集散控制系统工程设计

合肥学院HEFEI UNIVERSITY集散控制系统的工程设计班级： 10姓名：学号： 10指导教师：完成时间：集散控制系统的工程设计现代科学技术领域中，计算机技术和自动化技术被认为是发展较快的两个分支，工业自动化根据生产过程的特点可分为过程控制和制造工业自动化及自动化测量系统。

过程控制自动化是以流程工业为对象，流程工业自动化控制一般采用集散控制系统(DCS)。

一、DCS控制系统介绍集散控制系统（Distributed control system）是以微处理器为基础的对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的集中分散控制系统，简称DCS系统。

该系统将若干台微机分散应用于过程控制，全部信息通过通信网络由上位管理计算机监控，实现最优化控制，整个装置继承了常规仪表分散控制和计算机集中控制的优点，克服了常规仪表功能单一，人机联系差以及单台微型计算机控制系统危险性高度集中的缺点，既实现了在管理、操作和显示三方面集中，又实现了在功能、负荷和危险性三方面的分散。

DCS系统在现代化生产过程控制中起着重要的作用。

DCS的工程设计主要有12项内容，按先后顺序排列如下：方案论证，DCS 评估，DCS询价，技术谈判，合同签订，开工会议，系统设计，组态编程，安装调试，现场投运，整理文件，工程验收。

1.1集散控制系统的组成1、现场控制级又称数据采集装置，主要是将过程非控变量进行数据采集和预处理，而且对实时数据进一步加工处理，供CRT操作站显示和打印，从而实现开环监视，并将采集到的数据传输到监控计算机。

输出装置在有上位机的情况下，能以开关量或者模拟量信号的方式，向终端元件输出计算机控制命令。

在DCS系统中，这一级别的功能就是服从上位机发来的命令，同时向上位机反馈执行的情况。

至于它与上位机交流，就是通过模拟信号或者现场总线的数字信号。

由于模拟信号在传递的过程或多或少存在一些失真或者受到干扰，所以目前流行的是通过现场总线来进行DCS信号的传递。

2、过程控制级又称现场控制单元或基本控制器，是DCS系统中的核心部分。

生产工艺的调节都是靠它来实现。

比如阀门的开闭调节、顺序控制、连续控制等等。

它接受现场控制级传来的信号，按照工艺要求进行控制规律运算，然后将结果作为控制信号发给现场控制级的设备。

这个级别不是最高的，相当于军队里的“中尉”。

它也一样必须将现场的情况反馈给更高级别的“上校”也就是下面讲的过程管理级。

3、过程管理级DCS的人机接口装置，普遍配有高分辨率、大屏幕的色彩CRT、操作者键盘、打印机、大容量存储器等。

操作员通过操作站选择各种操作和监视生产情况，这个级别是操作人员跟DCS交换信息的平台。

是DCS的核心显示、操作跟管理装置。

操作人员通过操作站来监视和控制生产过程，可以通过屏幕了解到生产运行情况，了解每个过程变量的数字跟状态。

它可以根据需要随时进行手动自动切换、修改设定值，调整控制信号、操纵现场设备，以实现对生产过程的控制。

4、经营管理级又称上位机，功能强、速度快、容量大。

通过专门的通信接口与高速数据通路相连，综合监视系统各单元，管理全系统的所有信息。

这是全厂自动化系统的最高一层。

只有大规模的集散控制系统才具备这一级。

它的权限很大，可以监视各部门的运行情况，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，帮助企业管理人员进行决策，帮助企业实现其计划目标。

1.2 集散控制系统的特点DCS控制系统与常规模拟仪表及集中型计算机控制系统相比，具有很显著的特点。

1.2.1系统构成灵活从总体上看，DCS就是由各个工作站通过网络通信系统组网而成的。

你可以把他现象成“因特网”。

根据生产需求，你可以随时加入或者撤去工作站。

系统组态很灵活。

1.2.2 操作管理便捷DCS的人机反馈都是通过CRT跟键盘、鼠标等实现的。

你可以想象成在因特网冲浪一样，你可以监视生产装置乃至整个工厂的运行情况。

1.2.3 控制功能丰富原先用模拟控制回路实现的复杂运算，通过高精度的微处理器来实现。

难道还有什么算法CPU实现不了的吗？！1.2.4 信息资源共享你可以把工作站想象成因特网上的各个网站，只要你在DCS系统中，并且限够大，你就能了解到你要的任何参数。

1.2.5 安装、调试方便相比原先的模拟控制系统，那么多的飞线头，一大堆类似头发丝的电线。

DCS系统算是很方便了。

1.3 DCS系统的硬件结构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。

现场控制站中的主要设备是现场控制单元。

现场控制单元式DCS直接与生产过程进行信息交互的IO处理系统，它的主要任务是进行数据采集及处理，对被控对象实施闭环反馈控制、顺序控制和批量控制。

用户可以根据不同的应用需求，选择配置不同的现场控制单元构成现场控制站。

它可以是以面向连续生产的过程控制为主，辅以顺序逻辑控制，构成的一个可以实现多种复杂控制方案的现场控制站；也可以是以顺序控制、连锁控制功能为主的现场控制站；还可以是一个对大批量过程信号进行总体信息采集的现场控制站。

