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1、分散控制系统概述摘要：分散控制系统的发展，基本结构,特点;分散控制系统的过程控制站功能，硬件组成及各部分的作用;运行操作站的功能,硬件组成及各部分的作用;工程师站的功能及设备组成;数据通信网络的组成，工作原理,在分散控制系统中的作用。关键词：分散控制系统、构成原理、过程控制站、运行操作员、和工程师站引言：分散控制系统由多个(对)以微处理器为核心的过程控制釆集站，分别分散地对各部分工艺流程进行数据釆集和控制，并通过数据通信系统与中央控制室各监控操作站联网，对生产过程进行集中监视和操作的控制系统。正文：一分散控制系统的发展与构成在生产控制领域，常规模拟仪表控制系统经历了基地式，单元组合式，组件组装
2、式等儿个发展阶段段。应当说仪表控制系统不同阶段的发展，一方面整个科学技术发展水平密切相关，比如采用电子管，晶体管，小规模集成电路，大规模集成电路，都局限于一定时期电子技术的发展水平；另一方面，生产过程的规模对控制水平的要求也处于不断和发展进步中。直至今天，也并不是任何一个简单的生产过程都需要采用分散控制系统，然而，以现代化大型发电机组为例，设备与生产过程十分复杂，需要釆用复杂控制方案，常规模拟仪表由于受其功能的限制，就难以满足要求。一台300MW机组需要操作控制的项目达410-450点，需要监视的测点在1000点以上，如果釆用常规模拟仪表，中央控制室表盘仪表多达数百台件，控制台长达十儿米，操作
3、和监视相当困难，稍有不慎就可能造成重大事故，因此，十分有必要釆用新型的仪表控制系统。自从1975年世界上第一套集散控制系统诞生之后，工业控制自动化进入了一个崭新的时期。经过20多年的发展，其体系结构不断更新，功能日益完善，己经朝着计算机集成综合制造方向发展。总的來说，计算机过程控制系统的体系,结构的发展，经历了直接数字控制系统，集中型计算机控制系统，分层计算机控制系统和目前广泛采用的分散控制系统等儿个阶段。分散控制系统(DOS)乂名集散型控制系统，分布式控制系统它是利用计算机技术对生产过程进行集中监视操作，管理和分散控制的一种新型控制技术,是计算机技术，信息处理技术，测量控制技术,通信网络技术
4、和人机接口技术相互渗透发展而产生的一种新型先进事控制系统.分散控制系统由集中管理部分，分散控制监测部分和通信部分组成.集中管理部分乂可分为操作员工工作站，工程师工作站和管理计算机.操作员工作站的任务是对生产过程进行监视和操作;工程师工作站的任务是组态(根据对象特性，生产过程的需要组成不同的控制状态和方式)和维护；管理计算机用于全系统的信息处理和优化控制.分散控制监测部分按功能可分为控制站，监测站;通信部分则完成数据，指令及各种信息的传递。计算机分散控制系统的特点有：(1) 通用性很强，系统组态灵活。由于分散系统的硬件采用了积木式结构，软件实现了模块化，所以整个系统的配置具有很大的灵活性。选用各
5、种功能的软件模块，根据需要进行组态，既可构成各种控制功能的系统。(2) 由于釆用了数字化通信技术，数据处理迅速，显示操作集中，人机联系方便。(3) 控制系统分散化，提高了运行的安全可靠性。由于各控制回路是由各自的功能组件组成控制系统的，“危险分散”了，同时也避免了中央计算机系统软件的复杂性。鉴于分散控制系统有以上这些特点，目前该系统在各国及至我国大型火力发电厂组上均被广泛釆用,并己取得显著的经济效益.二分散型控制系统的构成原理从控制仪表角度看，分散控制系统是继组件装式仪表之后釆用多种高新技术的新一代控制仪表系统。系统以微处理器为核心，由不同功能组件构成，包括数据釆集、运算处理、控制输出等功能的
