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关于DCS控制系统的功能与原理说明

  什么是DCS控制系统?

  DCS是分布式控制系统的英文缩写(Distributed Control System),在国内自控行业又称之为集散控制系统。即所谓的分布式控制系统,或在有些资料中称之为集散系统,是相对于集中式控制系统而言的一种新型计算机控制系统,它是在集中式控制系统的基础上发展、演变而来的。它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统,综合了计算机,通信、显示和控制等4C技术,其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活以及组态方便。

  首先,DCS的骨架系统网络,它是DCS的基础和核心。由于网络对于DCS整个系统的实时性、可靠性和扩充性,起着决定性的作用,因此各厂家都在这方面进行了精心的设计。对于DCS的系统网络来说,它必须满足实时性的要求,即在确定的时间限度内完成信息的传送。这里所说的确定的时间限度,是指在无论何种情况下,信息传送都能在这个时间限度内完成,而这个时间限度则是根据被控制过程的实时性要求确定的。因此,衡量系统网络性能的指标并不是网络的速率DCS,即通常所说的每秒比特数(bps),而是系统网络的实时性,即能在多长的时间内确保所需信息的传输完成。系统网络还必须非常可靠,无论在任何情况下,网络通信都不能中断,因此多数厂家的DCS均采用双总线、环形或双重星形的网络拓扑结构。为了满足系统扩充性的要求,系统网络上可接入的最大节点数量应比实际使用的节点数量大若干倍。这样,一方面可以随时增加新的节点,另一方面也可以使系统网络运行于较轻的通信负荷状态,以确保系统的实时性和可靠性。在系统实际运行过程中,各个节点的上网和下网是随时可能发生的,特别是操作员站,这样,网络重构会经常进行,而这种操作绝对不能影响系统的正常运行,因此,系统网络应该具有很强在线网络重构功能。

  其次,这是一种完全对现场I/O处理并实现直接数字控制(DDC)功能的网络节点。一般一套DCS中要设置现场I/O控制站,用以分担整个系统的I/O和控制功能。这样既可以避免由于一个站点失效造成整个系统的失效,提高系统可靠性,也可以使各站点分担数据采集和控制功能,有利于提高整个系统的性能。DCS的操作员站是处理一切与运行操作有关的人机界面(HMI-Human Machine Interface或operator interface)功能的网络节点。

  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,配置工作的工具软件(即组态软件),并在DCS在线运行时实时地监视DCS网络上各个节点的运行情况,使系统工程师可以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随时处在最佳的工作状态之下。与集中式控制系统不同,所有的DCS都要求有系统组态功能,可以说,没有系统组态功能的系统就不能称其为DCS。   DCS自1975年问世以来,已经经历了三十多年的发展历程。在这三十多年中,DCS虽然在系统的体系结构上没有发生重大改变,但是经过不断的发展和完善,其功能和性能都得到了巨大的提高。总的来说,DCS正在向着更加开放,更加标准化,更加产品化的方向发展。

  作为生产过程自动化领域的计算机控制系统,传统的DCS仅仅是一个狭义的概念。如果以为DCS只是生产过程的自动化系统,那就会引出错误的结论,因为现在的计算机控制系统的含义已被大大扩展了,它不仅包括过去DCS中所包含的各种内容,还向下深入到了现场的每台测量设备、执行机构,向上发展到了生产管理,企业经营的方方面面。传统意义上的DCS现在仅仅是指生产过程控制这一部分的自动化,而工业自动化系统的概念,则应定位到企业全面解决方案,即total solution 的层次。只有从这个角度上提出问题并解决问题,才能使计算机自动化真正起到其应有的作用。

  DCS控制系统的功能组成

  典型的DCS体系结构分为三层,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。

  第一层:分散过程控制级

  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。

  构成这一级的主要装置有:现场控制站,可编程控制器,智能调节器及其它测控装置。

  1、.现场控制站

  现场控制站具有多种功能集连续控制、顺序控制、批量控制及数据采集功能为一身。(1)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。

  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(有点类似于IPC)。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。近年来,多采用串行总线 。

  (2)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。

  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。

  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4~20mA模拟量信号和开关量信号,同时还具有RS-232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1~ 4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。

  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人、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。

  二、第二层集中操作监控级

  集中操作监控级是面向现场操作员和系统工程师的,如图1所示的中间层。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。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。

  1.操作员操作站

  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。

  (1)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。

  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。

  (2)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.工程师操作站

  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。

  (1)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。

  (2)工程师站的功能

  系统工程师站的功能主要包括对系统的组态功能及对系统的监督功能。

  组态功能: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。

  监督功能: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。

  三、第三层综合信息管理级

  这一级主要由高档微机或小型机担当的管理计算机构成,如图12-1所示的顶层部分。DCS的综合信息管理级实际上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。

  目前国内使用的DCS重点主要放在底层与中层二级上。

  DCS控制系统的特点

  高可靠性

  由于DCS将系统控制功能分散在各台计算机上实现,系统结构采用容错设计,因此某一台计算机出现的故障不会导致系统其它功能的丧失。此外,由于系统中各台计算机所承担的任务比较单一,可以针对需要实现的功能采用具有特定结构和软件的专用计算机,从而使系统中每台计算机的可靠性也得到提高。

  开放性

  DCS采用开放式、标准化、模块化和系列化设计,系统中各台计算机采用局域网方式通信,实现信息传输,当需要改变或扩充系统功能时,可将新增计算机方便地连入系统通信网络或从网络中卸下,几乎不影响系统其他计算机的工作。

  灵活性

  通过组态软件根据不同的流程应用对象进行软硬件组态,即确定测量与控制信号及相互间连接关系、从控制算法库选择适用的控制规律以及从图形库调用基本图形组成所需的各种监控和报警画面,从而方便地构成所需的控制系统。

  易于维护

  功能单一的小型或微型专用计算机,具有维护简单、方便的特点,当某一局部或某个计算机出现故障时,可以在不影响整个系统运行的情况下在线更换,迅速排除故障。

  协调性

  各工作站之间通过通信网络传送各种数据,整个系统信息共享,协调工作,以完成控制系统的总体功能和优化处理。

  控制功能齐全

  控制算法丰富,集连续控制、顺序控制和批处理控制于一体,可实现串级、前馈、解耦、自适应和预测控制等先进控制,并可方便地加入所需的特殊控制算法。DCS的构成方式十分灵活,可由专用的管理计算机站、操作员站、工程师站、记录站、现场控制站和数据采集站等组成,也可由通用的服务器、工业控制计算机和可编程控制器构成。处于底层的过程控制级一般由分散的现场控制站、数据采集站等就地实现数据采集和控制,并通过数据通信网络传送到生产监控级计算机。生产监控级对来自过程控制级的数据进行集中操作管理,如各种优化计算、统计报表、故障诊断、显示报警等。随着计算机技术的发展,DCS可以按照需要与更高性能的计算机设备通过网络连接来实现更高级的集中管理功能,如计划调度、仓储管理、能源管理等。

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