第1章分散控制系统基础-LN2000

1、1.1 概述1.1.1 分散控制系统（Distributed Control System，DCS)以分布在不同物理位置的多台计算机为基础，采用“分散控制、集中操作”分级管理”原则设计的控制系统。1.1.2 分散控制系统的产生与发展1. 常规模拟仪表控制系统基地式仪表：控制系统与被控对象在机械结构上是组合在一起的；而且控制系统的各个部分包括检测、计算、执行、人机界面等也做成一个整体，就地安装在被控对象之上。单元组合仪表：控制系统与被控对象在机械结构上是分开的；检测、计算、执行、人机界面有不同的单元实现，根据控制功能进行组合构成控制系统。缺点：在控制功能方面：控制算法靠电阻、电容、电感等元件的电

2、气规律完成，不能实现复杂控制。在监视操作方面：仪表多，监视操作不方便。在信息管理方面：手工抄表，不准确。2. 计算机集中控制系统克服了常规仪表的缺点，但存在致命缺点“功能集中，危险集中” 。控制功能、监视操作功能和信息管理功能集中在一台计算机上完成。3. 分散控制系统在分析常规模拟仪表控制系统和计算机集中控制系统的基础上，人们产生了危险分散的设计思想，即控制功能分散、监视操作功能集中。控制功能：分布在电子设备间的多个现场站中。监视操作：分布在控制室的多个操作员站中。信息管理：分布在办公室的多个工作站中。4. DCS的产生和发展微机技术 + 通信技术+ CRT技术 + 控制技术 = DCS分散功

3、能 集中功能 人机界面 控制功能 TDC-2000公司公司系统名称系统名称美国HoneywellBaileyWestinghouseFoxboroLeeds&NorthrupTDC-2000，TDC-3000N-90，INFI-90，SymphonyWDPF，OVATIONI/A SeriesMAX-1000日本横河日立CENTUM，XLHIACS-3000，HIACS-5000中国山东鲁能控制和利时北京智深LN-2000HS2000，MACSEDPF-NT1.1.3 火电厂自动化系统l组成厂级自动化系统厂级管理信息系统MIS厂级监控信息系统SIS机组级自动化系统 DCS热工系统自动化

4、电气系统自动化l功能配置MIS系统 处于电厂的最高级，具有对内管理和对外营销两大功能。SIS系统作为机组级DCS系统与厂级MIS系统的中间系统SIS，起着承上启下的作用。它以实时监控为主，同时兼有实时信息管理的作用。因此，必须建立一个较为完善并具有一定规模的实时数据库。其主要功能：全厂综合性能计算和操作指导全厂负荷优化调度机组寿命管理状态监视、故障诊断及相关处理指导机组优化控制DCS系统 火力发电厂中，DCS系统包括热工系统自动化和电气自动化。 在尚未统筹考虑厂级自动化前，单元机组监控系统DCS不仅完成机组直接监控功能，而且逐步扩大管理职能。例如机组性能计算、寿命管理等。管理功能的加强使DCS

5、系统日趋复杂，每台机组重复设置相同的软件模块。这样，往往造成投资浪费和可靠性降低。 在明确提出火电厂厂级自动化以后，应尽量简化单元机组级DCS的功能，主要服务于对机组的直接监控。凡是实时性不强的功能可上移至厂级SIS。DCS的主要功能包括：数据采集系统（Date Acquisition System, DAS） 快速准确的反应参数变化和设备状态，为操作提供依据。数据采集系统的主要功能包括：数据采集与处理、屏幕显示、打印记录、历史数据存储与检索等。模拟量调节系统（Modulation Control System, MCS）维持设备正常运行，保证参数在正常范围，提高生产稳定性、经济性。MCS系统

6、一般包括：机组协调控制系统、主汽温控制系统、再热汽温控制系统、给水控制系统、燃烧控制系统、除氧器水位控制系统、除氧器压力控制系统、辅助蒸汽压力控制系统、高加水位控制系统、低加水位控制系统等。开关量顺序控制系统（Sequence Control System, SCS）主、辅机的启动顺序和机组的联锁保护。顺序控制是按一定的顺序、条件和时间要求，对工艺系统中各有关对象进行自动控制的一种技术，主要用于主辅机的自动启停操作和联锁保护炉膛监测保护系统（Furnace Safeguard Supervision System, FSSS） 防止炉膛爆炸，燃烧管理。对锅炉点火和油枪进行程序自动控制，并有防止

