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(2)功能分散:
把中央控制器的功能分散出来,实现功能分散。
过程控制单元是以微处理器为基础的,各种常规的、先进的控制算法,甚至自整定控制的功能均能独立完成。
(3)显示分散:
中央操作站和本地操作站,都具备分散显示功能,包括3个方面。
现场控制单元本身可与本地的显示装置相连接,随时显示现场信息;
中央操作站具有显示全系统任何一个分散过程点全部信息的能力;
第三、四代的DCS各个本地显示操作站不仅可以调用其他本地显示操作站,也可调用中央操作站信息,并进行分散显示。
4)数据库分散:
每个单元都有本地数据库。
数据库是采用分布式的数据库系统,现场控制站也可以设有本地数据库,并为全系统共享。
5)通信分散:
过程单元在网络中可互相通信,享有"
平等权利"
。
因采用局域网络的通信技术,使现场控制站在网络中可互相通信,各站具有平等的通信控制权。
(6)供电分散:
分散供电装置为过程控制单元服务分散智能。
分散供电适应现场控制站分散在现场的需要,而且也有利于系统可靠性的提高。
(7)负荷分散。
一个分散控制单元,仅承担数个控制回路或子系统的控制任务,整个系统的控制任务可以合理地由各分散控制单元分摊,且可做到各分散控制单元的负荷基本均匀。
所以说,当今DCS主要提供工厂管理级的所有控制和管理功能,并集成全企业的信息管理功能。
上述“分散”的实现意味着整个系统的危险性分散。
功能分散是分散控制系统的主要内含。
分散控制系统,概括的说,它是一个多重物理资源和逻辑资源(多计算机或处理单元,多数据源,多指令源和程序)分布,采用某种互连网络或通讯网络进行资源互连,具有高度的局部资源自治能力、资源间的相互配合能力和资源的整体协调与控制能力,可实现分布资源的动态管理和分配、分布程序的并行运行、功能分散的计算机网络控制系统。
三、分散控制系统的产生
分散控制系统是在现代大型工业生产复杂的过程控制需求推动下,在总结和吸取常规模拟仪表控制和早期计算机控制的优点基础上,综合应用现代科技成果而发展形成的。
七十年代初期,微电子技术的重大突破,大规模集成电路的发展,微型计算机和微处理器的涌现,为数字控制提供了体积小、功能强、可靠性高、价格低廉的各类半导体芯片和计算机系统,为发展分散控制系统奠定了坚实的物质基础。
另外,CRT显示技术和数字通讯技术的进一步发展,也为分散控制系统的研究提供了更加完备的条件。
在控制论、信息论、系统工程等理论的指导下,以综合自动化为目标,按照分解自治和综合协调的设计原则,经过数年努力,美国Honeywell公司于1975年率先研制出世界上第一套计算机分散控制系统TDC-2000。
相继,各种分散控制系统如雨后春笋不断涌现。
分散控制系统的产生,可谓是“4C”技术(即计算机—Computer、控制—Control、通信—Communication,阴极射线管—Cathode-RayTube显示器等技术)的结晶,是多门类学科互相渗透、互相促进、综合发展的产物,是第三次工业革命(即计算机发展)的又一成果。
四、分散控制系统的发展
自1975年美国Honeywell公司的TDC-2000问世以来,分散控制系统以惊人的速度向着纵深发展,其发展过程大致分为三个阶段。
1.第一阶段(70年代中期)这是分散控制系统的初创阶段。
这一时期的典型产品除美国Honeywell公司的TDC-2000外,还有美国Foxboro公司的Spectrum系统,Bailey公司的Network-90系统,Taylor公司的MODⅢ系统,德国Siemens公司的Teleperm-M系统,日本北辰公司的900/TX系统,横河公司的CENTUM系统,日立公司的UNITROLB∑系统,东芝公司的TOSDIC系统,英国Kent公司的P4000系统等等。
这些系统一般是由五大主要部分组成,它们是:
(1)具有数据处理能力的数据采集装置(或称过程接口单元);
(2)具有较强运算能力和各种控制规律,可自立完成回路控制任务、实现分散控制的现场控制站(或称过程控制单元);
(3)具有集中显示、集中操作功能的CRT操作站;
(4)具有专用通信协议的数据高速通路;
(5)具有大规模的复杂的运算能力、多输入多输出控制功能、管理全系统所有信息和实现全系统优化的监控计算机。
这一时期的产品在技术上尚存在一定的局限性。
