第八课DCS控制系统.docx

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第八课DCS控制系统

第四章DCS控制系统

安徽化工学校陶运道

集散控制系统的英文原名为:

DistributedControlSystem，简称DCS，通常也称为集散控制系统。

集散控制系统的控制功能，主要由计算机技（computer）、控制技术（Control）、显示技术（CRT）和通信技术（communicate）来完成，一般也称为4C技术，4C技术是DCS系统的四大支柱。

DCS中通信技术更为重要，操作员站的操作、工程师站系统的组态以及现场设备信息的交换都依靠通信技术来完成。

第一节集散控制系统的构成

一集散控制系统的构成方式

如图是集散控制系统典型结构。

功能分层是集散控制系统的体系特征反映了集散控制系统的“分散控制、集中管理”的特点。

从功能上看可以分为：

四个层次，分别是现场控制级的功能；过程装置控制级；车间操作管理级；全厂优化和调度管理级。

从结构看分为：

三大块，分别是分散过程控制装置；集中操作和管理系统；通信系统。

图4.1DCS结构

（一）集散控制系统的各层功能

1、现场控制级的功能

（1）微处理器进入现场变送器、传感器和执行器；现场总线的应用。

部分或完全完成过程控制级的功能；

（2）采集过程数据，对数据进行数据转换；

（3）输出过程操作命令；

（4）进行直接数字控制；

（5）完成与过程装置控制级的数据通信；

（6）对现场控制级的设备进行检测和诊断。

2、过程装置控制级的功能

过程装置控制级的结构采用过程控制设备+I/O卡件，其功能是：

（1）采集过程数据，进行数据转换和处理；

（2）数据的监视和存储；

（3）实施连续、批量或顺序控制的运算和输出控制作用；

（4）数据和设备的自诊断；

（5）数据通信。

3、车间操作管理级的功能

车间操作管理级设备有中央控制室操作站、打印机、拷贝机、工程师站、计算站，能完成功能是：

（1）数据显示与记录

（2）过程操作（含组态操作、维护操作）

（3）数据存储和压缩归档

（4）报警、事件的诊断和处理

（5）系统组态、维护和优化处理

（6）数据通信；

（7）报表打印和画面硬拷贝。

4、全厂优化和调度管理级的功能

（1）从系统的观点：

原料到销售进行优化协调，优化控制

（2）协调和调度各车间生产计划和各部门的联系；

（3）主要数据的显示、存储和打印；数据通信。

（二）集散系统三大基本构成的特征

三大块与四层的关系：

（1）分散过程控制装置对应于现场控制级和过程控制装置级；

（2）集中操作和管理系统对应于车间操作管理级和全厂优化调度管理级；

（3）通信系统完成各层之间的通信。

1、分散过程控制装置特点

适应恶劣是生产环境；分散控制；实时性；独立性。

2、集中操作和管理系统特点

信息量大；易操作性；容错性好；

3、通信系统部分

传输速率；误码率；开放性；互操作性

二冗余化的结构

为了提高系统的可靠性，集散控制系统重要设备、对全局系统有影响的公共设备上常采用冗余结构。

经常采用的冗余方式有：

同步运转方式；待机运转方式；后退运转方式；多级操作方式。

1、同步运转方式

让两台或两台以上的装置以相同的方式同步运转，输入相同的信号，进行相同的处理，然后对输出进行比较，如果输出保持一致则系统是正常运行的。

双重冗余、“三中取二”（连锁）应用于可靠性要求极高的场合

2、待机运转方式

采用N台同类设备，采用一台后备设备，平时后备设备处于准备状态，一旦N台设备中某一台设备发生故障，能启动后备设备使其运转。

3、后退运转方式

正常时，N台设备各自分担各自功能进行运转，当其中一台设备损坏时，其余设备放弃部分不重要的功能，以此来完成损害设备的功能。

典型：

CRT和操作站（第一台监视、第二台操作、第三台报警）

4、多级操作方式

纵向冗余的方法。

正常操作是从上一层进行的，如该层故障则由下一层完成，这样逐步向下形成对最终元件执行器的控制。

例如：

功能模块设有手动、自动切换开关

三集散控制系统的结构分类

三大组成部分：

分散控制装置+通信系统+集中操作和管理装置

（1）工业级微机+通信系统+操作管理机

工业级微机用作多功能、多回路的分散控制装置；操作管理机使用PC机，相应软件由软件厂商开发。

