DCS集散控制系统.pptx
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1、1 集散控制系统的体系结构集散控制系统的体系结构 集散控制系统的硬件结构集散控制系统的硬件结构 集散控制系统的软件体系集散控制系统的软件体系 集散控制系统的基本功能集散控制系统的基本功能 数据通信技术数据通信技术本章主要内容本章主要内容第1页/共123页22.1 2.1 集散控系统的体系结集散控系统的体系结构构本节内容提要本节内容提要集集散散控控制制系系统统体体系系结结构构的的特征特征纵向分层纵向分层横向分散横向分散设备分级设备分级网络分层网络分层按按照照功功能能,集集散散控控制制系系统统设设备备分分为四级为四级现场控制级现场控制级过程控制级过程控制级过程管理级过程管理级经营管理级经营管理级与
2、与四四级级设设备备对对应应的的四四层层网络网络现场网络现场网络控制网络控制网络监控网络监控网络管理网络管理网络第2页/共123页3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第3页/共123页41.1.现场控制级现场控制级 典型的现场控制级设备典型的现场控制级设备各类各类传感器传感器各类各类变送器变送器各类各类执行器执行器现场控制级设备的主要任务现场控制级设备的主要任务完成过程完成过程数据采集与处理。数据采集与处理。直接输出操作命令、直接输出操作命令、实现分散控制。实现分散控制。完成与上级设备的完成与上级设备的数据通信数据通信,实现网络数据库共享。,实现网络数据库共享。第
3、4页/共123页52.2.过程控制级过程控制级过过程程控控制制级级主主要要设设备备:过过程程控控制制站站、数数据据采采集集站站和和现现场总线场总线服务器服务器等。等。过程控制站过程控制站产生控制作用。产生控制作用。可可以以实实现现反反馈馈控控制制、逻逻辑辑控控制制、顺顺序序控控制制和和批批量量控控制制等功能。等功能。第5页/共123页6数据采集站数据采集站接收大量的非控制过程信息接收大量的非控制过程信息;不直接完成控制功能。不直接完成控制功能。现场总线服务器现场总线服务器一一台台安安装装了了现现场场总总线线接接口口卡卡与与DCS监监控控网网络络接接口口卡卡的的计算机。计算机。过程控制级设备的主
4、要功能采集过程数据,进行采集过程数据,进行数据转换与处理;数据转换与处理;对生产过程进行对生产过程进行监测和控制;监测和控制;现场设备及现场设备及 I/O I/O 卡件的卡件的自诊断;自诊断;与过程管理级进行与过程管理级进行数据通信。数据通信。第6页/共123页73.3.过程管理级过程管理级过过程程管管理理级级的的主主要要设设备备:操操作作站站、工工程程师师站站和和监监控计算机控计算机等。等。操作站操作站操作人员与操作人员与DCS相互交换信息的相互交换信息的人机接口设备;人机接口设备;DCS的核心的核心显示、监视、操作和管理显示、监视、操作和管理装置。装置。工程师站工程师站对对DCS进行进行配
5、置、组态、调试、维护配置、组态、调试、维护。监控计算机监控计算机实现实现对生产过程的监督控制;对生产过程的监督控制;机组机组运行优化和性能计算,先进控制策略的实现等。运行优化和性能计算,先进控制策略的实现等。第7页/共123页8过程管理级设备的主要功能对生产过程进行对生产过程进行监测和控制;监测和控制;对对DCSDCS进行进行配置、组态、调试、维护配置、组态、调试、维护 ;对各种设计文件进行对各种设计文件进行归类和管理归类和管理 。实现对生产过程的实现对生产过程的监督控制,故障检测和数据存档。监督控制,故障检测和数据存档。第8页/共123页94.4.经营管理级经营管理级 经经营营管管理理级级的
6、的设设备备可可能能是是厂厂级级管管理理计计算算机机,也也可可能是若干个能是若干个生产装置的管理计算机生产装置的管理计算机。厂厂级级管管理理系系统统的的主主要要功功能能是是监监视视企企业业各各部部门门的的运运行情况。行情况。管管理理计计算算机机的的要要求求是是具具有有能能够够对对控控制制系系统统做做出出高高速反应的实时操作系统。速反应的实时操作系统。第9页/共123页10经营管理级设备的主要功能经营管理级设备的主要功能监视监视企业各部门的运行情况企业各部门的运行情况 ;实时监控实时监控承担全厂性能监视、运行优化、全厂负荷承担全厂性能监视、运行优化、全厂负荷分配和日常运行管理等任务分配和日常运行管
