第3章 过程控制站,分布控制系统典型结构,过程控制站是DCS中实现过程控制的重要设备。 按控制方式，过程控制站分为：直接数字控制站、顺序控制站和批量控制站。 直接数字控制站：主要用于生产过程中连续量 (又称模拟量，例如，温度、压力、流量等)的控制； 顺序控制站：主要用于生产过程中离散量 (又称开关量，例如，电机的启/停、阀门的开/关等）的控制； 批量控制站：既可以实现连续量的控制，又可以实现离散量的控制。 目前大多数过程控制站均能同时实现连续控制、顺序控制和逻辑控制功能，统称过程控制站。,3.1 过程控制站的结构 3.2 基本控制单元的种类 3.3 基本控制单元的硬件 3.4 基本控制单元的软件 3.5 基本控制单元的可靠性措施,一、机械结构 标准的机柜式结构,31 过程控制站的结构,AC800F 控制器,ABB AC 800 FieldController 集成现场总线控制的过程站； 控制功能覆盖快速开关逻辑到复杂闭环控制； 4条高速现场总线； 支持控制器冗余功能； 全集成到系统Engineer IT 编程组态； 从现场设备到操作员站，为全局数据库； 紧凑型的安装尺寸；,二、系统结构,基本控制单元 组成: 处理器模件：完成控制或数据处理任务； 输入/输出模件：与处理器模件相连。 基本控制单元之间通过控制网络Cnet连接，Cnet网络上的上传信息通过通信模件，送到监控网络Snet，同理Snet的下传信息，通过通信模件和Cnet传到各个基本控制单元。 每个基本控制单元中，处理器模件与输入/输出模件之间的信息交换由内部总线完成。内部总线可能是并行总线，也可能是串行总线。近年，越来越多的分散型控制系统在处理器模件和输入输出模件之间采用串行总线，简化了系统结构，提高了信息传输的可靠性。,32 基本控制单元的种类,基本控制单元BCU(Basic Conuol Unit)：DCS中直接控制生产过程的那一部分硬件和软件的统称。 功能：BCU接受来自传感器或变送器的过程变量，按照一定的控制策略，计算出需要的控制变量，并把这些控制变量传送到生产过程中去，通过执行机构去调整生产过程中的温度、压力、流量、液位等被控变量。 BCU分为三种类型 ： 1.单回路型 2.功能分离型 3.多回路型,1单回路型 2功能分离型 3多回路型,基本控制单元硬件： 1.一个完成控制算法或数据任务的处理器模件 2.与其相连的其他输入/输出模件 输入/输出模件: 模拟量输入模件(AI) 模拟量输出模件(AO) 开关量输入模件(DI) 开关量输出模件(DO) 脉冲量输入模件(PI)等基本模件。 还有通信接口模件，专门用于汽轮机电液控制系统的液压伺服模件， 用于连接现场总线的现场总线模件等专用模件。,33 基本控制单元的硬件,完成过程控制的核心模件，完成用户所设计的各种控制策略。,一、处理器模件,接受现场来的模拟量信号，对量程、零点校正和调整，并转换为数字量，转换为工程单位，然后经I/O总线传送给处理器模件。 输入的电信号有: 毫伏级电压信号 电流信号，一般采用42OmA标准。 电压信号,二、模拟量输入模件,把控制量信号转化成具有一定负载能力的电压或电流信号，输出到执行机构，实现对生产过程的控制。 输出信号与作用 * 模拟量输出通道一般输出42OmA的电流信号给执行机构。 * 控制各种直行程或角行程电动执行机构的行程； * 通过调速装置(如交流变频调速器)控制各种电机的转速； * 通过电-气转换器或电-液转换器来控制各种气动或液动执行机构，例如控制气动阀门的开度等等。 * DAC精度有8位，10位，12位几种。每板提供48路AO。,三、模拟量输出模件,组成：I/O总线接口、模件存储器、寄存器、D/A转换器、采样/保持器、模拟量输出电路、控制逻辑、反馈选择、A/D转换器等几部分组成的。,四、开关量输入模件,接受现场输入的开关量信号，进行预处理后，将反映开关量状态变化的数字量信号经I/O总线送往处理器模件。 输入各种限位(限值)开关、继电器或电磁阀门连动触点的开、关状态； 输入信号：交流电压信号、直流电压信号或干接点。,组成：输入隔离电路、阈值判别电路、控制逻辑电路、模件状态监测电路、I/0总线接口等部分。,五、开关量输出模件,通过I/O总线接收处理器模件输出的开关量信号，经该模件输出，以控制现场的开关量控制设备。 控制电磁阀门、继电器、指示灯、声报警器等(只具有开、关两种状态) 设备。 组成：输出寄存器、输出选择器、输出驱动电路、状态缓存器、故障控制逻辑、故障状态寄存器、总线故障监测电路等部分组成。,将生产过程中的脉冲量信号进行处理，存储并通过I/O总线传送给处理器模件。 有三种工作方式:积算方式、频率方式和周期方式。,六、脉冲量输入模件,七、现场总线模件,是现场总线与DCS间的一个接口。 为现场的智能装置提供数字通信通道。在一条现场总线通信线路上，可以并联连接32个符合该现场总线通信协议的智能设备。 智能设备以全数字方式传递过程变量、控制变量、状态信息、管理信息等。 有些现场总线模件支持数/模混合通信。以420mA的模拟量信号传输过程变量信号，其他信号的数字量调制信号叠加在模拟量信号上传输。,八、过程控制站通信接口,是连接基本控制单元的控制网络Cnet与连接运行员操作站以及其他站的监控网络Snet之间的通信接口。 从某种意义上来说，它就是一个网间连接器。,基本控制单元的控制和计算功能是由程序存储器中的程序，以及工作存储器中的参数决定的。 