分散控制系统

-.z.分散控制系统概述摘要：分散控制系统的开展,根本构造,特点;分散控制系统的过程控制站功能,硬件组成及各局部的作用;运行操作站的功能,硬件组成及各局部的作用;工程师站的功能及设备组成;数据通信网络的组成,工作原理,在分散控制系统中的作用。关键词：分散控制系统、构成原理、过程控制站、运行操作员、和工程师站引言：分散控制系统由多个(对)以微处理器为核心的过程控制采集站，分别分散地对各局部工艺流程进展数据采集和控制，并通过数据通信系统与中央控制室各监控操作站联网，对生产过程进展集中监视和操作的控制系统。正文：一分散控制系统的开展与构成在生产控制领域，常规模拟仪表控制系统经历了基地式，单元组合式，组件组装式等几个开展阶段段。应当说仪表控制系统不同阶段的开展，一方面整个科学技术开展水平密切相关，比方采用电子管，晶体管，小规模集成电路，大规模集成电路，都局限于一定时期电子技术的开展水平；另一方面，生产过程的规模对控制水平的要求也处于不断和开展进步中。直至今天，也并不是任何一个简单的生产过程都需要采用分散控制系统，然而，以现代化大型发电机组为例，设备与生产过程十分复杂，需要采用复杂控制方案，常规模拟仪表由于受其功能的限制，就难以满足要求。一台300MW机组需要操作控制的工程达410-450点，需要监视的测点在1000点以上，如果采用常规模拟仪表，中央控制室表盘仪表多达数百台件，控制台长达十几米，操作和监视相当困难，稍有不慎就可能造成重大事故，因此，十分有必要采用新型的仪表控制系统。自从1975年世界上第一套集散控制系统诞生之后，工业控制自动化进入了一个崭新的时期。经过20多年的开展，其体系构造不断更新，功能日益完善，已经朝着计算机集成综合制造方向开展。总的来说，计算机过程控制系统的体系，构造的开展，经历了直接数字控制系统，集中型计算机控制系统，分层计算机控制系统和目前广泛采用的分散控制系统等几个阶段。分散控制系统(DOS)又名集散型控制系统,分布式控制系统.它是利用计算机技术对生产过程进展集中监视操作,管理和分散控制的一种新型控制技术,是计算机技术,信息处理技术,测量控制技术,通信网络技术和人机接口技术相互渗透开展而产生的一种新型先进事控制系统.分散控制系统由集中管理局部,分散控制监测局部和通信局部组成.集中管理局部又可分为操作员工工作站,工程师工作站和管理计算机.操作员工作站的任务是对生产过程进展监视和操作;工程师工作站的任务是组态(根据对象特性,生产过程的需要组成不同的控制状态和方式)和维护;管理计算机用于全系统的信息处理和优化控制.分散控制监测局部按功能可分为控制站,监测站;通信局部则完成数据,指令及各种信息的传递。计算机分散控制系统的特点有:(1)通用性很强,系统组态灵活。由于分散系统的硬件采用了积木式构造，软件实现了模块化，所以整个系统的配置具有很大的灵活性。选用各种功能的软件模块，根据需要进展组态，既可构成各种控制功能的系统。(2)由于采用了数字化通信技术，数据处理迅速，显示操作集中，人机联系方便。(3)控制系统分散化，提高了运行的平安可靠性。由于各控制回路是由各自的功能组件组成控制系统的，"危险分散〞了，同时也防止了中央计算机系统软件的复杂性。鉴于分散控制系统有以上这些特点,目前该系统在各国及至我国大型火力发电厂组上均被广泛采用,并已取得显著的经济效益.二分散型控制系统的构成原理从控制仪表角度看，分散控制系统是继组件装式仪表之后采用多种高新技术的新一代控制仪表系统。系统以微处理器为核心，由不同功能组件构成，包括数据采集、运算处理、控制输出等功能的连续控制和顺序控制系统。组装式功能块模件安装在一个个标准规格的机柜之中，直接与现场连接，构成控制系统。