虽然系统的控制单元得到了有效的分散,但控制单元的管理、全系统的信息处理以及显示和操作管理等功能还相当集中于监控计算机;
系统尚采用8位或16位微处理器;
通讯所采用的是初级工业控制局部网络;
系统专用的通讯协议限制了其它系统的加盟;
有的系统还不具备顺序控制等功能。
2.第二阶段(80年代初、中期)是分散控制系统的成长阶段。
80年代,超大规模集成电路集成度的提高,微处理器运算能力的增强,计算机网络技术的进步以及市场需求的推进,给分散控制系统的发展带来新的生机,分散控制系统的第二代产品替代第一代产品正是这一成长阶段的具体表征。
第二代分散控制系统,有的是新设计开发的,有的是在第一代产品的基础上引进新技术、扩展新功能、提高可靠性而升级而成的。
代表产品有:
Honeywell公司的TDC-3000,Taylor公司的MOD300,日立公司的HIACS-3000,WestingHouse公司的WDPF,横河公司的YEWTTORIA,L&
N公司的MAX-1,Siemens公司的Teleperm-ME等等。
第二代分散控制系统一般由以下几个主要部分组成:
(1)局域网络。
它较一般工业控制网络的传输速率大,传输差错率低,扩展能力强,可靠性、有效性和可恢复性高,是分散控制系统各组成部分的纽带和主动脉。
(2)多功能现场控制站。
它是在第一代产品的基础上采用更先进的16位微处理器,更大存贮容量的ROM、RAM或EPROM芯片,充实更丰富的控制功能(顺序控制、批量控制、监督控制、数据采集与处理等)而形成的过程控制单元。
(3)增强型操作站。
它采用了32位微处理器,大大加强了系统集中监视操作、工艺流程显示、任意格式的报表打印、信息调度和管理等功能,为用户提供了更加完善和友好的人机界面,使得运行人员、维护人员以及工程技术人员对生产过程和系统状态的了解更为简单明确,操作更为方便。
(4)主计算机(或称管理计算机)。
它是用来实现高级过程控制、决策计算、优化运行、信息贮存、系统协调等的综合管理核心。
(5)系统管理站(或称系统管理模件)。
为克服主计算机和增强型操作站的某些局限性,加强整个分散控制系统的管理功能,提高管理过程的响应能力,第二代分散控制系统采用了专用的硬件模块组成了系统管理站。
系统管理站包括了诸如应用单元模件、计算单元模件、历史单元模件、系统优化模件等等。
(6)网间连接器(或称网关)。
它是局域网络与系统子网络或其它工业网络的接口,起着通讯协议翻译,通讯系统转接,系统扩展的作用,加强了分散控制系统的开放程度。
第二代分散控制系统的特点是:
产品设计走向标准化、模块化、工作单元结构化;
控制功能更加完善,用户界面更加友好;
数据通讯的能力大大加强并向着标准化方向发展;
管理功能得到分散;
可靠性进一步提高;
系统的适应性及其扩充的灵活性增强。
3.第三阶段(80年代中、后期)是分散控制系统的完善阶段。
随着信息采集、加工、传输和存储等信息处理技术的迅速发展,以及与之有关的通讯技术,仿真技术,知识工程,人工智能及其相应的支持软件和应用软件相继成熟,促使分散控制系统的规模,控制功能和管理功能不断扩展。
概括地讲这一时期分散控制系统具有以下特点:
(1)为适应信息社会发展的需要,提高企业综合管理水平和整个经济效益,分散控制系统加强了信息管理功能,具有高一层次的信息管理系统。
(2)实现了开放式的系统通讯。
系统广泛采用标准通讯网络协议,例如MAP(ManufactureAutomationProtocol)、IEEE、Ethernet和现场总线,解决了不同厂家生产的不同设备的互连问题,系统向上能与MAP和Ethernet接口,便于与其它网络系统联系,以构成综合管理系统;
向下支持现场总线,使现场控制设备之间实现了可靠的实时数据通讯。
(3)32位微处理器、智能I/O和数字信号处理器应用于现场控制站,使分散控制系统的功能更强,速度更快,算法更丰富,控制策略更先进。
(4)操作站功能进一步增强。
引入了三维图形显示技术、多窗口显示技术、触摸屏技术、多媒体技术、使其操作更简便,操作响应更快捷。
(5)专用集成电路和表面安装技术用于分散控制系统的硬件设计中,使板件上的元件减少,板件体积更小,可靠性更高。
(6)提供了把个人计算机(PC)和可编程序控制器(PLC)联入分散控制系统的硬件接口和应用软件,提高了应用系统构成的选择性和灵活性,同时为建立低成本的分散控制系统开辟了新途径。
