[信息与通信]DCS概述.doc
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1、1 DCS概述1.1 分散型计算机控制系统分散型控制系统(Distributed Control System简称DCS)又称集散型控制系统或分布式控制系统。分散型计算机控制系统是以计算机技术为核心,与信号处理技术、测量控制技术、通讯网络技术、人机接口和CRT显示技术密切结合,在不断以新技术成果充实的条件下,针对大型工业生产和日益复杂的过程控制要求,从综合自动化的角度出发,在吸收分散式仪表控制系统和集中型计算机控制系统的优点的基础上,按照控制功能分散、操作管理集中、兼顾复杂生产过程的局部自治和整体协调的设计思想,研制开发的一种处于新技术前沿的新型控制系统。分散控制系统是由以微处理器为核心的基本
2、控制单元、数据采集站、高速数据通道、上位监控和管理计算机以及CRT显示操作站等组成。系统的基本组成如图1所示。图1 分散控制系统的基本结构上位计算机CRT显示操作站网间连接器高 速 数 据 通 道非本系统网络基本控制单元基本控制单元数据采集站扩展接口生 产 过 程.基本控制单元是直接控制生产过程的硬件和软件的有机结合体,是DCS的基础。基本控制单元用来实现单回路或多回路数字控制和顺序控制、梯形逻辑控制等,完成常规模拟仪表所能完成的一切控制功能。高速数据通道是信息交换的物理媒介,它把分散在不同物理位置上执行不同任务的各基本控制单元、数据采集站、上位计算机、CRT显示操作站等连接起来,形成一个信息
3、高速公路,完成上述单元间的联系,以实现资源共享。CRT显示操作站是用户与系统进行信息交换的设备,它以屏幕窗口形式或文件表格形式提供人与过程、人与系统的界面,可以实现操作指令输入、各种画面显示、控制系统组态、系统工况重演等功能。上位计算机用于对生产过程的管理和监督控制,协调各基本控制单元的工作,实现生产过程的最优化控制,并在大容量存储器中建立数据库。我厂二期DCS并没有设置上位计算机,而是把上位计算机的功能分散到系统的其它一些工作站中,建立分散的数据库,并为整个系统所共用,各个工作站可以透明地访问它。这种系统可以避免大量数据集中所造成的数据通讯阻塞和计算机潜能饱和,使得系统的功能更加分散,可靠性
4、更高。数据采集站主要用来采集各种数据,以满足系统监测、控制以及生产管理与决策计算的需要。网间连接器是本系统网络与其它标准的网络系统进行通信联系的接口,系统配备合适的网间连接器,可以通过网络联系把其它一些计算机系统纳入到本系统中来,也可将本系统的数据输入到其他网络中去,使得本系统的通信性能具有时代要求的开放性。分散控制系统采用的是多微处理器分散化的控制结构,每台微处理器只控制某一局部过程,一台微处理器发生故障将不会影响整个生产过程,从而使危险性分散,整个系统的可靠性提高。同时,由于系统硬件采用了标准的模件结构,很容易根据需要扩大和缩小系统的规模,系统结构灵活,应用范围广泛。另外,该系统还具有通用
5、性强、系统组态便利、控制功能完善、数据处理方便、显示操作集中、人机界面友好、安装简单、调试方便、运行安全可靠的特点,这也正是计算机过程控制系统的主要发展方向。CENTUM CS的系统结构图2 CENTUM CS系统结构示意图构成机器一览A PS:应用站WS:工作站ICS:信息指令站H ICS:扩张型ICSFCS;现场控制站ACS:高级控制站RIO Bus:远方输入出总线EIO Bus:电气控制用远方总线XL:CENTUM CS以前的系统NODE:远方输入输出装置IO:输入输出装置ECS:电气控制站M CC:马达控制中心IN V:马达驱动装置ACG:通信门单元ABC:总线变换器FDDI:光纤分散
6、数据接口CENTUM CS系统是日本横河公司(YOKOGAWA)于1993年推出的新型分散控制系统。CENTUM CS系统具有集中操作、开放的网络体系,带RISC CPU的控制站以及其它先进功能,它具有扩展性好,可靠性高,操作灵活,维修简便的特点。CENTUM CS系统的结构如图2所示。下面介绍图2中的一些设备:l APS(应用站):是运行各种应用软件包的小型计算机。l WS(工作站):如需要,工程技术处理也可采用WS来进行。l ICS(信息和指令站):ICS是用于现场设备操作和监视的友好人机接口。它通过搜集过程变量、设定点、测量值、控制参数、报警状态等所有相关的信息来进行控制和监视。根据要求
