DCS控制系统.doc

第一章DCS控制系统1.分散控制系统概论DCS的结构是一个分布式系统，其实质是利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的一种控制技术。它是由计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、通信网络技术和人机接口技术相互渗透发展而产生。目前，分散控制系统已经发展成为工业生产过程自动控制装置的主流。2.DCS控制系统系统意义 分散控制系统的发展历史和现状分散控制系统就是以大型工业生产过程及其相互关系日益复杂的控制对象为前提，从生产过程综合自动化的角度出发，按照系统工程中分解与协调的原则研制开发出来的，以微处理机为核心， 结合了控制技术、通信技术和CRT显示技术的控制系统。分散控制系统是1975年首先由美国霍尼威尔(Honeywell)公司推出的。20世纪80年代，随着微处理器运算能力的增强，超大规模集成电路集成度的提高和成本的不断降低，给过程控制的发展带来新的面貌，使得过去难以想象的功能付诸了实施，推动着以微处理器为基础的过程控制设备和集散型控制系统、可编程序控制器、可编程序调节器和过程变送器等同步发展。在这一时期中出现了第二代、第三代产品。20世纪90年代，DCS发展很快，出现了生产过程控制系统与信息管理系统紧密结合的管控一体化的新一代DCS。DCS向综合性，开放化发展。广泛应用于工业领域的DCS(分散型数字控制系统)自问世以来已经经过近30年的时间，发达国家普及率已经相当高，且已超过产品生命周期的高峰期，进入衰减期。因此，销售量逐年下降。加之最近几年全球经济不景气，新建工程很少，改造投入也大幅度减少，使得DCS 的市场十分萧条。而中国的DCS市场目前正处于上升和发展时期，而且有很大的市场空间。所以，全球的DCS制造商都将目光转向中国市场，展开激烈的竞争。我国DCS发展较晚，目前还处在从大型工程逐步向中、小型工程，从主应用领域(如石化、化工、电力、冶金等行业)逐步向全工业范围(如市政、食品、建材、环保、交通等)扩展的阶段，市场远没有饱和。特别在最近一段时期，将会有大量的国内企业要采用先进的DCS来改造传统产业，技术改造为DCS 提供了十分巨大的市场空间。 政策分析随着中国国力的提高，国家政府比较重视在国产重大装备上实现本土化，从国家863项目组立项的自动化控制方面的项目看，这些都得到了体现。和利时进行核电控制系统的开发，成立广利核公司；中控中标武汉石化项目；国电智深在超临界和超超临界机组的中标。无一不表明，国家的这种决心，在政府的积极支持下，这种趋势更加明显。 市场分析 2012年国内DCS市场分布图DCS市场为项目型市场，DCS市场是一个相对简单的市场，参与的竞争厂商少，同时竞争的领域和优势分明。DCS需要一个长期的经验积累，特别是对工艺的理解和吸收。随着市场竞争的激烈，导致只关注大型项目已经不能满足业绩增长的需求，国外厂商开发小规模DCS系统的市场，因此，DCS厂商利用原有的市场优势，逐步拓展在辅机系统上的应用，甚至开始开发PLC产品。PLC和DCS在小规模控制领域的界限逐步模糊，许多厂商在原先使用大中型PLC场合的现场，使用小型DCS进行了替代，这方面国产的DCS系统更加优势，小点数的国产DCS系统和国外品牌的高端PLC价格相差无几。 电厂环境改造全球性的保护环境运动和日趋严格的环保法规，迫使越来越多的国家在电厂设备改造上投入巨额资金。目前项目主要集中在节能减排方面，安排大修技改项目资金，提高项目的针对性、适用性，加大对重大技术改造项目的投入力度，依靠技术进步实现装备水平不断升级。电力企业响应国家节能减排号召，通过深入开展节能减排，实施供热改造、通流改造、凝汽器改造、小油枪改造和疏水回收等节能项目。积极落实各项环保措施，加强环保技术监督和设备管理维护，安装烟气排放连续监测系统进行跟踪，有效控制了污染物排放指标。加快对火电机组的节能减排改造、集中供热改造等。 