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1、集散型控制系统国外集散型控制系统国外发展状况发展状况主要内容：一、DCS的发展及国外制造商二、Honeywell 的TDC-3000 和横河的 CENTUM CS 3000简介三、案例： ABB公司的公司的ProcontrolP的应用的应用一、 DCS的发展DCS大致经历了四个发展阶段，相应地有四代的基本结构：n第一阶段（初创期），1975年1980年 这一阶段的代表产品有美国Honeywell公司的TDC2000，Bvailey公司的Network90，Foxboro公司的Spectrum，日本横河电机株式会社的CENTUM等; 其基本结构如图1所示。我们CRTCRT操作站操作站操作站操作站
2、 监控计算机监控计算机监控计算机监控计算机 数数数数 据据据据 高高高高 速速速速 公公公公 路路路路 HWHW现场监测站现场监测站现场监测站现场监测站 现场控制站现场控制站现场控制站现场控制站第一代第一代第一代第一代DCSDCS基本结构基本结构基本结构基本结构 图1它主要有五个部分组成：n过程控制单元PCUn数据采集装置DAUnCRT操作站n监控计算机n数据高速公路第二阶段（成熟期），1980年1985年n这一阶段系统进一步向着高精度、高可靠性、小型轻量化、控制功能多样化、数据通信标准化和人机接口智能化方向发展，新开发的光纤通信、多功能控制站、增强型操作站，新的16位、32位微机和局部网络技
3、术进入DCS，大大改变了DCS面貌，是控制和管理功能进一步完善，这一代的代表产品有Honeywell公司的TDC3000，西屋公司的WDPF，横河电机的CENTUMA,B,D,日立公司的EX1000A和HX1000等，它们的基本结构如图2所示局局局局 部部部部 网网网网 络络络络 LANLAN其其其其它它它它网络网络网络网络D DHHWW网关网关网关网关多功能控制器多功能控制器多功能控制器多功能控制器网关网关网关网关系统管理模块系统管理模块系统管理模块系统管理模块通用操作站通用操作站通用操作站通用操作站主计算机主计算机主计算机主计算机增强型增强型增强型增强型操作站操作站操作站操作站图2 这一代
4、DCS是以局域网络LAN为主干，统领全系统，系统中各单元都看作网络节点上的工作站，这些节点有可通过网间连接器GW与同种网络或异性网络相连。这样，第一代系统即可通过GW挂接于局域网络，称为其子系统（例如TDC2000就是TDC3000的子系统）。第二代DCS主要由七部分组成：n局域网n多功能控制器MCn增强型操作站EOSn通用操作站USn网间连接器GWn系统管理模块SMMn主计算机HC第三阶段（扩展期），1985年2000年 DCS向计算机网络控制扩展，将过程控制、监督控制和管理调度进一步结合起来，并且加强断续系统功能，采用专家系统，制造自动化协议MAP标准，以及硬件上诸多新技术。这一代的典型产
5、品中，有的是在原有基础上扩展，如美国的Honeywell公司扩展后TDCS 3000，横河电机的CENTUM-XL和uXL，美国西屋公司的WDPF等，也有的是新发展的系统，如Foxboro公司的I/A Series等。这一代产品的进一步发展就是计算机集成制造（生产）系统CIM，即将企业行政事务信息与工厂控制系统集成为一体的计算机系统。 这一代产品机构层次有了进一步发展，它自下而上一般可分为过程控制级，控制管理级，生产管理级和经营管理级这四个层次，如图3所示。其中过程控制级直接与生产过程连续，具体承担信号的变换、输入，运算和输出等分散控制任务。主要设备有过程控制单元，过程输入输出单元，信号变换器
6、和备用的盘装仪表。经营管理级生产管理级控制管理级过程控制级图3这一代产品在通信网络上已广泛地采用光缆和新的网络技术，建立了从基带到宽带，符合MAP协议的宽范围的完整网络，能同符合OSI参考模数的不同网络产品相兼容或通信。第四代DCS系统，2000年以后 主要分四层结构：n现场仪表层n控制装置单元层n工厂（车间）层n企业管理层。 一般DCS厂商主要提供除企业管理层之外的三层功能，而企业管理层则通过提供开放的数据库接口，连接第三方的管理软件平台（ERP、CRM、SCM等)。所以说，当今DCS主要提供工厂（车间）级的所有控制和管理功能，并集成全企业的信息管理功能。例如以Honeywell公司最新推出
7、的Experion PKS(过程知识系统）、Emerson公司的Plant Web(Emerson Process Management)、Foxboro公司A2、横河公司的R3（PRM-工厂资源管理系统）和ABB公司的Industrial IT系统。第四代DCS的特点主要体现在一下三个方面nDCS充分体现信息化和集成化。nDCS变成真正的混合控制系统。nDCS包含FCS功能并进一步分散化。DCS的特点n松耦合的多处理机系统，可实现硬件积木化n软件模块化n控制用组态方法生成n通信网络的应用n可靠性高世界各国著名公司生产的世界各国著名公司生产的集散控制系统一览表集散控制系统一览表 国别国别 生产
8、公司名生产公司名 系统型号系统型号 美国美国HONEYWELL TDC3000 美国美国BAILEYCONTROLINFI-90 瑞士瑞士ABB公司公司MOD300 美国美国WESTINGWESTINGHOUSEHOUSEWDPFWDPF 国别国别 生产公司名生产公司名 系统型号系统型号 日本日本东芝公司东芝公司 TOSDIC TOSDIC 日本日本横河公司横河公司CENTUMCENTUMCENTUMCENTUM、CSCSCSCS 日本日本 日立公司日立公司UUITROLBUUITROLB 日本日本富士电机富士电机富士电机富士电机MICREXMICREXMICREXMICREX 日本日本三菱电
