1、1,第2章 集散控制系统,基础知识,2,2.1集散控制系统的体系结构2.2集散控制系统的硬件系统 2.3集散控制系统的软件系统 2.4集散控制系统的基本功能,3,2.1 集散控制系统的体系结构,本节内容提要,集散控制系统体系结构的特征 纵向分层 横向分散 设备分级 网络分层,按照功能，集散控制系统设备分为四级 现场控制级 过程控制级 过程管理级 经营管理级,与四级设备对应的四层网络 现场网络 控制网络 监控网络 管理网络,4,图2.1 集散控制系统的体系结构,现场网络,控制网络,监控网络,管理网络,5,1.现场控制级,(1)典型的现场控制级设备 各类传感器 各类变送器 各类执行器 (2)现场控
2、制级设备的主要任务 完成过程数据采集与处理。 直接输出操作命令、实现分散控制。 完成与上级设备的数据通信，实现网络数据库共享。,6,2.过程控制级,(1)过程控制级主要设备 过程控制站、数据采集站、现场总线服务器过程控制站 产生控制作用。 可以实现反馈控制、逻辑控制、顺序控制和批量控制等功能。,7,数据采集站 接收大量的非控制过程信息； 不直接完成控制功能。 现场总线服务器 一台安装了现场总线接口卡与DCS监控网络接口卡的计算机。,8,3.过程管理级,（1）过程管理级的主要设备操作站、工程师站、监控计算机。 操作站 操作人员与DCS相互交换信息的人机接口设备； DCS的核心显示、监视、操作和管
3、理装置。 工程师站 对DCS进行配置、组态、调试、维护。 监控计算机 实现对生产过程的监督控制； 机组运行优化和性能计算，先进控制策略的实现等。,9,（2）过程管理级设备的主要功能对生产过程进行监测和控制； 对DCS进行配置、组态、调试、维护 ； 对各种设计文件进行归类和管理； 实现对生产过程的监督控制，故障检测和数据存档。,10,4.经营管理级,（1）经营管理级的设备 厂级管理计算机监视企业各部门的运行情况。生产装置的管理计算机具有能够对控制系统做出高速反应的实时操作系统。,11,（2）经营管理级设备的主要功能 监视企业各部门的运行情况 ； 实时监控承担全厂性能监视、运行优化、全厂负荷分配和
4、日常运行管理等任务 ； 日常管理承担全厂的管理决策、计划管理、行政管理等任务。,12,JX-300XP,13,2.2 集散控制系统的硬件系统,本节内容提要,控制站包括现场控制站和数据采集站等。 机柜 电源 控制计算机 其他部件,操作站一般分为操作员站和工程师站 。 操作台 微处理机系统 图形显示设备 操作键盘和鼠标 打印输出设备等,冗余技术 冗余方式：多重化自动备用和手动备用。 冗余措施：通信网络冗余、操作站冗余、现场控制站冗余、电源冗余、输入/输出模块冗余。,14,2.2.1 现场控制站,主要设备：现场控制单元。 主要任务：进行数据采集及处理，对被控对象实施闭环反馈控制、顺序控制和批量控制。
5、 用户可以根据不同的应用需求，选择配置不同的现场控制单元以构成现场控制站。 以面向连续生产的过程控制为主，顺序逻辑控制为辅，构成一个可以实现多种复杂控制方案的现场控制站; 以顺序控制、联锁控制功能为主的现场控制站； 构成对大批量过程信号进行总体信息采集的现场控制站。,15,1.机柜,现场控制站机柜,中央控制室机柜间,机柜间机柜组,有了现场控制站，生产过程控制的安全性和可靠性都很容易得到保证,16,现场控制单元,多层I/O卡件箱,电源单元,通信接口,接线端子板,机柜正面（前面）,机柜背面（后面）,现场控制站机柜,17,2.电源,（1）电源系统的可靠性措施 每一个现场控制站均采用双电源供电，互为冗
