第3章集散控制系统的硬件结构概要.ppt

第3章集散控制系统的硬件结构,DCS的硬件系统主要由集中操作管理装置、分散过程控制装置和通信接口设备等组成，通过通信网络系统将这些硬件设备连接起来，共同实现数据采集、分散控制和集中监视、操作及管理等功能。这里，分别介绍DCS的现场控制站、DCS的操作员站和DCS的工程师站。,3.1DCS的现场控制站,现场控制站是DCS与生产过程之间的接口，它是DCS的核心。现场控制站是DCS中实现过程控制的重要设备。按控制方式，现场控制站分为：直接数字控制站、顺序控制站和批量控制站。,一般来说，现场控制站中的主要设备是现场控制单元。现场控制单元是DCS直接与生产过程进行信息交互的I/O处理系统，它的主要任务是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。,现场控制站是一个可独立运行的计算机检测控制系统。由于它是专为过程检测、控制而设计的通用型设备，所以其机柜、电源、输入输出通道和控制计算机等与一般的计算机系统有所不同。现场控制站的硬件系统主要包括：机柜、电源、输入输出通道等。,1.机柜,2.电源,只有保持电源(交流电源和直流电源)稳定、可靠，才能确保现场控制站正常工作。为了保证电源系统的可靠性，通常采取以下几种措施。(1)每一个现场控制站均采用双电源供电，互为冗余。(2)如果现场控制站机拒附近有经常开关的大功率用电设备，应采用超级隔离变压器，将其初级、次级线圈间的屏蔽层可靠接地，以克服共模干扰的影响。(3)如果电网电压波动很严重，应采用交流电子调压器，快速稳定供电电压。,(4)在石油、化工等对连续性控制要求特别高的场合，应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12V)、以及+24V。为增加直流电源系统的稳定性，一般可以采取以下几条措施。(1)为减少相互间的干扰，给主机供电与给现场设备供电的电源要在电气上隔离。(2)采用冗余的双电源方式给各功能模块供电。(3)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。,3.控制器,控制器是现场控制站的核心，也是DCS的核心。一般是由CPU、存储器、输入/输出通道等基本部分组成。,AC800F控制器,(1)CPU尽管世界各地的DCS产品差别很大，但现场控制站大都采用Motorola公司M68000系列和Intel公司80X86系列的CPU产品。为提高性能，在各生产厂家大都采用准32位或32位微处理器。由于数据处理能力的提高，因此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。,(2)存储器与其他计算机一样，控制计算机的存储器也分为RAM和ROM。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，因此在控制计算机中ROM占有较大的比例。有的系统甚至将用户组态的应用程序也固化在ROM中，只要一加电，控制站就可正常运行，使用更加方便，但修改组态时要复杂一些。在一些采用冗余CPU的系统中，还特别设有双端口随机存储器，其中存放有过程输入输出数据、设定值和PID参数等。两块CPU板均可分别对其进行读写，保证了双CPU间运行数据的同步。当原先在线主CPU板出现故障时，原离线CPU板可立即接替工作，这样对生产过程不会产生任何扰动。,(3)总线常见的控制计算机总线有Intel公司的多总线MULTIBUS，“EOROCARD”标准的VME总线和STD总线，前两种总线都是支持多主CPU的16位/32位总线，由于STD总线是一种8位数据总线，使用受到限制，已经逐渐淡出市场。近年来，随着PC机在过程控制领域的广泛应用，PC总线(ISA、EISA总线等)在中规模DCS的现场控制站中也得到应用。,4.输入/输出通道过程控制计算机的输入/输出通道一般包括模拟量输入/输出(AI/AO)、开关量输入/输出(SI/SO)或数字量输入/输出(DI/DO)以及脉冲量输入通道(PI)。