DCS集散控制系统.ppt

集散控制系统（Distributed Control System简称DCS）,主讲：孔祥宗,2013年1月8日,目 录,Wison (Nantong) Heavy Industry Co., Ltd.,Page 2,一、DCS概述 二、DCS构成 三、DCS技术特点 四、DCS工程设计 五、DCS选用原则 六、DCS验收测试、安装、联调与投运 七、DCS系统常见故障解析 八、DCS系统对干扰的预防措施 九、当前流行的控制系统,一、DCS概述,1 定义： 集散控制系统，(distributed control systems,简称DCS),又称为分散控制系统，分散型控制系统。是以微处理机为基础，以危险分散控制，操作和管理集中为特性，集先进的Computer计算机技术、Communication 通信技术、 Cathode Ray Tube CRT显示技术和Control控制技术即4C技术于一体的新型控制系统。,Page 3,Wison (Nantong) Heavy Industry Co., Ltd.,一、DCS概述,2 发展史： 2.1 第一代DCS（70年代末期-初创期） 1975年美国Honeywell公司推出了世界上第一套集散控制系统TDC2000，它是一个具有许多微处理器的分级控制系统,以分散的控制设备来适应分散的过程对象,并将它们通过数据高速公路与基于CRT的操作站相连接,互相协调,一起实施实时工业过程的控制和监测,实现了控制系统的功能分散,负荷分散从而危险性也分散。,Page 4,Wison (Nantong) Heavy Industry Co., Ltd.,一、DCS概述,2.1 第一代DCS （70年代末期-初创期） 在此期间世界各国相继推出了自己的第一代DCS，比较著名的有美国Honeywell公司的TDC2000；Foxboro公司的Spectrum、Bailey公司的NetWork-90；日本YOKOGAWA公司的Centum；TOSHIBA公司的TOSDIC；德国Siemens公司的Teleperm M；Hartman&Braum公司的CONTRONIC P等。这一时期的产品，在技术上有明显的局限性，微处理器多采用8位CPU。,Page 5,Wison (Nantong) Heavy Industry Co., Ltd.,一、DCS概述,2.2 第二代DCS（80年代初中期-发展期） 第二代产品在原基础上,进一步提高了可靠性,新开发的多功能过程控制站、增强型操作站、光纤通信等更完善了DCS。其基本结构由六部分组成,即局域网络、多功能现场控制站、增强型操作站、主计算机、网络连接器和系统管理站等。 第二代产品的特点是采用16位CPU的模块化、标准化设计,数据通信向标准化迁移,板级模块化,单元结构化,具有更强适应性和可扩充性。控制功能更加完善,它能实现过程控制、数据采集、顺序控制和批量控制功能。代表产品有美国Honeywell公司的TDC3000；Leads&Northrup公司的MAX1；TAYLOR公司的MOD300；Westing House公司的WDPF；日本YOKOGAWA公司的Centum A、B、C等。,Page 6,Wison (Nantong) Heavy Industry Co., Ltd.,一、DCS概述,2.3 第三代DCS（80年代末期成熟期） 第三代产品采用32位CPU和专用集成电路，开发了高一层次的信息管理系统。实现了开放式系统通信, 向上能与MAP和Ethernet接口,或者通过网间连接器与其它网络联系,构成复合管理系统;向下支持现场总线,它使得过程控制或车间的智能变送器、执行器和本地控制器之间实现可靠的实时数据通信。过程控制组态采用CAD方法,使其更直观方便,实现自整定功能。其代表产品有美国Honeywell公司的TDC-3000/LCN；Foxboro公司的I/A Series；Bailey公司的INFI-90；WestingHouse公司的WDPF；日本YOKOGAWA公司的CentumXL等。,Page 7,Wison (Nantong) Heavy Industry Co., Ltd.,一、DCS概述,2.4 DCS现状 当今DCS更加综合化和开放化，各种设备(计算机、DCS、单回路调节器、PLC等)之间的通信能力大大加强,以便构成大系统。 随着现代化工业的飞跃发展，集散控制技术（DCS)正在为实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益、改善劳动条件、保护生态环境、确保生产安全起着重要的作用。但对于工业控制系统来说，不管哪家公司宣称自己的系统是第几代，也不管该系统结构如何复杂，但基本结构还是相对稳定。,Page 8,Wison (Nantong) Heavy Industry Co., Ltd.,3 对国内外几个DCS控制系统性能比较 3.1 从应用上看：,Wison (Nantong) Heavy Industry Co., Ltd.,Page 9,一、DCS概述,3.2 从工程服务能力和客户评价来看：,Wison (Nantong) Heavy Industry Co., Ltd.,Page 10,一、DCS概述,3.3 从系统的开放性来看：,Wison (Nantong) Heavy Industry Co., Ltd.,Page 11,一、DCS概述,4 未来发展趋势 各制造厂商都在“开放性”上下功夫,力求使自己的DCS与其他厂商的产品很容易地联网。 