集散控制系统ppt课件.ppt

第七章 集散控制系统,了解OPC技术在DCS系统中的应用特点;理解DCS的结构特点;掌握和利时公司MACS系统现场控制站和操作员站的硬件组成及其功能 ;掌握和利时公司MACS系统的常用控制算法模块;掌握DCS控制系统组态方法。,第7章 集散控制系统,知识目标,技能目标,能使用DCS操作员站的键盘和轨迹球，实现装置的流程图、历史报表、日志、报警浏览;能使用操作员站的工程师区或工程师站完成控制回路组态、流程图生成、系统报警数据日志、报表生成、实时曲线、历史曲线生成等 。,7.4 DCS的应用系统组态,第7章 集散控制系统,7.1概述,7.2 DCS的硬件结构,7.3 DCS的软件系统,第7章 集散控制系统,随着计算机技术、控制技术和通讯技术的发展，出现了一种新型控制装置即集散控制系统。从集散控制系统层次化的结构来看，其最基本的功能就是传统控制仪表的功能，由于集散控制系统溶入了计算机技术和通信技术，因此，集散控制系统还具有过程管理、生产管理和经营管理功能。本章主要从过程控制的角度介绍集散控制系统，重点介绍完成实时控制的现场控制站和生成控制回路算法及完成监控任务的操作员站。,7.1 概述,7.1.1集散控制系统的基本概念 分散控制系统DCS（Distributed Control System）又名集中分散控制系统，简称集散控制系统，是一种集计算机技术、控制技术、通讯技术和CRT技术为一体的新型控制系统。集散控制系统通过控制站对工艺过程各部分进行分散控制，通过操作站对整个工艺过程进行集中监视、操作和管理。它采用了分层多级、合作自治的结构形式，体现了其控制分散、危险分散，而操作、管理集中的基本设计思想。目前在石油、化工、冶金、电力、制药等行业获得广泛应用。,7.1.2集散控制系统的特点,1.集散控制系统采用层次化体系结构集散控制系统的体系结构分为四个层次，如图所示。,(1)直接控制级 直接控制级直接与现场各类设备（如变送器、执行器等）相连，对所连接的装置实施监测和控制；同时它还向上传递装置的特性数据和采集到的实时数据，并接收上一层发来的管理信息。(2)过程管理级 这一级主要有操作站、工程师站和监控计算机。过程管理级监视各站的所有信息，进行集中显示和操作、控制回路组态、参数修改和优化过程处理等。(3)生产管理级 也称为产品管理级。这一级上的管理计算机根据各单元产品的特点以及库存、销售等情况，实现生产的总体协调和控制。(4)经营管理级 这是集散控制系统的最高级，与办公自动化系统相连接，可实施全厂的综合性经营管理和决策。,2. 集散控制系统具有多样化控制功能,集散控制系统的现场控制站，一般都有多种运算控制算法或其它数学和逻辑功能，如PID控制、前馈控制、自适应控制、四则运算和逻辑运算等，还有顺序控制和各种联锁保护、报警功能。根据控制对象的不同要求，把这些功能有机地组合起来，能方便地满足系统的要求。,3. 集散控制系统操作简便、系统扩展灵活,集散控制系统具有功能强大且操作灵活方便的人机接口，操作员通过CRT和功能键可以对过程进行集中监视和操作，通过打印机可以打印各种报表及需要的信息。DCS的部件设计采用积木式的结构，可以以模板、模板箱甚至于控制柜（站）等为单位，逐步增加。用户可以方便地从单台控制站扩展成小系统，或将小规模系统扩展成中规模或大规模系统。可根据控制对象生成所需的自动控制系统。,4. 集散控制系统可靠性高、维护方便,集散控制系统的控制分散，因而局部故障的影响面小，并且在设计制造时已考虑到元器件的选择，采用冗余技术、故障诊断、故障隔离等措施，大大提高了系统的可靠性。DCS的积木式的模板功能单一，便于装配和维修更换；系统配置有故障自诊断程序和再启动等功能，故障检查和维护方便。,5. 集散控制系统采用局部网络通信技术,通过高速数据通信总线，把检测、操作、监视和管理等部分有机地连接成一个整体，进行集中显示和操作，使系统操作和组态更为方便。集散控制系统配备有不同模式的通讯接口，可方便地与其它计算机联用，组成工厂自动化综合控制和管理系统。随着DCS系统向开放式系统发展，符合开放系统标准的各制造厂商的产品可以相互连接与通信，并进行数据交换，第三方的应用软件也能应用于系统中，从而使DCS进入更高的阶段。,7.1.3集散控制系统的发展趋势,随着集散控制系统的发展及其在工业控制领域越来越多的应用，集散控制系统充分表现出比模拟控制仪表优越的性能。