DCS体系结构分析课件.ppt

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1、第二章 DCS的体系结构,自从1975年DCS诞生以来，随着计算机、通信网络、屏幕显示和控制技术的发展与应用，DCS也在不断发展和更新。尽管不同DCS产品在硬件的互换性、软件的兼容性、操作的一致性上很难达到统一，但从其基本构成方式和构成要素来分析，仍然具有相同或相似的体系结构。本章从其功能、性能和通用性上分析DCS的体系结构，以便了解和认识DCS。了解DCS的层次结构、硬件结构、软件结构和网络结构。,本章内容安排,2.1 DCS的层次结构2.2 DCS的硬件结构2.3 DCS的软件结构2.4 DCS的网络结构2.5 典型DCS的体系结构2.6 国产DCS的体系结构,2.1 DCS的层次结构,2

2、.1.1 DCS的直接控制层,是DCS的基础主要设备：过程控制站PCS输入输出单元IOU接收过程变量（如温度等）和状态变量（开关状态）输出模拟量和数字量操作信号过程控制单元PCU直接数字控制DDC：连续、逻辑、顺序、批量控制与控制网络连接，便于操作监控层对生产过程进行监视和操作安全冗余处理，保证系统不间断的安全运行,2.1.2 DCS的操作监控层,是DCS的中心主要设备：操作员站、工程师站、监控计算机和计算机网关操作员站：32位或64位微处理机或小型机、专用键盘等对生产过程进行监控、操作和管理工程师站：32位或64位微处理机，或由操作员站兼用系统生成、诊断维护、控制回路组态、人机界面绘制等监控

3、计算机：32位或64位小型机建立生产过程的数学模型、实施高等过程控制策略，实现装置级的优化控制和协调控制对生产过程进行故障诊断、预报和分析，保证生产安全,2.1.3 DCS的生产管理层,处于工厂级主要设备：生产管理计算机MMC（Manufactory management computer）一般由一台中型机和若干台微型机组成主要功能根据订货量、库存、生产能力等制定全厂的生产计划，并分解落实到生产车间或装置；根据生产状况及时协调全厂的生产，进行生产调度和科学管理；应付不可预测事件。,2.1.4 DCS的决策管理层,属于公司级主要设备：决策管理计算机DMC（Decision management

4、computer）一般由一台大型机、几台中型机、若干台微型机组成主要功能管理公司的生产、供应、销售、技术、计划、市场、财务、人事、后勤等；收集各部门信息，综合分析，实时做出决策，协调各级管理人员指挥调度；协助公司经理制定中长期生产计划和远景规划。,2.2 DCS的硬件结构,特点：积木式；可灵活地配制成大、中、小系统；可根据企业的财力或生产要求，逐步扩展系统和增加功能。包括：DCS控制站的硬件结构DCS操作员站的硬件结构DCS工程师站的硬件结构DCS监控计算机站的硬件结构,2.2.1 DCS控制站的硬件结构,CS或PCS主要构成：输入输出单元IOU如AI、AO、DI、DO信号调理板接线端子板过程

5、控制单元PCU核心控制处理器板：运算、控制、实时数据处理输入输出接口处理器板通信处理器板：信息交换冗余处理器板：故障分析与切换电源,2.2.2 DCS操作员站的硬件结构,主要构成：主机：一般工控机IPC或工作站或专用彩色显示器CRT：触屏式或非触屏式操作员专用键盘打印机,2.2.3 DCS工程师站的硬件结构,主要构成：主机：一般工控机IPC或工作站或专用彩色显示器CRT：触屏式或非触屏式键盘打印机主要功能离线组态在线维护和诊断,2.2.4 DCS监控计算机站的硬件结构,主要构成：主机：一般工控机IPC或工作站或专用彩色显示器CRT：触屏式或非触屏式键盘打印机,2.3 DCS的软件结构,特点：模