大力发展和完善DCS的通信功能，并将生产过程控制系统与工厂管理系统联结在一起，形成管控一体的产品。 高度重视系统的可靠性，在软件的设计中采用容错技术。 在控制功能中，不断引进各种先进控制理论，以提高系统的控制性能，如自整定、自适应、最优、模糊控制等。 在系统规模和结构上，形成由小到大的产品，以适应不同规模。,Wison (Nantong) Heavy Industry Co., Ltd.,Page 12,一、DCS概述,1 DCS结构 DCS一般分为现场控制级、过程控制级、过程管理级、和企业经营管理级四级功能层次。对应着这四级结构分别有四层计算机网络（field Network)、控制网络（control network)、监控网络（supervision network)、管理经营网络（management network)。,Wison (Nantong) Heavy Industry Co., Ltd.,Page 13,二、DCS构成,1.1 现场控制级 又称数据采集装置，主要是将过程非控变量进行数据采集和预处理，而且对实时数据进一步加工处理，供CRT操作站显示和打印，从而实现开环监视，并将采集到的数据传输到监控计算机。输出装置在有上位机的情况下，能以开关量或者模拟量信号的方式，向终端元件输出计算机控制命令。 这一个级别直接面对现场，跟现场过程相连。比如阀门、电机、各类传感器、变送器、执行机构等等。它们都是工业现场的基础设备、同样也是DCS的基础。在DCS系统中，这一级别的功能就是服从上位机发来的命令，同时向上位机反馈执行的情况。至于它与上位机交流，就是通过模拟信号或者现场总线的数字信号。由于模拟信号在传递的过程或多或少存在一些失真或者受到干扰，所以目前流行的是通过现场总线来进行DCS信号的传递。,Wison (Nantong) Heavy Industry Co., Ltd.,Page 14,二、DCS构成,1.2 过程控制级 又称现场控制单元或基本控制器，是DCS系统中的核心部分。生产工艺的调节都是靠它来实现。比如阀门的开闭调节、顺序控制、连续控制等等。 上面说到现场控制级，那么给它发号施令的就是过程控制级了。它接受现场控制级传来的信号，按照工艺要求进行控制规律运算，然后将结果作为控制信号发给现场控制级的设备。所以，过程控制级要具备聪明的大脑，能将“士兵”反馈的军情进行分析，然后做出命令，以使“士兵”能打赢“战争”。 这个级别不是最高的，相当于军队里的“中尉”。它也一样必须将现场的情况反馈给更高级别的“上校”也就是下面讲的过程管理级。,Wison (Nantong) Heavy Industry Co., Ltd.,Page 15,二、DCS构成,1.3 过程管理级 是DCS的人机接口装置，普遍配有高分辨率、大屏幕的色彩CRT、操作者键盘、打印机、大容量存储器等。操作员通过操作站选择各种操作和监视生产情况， 这个级别是操作人员跟DCS交换信息的平台。是DCS的核心显示、操作跟管理装置。操作人员通过操作站来监视和控制生产过程，可以通过屏幕了解到生产运行情况，了解每个过程变量的数字跟状态。这一级别在军队中算是很高的“上校”了。它所掌握的“大权”可以根据需要随时进行手动自动切换、修改设定值，调整控制信号、操纵现场设备，以实现对生产过程的控制。,Wison (Nantong) Heavy Industry Co., Ltd.,Page 16,二、DCS构成,1.4 企业经营管理级 又称上位机，功能强、速度快、容量大。通过专门的通信接口与高速数据通路相连，综合监视系统各单元，管理全系统的所有信息。 这是全厂自动化系统的最高一层。只有大规模的集散控制系统才具备这一级。相当于军队中的“元帅”，他们所面向的使用者是厂长、经理、总工程师等行政管理或运行管理人员。 它的权限很大，可以监视各部门的运行情况，利用历史数据和实时数据预测可能发生的各种情况，从企业全局利益出发，帮助企业管理人员进行决策，帮助企业实现其计划目标。,Wison (Nantong) Heavy Industry Co., Ltd.,Page 17,二、DCS构成,2 简述相关典型DCS系统主要知识结构 2.1 Honeywell公司的PKS系统 美国HoneyWell公司曾成功地推出TPS，TDC2000，TDC3000，TotalPlant Alcont和PlantScape等多套DCS系统。 PKS ( Process Knowledge System) 是Honeywell 2002年推出的开放型控制系统。系统具有高性能的过程控制器CPM和先进的数据采集系统DAS，可完成连续的、离散的、顺序的控制及数据采集功能和处理过程信息，以完成模拟控制和数字控制。 该系统已广泛用于石油、化工、电力、冶金、天然气、食品加工、医药、采矿等行业。 