DCS集散控制系統(tǒng)學習教程1

第頁幻燈片1第二章集散控制系統(tǒng)（DCS）幻燈片22.1DCS的形成、發(fā)展和特點2.1.1DCS的概念集散控制系統(tǒng)（DistributedControlSystem）亦稱分布式控制系統(tǒng)（簡稱DCS），是結合多種先進技術而形成的，對生產(chǎn)過程進行集中監(jiān)測、操作、管理和分散控制的一種控制技術，是隨著現(xiàn)代大型工業(yè)生產(chǎn)自動化的不斷發(fā)展和過程控制要求的日益復雜應運而生的一種綜合控制系統(tǒng)，是完成過程控制、過程管理的現(xiàn)代化設備?；脽羝?國外稱集散控制系統(tǒng)是4C技術的產(chǎn)物。這4C就是指控制技術（Control）、計算機技術（Computer）、通信技術（Communication）、和CRT（CathodeRayTube）技術。DCS既不同于分散的儀表控制，又不同于集中式計算機控制系統(tǒng)，是4C技術相互滲透發(fā)展而產(chǎn)生的。幻燈片42.1.2DCS的發(fā)展情況過程控制設備的發(fā)展歷史，大概有以下幾個階段：30年代——機械式儀表現(xiàn)場操作；40年代——大型氣動式儀表控制室操作；50年代——氣動單元組合儀表控制室操作；60年代——電動單元組合儀表；70年代——集散控制系統(tǒng)。即經(jīng)過了就地分散控制――模擬儀表集中控制――計算機集中控制――計算機分散控制（DCS）幾個階段。集散控制系統(tǒng)從誕生之日起，已經(jīng)歷了三代，目前的第四代正在發(fā)展之中。幻燈片5DCS開創(chuàng)期：1975～1980年代表產(chǎn)品：Honeywell，TDC2000FOXBORO，SpectrumBaily，N-90恒河，CENTUM這些第一代的集散控制系統(tǒng)以微處理器為基礎的過程控制單元，實現(xiàn)多種控制功能算法，并實現(xiàn)分散控制；采用帶顯示器的操作站，及過程控制單元分離，實現(xiàn)集中監(jiān)視、集中操作、信息綜合管理；采用較先進的冗余通信系統(tǒng)、用同軸電纜作為傳輸媒質，實現(xiàn)控制單元及操作站的通信，已具有DCS的基本特點（即分散控制，集中管理），是DCS的雛形?；脽羝?DCS成長過渡期：1980～1985年代表產(chǎn)品：未變第二代的主要特點是在原來產(chǎn)品的基礎上進行改進，進一步提高可靠性并擴展和增強了功能。其特點是采用模塊化、標準化設計，數(shù)據(jù)通信向標準化遷移，板級模塊化，單元結構化，使之具有更強適應性和可擴充性；新開發(fā)的多功能過程控制站、增強型操作站采用了16位CPU及高分辨率CRT技術；通信系統(tǒng)已采用局域網(wǎng)絡（從主從式的星形變?yōu)榭偩€網(wǎng)絡或環(huán)網(wǎng)通信），使系統(tǒng)通信范圍擴大，同時數(shù)據(jù)傳輸速率也大大提高；控制功能更加完善，它能實現(xiàn)過程控制、數(shù)據(jù)采集、順序控制和批量控制功能。其基本結構由六部分組成，即局域網(wǎng)絡、多功能現(xiàn)場控制站、增強型操作站、主計算機、網(wǎng)絡連接器和系統(tǒng)管理站等?；脽羝?DCS完善期：80年代中后期代表產(chǎn)品：Honeywell，TDC3000FOXBORO，I/ASERIES Baily，INFI-90Moore，PACS這階段的特點是向開放式、標準化方向發(fā)展：實現(xiàn)了開放式的系統(tǒng)通信，向上能及MAP和Ethernet接口，或者通過網(wǎng)間連接器及其它網(wǎng)絡聯(lián)系，構成復合管理系統(tǒng)，并及不同制造商的產(chǎn)品能進行數(shù)據(jù)通信；向下支持現(xiàn)場總線，它使得過程控制或車間的智能變送器、執(zhí)行器和本地控制器之間能實現(xiàn)可靠的實時數(shù)據(jù)通信?；脽羝?開放系統(tǒng)是第三代集散控制系統(tǒng)主要特征。根據(jù)X/OPEN協(xié)會的定義，以規(guī)范化及實際存在的接口標準為依據(jù)而建立的計算機系統(tǒng)、網(wǎng)絡系統(tǒng)及相關的通信系統(tǒng)，這些標準可為各種應用系統(tǒng)的標準平臺提供軟件的可移植性、系統(tǒng)的互操作性、信息資源管理的靈活性和更大的可選擇性。開放系統(tǒng)的基本特征如下：可移植性（portability）互操作性（interoperability）可適宜性（scalability）可得到性（availability）幻燈片9DCS管控一體化時期：90年代初至今代表產(chǎn)品：Honeywell，TPS系統(tǒng)（TotalPlantSystem）PKS系統(tǒng)(ProcessknowledgeSystem)FOXBORO，I/A’S50/51系列控制系統(tǒng)Invensys 橫河，CENTUM－CSABB，ADVANT系統(tǒng)OCS開放控制系統(tǒng)當今的DCS是生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)及信息管理系統(tǒng)緊密結合的“管控一體化”的新一代集散型控制系統(tǒng)。由于工廠、企業(yè)的信息集成和管理已經(jīng)提到一定的高度，DCS系統(tǒng)的功能已不再只局限于生產(chǎn)過程的控制，在整個工廠、集團公司的管理中，DCS也能發(fā)揮相應的作用。