6、余。 采用超级隔离变压器，将其初级、次级线圈间的屏蔽层可靠接地，以克服共模干扰的影响。 采用交流电子调压器，快速稳定供电电压。 配有不间断供电电源 UPS，以保证供电的连续性。 现场控制站内各功能模块所需直流电源一般为5V、15V(或12 V)、以及+24V。,18,（2）增加直流电源系统的稳定性措施 给主机供电与给现场设备供电的电源要在电气上隔离，以减少相互间的干扰 。 采用冗余的双电源方式给各功能模块供电。 一般由统一的主电源单元将交流电变为 24V 直流电供给柜内的直流母线，然后通过 DC-DC 转换方式将 24V 直流电源变换为子电源所需的电压。 主电源一般采用 1:1 冗余配 置，而
7、子电源一般采用 N:1 冗余配置。,19,3.控制计算机,控制器,电源单元,I/O卡件,现场总线接口卡件,导轨,控制计算机,20,控制计算机一般是由 CPU、存储器、输入 / 输出通道等基本部分组成。 (1)CPU 用以实现算术运算和逻辑运算。 可以执行复杂的先进控制算法，如自动整定、预测控制、模糊控制和自适应控制等。,21,(2)存储器 控制计算机的存储器分为RAM和ROM。 在控制计算机中 ROM 占有较大的比例。 由于控制计算机在正常工作时运行的是一套固定的程序，DCS中大都采用了程序固化的办法。 在冗余控制计算机系统中，还特别设有双端口随机存储器RAM ，其中存放有过程输入输出数据、设
8、定值和PID参数等。,22,(3)总线 总线是将现场控制站内部各单元连接起来的通信介质。 (4)输入/输出通道 模拟量输入/输出(AI/AO) 开关量输入/输出(SI/SO) 数字量输入/输出(DI/DO) 脉冲量输入通道 (PI),23,模拟量输入输出通道(AI/AO) 模拟量输入通道(AI) 模拟量输入通道(AI)将来自在线检测仪表和变送器的连续性模拟电信号转换成数字信号，送给CPU进行处理。 模拟量输出通道(AO) 模拟量输出通道(AO)一般将计算机输出的数字信号转换为420mADC(或15VDC) 的连续直流信号，用于控制各种执行机构。,24,开关量输入/输出通道(SI/SO) 开关量
9、输入通道(SI)主要用来采集各种限位开关、继电器或电磁阀连动触点的开、关状态，并输入至计算机。 开关量输出通道(SO)主要用于控制电磁阀、继电器、指示灯、声光报警器等只具有开、关两种状态的设备。,25,脉冲输入通道(PI) 脉冲输入通道(PI)将现场仪表（如涡轮流量计等）输出的脉冲信号处理后送入计算机。,26,2.2.2 操作站,嵌入型台式操作站,桌面型操作站,信息报警站,工程师站,控制站,显示器,标准键盘,主机,操作站主机柜,工作台,中央控制室设备,27,操作台 微处理机系统 外部存储设备 图形显示设备 操作键盘和鼠标 打印输出设备,DCS 操作站主要设备,操作站设备,28,办公桌式操作台,
10、操作台做成一台桌子形式，桌台面上放置显示器和操作键盘，而处理机系统放在桌下或桌上。,29,集成式 操作台,操作台是一个金属整 体，将处理机系统、显示 器和操作键盘等嵌在其内。,30,双屏操作台,在一个操作台内嵌 有上、下两个屏幕，双 屏幕用一个处理机系统 和一个操作键盘控制。,31,处理机高性能的工业控制机,32,DCS专用薄膜键盘系列,33,JX-300X 的操作员键盘,34,工程师站画面一,35,工程师站画面二,36,仪表面板显示画面,操作员站画面一,37,趋势曲线显示画面,操作员站画面二,38,报警显示画面,操作员站画面三,39,故障诊断画面,操作员站画面四,40,调整画面,操作员站画面
11、五,41,典型DCS控制室布局,42, DCS 操作站一般分为工程师站和操作员站两种。工程师站主要是技术人员与控制系统的人机接口，可以对应用系统进行监视。通过组态软件来实现用户所要求的各种控制策略。 操作员站具有工艺过程监视、操作、记录等功能。具有分组显示、趋势图、动态流程、报警管理、报表及记录、存档等监控功能。,43,2.2.3 冗余技术,1. 冗余方式,44,（1）多重化自动备用,双重化配置,输入,输出,输入,输出,三重化配置,45,同步运转方式让两台或两台以上的设备或部件同步运行，进行相同的处理，并将其输出进行核对。 两台设备同步运行，只有当它们的输出一致时，才作为正确的输出，这种系统称
