《集散控制系统》PPT课件.ppt
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1、2023/5/20,1,第9章 集散控制系统,2023/5/20,2,主要内容,集散控制系统的发展过程集散控制系统的概念集散控制系统的体系结构集散控制系统的功能特点集散控制系统的发展趋势典型的集散控制系统,2023/5/20,3,9.1 集散控制系统的发展过程与概念,随着大规模集成电路的问世,微处理器的诞生,控制技术、显示技术、计算机技术、通信技术等的进一步发展,人们开始将计算机应用于仪表产品和控制系统中。,2023/5/20,4,9.1 集散控制系统的发展过程与概念,最初的计算机控制系统是替代常规控制仪表的直接数字控制系统(DDC),它容易进行信息通信,实现集中控制、显示和操作,控制精度高,
2、使生产过程综合控制水平得到提高。但是,在大型工厂或装置中,一台计算机往往要集中控制几十甚至几百个回路,事故发生的危险性高度集中,一旦计算机控制系统出现故障,控制、监视和操作都无法进行,给生产带来很大影响,甚至造成全局性的重大事故。集中控制的固有缺陷使DDC未能得到普及推广。,直接数字控制系统的不足,2023/5/20,5,9.1 集散控制系统的发展过程与概念,进入20世纪70年代后,为了进一步提高控制系统的安全性和可靠性,开发研制了新型的集散控制系统(Distributed Control System,简称DCS)。所谓集散控制系统就是以微处理器为基础的集中分散型控制系统。该控制系统实现了控
3、制分散、危险分散,并将操作、监视和管理集中,克服了常规仪表控制系统功能单一和计算机控制系统危险集中的局限性,能够实现连续控制、间歇(批量)控制、顺序控制、数据采集处理和先进控制,将操作、管理和生产过程密切结合。,2023/5/20,6,9.1 集散控制系统的发展过程与概念,DCS英文直译为“分散控制系统”。“集散控制系统”是按中国人习惯理解而称谓的,集散控制系统的主要特征是它的集中管理和分散控制。它采用危险分散、控制分散,而操作和管理集中的基本设计思想,多层分级、合作自治的结构形式,同时也为正在发展的先进过程控制系统提供了必要的工具和手段。,2023/5/20,7,9.1 集散控制系统的发展过
4、程与概念,自从美国霍尼韦尔(Honeywell)公司于1975年首次向世界范围推出TDC2000集散控制系统以来,DCS的结构和性能日臻完善,已经在炼油、石油化工、电力、钢铁、纺织、食品加工等部门得到了广泛的应用,取得了良好的经济效益。纵观DCS发展过程,大致可分为三个阶段。,2023/5/20,8,9.1 集散控制系统的发展过程与概念,(1)第一阶段(初创期)1975-1980年是初创阶段。世界各大公司纷纷推出自己的集散型控制系统,这一时期典型的DCS系统除了Honeywell的TDC-2000系统外,还有Foxboro的Spectrum系统、Yokogawa(横河)的CENTUM系统、Ba
5、iley公司的Network-90系统、Siemens的Teleperm M系统和肯特公司的P4000等。,2023/5/20,9,9.1 集散控制系统的发展过程与概念,(2)第二阶段(成熟期)1980-1985年的第二阶段是DCS的成熟期。这期间随着各种高新技术,特别是信息处理技术和计算机网络技术的飞速发展,一方面是硬件和软件技术不断更新,例如现场控制的CPU由16位向32位过渡,现场控制站的功能大为增强;操作站采用高分辨率的CRT和掩模式控制盘;系统软件水平不断提高,系统自检功能增强,开发了各类大、中、小型具有数、模混合顺序控制功能的集散系统。另一方面,开发了高层次的综合信息管理系统,以适
