1、22 集散控制系统18页徐占胜第二篇 热控设备第二章 集散控制系统第一节 集散系统发展概述集散系统（Total Distributed Microprocessor Control System）是70年代发展起来的新型数字控制系统。它是计算机技术、控制技术、通讯技术和图形显示技术相结合的产物，是完成过程控制、过程管理的现代化设备。从七十年代中期开始美国、日本、欧洲等国家和地区把集散系统广泛应用于石油化工、电力、冶金、建材及轻工业控制领域。八十年代我国电力系统开始引进集散控制系统，在电厂得到广泛的应用，特别是300WM及其以上机组必须采用DCS。截止到1999年，我国火电厂已有229套DCS，
2、14种型号它们分别是INFI-90、WDPF-、TELEPERM-ME、MAX1000、PRCONTROL-P、HIACS-3000、I/A SERIES、CONTRONIC-E、TDC-3000、MIDAS-8000、T20（P320）、CENTRUM（XL）、SPECTRUM、MOD-300。第二节 集散控制系统的简要介绍一、系统总体结构及控制功能集散控制系统主要由CRT操作员站、上位机（有的无上位机）、各种功能站（完成现场控制功能的控制器是核心部分）、通信接口和不同形式的网络连接而成。各种功能站包括：数据采集与处理站（专处理非控制变量，供集中管理用）、闭环控制站、开环控制站、计算站、通讯
3、控制站（有的未设）、协调站。各站的大小视功能要求大小不一。如闭环控制多在几十个回路以上，最小到单回路调节器；在大系统中才分设有各种专用辅助处理站（如计算站、历史数据处理站。闭环控制站可以完成单、多回路控制、批量控制，有的系统带有某种形式的高级控制，如模糊控制、自适应控制。开环控制可以完成顺序控制、逻辑控制等。以上功能有的在一个站中包括几种功能，称多功能控制器。有的按功能分设各站（或控制器）完成。DCS即能实现集中综合管理，又能完成各种控制和监视。整个系统，有的按功能分层分网络控制，有的不分层，全挂在同一网上。多数系统采用功能分块形式，首先拼装成小系统，然后再由小系统拼装成中、大型系统。其中最小
4、控制功能是单回路类型的可编程调节器与控制器。二、软件（算法、语言）配置集散控制系统的软件主要分为四大部分：CRT操作站和上位机中用的各种管理和计算处理软件。如操作系统，各种操作、显示、记录、通信和有关计算处理软件等，有的还备有优化处理程序。有的语言多是专用语言或高级语言，如BASIC、FORTRAN等，并将其存在本部分的ROM中或磁盘中（称集中数据库）。功能站中的软件主要是用汇编语言编写的各种算法子程序模块，由于系统大小规模不同，从十几种到上千种。最后一种是应用软件即根据实际需要，在应用时由组态软件（常采用面向问题的语言）将各种算法子程序组态成各种功能性程序，然后在功能站中系统软件的管理下运行
5、。以上四大部分软件，都分设在有关的数据库内。尤其各功能站的软件都已标准模块化，并固化在ROM中。有的系统软件也分设在个站中。三、网络与通信集散控制系统的网络，主要由三种基本型网络组合而成。这三种基本网络是：星型、环型、总线型。小规模的系统往往是基本型网络的一种，中、大规模系统是基本型网络的组合（即两种以上基本型网络的适当组合）。通信网的长度，根据系统规模的大小不同（从几米几十公里）。通信网络所用的介质主要有：双绞线（短距离用）、同轴电缆和光导纤维（远距离用），通信协议和方式主要有：令牌式（通行标记式）、存储转发式、广播式、问/答式、时间分槽式（主站权轮流式）等，也有的系统是各种方式配合使用于一