幻燈片10DCS發(fā)展趨勢：向上發(fā)展：即向計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS：ComputerIntegratedManufacturingSystem）、計算機集成過程系統(tǒng)（CIPS：ComputerIntegratedProductionSystem）等信息化集成化系統(tǒng)發(fā)展。向下發(fā)展：即向現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)發(fā)展（FCS：FieldbusControlSystem），把系統(tǒng)控制能力移到現(xiàn)場，使得控制得到最終的分散，減少了輸入輸出的接口，減少了機柜的空間和附屬設備?；脽羝?12.1.3DCS的特點DCS集散控制是一個以通信網(wǎng)為紐帶的集中顯示、操作、管理、控制相對分散的多級計算機網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，由過程控制級、控制管理級和生產(chǎn)管理級所組成。DCS具有通用性強、系統(tǒng)組態(tài)靈活、控制功能完善、數(shù)據(jù)處理方便、顯示操作集中、人機界面友好、安裝簡單規(guī)范化、調試方便、運行安全可靠等特點?；脽羝?2分級遞階系統(tǒng)垂直方向：至少分為兩級——操作管理級和過程控制級。 水平方向：相互諧調的分級，把數(shù)據(jù)向上傳送到管理級，同時接收操作管理級的指令，各個水平分級之間相互進行數(shù)據(jù)交換?；脽羝?3分散控制集中：DDC，一旦計算機出現(xiàn)故障，將造成過程操作的全部癱瘓。 分散：不僅是分散控制，還包含其它含義，如人員分散，地域分散，功能分散，設備分散，操作分散等。目的是使危險分散，提高設備的可利用率?；脽羝?4自治和諧調性DCS上各工作站獨立自主地完成分配給自己的規(guī)定任務，具有控制功能分散，危險分散的特點，提高了系統(tǒng)的可靠性。各站的容量可擴充，配套軟件隨時可組態(tài)加載，是一個能獨立運行的高可靠性子系統(tǒng)。各自獨立的部分通過實時高可靠的工業(yè)控制局部網(wǎng)絡傳送各種信息并協(xié)調工作，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的信息共享；根據(jù)系統(tǒng)的特性對各個工作站進行協(xié)調控制，從而完成控制系統(tǒng)的總體功能和優(yōu)化控制?；脽羝?5友好性DCS的人機接口和軟件面向工業(yè)控制技術人員、工藝技術人員和生產(chǎn)操作人員，操作方便，顯示直觀，了解生產(chǎn)狀況直觀。DCS軟件采用實用而簡捷的人機會話系統(tǒng),CRT高分辨率交互圖形顯示,復合窗口技術,畫面豐富,縱觀、控制、調整、趨勢、流程圖、回路一覽、批量控制、計量報表、操作指導畫面、菜單功能等均具有實時性。平面密封式薄膜操作鍵盤、觸摸式屏幕、鼠標器、跟蹤球等操作設備使其更便于操作?；脽羝?6適應性、靈活性和可擴充性DCS的硬件和軟件采用開放式、標準化和模塊化設計，系統(tǒng)為積木式結構，具有靈活的配置，可適應不同用戶的需要。當工廠根據(jù)生產(chǎn)需要改變生產(chǎn)工藝和流程時，可改變系統(tǒng)的某些配置和控制方案，通過組態(tài)軟件，進行一些填寫表格式的操作即可實現(xiàn)?；脽羝?7在線性及實時性通過人機接口和I/O接口，DCS對過程對象的數(shù)據(jù)進行實時采集、處理、記錄、監(jiān)視、操作控制，并包括對系統(tǒng)結構和組態(tài)回路的在線修改、局部故障的在線維護等，提高了系統(tǒng)的可用性。幻燈片18可靠性高可靠性、高效率和高可用性是DCS的生命力所在，系統(tǒng)在設計階段就采用了一系列可靠性設計技術。如：容錯設計、冗余設計（硬件雙重化）、在線故障排除設計以及一系列抗干擾措施，使系統(tǒng)的可靠性得到了全面的提高?；脽羝?92.1.4國內DCS的發(fā)展情況DCS問世于1975年，生產(chǎn)廠家主要集中在美、日、德等國。我國從70年代中后期起，首先以大型進口設備成套引入國外的DCS，首批有化纖、乙烯、化肥等項目。當時，我國主要行業(yè)（如電力、石化、建材和冶金等）的DCS基本全部進口。80年代初期在引進、消化和吸收的同時，開始了研制國產(chǎn)化DCS的技術攻關?；脽羝?0近十幾年來，特別是“九五”以來，我國DCS系統(tǒng)研發(fā)和生產(chǎn)發(fā)展很快，崛起了一批優(yōu)秀企業(yè)，但國外DCS產(chǎn)品在國內市場中占有率還較高，其中主要是Honeywell和恒河公司的產(chǎn)品。今后幾年，DCS作為自動化儀表行業(yè)主要產(chǎn)品的地位不會動搖。幻燈片212.2DCS的體系結構2.2.1DCS的體系結構概述DCS的結構是一個分布式系統(tǒng)，從整體邏輯結構上講，是一個分支樹結構。其縱向結構分為過程控制級、控制管理級和生產(chǎn)管理級三級遞階結構。整個系統(tǒng)由3部分構成，即集中管理部分、分散控制監(jiān)測部分和網(wǎng)絡通信部分?；脽羝?2DCS體系結構示意圖：幻燈片23DCS系統(tǒng)層次化結構的形成，經(jīng)歷了20世紀60年代的中央計算機集中控制，20世紀70年代的兩級自動化控制結構和其后的三層計算機控制系統(tǒng)三個階段。右圖為三級計算機控制系統(tǒng)圖?；脽羝?4DCS系統(tǒng)的體系結構按功能通常分為四級，第一級為直接控制級，第二級為過程管理級，第三級為產(chǎn)品管理級，第四級為經(jīng)營管理級。