集散控制系统1

1、集散控制系统（Distributed Control System，DCS）是一种以微处理器为基础的分布式计算机控制系统。本讲知识点v DCS的产生、发展（典型的DCS产品图示）和特点v DCS的体系结构v PCS7过程控制系统及其应用v DCS的可靠性及其提高措施一、DCS的产生、发展和特点 现代化工业飞速发展，工业生产过程的控制规模不断扩大，复杂程度不断提高，工艺过程不断强化，对过程控制和生产管理系统提出越来越高的要求。 控制系统的发展历史经历了由基地式仪表单元组合仪表计算机集中控制集散控制的过程。 产生u直接作用式气动控制器；u控制装置安装在被控过程附近，每个回路有单独控制器；u运行人员

2、分布在全厂各处；u适用于规模不太大、工艺过程不太复杂的企业。1. 30年代初期年代初期-分散控制方式分散控制方式u中央控制室，信息远距离传输问题；u变送器、执行器和控制器分离：变送器、执行器安装在现场，控制器在中央控制室；u优点：运行人员可获得整个的生产信息，便于协调控制；u注意：控制仪表和运行人员在地理上的集中，控制器分别完成各控制任务，故障影响不大运行管理的集中，仍然分散控制；u采用气动单元组合仪表、电动单元组合仪表和组件组装式仪表。2. 30年代末期：集中控制年代末期：集中控制u计算机进入过程控制领域，一台计算机控制全厂的生产过程，整个系统控制任务的集中。u特点：控制集中、管理集中u缺点

3、：受硬件水平限制，计算机可靠性低，一旦发生故障，全厂生产瘫痪。3. 50年代末年代末60年代初：集中控制方式年代初：集中控制方式4. 集散控制方式集散控制方式u分析集中控制的失败，提出了集散控制系统的概念； 把控制功能分散在不同的计算机中完成（危险分散） 由CRT操作站和上位机进行监视和操作 应用通信技术实现各部分之间的联系和协调uDCS继承了常规仪表控制系统分散控制和计算机控制系统集中管理的优点，克服了常规仪表功能单一、人-机联系差，以及单台微型计算机控制系统危险性高度集中的缺点，既在管理、操作和显示三方面集中，又在功能、负荷和危险性三方面分散。u特点：控制分散、管理集中 发展 1975年H

4、oneywell推出了世界上第一套集散控制系统 TDC2000, 实现了分散控制和集中管理的功能。 80年代中期，系统软硬件技术不断更新，系统功能得到扩大或增强；在数据通信方面采用了局域网。 80年代后期系统的通信功能增强，通信标准符合OSI参考模型，各不同制造厂家的产品可以进行数据通信。 90年代以后管控一体化，硬件上采用了开放式的工作站，采用了客户机/服务器的结构；在软件上则采用UNIX系统和X-Windows的图形界面，系统的软件更丰富。 随着PLC和FCS技术的发展, DCS与PLC和FCS相融合的混合型分布式控制系统已经出现。1.功能齐全2.人机联系完善3.可靠性高4.系统扩展灵活5

5、.安装调试简单6.性价比好DCS的性能比常规仪表控制系统和集中型计算机控制系统更为优越,它的主要特点如下： 特点二、 DCS的体系结构CRT操作站管理计算机过程控制单元过程控制单元数据采集单元集中操作与管理装置集中操作与管理装置分散控制装置分散控制装置通信系统通信系统 硬件结构-分散过程控制级 分散过程控制级是DCS的基础层 向下直接面向工业对象，其输入信号来自于生产过程现场的传感器、变送器及电气开关等，其输出去驱动执行器（如调节阀、电磁阀、电机等），完成生产过程的数据采集、闭环调节控制、顺序控制等功能； 向上与集中操作监控级进行数据通信，接收操作站下传的参数和操作命令，以及将现场工作情况信息

6、整理后向操作站报告。 构成这一级的主要装置有：现场控制站，可编程控制器，智能调节器及其它测控装置。现场控制站一般是标准的机柜式机构，柜内由电源、总线、I/O模件、处理器模件、通信模件等部分组成。一般在机柜的顶部装有风扇组件，其目的是带走机柜内部电子部件所散发出来的热量；机柜内部设若干层模件安装单元，上层安装处理器模件和通信模件，中间安装I/O模件，最下边安装电源组件。机柜内还设有各种总线，如电源总线，接地总线，数据总线，地址总线，控制总线等等。现场控制站的电源不仅要为柜内提供电源，还要为现场检测器件提供外供电源，这两种电源必须互相隔离，不可共地，以免干扰信号通过电源回路耦合到I/O通道中去。1

