集散控制系统

过程控制仪表及装置兰州石化职业技术学院第七章集散控制系统兰州石化职业技术学院第2页EXIT过程控制仪表及装置了解OPC技术在DCS系统中的应用特点;理解DCS的结构特点;掌握和利时公司MACS系统现场控制站和操作员站的硬件组成及其功能;掌握和利时公司MACS系统的常用控制算法模块;掌握DCS控制系统组态方法。第7章集散控制系统知识目标技能目标能使用DCS操作员站的键盘和轨迹球，实现装置的流程图、历史报表、日志、报警浏览;能使用操作员站的工程师区或工程师站完成控制回路组态、流程图生成、系统报警数据日志、报表生成、实时曲线、历史曲线生成等。兰州石化职业技术学院第3页EXIT过程控制仪表及装置7.4DCS的应用系统组态第7章集散控制系统7.1概述7.2DCS的硬件结构7.3DCS的软件系统过程控制仪表及装置兰州石化职业技术学院第7章集散控制系统随着计算机技术、控制技术和通讯技术的发展，出现了一种新型控制装置即集散控制系统。从集散控制系统层次化的结构来看，其最基本的功能就是传统控制仪表的功能，由于集散控制系统溶入了计算机技术和通信技术，因此，集散控制系统还具有过程管理、生产管理和经营管理功能。本章主要从过程控制的角度介绍集散控制系统，重点介绍完成实时控制的现场控制站和生成控制回路算法及完成监控任务的操作员站。兰州石化职业技术学院第5页EXIT过程控制仪表及装置7.1概述7.1.1集散控制系统的基本概念分散控制系统DCS（DistributedControlSystem）又名集中分散控制系统，简称集散控制系统，是一种集计算机技术、控制技术、通讯技术和CRT技术为一体的新型控制系统。集散控制系统通过控制站对工艺过程各部分进行分散控制，通过操作站对整个工艺过程进行集中监视、操作和管理。它采用了分层多级、合作自治的结构形式，体现了其控制分散、危险分散，而操作、管理集中的基本设计思想。目前在石油、化工、冶金、电力、制药等行业获得广泛应用。兰州石化职业技术学院第6页EXIT过程控制仪表及装置7.1.2集散控制系统的特点1.集散控制系统采用层次化体系结构集散控制系统的体系结构分为四个层次，如图所示。兰州石化职业技术学院第7页EXIT过程控制仪表及装置兰州石化职业技术学院第8页EXIT过程控制仪表及装置(1)直接控制级直接控制级直接与现场各类设备（如变送器、执行器等）相连，对所连接的装置实施监测和控制；同时它还向上传递装置的特性数据和采集到的实时数据，并接收上一层发来的管理信息。(2)过程管理级这一级主要有操作站、工程师站和监控计算机。过程管理级监视各站的所有信息，进行集中显示和操作、控制回路组态、参数修改和优化过程处理等。(3)生产管理级也称为产品管理级。这一级上的管理计算机根据各单元产品的特点以及库存、销售等情况，实现生产的总体协调和控制。(4)经营管理级这是集散控制系统的最高级，与办公自动化系统相连接，可实施全厂的综合性经营管理和决策。兰州石化职业技术学院第9页EXIT过程控制仪表及装置2.集散控制系统具有多样化控制功能集散控制系统的现场控制站，一般都有多种运算控制算法或其它数学和逻辑功能，如PID控制、前馈控制、自适应控制、四则运算和逻辑运算等，还有顺序控制和各种联锁保护、报警功能。根据控制对象的不同要求，把这些功能有机地组合起来，能方便地满足系统的要求。兰州石化职业技术学院第10页EXIT过程控制仪表及装置3.集散控制系统操作简便、系统扩展灵活集散控制系统具有功能强大且操作灵活方便的人机接口，操作员通过CRT和功能键可以对过程进行集中监视和操作，通过打印机可以打印各种报表及需要的信息。DCS的部件设计采用积木式的结构，可以以模板、模板箱甚至于控制柜（站）等为单位，逐步增加。用户可以方便地从单台控制站扩展成小系统，或将小规模系统扩展成中规模或大规模系统。可根据控制对象生成所需的自动控制系统。兰州石化职业技术学院第11页EXIT过程控制仪表及装置4.