集散系統(tǒng)基礎(chǔ)知識體系硬件

集散系統(tǒng)基礎(chǔ)知識體系硬件第1頁/共58頁2

●2.1集散控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

●2.2集散控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)

●2.3集散控制系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)

●2.4集散控制系統(tǒng)的基本功能本章主要內(nèi)容第2頁/共58頁32.1集散控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)本節(jié)內(nèi)容提要?集散控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的特征●縱向分層●橫向分散●設(shè)備分級●網(wǎng)絡(luò)分層?按照功能，集散控制系統(tǒng)設(shè)備分為四級●現(xiàn)場控制級●過程控制級●過程管理級●經(jīng)營管理級?與四級設(shè)備對應(yīng)的四層網(wǎng)絡(luò)●現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)●控制網(wǎng)絡(luò)●監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)●管理網(wǎng)絡(luò)第3頁/共58頁4圖2.1集散控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)控制網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)管理網(wǎng)絡(luò)第4頁/共58頁51.現(xiàn)場控制級

(1)典型的現(xiàn)場控制級設(shè)備●各類傳感器●各類變送器●各類執(zhí)行器(2)現(xiàn)場控制級設(shè)備的主要任務(wù)●完成過程數(shù)據(jù)采集與處理?！裰苯虞敵霾僮髅?、實(shí)現(xiàn)分散控制?！裢瓿膳c上級設(shè)備的數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫共享。第5頁/共58頁62.過程控制級(1)過程控制級主要設(shè)備過程控制站、數(shù)據(jù)采集站、現(xiàn)場總線服務(wù)器①過程控制站●產(chǎn)生控制作用?！窨梢詫?shí)現(xiàn)反饋控制、邏輯控制、順序控制和批量控制等功能。第6頁/共58頁7②數(shù)據(jù)采集站●接收大量的非控制過程信息；●不直接完成控制功能。③現(xiàn)場總線服務(wù)器●一臺安裝了現(xiàn)場總線接口卡與DCS監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)接口卡的計(jì)算機(jī)。第7頁/共58頁83.過程管理級（1）過程管理級的主要設(shè)備

①操作站●操作人員與DCS相互交換信息的人機(jī)接口設(shè)備；●DCS的核心顯示、監(jiān)視、操作和管理裝置。②工程師站●對DCS進(jìn)行配置、組態(tài)、調(diào)試、維護(hù)。③監(jiān)控計(jì)算機(jī)●實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的監(jiān)督控制；●機(jī)組運(yùn)行優(yōu)化和性能計(jì)算，先進(jìn)控制策略的實(shí)現(xiàn)等。第8頁/共58頁9（2）過程管理級設(shè)備的主要功能●對生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)測和控制；●對DCS進(jìn)行配置、組態(tài)、調(diào)試、維護(hù)；●對各種設(shè)計(jì)文件進(jìn)行歸類和管理；●實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的監(jiān)督控制，故障檢測和數(shù)據(jù)存檔。

第9頁/共58頁104.經(jīng)營管理級

（1）經(jīng)營管理級的設(shè)備廠級管理計(jì)算機(jī)監(jiān)視企業(yè)各部門的運(yùn)行情況。生產(chǎn)裝置的管理計(jì)算機(jī)具有能夠?qū)刂葡到y(tǒng)做出高速反應(yīng)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。第10頁/共58頁11（2）經(jīng)營管理級設(shè)備的主要功能●監(jiān)視企業(yè)各部門的運(yùn)行情況；●實(shí)時(shí)監(jiān)控承擔(dān)全廠性能監(jiān)視、運(yùn)行優(yōu)化、全廠負(fù)荷分配和日常運(yùn)行管理等任務(wù)；●日常管理承擔(dān)全廠的管理決策、計(jì)劃管理、行政管理等任務(wù)。第11頁/共58頁122.2集散控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)本節(jié)內(nèi)容提要?控制站包括現(xiàn)場控制站和數(shù)據(jù)采集站等?！駲C(jī)柜●電源●控制計(jì)算機(jī)●其他部件?操作站一般分為操作員站和工程師站?！癫僮髋_

●微處理機(jī)系統(tǒng)●圖形顯示設(shè)備

●操作鍵盤和鼠標(biāo)

●打印輸出設(shè)備等?冗余技術(shù)●冗余方式：多重化自動備用和手動備用?！袢哂啻胧和ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)冗余、操作站冗余、現(xiàn)場控制站冗余、電源冗余、輸入/輸出模塊冗余。

第12頁/共58頁132.2.1現(xiàn)場控制站?主要設(shè)備：現(xiàn)場控制單元。?主要任務(wù)：進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及處理，對被控對象實(shí)施閉環(huán)反饋控制、順序控制和批量控制。?用戶可以根據(jù)不同的應(yīng)用需求，選擇配置不同的現(xiàn)場控制單元以構(gòu)成現(xiàn)場控制站?！褚悦嫦蜻B續(xù)生產(chǎn)的過程控制為主，順序邏輯控制為輔，構(gòu)成一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)多種復(fù)雜控制方案的現(xiàn)場控制站;●