2.1.1 PKS系统网络结构（见下页）,Wison (Nantong) Heavy Industry Co., Ltd.,Page 18,二、DCS构成,ControlNet,轨道式 I/O,控制应用 ACE,安全控制系统 FSC,高速容错以太网 FTE,数字视频 服务器 DVM,PM I/O,操作站,二、DCS构成,无线移动 服务器,C200 控制器,TDC2000,TDC3000,TPS,TPS集成 服务器,SCADA 设备(OPC, Modbus, DH+, 等设备!),过程 服务器,商务集成 服务器 eServer,工程站 和操作站,移动 终端,WAN,www,GUS,PM Family,NIM,FSC,Ethernet,LCN,资产管理系统,开放接口与 高级应用,分布式 系统,Experion PKS 全貌图,2.1.2 PKS系统网络结构介绍 整个系统由工业以太网EtherNet、控制网ControlNet、设备网DeviceNet三层网络结构组成。 第一层称为以太网，该层网络以服务器（server）、操作站（station）为主要节点。服务器与操作站之间采用client/server结构，每台server提供模拟点、状态点和积累点多达2万多个集成点，可实时采集各种过程装置的实时信息。Station则提供了视窗化人机界面和强大的报警管理功能及丰富的应用开发功能，具有完善的系统管理维护和监控功能，因为操作站与现场控制站的控制器并没有直接联系，他们之间的数据交换是通过服务器进行的，因此操作站要实时访问服务器的数据库，以完成对整个生产过程的监控。,Wison (Nantong) Heavy Industry Co., Ltd.,Page 20,二、DCS构成,2.1.2 PKS系统网络结构介绍 第二层控制网络称为监控网，该层网络主要节点是服务器（server）和控制器（CPM），其中CPM广泛采用的是C200系列混合控制器（Hybrid Controller），具有过程控制要求的连续调节、批处理、逻辑控制、连锁等综合控制功能。监控网的相关硬件为PCIC卡，该卡件直接插在服务器的主板上，协调外围设备之间的通讯，也即服务器与控制站之间通过PCIC卡完成数据交换。 第三层控制网络称为控制网，该层的主要节点是控制器和输入输出卡件，他们均采用模块化结构，配置灵活，各卡件均可以带电热插拔，不会对系统的运行造成任何影响。I/O卡件是控制器的输入输出接口，可以进行模拟量（-10+10v、0+5v、420mA、010mA）和开关量（24220V AC、24V DC、1030V DC、48V DC、125V DC）的输入输出。充分满足了生产过程中对各种信号类型的检测和控制要求。,Wison (Nantong) Heavy Industry Co., Ltd.,Page 21,二、DCS构成,2.1.2 PKS系统网络结构介绍 服务器：执行与显示、生产控制、用户应用程序、诊断和组态等有关的应用功能。对其它站和控制处理机进行程序装载。另外提供了用户开发环境，运行历史数据库管理软件和报表软件等应用程序。 操作站：操作站提供了使用者与系统功能之间的人机界面。在操作站上用户可以调用过程显示画面，观察过程回路的参数、趋势和报警，实现对过程的操作和参数的调整。 控制站：控制站是计算机控制系统的核心，由它来执行系统的底层功能，如现场数据的采集、检测、处理、报警和传送信息的功能，设备启停、连锁控制和顺序控制、模拟量连续控制及批量控制等功能。,Wison (Nantong) Heavy Industry Co., Ltd.,Page 22,二、DCS构成,2.1.2 PKS系统网络结构介绍 PKS系统硬件主要由PC机和FSC机柜组成，核心部分是FSC控制站。PC机提供软、硬件组态和SOE（Sequence of Event）事件的实时记录和历史记录查询等功能；FSC控制站则进行安全控制、串行通讯、系统诊断和故障报警等。,Wison (Nantong) Heavy Industry Co., Ltd.,Page 23,二、DCS构成,2.1.2 PKS系统网络结构介绍 PC机为工程师站、SOE（Sequence of Event）站兼作FIX操作站，采用串行口与FSC机柜中的COM卡进行通讯。 工程师站运行的NAVIGATER在线逻辑监控软件主要通过通讯来完成FSC系统的硬件、数据库、控制逻辑等组态、下装、在线修改、在线检测、离线测试及系统维护等功能。在线状态监测和输入输出强制功能使维护更加方便直观。FSC系统的连续自诊断功能使其对自身软硬件及现场设备做出诊断，以获得有效信息，确保工厂安全连续生产。同时将这些诊断信息通过FSC浏览器提供给显示画面。通过诊断，FSC系统使维护工程师能够有效迅速地定位并解决故障，减少故障率，降低对工厂产生的危害。,Wison (Nantong) Heavy Industry Co., Ltd.,Page 24,二、DCS构成,2.1.2 PKS系统网络结构介绍 FSC系统的事件顺序记录功能由PC机上的SOE软件实现。FSC系统自身具有事件顺序记录（SER）功能，可以将最近发生的200个事件顺序记录到自身的缓存中，而SOE事件记录软件通过与FSC系统的通讯把缓存中的事件记录读入计算机并允许用户查阅、检索等。 SOE事件记录软件通过对事件发生的历史顺序进行记录，时间精度高，事件记录以FSC程序运行周期为准，分辨率在300Ms左右，完全可以满足需要。一旦程序开始执行，FSC系统检查所有定义的过程变量的状态，一旦任何过程变量发生变化，系统的时间缓冲区就会记录下此事件，这些事件对分析联锁停车事故及为有利，可以快速地分析出引起故障的原因，最大限度地减少停车事件，提高生产效益。