分散控制系统基础篇(幻灯版)

分散控制系统第一篇分散控制系统基础篇第一章 大型火电机组现代自动化功能概述大型火力发电机组具有大容量、高参数的特点，被监视和被控制的点数多（对600MW单元机组来说，监视点达5000-7000点，控制点达1500点）、参数变化快，这样的系统离开了可靠的高度自动化，就不可能做到安全、经济运行。一、大型火电机组运行对自动化的功能要求1、机组正常运行时：自动化系统根据对机组运行的要求，自动将运行参数维持在所要求的值（给定值或设定值）上，以取得较高的效率和较低的消耗（如煤耗、电耗等）；2、机组在异常工况时：在参数超限，辅机跳闸等时，自动化设备能及时报警，并迅速、及时地按预定的规律进行处理，以保证机组设备的安全，减少机组停运的次数；3、机组在危急情况时：当危及设备或人身安全时，自动采取措施进行及时处理，以保证设备和人身的安全，如MFT、OPC、TSI、ETS；4、在机组启停过程中：根据设备的受热状态进行相应的控制，以避免机组产生不允许的热应力，而影响机组的使用寿命，如ATC；5、随电网的发展，对自动发电控制（AGC）的要求日益严格，对单元机组基础自动化的要求越来越高。二、热工自动化的内容及对自动控制设备的要求 1、热工自动化的内容 （1）自动监测； （2）自动调节；（3）程序控制；（4）自动保护。 2、对热工自动化设备及系统的要求 （1）设备工作可靠； （2）安全性高，具有可靠的连锁保护功能； （3）具有很强的抗干扰能力； （4）使用和维护方便。三、自动控制装置自动控制装置经历了以下发展阶段：1、常规控制仪表：安全可靠，维护方便。(1）基地式仪表，就地安装，单回路调节、监视。分散控制，分散管理。(2）单元组合仪表（气动，电动）：电动仪表便于信号的远距离传输和处理。分散控制，集中管理。(3）组件组装式仪表（模拟，数字）：功能组件通过底板上的总线相互连接成所需要的控制系统，构成灵活，易于维护。分散控制，集中管理。2、计算机控制装置（1）集中式：集中控制，集中管理。（2）分布式：分散控制，集中管理。60年代末，Hollywellco.在斯坦福研究所等部门的帮助下，对今后20年过程控制技术的发展趋势进行了调查，得出以下结论：1）用于军事、航天领域的计算机控制的数字技术会迅速向民用市场发展；2）在调节控制级，还不完全需要运用现代控制理论的高级控制算法，只需在某种范围内定型成模块使用；3）控制系统中的数字信息必须集中起来应用；4）改善、扩大人机接口功能，以适应操作人员处理大量过程信息和显示操作多样性的要求；5）减少维护工作量和费用等。在此基础上，Hollywellco.确定了开发新型控制仪表系统的三个技术重点：1）数字控制技术：有限地高级化，实现不用编程技术的灵活性（功能软件化，模块化，通过组态实现控制的编程）。2）通信技术：提供有通信能力的调节器，采用分散结构，节省配线，统一系统的通信方式。3）人机接口技术：采用以CRT为核心的显示、操作中心。在这些技术要点开发的基础上，Hollywellco.于1975年11月推出了世界上第一套总体分散控制系统TDCS-2000。分散控制系统是基于计算机技术（Computer）、控制技术（Control）、通信技术（Communication）和显示技术（CRT），即所谓“四C技术”的新型自动化装置。四、大型火电机组的现代自动化功能大型火力发电机组是一个复杂的、连续的生产系统，由锅炉、汽轮机、发电机、变压器组及庞杂的辅助设备系统组成。大型火力发电机组现代自动化功能包括：连续生产过程参数的监测和监视、报警、控制和保护。单元机组自动化的功能是通过各种自动控制系统和装置来实现的。锅炉：CCS、MCS、FSSS（BMS）；汽机：DEH、MEH、BPC、TSI、ETS、ATC；电气：ECS；辅机：BSCS、TSCS。1、数据采集与处理系统（DAS-DataAcquisitionSystem）DAS连续地采集和处理机组的各种运行参数和设备运行状态，经处理后的参数值以多种形式在显示器上显示，或通过打印机打印制表，供运行人员参考。2、单元机组协调控制系统（CCS-CoordinationControlSystem）和模拟量控制系统（MCS）CCS是以锅炉-汽轮发电机组为被控对象的闭环控制系统，通过锅炉和汽轮机的协调控制共同满足电网对符合的需要，并保证单元机组的稳定运行；MCS完成对锅炉连续生产运行参数的调节控制，包括燃烧控制、给水控制、汽温控制等。3、锅炉炉膛安全监控系统（FSSS-FurnaceSafeguardSupervisory）或燃烧器管理系统（BMS-BurnerManagementSystem）FSSS或BMS用于实现锅炉炉膛吹扫、自动点火、暖炉、油枪投切、火焰监测、事故状态下燃料跳闸的自动控制，以保证炉膛运行的安全。4、顺序控制系统（SCS-SequenceControlSystem）用于实现机、炉辅机设备的程序控制和连锁保护。包括锅炉顺序控制系统（BSCS）和汽机顺序控制系统（TSCS）。5、汽轮机数字电液控制系统（DEH-DigitalElectricHydraulicSystem）和给水泵汽轮机电液控制系统（MEH-MachineElectricHydraulicSystem）DEH用于控制汽轮机的转速和负荷，实现汽轮机的自启停（ATC）和超速保护控制（OPC）；MEH实现对给水泵汽轮机相应的控制。6、汽轮机旁路控制系统（BPC-BypassControl）BPC用于机组在启动和事故工况下实现调节和保护作用，以缩短机组启动时间，稳定汽压，实现超压保护和保护再热器的安全。7、汽轮机监视仪表（TSI-TurbineSupervisoryInstrument）和汽轮机紧急跳闸系统（ETS-EmergencyTripSystem）TSI提供对汽轮机的振动、相角、偏心度、转速、零速（盘车用）、轴向位移、差胀和汽缸膨胀等参数的监视和报警；ETS用于实现汽轮机超速时的连锁保护控制。