12、为“双重化系统”(Dual System)。 三台设备同步运行，将三台设备的输出信号进行比较，取两个相等的输出作为正确的输出值，这就是设备的三重化设置。,46,待机运转方式同时配备两台设备，使一台设备处于待机备用状态。 当工作设备发生故障时，启动待机设备来保证系统正常运行。这种方式称为1:1 的备用方式。 对于N台同样设备，采用一台待机设备的备用方式就称为 N:1 备用。 待机运行方式是 DCS 中主要采用的冗余技术。,47,后退运转方式使用多台设备，在正常运行时，各自分担各种功能运行。当其中之一发生故障时，其他设备放弃其中一些不重要的功能，进行互相备用。,48,（2）简易的手动备用方式采用手
13、动操作方式实现对自动控制方式的备用。当自动方式发生故障时，通过切换成手动工作方式，来保持系统的控制功能。,49,2.冗余措施,操作站的冗余：采用工作冗余的方式。 现场控制站的冗余：有的采用 1:1 冗余，也有的采用N:1 冗余。采用无中断自动切换方式。 电源的冗余：除了220V 交流供电外，还采用了镍镉电池、铅钙电池以及干电池等多级掉电保护措施。,50,输入/输出模块的冗余:部分重要卡件采用1:1冗余。 DCS软件：采用信息冗余技术。 通信网络的冗余：采用一备一用的配置。,51,JX-300X SCnet 网络采用双重化冗余结构,52,2.3 集散控制系统的软件系统,本节内容提要,系统软件 实
14、时多任务操作系统 面向过程的编程语言 工具软件,应用软件 通信管理软件 组态生成软件 诊断软件,53,2.3.1 集散控制系统的系统软件,集散控制系统的系统软件 一组支持开发、生成、测试、运行和维护程序的工具软件。 操作系统 用来控制计算机系统中用户程序的执行顺序。 为用户程序与系统硬件提供接口软件。 允许这些程序 ( 包括系统程序和用户程序 ) 之间交换信息。,54,55,56,57,2.3.2 集散控制系统的组态软件,在实时工业计算机系统中，应用程序用来完成功能规范中所规定的功能。 DCS组态（或组态设计） 根据实际生产过程控制的需要，预先将DCS所提供的硬件设备和软件功能模块组织起来，以
15、完成特定的任务。,58,组态软件的安装,综合调试,编写程序进行调试,画面设计与编辑,设计用户操作菜单,工程项目系统分析,基于组态软件的工业控制系统的一般组建过程是什么?,59, 组态软件的渊源 组态软件产生背景 行业应用 国内几种常用的组态软件,二、组态软件简述,60,组态软件的渊源,组态一词最早来源于英文单词：“Configuration”.意思是通过某种软件工具对计算机及软件的资源进行优化配置，使计算机或软件自动完成某些特定的任务，从而满足用户的需求。,61,组态软件产生背景,之前用第三方软件编写HMI应用，如VB、VC、DELPHI等。DCS、实时数据库、实时控制、通讯及联网、开放数据接
16、口的出现及发展。,62,行业应用,63,国内几种常用的组态软件,世界上第一款组态软件诞生于美国的Wonderware公司Intouch 上世纪80年代末，国内出现了组态软件Intouch。直到90年中后期开始接受组态软件。 中国第一家专业组态软件诞生于亚控公司的Kingview.,64,Wonderware的InTouch软件是最早进入我国的组态软件。在80年代末、90年代初，基于Windows3.1的InTouch软件曾让我们耳目一新，并且InTouch提供了丰富的图库 。图形界面的美观性较差，粘贴位图操作较为繁琐。其功能也只是常用监控的功能，复杂一点的功能如报表就只能借助于其他工具 。I/
