集散控制系统运行及维护

1、集散控制系统运行及维护课件第1页，共40页，2022年，5月20日，1点46分，星期四第2章 集散控制系统导论集散控制系统运行及维护 高职高专 ppt 课件第2页，共40页，2022年，5月20日，1点46分，星期四一、集散控制系统的结构组成及特点 集散控制系统又称分布式控制系统，它是技术的产物（计算机技术、通信技术、控制技术，图形显示技术），是通过某种通信网络将现场控制站、操作员站、工程师站联系起来，共同完成分级控制、集中管理的综合控制系统。它的基本设计思想是危险分散、控制功能分散、而操作和管理集中。 集散控制系统的英文缩写（DISTRIBUTED CONTROL SYSTEM)，简称DCS

2、。 DCS是由过程控制站、数据采集器、CRT操作站（工程师站与操作员站）、监控计算机以及高速数据通路等五大部分组成的，系统利用通信网络将各工作站连接起来，实现集中监视、操作、信息管理和分散控制。图2-1为一个DCS的典型结构组成图。 (一)、基本组成集散控制系统运行及维护 高职高专 ppt 课件第3页，共40页，2022年，5月20日，1点46分，星期四集散控制系统基本结构组成图2-1 集散控制系统的结构组成 集散控制系统运行及维护 高职高专 ppt 课件第4页，共40页，2022年，5月20日，1点46分，星期四1 现场圾现场级设备一般位于被控生产过程的附近。典型的现场级设备是各类传感器、变

3、送器和执行器，它们将生产过程中的各种物理量转换为电信号。例如4-20mA的电信号(一般变送器) 送往控制站或数据采集站，或者将控制站输出的控制量(420mA的电信号)转换成机械位移，带动调节机构，实现对生产过程的控制。集散控制系统运行及维护 高职高专 ppt 课件第5页，共40页，2022年，5月20日，1点46分，星期四 控制级 控制级主要由过程控制站和数据采集站构成 一 般在电厂中，把过程控制站和数据采集站集中安装在位于主控室后的电子设备室中。 过程控制站接收由现场设备，如传感器、变送器来的信号，按照一定的控制策略计算出所需的控制量，并送回到现场的执行器中去 过程控制站可以同时完成连续控制

4、、顺序控制或逻辑控制功能，也可能仅完成其中的一种控制功能 数据采集站与过程控制站类似，也接收由现场设备送来的信号，并对其进行一些必要的转换和处理之后送到分散型控制系统中的其他部分，主要是监控级设备中去。数据采集站接收大量的过程信息，并通过监控级设备传递给运行人员。数据采集站不直接完成控制功能，这是它与过程控制站的主要区别。集散控制系统运行及维护 高职高专 ppt 课件第6页，共40页，2022年，5月20日，1点46分，星期四监控级监控级监控级的主要设备有运行员操作站、工程师工作站和计算站。其中运行员操作站安装在中央控制室，工程师工作站和计算站一般安装在电子设备室。运行员操作站是运行员与控制系

5、统交换信息的人机接口设备。运行人员通过运行员操作站来监视和控制整个生产过程。并且可以随时进行手动自动控制方式的切换，修改给定位，调整控制量，操作现场设备。以实现对生产过程的干预。工程师工作站是为了控制工程师对分散控制系统进行配置、组态、调试、维护所设计的工作站工程师工作站一般由Pc机配置一定数量的外部设备所组成，例如打印机、绘图机等。计算站的主要任务是实现对牛产过程的监督控制，例如机组运行优化和件能计算一般，if算站由超级微型机或小型机构成。集散控制系统运行及维护 高职高专 ppt 课件第7页，共40页，2022年，5月20日，1点46分，星期四管理级管理级包含的内容比较广泛，一般来说，它可能