6、个系统中。总线传输率在几千比特/秒十几兆比特/秒。挂在高速通信网络上的各站都有通信接口，有的系统设有通信指挥器；有的未专设，把通信功能分设在各站的通信接口中。四、人机联系集散系统的人机联系是分级和分块设置的，在集中管理部分有CRT操作站，在各功能站中也设有简单的显示操作装置。在大系统中，CRT操作站也分层并分设，而且上、下级人-机联系多数互为冗余备用。CRT屏幕尺寸为1224英寸，有的另外加有大屏幕。显示功能很强，有各种画面显示，如图形、数据、趋势等，多达几百幅。而且还带有报警功能，画面分辨率很高，响应时间多在13秒；有的响应时间小于1秒。操作多采用键盘操作或鼠标操作，有的采用触模式和光笔式。
7、另外还配有打印机、记录仪、彩色硬拷贝机、海量存储器、磁带机。一般CRT操作站都设有两类操作台（运行人员操作台和工程师操作台）。前者主要用于运行系统的操作监视，后者主要用于系统运行功能的组态。在CRT操作台上可以完成各种操作（如运行监视、各种参数的修改与整定、画面的生成与修改、各种运行功能的组态等）。功能组态基于计算机高级语言，多采用添表、做图与对话方式完成。各站中的简单显示操作装置是本站的人机联系设备，可以完成本站的功能组态、显示、操作等简单功能。五、可靠性措施集散系统具有控制功能分散（危险分散），管理监视集中的结构特点，因此它是系统可靠的基础性措施。另外系统中各部件采用标准化、模件化，类型较
8、少，各站间的通信采用高速通道，故便于多处采用冗余措施，如通讯网，接口、功能站、电源等。设有多种硬、软件监视措施，如在线自诊断功能，一般自诊断都到模件级。以便及早发现事故。操作显示报警功能强，也是监视和发现故障的有利措施。多处设有故障保护措施，如无中断自动热备用，闭环输出故障自动保持，自动转后备手操。断电（或故障）时有关信息用磁芯、磁饱和带电池RAM等保护功能。防干扰措施考虑全面，如各种隔离、浮空、屏蔽等。部件或系统的抗干扰能力多在120db左右。由于硬、软件标准化、模件化、种类少，便于设置备用和维修，再加上离线自诊断程序的配合，维修率一般不很高，故可用率P（A）很高第三节 几种国外集散系统介绍
9、一、TDC-3000（美国 霍尼威尔公司 1983年推出）（一）、系统总体结构TDC-3000是个多级的计算机控制系统，它有一个局部控制网络（LCN），在这个网络上可以直接连接历史组件，应用组件，计算组件和多功能操作站（高一级的人机接口）除此之外还有可通过通用门路和计算机门路与其它部件相连。另外通过高速通道接口可以把TDC-2000系统连接在一起。TDC-2000主要和过程相连应用组件通过LCN网调用其它模件的数据，为1500个回路提供先进的控制功能。历史组件收集和存储历史数据。计算组件为TDC-2000和LCN网上的模件增加用户编程源和扩大各种数据的存储。TDC-2000包括1-3个数据高速
10、通道分支，在分支上连接的装置包括基本控制器；扩展控制器；多功能控制器。过程计算机为TDC-4500，另外还有基本或扩展操作员站。（二）、软件配置及控制功能基本控制器（BC）28种算法，扩展控制器控制算法26种，多功能控制器（MC）控制算法为24种，有支持顺控和基于计算机高级语言SOPL。以上控制器主要完成模拟调节，分批控制、顺序控制等，还可以通过上位机实现DDC和SPC控制。组态方式可在工程师站操作台和DEP面板进行（在离线都行）。并配有作图软件。（三）、网络与通信该系统的网络分二层，上层是局部控制网络（L C N），下层是高速数据通道，均为总线式结构。传输介质为同轴电缆（也可使用光纤）。LC
11、N采用令牌传送和广播发送协议。传送数率5M比特/秒，共能支持64个模件或门路，高速速据通道最多有三条分支接到交通指挥器，共可挂接63站。通讯协议采用请求响应方式，数率为0.25比特/秒，最远距离为3000米。通过LCN扩展器可使局部网络扩成远方网，可达两公里，最多增加到三个局部网，连接的总模件不能超过64个。（四）、人-机联系人机联系分为三级，基本控制器的数据输入板（DEP），TDC-2000总线上的基本和扩展操作员站和高一级的操作接口（通用站）。通用站（US）的CPU为68000，内存为25M，具有两个软驱，20英寸CRT彩色，触模式高分辨率屏幕。画面响应时间：主要画面小于1秒。一般画面2秒