现场控制站是一个可以独立运行的计算机检测控制系统。

由于它是专为过程检测、控制而设计的通用型设备，所以其机柜、电源、输入输出通道和控制计算机等，与一般的计算机系统有所不同。

二、DCS系统选型及其硬件配置说明2.1 DCS系统选型系统选型涉及到多方面的技术问题。

可以概括成以下原则：可靠性原则、实用性原则、先进性原则、经济性原则。

目前国内比较有代表性的DCS厂家主要有浙江中控技术股份有限公司、上海新华控制技术有限公司、北京和利时系统工程股份有限公司。

以浙江中控的SUPCON JX-300X系统控制工业锅炉为例。

2.2 DCS系统SUPCON JX-300X该DCS系统由工程师站、操作站、控制站、过程控制网络等组成。

（1）工程师站是为专业工程技术人员设计的，内装有相应的组合平台和系统维护工具。

通过系统组态平台生成适合于生产工艺要求的应用系统，具体功能包括：系统生成、数据库结构定义、操作组态、流程画面组态、报表程序编制等。

而使用系统的维护工具软件实现过程控制网络调试、故障诊断、信号调校等。

（2）操作站是由于工业PC机、CRT、键盘、鼠标、打印机等组成的人机系统，是操作人员完成过程监控管理任务的环境。

高性能工控机、卓越的流程图机能、多窗口画面显示功能可以方便地实现生产过程信息的集中显示、集中操作和集中管理。

（3）控制站是系统中直接与现场打交道的I/O处理单元，完成整个工业过程的实时监控功能。

控制站可冗余配置，灵活、合理。

在同一系统中，任何信号均可按冗余或不冗余连接。

（4）过程控制网络实现工程师站、操作站、控制站的连接，完成信息、控制命令等传输，双重化冗余设计，使得信息传输安全、高速[10] 。

2.3 系统整体结构JX-300X DCS 采用三层通信网络结构，如图1。

最上层为信息管理网，采用符合TCP/IP协议的以太网，连接了各个控制装置的网桥以及企业内部各类管理计算机，用于工厂级的信息传递和管理，是实现全厂综合管理的信息通道。

中间层为过程控制网（名称为Scnet Ⅱ），采用了双高峰冗余工业以太网ScnetⅡ作为其过程控制网络，连接操作站、工程师站和控制站等，传输各种实时信息。

底层网络为控制站内部网络（名称为SBUS ），采用主控制卡指挥式令牌网，存储转发通信协议，是控制站各卡件之间进行信息交换的通道。

作为典型的通信系统，JX-300X 系统有如下类型的节点：1）现场过程控制设备节点、2）操作监视设备节点、3）智能设备的通信接口节点4）工程师站、5）高级计算机站。

2.4 系统性能1、工作环境工作温度： 0℃～50℃存放温度： －40℃～70℃湿度： 50℃时，5%～15%2、输入与输出一般分类为模拟量输入（0~5VDC ，4~20mADC ，热电阻，热电偶）、脉冲量输入（频率，幅值）、开关量输入（触电式，位式）、模拟量输出（0~5VDC ，4~20mADC ）、开关量输出（电压，电流），特殊输入或输出。

控制站：图1 JX300X 系统结构图双路供电，85～264VAC，47～400Hz，最大600W，功率因数校正：操作站、工程师站和多功能站：200～250VAC，50Hz，最大500W3、接地电阻在普通场合接地电阻不大于4Ω，在变电所，电厂及有大型用电场合接地电阻不大于1Ω。

4、电磁兼容性电磁兼容性（EMC）是指设备在其电磁环境中正常工作且不在环境中其他事物构成不能承受的电磁干扰能力，电磁兼容干扰（EMI）和电磁敏感度（EMS）两方面。

系统完全按照工业环境的通用抗干扰型标准设计，并经严格测试，使系统在抗干扰方面有很大的提高，完全能满足恶劣电磁环境下的工作要求。

三、DCS系统的抗干扰措施系统生产过程中，各种设备复杂，各种等级的电缆较多，常会出现干扰现象，产生干扰的原因主要有电磁感应，静电感应，雷击，接地电位的不同，感应负载以及输入输出信号线路传输等，由此给电源，信号线，接地线，I/O设备以及计算机本身加上干扰，如果DCS系统抗干扰问题解决不好，系统就无法可靠稳定地运行。

3.1 电源系统的干扰及应采取的措施在供电回路中采用隔离变压器使DCS系统接地与动力强电系统地独立开来，由于强电接地点与DCS系统接地点所处的电位不一定相等，易产生共模电源干扰，所以从抗共模干扰角度来看DCS接地系统应为独立接地系统。

采用UPS电源可作为DCS系统的备用电源，以免计算机系统数据丢失和控制系统失灵引起事故发生，而且还可以防止生产现场的纹波和尖峰干扰，以及断电影响。

3.2 电磁干扰及应采取的措施电磁感应产生地磁场干扰，会造成变速器不能正常工作，也会造成显示器画面摆动，色斑颜色纯度变化，有时甚至破坏计算机的磁盘内存存储的内容，造成DCS系统瘫痪不能运行。

解决电磁干扰的措施是：DCS系统设备要远离产生磁场的设备，与磁场相隔离。

一般DCS系统的输入输出转换组件、通讯组件、控制站微处理器组件等要安装在带通风装置的铁皮柜内，铁皮柜的屏蔽作用增强了控制系统抗干扰的能力。

3.3 信号线的传送干扰及应采取的措施DCS控制系统控制对象是工业生产中的温度、压力、流量等参数，这些参数的检测都是通过热电阻、热电偶、变送器等转换后进入DCS系统的，为了防止在线路传输过程中产生干扰，一般用屏蔽电缆，敷设时尽量不与动力电缆靠近或平行敷设，并应远离大功率变压器等感性负载。

四、DCS系统软件组态4．1 集散控制系统组态概念集散控制系统（Distributed Control System—DCS），是一种以微处理器为基础的分散型综合控制系统。

DCS综合计算机技术、网络通讯技术、自动控制技术、冗余及自诊断技术等先进技术，目前已成为工业过程控制的主流系统。