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1、第第9章章 计算机控制系统计算机控制系统1 1工业过程中广泛应用的计算机控制系统工业过程中广泛应用的计算机控制系统: :集散控制系统集散控制系统(DCS)(DCS) 是是7070年代中期发展起来的以微处理器为基础的计算机年代中期发展起来的以微处理器为基础的计算机综合系统。综合系统。 现场总线控制系统（现场总线控制系统（FCSFCS） 是一种基于现场总线技术的新型计算机控制系统，它是一种基于现场总线技术的新型计算机控制系统，它采用现场总线把传感器、变送器、执行器和控制器集采用现场总线把传感器、变送器、执行器和控制器集成在一起，形成真正的开放式互连系统结构。成在一起，形成真正的开放式互连系统结构。
2、 可编程控制器系统可编程控制器系统 2 29.1 集散型控制系统（Total Distributed Control System，DCS） 以多台微型计算机为基础，采用数以多台微型计算机为基础，采用数据通信和据通信和CRT显示技术，应用控制显示技术，应用控制理论，对生产过程进行理论，对生产过程进行分散控制、分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和集中操作、分级管理、分而自治和综合协调综合协调的系统。的系统。 3 3DCS的特点硬件积木化 硬件采用积木化组装结构，系统配置灵活，硬件采用积木化组装结构，系统配置灵活，可以方便的构成多级控制体统。可以方便的构成多级控制体统。软件模块化为为用用户户提
3、提供供了了丰丰富富的的功功能能软软件件，主主要要包包括括控控制制软软件件包包、操操作作显显示示软软件件包包、报报表表显显示示软软件件包等，用户只需按要求选用即可。包等，用户只需按要求选用即可。 4 4控制组态化 具有常用的运算和控制模块具有常用的运算和控制模块 ，控制工程师只需，控制工程师只需按照系统的控制方案按照系统的控制方案 ，选择模块，选择模块 ，并以填表，并以填表方式来定义这些软功能模块，进行控制系统的方式来定义这些软功能模块，进行控制系统的组态。组态。 通信网络化通信网络是分散控制系统的神经中枢，它将物通信网络是分散控制系统的神经中枢，它将物理上分散的多台计算机装置有机地联系起来，理
4、上分散的多台计算机装置有机地联系起来，实现了相互协调、资源共享的集中管理。实现了相互协调、资源共享的集中管理。 5 5高可靠性DCSDCS的可靠性高体现在系统结构、冗余技术、的可靠性高体现在系统结构、冗余技术、自诊断功能、抗干扰措施，高性能的元件等自诊断功能、抗干扰措施，高性能的元件等方面。方面。6 6DCS的发展及典型产品的发展及典型产品DCS的的开创期开创期(1975年年1980年年)DCS的组成的组成 现场控制站现场控制站现场控制站现场控制站 现场监测站现场监测站现场监测站现场监测站 CRTCRT操作站操作站操作站操作站 数据高速公路数据高速公路数据高速公路数据高速公路 监控计算机监控计
5、算机监控计算机监控计算机基本上体现了集中管理、分散控制的特点基本上体现了集中管理、分散控制的特点基本上体现了集中管理、分散控制的特点基本上体现了集中管理、分散控制的特点 CRTCRT操作站操作站操作站操作站 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 7 7DCS的发展及典型产品的发展及典型产品DCSDCS的的的的成长与完善时期成长与完善时期成长与完善时期成长与完善时期(1980
6、(1980年年年年19851985年年年年) )特点：特点：特点：特点： 控控控控制制制制功功功功能能能能扩扩扩扩充充充充，常常常常规规规规控控控控制制制制、逻逻逻逻辑辑辑辑控控控控制制制制、批批批批量量量量控控控控制制制制；增增增增强强强强了了了了显显显显示示示示功功功功能能能能；以以以以局局局局部部部部网网网网络络络络LANLAN为为为为主主主主干干干干，其其其其它它它它各各各各单单单单元元元元都都都都是是是是挂挂挂挂在在在在它它它它上上上上面面面面的的的的网网网网络络络络节节节节点点点点工工工工作作作作站站站站，通通通通信信信信范范范范围围围围扩大，数据传送速率提高扩大，数据传送速率提高