(7)过程控制组态采用了CAD方法,使其更为直观方便。
(8)采用实时分散数据库;
引入专家系统和人工智能,实现自整定、自诊断功能等。
这一时期的代表产品有:
Honeywell公司的TDC-3000/PM,Bailey公司的INFI-90,Foxboro公司的I/ASeries,横河公司的CENTUM-XL,Siemens公司的Teleperm-XP,ABB公司的Procontrol-P,德国HartmanandBraun公司的Contronic-E等等。
4.第四阶段(90年代至现在)分散控制系统的融合扩展阶段
随着信息技术(网络通信技术、计算机硬件技术、嵌入式系统技术、现场总线技术、各种组态软件技术、数据库技术等)发展;
另一方面,用户对先进的控制功能与管理功能需求的增加,各DCS厂商(以Honeywell、Emerson、Foxboro、横河、ABB为代表)纷纷提升DCS系统的技术水平,并不断地丰富其内容。
以Honeywell公司最新推出的ExperionPKS(过程知识系统)、Emerson公司的PlantWeb(EmersonProcessManagement)、Foxboro公司的A2、横河公司的R3(PRM-工厂资源管理系统)和ABB公司的IndustrialIT系统为标志的新一代DCS已经形成。
第四代DCS的最主要标志是两个“I”开头的单词:
Information(信息)和Integration(集成)。
第四代DCS的体系结构主要分为四层结构:
现场仪表层、控制装置单元层、工厂管理(车间)层和企业管理层。
一般DCS厂商主要提供下面的三层功能,而企业管理层则通过提供开放的数据库接口连接第三方的管理软件平台(ERP、CRM、SCM等)。
所以说当今DCS主要提供工厂(车间)级的所有控制和管理功能,并集成全企业的信息管理功能。
第四代DCS特点:
1信息化
计算机技术、网络技术、通讯技术的发展推进了DCS的信息化进程,信息化体现在各DCS系统已经不是一个以控制功能为主的控制系统,而是一个充分发挥信息管理功能的综合平台系统。
DCS提供了从现场到设备,从设备到车间,从车间到工厂,从工厂到企业集团整个信息通道。
这些信息充分体现了全面性、准确性、实时性和系统性。
DCS实现的信息化功能主要包括以下几方面:
(1)SCADA功能
SCADA功能包括通过各种通信协议实现数据采集,对各种实时数据、历史数据、报警信息、事故记录等进行存储,分类、综合和显示;
各种方式的信息显示和传送如屏幕显示、远程浏览显示及无线终端显示等。
几乎所有的第四代DCS都提供了比较全面的SCADA功能。
例如ExperionPKS中,通过DigitalVideoManager实现图像的传输和显示;
通过DSA(DistributedSystemArchitecture)用户可以实现全球联网;
通过HMIWebTechnology用户可以方便地实现任何位置的人机界面的组态;
通过eServer用户可以安全随机地访问过程信息,还有远程监控,支持无线终端等功能。
(2)设备管理和智能维修功能
过去电站和大型石化装置每隔一年左右就必须进行一次整体停机大修。
大修时间一般在一个月左右,在这期间所有生产停止,为了生产安全,每年企业大约10%的生产效率就白白浪费了。
有了第四代DCS提供的设备管理和智能化维修功能,这样的浪费就可大大减少甚至消除了。
第四代DCS通过智能化现场信号处理模块的自诊断功能实时对DCS系统本身的部件自动诊断,而且一般都提供冗余措施,在关键部件发生故障时报警并自动切换到冗余备件上,保证设备正常工作,还能通过现场总线技术对现场仪表的运行状态自动诊断,并可实现自动校正,确保各变送器和执行器正常工作。
例如,Emerson公司的PlantWeb系统,Honeywell公司的AssetManagerPKS系统等都提供了这样的功能。
(3)还包括能源管理、批处理和配方管理、支持开放的数据库接口和多种流行标准网络接口等功能。
2集成化
DCS的集成化体现在两个方面,功能的集成和产品的集成。
过去的DCS厂商基本上是以自主开发为主,提供的系统也是自己的系统。
当今的DCS厂商更强调的系统集成性和方案能力,DCS中除保留传统DCS所实现的过程控制功能之外,还集成了PLC、RTU、FCS各种多回路调节器、各种智能采集或控制单元等。