9、机三菱电机MACTUSMACTUS二、国外主要制造商及代表产品1.1 霍尼韦尔公司霍尼韦尔公司 Honeywell 霍尼韦尔是一家国际性从事自控产品开发及生产的公司，公司成立于一八八五，有超过百年历史的国际公司，一九九六年，被美国财富在杂志评为最受推崇的20家高科技企业之一。宗旨是以增加舒适感，提高生产力，节省能源，保护环境，保障使用者生命及财产从而达到互利增长为目的。为全球的楼宇，工业，航天及航空市场的客户服务。霍尼韦尔在九十五个国家雇有十二万名员工，以满足客户，力争成为世界自控先驱，从而实现互利增长的目标。 今天的霍尼韦尔国际公司是1999年春天与两个全球著名公司AlliedSignal
10、and Honeywell 公司合并而来的。公司的名称在1963年正式更改为霍尼韦尔国际公司，不过与40年前的霍尼韦尔公司已经有了很大的不同。六年后，美国宇航员Neil Armstrong 和Edwin Buzz Aldrin登上了月球，所使用的就是霍尼韦尔国际公司的产品。 1986年，由于收购了Sperry航空航天公司，霍尼韦尔国际公司在航空航天工业的地位显著地提高了，迅速地成为了世界最具影响力的航空电子设备的综合制造商。 1.2 TDC-30001.2.1 概述： 1975年11月Honeywell公司在世界范围内率先推出了以微处理器为基础的分散控制系统 TDC2000(Total Dis
11、tributed Control，TDC)系统。经过十多年的发展，Honeywell公司的DCS经历了多次改进与完善，形成了一个庞大的产品系列。 1984年以IEEE 802.4和ISO 8802/4通信标准为基础，开发了局部控制网络(Local Control Network, LCN)，推出了TDC3000系统。原有的TDC2000系统的设备通过数据高速通道接口(Hiway Gateway，HG)与LCN相连，成为TDC3000系统的基本组成部分。 1988年，推出通用控制网络(Universal Control Network，UCN)，集数据采集和过程控制于一体的过程接口装置过程管理器
12、(Process Manager，PM)和逻辑管理器(Logic Manager，LM)。之后，又根据市场的需求，推出了适用于小规模过程控制管理的MICRO TDC3000系统。 1992年，推出了PM的改进产品先进过程管理器(Advanced Process Manager，APM)。 1994年，从开放性系统出发，推出了基于HP Unix操作系统的TDC3000X系列。 1995年，推出APM的改进产品高性能过程管理器(High Performance Process Manager，HPM)。 1996年，推出了基于Power PC的第一代全厂一体化解决方案系统（Total Plant
13、Solutions，TPS） 1997年改为基于DELL PC的系统，并把多变量鲁棒预估控制技术（Robust Multivariables Predictive Control Technology，RMPCT）和过程历史数据库（Process History Database，PHD）纳入其中，统称为应用节点（Application Node，APP Node）。APP Node以DELL PC为硬件平台，以Windows NT为软件平台，提供TPS DDE、OPC和PHD API等开放手段。 TDC3000系统(包括MICRO TDC3000和TPS)已被广泛应用在石油炼制、石油化工、化
14、工、电力、冶金、建材、轻工等工业部门。据统计，Honeywell在世界范围内DCS市场居各制造厂首位。 TDC3000系统在中国也被广泛地采用。其中，福建炼油厂采用的TDC3000系统控制规模、硬件配置的品种和数量居国内用户之首。图4nTDC3000系统主要由“”字形的三条网Data Hiway、LCN和UCN及其网上设备构成，如图4所示，其中，Data Hiway为早期产品，新系统已不再提供，所以这里只讨论LCN和UCN。1.2.2局部控制网络及设备1.2.2.1 局部控制网络(LCN) LCN用以支持 网络上设备或模件（Module）之间的通信，遵循IEEE 802.4通信标准，采用总线型
15、通信网络，“令牌传送”协议 。其功能有：n在网络上各设备之间传送所有信息；n按有效规约和高速通信，保证实时信息交换；n通过冗余的传输媒介及信息完整性检查，提供可靠的通信。 LCN一般以两条冗余的同轴电缆作为主要传输介质，每条电缆的两端各需要一个75欧姆的端电阻。电缆通过“T”连接器与LCN模件中的LCN接口板相连，网络上的模件顺序连接，构成LCN网，如图5所示。 Module#1Module#2Module#nLCN I/FLCN I/FLCN I/F图5 LCN的连接 LCN网络应用“令牌环”技术控制对网络的存取。令牌沿着网络，由网络地址最低的设备依次向网络地址最高的设备传递，令牌经过每一个