7、锅炉炉膛由于燃烧熄火、过压等原因引起炉膛爆炸而采取的监视和自动控制措施。其包括燃烧器控制系统BCS和炉膛安全系统FSS，实现功能有：炉膛吹扫、点火器及油枪切投控制、火焰监视及炉膛灭火保护、主燃料跳闸MFT。汽轮机数字电液调节系统（Digital Electro-Hydraulic Control System, DEH） 机组启动，转速控制。汽轮机紧急跳闸系统（Exigency Tread System, ETS） 汽机保护跳闸。确保在下列事故状态关闭汽轮机全部蒸汽进汽阀门、抽汽逆止门等，以使汽轮机安全停机。汽轮机主机保护有：润滑油压低、真空低跳闸、就地手动停机、轴向位移大跳闸、发电机跳闸、电

8、超速保护跳闸等。电气自动化系统（Electricity Automation System, EAS） 电气系统的操作，监视。1.2 分散控制系统的构成原理分散控制系统是一种集成了多种高新技术的新型控制系统，其原理结构是比较复杂的。我们应该从多种角度来认识和分析分散控制系统。1.2.1 从控制系统的角度来看DCS是一种分级的控制系统。各级完成不同的功能。 分散控制系统的功能分层体系功能分层体系是分散控制系统的显著特点，是实现控制功能分散，操作显示集中的关键。按系统结构进行垂直分解：它包括四级（见图1-3），各级相对独立，又相互联系，不同的级完成不同的功能。同一级进行水平分解：它可分为具有功能类

9、似的站，各站相对独立，又相互联系，不同的站完成不同的功能。过程控制级过程控制级设备：现场站（采集站、控制站）。功能：数据采集、运算处理和控制输出；经通信网络和控制管理级通信。 输入信号正确性判断 数字滤波 非线性修正 参数补偿 工程单位转换 A/D、D/A转换 输出检查 缺省值输出组成：通信模件、控制器模件、I/O模件和电源模件。控制管理级控制管理级设备：操作员站，工程师站，历史站。功能：操作员站：监视和操作；人和过程的接口。 显示功能：过程画面，趋势画面，一览画面，系统状态画面，报 警相关画面等。 操作功能：和系统有关的操作，和过程有关的操作。 报警功能：开关量变态报警，模拟量越限报警，系统

10、本身的报警 报警过滤功能，报警优先级功能，报警抑制功能等 记录打印功能：随机打印（事件触发），周期性打印（时间触 发），请求打印（命令触发） 工程师站：工程组态和系统维护；人和系统的接口。 历史站：历史站主要负责采集和储存生产过程的历史数据，以供形成 运行报表和历史趋势曲线组成：主机和外设。生产管理级生产管理级设备：实时数据服务器，工作站。功能：厂级生产过程的监视和管理，厂级故障诊断和分析，厂级性能指标计 算。经网关机向经营管理级发送数据。组成：主机和外设。 经营管理级经营管理级设备：数据服务器，工作站。功能：厂级经营管理、财务管理和人事管理等。组成：主机和外设。1.2.2 1.2.2 从信息

11、系统的角度来看从信息系统的角度来看DCS是一个数据通信系统，具有不同的网络结构，连接着功能各异的一个个节点，实现节点间的信息传送与互换。1. 通信网络结构通信网络结构：是指网络中各节点设备之间相互连接的方式。常用的网络结构有三种：星型、环型、总线型。 节点：参加网络通信的最小单位称为节点。一个节点可以是一台计算机，也可以是几台甚至几十台计算机形成的数据集中器。 星形网络结构网络结构：如图1-4所示。网络描述：在网络中的各站有主、从之分。处于中心位置的主节点称为主站， 分布于各处的节点为从站，任何两个站之间的通信都必须通过主 站。网络特点：主从站之间的链路是专用的 传输效率高 适用各 站之间信息