17、O、内部变量都算点价格超贵。,InTouch,65,Intellution公司以Fix组态软件起家，1995年被爱默生收购，现在是爱默生集团的全资子公司。图形功能很强，支持多种图形格式，其追加的图形库，内容丰富 ，有独立的报警监视程序，支持在线修改，具有画面分层功能。,Fix,66,Simens的WinCC也是一套完备的组态开发环境，Simens提供类语言的脚本，包括一个调试环境。WinCC内嵌OPC支持，并可对分布式系统进行组态。但WinCC的结构较复杂，用户最好经过Simens的培训以掌握WinCC的应用。并且配合自己公司自动化硬件产品为主。,WinCC,67,CiT公司的Citech也是
18、较早进入中国市场的产品。Citech具有简洁的操作方式，但其操作方式更多的是面向程序员，意思是脚本语言并非是面向对象的，而是类似于语言，这无疑为用户进行二次开发增加了难度。现已被施耐德公司收购。,Citech,68,北京三维力控科技有限公司的ForceControl是国内较早就已经出现的组态软件之一。1993年左右，力控形成了基于DOS的第一个版本。但直至Windows95版本的力控诞生之前，它主要用于公司内部的一些项目。2002年之后公司在产品的培训、用户技术支持等方面投入了较大人力，相信在较短时间内，力控软件产品将在工控软件界形成巨大的冲击。最新版本是6.0版。,ForceControl（
19、力控）,69,一易控（INSPEC）北京九思易 广州德高自动化，新潮自动化。 MCGS：是国内知名品牌中口碑最不叫好的。是基于VB开发，效率低、稳定性不好、数据运算与处理较弱。 开物：产品宣传做的多，但内部管理差，最终没有得到推广。 杰控（Fame View）。对西门子支持很到位，主要是为西门子开发的。 世纪星：主要做些工程的，自己的软件很少推广，产品不完善。,70,北京亚控科技发展有限公司,亚控公司是国内最早专业组态软件厂商。 组态王是国产组态软件最知名品牌。 国内连接硬件设备种类最多的组态软件。 第一个应用军事国防工业的国产组态软件。,Kingview,71,三、组态王简明教程,1.初识组
20、态软件,组态王的结构,产生动画,组态王怎样和下位机通讯,72,三、组态王简明教程,1.初识组态软件,建立应用程序的一般过程：,1.设计图形界面,2.构造数据库,3.建立动画连接,4.运行和调试,73,组态王简明教程,2.新建项目,项目的含义,使用工程浏览器,建立新项目,开发的每个应用系统,组态王的集成开发环境,74,组态王简明教程,3.设计画面-步骤,建立新画面,使用图形工具箱,75,组态王简明教程,3.设计画面-一点经验,确定画面的像数，要符合显示器的规格和组态软件的要求。请工艺专业提供标明测控点位置的工艺流程草图，最好是彩色的或标明画面中设备、管道的颜色。 确定画面的背景色。一般我们使用深
21、灰色或浅灰色，避免操作工视觉疲劳。,76,组态王简明教程,确定画面中各类文字数据的字体、尺寸、颜色和样式，力求相同类型的文字要统一。 确定画面中各类线条、管道的粗细、颜色和样式，力求相同类型的要统一。 画面中尽量少用红色和黄色等警示色，以免影响报警、联锁提示效果，也不要过多使用鲜艳色彩。,3.设计画面-一点经验,77,组态王简明教程,画面中尽量少用动画功能，以减少对操作站系统资源的占用。画面不要撑足画框，四边应有一定的空隙。使画面能美观。 如有必要，可增加些画面转移、翻页的链接按钮。,3.设计画面-一点经验,78,组态王简明教程,4.定义外部设备和数据库,定义外部设备,数据库的作用,定义变量,