以順序控制、聯(lián)鎖控制功能為主的現(xiàn)場控制站；●構(gòu)成對大批量過程信號進(jìn)行總體信息采集的現(xiàn)場控制站。第13頁/共58頁141.機(jī)柜

現(xiàn)場控制站機(jī)柜機(jī)柜間機(jī)柜組有了現(xiàn)場控制站，生產(chǎn)過程控制的安全性和可靠性都很容易得到保證中央控制室機(jī)柜間第14頁/共58頁15現(xiàn)場控制單元多層I/O卡件箱電源單元通信接口接線端子板機(jī)柜正面（前面）機(jī)柜背面（后面）現(xiàn)場控制站機(jī)柜第15頁/共58頁162.電源（1）電源系統(tǒng)的可靠性措施●每一個(gè)現(xiàn)場控制站均采用雙電源供電，互為冗余?！癫捎贸壐綦x變壓器，將其初級、次級線圈間的屏蔽層可靠接地，以克服共模干擾的影響?！癫捎媒涣麟娮诱{(diào)壓器，快速穩(wěn)定供電電壓?！衽溆胁婚g斷供電電源UPS，以保證供電的連續(xù)性。?現(xiàn)場控制站內(nèi)各功能模塊所需直流電源一般為±5V、±15V(或±12V)、以及+24V。第16頁/共58頁17（2）增加直流電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性措施●給主機(jī)供電與給現(xiàn)場設(shè)備供電的電源要在電氣上隔離，以減少相互間的干擾

?！癫捎萌哂嗟碾p電源方式給各功能模塊供電?！褚话阌山y(tǒng)一的主電源單元將交流電變?yōu)?4V直流電供給柜內(nèi)的直流母線，然后通過DC-DC轉(zhuǎn)換方式將24V直流電源變換為子電源所需的電壓?！裰麟娫匆话悴捎?/p>

1:1冗余配置，而子電源一般采用

N:1冗余配置。第17頁/共58頁18新疆獨(dú)山子石化目前使用的P+FPS1550

容錯(cuò)型直流電源。第18頁/共58頁19報(bào)警監(jiān)視——所有關(guān)鍵部位均有自動報(bào)警監(jiān)視，通過LED顯示報(bào)警信息并可通過報(bào)警繼電器觸點(diǎn)輸出。第19頁/共58頁201550/TB-IN交流輸入端子模塊帶2路獨(dú)立的相互隔離的電源輸入端子和報(bào)警輸出端子第20頁/共58頁21第21頁/共58頁22第22頁/共58頁23第23頁/共58頁24內(nèi)置冷卻風(fēng)扇

三個(gè)內(nèi)置散熱風(fēng)扇，均帶LED指示，內(nèi)部統(tǒng)一報(bào)警監(jiān)視。第24頁/共58頁25所有模塊均支持在線熱插拔功能容錯(cuò)性:

交流輸入和直流24V輸出都可配置成N+1模塊冗余第25頁/共58頁263.控制計(jì)算機(jī)

控制器電源單元I/O卡件現(xiàn)場總線接口卡件導(dǎo)軌控制計(jì)算機(jī)第26頁/共58頁27?控制計(jì)算機(jī)一般是由CPU、存儲器、輸入/輸出通道等基本部分組成。(1)CPU

●用以實(shí)現(xiàn)算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算?！窨梢詧?zhí)行復(fù)雜的先進(jìn)控制算法，如自動整定、預(yù)測控制、模糊控制和自適應(yīng)控制等。第27頁/共58頁28(2)存儲器

●控制計(jì)算機(jī)的存儲器分為RAM和ROM?！裨诳刂朴?jì)算機(jī)中ROM占有較大的比例?！裼捎诳刂朴?jì)算機(jī)在正常工作時(shí)運(yùn)行的是一套固定的程序，DCS中大都采用了程序固化的辦法?！裨谌哂嗫刂朴?jì)算機(jī)系統(tǒng)中，還特別設(shè)有雙端口隨機(jī)存儲器RAM，其中存放有過程輸入輸出數(shù)據(jù)、設(shè)定值和PID參數(shù)等。第28頁/共58頁29(3)總線

●總線是將現(xiàn)場控制站內(nèi)部各單元連接起來的通信介質(zhì)。(4)輸入/輸出通道

●模擬量輸入/輸出(AI/AO)●開關(guān)量輸入/輸出(SI/SO)●脈沖量輸入通道(PI)第29頁/共58頁30①模擬量輸入輸出通道(AI/AO)

●模擬量輸入通道(AI)?模擬量輸入通道(AI)將來自在線檢測儀表和變送器的連續(xù)性模擬電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，送給CPU進(jìn)行處理?！衲M量輸出通道(AO)

?模擬量輸出通道(AO)一般將計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為4~20mADC(或1~5VDC)的連續(xù)直流信號，用于控制各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)。第30頁/共58頁31②開關(guān)量輸入/輸出通道(SI/SO)