8、汽轮机自动启动（ATC）ATC可使汽轮机的零件不致因内部温度变化而产生热疲劳开裂，避免或减少事故检修，提高汽轮机的可用性；9、电气监控系统（ECS-ElectricControlSystem）ECS用于实现对发电机-变压器组及厂用电的电气参数的监视和控制。以上自动控制系统及设备的功能均可在分散控制系统DCS中得以实现，DCS是当前及以后相当长时期内，火力发电单元机组的主要自动控制设备。第二章分散控制系统概述第一节分散控制系统的基本概念一、计算机控制系统的基本结构及组成典型的控制系统结构：由被控对象、自动化仪表（测量仪表，变送器和执行器）和控制器组成。控制器通过硬件电路实现控制策略。在计算机控制系统中，用过程控制计算机（简称工控机）取代典型控制系统中的控制器。在过程控制计算机中通过软件实现控制策略，具有灵活、稳定、精确、功能强大的特点。二、过程控制计算机的组成过程控制计算机由硬件和软件组成。1、过程控制计算机的硬件组成由主机、外部设备、过程通道、人机接口设备和通信设备组成。（1）主机：由CPU、存储器（ROM、RAM、E2PROM或NVRAM、DOC等）和输入/输出（I/O）接口组成；（2）外部设备：用户与计算机系统交换信息的设备。包括：输入设备（键盘、鼠标等），输出设备（显示器、打印机等）和外部存储器（硬盘驱动器、软盘驱动器、光盘驱动器和磁带机等）；（3）过程通道：过程控制计算机与生产过程的接口设备称为过程通道。包括：模拟量输入通道（AI）、模拟量输出通道（AO）、数字量输入通道（DI）、数字量输出通道（DO）；（4）人机接口设备：用户与计算机控制系统的接口设备。包括：操作员站、工程师站、历史数据站、计算站等（5）通信设备：计算机网络。包括：传输媒介（双绞线、同轴电缆和光缆）、网卡（通信处理器）和通信设备（集中器、交换机）等2、过程控制计算机的软件包括：系统软件和应用软件。（1）系统软件：由设备供应商提供给用户的软件。包括:操作系统、数据库管理系统、系统组态工具软件、计算机语言处理程序、标准子程序库（控制功能码库）等，用于扩展计算机系统的功能，方便用户使用计算机；（2）应用软件：由用户在系统软件的支持下，针对具体应用编写的软件。包括：输入程序、控制计算程序、输出程序、显示程序、打印程序、报警程序等。三、计算机控制系统的应用分类1、按系统结构分类（1）集中型计算机控制系统：将几十，甚至几百个控制回路和上千个过程变量的显示、操作和控制集中在一台计算机上完成。 1）优点：（与常规仪表控制系统相比） a）控制组态灵活，控制方案的修改及监控显示画面的修改由软件来完成，不需增、减硬件设备； b）控制功能齐全，可实现先进、复杂的控制策略； c）计算机集中控制和管理，便于信息的分析和综合，容易实现最优控制； d）有良好的人机接口，减轻运行人员的劳动强度，提高劳动效率。 2）缺点： a）危险集中，可靠性差； b）计算机处理的信息多，实时性差； c）功能多而复杂，系统开发困难。 （2）分散型计算机控制系统：用数据高速公路将多个分布在不同地方，执行不同功能的计算机连接起来的，实现资源共享，分散控制，集中管理，管控一体化的计算机控制系统。2、按计算机在系统中介入的程度分类 （1）数据采集和处理系统（DAS-DataAcquisitionSustem） 计算机通过输入通道，采集过程参数，经过处理后在屏幕上显示或通过打印机打印，提供显示、报警，打印和操作指导功能，计算机不直接参与对过程的控制，仅为运行人员反映过程的现状，为运行人员提供参考。是开环控制系统。 （2）直接数字控制系统（DDC-DrectDigitControl） 计算机通过输入、输出通道，采集现场参数，经过处理和控制算法运算后，向过程输出控制信号，直接参与对过程的控制，同时保留DAS系统的监视功能。控制方案由软件实现，修改灵活、方便，可实现复杂的控制。是闭环控制系统。（3）监督计算机控制系统（SCC-SupervisoryComputerControl） 监督计算机从过程采集反映工况的参数，进行寻优计算，计算出当时工况下的最佳给定值，提供给执行DDC控制的计算机实现对过程的控制。可实现最优控制，使控制的目标值达到最佳。是闭环控制系统。 （4）分散控制系统（DCS-DistributedControlSystem） “四C”技术结合的新型计算机控制系统。分散控制，集中管理，实现计算机的控制功能分离、位置分散，总体配置，各司其职的原则。系统安全，便于维护、扩展。是闭环控制系统。第二节DCS的特点一、微机分散控制系统的分散特征 分散是DCS的主要特征，具体表现在： 1）分散控制功能：2）分散数据库；3）分散通信；4）分散负荷。二、分散控制系统的特点1、可靠性高1）分散的系统结构;2）冗余技术;3）标准化、模块化的控制软件;4）自诊断功能。2、易扩展1）通信分层化；2）系统构成灵活；3）高度集成化的硬件；3、监视操作性能好1）采用高智能的操作员站，集中监视、操作，2）信息量大，3）人机交互界面友好、直观；4、软件编程容易1）控制图形界面编程；2）自动生成执行文件；5、维护、使用方便1）模件接插技术；2）模件功能强大，种类少；3）完善的自诊断功能；4）模件允许带电插拔。第三节DCS的发展过程及其基本结构DCS从1975年发展至今，在技术上经历了四个阶段。一、第一代DCS发展初期基本结构：数据高速公路，过程控制单元，数据采集装置，CRT操作站，监控计算机网络：数据高速公路控制功能：连续控制二、第二代DCS70年代末 基本结构：1、节点控制站（PCU等）实现连续控制，批量控制，顺序控制，SOE功能；2、中央操作站；3、系统管理站（系统管理模件）；4、主计算机（管理计算机）；5、局域网：专利性局域网，封闭网络；6、网间连接器：（Bridge，Gateway）。