第3章DCS硬件系统.docx
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第3章DCS硬件系统
第3章DCS硬件系统
3.1DCS硬件系统概述
集散控制系统是以微处理器为基础的集中分散型综合控制系统的简称。
由于它在发展初期是以分散控制为主要特征的,因此国外一般称其为分散控制系统,在国内习惯于称之为集散控制系统。
也有人称其为分布式控制系统。
集散控制系统综合了计算机技术、通信技术、图形显示技术和过程控制技术,采用了多层次分级的结构形式,以适应现代生产控制与管理的需要。
它从问世至今只有十多年的历史,但却经历了一系列变革。
它继承和发展了常规仪表控制系统和计算机集中控制系统的优点,同时弥补了各自的不足,以崭新的结构体系、技术面貌、信息处理能力和独具风格的控制方式获得了广大用户的赞誉,并已普遍地应用于石油、化工、冶金、电力、纺织、造纸、食品和水处理等工业领域。
我国已先后从国外引进近千套集散控制系统。
集散控制系统的出现是工业过程控制发展史上的一个里程碑。
从世界范围看,它已成为过程控制系统发展的主流。
因此应用与推广集散控制系统,研究与开发更先进的集散控制系统,已成为整个工业控制界的重要任务。
3.1.1系统概述
集散控制系统是一体化的控制系统,提供了最好的系统可用性技术。
通过提供图形化的面向对象的组态工具和全套的过程控制算法库,使用户的控制工程生产力显著提高。
系统的基本组件分为以下几个。
1.调节控制和逻辑控制一体化的混合控制器
(1)功能强大的控制处理器模件。
(2)冗余配置或非冗余配置选择。
(3)50ms或5ms基本控制执行环境。
(4)灵活的,紧凑型机架式输入/输出系列。
(5)输入/输出子系统。
(6)满足危险区域要求的电流隔离/本安型输入/输出系列。
(7)低成本的标准导轨安装型输入/输出系列。
(8)基金会现场总线、HART协议以及Profibus等现场总线的集成。
2.高级应用控制环境
(1)基于Windows2000Server操作系统的应用控制环境。
(2)500ms基本控制执行环境。
(3)与混合过程控制器相同的控制算法库。
(4)集成的OPC标准的数据访问。
3.高性能服务器
(1)冗余配置或非冗余配置的选择。
(2)OPC接口及多种第三方控制器的通信接口。
(3)用于全厂范围或地理上广域分布的诸系统的分布式服务器结构。
4.操作员站人机界面(HMI)
(1)基于Honeywell的HMIWeb技术。
(2)固定式或临时式操作员站定义提供了极大的灵活性和成本有效性。
(3)高分辨率图形界面。
(4)控制策略设计图的实时监视显示。
5.过程系统软件
(1)监控软件提供高速缓存区的实时动态数据存取、报警/事件管理、报表报告生成等功能。
(2)控制组态软件为生成控制策略提供全套控制算法库。
(3)流程图组态软件用于创建基于HTML格式的操作员图形界面。
(4)知识库软件提供基于HTML格式的在线帮助文档。
(5)系统组态和诊断实用程序。
6.过程控制网络
(1)支持冗余配置以提高系统的可靠性。
(2)提供基于开放技术的灵活性。
3.1.2系统的各层功能
集散控制系统按照功能分层的方法可以分为现场控制级、过程装置控制级、操作管理级、优化和调度管理级。
为了对各层功能进一步了解,本节结合实际系统加以说明。
1.现场控制级
现场控制级是集散控制系统的最底层,随着控制器、现场变送器、传感器和执行器的智能化,现场控制级可以部分或全部完成过程装置控制级的功能。
根据总线的网络结构,现场控制级可组成星形、树形和总线型结构。
现场控制级的特点与现场总线、智能设备的特性有关。
现场控制级的特点:
(1)多信息系统。
(2)双向的多变量通信。
(3)更高精确度和可靠性。
