DCS控制说明.docx

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DCS控制说明

DCS系统包括控制节点、操作节点、通信网络。

控制节点包括控制站，通信接口。

操作节点包括工程师站，操作员站，服务器站，数据管理站。

通信网络包括管理信息网，过程信息网，过程控制网，I/O总线。

控制站硬件包括机柜，机笼，供电，卡件。

机柜包括机笼、交换机、电源模块、端子板、卡件。

机笼分为电源机笼和卡件机笼；卡件包括主控卡、数据转发卡、I/O卡件及端子板。

现场接线箱里面包括接线端子和接线端子排。

DCS的硬件体系结构

　　考察DCS的层次结构，DCS级和控制管理级是组成DCS的两个最基本的环节。

　　过程控制级具体实现了信号的输入、变换、运算和输出等分散控制功能。

在不同的DCS中，过程控制级的控制装置各不相同，如过程控制单元、现场控制站、过程接口单元等等，但它们的结构形式大致相同，可以统称为现场控制单元FCU。

过程管理级由工程师站、操作员站、管理计算机等组成，完成对过程控制级的集中监视和管理，通常称为操作站。

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成为一个系统，这个过程称为系统的组态。

（1）现场控制单元

　　现场控制单元一般远离控制中心，安装在靠近现场的地方，其高度模块化结构可以根据过程监测和控制的需要配置成由几个监控点到数百个监控点的规模不等的过程控制单元。

　　现场控制单元的结构是由许多功能分散的插板（或称卡件）按照一定的逻辑或物理顺序安装在插板箱中，各现场控制单元及其与控制管理级之间采用总线连接，以实现信息交互。

　　现场控制单元的硬件配置需要完成以下内容：

　　插件的配置根据系统的要求和控制规模配置主机插件（CPU插件）、电源插件、I/O插件、通信插件等硬件设备；

　　硬件冗余配置对关键设备进行冗余配置是提高DCS可靠性的一个重要手段，DCS通常可以对主机插件、电源插件、通信插件和网络、关键I/O插件都可以实现冗余配置。

　　硬件安装不同的DCS，对于各种插件在插件箱中的安装，会在逻辑顺序或物理顺序上有相应的规定。

另外，现场控制单元通常分为基本型和扩展型两种，所谓基本型就是各种插件安装在一个插件箱中，但更多的时候时需要可扩展的结构形式，即一个现场控制单元还包括若干数字输入/输出扩展单元，相互间采用总线连成一体。

　　就本质而言，现场控制单元的结构形式和配置要求与模块化PLC的硬件配置是一致的。

（2）操作站

　　操作站以来显示并记录来自各控制单元的过程数据，是人与生产过程信息交互的操作接口。

典型的操作站包括主机系统、显示设备、键盘输入设备、信息存储设备和打印输出设备等，主要实现强大的显示功能（如模拟参数显示、系统状态显示、多种画面显示等等）、报警功能、操作功能、报表打印功能、组态和编程功能等等。

　　另外，DCS操作站还分为操作员站和工程师站。

从系统功能上看，前者主要实现一般的生产操作和监控任务，具有数据采集和处理、监控画面显示、故障诊断和报警等功能。

后者除了具有操作员站的一般功能以外，还应具备系统的组态、控制目标的修改等功能。

从硬件设备上看，多数系统的工程师站和操作员站合在一起，仅用一个工程师键盘加以区分。

1、人机界面，操作员站、工程师站、历史站，俗称上位机，用于操作设备，监视参数，系统组态，历史记录等；

2、DPU，俗称下位机，用于执行系统逻辑、运算并发出指令；

3、I/O模件，用于收集现场一次设备、元件的参数，硬接线实现，分模拟量和开关量等；

4、继电器柜，用于执行DPU的指令，如设备启停等；

5、系统电源柜，用于DCS系统电源供给，双路；

6、数据高速公路，同轴电缆或双绞线，用于数据传输；

7、数字交换机，用于联系上位机和下位机的枢纽；

主要包括：

现场监测站、现场控制站、操作员站、工程师站、上位计算机、通信网络

1.现场监测站直接与生产过程相连接，实现对过程非控制变量进行数据采集。

它完成数据采集和预处理，并对实时数据进一步加工，为操作站提供数据，实现对过程变量和状态的监视和打印，实现开环监视，或为控制回路运算提供辅助数据和信息。

2.现场控制站也直接与生产过程相连接，它的功能比现场监测站更强，不仅要对控制变量进行检测、处理，还要输出控制信号驱动现场的执行机构，自主实现生产过程的闭环控制。

3.操作员站简称操作站，是操作人员进行过程监视、过程控制操作的主要设备。

操作站提供良好的人机关互界面，用以实现集中显示、集中操作和集中管理等功能。

4.工程师站主要用于对DCS进行离线的组态工作和在线的系统监督、控制与维护。

工程师能够借助组态软件对系统进行离线组态，并在DCS在线运行时实时地监视DCS网络上各站的运行情况。

5.上位计算机用于全系统的信息管理和优化控制。

6.通信网络是集散控制系统的中枢，它连接DCS的监测站和控制站、操作站、工程师站、上位计算机等部分，完成各部分之间的数据、指令及其他信息的传递，进行数据和信息共享，从而实现整个系统协调一致地工作。

