DCS体系结构分析

其次章DCS的体系结构自从1975年DCS诞生以来，随着计算机、通信网络、屏幕显示和限制技术的发展与应用，DCS也在不断发展和更新。尽管不同DCS产品在硬件的互换性、软件的兼容性、操作的一样性上很难达到统一，但从其基本构成方式和构成要素来分析，照旧具有相同或相像的体系结构。本章从其功能、性能和通用性上分析DCS的体系结构，以便了解和相识DCS。了解DCS的层次结构、硬件结构、软件结构和网络结构。本章内容支配2.1DCS的层次结构2.2DCS的硬件结构2.3DCS的软件结构2.4DCS的网络结构2.5典型DCS的体系结构2.6国产DCS的体系结构2.1DCS的层次结构DMCDMCDMCDMCCG3OSOSESSCSCG1MMCMMCMMCMMCCG2DNETMNETCNETPCSPCSPCSPCSPCS生产过程决策管理层生产管理层操作监控层直接控制层DMC--决策管理计算机MMC--生产管理计算机DNET--决策管理网络MNET--生产管理网络CNET--控制网络一般系统2.1.1DCS的干脆限制层是DCS的基础主要设备：过程限制站PCS输入输出单元IOU接收过程变量（如温度等）和状态变量（开关状态）输出模拟量和数字量操作信号过程限制单元PCU干脆数字限制DDC：连续、逻辑、依次、批量限制与限制网络连接，便于操作监控层对生产过程进行监视和操作平安冗余处理，保证系统不间断的平安运行2.1.2DCS的操作监控层是DCS的中心主要设备：操作员站、工程师站、监控计算机和计算机网关操作员站：32位或64位微处理机或小型机、专用键盘等对生产过程进行监控、操作和管理工程师站：32位或64位微处理机，或由操作员站兼用系统生成、诊断维护、限制回路组态、人机界面绘制等监控计算机：32位或64位小型机建立生产过程的数学模型、实施高等过程限制策略，实现装置级的优化限制和协调限制对生产过程进行故障诊断、预报和分析，保证生产平安2.1.3DCS的生产管理层处于工厂级主要设备：生产管理计算机MMC（Manufactorymanagementcomputer）一般由一台中型机和若干台微型机组成主要功能依据订货量、库存、生产实力等制定全厂的生产支配，并分解落实到生产车间或装置；依据生产状况刚好协调全厂的生产，进行生产调度和科学管理；应付不行预料事务。2.1.4DCS的决策管理层属于公司级主要设备：决策管理计算机DMC（Decisionmanagementcomputer）一般由一台大型机、几台中型机、若干台微型机组成主要功能管理公司的生产、供应、销售、技术、支配、市场、财务、人事、后勤等；收集各部门信息，综合分析，实时做出决策，协调各级管理人员指挥调度；帮助公司经理制定中长期生产支配和远景规划。2.2DCS的硬件结构特点：积木式；可灵敏地配制成大、中、小系统；可依据企业的财力或生产要求，逐步扩展系统和增加功能。包括：DCS限制站的硬件结构DCS操作员站的硬件结构DCS工程师站的硬件结构DCS监控计算机站的硬件结构2.2.1DCS限制站的硬件结构CS或PCS主要构成：输入输出单元IOU如AI、AO、DI、DO信号调理板接线端子板过程限制单元PCU核心限制处理器板：运算、限制、实时数据处理输入输出接口处理器板通信处理器板：信息交换冗余处理器板：故障分析与切换电源CNETPCU信号调理板SCC信号端子板STC输入输出处理板IOP电源电源正面反面2.2.2DCS操作员站的硬件结构主要构成：主机：一般工控机IPC或工作站或专用彩色显示器CRT：触屏式或非触屏式操作员专用键盘打印机2.2.3DCS工程师站的硬件结构主要构成：主机：一般工控机IPC或工作站或专用彩色显示器CRT：触屏式或非触屏式键盘打印机主要功能离线组态在线维护和诊断2.2.4DCS监控计算机站的硬件结构主要构成：主机：一般工控机IPC或工作站或专用彩色显示器CRT：触屏式或非触屏式键盘打印机2.3DCS的软件结构特点：模块式结构包括：DCS限制站的软件结构DCS操作员站的软件结构DCS工程师站的软件结构DCS监控计算机站的软件结构2.3.1DCS限制站的软件结构CS或PCS软件的用户表现形式：各类功能模块功能模块又称为点或内部仪表，主要包括：输入模块：对应输入点，AI、DI等，一一对应输出模块：对应输出点，AO、DO等限制模块：连续限制、逻辑限制、依次限制运算模块：加减乘除、超前滞后补偿等程序模块例：构成一个单回路PID限制系统组态图LT2135AIPVLC2135PIDOVLV2135AOPVPVSVBIVBOVOVBOV模拟量输入模块PID控制块模拟量输出模块2.3.2DCS操作员站的软件结构人机界面(HMI)软件的用户表现形式：丰富多彩、图文并茂、形象直观的动态画面一般有：通用操作画面：总貌、组、点、趋势和报警等专用操作画面：工艺流程图、操作指导和操作面板等历史信息画面：操作员操作、过程点报警和事故追忆日志等系统信息画面：系统设备状态和功能模块汇总等打印功能：各类报表、日志、记录和报告多媒体功能：语音合成、工业电视等2.3.3DCS工程师站的软件结构用户软件包括：组态软件绘图软件编程软件主要功能：组态：生成DCS系统和限制系统，建立操作、监控和管理环境包括：操作监控层设备组态操作监控层功能组态干脆限制层设备组态干脆限制层功能组态设备组态作用：登记限制网络上各节点的网络地址、硬件和软件配置。