从信息系统角度看，分散控制系统是一个数据通信网络，具有不同功能的单元，例如过程控制单元、操作控制单元、数字逻辑站、计算机接口单元等，它们作为通信网络中的每个节点进展信息的传递与交换。从功能的实现来看，系统又可分为硬件系统和软件系统。硬件系统包括一系列以微处理器为核心的功能模件，管理级的计算机，过程通道接口器，传输线路，人机联系设备以及各种专用、通用的外部设备等；软件系统包括管理系统、数据库系统和一系列模块化功能软件。利用它们可以方便地进展系统设计，无需再编写应用软件程序。一般性分散控制系统的根本构成如图1所示。按各局部功能的不同，系统可分为过程控制级、控制管理级和数据通信系统。操作员站工程师站管理计算机通信接口通信接口通信接口通信总线通信接口通信接口通信接口……通信接口现场控制站现场控制站数据采集站…外部系统生产过程现场图1分散控制系统的根本构成过程控制级过程控制级各单元的作用是：对现场送来的生产过程信号进展数据采集、转换、校正、补偿和运算，从而对生产过程提供闭环控制、顺序控制等调节控制功能。在不同的分散控制系统中，过程控制单元的名称各异，如根本控制器、多功能控制器等。过程控制单元所采用的构造型式大致一样，都是将一些标准模件集中安装在控制机柜内。可以根据生产过程监视和控制的需要，将高度模块化的构造灵活地组成几十个或几百个过程控制单元。因此，一般的过程控制级就是指现场控制站和有关通信接口局部。现场控制站〔简称PCU〕是计算机分散控制系统的根底和重要组成局部，它是一个可独立运行的计算机监视控制系统。现场控制站的控制模件、组态模件、输入/输出模件、电源模件等均装在一个机柜内。现场控制站至少要有一个以CPU为核心的控制器模件,通过内部总线与其他过程接口模件、通信接口模件构成一个整体，其根本构造如图2所示。在现场控制站的存储器中固化有一个控制和运算功能的程序库，可进展PID运算，上下限幅及各种数字运算。使用者可根据需要建立自己的控制系统。例如，用户可选用一块具有CPU的多功能控制器主模件，一块存储器板〔EEPROM、RAM〕，一定数量的模拟量、数字量输入/模出模件，一块环路接口模件，一块总线接口模件，即可构成一定规模的现场控制站〔PCU〕。由许许多多现场控制站来实现对生产过程的分散控制。端子单元CPU组态调整生端子单元CPU组态调整产存储器输入通道过存储器输入通道程通信接口输出通道通信通信接口输出通道网络内部总线图2现场控制站根本构造〔二〕控制管理级过程控制级实现的是分散控制，控制管理级则是以实现集中显示、操作与管理的。所以，分散控制系统又曾名为集散型控制系统。控制管理级包括操作控制站、工程师站和通信设备。有些系统还设置了用于系统管理和计算的管理计算机，一般称上位机，与此相对应的过程控制级中使用的微处理机称为下位机。由通信网络把分散在现场的许多现场控制站、数据采集站与操作控制站、工程师站连接起来，对过程控制级的设备进展控制管理。打印机CRT键盘操作控制站也称操打印机CRT键盘作员站，它由一台功能硬磁盘较强的控制计算机、地硬磁盘接口板台大屏幕的CRT、操作接口板软磁盘员键盘、打印机、拷贝软磁盘机等设备组成，如图3所示，CTR显示器根本上可以取代大量的常规内部总线仪表的显示，在屏幕上显示工艺流程总貌、过通信板内存板CPU板通信板内存板CPU板史数据等。打印机完成总线生产过程记录报表、系统状态信息、生产统计图3操作员站的组成报表和报警信息等的打印。工程师站可进展数据库的生成、生产流程画面的产生，连续控制回路的组态和顺序控制的组态等。〔三〕数据通信系统在过程控制系统中，几乎无处不含信息的传输和处理。