各級之間通過通信網(wǎng)絡相連，各級內部各站或單元由本級的通信網(wǎng)絡進行通信聯(lián)系?；脽羝?5DCS系統(tǒng)的功能分層圖：幻燈片262.2.2DCS體系結構的各層功能DCS體系結構的各級功能，總體上可用下圖表示：幻燈片27直接控制級（過程控制級）在這一級上，過程控制計算機直接及現(xiàn)場各類裝置（變送器、執(zhí)行器、記錄儀等）相連，對所連接的裝置實施檢測及控制，同時接收上層來的管理信息，并向上層傳遞裝置的特性數(shù)據(jù)和采集到的實時數(shù)據(jù)?；脽羝?8直接過程控制級是集散控制系統(tǒng)的基礎，其主要功能有：（1）進行過程數(shù)據(jù)采集：現(xiàn)場檢測模擬量、數(shù)字量和脈沖量的輸入/輸出并進行轉換處理，控制運算結果的直接輸出。（2）進行直接的數(shù)字過程控制：根據(jù)控制組態(tài)數(shù)據(jù)庫中的控制算法模塊，各種控制回路的運算(回路調節(jié)、邏輯運算等等)，來實施對實時過程量的控制。（3）進行設備監(jiān)測和系統(tǒng)的測試和診斷：把過程變量和狀態(tài)信息提取后，分析是否可以接受以及是否允許向高層傳輸，進而確定是否對被控裝置實施調節(jié)；必要時實施報警、錯誤或診斷報告等措施。（4）實施安全性、冗余化方面的措施：一旦發(fā)現(xiàn)故障，就立即實施備用件的切換?；脽羝?9過程管理級在這一級上的過程管理計算機主要有監(jiān)控計算機、操作站、工程師站。它綜合監(jiān)視過程各站的所有信息，集中顯示操作，控制回路組態(tài)和參數(shù)修改，優(yōu)化過程處理等。這一層的具體功能有:優(yōu)化過程控制自適應回路控制優(yōu)化單元內各裝置幻燈片30工程師站：負責系統(tǒng)的管理、控制組態(tài)、系統(tǒng)的生成及下裝；操作員站：是人機接口，由PC機系統(tǒng)(含CRT、鍵盤、打印機)負責生產(chǎn)工藝的操作控制、過程狀態(tài)顯示、報警狀態(tài)顯示、實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的顯示、打印等；上位機：即管理計算機，它實現(xiàn)生產(chǎn)調度管理、優(yōu)化計算、生產(chǎn)經(jīng)營管理及分析決策等層次的管理和計算?；脽羝?1產(chǎn)品管理級（生產(chǎn)管理級）在這一級上的管理計算機根據(jù)產(chǎn)品各部件的特點，協(xié)調各單元級的參數(shù)設定，是產(chǎn)品的總體協(xié)同員和控制器，負責廠級的生產(chǎn)調度和優(yōu)化。要求根據(jù)用戶的訂貨情況、庫存情況、能源情況來規(guī)劃各單元中的產(chǎn)品結構和規(guī)模，并可對產(chǎn)品重新計劃，隨時更改產(chǎn)品結構。對于綜合全廠生產(chǎn)和產(chǎn)品監(jiān)視，以及產(chǎn)品報告也都在這一層實現(xiàn)，并及上層交換傳遞數(shù)據(jù)。具體有：規(guī)劃產(chǎn)品結構和規(guī)模；產(chǎn)品監(jiān)視；產(chǎn)品報告；工廠生產(chǎn)監(jiān)視?；脽羝?2經(jīng)營管理級經(jīng)營管理級居于工廠自動化系統(tǒng)的最高一層，負責全廠的總體協(xié)調管理，包括工程技術方面、經(jīng)濟方面、商業(yè)事務方面、人事活動等等，以達到組合優(yōu)化的目的?；脽羝?3這一級的主要功能包括：市場經(jīng)濟情報：包括情報收集、市場分析、預測、用戶反饋、市場趨勢等。銷售管理：包括合同管理、定貨交貨統(tǒng)計、合同履行、材料庫存、外購定貨管理等。生產(chǎn)管理：生產(chǎn)定貨安排、零部件計劃、外協(xié)管理、工期管理等。成本控制：包括制造成本、管理成本、價格核定等。質量管理：包括零部件、半成品、成品質量、外協(xié)部件質量控制的統(tǒng)計、工藝參數(shù)分析等。幻燈片342.2.3DCS示例－－霍尼韋爾TDC-3000系統(tǒng)美國Honeywell公司1975年推出第一套集散控制系統(tǒng)TDC-2000以來，相繼推出TDC-3000、TDC-3000*和TPS系統(tǒng)。目前，在世界上應用較廣而又具有四層體系結構的首推Honeywell公司推出的TDC3000系統(tǒng)，它于1983年10月發(fā)布，其宗旨就是要解決過程控制領域內的關鍵問題—過程控制系統(tǒng)及信息管理系統(tǒng)的協(xié)調，為實現(xiàn)全廠生產(chǎn)管理提供最佳系統(tǒng)。而TPS是TotalPlantSolution的縮寫，它是全廠一體化系統(tǒng)?；脽羝?5在集散控制系統(tǒng)的構成圖上，高速數(shù)據(jù)公路為通信系統(tǒng)的部分是該公司的第一代系統(tǒng)（TDC-2000）；以就地控制網(wǎng)（LCN）為通信系統(tǒng)的部分是第二代系統(tǒng)（TDC-3000）；以萬能控制網(wǎng)（UCN）為過程控制器的通信網(wǎng)絡、以UCN為開放式平臺的TDC-3000*系統(tǒng)是第三代系統(tǒng)；而TPS系統(tǒng)是以WinNT為開放式平臺的新一代系統(tǒng)?；脽羝?6TDC-3000系統(tǒng)分層結構圖幻燈片37通信系統(tǒng)TDC-3000系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡包括工廠信息網(wǎng)（PIN）、就地控制網(wǎng)（LCN）、萬能控制網(wǎng)（UCN）、數(shù)據(jù)高速公路（DH）和現(xiàn)場總線?