(4)系统的自诊断/自校正功能更强。
(5)维护、校验更方便。
(6)互操作性。
(7)多端存取。
(8)低的成本和安装费用。
现场控制级的功能:
(1)采集过程数据,对数据进行转换。
(2)输出过程操纵命令。
(3)完成与过程装置控制级的数据通信。
(4)对现场控制级的设备进行监测与诊断。
2.过程装置控制级
过程装置控制级是集散控制系统的关键部分,其性能直接影响着系统的实时性和控制质量。
大多数集散控制系统的过程装置控制级由过程装置控制设备和I/O模件组成,通过网络实现信息的传送。
过程装置控制级的特点:
(1)高可靠性。
(2)实时性。
(3)控制功能强。
过程装置控制级的功能:
(1)采集过程数据,进行数据转换与处理。
(2)数据的监视和存储。
(3)实施连续、批量或顺序控制的运算和输出控制作用。
(4)数据和设备的自诊断。
(5)数据的通信。
3.车间管理级
车间管理级以中央控制室操作站为中心,是人机界面,所以车间管理级的质量与操作的效果有直接关系。
车间管理级的主要特点:
(1)采用屏幕显示过程和数据。
(2)操作应方便、简捷。
(3)存储数据量大,显示信息量大。
(4)报警和故障诊断处理。
(5)数据通信。
车间操作管理级的功能:
(1)数据显示和记录。
(2)过程操作。
(3)数据存储和压缩归档。
(4)报警、事件的诊断和处理。
(5)系统组态、维护和优化处理。
(6)数据通信。
(7)报表打印。
4.优化和调度管理级
优化和调度管理级从系统的整体出发,从工厂的产、供、销的协调关系出发,使系统进一步优化协调。
优化和调度管理级的功能:
(1)优化控制。
(2)协调和调度各车间生产计划和各部门的关系。
(3)主要数据的显示、存储和打印。
(4)数据通信。
3.2DCS过程控制级
图3.1集散控制系统基本构成
从系统结构分析,集散控制系统都由三大基本部分组成,它们是分过程控制装置、集中操作和管理及通信部分。
分散过程控制装置部分由多回路控制器、单回路控制器、多功能控制器、可编程控制器及数据采集装置等组成。
它相当于现场控制级和过程控制装置级,实现与过程的连接。
三部分的关系如图3.1所示。
3.2.1过程装置控制级的特征
过程装置控制控制级是系统与过程之间的接口,其结构具有如下特征。
(1)需适应恶劣的工业生产过程环境。
分散过程控制装置的一部分设备需要安装在现场,所处的环境差,因此,要求分散过程控制装置能适应环境的温度变化,适应工业环境中的电磁干扰的影响以及环境腐蚀介质的影响。
(2)分散控制。
分散过程控制装置体现了控制分散的系统构成。
它把地域分散的过程装置用分散的控制实现,它的控制功能也分为常规控制、顺序控制和批量控制。
它把监视和控制分离,把危险分散,使得系统的可靠性提高。
(3)实时性。
分散过程控制装置直接与过程进行联系,为能准确反映过程参数的变化,它应具有实时性强的特点。
(4)独立性。
分散过程控制装置具有较强的独立性。
当上位机系统出现故障时,它还能正常运行。
3.2.2过程控制级中的智能调节器与可编程控制器
1.智能调节器
智能控制是一个新兴的学科领域,它是控制理论发展的高级阶段。
它主要用来解决那些用传统方法难以解决的复杂系统的控制问题。
智能控制系统是实现某种控制任务的一种智能系统,它由智能控制器和对象组成,具备一定的智能行为。
一台计算机化仪表对应于一个控制回路(包括复杂的控制回路)的数字控制器。
虽然它在实质上是一台过程用的微型计算机,但在外观、体积、信号上都与DDZⅢ型控制器相似,也装在仪表盘上使用,所以称为智能调节器。
智能调节器控制规律可根据需要由用户自己编程,而且可以擦去改写,所以实际上是一台可编程的数字控制器。
正面布置如图3.2所示。
图3.2KMM型智能调节器正面布置图(各标号意思?