,Wison (Nantong) Heavy Industry Co., Ltd.,Page 25,二、DCS构成,2.1.2 PKS系统网络结构介绍 操作员站安装的是FIX监控软件，利用此软件进行联锁流程画面绘制、数据库、报警点等的组态，通过MODBUS协议与FSC系统进行通讯。作为操作站工艺员可以对流程画面进行实时监控。 停机开关是两位式开关，允许开关和置位开关是复合式开关，即将开关打到“置位”或“允许启动”的位置后松开，它会自动弹回。要启动一些带联锁的设备必须置开关于“开”位置，设备开启之后如因工艺条件造成联锁停车，只有当工艺条件具备并将必须置位的开关打到允许设备开的位置才能正常开车。,Wison (Nantong) Heavy Industry Co., Ltd.,Page 26,二、DCS构成,2.1.2 PKS系统网络结构介绍 其系统设备主要配置有：16路模拟量输入处理器MC-PAIH03、16路模拟量输出处理器MC-PAOY22、32路开关量输入处理器MC-PDIY22、32路开关量输出处理器MC-PDOY22和脉冲输入模件TK-MDP081、16路模拟量输入和输出FTA智能接线端子板、32路开关量输入和输出FTA智能接成端子板、16路热电偶输入FTA智能接线端子板、高性能CPM处理器（如：TK-PRS021）、直流24VDC西门子电源、欧姆龙继电器等。霍尼韦尔的PKS系统采用输入输出处理器模版和FTA智能接线端子板的结构来取代常规的输入输出模版对通讯信号具有更好的滤波和隔离作用。,Wison (Nantong) Heavy Industry Co., Ltd.,Page 27,二、DCS构成,2.2 Foxbro公司的I/A系统 I/A系统是Foxbro公司于1987年在世界上第一个推出的开放型工业控制系统。作为开放系统它充分考虑到了用户的当前利益和长远利益，以其技术上的先进性迫使其他厂商在94年前后纷纷加入到开放性的行列。I/A系统集二十多年开放的经验，在技术上遥遥领先于其他厂家， I/A系统最大特点是系统的软件、硬件和通讯系统都广泛采用开放型标准设计， 硬件品种少、可靠性高、组态灵活。 I/A系统分三层：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。,Wison (Nantong) Heavy Industry Co., Ltd.,Page 28,二、DCS构成,2.2.1 I/A系统网络结构原理图,Wison (Nantong) Heavy Industry Co., Ltd.,Page 29,二、DCS构成,2.2.2 I/A系统网络结构图,Wison (Nantong) Heavy Industry Co., Ltd.,Page 30,二、DCS构成,2.2.3 分散过程控制级的功能及其主要配置 构成这一级的主要配置有：现场控制站、智能调节器和可编程控制器PLC。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。,Wison (Nantong) Heavy Industry Co., Ltd.,Page 31,二、DCS构成,(1)现场控制站 a)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。 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。,Wison (Nantong) Heavy Industry Co., Ltd.,Page 32,二、DCS构成,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。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。近年多采用串行总线。,Wison (Nantong) Heavy Industry Co., Ltd.,Page 33,二、DCS构成,现场控制站的硬件构成,Wison (Nantong) Heavy Industry Co., Ltd.,Page 34,二、DCS构成,b)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。,Wison (Nantong) Heavy Industry Co., Ltd.,Page 35,二、DCS构成,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。,Wison (Nantong) Heavy Industry Co., Ltd.,Page 36,二、DCS构成,(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420mA模拟量信号和开关量信号，同时还具有RS232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14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。,Wison (Nantong) Heavy Industry Co., Ltd.,Page 37,二、DCS构成,(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入、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。