二發(fā)電廠計算機監(jiān)控系統的基本分類

1、第二章 發(fā)電廠計算機監(jiān)控系統地基本分類本章主要了解電廠計算機監(jiān)控系統地各種分類方法,各自地特征、適用范圍 ,以及對計算機監(jiān)控系統地基本要求 .第一節(jié)發(fā)電廠計算機監(jiān)控地基本類型及其特點在生產過程自動化領域中 ,計算機地應用已十分廣泛 .從計算機監(jiān)控系統發(fā)展地實 踐情況來看 ,其應用目地、應用方式、實現方式是多種多樣地.因此 ,計算機監(jiān)控系統地分類方法也很多 ,一般可按系統地結構模式、使用計算機地種類、控制方式、控制規(guī)律、控制 犀珩、耳仝各罟磊締地動能兩拯作青卉簍不同晤剛幸圳鋅且休惜柙麗妾?一 1表 2 1 中各項自左至右 ,技術水平是由低級到高級 ,或說從當前水平到更先進地水 平；同時各欄之間也

2、可按用戶地不同要求可交叉選用 .一、按計算機在發(fā)電廠監(jiān)控系統中執(zhí)行地功能分類 按照計算機在電廠監(jiān)控系統中所執(zhí)行地主要不同功能來分類,計算機監(jiān)控系統有數據采集與處理系統、直接數字控制系統、操作指導控制系統、監(jiān)督控制系統、多功能分級 控 制系統 .( 一計算機數據采集監(jiān)視系統 (DAS計算機數據采集監(jiān)視系統常稱 DAS(Data Acquisition System. 計算機在數據采集處 理時 ,主要對電廠生產過程大量地物理參數(包括電量和非電量 進行巡回檢測、數據記,并錄、數據計算、數據統計和處理、參數地越限報警及對大量地數據進行積累和實時分析 將結果以表格或圖形形式顯示在顯示屏(CRT上,定時

3、通過打印機打印一些重要參數(如圖 21所示.同時 ,還可以根據提取地事故發(fā)生前地運行數據,指出機組運行地發(fā)展趨勢 .此外 ,通過數據采集建立起來地數據庫還可以進行自動操作和作為控制地依據.嚴格地說 ,DAS 不屬于計算機控制地范疇 ,這種應用方式中 ,計算機不直接參與電廠 地生產過程控制 .但是,任何計算機控制系統都離不開數據地采集和處理,它是計算機監(jiān)圖 2 1 計算機數據采集監(jiān)視系統控系統地基本功能 ,應用計算機對生產過程運行參數進行采集和必要地處理,是計算機在工業(yè)生產過程中應用地一種最初級、最為普遍地形式 .DAS 是計算機控制系統地基礎和 先決條件 .如圖2 1所示,DAS系統對電能生產

4、過程中地各種參數進行收集、巡回檢測，并將所測參數經過程輸入通道采入計算機.然后 ,計算機根據預定地要求對輸入信息進行判斷、處理和運算 ,需要時以易于接受地形式向運行人員屏幕顯示或打印出各種數據和圖表.當發(fā)現異常工況時 ,系統可發(fā)出聲光報警信號 ,運行人員可據此對設備運行情況集中監(jiān) 視,并根據計算機提供地信息去調整和控制生產過程.系統還具備大量參數地存儲積累和實時分析功能 ,可保存有關運行地歷史資料 ,通過研究各種不同情況下地生產過程,還可以建立或改善電能生產過程地數學模型.例如水電廠水情測報、大壩觀測、梯級水電站地經濟調度等過程 ,可以通過 DAS 系統進行采集參數、集中監(jiān)視、邏輯判斷、分析運

5、算、加 工處理 ,最后顯示表達和儲存 ,計算機再根據所采集到地有關功率和頻率等信息 ,按最優(yōu) 準則 ,實時地計劃應開機組臺數 ,提出各臺機組負荷最佳分配地數據 .再如報警 ,它可根 據有事件發(fā)生前地某一瞬間對運行在一段時間地變化規(guī)律進行自動分析,來預測未來發(fā)展趨勢 ,提出預防性措施 ,如安排停機檢修等 .計算機數據采集監(jiān)視系統地一個優(yōu)點是比較靈活和安全,它使運行人員能隨時了解電廠生產過程地狀態(tài) ,并可根據自己地判斷對計算機系統提供地操作信息有選擇地采納 對保證生產過程地安全、經濟運行 ,簡化儀表系統地設計與布置 ,減輕運行人員地勞動強 度等有著重要地指導意義 ,其應用極為廣泛 .( 二直接數字

6、控制系統 (DDC計算機直接數字控制(Direct Digital Control,簡稱DDC系統，是由計算機或以微處理 為基礎地數字控制器取代常規(guī)模擬控制器 ,直接對生產過程進行閉環(huán)控制地系統 ,如 圖 22所示 .直接數字控制系統是計算機在工業(yè)應用中最普遍地一種方式 .它是以對生產過程地 實際測量值與給定值相比較地偏差值作為計算機地輸入,計算機按照規(guī)定地控制規(guī)律(inPID控制規(guī)律 所描繪地數字模型進仃運 ,鼻 ,計算出控制重后糯出作用仕帆仃7：lq： X2.在 DDC 系統中 ,計算機不僅可完全取代模擬調節(jié)器,實現對生產過程地控制 ,還可以實現最優(yōu)化控制和多回路地PID 調節(jié) ,并具有結

7、構簡單地優(yōu)點 ,而且不需要改變硬件 ,只需通過改變軟件就可以有效地實現較復雜地控制算法.一般地 DDC 系統有一個功能齊全地運行操作臺 ,給定顯示、報警等集中在此控制臺上.例如水電站自動化采用 DDC 系統可以用來完成如下地功能：作為調速器，對水輪發(fā)電機組進行有功和頻率地調節(jié)；作為勵磁調節(jié)器，對機組無功和勵磁電流進行調節(jié)；進行同期并列操作；對運行設 備進行保護 .為了充分發(fā)揮計算機地利用率 ，DDC 系統中地計算機通常用來代替多臺模擬控制 器，控制幾個或幾十個控制回路 .生產過程地變化速度相對于計算機地運算速度是很慢 地，計算機在一個運算周期內已將各回路地運算工作做完后 ，生產過程地被控參數還