7、理等任务 ;日常管理日常管理承担全厂的管理决策、计划管理、行政管承担全厂的管理决策、计划管理、行政管理等任务理等任务 。第10页/共123页112.2 2.2 集散控制系统的硬件结集散控制系统的硬件结构构本节内容提要本节内容提要控控制制站站包包括括现现场场控控制制站站和和数数据据采采集集站等。站等。机柜机柜电源电源控制计算机控制计算机其他部件其他部件操操作作站站一一般般分分为为操操作作员员站站和和工工程程师师站站 。操作台操作台 微处理机系统微处理机系统图形显示设备图形显示设备 操作键盘和鼠标操作键盘和鼠标 打印输出设备等打印输出设备等冗余技术冗余技术冗冗余余方方式式:多多重重化化自自动备用和
8、手动备用。动备用和手动备用。冗冗余余措措施施:通通信信网网络络冗冗余余、操操作作站站冗冗余余、现现场场控控制制站站冗冗余余、电电源源冗冗余余、输输入入/输输出模块冗余。出模块冗余。第11页/共123页12现场控制站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,选择配置不同的现场控制单元以构成现场控制站。以面向连续生产的过过程程控控制制为为主主,顺顺序序逻逻辑辑控控制制为为辅辅,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
9、现场控制站。第12页/共123页131.1.机柜机柜 现场控制站机柜中央控制室机柜间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第13页/共123页14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)现场控制站机柜第14页/共123页152.2.电源电源电源系统的可靠性措施电源系统的可靠性措施每一个现场控制站均采用每一个现场控制站均采用双电源供电,互为冗余双电源供电,互为冗余。采采用用超超级级隔隔离离变变压压器器,将将其其初初级级、次次级级线线圈圈间间的的屏屏蔽层可靠接地,以克服共模干扰的影响。蔽层可靠接地,以克服共模干扰的影响
10、。采用采用交流电子调压器交流电子调压器,快速稳定供电电压。,快速稳定供电电压。配有配有不间断供电电源不间断供电电源 UPS,以保证供电的连续性。,以保证供电的连续性。现现场场控控制制站站内内各各功功能能模模块块所所需需直直流流电电源源一一般般为为5V、15V(或或12 V)、以及、以及+24V。第15页/共123页16增加直流电源系统的稳定性措施增加直流电源系统的稳定性措施给给主主机机供供电电与与给给现现场场设设备备供供电电的的电电源源要要在在电电气气上上隔隔离离,以减少相互间的干扰以减少相互间的干扰。采用采用冗余的双电源方式冗余的双电源方式给各功能模块供电。给各功能模块供电。一一般般由由统统
11、一一的的主主电电源源单单元元将将交交流流电电变变为为 24V 直直流流电电供供给给柜柜内内的的直直流流母母线线,然然后后通通过过 DC-DC 转转换换方方式式将将 24V 直流电源变换为子电源所需的电压。直流电源变换为子电源所需的电压。主主电电源源一一般般采采用用 1:1 冗冗余余配配 置置,而而子子电电源源一一般般采采用用 N:1 冗余配置。冗余配置。第16页/共123页173.3.控制计算机控制计算机 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第17页/共123页18控控制制计计算算机机一一般般是是由由 CPUCPU、存存储储器器、输输入入 /输输出通道出通道等基本部分组成。等
12、基本部分组成。(1)CPU(1)CPU 用以实现用以实现算术运算和逻辑运算算术运算和逻辑运算。可可以以执执行行复复杂杂的的先先进进控控制制算算法法,如如自自动动整整定定、预预测测控制、模糊控制和自适应控制等。控制、模糊控制和自适应控制等。第18页/共123页19(2)(2)存储器存储器 控制计算机的存储器分为控制计算机的存储器分为RAMRAM和和ROMROM。在控制计算机中在控制计算机中 ROM ROM 占有较大的比例占有较大的比例。由由于于控控制制计计算算机机在在正正常常工工作作时时运运行行的的是是一一套套固固定定的的程序,程序,DCS中大都采用了中大都采用了程序固化的办法。程序固化的办法。
13、在在冗冗余余控控制制计计算算机机系系统统中中,还还特特别别设设有有双双端端口口随随机机存存储储器器RAM RAM,其其中中存存放放有有过过程程输输入入输输出出数数据据、设设定定值和值和PIDPID参数等参数等。第19页/共123页20(3)总线 总总线线是是将将现现场场控控制制站站内内部部各各单单元元连连接接起起来来的的通通信信介介质。质。(4)输入/输出通道 模拟量输入模拟量输入/输出输出(AI/AO)开关量输入开关量输入/输出输出(SI/SO)数字量输入数字量输入/输出输出(DI/DO)脉冲量输入通道脉冲量输入通道(PI)第20页/共123页21模拟量输入输出通道模拟量输入输出通道(AI/