,Wison (Nantong) Heavy Industry Co., Ltd.,Page 38,二、DCS构成,2.2.4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，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。,Wison (Nantong) Heavy Industry Co., Ltd.,Page 39,二、DCS构成,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。,Wison (Nantong) Heavy Industry Co., Ltd.,Page 40,二、DCS构成,(1)DCS的操作员站 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。 a)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。,Wison (Nantong) Heavy Industry Co., Ltd.,Page 41,二、DCS构成,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。,Wison (Nantong) Heavy Industry Co., Ltd.,Page 42,二、DCS构成,b)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。,Wison (Nantong) Heavy Industry Co., Ltd.,Page 43,二、DCS构成,a)工程师站的硬件 对系统工程师站的硬件没有什么特殊要求，由于工程师站一般放在计算机房内，工作环境较好，因此不一定非要选用工业型的机器，选用普通的微型计算机或工作站就可以了，但由于工程师站要长期连续在线运行，因此其可靠性要求较高。 目前，由于计算机制造技术的巨大进步，便得IPC的成本大幅下降，因而工程师站的计算机也多采用IPC。 其它外设一般采用普通的标准键盘、图形显示器，打印机也可与操作员站共享。,Wison (Nantong) Heavy Industry Co., Ltd.,Page 44,二、DCS构成,b)工程师站的主要功能 工程师站的最主要功能是对DCS进行离线的配置和组态工作。在DCS进行配置和组态之前，它是毫无实际应用功能的，只有在对应用过程进行了详细的分析、设计并按设计要求正确地完成了组态工作之后，DCS才成为一个真正适合于某个生产过程使用的应用控制系统。 系统工程师在进行系统的组态工作时，可依照给定的运算功能模块进行选择、连接、组态和设定参数，用户无须编制程序。,Wison (Nantong) Heavy Industry Co., Ltd.,Page 45,二、DCS构成,与操作员站不同，工程师站必须对DCS本身的运行状态进行监视，包括各个现场I/O控制站的运行状态、各操作员站的运行情况、网络通信情况等等。一旦发现异常，系统工程师必须及时采取措施，进行维修或调整，以使DCS能保证连续正常运行，不会因对生产过程的失控造成损失。另外还具有对组态的在线修改功能，如上、下限定值的改变，控制参数的修整，对检测点甚至对某个现场I/O站的离线直接操作。 在集中操作监控级这一层，当被监控对象较多时还配有监控计算机；当需要与上下层网络交换信息时还需配备网间联接器。,Wison (Nantong) Heavy Industry Co., Ltd.,Page 46,二、DCS构成,2.2.5综合信息管理级 由高档微机或小型机担当的管理计算机构成，是一个管理信息系统（Management lnformation System，简称MIS），由计算机硬件、软件、数据库、各种规程和人共同组成的工厂自动化综合服务体系和办公自动化系统。 MIS是一个以数据为中心的计算机信息系统。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子系统。子系统从功能上说应尽可能独立，子系统之间通过信息而相互联系。 DCS的综合信息管理级主要完成生产管理和经营管理功能。比如进行市场预测，经济信息分析；对原材料库存情况、生产进度、工艺流程及工艺参数进行生产统计和报表；进行长期性的趋势分析，作出生产和经营决策，确保最优化的经济效益。,Wison (Nantong) Heavy Industry Co., Ltd.,Page 47,二、DCS构成,2.3 YOKOGAWA公司的CS3000系统 CENTUM CS3000是日本YOKOGAWA最新推出的第四代产品，主要在大化肥，石化、电厂、钢铁领域使用，属于大型控制系统,软件使用Widows操作系统。 CENTUM CS3000适用于中、大型规模过程控制集成化系统。系统功能较前几代横河电机的DCS系统有了很大的提高。控制站横河专用，工程师站、操作站都使用通用PC机，是一个真正安全的、可靠的、开放的DCS控制系统。 目前横河系统HIS使用的是DELL机。