7、,ICS还可配备工程师站和上位计算机通信功能来建立一个开放性的环境而达到扩展和升级。l 落地式ICS:标准型ICS,以其高效性和高可靠性闻名。l 台式ICS:空间节省型ICS(可放在桌面上),性能与落地式ICS等同。l PICS(至于PC机的ICS):新一代的ICS。采用通用PC机,主要满足现在和将来的需求。l HICS(基于工作站的ICS):高性能的ICS,采用通用工作站。l FCS(现场控制站):FCS是CENTUM-CS高级控制功能的核心部分。它具有高可靠性并支持远程IO功能和现场总线。l ECS(电气控制站):是实现大型电机、送配电等控制用的电气主干控制站。l ACS(高级控制站):此
8、站执行对多个现场控制站的高级控制。并具备执行高级控制运算的能力。l RIO总线:这是远程IO设备和FCS之间通信的总线l Node(节点):这是个远程IO设备,可实现 FCS的总线与现场IO的通信。l ACG(通信门单元):这个单元将EWS或上位计算机与控制系统的V网总线进行连接。l ABC(总线转换器):这个设备可对系统总线进行连接,用于连接横河已有的(CENTUM-V,CENTUM-XL,CENTUM-XL)集散控制系统或其它的CENTUM-CS系统。l V网:这个实时系统控制总线网络将所有CENIUM-CS站连接在一起,提供快速可靠的数据传输。l Ethernet:以太网是局域信息网用于
9、连接上位系统与ICS,它可进行数据文件和趋势文件的传输。1.2 E网:用于连接多个ICS或EWS的系统内部局域信息网。1.3 现场总线:这种总线符合Foundation现场总线标准,允许两种通讯方式的现场设备进行数字通信。1.4 蒲电二期DCS系统配置蒲电二期DCS系统配置(以#3机组为例)如图3所示。 构成DCS系统的主要设备包括:1) 通信网络2) 操作站(PPUI、DEH、BPC)3) 现场控制站(PPAC)4) 工程师工作站(EWS)5) 通信门单元(ACG)6) 继电器柜(RLCB)7) 硬手操操作台(HAS)通信网络2 CENTUM CS系统的通信网络根据用途分为V网络、E网络及E
10、thernet网络3种。(1)V网络是现场控制柜FCS(图3中的PPAC)与操作员站其他站(ICS、通信门单元ABC、ACG等)其它站连接的实时控制网络,其速率为10MbPS,传送最大距离为20Km,并可双重化通信,通信介质为同轴电缆或光纤。通信方式采用读写通信、信息通信、环形传送通信等。读写通信是1对1的通信,一般在过程数据收集、设定时使用,操作员站ICS对现场控制柜FCS(图3中的PPAC)有数据要求时,现场控制柜FCS应答并把数据送回操作员站ICS。 信息通信是当过程报警发生时,向某站(例如全部ICS站)传送数据的通信方式。环形传送是由某站向系统中所有站同时传送数据的通信方式。其传送周期
11、,可根据用途在100ms2s内指定,主要用途为:在电气控制中需高速传送数据的微动操作;系统公用数据的传送;现场控制单元间顺控同期信号。(2)图24环形传送的动作:这是从ICSI站向其他各站传送数据的例子。ICSI经由环形传送数据的领域把数据传送到 V网络上V网络上其他各站(此处为ICSZ、FCSI、FCSZ)接收到环形传来的数据后如认为有必要就从环形传送数据领域中读入数据。各站是否需读入环形传送数据可在各自站上事先设定。234 E网络E网络是操作员站ICS间连接的内部情报系统LAN局域网,其传送距离为185m,通信介质为同轴电缆。使用E网络后操作员站ICS可实施下列事项:回能显示其他操作员站I