6、应企业发展的需要。由于系统技术不断成熟,通过众多厂家参与竞争,DCS价格开始下降,DCS的应用更加广泛。典型的DCS产品类型有:Honeywell的TDC-3000、Taylor公司的MOD300、ABB公司的MASTER、LEEDS&NORTHROP公司的MAX等。,2023/5/20,10,9.1 集散控制系统的发展过程与概念,(3)第三阶段(扩展期)1985年至今为DCS扩展期。这一阶段,DCS系统把过程控制、监督控制、管理调度有机地结合起来,并继续加强逻辑控制功能。这一时期DCS的特点是系统功能综合化和系统网络开放性水平不断提高。功能综合化体现在DCS的管理功能增强,包括原材料进厂到生
7、产设计、计划进度、质量检查、成品包装、出厂及供销等一系列信息的管理调度;另一方面是DCS的控制功能增强,实现DCS的过程自动化与顺序控制、机电控制相结合的综合控制。而DCS开放性改变了过去各个DCS自成系统的封闭结构,形成了连接规则标准化的开放通信网络,在一定程度上实现了不同厂家设备的网络兼容。新一代DCS采用微型无引线元器件和软印制线路板、表面贴装技术新工艺,体积小、可靠性高;除使用本公司软件外,还能使用C、Fortran、Pascal、Basic等高级语言作为编程工具。扩展期的典型DCS系统有Honeywell的TDC-3000UCN、Yokogawa的CENTUM-XL和XL、Baile
8、y公司的INFI-90系统、Westing House的WDPF 系统等。,2023/5/20,11,9.2 集散控制系统的体系结构,集散控制系统的体系结构通常为三级。第一级为分散过程控制级;第二级为集中操作监控级;第三级为综合信息管理级。各级之间由通信网络连接,级内各装置之间由本级的通信网络进行通信联系。,2023/5/20,12,9.2 集散控制系统的体系结构,2023/5/20,13,9.2 集散控制系统的体系结构,分散过程控制级过程控制级是集散控制系统的基础,是实现生产过程分散控制的关键。它与生产过程直接联系,完成生产过程实时信号采集、变换、处理、输入、输出、运算和控制。其主要硬件有过
9、程控制单元、过程输入输出单元、信号处理与变换单元和备用盘装仪表等。其主要任务是进行数据采集、直接数字控制;对设备进行监测和自诊断;以及实施安全化、冗余化措施等。,2023/5/20,14,1-DCS的分散过程控制级,现场控制站 现场控制站的构成 机箱(柜)电源PC总线工业控制机 通信控制单元 手动、自动显示操作单元现场控制站的功能现场控制站的功能主要有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。,2023/5/20,15,1-DCS的分散过程控制级,智能调节器 以微处理器技术为基础的智能调节器(如单回路、多回路智能调节器)由于具有数据通信功能,
10、因此在DCS的分散过程控制级也得到了广泛的应用。智能调节器是一种数字化的过程控制仪表,其外表类似于一般的盘装仪表。智能调节器不仅可接受420mA,DC电流信号输入的设定值,还具有异步通信接口RS422485、RS232等,可与上位机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。,2023/5/20,16,1-DCS的分散过程控制级,可编程序控制器(PLC)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入、输出通道,用于执行顺序控制功能。PLC主要用于生产过程中按时间顺序控制或逻辑控制的场合,以取代复杂的继电器控制装置。在较新型的PLC中,也提供了模拟量控制模块,其
11、输入输出的模拟量标准与智能调节器相同。同时也提供了PID等控制算法。PLC一般均带有RS422标准的异步通信接口,可与上位机连成主从式总线型网络,构成DCS。,2023/5/20,17,9.2 集散控制系统的体系结构,集中操作监控级集中操作监控级的主要功能是过程操作、监视、优化过程控制和数据存档等。该级是面向操作员和控制系统工程师的,因此配有技术手段齐备、功能强的计算机系统及各类外部装置,特别是CRT显示器和键盘,一级需要较大存储容量的硬盘或软盘支持;另外还需要功能强的软件支持,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。其具体组成包括:监控计