,Wison (Nantong) Heavy Industry Co., Ltd.,Page 48,二、DCS构成,2.3.1控制系统主要特点： 综合性：CENTUM CS3000开创了大规模集散型控制系统的新纪元 开放的网络结构：支持OPC，横河提供了系统接口和网络接口用于与不通厂家的系统、产品管理系统、设备管理系统和安全管理系统进行通讯。 系统控制器采用双重化冗余控制器，保证了系统的可靠性。 独家采用了4CPU冗余容错技术的现场控制站，实现了在任何故障及随机错误产生的情况下进行纠错与连续不间断地控制；I/O模件采用表面封装技术，具有1500VAC/分抗冲击性能。（详见下图）,Wison (Nantong) Heavy Industry Co., Ltd.,Page 49,二、DCS构成,CENTUM CS3000 四CPU冗余容错结构图,Wison (Nantong) Heavy Industry Co., Ltd.,Page 50,二、DCS构成,四CPU工作原理：HIS 操作站或工程师站及其它要求控制的数据自冗余的V-net去FCU，自I/O卡件来的过程数据经ESB或RIO总线去FCU；左侧CPU1和CPU2同时读取被处理数据并分别进行运算，计算结果送入比较器进行比较，在结果一致的情况下将此数据输出；如果结果不同，右侧处理器进行复算，计算方式同左侧处理器。这样有效地诊断出任何硬件故障或随机性运算错误。阻止任何错误输出，并保证不间断地输出正确的控制运算结果。解决了过去的单纯双重化方式下不可能解决的例如突发性强电磁干扰等造成CPU计算错误造成控制错误问题。既容许CPU出现错误，并进行适时纠正。当某侧处理器出现故障时或因超时看门狗定时器（WDT）发出报警指出故障处理器。所以在CENTUM CS3000中因两组处理器同时工作所以切换时间可以示为0秒。,Wison (Nantong) Heavy Industry Co., Ltd.,Page 51,二、DCS构成,高速的控制总线：CS3000采用横河公司的V-NET/IP控制总线，该总线速度可达1Gbps.满足了用户对实时性和大规模数据通讯的要求，在保证可靠性的同时，又可以与开放的网络设备直接相连，使系统结构更加简单。 系统规模大 支持I/O卡件在线更换 现场控制站的高效性：控制站FCS采用高速RISC处理器VR5432，可进行64位浮点运算，具有强大的运算和处理功能，此外，还可以实现诸如多变量控制，模型预测控制，模糊逻辑等多种高级控制功能。,Wison (Nantong) Heavy Industry Co., Ltd.,Page 52,二、DCS构成,支持各种工业标准信号的输入/输出卡：CS3000有丰富的过程输入输出接口，并且所有的输入输出接口可以冗余。 CS3000采用了最新的OPC技术工业标准，使数据交换快捷方便。 CS3000组态方式模块化：这样组态比较方便，任何人组态完成其他人都能很清楚明了。 操作画面上使用的中文注释，操作人员使用方便。 与既有系统的兼容性：与横河以往系统通过BCV，方便地连接在一起，实现对既有系统的监视和操作。,Wison (Nantong) Heavy Industry Co., Ltd.,Page 53,二、DCS构成,2.3.2 CS3000系统网络结构,Wison (Nantong) Heavy Industry Co., Ltd.,Page 54,二、DCS构成,2.3.3 FCS结构图,Wison (Nantong) Heavy Industry Co., Ltd.,Page 55,二、DCS构成,用于控制站内，中央主控制器同本地节点之间进行数据传输的双重化实时通讯总线。,用于控制站内本地节点与远程节点之间进行数据传输的双重化实时通讯总线。,2.3.4 普光气田系统网络结构图,Wison (Nantong) Heavy Industry Co., Ltd.,Page 56,二、DCS构成,2.4 浙大中控的ECS-100系统 ECS-100控制系统是浙江中控技术有限公司SUPCON WebField系列控制系统之一，是浙江中控为适应网络技术的发展，特别是Internet、Web技术的发展而推出的基于网络技术的控制系统。该系统融合了最新的现场总线技术、嵌入式软件技术、先进控制技术与网络技术，实现了多种总线兼容和异构系统综合集成。各种国内外DCS、PLC及现场智能设备都可以接入到ECS-100系统中，实现企业的自动控制。,Wison (Nantong) Heavy Industry Co., Ltd.,Page 57,二、DCS构成,2.4.1 ECS-100系统网络结构图,Wison (Nantong) Heavy Industry Co., Ltd.,Page 58,二、DCS构成,2.4.2 ECS-100系统网络结构介绍 国产浙大WebField ECS-100系统采用的是四层网络，分别由信息管理网(SOnet)、操作网（SCnet）、过程控制网（SCnet）、I/O控制总线网（SBUS）组成。在操作网上实现操作站节点之间包括实时数据、实时报警、历史趋势、历史报表、操作记录等一些实时数据通信和历史数据查询。 信息管理网在最上层，采用通用的以太网技术，符合TCP/IP协议，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，采用网络数据库实现信息共享。