集散控制系统构成

唐进北京邮电大学自动化学院[e-mail]集散控制系统构成北京邮电大学自动化学院集散控制系统讲稿现场控制级过程控制级过程管理级经营管理级2.1集散控系统的构成方式2.1.1集散控制系统的各层功能☞按照功能，集散控制系统设备分为四级☞与四级设备对应的四层网络现场网络（FieldNetwork，Fnet）控制网络（ControlNetwork，Cnet）监控网络（SupervisionNetwork，Snet）管理网络（ManagementNetwork，Mnet）北京邮电大学自动化学院集散控制系统讲稿集散控制系统的体系结构现场网络控制网络监控网络管理网络北京邮电大学自动化学院集散控制系统讲稿➢典型的现场控制级设备各类传感器各类变送器各类执行器➢现场控制级设备的主要任务完成过程数据采集与处理。直接输出操作命令、直接进行数字控制、实现分散控制。完成与上级设备的数据通信，实现网络数据库共享。对现场控制级设备进行监测和诊断。1.现场控制级北京邮电大学自动化学院集散控制系统讲稿➢过程控制级主要设备：过程控制站数据采集站现场总线服务器①过程控制站产生控制作用。可以实现反馈控制、逻辑控制、顺序控制和批量控制等功能。2.过程控制级北京邮电大学自动化学院集散控制系统讲稿②数据采集站接收大量的非控制过程信息；不直接完成控制功能。③现场总线服务器一台安装了现场总线接口卡与DCS监控网络接口卡的计算机。➢过程控制级设备的主要功能采集过程数据，进行数据转换与处理；对生产过程进行监测和控制；现场设备及I/O卡件的自诊断；与过程管理级进行数据通信。北京邮电大学自动化学院集散控制系统讲稿➢过程管理级的主要设备：操作站工程师站监控计算机①操作站操作人员与DCS相互交换信息的人机接口设备；DCS的核心显示、监视、操作和管理装置。②工程师站对DCS进行配置、组态、调试、维护。③监控计算机实现对生产过程的监督控制；机组运行优化和性能计算，先进控制策略的实现等。3.过程管理级北京邮电大学自动化学院集散控制系统讲稿➢过程管理级设备的主要功能对生产过程进行监测和控制；对DCS进行配置、组态、调试、维护；对各种设计文件进行归类和管理。实现对生产过程的监督控制，故障检测和数据存档。数据通信。北京邮电大学自动化学院集散控制系统讲稿➢经营管理级的设备可能是厂级管理计算机，也可能是若干个生产装置的管理计算机。厂级管理系统的主要功能是监视企业各部门的运行情况。➢管理计算机的要求是具有能够对控制系统做出高速反应的实时操作系统。4.经营管理级北京邮电大学自动化学院集散控制系统讲稿➢经营管理级设备的主要功能监视企业各部门的运行情况；实时监控承担全厂性能监视、运行优化、全厂负荷分配和日常运行管理等任务；日常管理承担全厂的管理决策、计划管理、行政管理等任务。数据通信。北京邮电大学自动化学院集散控制系统讲稿2.1.2集散控制系统的基本构成分散过程控制装置、集中操作和管理系统、通信系统北京邮电大学自动化学院集散控制系统讲稿☞分散过程控制装置是DCS与生产过程联系的接口，按其功能又可分为现场控制站（简称控制站）和数据采集站等。机柜电源控制计算机其他部件北京邮电大学自动化学院集散控制系统讲稿现场控制站机柜中央控制室机柜间机柜间机柜组有了现场控制站，生产过程控制的安全性和可靠性都很容易得到保证机柜北京邮电大学自动化学院集散控制系统讲稿现场控制单元多层I/O卡件箱电源单元通信接口接线端子板机柜正面（前面）机柜背面（后面）现场控制站机柜北京邮电大学自动化学院集散控制系统讲稿➢电源系统的可靠性措施每一个现场控制站均采用双电源供电，互为冗余。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，以克服共模干扰的影响。采用交流电子调压器，快速稳定供电电压。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±12V)、以及+24V。