12、。平面模式键盘，有85个自定义功能键。同一控制台上的CRT互为备用，可实现信息画面的传递。（五）、可靠性措施多处采用冗余措施，如通信网络、接口、操作站等。并有较强的自诊断功能，可诊断到模件级。采用8：1无中断自动备用。有断电保护功能，存储器有磁芯存储器和RAM电池保护，可维持50小时。多处采用光电隔离，闭环输出有自保持功能，抗干扰能力可达120db。硬件标准化，维修方便。并有直接后备手操。二、WDPF（美国 西屋公司 1982年10月推出）（一）、系统总体结构该系统由高速公路把各种可选择的站连接起来构成不同规模的系统，该系统没有通信指挥器，系统主要包括：操作员控制台、工程师控制台、数据记录器、
13、计算器、PC接口、分散处理单元（DPU）、历史数据存储与检索、批处理单元（B P U）分散数字控制和与其它计算机连接的门路等，本系统由于没有通信指挥器，把上位机和通信指挥器的功能分散到各功能站中。分散控制单元（DPU）是该系统的基本控制站，完成数据采集和控制功能（本身也带有简单的操作员接口），每个DPU可设有如下能力的I/O板AI：360，AO：144，DI：544，DO：544，脉冲：144，顺序事件记录：544。（二）、软件的配置及控制功能该系统有90多种SAMA算法，25种ISA算法和15种逻辑算法等，共150多种。有面向问题的语言（POLS），用来支持过程控制，图形生成和制表打印等。另
14、外还有定时多任务操作系统，高级语言（FORTRAN和PASCAL）汇编语言和计算器中用的专用软件。控制软件管理方法使用专用任务模块结构。软件的组态方法，在工程师控制站支持用户进行系统生成、开发，调试和维护。自诊断软件分别对CPU，I/O和控制模块进行定时诊断。主要控制功能有：模拟调节，逻辑控制，批量控制，直接数字控制等。（三）、网络和通信该系统的网络是总线型的。通信采用了通行标记（令牌和时间分片广播协议相结合的方式）。每秒为一时间周期，100毫秒为一小周期，每一小周期又划分为254个时间片。每站至少可获得一个时间片（所有站获得的时间片总和应254）。各站在自己的时间片内广播，广播完令牌交给下一
15、个站。通信速率为2M比特/秒。所用的介质为同轴电缆，最多可挂254个站，最大距离为6000米。也可采用光纤，可挂64个站，最长距离为1200米。无通信指挥器（四）、人机联系人机联系是分层分设的。操作员/报警控制台，采用高分辨率19英寸彩色CRT，有1兆磁泡存储器供显示存储用，可显示画面300幅，画面响应时间为1秒。兼可分主、付屏幕显示。系统可设多个操作员/报警控制台，实现冗余配置，每台均有DAS和控制操作功能。多层薄膜式键盘，带音响反馈，有50个定义功能键，操作方便。工程师站也有19英寸彩显和磁泡存储器，采用照图会话的方式实现开发，编程和系统维护等功能。有汉字化板和光笔，用于构造画面、修改图形
16、。（五）、可靠性措施该系统无上位机和通信指挥器，功能更分散，可靠性更高，同时可以实现100%冗余备用。并有在线自诊断功能，可达模件级。有事故自锁功能，能带电换模件。有后备软手操和硬手操。在系统内部多处设有磁泡存储器，保证信息不会丢失。数据高速通道三、HIACS3000（日本 日立公司 1986年推出）（一）、系统总体结构该系统是一种多级过程控制系统，上层环形网为-网络.该网络把CRT操作站，协调控制器（H04-M/L）连接起来。在-网络上可挂32个协调控制器。下层网络为总线型，称之CV-网络。在CV网上可挂32个局部控制器（H04-M/F），同时还可上连协调控制器。M/F模件可以与现场仪表相连