此外厂商不再把开发组态软件或制造各种硬件单元视为核心技术,而是纷纷把DCS的各个组成部分采用第三方集成方式或OEM方式。
例如多数DCS厂商自己不再开发组态软件平台,而转入采用其兄弟公司(Foxboro用Wonderware软件为基础)的通用组态软件平台或其它公司提供的软件平台(Emerson用Intellution的软件平台做基础)此外,许多DCS厂家甚至I/O组件也采用OEM方式(Foxboro采用Eurothem的I/O模块,横河的CS3000-R3采用富士电机的Processio作为I/O单元基础,Honeywell公司的PKS系统则采用ROCKWELL公司的PLC单元作为现场控制站)和利时公司也改变了过去全部自己开发的技术路线,而是利用自己的核心技术与国外专业化公司合作开发出HOLLiAS。
例如与德国公司联合开发完全符合IEC61131-3全部功能的控制组态软件。
公司的HMI既可以采用和利时自主知识产权的FOCS软件平台,也可以采用通用的如CITEC等软件平台。
系统的硬件更是集成化的,除了I/O单元由和利时自己开发制造外,其他PLC、RTU、FCS接口、无线通信,变电站数据采取与保护、车站微机联锁等以及各种智能装置均可采用集成方式。
在一套监控系统中集成的各种智能设备多达几十种。
3混合控制系统
过去区分DCS和PLC主要通过被控对象的特点(过程控制和逻辑控制)来进行划分,但是第四代的DCS已经将这种划分模糊化了,几乎所有的第四代DCS都包容了过程控制、逻辑控制和批处理控制,实现混合控制。
这也是为了适应用户的真正控制需求。
因为多数的工业企业绝不能简单地划分为单一的过程控制和逻辑控制需求,而是由过程控制为主或逻辑控制为主的分过程组成的。
要实现整个生产过程的优化提高整个工厂的效率,就必须把整个生产过程纳入统一的分布式集成信息系统。
例如典型的冶金系统、造纸过程、水泥生产过程、制药生产过程、食品加工过程、发电过程、大部分的化工生产过程,都是由部分的连续调节控制和部分的逻辑联锁控制构成。
第四代的各DCS系统几乎全部采用IEC61131-3标准进行组态软件设计,而该标准原为PLC语言设计提供的标准。
同时一些DCS(如Honeywell公司的PKS)还直接采用成熟的PLC作为控制站。
多数的第四代DCS都可以集成中小型PLC作为底层控制单元。
今天的小型和微型PLC不仅具备了过去大型PLC的所有基本逻辑运算功能,而且高级运算通信以及运动控制也能实现。
4融入FCS功能并进一步分散化
现场总线控制系统作为一种双向串行多节点的数字通信系统,有很多DCS无法比拟的优点。
过去一段时间一些学者和厂商把DCS和FCS现场总线控制系统对立起来,其实真正推动FCS进步的仍然是世界主要几家DCS厂商。
所有的第四代DCS都融入了各种形式的现场总线接口,可以支持多种标准的现场总线仪表、执行机构等。
此外各DCS还改变了原来机柜架式安装I/O模件相对集中的控制站结构,取而代之的是进一步分散的I/O模块(导轨安装)或小型化的I/O组件(可以现场安装)或中小型的PLC。
当前过程控制系统采用将现场总线集成于DCS的思想,具体地讲,就是将DCS现场控制站的I/0卡件从控制柜中分离出来,以模块形式安装到现场来完成数据采集和数据输出功能,而控制和运算功能由现场模块或控制站来完成,模块挂接到现场总线上通过现场总线接口网卡同控制站进行通信。
这种处理方案既充分发挥了DCS的高可靠性优点,又兼得了现场总线技术。
这种做法的实质是对DCS中的现场控制站作了进一步分散的处理,使得I/0能现场就地安装,使得控制站与I/O的通信从PC并行总线转变为现场串行总线。
下图为两种方案的比较
第四代系统的几家厂商的现场处理部件具有以下几个共同特点。
(1)小型化
过去的DCS现场控制站采用大柜式机架安装结构,机柜内由电源系统、主控制器、机架、I/O机架、接线端子柜等组成每个机架(或叫机笼)尺寸一般都比19”欧洲标准机架[6U高]大,所以DCS在应用时一般有一个经济限制,小型系统不适合应用DCS。
微处理器技术,低功耗高集成度电子芯片技术的发展,使第四代DCS几乎都转向了小型或微型控制站机构,例如ExperionPKS的C200控制器组件和横河的CS3000-R3系统,采用小4U架式模块结构,并可以挂式安装,而Foxboro的A2系统,Emerson的DeltaV和ABB的IndustrialIT则采用更分散更小型的I/O控制器结构。