如：登记限制网络上过程限制站、操作员站、工程师站、监控计算机站和计算机网关的网络地址；登记过程限制站的输入输出单元中每块输入板(卡)和输出板(卡)的地址(卡笼号及卡槽号)以及是否冗余；登记DCS的过程限制单元是否冗余，并支配运算模块和限制模块数量；登记操作员站的操作权限、是否触摸屏(CRT)、打印机编号等功能组态作用：建立输入输出模块、运算、限制模块；按工艺要求构成所需的连续限制和逻辑限制回路。方式：结构图连接窗口选择填表2.3.3DCS工程师站的软件结构（续）绘图：通用画面：总貌、组、点、趋势和报警等画面填表或填空实现专用画面：工艺流程图、操作指导、操作面板、报表和报告等绘图软件绘制编程：编程语言专用限制语言CL（controllanguage）基于过程的语句，干脆面对过程并运用过程变量编程简洁通用高级算法语言，如VC、VB等共享DCS数据库的接口说明：工程师站在系统软件的支持下，把组态形成的目标文件下装到过程限制站，把通用画面和专用画面的目标文件下装到操作员站。2.3.4DCS监控计算机站的软件结构配置了高级算法语言和数据库，供用户自行开发应用程序。作为限制网络的一个节点，用户程序可干脆运用PCS中的各种过程变量表现形式：应用软件包自适应限制预料限制推理限制优化限制专家系统故障诊断等功能：实施高等过程限制策略实现装置级的优化限制和协调限制对生产过程进行故障诊断、事故预报和处理2.4DCS的网络结构结构特点：层次化网络结构包括：过程限制站PCS内接受输入输出总线IOBUS，串行限制网络CNET生产管理网络MNET决策网络DNET2.4.1DCS的输入输出总线一般，冗余IOBUS，自动检测通信故障并自动切换到备用通信线。CNETPCUAIAIAIPIDIAODOSDIFTI4-20mATCRTDIOBUSTC-热电偶PI-脉冲输入SDI-串行设备接口FTI-现场总线设备接口IOBUS可选择RS-232、RS-422、RS-485、FF、PROFIBUS、CAN等，传输距离：100~1000m，加中继可增加传输距离2.4.2DCS的限制网络CNET是DCS的中枢要求：具有良好的实时性、快速的响应性、极高的平安性、恶劣环境的适应性、网络的互联性和网络的开放性等局域网符合ISO提出的开放系统互联（OSI）7层参考模型，以及IEEE提出的IEEE802局域网标准协议：Ethernet（以太网）、MAP（制造自动化协议）、TCP/IP等传输介质：同轴电缆或光缆，传输速率为1~10MbPs，传输距离为1~5km。2.4.3DCS的生产管理网络MNET工厂级，覆盖一个厂区的各个网络节点局域网（LAN）协议、传输介质同CNET计算模式：客户机/服务器2.4.4DCS的决策管理网络DNET公司级，覆盖全公司的各个网络节点局域网（LAN）或区域网协议：Ethernet、TCP/IP等传输介质：同轴电缆、光缆、电话线或无线计算模式：客户机/服务器2.5典型DCS（TPS）的体系结构TDC2000：以高速数据马路为通信系统TDC3000：以就地限制网（LCN）为通信系统TDC3000X：万能限制网（UCN）、UNIXTPS：WindowsNT为开放式平台全厂一体化系统（信息集成系统）TotalplantsolutionsystemTPS系统构成图NTUNIXDECVAX计算机TPS桌面应用AXP计算机NGNGUSHGCBECMCDHPMLMAMHMAMCAPMHPMFSCIOPSAMEOSNIMCLMPHDAPPGUSAXMUXSPLNMEPLCG接变送器、执行器等工厂信息网（PIN）（LCN）LCNELCNE（UCN）（HI低速）光缆LCNUWSTPS系统构成图中各部分功能AM：应用模件applicationmoduleAMC：先进多功能限制器advancedmultifunction controllerAPM：先进过程管理站advancedprocessmanagerAXM：先进应用模件applicationmoduleAPP：应用处理平台applicationprocessingplatformCB：基本限制器basiccontrollerCLM：通信链接模件communicationlinkmoduleDH：数据高速马路datahiwayEC：增加型限制器extendedcontrollerEOS：增加型操作站extendedoperatorstationEPLCG：增加型可编程限制器连接器enhancedPLCgatewayFSC：故障平安限制系统failsafecontrolsafetysystemGUC：全局用户操作站globaluserstationHG：高速马路连接器hiwaygatewayHM：历史模件historymoduleTPS系统构