代集散系统的基本结构过程控制单元

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'代集散系统的基本结构过程控制单元'
集散控制系统DCS的概念下图以一个水位信号调节的例子 简单地说明DCS的应用过程: DCS的概念我们可以把上述过程引申如下: 第1章 分散控制系统概论§ 1.1 分散控制系统的产生§ 1.2 分散控制系统的结构§ 1.3 分散控制系统的特点§ 1.4 分散控制系统的分散方式§ 1.5 分散控制系统的发展 1.1 分散控制系统的产生§ 背景: 随着现代化工业的飞速发展,工业生产过程的控制规模 不断扩大,对过程控制和生产管理系统提出了越来越高的 要求。面临着日趋激烈的市场竞争,我们的工业生产过程 正处于一个由劳动力密集型、设备密集型、信息密集型到 知识密集型的转变过程。在这一过程中,以计算机为基础 而构成的控制、管理、决策系统无疑起着非常重要的作用。? 分散型控制(Distributed Control System,简称Dcs),正 是在这种背景下产生的,它是继直接作用式气动仪表、 气动单元组合仪表、电动单元组合仪表和组件组装式仪 表之后的新一代控制系统。§ DCS:是分散控制系统(Distributed Control System)的简 称,国内一般习惯称为集散控制系统。它是一个由过程控 制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机 系统,综合了4C技术。§ 4C技术:计算机(Computer)、通讯(Communication)、显 示(CRT)和控制(Control)等,其基本思想是分散控制、集 中操作、分级管理、配置灵活、组态方便。 工业控制发展历程§ 1、机械式仪表§ 也叫“直接作用式气动控制器”“基地式调节器”。§ 主要包括:变送器、调节器、调节阀等部件,这是最初的 单元控制系统。 § 调节阀手动执行,管理人员巡回检查奔波于现场,完成单 回路控制,按地理位置分散于现场,构成体系。§ 适用于:生产规模不大,工艺不太复杂的生产过程。§ 2、大型气动仪表§ 变送器和执行器安装在现场,控制器安装在中央控制室。§ 这种集中控制方式的优点:运行人员在中央控制室获得整 个生产过程的有关信息,能够及时有效进行各部分之间的 协调控制。§ 注:此种集中只是控制仪表、运行人员在地理位置上的集 中,控制任务仍由许多控制器分别完成的。§ 3、气动单元组合仪表:50年代§ 计算机开始进取过程控制领域, 最初用于生产过程的安 全监视和操作指导,后来用于实现监督控制。§ 没有用于直接控制生产过程§ 4、电动单元组合仪表:§ 60年代计算机开始用于生产过程的直接数字控制§ 一台计算机控制全厂的生产过程,造成整个系统控制任务 的集中。§ 缺点:计算机可靠性低、机器故障、整个工厂生产瘫痪§ 5、分散控制系统:70年代§ 定义:以多台微处理器为核心,采用控制功能分 散、显示操作集中,兼顾分而自治和综合协调原 则设计的新一代仪表控制系统——即:计算机网 络控制系统。 § 分散控制系统;§ 分散型综合控制系统;§ 集散型控制系统或集散系统。§ Distributed Control System,简称DCS 控制仪表的分类:1、按能源类型:§ 气动——60年代前的主要种类,简单、稳定、防爆,目 前仍有应用。§ 液动——如汽轮机调速系统,简单、平稳、功率大,慢。§ 电动——50年代后发展(DDZ),快速,远传、功能强, 应用广。2、按信号类型:§ 模拟仪表——模拟电路为基础,模拟信号运算,它确定受 控对象参数的模拟形式测量值与给定值的偏差,并根据一 定的调节规律产生模拟输出信号推动执行器消除偏差,使 受控参数保持在给定值附近或按预定规律变化。所调节的 参数包括温度、压力、流量、液位、成分等。 § 数字仪表——数字电路为基础,数字信号运算。§ 智能仪表——数字电路为基础,微处理机为核心,仪表功 能=硬件+软件。 控制仪表的分类:§ 按结构形式:§ 基地式仪表——就地指示、记录、调节于一体。§ 单元组合式——50年代DDZ-I;60年代DDZ - II ;§ 70年代DDZ-III§ 组件组装式——机柜+模件+电源+显示操作盘§ 集散控制式——4C技术 § 控制仪表发展的原因§ 工业过程 仪表控制技术 微电子、计算机技术§ 控制仪表发展的过程 § 基地式仪表 单元组合式 组件组装式:§ 由于生产过程向大型化、复杂化发展,模拟仪表控制系统 遇到了难题: § 模拟仪表的局限性§ 生产规模大型化,中控室表盘愈来愈长,难于实现集中监 视和操作。例如 300MW机组,控410—450点,测1000 点以上,盘长10米,存在事故隐患。§ 各控制系统的通信联系困难。§ 难于实现分级控制,难于实现全厂的综合管理。§ 难于实现复杂规律的控制。预估、自适应、模糊、最优…§ 系统变更困难。 分散控制系统的产生 § 集中型计算机控制阶段;§ 计算机与模拟仪表混合式分散控制阶段;§ 第一代集散系统;§ 第二代集散系统;§ 第三代集散系统。 集中型计算机控制阶段 § 称作集散系统的孕育期。§ 1946第一台数字计算机问世。美国阿伯丁港,军用,弹 道计算;§ 1959美国 TRW公司研制的TEW300用于德州阿赛港的炼 油厂,投运成功。