集散控制系統(tǒng)運行及維護

1、集散控制系統(tǒng)運行及維護課件第1頁，共40頁，2022年，5月20日，1點46分，星期四第2章 集散控制系統(tǒng)導論集散控制系統(tǒng)運行及維護 高職高專 ppt 課件第2頁，共40頁，2022年，5月20日，1點46分，星期四一、集散控制系統(tǒng)的結構組成及特點 集散控制系統(tǒng)又稱分布式控制系統(tǒng)，它是技術的產(chǎn)物（計算機技術、通信技術、控制技術，圖形顯示技術），是通過某種通信網(wǎng)絡將現(xiàn)場控制站、操作員站、工程師站聯(lián)系起來，共同完成分級控制、集中管理的綜合控制系統(tǒng)。它的基本設計思想是危險分散、控制功能分散、而操作和管理集中。 集散控制系統(tǒng)的英文縮寫（DISTRIBUTED CONTROL SYSTEM)，簡稱DCS

2、。 DCS是由過程控制站、數(shù)據(jù)采集器、CRT操作站（工程師站與操作員站）、監(jiān)控計算機以及高速數(shù)據(jù)通路等五大部分組成的，系統(tǒng)利用通信網(wǎng)絡將各工作站連接起來，實現(xiàn)集中監(jiān)視、操作、信息管理和分散控制。圖2-1為一個DCS的典型結構組成圖。 (一)、基本組成集散控制系統(tǒng)運行及維護 高職高專 ppt 課件第3頁，共40頁，2022年，5月20日，1點46分，星期四集散控制系統(tǒng)基本結構組成圖2-1 集散控制系統(tǒng)的結構組成 集散控制系統(tǒng)運行及維護 高職高專 ppt 課件第4頁，共40頁，2022年，5月20日，1點46分，星期四1 現(xiàn)場圾現(xiàn)場級設備一般位于被控生產(chǎn)過程的附近。典型的現(xiàn)場級設備是各類傳感器、變

3、送器和執(zhí)行器，它們將生產(chǎn)過程中的各種物理量轉換為電信號。例如4-20mA的電信號(一般變送器) 送往控制站或數(shù)據(jù)采集站，或者將控制站輸出的控制量(420mA的電信號)轉換成機械位移，帶動調節(jié)機構，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制。集散控制系統(tǒng)運行及維護 高職高專 ppt 課件第5頁，共40頁，2022年，5月20日，1點46分，星期四 控制級 控制級主要由過程控制站和數(shù)據(jù)采集站構成 一 般在電廠中，把過程控制站和數(shù)據(jù)采集站集中安裝在位于主控室后的電子設備室中。 過程控制站接收由現(xiàn)場設備，如傳感器、變送器來的信號，按照一定的控制策略計算出所需的控制量，并送回到現(xiàn)場的執(zhí)行器中去 過程控制站可以同時完成連續(xù)控制

4、、順序控制或邏輯控制功能，也可能僅完成其中的一種控制功能 數(shù)據(jù)采集站與過程控制站類似，也接收由現(xiàn)場設備送來的信號，并對其進行一些必要的轉換和處理之后送到分散型控制系統(tǒng)中的其他部分，主要是監(jiān)控級設備中去。數(shù)據(jù)采集站接收大量的過程信息，并通過監(jiān)控級設備傳遞給運行人員。數(shù)據(jù)采集站不直接完成控制功能，這是它與過程控制站的主要區(qū)別。集散控制系統(tǒng)運行及維護 高職高專 ppt 課件第6頁，共40頁，2022年，5月20日，1點46分，星期四監(jiān)控級監(jiān)控級監(jiān)控級的主要設備有運行員操作站、工程師工作站和計算站。其中運行員操作站安裝在中央控制室，工程師工作站和計算站一般安裝在電子設備室。運行員操作站是運行員與控制系