但是，目前使用广泛的传统的集散控制系统，用于对工业生产过程实施监视、控制的过程监控站仍然是集中式的；现场信号的检测、传输和控制与常规模拟仪表相同，即通过传感器或变送器检测到的信号，转换成420mA信号以模拟方式传输到集散控制系统，这种方式精度低、动态补偿能力差、无自诊断功能。同时，各集散控制系统制造厂商开发和使用各自的专用平台，使得不同集散控制系统生产商的产品之间相互不兼容，互换性能差。 随着新技术的不断应用，以及用户对集散控制系统使用的更高要求，集散控制系统领域有许多新进展，主要表现在以下几方面。,1.向开放式系统发展,对于传统的集散控制系统，不同制造商的产品不兼容。基于PC机的集散控制系统成为解决这一问题的开端。PC机具有丰富的软硬件资源、强大的软件开发能力，尤其是OPC（OLE for Process Control）标准的制定，大大简化了I/O驱动程序的开发，降低了系统的开发成本，并使得操作界面的性能得到提高。目前，国内已有基于PC机为操作站的集散控制系统产品，可以集成不同类型的集散控制系统、PLC、智能仪表、数据采集与控制软件等。在这种集散控制系统中，用户可以根据自己的实际情况自由地选择不同厂商的产品。,2.采用智能仪表，使控制功能下移,在集散控制系统中，广泛采用智能现场仪表、远程I/O和现场总线等智能仪表，进一步使现场测控功能下移，实现真正的分散控制。 3.集散控制系统与PLC功能相互融合 传统的集散控制系统主要用于连续过程控制，而PLC则常用于逻辑控制、顺序控制。在实际应用时，常常会有较大的、复杂的过程控制既需要连续过程控制功能，也需要逻辑和顺序控制功能。有些集散控制系统的控制器既可以实现连续过程控制，也可以实现逻辑、顺序和批量控制；有些集散控制系统提供专门的实现逻辑或批量控制的控制器和相应软件；也有的集散控制系统可以应用软件编程来取代逻辑控制硬件，这样使得集散控制系统和PLC的区别和界限变得比较模糊。,4.现场总线集成于集散控制系统,现场总线的出现促进了现场设备向数字化和网络化发展，并且使现场仪表的控制功能更加强大。现场总线集成于集散控制系统系统是现阶段控制网络的发展趋势。现场总线集成于集散控制系统可有以下三种方式： （1）现场总线与集散控制系统I/O总线上的集成 如Fisher-Rosemount公司的集散控制系统系统Delta V采用的即是此方案。 （2）现场总线与集散控制系统系统网络层的集成 如Smar公司的302系列现场总线产品可以实现在集散控制系统系统网络层集成其现场总线功能。 （3）现场总线通过网关与集散控制系统并行集成 这种方式通过网关连接在一个工厂中并行运行的集散控制系统和现场总线系统。如SUPCON的现场总线系统，利用HART协议网桥连接系统操作站和现场仪表，实现现场总线设备管理系统操作站与HART协议现场仪表之间的通信功能。,集散控制系统将采用智能化仪表和现场总线技术，从而彻底实现分散控制；OPC标准的出现解决控制系统的共享问题，使不同系统间的集成更加方便；基于PC机的解决方案将使控制系统更具开放性；Internet在控制系统中的应用，将使数据访问更加方便。总之，集散控制系统将通过不断采用新技术向标准化、开放化和通用化的方向发展。,7.2 DCS的硬件结构,从DCS的层次结构考察硬件构成，最低级是与生产过程相连的直接控制级，如图7.1所示。在不同的DCS中，直接控制级所采用的装置结构形式大致相同，但名称各异，如过程控制单元、现场控制站、过程监测站、基本控制器、过程接口单元等，在这里，统称现场控制站（FCS）。 这一级实现了DCS的分散控制功能，所采用的装置又称分散控制装置，由安装在控制机柜内的标准化模件组装而成。生产过程的各种参数由传感器接受并转换送给现场控制站作为控制和监测的依据，而各种操作通过现场控制站送到各执行机构。有关信号的模拟量和数字量的转换、各类基本控制算法也在现场控制站中完成。,DCS的各级都以计算机为核心，其中生产管理级、经营管理级都是由功能强大的计算机来实现的，没有更多的硬件构成，这里不再详细介绍。过程管理级由工程师站、操作员站、管理计算机和显示装置组成，直接完成对过程控制级的集中监视和管理，通常称为操作员站（OPS）。 DCS的硬件和软件，都是按模块化结构设计的，所以DCS的开发实际上就是将系统提供的各种基本模块按实际的需要组合为一个系统，这个过程称为系统的组态。采用组态的方式构建系统可以极大限度地减少许多重复的工作，为DCS的推广应用提供了技术保证。