8、不會 發(fā)生顯著變化 ，所以各控制回路都可定時地分享計算機地各種資源 .但是，計算機系統一 旦發(fā)生故障 ，將影響所有控制回路地正常工作，會給生產帶來嚴重后果 .因此 ，這種系統要求計算機不僅具有良好地實時性、適應性，而且還應有很高地可靠性 .為確保安全生產，可設置備用計算機或常規(guī)儀表控制系統，這勢必又會增加系統地復雜性和系統地投資.隨著微處理器技術地高速發(fā)展及其性價比地大幅度提高 ，用一個微處理器控制一個 被控回路已成為現實 ，這使得 DDC 系統地危險性得到了分散 ，系統地可靠性大大提高 ，促 進了 DIC 系統地廣泛應用 .(三操作指導控制系統操作指導控制系統(Operatio nal In

9、 formation System,簡稱OIS又稱計算機開環(huán)監(jiān)督 控制系統 .該系統不僅具有數據采集和處理地功能，而且能夠為操作人員提供反映生產過程工況地各種數據 ，并相應地給出操作指導信息 ，供操作人員參考 .該控制系統屬于開 環(huán)控制結構 .計算機根據一定地控制算法 (數學模型 ，依賴測量元件測得地信號數據 ，計 算出供操作人員選擇地最優(yōu)操作條件及操作方案 .操作人員根據計算機地輸出信息 ，如 CRT 顯示圖形或數據、打印輸出等去改變調節(jié)器地綜合給定值或直接操作執(zhí)行機構.操作指導控制系統原理框圖如圖23 所示 .SCC系統主要實現生產過程地最優(yōu)化要使生產過程達到最優(yōu)控制，常常要求某些過程變量

10、地設定值在一定范圍內改變或使生產過程在給定地約束條件下從某一狀態(tài)過渡 到另一新狀態(tài)地時間最小.SCC系統控制效果主要取決于數學模型地精度若水電廠生產過程地數學模型能使其達到最優(yōu)狀態(tài)，則SCC控制方式就能實現最優(yōu)控制當然若數學模型不理想 ，控制效果則會變差 .SCC 系統執(zhí)行地控制任務主要有以下幾方面：(1正常運行控制 .如自動發(fā)電控制 (AGC 、自動電壓控制 (AVC， 控制發(fā)電機組地 啟動和停機操作 ，以及運行方式改變地操作 (如發(fā)電轉調相、調相轉發(fā)電等 .(2緊急控制 .當系統和設備發(fā)生異常情況時，監(jiān)控計算機能做出判斷 ，并采取相應地處理措施；當系統發(fā)生擾動時，能迅速采取校正對策 ，以保

11、證運行地穩(wěn)定 .(3恢復控制 .當事故發(fā)生后能盡快地處理 ，恢復到正常運行地狀態(tài) ，以盡可能地縮小事故地范圍和損失 .如調整機組地出力、將解列地機組重新并列等.迅速和正確地恢復控制對安全和經濟運行都是很必要地 .在有地系統中 ,SCC 系統在執(zhí)行監(jiān)督控制地同時兼有直接數字控制功能.這樣可進一步提高系統地可靠性 ,即當模擬數字控制器所在地直接控制級發(fā)生故障時,監(jiān)督計算機可以代為完成控制任務 .而在監(jiān)督控制級發(fā)生故障時 ,直接控制級仍可獨立完成控制 操作 ,只不過此時地設定值不能按優(yōu)化地要求自動修改而已.【五 多功能分級控制系統隨著生產地發(fā)展 ,被控對象不斷趨于復雜化、大型化,生產中地過程控制、管

12、理和決策任務日益繁重 ,且要求也越來越高 ,現代工業(yè)生產已不僅僅滿足于生產過程自動控制地單 一自動化方式 ,而隨著科學技術地發(fā)展、時代進步地沖擊、市場競爭地加劇、管理觀點地更 新,來自社會、技術、經濟等環(huán)境地激勵和保障生產體系優(yōu)良運作地客觀需求,迫切需要對一些大型地、復雜地生產過程地物質流、信息流、決策流進行全面而有效地控制和協調 . 分級控制系統（Hierarchical Control System,簡稱Hcs正是適應這一要求，在控制、計算 機、通信、 CRT 顯示等技術飛速發(fā)展地基礎上應運而生地多功能控制系統.多功能分級控制系統地基本結構如圖 25 所示 .分級控制系統是一個集控制和管理

13、為一體地項目系統.它所要求解決地不僅是局部過程控制地優(yōu)化問題 ,而且是全局總目標和總任務地優(yōu)化問題.分級控制系統采用縱向分層、橫向分散地處理方法 ,體現了系統項目中“分散”與“協調''地概念,能有效地解決大 型工業(yè)生產過程地控制、管理及其優(yōu)化地問題 .圖 2-5 所示分級控制系統由四級計算機系統組成,各級采用不同類型、不同功能地計算機 ,構成具有一定相對獨立性地子系統,承擔指定地任務 ,各系統之間使用高速通信線路向上連接 ,相互溝通信息 ,協調一致地工作 .直接控制級是分級控制系統地最低層次,一般由 DDC 系統實現 ,也可由模擬控制器實現 .它與被控生產過程直接相連 （如給水

14、泵 地調速機構、送風擋板地執(zhí)行機構等,可對生產過程實現數據采集、過程控制（如PID、比值、前饋、串級等控制 、設備監(jiān)測、系統測試和診斷、報警及冗余切換等功能 .集中操作監(jiān)控級除完成各生產過程地優(yōu)化控制計算和最佳設定值地設定外,還負責各直接控制級工作地協調管理,以及與上位生產管理級計算機地聯系.同時還可實現綜合顯示、操作指導、集中操作、歷史數據存儲、定時報表打印、控制回路組態(tài)和參數修 改、故 障報告和處理等功能 .在火力發(fā)電廠地控制中 ,監(jiān)督控制級往往對應著某一單元機組或 某一主要熱力設備 .生產管理級負責全廠地生產協調、指揮和控制生產地全局.包括制定生產計劃、實現生產調度、協調生產運行、安排設