(1)模拟量输入输出通道(AI/AO)生产过程中的连续性被测变量(如温度、流量、液位、压力、浓度、pH值等)，只要由在线检测仪表将其转变为相应的电信号，均可送入AI通道，经过A/D转换后，将数字量送给CPU。而模拟量输出通道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。,(2)开关量输入/输出通道(SI/SO)开关量输入通道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。(3)脉冲输入通道(PI)许多现场仪表（如涡轮流量计、罗茨式流量计以及一些机械计数装置等）输出的测量信号为脉冲信号，它们必须通过脉冲输入通道才能送入计算机。,系统结构,5、现场总线模件,是现场总线与DCS间的一个接口。为现场的智能装置提供数字通信通道。在一条现场总线通信线路上，可以并联连接32个符合该现场总线通信协议的智能设备。智能设备以全数字方式传递过程变量、控制变量、状态信息、管理信息等。有些现场总线模件支持数/模混合通信。以420mA的模拟量信号传输过程变量信号，其他信号的数字量调制信号叠加在模拟量信号上传输。,6、现场控制站通信接口,是连接基本控制单元的控制网络Cnet与连接运行员操作站以及其他站的监控网络Snet之间的通信接口。从某种意义上来说，它就是一个网间连接器。,7.现场控制站的可靠性措施,现场控制站是直接控制生产过程的重要环节，可靠性要求高，即使在故障情况下，也应保证生产过程的安全。可靠性措施：（1）、手动后备（2）、冗余（3）、在线诊断（4）、输出保护,（1）、手动后备,应用十分普遍的后备方法。当控制系统故障时，运行人员通过操作器或操作开关手动控制生产过程。在DCS中，习惯上把手动操作设备称为手动操作站。当BCU故障时，系统就转换为运行人员手动控制。,（2）冗余,在DCS中，冗余技术的应用十分广泛。通信总线、通信接口、I/O模件、电源设备等均可采取冗余措施，这里主要讨论基本控制单元的冗余。1CPU冗余21:1冗余3N:l冗余4多重冗余,1CPU冗余,是一种部分冗余措施。一般用在控制回路比较多的基本控制单元中，因为这种情况下，CPU故障会影响所有的回路。,2、1:1冗余,采用另一个完整的基本控制单元作为备用，称为1:1冗余，如图所示。,3.N:l冗余,1:1冗余造价很高，N：1冗余则比较经济。,4多重冗余,用于要求可靠性极高的场合。,(3)、在线诊断,利用BCU中的微处理器实现在线诊断，在BCU的指令系统中有各种自诊断程序。诊断程序可分为输入诊断、组态诊断、内存诊断、输出诊断、联合诊断、电源系统诊断、启动过程诊断、工作过程诊断和周期性诊断等。,(4)、输出保护,BCU的输出信号是直接控制生产过程的。如果BCU在故障时输出信号发生紊乱，就会严重影响生产过程的运行，甚至会造成人身伤亡或者设备损坏。BCU的输出电路中常采用各种安全保护措施，保护原则如下:(1)尽量减少每个D/A转换器所控制的输出通道数。(2)模拟量和开关量输出在BCU故障时应进入安全状态。(3)输出电路的电源最好与BCU其他部分的电源分开。(4)输出电路将输出的实际值反馈到BCU中，有两个目的:一是可以让BCU检查输出的正确性；二是让BCU与手动操作站或其他冗余BCU之间实现无扰切换。(5)尽量减少输出电路中硬件和接线的数量。,控制器冗余连接,Ethernet模件第2个Ethernet模件用于控制器冗余连接IP地址设定为15(Hex=F)作为LINK模件2个控制分别设定为不同IP地址(IP1/IP2)P代表主控制器,S代表后备控制器,3.2DCS的操作员站,操作员站的功能主要是操作、监视和管理。是操作员对过程与系统的接口，常称人机接口。ManMachineInterface(MMI)为了实现监视和管理等功能，操作站必须配置有以下设备：一台具有较强图形处理功能的微型机，以及相应的外部设备，显示设备、打印机、存储设备、数据输入设备、以及一个支撑和固定这些设备的台子。,DCS与传统仪表系统的比较,MMI通常由计算机及其辅助系统组成。