《DCS的体系结构》PPT课件.ppt

第二章DCS的体系结构,主要内容,1、DCS的体系结构形成2、DCS分层结构中各层的功能3、DCS的构成与联系4、DCS体系结构的技术特点5、PCS7体系结构的介绍,第1章已经将集散控制系统的概念、特点、起源及其发展作了介绍，本章着重从集散控制系统的体系结构出发，来分析DCS体系结构的特点和功能，以便使读者了解和认识DCS。自DCS诞生以来，随着计算机、通信网络、屏幕显示和控制技术的发展与应用，DCS也不断发展，结构体系不断更新，功能不断加强，已经向着计算机集成综合制造系统方向发展。尽管不同DCS产品在硬件的互换性、软件的兼容性、操作的一致性上很难达到统一，但从其基本构成方式和构成要素来分析，仍然具有相同或相似的体系结构。,1.1DCS的体系结构形成,中央计算机集中控制系统的形成（在20世纪60年代前期）,1.1DCS的体系结构形成,DCS分层体系结构的形成（20世纪60年代末到70年代初）,1.1DCS的体系结构形成,DCS分层体系结构的形成（20世纪60年代末到70年代初）,1.1DCS的体系结构形成,DCS分层体系结构,图2.5DCS的层次结构,1.1DCS的体系结构形成,1.现场装置管理层次的直接控制层(过程控制级)在这一级上，过程控制计算机直接与现场各类装置(如变送器、执行器、记录仪表等)相连，对所连接的装置实施监测、控制，同时它还向上与第二层的计算机相连，接收上层的管理信息，并向上传递装置的特性数据和采集到的实时数据。2.过程管理层(操作监控层)在这一级上的过程管理计算机主要有监控计算机、操作站、工程师站。它综合监视过程各站的所有信息、集中显示操作，控制回路组态和参数修改，优化过程处理等。,1.1DCS的体系结构形成,3.生产管理层(产品管理级)在这一级上的管理计算机根据产品各部件的特点，协调各单元级的参数设定，是产品的总体协调员和控制器。4.决策管理层(工厂总体管理和经营管理层)这一级居于中央计算机上，并与办公室自动化连接起来，担负起全厂的总体协调管理，包括各类经营活动、人事管理等。,1.1DCS的体系结构形成,2.2DCS分层结构中各层的功能,2.1节已经就计算机控制系统的发展谈及到集散控制系统的结构分层模式，并归纳出集散控制系统的四级典型功能层次，下面将着重阐述各层的功能。,2.2DCS分层结构中各层的功能,图2.6集散控制系统体系结构的各层功能,2.2.1直接控制级,直接控制层是集散型控制系统的基础，其主要任务有。(1)进行过程数据采集：即对被控设备中的每个过程量和状态信息进行快速采集，使进行数字控制、开环控制、设备监测、状态报告的过程等获得所需要的输入的信息。(2)进行直接数字的过程控制：根据控制组态数据库、控制算法模块来实施实时的过程量(如开关量、模拟量等)的控制。(3)进行设备监测和系统的测试、诊断：把过程变量和状态信息取出后，分析是否可以接受以及是否可以允许向高层传输。(4)实施安全性、冗余化方面的措施：一旦发现计算机系统硬件或控制板有故障，就立即实施备用件的切换，保证整个系统安全运行。,2.2DCS分层结构中各层的功能,2.2.2过程管理级,在过程管理级主要是应付单元内的整体优化，并对其下层产生确切的命令，在这一层可完成的功能有。(1)优化过程控制：这可以根据过程的数学模型以及所给定的控制对象来进行，优化控制只有在优化执行条件确保的条件达到。(2)自适应回路控制：在过程参数希望值的基础上，通过数字控制的优化策略。当现场条件发生改变时，经过过程管理级计算机的运算处理就得到新的设定值和调节值，并把调节值传送到直接过程控制层。(3)优化单元内各装置，使它们密切配合：这主要是根据单元内的产品、原材料、库存以及能源的使用情况，优化相互的关系。(4)通过获取直接控制层的实时数据以进行单元内的活动监视、故障检测存档、历史数据的存档、状态报告和备用。,2.2DCS分层结构中各层的功能,2.2.3生产管理级,产品规划和控制级完成一系列的功能，要求有比系统和控制工程更宽的操作和逻辑分析功能，根据用户的订货情况、库存情况、能源情况来规划各单元中的产品结构和规模。并且可使产品重新计划，随时更改产品结构，这一点是工厂自动化系统高层所需要的，有了产品重新组织和柔性制造的功能就可以应付由于用户订货变化所造成的不可预测的事件。由此，一些较复杂的工厂在这一控制层就实施了协调策略。此外，对于统观全厂生产和产品监视以及产品报告也都在这一层来实现，并与上层交互传递数据。在中小企业的自动化系统中，这一层可能就充当最高一级管理层。