16、有效地址，向LCN的所有设备广播信息，所有的模件都可“听”到网上的信息，但它们只接收传递给自己的信息。图6是网络访问机制的简化流图。 LCN网络访问机制图61.2.2.2 操作站 操作站是LCN网络上必不可少的节点之一，是TDC3000系统的主要人机接口，它是整个系统的一扇窗口，能满足操作人员、管理人员、系统工程师及维护人员的各种操作需要，工艺操作员通过操作站对装置上的各种工艺参数进行监控，工程师通过操作站对TDC3000系统进行维护和组态。Z型台式操作站 传统型台式操作站硬件构成 操作站除了有卡件箱和相应的卡件外，还有一系列的外部设备，包括：19”高分辨率彩色显示器、操作员/工程师键盘、软盘
17、或卡盘驱动器、打印机及趋势笔等。US的各种外部设备连接示意图 EPDG I/O操作员键盘显示器触屏工程师键盘磁盘驱动器打印机趋势笔滚动球 GUS操作站以PC机为硬件平台，PC机中除了常规配置外，需要增加一块APP Node专用的LCNP扩展板，该扩展板相当于US中的HPK2-2或K2LCN主板，它支持LCN通讯，实现与Microsoft Windows NT操作系统的连接，提供本地窗口（NativeWindow）应用程序的显示与操作功能。 GUS的专用配置不影响PC机原来普通功能的使用。GUS操作站的连接图 。DELL Gxpro PCLCNPIKBD专用集成键盘显示器LCN电缆局域网GUS操
18、作站连接图软件属性与操作级别 操作站的系统软件由两个相对独立的软件包组成：操作员属性软件（Operator Personality，OPP）和工程师属性软件（Engineer Personality，ENP），这两种属性软件的并集构成第三种属性软件，即通用属性软件（Universal Personality，UNP）。操作站总共设有3个操作级别，它们由低到高分别为：操作员级（Oper）、值班长级（Supr）和工程师级（Engr），缺省的操作级别为Oper，在操作员属性和通用属性下，级别越高，操作权限越大， ENGRENPOPPUNPSUPROPER软件属性与操作级别的关系示 操作级别的切换有多
19、种手段，最常用也是最直接的方法是使用操作级别钥匙在操作员键盘上完成。操作级别钥匙有值班长钥匙和工程师钥匙两种，其上分别标有字母“S”和“E”。值班长钥匙只能在Oper和Supr两个级别间切换，而工程师钥匙可以在3个级别间切换。 操作功能 操作站的操作员属性软件可以通过操作员键盘或用户画面中的触标，调用各种过程监控画面和系统操作画面。用于过程操作的典型画面有：n流程图画面 SCHEMn控制组画面 GROUPn点细目画面 DETAILn单元趋势画面 UNIT TRENDn区域趋势画面 AREA TRENDn单元报警画面 UNIT ALARMn区域报警画面 AREA ALARMn总貌画面 OVERV
20、IEW 系统操作功能在系统菜单（System Menu）画面和系统状态（System Status）画面中通过选项调用。1.2.2.3历史模件 历史模件（HM）是TDC3000系统的唯一的永久性存储单元，是LCN上唯一具有自启动能力的节点，也是LCN上的必备节点。它用于存储系统文件、用户软件和过程历史数据。 HM的主要功能是用来存储系统软件、用户软件和过程历史数据。 HM由磁盘控制电路和磁盘组成。磁盘控制电路为LCN卡件箱中的特性板SPC，SPC提供SCSI总线与一个或两个磁盘相连。磁盘为温彻斯特硬盘（Winchester Drive），磁盘的存储容量有多种选择，如：875MB，512MB，4
21、17MB和136MB，不同的软件版本使用不同容量的磁盘。每个HM可以有一到两个磁盘。如选择两个磁盘，两个磁盘必须是同种规格，两个盘可以配置为冗余和非冗余两种方式。如果两个盘不冗余，则总的磁盘容量即增加一倍。对于Wren 型磁盘，HM可以同时配备四个磁盘，成为双倍容量的冗余的HM，如下图 HM带两个磁盘的构成简图 HM的系统软件有两部分组成：初始化属性软件和在线属性软件，两种属性的系统软件不能同时驻留于HM中。当系统运行初始化属性软件时，利用US工程师属性的操作功能可以对HM进行初始化，HM初始化的过程就是将磁盘进行格式化，并在HM中建立用户卷。初始化后，原来在磁盘中的所有数据都将丢失。在初始化
22、属性的环境中，HM中的文件只能通过节点号路径进行访问 1.2.2.4网络接口模件 n网络接口模件（NIM）是TDC3000系统连接LCN与UCN的节点，它既是LCN上的节点，同时又是UCN上的节点，具有双重身份。nNIM的主要功能是：实现LCN与UCN的时钟同步；实现LCN与UCN的实时数据交换，在LCN和UCN之间实现通讯协议和数据格式的转换。NIM使LCN模件可以访问UCN设备中的数据，使程序和数据库可以加载到PM中，UCN设备上的报警与信息可传递到LCN上。n以NIM做网络的时钟源时，NIM的I/O卡件箱中需要安装时钟源卡（Clock Source/Repeater，CS/R）。n鉴于N
23、IM处于LCN与UCN之间，发挥着承上启下的作用，因此，NIM一般都为冗余配置。1.2.3 通用控制网络及设备 1.2.3.1 通用控制网络(UCN) UCN是TDC3000系统中直接面向过程设备的网络，因此也叫做过程网。nUCN通信网络和过程管理器(PM)、逻辑管理器(LM)是Honeywell公司1988年推出的过程控制和数据采集系统。UCN网络采用IEEE 802.4标准通信协议，通过点对点(PEER-TO-PEER)通信方式使网络上的所有设备共享数据。nUCN网络采用双电缆冗余通讯方式，通信速度是5兆位/秒，载波、令牌总线网络通信，UCN网络通常距离为300米，节点间电缆落地长度最多5
