DCS及现场总线技术_第2章

DCS及现场总线技术第２章DCS硬件体系及系统第2章DCS硬件体系及系统本章介绍主要内容：2.1DCS的体系结构及功能2.2DCS的构成及联系2.3DCS的硬件系统2.4DCS典型产品结构实例2.1DCS的体系结构及功能2.1.1DCS的体系结构DCS系统通常分四层结构（分别对应四层计算机网络）：现场级、对应现场网络（FieldNetwork）过程控制级、对应控制网络（ControlNetwork）操作监控级、对应监控网络（SupervisionNetwork）信息管理级、对应管理网络（ManagementNetwork）DCS的典型体系结构DCS系统四级（层）内容介绍：1．现场级（层）此层有现场各类测控装置（设备），如各类传感器、变送器、执行器等。它们能够完成对生产装置（过程）的信号转换、检测和控制量的输出等。现场控制站（过程控制计算机）通过现场网络直接与这级（层）设备连接。2．控制级（层）此层有现场控制站（包括各种控制器、智能调节器）和现场数据采集站等。它们通过控制网直接与现场各类装置(如变送器、执行机构)相连，完成对所连接的各类装置实施监测和控制。同时，它们还能与上面的监控层计算机相连，接收上层的管理信息，并向上传递现场装置的特性数据和采集到的实时数据。3．监控级（层）此层有操作员工作站、工程师工作站和计算站等。它们能对现场设备进行检测和故障诊断，能综合各个过程控制站的所有信息，对全系统进行集中监视和操作；能进行组态、参数修改和优化过程处理等工作。并能根据状态信息判断计算机系统硬件和软件的性能（状态），异常时实施报警、给出诊断报告等措施。4．管理级（层）此层有生产管理和经营管理计算机。实现全厂设备性能监视、运行优化、负荷分配和日常运行管理等功能。主要承担全厂的管理决策、计划管理、行政管理等任务，即为厂长和各管理部门服务。2.1.2DCS的分散方式1.DCS的分散方式1）功能分散按装置或设备的功能考虑，并以全局控制和个别控制之间的分散来划分的。2）物理分散由许多不同的物理实体分散地实现有层次分散型和水平分散型两种分散形式。3）地域分散指安装布置方式，有如下两种形式：①地域集中式②地域分散式4）负荷分散通过负荷分散，使一个控制处理装置发生故障时的危险影响减到尽可能小的地步。2.DCS的冗余化常用的冗余方式如下：1）同步运转方式2）待机运转方式3）后退运转方式4）多级操作方式2.1.3DCS的各级（层）功能1．现场级（层）的功能1）各类传感器和变送器的功能2）执行器的功能3）现场级（层）的信息传输方式（1）传统的4～20mA模拟量传输方式；（2）现场总线的全数字量传输方式；（3）在4～20mA模拟量信号上，叠加调制后的数字量信号的混合传输方式。2．控制级（层）的功能1）过程控制站的功能能对现场设备（如传感器、变送器等）传来的信息，按照一定的控制策略进行分析、处理并计算出所需的控制量，通过输出通道将控制量信息传递给现场的执行器，完成系统的控制任务。2）数据采集站的功能数据采集站能完成过程数据采集、设备监测、系统测试和故障诊断。3．监控级（层）的功能1)操作员工作站的主要功能是用于监视和控制整个生产过程（装置）。2)工程师工作站的主要功能是为控制工程师对DCS控制系统进行配置、组态、调试和维护提供的一个工作平台，实现系统优化和先进控制策略的实施，以及对各种设计文件进行归类和管理，形成相应的设计文档等。3)计算站主要是由超级微型机或小型机组成。它的主要功能是对生产过程进行监督控制。4．管理级（层）的功能此层是DCS的最高级（层）管理者通过其上位机（管理计算机）可以进行生产管理和经营管理。1）生产管理级（层）生产管理级（层）是工厂企业生产管理者使用的．主要功能是监测企业各部门以及生产装置的运行情况，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，根据用户的订货情况、库存情况、能源情况来规划各生产部门中的产品结构和规模，帮助企业实现其规划目标。