第1章 分散控制系统基础

分散控制系统基础
2. 信息传输控制技术
信息传输控制技术：通信网络上连接着众多的设备，要实现设备之间的信息传 送，必须有适合于不同网络结构的信息传输控制技术，常用的信息传输控制技术有 ：查询式、广播式、存贮转发式。
查询式
这是一种有主站控制的通信协议方式，适用于具有主从节点的网络结构。处于 网络中的主节点对网络行使控制作用。它按次序查询各从节点是否需要通信，需要 发送信息的从站把信息送给主站，再由主站把信息发送给需要的其它从站。其特点 是所有通信在主站统一指挥下进行，各节点之间没有冲突。 广播式
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炉膛监测保护系统（Furnace Safeguard Supervision System, FSSS） 防止炉膛爆炸，燃烧管理。 对锅炉点火和油枪进行程序自动控制，并有防止锅炉炉膛由于燃烧熄火、过压 等原因引起炉膛爆炸而采取的监视和自动控制措施。其包括燃烧器控制系统BCS和 炉膛安全系统FSS，实现功能有：炉膛吹扫、点火器及油枪切投控制、火焰监视及 炉膛灭火保护、主燃料跳闸MFT。 汽轮机数字电液调节系统（Digital Electro-Hydraulic Control System, DEH） 机组启动，转速控制。 汽轮机紧急跳闸系统（Exigency Tread System, ETS）
这种结构易于实现通信线路冗余，安装费用较低。
因此，总线型结构的应用最为普遍。如日本横河公司的CENTUM系统，BBC公司 的Procontrol-P系统，Westinghouse（西屋）公司的WDPF系统，Honeywell（霍尼
维尔）公司的TDC-2000、TDC-3000系统等等，均采用了总线形网络结构。
通行标记式： 即令牌式（Token Passing）适用于环形网络结构。有一个被称之为令牌的信 息段绕环网的各节点依次传送。令牌有“空”、“忙”两种状态。某个站接到传给 自己的令牌后，如果令牌为“空”，则首先把令牌置为“忙”，并置入发送信息、 源节点名、目的节点名等信息段，然后将其送上环网。令牌沿环网运行一周再回到 源节点时，传送信息已被目的节点取走，再把令牌置成“空”，送上环网继续传送 ，以便其它节点使用。
汽机保护跳闸。
确保在下列事故状态关闭汽轮机全部蒸汽进汽阀门、抽汽逆止门等，以使汽轮 机安全停机。汽轮机主机保护有：润滑油压低、真空低跳闸、就地手动停机、轴向 位移大跳闸、发电机跳闸、电超速保护跳闸等。
电气自动化系统（Electricity Automation System, EAS）
电气系统的操作，监视。
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1.1 概述
1.1.1 分散控制系统（Distributed Control System，DCS)
以分布在不同物理位置的多台计算机为基础，采用“分散控制、集中操作” 分级管理”原则设计的控制系统。
1.1.2 分散控制系统的产生与发展
1. 常规模拟仪表控制系统 基地式仪表： 控制系统与被控对象在机械结构上是组合在一起的；而且控制系统的各个部 分包括检测、计算、执行、人机界面等也做成一个整体，就地安装在被控对象之 上。 单元组合仪表： 控制系统与被控对象在机械结构上是分开的；检测、计算、执行、人机界面 有不同的单元实现，根据控制功能进行组合构成控制系统。
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自由竞争式：
适用于总线形网络。接到总线上的各站共享一条广播传输线，每个站的地位是 平等的，采用自由竞争方式发送信息到总线上。由于没有专门的通信控制站，有可 能会有两个或两个以上站企图同时发送信息，此时便会发生冲突，造成报文作废。 因此，必须采取措施防止冲突。 控制策略：竞争发送，先听后发，边发边听，冲突后退和再试重发。
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1.2.2 从信息系统的角度来看 DCS是一个数据通信系统，具有不同的网络结构，连接着功能各异的一个个节 点，实现节点间的信息传送与互换。 1. 通信网络结构 通信网络结构：是指网络中各节点设备之间相互连接的方式。常用的网络结构 有三种：星型、环型、总线型。 节点：参加网络通信的最小单位称为节点。一个节点可以是一台计算机，也可 以是几台甚至几十台计算机形成的数据集中器。 • 星形网络结构 网络结构：如图1-4所示。 网络描述：在网络中的各站有主、从之分。处于中心位置的主节点称为主站， 分布于各处的节点为从站，任何两个站之间的通信都必须通过主 站。 网络特点：主从站之间的链路是专用的 传输效率高 适用各 站之间信息 流量大的场合。 对主站的依赖性强 可靠性低。
3. 分散控制系统
在分析常规模拟仪表控制系统和计算机集中控制系统的基础上，人们产生了危 险分散的设计思想，即控制功能分散、监视操作功能集中。
控制功能：分布在电子设备间的多个现场站中。
监视操作：分布在控制室的多个操作员站中。 信息管理：分布在办公室的多个工作站中。
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4. DCS的产生和发展
组成：主机和外设。
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生产管理级 设备：实时数据服务器，工作站。 功能：厂级生产过程的监视和管理，厂级故障诊断和分析，厂级性能指标计 算。经网关机向经营管理级发送数据。
组成：主机和外设。
经营管理级
设备：数据服务器，工作站。 功能：厂级经营管理、财务管理和人事管理等。 组成：主机和外设。