(2)开放化和智能化
这些小型的控制器一般都有很强的处理功能,有些把双冗余主控模块与I/O模块并排安装在一起,有的则是将主控制器模块单独安装,应用标准的串行总线(以太网,Profibus,Modbus等)与I/O模块连接。
不管哪种模式这些控制器和I/O模块一般都提供标准的串行总线通讯,所以它们既可以是DCS的现场测控单元,又可以单独成产品。
I/O系统的开放将原来DCS的开放性又推进了一层。
(3)低成本
DCS在上个世纪八十年代甚至九十年代,还是技术含量高、应用相对复杂、价格也相当昂贵的工业控制系统。
随着应用的普及和大家对信息技术的理解,DCS已经走出高贵的神秘塔,变成大家熟悉的、价格合理的常规控制产品。
灵活的规模配置和小型结构,大大降低系统的成本与价格。
可以说现在采用先进的DCS实现工业自动化控制,比原来采用常规的仪器仪表进行简单控制,用户投资增加不多,但是实现的功能却大大加强。
就控制站而言,原来一个物理信号处理平均1500元人民币,而现在已经降到几百元左右。
5DCS平台开放型与应用服务专业化
多年来工业自动化界讨论非常多的一个概念就是开放性,过去由于通信技术的相对落后,开放性是困扰用户的一个重要问题。
当代网络技术、数据库技术、软件技术、现场总线技术的发展,为开放系统提供了基础,各DCS厂家竞争的加剧促进了细化、分工与合作。
各厂家放弃了原来自己独立开发的工作模式,变成集成与合作的开发模式。
第四代DCS全部支持某种程度的开放性。
开放性体现在DCS可以从三个不同层面与第三方产品相互连接。
在企业管理层,支持各种管理软件平台;
连接在工厂车间层支持第三方先进控制产品、SCADA平台、MES产品、BATCH处理软件,同时支持多种网络协议(以以太网为主);
在装置控制层可以支持多种DCS单元(系统)、PLC、RTU各种智能控制单元等,以及各种标准的现场总线仪表与执行机构。
值得注意的是开放性的确有很多好处,但是在考虑开放性的同时首先要充分考虑系统的安全性和可靠性。
因为生产过程的故障停车或事故造成的损失,可能比开放性选择产品所节省的成本要高得多。
同时注意在选择系统设备时,先要确定系统的需求,然后根据需求选择必要的设备,尽量不要装备一些不必要的功能。
随着开放系统和平台技术的发展,产品的选择更加灵活,软件组态功能越来越强大并灵活,但是每一个特定的应用都需要一个独特的解决方案,所以专业化的应用知识和经验是当今工业自动化厂商或系统集成商成功的关键因素。
各DCS厂家在努力宣传各自DCS技术优势的同时更是努力宣传自己的行业方案设计与实施能力,为不同的用户提供专业化的解决方案并实施专业化的服务,将是今后各DCS厂家和系统集成商竞争的焦点。
同时也是各厂家盈利的主要来源
第四代DCS厂商在提高DCS平台集成化的同时,都强调自己在各自应用行业的专业化服务能力。
DCS厂家不仅注重系统本身的技术,而更加注重如何满足应用需求,并将对不同行业应用需求的满足作为自己系统的最关键的技术。
这应该是第四代DCS的又一重要特点。
五、DCS的发展现状
全球著名的DCS生产商有:
Honeywell、ABB、Foxboro、Siemens、横河、西屋等,国内知名的DCS生产商有:
北京和利时、浙大中控和上海新华等。
Honeywell公司推出的ExperionPKS系统、Emerson公司的PlantWeb(EmersonProcessManagement)、横河公司的R3(PRM一工厂资源管理系统)、ABB公司的IndustrialIT系统等都是新一代DCS的代表,国内的和利时公司也推出了自己的第四代DCS—MACS—Smartpro系统。
现在中国市场上的DCS供应商有近20家,包括欧美,日本和国内最近几年发展起来的一批企业。
随着我国继续坚持改革开放的政策,现在已经有众多国际知名的DCS品牌进入我国市场,近几年ABB、Emerson、Invensys等生产的DCS系统在国内很多不同的行业得到广泛的应用。
ABB等国外的大公司,国内的国电智深、和利时等品牌在电力行业应用广泛。
ABB、上海新华、Siemens、Emerson、Invensys、国电智深以及和利时7家供应商占据了整个电力行
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