DCS的硬件与软件组成 |
时间: 2018-04-02 13:44 浏览: |
DCS的硬件与软件组成 (一)DCS的基本结构与组成 DCS是分布式控制系统的英文缩写(Distributed ControlSystem),在国内自控行业又被称为集散控制系统。它是在集中式控制系统的基础上发展、演变而来,由过程控制级和过程监控级以及企业管理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,具备分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活以及组态方便等特点。由于DCS这些显著的优点,其在石化、化工、医药、电力、造纸、钢铁等流程工业获得了广泛的应用。 自1975年Honeywell推出第一套DCS以来,世界上有几十家自动化公司推出了上百种DCS,虽然这些系统各不相同,但在体系结构方面却大同小异,所不同的只是采用了不同的计算机、不同的网络或不同的设备。下面简要介绍一般DCS系统的组织结构。 一个最基本的DCS应包括四个大的组成部分:至少一台现场控制站,至少一台操作员站,一台工程师站(也可利用一台操作员站兼做工程师站),一条系统网络。一个典型的DCS体系结构如图7- 2所示,图中表明了DCS各主要组成部分和各部分之间的连接关系。 图7- 2典型的DCS结构 除了上述四个基本的组成部分以外,DCS还可包括完成某些专门功能的站、扩充生产管理和信息处理功能的信息网络,以及实现现场仪表、执行机构数字化的现场总线网络。 1.操作员站 操作员站主要完成人机界面的功能,一般采用桌面型通用计算机系统,如个人计算机或图形工作站等。其配置与常规的桌面系统相同,但要求有大尺寸的显示器和高性能的图形处理器,有些系统还要求每台操作员站使用多屏幕,以拓宽操作员的观察范围。为了提高画面的显示速度,一般都在操作员站上配置较大的内存。 2.现场控制站 现场控制站是DCS的核心,系统主要的控制功能由它来完成,系统的性能、可靠性等重要指标也都要依靠现场控制站保证。现场控制站的硬件一般都采用专门的工业级计算机系统,其中除了计算机系统所必需的CPU、存贮器外,还包括现场测量单元、执行单元的输入/输出设备,即过程量I/O或现场I/O。在现场控制站内部,CPU和内存用于数据的处理、计算和存储的部分称为逻辑部分,而现场I/O则被称为现场部分,这两个部分是需要严格隔离的,以防止现场各种信号,包括干扰信号对计算机的处理产生不利的影响。 3.工程师站 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。 4.服务器及其他功能站 在现代的DCS结构中,除了现场控制站和操作员站外,还可以有许多执行特定功能的计算机,如专门记录历史数据的历史站;进行高级控制运算功能的高级计算机站;进行生产管理的管理站等。这些站也都通过网络实现与其他站点的连接,形成一个功能完备的复杂控制系统。 随着DCS的功能不断向高层扩展,系统已不再局限于直接控制,而是越来越多地加入了监督控制乃至生产管理等高级功能,因此当今大多数DCS都配有服务器。服务器的主要功能是完成监督控制层的工作,如整个生产装置乃至全厂的运行状态监视、对生产过程各个部分出现的异常情况的及时发现并及时处置、向更高层的生产调度和生产管理,直至企业经营等管理系统提供实时数据和执行调节控制操作等。或者简单讲,服务器就是完成监督控制,或称SCADA功能的主节点。 在一个控制系统中,监督控制功能是必不可少的,虽然控制系统的控制功能主要靠系统的直接控制部分完成,但是这部分正常工作的条件是生产工况平稳、控制系统各部分工作在正常状态下。而一旦出现异常情况,就必须进行人工干预,使系统回到正常状态,这就是SCADA功能的最主要作用。在规模较小,功能较简单的DCS系统中,可以利用操作员站实现系统的SCADA功能,而在规模较大,功能复杂时,则必须设立专门的服务器节点。 5.系统网络 DCS系统的另一个重要组成部分是系统网络,它是连接系统各个站的桥梁。由于DCS是由各种不同功能的站组成的,这些站之间必须实现有效的数据传输,以实现系统总体功能,因此系统网络的实时性、可靠性和数据通信能力关系到整个系统的性能,特别是网络的通信规约,关系到网络通信的效率和系统功能的实现,因此都是各个DCS厂家专门精心设计的。