)
根据智能控制系统的定义和控制功能,可对各种智能控制器进行分类,主要类型有以下几种。
(1)自寻优智能控制器。
这是一种拟人“自寻优”功能的控制器,它不要求预先知道被控对象的精确数学模型,就能够自动寻找系统的最优工作状态并能适应对象特性的漂移,自动保持最优工作状态。
(2)自学习智能控制器。
这是一种拟人“自学习”功能的控制器,它可在系统运行过程中,根据控制性能指标要求,利用反馈信息,自动修改控制器参数或控制规律,不断积累经验,逐步改善控制系统的工作状态。
(3)自适应智能控制器。
这是一种拟人“自适应”功能的控制器,它能适应系统的环境条件或被控对象特性的变化,自动校正或调整控制器的参数和性能,以保持系统最优的或满意的工作状态。
(4)自组织智能控制器。
这是一种拟人“自组织”功能的控制器,它能根据控制目标要求以及有关对象特性和环境条件的信息,利用所需的控制软件、控制元件、部件和连接工具,自动组成合乎要求的控制器。
(5)自修复智能控制器。
这是一种拟人“自修复”功能的控制器,它能自动诊断和排除控制系统故障,维持系统正常工作状态。
(6)自锁定智能控制器。
这是一种拟人“自锁定”功能的控制器,它能在环境条件和对象特性不确知、不确定,缺乏完备的信息的情况下,自动寻求、保持控制系统的稳定性。
(7)自协调智能控制器。
这是一种拟人“自协调”功能的控制器,它能自行协调大系统中各子系统的工作,在各子系统稳定和优化的基础上,自动实现大系统的稳定和优化。
(8)自繁殖智能控制器。
这是一种拟人“自繁殖”功能的控制器,它能根据系统的目的要求或环境条件变化的需要,自动复制或生成类似的或新的控制器。
2.可编程控制器
图3.3可编程控制器正面布置图
可编程控制器主要用于顺序控制,虽然也采用了计算机的设计思想,但实际上只能进行逻辑运算,故又称为可编程逻辑控制器,如图3.3所示。
可编程控制器的出现是基于计算机技术,用来解决工艺生产中大量的开关控制问题。
与过去的继电器系统相比,它的最大特点是在于可编程序,可通过改变软件来改变控制方式和逻辑规律,同时,功能丰富、可靠性强可组成集散系统或纳入局部网络。
与通常的计算机相比,它的优点是语言简单、编程简便、面向用户、面向现场、使用方便。
主要部分包括中央处理器(CPU)、存储器和输入/输出接口电路等。
其内部采用总线结构,进行数据与指令的传输。
3.3现场控制站的结构
3.3.1现场控制站的构成
现场控制站位于系统的最底层,用于实现各种现场物理信号的输入和处理,实现各种实时控制的运算和输出等功能。
现场控制站由功能组件、现场电源、各种端子接线板、机柜及相应机械结构组成。
其中核心部分是功能组件。
以DCS和利时HS2000为例,如图3.4所示。
图3.4功能组件
1—SNET接口12—主控模板3—SNET接口24—故障灯5—运行灯6—通信灯
7—手动复位开关8—I/O组件机架9—I/O模板10—通道指示灯11—CRT接
12—RS-232C接口13—电源开关14—系统电源模块15—电源指示灯
它是以插件箱、总线底板为固定结构,在总线底板上插入电源模块、主控模块和各种I/O模块组成。
主控模块包括一块CPU板和一块SNET系统网络接口板,两者通过PC104总线连接。
各I/O模板包括I/O功能板和相应的信号调理板,两者通过总线底板连接。
每个现场控制站必须包括一个主控组件,根据I/O量的要求,可以配置0~2个辅助组件。
插件箱中每个模板处有两个插槽,其中左边为主插槽,插入CPU板或I/O功能板,右边为副插槽,插入I/O调理板。
主控组件的配置方法如下:
0号槽只能插入系统电源模块;第1、2号槽均可插入主控模板,构成双冗余主控结构。
在非冗余主控结构中,2号插槽中可插入I/O模板;第3~7号插槽插入各种类型的智能I/O模板,其中任意两个相邻插槽可插入同种I/O模板,构成冗余I/O结构。