；脽羝?8工廠信息網(wǎng)（PIN）：信息管理的重要組成部分，通過TPS節(jié)點（GUS、PHD），PIN可直接及LCN相連，實現(xiàn)管理信息系統(tǒng)及過程控制系統(tǒng)相連。局部控制網(wǎng)絡（LCN）：是TPS系統(tǒng)的主干網(wǎng)，符合IEEE802.2和IEEE802.4的載波通信網(wǎng)絡，曼徹斯特編碼，實時時鐘速率12.5kHZ。媒體控制采用令牌存取通信控制方式，符合IEEE802.4（令牌總線訪問控制），數(shù)據(jù)傳輸速率5Mbit/s，總線型拓撲結構?；脽羝?9萬能控制網(wǎng)絡（UCN）：是1988年開發(fā)的以MAP為基礎的雙重化實時控制網(wǎng)絡，令牌傳送載波帶（模擬信號）總線網(wǎng)絡，數(shù)據(jù)傳輸速率為5Mbit/s，支持32個冗余設備。數(shù)據(jù)公路（DataHighway）：是第一代集散型控制系統(tǒng)的通信系統(tǒng)，采用串行、半雙工方式工作，優(yōu)先存取和定時詢問方式控制，傳輸介質為75Ω同軸電纜，傳輸速率為250kBit/s。DH上設置了一個通信指揮器HTD來管理通信，任何DH之間的通信必須由HTD指揮?；脽羝?0分散過程控制裝置Honeywell的TDC-3000系統(tǒng)提供三個不同等級的分散控制：以過程控制設備（如PM、LM以及DH上各設備）為基礎，并對控制元件進行控制的過程控制級；先進控制級，包括比過程控制級更加復雜的控制策略和控制計算，通常稱為工廠級；最高控制級，提供用于高級計算的技術和手段，例如適用于復雜控制的過程模型，過程最優(yōu)控制及線性規(guī)劃等，稱為聯(lián)合級?；脽羝?1TDC-3000系統(tǒng)的操作和管理站增強型操作站（EOS），它是TDC-2000CRT操作站的改進型；本地批量操作站（LBOS），主要用于小系統(tǒng)；萬能操作站（US），是TPS系統(tǒng)中主要的人機界面，是綜合管理的人機接口；新操作站（US＊），是帶有工業(yè)標準協(xié)處理器的萬能操作站，采用RISC工作站處理器，操作系統(tǒng)的軟件是HP-UX，開放的X-WINDOW技術，操作員能夠同時觀察工廠信息、網(wǎng)絡數(shù)據(jù)和過程控制數(shù)據(jù)。全局用戶操作站（GUS：GlobalUserStation），是采用WinNT操作系統(tǒng)的TPS節(jié)點之一，采用LCN和IntelPentiumII雙處理器系統(tǒng)?；脽羝?2系統(tǒng)模件TDC－3000系統(tǒng)在LCN上掛接多種模件：萬能操作站（US）。歷史模件（HM）可以收集和存儲歷史數(shù)據(jù)，存儲系統(tǒng)和控制組態(tài)數(shù)據(jù)。應用模件（AM）用于連續(xù)控制、邏輯控制、報警處理和批量歷史收集等等，其控制策略可用標準算法。此外，還有優(yōu)化用工具軟件包：回路自整定軟件包、預測控制軟件包、實時質量控制軟件包(SPQC）、過程模型和優(yōu)化軟件包等?？删幊绦蚩刂破鹘涌冢≒LCG）。計算機接口（CG），提供及其他廠家如DEC、IBM、HP等主計算機之間的連接。網(wǎng)絡接口模件（NM），提供UCN和LCN之間的連接。數(shù)據(jù)公路接口（HG），將數(shù)據(jù)公路（DH）及LCN相連?；脽羝?32.3DCS的硬件結構2.3.1DCS硬件結構概述目前，世界上的DCS生產(chǎn)廠家很多，不同的系統(tǒng)采用的計算機硬件差別很大。對于現(xiàn)場控制站，從可編程序控制器（PLC）到單片機組成的小型控制采集裝置；從STD（總線）計算機和工業(yè)PC等小型工控機到各種16位和32位總線型工業(yè)控制計算機系統(tǒng)；從智能儀表控制系統(tǒng)到交流變頻調速器（VVVF）等，都是可選的現(xiàn)場控制站系統(tǒng)。所以，只能著重從功能上和類型上來介紹DCS的現(xiàn)場控制站和操作員站的組成。幻燈片44硬件和軟件都具有靈活的組態(tài)和配置能力是DCS系統(tǒng)的突出優(yōu)點。DCS的硬件系統(tǒng)是通過網(wǎng)絡將不同數(shù)目的現(xiàn)場控制站、操作員站和工程師站連接起來，共同完成各種采集、控制、顯示、操作和管理功能?；脽羝?52.3.2DCS的過程控制級在DCS中，各種現(xiàn)場檢測儀表（傳感器、變送器等）送來的過程信號均由過程控制級各單元進行實時的數(shù)據(jù)采集，濾除噪聲信號，進行非線性校正及各種補償運算，折算成相應的工程量，根據(jù)組態(tài)要求還可進行上下限報警及累積量計算。所有測量值和報警值經(jīng)過通信網(wǎng)絡傳送到操作站數(shù)據(jù)庫，供實時顯示、優(yōu)化計算、報警打印等。在過程控制單元，根據(jù)過程控制組態(tài)，還可進行各種閉環(huán)反饋控制、批量控制及順序控制等，并可接收操作站發(fā)來的各種手動操作命令進行手動控制，從而提供了對生產(chǎn)過程的直接調節(jié)控制功能?；脽羝?6在不同的DCS中，過程控制單元的名稱各異，例如：過程接口單元（ProcessInterfaceUnit）、基本控制器（BasicController）、多功能控制器（MultifunctionController）等，但是所采用的結構形式大致相同，都由安裝在控制柜內的一些標準化功能模件組裝而成。