5、統(tǒng)交換信息的人機接口設備。運行人員通過運行員操作站來監(jiān)視和控制整個生產(chǎn)過程。并且可以隨時進行手動自動控制方式的切換，修改給定位，調整控制量，操作現(xiàn)場設備。以實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的干預。工程師工作站是為了控制工程師對分散控制系統(tǒng)進行配置、組態(tài)、調試、維護所設計的工作站工程師工作站一般由Pc機配置一定數(shù)量的外部設備所組成，例如打印機、繪圖機等。計算站的主要任務是實現(xiàn)對牛產(chǎn)過程的監(jiān)督控制，例如機組運行優(yōu)化和件能計算一般，if算站由超級微型機或小型機構成。集散控制系統(tǒng)運行及維護 高職高專 ppt 課件第7頁，共40頁，2022年，5月20日，1點46分，星期四管理級管理級包含的內容比較廣泛，一般來說，它可能

6、是一個發(fā)電廠長級管理汁算機，也可能是經(jīng)理、總工程帥、值班長等政管理或運行管理人員廠級管理系統(tǒng)的主要任務是監(jiān)測企業(yè)各部分的運行情況，利用歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)預測可能發(fā)生的各種情況，從企業(yè)全局利益出發(fā)輔助企業(yè)管理人員進行決策，幫助企業(yè)實現(xiàn)其規(guī)劃目標。對管理計算機的要求：能夠對控制系統(tǒng)做出高速反應的實時操作系統(tǒng)能夠長期保存生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并日具有優(yōu)良的、高性能的、方便的人機接口豐富的數(shù)據(jù)庫管理軟件，過程數(shù)據(jù)收集軟件，人機接口軟件以及生產(chǎn)管理系統(tǒng)等工具軟件，實現(xiàn)整個工廠的網(wǎng)絡化和計算機的集成化。集散控制系統(tǒng)運行及維護 高職高專 ppt 課件第8頁，共40頁，2022年，5月20日，1點46分，星期四(二)、集

7、散控制系統(tǒng)的特點1、高可靠性 2、靈活的擴展性3、完善的自主控制性4、完善的通信網(wǎng)絡 集散控制系統(tǒng)運行及維護 高職高專 ppt 課件第9頁，共40頁，2022年，5月20日，1點46分，星期四 二、集散控制系統(tǒng)的硬件結構 現(xiàn)場控制站主要由機柜、電源及控制計算機等組成。1、機柜：現(xiàn)場控制站的機拒內部均裝有多層機架，以供安裝各種模塊（控制模塊與通信模塊）及電源之用。2、電源為了保證電源系統(tǒng)的可靠性，通常采取以下幾種性措施。(1) 每一個現(xiàn)場控制站均采用雙電源供電，互為冗余。 (2) 如果現(xiàn)場控制站機拒附近有經(jīng)常開關的大功率用電設備，應采用超級隔離變壓器，將其初級、次級線圈間的屏蔽層可靠接地，以克服

8、共模干擾的影響。(3) 如果電網(wǎng)電壓波動很嚴重，應采用交流電子調壓器，快速穩(wěn)定供電電壓。 (4) 在石油、化工等對連續(xù)性控制要求特別高的場合，應配有不間斷供電電源 UPS，以保證供電的連續(xù)性?，F(xiàn)場控制站內各功能模塊所需直流電源一般為5V、15V(或12 V)、以及+24V。（一）現(xiàn)場控制站 集散控制系統(tǒng)運行及維護 高職高專 ppt 課件第10頁，共40頁，2022年，5月20日，1點46分，星期四 二、集散控制系統(tǒng)的硬件結構 3.控制計算機(1)CPU 現(xiàn)場控制站大都采用Motorola公司 M68000 系列和Intel公司 80X86 系列的 CPU 產(chǎn)品。(2)存儲器 控制計算機的存儲器

9、也分為RAM和ROM。(3)總線 常見的控制計算機總線有Intel公司的多總線 MULTIBUS，“EOROCARD”標準的 VME 總線。(4)輸入/輸出通道模擬量輸入輸出通道(AI/AO) 開關量輸入/輸出通道(SI/SO) 脈沖輸入通道(PI) (5)通信設備 交換機、modem、集線器等(6)外存儲器、打印機等第11頁，共40頁，2022年，5月20日，1點46分，星期四 二、集散控制系統(tǒng)的硬件結構 DCS 操作站一般分為操作員站和工程師站兩種。操作站必須配置有以下設備。1、操作臺2、微處理機系統(tǒng)3、外部存儲設備4、圖形顯示設備5、操作鍵盤和鼠標6、打印輸出設備（二）操作站 第12頁，