当前的MMI由通用计算机配以DCS厂家的人机接口软件来组成,1、组成(1).操作台,操作台用来安装、承载和保护各种计算机和外部设备。目前流行的操作台有桌式操作台、集成式操作台和双屏操作台等，用户可以根据需要选择使用。,操作台适宜的尺寸,(2).微处理机系统,DCS操作站的功能越来越强，这就对操作站的微处理机系统提出了更高的要求。一般的DCS操作站采用32位或64位微处理机。,(3).外部存储设备,为了很好的完成DCS操作站的历史数据存储功能，许多DCS的操作站都配有一到两个大容量的外部存储设备，有些系统还配备了历史数据记录仪。,(4).图形显示设备,当前DCS的图形显示设备主要是LCD，有些DCS还在使用CRT。有些DCS操作站配备有厂家专用的图形显示器。,(5).数据输入设备,通常情况下，数据输入设备包括键盘和鼠标。操作员键盘一般都采用具有防水、防尘能力、有明确图案或标志的薄膜键盘。这种键盘从键的分配和布置上都充分考虑到操作直观、方便，外表美观，并且在键体内装有电子蜂鸣器，以提示报警信息和操作响应。,(6).打印输出设备,有些DCS操作站配有两台打印机，一台用于打印生产记录报表和报警报表；另一台用来拷贝流程画面。随着激光等非击打式打印机的性能不断提高，价格不断下降，有的DCS己经采用这类打印机，以求得清晰、美观的打印质量和降低噪声。,2、DCS中MMI的不同构成方式,3、MMI的开放结构,从上可知MMI内部的网络给MMI设备配置所带来的好处，当MMI内部结构中的纽带数据通信网的协议是公共的协议时，这种结构更为重要的特性MMI的开放。MMI利用自己内部的总线与其他的设备通信时，整个系统就更加灵活了。通信系统中的开放：指不同通信设备之间通信的能力，当一个设备能与多种设备通信时，这个设备就是开放的。,DCS之间的两种通信结构,MMI开放结构：大屏幕,大屏幕上的信息可以使多名操作员、管理人员、维护人员同时看到系统与过程参数和状态，从而建立他们之间的交流。MMI结构中的CRT的两种形式：常规的供一名操作员使用的人机接供多名人员共同使用的大屏幕的人机接口,大屏幕的系统组成,4、MMI的基本功能,操作员通过MMI监视、控制工业过程基本功能:1）显示过程信息，传递操作员的指令，显示处理各种报警。2）监视DCS中所有设备的状态，包括MMI本身及外设的状态。3）通过MMI确诊某一个过程通道的故障。4）记录各种过程与系统的事件，存储、打印记录的结果，生成各种报表。5）操作员通过MMI维护、调整生产过程与DCS，因此MMI要提供对过程控制参数甚至结构的调整手段，同时调整MMI内的各种软硬配置，提供过程与系统各类帮助指导。,5、操作员站的报警管理,(1)、报警的主要内容,按一定的规律去处理报警信息。根本目的:通过管理使运行员及时发现问题，快速正确地处理问题，可靠记录处理的全过程。报警的分类：按重要程度分成很多级别，如l6级。按其所在的地点分成多个报警级或区域，也可以用特殊的方法标识出来，使运行员发现哪儿出现了报警。按性质分成过程报警与系统报警。按时间先后、报警变量的标签名称等特征来分类或排序，使运行员能方便地注意到具有某些特征的报警。,运行员发现报警显示信息之后，首先关心的是“什么量报警了”，然后是“我该怎么办”。应向运行员提供以下的信息:变量优先级让运行员反映出是什么类型的报警发生了。变量的位置让运行员了解这个报警是否发生在关键部位。变量名称这时运行员再细看是什么变量出现了报警。报警性质如高报警、低报警等，让运行员知道发生了什么报警。,(2)、报警信息的显示,提示运行员通常情况下的操作和应考虑的问题。报警时间用于记录。其他信息包括报警确认等。对报警的浏览与归档是对报警进行一般性的分析与记录，应按前面提到的对报警的分类方法，提供各种分类、查找、索引、存取盘的方法，便于运行员查阅。,(3)、报警提示,明确报警的目的，建立系统的概念，而不是简单地将一个过程变量与报警限相比较，输出报警信号。每一个报警都与一种操作相联系，用这个要求来衡量时，可以帮我们删去不必要的报警。用重要的报警屏蔽掉不重要的报警，把设备的运行状态与报警结合起来，例如，某个设备出口介质温度低时的报警，实际上是与该设备的运行联系在一起的，不应仅根据温度低于报警限就报警。