幻燈片47構成DCS過程控制單元的包括標準結構的現(xiàn)場控制站，和以微處理器技術為基礎發(fā)展起來的智能儀表，如智能數(shù)字調節(jié)器及可編程序控制器（PLC）?；脽羝?82.3.3DCS的現(xiàn)場控制站現(xiàn)場控制站一般均放置在靠近過程裝置的地方，為適應工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，各廠家對其產(chǎn)品均進行了加強處理，使其具有防塵、防潮、防電磁干擾、抗沖擊、抗振動及耐高低溫等抵抗惡劣環(huán)境的能力?，F(xiàn)場控制站是一個可獨立運行的計算機監(jiān)測及控制系統(tǒng)，由于它是專為過程測控而設計的專用型設備，所以其機柜、電源、輸入/輸出通道和控制計算機等及一般的計算機系統(tǒng)相比又有所不同?；脽羝?9機柜現(xiàn)場控制站一般是標準的機柜式結構，機柜內部均裝有多層機架，以供安裝電源及各種模件之用。機柜要可靠接地，接地電阻應小于4Ω。一般機柜頂部裝有風扇，作為散熱降溫用，如果機柜內溫度超過正常范圍時，現(xiàn)場控制站機柜會自動發(fā)出報警信號。機柜內還設有各種總線，例如：點源總線、接地總線、數(shù)據(jù)總線、地磚總線、控制總線等等。有些總線是由模件安裝單元背后的印刷電路板構成的，有些總線是由模件安裝單元之間的電纜構成?；脽羝?0電源DCS具有效率高、穩(wěn)定性好、無干擾的交流供電系統(tǒng)。每一個現(xiàn)場控制站采用交流雙電源供電。在石油、化工等對控制連續(xù)性要求特別高的場合，要求設置不間斷供電電源（UPS，后備式和在線式），UPS的供電時間由負載用電量及蓄電池容量所確定。用戶應在選型時根據(jù)裝置在停電后必須保持正?？刂频臅r間，確定電池的容量。柜內直流穩(wěn)壓電源一般有＋5V、±15V（或±12V）、＋24V等。有的采用冗余的雙電源供電方式?；脽羝?1工控機現(xiàn)場控制站是一個智能化的可獨立運行的數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)，作為其核心的控制計算機必須由CPU、存儲器、總線、I/O通道等基本部分組成。控制計算機（處理器模件）是完成過程控制的核心模件，它完成用戶所設計的各種控制策略（由功能塊組態(tài)而建立的各種控制策略）?？刂撇呗砸越M態(tài)文件的形式存儲于非易失性存儲器（NVRAM）中。鑒于處理器模件的重要性，大多數(shù)集散控制系統(tǒng)中的處理器模件都是可冗余設置的?；脽羝?2處理器模件原理方框圖幻燈片53（1）微處理器微處理器CPU，負責模件的操作和控制。目前一般為32位的微處理器。微處理器可以同步訪問32位字長的存儲器，或異步訪問各種字長的端口。大多為Motorola公司生產(chǎn)的68000系列CPU和Intel公司生產(chǎn)的80×86CPU系列產(chǎn)品，時鐘頻率已達100MHz以上，很多系統(tǒng)還配有浮點運算協(xié)處理器，因此數(shù)據(jù)處理能力大大提高，工作周期可縮短到0．2～0.1s，并且可執(zhí)行更為復雜先進的控制算法，如自整定、預測控制、模糊控制等。由于微處理器負責模件的操作，因此它及模件中所有其它部分交換信息。微處理器的操作系統(tǒng)和功能塊庫，駐留于只讀存儲器中?；脽羝?4（2）時鐘和實時時鐘時鐘為微處理器和相關外部設備提供時鐘信號，而實時時鐘（RTC）為系統(tǒng)提供實時時間。幻燈片55（3）存儲器存儲器包含只讀存儲器（ROM）、隨機存儲器（SRAM）和非易失存儲器（NVRAM）。ROM中保存微處理器的操作系統(tǒng)；SRAM作為數(shù)據(jù)暫存和系統(tǒng)組態(tài)的副本；NVRAM保存系統(tǒng)組態(tài)（用功能塊設計的控制策略）、批處理文件以及UDF和高級語言程序。由于控制計算機在正常工作中運行的是一套固定的程序，為了工作的安全可靠，大多采用了程序固化的辦法，不僅將系統(tǒng)啟動、自檢及基本的I/O驅動程序寫入ROM中，而且將各種控制、檢測功能模塊，所有固定參數(shù)和系統(tǒng)通信、系統(tǒng)管理模塊全部固化，因此在控制計算機的存儲器中，ROM占有較大的比例?；脽羝?6（4）DMA控制器直接數(shù)據(jù)存儲（DMA）控制器使各種通信鏈路能夠直接及RAM交換數(shù)據(jù)，而不需微處理器的干預。采用DMA處理方式大大減輕了微處理器的負擔，并且顯著提高了微處理器的工作速度，因為它不需要頻繁的處理數(shù)據(jù)交換的任務了。I/O擴展總線、雙冗余的鏈路模擬量控制站或開關量控制站，串行鏈路、控制網(wǎng)絡等通信鏈路，均支持DMA?；脽羝?7（5）控制網(wǎng)絡控制網(wǎng)絡是一個高速通信網(wǎng)絡，處理器模件利用這個網(wǎng)絡來及過程控制站的其它模件交換信息?？刂凭W(wǎng)絡一般是可冗余的，有兩個獨立的通道，處理器模件可同時通過兩個通道來發(fā)送和接收信息，并檢查兩個通道的一致性，這樣就可及時發(fā)現(xiàn)故障，使通信故障造成的影響減至最低?；脽羝?8（6）冗余鏈路處理器模件是可冗余的。冗余鏈路為主處理器模件和備用處理器模件提供兩條并行線路，當主模件執(zhí)行控制任務時，備用模件通過冗余鏈路，獲得主模件的塊輸出信息，不管主模件因何原因發(fā)生故障，備用模件都可以在不中斷被控過程的情況下自動接替控制任務?；脽羝?9（7）輸入/輸出總線處理器模件及輸入/輸出模件之間的數(shù)據(jù)傳輸是通過輸入/輸出總線進行的。輸入/輸出總線可能是并行總線也可能是串行總線。