10、共40頁，2022年，5月20日，1點46分，星期四 二、集散控制系統(tǒng)的硬件結構 1、冗余方式 DCS的冗余技術可以分為多重化自動備用和簡易的手動備用兩種方式。多重化自動備用就是對設備或部件進行雙重化或三重化設置，當設備或部件萬一發(fā)生故障時，備用設備或部件自動從備用狀態(tài)切換到運行狀態(tài)，以維持生產(chǎn)繼續(xù)進行。多重化自動備用還可以進一步分為同步運轉、待機運轉、后退運轉等三種方式。2、冗余措施 DCS的冗余包括通信網(wǎng)絡的冗余、操作站的冗余、現(xiàn)場控制站的冗余、電源的冗余、輸入/輸出模塊的冗余等。通常將工作冗余稱“熱備用”，而將后備冗余稱為“冷備用”。 除了硬件冗余外，DCS還采用了信息冗余技術，就是在發(fā)

11、送信息的末尾增加多余的信息位，以提供檢錯及糾錯的能力，降低通信系統(tǒng)的誤碼率。（三）DCS的冗余化結構 第13頁，共40頁，2022年，5月20日，1點46分，星期四 三、集散控制系統(tǒng)的軟件結構 所謂軟件是指完成各種功能的計算機程序的總和，它是計算機控制系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，整個系統(tǒng)的動作都是在軟件程序指揮下協(xié)調工作的。集散控制系統(tǒng)（DCS）軟件及其基本功能如圖2-2所示。 圖2-2 DCS軟件及其基本功能第14頁，共40頁，2022年，5月20日，1點46分，星期四 四、集散控制系統(tǒng)組態(tài) DCS組態(tài)是指根據(jù)實際生產(chǎn)過程控制的需要，利用DCS所提供的硬件和軟件資源，預先將這些硬件設備和軟件功能模塊組織

12、起來，以完成特定的任務。這種設計過程習慣上稱作組態(tài)或組態(tài)設計。從大的方面講，DCS的組態(tài)功能主要包括硬件組態(tài)(又叫配置)和軟件組態(tài)兩個方面。 第15頁，共40頁，2022年，5月20日，1點46分，星期四（一）集散控制系統(tǒng)硬件組態(tài) 集散控制系統(tǒng)的硬件組態(tài)實際上是完成系統(tǒng)設備間的軟連接，它是選擇硬件設備，然后在顯示器上完成系統(tǒng)硬件的配置，也就是硬件系統(tǒng)的建立(setup)問題，它包括以下幾個方面的的內容：工程師站的選擇(包括機型、顯示器尺寸、內存、硬盤容量、打印機等)；操作員站的選擇(包括操作員站的個數(shù)和操作員站的配置，如顯示器尺寸是否采用雙屏、主機型號、內存配置、磁盤容量的配置、打印機的臺數(shù)和

13、型號等)；現(xiàn)場控制站的選擇(包括現(xiàn)場控制站的個數(shù)、地域分布、每個現(xiàn)場控制站中所配的各種模板的種類及塊數(shù)、電源的選擇等)。硬件配置一般根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場具體要求來定。 第16頁，共40頁，2022年，5月20日，1點46分，星期四（二）集散控制系統(tǒng)的軟件組態(tài)DCS軟件組態(tài)包括畫面組態(tài)和控制組態(tài)。畫面組態(tài)主要完成操作員站上的各種畫面、畫面間連接；而控制組態(tài)是指控制系統(tǒng)軟件的生成，包括基本配置組態(tài)和應用軟件的組態(tài)?；九渲媒M態(tài)是給系統(tǒng)一個配置信息，采用面向問題的語言，其方法是填表式語言，可確定系統(tǒng)中各站的個數(shù)、組成、索引標志，每個站的最大點數(shù)、最短執(zhí)行周期等；應用軟件的組態(tài)采用功能塊語言，即把常用的運算功