15、備檢修、組織備品備件、收集生產信息、監(jiān)督生產工 況、調整生產策略、分析生產數據、進行生產評估等.它還可以與上一級控制層相互傳遞數據,接受上級生產指令 ,報告全廠生產狀況 .經營管理級負責企業(yè)地經營方向和決策 ,它全面收集來自各方面、各部門以及用戶、 市場和相關企業(yè)地經濟信息和技術、管理要求 ,按照經濟規(guī)律、組織原則、整體優(yōu)化和全面 協調地要求以及實際具備地能力 ,進行全方位大范圍地綜合決策,并及時將決策結果通知它地上一級管理計算機 ,必要時也可向上級主管部門傳輸有關信息.經營管理級涉及范圍很廣 ,它包括項目技術、生產、經濟、資源、商務、質量、后勤、人事、教育、檔案、環(huán) 境等許 多方面 ,是企業(yè)

16、地最高管理層次 .應當指出 ,分級控制系統并非全是以上固定模式,它地層數以及各層地功能 ,是根據生產實際需要和實際條件而設置地 .（ 六>現場總線控制系統現場總線控制系統 （Fieldbus Control System, 簡稱 FCS>, 是新一代分布式控制結構 , 目前還處在發(fā)展階段 ,各種不同地現場總線控制系統層出不窮,其系統結構形態(tài)各異 ,有地是按照現場總線體系結構地概念設計地新型控制系統,有地是在現有地 DCS 系統上擴充了現場總線地功能 .如果重點放在監(jiān)控級、控制級和現場級,而監(jiān)控級之上地管理級、決策級等暫不予考慮 ,則可將 FCS 分為三類：一類是由現場設備和人一機接

17、口組成地二 層結構地FCS; 類是由現場設備、控制站和人一機接口組成地三層結構地FCS;另一類是由 DGS 擴充了現場總線接口模件所構成地 FCS.這里以具有二層結構地 FCS為例，如圖2-6所示它是由現場設備和人機接口兩部（七 > 以太控制網絡系統一劂卉望;：墨姜三竺奎芒掣鬯絡技術地多總線集成控制系統地典型結構.目前 ，以太控制璧喜蘭;宴 .挈化翟磬凳攔型警域得到了迅猛地發(fā)展.以太網與其他箍箱高菇箱琵翼砉箍茗竺喜：囂簍筍： =紊用公要曹孽準和協議;平臺-無 J 關性可以選蕃采高 J 二蒙：菜鬲奚茹荔凳名望型譬爹乎璧：！鼉二-=嬖堡供E_mail、v、一州、F巾等多種信息服務；鹵菇用 j

18、 募二磊 =差 好、規(guī)范化、易學易用;多現場總線地集成能力、多系統集成能力、多囊某藁轟晶另_磯、從二、按系統結構分類矧萬 ！?？只j型委至簍 譬構布局可以將系統劃分為集中式計算機控制系統，分散式控制系爹 ，2布式監(jiān)控系統 ，全開放、全分布式監(jiān)控系統等幾種結輻喪妄-” “扒扎江（一>集中式計算機控制系統泊 蓑要簍警 ?！苧 衛(wèi)百個控制回路以及上千個過程變量地控制、顯示、操作等集中在 蘭：竺薯芝竺上簍孑：竺套 _=9 計算機上實現數據采集、數據處理、藪磊毒器 ！主磊蓋 茁基凳警掣黎報甍、蝥譬竽型、生產調度、生產協調、生產管理等蓉;荔篚：“某荔 警罌累孝籮妻 .耋，工弋 ！譬機控制系統在計算機控

19、制地早期階段應鬲蓑多， .薹莩吾莒耋竺竺簍塞之三簍王蘭生亍尊譬已基本上不采用這類結構地控尚未磊篇茹丟；薑/ j、耋星產過程或生產設備地控制 ，這類系統仍可應用 .”一 .工（二 >分散式控制系統分散式計算機控制系統 （Distributedcontrol SystelTI,簡稱Dcs>,是由以徵處理 器為核心地基本控制單元、數據采集站、高 速數據通道、上位監(jiān)控和管理計算機以及 CRT（陰極射線顯示器 > 顯示操作站等組 成,對生產過程進行分散控制、集中操作、 分級管理、分而自治和綜合協調地系統 . 系統地基本構成如圖 2-9所不 .分散式控制系統是指以功能分散為主 要特征 ,

20、使控制系統實現負載分散、危險分 散、功能分散、地域分散 .就電廠生產過程 些過響 照信乜 黜觥帙 件數關黝 王個廠膏£節(jié)。全艚一糯一僦 市勺孽子 撇艄觶鼢 一捌溉燃黻 y 亂舢蟬盼稚鼢階徠一師附某年 一控能集大 "監(jiān)功于較 黑嘉莖簍篇然地一種工業(yè)控制欖開放系統概念地形成經歷過這是近年來發(fā)展并得到廣泛采用地一種工業(yè)控制糸筑升取系軌僦忌H.'眵從工川u不少階段 ,計算機硬件地飛速發(fā)展 ,致使應用系統面臨淘汰地危險.為此 ,廣大計算機用戶提出了全新地開放系統觀念 ，即：應用軟件可移植性；不同系統之間地相互操作性； 用戶地可移植性 .這種新系統是圍繞著應用軟件接口標準、網絡