一个现场控制站可以不配置辅助组件,也可以扩充配置1~2个辅助组件作为主控组件的I/O扩展。
辅助组件的配置方法如下:
0号插槽内只能插入系统电源模块;第1~7号插槽插入各种类型的智能I/O模板,其中任意两个相邻插槽可插入同种I/O模板,构成冗余I/O结构。
端子板起一个信号转接的作用,端子板有HS2T30和HS2T31两种。
HS2T30可与多种信号调理板连接,并带一个热电偶冷端补偿电路。
HS2T31是为数字I/O调理板配套设计的端子板。
现场电源由现场电源模块和电源插件箱构成。
它位于机柜的上部,插件箱内最多可容纳四个电源模块,现场电源提供24V直流电源,为现场二线制变送器及I/O端子板供电。
机柜如图3.5和图3.6所示,容纳现场电源、功能组件、端子板、风机等硬件,起防尘、防电磁干扰、防有害气体侵蚀及抗振动冲击等作用。
3.3.2现场控制站的功能与可靠性维护
1.现场控制站的功能
现场控制站是整个集散控制系统的核心部件,现场信息的采集、各种控制策略的实现都在现场控制站上完成。
为保证现场控制站的可靠运行,除了在硬件上采取一系列的保障措施以外,在软件上也开发了相应的保障功能,如主控制器及I/O通道插件的故障诊断、冗余配置下的板级切换、故障恢复、定时数据保存等。
各种采集、运算和控制策略程序代码都固化在控制器插件或I/O智能插件上的EPROM中,中间数据则保留在带电保护的RAM中,从而保证软件的可靠运行及现场数据的保护。
1)采集、控制功能
组态时生成的各种控制策略、数据库等,经网络实时下装到各现场控制站及现场控制站内的各I/O智能插件中,进行信号采集、工程量转换、控制运算、控制信号的输出等。
2)信号的采集、转换功能
(1)各种现场物理信号(如4mA~20mA、0mA~10mA、1mA~5V、0mA~10V)、各种热电偶、热电阻、开关信号、中断信号、频率信号、电动机转速信号等的采集输入功能。
(2)线性物理量的工程单位转换。
(3)流量信号的温度压力非线性补偿。
(4)热电偶信号的冷端补偿,热电偶、热电阻信号的线性化换算。
(5)输入信号的报警极限检测。
(6)模拟量扫描的基本周期。
(7)可选的软件滤波功能,包括平均滤波、中值滤波、加权滤波等。
1—指示灯2—空气开关3—机柜4—系统电源模块5—主控模块6—冗余主控模块或I/O模板
7—系统电源模块8—I/O模板9—端子板
10—汇流条11—端子板12—辅助组件
13—主控组件14—现场电源单元
15—电源控制箱16—风机单元
图3.5现场控制站机柜前视
1—风机单元2—机柜3—端子板
4—汇流条5—端子板6—M4柱头螺钉7—电源控制箱
图3.6现场控制站机柜后视
3)控制策略的实现
各种在组态中定义的回路控制算法、顺序控制算法、计算功能均在现场控制站中实现。
(1)单回路、串级PID调节、复杂P1D调节(如前馈、滞后补偿等)、Smith预估器。
(2)比值控制、解耦控制。
(3)抗积分饱和、不完全微分、积分分离、微分先行等算法。
(4)智能控制算法,包括智能PID、模糊PID、自整定PID、预估控制等。
(5)四则运算,乘方、开方运算,指数、对数运算。
(6)一阶、二阶过程的模拟,各种辅助运算模块如选择器、比较器、定时器、计数器、限幅与限速、布尔运算、算术运算、积算器等。
(7)梯形图算法,用于联锁与顺控。
4)通信功能
现场控制站的通信功能分为三部分:
一是经由系统网络与上位操作站及工程师组态站的通信,将各种现场采集信息发给操作站,同时操作站针对现场的操作指令由操作站发向控制站;二是控制站内部的通信功能,完成CPU主控制器与各过程通道板间的信息交换;三是控制站与其他智能设备的通信。
(1)系统级通信。
指经由系统网络与上位操作站及工程师站的信息交换。
其软件功能如下。
①文件和数据的双向传输,即由控制站采用广播方式向网络上发送数据,以保证各操作站数据的一致性,而由操作站向网络上的控制站发送信息采用点—点方式;