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• 总线网络结构
网络结构：如图1-5所示。
网络描述：它是以一条开环的无源通信电缆作为高速公路。所有的站都通过相 应的硬件接口挂到总线上。各站的功能可以有主从之分，也可以不 分主从站。 网络特点：各站分时使用总线。 网络结构简单，易于扩展，可靠性高，某一个站的故障不致影响其 站的工作（无主从结构方式下）。
在明确提出火电厂厂级自动化以后，应尽量简化单元机组级DCS的功能，主要 服务于对机组的直接监控。凡是实时性不强的功能可上移至厂级SIS。
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DCS的主要功能包括： 数据采集系统（Date Acquisition System, DAS） 快速准确的反应参数变化和设备状态，为操作提供依据。 数据采集系统的主要功能包括：数据采集与处理、屏幕显示、打印记录、历史 数据存储与检索等。 模拟量调节系统（Modulation Control System, MCS） 维持设备正常运行，保证参数在正常范围，提高生产稳定性、经济性。 MCS系统一般包括：机组协调控制系统、主汽温控制系统、再热汽温控制系统 、给水控制系统、燃烧控制系统、除氧器水位控制系统、除氧器压力控制系统、辅 助蒸汽压力控制系统、高加水位控制系统、低加水位控制系统等。 开关量顺序控制系统（Sequence Control System, SCS） 主、辅机的启动顺序和机组的联锁保护。 顺序控制是按一定的顺序、条件和时间要求，对工艺系统中各有关对象进行自 动控制的一种技术，主要用于主辅机的自动启停操作和联锁保护
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控制管理级 设备：操作员站，工程师站，历史站。 功能：操作员站：监视和操作；人和过程的接口。 显示功能：过程画面，趋势画面，一览画面，系统状态画面，报 警相关画面等。 操作功能：和系统有关的操作，和过程有关的操作。
报警功能：开关量变态报警，模拟量越限报警，系统本身的报警
报警过滤功能，报警优先级功能，报警屏蔽功能等。 记录打印功能：随机打印（事件触发），周期性打印（时间触 发），请求打印（命令触发）。 工程师站：离线组态和在线调试；人和系统的接口。 历史站：历史站主要负责采集和储存生产过程的历史数据，以供形成 运行报表和历史趋势曲线
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缺点：
在控制功能方面：控制算法靠电阻、电容、电感等元件的电气规律完成，不能 实现复杂控制。
在监视操作方面：仪表多，监视操作不方便。 在信息管理方面：手工抄表，不准确。 2. 计算机集中控制系统 克服了常规仪表的缺点，但存在致命缺点“功能集中，危险集中” 。 控制功能、监视操作功能和信息管理功能集中在一台计算机上完成。
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• 环型网络结构
网络结构：如图1-6所示。
网络描述：是一个首尾相连的环型总线，各个站都通过各自的硬件接口挂到环 上。环上的各站无主从之分，平等地使用通信控制权。 网络特点：各站可以同时发送接收信息。 信息在网上的传递总是从始发站出发，经过网上每个站整形、放 大后再传送，直至回到始发站（顺时针或反时针方向）。传送距 离远且能保证信号质量。 当某个站出现故障时，能自动旁路信息，而不影响信息的传递， 但扩展性能不像总线形方便。 工程上环型网络的应用也比较多，例如 ABB 公司的Symphony系统等。
微机技术 + 通信技术+ CRT技术 + 控制技术 =
分散功能 集中功能
国家 Honeywell Bailey
DCS
TDC-2000
系统名称 TDC-2000，TDC-3000 N-90，INFI-90，Symphony WDPF，OVATION I/A Series
人机界面
控制功能
公司
美国
Westinghouse Foxboro
这是一种无主站控制的通信协议方式，适用于总线形和环形网络结构。广播式 通信控制协议的基本特征是在任何时刻，网络中仅允许有一个站处于发送信息状态 ，而其余各站只能处于接收状态。 如果在同一时刻有多个源站要发送信息，即发生抢占传输线路的冲突，因而， 必须按一定协议方式协调这种冲突。在广播式协议下，按防止冲突的方法不同又可 分为自由竞争式、通行标记式（令牌传送式）和时间分槽式。
时间分槽式：
把规定的时间间隔分成若干时间槽，在槽开始时，该节点发送信息，等允许的 时间槽时间到，就轮到下一个节点发送信息。
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存贮转发式
是一种无主站控制的通信协议方式，适用于环型网络结构。存贮转发式协议的
基本特征是允许网上所有站同时发送和接收信息。 每个节点可以随时向自己相邻的下一节点发出信息，包括源站、目的站地址在 内。相邻节点接收这些信息并存贮起来，等到自己的信息发送完毕，再对接收到的 信息进行识别。如不是目的站，则对信息进行放大，继续发往相邻的下一个节点。 直至该信息到达站，目的站在该信息段上加上接收确认信息；如检查信息出错，则 加上否认信息；之后继续向下一个节点发送，直至重新回到源节点。源节点若收到 的是确认信息，则表明此次传输成功，去掉该段信息，可以发送下一信息。如果收 到的是否认，则需要重新发送。 这种通信控制协议下，网络中各站之间任一时刻传输的信息是不同的，每一个 站在通信网络中起到中继站的作用。INFI-90系统的环形网络中就采用这种存贮转