●開關(guān)量輸入通道(SI)主要用來采集各種限位開關(guān)、繼電器或電磁閥連動觸點(diǎn)的開、關(guān)狀態(tài)，并輸入至計(jì)算機(jī)?！耖_關(guān)量輸出通道(SO)主要用于控制電磁閥、繼電器、指示燈、聲光報(bào)警器等只具有開、關(guān)兩種狀態(tài)的設(shè)備。第31頁/共58頁32③脈沖輸入通道(PI)

脈沖輸入通道(PI)將現(xiàn)場儀表（如渦輪流量計(jì)等）輸出的脈沖信號處理后送入計(jì)算機(jī)。第32頁/共58頁332.2.2操作站嵌入型臺式操作站

桌面型操作站信息報(bào)警站工程師站控制站顯示器標(biāo)準(zhǔn)鍵盤

主機(jī)操作站主機(jī)柜

工作臺中央控制室設(shè)備第33頁/共58頁34

●操作臺

●微處理機(jī)系統(tǒng)

●外部存儲設(shè)備

●圖形顯示設(shè)備

●操作鍵盤和鼠標(biāo)

●打印輸出設(shè)備DCS操作站主要設(shè)備操作站設(shè)備第34頁/共58頁35辦公桌式操作臺打印機(jī)顯示器鍵盤計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

操作臺做成一臺桌子形式，桌臺面上放置顯示器和操作鍵盤，而處理機(jī)系統(tǒng)放在桌下或桌上。第35頁/共58頁36集成式操作臺

操作臺是一個(gè)金屬整體，將處理機(jī)系統(tǒng)、顯示器和操作鍵盤等嵌在其內(nèi)。第36頁/共58頁37雙屏操作臺上屏下屏操作鍵盤

在一個(gè)操作臺內(nèi)嵌有上、下兩個(gè)屏幕，雙屏幕用一個(gè)處理機(jī)系統(tǒng)和一個(gè)操作鍵盤控制。第37頁/共58頁38處理機(jī)——高性能的工業(yè)控制機(jī)第38頁/共58頁39DCS專用薄膜鍵盤系列第39頁/共58頁40JX-300X的操作員鍵盤第40頁/共58頁41工程師站畫面一第41頁/共58頁42工程師站畫面二第42頁/共58頁43儀表面板顯示畫面

操作員站畫面一第43頁/共58頁44時(shí)間范圍前翻半頁后翻半頁當(dāng)前顯示在數(shù)據(jù)庫中位置本頁時(shí)間本頁描述時(shí)間軸時(shí)間軸指示時(shí)間顯示全部曲線消隱全部曲線趨勢曲線顯示畫面操作員站畫面二第44頁/共58頁45報(bào)警顯示畫面操作員站畫面三第45頁/共58頁46故障診斷畫面操作員站畫面四第46頁/共58頁47調(diào)整畫面操作員站畫面五第47頁/共58頁48典型DCS控制室布局第48頁/共58頁492.2.3冗余技術(shù)1.冗余方式第49頁/共58頁50（1）多重化自動備用雙重化配置輸入輸出輸入輸出三重化配置第50頁/共58頁51①同步運(yùn)轉(zhuǎn)方式●讓兩臺或兩臺以上的設(shè)備或部件同步運(yùn)行，進(jìn)行相同的處理，并將其輸出進(jìn)行核對?！駜膳_設(shè)備同步運(yùn)行，只有當(dāng)它們的輸出一致時(shí)，才作為正確的輸出，這種系統(tǒng)稱為“雙重化系統(tǒng)”(DualSystem)?！袢_設(shè)備同步運(yùn)行，將三臺設(shè)備的輸出信號進(jìn)行比較，取兩個(gè)相等的輸出作為正確的輸出值，這就是設(shè)備的三重化設(shè)置。第51頁/共58頁52②待機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方式●同時(shí)配備兩臺設(shè)備，使一臺設(shè)備處于待機(jī)備用狀態(tài)?！癞?dāng)工作設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，啟動待機(jī)設(shè)備來保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。這種方式稱為1:1的備用方式?！駥τ贜臺同樣設(shè)備，采用一臺待機(jī)設(shè)備的備用方式就稱為N:1備用?！翊龣C(jī)運(yùn)行方式是DCS中主要采用的冗余技術(shù)。第52頁/共58頁53③后退運(yùn)轉(zhuǎn)方式●使用多臺設(shè)備，在正常運(yùn)行時(shí)，各自分擔(dān)各種功能運(yùn)行?！癞?dāng)其中之一發(fā)生故障時(shí)，其他設(shè)備放棄其中一些不重要的功能，進(jìn)行互相備用。第53頁/共58頁54（2）簡易的手動備用方式●采用手動操作方式實(shí)現(xiàn)對自動控制方式的備用?！癞?dāng)自動方式發(fā)生故障時(shí)，通過切換成手動工作方式，來保持系統(tǒng)的控制功能。

第54頁/共58頁552.冗余措施●操作站的冗余：采用工作冗余的方式?！瘳F(xiàn)場控制站的冗余：有的采用

1:1冗余，也有的采用N:1冗余。采用無中斷自動切換方式?！耠娫吹娜哂啵撼?20V交流供電外，還采用了鎳鎘電池、鉛鈣電池以及干電池等多級掉電保