22、变量的类型,外部设备包括：下位机(PLC, 仪表,板卡等)通过串行口和上 位机交换数据,联系上位机和下位机的桥梁,基本类型:内存变量、I/O变量 特殊类型:报警窗口变量、报警组变量、历史趋势曲线变量、时间变量,79,组态王简明教程,5.让画面动起来,动画连接的作用,建立动画连接,建立画面的图素与数据库 变量的对应关系,填充连接,模拟值输出,当画面程序实际运行时， 字符串的内容将被需要 输出的模拟值所取代。,80,组态王简明教程,6.趋势曲线与报警窗口,趋势曲线的作用,报警窗口的作用,设置实时趋势曲线,设置实时报警窗口,反应数据变量随时间的变化情况， 分为实时趋势曲线和历史趋势曲线,反应变量的不
23、正常变化。 分为实时报警窗口和历史报警窗口。,81,组态王简明教程,6.趋势曲线与报警窗口,历史曲线的作用,绘制历史趋势曲线,为历史曲线建立控制,建立历史报警窗口,为历史报警窗口建立控制,画面名称：历史趋势曲线 对应文件：ic00002.pic 注释：反应车间的监控中心-历史趋势画面 画面风格：覆盖式 画面边框：粗边框 画面位置： 左边：229 顶边：190 宽度：417 高度：256 标题杆：无效 大小可变：无效,查看历史数据,通过命令语言来动态改变历史 曲线的时间轴（X轴）的范围,history.ChartStart=history.ChartStart-300 history.Chart
24、Start=history.ChartStart+300,82,组态王简明教程,7.报告和控件,报告的用途,制作报告,什么是控件,使用趋势曲线控件,控件采用ActiveX技术，可以 作为一个相对独立的程序单位 被应用程序所使用。,用以读取组态王历史数据 记录文件中的变量值。,包括温控曲线、XY曲线、 柱状图/饼图,83,组态王简明教程,8.增强系统的安全性,访问权限与操作权限,设置图形对象的访问权限,配置用户,登录,禁止退出应用程序,84,2.4 集散控制系统的基本功能,本节内容提要,控制站的基本功能 反馈控制 逻辑控制 顺序控制 批量控制 辅助功能,操作站的基本功能 显示 操作 报警 组态
25、系统维护 报告生成,自诊断功能 离线自诊断 在线自诊断 显示故障代码 定位故障卡件,85,1.反馈控制,2.4.1 现场控制站的基本功能,反馈控制功能分布图,86,(1)输入信号处理,开关量数据预处理,模拟量近零死区处理,模拟量超量程检查,工程单位变换,模拟量变化率超差检查,87,当扰动处于近0死区之内(，)时，将进入计算机系统变量值y(t)强置为0。,模拟量近零死区处理,88,模拟量超量程检查,（1）有效数据(好数据)：在量程范围内。（2）可疑数据：超过量程但在允许范围内(超量程死区)。（3）无效数据：量程超过允许范围。此时有硬件故障，要报警提示。,89,工程单位变换,工程单位变换类型由数据
26、库组态定义， 包括以下三种工程单位变换类型：,线性变换非线性变换开方变换,90,工程单位变换,线性变换按照工程上下限和电量程上下限由系统自动实现。模拟量线性变换如图所示。,线性变换,线性变换公式：,91,线性变换,工程单位变换,92,非线性变换,非线性变换由组态工具中的计算公式来完成，变量的非线性变换公式，一般由用户通过组态来定义。主要的非线性变换大体包括如下内容：,工程单位变换,1.分段计算； 2.流量信号温度压力非线性补偿计算； 3.指数公式； 4.对数公式； 5.多项式计算(公式)。,93,模拟量开方变换如图所示：,其表达式为：,开方变换,工程单位变换,94,模拟量变化率超差检查,在信号
27、的周期采集中，保留上一周期的采集值，将本周期采集值与上周期采样值比较，计算出周期变化率(工程值/s)。如果该变化率大于变化率限值，则认为变化率超差。输入信号的变化率超差，同样也可以认为是信号输入部件(变送器、I/O模块等)出现故障。,此功能用于硬件自检测,95,开关量信号是表示设备状态的信号，通常用1位的“0”和“1”表示。现场的开关量信号存在抖动成分，如图所示，在采集时需要通过系统自身的软件“消抖”。抖动时间一般为4ms15ms，软件通过延时来消除。,开关量数据预处理,96,报警类型 报警限值 报警优先级 报警优先级参数 报警链中断参数 最高报警选择参数,(2)报警处理,97,(3)控制运算