,Wison (Nantong) Heavy Industry Co., Ltd.,Page 59,二、DCS构成,2.4.2 ECS-100系统网络结构介绍 操作网AdvanTrol-pro在网络策略和数据分组的基础上实现了具有对策C/S特征的操作网，可以设置专用服务站，也可以通过网络策略设置，将某个人机界面（工程师站或操作员站）设置为专门的单项服务器，数据站可以专门配置，也可以由操作站兼作数据站。 过程控制网中间层为过程控制网（名称为SCnet），采用双冗余工业以太网，SCnet作为其过程控制网络（A网、B网），连接系统的工程师站（ES）、操作站（OS）、现场控制站（FCS：Field control station），完成站与站之间的数据交换，具有很高的实时性和可靠性。,Wison (Nantong) Heavy Industry Co., Ltd.,Page 60,二、DCS构成,2.4.2 ECS-100系统网络结构介绍 底层网络为控制站内部网络称为SBUS，采用主控制卡指挥式令牌网，存储转发通信协议，是控制站与各卡件之间进行交换的通道。SBUS总线又分二层，一层为双重化总线SBUS-S2，SBUS-S2总线是系统的现场总线，物理上位于控制站所管辖的I/O机笼之间，连接了主控制卡（FW247）和数据转发卡（FW235），第二层为SBUS-S1总线，物理上位于各I/O机笼内，连接了数据转发卡和各块I/O卡件，通过机笼内母板上的通信通道实现数据转发卡与各块I/O卡之间的信息交换。,Wison (Nantong) Heavy Industry Co., Ltd.,Page 61,二、DCS构成,2.4.3 ECS-100系统控制站介绍 ECS-100系统控制站由两个主控制卡（FW247）和数据转发卡（FW235）、I/O卡组成；主控卡均执行同样的应用程序，一个运行在工作模式，另一个运行在备用模式。工作模式下的主控卡执行数据采集和控制功能，监视其配对的备用卡件和过程控制网络的好坏。备用模式下的主控卡执行诊断和监视主控卡的好坏，周期查询运行中的主处理器的数据库存储器，接受在用的控制器发送的全部运行信息，备用卡可随时保存最新的控制数据，包括过程网络的数据、控制算法的中间值等等，保证了工作/备用的无扰动故障切换。主控卡FW247的切换有失电强制切换、干扰随机切换和故障自动切换等。,Wison (Nantong) Heavy Industry Co., Ltd.,Page 62,二、DCS构成,ECS-100系统控制站,Wison (Nantong) Heavy Industry Co., Ltd.,Page 63,二、DCS构成,虽然DCS经过三十多年的发展和改进，虽然比较完善和成熟，但在目前应用过程中还会遇到各种各样的问题，甚至会出现险情或重大故障和事故，对装置生产造成一定影响，使用户承受经济损失，因此有必要深入了解DCS的技术特点，选好用好DCS。DCS主要有以下技术特点： 1 实现分散控制，DCS将控制与显示分离，现场过程受现场控制单元控制，每个控制单元可以控制若干个回路，完成各自功能。各个控制单元又有相对的独立性，一个控制单元出现故障仅仅影响所控制的回路，对其他回路无影响。,Wison (Nantong) Heavy Industry Co., Ltd.,Page 64,三、DCS技术特点,DCS的应用需要多项技术支持。,2 实现集中监视、操作和管理，具有强大的人机接口功能。CRT操作站与现场控制单元分离。操作人员通过CRT和操作键盘可以监控整个生产装置生产情况，并按预定的控制策略通过系统组态组成各种不同的控制回路，并可调整回路中任一参数对工业生产进行各种控制。CRT屏幕显示信息丰富多彩（工艺流程图、趋势曲线、操作指导、报警信息等等。 3 过程管理级（process Management unit)以中央控制室的操作站为主，配以工程师站、打印机等外部设备。过程管理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控制站的数据进行收集，并通过简单的操作，的进行工程量的显示、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，实现对生产过程的集中操作和统一管理。并兼有数据通信、系统组态，优化过程控制。,Wison (Nantong) Heavy Industry Co., Ltd.,Page 65,三、DCS技术特点,4 工厂管理级（Plant Management unit)是DCS系统的最高级。其主要功能是进行优化控制；对主要数据进行显示存储和输出；根据市场需求、各种与经营有关的信息因素和生产管理的信息，作出全面综合性经营管理决策，以协调各级任务。 上述DCS采用的分层结构，使信息一方面自下而上逐渐集中，同时又自上而下逐渐分散实现系统功能分散、危险分散、提高可靠性、强化系统应用灵活性、降低投资成本便与系统维修和技术更新。,Wison (Nantong) Heavy Industry Co., Ltd.,Page 66,三、DCS技术特点,5 丰富的软件功能：DCS控制系统可完成从简单的单回路控制到复杂的多变量最优化控制，可实现连续反馈控制，实现离散顺序控制；实现监控、显示、打印、报警、历史数据存储等日常全部操作要求。用户可以通过选用DCS提供的控制软件包达到所需的控制目的。 