市政行业发展从2002年开始，国家政府开始鼓励民间资本进入市政领域，由于市政公用事业投资收益稳定，因此污水处理、垃圾处理、城市供水、供气、市政园林绿化等领域受到了民间资本的青睐。和发达国家相比，中国的市政配套设施建设还远不够完善，因此各地政府积极支持这种类型的投资。市政行业DCS应用在供热、水处理等。 造纸和水泥行业的发展在造纸和水泥行业由于质量、人员成本等的限制，现有的生产模式已不能适用日趋发展的要求，DCS系统的应用，不仅能够实现实时质量控制还可以按照生产管理要求进行精简处理，企业的生产管理达到现代化信息化管理水平，使其真正实现生产控制自动化、生产管理信息化。从长期市场来看，工业领域内的大型项目呈现减少的态势，项目的减少是必然趋势，长期而稳定的繁荣会在中小型项目市场，譬如化工、水处理、水泥等，这类市场是未来厂商竞争的重点。 竞争力分析 2012年DCS系统厂家分布图DCS主要生产厂家集中在美、日、德等国。如美国HONEYWELL的TDC3000MICRO TDC3000,TDC3000X等；FOXBORO的I/AS；WESTING HOUSE的WDPF；WAILEY的NETWORK90、INFI90；日本横河的CENTUM、CS；YEWPACK的MARK II；德国SIEMENS的TELEPERM；ABB公司的MOD300、SIPAOS200等等。 我国几家以自主研制为主的DCS专业化公司，如北京的和利时公司和航天测控公司，杭州的浙大中控公司和威盛公司以及上海的新华公司等。这些公司不仅占据了一定的市场份额，积累了发展的资本和技术，同时使得国外引进的系统价格也大幅度下降，为我国自动化推广事业作出了贡献。例如，上海新华公司和北京和利时公司的产品在大型火电机组控制系统方面基本取代了进口系统，在推广多套20万千瓦火电机组控制系统的基础上，正在努力进入30万千瓦和60万千瓦火电机组控制系统。近年来，DCS项目利润水平的降低和国产化加剧，国外厂商在中国本土的业务压力越来越大，但是从目前中国市场来看，DCS卡件本土化生产程度很低，国外厂商将卡件的利润紧紧握在手里。这也成为目前中国的业务部门面临的最为头痛的问题，一方面要在国内运营，另一方面还要维持业绩增长和利润水平，这也成为国外厂商在国内发展一个最大的瓶颈。3.技术分析分散控制系统的结构图 分散控制系统的结构 DCS的硬件系统主要由集中操作管理装置、分散过程控制装置和通信接口设备等组成。通过通信网络将这些硬件设备连接起来，共同实现数据采集、分散控制和集中监视、操作及管理等功能。 DCS通常采用若干个控制器（过程站）对一个生产过程中的众多控制点进行控制，各控制器间通过网络连接并可进行数据交换。生产控制操作采用计算机操作站，通过网络与控制器连接，收集生产数据，传达操作指令。 从结构上划分，系统中的所有设备分别处于四个不同的层次，自下而上分别是：现场级、控制级、监控级和管理级。对应着这四层结构，分别由四层计算机网络即现场网络Fnet(Field Network)、控制网络Cnet(Control Network)、监控网络Snet(SupervisoBNetwork)、管理网络Mnet(Management Netwark) 把相应的设备连接在一起。四层分别介绍如下： 现场级 现场级设备一般位于被控生产过程的附近。典型的现场级设备是各类传感器、变送器和执行器， 它们将生产过程中的各种物理量转换为电信号。例如420mA的电信号，送往控制站或数据采集站，或者将控制站输出的控制量(420mA的电信号或现场总线数字信号)转换成机械位移，带动调节机构，实现对生产过程的控制。 控制级控制级主要由过程控制站和数据采集站构成。过程控制站接收由现场设备，如传感器、变送器来的信号，按照一定的控制策略计算出所需的控制量，并送到现场的执行器中去。过程控制站可以同时完成连续控制、顺序控制或逻辑控制功能，也可能仅完成其中的一种控制功能。