三、第三代DCS80年代末 基本结构： 1、32位及以上微处理器节点控制站； 2、32位及以上高档微机算计操作站，增强性图形显示功能，多窗口、大屏幕显示技术； 3、主计算机，实现高级管理信息系统； 4、通用局域网，开放型网络； 5、现场总线：是现场安装的智能仪表装置与控制室自动控制装置之间的数字式、串行、双向、多点通信的数据总线。它的应用彻底实现了控制系统的分散特征。 现场总线的特点：1）全数字通信、传输精度高，稳定性好；2）成本低：可节省大量的电缆、机柜、接线端子和信号隔离栅；3）更高的可靠性：抗干扰能力强，自诊断功能，保证故障准确定位和故障信号隔离；4）具有更好的开放性和互操作性；5）更高的性能：控制能力前移至现场，功能更强，可获得仪表和就地设备及的信息；6）更好的可维护性和可扩展性：故障率低，统一标准，设备选择余地大，系统升级灵活方便。四、第四代DCS二十一世纪随着信息技术（IT）的工业化，面向二十一世纪的第四代分散控制系统具有以下特点：1）信息化：充分体现了DCS的综合信息化功能，系统在开放的实时-关系数据库的基础上集成了多种管理信息模块。如实时信息系统、质量分析系统、设备管理和维护系统、能源管理系统、批次管理系统、生产调度系统、生产成本统计和核算系统等；2）集成化：系统集成了许多能帮助提高整个工厂运行效率和安全性的控制系统。如工厂电站综合自动化系统、可编程逻辑控制器、逻辑和嵌入式控制器、通用通信控制器、远程终端和其他厂家的控制器、智能设备和软件模块等；3）混合控制：不仅拥有高性能的通用控制算法，支持逻辑控制和批量控制，还可以支持各种层次的控制功能；4）分散性：通过现场总线支持多种分布式现场控制单元和智能仪表的连接；5）经济性：通过系统功能集成和现场总线的应用，根据不同的应用，用户可以灵活地进行系统配置和功能选择，组成最经济、可靠、先进、实用的系统；6）开放性和专业性：支持在经济管理层、控制管理层和现场控制层全面开放性。第四节DCS的发展趋势1、控制器能实现高级，复杂的控制算法：自适应控制，模糊控制，预测控制，智能控制；2、DCS进一步向集成化，微机化，先进化方向发展3、过程控制用现场仪表向数字化，智能化方向发展，现场总线广泛采用4、DCS向综合化，开放化发展。第三章分散控制系统的网络体系第一节数据通信的基本概念 计算机网络是建立在数据通信的基础上，通过通信线路相互连接起来的计算机，实现系统内资源共享的系统。数据通信是将数据从一个地方传送到另一个地方的技术。网络的目的是实现系统内资源（包括硬件、软件和信息）的共享。一、通信系统的构成及数据通信的过程 1、通信系统的构成 计算机与计算机或设备之间的数据交换称为数据通信。数据通信系统由以下五部分组成。 （1）报文：需要传送的数据（文本、数字、图像、声音或它们的组合）； （2）发送设备：发送数据的设备，如：计算机，工作站，电话机或摄像机； （3）接受设备：接收数据的设备，如：计算机，工作站，电话机或电视机； （4）传输介质：发送、接收设备之间的通信媒介，如：双绞线，同轴电缆，光缆，无线电波等； （5）通信协议：通信双方必须共同遵守的一组规则或约定。 2、数据通信的过程 （1）数据打包：把要传送的数据，加上必要的控制信息，按一定的格式包装起来形成传输的基本单位-报文或数据包； （2）数据转换与编码：在发送方，对于表示信息的电平进行转换，调制，0、1编码，并-串转换等； （3）数据传输：数据在通信介质上，按一定的规则传送； （4）数据转换和译码：在接收方，对接收的信息进行电平转换，解调，解码，串-并转换等，将接收到的信号还原成报文； （5）数据解包：删除报文中的附加控制信息，留下数据传送给接收方主机。二、基本的通信方式 1、并行通信多位二进制数据同时，同方向传送。传送速度快，连线多，成本高；2、串行通信数据依次逐位在线路上传送。传送速度慢，连线少，成本低。三、单工、半双工与全双工通信 按通信线路上信号传输的方向与时间的关系分类，可分成单工通信、半双工通信和全双工通信。 1、单工通信信息只能在线路上单方向传输。通信的一方只有发送设备，另一方只有接收设备，之间用一对线路连接。 2、半双工通信信息可以双向传送，但不能同时传送。通信双方均有发送和接收设备，但只有一对线路连接，线路在不同方向的传送用户之间分时切换。 3、全双工通信信息可以同时在线路上双向传送。通信双方均有发送和接收设备，由两对线路分别连接一方的发送设备和另一方的接收设备。四、信息的传输编码 数字信息在通信线路上有两种传输形式：基带传输和频带传输。1、基带传输二进制信息以脉冲的形式，按固定的频率直接在信道上传输称为基带传输。 在基带传输方式中，二进制信息有以下几种表示（编码）： 1）不归零码：用零电平或负电平表示逻辑“0”，正电平表示逻辑“1”。每位二进制信息传输之后，保持原电平不变。 2）归零码：每一位二进制信息传输后，后半周期信号返回零电平。 3）曼彻斯特编码：一种归零码。每位二进制信息电平跳变时，从正电平变为负电平表示“1”，从负电平变为正电平表示“0”。 4）差动曼彻斯特编码：根据每位二进制信息的前半周与前一位二进制信息的后半周是否有电平跳变表示“0”或“1”。有跳变表示“0”，无跳变表示“1”。逻辑“0”和“1”与电平的极性无关。2、频带传输将基带脉冲调制成载波（模拟量）信号在信道上传输称为频带传输。在发送方，将数字信号变成模拟信号传输称为调制。在接收方，将模拟信号还原成数字信号称为解调。 模拟信号一般用正弦波作为载波信号，它有三个特性：幅值、频率和相位。 频带传输用数字信号的基带脉冲来控制载波的特性变化，使载波将数字信号传输到对方。 频带传输中信息常用的表示（编码）方法有以下三种。 1）调幅（移幅键控ASK）：用数字信号控制载波的幅值变化。 2）调频（移频键控FSK）：用数字信号控制载波的频率变化。 