每個掛在輸入/輸出總線上的模件均有自己獨立的地址，處理器模件可以通過輸入/輸出總線對輸入/輸出模件進行各種操作（對模件進行讀寫）。模件上的開關用來設定模件的地址和工作方式，這些信息均通過數(shù)據(jù)緩沖區(qū)及微處理器交換信息。幻燈片60（8）串行口處理器模件可以設置串行口，以便通過標準的串行口（RS232或RS485）及其它設備進行通信。串口支持高級語言（C/BASIC）?；脽羝?1I/O通道（1）模擬量輸入模件模擬量輸入模件接收由現(xiàn)場送來的模擬量信號，對信號的量程、零點進行校正和調整，并將其轉換為數(shù)字量，轉換為工程單位，然后經(jīng)I/O總線傳送給處理器模件。其原理圖如下：幻燈片62（2）模擬量輸出模件模擬量輸出模件的作用是把處理器模件輸出的控制量信號轉化成具有一定帶負載能力的電壓或電流信號，輸出到現(xiàn)場的執(zhí)行機構，以實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制。其原理框圖如下：幻燈片63（3）開關量輸入模件開關量輸入模件接收由現(xiàn)場輸入的開關量信號，對其進行預處理之后，將反映開關量狀態(tài)變化的數(shù)字量信號經(jīng)I/O總線送往處理器模件。開關量輸入模件由輸入隔離電路、閾值判別電路、控制邏輯電路、模件狀態(tài)監(jiān)測電路、I/O總線接口等部分組成?；脽羝?4（4）開關量輸出模件開關量輸出模件通過I/O總線接收處理器模件輸出的開關量信號，經(jīng)該模件輸出，以便控制現(xiàn)場的開關量控制設備。開關量輸出模件由輸出寄存器、輸出選擇器、輸出驅動電路、狀態(tài)緩存器、故障控制邏輯、故障狀態(tài)寄存器、總線故障監(jiān)測電路等部分所組成?；脽羝?5（5）脈沖量輸入模件脈沖量輸入模件的作用是將來自生產(chǎn)過程中的脈沖量信號進行處理，存儲并通過I/O總線傳送給處理器模件。一個脈沖量輸入模件可以接收多個脈沖量輸入信號。脈沖量輸入模件有三種工作方式：積算方式、頻率方式和周期方式。其中積算方式用于累積脈沖的總數(shù)，一般用于流量或電量的積算。頻率方式用于測量脈沖的頻率，也就是單位時間內脈沖的個數(shù)，其典型應用是轉速的測量。周期方式是測量兩個脈沖之間的時間間隔，事實上周期是頻率的倒數(shù)，當脈沖的頻率很低時，為了提高測量精度，常常采用測周期的方式?；脽羝?6現(xiàn)場總線模件現(xiàn)場總線模件為現(xiàn)場的智能裝置提供了一條數(shù)字通信通道。在一條被稱為現(xiàn)場總線的通信線路上，可以并聯(lián)連接多達32個符合現(xiàn)場總線通信協(xié)議的智能設備。這些智能設備以全數(shù)字方式傳遞過程變量、控制變量、狀態(tài)信息、管理信息等內容。有些系統(tǒng)中的現(xiàn)場總線模件支持數(shù)/模混合通信。在這些系統(tǒng)中，以4－20mA的模擬量信號傳輸過程變量信號，其他信號的數(shù)字量調制信號疊加在模擬量信號上傳輸?，F(xiàn)場總線模件是現(xiàn)場總線及集散型控制系統(tǒng)之間的一個接口。幻燈片67現(xiàn)場總線模件的原理框圖如下所示，它是由模件I/O電路、A/D轉換器、通信電路、微處理器及控制邏輯、I/O總線接口五部分所組成的。幻燈片682.3.4智能調節(jié)器及可編程序控制器（PLC）新型的數(shù)字智能調節(jié)器及PLC不僅容量更大，速度更快，而且都增設了較強的聯(lián)網(wǎng)通信能力。可以采用以廉價的雙絞線為傳輸介質的現(xiàn)場總線網(wǎng)，將作為主節(jié)點的現(xiàn)場控制站及作為從節(jié)點的數(shù)十個數(shù)字調節(jié)器、PLC或數(shù)字化智能變送器連接在一起，也可以將數(shù)臺PLC通過網(wǎng)關直接接入高速數(shù)據(jù)公路，組成過程控制級的順序控制站。幻燈片69智能調節(jié)器這是一種數(shù)字化的過程控制儀表，其外表類似于一般的盤裝儀表，而其內部卻是由微處理器（可能是8位的CPU，也可能是各種單片機）、RAM、ROM、模擬量及數(shù)字量l/O通道及獨立的電源等基本組成部分所構成的一個微型的計算機系統(tǒng)，可以說除了控制點的區(qū)別之外，它的功能及現(xiàn)場控制站大同小異。一般有單回路、2回路、4回路或8回路的調節(jié)器，至于控制方式除一般PID之外，還可組成串級控制、信號選擇控制、前饋控制和按預定曲線進行程序控制等?；脽羝?0智能調節(jié)器不僅可接收以4～20mA電流信號輸入的設定值，還具有RS－232或RS－422異步通信接口等，可及上位機連成主從式通信網(wǎng)，接收上位機下裝的控制參數(shù)，并上報各種過程參數(shù)。為便于儀表操作人員使用，其人機交互界面（面板）的設計及操作方法及常規(guī)的模擬調節(jié)器基本相同?；脽羝?1SLCD單回路調節(jié)器電路框圖幻燈片72可編程序控制器（PLC）可編程序控制器也是一種以微處理機為核心的過程控制裝置，及智能調節(jié)器最大的不同點是：它主要配制的是開關量I/O通道，用于執(zhí)行順序控制功能（在較新型的PLC中，亦提供了模擬量控制模板，和PID等控制算法）。幻燈片73PLC主要用于生產(chǎn)過程中按時間順序控制或邏輯順序控制的場合，以取代復雜的繼電器控制裝置。例如高層建筑的電梯控制、自動加工機床的程序控制等。PLC所采用的編程語言主要是一種非常形象化的梯形圖語言，它基本是由繼電器控制電路的符號轉化而來的。編程過程及繪制邏輯控制電路圖的過程比較相似。