②支持各现场控制站之间的通信,以适应大范围的协调控制和联锁控制的需要;
③支持有优先级的数据传送,保证重要的过程数据不被堵塞;
④支持数据发送和接收的软件校验,以及校验失败后的重发功能;
⑤网络定期自诊断及故障报警,以及单条网络失效后向冗余网络的切换;
⑥数据最佳发送路径的确定。
(2)站内通信。
指CPU主控制器与站内各过程通道板间的信息交换。
站内通信软件包括以下功能。
①数据发送和接收;
②诊断及总线上各设备的自动识别,包括各模板的种类、各模板所在插槽位置等;
③各模板被分配不同的总线抢占优先级,保证高优先级的模板优先得到数据传输服务。
(3)提供与多种PLC的软件接口。
如A-B、西门子、三菱、OMRON等,均可通过串行接口通信。
各种智能仪表、调节仪表均可根据其通信协议,开发相应的接口软件与控制站通信。
2.现场控制站技术性能
1)系统的信号处理技术指标
(1)输入信号处理精度热电阻、热电偶无需变送器,可直接处理,最大误差0.2%;其他变送器输入信号处理误差为电流±0.1%,电压为±0.2%。
(2)中断开关量输入分辨率≤1ms。
(3)输入信号的隔离电压≥1500V。
(4)回路控制周期:
0.2、0.5、1、2s任选。
(5)系统的平均无故障时间(MTBF)≥106h。
(6)系统的平均修复时间(MTTR)≤5min。
2)现场控制站运行环境
(1)工作环境温度:
0℃~50℃。
(2)工作环境湿度:
10%~90%(无冷凝)。
(3)储存环境温度:
-20℃~85℃。
(4)储存环境湿度:
5%~90%(无冷凝)。
(5)输入电压:
(90V~135V)/(180V~270V)可选。
(6)电压频率:
50±5Hz。
(7)接地要求:
安全地和屏蔽地分别一点接地,接地电阻分别小于10和1。
3.现场控制站可靠性
DCS的固有可靠性是在设计系统时就产生的,设计时将系统的可靠性指标分解到各个单元(操作员站、工程师站、网络、各I/O站),再将各可靠性指标从单元分解到板级。
从单元级和板级设计中,分析出最重要部件或单元,采用严格的方法进行设计,并采取冗余措施。
(1)系统元器件。
构成DCS的最小单位是元器件,而任何一个元器件的故障都可能会影响系统完成规定的功能,DCS的规定工作条件又比较苛刻,因此,在元器件级采取了以下主要措施,以确保元器件级的高可靠性。
在完成相同功能的元器件之中,尽可能选择MTBF时间长的元器件。
此外,尽量选用高集成度的大规模集成电路来实现多个元器件的功能,减少元器件的数量,这样不仅可以降低成本,同时可以提高可靠性。
(2)系统单元级的可靠性设计。
措施为了保证整个系统的可靠性,必须提高系统各组单元的内在可靠性和系统抵抗外部故障因素的能力。
(3)系统的冗余措施。
为了提高系统不受个别部件故障影响的能力,整个系统采用了很多冗余备份措施。
(4)系统故障隔离措施。
系统在设计中充分地考虑了危险分散及危险隔离原则。
这样,一个模板发生了故障,只影响本板的工作而与其他板基本无关。
此外,为了提高系统抗干扰的能力,系统所有I/O板全部采用了隔离措施,将通道上窜入的干扰源均排除在系统之外。
(5)系统迅速排除故障措施。
DCS本身是可修复性系统,又放在工业现场,且长期不停机运行,因此故障是难免的,这就要求在设计DCS时尽量减少平均故障修复时间,以保证系统故障影响最小。
①系统具有非常强的自诊断能力。
②系统的故障指示。
系统的所有模板上均有几个指示灯、运行灯、故障灯、网络通信灯。
所以,如果打开机柜,每板运行状态一目了然。
③系统可带电更换模板。
由于采用了系统的所有模板(CPU、AI、AO、DI、DO等)均可带电拔插,对系统的运行不会产生任何影响,这就保证了系统在某些模板出现故障时,系统自动切换到备用板,而维修人员在不影响系统运行的情况下实现系统维修。
3.3.3过程控制级和现场控制站的关系