14、能、信號交換功能、PID控制功能及其他功能所對應的程序預先固化成ROM中的各種模塊，然后用最簡單的編程語言或圖上作業(yè)方法將這些模塊進行軟連接，構成各種控制系統(tǒng)的應用軟件，這類應用軟件主要用于現(xiàn)場控制層。對于管理層的生產(chǎn)優(yōu)化或經(jīng)營優(yōu)化的管理軟件，仍然用高級語言(如C語言等)編制。第17頁，共40頁，2022年，5月20日，1點46分，星期四五、集散控制系統(tǒng)的基本功能 1、反饋控制2、串聯(lián)控制3、前饋控制4、順序控制（一）現(xiàn)場控制站的基本功能 第18頁，共40頁，2022年，5月20日，1點46分，星期四（二）操作站的基本功能1、顯示：它以模擬方式、數(shù)字方式及趨勢曲線實時顯示每個控制回路的測量值(

15、PV)、設定值(SV)及控制輸出值(MV)。2、操作：操作站可對全系統(tǒng)每個控制回路進行操作，對設定值、控制輸出值、3、報警：操作站以畫面方式、色彩 ( 或閃光 ) 方式、模擬方式、數(shù)字方式及音響信號方式對各種變量的越限和設備狀態(tài)異常進行各種類型的報警。4、系統(tǒng)組態(tài)：DCS 的組態(tài)分為系統(tǒng)組態(tài)和應用組態(tài)兩類，相應的有系統(tǒng)組態(tài)軟件和應用組態(tài)軟件。5、系統(tǒng)維護：當系統(tǒng)中的某設備發(fā)生故障時，一方面立刻切換到備用設備，另一方面經(jīng)通信網(wǎng)絡傳輸報警信息，在操作站上顯示故障信息，蜂鳴器等發(fā)出音響信號，督促工作人員及時處理故障。6、報表生成：根據(jù)生產(chǎn)管理需要，操作站可以打印各種班報、日報、操作日記及歷史記錄，還

16、可以拷貝流程圖畫面等。 第19頁，共40頁，2022年，5月20日，1點46分，星期四六、數(shù)據(jù)通信技術1、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的組成 通信是指用特定的方法，通過某種介質將信息從一處傳輸?shù)搅硪惶幍倪^程。一個最基本的通信系統(tǒng)，是由信息源、發(fā)送裝置/接收裝置（收發(fā)裝置或調制解調器）、信道、通信控制部件、信息宿及協(xié)議等部分組成，如圖2-3所示。 （一）數(shù)據(jù)通信原理圖2-3 通信系統(tǒng)模型 第20頁，共40頁，2022年，5月20日，1點46分，星期四2、通信類型模擬通信是以連續(xù)模擬信號傳輸信息的通信方式。數(shù)字通信是將數(shù)字信號進行傳輸?shù)耐ㄐ欧绞健?shù)字信號是具有一定編碼、格式和字長的數(shù)字信息。3、傳輸方式信息按其在

17、信道中的傳輸方向分為單工、半雙工和全雙工三種傳輸方式。(l) 單工（Simplex）通信方式：只允許信息沿一個方向（而不能作反向）傳輸。如圖2-4所示。 圖2-4 單工通信方式第21頁，共40頁，2022年，5月20日，1點46分，星期四(2) 半雙工（Half duplex）通信方式：允許信息在兩個方向上傳輸，但在同一時刻只限于一個方向的傳輸，如圖所示2-5所示。 圖2-5 半雙工通信方式(3) 全雙工（Full duplex）通信方式。允許信息同時在兩個方向上進行傳輸，如圖2-6所示。 圖2-6 全雙工通信方式第22頁，共40頁，2022年，5月20日，1點46分，星期四4、串行傳輸與并行

18、傳輸(1) 串行傳輸是把數(shù)據(jù)逐位依次在信道上進行傳輸?shù)姆绞?。如圖2-7 a)所示。(2) 并行傳輸是把數(shù)據(jù)多位同時在信道上進行傳輸?shù)姆绞?。如圖2-7 b)所示。 圖2-7 串行傳輸與并行傳輸 a) 串行傳輸 b) 并行傳輸?shù)?3頁，共40頁，2022年，5月20日，1點46分，星期四（二）通信網(wǎng)絡1、局部網(wǎng)絡的概念 局部區(qū)域網(wǎng)絡 (Local Area Network，LAN)，簡稱為局部網(wǎng)絡或局域網(wǎng)，是一種分布在有限區(qū)域內的計算機網(wǎng)絡，是利用通信介質將分布在不同地理位置上的多個具有獨立工作能力的計算機系統(tǒng)連接起來，并配置了網(wǎng)絡軟件的一種網(wǎng)絡，用戶能夠共享網(wǎng)絡中的所有硬件、軟件和數(shù)據(jù)等資源。2