（2）单回路控制器+通信系统+工业级微机

单回路控制器作为分散控制装置；工业级微机作为操作管理站，通用性强、自行开发软件。

适用于中小型企业（集散控制系统）。

（3）PLC+通信系统+工业级微机

PLC作为分散控制装置；其他同2。

在制造业广泛应用的集散控制系统的结构，尤其适用于有大量逻辑顺序控制的过程。

（4）工业级微机+通信系统+工业级微机

工业级微机既作分散控制装置，也作操作和管理装置。

（5）智能前端+通信系统+工业级微机

智能前端指用于生产现场的智能控制设备，作为分散控制装置；用于小型集散控制系统。

第二节典型的DCS结构介绍

一TDC-3000系统构成

TDC-3000是美国Honeywell公司继世界上首套DCS系统TDC-2000之后推出的新的DCS系统，在世界上得到了广泛的应用。

图4-2是TDC-2000的基本结构。

控制网络采用单层冗余结构；操作站负责操作与数据存储；不同控制器实现不同过程的控制。

虽然TDC200实现了计算机取代了传统仪表控制，但不能实现优化控制，控制规模小，仅适合一套生产装置的控制。

PIU-过程接口单元；CB/EC-控制器/增强控制器；AMC-多功能控制器；DataHiway-通信通道BOS-基本操作站

图4.2TDC-2000基本结构

TDC-3000系统由LCN网络及其模件、UCN网络及其管理站和DH通信通道及其设备组成，如图4.3所示。

图4.3TDC-3000系统组成

1、局部控制网络（LCN）及其模件

局部控制网络（LCN）及其模件组成七个部分组成。

主要完成系统监视、操作、工程管理和维护；先进控制和综合信息处理；提供与过程控制网络之间的连接；实现LCN网络上模件之间的通信、信息处理与存储。

（1）LCN：

局部控制网络，可以连接64个模件，通信速度为5Mbps。

（2）US：

万能操作站，可实现操作人员对生产的监视和控制和工程师对系统的组态。

（3）AM：

应用模件：

完成复杂的计算，实现多变量控制功能以提高过程控制及管理水平。

（4）HM：

历史模件，是TDC3000存储单元。

可以存储过程报警，操作员状态改变、操作员信息、系统维护提示信息、连续过程历史数据等，还存储系统文件、确认点文件及在线维护信息。

（5）PLNM：

PLC网络管理。

（6）HG/NIM：

高速通道接口/网络接口模块，它们是LCN与数据高速通道（DataHiway）,万能控制网络（UCN）进行数据通信的接口。

（8）VAX上位计算机

2、万能控制网络（UN）及其管理站

万能控制网络（UN）用于各过程控制站（PM），安全系统（SM）通信，是实现数据采集与控制功能的过程网络。

通过网络接口模件（NIM）与局部网络（LCN）相连，实现用户需要的监视、操作、信息管理和系统维护等功能。

3、数据高速通道及其设备

DHW用来连接基本控制器（BC）、增强控制器（EC）、多功能控制器（MC），先进多功能控制器（AMC）、过程接口单元（PIU），实现生产过程的控制和数据采集。

通过高速通道接口（HG）与局部控制网络（LCN）相连，实现用户的监视、操作、信息管理和系统维护等功能。

二CENTUM-CS集散控制系统

1、系统的构成

横河电机CENTUMCS3000集散控制系统（DCS）是一个结构真正开放的系统。

最小配置包括一个FCS（现场控制站）和一个HIS（操作站）组成。

图4.4是一典型的CS3000系统。

图4.4CENTUMCS系统结构图

（1）HumanInterfaceStation（HIS）操作站用于运行操作和监视。

采用了微软公司的Windows2000或WindowsXP作为操作系统和横河公司指定的工业用高性能计算机。

因此系统工作站具有很强的安全性和可靠性。

（2）FieldControlStation（FCS）现场控制器用于过程Ｉ／Ｏ信号处理，完成模拟量调节、顺序控制、逻辑运算、批量控制等实时控制运算功能。

（3）EngineeringStation（EWS）工程师站用于设计组态、仿真调试及操作监视。

采用Ｗｉｎｄｏｗｓ２０００或最新的WindowsXP作为操作系统的横河指定的高性能计算机。

（4）ESB总线（Ｅｘｔｅｎｄｅｄ　Ｓｅｒｉａｌ　Ｂａｃｋｂｏａｒｄ　Ｂｕｓ）用于控制站内，中央主控制器ＦＣＵ同本地Ｉ／Ｏ节点之间进行数据传输的双重化实时通讯总线，网络拓扑构成：