所谓通信，就是指用特定的方法，通过*种介质或传输线将信息从一处传送到另一处的过程。按照这一定义，在常规控制系统中也存在许多通信过程，如变送器通过信号电缆把反映过程变量的信息传输到调节器，调节器输出的控制信号通过控制电缆传输到执行机构，这些过程都包含信息的传输。在分散控制系统中，各个系统部件之间也必须传输大量的信息，这些信息的传输是通过数据通信系统完成的。在分散控制系统中，数据通信系统是把过程控制级和控制管理级连接在一起的桥梁，同时也是分散控制系统的中枢神经。数据通信的传输介质是一条同轴电缆或双绞线构成的高速通信线路，称数据高速公路〔DHW〕。所有通信网络上的节点，如现场控制单元PCU、操作接口单元控制台OIU或管理命令系统MCS，以及计算机接口单元CIU等都通过接口电路挂接到数据高速公路上。而通信系统有着不同的网络构造型式，必须选用适合网络构造的信息送取技术即介质访问技术。通信网络构造常用的通信网络有星形、环形和总线形三种构造。主站从站从站从站从站1〕星形网络构造星形网络构造主站从站从站从站从站如图4所示。星形网络属于中型网络。网络中各站有主、从之分，处于中心位置的为主站，与之相连的多个节点为从站。这种网络构造的任何两个站之间的通信都必须通过主站。主站集中来自各从站的信息，按照一定的通信方式把信息转发给相应的各站。主站的信息吞吐量大，数据处理与存储量要求也大，一般都由功能较强的硬、软件设备组成。各从站只需具备简单的点对点间的通信图4星形网络构造功能。星形网络的传输效率较高，但由于主站一旦出现问题，将会影响整个网络的通信，所以可靠性低，应用不广泛。站站站站2〕总线形网络构造总线形网络构造如图5所示。它用一条开环的通信电缆作为数据高速公路，各节点通过接口挂到总线站站站站上。网络易于扩展，不致相互影响。这种网络结构易于实现通信线路冗余，以提高平安性，安装费用较低，所以总线形网络构造应用广泛。通信总线3〕环形网络构造环形网络构造如图6。各站通过接口挂接到首尾相连的环形总路线上，网上各站平等行使通信控制权，信息在网上的传递总是从始发站出发，经各站后直接回到始发站。网上各个站都要承当信息和接收、放大、再传送的任务。当出现故障时能自动旁路信息，不图5总线形网络构造影响信息的传递，可靠性高，也易于设置冗余通信线路，但扩展性能不如总线形方便。工程师站操作控制站工程师站操作控制站PCUPCU环形网络PCUPCU环形网络PCUPCUPCUPCU图6环形网络构造通信网络除上述三种构造外，还有树形构造、网形构造以及以上三种根本构造为根底的复合型构造。对于*些大规模分散控制系统，在不同的控制级采用不同的通信网络，可发挥各自的优点。信息传输控制技术信息在网络上的传输过程是原站将信息送上网络，然后由目的站取走。为了使信息传输迅速、正确，这就需要采用相应的信息传输控制技术。常用的方法有查询式、播送式和存储转发式等协议方式。1)查询式查询式适用于具有主、从站的网络构造。处于网络中的主节点对网络行使控制作用，它依次查询各从站节点是否需要通信。需要发送信息的从站把信息送给主站，再由主站把信息发给需要信息的其他从站。通信在主站统一指挥下进展。2)播送式播送式信息传输是无主从控制的通信协议方式。每个站往外发送信息要占用传输线路，如果在同一时刻有多个站往外发送信息，就会发生抢占传输线路的冲突，所以要有一定的协议方式来协调这种冲突，使得在一个时间内只有一个站处于发送信息的状态，其他站均处于接收状态播送式信息传输可分为自由竞争式、通行标记式〔令牌传送式〕和时间分槽式等。自由竞争式为防止发生冲突，造成报文作废，发送站在报文前需要"监听〞总线是否空闲。如果空闲，则发报文到总线上，称为"先听后发〞。