成图中各部分功能HPM：高性能过程管理器high-performanceprocessmanagerIOP：输入输出处理器inputoutputprocessorLCN：就地限制网localcontrolnetworkLCNE：LCN扩展器LCNextenderLM：逻辑管理模件logicmanagerMC：多功能限制器multifunctioncontrollerNG：网络连接器networkgatewayNIM：网络接口模件networkinterfacemodulePIN：工厂信息网plantinformationnetworkPHD：过程历史数据库processhistorydatabasePLNM：工厂信息网模件plantnetworkmodulePM：过程管理器processmanagerSAM：扫描架应用模件scannerapplicationmoduleUCN：万能限制网universalcontrolnetworkUS：万能操作站universalstationUXS：高级万能操作站universalstation2.5.1TPS的通信系统包括：工厂信息网PIN:实现信息管理系统与过程限制系统的集成局域限制网LCN：96个节点，冗余，A、B两条，自动切换万能限制网UCN：32个节点，冗余通信，A、B两条，自动切换；UCN的网络设备之间具有点对点通信功能，使得UCN上各设备之间可以共享网络数据。高速数据马路DH：63个2.5.1TPS的通信系统（续）现场总线：每个IOP可连接4条现场总线，每条现场总线可连接10台设备另外，还包括内部接口模件：网络接口模件（NIM）连接LCN和UCN，冗余高速数据马路连接器（HG）增加型可编程序限制器连接器（EPLCG）通信链接模件（CLM）等2.5.2LCN的设备操作监控层，其主要设备：操作员站：通用操纵站US、高级万能操作站UXSUXS带有工业标准协处理器，与用户工厂网上外部设备通信，工程师站：UWS全局用户操作站GUS：兼有操作员站和工程师站功能双处理器，可与LCN和PIN连接历史模件：HM专用硬盘设备，用于存储系统软件、应用软件和历史数据等文件硬件由主机和硬盘驱动器组成2.5.2LCN的设备（续）应用模件AM：是监控计算机，实现高级限制和应用模件，并供应一种面对过程的限制语言CL/AM。AM供应应用软件包，如LOOPTUNE（PID参数自整定）、HPC（预料限制）等先进应用模件AXM具有上位的先进限制、优化等功能双重处理器，可与LCN和PIN连接软件环境：OpenUSE，包括增加的CL/AM，平安性、协处理开发资源和Open-DDA（开放数据定义和存取）Open-DDA为工程师供应了标准的定义和存取过程数据的方法，接受标准的通用语言，如Fortran、C++等2.5.2LCN的设备（续）应用处理平台APP是基于AM的TPS节点（WindowsNT），运用开放系统的标准技术，将AM的全部功能提升到开放式的操作环境，并为用户和第三方开发自己的应用供应了一种平安、标准的限制系统数据访问工具。双处理器，可以与LCN和PIN连接网络接口模件NIM是LCN和UCN之间的网络接口2.5.3UCN的设备属于干脆限制层，其主要设备：过程管理器PM：数据采集和限制设备，包括过程管理器模件（PMM）和I/O子系统先进过程管理站APM：与PM结构相像，增加了设备限制点和数组点，并把离散限制集成在限制策略中，增加了串行I/O处理器高性能过程管理器HPM：三个处理器，即限制处理器、通信处理器和I/O接口处理器限制处理器：运算、限制和HPMM冗余切换管理通信处理器：UCN通信管理、HPM之间的点对点通信、UCN冗余切换管理和UCN通信接口I/O接口处理器：I/O通信管理软件：点，即功能模块2.5.3UCN的设备（续）逻辑管理模件LM：主要用于逻辑限制，它具有可编程序限制器的优点；由逻辑管理模件(LMM)、限制处理器、I/O链路处理器及I/O模件等组成。故障平安限制系统FSC：接受独特高级自诊断的先进生产过程疼惜系统以微处理器为基础的容错平安停车系统，用于疼惜操作入员的平安，疼惜生产设备和装置，保持最佳生产状态，疼惜操作环境。2.5.4TPS信息集成系统TPS是实现全厂限制、管理和信息集成的开放式系统，它综合过程限制、生产管理和经营决策，把分散的限制系统和集中的管理系统有机的集成起来，构成计算机信息集成系统。TPS信息集成系统是一个集成软件，将TPS中的信息、管理和应用集于一体，为操作员、工程师、管理员供应快速便利的服务。TPS信息集成系统主要有以下三部分构成：过程历史数据库PHD、商业应用软件、桌面办公软件国产SUPCONJX-300X的通信系统体系结构如下图，主要由限制站、操作站和通信网络组成。通信网络分三层，第一层网络是信息管理网（用户可选），其次层网络是过程限制网，称为SCnetⅡ，第三层网络是限制站内部I/O限制总线，称为SBUS。2.6国产SUPCONJX-300X的通信系统JX-300X体系结构图JX-300XDCS系统通信网络结构示意图①信息管理网