集散控制系统可靠性高、维护方便集散控制系统的控制分散，因而局部故障的影响面小，并且在设计制造时已考虑到元器件的选择，采用冗余技术、故障诊断、故障隔离等措施，大大提高了系统的可靠性。DCS的积木式的模板功能单一，便于装配和维修更换；系统配置有故障自诊断程序和再启动等功能，故障检查和维护方便。兰州石化职业技术学院第12页EXIT过程控制仪表及装置5.集散控制系统采用局部网络通信技术通过高速数据通信总线，把检测、操作、监视和管理等部分有机地连接成一个整体，进行集中显示和操作，使系统操作和组态更为方便。集散控制系统配备有不同模式的通讯接口，可方便地与其它计算机联用，组成工厂自动化综合控制和管理系统。随着DCS系统向开放式系统发展，符合开放系统标准的各制造厂商的产品可以相互连接与通信，并进行数据交换，第三方的应用软件也能应用于系统中，从而使DCS进入更高的阶段。兰州石化职业技术学院第13页EXIT过程控制仪表及装置7.1.3集散控制系统的发展趋势随着集散控制系统的发展及其在工业控制领域越来越多的应用，集散控制系统充分表现出比模拟控制仪表优越的性能。但是，目前使用广泛的传统的集散控制系统，用于对工业生产过程实施监视、控制的过程监控站仍然是集中式的；现场信号的检测、传输和控制与常规模拟仪表相同，即通过传感器或变送器检测到的信号，转换成4～20mA信号以模拟方式传输到集散控制系统，这种方式精度低、动态补偿能力差、无自诊断功能。同时，各集散控制系统制造厂商开发和使用各自的专用平台，使得不同集散控制系统生产商的产品之间相互不兼容，互换性能差。随着新技术的不断应用，以及用户对集散控制系统使用的更高要求，集散控制系统领域有许多新进展，主要表现在以下几方面。兰州石化职业技术学院第14页EXIT过程控制仪表及装置1.向开放式系统发展对于传统的集散控制系统，不同制造商的产品不兼容。基于PC机的集散控制系统成为解决这一问题的开端。PC机具有丰富的软硬件资源、强大的软件开发能力，尤其是OPC（OLEforProcessControl）标准的制定，大大简化了I/O驱动程序的开发，降低了系统的开发成本，并使得操作界面的性能得到提高。目前，国内已有基于PC机为操作站的集散控制系统产品，可以集成不同类型的集散控制系统、PLC、智能仪表、数据采集与控制软件等。在这种集散控制系统中，用户可以根据自己的实际情况自由地选择不同厂商的产品。兰州石化职业技术学院第15页EXIT过程控制仪表及装置2.采用智能仪表，使控制功能下移在集散控制系统中，广泛采用智能现场仪表、远程I/O和现场总线等智能仪表，进一步使现场测控功能下移，实现真正的分散控制。3.集散控制系统与PLC功能相互融合传统的集散控制系统主要用于连续过程控制，而PLC则常用于逻辑控制、顺序控制。在实际应用时，常常会有较大的、复杂的过程控制既需要连续过程控制功能，也需要逻辑和顺序控制功能。有些集散控制系统的控制器既可以实现连续过程控制，也可以实现逻辑、顺序和批量控制；有些集散控制系统提供专门的实现逻辑或批量控制的控制器和相应软件；也有的集散控制系统可以应用软件编程来取代逻辑控制硬件，这样使得集散控制系统和PLC的区别和界限变得比较模糊。兰州石化职业技术学院第16页EXIT过程控制仪表及装置4.现场总线集成于集散控制系统现场总线的出现促进了现场设备向数字化和网络化发展，并且使现场仪表的控制功能更加强大。现场总线集成于集散控制系统系统是现阶段控制网络的发展趋势。现场总线集成于集散控制系统可有以下三种方式：（1）现场总线与集散控制系统I/O总线上的集成如Fisher-Rosemount公司的集散控制系统系统DeltaV采用的即是此方案。（2）现场总线与集散控制系统系统网络层的集成如Smar公司的302系列现场总线产品可以实现在集散控制系统系统网络层集成其现场总线功能。（3）现场总线通过网关与集散控制系统并行集成这种方式通过网关连接在一个工厂中并行运行的集散控制系统和现场总线系统。