1、集散控制系統的組成特點與設計方法作者：李易昭作者：李易昭專業：測試計量與儀器專業：測試計量與儀器u DCS的組成及特點 分層結構 分塊結構 DCS的硬件與軟件構成 DCS體系結構技術特點u DCS的設計方法 總體設計 初步設計 詳細設計 u 基于單片機的DCS 例解第一節、DCS的組成及特點一、分層結構一、分層結構u集散控制系統的構成方式：分四個層次集散控制系統的構成方式：分四個層次 功能分層是集散控制系統的體系特征，反映了集散控制系統的“分散控制、集中管理”的特點。典型系統分為四個層次。 現場級：現場網絡現場級：現場網絡Fnet(Field Network)Fnet(Field Networ

2、k) 控制級：控制網絡控制級：控制網絡Cnet(Control Network)Cnet(Control Network) 監控級：監控網絡監控級：監控網絡Snet(Super Vision Network)Snet(Super Vision Network) 管理級：管理網絡管理級：管理網絡Mnet(Management Network)Mnet(Management Network)1、現場級的功能、現場級的功能采集過程數據，對數據進行數據轉換；采集過程數據，對數據進行數據轉換；輸出過程操作命令；輸出過程操作命令；進行直接數字控制；進行直接數字控制；完成與過程裝置控制級的數據通信；完成與過

3、程裝置控制級的數據通信；對現場控制級的設備進行檢測和診斷。對現場控制級的設備進行檢測和診斷。 現場級現場級實現控制的前提：實現控制的前提：微處理器進入現場變送微處理器進入現場變送器、傳感器和執行器；現場總線的應用；部分或器、傳感器和執行器；現場總線的應用；部分或完全完成過程控制級的功能。完全完成過程控制級的功能。 2 2、控制級的功能、控制級的功能 結構：過程控制設備結構：過程控制設備(下位機下位機)+I/O卡件卡件 功能：功能： 進行數據轉換和處理；進行數據轉換和處理； 數據的監視和存儲；數據的監視和存儲； 實施連續、批量或順序控制的運算和輸出控制實施連續、批量或順序控制的運算和輸出控制作用

4、；作用； 數據和設備的自診斷；數據和設備的自診斷； 數據通信。數據通信。3 3、監控級的功能、監控級的功能中央控制室：操作站、工程師站中央控制室：操作站、工程師站(上位機上位機)、打印機、計算站、打印機、計算站功能：功能：數據顯示與記錄；數據顯示與記錄；過程操作（含組態操作、維護操作）；過程操作（含組態操作、維護操作）； 數據存儲和壓縮歸檔；數據存儲和壓縮歸檔；報警、事件的診斷和處理；報警、事件的診斷和處理；系統組態、維護和優化處理；系統組態、維護和優化處理；數據通信；數據通信；報表打印和畫面硬拷貝。報表打印和畫面硬拷貝。 4 4、全廠優化和調度管理級的功能、全廠優化和調度管理級的功能從系統的

5、觀點：原料從系統的觀點：原料銷售；優化協調銷售；優化協調功能：功能：優化控制；優化控制；協調和調度各車間生產計劃和各部門的聯系；協調和調度各車間生產計劃和各部門的聯系；主要數據的顯示、存儲和打印；主要數據的顯示、存儲和打印；數據通信。數據通信。 二、集散控制系統的構成方式二：分塊結構二、集散控制系統的構成方式二：分塊結構 集散系統的基本結構： “三大塊”（1）分散過程控制裝置（2）操作管理裝置（3）通信系統 （1）分散過程控制裝置(下位機) 是集散控制系統與生產過程間的界面，即過程界面。 過程變量分散過程控制裝置操作監視的數據操作信息分散過程控制裝置執行機構。 數/模、模/數轉換、控制算法、軟

6、件濾波等分散過程控制裝置部分的特征適應惡劣的工業生產環境；分散控制，監視和控制分離；實時性；獨立性和可靠性要求高。（2）操作管理裝置(上位機) 是集散控制系統與操作人員、管理人員間的界面，即人機界面。 監視和操作。u 集中操作和管理系統部分特征： 信息量大； 易操作性； 容錯性好；（3）通信系統通訊系統： 是分散過程控制裝置與操作管理裝置之間數據傳遞和交換的橋梁。 u 通信系統部分特征 開放性：上層與其他廠商產品間 互操作性：下層與其他廠商變送器、執行器間 傳輸速率 誤碼率三、 DCS的硬件與軟件構成1 、DCS的基本構成四大基本部分：現場控制站；操作員站；工程師站；系統網絡 其他：擴充功能站

