第二章 集散控制系统的硬件构成

1第二章集散控制系统的硬件构成第一节集散控制系统的构成方式第二节DCS的结构特点第三节集散控制系统的硬件构成2工作站通信网络I/O卡控制器第一节集散控制系统的构成方式3(集散控制系统DCS）集中操作监控级45第一节集散控制系统的构成方式功能分层是集散控制系统的体系特征，反映了集散控制系统的“分散控制、集中管理”的特点。四个层次一、集散控制系统的各层功能6四个层次一、集散控制系统的各层功能71、现场级的功能采集过程数据，对数据进行数据转换；输出过程操作命令；进行直接数字控制；完成与过程装置控制级的数据通信；对现场控制级的设备进行检测和诊断。现场级实现控制的前提：微处理器进入现场变送器、传感器和执行器；现场总线的应用。部分或完全完成过程控制级的功能。8四个层次一、集散控制系统的各层功能92、过程控制级的功能结构：过程控制设备(下位机)+I/O卡件功能：进行数据转换和处理；数据的监视和存储；实施连续、批量或顺序控制的运算和输出控制作用；数据和设备的自诊断；数据通信。10四个层次一、集散控制系统的各层功能113、监控级的功能中央控制室：操作站、工程师站(上位机)、打印机、计算站功能：数据显示与记录；过程操作（含组态操作、维护操作）；数据存储和压缩归档；报警、事件的诊断和处理；系统组态、维护和优化处理；数据通信；报表打印和画面硬拷贝。12四个层次一、集散控制系统的各层功能134、全厂优化和调度管理级的功能从系统的观点：原料销售；优化协调功能：优化控制；协调和调度各车间生产计划和各部门的联系；主要数据的显示、存储和打印；数据通信。14二、集散系统的基本结构（1）分散过程控制装置（2）操作管理装置（3）通信系统基本结构：“三大块”第一节集散控制系统的构成方式15二、集散系统的基本结构（1）分散过程控制装置-下位机是集散控制系统与生产过程间的界面，即过程界面。过程变量→分散过程控制装置→操作监视的数据操作信息→分散过程控制装置→执行机构。数/模、模/数转换、控制算法、软件滤波等16（2）操作管理装置-上位机是集散控制系统与操作人员、管理人员间的界面，即人机界面。监视和操作。（3）通信系统是分散过程控制装置与操作管理装置之间数据传递和交换的桥梁。171、分散过程控制装置部分适应恶劣的工业生产环境；分散控制，监视和控制分离；实时性；独立性和可靠性要求高。“三大块”的特征182、集中操作和管理系统部分信息量大；易操作性；容错性好；“三大块”的特征3、通信系统部分开放性：上层与其他厂商产品间互操作性：下层与其他厂商变送器、执行器间传输速率误码率19第二节DCS的结构特点一、集散控制系统的结构特征1、递阶控制结构2、分散控制结构3、冗余控制结构201、递阶控制结构（1）多层结构（按控制功能和规律）直接控制层：一般的简单控制优化控制或监视层：对象数学模型和参数已知，确定直接控制层的控制器的设定值学习层或自适应层：对实际系统的观测来辨识优化层中所使用的数学模型结构和参数，使模型和实际过程一致自组织层：按系统总控制目标选择下层所用的模型结构、控制策略等211、递阶控制结构（2）多级结构为了减少同一级的各子系统之间信息的交换和决策的冲突，在分散的各决策子系统添加一级协调级。221、递阶控制结构（3）多重结构第一重：按一定物理规律变化的物理现象；第二重：受控系统（从信息处理和控制角度）；第三重：经济实体，评价其效益和利润（经济学角度）比较：多重结构：主要从建模考虑；多级结构：子系统关联、横向分解、纵向分级；多层结构：复杂控制规律231、递阶控制结构（4）递阶控制结构的特点系统结构灵活，容易改变，系统的容量可以扩大或缩小；控制功能增强，除了直接控制外，还有优化控制、自学习、自适应和自组织等功能；降低了信息存储量、计算量，减少了计算时间；可以设置备用自系统，降低成本，提高可靠性；各级的智能化将进一步提高系统的性能。