6、块式结构包括：DCS控制站的软件结构DCS操作员站的软件结构DCS工程师站的软件结构DCS监控计算机站的软件结构,2.3.1 DCS控制站的软件结构,CS或PCS软件的用户表现形式：各类功能模块功能模块又称为点或内部仪表，主要包括：输入模块：对应输入点，AI、DI等，一一对应输出模块：对应输出点，AO、DO等控制模块：连续控制、逻辑控制、顺序控制运算模块：加减乘除、超前滞后补偿等程序模块例：构成一个单回路PID控制系统组态图,2.3.2 DCS操作员站的软件结构,人机界面(HMI)软件的用户表现形式：丰富多彩、图文并茂、形象直观的动态画面一般有：通用操作画面：总貌、组、点、趋势和报警等专用操作

7、画面：工艺流程图、操作指导和操作面板等历史信息画面：操作员操作、过程点报警和事故追忆日志等系统信息画面：系统设备状态和功能模块汇总等打印功能：各类报表、日志、记录和报告多媒体功能：语音合成、工业电视等,2.3.3 DCS工程师站的软件结构,用户软件包括：组态软件绘图软件编程软件主要功能：组态：生成DCS系统和控制系统，建立操作、监控和管理环境包括：操作监控层设备组态操作监控层功能组态直接控制层设备组态直接控制层功能组态,设备组态,作用：登记控制网络上各节点的网络地址、硬件和软件配置。如：登记控制网络上过程控制站、操作员站、工程师站、监控计算机站和计算机网关的网络地址；登记过程控制站的输入输出单

8、元中每块输入板(卡)和输出板(卡)的地址(卡笼号及卡槽号)以及是否冗余；登记DCS的过程控制单元是否冗余，并分配运算模块和控制模块数量；登记操作员站的操作权限、是否触摸屏(CRT)、打印机编号等,功能组态,作用：建立输入输出模块、运算、控制模块；按工艺要求构成所需的连续控制和逻辑控制回路。方式：结构图连接窗口选择填表,2.3.3 DCS工程师站的软件结构（续）,绘图：通用画面：总貌、组、点、趋势和报警等画面填表或填空实现专用画面：工艺流程图、操作指导、操作面板、报表和报告等绘图软件绘制编程：编程语言专用控制语言CL（control language）基于过程的语句，直接面向过程并使用过程变量编

9、程简单通用高级算法语言，如VC、VB等共享DCS数据库的接口说明：工程师站在系统软件的支持下，把组态形成的目标文件下装到过程控制站，把通用画面和专用画面的目标文件下装到操作员站。,2.3.4 DCS监控计算机站的软件结构,配置了高级算法语言和数据库，供用户自行开发应用程序。作为控制网络的一个节点，用户程序可直接使用PCS中的各种过程变量表现形式：应用软件包自适应控制预测控制推理控制优化控制专家系统故障诊断等功能：实施高等过程控制策略实现装置级的优化控制和协调控制对生产过程进行故障诊断、事故预报和处理,2.4 DCS的网络结构,结构特点：层次化网络结构包括：过程控制站PCS内采用输入输出总线IO

10、BUS，串行控制网络CNET生产管理网络MNET决策网络DNET,2.4.1 DCS的输入输出总线,一般，冗余IOBUS，自动检测通信故障并自动切换到备用通信线。,IOBUS可选择RS-232、RS-422、RS-485、FF、PROFIBUS、CAN等，传输距离：1001000m，加中继可增加传输距离,2.4.2 DCS的控制网络CNET,是DCS的中枢要求：具有良好的实时性、快速的响应性、极高的安全性、恶劣环境的适应性、网络的互联性和网络的开放性等局域网符合ISO提出的开放系统互联（OSI）7层参考模型，以及IEEE提出的IEEE802局域网标准协议：Ethernet（以太网）、MAP（制

11、造自动化协议）、TCP/IP等传输介质：同轴电缆或光缆，传输速率为110MbPs，传输距离为15km。,2.4.3 DCS的生产管理网络MNET,工厂级，覆盖一个厂区的各个网络节点局域网（LAN）协议、传输介质同CNET计算模式：客户机/服务器,2.4.4 DCS的决策管理网络DNET,公司级，覆盖全公司的各个网络节点局域网（LAN）或区域网协议：Ethernet、TCP/IP等传输介质：同轴电缆、光缆、电话线或无线计算模式：客户机/服务器,2.5 典型DCS（TPS）的体系结构,TDC2000：以高速数据公路为通信系统TDC3000：以就地控制网（LCN）为通信系统TDC3000X：万能控制