7、；總線網絡等等 2 DCS的軟件構成 按所附屬的硬件分類 現場控制站軟件； 操作員站軟件； 工程師站軟件； 網絡軟件按DCS軟件運行時機和環境分類：在線運行軟件；離線開發軟件；現場控制站軟件：操作員站軟件工程師站軟件其他功能站的軟件數據服務器軟件；歷史數據軟件；網絡通信軟件等。四、 DCS的體系結構的技術特點1 信息集成化1）DCS系統各站通過網絡實現信息交換；2）系統網絡注重實時性、可靠性和數據通信能力；3）網絡通信協議對系統性能有重要影響；4）DCS的網絡通信不僅要注意數據傳輸的能力， 還要注重考慮信息的表達方式。2 控制功能的分散化1）從儀表的角度看，DCS具備了傳統儀表不具備的通信功能

8、；2）從計算機的角度看，DCS將系統功能分散到不同設備中完成，并通過網絡進行數據交換與協調；3）DCS的檢測、計算與控制在現場控制站完成，人機界面由操作站實現；4）DCS系統有多臺現場控制站、操作站，分別對各自控制對象實施控制與監視。第二節、集散型控制系統的設計方法DCS是綜合性很強的控制系統，它采用諸多復雜的計算機技術、各種類型的通信技術、電子與電氣技術以及控制系統技術。DCS所控制的往往都是大范圍的對象，涉及各種類型的控制、監視和保護功能。DCS在應用過程中有各種技術人員和管理人員參與。DCS是針對某一工藝系統的設計。本章將從工程設計程序的角度來說明這些問題。通常把工程設計分成以下幾個階段

9、：總體設計初步設計詳細設計詳細設計一、總體設計 在工程設計的開始階段，要對DCS所應完成的基本任務做出設計，這時的設計實際上是對DCS的功能提出要求，這些功能通常是由用戶提出。 1.DCS的控制范圍 設備的形式、作用、復雜程度決定了該設備是否適合采用DCS控制。 2.DCS的控制深度 幾乎任何一臺主要設備都不是完全受DCS控制，只是部分受DCS控制。 3.DCS的控制方式 即DCS的運行方式，要確定以下內容：人機接口的數量，輔助設備的數量，DCS的分散程度。 在設計的過程中要經常權衡性能與價格兩方面的因素，設計的級別越高，需要權衡的問題就越多，從經濟方面來說，總體設計的意義重大就在于此。 二、

10、初步設計 初步設計是介于總體設計與詳細設計之間的設計，其基本任務是在總體設計的基礎上，為DCS的每一個部分做出典型的設計，為DCS所控制的每一個工藝環節提出基本的控制方案。 1.初步設計的主要內容硬件初步設計的內容 滿足已基本確定的工程對DCS硬件的要求，及DCS對相關接口的要求。即確定系統I/O點，確定DCS硬件。 軟件初步設計的內容 設計的結果應使工程師可以在此基礎上設計組態圖。人機接口設計的內容 決定了今后工程設計的風格。三、詳細設計 詳細設計是初步設計在DCS上的具體實現。 詳細設計具有下面的特點： (1)詳細設計更針對DCS，而不是工藝過程。 (2)詳細設計與初步設計是相互聯系。 (

11、3)詳細設計從DCS設備出發。 (4)與其他的設計不同，DCS詳細設計的結果有兩個：一是設計的組態結果，二是對設計的說明，而后者往往容易被忽視。 第三節、基于單片機的小型DCS系統例解 基于PC機與單片機的合成氨DCS 隨著電子技術的迅速發展，特別是隨著大規模集成電路大量出現的微型計算機，給各工業測控領域帶來了一次新的技術革命。該例采用了以單片機為核心的智能化儀表(簡稱下位機)與工業PC機（簡稱上位機）組成的分布型微機控制系統，自1995年開始成功應用于聯堿生產系統，1997年起先后在公司的變換、合成氨、精煉、鍋爐、復合肥等車間崗位得到廣泛應用。這樣大大提高了自動化水平和管理平，為化肥廠的節能

12、降耗和提高企業的經濟效益起到了積極作用。現主要介紹DCS在合成氨廠的應用。一、體系結構與選擇 工控系統采用了分布式控制方案，分上下兩層系統，系統結構如圖：上位機采用工業PC機（也可用普通PC機代用），配置CKICC工控軟件，下位機是采用以MCS-51系列單片機為核心的智能數字儀表，采用RS485通訊總線，將各下位機和上位機連成一個整體。上機一般26臺PC機并用，互為備用。下位機采用多臺，可采用冗余。每臺下位機均使用獨立CPU、顯示器和鍵盤，若一機有故障，不影響其他分的運行，互為備用，真正達到危險分散，管理集中的要求。u 系統功能概述 具有普通DCS相同的功能，根據合成氨廠生產特點要求還有如下諸