19、、局部網(wǎng)絡拓撲結構 (1) 星型結構 星型結構如圖2-8 所示。 第24頁，共40頁，2022年，5月20日，1點46分，星期四圖2-8 星型拓撲結構第25頁，共40頁，2022年，5月20日，1點46分，星期四圖2-9 星型拓撲結構(2) 環(huán)型結構 環(huán)型結構如圖2-9 所示。 第26頁，共40頁，2022年，5月20日，1點46分，星期四圖2-11 總線型拓撲結構(3) 總線型結構 總線型結構如圖2-10 所示。 第27頁，共40頁，2022年，5月20日，1點46分，星期四圖2-11 樹型拓撲結構(4) 樹型結構 樹型結構如圖2-11所示。 第28頁，共40頁，2022年，5月20日，1點

20、46分，星期四圖2-12 菊花鏈拓撲結構(5) 菊花鏈結構 如圖2-12所示。 第29頁，共40頁，2022年，5月20日，1點46分，星期四3、傳輸介質 傳輸介質是通信網(wǎng)絡的物質基礎。基金會現(xiàn)場總線支持的傳輸介質如下圖2-14所示。其常見的傳輸介質主要有雙絞線、同軸電纜和光纜三種，如圖2-15所示。 第30頁，共40頁，2022年，5月20日，1點46分，星期四第31頁，共40頁，2022年，5月20日，1點46分，星期四4、DCS的網(wǎng)絡控制方式(1) 查詢方式 (2) 自由競爭方式 (3) 令牌傳送方式 (4)存儲轉發(fā)式 5、差錯控制技術(1) 差錯控制(2) 傳輸錯誤及可靠性指標(3)

21、反饋重發(fā)糾錯方式(ARQ) 奇偶檢驗 循環(huán)冗余碼校驗 循環(huán)冗余碼(Cyclic Redundancy Check，CRC)簡稱循環(huán)碼，它的檢錯能力相當強，是DCS中最常用字的糾錯碼。 第32頁，共40頁，2022年，5月20日，1點46分，星期四（三）通信協(xié)議1、通信協(xié)議的概念 網(wǎng)絡通信功能包括數(shù)據(jù)傳輸和通信控制兩大部分。將通信的全過程稱為通信體系結構，一組組通信控制功能應當遵守通信雙方共同約定的規(guī)則，并受這些規(guī)則的約束。在計算機通信網(wǎng)絡中，對數(shù)據(jù)傳輸過程進行管理的規(guī)則稱為協(xié)議。2、開放系統(tǒng)互連參考模型 開放系統(tǒng)互連參考模型( OSI) 是將開放系統(tǒng)的通信功能分為七層，描述了分層的意義及各層的

22、命名和功能。開放系統(tǒng)互連參考模型如圖2-16所示。第33頁，共40頁，2022年，5月20日，1點46分，星期四圖2-16 開放系統(tǒng)互連參考模型 第34頁，共40頁，2022年，5月20日，1點46分，星期四（四）現(xiàn)場總線簡介 現(xiàn)場總線是指應用在生產(chǎn)現(xiàn)場、連接智能現(xiàn)場設備和自動化測量控制系統(tǒng)的全數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結構的通信網(wǎng)絡 1、現(xiàn)場總線的國際標準 (1) IEC TC65(國際電工委員會第 65 技術委員會) 2003年IEC 通過了修訂的現(xiàn)場總線國際標準 IEC 61158，共有10種類型，其內容見表2-1。 第35頁，共40頁，2022年，5月20日，1點46分，星期四第36頁，共40頁，2022年，5月20日，1點46分，星期四(2) IEC TC17(國際電工委員會第 l7 技術委員會) IEC62026 有 4 種現(xiàn)場總線類型，即AS-i(Actuator Sensor Interface，執(zhí)行器傳感器接口，Siemens 公司)；Device Net (設備網(wǎng)，Rockwell 公司