14、AO)(AI/AO)模拟量输入通道模拟量输入通道(AI)(AI)模模拟拟量量输输入入通通道道(AI)(AI)将将来来自自在在线线检检测测仪仪表表和和变变送送器器的的连连续续性性模模拟拟电电信信号号转转换换成成数数字字信信号号,送送给给CPUCPU进进行处理。行处理。模拟量输出通道模拟量输出通道(AO)(AO)模模拟拟量量输输出出通通道道(AO)(AO)一一般般将将计计算算机机输输出出的的数数字字信信号号转转换换为为4-20mADC(4-20mADC(或或1-5VDC)1-5VDC)的的连连续续直直流流信信号号,用于控制各种执行机构。用于控制各种执行机构。第21页/共123页22开关量输入开关量
15、输入/输出通道输出通道(SI/SO)(SI/SO)开开关关量量输输入入通通道道(SI)(SI)主主要要用用来来采采集集各各种种限限位位开开关关、继继电电器器 或或电电磁磁阀阀连连动动触触点点的的开开、关关状状态态,并并输输入至计算机。入至计算机。开开关关量量输输出出通通道道(SO)(SO)主主要要用用于于控控制制电电磁磁阀阀、继继电电器器、指指示示灯灯、声声光光报报警警器器等等只只具具有有开开、关关两两种种状状态的设备。态的设备。脉冲输入通道脉冲输入通道(PI)(PI)脉冲输入通道脉冲输入通道(PI)(PI)将将现场仪表(如涡轮流量计现场仪表(如涡轮流量计等)输出的为脉冲信号等)输出的为脉冲信
16、号处理后送入计算机。处理后送入计算机。第22页/共123页23操作站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 中央控制室设备第23页/共123页24 DCS DCS 操作站一般分为操作站一般分为操作员站和工程师站操作员站和工程师站两种两种。工工程程师师站站主主要要是是技技术术人人员员与与控控制制系系统统的的人人机机接接口口,可以对应用系统进行监视。可以对应用系统进行监视。工工程程师师站站为为用用户户提提供供了了一一个个灵灵活活的的、功功能能齐齐全全的的工工作作平平台台,通通过过组组态态软软件件来来实实现现用用户户所所要要求求的
17、的各各种种控控制策略制策略。有些小型有些小型DCSDCS的的工程师站可以用一个操作员站代替工程师站可以用一个操作员站代替。第24页/共123页25 操作台操作台 微处理机系统微处理机系统 外部存储设备外部存储设备 图形显示设备图形显示设备 操作键盘和鼠操作键盘和鼠标标 打印输出设备打印输出设备DCS DCS 操作站主要设备操作站主要设备操作站设备第25页/共123页26冗余技术冗余技术1.1.冗余方式冗余方式第26页/共123页27同同 步步 运运 转转双重化配置输入输出输入输出三重化配置第27页/共123页28同步运转方式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
18、其输出进行核对将其输出进行核对。两台设备同步运行,只只有有当当它它们们的的输输出出一一致致时时,才才作作 为为 正正 确确 的的 输输 出出,这 种 系 统 称 为“双 重 化 系 统”(Dual System)。三台设备同步运行,将将三三台台设设备备的的输输出出信信号号进进行行比比较较,取取两两个个相相等等的的输输出出作作为为正正确确的的输输出出值值,这就是设备的三重化设置,第28页/共123页29待机运转方式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。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 的备用方式的备用方式。对
19、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 备用备用。待机运行方式是 DCS 中主要采用的冗余技术中主要采用的冗余技术。第29页/共123页30后退运转方式后退运转方式使用多台设备,在正常运行时,各各自自分分担担各各种种功功能能运行运行。当其中之一发生故障时,其他设备放放弃弃其其中中一一些些不不重要的功能,进行互相备用重要的功能,进行互相备用。第30页/共123页31简易的手动备用方式简易的手动备用方式采用手动操作手动操作方式实现对自动控制自动控制方式的备用备用。当自自动动方方式式发生故故障障时时,通过切切换换成成手手动动工工作作方方式式,来保持系统的控制功能。第31页/共123