7、.现场控制站现场控制站的主要功能有六种：数据采集功能：对过程参数，主要是各类传感变送器的模拟信号进行数据采集、变换、处理、显示、存储、趋势曲线显示、事故报警等。DDC控制功能：包括接受现场的测量信号，进而求出设定值与测量值的偏差，并对偏差进行PID控制运算，最后求出新的控制量，并将此控制量转换成相应的电流送至执行器驱动被控对象。顺序控制功能：通过来自过程状态输入输出信号和反馈控制功能等状态信号，按预先设定的顺序和条件，对控制的各阶段进行顺序控制。信号报警功能：对过程参数设置上限值和下限值，若超过上限或下限则分别进行越限报警；对非法的开关量状态进行报警；对出现的事故进行报警。信号的报警是以声音、

8、光或CRT屏幕显示颜色变化来表示。打印报表功能：定时打印报表；随机打印过程参数；事故报表的自动记录打印。数据通信功能：完成分散过程控制级与集中操作监控级之间的信息交换 智能调节器是一种数字化的过程控制仪表，也称可编程调节器。其外形类似于一般的盘装仪表，而其内部是由微处理器CPU、存储器RAM、ROM、模拟量和数字量I/0 通道、电源等部分组成的一个微型计算机系统。 智能调节器可以接受和输出420mA模拟量信号和开关量信号，同时还具有RS-232或RS-485等串行通信接口。一般有单回路、2回路、或4回路的调节器，控制方式除一般的单回路PID之外，还可组成串级控制、前馈控制等复杂回路。 智能调节

9、器不仅可以在一些重要场合下单独构成复杂控制系统，完成1 4个过程控制回路，而且可以作为大型集散控制系统中最基层的一种控制单元，与操作监控级连成主从式通信网络，接受其下传的控制参数，并上报各种过程参数。2.智能调节器 与智能调节器最大的不同点是：它主要配置的是开关量输入、输出通道，用于执行顺序控制功能。在新型的PLC中，也提供了模拟量输入输出及PID控制模块，而且均带有RS-485标准的异步通信接口。 同智能调节器一样，PLC的高可靠性和不断增强的功能，使它既可以在小型控制系统中担当控制主角，又可以作为大型集散控制系统中最基层的一种控制单元3.可编程调节器 集中操作监控级是面向现场操作员和系统工

10、程师的。 集中操作监控级以操作监视为主要任务把过程参数的信息集中化，对各个现场控制站的数据进行收集，并通过简单的操作，进行工程量的显示、各种工艺流程图的显示、趋势曲线的显示以及改变过程参数（如设定值、控制参数、报警状态等信息）；另一个任务是兼有部分管理功能：进行控制系统的组态与生成。 构成这一级的主要装置有：面向操作人员的操作员操作站、面向监督管理人员的工程师操作站、监控计算机及层间网络联接器。 一般情况下，一个DCS系统只需配备一台工程师站，而操作员站的数量则需要根据实际要求配置。 硬件结构-集中操作监控级DCS的综合信息管理级主要由高档微机或小型机担当的管理计算机构成，它实际上是一个管理信

11、息系统，是由计算机硬件、软件、数据库、各种规程和人共同组成的工厂自动化综合服务体系和办公自动化系统。DCS的综合信息管理级主要完成生产管理和经营管理功能。比如进行市场预测，经济信息分析；对原材料库存情况、生产进度、工艺流程及工艺参数进行生产统计和报表；进行长期性的趋势分析，作出生产和经营决策，确保最优化的经济效益。目前国内使用的DCS重点主要放在底层与中层二级上。3.硬件结构- DCS的通信系统 DCS各级之间的信息传输主要依靠通信网络系统来支持。 与一般的局域网不同，DCS中采用的通信网络是用于生产过程的控制和管理，具有以下特点：1. 具有快速的实时响应能力，一般办公室自动化计算机局部网络响

12、应时间为2-6s，而它要求0.01-0.5s；2. 具有高的可靠性，必须连续、准确运行，数据传送误码率低于10-810-11，系统利用率在99.999%以上；3. 适合于在恶劣环境下工作，能抗电源干扰、雷击干扰、电磁干扰和低电位差干扰； 软件系统由于DCS是多层体系结构，每层的硬件组成及其完成功能不同，因而相应的软件系统也会不同。处于高层的DCS综合信息管理级是一个以数据处理为中心的管理信息系统，而从自动控制的角度出发，更关心用于底层与中间层的软件系统，它主要包括控制软件包、操作显示软件包等。 用于分散过程控制级，为用户提供各种过程控制的功能，包括：数据采集和处理、控制算法、常用运算公式和控制

