分布式控制系统构成课件

2 2 分布式控制分布式控制系统的构成系统的构成2 分布式控制系统的构成12 分布式控制系统的构成v2.1 过程控制站v2.2 运行员操作站v2.3 工程师工作站2 分布式控制系统的构成2.1 过程控制站2分布式控制系统典型结构分布式控制系统典型结构3v2.2.控制级：过程控制站和数据采集站控制级：过程控制站和数据采集站v（1）过程控制站过程控制站v接收由现场设备（如传感器、变送器）来的信号，按照一定的控制策略计算出所需的控制量，并送回到现场的执行器中去。v可同时完成连续控制、顺序控制或逻辑控制功能。2.控制级：过程控制站和数据采集站42.1 过程控制站vDCS中实现过程控制的重要设备。v按控制方式，过程控制站分为：直接数字控制站 顺序控制站 批量控制站2.1 过程控制站DCS中实现过程控制的重要设备。5v直直接接数数字字控控制制站站：主主要要用用于于生生产产过过程程中中连连续续量量 (又又称称模模拟拟量量，例例如如，温温度度、压压力力、流流量量等等)的控制；的控制；v顺顺序序控控制制站站：主主要要用用于于生生产产过过程程中中离离散散量量 (又又称称开开关关量量，例例如如，电电机机的的启启/停停、阀阀门门的的开开/关等）的控制；关等）的控制；v批批量量控控制制站站：既既可可以以实实现现连连续续量量的的控控制制，又又可以实现离散量的控制。可以实现离散量的控制。直接数字控制站：主要用于生产过程中连续量(又称模拟量，例如62.1.1 过程控制站的结构一一.机械结构机械结构标准的机柜式结构标准的机柜式结构 2.1.1 过程控制站的结构一.机械结构标准7二、系统结构二、系统结构 一个过程控制站可能包含一个或多个基本控制单元;基本控制单元由处理器模件和输入/输出模件组成二、系统结构8v功能功能:处理器模件：控制或数据处理任务 输入/输出模件：与处理器模件相连v通信通信:v基本控制单元之间通过控制网络Cnet连接，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，通过通信模件和Cnet传到各个基本控制单元。v每个基本控制单元中，处理器模件与输入/输出模件之间的信息交换由内部总线完成。功能:92.1.2 基本控制单元的种类基本控制单元BCU(Basic Control Unit)：DCS中直接控制生产过程的那一部分硬件和软件的统称。功能：BCU接受来自传感器或变送器的过程变量，按照一定的控制策略，计算出需要的控制变量，并把这些控制变量传送到生产过程中去，通过执行机构去调整生产过程中的温度、压力、流量、液位等被控变量。2.1.2 基本控制单元的种类基本控制单元BCU(Basi10BCUBCU分为三种分为三种类型类型 ：1单回路型;2功能分离型;3多回路型 BCU分为三种类型：11（1）单回路型v控制规模:小，一个PID回路或一台电动机v控制功能：连续控制、顺序控制、简单的逻辑控制v典型回路：BCU有24个模拟量输入通道，12个模拟量输出通道，以及24个开关量输入通道和24个开关量输出通道。（1）单回路型控制规模:小，一个PID回路或一台电动机12v适用范围：从小到大各种规模的系统，不能用于非常复杂的系统v硬件要求：用廉价的硬件就能达到所需要的性能v通信要求：实现复杂系统需要的通信量大，人机接口通信量小v安全措施：仅控制一个回路不采取冗余技术，仅设置备用手动操作回路适用范围：从小到大各种规模的系统，不能用于非常复杂的系统13（2）功能分离型v控制规模：中，几个控制回路，小型的逻辑控制和顺序控制系统v控制功能：把连续控制功能和顺序控制功能分开，由不同的BCU完成v硬件要求：由于功能分离，可以合理使用硬件v适用范围：即使在小型控制系统中，也需要两种类型的控制单元（2）功能分离型控制规模：中，几个控制回路，小型的逻辑控制和14v功能分离型BCU属于中规模控制器。