12、算机;工程师显示操作站;操作员显示操作站。,2023/5/20,18,2-DCS的集中操作监控级,显示操作站的构成 监控计算机 键盘 CRT显示器 打印机 显示操作站的功能 显示操作站主要是和操作员以及工程师有关的系统的功能;操作员在运转整个系统时必要的操作功能,工程师为了进行系统的生成和维护时必要的工程师功能。,2023/5/20,19,9.2 集散控制系统的体系结构,综合信息管理级这一级由管理计算机、办公自动化系统、工厂自动化服务系统构成,从而实现整个企业的综合信息管理。综合信息管理主要包括生产管理和经营管理。生产管理级可根据订货、库存和能源等情况来规划产品结构和生产规模,并可根据市场情况
13、重新规划和随机更改产品结构。此外,还可对全厂状况进行观察、产品数量和质量进行监视,并能根据与经营管理级互相传递数据、报表等。经营管理级的管理范围包括:工程技术、商业事务、人事管理及其他方面,这些功能集成在软件系统中。在经营管理级中,通过与公司的经理部、市场部、规划部和人事部等进行对市场的分析、用户信息收集、订货系统分析、合同、接收订货与期限监督、产品制造协调、价格计算、生产与交货期限监督等,以便实现整个制造系统的最优良管理。,2023/5/20,20,3-DCS的综合信息管理级,MIS的组成 MIS的硬件组成 DCS中主要由管理计算机、办公自动化服务系统、工厂自动化服务系统构成综合信息管理级,
14、这些部分也就是MIS的硬件组成 MIS的软件组成 企业MIS可粗略地分为市场经营管理、生产管理、财务管理和人事管理四个于系统。DCS中MIS的功能 DCS的综合信息管理级主要由MIS来实现生产管理和经营管理。,2023/5/20,21,9.2 集散控制系统的体系结构,通信网络系统DCS各级之间的信息传输主要依靠通信网络系统来支持,根据各级的不同要求,通信网络又分成低速、中速、高速通信网络。低速网络面向分散过程控制级;中级网络面向集中操作控制级;高速网络面向高速通信网络管理级。,2023/5/20,22,9.2 集散控制系统的体系结构,例:TDC-3000网络系统,2023/5/20,23,9.
15、2 集散控制系统的体系结构,TDC-3000有三种通信网络:工厂控制网络(PCN)、局部控制网络(LCN)、通用控制网络(UCN)和高速数据通道(Data Hiway)。前三者均为局域网,通信特性相同。后者用来支持设备间点对点的通信及资源共享。局部控制网络用两条冗余的同轴电缆作为传输介质。通信协议采用IEEE802标准,介质存取方式为令牌总线,信息以帧方式传递。采用循环冗余校验码和重发纠错技术,以确保信息的安全传送。每个网络最多可接64个设备,信息在64个设备上传送的时间最长约为0.42s,最短为1.8ms,每个设备占用介质发送时间为30s。每个设备都有两个网络接口,对两条同轴电缆发送和接收信
16、息,互为冗余。发送与接收电路采用变压器隔离方式。所采用的硬件和软件措施可保证网络通信的高速、可靠和安全。,2023/5/20,24,9.2 DCS体系结构,从DCS的层次结构考察硬件构成,最低级是与生产过程直接相连的过程控制级。在不同的DCS中,过程控制级所采用的装置结构形式大致相同,但名称各异,如过程控制单元、现场控制站、过程监测站、基本控制器、过程接口单元等,在这里,我们统称现场控制单元FCU。这一级实现了DCS的分散控制功能,所采用的装置又称分散控制装置,由安装在控制机柜内的标准化模件组装而成。生产过程的各种参量由传感器接受并转换送给现场控制单元作为控制和监测的依据,而各种操作通过现场控
17、制单元送到各执行机构。有关信号的模拟量和数字量的转换、各类基本控制算法也在现场控制单元中完成。,2023/5/20,25,9.2 DCS体系结构,DCS的各级都以计算机为核心,其中生产管理级、经营管理级是由功能强大的计算机来实现,没有更多的硬件构成,这里不再详细阐述。过程管理级由工程师站、操作员站、管理计算机和显示装置组成直接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为一个系统,这个过程称为系统的组态。采用组态的方式构建系统可以极大限度地减少许多重复的工作,为DCS的推广应用提