13、输出等功能模块。 由于构成这一级的装置不同，而且即便是同一种装置但厂家品牌、型号也可能不同，实际上支持这些硬件装置的软件平台和编程语言都不相同。归纳起来有图形化编程（又分功能块图、梯形图、顺序功能图），文本化语言（又分指令表和结构化文本），面向问题的语言（又分填表式和批处理两种）和通用的高级语言（又分VB、VC等）等多种。 当把相应的软件安装在控制装置中，用户可以通过组态方式自由选用各种功能模块，以便构成控制系统。 用于集中操作监控级，为用户提供丰富的人-机接口联系功能。 在操作站上进行集中操作监视，可以选择多种图形显示画面，如总貌显示、分组显示、回路（点）显示、趋势显示、流程显示、报警显示和

14、操作指导等画面，并可以在图形画面上进行各种操作，所以它可以完全取代常规模拟仪表盘。 需要指出的是，当前国内市场上已经成功运行着十几种通用监控组态软件。2. 操作显示软件包 组态 简单的讲，组态（Configuration）就是用应用软件中提供的工具、方法、完成工程中某一具体任务的过程。集散系统的组态主要包括系统组态、控制组态、画面组态。 系统组态操作是根据已有的DCS，确定各设备的可寻址的标志号、各设备之间的连接关系（部分为硬接线）、所包含的软件环境以及相应操作系统。 控制组态可以通过编程或组态器，也可以由操作站直接送入后再下装到分散过程控制装置，用于确定各分散过程控制装置的输入输出通道特性、

15、建立数据库，确定控制方案和实施手段等。 画面组态包括操作站、简易型操作终端、工程师站以及上位管理站的用户画面的组织、画面的生成、数据点的确定、调用画面的手段等。 SIMATIC PCS 7是一种新型过程控制系统。它提出了一种全集成自动化（Totally Integrated Automation, TIA）理念，具有统一的数据管理、通信和组态功能。 PCS 7 采用了TIA 系列的标准硬件和软件，基本部件包括自动化系统、分布式I/O、操作员站、工程师站和通信网络。 系统由PROFIBUS-DP总线和工业以太网两级网络组成。DP总线用于自动化系统和设备级分散I/O之间通信，是系统底层控制网络。工

16、业以太网连接分散过程控制级和集中操作监控级，构成系统上层网络。三、 DCS实例PCS7过程控制系统PCS7 系统结构 AS-iProfibus-PAProfibus-PAProfibus-PAOS-LAN工业以太网工业以太网标准自动化系统AS414-3等工程师站ESOS单站OS服务器容错自动化系统AS414-4H等归档服务器OS客户机管理计算机分布式I/OET200分布式I/OET200故障安全自动化系统AS414FH等分布式I/OET200DP/PA链接器DP/PA链接器DP/PA链接器DP/AS-i链接器Profibus-DP 分散过程控制装置 PCS 7分散过程控制装置包括自动化系统和分

17、布式分散过程控制装置包括自动化系统和分布式I/O。标准自动化系统包括 AS 414-3、AS 416-2、AS 416-3 和AS 417-4。其中AS 414-3适于小型应用，其余用于中等规模或更大的系统。该由机架、电源模块（PS）、中央处理单元（CPU）和通信处理器（CP）构成。容错自动化系统它可以满足高可靠性的要求，包括 AS 414-4-1H、AS 417-4-1H、AS 414-4-2H 和AS 417-4-2H等四种类型的产品。故障安全自动化系统它不仅可检测过程中的故障, 而且还可检测系统内部故障，在检测错误时, 自动将装置设置到一个安全状态。基于 AS 414H 和 AS 417

18、H 的故障安全自动化系统（F/FH 系统）将工厂自动化和安全功能组合到单一系统之中。ET 200M 是主要的分布式是主要的分布式 I/O 产品，与产品，与PCS 7的自动化系统一起用于过的自动化系统一起用于过程控制。它由电源模块、接口模块和程控制。它由电源模块、接口模块和 I/O 模块组成，均可实现冗余配置。模块组成，均可实现冗余配置。ET 200iS 是具有本安性能的是具有本安性能的 I/O 产品，防护等级产品，防护等级 IP 30，可以直接安装，可以直接安装在防爆在防爆1区或区或2区中，传感器区中，传感器/ 执行器置于执行器置于0区。每个模块都可在防爆环境区。每个模块都可在防爆环境中热插拔