3）调相（移相键控PSK）：用数字信号控制载波的相位变化。五、多路复用技术 把多路信号在一条线路上进行传输，以实现通信信道的共享的技术称为多路复用技术。常用的多路复用技术有：频分多路复用和时分多路复用两种。 1、频分多路复用（FDM-Frequency-DivisionMultiplexing）是在一个宽带传输媒介中，使用多个独立的、互不重叠的频带来建立多重信道。通过多路复用器产生在不同频带上使用的特定带宽的载波信号，数据信号被加载到载波信号上传送，并在传输媒介的另一端，被解复用器分开。 2、时分多路复用（TDM-Time-DivisionMultiplexing）时分多路复用使将单一信道划分成许多短的时隙，每路信号占用一个指定的时隙。TDM是一种可在基带系统中使用的多路复用技术。也可用在宽带FDM系统的某个信道上。六、通信同步技术 通信双方的发送端和接收端在时间上取得一致称为通信的同步。它是保证信息正确接收的必备条件。并行传输和串行传输都存在同步问题。在并行传输中，双方通过联络控制信号（如接收装置准备好，发送装置数据准备好等）来实现同步。串行传输中，通常有串行异步通信和串行同步通信两种同步方式。 1、串行异步通信 采用启动同步方式：每次传送一个字节数据，在数据前有一个起始位（低电平），后面有1-2位停止位（高电平）,表示数据的起、止。若无数据发送，连续发送停止位。 为保证同步，异步通信的双方应遵守以下相同的约定：1）帧的格式一致：相同的数据位数（5、6、7或8位），停止位（1，1.5，或2位），和相同的校验方法（奇校验或偶校验）；2）相同的传输速率。2、串行同步通信采用自同步方式：每次传送n个字符的数据块，前面加1-2个同步字符，若无数据传送，则连续发送同步字符。同步通信采用自带时钟的曼彻斯特编码，发送的信息与发送时钟通过混合编码传送到接收方；在接收方，接收的代码经解码后，将接收的（发送）时钟信号作为接收时钟，用于接收后面的信息，使接收方与发送方保持时间上的严格同步。同步字符是代码为01111110的字符，表示信息帧的数据开始和结束。为了使数据中的代码区别于同步字符，发送时，对连续出现5个“1”的代码后面自动插入一个“0”，以区别于同步字符。在接收方，接收数据时，凡遇到连续5个“1”，把其后面的“0”去掉，以还原成原来的数据。这样同步字符在传送的信息中，是唯一的标识符。七、传输介质 传输介质是连接通信双方的物理信号的通路。目前使用的传输介质主要有：双绞线，同轴电缆和光缆。 1、双绞线分为无屏蔽双绞线（UTP-UscreenedTwistedPair）和屏蔽双绞线（STP-ScreenedTwistedPair），价格便宜。 2、同轴电缆分为基带同轴电缆和宽带同轴电缆。 3、光缆频带宽，传输距离远，抗电磁干扰，耐潮湿、腐蚀，重量轻。八、差错控制技术差错控制是保证数据通信正确性的一项技术。它包括检验错误和纠正错误两方面的技术。1、检验错误技术在数据通信中，常用的检错技术有奇偶校验和循环冗余码校验。1）奇偶校验：用于串行异步通信中，每帧数据字节的后面紧跟着一位奇偶校验位。奇偶校验的方法有奇校验和偶校验两种。奇校验是数据和奇偶校验位中含“1”的个数必须为奇数。偶校验则必须为偶数。发、收双方必须遵循同一种校验方法。2）循环冗余码校验：用于串行同步通信中。循环冗余码加在数据字节串的后面。循环冗余码是用某一指定的生成多项式除以移位后的数据字节串后剩下的余数。在接受方，对接受的数据（除同步字符外）用同一个生成多项式除，若能整除，则表示传送没有错误；若不能整除，则表示传送有错误。2、纠正错误技术常用的就错技术有以下几种：1）重发纠错：当接受方发现接受的数据有错，则通知发送方将原数据重新发送一次。2）自动纠错：在发送数据时，采用具有纠错能力的编码，在接收方，若发现数据有错，可根据纠错代码在接收方自动纠正错误。但这种纠错能力有限，只能纠正有限位的数据错误，否则，纠错码太复杂。3）混合纠错：在错误少时，采用自动纠错；错误多时，采用重发纠错。第二节网络技术一、网络的拓扑结构在分布式微机控制系统中，常用的通信网络结构有星形，树形、环形和总线形。1、星形结构在星形结构的通信网络[见图（a）]中，工作站分为主站和从站。主站是专门的通信控制站，可同时与几个从站直接进行通信。主站拥有对网络的控制权，从站间的通信，要先向主站提出申请，或接受主站的轮询，获得主站允许后，先把信息发送给主站，，再由主站分送到相应的从站。主站与从站是通过专用的通信线路一对一直接通信，故通信效率高，接口简单。但通信线路不能共享，系统费用高，且网络通信的控制权集中在主站，一旦主站发生故障，整个通信网络将瘫痪下来。星形结构只适用于每次通信量较大的小系统。2、树形结构树形结构通信网络是一种分级通信结构。它把现场工作站分为若干组，每个组中的站间通信由它们上一级的中间站协调，中间站之间的通信则由通信控制站进行协调。这种通信网络能有效地实现系统间的通信，但系统费用高，仅适用于大系统。3、环形结构环形结构通信网络是将网络中的各个站首、尾串接连成一个环形。网络中没有专门的通信控制站，通信控制功能分散到各个站中完成。这种网络结构简单，容易扩展，设备费用低。但在通信环路中，通信线路和各个站的故障都可能是破坏网络通信的因素。为此，需考虑采用提高可靠性的措施，如采用冗余的通信线路；在站设备上加装通信旁路通道，在发生故障时，信息可通过旁路通道传送到下一站，同时故障站自动脱离通信环路，而不影响系统的通信。4、总线结构总线形结构通信网络是一种信息传输的公用通道。总线上的通信是以串行方式进行的，因此，通信线路用线少。系统中的站都通过各自的通信接口直接挂在总线上，系统容易扩展，结构简单，设备费用低。当总线上的某个站发生故障时，不影响其它站的通信。通信网络的可靠性主要取决于总线的可靠性。