21、通信接口標準和用戶 操作接口標準 ，遵循國際組織 IEEE、ISO、IEC 等地有關標準組成一個開放式地總線網 絡，采用以 UNIX 操作系統為基礎地操作系統；根據分布控制對象而設置地現地控制單 兀（LCU>,也可按標準通用規(guī)約接入總線網絡這樣形成地系統，除了具有上述各類模式地優(yōu)點外 ，最大地特點是具有開放性 ，同時系統擴展、升級更新都非常方便，其應用軟件司以在新設備、新環(huán)境下運行 ,保護了用戶地利益 ,實現了應用軟件地移植 . 第二節(jié)發(fā)電廠計算機監(jiān)控地系統結構計算機監(jiān)控系統結構模式地劃分,主要與其控制方式或者說布局有關.在電廠計算機監(jiān)控涉及地因素很多 ,諸如電站地裝機容量和機組臺數、電

22、站在電力系統中地地位、計 算機在電站自動化中地功能、選用地計算機機型及性能等 ,都會對監(jiān)控系統地布局方式產 生影響 .因此,計算機監(jiān)控系統結構布局地具體實現,必須充分考慮多方面地因素 ,進行科學地分秒 i 論證 ,以保證系統運行地安全經濟、管理維護方便 .從國內外電廠計算機監(jiān)控系統幾十年應用過程地實際情況看 ,計算機監(jiān)控系統經歷 了一個從簡單到復雜、從低級到高級、從單項到全面、從簡陋到完善地發(fā)展過程,如從集中式控制向分布式發(fā)展、從單計算機系統向多計算機系統發(fā)展、從單層網絡向多層網絡發(fā)展 等 , 以 F 分別進行討論 .一、集中式計算機監(jiān)控系統（一>簡況在集中式計算機監(jiān)控系統中 ,一般是將

23、采集到地數據全部集中到計算機來進行處理,然后根據計算機計算和處理地結果傳送到各測控點進行控制和調節(jié).通常采用地計算機系統配置有如 F 幾種：（1> 單計算機系統；(2>g5 計算機系統；(3> 雙主計算機帶雙前置計算機系統；(4> 以數據庫為核心地多計算機系統.以上四種計算機系統配置地列舉順序反映了集中式監(jiān)控系統地發(fā)展歷程 .(二 >集中式監(jiān)控系統地發(fā)展 早期使用地集中式監(jiān)控系統是指整個電站依賴一臺計算機實現整個電站地各項自動 化功能；幾乎電廠地全部運行參數和狀態(tài)信號、被控回路及執(zhí)行繼電器等都集中到計算機 及其外圍設備地輸入偷出接口；全廠地數據采集和處理、運行參數

24、和狀態(tài)地監(jiān)控、機組啟 停和負荷調整、運行狀態(tài)地顯示和記錄、異常狀態(tài)報警等任務均由計算機分時執(zhí)行.這種系統結構較簡單 ,較易于實現 .我國電廠在應用計算機地初期曾使用單計算機系統,這是因為當時計算機價格昂貴 ,計算機在水電廠監(jiān)控中地功能還處于研究和探索階段,充分發(fā)揮一臺計算機地潛力 ,要把其能力用盡是當時較流行地設計思想.20 世紀 70 年代中期 , 雙計算機系統和雙主計算機帶雙前置計算機系統在瑞士BBC公司提供地產品中曾經使用過,而以數據庫為核心地多計算機系統曾在加拿大CAE 公司為委內瑞拉地古里電廠提供地監(jiān)控系統中使用過.隨后 ,大規(guī)模集成電路工藝中用多個處理器來滿足系統性能地要求,它地出

25、現改進了系統地性能、提高了系統地可靠性、改善了系統地實時響應特性 ,還能加入模件化地方式來擴充系統能力.20 世紀 80 年代后 , 歷經二三十年地發(fā)展 ,集中式控制系統采用多臺小型計算機方 案.以 ABB 、 L&G 、Bailey、SNCLAVAN(N G 姬>等公司地產品最為代表地 ,其主要特 點是采用多臺小型機、微型機或工作站來構成一個多機系統.多機集中監(jiān)控系統地優(yōu)點是：微型機地生產成本和維護費用比以往要小得多,所以多級系統比單機具有很高地性能價格比；多機系統包含有大量同類型計算機,因而具有很高地冗余度 ,系統維護方便 ,從整體上提高了系統地可維護性和可用性；多機系統地多

26、臺處理器能同時工作,這樣地并行工作方式能成倍地提高整個系統地運算速度和吞吐量；每臺處理機構成一個模塊,整個系統地模塊化大大改善系統地性能 .二、分散式處理計算機監(jiān)控系統 分散式控制系統是繼直接作用式氣動儀表、氣動單元組合儀表、電動單元組合儀表和 組件組裝式儀表之后地新一代控制系統.分散式控制系統是以大型工業(yè)生產過程及其相互關系日益復雜地控制對象為前提,從生產過程綜合自動化地角度出發(fā),按照系統項目中分解與協調地原則研制開發(fā)出來地新型控制系統 .“分散控制系統”一詞 ,是人們根據外國公司地產品名稱意譯而得地.因為產品生產廠家眾多 ,系統設計不盡相同 ,功能和特點各具千秋 ,所以對產品地命名也各顯特

27、色.國內在翻譯時，也有不同地稱呼，最常見地有：分散式控制系統(Distrmuted Control Sys tern,簡稱 DCS> ;集散式控制系統 (Total Distributed Control System,簡稱 TDCS 或TIX ； >分布式計算機控制系統(Distributed Computer Control System,簡稱 DCCS>.名稱地不同只是命名意圖和翻譯上地差異,其系統本質基本相同 ,內在含義是一致地.我國電力行業(yè)習慣稱其為分散控制系統.( 一 > 分散式控制系統地定義分散式控制系統地含義著重體現在“分散”上 ,而“分散”地含義有兩個

28、方面：一是強調 各種被控地生產設備地地理位置是分散地 ,系統相應地控制設備也在地理位置上分散布 置；二是指控制系統所具有地功能是分散地,即計算機控制系統地數據采集、過程控制、運行顯示、監(jiān)控操作等按功能進行分散,這種功能上地分散同時意味著整個系統地危險性分散.功能分散是分散式控制系統地主要內涵.在功能分散地基礎上 ,分散式控制系統又可將運行地操作與顯示集中起來 , 即操作管理集中 ,所以又稱它為集散式控制系統.分散式控制系統一個比較完整地定義：(1> 以回路控制為主要功能地系統 .(2> 除變送和執(zhí)行單元外 ,各種控制功能及通信、人機界面均采用數字技術.(3> 以計算機地 CR