DCS的硬件组态就是根据实际系统的规模对计算机及其网络系统进行配置，选择适当的工程师站、操作员站和现场控制站。图7.2 MACS系统结构 本节以和利时公司典型的中小型集散控制系统MACS为例，阐述现场控制站和操作员站的硬件构成，如图7.2所示。,图7.2 MACS系统结构,7.2.1现场控制站(FCS),1.现场控制站功能 现场控制站是MACS系统实现数据采集和过程控制的重要站点，一般安装在靠近现场的地方，以消除长距离传输的干扰。主要完成数据采集、工程单位变换、控制和联锁算法、控制输出、通过系统网络将数据和诊断结果传送到系统服务器等功能。 2.现场控制站的构成 现场控制站由主控单元、智能I/O单元、电源单元和专用机柜四部分组成，其内部采用了分布式结构，与系统网络相连接的是现场控制站的主控单元，可冗余配置。主控单元通过控制网络（CNET）与各个智能I/O单元实现连接。现场控制站的内部结构如图7.3所示。,（1）专用机柜 机柜常配有密封门、冷却风扇等，用来安装现场控制站的各种功能模块。 （2）主控单元 主控单元为单元式模块化结构，它具备较强的数据处理能力和网络通信能力，是MACS系统现场控制站的核心单元。FM811是能够支持冗余的双网结构(以太网)的主控单元，通过以太网与MACS系统的服务器相连， FM811有ProfiBus-DP现场总线接口，与MACS系统的智能I/O单元通信，自身为冗余设计，由以下几部分组成：机壳、无源底板、CPU卡、100M以太网卡（三块）、FB193多功能卡、电源模块、FB121DP主站卡、FB194状态显示卡。结构图如图7.4所示。,（3）智能I/O单元,AI单元 该单元是模拟信号输入单元，是MACS现场控制站的智能I/O单元的一种。它采用智能的模块化结构，可以对8路模拟信号高精度转换，并通过通信接口(ProfiBus-DP)与主控单元交换数据。AI单元主要有三种形式模块：FM148的输入每一通道可接入电压型或电流型信号，8路输入均有输入过压保护，FM148还为现场两线制仪表提供电源输入；FM143为八路热电阻模拟量输入模块，可以对8路Cu50型及Pt100型热电阻模拟信号高精度转换；FM147模块是8路热电偶信号输入单元，可以对8路模拟信号高精度转换。 AO单元 该单元是模拟信号输出单元，本单元通过现场总线(ProfiBus-DP）与主控单元相连，由单元内的CPU对其进行处理，然后通过现场总线(ProfiBus-DP)与主控单元通信。其中，FM151模块是8路420mA/020mA/05V模拟信号输出单元。 DI单元 该单元是开关信号输入单元。FM161是16路触点型开关量输入模块，是构成MACS系统的智能I/O单元的一种。它采用智能的模块化结构，模块的工作电源为+24VDC，现场触点的查询电压为+24VDC，现场信号经隔离、调理后由模块内的CPU对其进行处理，然后通过现场总线(ProfiBus-DP）与主控单元通信。,DO单元 该单元是开关信号输出单元。FM171是16路DC24V继电器开关量输出模块，而FM172是8路晶体管开关量输出模块；构成MACS现场总线控制系统的多种过程智能I/O单元的基本型号。通过现场总线(ProfiBus-DP）与主控单元相连。由模块内的CPU对其进行处理，然后通过现场总线(ProfiBus-DP）与主控单元通信。 PI单元 该单元是脉冲量输入单元。FM162能实时采集来自现场的8路隔离型电压信号的脉冲量，实现计数或测频功能。FM162的8路测频和计数功能可根据用户的不同需求由上位机通过设置用户参数实现。用户参数由一个字节组成，字节的8位分别代表8个通道的工作方式，0表示测频工作方式，1表示计数工作方式，每一通道可设置为测频功能，也可设置为计数功能。允许同一块FM162既有测频通道又有计数通道。 回路调节模块 FM181模块是一种回路调节模块。采用智能的模块化结构，利用现场单一的+24V电源，可完成单回路控制功能。 DEH模件 FM146模块是MACS系统智能I/O单元的一种，应用在DEH中。它主要完成伺服阀控制信号的伺服放大、手/自动控制的切换、LVDT信号调制解调，LVDT自动调零调幅，自检报警，产生防伺服阀和油动机卡涩的振荡信号等功能。,FM191电源模块是一种开关电源，体积小、重量轻、变换效率高，它为MACS系统现场控制站的智能I/O单元提供+24V电源。模块具有完善的保护电路。