24、0米。n网络上可接64个单个设备或32对冗余设备，其节点均可采用冗余配置。1.2.3.2 UCN设备 UCN网络中，可以接入的设备包括：网络接口模件(NIM)、过程管理器（PM/APM/HPM）、逻辑管理器（LM）和安全管理器（Safety Manager，SM）。 网络接口模件(NIM) 过程管理器（PM/APM/HPM） 逻辑管理器(LM) 安全管理器(SM) SM是Honeywell故障安全控制器（Failure Safety Controller，FSC）在UCN中的名称。 DCS与FSC的主要区别DCSFSC作用动态控制静态监测，保护故障报告故障自动显示必须测试潜在故障维修时间不太关
25、键非常关键运行方式可进行自动/手动切换不允许离线1.2.3.3 PM的结构与功能 PM由3个部分组成，分别是：PM组件（PM Module，PMM）、输入输出子系统（I/O Subsystem）和现场接线端子板（Field Termination Assembly，FTA）。这3个部分与电源系统等辅助部分一起安装在机柜中。PM的各个组成部分一般都安装在标准机柜（2100H800W800D或2100H800W550D）中，如图2-14所示。机柜纵向分为4层，最下面一层安装电源系统，上面三层分别各安装1个卡件箱（File），自下而上分别是File 1，File 2和File 3。每个卡件箱有15个
26、插槽（Slot），从左到右分别为Slot 1至Slot 15，最多可以插入15个卡件，一个机柜最多有45个插槽。 PM机柜示意图 冗余APM和HPM的机柜布置图PM由PMM、I/O子系统和FTA组成，下面分别介绍各组成部分。PM的内部结构如图所示。 PMM是PM的核心，由多块电路板组成。PM的所有控制功能都在这里运算。PMM向上，与UCN相连，可以与UCN上的其它设备实现点对点通讯，还可以通过NIM实现与LCN的间接连接；向下，与I/O子系统相连，从而使来自现场的数据可以参与控制运算，也使运算结果可以输出到现场实施控制。 槽位名称作用CPU1Modem连接UCN电缆，接收/发送与UCN的通讯信
27、号 M680202Commun支持UCN网络数据访问、点对点通讯M680203I/O Link Interface连接I/O Link总线，与I/O子系统通讯80C314Control控制处理器，完成各种控制运算M680205Redun冗余驱动，提供冗余支持APMM由4块卡组成，占5个槽位。槽位名称作用CPU1Modem连接UCN电缆，接收/发送与UCN的通讯信号 M680202Advanced Commun支持UCN网络数据访问、点对点通讯M680203Advanced I/O Link Interface连接I/O Link总线，与I/O子系统通讯80C314Advanced Contro
28、l控制处理器，完成控制运算，冗余驱动M680205Jumper空卡HPMM的组成及作用槽位名称作用CPU1High PerformanceCom/Ctl支持UCN网络数据访问、点对点通讯，控制处理器，完成控制运算，冗余驱动M680402High PerformanceI/O Link连接I/O Link总线，与I/O子系统通讯80C51HLAI FTA接线原理图 PM有控制、I/O和报警等三大功能。n控制功能nI/O功能n报警系统功能1.2.3.4PM与UCN的连接 UCN网络由主干（Trunk）电缆、支线（Drop）电缆和“Tap”连接器把各UCN设备相互连接而形成的。主干电缆和支线电缆都是
29、同轴电缆，主干电缆指的是连接Tap的电缆段，支线电缆指的是连接Tap与UCN设备的电缆段，Tap实际上是一个矩形的接线盒，一个Tap有多个连接端，可以连接多条UCN电缆段。 主干电缆和支线电缆都可以与Tap相连，没有连接电缆的接线端必须连接一个75端电阻。 Tap一般安装在PM机柜内的结构框架上 TDC3000系统LCN与UCN及各种网络设备的连接如图所示 2.日本横河电机2.1 横河的历史 横河电机公司创建于1915年，总部设在日本东京。在世界29个地区拥有60多家子公司。经营领域涉及测量、控制、信息三大领域，在工业控制行业是全球最为专业的跨国公司之一。1975年率先研制出世界上第一套具有划
30、时代意义的集散型控制系统(DCS系统)，对石油、化工等大型工厂的生产过程进行测量、运行监视和控制，为工业的发展和社会的进步做出了极大贡献，到目前已相继推出了7代CENTUM DCS系列产品，流量表、变送器、分析仪等现场仪表也得到了用户的高度评价。 2.1CENTUM CS 3000 R3系统的结构 横河电机CENTUM CS 3000 R3 集散控制系统(DCS)是一个结构真正开放的系统nHuman Interface Station (HIS) 操作站操作站n用于运行操作和监视。采用了微软公司的Windows 2000 或 Windows XP作为操作系统和横河公司指定的工业用高性能计算机。
31、因此系统工作站具有很强的安全性和可靠性。nField Control Station (FCS) 现场控制器现场控制器n用于过程信号处理，完成模拟量调节、顺序控制、逻辑运算、批量控制等实时控制运算功能。nEngineering Station ( EWS) 工程师站工程师站n用于设计组态、仿真调试及操作监视。采用或最新的Windows XP作为操作系统的横河指定的高性能计算机。nESB总线（总线（）n用于控制站内，中央主控制器同本地节点之间进行数据传输的双重化实时通讯总线，网络拓扑构成：总线型，通讯速率：，每台控制站可连接4个节点，最大通讯距离2。n总线（）总线（）用于控制站内本地节点与远程节