29、T 、鍵盤、鼠標和軌跡球代替儀表盤形成系統人機界面.(4> 回路控制功能由現場控制站完成 ,系統可有多臺現場控制站 ,每臺控制一回路 .(5> 人機界面由操作員站實現 ,系統可有多臺操作員站 .(6> 系統中所有地現場控制站、操作員站均通過數字通信網絡實現連接.上述定義地前三項與 DDC 系統無異 ,而后三項則描述了 DCS 地特點 ,也是 DCS 之間 最根本地不同 .( 二>分散式控制系統地結構 分散式控制系統是縱向分層、橫向分散地大型綜合控制系統.它以多層計算機網絡為依托 ,將分布在全廠范圍內地各種控制設備和數據處理設備連接在一起,實現各部分地信息共享和協調工作

30、,共同完成各種控制、管理及決策功能 .分散式控制系統是一種能對機組運行進行集中監(jiān)視和管理,控制功能分離 ,物理位置分散 ,以微型計算機為基礎 ,用數據通信相連地新型自動控制系統 .它是計算機技術、通 信技術、控制技術、 CRT 顯示技術競相發(fā)展并緊密結合地產物,各種類型地分散式控制系統盡管形式不同 ,但都采用了分級分散式地體系結構 ,包括以下幾個部分：具有不同功能 地基本控制站；具有管理功能地人機接El 裝置,通常是以 CRT 為基礎地操作員站、連接設備站地數據高速公路以及通信接口和擴展接口 .分散式控制系統地典型配置如圖21l 所示.以微處理器為核心地控制站 ,采用模塊化和標準化地硬、軟件

31、,實現復雜地控制 .每個站只控制少量或單個回路 ,一旦發(fā)生故障 , 只影響少數控制回路 ,使危險分散 .顯示操作集中 ,采用 CRT 顯示和鍵盤操作技術 ,可實 現多種畫面、參數和變量地顯示 ,運行人員在 CRT 上既能監(jiān)視又能對任一回路進行操作 有高速通信系統 ,各站之間信息傳遞速度高且安全可靠 ,可實現整體化運行控制 ,系統易 擴展.軟件可以生成采用面向用戶地圖形語言 ,通過項目站地鍵盤在 CRT 畫面上畫上系 統方框圖 ,或以梯形圖地方式、或以填表和回答問題地方式生成所需要地應用軟件.采用了冗余或容錯冗余技術 ,有自診斷功能 ,系統可靠性高 .1 基本控制單元基本控制單元簡稱工作站 ,主

32、要設備是以微處理器為核心地控制器.掛在高速數據26 -公路上具有不同功能地工作站 ,通過 IO 模件采集地過程信息 ,實現對生產過程地控制 . 控制站有單回路地也有多回路地 ,一般是把閉環(huán)控制和邏輯順序控制結合在一起,完成所要求地控制功能 .控制方案地實現則利用程序軟件 .2通信網絡通信網絡稱之為數據高速公路 ,把分散地控制站、輸入偷出模件、人機接口和系統外 設聯為一體 ,以適當地通信方式保證信息可靠高速地傳遞.通信網絡地結構主要有三種：總線型結構、環(huán)型結構和星型結構 .大型分散控制系統常把幾種網絡結構合理地用于一 個系統中 ,以充分利用各網絡地優(yōu)點 .各系統網絡通信地存取控制方式主要有兩種類

33、型： 存儲轉發(fā)式和廣播式 .廣播式又分為自由競爭、令牌和時間片等幾種方式,用得較多地是令牌和自由競爭廣播式 .通信介質多采用雙絞線、同軸電纜或光導纖維.3 人機接口人機接口包括以 CRT 即鍵盤組成地操作員站、手動自動操作器和項目師站.操作員站用來完成各種操作命令 ,并至標準畫面或用戶組態(tài)畫面上會集和顯示有關運行信息,供運行人員對機組地運行工況進行監(jiān)視和控制.它可以通過項目師站對控制器進行組態(tài),調整回路參數 ,通過數據高速公路與其他各站交換信息 .操作員站由實時處理器、圖 形處理器、應用處理器三部分組成 .它是維護數據庫 ,給圖形處理器和應用處理器提供數 據,用做數據管理 .應用處理器是收集長

34、期地歷史數據 ,用做信息管理 .圖形處理器用做 操作管理 .實時處理器加上圖形處理器組成操作員站,加上應用處理器組成項目師站 .項目師站用于程序開發(fā)、系統診斷、控制系統組態(tài)、數據庫和畫面地編譯修改.手動診斷操作器是控制系統地后備控制裝置 .( 三分散式控制系統地特點分散式控制系統采用了標準化、模塊化、系統化、分散化地現代計算機控制體系,是技術先進、功能全面、應用廣泛、結構分散地現代化計算機控制體系.與常規(guī)地模擬儀表控制系統和集中式計算機控制系統相比 ,分散式控制系統具有控制分散、功能全面、危險分 散、綜合管理集中、調試方便地特點 .1 控制分散、管理集中分散式控制系統采用是一種金字塔式地分級遞

35、階結構.生產過程地控制是通過一系列承擔指定任務地數字化功能組件予以實現地,其中包括微處理器為核心地控制與信息模件、I/ O模件、電源模件、通信接 VI模件等它既能代替常規(guī)模擬儀表完成規(guī)定地控制 任務 ,又能實現更為高級復雜地控制規(guī)律 .這種新一代數字式儀表控制系統 ,相對于模擬 式組裝儀表和集中式計算機控制 ,不僅實現了更為高級復雜地控制規(guī)律 ,而且提高了各功 能模件地相對獨立性和自主性 ,保證局部故障時不危及整個系統 ,大大提高了系統地可靠 性.分散系統利用系統地通信網絡、存儲設備和軟件系統等,可實現整個系統地監(jiān)視和操作集中以及綜合信息集中 ,有利于全面了解和有效操縱生產過程以及系統地運行.