过程控制级是DCS的基础,实现了生产过程的彻底的分散控制,它直接与生产过程联系,完成现场实时信号的采集处理变换、输入、控制、运算和输出。
其主要硬件有过程控制单元、过程输入/输出单元、信号变换器与备用盘装仪表等。
主要任务是进行数据采集,进行直接数字的过程控制,对设备进行监测和系统的测试与诊断,实施安全性、冗余化等措施。
现场控制站又称过程输入输出单元、I/O扩展单元、过程接口单元,可以认为是过程控制级的一部分。
现场控制站可以部分或全部完成过程装置控制级的功能。
现场生产过程来的测量信号首先经隔离与放大,再进行数据采集与处理后,通过通信总线送给操作器和上位计算机。
3.4DCS操作员站和工程师站
3.4.1中心计算机站
1.概要
中心计算机站显示并记录来自各控制单元的过程数据,是人与生产过程的操作接口。
通过操作人机接口,实现恰当的信息处理和生产过程操作的集中化。
它由本体和两个键盘构成。
根据操作站本体的结构,操作站可分为台式和立式两种。
根据内存和硬盘的容量,操作站可分为基本型、扩展型和高级型3种。
操作站的功能,可分为操作、监视功能、数据处理功能及系统诊断功能几大类别,并具有操作记录打印、报警打印、报表打印等工作。
此外,操作站还可以用于系统生成、调试和维护保养。
2.特点
(1)操作站有台式和立式两种。
操作站类型用户可根据仪表室的布局和运行操作的形态来选择使用,如图3.7所示。
图3.7操作站外形图
(2)具有操作、监视功能。
在彩色CRT上可显示多种运行用画面,具有大容量的趋势记录功能、适于描绘精细的过程彩色流程图画面。
(3)“一触式”操作。
采用了使用方便及高性能的平面键、软键及功能键,可以用“一触式”操作实现各种目的。
特别是软键、功能键都可由使用者任意进行定义,得到适用于生产过程的最佳操作。
(4)数据处理功能。
能进行趋势、记录、报表等的各种数据处理。
(5)系统诊断功能。
操作站具有自诊断功能及对打印机和控制单元的诊断功能。
在控制单元的诊断中,CPU的动作情况、输入/输出插件的动作状态都能在CRT画面上用图表显示,能及时发现故障部分。
3.操作站的硬件构成
操作站由工控机主体、操作员键盘、工程师键盘及操作员站软件构成,它主要完成系统与操作员之间的人机界面功能,包括现场状态的显示、报警、报表及操作命令的执行等功能。
(1)操作站主体。
在操作站主体内,装有CPU、CRT显示器、固定磁盘驱动器等主要部分,另外还适当地装配有各种接头、电源开关等。
操作站的CRT是20in彩色监视器。
每个操作站可显示300幅画面,每幅画面可显示200个动态数据。
数据显示可用数字、棒图显示。
根据指定的条件可进行多种颜色的变换,也可显示和报警相对应的图形。
通过窗口技术的应用,每幅画面可以显示100个窗口,如趋势图窗口、过程变量窗口、辅助窗口、仪表面板窗口等。
每幅画面最多可显示仪表面板画面八个。
它的画面编辑采用图形方式,因此,可以方便地绘制工艺流程图。
此外,它具有标准图形符号库,使用方便。
可使用的线条宽度有8种;可应用的直线类型(如实线、虚线、点画线等)有5种;可指定5种阴影线;可使用于流程图颜色有256种。
(2)操作员键盘。
操作员键盘主要用于对生产过程的控制进行正常的维护和监视操作,另外配有一些可以一触操作的系统功能键,用于对系统进行组态和维护。
通常,操作、监视用的操作员键盘采用了有防水、防尘构造的平面键,键的排列也充分考虑了功能的发挥。
在键盘内,装有电子蜂鸣器,根据不同的报警和信息可以发生5种级别的电子音响。
(3)工程师键盘。
工程师键盘在系统组态和程序编制时使用。
平时该键盘由主管工程师保管,操作员一般不得使用。
键盘的键采用便于系统生成的打字机键排列,键盘只有在系统生成时才和
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