总线型，通讯速率：

１２８Ｍｂｐｓ，每台控制站可连接１4个Ｉ／Ｏ节点，最大通讯距离2０ｍ。

（5）SystemIntegrationOPCStation（SIOS）OPC系统集成网关用于将系统控制总线Vnet/IP与用于与子系统以太网相连接的网关。

（6）Vnet/IP控制总线用于进行操作监视及信息交换的双重化实时控制网络。

整个网络采用心型结构，兼容V-net和TCP/IP协议。

通讯速率：

１Gｂｐｓ，通讯距离最大２０ｋｍ，连接站数：

６４站／域，２５６站／系统。

由于增加了控制网络的开放性，更多的非CEMTUM网络设备可以直接挂接在控制网络上。

2、控制站分类及控制总线

CENTUMCS3000系统对于不同需求有标准型FCS、扩展型FCS和紧凑型FCS。

标准型FCS、增强型FCS可进一步分成两类：

一类使用RIO（RemoteI/O）,由RIOBus连接；

另一类使用FIO（FieldNetworkI/O），由ESBBus/ERBus连接。

（1）RIO总线型FCS——LFCS

图4.5RIO总线型FCS

RIOBUS（用于RIO型）相关数据

最大连接设备：

8Node/FCU

传输速率：

2mb/s

传输介质：

双绞线、光纤。

传输距离：

双绞线750m

光纤20Km

（2）FIO标准型现场控制站型FCS

一个FCU最多连10个NODE，若连接远程NODE，最多不能超过9个。

每个NODE单元有12个槽位，左边8个为I/O模件槽位，右边4个是BUS接口模件和供电模件槽位。

模件需要冗余配置时，只能是I01-I02，I03-I04，I05-I06，I07-I08相互后备。

图4.6ESBBU总结线型FCS

ESBBUS（用于FIO型）相关数据

最大连接设备：

10Node/FCU

传输速率：

128mb/s

传输介质：

专用电缆YCB301。

传输距离：

最大10m。

第三节CS2000的基础

一CS2000总体结构

CS2000是浙江中控公司开发的一种DCS。

CS2000是纵向分层，横向分散的大型综合控制系统，它以多层局部网络为依托，将分布在整个企业范围内的各种控制设备和数据处理设备连接在一起，实现各部分的信息共享和协调工作，共同完成各种控制、管理和决策任务。

CS2000分为三层：

高层管理网络，过程控制网络和现场的SUB总线。

如图所示。

图4.7CS2000总体结构

1、系统主要设备

（1）控制站（CS）

实现对物理位置、控制功能都相对分散的现场生产过程进行控制的主要硬件设备称为控制站（ControlStation，简称CS）。

通过不同的硬件配置和软件设置可构成不同功能的控制站，包括数据采集站（DAS）、逻辑控制站（LCS）和过程控制站（PCS）三种类型。

第一类控制站：

一个数据采集站可处理384点（AI/AO），或1024点开关量（DI/DO）

第二类控制站：

逻辑控制站（LCS）64个AI1024个DI/DO

第三类控制站：

过程控制站（PCS）可处理128个回路，256个AI/AO（模拟量输入/模拟量输出），1024个DI/DO（数字量输入/数字量输出）

主控卡是控制站是控制站的主要设备，它是一种智能卡件，能完成多种过程运算和数字运算，并通过SUB总线获得IO卡件的交换交换信息。

它与现场信号点联系是通过数据转接卡连接来完成的。

如图所示。

图4.8主控卡与现场连接

（2）操作站（OS）

由工业PC机、CRT、键盘、鼠标、打印机等组成的人机接口设备称为操作站（OperatorStation，简称OS），是操作人员完成工艺过程监视、操作、记录等管理任务的环境。

（3）工程师站（ES）

集散控制系统中用于控制应用软件组态、系统监视、系统维护的工程设备称为工程师站（EngineerStation，简称ES）。

它是为专业工程技术人员设计的。

内装有相应的组态平台和系统维护工具，工程师站的硬件配置与操作站基本一致。

（4）通信接口单元（CIU）

用于实现CS2000系统与其它计算机、各种智能控制设备（如PLC）接口的硬件设备称为通信接口单元（CommunicationInterfaceUnit，简称CIU或通信管理站）。