32、点之间进行数据传输的双重化实时通讯总线，网络拓扑构成：总线型，通讯速率：，每台控制站可从本地节点连接个远程节点，最大通讯距离0。nCommunication Gateway（ACG）通讯网关）通讯网关n作为用于将系统的控制总线和 DCS上位机的以太网相连接的网关。nSystem Integration OPC Station（SIOS）OPC系统集系统集成网关成网关n用于将系统控制总线V net/IP 与 用于与子系统以太网相连接的网关。nV net/IP 控制总线控制总线n用于进行操作监视及信息交换的双重化实时控制网络。整个网络采用心型结构，兼容V-net和TCP/IP协议。通讯速率：G，通
33、讯距离最大，连接站数：站域，站系统。由于增加了控制网络的开放性，更多的非CEMTUM网络设备可以直接挂接在控制网络上。2.2系统特点系统特点n综合性综合性n开创了大规模集散型控制系统的新纪元。系统功能较前几代横河电机的DCS系统有了很大的提高。是一个真正安全的、可靠的、开放的DCS控制系统。n开放的网络结构开放的网络结构n采用XP标准操作系统，支持。既可以直接使用机通用的，编制报表及程序开发，也可以同在上运行的大型数据库进行数据交换。此外，横河提供了系统接口和网络接口用于与不同厂家的系统、产品管理系统、设备管理系统和安全管理系统进行通讯。n高可靠性高可靠性n独家采用了冗余容错技术（&成对热后备
34、）的现场控制站，实现了在任何故障及随机错误产生的情况下进行纠错与连续不间断地控制；模件采用表面封装技术，具有分抗冲击性能；系统接地电阻小于欧姆等多项高可靠性尖端技术，使系统具有极高的抗干扰，耐环境等特点，适用于运行在条件较差工业环境。n高速的控制总线高速的控制总线nCS3000采用横河公司的V-NET/IP控制总线，该控制总线速度可高达Gbps。满足了用户对实时性和大规模数据通讯的要求。在保证可靠性的同时，又可以与开放的网络设备直接相连，使系统结构更加简单。而且横河公司已经将该标准提交IEC组织，希望将该标准作为下一代控制系统的总线标准。n现场控制站的高效性n控制站采用用于高速的处理器，可进行
35、位浮点运算，具有强大的运算和处理功能。此外，还可以实现诸如多变量控制，模型预测控制，模糊逻辑等多种高级控制功能。主内存高达32M。n支持各种工业标准信号的输入支持各种工业标准信号的输入/输出卡。输出卡。nCS3000有丰富的过程输入/输出接口，并且所有的输入/输出接口都可以冗余。n高效的工程化方法高效的工程化方法n采用图进行软件设计及组态，使方案设计及软件组态同步进行，最大限度地简化了软件开发流程。提供动态仿真测试软件，有效地减少了现场软件调试时间。工程人员可以在更短的时间内熟悉系统。n可扩展性可扩展性n具有构造大型实时过程信息网的拓扑结构，可以构成多工段，多集控单元，全厂综合管理与控制综合信
36、息自动化系统。n与既有系统的兼容性与既有系统的兼容性n与横河以往的系统可通过总线转换单元,方便地连接在一起，实现对既有系统的监视和操作，保护用户投资利益。 YOKOGAWA现场总线的发展与现状现场总线的发展与现状n横河电机是国际现场总线基金（）会执行委员会委员，作为基金会的领导成员，横河电机承担了基于内部可操作性（）的总线技术制定，并在后来现场总线基金委员会承担，现场总线国际标准的制定。对现场总线通讯协议，通用文件格式的定义，内部可操作性（）测试工具的开发和功能块说明等方面都担当着重要的角色。 现场总线是一种全数字，双向传输通讯技术，横河电机为本次招标推荐的已兼备现场总线控制功能，通过在现场控
37、制站上加装一块通讯接口卡件，就可在该卡件上挂接一条通讯协议为的现场总线，并在该总线上连接台现场总线设备（如：横河的现场总线变送器，流量计，分析仪等）。横河电机的现场总线决策方案将给您一个扩展现有自动化仪表的机会。2.3系统部件及功能系统部件及功能 横河电机公司向用户推荐的CENTUM CS 3000是一个全方位的冗余配置：n控制网络Vnet/IP网的通信电缆，和电缆接口1 : 1冗余配置。n控制器的CPU1 : 1“成对冗余”配置。nDCS各种工作电源冗余配置。n每个操作接面站都是一个独立的计算机主机。每个操作接面站都能互相备份，互为冗余，并能在线诊断故障、报警、切换和维修提示。n工程师工作站
38、工程师工作站 (EWS)n工程师工作站采用的是世界一流品牌DELL工作站计算机，它是供系统生成组态所用。它能够储存系统所有的组态数据，并提供了一个直觉性、目标导向性的图形用户接面环境供开发及综合所有的应用数据到数据库。这个数据库包括的所有连接在网络上的站点、网络、工位号的定义、报警和故障的定义、控制方案的组成及流程图的制作。 通过Windows XP共享档案功能进行并行工程组态使多位工程师能够同时组态到网络上的一个数据库。另外，在不同的工程师工作站所生成的数据也可以被综合到一个数据库里。同时工程师工作站上的虚拟测试功能也可以在离线的情况下确认所生成的程序。 组态功能及特点：n常规控制功能块n具
39、有丰富常规控制模块用于不同的控制和计算，横河PID控制模块都带有免费的自整定功能。组合各种控制和计算功能块，可以实现各种复杂的模拟量控制回路 顺序控制功能块顺序控制表Sequence Table和逻辑流程图Logic Chart 连接组合，可以组态形成非常复杂的逻辑功能，以实现复杂逻辑判断和控制 SFC （Sequence Function Chart）功能块是用SFC描述语言来实现。SFC功能块是采用IEC标准，所用的编程语言（SEBOL）是一个开放的语言环境，可以用流程图来描述。在运行时，可以通过显示窗看到逻辑的运行情况组合三大逻辑组态工具（Sequence Table，Logic Cha