12、CS上的趋势记录数据;回能利用连接在其他ICS上的打印机和彩拷机打印拷贝。;回用本ICS作成的工程技术数据可装入其他ICS。(3)E网络的电气物理规格同Ethernet。233 Ethernet网络是操作员站ICS与EWS、上位系统连结的情报系统局域网LAN,。采用Ethernet网络。利用Ethern。t,可实行与上位系统的XWindow功能、大容量品种管理数据文件通信功能及向上旬机器传送趋势数据文件。Ethernet网络的电气物理规格同E网。蒲电二期工程中没有设计此网络。ICS可利用的Ethernet通信协议为:TCPIP(Transmission Control protocolInte
13、rnet Protocol)FIP(File transfer protocol)2.1.1 操作站蒲电二期的DCS系统中的操作站包括连接在V网络上的5个操作员站ICS和通过硬接线方式与本DCS系统连接的DEH(汽轮机数字电液调节系统)、BPC(旁路系统)操作站和HAS(硬手操)操作台。DEH、BPC控制系统为独立系统,未进DCS,因此此处不作介绍。操作员站ICS是运行人员与生产过程之间的交互窗口,是人机接口设备,在其硬件和软件的支持下,实现对过程和系统有效地观察、操作与管理。操作员站ICS以画面、图形、趋势、报警等方式在CRT上显示生产过程和系统的状态与变化。运行操作人员可以利用专用键盘(包
14、括操作员键盘和工程师键盘)、鼠标、触摸屏来操作,控制生产过程和系统的工作状态。操作员站ICS同时也是过程控制的管理者,它具有数据的存贮管理、趋势数据的管理、记录数据的管理,以及报警信息的管理等若干管理功能。HAS(硬手操)操作台上布置有在DCS系统严重故障不能进行操作时能将机组安全停下来的一些必要的操作按钮。2.1.2 现场控制站现场控制站FCS(图3中的PPAC)是实现过程控制的基本硬件设备,它负责过程信号的采集和处理、过程控制、顺序控制等高级控制。FCS由FCU(现场控制单元)、节点和RIO总线组成。FCU(现场控制单元)以RISC芯片作为过程处理器,是FCS的运算单元,是FCS的核心。一
15、个FCU下面最多可挂8个NODE(节点)。节点由多个I/O单元(用于连接现场信号或子系统)和一个用于与FCU进行通信的节点接口单元NIU村组成。一个NODE最多可与5个I/O单元连接,现场来的I/O信号经过I/O单元内的I/O模件预处理后,再经节点接口单元NIU通过RIO总线与FCU进行数据通讯。RIO总线(远程输入输出总线)是一种可双重化的通信总线,用来连接FCU和NODE(节点)。RIO总线通信介质为双胶线或光纤,通信速率为2MbPS。RIO总线可使用中继器或光中继器进行远距离通信,最大传输距离20Km,图3中的RACB(远程IO站)就是通过RIO总线挂在现场控制站上的。在RIO总线上变更
16、追加节点时,不中断FCU的控制功能,也不影响其它节点的信号传接。蒲电二期按设计有10个现场控制站,按其应用分为DAS(数据采集系统)、MCS(模拟量控制系统)、SCS(顺序控制系统)、FSSS(炉膛安全监控系统)等。,这些功能都由构成FCS的现场控制单元FCU、NODE(节点)、NIU(节点接口单元)、RIO总线、I/O模件等予以实现,其中FCU是现场控制站的核心和灵魂。一个FCU2.1.3 工程师工作站EWS(工程师工作站)是专门为工程师准备的人机接口,它用于控制系统的设计、控制逻辑的在线、离线组态、系统的调试与诊断,同时,也可从网络中获取信息,对现场进行监视。蒲电二期设计每台机组各一台工程
17、师工作站。2.1.4 通信门单元ACG(通信门单元)是将控制系统的V网与上位机通信的接口单元,当上位机向FCS收集或设定数据时使用。蒲电二期设计一台通信门单元。2.1.5 继电器柜RLCB(继电器柜)是一个中间隔离装置,FCS(现场控制站)通过继电器柜与就地设备之间进行连接,即现场来的各类信息先送至RLCB柜,通过使继电器带电或失电,利用其辅助接点的接通与断开将信息传送至FCS,经过FCU的运算后再将发出的指令送至RLCB,经RLCB的转换后再去驱动就地的设备。RLCB继电器柜的作用就是将现场设备与计算机控制系统隔离开来,以避免控制现场设备的强电串入计算机控制系统。另外,继电器柜的存在使计算机