随着网络技术的发展,很多标准网络产品陆续推出,特别是工业以太网逐步成为事实上的工业标准,越来越多的DCS厂家直接采用了以太网作为系统网络。 6.现场总线网络 早期的DCS在现场检测和控制执行方面仍采用了模拟式仪表的变送单元和执行单元,在现场总线出现后,这两个部分也被数字化,因此DCS将成为一种全数字化的系统。在以往采用模拟式变送和执行单元时,系统与现场之间是通过模拟信号线连接的,而在实现全数字化后,系统与现场之间的连接也将通过计算机数字通信网络,即通过现场总线实现连接,这将彻底改变整个控制系统的面貌。 由于现场总线涉及现场的测量和执行控制等于被控对象关系密切的部分,特别是它将使用数字式传输数据而不是使用简单的4~20mA的模拟信号,其传输的内容也不完全局限于测量值或控制量,而包含了许多与现场设备运行相关的数据和信息,这就为现场控制设备的监视和自诊断提供了可能。 图7- 3是采用了现场总线技术之后的DCS体系结构。将现场总线引到现场,改变了现场信号线的连接方式,将从1:1的模拟信号线连接改变为1:n的数字网络连接,现场与控制室之间的接出线数量将大大减少,而可以传递的信息量则大大增加;另外,回路控制的实现方式将发生改变,由于现场I/O和现场总线仪表的智能化,它们已经具备了回路控制计算的能力,这便有可能将回路控制功能由现场控制站下放到现场I/O或现场总线仪表来完成,实现更加彻底的分散。 图7- 3现场总线技术进入DCS后的系统体系结构 7.高层管理网络 目前,DCS已从单纯的底层控制发展到更高层次的数据采集、监督控制、生产管理等全厂范围的控制、管理系统。因此,再将DCS看做是仪表控制系统已不符合实际情况,从当前的发展看,DCS更应该被看成是一个计算机管理控制系统,其中包含了全厂自动化的丰富内涵。针对一个企业或工厂常有多套DCS的情况,以多服务器、多域为特点的大型综合监控自动化系统也已出现,这样的系统完全可以满足全厂多台生产装置自动化及全面监控管理的系统需求。 这种具有系统服务器的结构,在网络层次上增加了管理网络层,主要是为了完成综合监控和管理功能,在这层网络上传送的主要是管理信息和生产调度指挥信息,图7- 4给出了这种系统结构。 图7- 4综合监控自动化系统 (二)DCS的软件 DCS的基本构成如上所示。而DCS软件的基本构成也是按照硬件的划分形成的,可分为现场控制站软件、操作员站软件和工程师站软件,以及运行与各个站的网络软件。 通过以上对DCS中各个站的功能描述,可以很清楚地知道每种站上的软件的功能,如现场控制站软件主要完成各种控制功能,包括回路控制、逻辑控制、顺序控制,以及这些控制所必需的现场I/O处理;操作员站上的软件主要完成运行操作人员所发出的各个命令的执行、图形与画面的显示、报警的处理、对现场各类检测数据的集中处理等;工程师站软件则主要完成系统的组态功能和系统运行期间的状态监视功能。 下面分别描述各个站的软件功能及其构成。 1.现场控制站软件 现场控制站软件的最主要功能是完成对现场的直接控制,这里面包括了回路控制、逻辑控制、顺序控制和混合控制等多种类型的控制。为了实现这些基本功能,在现场控制站中应该包括以下主要的软件。 (1)现场I/O驱动,其功能是完成过程量的输入/输出。其动作包括对过程输入/输出设备实施驱动,以具体完成输入/输出工作。 (2)对输入过程量进行预处理,如工程量的转换,统一计量单位、剔除各种因现场设备和过程I/O设备引起的干扰和不良数据、对输入数据进行线性化补偿及规范化处理等,总之是要尽量真实地用数字值还原现场值并为下一步的计算做好准备。 (3)实时采集现场数据并存储在现场控制站内的本地数据库中,这些数据可作为原始数据参与控制运算,也可通过计算或处理成为中间变量,并在以后参与控制计算。所有本地数据库的数据(包括原始数据和中间变量)均可成为人机界面、报警、报表、历史数据记录、趋势及综合分析等监控功能的输入数据。 (4)进行控制计算,根据控制算法和检测数据、相关参数进行计算,得到实施控制的量。 (5)通过现场I/O驱动,将控制量输出到现场。 为了实现现场控制站的功能,在现场控制站中建立有与本站的物理I/O和控制相关的本地数据库,这个数据库中只保存与本站相关的物理I/O点及与这些物理I/O点相关的,经过计算得到的中间变量。