关于DCS控制系统的功能与原理说明

什么是DCS控制系统？

　　DCS是分布式控制系统的英文缩写（DistributedControlSystem），在国内自控行业又称之为集散控制系统。

即所谓的分布式控制系统，或在有些资料中称之为集散系统，是相对于集中式控制系统而言的一种新型计算机控制系统，它是在集中式控制系统的基础上发展、演变而来的。

它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机，通信、显示和控制等4C技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活以及组态方便。

　　首先，DCS的骨架—系统网络，它是DCS的基础和核心。

由于网络对于DCS整个系统的实时性、可靠性和扩充性，起着决定性的作用，因此各厂家都在这方面进行了精心的设计。

对于DCS的系统网络来说，它必须满足实时性的要求，即在确定的时间限度内完成信息的传送。

这里所说的“确定”的时间限度，是指在无论何种情况下，信息传送都能在这个时间限度内完成，而这个时间限度则是根据被控制过程的实时性要求确定的。

因此，衡量系统网络性能的指标并不是网络的速率DCS，即通常所说的每秒比特数（bps），而是系统网络的实时性，即能在多长的时间内确保所需信息的传输完成。

系统网络还必须非常可靠，无论在任何情况下，网络通信都不能中断，因此多数厂家的DCS均采用双总线、环形或双重星形的网络拓扑结构。

为了满足系统扩充性的要求，系统网络上可接入的最大节点数量应比实际使用的节点数量大若干倍。

这样，一方面可以随时增加新的节点，另一方面也可以使系统网络运行于较轻的通信负荷状态，以确保系统的实时性和可靠性。

在系统实际运行过程中，各个节点的上网和下网是随时可能发生的，特别是操作员站，这样，网络重构会经常进行，而这种操作绝对不能影响系统的正常运行，因此，系统网络应该具有很强在线网络重构功能。

DCS控制系统的功能组成

　　典型的DCS体系结构分为三层，第一层为分散过程控制级；第二层为集中操作监控级；第三层为综合信息管理级。

层间由高速数据通路HW和局域网络LAN两级通信线路相连，级内各装置之间由本级的通信网络进行通信联系。

第一层：

分散过程控制级

分散过程控制级是DCS的基础层,它向下直接面向工业对象，其输入信号来自于生产过程现场的传感器（如热电偶、热电阻等）、变送器（如温度、压力、液位、流量等）及电气开关（输入触点）等，其输出去驱动执行器（如调节阀、电磁阀、电机等），完成生产过程的数据采集、闭环调节控制、顺序控制等功能；其向上与集中操作监控级进行数据通信，接收操作站下传加载的参数和操作命令，以及将现场工作情况信息整理后向操作站报告。

构成这一级的主要装置有：

现场控制站，可编程控制器，智能调节器及其它测控装置。

　　1、.现场控制站

　　现场控制站具有多种功能——集连续控制、顺序控制、批量控制及数据采集功能为一身。

（1）现场控制站的硬件构成现场控制站一般是标准的机柜式机构，柜内由电源、总线、I/O模件、处理器模件、通信模件等部分组成。

一般在机柜的顶部装有风扇组件，其目的是带走机柜内部电子部件所散发出来的热量；机柜内部设若干层模件安装单元，上层安装处理器模件和通信模件，中间安装I/O模件，最下边安装电源组件。

机柜内还设有各种总线，如电源总线，接地总线，数据总线，地址总线，控制总线等等。

现场控制站的电源不仅要为柜内提供电源，还要为现场检测器件提供外供电源，这两种电源必须互相隔离，不可共地，以免干扰信号通过电源回路耦合到I/O通道中去。

　　一个现场控制站中的系统结构，包含一个或多个基本控制单元，基本控制单元是由一个完成控制或数据处理任务的处理器模件以及与其相连的若干个输入／输出模件所构成的（有点类似于IPC）。

基本控制单元之间，通过控制网络Cnet连接在一起，Cnet网络上的上传信息通过通信模件，送到监控网络Snet，同理Snet的下传信息，也通过通信模件和Cnet传到各个基本控制单元。