电源北京邮电大学自动化学院集散控制系统讲稿给主机供电与给现场设备供电的电源要在电气上隔离，以减少相互间的干扰。采用冗余的双电源方式给各功能模块供电。一般由统一的主电源单元将交流电变为24V直流电供给柜内的直流母线，然后通过DC-DC转换方式将24V直流电源变换为子电源所需的电压。主电源一般采用1:1冗余配置，而子电源一般采用N:1冗余配置。➢增加直流电源系统的稳定性措施北京邮电大学自动化学院集散控制系统讲稿控制器电源单元I/O卡件现场总线接口卡件导轨控制计算机控制计算机北京邮电大学自动化学院集散控制系统讲稿➢控制计算机一般是由CPU、存储器、输入/输出通道等基本部分组成。(1)CPU用以实现算术运算和逻辑运算。可以执行复杂的先进控制算法，如自动整定、预测控制、模糊控制和自适应控制等。北京邮电大学自动化学院集散控制系统讲稿(2)存储器控制计算机的存储器分为RAM和ROM。在控制计算机中ROM占有较大的比例。由于控制计算机在正常工作时运行的是一套固定的程序，DCS中大都采用了程序固化的办法。在冗余控制计算机系统中，还特别设有双端口随机存储器RAM，其中存放有过程输入输出数据、设定值和PID参数等。北京邮电大学自动化学院集散控制系统讲稿(3)总线总线是将现场控制站内部各单元连接起来的通信介质。(4)输入/输出通道模拟量输入/输出(AI/AO)开关量输入/输出(SI/SO)数字量输入/输出(DI/DO)脉冲量输入通道(PI)北京邮电大学自动化学院集散控制系统讲稿①模拟量输入输出通道(AI/AO)模拟量输入通道(AI)模拟量输入通道(AI)将来自在线检测仪表和变送器的连续性模拟电信号转换成数字信号，送给CPU进行处理。模拟量输出通道(AO)模拟量输出通道(AO)一般将计算机输出的数字信号转换为4-20mADC(或1-5VDC)的连续直流信号，用于控制各种执行机构。北京邮电大学自动化学院集散控制系统讲稿②开关量输入/输出通道(SI/SO)开关量输入通道(SI)主要用来采集各种限位开关、继电器或电磁阀连动触点的开、关状态，并输入至计算机。开关量输出通道(SO)主要用于控制电磁阀、继电器、指示灯、声光报警器等只具有开、关两种状态的设备。③脉冲输入通道(PI)脉冲输入通道(PI)将现场仪表（如涡轮流量计等）输出的为脉冲信号处理后送入计算机。北京邮电大学自动化学院集散控制系统讲稿2.2集散控系统的构成要素2.2.1集散控制系统的结构特征递阶控制结构：多层结构；多级结构；多重结构；分散控制结构：类型；分散控制结构；冗余化结构：同步运转方式；待机运转方式；后退运转方式；多级操作方式北京邮电大学自动化学院集散控制系统讲稿1.递阶控制结构递阶控制（hierarchicalcontrol）结构分多层结构、多级结构和多重结构三类。1）多层结构（multilayerstructure）多层结构按系统中决策的复杂性分级。对一个存在不确定性因素的复杂控制系统，控制功能的递阶分层可由下列四层组成。北京邮电大学自动化学院集散控制系统讲稿多层结构直接控制层优化控制或监视层学习层或自适应层自组织层集散控制系统组成示意图集散控制系统组成示意图按功能划分多层结构按功能划分多层结构北京邮电大学自动化学院集散控制系统讲稿2）多级结构（multilevelstructure）为减少同一级的各子系统之间的信息的交换和决策的冲突，在分散的各决策子系统上添加一级协调级，用于下级决策的协调和信息的交换，处于上层的协调器控制着下层的若干决策器，每个决策器有各自的控制决策和控制目标。协调器通过对下层决策的干预来保证决策器能满足整个上层决策目标的要求。北京邮电大学自动化学院集散控制系统讲稿3）多重结构（stratifiedstructure）多重结构是指用一组模型从不同角度对系统进行描述的多级结构。层次的选择，即观察的角度受观察者的知识和观察者对系统兴趣的约束。4）递阶控制结构的特点①系统结构灵活，容量可伸缩；②控制功能强；③降低了信息存储量、计算量，减少了计算时间；④可设置备用子系统，提高可靠性；⑤各级的智能化可进一步提高系统性能。