6、是一个发电厂长级管理汁算机，也可能是经理、总工程帅、值班长等政管理或运行管理人员厂级管理系统的主要任务是监测企业各部分的运行情况，利用历史数据和实时数据预测可能发生的各种情况，从企业全局利益出发辅助企业管理人员进行决策，帮助企业实现其规划目标。对管理计算机的要求：能够对控制系统做出高速反应的实时操作系统能够长期保存生产数据，并日具有优良的、高性能的、方便的人机接口丰富的数据库管理软件，过程数据收集软件，人机接口软件以及生产管理系统等工具软件，实现整个工厂的网络化和计算机的集成化。集散控制系统运行及维护 高职高专 ppt 课件第8页，共40页，2022年，5月20日，1点46分，星期四(二)、集

7、散控制系统的特点1、高可靠性 2、灵活的扩展性3、完善的自主控制性4、完善的通信网络 集散控制系统运行及维护 高职高专 ppt 课件第9页，共40页，2022年，5月20日，1点46分，星期四 二、集散控制系统的硬件结构 现场控制站主要由机柜、电源及控制计算机等组成。1、机柜：现场控制站的机拒内部均装有多层机架，以供安装各种模块（控制模块与通信模块）及电源之用。2、电源为了保证电源系统的可靠性，通常采取以下几种性措施。(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

8、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12 V)、以及+24V。（一）现场控制站 集散控制系统运行及维护 高职高专 ppt 课件第10页，共40页，2022年，5月20日，1点46分，星期四 二、集散控制系统的硬件结构 3.控制计算机(1)CPU 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。(2)存储器 控制计算机的存储器

9、也分为RAM和ROM。(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。(4)输入/输出通道模拟量输入输出通道(AI/AO) 开关量输入/输出通道(SI/SO) 脉冲输入通道(PI) (5)通信设备 交换机、modem、集线器等(6)外存储器、打印机等第11页，共40页，2022年，5月20日，1点46分，星期四 二、集散控制系统的硬件结构 DCS 操作站一般分为操作员站和工程师站两种。操作站必须配置有以下设备。1、操作台2、微处理机系统3、外部存储设备4、图形显示设备5、操作键盘和鼠标6、打印输出设备（二）操作站 第12页，

10、共40页，2022年，5月20日，1点46分，星期四 二、集散控制系统的硬件结构 1、冗余方式 DCS的冗余技术可以分为多重化自动备用和简易的手动备用两种方式。多重化自动备用就是对设备或部件进行双重化或三重化设置，当设备或部件万一发生故障时，备用设备或部件自动从备用状态切换到运行状态，以维持生产继续进行。多重化自动备用还可以进一步分为同步运转、待机运转、后退运转等三种方式。2、冗余措施 DCS的冗余包括通信网络的冗余、操作站的冗余、现场控制站的冗余、电源的冗余、输入/输出模块的冗余等。通常将工作冗余称“热备用”，而将后备冗余称为“冷备用”。 除了硬件冗余外，DCS还采用了信息冗余技术，就是在发

11、送信息的末尾增加多余的信息位，以提供检错及纠错的能力，降低通信系统的误码率。（三）DCS的冗余化结构 第13页，共40页，2022年，5月20日，1点46分，星期四 三、集散控制系统的软件结构 所谓软件是指完成各种功能的计算机程序的总和，它是计算机控制系统的神经中枢，整个系统的动作都是在软件程序指挥下协调工作的。集散控制系统（DCS）软件及其基本功能如图2-2所示。 图2-2 DCS软件及其基本功能第14页，共40页，2022年，5月20日，1点46分，星期四 四、集散控制系统组态 DCS组态是指根据实际生产过程控制的需要，利用DCS所提供的硬件和软件资源，预先将这些硬件设备和软件功能模块组织

12、起来，以完成特定的任务。这种设计过程习惯上称作组态或组态设计。从大的方面讲，DCS的组态功能主要包括硬件组态(又叫配置)和软件组态两个方面。 第15页，共40页，2022年，5月20日，1点46分，星期四（一）集散控制系统硬件组态 集散控制系统的硬件组态实际上是完成系统设备间的软连接，它是选择硬件设备，然后在显示器上完成系统硬件的配置，也就是硬件系统的建立(setup)问题，它包括以下几个方面的的内容：工程师站的选择(包括机型、显示器尺寸、内存、硬盘容量、打印机等)；操作员站的选择(包括操作员站的个数和操作员站的配置，如显示器尺寸是否采用双屏、主机型号、内存配置、磁盘容量的配置、打印机的台数和