输入部分模块采用可熔断保险丝进行过电流保护，当输入端电流大于3A且持续时间较长（毫秒级）时，保险丝熔断，以保护后级电路及器件。模块还采用防雷击保护管进行过电压保护。使用防雷击器件进行瞬间过电压保护，主要防止雷电等瞬间高电压的引入损坏电路。输出部分使用自恢复保险丝防止输出过流损坏输出级器件，使用压敏电阻进行输出过压保护。,（4）电源单元,7.2.2操作员站（OPS）,操作员站显示并记录来自各控制单元的过程数据，是操作人员与生产过程的操作接口。通过人机接口，实现适当的信息处理和集中的生产过程操作。,1.操作员站结构组成,操作员站主要包括主机系统、显示设备、输入设备、信息存储设备和打印机输出设备。（1）主机系统 主机系统主要实现集中监视、对现场直接操作、系统生成和诊断等功能，在同一系统中可连接多台操作员站，可提高操作性，实现功能的分担和后备作用。有的DCS配备一个工程师站，用来生成目标系统的参数等。多数系统的工程师站和操作员站合在一起，仅用一个工程师键盘，起到工程师站的作用。目前大多采用Pentium CPU、256M RAM及以上配置。（2）显示设备 采用19 （或19以上）的彩色CRT作为操作员监视屏幕。每个操作员站可以接一台或两台彩色监视器（最多可接入三台）。多个监视器情况下，共用一个专用键盘和一个轨迹球，当用轨迹球激活屏幕右上角的显示器小图标（从左到右分别代表CRT1、CRT2、CRT3）时，灯的状态要随之改变。每个屏幕的会话过程是连续的，即当操作员在CRT1会话过程中间切换到CRT2进行会话后又切回CRT1，此时CRT1的会话应继续切换前的会话，反之也一样。示。,CRT1,CRT2,图7.5 CRT切换原理,（3）输入设备,输入设备主要有操作员专用键盘和轨迹球。 专用键盘的外观如图7.6所示。专用键盘分为初始功能键和辅助功能键。 所谓初始功能键，是指系统运行的任何时刻，按下该键都会引起屏幕基画面的画面显示发生切换，即切换了本操作台上的显示功能。 所谓辅助功能键，则只能配合初始功能键使用，必须在特定画面显示时使用，才会发生相应作用。系统将拒绝不配套的辅助功能键的使用，并给予适当的提示。 每个对话基本功能都由一个初始功能键进入，不管键盘处于何种状态，初始功能键都有效。对每一个对话基本功能的每一步，都有若干相应的过程辅助功能键或轨迹球操作允许使用，此时如按了不允许使用的过程辅助功能键，系统将显示错误图示：“非法键或权限不够”。,图7.6 专用键盘的外观,专用功能键部分分为11个区:趋势区:“综合变量”、“开关量”、“报表记录”各按键分别用于进入模拟量点或开关量点、及统计计算类型点的趋势显示画面；日志区：各按键用于进入不同的日志显示窗口；列表区：各按键用于进入各种列表显示窗口；表格区：各按键用于进入不同的事件表格；事故追忆和事件顺序（SOE）区：各按键用于进入开关量点、模拟量点的事故追忆和SOE趋势显示画面；工程师区：各按键用于进入工程师的功能操作界面；操作员区：这组键专用于操作员调用控制调节窗口（如PID控制器、手操器、开关手操器、 顺控设备、调节门和磨煤机操作面板），实现操作画面和运行方式的切换、设定值和输出值的调整等；监视区：“菜单”按键用于进入工艺流程画面的主菜单，“设备状态”按键用于进入整个系统的状态画面；打印区：各按键用于进入打印对话界面；报警监视区：“报警监视”、“试验报警”按键用于分别进入普通报警监视画面及具有试验属性的报警画面，另外两个按键用于报警确认；用户自定义区：有16个用户自定义键，用户可以通过组态自定义各键代表的图形。字母数字键部分 此部分的键码功能同于普通键盘的键码。,灯测试键：用于测试键盘上的灯状态；CRT1、CRT2、CRT3键：用于最多三个显示屏之间的切换；这三个键是互斥的。键的上方有一个指示灯，点亮时表示该CRT当前处于会话状态，当该工作站只接入一个屏幕时，CRT2和CRT3键不起作用，操作员按下CRT2和CRT3键时在警告信息区发出警告信息。权限锁：通过权限锁可以定义操作员站的操作权限。四个位置的标志按顺时针方向依次为“权限1”、 “权限2”、 “权限3” “权限4”。权限锁的每一个位置均有一个状态灯，当钥匙位置定位在该位置时点亮，由键盘电路实现。具体每一个权限对那几个现场控制站进行操作需在数据库控制表中组态，也可以在线更改。扬声器功能：发出至少5种不同的声音。1种用于错误操作提示音响（中频、两秒钟后自动清除，声音为一长两短），4种用于报警音响分别对应4种级别的报警（1级报警音响为两短，2级报警音响为一长一短，3级报警音响为短长短，4级报警音响为两短（与1级报警音响的频率不同）。