7、扩大，数据传送速率提高扩大，数据传送速率提高。 主要组成部分主要组成部分主要组成部分主要组成部分 局局局局部部部部网网网网络络络络、多多多多功功功功能能能能现现现现场场场场控控控控制制制制站站站站、增增增增强强强强型型型型操操操操作作作作站站站站、通通通通用型操作站、网关、系统管理模块、主计算机用型操作站、网关、系统管理模块、主计算机用型操作站、网关、系统管理模块、主计算机用型操作站、网关、系统管理模块、主计算机8 8DCS的发展及典型产品的发展及典型产品第二代第二代第二代第二代DCSDCS基本结构示意图基本结构示意图基本结构示意图基本结构示意图局局局局 部部部部 网网网网 络络络络 LANL
8、AN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9 9DCS的发展及典型产品的发展及典型产品DCSDCS的的的的扩展期扩展期扩展期扩展期（19851985年以后）年以后）年以后）年以后）第三代第三代第三代第三代DCSDCSDCSDCS的的的的主要特点是：主要特点是：主要特点是：主要特点是： 开放式的系统通信，向上能与开放式的系统通信，向上能与开放式
9、的系统通信，向上能与开放式的系统通信，向上能与MAPMAPMAPMAP和和和和EthernetEthernetEthernetEthernet接口，接口，接口，接口，或者通过网间连接器与其它网络联系，构成综合管理或者通过网间连接器与其它网络联系，构成综合管理或者通过网间连接器与其它网络联系，构成综合管理或者通过网间连接器与其它网络联系，构成综合管理系统；向下支持现场总线。系统；向下支持现场总线。系统；向下支持现场总线。系统；向下支持现场总线。 控制站使用控制站使用控制站使用控制站使用32323232位微处理器，控制功能更强，体积更小，位微处理器，控制功能更强，体积更小，位微处理器，控制功能更强
10、，体积更小，位微处理器，控制功能更强，体积更小，可靠性更高。可靠性更高。可靠性更高。可靠性更高。 操作站采用高档微型计算机，增强图形显示功能，多操作站采用高档微型计算机，增强图形显示功能，多操作站采用高档微型计算机，增强图形显示功能，多操作站采用高档微型计算机，增强图形显示功能，多窗口技术和触摸屏技术。窗口技术和触摸屏技术。窗口技术和触摸屏技术。窗口技术和触摸屏技术。 过程控制组态使用过程控制组态使用过程控制组态使用过程控制组态使用CADCADCADCAD方法，更加直观方便；引入专方法，更加直观方便；引入专方法，更加直观方便；引入专方法，更加直观方便；引入专家系统，实现参数自整定。家系统，实现
11、参数自整定。家系统，实现参数自整定。家系统，实现参数自整定。 1010DCS的发展及典型产品的发展及典型产品典型产品有典型产品有典型产品有典型产品有Honeywell Honeywell 公司的公司的公司的公司的TDC 3000/PMTDC 3000/PMYOKAGAWA YOKAGAWA 公司的公司的公司的公司的Centum-XLCentum-XLFoxboro Foxboro 公司的公司的公司的公司的I/A SeriesI/A SeriesTAILOR Instruments TAILOR Instruments 公司的公司的公司的公司的Mod 300Mod 300Bailey Contr
12、olBailey Control公司的公司的公司的公司的INFI-90INFI-90等等等等1111DCS的发展及典型产品的发展及典型产品第四代集散控制系统以管控一体化的形式出现。广泛采用了开放的工作站和客户机服务器结构；增加了工厂信息网。典型产品有Honeywell公司的TPS，YOKOGAWA公司的CENTUMCS，Foxboro公司的I/A S 50/5l等。1212集散控制系统的体系结构1313DCS的结构与功能1414其标准体系结构按功能分为三层功能结构：其标准体系结构按功能分为三层功能结构：管理层主要功能为生产调度管理及厂级管理层主要功能为生产调度管理及厂级优化；优化；监督控制和协