13、型号等)；现场控制站的选择(包括现场控制站的个数、地域分布、每个现场控制站中所配的各种模板的种类及块数、电源的选择等)。硬件配置一般根据生产现场具体要求来定。 第16页，共40页，2022年，5月20日，1点46分，星期四（二）集散控制系统的软件组态DCS软件组态包括画面组态和控制组态。画面组态主要完成操作员站上的各种画面、画面间连接；而控制组态是指控制系统软件的生成，包括基本配置组态和应用软件的组态。基本配置组态是给系统一个配置信息，采用面向问题的语言，其方法是填表式语言，可确定系统中各站的个数、组成、索引标志，每个站的最大点数、最短执行周期等；应用软件的组态采用功能块语言，即把常用的运算功

14、能、信号交换功能、PID控制功能及其他功能所对应的程序预先固化成ROM中的各种模块，然后用最简单的编程语言或图上作业方法将这些模块进行软连接，构成各种控制系统的应用软件，这类应用软件主要用于现场控制层。对于管理层的生产优化或经营优化的管理软件，仍然用高级语言(如C语言等)编制。第17页，共40页，2022年，5月20日，1点46分，星期四五、集散控制系统的基本功能 1、反馈控制2、串联控制3、前馈控制4、顺序控制（一）现场控制站的基本功能 第18页，共40页，2022年，5月20日，1点46分，星期四（二）操作站的基本功能1、显示：它以模拟方式、数字方式及趋势曲线实时显示每个控制回路的测量值(

15、PV)、设定值(SV)及控制输出值(MV)。2、操作：操作站可对全系统每个控制回路进行操作，对设定值、控制输出值、3、报警：操作站以画面方式、色彩 ( 或闪光 ) 方式、模拟方式、数字方式及音响信号方式对各种变量的越限和设备状态异常进行各种类型的报警。4、系统组态：DCS 的组态分为系统组态和应用组态两类，相应的有系统组态软件和应用组态软件。5、系统维护：当系统中的某设备发生故障时，一方面立刻切换到备用设备，另一方面经通信网络传输报警信息，在操作站上显示故障信息，蜂鸣器等发出音响信号，督促工作人员及时处理故障。6、报表生成：根据生产管理需要，操作站可以打印各种班报、日报、操作日记及历史记录，还

16、可以拷贝流程图画面等。 第19页，共40页，2022年，5月20日，1点46分，星期四六、数据通信技术1、数据通信系统的组成 通信是指用特定的方法，通过某种介质将信息从一处传输到另一处的过程。一个最基本的通信系统，是由信息源、发送装置/接收装置（收发装置或调制解调器）、信道、通信控制部件、信息宿及协议等部分组成，如图2-3所示。 （一）数据通信原理图2-3 通信系统模型 第20页，共40页，2022年，5月20日，1点46分，星期四2、通信类型模拟通信是以连续模拟信号传输信息的通信方式。数字通信是将数字信号进行传输的通信方式。数字信号是具有一定编码、格式和字长的数字信息。3、传输方式信息按其在

17、信道中的传输方向分为单工、半双工和全双工三种传输方式。(l) 单工（Simplex）通信方式：只允许信息沿一个方向（而不能作反向）传输。如图2-4所示。 图2-4 单工通信方式第21页，共40页，2022年，5月20日，1点46分，星期四(2) 半双工（Half duplex）通信方式：允许信息在两个方向上传输，但在同一时刻只限于一个方向的传输，如图所示2-5所示。 图2-5 半双工通信方式(3) 全双工（Full duplex）通信方式。允许信息同时在两个方向上进行传输，如图2-6所示。 图2-6 全双工通信方式第22页，共40页，2022年，5月20日，1点46分，星期四4、串行传输与并行