19、。中热插拔。ET 200S 是一种新型产品，防护等级是一种新型产品，防护等级IP 20，适用于需要故障安全电机启，适用于需要故障安全电机启动器的场合。也支持模块的热插拔，但它的动器的场合。也支持模块的热插拔，但它的I/O 模块比模块比ET 200iS丰富，丰富，除模拟量和数字量除模拟量和数字量I/O模块以外，还包括电机起动器、气动模块等。模块以外，还包括电机起动器、气动模块等。ET 200X 具有较高的防护等级具有较高的防护等级IP 65/67, 适于无控制柜场合的多功能解决适于无控制柜场合的多功能解决方案。其方案。其 I/O 模块与模块与ET 200S类似。类似。分布式I/O 集中操作管理装

20、置 PCS7的集中操作管理装置由操作员站和工程师站组成。操作员站操作员站OS是PCS 7 系统的人机接口, 用于生产过程的操作和监视。有单用户系统（OS 单站）和具有客户机/服务器结构的多用户系统（OS客户机/OS服务器）。单用户系统 所有过程操作和监视都集中在一个站中,OS单站通过RJ 45端口可与OS LAN相连，也可通过通信处理器或标准LAN卡接入工业以太网。多用户系统 通过OS LAN 从一个或多个OS 服务器接收数据，它还具有客户机功能, 能访问系统中其它OS服务器上的数据。操作员站采用WinCC组态软件，能完成从画面显示到历史趋势记录的一系列功能，并可设置操作权限。工程师站ES工程

21、师站用于对整个PCS7 系统进行组态。它采用和操作员系统的OS 单站相同的硬件以及Windows2000 操作系统, 可通过多屏图形卡将最多四个过程监视器连接在一起来扩展工作区，使得组态更为方便。ES软件为PCS7系统的所有部件提供统一的数据管理和组态工具，包括连续功能图CFC、顺序功能图SFC、功能块库、硬件组态工具HW Config、OS图形组态软件、过程设备管理器PDM等部分。 CFC/SFC都是图形组态工具, 前者以功能块为基础 , 主要用于连续过程的控制组态，后者用于顺序控制。HW Config和PDM 是硬件组态工具，用于自动化系统、操作员站、工程师站、通信网络及现场设备的组态。

22、通信网络PCS 7 的通信系统包括工业以太网和现场总线。工业以太网用于自动化系统与操作员站、工程师站之间的数据通信，现场总线连接自动化系统和分布式 I/O，用于现场控制及检测采集单元的数据交换。工业以太网工业以太网连接分散控制装置和操作管理装置。网络可采用总线型、星型、环型等多种拓扑结构，较大的系统均采用冗余光纤环网。通信协议符合IEEE802.3及IEEE 802.3u标准。通过电气交换机和光纤交换机连接子网，最多可连接1000个站。通信距离可达1.5公里(电缆)/200公里(光纤)。三线电缆、工业用双绞线和光缆均适宜作为传输介质。现场总线PCS 7系统使用PROFIBUS DP、PA和AS

23、-I等现场总线。PROFIBUS DP 适用于自动控制系统和设备级分散 I/O 之间通信。PROFIBUS DP 网络包括由DP 主站、从站和DP/PA、DP/AS-i等链接器。网络可采用总线型、星型和树型等多种结构。 主站 和从站之间采用轮循的通信方式，最多可连接125个从站, 传输速率可设置在 9.6 Kbit/s到1.5Mbit/s之间。通信介质包括光纤和屏蔽两线电缆。通信距离最远可达9.6公里(电缆)/90公里(光纤)。PROFIBUS PA是专为过程自动化设计的本质安全的传输技术，一根总线上可以同时实现供电和信息传输, 符合IEC1158- 2中规定的通信规程，可实现总线供电和本质安全防爆。PA拓扑结构包括总线型、星型和树型。在防爆区每个DP/ PA 链路最多可连接15个现场设备，非防爆区最多可达31个, 通信介质采用屏蔽两线电缆实现。通信距离可达1.9公里。AS-I 是直接连接现场传感器和执行器的总线系统。 作为电缆束的替代品, AS-I总线利用无屏蔽两芯电缆连接现场设备。AS-i总线网络为单主站系统, 拓扑结构包括总线型、星型和树型。一个标准的AS-i总线系统可以最多连接31个从站, 每个从站可最多配置4路输入和4路输出。经扩展，系统可连接62个从站。通信距离可达100米(无中继