一般系统中的总线都采用冗余结构来提高网络的可靠性。总线结构适用于工业应用。5、混合结构有的分散控制系统在不同的通信级采用不同的通信网络结构。如日本日立的HIACS-5000，贝利控制公司的SYMPHONY(图)，上层通信采用环形结构，下层采用总线结构。充分发挥各种结构的特点，以提高系统的通信效率和性能。二、通信控制方式系统中多个站通过同一个数据通道进行通信，必然产生竞争。要使数据在通道上有序地通信，必须对通信过程进行某种形式的管理控制，让要求使用通道进行通信的站依次获得通道使用权。不同的系统，采用了不同的分配通道使用权的方式，即采用了不同的通信控制方式。有的需要用专门的通信控制器来实行通信的管理控制，称为集中控制方式；有的系统不需要专门的通信控制器，而把通信的管理控制功能分散到各个站的通信接口中完成，称为分布控制方式。1、集中通信控制方式在带通信控制器的系统（如星形网络结构）中，站设备被分为优先设备和询问设备。优先设备，如上位计算机和显示操作站，能主动向通道控制器提出通道申请，获准后可以优先使用数据通道进行通信。而询问设备没有通道申请能力，依靠通信控制器周期性地依次询问这些设备是否有通信要求。若有通信要求，控制器则把数据通道分配给该站设备，该站则可通过数据通道把信息发送给目地站。2、分布通信控制方式在不带通信控制器的系统中，根据系统中各个站所处的逻辑顺序依次传递通道使用权。获得使用权的站，即可使用通道进行通信。根据数据的传送方式不同，分布通信控制方式可分为存储转发式和广播式。1）存储转发式存储转发式用于环形结构通信网络。发送信息的站（始发站）按一定的方向（如顺时针）将信息发送到物理位置的下一站，下一个站接受信息后，把它存储到自己的缓冲器内，对信息经过整形放大后再转发送到下一站。如此重复下去，环路上的每一个站都接受信息，并把它再转发出去，直到信息再返回到始发站。在信息传送的过程中，信息的目的站收到信息后留给自己使用，同时在转发该信息之前，在信息中加入确认码表示信息已正确收到。始发站发现返回的信息中有确认码，则将该信息从发送缓冲区中删去，准备发送新的信息。若未发现确认码，则将存在发送缓冲器中的该信息重发一次。重发一定次数，若信息仍未被接受（无确认码），则表示目的站已不在环路网络中了。存储转发方式实质上是一种串行传送方式，数据通道被站分割成若干段，信息在每个站都可以得到储存。因此，对始发站来说，信息传送的速度是很慢的，但在通信网络中，允许所有的站同时接受和发送不同的信息，总的说来，通信效率还是很高的。这种系统称为全主站通信系统。2）广播式广播方式指系统中的各个站都连接在一个数据通道的不同分支点上，数据通道为各个站共享。在某一时刻只有一个站拥有数据通道的使用权，可以向数据通道发送信息。挂在通道上的其他站都可以从通道上收听（接收）该站发送的信息。广播方式主要用于环形和总线结构的通信网络。广播方式对通道使用权的控制方式可分为自由竞争、令牌传送和令牌环三种。（1） 自由竞争（IEEE802.3）自由竞争适用于总线结构的通信网络，它采用“带冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD）”技术。总线上所有的站在发送数据之前都先“侦听”总线上是否有其他某个站在发送信息。如果没有，则要发送信息的每个站都可以向总线发送自己的信息。这时，若同时有多个站发送信息，就可能产生通信冲突。为此，在发送的同时，站继续“侦听”总线。若“侦听”到总线上存在冲突，则所有的站都停止发送信息，等待一个随机时间后，再“侦听”，并重复上述过程。若没有通信冲突发生，则可以把自己的信息发送完。自由竞争在通信负荷低时，通信效率较高，时延小。但在负荷高时，通信冲突迅速增多，故通信效率迅速下降。（2） 令牌传送（IEEE802.4）令牌传送（TOKENPASSING）也适用于总线结构通信网络。它是在总线上以逻辑环路的顺序，逐站传送总线使用权的过程。令牌（TOKEN）是一种特殊的信息帧，整个总线逻辑环路上只有一个令牌。只有获得处于“空闲”状态的令牌的站，才能在总线上广播信息，并且独占数据通道。为了防止一个站独占令牌，任何站都只能在一个有限的时间片内持有令牌，时间到了就必须把令牌传给逻辑环路中的下一个站。令牌传送避免了总线上的通信冲突，通信效率高。但由于令牌传输要占用一部分网络的开销，在负荷低时，通信效率不高。随着负荷的增高，通信效率将大大提高。（3） 令牌环（IEEE802.5）令牌环（TOKENRING）适用于环形结构通信网络。它是按站在物理环路上的顺序在各站之间传递令牌，并按优先权的方式对传送的信息进行处理。这种方式对负荷的高低反响不大，具有较高的实时响应能力。但结构较复杂，可靠性较差。三、例外报告技术例外报告是在过程控制中一些涉及测量、操作、报警、管理的信息经过一定的技术处理形成的某一信息的专门报告，在这个报告中，只反映某一时间间隔内发生显著变化的信息，而对变化不显著的信息则不报告。信息以例外报告的形式在网络上传送，可有效地减少环网内的信息量。其处理技术主要涉及三个基本要素：1）例外报告死区。用来判定信息是否发生了显著变化幅值范围。2）最小例外报告时间Tmin。不允许产生例外报告的时间间隔。从上次报告后，在Tmin时间内即使信息变化显著，也不产生例外报告。以平抑干扰和避免连续报警。3）最大例外报告时间Tmax。必须产生例外报告的时间间隔。在这段时间内，即使信息没有显著变化，也要产生例外报告。产生例外报告的条件是：1）超过了最小例外报告时间，且幅值变化超出了例外报告死区要产生例外报告；2）超过了最大例外报告时间，要产生例外报告；3）参数值越限报警，要产生例外报告；4）参数值从报警状态恢复正常要产生例外报告。第四章DCS的现场控制站现场控制站由一系列控制器模件、I/O模件、通信接口模件、电源模件和安装单元及机柜组成。