在專用編程器上輸入全部梯形圖后，編程器即自動將其編輯成微處理器可執(zhí)行的內部程序，經(jīng)過試運行考驗合格后，固化到EPROM中，安裝到PLC上就可以執(zhí)行輸入的程序，實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)線的自動化控制?；脽羝?42.3.5DCS的操作員站和工程師站中央計算機站中央計算機站提供了對現(xiàn)場直接操作、系統(tǒng)生成以及診斷等集中監(jiān)示的設施。它通過數(shù)據(jù)網(wǎng)絡及其他各站連在一起。中央計算機站是幾個部分的統(tǒng)稱，其主要部分是中央操作臺（OperatingConsole），又稱為操作員站（OperatorStation）、過程操作站（ProcessOperatorStation），或控制中心（CommandCentre）?；脽羝?5通常操作臺（站）由一個大屏幕監(jiān)示器（CRT）、一臺控制計算機以及一個操控鍵盤組成。此外，中央計算機站還有一個網(wǎng)關（Gateway），并通過它及一個功能更強的計算機系統(tǒng)（上位機）相連，以便實現(xiàn)高級的控制和管理功能。有些系統(tǒng)還配備一個工程師站（Engineer’sConsole），用來生成目標系統(tǒng)的參數(shù)等。幻燈片76中央計算機站的組成包括：冗余的操作站、工程師站、網(wǎng)關＋上位機。中央計算機站應該完成以下基本功能：①過程顯示和控制；②現(xiàn)場數(shù)據(jù)的收集和恢復顯示；③級間通信；④系統(tǒng)診斷；⑤系統(tǒng)配置和參數(shù)生成；⑥仿真調試等?；脽羝?7操作站功能DCS操作站一般分為操作員站和工程師站兩種。其主要功能為過程顯示和控制、系統(tǒng)生成及診斷、現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和恢復顯示等?；脽羝?8（1）顯示管理功能操作員站的顯示管理功能可以分為兩大類：標準顯示和用戶自定義顯示。標準顯示是一個DCS的廠家工程師和操作人員根據(jù)多年的經(jīng)驗，在系統(tǒng)中設定的顯示功能，通常有點記錄詳細顯示、報警信息的顯示、控制回路或回路組顯示、趨勢顯示等；用戶自定義顯示是那些及特定應用有關的顯示功能，通常由用戶自己根據(jù)需要生成?；脽羝?9通常，一個DCS的操作員站上應該顯示以下幾個方面的內容：模擬流程和總貌顯示；過程狀態(tài)；特殊數(shù)據(jù)記錄；趨勢顯示；統(tǒng)計結果顯示；歷史數(shù)據(jù)田顯示；生產(chǎn)狀態(tài)顯示等?；脽羝?0（2）打印功能DCS的操作員站配上打印機，可以完成下述打印功能：生產(chǎn)過程記錄報表；生產(chǎn)統(tǒng)計報表；系統(tǒng)運行狀態(tài)信息打??；報警信息的打印?；脽羝?1（3）組態(tài)功能幾乎所有的DCS都支持多種組態(tài)功能，包括數(shù)據(jù)庫的生成、歷史記錄的創(chuàng)建、生產(chǎn)流程畫面的生成、生產(chǎn)記錄報表的生成、連續(xù)控制回路的組態(tài)、順序控制的組態(tài)等，這些組態(tài)功能通常在工程師站上完成。其中工程師站主要是提供技術人員生成控制系統(tǒng)的人機接口，或者對應用系統(tǒng)進行監(jiān)視?；脽羝?2操作臺操作臺起到固定和保護各種計算機和外部設備的作用。目前流行的操作臺有桌式操作臺、集成式操作臺和雙屏操作臺三種，可以分別適用于不同場合?；脽羝?3處理機系統(tǒng)現(xiàn)今DCS操作員站的功能越來越強，這就對操作站處理機系統(tǒng)提出更高的要求。一般的DCS操作站采用32位處理機，新推出的中、小型DCS多采用工業(yè)PC機來作操作員站主機系統(tǒng)，內存配置多在128M字節(jié)以上。幻燈片84外部存儲設備為了很好地完成DCS操作站的歷史數(shù)據(jù)存儲功能，許多DCS的操作站都配有一到兩個大容量的外部存儲設備（磁盤或磁帶），有些系統(tǒng)還配備有一臺或多臺歷史數(shù)據(jù)記錄儀?；脽羝?5圖形顯示設備CRT仍然是當前DCS的主要顯示設備。多數(shù)DCS操作站配備有廠家專用的圖形顯示器?；脽羝?6操作站鍵盤操作員鍵盤：現(xiàn)今的操作員鍵盤一般都采用具有防水、防塵能力、有明確圖案或標志的薄膜鍵盤。這種鍵盤從鍵的分配和布置上都充分考慮到操作直觀、方便，外表美觀，并且在鍵體內裝有電子蜂鳴器，以提示報警信息和操作響應。工程師鍵盤：工程師鍵盤一般為常用的擊打式鍵盤，主要用途為工程師用來進行編程和組態(tài)。幻燈片87打印輸出設備一般的DCS操作站都配有兩臺打印機，一臺為針式打印機，用作生產(chǎn)記錄報表和報警報表；另一臺為彩色打印機，用來拷貝流程畫面。有的DCS已經(jīng)采用激光等非擊打式打印機。幻燈片882.4DCS的軟件系統(tǒng)2.4.1軟件系統(tǒng)概述軟件是DCS的重要組成部分，一個基本的過程控制計算機系統(tǒng)的軟件可分為兩個部分：系統(tǒng)軟件（又稱計算機系統(tǒng)軟件）和應用軟件（又稱過程控制軟件）。但由于DCS的分布式結構，又增加了諸如通信管理軟件、組態(tài)生成軟件以及診斷軟件等。幻燈片89系統(tǒng)軟件一般指通用的、面向計算機的軟件，是一組支持開發(fā)、生成、測試、運行和程序維護的工具軟件，它一般及應用對象無關。DCS的系統(tǒng)軟件一般由以下幾個主要部分組成：實時多任務操作系統(tǒng)，面向過程的編程語言，工具軟件?