,2.2DCS分层结构中各层的功能,2.2.4工厂经营管理级,经营管理级居于工厂自动化系统的最高一层，它管理的范围很广，包括工程技术方面、经济方面、商业事务方面、人事活动方面以及其他方面的功能。把这些功能都集成到软件系统中，通过综合的产品计划，在各种变化条件下，结合多种多样的材料和能量调配，以达到最优地解决这些问题。在这一层中，通过与公司的经理部、市场部、计划部以及人事部等办公室自动化相连接，来实现整个制造系统的最优化。,2.2DCS分层结构中各层的功能,(1)市场分析。(2)用户信息的收集。(3)订货统计分析。(4)销售与产品计划。(5)合同事宜。(6)接收订货与期限监测。,(7)产品制造协调。(8)价格计算。(9)生产能力与订货的平衡。(10)订货的分发。(11)生产与交货期限的监视。(12)生产，订货和合同的报告。(13)财政方面的报告等。,2.3DCS的构成与联系,一个最基本的DCS应包括四个大的组成部分：至少一台现场控制站，至少一台操作员站一台工程师站(也可利用一台操作员站兼做工程师站)，一条系统网络。一个典型的DCS体结构如图2.7所示，图中表明了DCS各主要组成部分和各部分之间的连接关系。,2.3DCS的构成与联系,图2.7典型的DCS体系结构,1.操作员站,操作员站主要完成人机界面的功能，一般采用桌面型通用计算机系统，如图形工作站或个人计算机等。其配置与常规的桌面系统相同，但要求有大尺寸的显示器(CRT或液晶屏)和性能好的图形处理器，有些系统还要求每台操作员站使用多屏幕，以拓宽操作员的观察范围。为了提高画面的显示速度，一般都在操作员站上配置较大的内存。,2.3DCS的构成与联系,2.现场控制站,现场控制站是DCS的核心，系统主要的控制功能由它来完成。系统的性能、可靠性等重要指标也都要依靠现场控制站保证，因此对它的设计、生产及安装都有很高的要求。现场控制站的硬件一般都采用专门的工业级计算机系统，其中除了计算机系统所必需的运算器(即主CPU)、存储器外，还包括了现场测量单元、执行单元的输入/输出设备，即过程量I/O或现场I/O。在现场控制站内部，主CPU和内存等用于数据的处理、计算和存储的部分被称为逻辑部分，而现场I/O则被称为现场部分，这两个部分是需要严格隔离的，以防止现场的各种信号，包括干扰信号对计算机的处理产生不利的影响。,2.3DCS的构成与联系,2.现场控制站,现场控制站内的逻辑部分和现场部分的连接，一般采用与工业计算机相匹配的内部并行总线，如Multibus、VME、STD、ISA、PCI04、PCI和CompactPCI等。由于并行总线结构比较复杂，用其连接逻辑部分和现场部分很难实现有效的隔离，成本较高，很难方便地实现扩充。串行总线的优点是结构简单，成本低，很容易实现隔离，而且容易扩充，可以实现远距离的I/O模块连接。近年来，现场总线技术的快速发展更推进了这个趋势，目前直接使用现场总线产品作为现场I/O模块和主处理模块的连接已很普遍，如CAN、Profibus、Devicenet、Lonwrks及FF等。由于DCS的现场控制站有比较严格的实时性要求，需要在确定的时间期限内完成测量值的输入、运算和控制量的输出，因此现场控制站的运算速度和现场I/O速度都应该满足很高的设计指标。,2.3DCS的构成与联系,3.工程师站,工程师站是DCS中的一个特殊功能站，其主要作用是对DCS进行应用组态。应用组态是DCS应用过程当中必不可少的一个环节，因为DCS是一个通用的控制系统，在其上可实现各种各样的应用，关键是如何定义一个具体的系统完成什么样的控制，控制的输入/输出量是什么，控制回路的算法如何，在控制计算中选取什么样的参数，在系统中设置哪些人机界面来实现人对系统的管理与监控，还有诸如报警、报表及历史数据记录等各个方面功能的定义，所有这些都是组态所要完成的工作，只有完成了正确的组态，一个通用的DCS才能够成为一个针对一个具体控制应用的可运行系统。,2.3DCS的构成与联系,4.服务器及其他功能站,在现代的DCS结构中，除了现场控制站和操作员站以外，还可以有许多执行特定功能的计算机，如专门记录历史数据的历史站；进行高级控制运算功能的高级计算站；进行生产管理的管理站等。这些站也都通过网络实现与其他各站的连接，形成一个功能完备的复杂的控制系统。随着DCS的功能不断向高层扩展，系统已不再局限于直接控制，而是越来越多地加入了监督控制乃至生产管理等高级功能，因此当今大多数DCS都配有服务器。服务器的主要功能是完成监督控制层的工作，如整个生产装置乃至全厂的运行状态监视、对生产过程各个部分出现的异常情况的及时发现并及时处置、向更高层的生产调度和生产管理，直至企业经营等管理系统提供实时数据和执行调节控制操作等。