为防止冲突，还需要在发送报文开场的一段时间内继续"监听〞总线，把接收到的信息与自己发出的信息进展比拟。假设是一样的，则继续发送，称之为"边听边发〞。假设不一样，则停顿发送，称为"冲突后退〞，并发出一个冲突标志，等待随机时间后，再重新发送，称为"再试重发〞。自由竞争式一般适用于总线形网络和环形网络。通过标记式,即令牌传送式,适用于环形构造.这种通信方式有一个被称之"令牌〞的信息段绕环形网络各节点依次传送。令牌有"空〞、"忙〞两种状态。*站接到令牌后，如果为"空〞，则首先将令牌置为"忙〞，并置入所要发送的信息、原节点名、目的节点等信息量段，然后将其送上环形网络。令牌沿环形网络绕行一周再回到原节点时，所传信息已被目的节点站取走，再把令牌置"空〞，并送上环形网络继续传送，以便其他节点使用。时间分槽式是把规定的时间间隔分成假设干时间槽，在时间槽开场时该节点发送信息，允许的时间一完毕，就轮到下一个节点发送信息。西屋公司的WDPF分散控制系统就采用这种通信方式。3)存储转发式存储转发式是一种允许网上所有站都能同时发送和接收信息的方式。适用于环形网络构造。每个节点可以随时间向自己相信相邻的下一节点发出信息，包括原站、目的站地址在内。相邻的节点接收这些信息并存储起来，待自己的信息发送完毕，再对接到的信息进展识别。如果本站不是目的站，则对信息进展放大，继续发送到相邻的下一个节点，直至该信息到达目的站，目的站就在该信息段上加确认信息。如果检查信息出错，则加否认信息，继续向下一节点发送，直至回到原节点。假设原节点收到的是确认信息，则说明传输成功，去掉该信息段，可再发送下一信息。如果收到的是否认信息，则需要重新发送。由此可见，在任一时刻，网络中各站传输的信息是不同的，每个站都起到中继站的作用。信息传输介质分散控制系统中常用的传输介质有双绞线、同轴电缆和光缆。1〕双绞线用普通绝缘导线绞合，外有金属箔组成屏蔽层的专用屏蔽线。2〕同轴电缆它由内导线、中间绝缘层、外导体和外部绝缘层组成。信号是通过内导体和外导体传输的。外导体接地起屏蔽作用。有的外部加钢带以增加机械强度和抗干扰。3〕光缆它的内芯是二氧化硅拉制成的光导纤维，外面覆盖层为玻璃或聚丙烯材料。内芯和覆盖层的折射率不同，以一定角度进入内芯的光线能通过覆盖层折射回去。合成纤维用以增加光缆的机械强度。电磁干扰对光缆传输无影响。由于配套通信设备的限制和分支困难，光缆通信在分散系统中的应用不广泛。三过程控制站过程控制站是一个可独立运行的计算机监测与控制系统，由于它是专为过程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相比又有所不同，简述如下：机柜过程控制站的机柜内部装有多层机架，供安装电源及各种模件使用，其外壳均采用金属材料，活动局部之间保证有良好的电气连接，以便为内部的电子设备提供完善的电磁屏蔽；为保证柜内电子设备的散热降温，一般在机柜的上部装有风扇，以提供强制风冷气流，下部设有通信线路以连接端子单元。有时候也可以用专门的端子柜安装端子单元和端子模件。电源1〕高效、稳定、无干扰的交流供电系统是过程控制站正常工作的重要保证，而要做到这一点，就应采取一定的措施，如采用互相冗余的双相交流电源供电，采用超级隔离变压器，采用交流电子调压器，装设不连续供电电源UPS等，保证供应过程控制站的交流电源的稳定可靠。2〕柜内采用直流稳压电源，过程控制站内各功能模件所需直流电源一般有+5V、+15V〔或+12V〕-15V〔或-12V〕、+24V等。对主机供电的电源一般均要求与现场检测仪表或执行机构供电的电源在电气上互相隔离，以减少相互干扰。控制计算机控制计算机是过程控制站的核心部件，完成过程控制站的各种功能。