如SUPCON的现场总线系统，利用HART协议网桥连接系统操作站和现场仪表，实现现场总线设备管理系统操作站与HART协议现场仪表之间的通信功能。兰州石化职业技术学院第17页EXIT过程控制仪表及装置集散控制系统将采用智能化仪表和现场总线技术，从而彻底实现分散控制；OPC标准的出现解决控制系统的共享问题，使不同系统间的集成更加方便；基于PC机的解决方案将使控制系统更具开放性；Internet在控制系统中的应用，将使数据访问更加方便。总之，集散控制系统将通过不断采用新技术向标准化、开放化和通用化的方向发展。兰州石化职业技术学院第18页EXIT过程控制仪表及装置7.2DCS的硬件结构从DCS的层次结构考察硬件构成，最低级是与生产过程相连的直接控制级，如图7.1所示。在不同的DCS中，直接控制级所采用的装置结构形式大致相同，但名称各异，如过程控制单元、现场控制站、过程监测站、基本控制器、过程接口单元等，在这里，统称现场控制站（FCS）。这一级实现了DCS的分散控制功能，所采用的装置又称分散控制装置，由安装在控制机柜内的标准化模件组装而成。生产过程的各种参数由传感器接受并转换送给现场控制站作为控制和监测的依据，而各种操作通过现场控制站送到各执行机构。有关信号的模拟量和数字量的转换、各类基本控制算法也在现场控制站中完成。兰州石化职业技术学院第19页EXIT过程控制仪表及装置DCS的各级都以计算机为核心，其中生产管理级、经营管理级都是由功能强大的计算机来实现的，没有更多的硬件构成，这里不再详细介绍。过程管理级由工程师站、操作员站、管理计算机和显示装置组成，直接完成对过程控制级的集中监视和管理，通常称为操作员站（OPS）。DCS的硬件和软件，都是按模块化结构设计的，所以DCS的开发实际上就是将系统提供的各种基本模块按实际的需要组合为一个系统，这个过程称为系统的组态。采用组态的方式构建系统可以极大限度地减少许多重复的工作，为DCS的推广应用提供了技术保证。DCS的硬件组态就是根据实际系统的规模对计算机及其网络系统进行配置，选择适当的工程师站、操作员站和现场控制站。图7.2MACS系统结构本节以和利时公司典型的中小型集散控制系统MACS为例，阐述现场控制站和操作员站的硬件构成，如图7.2所示。兰州石化职业技术学院第20页EXIT过程控制仪表及装置图7.2MACS系统结构兰州石化职业技术学院第21页EXIT过程控制仪表及装置7.2.1现场控制站(FCS)1.现场控制站功能现场控制站是MACS系统实现数据采集和过程控制的重要站点，一般安装在靠近现场的地方，以消除长距离传输的干扰。主要完成数据采集、工程单位变换、控制和联锁算法、控制输出、通过系统网络将数据和诊断结果传送到系统服务器等功能。2.现场控制站的构成现场控制站由主控单元、智能I/O单元、电源单元和专用机柜四部分组成，其内部采用了分布式结构，与系统网络相连接的是现场控制站的主控单元，可冗余配置。主控单元通过控制网络（CNET）与各个智能I/O单元实现连接。现场控制站的内部结构如图7.3所示。兰州石化职业技术学院第22页EXIT过程控制仪表及装置CNETAIAODIDOPI回路DEH单元单元单元单元单元板模件图7.3现场控制站的内部结构图主控单元主控单元兰州石化职业技术学院第23页EXIT过程控制仪表及装置（1）专用机柜机柜常配有密封门、冷却风扇等，用来安装现场控制站的各种功能模块。（2）主控单元主控单元为单元式模块化结构，它具备较强的数据处理能力和网络通信能力，是MACS系统现场控制站的核心单元。FM811是能够支持冗余的双网结构(以太网)的主控单元，通过以太网与MACS系统的服务器相连，FM811有ProfiBus-DP现场总线接口，与MACS系统的智能I/O单元通信，自身为冗余设计，由以下几部分组成：机壳、无源底板、CPU卡、100M以太网卡（三块）、FB193多功能卡、电源模块、FB121DP主站卡、FB194状态显示卡。结构图如图7.4所示。兰州石化职业技术学院第24页E