在每一个基本控制单元中，处理器模件与I/O模件之间的信息交换由内部总线完成。

内部总线可能是并行总线，也可能是串行总线。

近年来，多采用串行总线。

（2）现场控制站的软件功能

　　现场控制站的主要功能有6种，即数据采集功能、DDC控制功能、顺序控制功能、信号报警功能、打印报表功能、数据通信功能：

　　数据采集功能：

对过程参数，主要是各类传感变送器的模拟信号进行数据采集、变换、处理、显示、存储、趋势曲线显示、事故报警等。

　　DDC控制功能：

包括接受现场的测量信号，进而求出设定值与测量值的偏差，并对偏差进行PID控制运算，最后求出新的控制量，并将此控制量转换成相应的电流送至执行器驱动被控对象。

　　顺序控制功能：

通过来自过程状态输入输出信号和反馈控制功能等状态信号，按预先设定的顺序和条件，对控制的各阶段进行顺序控制。

　　信号报警功能：

对过程参数设置上限值和下限值，若超过上限或下限则分别进行越限报警；对非法的开关量状态进行报警；对出现的事故进行报警。

信号的报警是以声音、光或CRT屏幕显示颜色变化来表示。

　　打印报表功能：

定时打印报表；随机打印过程参数；事故报表的自动记录打印。

数据通信功能：

完成分散过程控制级与集中操作监控之间的信息交换。

2.智能调节器

　　智能调节器是一种数字化的过程控制仪表，也称可编程调节器。

其外形类似于一般的盘装仪表，而其内部是由微处理器CPU、存储器RAM、ROM、模拟量和数字量I/0通道、电源等部分组成的一个微型计算机系统。

智能调节器可以接受和输出4~20mA模拟量信号和开关量信号，同时还具有RS-232或RS-485等串行通信接口。

一般有单回路、2回路、或4回路的调节器，控制方式除一般的单回路PID之外，还可组成串级控制、前馈控制等复杂回路。

因此，智能调节器不仅可以在一些重要场合下单独构成复杂控制系统，完成1~4个过程控制回路，而且可以作为大型分散控制系统中最基层的一种控制单元，与上位机（即操作监控级）连成主从式通信网络，接受上位机下传的控制参数，并上报各种过程参数。

　　3.可编程控制器

　　可编程控制器即PLC，与智能调节器最大的不同点是：

它主要配制的是开关量输人、输出通道，用于执行顺序控制功能。

在新型的PLC中，也提供了模拟量输入输出及PID控制模块，而且均带有RS-485标准的异步通信接口。

同智能调节器一样，PLC的高可靠性和不断增强的功能，使它既可以在小型控制系统中担当控制主角，又可以作为大型分散控制系统中最基层的一种控制单元。

　　二、第二层集中操作监控级

　　集中操作监控级是面向现场操作员和系统工程师的，如图1所示的中间层。

这一级配有技术手段先进，功能强大的计算机系统及各类外部装置，通常采用较大屏幕、较高分辨率的图形显示器和工业键盘，计算机系统配有较大存储容量的硬盘或软盘，另外还有功能强大的软件支持，确保工程师和操作员对系统进行组态、监视和操作，对生产过程实行高级控制策略、故障诊断、质量评估等。

集中操作监控级以操作监视为主要任务：

把过程参数的信息集中化，对各个现场控制站的数据进行收集，并通过简单的操作，进行工程量的显示、各种工艺流程图的显示、趋势曲线的显示以及改变过程参数（如设定值、控制参数、报警状态等信息）;另一个任务是兼有部分管理功能：

进行控制系统的组态与生成。

　　构成这一级的主要装置有：

面向操作人员的操作员操作站、面向监督管理人员的工程师操作站、监控计算机及层间网络联接器。

一般情况下，一个DCS系统只需配备一台工程师站，而操作员站的数量则需要根据实际要求配置。

　　1.操作员操作站

　　DCS的操作员站是处理一切与运行操作有关的人-机界面功能的网络节点，其主要功能就是使操作员可以通过操作员站及时了解现场运行状态、各种运行参数的当前值、是否有异常情况发生等。

并可通过输出设备对工艺过程进行控制和调节，以保证生产过程的安全、可靠、高效、高质。

（1）操作员站的硬件

　　操作员站由IPC或工作站、工业键盘、大屏幕图形显示器和操作控制台组成，这些设备除工业键盘外，其他均属通用型设备。

目前DCS一般都采用IPC来作为操作员站的主机及用于监控的监控计算机。

　　操作员键盘多采用工业键盘，它是一种根据系统的功能用途及应用现场的要求进行设计的专用键盘，这种键盘侧重于功能键的设置、盘面的布置安排及特殊功能键的定义。

　　由于DCS操作员的主要工作基本上都是通过CRT屏幕、工业键盘完成的，因此，操作控制台必须设计合理，使操作员能长时间工作不感吃力。

另外在操作控制台上一般还应留有安放打印机的位置，以便放置报警打印机或报表打印机。

　　作为操作员站的图形显示器均为彩色显示器，且分辨率较高、尺寸较大。

　　打印机是DCS操作员站的不可缺少的外设。

一般的DCS配备两台打印机，一台为普通打印机，用于生产记录报表和报警列表打印;另一台为彩色打印机，用来拷贝流程画面。

（2）操作员站的功能

　　操作员站的功能主要是指正常运行时的工艺监视和运行操作，主要由总貌画面、分组画面、点画面、流程图画面、趋势曲线画面、报警显示画面及操作指导画面等7种显示画面构成。

　　2.工程师操作站

　　工程师站是对DCS进行离线的配置、组态工作和在线的系统监督、控制、维护的网络节点。

其主要功能是提供对DCS进行组态，配置工具软件即组态软件，并通过工程师站及时调整系统配置及一些系统参数的设定，使DCS随时处于最佳工作状态之下。