它主要由CPU、存储器、输入/输出通道等根本局部组成。1〕CPU目前各厂家生产的分散控制系统的过程控制站已普遍采用高性能的32位微处理器，时钟频率已达25～33MHz。很多系统还配有浮点运算协处理器，数据处理能力大大提高工作周期可缩短到0.1～0.2S，并可执行更为复杂先进的控制算法，如自整定、预测控制、模糊控制等。2〕存储器一般可分为只读存储器ROM和随机存储器RAM两大局部。由于控制计算机在正常工作中运行的是一套固定程序，为了工作的平安可靠，大多采用了程序固定方法，不仅将系统启动、自检及根本的I/O驱动程序写入ROM中，而且将各种控制、检测功能模块，所有固定参数和系统通信，系统管理模块全部固化，因此在控制计算机的存储器中ROM占较大的比例，一般有数M字节。RAM为程序运行提供了存储实时数据与计算中间变量的空间，用户在线操作时需修改的参数也须存入RAM中。当前一些较先进的分散控制系统为用户提供了在线修改组态的功能，显然这一局部用户组态应用程序也必须存入RAM中运行。由于在过程控制站一般不设磁盘机，上述后两局部内容一般存入具有电池后备的NVRAM中，当系统一但掉电，可保持其中的数据、程序达数10天以上不致被破坏，这对事故的查询及快速恢复正常运行是很重要的。RAM的空间一般为数M至数十M字节。在一些采用冗余CPU的系统中,还特别设有一种双端口随机存储器,其中存放有过程输入、输出数据及设定值，PID参数等；两块CPU板可分别对其进展读写，从而实现了双CPU间运行数据的同步。当原在线主CPU出现故障时，原离线CPU可立即接替工作，而对生产过程不产生任何振动。3〕总线分散控制系统是在微处理器技术的根底上开展起来的，因此其过程控制计算机所使用的总线自然也就采用了最流行的几种微机总线，觉的有INTEL公司的多总线MULTIBUS、"EOROCARD〞标准的VME总线〔IEEE1014标准〕，这都是支持多主CPU的16位/32位总线。VME总线采用了针式插座，抗振动等性能更好，更适合于恶劣环境使用。由于现场控制站中的控制计算机最多要连接数百个过程量输入点与控制量输出点，其连接到数个机架。在这些扩展机架内一般只能插入十几块模板，因此必须将总线扩展，连接到数个机架。在这些扩展机架内，只插入I/O模板，所使用的总线信号比主机总线要少，因此有些厂家产品中的I/O扩展总线采用了非标准的简化形式，仅提供了I/O模件所必须的数据线、地址线和控制线，例如贝利控制公司的产品N-90GN与INFI-90过程控制单元内采用的就是一种非标准的扩展总线。4〕I/O通道在过程控制计算机中，种类最多、数量最大的就是各种I/O接口模件，从广义上讲，过程控制站计算机的I/O接口亦应包括它与高速数据公路的网络接口以及它与现场总线网〔fildbus〕的接口，高速数据公路连接着系统内各个操作站与过程控制站，是DCS的中枢，而现场总线则把过程控制站与各种智能化调节器、变送器等在线仪表经及可编程序控制器〔PLC〕连接在一起〔对这两局部各DCS生产厂家正致力于开放式标准化的设计工作〕。一般DCS中的过程量I/O通道有模拟量I/O通道，开关量I/O通道等。四运行操作员站和工程师站上面介绍了分布在现场附近的过程控制站，分布式计算机控制系统具有分散控制、集中管理的特点。下面介绍能够实现集中管理的操作员站及工程师站。通常，一个DCS系统可以配置几个操作员站，而且一般这些操作员站是相互冗余的。有些系统还配备一个工程师站〔Engineer,sConsole〕，用来生成目标系统的参数等。有时为了节省投资，很多系统的工程师站可以用一个操作员站来替代。操作员站一般有以下几个组成局部：处理机系统，显