控制器模件执行控制算法、计算和相应控制处理功能；I/O模件用于扩展控制器模件的过程通道输入/输出功能，实现现场信号的采集，转换，预处理或控制输出功能；通信接口模件用于控制器模件与控制网络之间的通信接口；电源模件为系统模件提供工作电源和现场电源。在DCS系统的回路控制信号流图中，信号有四种不同的类型，它们在回路中不断地变换类型：模拟量、离散模拟量、数字量和量化模拟量。信号类型时间幅值转换装置模拟信号连续连续离散模拟量离散连续采样/保持器数字量离散离散A/D转换器量化模拟量连续连续量化D/A+保持器信号通过过程通道中的装置实现不同类型信号间的转换。第一节 控制器模件控制器模件是一台执行控制功能的计算机，它由CPU，ROM，RAM，NVRAM或E2PROM及I/O接口组成。在ROM中存有实时操作系统，和功能码库；RAM用作控制器的工作存储器；NVRAM或E2PROM存放控制方案的组态数据库。I/O接口用于控制器面板上的LED指示灯和按钮的接口，以及与控制器与I/O模件之间的总线接口。控制器的控制功能由称为功能码的软件模块来实现。下面以PID控制功能码为例介绍功能码的工作原理。一、数字PID控制算法1、理想微分PID控制控制器PID的控制规律用微分方程表示为：u=Kp（e+1/Tiedt+Tdde/dt）或传递：D(s)=U（s）/E（s）=Kp（1+1/Tis+Tds）其中：Kp为比例增益，Ti为积分时间，Td为微分时间。上式不能在计算机中存储和运行，必须转换成离散形式的差分方程表示。即用差分式近似表示微分式：edt=e（j）Tde/dt=[e（n）-e（n-1）]/TT为采样周期。（1）位置式算式将上式代入微分方程，即得相应的差分方程：u（n）=Kp{e（n）+T/Tie（j）+Td/T[e（n）-e（n-1）]}差分方程是微分方程的近似表达。当采样周期T足够小时，差分方程可以保证足够的精度。该式的输出u（n）与执行机构的位置对应，故称为数字PID的位置式。其控制作用的积分项是在算式中完成的。由于要累加偏差e（j）,要占用较多的存储单元，不便于编程。（2）增量式算式u（n-1）=Kp{e（n-1）+T/Tie（j）+Td/T[e（n-1）-e（n-2）]}u（n）=Kp{e（n）+T/Tie（j）+Td/T[e（n）-e（n-1）]}固有相邻两个周期控制输出的增量：u（n）=u（n）-u（n-1）=Kp{e（n）-e（n-1）+T/Tie（n）+Td/T[e（n）-2e（n-1）+e（n-2）]}该算式的输出u（n）对应于执行机构在t=nT时刻的位置增量，固称为数字PID的增量式。其积分作用外移到执行机构中实现，增量式必须配具有积分功能的执行机构（如步进电机）。其编程简单，历史数据可递推使用，占内存少，运算速度快。2、实际微分PID控制理想微分PID控制实际效果不理想，主要因为其微分作用只维持在一个控制周期中，工业执行机构动作速度慢，不能在T时间内完成较大的微分控制。因此，实际应用中采用实际微分PID控制算法。实际微分PID控制是在理想微分PID控制的基础上加上一个惯性环节，使控制的微分作用能维持多个控制周期，以适应工业执行机构的动作要求。如：U（s）/E（s）=Kp{1+1/（Tis）+Tds/[1+（Td/Kd）s]}二、数字PID控制器的工程实现前面介绍的PID算式指示解决了PID的核心算式问题，在工程应用上还有许多要解决的问题。PID算法程序作为多个控制回路的公用子程序，应具有通用性，含有多种可选用的功能。考虑到工程上的各种需求，实际工程应用的数字PID控制器的功能框图如下所示。1、给定值处理功能：1）选择给定源SV（L/R），通过软开关CL/CR（就地/远方），CAS/SCC（串级/监督）。2）选择给定值变化率限制SR。说明：（1）内给定（Local-就地给定）：由操作员通过键盘设定的给定值。（2）外给定（Remote-远方给定）：给定值来自某一非人为的信号源，如上位机（SCC），主回路或本机其它运算模块（CAS）。在外给定状态下，可以实现监督控制SCC和串级控制CAS。（3）给定值变化率限制：为减少给定值突变对系统的扰动，防止比例，微分饱和，实现平稳控制，对给定值的变化率要加以限制，变化率限值SR要选择适当，太小响应变慢，太大不起作用。2、测量值处理功能：1）测量值限值比较。若PV>PH，则PHA=1; 若PV<PL，则PLA=1。为避免频繁报警，限值附近设置报警不灵敏区HY2）测量值变化率限制PR。3、偏差处理功能：1）偏差计算：有两种作用方式：正作用/反作用（D/R）正作用：（D/R=0）DV+=CPV-CSV反作用：（D/R=1）DV-=CSV-CPV2）偏差报警：设置参数：偏差限值DL当︱DV︱>DL时，开关量输出DLA=1（偏差报警）。3）非线性特性：设置参数：非线性区上限A，非线性下限-A，非线性增益K。在非线性区域（-A，A）内：当K=0，则为死区，可实现带死区的PID控制；当0<K<1，则可实现非线性PID控制；当K=1，则为线性区，实现正常的PID控制。4）输入补偿：设置参数：补偿方式输入ICM，补偿量输入ICV。当ICM=0，无补偿CDV=DVCICM=1，加补偿CDV=DVC+ICV ICM=2，减补偿CDV=DVC-ICV ICM=3，置换补偿CDV=ICV4、PID计算功能：1）选择微分方式：偏差微分（DV）/测量值微分（PV），设置参数：DV/PV（开关量输入）；2）PID运算；3）控制量限幅。5、控制量Un处理功能：1）输出补偿：设置参数：输出补偿方式输入OCM，补偿量输入OCV当OCM=0，无补偿Uc=UnOCM=1，加补偿Uc=Un+OCVOCM=2，减补偿Uc=Un–OCVOCM=3，置换补偿Uc=OCV2）变化率限制：设置参数：MR3）输出保持：设置开关：FH/NH（信号来自系统安全报警开关）NH：u（n）=u（n-1）输出控制量保持不变FH：正常输出方式4）安全输出：设置开关：FS/NS（信号来自系统安全报警开关）NS：输出控制量等于预置的安全输出量MSFS：正常输出方式 6、自动/手动切换功能：1）软自动/软手动：设置开关：SA/SMSA（软自动）：系统处于正常自动控制状态；SM（软手动）：控制量来自键盘或上位机，系统处于计算机手动状态。