18、传输(1) 串行传输是把数据逐位依次在信道上进行传输的方式。如图2-7 a)所示。(2) 并行传输是把数据多位同时在信道上进行传输的方式。如图2-7 b)所示。 图2-7 串行传输与并行传输 a) 串行传输 b) 并行传输第23页，共40页，2022年，5月20日，1点46分，星期四（二）通信网络1、局部网络的概念 局部区域网络 (Local Area Network，LAN)，简称为局部网络或局域网，是一种分布在有限区域内的计算机网络，是利用通信介质将分布在不同地理位置上的多个具有独立工作能力的计算机系统连接起来，并配置了网络软件的一种网络，用户能够共享网络中的所有硬件、软件和数据等资源。2

19、、局部网络拓扑结构 (1) 星型结构 星型结构如图2-8 所示。 第24页，共40页，2022年，5月20日，1点46分，星期四图2-8 星型拓扑结构第25页，共40页，2022年，5月20日，1点46分，星期四图2-9 星型拓扑结构(2) 环型结构 环型结构如图2-9 所示。 第26页，共40页，2022年，5月20日，1点46分，星期四图2-11 总线型拓扑结构(3) 总线型结构 总线型结构如图2-10 所示。 第27页，共40页，2022年，5月20日，1点46分，星期四图2-11 树型拓扑结构(4) 树型结构 树型结构如图2-11所示。 第28页，共40页，2022年，5月20日，1点

20、46分，星期四图2-12 菊花链拓扑结构(5) 菊花链结构 如图2-12所示。 第29页，共40页，2022年，5月20日，1点46分，星期四3、传输介质 传输介质是通信网络的物质基础。基金会现场总线支持的传输介质如下图2-14所示。其常见的传输介质主要有双绞线、同轴电缆和光缆三种，如图2-15所示。 第30页，共40页，2022年，5月20日，1点46分，星期四第31页，共40页，2022年，5月20日，1点46分，星期四4、DCS的网络控制方式(1) 查询方式 (2) 自由竞争方式 (3) 令牌传送方式 (4)存储转发式 5、差错控制技术(1) 差错控制(2) 传输错误及可靠性指标(3)

21、反馈重发纠错方式(ARQ) 奇偶检验 循环冗余码校验 循环冗余码(Cyclic Redundancy Check，CRC)简称循环码，它的检错能力相当强，是DCS中最常用字的纠错码。 第32页，共40页，2022年，5月20日，1点46分，星期四（三）通信协议1、通信协议的概念 网络通信功能包括数据传输和通信控制两大部分。将通信的全过程称为通信体系结构，一组组通信控制功能应当遵守通信双方共同约定的规则，并受这些规则的约束。在计算机通信网络中，对数据传输过程进行管理的规则称为协议。2、开放系统互连参考模型 开放系统互连参考模型( OSI) 是将开放系统的通信功能分为七层，描述了分层的意义及各层的

22、命名和功能。开放系统互连参考模型如图2-16所示。第33页，共40页，2022年，5月20日，1点46分，星期四图2-16 开放系统互连参考模型 第34页，共40页，2022年，5月20日，1点46分，星期四（四）现场总线简介 现场总线是指应用在生产现场、连接智能现场设备和自动化测量控制系统的全数字式、双向传输、多分支结构的通信网络 1、现场总线的国际标准 (1) IEC TC65(国际电工委员会第 65 技术委员会) 2003年IEC 通过了修订的现场总线国际标准 IEC 61158，共有10种类型，其内容见表2-1。 第35页，共40页，2022年，5月20日，1点46分，星期四第36页，共40页，2022年，5月20日，1点46分，星期四(2) IEC TC17(国际电工委员会第 l7 技术委员会) IEC62026 有 4 种现场总线类型，即AS-i(Actuator Sensor Interface，执行器传感器接口，Siemens 公司)；Device Net (设备网，Rockwell 公司