数据采集站与过程控制站类似，也接收由现场设备送来的信号，并对其进行一些必要的转换和处理之后送到分散型控制系统中的其他部分，主要是监控级设备中去。 数据采集站接收大量过程信息，并通过监控级设备传递给运行人员。区别于过程控制站，数据采集站不直接完成控制功能。控制及组成：机柜、机笼；卡件的组成：主控卡、数据转发卡、IO板块及端子板。 控制柜结构图 板卡的组成 控制站内部以机笼为单位。机笼固定在标准机柜内。每个机距可配置几个机笼。 机笼根据内部所插模板型号分为两类：主控制机笼（配置有主控制器等）和I/O扩展机笼（不配主控制器模板）。主控制机笼可以配置主控制板和I/O模板及相应的信号处理端子板。扩展I/O机笼可以配置I/O模板及相应的I/O信号处理端子板。另外不管主机笼和I/O扩展机笼都还可配置电源冗余。在一个现场控制站内，主控制卡通过I/O NET网络可以挂接I/O模板。主控制卡是一个控制站的心脏。实现对IO模块的数据采集及运算和数据交换。可以冗余配置，以保证实时过程控制的可靠性和安全性。IO模块由置于主控机笼和扩展机笼内部的IO模块及对应端子模块共同构成。IO模块与与对应端子模块通过预置电缆连接，用于完成现场数据采集、处理与驱动，实现现场数据的数字化。每个IO单元通过现场总线与主控单元建立通讯。 监控级监控级的主要设备有运行员操作站、工程师工作站和计算站。运行员操作站是运行员与分散型控制系统相互交换信息的人机接口设备。运行人员通过运行员操作站来监视和控制整个生产过程。运行员可以在运行员操作站上观察生产过程的运行情况，读出每一个过程变量的数值和状态，判断每个控制回路是否工作正常，并且可以随时进行手动自动控制方式的切换，修改给定值，调整控制量，操作现场设备，以实现对生产过程的干预。另外还可以打印各种报表，拷贝屏幕上的画面和曲线等。 工程师工作站是为了控制工程师对分散控制系统进行配置、组态、调试、维护所设置的。工程师工作站的另一个作用是对各种设计文件进行归类和管理，形成各种设计文件，例如，各种图纸、表格等。 管理级厂级管理系统的主要任务是监测企业各部分的运行情况，利用历史数据和实时数据预测可能发生的各种情况，从企业全局利益出发辅助企业管理人员进行决策，帮助企业实现其规划目标。作为DCS更高的应用，目前在一些电厂并非为标准配置，随着控制要求的提高，在原有的控制基础中加入工厂管理信息系统（MIS系统）也是将来的发展方向。 控制系统的通讯网络第一层高层管理网。高层管理网用于大容量文件的高速传输，资源信息的共享，支持采用大型数据库功能，并可将本地控制系统接入企业Intranet。它连接了中央管理计算机、工作站、网络管理器等，是实现全程综合管理的信息通道。系统网采用实时工业以太网与工程师/操作员站连接，构建星型、环型、及总线型拓扑结构的高速冗余安全网络，符合TCP/IP和IEEE802.3及IEEE802.3u标准，通讯速率10/100/1000Mbps自适应，传输方式采用曼切斯特编码方式，传输介质为带有RJ45连接器的5类双绞线或光纤，基于可靠的工业以太网通讯协议。第二层过程控制网，称为SCnet 。DCS主干网SCnet 网是直接连接工程师站、操作站与控制站等的双重化通信网络，用于过程实时数据、组态信息、诊断信息等所有现场控制层信息的高速可靠传输。通过挂接网桥转接，可与高层管理网络或其它厂家设备联接。拓扑结构采用总线型或星型，采用曼切斯特编码方式传输，符合TCP/IP和IEEE802.3标准，通讯介质采用光纤或双绞线。SCnet 网络中，通信电缆分为柜内电缆和引出电缆。柜内电缆采用双绞线，引出电缆根据具体的网络结构选择合适的类型，可以选择双绞线或光纤。双绞线适用于控制站机柜内部、控制室内部、非工业现场内部等电气干扰较轻、距离较短（小于100M）的通讯线路的连接。双绞线典型的网络拓扑结构为星型，在双绞线连接的网络中，必需使用集线器。暴露在地面的双绞线必需使用保护套管，电气干扰较重的场所，双绞线必需使用金属保护套管。光缆主要用于引出电缆，适用于工业现场电气干扰较严重、距离很长（最长达到2000M）的通信线路的连接。