242、分散控制结构分散控制结构的类型：垂直型（阶层型）：监视、调整水平型：自我管理二者混合型25垂直型(层次分散)与水平型(水平分散)示意图26DCS的分散控制结构体现在：（1）组织人事的分散；（2）地域的分散；（3）功能的分散；（4）负荷的分散。273、冗余控制结构为了提高系统的可靠性，集散控制系统重要设备、对全局系统有影响的公共设备上常采用冗余结构。经常采用的冗余方式有：同步运转方式；待机运转方式；后退运转方式；多级操作方式。28（1）同步运转方式让两台或两台以上的装置以相同的方式同步运转，输入相同的信号，进行相同的处理，然后对输出进行比较，如果输出保持一致则系统是正常运行的。双重冗余、“三中取二”（连锁）应用于可靠性要求极高的场合29（2）待机运转方式采用N台同类设备，采用一台后备设备，平时后备设备处于准备状态，一旦N台设备中某一台设备发生故障，能启动后备设备使其运转。1：1备用系统、N：1备用系统热后备系统，指挥装置30（3）后退运转方式正常时，N台设备各自分担各自功能进行运转，当其中一台设备损坏时，其余设备放弃部分不重要的功能，以此来完成损害设备的功能。典型：CRT和操作站（第一台监视、第二台操作、第三台报警）31（4）多级操作方式纵向冗余的方法。正常操作是从上一层进行的，如该层故障则由下一层完成，这样逐步向下形成对最终元件执行器的控制。例如：功能模块设有手动、自动切换开关32一、按三大块分析：分散控制装置+通信系统+集中操作和管理装置（1）工业级微机IPC+通信系统+操作管理机PC（2）单回路控制器+通信系统+工业级微机（3）PLC+通信系统+工业级微机（4）工业级微机+通信系统+工业级微机（5）智能前端+通信系统+工业级微机第三节集散控制系统的硬件构成33（1）工业级微机+通信系统+操作管理机工业级微机用作多功能、多回路的分散控制装置；操作管理机使用PC机，相应软件由软件厂商开发。（2）单回路控制器+通信系统+工业级微机单回路控制器作为分散控制装置；工业级微机作为操作管理站，通用性强、自行开发软件。适用于中小型企业（集散控制系统）。34（3）PLC+通信系统+工业级微机PLC作为分散控制装置；其他同2。在制造业广泛应用的集散控制系统的结构，尤其适用于有大量逻辑顺序控制的过程。（4）工业级微机+通信系统+工业级微机工业级微机既作分散控制装置，也作操作和管理装置。（5）智能前端+通信系统+工业级微机智能前端指用于生产现场的智能控制设备，作为分散控制装置；用于小型集散控制系统。35中央操作台网间连接器生产管理级LAN局域网监控级管理计算机工程师操作站操作员站监控计算机网间连接器高速数据公路过程控制级DDC直接数字控制站数据采集站多功能控制站可编程逻辑控制站单回路调节控制站生产过程现场级二、按四层分析：36系统硬件控制站（CONTROLSTATION,简称CS，或AS）由主控制卡、通信卡件、I/O卡件、供电单元组成通过不同的硬件配置和软件设置可构成不同功能的控制站过程控制站PCS逻辑控制站LCS数据采集站DAS核心部件是主控制卡，它能进行多种过程控制运算和数字逻辑运算，并能通过下一级通信总线（SBUS)获得各种I/O卡件的信息。过程控制级（ProcessControlUnit）37I/O单元机笼I/O单元机笼系统硬件38机柜结构外壳采用金属材料以提供电磁屏蔽。机柜内部装有多层机架，安装电源及多种模件为保证散热降温，柜内装有风扇。柜内大多设有温度自动控制装置39机柜示例：浙大中控JX-300系统控制站插件箱I/O插件箱柜顶风扇接线端子40交流电源：交流电源经过集散系统的电盘的断路器给系统供电，保证现场控制站供电系统高效、稳定、无干扰。每一现场控制站场均用双相交流电源供电，两相互为冗余。如果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。