40、rt和Sequence Function Chart）可以组态庞大的复杂的逻辑控制功能和庞大的批量（Batch）功能SFC功能块 操作界面站操作界面站 (HIS )此项目所提供的系统操作接面站采用的是世界一流品牌DELL计算机。并采用先进的Windows XP作为操作平台。屏幕的分辩率是12801024，并具有256种颜色的变化。它带有操作员键盘，鼠标，加有图形加速器的显示驱动卡。HIS是采用Windows XP作为操作系统，这使市场上通用的商业数据库及通讯软件能在它上面运转。HIS可以显示各种画面；如流程图、控制组、趋势等。它也可以监视设备，通过指令窗口发送指令，记录报警及其它事项和确认报警
41、。HIS可显示系统状态画面，如果系统发生故障，系统通过自检测会产生系统报警信息，同时在系统状态画面中可时实显示报警的具体设备的状态，显示故障信息。方便维护人员维修。HIS的主要的特点如下：支持200,000个工位号支持2560个趋势点支持2500个流程窗口(包括流程图画面，控制组画面和总貌画面)5个重叠的操作窗口可以同时显示在一个画面上同时显示16个控制调整面板横河一个操作站HIS支持双显示屏连接，在一个操作站上同时可以在二个显示屏上显示不同的窗口，以增加每个操作站的操作能力。操作员可以通过操作员站键盘或鼠标对连在HIS上的二个显示器上不同的流程图，或控制面板或趋势图或报警信息进行操作。这样可
42、以大大的提高一个HIS的利用率，同时提高操作效率。 横河电机的DCS系统自采用计算机技术以来就解决了中文输入的问题。由于横河电机本身在日本做系统开发的过程中间就要解决英语操作系统，日语使用界面问题。所以对横河的DCS产品来说，在YEWPACK时期就已经解决了跨语言问题。所有在中国市场上销售的大规模DCS系统CENTUM-XL/CENTUM-CS/CENTUM-CS3K R2,都具备中文显示的能力，在这个问题上从来是得到中国用户的认可和好评。随着计算机水平的发展，横河DCS产品的汉字输入也一直在进步，输入越来越快，越来越方便。横河的DCS系统中所有可以实现二次开发，由组态工程师输入的部分，都可以
43、依据用户的需要而直接输入汉字。例如：仪表注释；流程图画面等供操作人员使用的界面中全部可以直接使用中文WINDOWS的汉字输入方法调用中文WINDOWS的汉字字库，并在操作员站上做直接显示。nPRM(PLANT RESOURCE MANAGER)工厂资源工厂资源管理服务器管理服务器随着现场总线和智能仪表技术的发展，双向的全数字化的通讯已经越来越标准化和。横河电机不仅可以提供现场总线的仪表，还能够提供支持现场总线的系统。PRM软件包就是横河电机提供的一个有效管理现场设备的软件，主要是面向工厂的仪表维护人员和工艺运行人员，可以有效的减少工厂的整体成本。n现场控制站现场控制站 它集过程控制功能、计算机
44、和批量控制过程为一体。对过程数据采用循环扫描的方式，每个功能块的循环扫描周期可以单独定义，从50ms到1s。 控制站所有的模件都采用集成度高、散热量低的固态电路以及表面封装技术，防尘、抗干扰能力强，适合各种恶劣的运行环境。模件的编址与物理位置的对应关系简单明了，容易掌握。模件带电插拔不会引起本模件故障，也不会影响其它模件的正常工作。模件插拔都有导轨和联锁装置，防止损坏或引起故障。模件通用性强，种类规格少，有效地减少了备品备件的费用支出。由于现场控制器得处理器卡是用于控制计算，所以横河提供得处理器卡是双冗余结构以防止硬件故障而造成控制另外横河系统的每个处理器卡具有二个CPU，从而可以检测到在计算
45、过程中的錯误，以防止错误的数据被使用。（这种成双成对的冗余结构我们叫Pair & Spare 结构nFCS的特点：n运用了“成对冗余”的容错技术(Peer & Spare)，使CPU不仅能判断硬件故障，还能判断软件故障n可采用减少现场安装电线的远程I/O结点(Remote I/O Node)，该远程节点可安装与危险区域ZONE 2，和腐蚀性气体区域，符合ISA G3标准。n分层设置的结构n组态单元数据n浮点计算技术n顺控的描述技术n强大的批量控制功能 现场控制站的控制功能是分层结构，并被归类到控制区域，控制图表和功能块。这一结构可应用于大规模的工程和复杂的控制应用。功能可在每一控制区域、控制图
46、或功能块中设置、添加、改变。n在下列情况时，控制功能的分层与工厂组成是相似：n控制站表示生产线n每个控制站可扩展到15个控制区域(Node)，每个区域表示一个制造部分n功能块代表一个控制回路网络网络 (V net/IP) 系统有一对冗余的Vnet/IP网过程控制网络。它是连接操作接面站，现场控制站等元件的实时控制网络。采用符合IEEE802.3和UDP/IP标准的复用控制网络V-Net/IP，控制网的传输速度高达1Gbps/S为了确保网络能够在最理想的状态上运作，每个domain能支持64个站点。整个系统总共能有个domain或个站点。 这条控制总线集成了常规网络（以太网）的功能，又不失以前的