2）控制量限幅：设置参数：MH，MLML<MV<MH3）硬自动/硬手动：设置开关：HA/HMHA（硬自动）：系统处于计算机控制状态；HM（硬手动）：系统处于手动操作器手动控制方式，计算机不承担控制任务。4）无平衡无扰动切换无平衡无扰动切换是指在进行手动-自动切换之前，不需由人工进行手动输出控制信号与自动输出控制信号之间的对位平衡操作，就可以保证切换时对执行机构的现有位置不产生扰动。无平衡无扰动切换分以下几种情况处理：（1）在手动（HM，SM）状态下，控制期内给定值CSV跟踪测量值CPV，将历史数据清零，保证偏差等于零，自动输出u（n-1）跟踪手动输出；（2）从自动（SA，HA）切向软手动（SM）时，控制器通过软件跟踪程序能自动保证无扰动切换；（3）从自动（SA，HA）切向硬手动（HM）时，通过控制器外的手动操作器电路来保证无扰切换。 下面是控制器内，配合手动操作器电路工作的跟踪程序框图。三、数字PID控制器的工程应用1、单回路控制 只占用一个PID控制模块。2、串级控制 典型的串级控制系统如下图所示。系统采用两个PID控制模块。主控制器PID1的控制输出u1作为副控制器PID2的外部（CR），串级（CAS）给定值；主控制器PID1的给定r为内给定（CL）。3、前馈控制 （1）前馈-反馈控制系统：计算机前馈-反馈控制系统如下图所示。前馈补偿器Gf（s）的输出作为PID控制器的输出补偿量OCV，并采用加补偿（OCM=1），其余同单回路控制。 （2）前馈-串级控制系统：如下图所示。四、常用功能码的分类在DCS的控制器模件的ROM中，都有一个功能码库。不同DCS系统的功能码的划分不尽相同，但功能码的类型基本是一样的。常用的功能码按功能可分为计算、逻辑运算、控制、例外报告和I/O接口5类。第二节I/O模件I/O模件完成过程输入，输出通道的功能，具体实现模拟量与数字量之间的转换和处理。I/O模件模件由印刷电路板和前面板组成。前面板上有LED指示灯和按钮作为模件简单的输入，输出设备。印刷电路板上是过程通道的有关电路。下面简要介绍过程通道的工作原理。一、模拟量输出通道（AO）模拟量输出通道将控制器输出的数字量信号转换成模拟电压或电流信号，以便驱动过程现场的执行机构，达到控制的目的。模拟量输出通道由接口电路，D/A转换器（DAC）和电流/电压变换器I/V组成。其中D/A转换器是将数字信号转换成模拟量信号的关键设备。1、D/A转换器的工作原理D/A转换器由基准电源、R-2R权电阻网络、位切换开关和运算放大器组成。取反馈电阻Rfb=2R，则Vout=-Vref/2n（D020+D121+…..+Dn-12n-1）其中：n为D/A转换器的二进制数的位数，2n为第n位二进制数的位权，Dn为第n位二进制数的值，其值Dn=0或1；（D020+D121+…..+Dn-12n-1）为要转换成模拟量的数字量；Vref/2n为D/A转换器的量化单位。2、D/A转换器的性能指标1）分辨率：二进制数的最低有效位（LSB）所对应的模拟量输出电压的大小，即量化单位。一般用数字量的位数表示，如8位，10位，12位等。2）稳定时间：从输入二进制数满刻度变化量，到输出离终值+-1/2LSB时所需的时间。3）绝对精度：输入满刻度数字量时，D/A转换器的实际输出值与理论值的偏差（用LSB的分数表示，如+-1/2LSB，+-LSB）3、模拟量输出模件的通用性为使用方便，模件应具有一定的通用性。主要反映在：1）用户可选择模件端口的基本地址；2）用户可选择模拟量输出的信号类型，电流或电压。二、模拟量输入通道（AI）模拟量输入通道将来自被控对象的模拟量信号转换成计算机可以接受的数字量信号。AI通道一般有多路模拟开关、前置放大器A、采样/保持器S/H，A/D转换器（ADC），接口和控制电路组成。1、逐位逼近型A/D转换器工作原理逐位逼近型A/D转换器由逐位逼近寄存器（SAR），D/A转换器，比较器，数字量输出锁存器，控制时序和逻辑电路组成。SAR中的数字量由控制逻辑设置（从最高位开始），经D/A转换器转换成模拟电压Vo（反馈电压），Vo再与输入的模拟量电压VIN在比较器中进行比较，根据比较的结果控制SAR中的数据设置，直到设置SAR的最低位为止。这时SAR中的数字量被送入数字量输出锁存器，它就是与输入模拟电压VIN对应的数字量B。B=2n（VIN-Vref-）/（Vref+-Vref-）2、A/D转换器的性能指标1）分辨率：用数字量的二进制位数表示，如8位、10位、12位等；2）绝对精度：输入满刻度模拟量时，A/D转换器的数字量实际输出值与理论值的偏差（用LSB的分数表示，如+-1/2LSB，+-LSB）；3）转换时间：逐位逼近式A/D转换器s级双积分式A/D转换器ms级。三、数字量输入通道（DI）数字量输入通道用于把被控对象的开关状态信号（或数字信号）传送给计算机。功能：1）电平转换；2）实现光电隔离；3）按计算机的字长分组输入。四、数字量输出通道（DO）数字量输出通道用于把计算机输出的数字信号（或开关量信号）传递给过程的开关器件（如继电器或指示灯等）控制它们的通断。功能：1）实现光电隔离；2）输出锁存。五、I/O模件的种类下表列出的是某型号DCS系统的I/O模件类型。