18、供了技术保证。DCS的硬件组态就是根据实际系统的规模对计算机及其网络系统进行配置,选择适当的工程师站、操作员站和现场控制单元。,2023/5/20,26,9.3 集散控制系统的功能特点,集散控制系统与传统的仪表控制系统和一般计算机控制系统比较,具有以下几个特点:分散控制,集中管理 在计算机控制系统的应用初期,控制系统是集中的(如DDC),一台计算机完成全部过程控制和操作监视。一旦计算机故障,整个系统瘫痪,风险过于集中。分散控制将控制任务分散到下层的各个过程控制单元(PCU)完成,各过程控制单元独自完成自己的工作,一旦现场控制单元出现故障,仅影响所管辖的控制回路,真正做到了危险分散。分散的含义包
19、括地域分散、功能分散、设备分散和操作分散,这样就提高了设备的可利用率。此外,在集散控制系统中采用了多功能CRT工作站,它集中了生产过程全部信息,并以多画面(如工艺流程画面、控制过程画面、操作画面等)方式显示,真正做到了集中管理。,2023/5/20,27,9.3 集散控制系统的功能特点,硬件积木化,软件模块化 DCS采用积木化硬件组装式结构,使得系统配置灵活,可方便地构成多级控制系统。如果要扩大或缩小系统的规模,只需按要求在系统中增加或拆除部分单元,而系统不会受到任何影响。这样的组合方式,有利于企业分批投资,逐步形成一个在功能和结构上由简单到复杂、从低级到高级的现代化管理系统。DCS为用户提供
20、了丰富的功能软件,用户只需按要求选用即可,大大减少了用户的开发工作量。功能软件主要包括控制软件包、操作显示软件包和报表打印软件包等,并提供至少一种过程控制语言,供用户开发高级的应用软件。,2023/5/20,28,9.3 集散控制系统的功能特点,采用局域网通信技术 分布于各地域的现场控制单元与CRT操作站间的数据通信采用了局域网技术,传输实时信息,CRT操作站对全系统的信息进行综合管理。CRT操作站对现场控制单元进行操作、控制和管理,保证整个系统协调地工作。由于大多数集散控制系统的局域网采用光纤传输媒介,通信的安全性大大提高,这是集散控制系统优于一般计算机控制系统的重要特点之一。完善的控制功能
21、 集散控制系统的控制单元具有连续、分散、批量控制等功能,其算法功能模块多达上千种,可实现各种高级控制,例如,串级控制、前馈-反馈控制、Smith预估控制、自适应控制、推理控制以及多变量解耦控制等。,2023/5/20,29,9.3 集散控制系统的功能特点,管理能力强 目前,集散控制系统的管理水平已达到:生产过程自动化,实现过程监控、节能控制、安全监控、环境监测和生产计划管理等;工厂自动化,实现加工、装配、检查、挑选、设备故障诊断及产品质量管理等;实验室自动化;办公室自动化。安全可靠性高 由于集散控制系统采用了多微处理器分散控制结构,且广泛采用冗余技术、容错技术、各单元具有自检查、自诊断、自修理
22、和电源保护功能,大大提高了系统的安全可靠性。高性能/价格比 集散控制系统功能齐全,技术先进,安全可靠。大规模集散控制系统的投资与相同控制回路和功能的传统仪表控制系统相比将更低廉。,2023/5/20,30,9.4 集散控制系统的发展趋势,随着计算机技术的发展及其在工业控制系统中的应用,DCS表现出十分优越的性能,将工业过程自动化提高到一个新的水平。但是传统的DCS基于模拟仪表,而模拟仪表的单一功能,使得与工业生产过程打交道的过程监控站仍是集中的;现场信号的检测、传输与控制还是保留了与常规仪表相同的方式,即通过传感器或变送器检测物理信号并转换成标准的420mA信号以模拟方式进行传输。这种方式在检
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