本地数据库可以满足本现场控制站的控制计算和物理I/O对数据的需求,有时除了本地数据外还需要其他节点上的数据,这时可从网络上将其他节点的数据传送过来,这种操作被称为数据的引用。 2.操作员站软件 操作员站软件的主要功能是人机界面,即HMI的处理,其中包括图像画面的显示、对操作员操作命令的解释与执行、对现场数据和状态的监视及异常报警、历史数据的存档和报表处理等。为了上述功能的实现,操作员站软件主要由以下几个部分组成。 (1)图形处理软件,该软件根据由组态软件生成的图形文件进行静态画面(又称为背景画面)的显示和动态数据的显示及按周期进行数据更新。 (2)操作命令处理软件,其中包括对键盘操作、鼠标操作、画面热点操作的各种命令方式的解释及执行。 (3)历史数据和实时数据的趋势曲线显示软件。 (4)报警信息的显示、事件信息的显示、记录与处理软件。 (5)报表软件。 (6)历史数据的记录与存储、转储及存档软件。 (7)系统运行日志的形成、显示、打印和存储记录软件。 为了支持上述操作员站软件的功能实现,在操作员站上需要建立一个全局的实时数据库,这个数据库集中了各个现场控制站所包含的实时数据及由这些原始数据经运算处理所得到的中间变量。这个全局的实时数据库被存储在每个操作员站的内存中,而且每个操作员站的实时数据库是完全相同的复制,因此每个操作员站可以完成完全相同的功能,形成一种可互相替代的冗余结构。当然各个操作员站也可以根据运行的需要,通过软件人为地定义其完成不同的功能,而形成一种分工的形态。 3.工程师站软件 工程师站软件可分为两个大部分,其中一部分是在线运行的,主要完成对DCS系统本身运行状态的诊断和监视,发现异常时进行报警,同时通过工程师站上的显示屏幕给出详细的异常信息,如出现异常的位置、时间、性质等。 工程师站软件的最主要部分是离线态的组态软件,这是一组软件工具,是为了将一个通用的、对多个应用控制工程有普遍适应能力的系统,变成一个针对某一个具体应用控制工程的专门系统。为此,系统要针对这个具体应用进行一系列的定义,如系统要进行什么样的控制;系统要处理哪些现场量,这些现场量要进行哪些显示、报表及历史数据存储等功能操作;系统的操作员要进行哪些控制操作,这些控制操作具体是如何实现的,等等。在工程师站上,要做的组态定义主要包括以下方面。 (1)系统硬件配置定义,包括系统中各类站的数量、每个站的网络参数,各个现场I/O站的I/O量配置(如各种I/O模块的数量、是否冗余、与主控单元的连接方式等)及各个站的功能定义等。 (2)实时数据库的定义,包括现场物理I/O点的定义(该点对应的物理I/O位置、工程量转换的参数、对该点所进行的数字滤波、不良点剔除及死区等处理),以及中间变量点的定义。 (3)历史数据库的定义,包括要进入历史数据库的实时数据、历史数据的存储周期、各个数据在历史数据库中保存的时间及对历史库进行转储(即将数据转存到磁带、光盘等可移动介质上)的周期等。 (4)历史数据和实时数据的趋势显示、列表及打印输出等定义。 (5)控制算法的定义,其中包括确定控制目标、控制方法、控制周期及定义与控制相关的控制变量、控制参数等。 (6)人机界面的定义,包括操作功能定义(操作员可以进行哪些操作、如何进行操作等)、现场模拟图的显示定义(包括背景图和实时刷新的动态数据)及各类运行数据的显示和定义等。 (7)报警定义,包括报警产生的条件定义、报警方式定义、报警处理的定义(如对报警信息的保存、报警确认、报警的清除等操作)及报警列表的种类与尺寸定义等。 (8)系统运行日志的定义,包括各种现场事件的认定、记录方式及各种操作的记录等。 (9)报表定义,包括报表的种类、数量、报表格式、报表的数据来源及在报表中各个数据项的运输处理等。 (10)事件顺序记录和事故追忆等特殊报告的定义。 组态后形成的文件被称为定义文件,或组态源文件,这是一种便于阅读、检查、修改的文件格式,但还不能被DCS系统执行。这些定义文件还必须经过工程师站上的编译软件将其转换成系统可执行的数据文件,然后经过下装软件对各个在线运行的节点进行下装,这样在实际运行时才可以按照组态的定义完成相应的控制和监视功能。 来源:天津会一自动化(PLC控制柜) |
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