20、页322.2.冗余措施冗余措施通信网络的冗余:通信网络的冗余:采用采用一备一用一备一用的配置的配置。操作站操作站的的冗余冗余:采用采用工作冗余工作冗余的方式的方式。现现场场控控制制站站的的冗冗余余:有有的的采采用用 1:1 冗冗余余,也也有有的的采用采用N:1 冗余冗余。采用无中断自动切换方式采用无中断自动切换方式。电电源源的的冗冗余余:除除了了 220V 交交流流供供电电外外,还还采采用用了了镍镍镉镉电电池池、铅铅钙钙电电池池以以及及干干电电池池等等多多级级掉掉电电保保护护措措施。施。输输入入/输输出出模模块块的的冗冗余余:部部分分重重要要卡卡件件采采用用 1:1 冗冗余余。DCS软件软件还
21、采用了还采用了信息冗余技术信息冗余技术。第32页/共123页332.3 2.3 集散控制系统的软件体集散控制系统的软件体系系本节内容提要本节内容提要软件体系组态软件、控制层软件和监控软件的功能第33页/共123页34DCS软件主要分为:组态软件、控制层软件、监控软件(1)组态软件:安装于工程师站。完成系统控制层软件和监控软件的组态功能。根据实际生产过程控制的需要实际生产过程控制的需要,预先将预先将DCS所提供所提供的硬件设备和软件功能模块组织起来的硬件设备和软件功能模块组织起来,以完成特定的任务。要做的组态主要包括:l硬件配置l数据库组态l控制算法组态l流程显示及操作画面组态l报表组态l编译和
22、下装第34页/共123页35(2)控制层软件:特指运行于现场控制站的控制器中的软件,针对控制对象,完成控制功能。其基本功能:I/O数据的采集、数据预处理、数据组织管理、控制运算及I/O数据的输出。第35页/共123页36(3)监控软件 指操作员站或工程师站上的软件,主要完成操作人员所发出的各个命令的执行、图形与画面的显示、报警信息的显示处理、对现场各类检测数据的集中处理。第36页/共123页372.4 2.4 集散控制系统的基本功集散控制系统的基本功能能本节内容提要本节内容提要控制站的基本功能控制站的基本功能 反馈控制反馈控制逻辑控制逻辑控制顺序控制顺序控制批量控制批量控制数据采集与处理数据采
23、集与处理数据通信数据通信操作站的基本功能操作站的基本功能 显示显示操作操作报警报警组态组态系统维护系统维护报告生成报告生成 自诊断功能自诊断功能 离线自诊断离线自诊断 在线自诊断在线自诊断 显示故障代码显示故障代码定位定位故障卡故障卡件件 第37页/共123页381.1.反馈控制反馈控制现场控制站的基本功能现场控制站的基本功能反馈控制功能分布图第38页/共123页39(1)(1)输入信号处理输入信号处理模拟输入信号处理模拟输入信号处理合理性检验零偏修正 规格化 工程量变换 非线性处理 开方运算 补偿运算 脉冲序列的瞬时值变换及累计第39页/共123页40对于对于数字信号数字信号状态报警及输出方
24、式处理。对对于于脉冲序列脉冲序列瞬时值变换及累积计算。第40页/共123页41报警类型 仪表异常报警、绝对值报警、偏差报警、速率报警以及累计值报警等。报警限值 为为了了实实现现预预报报警警,DCS中中通通常常还还设设置置了了多多重重报报警警限限,如如上上限限、上上上上限限、下下限限、下下下下限限等。等。报警优先级 报警优先级参数 报警链中断参数 最高报警选择参数 (2)(2)报警处理报警处理第41页/共123页42(3)(3)控制运算控制运算常规 PID 微分先行PID积分分离开关控制时间比例式开关控制信号选择比率设定常 用 算 法时间程序设定 Smith 预估控制多变量解耦控制一阶滞后运算超
25、前-滞后运算其他运算等第42页/共123页43(4)(4)控制回路组态控制回路组态根据控制策略的需要,将将一一些些功功能能模模块块通通过过软软件件连接起来连接起来,构成检测回路或控制回路。温度与压力串级控制系统回路组态图第43页/共123页44(5)(5)输出信号处理输出信号处理输出开路检验输出上下限检验输出变化率限幅模拟输出开关输出脉冲宽度输出 第44页/共123页452.2.逻辑控制逻辑控制根据输入变量的状态,按逻辑关系进行的控制按逻辑关系进行的控制。在DCS中,由逻辑功能模块逻辑功能模块实现逻辑控制功能。逻 辑 控 制 功 能与(AND)或(OR)非(NO)异或(XOR)连接(LINK)
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