17、。协调控制器和局部控制器的规模大小是不同的，但基本结构是相似的。H04-M/L控制器共有下列模件：微处理器（BPU）、存储器（MEM）、网通信（NCP），控制启停接口（PIF）、CV网通信（CVNET）、过程入/出接口（PI/O CE）和单元驱动（UD）等组成。（二）、软件配置及控制功能本系统共有62种基本算法，并有一些高级控制算法。另外使用HISEC 04MPOL专用语言。控制软件的管理方式采用任务排队、循环执行的办法。M/F控制周期为100ms，可平均运行2000条以上的宏指令。在工程师站上通过组态软件生成应用程序，并有自诊断程序定时对CPU、I/O等模件进行自诊断。主要控制功能有：各种模
18、拟调节、顺序控制、协调控制等功能。（三）、网络与通信通信网分二层，上层为环型网，下层为总线型网。环型网中采用令牌传送方式，最大距离为3200米，传送速率为1M比特/秒，最多可挂32个站。下层网为总线型，传送方式为时间片广播式，传送距离最大为50米，传送速率为0.5M比特/秒，整个网上的负荷布置比较均匀。上层环形网采用的传输介质为双绞线，也可采用光纤。在使用光纤时，通信速率可达15M比特/秒，通信距离可达32千米。在环型网上具有反向循环（LOOP-BACK）功能，可靠性高。和VC网均无交通指挥器。网中均设有冗余备份。（四）、人机联系该系统的人机联系是分级的（即系统级-在网上，群级-CV网上，局部
19、级-在控制器上）。CRT操作站分设为运行员操作台和工程师控制台。在CRT操作台配有20英寸彩色、高分辨率CRT显示器，画面响应时间小于1秒。工程师操作台可以完成功能系统的组态，参数调整，同时能执行操作员控制台的功能。组态方法采用问答式，并配有硬拷贝用打印机和硬软磁盘等。（五）、可靠性措施多处采用冗余措施：如二层网均有双层化设置，而且网通信方向可以双向，大大提高了可靠性。采用分散供电方式，输入侧有交、直流组合备用，而且在控制器内的电源都采用双重化配置。另外设双CPU、备用控制器等，自诊断功能强，故障后输出保持有自锁功能，各模块可带电更换，并在DCM一级可实现直接手操或后备手操。RAM区有掉电保护
20、功能，可维持1个月数据不会丢失。四、MOD300（美国 泰勒公司 1985年推出）（一）、系统总体结构MOD300以MOD30为基础，发展了多回路控制器，从而构成一个规模很大的系统。主要由控制台子系统、块I/O子系统、仪表子系统、数据处理器子系统和控制器子系统。五个子系统通过门路处理器连成环型分散通信网（DCN）。在DCN上再加门路处理器就构成比较大的多环系统，规模没有限制。整个系统的硬件只有13种，已标准通用化。控制系统可以实现多种控制功能，控制器采用的是68000芯片，并有错误校正存储器1024K，可支持72个I/O点块I/O系统，在大量I/O点时选用，专处理I/O信号仪表系统指的是MOD
21、30系统。数据处理系统由数据处理器、盘存储器、操作电源分配器组成。主要完成存储和管理过程，单元中的所有数据，以便趋势记录和报警。控制台子系统主要用于数据库组态，连续和不连续运行的控制和管理等，它和数据处理系统合成CRT操作站。（二）、软件的配置和控制功能该系统设有操作系统、数据处理系统、通信操作和自诊断操作等大的软件包。另外设计了自己的专用泰勒控制语言。可以完成闭环控制、顺序控制、开关量逻辑操作和定时控制等，在控制模件之间还可以实现数据/控制匹配通信。（三）、网络和通信系统的通信网络是以双扭线连接的分散环网（DCN）为基础构成的多环网络系统，在环上最多能连23个子系统，最远距离可达17哩。DC