这样能很好的隔离共模干扰。对控制连续性要求特别高的场合，应装设不间断供电电源UPS。41柜内直流稳压电源：统一的主电源单元将交流电整流成直流电（一般为24V）供给柜内直流母线。各层机架内设有子电源单元，将母线上送来的单一直流电压转变成机架所需的各种电压（+5V、±12V、±15V等）。主控电源采用1：1冗余配置。子电源单元采用1：1或N：1冗余配置42I/O通道在过程控制计算机中，种类最多，数量最大的是各种I/O接口模件(卡件)。来自过程对象的被测信号通过输入卡件，进入现场控制站，然后按一定的算法进行数据处理，并通过输出卡件向执行设备送出控制或报警等信息。现场控制站数据处理输入卡件信号输出卡件执行设备43卡件实例图44AI通道AO通道SI通道SO通道I/O通道45模拟量输入通道(AI)一般由端子板、信号调节器、A/D插板、及柜内连接电缆组成。端子板：用于连接现场信号电缆，对每一路信号线路提供正负极两个接线端子及屏蔽层的接地端子。柜内电缆：端子板、信号调节器与A/D板之间的信号连接。信号调节器：将各种范围的模拟量输入信号统一转换成0—5V或0—10V的电压信号送入A/D板。采用差动放大器，并且每一路都串接了滤波器。A/D插板：信号调节器输入的多路模拟信号，按CPU的指令逐一转变为数字量送给CPU。DCS多用12位A/D转换器。时间在100微秒左右。每块A/D插板输入8—64路模拟信号46模拟量输出通道（AO）输出4—20mA或0—10mA的直流电流信号。组成：D/A插板输出端子板柜内电缆D/A插板每板可提供4—8路模拟输出，精度有8位、12位几种。输出负载能力一般要求小于500欧。47SI通道开关量输入通道。用来输入各种限位开关、继电器或电磁阀门连动触点的开、关状态；输入信号可能是交流电压信号，直流电压信号或干接点。SO通道开关量输出通道，用于控制电磁阀门、继电器、指示灯、声报警器等只具有开、关两种状态的设备，它是由端子板、SO板及机柜内电缆构成。开关量输入/输出通道（SI/SO）48中央操作台网间连接器生产管理级LAN局域网监控级管理计算机工程师操作站操作员站监控计算机网间连接器高速数据公路过程控制级DDC直接数字控制站数据采集站多功能控制站可编程逻辑控制站单回路调节控制站生产过程现场级49监控级控制系统工程师、操作员与DCS的界面—人机界面。HMI—HumanMachineInterface；OI—OperatorInterface操作人员了解生产过程的运行指令给生产过程发出操作指令操作管理装置功能：以操作、监视为主要任务、兼有部分管理功能，可对系统进行组织、监视和操作，对生产过程控制管理、故障诊断等。显示各种参数50特征信息量大易操作性容错性好构成装置监控计算机工程师操作站ES操作员操作站OS(配有技术手段齐备、功能强的计算机、CRT显示器、操作键盘、及较大存储量的软、硬盘)监控级51操作员站（OPERATERSTATION,简称OS）以工业PC机为基础的人及接口设备，实现工艺过程监视、操作、记录等功能。可以一机配多CRT，并配有薄膜键盘、触摸屏幕等输入方式。具有丰富、使用、友好的实时监控界面。具有分组显示、趋势图、动态流程、报警管理、报表及记录、存档等监控功能。52工程师站（ENGINEERINGSTATION简称ES)用于控制应用软件组态、系统监视、系统维护的工程设备组态软件53硬件：高性能的工业控制机当今的DCS工程师站、操作员站的功能强，速度快，记录数据大，所以对操作员站内的处理机系统提出了更高的要求。54操作员键盘和工程师键盘（1）操作员键盘通常采用防水、防尘能力，有明确图案（或名称）标志的薄膜键盘。操作键根据其功能可以分为：系统功能键、控制调节键、翻页控制键、光标控制键、报警控制键、字母数字键、可编程功能键、用户自定义键。（2）工程师键盘：在组态和编制程序时使用。PC机通