在BCU中存储的程序和参数都是以二进制的形式存在的。 必须有一种合适的语言使用户能够方便地描述BCU所要完成的控制和计算功能，这就是基本控制单元的语言。,34 基本控制单元的软件,目前DCS大多采用梯形图和功能块编程语言。 1979年国际电工委员会制定的IECl131-3共制定了5种编程方法，其中有三种为图形化编程方法： *功能块图FBD(Function Block Diagram) *梯形图LD(LadderDiagram) *顺序功能图SFC(Sequential Function Chart)； 两种为文本化语言： *指令表IL(Instruction List) *结构化文本ST(Structured Text)。 除此之外，在许多DCS中还支持面向问题的语言POL (Problem Oriented Language)和通用的高级语言，如BASIC、Fortran和C的编程，实现一些特殊的控制算法。,一、编程语言的种类,二、功能块,是一种预先编好程序的软件模块，用户确定它的参数，并且通过组态将其连接在一起。 每个功能块完成一种或几种基本的控制功能，如PID控制、开方运算、乘除运算等。 功能块的描述方法一般归纳为以下几个要点： * 矩形框表达一个功能块； * 功能块的输入、输出信号用有向线段来表示； * 矩形框内的符号代表功能块所实现的功能。,要在系统中确定一个功能块的连接关系和控制功能，必须定义以下三类参数: (1)功能码 说明功能块所完成的功能，一种功能块有惟一的功能码，由厂家确定。 (2)块地址 功能块的运算输出结果的存放地址。大多数功能块的块地址是用户组态时确定的。 (3)输入说明表和参数说明表 一个完整的块地址由基本控制单元地址、模件地址、块地址三部分组成。例如，在1号基本控制单元中，5号模件的第13号块地址为,功能块的应用实例,一个采用常规仪表组成的流量控制系统，由变送器、执行器、开方器、调节器、操作等仪表设备组成。如果采用DCS的基本控制单元来实现流量控制，则只需要选用适当的功能块，通过组态把它们连接在一起即可。,梯形图来源于传统的继电器逻辑控制图。 特别适合于逻辑控制和顺序控制。 例如电机的启停控制、阀门的顺序开关，以及保护和报警系统等。 在IECl131-3标准中除了包含传统梯形图中的常开、常闭接点和继电器线圈之外，还允许使用功能块。,三、梯形图,举例：电动机的正反转控制；,举例：三容液位控制。功能块的使用。,相对较高层次的图形语言. 协调用其他编程语言所编写的控制功能，使其有条不紊地执行。常用以组织复杂的控制系统功能。 顺序功能图由“步”和“转换点”组成，每个转换点具有一定的逻辑条件。步和转换点通过有向连线连接在一起。 两条重要的基本原则:两个步不能直接相连；两个转换点不能直接相连。 包括单一顺序、选择顺序、并发顺序、循环顺序。,三、顺序功能图,3.5 基本控制单元的可靠性措施,基本控制单元是直接控制生产过程的重要环节，可靠性要求高，即使在故障情况下，也应保证生产过程的安全。 可靠性措施： 一、手动后备 二、冗余 三、在线诊断 四、输出保护,一、手动后备,应用十分普遍的后备方法。 当控制系统故障时，运行人员通过操作器或操作开关手动控制生产过程。 在DCS中，习惯上把手动操作设备称为手动操作站。当BCU故障时，系统就转换为运行人员手动控制。,二冗余,在DCS中，冗余技术的应用十分广泛。 通信总线、通信接口、I/O模件、电源设备等均可采取冗余措施，这里主要讨论基本控制单元的冗余。 1CPU冗余 21:1冗余 3N:l冗余 4多重冗余,1CPU冗余,是一种部分冗余措施。 一般用在控制回路比较多的基本控制单元中，因为这种情况下，CPU故障会影响所有的回路。,2、1:1冗余,采用另一个完整的基本控制单元作为备用，称为1:1冗余，如图所示。,3、N:l冗余,1:1冗余造价很高， N：1冗余则比较经济。,4多重冗余,用于要求可靠性极高的场合。,三、在线诊断,利用BCU中的微处理器实现在线诊断，在BCU的指令系统中有各种自诊断程序。 诊断程序可分为输入诊断、组态诊断、内存诊断、输出诊断、联合诊断、电源系统诊断、启动过程诊断、工作过程诊断和周期性诊断等。,四、输出保护,BCU的输出信号是直接控制生产过程的。如果BCU在故障时输出信号发生紊乱，就会严重影响生产过程的运行，甚至会造成人身伤亡或者设备损坏。 BCU的输出电路中常采用各种安全保护措施，保护原则如下: (1)尽量减少每个D/A转换器所控制的输出通道数。 (2)模拟量和开关量输出在BCU故障时应进入安全状态。 (3)输出电路的电源最好与BCU其他部分的电源分开。 (4)输出电路将输出的实际值反馈到BCU中，有两个目的:一是可以让BCU检查输出的正确性；二是让BCU与手动操作站或其他冗余BCU之间实现无扰切换。 (5)尽量减少输出电路中硬件和接线的数量。,控制器冗余连接,Ethernet 模件 第2个 Ethernet 模件用于控制器冗余连接 IP 地址设定为 15 (Hex = F) 作为LINK模件 2个控制分别设定为不同 IP 地址 (IP1/ IP2) P 代表 主控制器, S 代表后备控制器,1.过程控制站的系统结构是怎样的？由哪几部分组成？各部分的功能是什么？ 2.DCS常采用的编程语言有哪些？ 3.基本控制单元可采用哪些可靠性措施？ 4.什么是CPU冗余，1：1冗余，N：1冗余，多重冗余？,第 3章 习 题,