22、N是高速的局部地区网络，提供子系统之间的通讯，非MOD系统与MOD300系统相连，由通信链中通用门路部件实现，系统的通信协议是标准的。子系统中子网与DCN相连，如与控制器子系统连接的点文件夹总线（F总线）。F总线为冗余环，运行速率是240K比特/秒，在控制器模件之间是控制/数据匹配通信，广播发送信息。（四）、人机联系有数据处理器子系统、控制台子系统组成。数据处理器子系统由数据处理器、盘存储器操作、电源分配器及数据处理器加软件组成。能存储管理过程单元中的所有数据，能进行历史数据的采集和长期的趋势记录，能产生报告，报警和事件的处理。控制台可提供逻辑显示的分层，对系统存取方法的选择，操作员能生成动态
23、流程图的显示格式，可管理和分析过程，并能进行调整。它用于数据库的组态，连续和不连续运行的控制和管理等。（五）、可靠性措施在一个控制器文件夹中可以有一个控制器模件作为备用，实现冗余配置，备用存储器模件能拷贝所有的信息。所有72个I/O点都连接到备用控制器，控制器卡片文件夹的备用板支持三条通信信道（P总线，F总线和I/O总线）。P总线是专用的。F总线是冗余的。D/F模件提供F总线的时钟。并设有本安全栅控制器子系统，可采用通用或二个专用的本质安全端子板和输入信号相连。DCN可组成冗余的二个环同时并行运行。现场过程图2-2-4 MOD300 DCN系统结构图图2-2-5 MOD300系统的多环结构五、
24、N-90(美国 贝利公司 1980年10月推出)（一）、系统总体结构N-90系统按着用户需要可组成规模不等的系统。小系统可以用MINI-90，它是由电源、现场控制站、现场人机接口和模件组成。中型系统是由厂级环路构成的系统，每个厂环可挂63个结点（站）。大型系统可以连成超级环、并把超环和厂级环结合起来，最多可有250环和超环。PCU是该系统的现场过程控制单元，有12块标准模件装在模件安装单元（MMU）中。PCU通过总线接口模件BIM和环路接口模件LIM实现和外部通信。内还装有主模件、子模件和功能最强的多功能控制器MFC（MFP），它既有自己的功能块语言又可以支持BASIC、FORTRAN和C语言
25、。相邻PCU间最大距离为2000米。（二）、软件配置及控制功能多功能控制器有140多种功能算法，并具有一些高级的控制算法。用户可直接使用BASIC等语言编程。任务管理使用的是DOS操作系统（最新的可使用WINDOWS或WINDOWS NT），并有自诊断软件和故障显示软件。工程师站有专用软件包STXT、SCAD、SLAG支持用户组态和生成。也可在过程级使用组态模件，利用功能块，连接后装入ROM中。（三）、网络与通信该系统为分层式网络结构，上层为环型网，下层为总线型网络。大型系统共分四级通信，a：主模件与子模件之间通过扩展总线进行信息交换，采用扫查方式。b：局部通信，即PCU内部模件间通过模件总线
26、的通信，总线可挂32个智能模件,总线长达10米,串行总线通信速率为19.2千比特/秒，MFP可达1兆比特/秒,自由竟争广播信息,遵守以太网通信协议。c：厂环级通信，厂环用双绞线最长距离2000米，采用存储转发式通信，采用了DMA技术，传输速率100K1M比特/秒。d：超级环通信是通过门路相连，通讯速率10M比特/秒，采用例外报告方式。通信介质为同轴电缆或光缆。可挂256个环，站间最大距离为100千米。（四）、人机联系人机联系是分级设置的,各级都可独立工作。操作员接口站（OIU）用以实现过程监视、过程监视和系统调整，有19英寸彩色CRT（高分辨率，触摸式屏幕）。画面响应时间。一般有2秒，少数为4
27、-6秒，每台OIU管理两台打印机。一台用于记录、制表、硬拷贝；另一台用于过程报警和事件记录。系统可提供多个OIU冗余配置。命令管理系统（MCS）是一台功能很强的人机接口单元，可带4台CRT（高分辨率、触摸屏幕），4个键盘（每个有32个专用功能键）和4台打印机，可显示1000幅画面。工程师接口单元是一台PC机，通过RS-232与N-90系统相连。可在线进行系统监视、组态、调态和寻找故障等。也可用于离线组态。（五）、可靠性措施环网是冗余双环路结构，各种控制器有冗余备用，电源有大脉冲情况下的冗余容量。MFC和其他模件都有自诊断功能，可达模件级。MFC有热备用，输出有保持功能，允许带电更换插件。并有直