模拟量输入卡－AnalogInput-mA(8points/module),systempowered模拟量输入卡(Hart协议)－AnalogInput-mA(8points/module),HartCard热电偶输入卡－AnalogInput-TC(8points/module)热电阻输入卡－AnalogInput-RTD(8points/module)模拟量输出－AnalogOutput–mA(4points/module)数字量输入卡－ContactInput(16points/module),48Vdcon-cardwetting继电器输出卡－Relayoutputs(16points/panel,250VAC@5A)FormC继电器输出卡－Relayoutputs(12points/panel,150VDC@10A)FormX数字量输出卡－DigitalOutputs(16points/module)脉冲输入卡－24/48VoltDCPulseInput(2pointspermodule)SOE卡－SequenceofEventInput(48VDCon-board)16pointspermodule控制柜间数字量输入卡－DigitalInput(16points/module)forbetweencontrolcabinet控制柜间数字量输出卡－DigitalOutputs(16points/module)forbetweencontrolcabinet数据连接卡－SerialLCModule(RS-485)第五章人机接口设备人机接口设备是用户与分散控制系统交换信息的窗口。人机接口设备在功能处理器的控制和管理下，通过键盘，显示器，打印机等输入、输出设备和通信控制器使系统用户直接与系统和生产过程对话（交换信息）。一、人机接口设备的工作方式人机接口设备有组态和运行两种工作方式：1、在组态方式下,生成适合工程应用需要的监视、报警、控制纪录和管理功能；2、在运行方式下,通过共享信息，实现对生产过程的实时监视和控制操作。二、人机接口设备的分类根据用户使用系统的目的的不同，分散控制系统中的人机接口设备一般分为操作员站、工程师站、历史数据站和计算站等。（1）操作员站主要供操作人员监视、操作控制和记录生产过程的运行状况，以保证生产过程的安全经济运行。（2）工程师站是以个人计算机为基础的系统开发和维护的工具性设备，供系统工程师对系统进行配置、组态、调试及控制方案的维护等。同时，也具有操作员站的监视和操作功能。（3）历史数据站用于历史数据的收集、存储和处理，供生产管理人员进行数据分析、统计和报表打印。（4）计算站完成与生产过程有关的性能计算和特殊计算。三、人机接口设备的功能人机接口设备具有基本相同的硬件配置，一般采用工业控制计算机或高性能的工作站构成。根据不同站的应用要求，硬件配置的性能有所不同，如操作员站要求采用具有防水功能的专用操作键盘，大尺寸的显示器；工程师站配有打印机、鼠标或球标、并行和串行接口等；历史数据站具有较大容量的硬盘、可读写光盘和打印机等外部设备。人机接口设备的主要区别在于它们安装的软件不同，决定了它们分别完成不同的功能。1、操作员站的功能操作员站为分散控制系统提供了完整的显示、操作、记录和管理功能。（1）显示功能操作员站的显示类型有：画面显示、图形显示、趋势显示和报警显示等。1）画面显示以显示的基本元素为基础，构成相应的生产过程所需的显示画面。这种类型的显示包括：组显示、标签显示等。适用的标签类型有：在面板图或表盘图上出现的过程模拟量、数字量、手动/自动操作站、远方手动设定常数及远方手动设定存储器等。这一类型的显示主要为报警、操作、M/A设置提供工具。2）图形显示图形显示以组态软件工具所提供的标准图形，如泵、阀、管道、风机等，用计算机辅助的CAD方式，以逼近工艺生产设备的图形为基础，绘出的各种生产工艺的流程图（亦称动态流程图）。在这些流程图的相应部位上，标注有相对应的有关标签的名称、动态值、开关状态、操作站、报警信息等。在流程图上的有关图形，会随着工艺过程的变化而改变颜色、位置或形状。通过带有动态点的工艺流程图，操作人员可随时了解生产过程的各种工况，以便采取相应的措施去操作、管理生产过程。3）趋势显示趋势显示通过趋势元素（如时间标尺、幅值标尺、标签名称和当前标签值等）把标签在一定时间范围内、一定时间间隔的数据变化，形象地用曲线描绘出来。为操作员提供分析当前过程运行状态的一系列有关的历史数据。趋势显示可分为实时趋势和历史趋势显示。实时趋势以每两秒钟采集一个当前实时值的速率显示最近2个小时的过程值随时间的变化趋势。历史趋势可以为过程的运行情况提供历史数据。标准的趋势显示在一幅趋势图中最多可显示5个过程变量在相同的时间标尺下的变化趋势，以便比较它们的变化关系。用户可以通过键盘改变过程变量的量程范围、时间范围及分辨率。图形具有放大功能，将光标沿趋势曲线移动，可在画面上随时显示光标所在时刻过程变量的实时值。4）报警显示报警显示用于显示对于过程控制非常重要的，直接关系到设备安全运行、产品质量和工艺安全的异常情况。报警显示通过下列几种显示方式向操作员发出报警信息：a）报警提示栏：在CRT显示器上，在任何一幅显示画面的右上角都有一个报警提示栏，只要发生报警，在此栏将以组的范围发出报警信息，标示发生报警的组号，以提示操作员对其采取处理措施。b）画面显示：当发生报警时，发生报警的组将把标签的报警类型（越上限报警或越下限报警）及报警时的点值显示出来，以帮助操作员分析报警。c）图形显示：在与报警标签相关的图形上，以闪烁或改变颜色的方式向操作员提示标签报警，以达到十分醒目的目的。（2）操作功能操作员键盘是操作台和过程的主要接口，利用操作员键盘和其他输入设备（如ADP、鼠标、触摸屏幕等），可以选择各种过程画面，并对过程进行控制。键盘上的键锁开关可用于控制能否修改系统组态或调整系统参数。操作人员借助人系统接口设备的操作部件可改变M/A状态、设定值、输出值和开关接点状态等。这些操作被定义在键盘的一个站和远程控制操作键区中，共有13只键用于实现过程控