36、2功能全面、算法多樣分散式控制系統是一個多功能分級控制系統,按功能可以分為經營管理、生產管理、過程管理、直接控制等四個層次 ,從而滿足生產過程地各種控制要求 .分散式控制系統由 硬件系統和軟件系統組成 ,其中軟件系統包括操作系統、數據庫系統、功能軟件、管理軟 件、應用軟件以及開發(fā)軟件等 .軟件系統是任何計算機系統地靈魂 ,分散式控制系統通過 軟件地開發(fā) ,吸收眾多控制算法 ,從而實現了許多如前饋、解耦等復雜地控制方式和最優(yōu)、 智能化等更高級更先進地控制技術 .硬件系統是任何計算機系統地骨干 ,分散式控制系 統地硬件系統包括所有地應用模件、功能單元、物理設備等 .DCS 硬件系統設計靈活、組 合

37、分散、功能全面 ,從而實現了全面、豐富地控制功能 .3 自治性和協調性兼顧DCS 地自治性是指系統中地各臺計算機均可獨立地工作,例如 ,過程控制站能自主地進行信號輸入、運算、控制和輸出；操作員站能自主地實現監(jiān)視、操作和管理；項目師 站 地組態(tài)功能更為獨立 ,既可在線組態(tài)也可離線組態(tài) ,甚至可以在與組態(tài)軟件兼容地其他計 算機上組態(tài)，形成組態(tài)文件后再裝入 DCS運行.DCS 地協調性是指系統中地各臺計算機用通信網絡互聯在一起,相互傳送信息、相互協調工作，以實現系統地總體功能.DCS地分散和集中、自治和協調不是互相對立，而是互相補充地 .DCS 地分散是相互協調地分散 ，各臺分散地自主設備是在統一集

38、中管理 和協調下各自分散獨立地工作 ，構成統一地有機整體 .正因為有了這種分散和集中地設 計思想及自治和協調地設計原則 ，才使 DCS 獲得進一步發(fā)展 ，并得到廣泛地應用 .2R4靈活性和擴展性好DCS硬件采用積木式結構，類似兒童積木那樣，可靈活地配置成大、中、小各類系統； 另外，還可根據企業(yè)地財力或生產要求，逐步擴展系統，改變系統地配置.IX ； S軟件采用模塊式結構 ,提供各類功能模塊 ,可靈活地組態(tài) ,構成簡單、復雜地各類控制系統；另外,還可根據生產工藝和流程地改變,隨時修改控制方案 .在系統容量允許地范圍內 ,只需通過組態(tài)就可以構成新地控制方案,而不需要改變硬件配置 .5先進性和繼承性

39、兼顧DCS綜合了“ 4c”(計算機、控制、通信和屏幕顯示技術，隨著這“ 4c”技術地發(fā)展而發(fā)展.也就是說 ,DCS 硬件上采用先進地計算機、通信網絡和屏幕顯示；軟件上采用先進地 操作系統、數據庫、網絡管理和算法語言；算法上采用自適應、預測、推理、優(yōu)化等先進 控制算法 ，建立生產過程數學模型和專家系統.DCS自問世以來，更新換代比較快.當出現新型DCS時，老DCS作為新DCS地一個 子系統繼續(xù)工作 ，新、老 DCS 之間還可互相傳遞信息 .這種 DCS 地繼承性 ，給用戶消除 了后顧之憂 ，不會因為新、老 DCS 之間地不兼容而給用戶帶來經濟上地損失 .6可靠性和適應性高DGS地分散性帶來系統地

40、危險分散，提高了系統地可靠性.DGS采用了一系列冗余技術 ，如控制站主機、 IO 板、通信網絡和電源等均可雙重化，而且采用熱備份工作方式 ，自動檢查故障，一旦出現故障立即自動切換.DCS安裝了一系列故障診斷與維護軟件，實時檢查系統地硬件故障和軟件故障，并采用故障屏蔽技術 ，使故障影響盡可能小 .DCS 采用高性能地電子元器件、先進地生產工藝和各項抗干擾技術，使 DCS 能夠適應惡劣地工作環(huán)境.DCS設備地安裝位置可適應生產裝置地地理位置，盡可能滿足生產地需要.DGS地各項功能可適應現代化大生產地控制和管理需求7友好性和新穎性DCS 為操作人員提供了友好地人機界面 (MMI. 操作員站采用彩色

41、CRT 和交互式 圖形畫面 .常用地畫面有總貌、組、點、趨勢、報警、操作指導和流程圖畫面等.因為采用圖形窗 VI 、專用鍵盤、鼠標或球標器等 ，操作簡便 .DCS 地新穎性主要表現在人機界面 ， 采用動態(tài)畫面、工業(yè)電視、合成語音等多媒體技術，圖文并茂 ，形象直觀 ，使操作人員有如身臨其境之感 .三、分布式計算機監(jiān)控系統分布式計算機控制系統 (Distributed Computer Control System， 簡稱 DCCS 發(fā)展初期 地基本思想是：用當時新開發(fā)地性能價格比極高，但絕對性能還嫌不足地微小型處理器來完成大型計算機所具有地功能 .為此 ，要求把硬件和相應地軟件 ，在大量重復地大

42、規(guī)模集 成電路芯片之間分布開來 ，構成統一地計算機系統 .這就是 20 世紀 80 年代特別引起重 視地分布式處理系統 .(一 分布系統地定義 一個分布數據處理系統必須同時滿足下列 5 個條件：(1包含有多個通用地資源文件 ，這里可以是指物理資源或邏輯資源 .，9 (2這些物理資料或邏輯資源是在物理上分布地 ，并經過一個通信網絡相互作用 . (3有一個高級操作系統 ，對各個分布地資源進行統一和整體地控制 .(4系統對用戶是透明地 ，即用戶發(fā)出使用請求時 ，無須具體指明要哪些資源為其 服務.(5所有資源 ，不論是物理資源或是邏輯資源，都必須高度自治地工作 ，而又相互配合，即系統內部不存在層次控制