13、调优化层主要是机组级的监督控制和协调优化层主要是机组级的集中操作、协调控制和运行优化，这部集中操作、协调控制和运行优化，这部分可分为运行人员操作站、工程师工作分可分为运行人员操作站、工程师工作站和监控计算机；站和监控计算机；1515直接控制层由分布式多功能处理单直接控制层由分布式多功能处理单元组成，按功能分为现场控制站、元组成，按功能分为现场控制站、监测站，用于实现地理上分散的回监测站，用于实现地理上分散的回路控制和检测功能。路控制和检测功能。整个整个DCS系统通过通信技术实现控系统通过通信技术实现控制指令及各种信息的传递和数据资制指令及各种信息的传递和数据资源的共享。源的共享。 1616一、
14、分散控制装置一、分散控制装置分散控制装置包括分散控制装置包括现场控制站现场控制站与与过程监测过程监测站站，是集散控制系统与生产过程的接口。，是集散控制系统与生产过程的接口。现场控制站现场控制站（分散处理单元（分散处理单元DPU）可以控）可以控制一个或多个回路，具有较强的运算能力制一个或多个回路，具有较强的运算能力和控制能力，是集散控制系统中实现分散和控制能力，是集散控制系统中实现分散控制的关键部分。控制的关键部分。现场控制站中固化有各种数据处理及控制现场控制站中固化有各种数据处理及控制运算算法模块，通过组态的方法运算算法模块，通过组态的方法 可靠性可靠性 ：一对一备用、：一对一备用、N对一备用
15、对一备用 17171818过程监测站过程监测站（又称数据采集装置或过程接（又称数据采集装置或过程接口单元口单元PIU等）等）主要作用：采集过程变量信息，数据处理，主要作用：采集过程变量信息，数据处理，送入数据库，实现综合数据管理。送入数据库，实现综合数据管理。过程监测站除不具备控制功能外，与现场过程监测站除不具备控制功能外，与现场控制站的功能和结构相似。控制站的功能和结构相似。1919二、操作管理装置操作管理装置包括操作员站、工程师站、监控计算机等，是操作、管理人员与集散控制系统的接口。 完成监视、操作、系统组态、优化控制等任务。 2020图9-3 操作员站结构框图2121操作员站 CRTCR
16、T显示器显示器 ： 生产画面的总貌显示、分组显示、生产画面的总貌显示、分组显示、单回路细目显示、流程图显示、历史趋势显示单回路细目显示、流程图显示、历史趋势显示和报警概貌显示等。和报警概貌显示等。 键盘：发出画面选择、功能请求、数据输入和键盘：发出画面选择、功能请求、数据输入和报警确认等操作指令。报警确认等操作指令。打印机：打印时、班、日等报表。打印机：打印时、班、日等报表。数据存储器：保存历史数据数据存储器：保存历史数据 微处理器微处理器 ：控制各实时任务执行：控制各实时任务执行2222工程师站 完成系统组态、画面生成、参数调整、文档管完成系统组态、画面生成、参数调整、文档管理、系统调试等工
17、作理、系统调试等工作 监控计算机 通过通信接口，综合监视全系统的各工作站，通过通信接口，综合监视全系统的各工作站，管理全系统的所有信息，实现全系统的最优控管理全系统的所有信息，实现全系统的最优控制和全厂的优化管理。制和全厂的优化管理。 2323三、通信系统通信系统即计算机网络，它将集散控制系统的各工作站连接起来。 2424集散控制系统的功能结构过程控制级生产过程的数据采集与回路控制。如汽包水位生产过程的数据采集与回路控制。如汽包水位控制、机炉协调控制及各种顺序控制等。控制、机炉协调控制及各种顺序控制等。2525过程管理级主要由操作员站、工程师站及监控计算机等组成，其主要功能是：数据显示与控制操
18、作；数据显示与控制操作；报警显示与处理；报警显示与处理；数据存储与压缩归档；数据存储与压缩归档；性能计算与优化控制；性能计算与优化控制；制表打印；制表打印；系统组态。系统组态。2626生产管理级由服务器及工作站组成，主要实现实时控制之外的管理功能。如发电量的分配 。经营管理级与办公自动化连接起来，担负起全厂的总体协调管理。包括各类经营活动、人事管理、财务管理等 。 2727集散控制系统的组态 硬件组态即系统配置，是根据系统的规模及控制要求而即系统配置，是根据系统的规模及控制要求而进行的硬件选择。进行的硬件选择。 工程师站的选择工程师站的选择 、操作员站的选择、操作员站的选择 、现场控、现场控制