；脽羝?0系統(tǒng)軟件的組成幻燈片91過程控制軟件包括：具有報警檢測的過程數(shù)據(jù)的輸入/輸出，數(shù)據(jù)表示（又稱實時數(shù)據(jù)庫），連續(xù)控制調節(jié)，順序控制，歷史數(shù)據(jù)的存儲，過程畫面顯示和管理，報警信息的管理，生產(chǎn)記錄報表的管理和打印，參數(shù)列表顯示，人機接口控制，還有部分的實時數(shù)據(jù)處理功能。其中，前四種功能是在現(xiàn)場控制站完成的。幻燈片922.4.2操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)是一組程序的集合，它用來控制計算機系統(tǒng)中的用戶程序，為用戶程序及系統(tǒng)硬件提供接口軟件，并允許這些程序之間交換信息。用戶程序也稱為應用程序，一般設計成能夠完成某些應用功能。在實時工業(yè)計算機系統(tǒng)中，應用程序是我們在功能規(guī)范中所規(guī)定的功能，而操作系統(tǒng)則是控制計算機自身運行的系統(tǒng)軟件。操作系統(tǒng)本身是很復雜的軟件包，詳細分析和討論操作系統(tǒng)需要一本專著來完成。因此，這里只對操作系統(tǒng)（特別是實時多任務操作系統(tǒng)）作些簡單的介紹。幻燈片93操作系統(tǒng)的基本組成一個操作系統(tǒng)通常有三個組成部分：（1）命令解釋程序（Commandinterpreter）：是一個允許向操作系統(tǒng)發(fā)出命令的程序，它用來接收用戶命令，并進行翻譯和控制執(zhí)行。（2）核心（kernel，操作系統(tǒng)內核）（3）I/O設備驅動程序：具體控制各種硬件和外部設備?；脽羝?4操作系統(tǒng)的功能軟件（1）文件系統(tǒng)（fi1esystem）用于配有磁盤存儲器（軟盤或硬盤）的計算機操作系統(tǒng)，一般叫做磁盤操作系統(tǒng)（DiskOperatingSystem。文件系統(tǒng)隱含了訪問磁盤等外存中的硬件操作，代之的是用戶程序可以調用操作系統(tǒng)來建立一個稱為“文件”的邏輯結構，為該文件指定一個名稱，并從文件中讀取數(shù)據(jù)或存入數(shù)據(jù)?；脽羝?5（2）邏輯I/O系統(tǒng)操作系統(tǒng)的另一通用功能是邏輯I/O功能。應用程序調用操作系統(tǒng)來完成I/O操作，它們可以完全擺脫具體的設備操作。例如，一個應用程序要把下批輸出數(shù)據(jù)送到控制臺上，實際上的控制臺可能是一個CRT顯示器終端，也可能是一個別的什么設備，甚至經(jīng)常是一臺打印機，這對用戶程序來說沒有實質的區(qū)別，只是邏輯I/O地址號的變化?；脽羝?6實時多任務操作系統(tǒng)在工業(yè)控制計算機系統(tǒng)中，為了實現(xiàn)實時處理，在目標系統(tǒng)中需要一個實時多任務操作系統(tǒng)。一個實時執(zhí)行程序（real－timeexecutive）就要包括實時多任務處理能力，并支持任務之間的信息交換以及一些其它功能，如時間管理，任務管理等。而一個完整的實時多任務操作系統(tǒng)則除了一個實時多任務核心執(zhí)行程序之外，還要包括文件管理系統(tǒng)。幻燈片97實時多任務操作系統(tǒng)及我們平時開發(fā)別的通用軟件所用的操作系統(tǒng)（如：PC－DOS、UNIX等）的最大區(qū)別是實時多任務執(zhí)行核心。任務又稱進程，是由多道程序的并行操作而引入的。一個支持并行執(zhí)行多于一個任務的操作系統(tǒng)核心稱為多任務操作系統(tǒng)核心。而一個實時多任務操作系統(tǒng)核心除了支持多任務外，還要具有實時處理能力。幻燈片98由于過程生產(chǎn)的復雜性，各種緊急事件、報警信號和意外情況常有發(fā)生，而產(chǎn)品的優(yōu)先指標和參數(shù)必須滿足，因此控制計算機必須具有事件響應、中斷、切換和優(yōu)先處理、并行控制等功能，而實時多任務操作系統(tǒng)正好能滿足這些要求。因此，DCS的過程控制計算機都是基于實時多任務操作系統(tǒng)的。幻燈片992.4.3編程語言計算機編程語言從50年代的原始匯編語言進化到現(xiàn)代面向過程語言，經(jīng)歷了大約30年的時間。為了幫助不熟悉計算機編程的人員實現(xiàn)應用程序，60年代出現(xiàn)了填表式（Fillintheform）或填空式（Fillintheblank）編程語言。使用這種編程語言，不需要編寫任何順序指令或語句，而是依標準的格式填空就可以了。從70年代，工業(yè)控制計算機的發(fā)展對編程語言提出了實時處理能力要求，導致了一系列實時編程語言的產(chǎn)生，如實時FORTRAN，Ada和Peart等。直到集散型控制系統(tǒng)推出之后，每套DCS都提供了應用于實時控制的、可以自由組態(tài)的、模塊化的菜單驅動軟件?；脽羝?00目前，一般DCS都提供了一種功能很強、可靠性很高的面向過程的語言（即組態(tài)軟件），但同時為了滿足用戶的特殊要求，系統(tǒng)往往還支持一種或幾種高級編程語言?；脽羝?012.4.4軟件體系現(xiàn)場控制站的軟件結構DCS現(xiàn)場控制的軟件應具有高可靠性和實時性。此外，DCS現(xiàn)場控制站一般無人機接口，所以它應有較強的自治性，即軟件的設計應保證避免死機發(fā)生，并且具有較強的抗干擾能力和容錯能力。多數(shù)現(xiàn)場控制站軟件采用模塊化結構設計，并且一般不用操作系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)一般分為執(zhí)行代