43、 .以上定義分別在一些條件地規(guī)定上各有其自己嚴格地一面，而其共同點或說最基本地要求是：多個分布地資源；統一地操作系統；資源獨立而又相互作用.( 二>分布式計算機控制系統地特點分布式計算機控制系統具有如下地特點：(1> 具有多個分布地資源 .這里地分布是指物理上地分布和地理上地分布 ,這里地資 源是指計算機硬件、外部設備、各種程序以及數據庫等 .(2> 具有統一地操作系統 .全系統要求有一個高級操作系統 ,對整個分布式計算機系 統進行統一地控制和管理 ,指導各分布資源完成共同地任務 .整個系統以盡可能少地使 用系統集中資源地方式工作 ,從而有一個統一地操作系統管理 .(3>

44、; 分布地資源獨立而又相互作用 .分布地各資源獨立地完成其被指定地功能 ,同時 相互間又以一定地方式配合 ,相互間協調地工作 .(4> 在分布式系統中沒有明顯地主從關系 ,各資源之間以較平等地方式工作 ,系統內 部不存在層次控制 .在此還須補充說明地是 ,以上討論地集中式、分散式和分布式三種概念僅是就計算機 系統地結構而言 ,并未涉及控制方式 .從電廠值班員地角度看 ,三種方式中控制地點在地 理上都是集中地 .( 三>分布式系統地類型 分布式系統大體上可以分為三種類型 ,即按功能分布、對象分布以及按上述兩種方式 地結合分布 .按功能分布地結構目前多用于電廠監(jiān)控系統地全廠級設備或上位

45、機部分,它一般有一臺或兩臺計算機 (或工作站 > 構成單個或冗余系統 ,完成指定地功能 ,例如操作員工作站 (或稱為Con sole,即控制臺 >、通信工作站以及在某些情況下配置地事件順序記錄工作站 等.在這些功能群地內部 ,可以單機獨立運行、雙機冗余運行或三機冗余運行地方式工 作,而在這些功能群之間一般是相對獨立地 ,在功能上不能替代 .但也有例外 ,如操作員 工作站故障時 ,可用項目師工作站來頂替其工作 ,使監(jiān)控系統仍維持正常運行 .按對象分布地系統,特別強調在產生數據地地方,就近分析和處理數據 ,其目地是減少通信傳送地信息量,充分利用現場能采集到地各種信息進行綜臺分析后,再向

46、上級傳送最終結果或中間結果,即所謂“熟數據”.這種方式通常適用于機組級控制終端,其具備地功能含有綜合地特征,如包括數據采集、分析處理、事件分辨、機組順控、有功功率和無功功率調節(jié)以及與上位機之間進行通信等.按被控對象分布地優(yōu)點是：各控制終端相互獨立,一個現地子系統或控制終端 (LCU> 故障只影響一臺發(fā)電機組 ,從而提高了全系統地 可用性及可靠性 .此外,因為現地子系統或控制終端具有相當大地獨立性,本身又具備較30完整地處理功能 ,即使上位機部分或全部故障 ,它亦能維持被控對象地安全運行,也很適合于水電廠機組分期安裝地情況 .復合型分布處理有如下兩種情況 .一種可說是上述兩種分布方式地結合

47、,即上位機采用按功能分布地方式 ,下位機采用按被控對象分布地方式,這樣結合起來地系統就是復合型分布式系統 ,實際上這種系統在電廠地應用是比較多地；另一種是在電廠級控制中心 和機組級控制終端均采用按功能分布處理地結構,即指 LCU 也采用了多微機 (多單片機或嵌入式微機 >地按功能分布結構，而上位機也采用了遠程值守站、Y-K、總工終端等配置,因此整個系統可以說既是按被控對象分布、又是按功能分布.在開放系統出現以后 ,又出現了“全分布”地概念 .這可以解釋成以往在談分布地時 候,往往是著重在“處理”上地分布；而開放系統出現地同時也強調了“數據庫”等地分布 可以說這是一種更完全地分布 ,而這些

48、正是符合前述地分布系統定義地 .分散式計算機控制系統與分布式計算機控制系統兩者地主要區(qū)別是,分散式計算機控制系統也是在多計算機系統出現后得到應用地一種系統其控制對象地特點是：地理上分散在一定地范圍內；相互之間地聯系較薄弱，很少存在處理或計算上地因果關系,即某子系統A地計算P要等另一子系統 B地計算Q地結果出來后才能進行處理在討論“分散”地時候 ，是相對于“集中”而言地 ，主要是強調了位置上地分散 ，而并未強調前 節(jié)所述關于“分布”所必須具備地各種條件（定義 >.這可以說就是“分散式系統”與“分布式系統”地主要區(qū)別 .四、分層控制系統分層控制 （Distributed System>

49、 理論也是 20 世紀 80 年代發(fā)展起來地一種新理論 , 它 是控制系統理論地一個分支,是從控制論地角度來研究多個互相影響地系統地控制方法.它把“中央地控制中心”對“各子系統地控制中心”地監(jiān)視,以及確定“各子系統控制中心” 地控制方向問題提高到理論上來,這種理論可用于電力系統問題地分析和調度控制中.對于大型發(fā)電廠 ,其發(fā)電、輸電生產是一個綜合復雜地過程,從控制論地角度 ,按其命令地產生、命令執(zhí)行結果、信息地反饋流向、被采集地信息上送關系、各級地操作權限等來看 是一個典型地正置三角形地中央一地方式地、帶有一定程度中央集權性質地系統,因此將電廠地監(jiān)控系統構成一個分層控制結構是合理地 .從電廠必須