,轨迹球：可以用来选择基本功能或功能菜单，如果是基本功能键则画面切换到相应的基本功能显示，如果是功能菜单则打开一个菜单窗口，操作员可进一步选择该窗口中的基本功能，切换画面显示。一旦选择到基本功能，菜单窗口自动关闭。用途主要包括以下几个方面：基画面工艺系统选择流程图，模拟图选择第二分画面屏幕按钮选择重要信息提示显示及关闭窗口画面的关闭（4）信息存储设备有只读存储器、随机存储器、软盘、硬盘及磁带机等。（5）打印输出设备一般要配置两台打印机，分别用于打印生产记录报表、报警列表和拷贝流程画面。可连接1台彩色硬拷贝机或一台打印机。,2.操作员站功能,（1）显示功能操作站的CRT是DCS和现场操作运行人员的主要界面，它有强大、丰富的显示功能。模拟参数显示 可以以模拟方式（棒图）、数字方式和趋势曲线方式显示过程量、设定值和控制输出量；对非控制变量也可用模拟或数字方式显示其数值和变化过程。系统状态显示 以字符、模拟方式或图形颜色等方式显示工艺设备的有关开关状态（运行、停止、故障等）、控制回路的状态（手动、自动、串级等）以及顺序控制的执行状态。多种画面显示 可显示的画面如下：总貌画面图用于显示系统的工艺结构和重要状态信息；分组画面用于显示一组的详细状态；控制回路画面用于一个控制回路的详细数据显示，如图7.7为一个PID控制回路仪表图；,图7.7 PID操作画面该PID控制器提供的具体功能有：手动、自动、串级及跟踪运行方式的切换，设定值、手动输出值的调整，PID参数的整定等。 画面左边的三个棒图分别代表设定值（S）、过程值（P）和输出值（O）；设定值（S）棒的高度为当前值相对量程的百分数，如果PID运行于串级状态，则设定棒显示串级输入值，在其它运行状态下显示内给定值；过程值（P）棒的高度表示过程输入值；输出值（O）棒的高度表示输出值。当输出方式为位置式时，输出值的取值范围为0100；为增量式时，输出值的取值范围为-100100。 画面右下区域的三个方框中显示的内容依次为设定量（S）、过程量（P）及输出量（O）的当前值，各数值颜色与棒颜色相对应。,当PID控制器运行于手动、自动或跟踪状态时，设定值为内部给定值；当运行于串级状态时，显示为串级输入值；当PID控制器运行于手动状态时，输出值由手动给出；运行于自动和串级状态时，由算法结果给出；运行于跟踪状态时，为跟踪量点值。 当偏差报警到来时，左上角灯置亮（呈红色）；报警消失时，恢复正常颜色；当PID控制器的某运行方式下的状态灯呈绿色时，表示控制器处于该方式，图中表示控制器处于自动方式；若在离线组态时定义了串级输入点名，串级允许项为可选项；否则其值置为不允许，为不可选项。流程图画面是用模拟图表示工艺过程和控制系统；每幅图最多总共可显示512个模拟量和开关量，流程图由背景图和动态信息两部分组成，动态信息部分包括模拟量和开关量，图中可设置热点以调用另一幅画面； 报警画面用来显示报警信息和报警列表记录； 设备状态画面用来显示DCS系统的组成结构、网络状态和工作站状态。此外还可显示各类变量目录画面、系统组态画面、工程师维护画面等。,（2）报警功能 对操作员站、现场控制站和打印机等进行诊断，发生异常时，提供多种形式的报警功能，如利用画面灯光和模拟音响等方式实现报警。 （3）操作功能 DCS的操作功能依靠操作员站实现，这些功能有： 对系统中控制回路进行操作管理，包括设定值和PID控制器参数设定、控制回路切换（手动、自动、串级）和手动控制回路输出等； 控制报警越限值，设定和改变过程参数的上下限报警值及报警方式； 紧急操作处理，操作员站提供对系统的有关操作功能，以便在紧急状态时进行操作处理。 （4）报表打印功能 DCS的报表打印功能不但减轻了运行人员手工定时抄写报表的负担，而且生成的报表外形美观，内容丰富，极大地方便了生产过程的运行和管理。一般DCS的报表打印功能包括：定时打印各种报表；DCS运行状态信息打印；操作信息打印，随时打印操作员的各种操作，以备需要时检查；故障状态打印，在生产过程发生故障时，自动打印故障前后一段时间的有关参数，作为故障分析的依据。 （5）组态和编程功能 系统的组态以及有关的程序编制也是在操作员站完成的，这些工作包括数据库的生成、历史记录的创建、流程画面的生成、记录报表的生成、各种控制回路的组态以及对已有组态进行修改等。,7.3 DCS的软件系统,DCS软件系统可分为系统软件、应用软件、通信软件和组态软件四类，具体结构如图7.8所示。