28、,常规 PID 微分先行PID 积分分离 开关控制 时间比例式开关控制 信号选择 比率设定,常 用 算 法,时间程序设定 Smith 预估控制 多变量解耦控制 一阶滞后运算 超前-滞后运算 其他运算等,98,(4) 控制回路组态,根据控制策略的需要，将一些功能模块通过软件连接起来，构成检测回路或控制回路。,温度与压力串级控制系统回路组态图,99,(5)输出信号处理,输出开路检验 输出上下限检验 输出变化率限幅 模拟输出 开关输出 脉冲宽度输出,100,2.逻辑控制,根据输入变量的状态，按逻辑关系进行的控制。 在DCS中，由逻辑功能模块实现逻辑控制功能。,逻 辑 控 制 功 能,与 ( AND
29、) 或 ( OR ) 非 ( NO ) 异或 ( XOR ) 连接 ( LINK ),进行延时 ( ON DELAY ) 停止延时 ( OFF DELAY ) 触发器 ( FLIP - FLOP) 脉冲 ( PULSE ),101,3.顺序控制,顺序控制：按预定的动作顺序或逻辑，依次执行各阶段动作程序。 顺序控制中可以兼用反馈控制、逻辑控制和输入 / 输出监视等功能。 实现顺序控制的常用方法（1）顺序表法（2）程序语言方式（3）梯形图法,102,（1）顺序表法 将控制顺序按逻辑关系和时间关系预先编成顺序记录，存储于管理文件中，然后逐项执行。 （2）程序语言方式 通过语言编程来实现顺序控制。 （
30、3）梯形图法（梯形逻辑控制语言） 由继电器逻辑电路图演变而来的一种解释执行程序的设计语言。 随着 DCS 的发展，已出现了梯形逻辑与连续控制算法相结合的复合控制功能。,103,4.批量控制,根据工艺要求，将反馈控制与逻辑、顺序控制结合起来，使一个间歇式生产过程得到合格产品的控制。反馈控制的报警信号 回路状态信号 模拟信号的比较、判断、运算结果,顺序控制的条件信号,104,回路的切换 参数的变更 设定值的调整 控制算法的变更 控制方案的变更,由顺序控制转换为反馈控制的条件,105,5.辅助功能,(1)控制方式选择,手动( MAN ) 自动( AUT ) 串级( CAS ) 计算机( COMP )
31、,(2)测量值跟踪,在手动方式时，使本回路的设定值不再保持原来的值，而跟踪测量值。,106,(3)输出值跟踪,在手动方式时，使内存单元中 PID 输出值跟踪手操输出值。 在自动方式时，手操器的输出值是始终跟踪控制器的自动输出值的。从手动切换到自动时，内存单元中的自动输出数值与手操输出值相等，切换是无扰动的。 从自动切换到手动时，手操器的输出值与PID的输出值相等，切换是无扰动的。,107,2.4.2 操作站的基本功能,操作站的基本功能分布图,108,2.4.3 自诊断功能,在系统投运前，用离线诊断程序检查各部分的工作状态。 系统运行中，各设备不断执行在线自诊断程序。 一旦发现错误，立即切换到备
32、用设备； 同时经过通信网络在显示器上显示出故障代码，等待及时处理； 故障代码可以定位到卡件板，用户只需及时更换卡件。,109,思考题与习题,1. 什么是集散控制系统?其基本设计思想是什么? 2. 简述集散控制系统的体系结构及各层次的主要功能。 3. 操作站主要包括哪些设备? 操作站的功能有哪些? 4. 构成现场控制站的主要设备有哪些？它具有哪些功能？ 5. 集散控制系统的软件系统包括哪些软件? 6. 现场控制站有哪些基本功能? 7. 反馈控制有哪些功能? 8. 输入输出处理功能主要包括哪些方面?,110,9. 简述报警功能。 10. 集散控制系统为什么能实现无扰动切换? 11. 什么是组态?简述组态过程。,