6、连续控制和顺序控制系统。组装式功能块模件安装在一个个标准规格的机柜之中，直接与现场连接，构成控制系统。从信息系统角度看，分散控制系统是一个数据通信网络，具有不同功能的单元，例如过程控制单元、操作控制单元、数字逻辑站、计算机接口单元等，它们作为通信网络中的每个节点进行信息的传递与交换。从功能的实现來看，系统乂可分为硬件系统和软件系统。硬件系统包括一系列以微处理器为核心的功能模件，管理级的计算机，过程通道接口器，传输线路，人机联系设备以及各种专用、通用的外部设备等；软件系统包括管理系统、数据库系统和一系列模块化功能软件。利用它们可以方便地进行系统设计，无需再编写应用软件程序。一般性分散控制系统的基
7、本构成如图1所示。按各部分功能的不同，系统可分为过程控制级、控制管理级和数据通信系统。.1信r信接II通信接II通信总线作员站工Wi站管理计算机图1分散控制系统的基本构成(一)过程控制级过程控制级各单元的作用是：对现场送來的生产过程信号进行数据釆集、转换、校正、补偿和运算，从而对生产过程提供闭环控制、顺序控制等调节控制功能。在不同的分散控制系统中，过程控制单元的名称各异，如基本控制器、多功能控制器等。过程控制单元所采用的结构型式大致相同，都是将一些标准模件集中安装在控制机柜内。可以根据生产过程监视和控制的需要，将高度模块化的结构灵活地组成几十个或几百个过程控制单元。因此，一般的过程控制级就是指
8、现场控制站和有关通信接口部分。现场控制站（简称PCU）是计算机分散控制系统的基础和重要组成部分，它是一个可独立运行的计算机监视控制系统。现场控制站的控制模件、组态模件、输入/输出模件、电源模件等均装在一个机柜内。现场控制站至少要有一个以CPU为核心的控制器模件，通过内部总线与其他过程接口模件、通信接口模件构成一个整体，其基本结构如图2所示。在现场控制站的存储器中固化有一个控制和运算功能的程序库，可进行PID运算，高低限幅及各种数字运算。使用者可根据需要建立自己的控制系统。例如,用户可选用块具有CPU的多功能控制器主模件，一块存储器板（EEPROM.RAM）,一定数量的模拟量、数字量输入/模出模
9、件，一块环路接口模件，一块总线接口模件，即可构成一定规模的现场控制站（PCU）。由许许多多现场控制站来实现对生产过程的分散控制。二）控制管理级过程控制级实现的是分散控制，控制管理级则是以实现集中显示、操作与管理的。所以，分散控制系统乂曾名为集散型控制系统。控制管理级包括操作控制站、工程师站和通信设备。有些系统还设置了用于系统管理和计算的管理计算机,般称上位机，与此相对应的过程控制级中使用的微处理机称为下位机。由通信网络把分散在现场的许多现场控制站、数据采集站与操作控制站、工程师站连接起來，对过程控制级的设备进行控制管理。通信操作控制站也称操作员站，它由一台功能较强的控制计算机、地台大屏幕的CR
10、T、操作员键盘、打印机、拷贝机等设备组成，如图3所示，CTR显示器基本上可以取代大量的常规仪表的显示，在屏幕上显示工艺流程总貌、过程状态、统计结果、历史数据等。打印机完成生=总线产过程记录报表、系统状态信息、生产统计报表和图3操作员站的组成报警信息等的打印。工程师站可进行数据库的生成、生产流程画面的产生，连续控制回路的组态和顺序控制的组态等。（三）数据通信系统在过程控制系统中，几乎无处不含信息的传输和处理。所谓通信，就是指用特定的方法，通过某种介质或传输线将信息从一处传送到另一处的过程。按照这一定义，在常规控制系统中也存在许多通信过程，如变送器通过信号电缆把反映过程变量的信息传输到调节器，调节
11、器输出的控制信号通过控制电缆传输到执行机构，这些过程都包含信息的传输。在分散控制系统中，各个系统部件之间也必须传输大量的信息，这些信息的传输是通过数据通信系统完成的。在分散控制系统中，数据通信系统是把过程控制级和控制管理级连接在一起的桥梁，同时也是分散控制系统的中枢神经。数据通信的传输介质是一条同轴电缆或双绞线构成的高速通信线路，称数据高速公路0HW）。所有通信网络上的节点，如现场控制单元PCU、操作接单元控制台OIU或管理命令系统MCS,以及计算机接单元CIU等都通过接口电路挂接到数据高速公路上。而通信系统有着不同的网络结构型式，必须选用适合网络结构的信息送取技术即介质访问技术。通信网络结构