13、多功能： 1）遠程通訊功能。下位機與PC機之間，或者下位機與下位機之間，或PC機與PC機之間，均可允許1200m間隔距離，再用通訊線連成一體。信息同步顯示于控制室、調度室。 2）每個下位機均可獨立工作。即不僅具有數據采集和控制功能，還具有完整的顯示功能和鍵盤輸入功能，通常下位機安裝于現場，用總線（BUS）連到總控室，可省大量訊號線。平時可在總控室集中操作管理，在開停車或生產不正常時，操作工也可以在現場操作、就地控制。 3）管控一體化功能。生產過程的各種數據狀況，能在控制室經遠程通訊接口用電纜或光纜送到車間辦公室、調度室、各職能管理辦公室等，并具有完備的數據統計功能，有利于生產管理者管理和控制一

14、體化uPC機功能 本系統的PC機用作系統的操作站，是人機信息交換的主要工其功能是：過程顯示和控制；實時現場數據的采集、顯示；模擬流程顯示和總貌顯示；數據的處理：歷史數據的顯示、統計結果顯示及打印、工藝指標考核、報警信息的打印等；系統配置、設定：參數設置、下位機數據設置等；系統操作記錄：登錄、密碼、修改權限、操作記錄等。u下位機功能 下位機是一種智能化數字儀表，集數據采集、計算、控制、顯示、輸入、輸出、雙向通訊功能于一體，具體功能如下： 1）8通道模擬量輸入（作為數據采集儀使用時）。模擬量為以下一種或多 種：熱電偶K、E、S、B、J等分度；熱電阻Pt100、Cu50等；過程變量05V、15V、0

15、10mA、420mA、05A（AC）、0100V（AC）等；輸出信號：420mA、5A/220V三態輸出、繼電器輸出；通訊標準：RS232、RS485。 2）回路控制功能（6通道AI+2通道輸出）。每臺下位機既能作為數據采集儀使用，也能作為控制儀使用。作控制儀使用時，其中兩個回路（1#、2#）可以實施PID控制。 3）自動校準和人工校準功能。 4）全部參數可按鍵設定。參數調整不用打開機箱，只需調節面板上的8個按鈕，也可使用上位機通過監控軟件調校下位機參數。參數設定值可永久保存。 5）下位機中采用E2PROM存儲各路數據的零位、滿度、線性校正值以及P、I、D控制參數等多種參數，與電位器相比，體積

16、較小、可靠性高。 6）輸入信號點與點之間光電隔離、輸入信號與單片機和通訊之間光電隔離。各種輸入下位機信號全部采用光電隔離，現場的各種輸入信號可直接接到下位機的接線端子上。各點之間、各點與單片機之間具有抗1000V共模電壓能力、使下位機具有特強的抗干擾能力。下位機面板結構二、系統硬件組成u 下位機硬件 每臺下位機均由接線端子板、輸入調理板、CPU主板、操作顯示面板四部分構成。 1）接線端子板。接線端子板有42個接線端子將各種信號輸入或將控制信號輸出。 2）輸入調理板。輸入調理板將輸入信號調理成統一的電平并經A/D轉換和光電隔離。 3）CPU主板。完成數字之間的運算處理；完成數字之間的D/A轉換，

17、一般轉換成420mA的電流信號；顯示信號的轉換并輸送到面板上。4）操作顯示面板。人機交流的主要界面之一，可以通過面板顯示如下信息：各通道PV值（模擬和數字顯示）；將其中一個控制回路切換到當前活動狀態，進行顯示或操作；SV、PID、A/M的顯示和設定；各參數的零位和滿度的設定；各參數的線性校正的表格查閱及修改。u PC機的硬件 采用工業PC機或普通PC機，配置如下：品牌PC機（Dell）或兼容機，賽揚2.0GHz以上CPU；中文Windows 2000或XP操作系統；內存256M；40G以上硬盤容量；19CRT或19LCD，1024768的分辨率；彩色噴墨打印機或針式打印機（可選）；多媒體音箱(

18、可選)。u 通訊接口 通訊接口主要擔任上機與下機之間的信息交換、調度，使總線上的信息流通。u 其他 其它硬件有：UPS（220V/5KVA、保持時間大約30min）電源、 網絡器材等。三、系統軟件u 下位機軟件 下位機軟件是用匯編語言編寫而成的，它包含了一個主程序和許多子程序。另外，還有三個中斷服務的子程序。主程序主要負責初始化下位機，并循環的對LED掃描顯示和鍵盤掃描。三個中斷服務子程序分別是：系統時間中斷；A/D轉換中斷；通訊服務中斷。u 上位機軟件 上位機的CKICC工控軟件主要完成數據通訊，數據庫處理，人機對話；組態設置、數據設置、系統設置；下位機的零位、工程滿值顯示處理；PID參數設定；A/M、SV的傳送以及上位機各圖形畫面顯 示處理等。 PC機的系統操作平臺為Win