连续控制的BCU一般有16个模拟量输入通道、8个模拟量输出通道，能够运行几十个连续控制功能块；实现顺序控制的BCU一般有32个开关量输入通道、16个开关量输出通道，能够运行上百个顺序控制功能块。v通信方面：不同控制功能的单元之间的通信量较大v在可靠性要求比较高时，采用冗余技术。功能分离型BCU属于中规模控制器。连续控制的BCU一般有1615（3）多回路型v控制规模：大，几十个控制回路多回路，大型的逻辑或顺序控制系统，控制规模控制规模上接近过去的直接数字控制系统v控制功能控制功能：连续控制和顺序控制v典型回路：多回路型BCU具有64个模拟量输入、32个模拟量输出、128个开关量输入、64个开关量输出（3）多回路型控制规模：大，几十个控制回路多回路，大型的逻辑16v适用范围：可以控制具有一定规模的生产过程，不适于太小的控制系统硬件要求：控制功能很强，对硬件要求很高v通信要求：控制单元通信量小，人机接口通信量大v安全措施：由于控制任务过于集中，必须采用冗余措施适用范围：可以控制具有一定规模的生产过程，不适于太小的控制系17分布式控制系统构成课件18v基本控制单元硬件：1.完成控制算法或数据任务的处理器模件 2.与其相连的其他输入/输出模件v输入/输出模件:模拟量输入模件(AI)、模拟量输出模件(AO)、开关量输入模件(DI)、开关量输出模件(DO)、脉冲量输入模件(PI)等基本模件。还有通信接口模件，专门用于汽轮机电液控制系统的液压伺服模件，用于连接现场总线的现场总线模件等专用模件。2.1.3 基本控制单元的硬件 基本控制单元硬件：2.1.3 基本控制单元的硬件 19v(1)(1)运行员操作站运行员操作站v运行员与分布式控制系统交换信息的人机接口。v运行员操作站组成：一台具有较强图形处理功能的微型机，以及相应的外部设备，一般配有CRT显示器、大屏幕显示装置(选件)、打印机、拷贝机、键盘、鼠标或球标。(1)运行员操作站202.2 运行员操作站v2.2.1 概述概述v运行员操作站是运行员对过程与系统的接口，常被称为人机接口 Man MachineInterface(MMI)，或称为运行员工作站。2.2 运行员操作站2.2.1 概述21v采用DCS以前的单元控制室里，过程信号是直接通过硬接线从现场变送器连接到单元控制室的。那时过程信号有以下特点：v没有延时v在固定的位置显示v故障的原因比较简单v重要参数的报警非常明显采用DCS以前的单元控制室里，过程信号是直接通过硬接线从现场22DCS控制系统：DCS提供大量的数据，这些数据到达人机接口之后，要通过MMI的设计将数据转换成信息，并且以操作员习惯的方式按过程对操作员的需求的重要性顺序反映出来。设计：全部功能、即时性、规律性、突出重点DCS控制系统：DCS提供大量的数据，这些数据到达人机接口232.2.2 MMI的结构vMMI通常由计算机及其辅助系统组成。当前的MMI由通用计算机配以DCS厂家的人机接口软件来组成 2.2.2 MMI的结构MMI通常由计算机及其辅助系统组成24一、MMI与 DCS的接口 vMMI通过与DCS数据通道的接口来维护一个实时数据库。实时数据库不断地获得数据，使MMI和DCS数据通道都把它看做是自己的内存，获得需要的数据。一、MMI与 DCS的接口 MMI通过与DCS数据通道的25二、MMl主机与外设 vMMI总是通过外设与操作员打交道，CRT给操作员显示信息，键盘接收操作员指令，打印机、报警板向操作员打印记录或提供报警。无论什么功能几乎都是通过主机将外设与实都是通过主机将外设与实时数据库联系起来时数据库联系起来。二、MMl主机与外设 MMI总是通过外设与操作员打交道，26DCS中MMI的不同构成方式 DCS中MMI的不同构成方式 27三、MMI的开放结构 v从上可知MMI内部的网络给MMI设备配置所带来的好处，当MMI内部结构中的纽带数据通数据通信网的协议信网的协议是公共的协议时，这种结构更为重要的特性MMI的开放。