18、控制系统的输出可以进行扩展。蒲电二期设计有18个继电器柜。2.2 CENTUM CS系统的人机接口设备人机接口设备是人与系统互通信息、实现人对生产过程的监视与操作的设备。在生产过程高度自动化的今天,仍需要运行人员对生产过程、设备状态进行监视、判断、分析、决策和某些干预,特别是生产过程发生故障时更是如此。运行人员的决策依赖于生产过程的大量信息,运行人员的干预又是通过控制信息的传递作用于生产过程的,人机接口设备正是承担这种信息相互传递任务的装置。人机接口设备包括输入设备和输出设备。输入设备用来接受运行人员的各种操作控制命令,输出设备用来向运行、管理人员提供生产过程和设备状态的有关信息。分散控制系统
19、的人机接口设备一般是以CRT为基础的显示操作站,从它的功能上看可划分为操作员站、工程师工作站。此处着重介绍操作员站。2.2.1 CENTUM CS系统中的ICS(操作员站)ICS是一个集中的操作员站,它设置在机组的集控室内,是运行操作人员与生产过程之间的一个交互窗口,它在火力发电机组的自动化过程中主要用来完成各种设备的启动、停止(或开、闭)操作,物质或能量的增、减操作以及生产过程的监视等任务。一台300MW的单元制火力发电机组,需要监控的测点信息达30004000之多。为了能使运行操作人员方便地了解各种工况下的运行参数,及时掌握设备操作信息和系统故障信息,准确无误地作出操作决策,提供一种现代化
20、的监控工具是十分必要的。为此,分散控制系统产品,普遍设立了以CRT为基础的操作员站,它把系统的绝大多数显示和操作内容集中在CRT的不同画面和操作键盘上,从而使运行操作人员的控制台盘体积、人工监视面大大减少,且对系统的操作也更为方便。在结构上,ICS主要由高档微处理器、信息存储设备、CRT显示器、操作键盘、鼠标或轨迹球、通信接口以及支撑和固定这些设备的操作台等构成。由此可见,操作员站实际上是一个融当代先进的计算机技术、CRT图形显示技术、内部通信技术为一体的、适应过程控制需要的专用计算机子系统。对其构成的主要部件介绍如下。2.2.1.1 微处理器及信息存储设备操作员站是分散控制系统中较为复杂的一
21、个子系统,生产过程控制要求它具有很强的处理功能、很快的运算速度、很大的数据存储量。因此,对操作员接口站内的微处理器系统提出了很高的要求。CENTUM CS操作员站的微处理器采用MC68040型32位微处理器、25MHz主频、96MB内存、2GB实时镜像硬盘。2.2.1.2 CRT显示处理设备早期火力发电机组的监视过程是由许多模拟仪表组成的大型仪表盘实现,而现在则由分散控制系统所采用的CRT显示器取而代之。CRT显示器的显示功能比大型仪表盘的更强大,优越性也更多,它是分散控制系统中最常用的主要显示设备,是人机对话的重要工具,是操作员站不可缺少的组成部分。CENTUM CS系统中,操作员站CRT屏
22、幕尺寸为21,分辨率为12801024,颜色种类为16色。2.2.1.3 标准ICS操作台操作员站是运行操作人员时刻进行生产过程监视和运行操作的设备。其操作台既是固定和保护计算机和各种外设的设施,又是运行操作人员经常性工作的台面。因此,操作台的设计既要满足设备固定和保护的要求,又必须为操作人员提供工作的便利和舒适的条件,其高度和倾斜尺寸应适合于操作人员的长期工作;其外观设计应美观、大方,以保持工作环境的优雅。图4 ICS操作台图4为标准ICS操作台,台面上放置CRT显示器、操作键盘、鼠标等,而微处理机系统及其电源系统置于台面下方机柜内。ICS的操作台没有考虑放置打印机、拷贝机等外设的位置,这是
23、基于控制室的整体布局和利于操作管理的设计思想,将打印机、拷贝机等有关外设置于专用的台架上,这些外设通过电缆与操作台交换信息。在蒲电二期330MW火力发电机组的CENTUM CS系统中,操作员站采用了8个操作台,其中5个用于CENTUM CS系统中的ICS操作员站,另外2个分别用于DEH操作员站和BPC操作员站和硬手操,这些操作台集中布置在单元控制室内。2.2.2 输入设备操作员站常用的输入设备有键盘、触摸屏、鼠标或轨迹球等,其中键盘是最主要的输入设备。2.2.2.1 (二)操作台2.2.2.2 操作员接口站是运行操作人员时刻进行生产过程监视和运行操作的设备。其操作台既是固定和保护计算机和各种外
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