47、控制网（V-Net）的实时性，可靠性和稳定性。V-Net/IP中IP的含义为Internet Protocol. 全称的含义为集成以太网的V网。数据传输数率达到最高1Gbps具体技术规格如下：n拓扑结构：星形结构n传输数度：对横河的硬件，1Gbps; 常规以太网设备，100Mbpsn读写控制：全双工模式n系统规模：64站/域n总线配置：冗余结构n控制通讯：同V-Net完全一致，使用YOKOGAWA 协议n开放通讯：TCP/IP协议n网络设备：可以使用通用的的L2SW和L3SWn电缆：CAT5e或高端UTP电缆，超长距离时使用单模光缆Vnet/IP网络的设计是星型结构, 可靠性极高的控制网络没有
48、任何一段网的单一故障能影响到整个网络。 另外，也没有任何网络元件上的单一故障能影响到工作站。远程远程I/O网络网络远程I/O网络是连接现场控制站与I/O结点的冗余网络。它的传输距离最长可20km。案例：合肥第二发电厂案例：合肥第二发电厂350MW机组机组DCS控制系统控制系统 中中外外合合资资合合肥肥第第二二发发电电厂厂2350MW机机组组，主主体体工工程程通通过过国国际际招招标标由由德德国国ABB公公司司总总承承包包。锅锅炉炉由由哈哈尔尔滨滨锅锅炉炉厂厂制制造造，汽汽轮轮机机、发发电电机机均均由由ABB生生产产，DCS控控制制系系统统采采用用ABB公公司司的的ProcontrolP集集散散控
49、控制制系系统。统。ProcontrolP是是ABB公公司司推推出出的的集集散散控控制制系系统统，它它是是数数字字式式过过程程控控制制系系统统(DCS)，是是PRO（cess）过过程程、Control控控制制和和P(rogrammable) 可可 编编 程程 的的 组组 合合 缩缩 写写 。ProcontrolP系统的技术特点：系统的技术特点：(1)技术性能：最显著的区别于其它技术性能：最显著的区别于其它DCS控制系统的特点，就是每个工作站控制系统的特点，就是每个工作站并没有集中的并没有集中的CPU控制单元，而是将控控制单元，而是将控制逻辑分散到不同的模件之中，每块模制逻辑分散到不同的模件之中，
50、每块模件都能具有件都能具有CPU单元，能够实现相关的单元，能够实现相关的控制，系统具有的信号处理、数据传输、控制，系统具有的信号处理、数据传输、监视功能和开关量控制、模拟量控制、监视功能和开关量控制、模拟量控制、工厂管理、保护、操作员监视和控工厂管理、保护、操作员监视和控制功能等都是分散到制功能等都是分散到不同的各个模件之中，不同的各个模件之中，所以所以ProcontrolP控制系统具有较为严格意控制系统具有较为严格意义的分散控制；义的分散控制；(2)可靠性、经济性和有效性：控制系可靠性、经济性和有效性：控制系统中主要过程以冗余方式配置，对隔离输统中主要过程以冗余方式配置，对隔离输入、隔离处理
51、和隔离输出做备份处理。入、隔离处理和隔离输出做备份处理。11主要过程控制系统主要过程控制系统主要过程控制系统主要过程控制系统1.11.1锅炉保护系统锅炉保护系统锅炉保护系统锅炉保护系统合肥第二发电厂锅炉是由哈尔滨锅炉厂制合肥第二发电厂锅炉是由哈尔滨锅炉厂制造的自然循环汽包炉，制粉系统有三台美国进造的自然循环汽包炉，制粉系统有三台美国进口双进双出口双进双出SVEDALA直吹式钢球磨。锅炉保直吹式钢球磨。锅炉保护系统主要功能有：炉膛吹扫、油燃烧器管理、护系统主要功能有：炉膛吹扫、油燃烧器管理、煤燃烧器管理、火焰检测、主燃料跳闸煤燃烧器管理、火焰检测、主燃料跳闸（MFT）、减负荷（）、减负荷（R.B
52、）控制、联锁与报警）控制、联锁与报警等，其中主燃料跳闸等，其中主燃料跳闸MFT由由18个条件组成：个条件组成：两台送风两台送风机全停；机全停；两台引风机全停；两台引风机全停；MFT紧急跳闸按钮按下；紧急跳闸按钮按下；汽包水位低；汽包水位低；汽包水位高；汽包水位高；炉膛压力低；炉膛压力低；炉膛压力高；炉膛压力高；总风量小于总风量小于25；全炉膛无火；全炉膛无火；失去失去主燃料；主燃料；油燃烧器两台点火失败；油燃烧器两台点火失败；油燃烧油燃烧器两台点火失败；器两台点火失败；失去火检冷却风；失去火检冷却风；汽汽轮机紧急跳闸；轮机紧急跳闸；失去所有给水泵；失去所有给水泵；只有煤只有煤层运行时，两台一次
53、风机全停；层运行时，两台一次风机全停；过热汽温过热汽温高；高；再热汽温高；再热汽温高；再热器失再热器失去保护动作。去保护动作。这些条件中任一满足就触发这些条件中任一满足就触发MFT动作，动作，MFT动作后首出原因指示，指示导致动作后首出原因指示，指示导致MFT的根本原的根本原因，同时封锁其它随后跳闸信号条件，首出条因，同时封锁其它随后跳闸信号条件，首出条件只有在炉膛吹扫完成时才被复位。锅炉保护件只有在炉膛吹扫完成时才被复位。锅炉保护采用三通道保护，信号的采集和命令的输出都采用三通道保护，信号的采集和命令的输出都采用三取二，三通道中有两个通道采用三取二，三通道中有两个通道MFT动作，动作，锅炉就
54、发出锅炉就发出MFT动作。动作。锅锅炉炉保保护护系系统统是是作作为为DCS系系统统的的一一部部分分,在在ProcontrolP中中锅锅炉炉保保护护是是由由ProcontrolPF来来实实现现的的，这这里里的的“F”是是“FAILSAFE”的的简简写写，表表示示失失电电安安全全的的意意思思。该该保保护护采采用用“反反逻逻辑辑”设设计计，正正常常运运行行时时所所监监控控的的设设备备接接点点闭闭合合，产产生生逻逻辑辑“1”信信号号，动动作作设设备备得得电电打打开开；故故障障时时所所监监控控的的设设备备接接点点打打开开，产产生生逻逻辑辑“0”，保保护护动动作作，动动作作设设备备失失电电关关闭闭，锅锅炉