北京邮电大学自动化学院集散控制系统讲稿2.分散控制结构分散控制结构的类型垂直型水平型复合型DSC中分散控制结构：组织人事的分散地域的分散功能的分散负荷的分散北京邮电大学自动化学院集散控制系统讲稿1.冗余方式3.冗余化结构（冗余技术)冗余技术多重化自动备用简易的手动备用后退运转同步运转待机运转北京邮电大学自动化学院集散控制系统讲稿同步运转双重化配置输入输出输入输出三重化配置北京邮电大学自动化学院集散控制系统讲稿➢同步运转方式让两台或两台以上的设备或部件同步运行，进行相同的处理，并将其输出进行核对。两台设备同步运行，只有当它们的输出一致时，才作为正确的输出，这种系统称为“双重化系统”(DualSystem)。三台设备同步运行，将三台设备的输出信号进行比较，取两个相等的输出作为正确的输出值，这就是设备的三重化设置，北京邮电大学自动化学院集散控制系统讲稿同时配备两台设备，使一台设备处于待机备用状态。当工作设备发生故障时，启动待机设备来保证系统正常运行。这种方式称为1:1的备用方式。对于N台同样设备，采用一台待机设备的备用方式就称为N:1备用。待机运行方式是DCS中主要采用的冗余技术。➢待机运转方式北京邮电大学自动化学院集散控制系统讲稿使用多台设备，在正常运行时，各自分担各种功能运行。当其中之一发生故障时，其他设备放弃其中一些不重要的功能，进行互相备用。➢后退运转方式北京邮电大学自动化学院集散控制系统讲稿采用手动操作方式实现对自动控制方式的备用。当自动方式发生故障时，通过切换成手动工作方式，来保持系统的控制功能。➢简易的手动备用方式北京邮电大学自动化学院集散控制系统讲稿通信网络的冗余：采用一备一用的配置。操作站的冗余：采用工作冗余的方式。现场控制站的冗余：有的采用1:1冗余，也有的采用N:1冗余。采用无中断自动切换方式。电源的冗余：除了220V交流供电外，还采用了镍镉电池、铅钙电池以及干电池等多级掉电保护措施。输入/输出模块的冗余：部分重要卡件采用1:1冗余。DCS软件还采用了信息冗余技术。2.冗余措施北京邮电大学自动化学院集散控制系统讲稿产品结构类型模件化控制站+与MAP兼容的宽带、载带局域网+信息综合管理系统分散过程控制装置+局域网+信息管理系统分散过程控制装置+高速数据公路+操作站+上位机可编程控制器（PLC）+通信系统+操作管理站单（多）回路控制器+通信系统+操作管理站2.2.2集散控制系统的结构分类北京邮电大学自动化学院集散控制系统讲稿实际应用的结构类型工业微机+通信系统+操作管理机单回路控制器+通信系统+工业微机PLC+通信系统+工业微机工业微机+通信系统+工业微机智能前端+通信系统+工业微机北京邮电大学自动化学院集散控制系统讲稿☞数据通信计算机或其他数字装置与通信介质相结合，实现对数据信息的传输、转换、存储和处理的通信技术。在DCS中，各单元之间的数据信息传输就是通过数据通信系统完成的。☞通信用特定的方法，通过某种介质将信息从一处传输到另一处的过程。2.3现场总线控制系统的构成2.3.1数据通信原理北京邮电大学自动化学院集散控制系统讲稿☞通信系统组成信号发送装置接收装置信道通信协议通信系统模型1.数据通信系统的组成北京邮电大学自动化学院集散控制系统讲稿(1)信号(报文)需要传送的数据，由文本、数字、图片或声音等及其组合组成。(2)发送装置具有作为二进制数据源的能力，任何能够产生和处理数据的设备。(3)接收装置能够接收模拟或数字形式数据的任何功能的设备。北京邮电大学自动化学院集散控制系统讲稿(4)信道☞信道发送装置与接收装置之间的信息传输通道。信道包括传输介质和有关的中间设备。☞常用的传输介质双绞线同轴电缆光缆无线电波微波北京邮电大学自动化学院集散控制系统讲稿(5)通信协议通信协议是控制数据通信的一组规则、约定与标准。通信协议定义了通信的内容、格式，通信如何进行、何时进行等。➢发送装置把要发送的信息送上信道，再经过信道将信息