DCS的系统软件为用户提供高可靠性实时运行平台和功能强大的开发工具，DCS的组态软件为用户提供相当丰富的功能软件模块和功能软件包，控制工程师利用DCS提供的组态软件，将各种功能模块进行适当的“组装连接”（即组态），十分方便地生成满足控制系统要求的各种应用软件。,图7.8 DCS的软件系统,7.3.1现场控制站软件系统,现场控制站的软件可分为执行代码部分和数据部分，数据采集、输入输出和有关系统控制的软件的程序执行代码部分固化在现场控制单元的EPROM中，而相关的实时数据则存放在RAM中，在系统复位或开机时，这些数据的初始值从网络上装入。 执行代码有周期性和随机性两部分，如周期性的数据采集、转换处理、越限检查、控制算法、网络通信和状态检测等，这些周期性执行部分是由硬件时钟定时激活的；另一部分是随机执行部分，如系统故障信号处理、事件顺序信号处理和实时网络数据的接收等，是由硬件中断激活的。,1实时数据库 现场控制单元的RAM是一个实时数据库，是现场控制站的核心，在这里进行数据共享，各执行代码都与它交换数据，用来存储现场采集的数据、控制输出以及某些计算的中间结果和控制算法结构等方面的信息。 2输入输出软件 现场控制单元直接与现场设备进行数据交换，完整的输入输出软件，包括以下几部分： （1）开关量输入模块 成组读入开关量输入数据，并进行故障联锁报警检测。 （2）模拟量输入模块 对模拟量信号进行A/D转换，并根据需要，进行信号的各种处理如数字滤波处理等和各种转换成如标度变换、开方运算等。 （3）模拟量输出模块 输出420mADC 或者15VDC模拟信号。 （4）开关量输出模块 输出各种规格开关量信号。,3控制软件模块 DCS的控制功能是由组态软件生成，由控制站实施。MACS系统提供的控制算法模块如表7.1所示。,7.3.2操作员站软件系统,DCS中的工程师站或操作员站必须完成系统的开发、生成、测试和运行等任务，这就需要相应的系统软件支持，这些软件包括操作系统、编程语言及各种工具软件等。1操作系统 DCS采用实时多任务操作系统，其显著特点是实时性和并行处理性。所谓实时性是指高速处理信号的能力，这是工业控制所要求的；而并行处理特性是指能够同时处理多种信息，它也是DCS中多种传感器信息、控制系统信息需同时处理的要求。此外，用于DCS的操作系统还应具有如下功能：按优先级占有处理机的任务调度方式、事件驱动、多级中断服务、任务之间的同步和信息交换、资源共享、设备管理、文件管理和网络通信等。,2操作员站上运行的应用软件 一套完善的DCS，其操作员站上运行的应用软件应完成如下功能：实时数据库、网络管理、日志生成、历史数据库管理、图形管理、历史数据趋势管理、记录报表生成与打印、人机接口控制、控制回路调节、参数列表、串行通信和各种组态等。,7.3.3 DCS控制回路组态,DCS控制回路组态就是利用DCS系统提供各种控制算法模块，依靠软件组态构成各种各样的实际控制系统。要实现一个满足实际需要的控制系统，首先进行实际系统分析，对实际控制系统，按照组态的要求进行分析，找出其输入量、输出量以及需要用到的模块，确定各模块间的关系；然后生成需要的控制方案，利用DCS提供的组态软件，从模块库中取出需要的模块，按照组态软件规定的方式，把它们接成符合实际需要的控制系统，并赋予各模块需要的参数。 目前各种不同的DCS提供的组态方法各不相同，MACS系统提供了顺序功能表（SFC）、结构化文本（ST）、功能块图（FBD）、梯形图（LD）、计算公式（FM）和用户自定义功能块(UDFB)等六种方案语言，而工程下新建方案页只能是用户自定义功能块(UDFB)，只可选择ST或FBD方案语言。下面给出两种常用组态方式：,1.利用功能块图（FBD）组态 在工程师操作键盘上，通过鼠标或键盘等操作，调用各种独立的标准运算模块，用线条连接成多种多样的控制回路。例：操作器控制算法组态如图7.9、7.10所示,说明：其中FM为操作器的强制手动开关；PA为操作器的程控自动开关；TS为操作器的跟踪开关；TP为操作器的跟踪量点。（1）DVAFTER=1为跟踪状态，OPEROUT依每周期变化10的速率滑向AVAFTER。（2）DVAFTER=0，DVMAN=1为手动状态，OPEROUT直接受在线操作器调节画面中增减键控制。（3）DVAFTER=0，DVAUTO=1为自动状态，OPEROUT依每周期变化10的速率滑向OPERIN。