此外，在这一级（层）能实现对全厂生产管理和产品的监视报告，并与上级（层）交互传递数据信息。2）经营管理级（层）经营管理级（层）是工厂经营者使用的。它管理的范围很广，包括工程技术方面、经济方面、商业事务方面、人事活动方面以及其他方面的功能。把这些功能都集成到软件系统中，通过综合的产品计划，根据各种变化条件，结合多种多样的材料和能量调配，以达到最优地解决策略和方法。在这一层中，通过网络与公司的经理部、市场部、计划部以及人事部等办公室进行连接，来实现整个企业系统的最优化。2.2DCS的构成及联系2.2.1DCS的基本构成一个基本的DCS一般是由现场控制站（或过程控制单元）、现场数据采集站（或过程接口单元）、操作员工作站、工程师工作站、各种功能站（如记录数据站、高级控制站、管理计算站等）和高速数据通道（或系统通信网络）等几个主要部分组成，如下页图所示。1.现场控制站现场控制站可控制多个回路，具有极强的运算和控制功能，能够自主地完成回路控制任务，实现反馈控制、逻辑控制、顺序控制和批量控制等功能。现场控制站（SceneControlStation，SCS），又叫过程控制单元（ProcessControlUnit，PCU），是DCS的核心，系统主要的控制功能是由它来完成的。现场控制站通过现场仪表直接与生产过程相连接，采集过程变量信息，并进行转换和运算等处理，产生控制信号以驱动现场的执行机构，实现对生产过程的控制。现场控制站机柜2.数据采集站数据采集站通过现场仪表直接与生产过程相连接，对过程非控制变量进行数据采集和预处理，并对实时数据进一步加工。为操作站提供数据，实现对过程的监视和信息存储；为控制回路的运算提供辅助数据和信息。数据采集站（DataAcquisitionStand，DAS）又叫过程接口单元（ProcessInterfaceUnit，PIU）。目前，大多DCS的数据采集站已由现场控制站替代。3.操作员工作站☞操作站提供了良好的人机交互界面，用以实现集中监视、操作和信息管理等功能。在有的小DCS中，操作站兼有工程师站的功能，在操作站上也可以进行系统组态和维护的部分或全部工作。操作员工作站（OperatorWorkingStation，OWS）是操作运行人员与控制系统交换信息的人机接口。一般是由一台具有较强图形处理功能的微型计算机，以及相应的外部设备组成。它配有CRT或LED（LightEmittingDiode）显示器、大屏幕显示装置、打印机、拷贝机、键盘、鼠标等。4.工程师站☞工程师能够借助于组态软件对系统进行离线组态，并在DCS在线运行时，可以实时地监视通信网络上各工作站的运行情况。工程师工作站（EngineeringWorkStation，EWS）是由PC机配置一定数量的外部设备所组成，如CRT（或LED）显示器、键盘、鼠标、打印机和绘图机等。专业技术人员通过键盘可以进行各种组态（系统组态、硬件组态和软件组态），对各种设计文件进行归类和管理，和在线的系统监督、控制与维护。5．高速通信总线高速通信总线(DataHighBus，DHB)，又叫数据高速通道(DataHighWay，DHW)。它是一种具有高速通信能力的信息总线，一般由双绞线、同轴电缆或光导纤维构成。它将现场控制站、操作员工作站和管理计算机等连成一个完整的系统，以一定的通信速率在各单元之间传输信息。6．管理计算机管理计算机(ManagerComputer，MC)，习惯上称它为上位机。管理计算机是DCS的主机。具有进行大型复杂运算的能力以及多输入、多输出控制功能，根据数学模型和优化控制指标进行后台计算、优化控制，以实现系统的最优控制和全厂的优化管理。通过网络收集系统中各单元的数据信息，综合监视全系统的各单元，管理全系统的所有信息。☞综上所述，操作站、工程师站和管理计算机构成了DCS的人机接口，用以完成集中监视、操作、组态和信息综合管理等任务。