12、 流量大的场合。 对主站的依赖性强 可靠性低。 总线网络结构网络结构：如图1-5所示。网络描述：它是以一条开环的无源通信电缆作为高速公路。所有的站都通过相 应的硬件接口挂到总线上。各站的功能可以有主从之分，也可以不 分主从站。网络特点：各站分时使用总线。 网络结构简单，易于扩展，可靠性高，某一个站的故障不致影响其 站的工作（无主从结构方式下）。 这种结构易于实现通信线路冗余，安装费用较低。因此，总线型结构的应用最为普遍。如日本横河公司的CENTUM系统，BBC公司的Procontrol-P系统，Westinghouse（西屋）公司的WDPF系统，Honeywell（霍尼维尔）公司的TDC-20

13、00、TDC-3000系统等等，均采用了总线形网络结构。 环型网络结构网络结构：如图1-6所示。 网络描述：是一个首尾相连的环型总线，各个站都通过各自的硬件接口挂到环 上。环上的各站无主从之分，平等地使用通信控制权。 网络特点：各站可以同时发送接收信息。 信息在网上的传递总是从始发站出发，经过网上每个站整形、放 大后再传送，直至回到始发站（顺时针或反时针方向）。传送距 离远且能保证信号质量。 当某个站出现故障时，能自动旁路信息，而不影响信息的传递， 但扩展性能不像总线形方便。 工程上环型网络的应用也比较多，例如 ABB 公司的Symphony系统等。2. 信息传输控制技术信息传输控制技术：通信

14、网络上连接着众多的设备，要实现设备之间的信息传送，必须有适合于不同网络结构的信息传输控制技术，常用的信息传输控制技术有：查询式、广播式、存贮转发式。查询式查询式这是一种有主站控制的通信协议方式，适用于具有主从节点的网络结构。处于网络中的主节点对网络行使控制作用。它按次序查询各从节点是否需要通信，需要发送信息的从站把信息送给主站，再由主站把信息发送给需要的其它从站。其特点是所有通信在主站统一指挥下进行，各节点之间没有冲突。广播式广播式这是一种无主站控制的通信协议方式，适用于总线形和环形网络结构。广播式通信控制协议的基本特征是在任何时刻，网络中仅允许有一个站处于发送信息状态，而其余各站只能处于接收

15、状态。如果在同一时刻有多个源站要发送信息，即发生抢占传输线路的冲突，因而，必须按一定协议方式协调这种冲突。在广播式协议下，按防止冲突的方法不同又可分为自由竞争式、通行标记式（令牌传送式）和时间分槽式。自由竞争式：适用于总线形网络。接到总线上的各站共享一条广播传输线，每个站的地位是平等的，采用自由竞争方式发送信息到总线上。由于没有专门的通信控制站，有可能会有两个或两个以上站企图同时发送信息，此时便会发生冲突，造成报文作废。因此，必须采取措施防止冲突。控制策略：竞争发送，先听后发，边发边听，冲突后退和再试重发。通行标记式：即令牌式（Token Passing）适用于环形网络结构。有一个被称之为令牌

16、的信息段绕环网的各节点依次传送。令牌有“空”、“忙”两种状态。某个站接到传给自己的令牌后，如果令牌为“空”，则首先把令牌置为“忙”，并置入发送信息、源节点名、目的节点名等信息段，然后将其送上环网。令牌沿环网运行一周再回到源节点时，传送信息已被目的节点取走，再把令牌置成“空”，送上环网继续传送，以便其它节点使用。时间分槽式：把规定的时间间隔分成若干时间槽，在槽开始时，该节点发送信息，等允许的时间槽时间到，就轮到下一个节点发送信息。存贮转发式存贮转发式是一种无主站控制的通信协议方式，适用于环型网络结构。存贮转发式协议的基本特征是允许网上所有站同时发送和接收信息。每个节点可以随时向自己相邻的下一节点