（5）多功能站（MFS）

用于工艺数据的实时统计、性能运算、优化控制、通信转发等特殊功能的工程设备统称为多功能站（Multi-functionStation，简称MFS）。

（6）过程控制网（SCnetⅡ

将控制站、操作站、通信接口单元等硬件设备连接起来，构成一个完整的分布式控制系统，实现系统各节点间相互通信的网络称为SCnetⅡ过程控制网（简称SCnetⅡ）。

SCnetⅡ采用的是冗余10Mbps（局部可达100Mbps）工业太网。

2、系统软件

组态软件包中包括SCKey（系统组态）、SCDraw（流程图绘制）、SCControl（图形化组态）、SCDiagnose（系统诊断）等工具软件；同时还有用于过程实时监视、操作、记录、打印、事故报警等功能的实时监控软件AdvanTrol/AdvanTrol-Pro。

PIMS（ProcessInformationManagementSystems）软件是自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，以灵活多变的组态方式，提供了良好的开发环境和简捷的使用方法，各种软件模块可以方便地实现和完成监控层的需要，并能支持各种硬件厂商的计算机和I/O设备，是理想的信息管理网开发平台。

二通信网络

1、信息管理网Ethernet

信息管理网连接各个控制装置的网桥和企业各类管理计算机，用于工厂级的信息传送和管理，是实现全厂综合管理的信息通道。

信息管理网通过在多功能站MFS上安装双重网络接口（信息管理和过程控制网络）转接的方法，获取集散控制系统中过程参数和系统运行信息，同时向下传送上层管理计算机的调度指令和生产指导信息。

管理网采用大型网络数据库实现信息共享，并可将各种装置的控制系统连入企业信息管理网，实现工厂级的综合管理、调度、统计和决策等。

信息管理网的基本特性为：

（1）拓扑结构：

总线形或星形结构；

（2）传输方式：

曼彻斯特编码方式；

（3）通信控制：

符合IEEE802.3标准协议和TCP/IP标准协议；

（4）通信速率：

10Mbps、100Mbps、1Gbps等；

（5）网上站数：

最大1024个；

（6）通信介质：

双绞线（星形连接）、50Ω细同轴电缆、50Ω粗同轴电缆（总线形连接，带终端匹配器）、光纤等；

（7）通信距离：

最大10km。

信息管理网开发平台采用PIMS软件。

2、SCnetⅡ

过程控制网SCnetⅡ直接连接控制站、操作站、工程师站、通信接口单元等，是传送过程实时信息的通道，具有很高的实时性和可靠性。

过程控制网是在10baseEthernet基础上开发的网络系统，各节点的通信接口均采用专用以太网控制器，数据传输遵循TCP/IP和UDP/IP协议。

SCnetⅡ基本性能指标如下：

（1）拓扑结构：

总线形或星形结构；

（2）传输方式：

曼彻斯特编码方式；

（3）通信控制：

符合IEEE802.3标准协议和TCP/IP标准协议；

（4）通信速率：

10Mbps、100Mbps等；

（5）节点容量：

最多15个控制站、32个操作站或工程师站或多功能站；

（6）通信介质：

双绞线、RG-58细同轴电缆、RG-11粗同轴电缆、光缆；

（7）通信距离：

最大10km。

CS2000SCnetⅡ网络采用双重化冗余结构

图4.9CS2000SCnetⅡ网络采用双重化冗余结构

3、SBUS总线

SBUS总线是控制站各卡件之间进行信息交换的通道。

SBUS总线由两层构成，即SBUS-S1和SBUS-S2。

主控制卡就是通过SBUS总线来管理分散于各个机笼的I/O卡件的。

第一层为双重化总线SBUS-S2，它是系统的现场总线，位于控制站所管辖的I/O机笼之间，连接主控制卡和数据转发卡，用于主控制卡与数据转发卡间的信息交换；

第二层为SBUS-S1网络，位于各I/O机笼内，连接数据转发卡和各块I/O卡件，用于数据转发卡与各块I/O卡件间的信息交换。

SBUS-S2级和SBUS-S1级之间为数据存储转发关系，按SBUS总线的S2级和S1级进行分层寻址。