12、网（UCN）、UNIXTPS：Windows NT为开放式平台全厂一体化系统（信息集成系统）Total plant solution system,TPS系统构成图,TPS系统构成图中各部分功能,AM：应用模件 application moduleAMC：先进多功能控制器 advanced multifunction controllerAPM：先进过程管理站 advanced process managerAXM：先进应用模件 application moduleAPP：应用处理平台 application processing platformCB：基本控制器 basic controll

13、erCLM：通信链接模件 communication link moduleDH：数据高速公路 data hiwayEC：增强型控制器 extended controllerEOS：增强型操作站 extended operator stationEPLCG：增强型可编程控制器连接器 enhanced PLC gatewayFSC：故障安全控制系统 fail safe control safety systemGUC：全局用户操作站 global user stationHG：高速公路连接器 hiway gatewayHM：历史模件 history module,TPS系统构成图中各部分功能,H

14、PM：高性能过程管理器 high-performance process managerIOP：输入输出处理器 input output processorLCN：就地控制网 local control networkLCNE：LCN扩展器 LCN extenderLM：逻辑管理模件 logic managerMC：多功能控制器 multifunction controllerNG：网络连接器 network gatewayNIM：网络接口模件 network interface modulePIN：工厂信息网 plant information networkPHD：过程历史数据库 proc

15、ess history databasePLNM：工厂信息网模件 plant network modulePM：过程管理器 process managerSAM：扫描架应用模件 scanner application moduleUCN：万能控制网 universal control networkUS：万能操作站 universal stationUXS：高级万能操作站 universal station,2.5.1 TPS的通信系统,包括：工厂信息网PIN:实现信息管理系统与过程控制系统的集成局域控制网LCN：96个节点，冗余，A、B两条，自动切换万能控制网UCN：32个节点，冗余通信，A

16、、B两条，自动切换；UCN的网络设备之间具有点对点通信功能，使得UCN上各设备之间可以共享网络数据。高速数据公路DH：63个,2.5.1 TPS的通信系统（续）,现场总线：每个IOP可连接4条现场总线，每条现场总线可连接10台设备另外，还包括内部接口模件：网络接口模件（NIM）连接LCN和UCN，冗余高速数据公路连接器（HG）增强型可编程序控制器连接器（EPLCG）通信链接模件（CLM）等,2.5.2 LCN的设备,操作监控层，其主要设备：操作员站：通用操纵站US、高级万能操作站UXSUXS带有工业标准协处理器，与用户工厂网上外部设备通信，工程师站：UWS全局用户操作站GUS：兼有操作员站和工

17、程师站功能双处理器，可与LCN和PIN连接历史模件：HM专用硬盘设备，用于存储系统软件、应用软件和历史数据等文件硬件由主机和硬盘驱动器组成,2.5.2 LCN的设备（续）,应用模件AM：是监控计算机，实现高级控制和应用模件，并提供一种面向过程的控制语言CL/AM。AM提供应用软件包，如LOOPTUNE（PID参数自整定）、HPC（预测控制）等先进应用模件AXM具有上位的先进控制、优化等功能双重处理器，可与LCN和PIN连接软件环境：OpenUSE，包括增强的CL/AM，安全性、协处理开发资源和Open-DDA（开放数据定义和存取）Open-DDA为工程师提供了标准的定义和存取过程数据的方法，采

18、用标准的通用语言，如Fortran、C+等,2.5.2 LCN的设备（续）,应用处理平台APP是基于AM的TPS节点（Windows NT），使用开放系统的标准技术，将AM的全部功能提升到开放式的操作环境，并为用户和第三方开发自己的应用提供了一种安全、标准的控制系统数据访问工具。双处理器，可以与LCN和PIN连接网络接口模件NIM是LCN和UCN之间的网络接口,2.5.3 UCN的设备,属于直接控制层，其主要设备：过程管理器PM：数据采集和控制设备，包括过程管理器模件（PMM）和I/O子系统先进过程管理站APM：与PM结构相似，增加了设备控制点和数组点，并把离散控制集成在控制策略中，增加了串行