19、站的选择制站的选择 软件组态 画面组态画面组态 数据组态数据组态 报表组态报表组态 控制回路组态控制回路组态 2828典型集散控制系统典型集散控制系统 产产产产品名称品名称品名称品名称生生生生产产产产厂家厂家厂家厂家I/A SeriesI/A SeriesI/A SeriesI/A SeriesFoxboroFoxboroFoxboroFoxboro（美国）（美国）（美国）（美国）SymphonySymphonySymphonySymphonyABBABBABBABB（瑞士）（瑞士）（瑞士）（瑞士）OvationOvationOvationOvationWestinghouseWestingh
20、ouseWestinghouseWestinghouse（美国）（美国）（美国）（美国）MAX 1000MAX 1000MAX 1000MAX 1000Leeds & Northrup Leeds & Northrup Leeds & Northrup Leeds & Northrup （美国）（美国）（美国）（美国）HIACS 5000/7000HIACS 5000/7000HIACS 5000/7000HIACS 5000/7000HitachiHitachiHitachiHitachi（日本）（日本）（日本）（日本）Teleperm XP Teleperm XP Teleperm XP
21、Teleperm XP SiemensSiemensSiemensSiemens（德国）（德国）（德国）（德国）XDPS-400XDPS-400XDPS-400XDPS-400新新新新华华华华（中国）（中国）（中国）（中国）HOLLiAS-MACSHOLLiAS-MACSHOLLiAS-MACSHOLLiAS-MACS和利和利和利和利时时时时（中国）（中国）（中国）（中国）2929图9-5 Symphony 系统总体结构3030图9-9 DCS信号流程图3131DSC调试（1） 静态调试。静态调试是指系统还没有与生产现场相连时的调试，主要包括： 通电试验； I/O卡件性能测试； 组态软件编译下
22、装； 外加仿真信号对系统进行测试。 （2） 动态调试。动态调试是指系统与生产现场相连时的调试。由于生产过程已经处于运行或试运行阶段，此时应以观察为主，当涉及到必需的系统修改时，应做好充分的准备及安全措施，以免影响正常生产，更不允许造成系统或设备故障。3232DCS调试动态调试一般包括以下内容： 观察过程参数显示是否正常、执行机构操作是否正常； 检查控制系统逻辑是否正确，并在适当时候投入自动运行； 对控制回路进行在线整定；当系统存在较大问题时，如需进行控制结构修改、增加测点等，应尽量在停机状态下重新组态下装。若条件不允许，也可进行在线组态，但要熟悉在线组态的各个环节并做好应急措施。3333信号类
23、型信号类型DASDASMCSMCSSCSSCSFSSSFSSSETSETSECSECS合计合计AIAI（4 420mA20mA）300300280280101085851010188188873873AIAI（RTDRTD）19019045451651651201203030550550AIAI（TCTC）1141145656101018182020218218DIDI2872871010143014301169116912012075075037663766PIPI10103 355556868AOAO（4 420mA20mA）4 4170170174174DODO40402424790790551551606023023016951695SOESOE1551556060185185400400合计合计1100110058558524652465194319432432431408140877447744表表9-2 9-2 每台每台单单元机元机组组DCSDCS的的I/OI/O信号数量信号数量3434图9-10 两台600MW机组Symphony系统结构图3535现场总线控制系统图9-11 现场总线控制回路3636图9-12现场总线控制系统与传统控制系统结构的比较3737图9-13 具有两层结构的FCS38389-14 具有三层结构的FCS3939