6 采用高可靠性的技术：高可靠性是DCS发展的生命，当今大多数DCS的MTBF已达到10万小时以上，除了硬件工艺外，广泛采用冗余、容错等技术也是保证DCS高可靠性的主要措施。硬件设计均采用冗余化配置；软件技术上采用容错技术、故障智能化自检和自诊断等等，以提高系统整体的可靠性。,Wison (Nantong) Heavy Industry Co., Ltd.,Page 67,三、DCS技术特点,7 控制站和I/O卡技术：控制站是DCS的技术核心，向下经过I/O卡与现场仪表相连。向上经过通信网络与人机界面相连。在DCS高度开放的今天，控制站的I/O卡基本上还是DCS生产厂家自己生产的主设备之一，这足以说明生产厂对其重视的程度，因此一套系统能否得到用户的拥护在很大程度上要看它的控制站是否稳定、可靠。它的稳定性、可靠性、源自于合理的结构、先进的制造工艺、和成熟的控制层软件。 I/O卡件作为DCS与现场仪表连接的输入和输出设备设备，完成仪表信号数据的采集和输出工作，一般有模拟量输入、模拟量输出、开关量输入输出、脉冲量输入卡。这些卡件的关键点就是在于它的信号转换的位数和采用的隔离技术，因为它会影响精度和抗干扰能力。,Wison (Nantong) Heavy Industry Co., Ltd.,Page 68,三、DCS技术特点,8 人机界面技术：人机界面包括操作站、工程师站和各种应用站。在DCS发展早期，大部分厂家的人机界面设备都是自己制造，因此相应的操作系统、监控系统也是自己开发。由于研发的专用设备和系统的投入较大，DCS软硬件价格都很高，只有实力强大的大公司才有能力使用。到了90年代的中期后期才出现选用PC机作为操作站的DCS，操作站的软硬件逐步通用化。开始操作系统选用的是UNIX系统或WINDOWS系统，选用UNIX系统一般比较稳定，但成本高，选用WINDOWS成本低，但系统容易死机。但随着WINDOWS系统的稳定和不断提高以及WINDOWS系统的价格优势，其系统已逐步成为主流。,Wison (Nantong) Heavy Industry Co., Ltd.,Page 69,三、DCS技术特点,传统的DCS的操作站与控制站的通信方式采用对等或主从方式。操作站直接与控制站通信、传输数据。在这里特别提出，由于网络和数据库技术的发展，人机界面怎样与DCS通信网络连接又有了另外一种方式。把服务器连在DCS通信网络上，服务器和人机界面组成服务器/客户机格式，服务器是数据源，人机界面是客户机，它是数据的用户。采用这样的结构，对于大系统可以明显减少操作站与控制站之间的专用接口的数量，有利于保证数据的一致性、完整性和安全性，有利于对数据的应用和管理。但最大的问题是风险变得集中了，为解决这个问题怎么办？,Wison (Nantong) Heavy Industry Co., Ltd.,Page 70,三、DCS技术特点,服务器的冗余配置类似PKS的解决方案,9 通信网络：通信网络是DCS的重要组成部分，它是DCS的生命线，在DCS整个系统的实时性、可靠性和可扩展方面起着重要的作用。我们都知道第一代、二代DCS通信网络都是由各制造厂独自开发，在不同制造厂DCS之间通信存在一定的困难。第一代DCS通信网络为高速公路，采用双绞线或通轴电缆，速率在1MBit/S以下，二代DCS通信网络为局域网，采用同轴电缆或光纤，通信速率在1-10MBit/S，第三代DCS开始开放性的通信网络得到越来越广泛的应用，由于以太网应用的广泛性、成熟性和开放性，使大多数DCS生产厂家都先后转向了以太网。,Wison (Nantong) Heavy Industry Co., Ltd.,Page 71,三、DCS技术特点,虽然以太网已成为DCS等各类工业控制系统中广泛采用的标准网络，但在网络的高层规约方面，目前仍然是各家DCS生产厂家的自有技术。传统的DCS用两条独立的网络（A、B)实现冗余，两台设备之间只有一条通信路径，基本是单条网络运行，有故障时整条网络切换（A到B或B到A),网络上仅容许出现单个故障，在某一个时刻仅有一个回话。为提高可靠性和效率，DCS生产厂家不断改进和发展DCS的网络结构，以容错以太网的出现（FTE)提供给节点之间更多的网络通信路径，承受多个多重故障。,Wison (Nantong) Heavy Industry Co., Ltd.,Page 72,三、DCS技术特点,局部网络通信技术：DCS采用的数据通信网络采用工业局域网络进行通信，传输实时控制信息，进行全系统综合管理，对分散的过程控制单元和人机接口进行控制、操作管理。大多数分散控制系统的通信网络采用光纤传输，通信的安全和可靠性大大地提高，通信的协议向标准化发展。 系统扩展灵活，安装调试方便。由于采用模块结构和局域网络通信，因此用户可以根据实际需要方便地扩大和缩小系统规模，组成所需要的单回路和多回路系统。在控制方案需要变更时，只需要重新组态编程，与常规仪表控制系统相比省了换表、接线等工作。,Wison (Nantong) Heavy Industry Co., Ltd.,Page 73,三、DCS技术特点,10 现场总线技术应用：早期的DCS在现场检测和控制方面主要采取模拟技术或开关技术进行传输。现场总线出现后，多数DCS厂家作为现场总线的主要推荐者都把这一技术包括在新一代DCS中，新一代DCS除了继续提供常规的模拟信号接口和开关量接口外，还提供各种形式的现场接口，支持各种标准的现场总线、仪表执行结构等