MMI利用自己内部的总线与其他的设备通信时，整个系统就更加灵活了。v通信系统中的开放：开放：指不同通信设备之间通信的能力，当一个设备能与多种设备通信时，这个设备就是开放的。三、MMI的开放结构 从上可知MMI内部的网络给MMI设备28DCSDCS之间的之间的两种通信结构 DCS之间的两种通信结构 29MMI开放结构：大屏幕大屏幕v大屏幕上的信息可以使多名操作员、管理人员、维护人员同时看到系统与过程参数和状态，从而建立他们之间的交流。vMMI结构中的CRT的两种形式：v常规的供一名操作员使用的人机接v供多名人员共同使用的大屏幕的人机接口MMI开放结构：大屏幕大屏幕上的信息可以使多名操作员、管理人30大屏幕的系统组成大屏幕的系统组成312.2.3 MMI的基本功能 v操作员通过MMI监视、控制工业过程。其基本功能基本功能：（1）显示过程信息，传递操作员的指令，显示处理各种报警。（2）监视DCS中所有设备的状态，包括MMI本身及其外设的状态。（3）通过MMI确诊某一个过程通道的故障。（4）操作员通过MMI管理运行过程，记录各种过程与系统的事件，存储、打印记录的结果，生成报表。（5）操作员通过MMI维护、调整生产过程与DCS，提供对过程控制参数、结构的调整手段，调整MMI内的各种软硬配置，提供过程与系统各类帮助指导。2.2.3 MMI的基本功能 操作员通过MMI监视、控制工业32v（2 2）工程师工作站）工程师工作站v为控制工程师对分散控制系统进行配置、组态、调试、维护所设置的工作站。v对各种设计文件进行归类和管理，形成各种设计文件，例如，各种图纸、表格等。v工程师工作站组成：由PC机配置一定数量的外部设备所组成，如打印机、绘图机等。（2）工程师工作站332.3 工程师工作站v工程师工作站Engineering Work Station(EWS)：DCS中用于系统设计的工作站。v主要功能主要功能：为系统设计工程师提供各种设计工具，使工程师利用它们来组合、调用DCS的各种资源。v利用工作站来组合DCS提供的控制算法或画面符号，而不是编制具体的计算机程序或软件，也不是用来描绘制造或安装用的图纸，所以把这种设计过程称作组态组态或组态设计。2.3 工程师工作站工程师工作站Engineering 342.3.1 工程师站的组成 vPCPC机硬件及操作系统机硬件及操作系统。v工程师站的基本设备工程师站的基本设备：一台完整的PC机，有的用“工作站”式的PC，有的采用服务器客户机结构，这显然是一种趋势，因为它更适合于多个设计者共享一个项目的资源。v工程设计软件工程设计软件。各DCS都有进行工程组态的软件，它们只适用于自己的系统。v其他辅助性通用软件其他辅助性通用软件。如办公软件、数据库软件等。2.3.1 工程师站的组成 PC机硬件及操作系统。35分布式控制系统构成课件362.3.2 工程师站在DCS中的作用 v一用一用EWSEWS做系统组态设计做系统组态设计v二系统调试与设计更改二系统调试与设计更改v三运行记录三运行记录v四文件整理四文件整理2.3.2 工程师站在DCS中的作用 一用EWS做系统组态37一用EWS做系统组态设计v系统组态设计的主要任务：利用DCS提供的所有控制、监视功能来设计实际的过程v控制系统。组态设计包括：v(1)系统硬件构成的总体设计系统硬件构成的总体设计 v(2)系统的硬件设计系统的硬件设计 v(3)控制逻辑设计控制逻辑设计 v(4)人机接口站组态设计人机接口站组态设计 v(5)文件组态文件组态 v(6)系统运行之后的维护管理基本方法系统运行之后的维护管理基本方法 一用EWS做系统组态设计系统组态设计的主要任务：利用DCS38(1)系统硬件构成的总体设计系统硬件构成的总体设计(1)系统硬件构成的总体设计39(2)系统的硬件设计系统的硬件设计v硬件设计的结果是安装、组装和接线所用的工程图纸。