自动控制理论 第五章 过程控制 5.6 分散式计算机控制系统

发布日期:[15-02-08 14:32:19] 浏览人次:[]

5.6 分散式计算机控制系统

计算机控制是把被控对象的有关参数(如温度、压力、流量、状态)通过输入通道进行采样,计算机根据这些参数按照预先设置好的控制策略进行计算,并通过输出通道把计算结果转换成相应的模拟量去控制被控对象,使被控量达到预期的指标。

如果计算机的计算结果直接改变常规调节器的给定值或直接送往执行器去控制生产过程,此种控制方法称为在线控制;如果计算结果仅供生产管理人员作为指导生产的参考,而生产的控制仍是在人的指挥下进行,此控制方法称为离线控制。显然在线控制的计算机必须具有高可靠性,以保证系统的正常工作。图5.54是一个在线控制系统的结构实例,这种由单一计算机构成的控制系统也叫集中控制系统,在系统复杂、规模较大的生产过程中这种控制系统已不能满足生产过程的控制要求。

图5.54 在线控制系统的结构
图5.54 在线控制系统的结构

分散式控制系统(Distributed Control System)又叫集散控制系统,是以微处理器为核心,应用通信技术、计算机技术、CRT显示技术及过程控制技术构成的新型控制系统。由于它运算速度高、容量大、软硬件资源丰富、功能强、系统容错能力强,在系统复杂、规模较大的控制领域中得到广泛应用。它的应用更新了传统的生产操作手段,建立了全过程多参数综合操作的新概念,向着操作的简便性、稳定性、安全性、预见性和优化性等方面迈出了新的一步;它提高了劳动生产率,改善了劳动条件,降低了生产成本,为生产过程的安全、经济运行提供可靠的保证,为现代控制理论、智能控制等先进的控制策略在生产过程中的应用提供了技术基础。

5.6.1  分散式计算机控制系统的基本结构
分散式控制系统大致可分为以下5个部分:具有各种不同功能的基本控制单元(或基本控制站)。具有管理功能的人机联系装置,通常是以CRT为基础的操作站。连接各站的高速数据通信网络系统,也叫高速数据通信网络系统,也叫高速数据通道。通信接口。扩展接口。图5.55所示为简化的DCS系统框图。

图5.55 简化的DCS系统框图
图5.55 简化的DCS系统框图

基本控制单元式分散控制系统中以微处理器为核心的,直接控制生产过程的那一部分硬件和软件的总称,也叫控制站。它实现对生产过程的信号进行输入输出变换,对过程数据进行采集处理,完成预先组态的各种控制功能模块运算,实时地接受命令并对命令做出及时响应。

高速数据通道是一种具有高速数据通信能力的总线,通常采用双绞线、同轴电缆或光导纤维等,是分散控制系统的支柱。由于分散控制系统是一个由多处理机分散设置构成各种站的系统,它们之间的信息传递就显得十分重要,因此必须选择适当的通信网络结构、通信控制方式和通信介质,以保证信息高速可靠地传送。分散控制系统常用的网络结构有:总线型结构、环形结构和星型结构,在较大的分散控制系统中,为了提高系统的性能,常把几种网络结构合理地运用于一个系统中,以充分利用各种结构的优点。网络通信的存取控制方式分为存储转发式和广播式两种,广播式又可分为自由竞争、令牌和时间片等几种方式,常用的是令牌、自由竞争广播方式。

操作站包括操作员和工程师操作站两部分。运行人员可以通过操作员站完成各种操作命令,显示各种画面,进行生产过程运行状态调整。通过工程师操作站可以进行系统组态,控制系统参数调整。操作站是分散控制系统中对整个生产过程进行集中监视、生产管理、过程运行状态调整、系统的组态和维护的关键设备,直接与高速数据通道连接,并与基本控制单元进行数据的传送。

通信接口是配合高速数据通道完成各站(包括基本控制站、操作站)之间通信的基本部件,并安装于各站,直接与高速数据通道连接。它的作用在于保证数据传送的可靠性。

扩展接口是计算机的接口装置,它实现分散控制系统与其它通用计算机或网络进行信息的交换,将生产过程的运行参数送往生产管理网络,为管理者提供科学的决策依据。

5.6.2  分散式计算机控制系统的特点
分散式控制系统与以往的其他控制系统相比,具有如下特点:

1.功能分层体系
层次化充分体现了集中管理、分散控制的分散控制系统设计思想,成为分散控制系统(DCS)的重要体系特点。根据DCS的规模和实际工艺需要可将功能体系分成以下几层,如图5.56所示

图 5.56 分散控制系统DCS得分层结构
图 5.56 分散控制系统DCS得分层结构

过程控制级:直接与现场各类设备(如变送器、执行机构等)相连,对现场设备实施监测、控制、诊断和保护,同时通过高速数据通道与过程管理级交换信息。

过程管理级:包括监控计算机、操作员站和工程师操作站。它综合监视过程各点的所有信息,集中显示操作,进行控制回路组态和参数修改,优化过程处理(包括优化过程控制、自适应控制以及优化单元内各装置等)。

生产管理级:管理计算机完成比系统控制模式更宽的操作和逻辑分析功能,协调全厂的生产,实施全厂的生产调度与生产管理。

工厂经营管理级:位于工厂自动化系统的最高层,它主要实施全厂的经营性管理,包括工程技术、经济、商业事务等。

对于具体的DCS系统来说,并不一定都具有以上四层功能,大多数应用于中小规模的控制系统只有过程控制级和过程管理级,少数情况使用到生产管理级,在大规模的控制系统中才应用完全的四层模式。

2.容错能力
DCS具有很高的可靠性,广泛采用了容错、冗余技术。系统还具备软、硬件自诊断能力,使设备的故障率下降,缩短维护时间。

3.通信功能强
系统通过高速数据通道连接所有的站,系统内数据共享,可节约大量控制电缆、一次元件和变送器等,简化各子系统之间的接口,减少备品配件的品种和数量,降低维护、管理的工作量和费用。

4.功能齐全
DCS功能齐全,人机界面友好,它的集中操作显示功能,精简了常规监视仪表,为运行人员提供了综合性的画面和信息,有利于全面掌握和分析的工况,以及对生产过程的操作控制。从计算机的记录和打印,可迅速判断并处理事故,恢复运行。

5.扩展方便、组态灵活
DCS系统扩展方便,组态灵活、直观,便于控制方案的调整,能方便地实现许多复杂控制功能,提高控制品质,系统易于调试。

6.系统自动投入率高,从而降低生产成本,提高经济效益。

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