28、接后备手操。厂区环路子环中央超环OIUUCIUOIUU图2-2-6 NETWORK-90超环/厂区环路的通信网络六、PROCONTROL P（瑞士ABB公司 1979年推出）（一）、系统总体结构ABB公司是一个大型自动化设备制造厂家，PROCONTROL P吸取了其它系统的优点，是比较先进的系统之一。该系统是分级设置的，由厂级总线（IPB）把CRT操作站、中央诊断站，各种处理控制组件和各种局部控制站连接在一起如图2-2-7所示。每个局部站内有局部总线（LB）把所需模件连在一起。每条IPB可挂64个站，每个站经隔离器和LB/IPB耦合器与厂区总线通信。各站自称一体，可集中设置也可分散就地设置。本
29、系统的IPB可接16条。PROCONTROL P从功能看可分4部分，即输入/输出部分（主要完成输入信号的予处理和输出信号的处理、传送给执行机构。信号的传送由站内母线通信控制器控制。传送能力和传送周期有关：5ms周期能传送64个地址；10ms周期能传送128个地址；20ms周期能传送256个地址）；数据处理控制部分（主要完成各种处理与控制功能，如模拟量开关控制，为完成不同级别的控制有两种可编程处理器。要有专门语言对40个基本功能块进行组态。这部分可集中设在机房、也可分设在就地站中）；各站间的数据传送通过厂区母线完成各站间信息的交换；人-机联系部分（完成整个系统的监视与组态功能）。控制站采用AM2
30、903位片形微机构成，（运算速度比MOS型CPU平均快15倍）ROM：16K，RAM：8K。每个模件的地址相当于DI/O：16点，AI/O：1点。（二）、软件（算法、语言）配置及控制功能控制算法通过IEC117-15的标准符号FCD实现，简单直观。处理控制部分有40多个基本功能块用于组态。本系统按标准形式设计的各部分，具有固定的软件包。使用PID语言、编程十分简单。控制站的功能灵活。由挂在（LB）上的组件种类和数量决定，组件间可通过LB通信。组件类型包括I/O组件、单个执行器控制组件、处理组件、通信组件、编程以及维护用组件等：控制软件管理方式是任务模块顺序排队。循环执行。工程师控制台使用CAE
31、软件支持用户编程和控制软件生成。本系统带有便携调试箱支持现场调试，使用方便。（三）、网络与通信总线形网络。传送介质为同轴电缆，传送最大距离为2000米，可挂64个站。用广播通讯方式，传送速率为1.25兆比特/秒，通讯由通讯指挥器指挥，采用DPDM信号码。站内总线（LB）固定在机箱背面的印刷电路板上，共7条，也采用串行传输方式，由站内通讯指挥器控制，长度为3米，增加附件后可扩至30米、传送速率为0.2兆比特/秒。（四）、人-机联系具有CRT和键盘。也可以通过常规的按扭、信号灯、指示器等实现对过程的监控功能。系统配备有诊断站，带CRT、打印机、磁带机和记录器等，并以人-机会话方式，对系统进行分析，
32、调整参数等。工程师控制台做为机组监控站，带有CRT、打印机、拷贝机等。用以提供实时及历史数据，实现上位机管理功能。CRT操作站用的计算机为PRAVT子机，字长16/32位，存储容量：内存：2-16MB，外存67-256MB，另外还有磁盘：26-80MB。（五）、可靠性措施网络、系统及处理组件充分采用了冗余技术，可靠性高。自诊断功能可从总线到模板。在线诊断可达模件级。组态程序置入EPROM中。功能分散到单回路，1对1的A/D转换，可靠性高，模板使用环境温度范围宽达070，模件允许带电操作、鉴别和更换时间平均允许在1630分钟内。七、MAX-1（美国 利兹及诺思拉普公司1980年6月推出）（一）、系统统总体结构MAX-1系统分无数