50、執(zhí)行地操作 ,如執(zhí)行網調 地調度命令、正常及事故時電廠操作員地操作控制、全廠各臺機組地成組控制以及現地閉 環(huán)控制等來看 ,采用分層控制結構是符合電廠地生產特點地.與電廠控制相應地層次可以分為梯級調度層、廠站監(jiān)控層、機組操作層、輔設控制層等 ,其中梯級調度層僅適用于梯 級電廠 ,一般電廠僅有后三個層次.從以上分析可知 ,“分層”與“分布”實際上說地是一個事物地兩個方面.從計算機系統結構來分析 ,強調了一個“分布”地概念；從控制理論地角度,是強調一個“分層”地概念兩者完美地在電廠計算機監(jiān)控系統這個實體中結合起來了.例如 ,在上述實現“分層”控制地電廠計算機監(jiān)控系統中,其中控室地控制臺、計算機室地廠

51、級計算機或服務器、項目師工作站以及作為現場控制節(jié)點地機組控制工作站等就構成了分布式系統結構.這就是為什么“分層”和“分布”這兩個看來相互矛盾地概念能用來共同說明電廠計算3彳 機監(jiān)控系統結構模式地原因 .采用分層結構后使多臺計算機便于管理 ,不同層次不同任務地計算機地容量、規(guī)?？?配置得比較合理 ,如在全廠控制一級常采用規(guī)模相對較大一些地計算機,而在控制第一線地計算機可采用規(guī)模相對較小,但抗干擾能力強、可靠性高地微機等.五、開放系統（一>開放系統地產生因為計算機技術地更新換代速度越來越快 ,特別是硬件產品地生命周期越來越短 ,往 往一個技術剛出現不久就有更先進地技術出現 .計算機生產廠家也

52、在不斷變更 ,一個新 技術地出現 ,往往會造就一批有實力地新公司 ,淘汰一批老地技術落后地廠家 .為了保護 用戶地利益 ,在新技術、新系統出現時 ,不損失原來地巨額投資 ,開放系統地概念應運而 生.（二>開放系統地發(fā)展為了解決上述問題 ,就出現了這樣地設想：不同品牌、型號地計算機能否使用相同地 指令系統 ,使用戶能像開汽車一樣 ,學會駕駛富康車以后 ,不用培訓就會開捷達、桑塔納 , 甚至進 El 地福特、卡迪拉克；又如能否將已開發(fā)地應用程序用較簡單地方法,在較短地時間移植到新上市地計算機上 ,使原先開發(fā)地軟件成果能在最先進地計算機上發(fā)揮作用等 .在這方面實際上做了不少探索 ,如20世紀

53、80年代提出地“系列計算機”、“向上兼容 計算機”、“計算機優(yōu)選系列”就是例子,如電力部門用得較多地VAX 系列就是在這種思想下產生地 .這樣做地結果是使上述思想在某一廠商地某一系列計算機上發(fā)揮了作用,但這還遠遠沒有達到“開放”地要求.另一項有意義地探索是在 IBM 公司,它在 20 世紀80 年代初公開了個人計算機地 BIOS 技術,使用 MS DOS 操作系統 ,于是出現了一大批 各種各樣地兼容機 ,為它們地用戶提供了一個基本一致地標準運行環(huán)境,在一定程度上實現了程序地可移植性 ,其結果應該說是向“開放”又邁進了一步.20 世紀 80 年代中期以來 ,計算機硬件發(fā)展極其迅速 ,短短幾年 ,

54、 計算機產品無論是 處理能力、運算速度 ,還是存儲量、集成度 ,都呈現出幾何級數地增長趨勢 ,特別是 RISC 指令系統地出現 ,更加速了硬件地發(fā)展 ,于是各廠家、各型號地計算機產品層出不窮,同時軟件技術也得到很大地發(fā)展 .這里應特別提到 1969 年在美國 Bell 實驗室問世地 UNIX 操作系統 ,經過 7年地潛心研究 ,到 1976年才首次公開發(fā)表了第六個版本地UNIX 操作系統,首次由 UNIX 操作系統支持地商業(yè)配置是根據 1978 年地第七版設計地 ,真正具有 可移植性地操作系統初貌是 1983年發(fā)表地 UNIX V 版,而真正具有開放性地是 1989 年 發(fā)表地 UNIX V4

55、 0 版等.( 三開放系統地定義根據用戶地需要 ,國際上一些著名地計算機公司組成了UI(UNIX International 組織,以UXIN System V為藍本制定了非強制性地標準.1984年成立地IEEE地PL003委員會對開放系統下了嚴格地定義,即開放系統是“按照開放地接111、服務和支持格式規(guī)范而實現地系統” .它使應用軟件能以最少修改 ,實現在不同系統中地移植；能同本地地或 遠程系統中地應用實現互操作；能以方便用戶遷移地方式實現用戶問地交互.即開放系統是指一個綜合性地有關信息方面地國際標準集 ,考慮數據、人員互操作性及可移植性而 描述地對接 VI 、格式、功能所作地規(guī)定 .PL0

56、03 委員會稱這種操作系統標準為 POSIX (Portable Operat ing System In terface X,其具體標準包括系統接口服務、命令語言和實 用程序、測試和驗證、實時擴充、語言裝配、安全擴充、系統管理和文件傳送訪問.開放地計算機系統結構如圖 2 12 所示.X/ OPEN集團給出了另一個開放系統地定義：指建立在“正式地標準”和“事實上地 標準”基礎之上地有關計算機和通信系統地公用協議.它不為某個生產廠家所獨有 ,能提供互操作性 .(四操作系統和接口標準因為上述地 POSIX 是一種并不存在地操作系統 ,而與該標準最接近地是 UNIX, 它 可以在不同地硬件環(huán)境上實現 ,適應性強 ,因此 UNIX 成為事實上地開放環(huán)境操作系統 標準 .開放系統所具有地特性使電廠用戶享受實惠,這些特性是由開放系統所遵循地標準來保證地 .因為應用程序、網絡通信、人機界面都有按UNIX 標準定義地接 El ,因而完全可以實現上述開放系統地可移植性、可集成性以及可互操作性等性能.操作系統與其他計算機系統地接口標準,實際上就是計算機之間地網絡接口標準.國際標準化組織 ISO(International Standard Organization 提出了一個“開放系統互連” osI(Open System Interconnection 地參考模型 ,