第12章 DCS与FCS.ppt

第 12章 DCS与 FCS 本章要点 • 1.DCS的基本概念、体系结构与功能特点 。 • 2.FCS的基本概念、体系结构与功能特点 。 • 3. DCS 与 FCS的几种典型产品。 本章主要内容 ÿ 引 言 ÿ 12.1 DCS体系结构 ÿ 12.2 DCS功能特点 ÿ 12.3 DCS产品简介 ÿ 12.4 FCS体系结构 ÿ 12.5 FCS功能特点 ÿ 12.6 FCS产品简介 ÿ 本章小结 ÿ 思考题 引 言 v 分散控制系统 DCS是以微型计算机为基础的集散型综合控 制系统。它是为满足大型工业生产的要求，从综合自动化 的角度，按控制功能分散、操作管理集中的原则设计。自 从美国霍尼韦尔公司 1975年成功推出世界上第一套 DCS 以来，产品几经更新换代，技术性能日趋完善。二十几年 来， DCS首当其冲地成为大型工业生产过程的主流控制系 统 。 v 现场总线控制系统 FCS是继 DCS之后出现的新一代控制系 统，它代表的是一种数字化网络化到现场、控制管理到现 场的发展方向。 FCS将要取代 DCS，或者说 DCS已在吸纳 FCS。总之， FCS已经成为当今世界范围内自动控制系统 的热点。 12.1 DCS体系结构 主要内容 前言 ۩ 12.1.1 分散过程控制级 ۩ 12.1.2 集中操作监控级 ۩ 12.1.3 综合信息管理级 前言 典型的 DCS体系结构分为三层，如 图 12-1所示。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。 图 12-1分散控制系统体系结构 12.1.1 分散过程控制级 主要知识点 Ø 1.分散过程控制级的功能及其主要装置 。 • 〈 1〉 现场控制站 • 〈 2〉 智能调节器 • 〈 3〉 可编程控制器 PLC 1.分散过程控制级的功能及其主要装置 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。 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。 1 . 现场控制站 一个现场控制站中的系统结构如图 12-2所示，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 。 图 12-2 现场控制站的系统结构 u （ 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 v 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。 v 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（详见 11章）。 12.1.2 集中操作监控级 主要知识点 u 集中操作监控级的概述 1． 操作员操作站 2． 工程师操作站 集中操作监控级 是面向现场操作员和系统工程师的，如图 12-1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 v 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。 v 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。 v 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。 v 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。 v 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（详见第 6.3.2 图形显示画面）。 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 。 Ø （ 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 。 v 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。 v 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。 12.1.3 综合信息管理级 主要知识点 • 综合信息管理级的简述 v 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。 v 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。 v 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。 v 目前国内使用的 DCS重点主要放在底层与中层二 级上。 主要知识点 Ø 通信网络系统 12.1.4 通信网络系统 v DCS各级之间的信息传输主要依靠通信网络系统来支持。通信网分成 低速、中速、高速通信网络。低速网络面向分散过程控制级；中速网络 面向集中操作监控级；高速网络面向管理级。 v 用于 DCS的计算机网络在很多方面的要求不同于通用的计算机网络 。它是一个实时网络，也就是说网络需要根据现场通信的实时性要求， 在确定的时限内完成信息的传送。 v 根据网络的拓扑结构， DCS的计算机网络大致可分为星型、总线型 和环型结构三种。 DCS厂家常采用的网络结构是环型网和总线型网，在 这两种结构的网络中，各个节点可以说是平等的，任意两个节点之间的 通信可以直接通过网络进行，而不需要其它节点的介入。 v 在比较大的分散控制系统中，为了提高系统性能，也可以把集中网 络结构合理地运用于一个系统中，以充分利用各网络结构的优点。 v 12.2 DCS功能特点 主要内容 前言 l12.2.1 DCS的软件 l12.2.2 DCS的特点 由于 DCS是多层体系结构，每层的硬件组成及其 完成功能不同，因而相应的软件系统也会不同。处于 高层的 DCS综合信息管理级是一个以数据处理为中心 的管理信息系统，而从自动控制的角度出发，更关心 用于底层与中间层的软件系统，它主要包括控制软件 包、操作显示软件包等。 12.2.1 DCS的软件 主要知识点 分散过程控制级的控制软件包 v 用于分散过程控制级的控制软件包为用户提供各种过 程控制的功能，包括数据采集和处理、控制算法、常用运 算公式和控制输出等功能模块。由于构成这一级的可能是 现场控制站、 PLC或智能调节器等不同的测控装置，而且 既便是同一种装置但厂家品牌、型号也可能不同，实际上 支持这些硬件装置的软件平台和编程语言都不相同。归纳 起来有图形化编程（又分功能块图、梯形图、顺序功能图 ），文本化语言（又分指令表和结构化文本），面向问题 的语言（又分填表式和批处理两种）和通用的高级语言（ 又分 VB、 VC等）等多种。 v 当把相应的软件安装在控制装置中，用户可以通过组 态方式自由选用各种功能模块，以便构成控制系统。 用于集中操作监控级的操作显示软件包为用户提供了丰用于集中操作监控级的操作显示软件包为用户提供了丰 富的人富的人 -机接口联系功能。在显示器和键盘组成的操作站上进机接口联系功能。在显示器和键盘组成的操作站上进 行集中操作监视，可以选择多种图形显示画面，如总貌显示行集中操作监视，可以选择多种图形显示画面，如总貌显示 、分组显示、回路（点）显示、趋势显示、流程显示、报警、分组显示、回路（点）显示、趋势显示、流程显示、报警 显示和操作指导等画面，并可以在图形画面上进行各种操作显示和操作指导等画面，并可以在图形画面上进行各种操作 ，所以它可以完全取代常规模拟仪表盘。，所以它可以完全取代常规模拟仪表盘。 需要指出的是，当前国内市场上已经成功运行着十几种需要指出的是，当前国内市场上已经成功运行着十几种 通用监控组态软件。比如通用监控组态软件。比如 KingView组态王，通过策略组态与组态王，通过策略组态与 画面组态，可以迅速方便地在工业控制机上实现对各种现场画面组态，可以迅速方便地在工业控制机上实现对各种现场 的监测与控制，而且能支持国内最流行的的监测与控制，而且能支持国内最流行的 400多种硬件设备的多种硬件设备的 驱动程序，包括各种驱动程序，包括各种 PLC、智能仪表、板卡、智能模块、变、智能仪表、板卡、智能模块、变 频器以及现场总线等，而且与大型数据库软件都有很好的接频器以及现场总线等，而且与大型数据库软件都有很好的接 口，体现了良好的通用性和灵活性。详见第口，体现了良好的通用性和灵活性。详见第 13章监控组态软章监控组态软 件。件。