（4）若该算法块中未输入强制手动开关、程控自动开关和跟踪开关，则手动/自动跟踪状态可通过在线操作器调节画面中“手动”、“自动”、“跟踪”按钮切换。,2.利用顺序功能表（SFC）组态 如图7.11所示，为一个水箱水位控制系统。系统有两台水泵P1、P2，一个水箱，两个液位传感器。系统要求为：当水位低于L2时，两台水泵同时启动尽快地恢复正常水位；当水位高于L2低于L1时，只启动一台水泵，为了泵的均衡使用，每当只有一台水泵需要运行时，要求两台泵轮流工作；当水位超过L1时，两台水泵均停止运行。设：水箱水位为LD01（数据库点）；L1为1500mm，L2为1000mm；P1、(P2)为1时泵启动，为0时泵停止。,图7.11水箱水位控制图,SFC组态方案如图7.12所示。方案中，步0为起始步，此时水位高于L1，不执行任何动作。一旦水位低于L1（TRANS1 ），步0转移到步1，执行动作，使泵P1运行。这时水位变化有两种可能：一是水位继续下降低于L2（TRANS2 ），这时应使两台水泵同时运行，这对应步2；另一种可能性是水位上升，直到高于L1（TRANS3 ），这时两台水泵都不工作，对应步3。在SFC中，这种情况由选择序列来完成。这时，方案继续执行，当水位再次高于L2时（TRANS4 ）或水位再次降低于L1（TRANS5 ），系统轮流启动P2，对应步4。这时水位变化有两种可能：一是水位继续下降低于L2（TRANS6 ），这时应使两台水泵同时运行，这对应步5；另一种可能性是水位上升，直到高于L1（TRANS8 ），这时两台水泵都不工作，对应起始步0。方案继续执行，当水位再次高于L2（TRANS7 ）或水位再次降低于L1（TRANS1 ）时，系统轮流启动P1，这对应步1。本方案不考虑水泵的异常情况，假设本方案所涉及的各个部件均一直处于正常工作状态。,不难看出，SFC能清楚的揭示系统实际操作顺序，它不仅简化了设计过程，更重要的是加速了故障的诊断过程。控制系统实时运行活动时，可以通过终端屏幕来显示当时动作的步和转移的状态。维修人员能清楚地知道现在程序工作在哪一步，一旦发生顺序中断，很快就能找出故障。同时，SFC方案也很直观，易于理解。,7.3.4 流程图生成,DCS是一种综合控制系统，具有丰富的控制系统和检测系统画面显示功能。利用工业流程画面技术不仅实现模拟屏的显示功能，而且使多种仪表的显示功能集成于一个显示器。这样，采用若干台显示器即可显示整个工业过程的上百幅流程画面，达到纵览工业设备运行全貌的目的，而且可以逐层深入，细致入微地观察各个设备的细节。DCS的流程画面技术支持各种棒图、历史图和趋势图等。 工业流程画面的显示内容分为两种，一种是反映生产工艺过程的背景图形（如各种容器的轮廓、各种管道、阀门等）和各种坐标及提示符等。这些图素一次显示出来，只要画面不切换，它是不改变的。另一种是随着实时数据的变化周期刷新的图形，如各种数据显示、棒图等。此外在各个流程画面上一般还设置一些激励点，它们作为热键使用，用来快速打开对应的窗口。 MACS系统图形组态软件采用类似Windows Painbrush软件的矢量绘图方法，为用户提供了方便的绘图工具和多种动态显示方式，通过图形操作员可以对现场运行情况一目了然，从而方便地监控现场运行。,7.3.5 历史数据库及报表生成,1.历史数据库的生成 DCS支持历史数据存储和趋势显示功能，历史数据库的建立有多种方式，而较为先进的方式是采用生成方式。MACS系统中建立历史数据库方法，是在工程师站定义应用系统中各种趋势表、事故追忆表、简化历史库表，用户还可以按自己需要定义表格内容。与实时数据库生成一样，历史数据库的生成是离线进行的。在线运行时，用户还可对个别参数进行适当修改。 历史数据包括模拟量、开关量和计算量，它们可分为如下三类：短时数据 采样时间短、保留时间短的数据；中时数据 采样时间中等、保留时间中等(例如24h或48h)的数据；长时数据 采样时间长、保留时间长（例如长达一个月）的数据。,2.报表生成DCS操作员站的报表打印功能通过组态软件中的报表生成部分进行组态，不同的DCS在报表打印功能方面存在较大的差异。某些DCS具有很强的报表打印功能，但某些DCS仅仅提供基本的报表打印功能。一般来说，DCS支持如下两类报表打印功能：(1)周期性报表打印 这种报表打印功能用来代替操作员的手工报表，打印生产过程中的操作记录和一般统计记录；(2)触发性报表打印 这类报表打印由某些特定事件触发，一旦事件发生，即打印事件发生前后的一段时间内的相关数据。