现场控制站和数据采集站构成DCS的过程接口，用以完成数据采集与处理和分散控制任务。通信总线是连接DCS各部分的纽带，是实现集中管理、分散控制目标的关键。2.2.2DCS的通信联系1．系统通信网络高速通信总线是DCS中的另一个重要组成部分，又叫数据高速通道（或系统通信网络），它是连接系统各个站的桥梁。也就是说，DCS中的现场控制站（或过程控制单元）、现场数据采集站（或过程接口单元）、操作员工作站、工程师工作站、各种功能站（如记录数据站、高级控制站、管理计算站等）等几个主要部分都是由数据高速通道连接起来的。2．管理信息网随着DCS技术的发展，DCS已从初期的单纯的低层控制功能发展到了更高层次的数据采集、监督控制、生产管理等全厂范围的控制和管理系统。因此，DCS更应该被看成是一个计算机管理控制系统，其中，包含了全厂自动化控制和管理的丰富内涵。具有管理信息网的DCS系统结构图2.2.3DCS常用结构类型分散过程控制站十高速数据公路＋操作站十上位机。这是早期DCS的结构。分散过程控制装置＋局域网十信息管理系统。采用局域网技术，通信性能提高，联网能力增强，这是第二代DCS的典型结构。模件化控制站＋宽带、载带局域网十信息综合管理系统。这是多数DCS的结构。单（多）回路控制器＋通信系统＋操作管理站。这是一种适用于小型企业的DCS结构，具有较大的灵活性和较高性价比。可编程控制器（PLC）＋通信系统＋操作管理站。这是一种在制造业广泛采用的DCS结构，尤其对生产过程顺序控制系统特别有效。2.3DCS的硬件系统本节从过程控制站、人机接口设备、系统通信设备等三个方面，对DCS的硬件系统和组成作一个扼要阐述。冗余：通俗来讲，冗余就是热备用，可以理解既多余又不多余。当两件卡件设置成冗余工作时，其中一个卡件处于工作状态，而另一个卡佳处于备用状态，一旦工作卡件故障，备用卡马上会切换到工作，承担起原来工作卡的任务，从而保证系统持续正常工作。一般来说，卡件冗余必须通过跳线设置并满足地址冗余的要求。地址冗余是指：互为冗余的卡件必须放置在地址为I，I+1的槽位，I为偶数。硬件基础2.3.1过程控制站DCS的控制级位于系统的最底层。它接收来自现场的各种检测仪表送来的过程信号，对其进行实时的数据采集、噪音滤除、补偿运算、非线性校正、标度变换等处理，并可按要求进行累积量的计算、上下限报警以及测量值和报警值向通信网络的传输。用以实现各种现场物理信号的输入和处理，实现各种实时控制信号的运算和输出等功能。过程控制站中的过程控制装置，即所谓的“现场控制单元”。它们是由机柜、机笼、供电电源、功能模件（主控卡）、数据转发模（卡）件、端子板和各类I/O模（卡）件等部分组成。1．机柜、机笼和模件1）机柜现场控制单元的机柜一般是用金属材料制成的立式柜。柜内装有多层机架，供安装电源和各种模件之用，电源通常放在最上层或最下层，柜内的其它层可用来横向排列所配置的各种模件。随系统而异，柜内纵向一般分6～8层，横向可插4～20个模件。现场控制单元的标准机柜式结构。控制站机柜机柜背面（后面）通信接口接线端子板电源单元机柜正面（前面）现场控制单元多层I/O卡件箱2）机笼机笼采用金属框架和母板组成，被安装在机柜内，最多安装1个电源机笼和6个模件机笼。模件机笼用于安装功能模件（主控卡）、数据转发模（卡）件、端子板和各类I/O模（卡）件等，均可采用冗余结构配置，构成双冗余主控结构和冗余I/O结构。3）模件模件是现场控制单元中安装的电子组件。如功能模件（主控卡）、数据转发模（卡）件、各种I/O模（卡）件等。所有的模（卡）件，都是按智能化要求设计的。卡件实例图2.功能模件（主控卡）功能模件（主控卡）是现场控制单元的核心模件，是I/O模件的上一级智能化模件。结构如下图所示．微处理器CPUROMDMA、I/O控制I/O接口I/O总线通信接口系统时钟LED、开关数据缓冲器模件