§ 1965 用于电力系统:美小吉普赛电厂,中国同期上海南 市电厂,北京石景山电厂高井电站§ 50年代末、60年代初,计算机技术迅速发展起 来,MTBF>2000h(平均无故障时间)。§ 70年代初约5000台中小型计算机用于过程控制,70年代 中=〉5万台。§ 结构及应用方式:§ 集中式——生产过程全部信息都集中于一台计算机中。§ 直接数字控制(DDC:Direct Digital Control)§ 监督计算机控制(SCC: Supervisory Computer Control)。§ DDC与SCC在实际应用中并不成功。弊病主要有:§ ?投资大,安装困难。§ ?由于现场条件恶劣,干扰多。§ ?扩展困难。§ ?计算机技术不成熟,慢、功能少。§ ?危险集中。——这是一个尤为严重的问题。一个系统成 百个回路,主计算机发生故障,全系统停运,这将给生产 过程带来严重威胁。计算机与模拟仪表混合式分散控制阶段 § 集中型计算机系统暴露了集中控制的重大缺馅,促使控制 系统向分散型转变。美国的Bailey公司率先发表了Bailey tronic2系列仪表控制系统。 § 它采用了分层分叉结构 § 在Bailey tronic2中,现场的控制功能是由传统的模拟仪表 (单回路调节仪表)实现的。§ 但模拟显示器与操作器却是另一个分离的单元,通过多芯 电缆与调节仪相连。§ 突破:§ 这是在过程控制中第一次实现了输入/输出、控制功能与 操作显示功能的分离,实现了控制器向现场的分散。§ 系统中调节仪的信号也送入主计算机,主计算机可显示过 程参数,并附带文档存储和管理的装置。§ Bailey tronic2主要用于电站控制中,虽然它还属牙SCC 范畴。但毕竟实现了控制器与显示操作的分离。 第一代集散系统 § 一、背景及产品:§ 70年代初,大规模集成电路制造技术成熟,微处理器问世——可靠、 低耗、低价,为计算机分散控制提供了可能。§ 组装仪表的结构+板级产品的智能化+信息管理的集中化=〉DCS§ 1975年美国最大的仪表公司Honey Well首次向全世界推出了它的 TDC-2000(Total Distributed Control 2000). § 1975年5月,东芝公司的TOSDIC;1975年6月,日立公司的UNITROL;§ 美国泰勒仪器公司(Taylor Instrument Co.)的MOD III§ 美国费希尔公司(Fisher Porter Co.)的DC1-4000,福克斯波罗的 Spectrum;§ 英国肯特公司的P4000(第一代)§ 德国西门子公司的Teleperm(第一代)等§ 此后的三、四年间,美国和西欧、日本的一些著名公司都相继推出里 了他们的第一代系统。 第一代集散系统的技术特征 § 技术重点是:实现分散控制,引入网络通信技术,加强可 靠性设计。§ 1、用以微处理为基础的过程控制单元(PCU)实现了分散 控制。§ 2、 CRT操作站与PCU相分离,使集中显示、集中操作、 远程组态、全系统信息的综合管理与现场控制相分离,这 是集散系统的重要标志。§ 3、采用了电缆和双绞线作转输媒质,大幅度地降低了连 线费用。§ 注:第一代集散系统是应克服计算机集中控制系统的四大 弊病的需求而产生的。一方面它必须保持计算机控制的优 点,解决模拟仪表解决不了的问题。另一方面又要实现分 散控制,将集中产生的危险分散,并要大幅度地减少集中 系统的连线费用。更为重要的是必须能适应现场环境的严 酷要求,满足现代大工业过程有效度99.99%的要求。§ 第一代集散系统的基本结构§ 过程控制单元(PCU):§ 亦称现场控制单元FCU(Field Control Unit)或基本控制 器BC(Basic Controller)。一般它是由微处理器(CPU)、存 贮器(ROM、RAM)、多路转换器、I/O输入输出板、A/ D、D/A转换、内总线、电源、通信接口等组成。它可 以控制一个和多个回路,具有较强的运算能力和较复杂的 控制功能。§ 数据采集装置(DAU:Data Acquisition Unit):§ 亦称过程接口单元(PIU:Process Interface Unit)。它也 是以微处理器为基础的结构。主要作用是采集非控制变量, 进行数据处理,并将所采集的过程信息经数据传输通道 (通信系统)送到监控计算机。它使集散系统获得了分散数 据采集的能力(Distributed DAS)。§ CRT操作站:§ 是集散系统的人—机接口,是系统与外界联系的单一窗口。 CRT操作站由CRT、微型计算机、键盘、外存装置、磁 盘驱动器、打印机等组成。它可以以高分辨率彩色画面显 示过程的各类信息,并对PCU进行组态和操作,对全系 统进行管理。§ 监控计算机:§ 是集散系统的主计算机,国内习惯上称它为上位机。多采 用小型计算机。它综合监视全系统的各工作站(PCU, DAU,CRT),管理全系统的所有信息。一般都具有进 行大型且复杂运算能力,通过它可以实现全系统的最优控 制和全工厂的优化管理。§ 数据传输通道:§ 亦称数据高速公路(Highway)。它是第一代集散
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