19、I/O处理器高性能过程管理器HPM：三个处理器，即控制处理器、通信处理器和I/O接口处理器控制处理器：运算、控制和HPMM冗余切换管理通信处理器：UCN通信管理、HPM之间的点对点通信、UCN冗余切换管理和UCN通信接口I/O接口处理器：I/O通信管理软件：点，即功能模块,2.5.3 UCN的设备（续）,逻辑管理模件LM：主要用于逻辑控制，它具有可编程序控制器的优点；由逻辑管理模件(LMM)、控制处理器、I/O链路处理器及I/O模件等组成。故障安全控制系统FSC：采用独特高级自诊断的先进生产过程保护系统以微处理器为基础的容错安全停车系统，用于保护操作入员的安全，保护生产设备和装置，保持最佳生产

20、状态，保护操作环境。,2.5.4 TPS信息集成系统,TPS是实现全厂控制、管理和信息集成的开放式系统，它综合过程控制、生产管理和经营决策，把分散的控制系统和集中的管理系统有机的集成起来，构成计算机信息集成系统。TPS信息集成系统是一个集成软件，将TPS中的信息、管理和应用集于一体，为操作员、工程师、管理员提供快速方便的服务。TPS信息集成系统主要有以下三部分构成：过程历史数据库PHD、商业应用软件、桌面办公软件,国产SUPCON JX-300X的通信系统体系结构如下图，主要由控制站、操作站和通信网络组成。通信网络分三层，第一层网络是信息管理网（用户可选），第二层网络是过程控制网，称为 SCn

21、et，第三层网络是控制站内部I/O控制总线，称为SBUS。,2.6 国产SUPCON JX-300X的通信系统,JX-300X体系结构图,JX-300X DCS系统通信网络结构示意图,信息管理网（Ethernet）：信息管理网采用以太网络，用于工厂级的信息传送和管理，是实现全厂综合管理的信息通道。管理网采用大型网络数据库，实现信息共享，并可将各个装置的控制系统连入企业信息管理网，实现工厂级的综合管理、调度、统计、决策等。过程控制网络（SCnet 网）：JX-300X系统采用了双高速冗余工业以太网SCnet 作为其过程控制网络。它直接连接了系统的控制站、操作站、工程师站、通讯接口单元等，是传送过

22、程控制实时信息的通道，具有很高的实时性和可靠性，通过挂接网桥，SCnet 可以与上层的信息管理网或其他厂家设备连接。SBUS总线：SBUS总线是控制站内部I/O控制总线。SBUS总线分为两层，第一层为双重化总线SBUS-S2，它是系统的现场总线，物理上位于控制站所管辖的I/O机笼之间，连接了主控制卡和数据转发卡，用于它们之间的信息交换。第二层为SBUS-S1网络，物理上位于各I/O机笼内，连接了数据转发卡和各块I/O卡件，用于数据转发卡与各块I/O卡件间的信息交换。,小结,DCS的体系结构内容包括层次结构、硬件结构、软件结构和网络结构，并列举了2种典型DCS的体系结构。尽管目前世界上有多种DCS产品，具有定型产品供用户选择的一般仅限于直接控制层和操作监控层。,习题与思考题,DCS的体系结构体现在哪几个方面?DCS的层次结构一般分为几层，并概述每层的功能。控制站的硬件主要由哪三部分组成，并概述各部分的构成和功能。概述DCS的操作员站、工程师站和监控计算机站的硬件结构。叙述控制站软件的用户表现形式及其作用。指出控制站中输入和输出功能块的物理背景。叙述操作员站软件的用户表现形式及其作用。工程师站的用户软件可分为哪三类，并概述各类的功能。DCS的网络结构体现在哪几个方面?,