17、发出信息，包括源站、目的站地址在内。相邻节点接收这些信息并存贮起来，等到自己的信息发送完毕，再对接收到的信息进行识别。如不是目的站，则对信息进行放大，继续发往相邻的下一个节点。直至该信息到达站，目的站在该信息段上加上接收确认信息；如检查信息出错，则加上否认信息；之后继续向下一个节点发送，直至重新回到源节点。源节点若收到的是确认信息，则表明此次传输成功，去掉该段信息，可以发送下一信息。如果收到的是否认，则需要重新发送。这种通信控制协议下，网络中各站之间任一时刻传输的信息是不同的，每一个站在通信网络中起到中继站的作用。INFI-90系统的环形网络中就采用这种存贮转发通信协议方式。1.2.3 从计算

18、机系统的角度来看： DCS分为硬件系统和软件系统。1. 硬件系统 一系列以微处理器为基础的智能模件、过程通道、通信接口和各种外部设备。2.软件系统 包括对系统进行管理的操作系统、数据库系统、组态工具软件和对过程进行控制的一系列标准化功能模块。1.3 分散控制系统的组态过程分散控制系统的组态过程 包括两个方面：硬件配置和软件组态。1.3.1 硬件配置过程控制级：按系统规模配置现场站。 现场站的个数：测点；功能；位置。 现场站内部配置：主模件、通信模件、I/O模件、电源模件。控制管理级：按系统规模配置。 操作员站的个数：运行方式；功能；位置。 工程师站的个数：要求。1.3.2 1.3.2 软件组态

19、 控制组态（现场站）控制组态（现场站）定义：根据用户要求，利用DCS厂家提供的控制组态工具软件和固化在现场站 控制器模件ROM中的各种功能模块生成控制策略的过程叫控制组态。组态步骤：生成组态；编译组态；下装组态；调试组态；运行组态。组态方式：CAD图形组态，根据需要调用各种功能模块，将它们连接生成控制 方案。 填表式组态，根据组态软件提供的表格，按要求逐项填写生成控制 方案。系统组态（操作员站）系统组态（操作员站） 定义：根据用户要求，利用DCS厂家提供的系统组态工具软件（图形组态、数 据库组态、记录组态）和标准元素（符号、模板）生成数据库、监控画 面和报表的过程叫系统组态。 组态步骤：生成组

20、态；编译组态；传送组态；调试组态；运行组态。 组态方式：多种多样，在操作员站，在工程师站。1.4 分散控制系统的特点分散控制系统的特点与常规模拟控制仪表系统以及一般的计算机控制系统相比，分散控制系统主要有以下几方面的特点。1.4.1 硬件积木化分散控制系统采用分层次的积木式结构。在控制管理级，可按照用户需要配置若干操作员站、工程师站等系统部件。在过程控制级，可按照用户需要配置若干现场站，每个现场控制站内部又可配置若干具有不同功能的标准化模件，而无需内部连线。整个系统的配置具有很大的灵活性，便于用户分批分步地扩展自己的系统，以构成更为完善、功能更强的现代化控制与管理系统。1.4.2 1.4.2

21、软件模块化软件模块化分散控制系统为用户提供了丰富的功能软件，大大减少了用户进行软件开发的成本。这些功能软件包括控制软件包、操作显示软件包、报表打印软件包等等。并提供至少一种过程控制语言，供用户开发高级的应用软件。这些软件主要包括：控制软件包：为用户提供过程控制所需的各种功能软件模块。主要包括数据集与处理、控制算法、常规运算和控制输出等功能模块。这些模块固化在现场站的智能模件的只读存贮器中。用户通过组态方式可以任意选择这些模块，构成所需的控制方案。操作显示软件包：为用户提供丰富的人机接口功能，在管理站上进行集中监视和操作。可以生成多种CRT显示画面，如总貌显示、组显示、趋势显示、棒图显示、流程图显示、报警显示和操作指导等画面，并可在CRT画面上进行各种操作，所以它完全可以取代常规模拟仪表盘。报表打印软件包：为用户提供各种打印记录。打印班报表、目报表、月报表；打印瞬时值、累计值、平均值、最大值和最小值；报警打印、事故追忆打印等。1.4.3 控制功能分散化系统中的每个单元仅赋予有限的功能，使用专用的功能软件。避免了中心计算机系统软件的复杂性，提高了系统的实时响应能力