v通常包括过程控制单元中的模件布置、电源分配、现场I/O的连接方法、屏蔽与接地等设计，使用EWS可以方便地根据DCS的设计规范和过程控制的具体要求设计出这些接线图、配置图。(2)系统的硬件设计硬件设计的结果是安装、组装和接线所用的工40(3)控制逻辑设计控制逻辑设计v根据DCS中给出的控制元件(算法，或称功能码)组成控制方案的过程。v简单说，包括采集现场信号的设计、控制运算、决策的设计、控制输出的设计、通信与传递信号的设计、系统诊断与处理方面的设计等。(3)控制逻辑设计根据DCS中给出的控制元件(算法，或称功41(4)人机接口站组态设计人机接口站组态设计v根据运行、维护等日常由运行员完成的任务，通过DCS的运行员站所提供的功能，设计并组成一个监控系统的过程。v包括画面设计、报警设计、数据库设计、记录设计、帮助指导设计等。(4)人机接口站组态设计根据运行、维护等日常由运行员完成的任42(5)文件组态文件组态v为使DCS正常运行而编制的各种说明指导性文件。vDCS的安装、使用、应用方法，故障处理方法都应该在DCS中提供，根据问题性质的不同，或者在人机接口站上提供，或者在工程师工作站上提供。(5)文件组态为使DCS正常运行而编制的各种说明指导性文件。43(6)系统运行之后的维护管理基本方法系统运行之后的维护管理基本方法vDCS的组态任务中应包括设计一套管理这些信息的系统，虽然在DCS的设计过程中这些问题可能尚未发生，但有了这样的一种信息结构，对运行过程中的维护是很有用的，有些DCS系统己能够自动产生一些硬件方面的问题报告。(6)系统运行之后的维护管理基本方法DCS的组态任务中应包括44二系统调试与设计更改二系统调试与设计更改v由于EWS的设计中心的地位，所以在DCS的系统调试与设计更改过程中，EWS发挥了最重要的作用。v*调试过程中，可通过EWS来确认控制组态是否执行得正确，这需要在线运行EWS，以实时监视过程中的动态数据，发现问题后，修改组态。v*在下载了人机接口的组态之后，如果有问题，也要在EWS上修改。所以在调试过程中，EWS显得最忙，这时尤其要注意的是EWS上的文件的管理。二系统调试与设计更改由于EWS的设计中心的地位，所以在DC45三运行记录v特殊的参数特殊的参数 控制回路之间相交联的变量的耦合程度；系统运行过程中DCS的负荷参数、通信负荷率、运算负荷率等。v注意:把这些用于控制或系统分析的信息与运行员日常处理的信息分开，以避免相互干扰。vEWS上对数据做分析的软件要丰富，这些软件对控制系统做分析更有效。三运行记录特殊的参数46四文件整理vEWS作为设计中心。EWS也应作为向用户提供DCS全部设计文件与系统说明文件的中心。v实际上，如果EWS管理得好，它还应提供系统调试、运行、管理过程中相关的全部文件，使得与DCS相关的文件都可以在EWS上找到。四文件整理EWS作为设计中心。EWS也应作为向用户提供DC47EWS的作用EWS的作用482.3.3 工程师站在 DCS中的地位 v从硬件上或者说从通信的逻辑关系上，EWS并不比其他节点高级vEWS的任务是系统设计，且系统运行时并不要求EWS必须在线v但从设计上看，过程控制站和人机接口上的控制与运行方案，都是来自EWS的v在实时控制过程中，一般不能规定EWS有更高的控制优先级2.3.3 工程师站在 DCS中的地位 从硬件上或者说从通49第一部分 第二章复习题v1.怎样理解直接数字控制、顺序控制、批量控制这三种控制方式？v2.过程控制站的基本控制单元由哪几部分组成组成？各有什么功能？v3.MMI的基本功能有哪些?v4.工程师站的功能和作用有哪些？第一部分 第二章复习题1.怎样理解直接数字控制、顺序控制、50