常工作时运行的是一套固定的程序，DCS中大都采用了程序固化的办法。 在冗余控制计算机系统中，还特别设有双端口随机存储器RAM ，其中存放有过程输入输出数据、设定值和PID参数等。,29,(3)总线 总线是将现场控制站内部各单元连接起来的通信介质。 (4)输入/输出通道 模拟量输入/输出(AI/AO) 开关量输入/输出(SI/SO) 脉冲量输入通道 (
9、PI),30,模拟量输入输出通道(AI/AO) 模拟量输入通道(AI) 模拟量输入通道(AI)将来自在线检测仪表和变送器的连续性模拟电信号转换成数字信号，送给CPU进行处理。 模拟量输出通道(AO) 模拟量输出通道(AO)一般将计算机输出的数字信号转换为420mADC(或15VDC) 的连续直流信号，用于控制各种执行机构。,31,开关量输入/输出通道(SI/SO) 开关量输入通道(SI)主要用来采集各种限位开关、继电器或电磁阀连动触点的开、关状态，并输入至计算机。 开关量输出通道(SO)主要用于控制电磁阀、继电器、指示灯、声光报警器等只具有开、关两种状态的设备。,32,脉冲输入通道(PI) 脉
10、冲输入通道(PI)将现场仪表（如涡轮流量计等）输出的脉冲信号处理后送入计算机。,33,2.2.2 操作站,嵌入型台式操作站,桌面型操作站,信息报警站,工程师站,控制站,显示器,标准键盘,主机,操作站主机柜,工作台,中央控制室设备,34,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,DCS 操作站主要设备,操作站设备,35,办公桌式操作台,操作台做成一台桌子形式，桌台面上放置显示器和操作键盘，而处理机系统放在桌下或桌上。,36,集成式 操作台,操作台是一个金属整体，将处理机系统、显示器和操作键盘等嵌在其内。,37,双屏操作台,在一个操作台内嵌 有上、下两个屏幕，
11、双 屏幕用一个处理机系统 和一个操作键盘控制。,38,处理机高性能的工业控制机,39,DCS专用薄膜键盘系列,40,JX-300X 的操作员键盘,41,工程师站画面一,42,工程师站画面二,43,仪表面板显示画面,操作员站画面一,44,趋势曲线显示画面,操作员站画面二,45,报警显示画面,操作员站画面三,46,故障诊断画面,操作员站画面四,47,调整画面,操作员站画面五,48,典型DCS控制室布局,49,2.2.3 冗余技术,1. 冗余方式,50,（1）多重化自动备用,双重化配置,输入,输出,输入,输出,三重化配置,51,同步运转方式 让两台或两台以上的设备或部件同步运行，进行相同的处理，并将
12、其输出进行核对。 两台设备同步运行，只有当它们的输出一致时，才作为正确的输出，这种系统称为“双重化系统”(Dual System)。 三台设备同步运行，将三台设备的输出信号进行比较，取两个相等的输出作为正确的输出值，这就是设备的三重化设置。,52,待机运转方式 同时配备两台设备，使一台设备处于待机备用状态。 当工作设备发生故障时，启动待机设备来保证系统正常运行。这种方式称为1:1 的备用方式。 对于N台同样设备，采用一台待机设备的备用方式就称为 N:1 备用。 待机运行方式是 DCS 中主要采用的冗余技术。,53,后退运转方式 使用多台设备，在正常运行时，各自分担各种功能运行。 当其中之一发生
13、故障时，其他设备放弃其中一些不重要的功能，进行互相备用。,54,（2）简易的手动备用方式 采用手动操作方式实现对自动控制方式的备用。 当自动方式发生故障时，通过切换成手动工作方式，来保持系统的控制功能。,55,2.冗余措施,操作站的冗余：采用工作冗余的方式。 现场控制站的冗余：有的采用 1:1 冗余，也有的采用N:1 冗余。采用无中断自动切换方式。 电源的冗余：除了220V 交流供电外，还采用了镍镉电池、铅钙电池以及干电池等多级掉电保护措施。,56,输入/输出模块的冗余:部分重要卡件采用1:1冗余。 DCS软件的冗余：采用信息冗余技术。 通信网络的冗余：采用一备一用的配置。,57,JX-300X SCnet 网络采用双重化冗余结构,