12、常用的通信网络有星形、环形和总线形三种结构。1）星形网络结构星形网络结构如图4所示。星形网络属于中型网络。网络中各站有主、从之分，处于中心位置的为主站，与之相连的多个节点为从站。这从站种网络结构的任何两个站之间的通信都从站4主站占从站必须通过主站。主站集中來自各从站的、7IX信息，按照一定的通信方式把信息转发给相应的各站。主站的信息吞吐量大，数据处理与存储量要求也大，般都由从站功能较强的硬、软件设备组成。各从站只需具备简单的点对点间的通信功能。图4星形网络结构星形网络的传输效率较高，但由于主站一旦出现问题，将会影响整个网络的通信，所以可靠性低，应用不广泛。2）总线形网络结构总线形网络结构如图5
13、所示。它用一条开环的通信电缆作为数据高速公路，各节点通过接口挂到总线上。网络易于扩展，不致相互影响。这种网络结构易于实现通信线路冗余，以提高安全性，安装费用较低，所以总线形网络结构应用广泛。/3）环形网络结构环形网络结构如图6。Xp-zy各站通过接口挂接到首尾相连的环形总路线上，网上各站平等行使通信控制权，信息在网上的传递总是从始发站出发，经各站后直接回到始发站。网上各个站都要承担信息和接收、放大、再传送的任务。当出现故障时能自动旁路信息，不图5总线形网络结构影响信息的传递，可靠性高，也易于设置冗余通信线路，但扩展性能不如总线形方便。PCU坏形网络PCU图6环形网络结构通信网络除上述三种结构外
14、，还有树形结构、网形结构以及以上三种基本结构为基础的复合型结构。对于某些大规模分散控制系统，在不同的控制级采用不同的通信网络，可发挥各自的优点。A. 信息传输控制技术信息在网络上的传输过程是原站将信息送上网络，然后由目的站取走。为了使信息传输迅速、正确，这就需要釆用相应的信息传输控制技术。常用的方法有查询式、广播式和存储转发式等协议方式。1）查询式查询式适用于具有主、从站的网络结构。处于网络中的主节点对网络行使控制作用，它依次查询各从站节点是否需要通信。需要发送信息的从站把信息送给主站，再由主站把信息发给需要信息的其他从站。通信在主站统一指挥下进行。2）广播式广播式信息传输是无主从控制的通信协
15、议方式。每个站往外发送信息要占用传输线路，如果在同一时刻有多个站往外发送信息，就会发生抢占传输线路的冲突，所以要有一定的协议方式來协调这种冲突，使得在一个时间内只有一个站处于发送信息的状态，其他站均处于接收状态广播式信息传输可分为自由竞争式、通行标记式（令牌传送式）和时间分槽式等。自由竞争式为防止发生冲突，造成报文作废，发送站在报文前需要“监听”总线是否空闲。如果空闲，则发报文到总线上，称为“先听后发”。为避免冲突，还需要在发送报文开始的一段时间内继续“监听”总线，把接收到的信息与自己发出的信息进行比较。若是相同的，则继续发送，称之为“边听边发”。若不相同，则停止发送，称为“冲突后退”，并发出
16、一个冲突标志，等待随机时间后，再重新发送，称为“再试重发”。自由竞争式一般适用于总线形网络和环形网络。通过标记式，即令牌传送式，适用于环形结构.这种通信方式有一个被称之“令牌”的信息段绕环形网络各节点依次传送。令牌有“空”、“忙”两种状态。某站接到令牌后，如果为“空”，则首先将令牌置为“忙”，并置入所要发送的信息、原节点名、目的节点等信息量段，然后将其送上环形网络。令牌沿环形网络绕行一周再回到原节点时，所传信息己被目的节点站取走，再把令牌置“空”，并送上环形网络继续传送，以便其他节点使用。时间分槽式是把规定的时间间隔分成若干时间槽，在时间槽开始时该节点发送信息，允许的时间一结束，就轮到下一个节点发送信息。西屋公司的WD