,在MACS系统中报表生成软件和EXCEL报表工具共同为用户提供了强大的报表组态系统，组态过程采用“所见即为所得”的方式。用户在报表生成系统中，可利用WINDOWS NT提供的各种输入方式，在既定的单元格中录入说明性文字、定义需打印动态数据的点，再根据需要修改表格格式，即完成了一幅报表的编辑。 报表生成系统与数据库生成系统有关，在进入报表编辑之前必须完成系统库的生成，报表中定义的动态点必须在相应系统库中定义过。另一方面，它又与控制方案生成系统有关，定时打印报表需要用功能块来驱动。报表生成过程是指用户进入报表生成系统，编辑、组态报表，再进行编译生成报表文件的过程。用户可根据需要将报表文件下装到各打印站。,7.3.6 OPC技术简介,OPC（OLE for Process Control）即用于过程控制的OLE技术，是一项面向工业过程控制的数据交换软件技术。该项技术是从微软的OLE（对象链接和嵌入）技术发展而来，建立在OLE 规范之上，为过程控制领域应用而提供的一种标准的数据访问机制。工业控制领域用到大量的现场设备，在OPC 出现以前，自动化软件开发商需要开发大量的驱动程序来连接这些设备。即使硬件供应商在硬件上做了一些小小改动，应用程序就可能需要重写；同时，硬件供应商只能以DLL或DDE服务器方式提供最新的硬件驱动程序，对于最终用户来说，就意味着繁重的编程任务。而且，DLL和DDE是平台相关的，与具体的操作系统有密切的关系，同时，由于DDE和DLL并不是为过程控制领域而设计的，设备通知、事件以及历史数据等过程控制领域常见的通信要求，实现起来非常困难。,随着OPC 的提出，这个问题开始得到解决。OPC 规范包括OPC 服务器（OPC Server）和OPC客户（OPC Client）两个部分，其实质是在硬件供应商和软件开发商之间建立了一套完整的“规则”，只要遵循这套规则，数据交互对两者来说都是透明的，硬件供应商无需考虑应用程序的多种需求和传输协议，便能够提供一个功能齐备的应用接口。软件开发商也无需了解硬件的实质和操作过程。到目前为止，OPC标准包含了三个规范，分别是：实时数据存取（OPC DA）规范、报警与事件（OPC AE）规范和历史数据存取（OPC HDA）规范。其中，实时数据存取（OPC DA）最为成熟；报警与事件（OPC AE）规范和历史数据存取（OPCHDA）规范相对较新，多是来自于主要软件开发商的企业标准。,目前的OPC软件产品分为两类：OPC服务器端软件和OPC客户端应用软件。OPC服务器软件和整个DCS系统的结构关系如图7.13所示。可以看出，OPC Server软件的运行环境与监控软件基本一致。首先两者都长时间不间断地运行于控制网的某个操作节点上，具有相似的硬件环境和运行方式。其次，两者的运行都需要读入系统组态信息，并且运用相同的网络通信模块。因此，可以认为OPC Server和监控软件是运行于同一层次上的软件。,图7.13 OPC服务器软件和DCS的结构关系,OPC Server软件作为一个标准的OPC服务器，具有其特定的数据服务功能。它提供了访问DCS系统实时数据的标准OPC接口，并定义了相应的OPC数据格式。同时，由于该软件仅仅是一个OPC服务器，因此在运行时没有任何操作界面，数据服务均为后台执行。从功能上说，OPCServer就是将从控制网上取得的实时数据转化为OPC格式，并用标准OPC接口的方式提供给用户（即OPC客户）。 OPC客户端的应用软件一般是按用户的要求制定的，因此难以从整个软件的结构来说明其开发设计的思路。但在调用OPC功能、建立与OPC Server的通信等方面基本采用相同的方法。,图7.14 数据流示意图。,7.4 DCS的应用系统组态,本节以和利时公司的MACS系统应用为例，说明DCS的应用系统组态的一般方法。MACS系统给用户提供的是一个通用的系统组态和运行控制平台，应用系统需要通过工程师站软件组态产生，即把通用系统提供的模块化的功能单元按一定的逻辑组合起来，形成一个能完成特定要求的应用系统。系统组态后将产生应用系统的数据库、控制运算程序、历史数据库、监控流程图以及各类生产管理报表。应用系统组态可采用图7.15所示的流程。,(1)前期准备工作进入系统组态前，应首先确定测点清单、控制运算方案、系统硬件配置，包括系统的规模、各站IO单元的配置及测点的分配等，还要提出对流程图、报表、历史数据库、