由于光纤不是使用电传输的所有有很强的抗干扰能力，在光纤连接的网络中，必须使用收发器与节点连接。第三层网络是控制站内部I/O控制总线，称为SBUS，分SBUS-S2、SBUS-S1。采用SBUS总线与自动化系统各个IO模块及智能设备连接通讯，符合IEC61158国际标准（国标：JB/T10308-2001,欧标:EN50170）。采用主、从站间轮询的通讯方式。使用多种通讯介质（双绞线、光纤以及混合方式）。SBUS总线的第一层为双重化的总线SBUS-S2，SBUS-S2总线是系统的现场总线，物理上位于控制站所管辖的多有卡件机笼之间，连接了主控卡与数据转接卡，用于主控卡与数据转接卡之间的信息交换。符合电气标准EIA的RS485标准，通信介质选用双绞线，主控卡指挥式令牌的存储转发通信协议，采用总线型结构，传输方式采用二进制码。SBUS总线的第二层为SBUS-S1网络。物理上位于IO机笼内，连接了数据转接卡和各块IO卡件，用于数据转接卡与IO卡之间的数据交换。SBUS-S1与SBUS-S2合起来称为SBUS总线，主控卡通过他们来管理分散于各个机笼内的IO卡件。采用数据转发卡指挥式令牌的存储转发通信协议，SBUS-S1所于系统内局部总线，采用非冗余的循环寻址方式。分散控制系统的特点 分散控制系统能被广泛应用的原因是它具有优良的特性。与模拟电动仪表比较， 它具有连接方便，显示方式灵活，显示内容多样，软连接方式提供了更改方便的优点等。而与计算机集中控制系统比较，它具有操作监督方便、危险分散、功能分散等优点。 分级递阶控制分散控制系统是分级递阶控制系统(Hierarchical Control System)。它在垂直方向或水平方向都是分级的。分级递阶系统的优点是各个分级具有各自的分工范围，相互之间有协调，通常，这种协调是通过上一分级来完成的。上下备分级的关系通常是下面的分级把该级及它下层的分级数据送到上一级，由上一级根据生产的要求进行协调，并给出相应的指令及数据，通过数据的通信系统， 把数据送到下层的有关分级。 分散控制 分散控制是分散控制系统的另一特点，分散是针对集中而言的。分散的含义不单是分散控制， 它还包含了其他意义。例如，人员分散、地域分散、功能分散，危险分散、设备分散及操作分散等。分散的目的是为了使危险分散，提高设备的可利用率。 自治和协调性 分散控制系统的各组成部分是各自为政的自治系统，它完成生产过程的数据采集、信号处理、计算和数据的发送等功能。通讯系统则完成操作管理装置与分散过程控制装置问的数据传输。实现上一级与下一级问的协调及同级间数据的协调。分散控制系统的自治和协调性使分散控制和递阶协调控制得以实现。分散的基础是被分散的系统应是自治的系统。递阶分级控制的基础是被分级的系统是相互协调的系统。分散的各个自治系统是在统一的集中管理和协调下各自分散工作的。没有自治和协调就没有分散控制，没有自治和协调就不能进行递阶分级控制。 开放系统 开放系统是以规范化与实际存在的接口标准为依据而建立的计算机系统、网络系统及相关的通讯系统。开放系统的基本特征如下： (1)可移植性：可移植性指第三方的应用软件能很方便地在系统所提供的平台上进行，有时可能有小的修改。它可能也包含程序的可移植性、数据的可移植性和人员的可移植性等。 (2)互操作性：开放系统的互操作性指不同的计算机系统与通讯系统能互相连接；通过互联，能正确有效地进行数据的互通；在数据互通的基础上能协同工作，共享资源，完成应用功能。 (3)可适宜性：系统对计算机的运行要求越来越宽松。某些较低级别系统中运行的应用软件能在高级别的计算机系统中运行，适应性提高。同样，版本高的系统软件也能适用于低级别版本的系统中。 (4)系统的用户对产品的选择，不必考虑是否是原系统制造厂商的产品，只要符合标准的其他制造厂商产品都可选用，使朋户选择产品的灵活性人人提高。 分散控制系统是开放系统，它具有开放系统的所有特征，使分散控制系统的应用、选择、产品的更换等变得方便。