采用统一的设计方法，设计检查表逐一评审报警点。,(4)、报警设计的一些注意事项,记录与报表：将信息归档的两种形式。记录：是针对事件而言的，当DCS或工艺过程中发生了什么事件时，记录下该事件供今后查找故障的原因或总结控制经验使用，如某个阀门的开关、某个调节参数的调整等。报表：是按照某种规律，通常是以时间的某种规律，从DCS历史数据库中取出数据来，放到一起，或起分析作用，或起统计作用。,6、记录与报表,随时记录：记录一般性的问题或操作，像“流水账”一样供事后分析。组态时，人机接口会提示出所有可记录的事件的清单，由设计者挑选。事件触发记录：根据某个事件的发生才被激活的记录。这个记录在平时不启动，当发生了事件时，记录被启动。设计这类记录要注意，不要滥用DCS的资源，事件发生前后的数据记录的密度应与过程变量的时间常数相对应。,(1)、记录的形式与设计,通常的报表按一定的时间间隔，如每小时、每班、每天、每周、每月，统计出关键变量的值，打印出来用于分析、统计、考评，报表中的数据常来自于历史数据库，而不是实时数据库。设计报表与设计记录类似，应注意以下的问题。(1)报表应尽量提供信息，而不只是数据。（2）合理使用计算机的资源。（3）DCS应带来更计算机化的表格。（4）报表与MIS（ManagementInformationSystem）常联系在一起。,(2)、报表的形式与设计,7、人机接口的发展,(1)、大屏幕的使用(2)、多媒体技术(3)、通信系统的应用(4)、过程信息管理系统接口,3.3DCS的工程师站,工程师站EngineeringWorkStation(EWS)对集散控制系统进行配置、组态、调试、维护所设置的工作站。利用工作站来组合DCS提供的控制算法或画面符号，而不是编制具体的计算机程序或软件，也不是用来描绘制造或安装用的图纸，所以把这种设计过程称作组态或组态设计。工程师站上配有组态软件，为用户提供了一个灵活的、功能齐全的工作平台，通过它来实现用户所要求的各种控制策略，对各种设计文件进行归类和管理，形成各种设计文件。为节省投资，许多工程师站可以用一个操作员站代替。,1工程师站的组成,组成：PC机硬件及操作系统。工程师站的基本设备：一台完整的PC机，有的用“工作站”式的PC，有的采用服务器客户机结构，这显然是一种趋势，因为它更适合于多个设计者共享一个项目的资源。工程设计软件。各DCS都有进行工程组态的软件，它们只适用于自己的系统。其他辅助性通用软件。如办公软件、数据库软件等。,2工程师站在DCS中的作用,一用EWS做系统组态设计二系统调试与设计更改三运行记录四文件整理,一用EWS做系统组态设计,系统组态设计的主要任务：利用DCS提供的所有控制、监视功能来设计实际的过程控制系统。组态设计包括：(1)系统硬件构成的总体设计(2)系统的硬件设计(3)控制逻辑设计(4)人机接口站组态设计(5)文件组态(6)系统运行之后的维护管理基本方法,(1)系统硬件构成的总体设计,(2)系统的硬件设计,硬件设计的结果是安装、组装和接线所用的工程图纸。通常包括过程控制单元中的模件布置、电源分配、现场I/O的连接方法、屏蔽与接地等设计，使用EWS可以方便地根据DCS的设计规范和过程控制的具体要求设计出这些接线图、配置图。,(3)控制逻辑设计,根据DCS中给出的控制元件(算法，或称功能码)组成控制方案的过程。简单说，包括采集现场信号的设计、控制运算、决策的设计、控制输出的设计、通信与传递信号的设计、系统诊断与处理方面的设计等。,(4)人机接口站组态设计,根据运行、维护等日常由操作员完成的任务，通过DCS的操作员站所提供的功能，设计并组成一个监控系统的过程。包括画面设计、报警设计、数据库设计、记录设计、帮助指导设计等。,(5)文件组态,为使DCS正常运行而编制的各种说明指导性文件。DCS的安装、使用、应用方法，故障处理方法都应该在DCS中提供，根据问题性质的不同，或者在人机接口站上提供，或者在工程师工作站上提供。,(6)系统运行之后的维护管理基本方法,DCS的组态任务中应包括设计一套管理