,2.3DCS的构成与联系,5.系统网络,DCS的另一个重要的组成部分是系统网络，它是连接系统各个站的桥梁。由于DCS是由各种不同功能的站组成的，这些站之间必须实现有效的数据传输，以实现系统总体的功能，因此系统网络的实时性、可靠性和数据通信能力关系到整个系统的性能，特别是网络的通信规约，关系到网络通信的效率和系统功能的实现，因此都是由各个DCS厂家专门精心设计的，以太网逐步成为事实上的工业标准，越来越多的DCS厂家直接采用了以太网作为系统网络。,2.3DCS的构成与联系,6.现场总线网络,早期的DCS在现场检测和控制执行方面仍采用了模拟式仪表的变送单元和执行单元，在现场总线出现以后，这两个部分也被数字化，因此DCS将成为一种全数字化的系统。在以往采用模拟式变送单元和执行单元时，系统与现场之间是通过模拟信号线连接的，而在实现全数字化后，系统与现场之间的连接也将通过计算机数字通信网络，即通过现场总线实现连接，这将彻底改变整个控制系统的面貌。由于现场总线涉及到现场的测量和执行控制等与被控对象关系密切的部分，特别是它将使用数字方式传输数据而不是使用简单的4mA20mA模拟信号，其传输的内容也完全不局限于测量值或控制量，而包含了许多与现场设备运行相关的数据和信息，因此现场总线的传输问题要比模拟信号的传输问题复杂得多，这就是现场总线虽已出现多年，但至今仍然不能形成如4mA20mA这样统一标准的原因。,2.3DCS的构成与联系,6.现场总线网络,2.3DCS的构成与联系,图2.8现场总线技术进入DCS后的系统体系结构,7.高层管理网络,2.3DCS的构成与联系,图2.9综合监控自动化系统,2.3.3DCS的网络结构,一般来说，网络的拓扑结构有总线型、环形和星形这3种基本形态。而实际上，对系统设计有实际意义的，只有两种，一种是共享传输介质而不需中央节点的网络，如总线型网络和环形网络；另一种是独占传输介质而需要中央节点的网络，如星形网络。共享传输介质会产生资源竞争的问题，这将降低网络传输的性能，并且需要较复杂的资源占用裁决机制；而中央节点的存在又会产生可靠性问题，因此在选择系统的网络结构时，需要根据实际应用的需求进行合理的取舍。,2.3DCS的构成与联系,2.3.3DCS的网络结构,在共享传输介质类的网络中，常用的资源占用裁决机制有两种，一种是确定的传输时间分配机制，另一种是随机的碰撞检测和规避机制。在确定的传输时间分配机制中，主要采用两种方法进行时间的分配，一种是采用令牌(Token)传递来规定每个节点的传输时间。令牌以固定的时间间隔在各个节点间传递，只有得到令牌的节点才能够传输数据，这样就可以避免冲突，也使各个节点都有相同的机会传输数据；另一种是根据每个节点的标识号分配时间槽(TimeSlot)，各个节点只在自己的时间槽内传输数据，这种方法要求网络内各个节点必须进行严格的时间同步，以保证时间槽的准确性。随机碰撞检测和规避机制的最典型例子就是以太网，随着以太网交换技术的发展，总线型的以太网逐步演变成了星形结构。,2.3DCS的构成与联系,2.4DCS的体系结构的技术特点,2.4.1信息集成化系统网络是连接系统各个站的桥梁。由于DCS是由各种不同功能的站组成的，这些站之间必须实现有效的数据传输，以实现系统总体的功能。2.4.2控制功能的进一步分散化早期的仪表控制系统是由基地式仪表构成的。DDC将所有控制回路的计算都集中在主CPU中，这引起了可靠性问题和实时性问题。从仪表控制系统的角度看，DCS的最大特点在于其具有传统模拟仪表所没有的通信功能。那么从计算机控制系统的角度看，DCS的最大特点则在于它将整个系统的功能分成若干台不同的计算机去完成，各个计算机之间通过网络实现互相之间的协调和系统的集成。,2.4DCS的体系结构的技术特点,2.5DCS体系结构典型示例,2.5DCS体系结构典型示例,2.5DCS体系结构典型示例,2.5DCS体系结构典型示例,2.5DCS体系结构典型示例,2.5DCS体系结构典型示例,2.5DCS体系结构典型示例,2.5DCS体系结构典型示例,2.5DCS体系结构典型示例,2.5DCS体系结构典型示例,2.5DCS体系结构典型示例,2.5DCS体系结构典型示例,图2.10Honeywell公司推出的TDC-3000系统结构,2.5DCS体系结构典型示例,2.5DCS体系结构典型示例,2.14HOllySys(和利时)公司的MACS系统结构,小问题？,1、DCS的体系结构体现在哪几个方面?2、DCS的层次结构一般分为几层？并概述每层的功能。,