55、炉跳跳闸闸。这这种种设设计计使使系系统统在在失失电电时时，锅锅炉炉保护跳闸，保证机组的安全性。保护跳闸，保证机组的安全性。1.2协调控制系统协调控制系统机组正常运行方式有协调汽机跟随、协调机组正常运行方式有协调汽机跟随、协调锅炉跟随、汽机跟随、锅炉跟随四种方式，一锅炉跟随、汽机跟随、锅炉跟随四种方式，一般情况下采用协调锅炉跟随方式。般情况下采用协调锅炉跟随方式。下面是协调控制系统框图以及对以上四种下面是协调控制系统框图以及对以上四种跟随方式的简要介绍。跟随方式的简要介绍。图2 协调控制系统框图 (1)协调汽机跟随方式：机组负荷要求的协调汽机跟随方式：机组负荷要求的前馈信号同时送到锅炉燃烧设定值
56、和汽机主汽前馈信号同时送到锅炉燃烧设定值和汽机主汽压力设定，使二者处于严格协调之中。机组负压力设定，使二者处于严格协调之中。机组负荷指令经过负荷动态模型，做为负荷荷指令经过负荷动态模型，做为负荷控制器设控制器设定点，负荷控制器加上负荷前馈信号指令到锅定点，负荷控制器加上负荷前馈信号指令到锅炉主控，由锅炉燃烧控制负荷；远方指令经过炉主控，由锅炉燃烧控制负荷；远方指令经过主汽压力动态模型到汽机压力控制器，由主汽压力动态模型到汽机压力控制器，由TURBOTROL6（TT6）中的压力控制器）中的压力控制器控制汽轮机进口调阀控制主汽压力。控制汽轮机进口调阀控制主汽压力。(2)协调锅炉跟随方式：机组负荷指
57、令经协调锅炉跟随方式：机组负荷指令经过负荷动态模型到汽机负荷控制器，由汽机控过负荷动态模型到汽机负荷控制器，由汽机控制机组负荷；机组负荷指令同时经过压力动态制机组负荷；机组负荷指令同时经过压力动态模型，做为压力控制器设定点，压力控制器输模型，做为压力控制器设定点，压力控制器输出指令加上负荷指令前馈信号送到锅炉主控，出指令加上负荷指令前馈信号送到锅炉主控，由锅炉燃烧控制主汽压力。由锅炉燃烧控制主汽压力。(3)汽机跟随方式：由汽机跟随方式：由TURBOTROL6（TT6）中的初始压力控制器控制汽轮机）中的初始压力控制器控制汽轮机进口调阀，以保持所要求的主汽压力。压力进口调阀，以保持所要求的主汽压力
58、。压力设定值等于切换到设定值等于切换到“汽机跟随汽机跟随”方式之前的方式之前的实际主汽压力，此后该设定值可由操作员在实际主汽压力，此后该设定值可由操作员在汽机压力手动设定站上进行设定。汽机压力手动设定站上进行设定。(4)锅炉跟随方式：锅炉指令由锅炉跟随方式：锅炉指令由UCS中主中主汽压力控制器确定，其设定值由操作员在汽压力控制器确定，其设定值由操作员在POS站上手动设定，由站上手动设定，由TURBOTROL6（TT6）中的压力控制器控制）中的压力控制器控制汽轮机进口调阀，以汽轮机进口调阀，以保持所要求的所需要的负荷，电量负荷设定值保持所要求的所需要的负荷，电量负荷设定值也是由运行人员进行手动设
59、定的。是一种锅炉也是由运行人员进行手动设定的。是一种锅炉调压、汽机调功的传统方式。其中汽机和锅炉调压、汽机调功的传统方式。其中汽机和锅炉控制器控制器是相互独立工作，协调工作由运行人是相互独立工作，协调工作由运行人员来完成。员来完成。1.3汽机控制系统汽机控制系统汽轮机控制器汽轮机控制器Turbotrol6是是ABB公司电子公司电子控制器系统的最新产品，采用模块化原理，实控制器系统的最新产品，采用模块化原理，实现冗余，具有控制方式根据运行条件自动切换，现冗余，具有控制方式根据运行条件自动切换，自动升速和加负荷，干扰时自动限制作用以及自动升速和加负荷，干扰时自动限制作用以及热应力的计算等功能。热应
60、力的计算等功能。Turbotrol6由以下四个由以下四个主要模块组成：基本控制器、自动控制器、阀主要模块组成：基本控制器、自动控制器、阀门定位器和标准化的接口。门定位器和标准化的接口。两个基本控制器是设计用于手动操作。它两个基本控制器是设计用于手动操作。它们含有汽轮机的安全手动操作所需的全部功能。们含有汽轮机的安全手动操作所需的全部功能。主要的设定点为转速及阀门开启位置可以手动主要的设定点为转速及阀门开启位置可以手动设定，而在正常运行中这些设设定，而在正常运行中这些设定点是由自动定点是由自动控制器给出的。两个基本控制器的结构完全相控制器给出的。两个基本控制器的结构完全相同。只需一个供汽轮机运行
61、，而另一个备用。同。只需一个供汽轮机运行，而另一个备用。 自自动动控控制制器器是是一一个个较较高高层层次次的的控控制制器器。设设计计用用于于程程序序自自动动升升速速、自自动动加加减减负负荷荷、初初始始蒸蒸汽汽压压力力控控制制、负负荷荷控控制制、协协调调的的负负荷荷控控制制等等功功能能。自自动动控控制制器器主主要要是是由由一一升升速速程程序序和和一一负负荷荷程程序序组组成成。来来自自升升速速程程序序的的转转速速设设定定点点被被直直接接送送往往基基本本控控制制器器。而而来来自自负负荷荷程程序序的的负负荷荷设设定定点点在在送送往往基基本本控控制制器器前前要要受受限限制制器器的的最最低低输输出出限限制制。如如接接通通了了它它们们中中的的一一个个，叠叠加加的的控控制制器器以同一路径作用并超越负荷程序。以同一路径作用并超越负荷程序。2：结论：结论以以上上各各主主要要系系统统经经过过ABB专专家家的的反反复复调调试试、优优化化，性性能能都都已已达达标标。经经过过合合肥肥二二电电厂厂仪仪控控人人员员的的消消化化吸吸收收，对对各各系系统统也也有有了了比比较较深深入入的的了了解解，在在实实际际运运行行中中，经经过过不不断断的的完完善善，这这些些控控制系统已更加安全可靠。制系统已更加安全可靠。
