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综合自动化(三)①

放大字体  缩小字体 发布日期:2021-08-07  作者:陈立秋  浏览次数:76
核心提示:陈立秋,中国纺织工程学会染整专业委员会特聘首席专家,获得中国染整行业终身荣誉奖。现从事染整工程的创新工作。
 集中分散型控制系统简称集散控制系统,又称总体分散型控制系统(Total Distributed Control System),常表示为DCS。它是利用现代计算机技术、通讯技术、自动控制技术及图形显示技术来实现过程控制、过程管理的现代化控制计术工具。
1975年第一套分散控制系统TDCS-2000问世以来。分散控制系统已经在工业控制的各个领域得到了广泛应用,越来越多的仪表和控制工程师已经认识到分散控制系统必将成为过程工业自动控制的主流,在计算机集成制造系统CIMS(Computer Integrated Manufacturing System)和计算机集成过程系统CIPS(Computer Integrated Process System)中,发挥它们的优势。
1 DCS的组成
 

(1)过程控制单元(PCU,Process Control Unit):又叫现场控制站,是DCS的核心部分,对生产过程进行闭环控制,可控制数个至数十个回路,还可进行顺序、逻辑和批量控制。
(2)过程接日单元(PIU,Process Interface Unit):又叫数据采集站,是为生产过程中的非控制变量设置的采集装置,不但可完成数据采集和预期处理,还可以对实时数据作进一步加工处理,供CRT操作站显示和打印,实现开环监视。
(3)操作站(OPS,Operating Station):集散系统的人一机接口装置。除监视操作、打印报表外,系统的组态、编程也在操作站上进行。
操作站有操作员键盘和工程师键盘。操作员键盘供操作人员用,可调出有关画面,进行有关操作,如修改某个回路的给定值,改变某个回路的运行状态;对某回路进行手工操作、确认报警和打印报袁等。工程师键盘主要供技术人员用,所有的监控点、控制回路、各种画面、报警清单和工艺报警表等均由技术人员通过工程师键盘进行输人。
操作站一般配有温氏硬盘存储器的软盘存储器;少数系统除硬盘外,还配有磁带存储器(如RS3)。硬盘主要存储操作站的组装软件、系统组态软件、趋势记录、过程数据和报表等。此外,DCS本身的会丢失,再次通电时可保证系统正常装载运行。软盘和磁带存储器作为中间存储器使用。当信息存储到软盘或磁带后,可以离机保存,以作备用。 
(4)数据高速通道(DH,Data Hiway):又叫高速通信总线、大道和公路等。是一种具有高速通信能力的信息总线,一般由双绞线、同轴电缆或光导纤维构成。它将过程控制单元、操作站和上位机等连成一个完整的系统,以一定的速率在各单元之间传输信息。
(5)管理计算机(MC,Manager Computer) :集散系统的主机,习惯上称为上位机。它综合监视全系统的各单元,管理全系统的所有信息,具有进行大型复杂运算的能力以及多输人、多输出控制功能,以实现系统的最优控制和全厂的优化管理。
2    DCS的特点
分散控制系统能在短短几十年内得到如此飞速的发展,其原因是它具有优良的特性。它从模拟控制仪表发展而来,但却具有模拟仪表无法比拟的优点,例如,它连接方便,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,它又具有危险分散、功能分散、操作管理集中等优点。因此,从分散控制系统问世以来,它就得到各行各业的欢迎,在染整生产过程中闹歇式染色机的群控中也开始应用。
2.1  递阶控制系统
  分散控制系统是递阶控制系统(hierarchical control system)。它在垂直方向和水平方向都是分级的。最简单的分散控制系统至少在垂直方向分为二级,即一个操作管理站和一个分散过程控制装置。随着分散控制系统规模的扩大,分级范围在垂直方向和水平方向扩大。垂直方向的分级将操作优化级、自学习和自适应级扩展到分散控制系统中,水平方向的分级是各个分散过程控制级间信息相互协调的分级。一般应用中,分散控制系统管理级仅限于操作管理级,随着CIMS的推广,把控制和管理结合,使计划、销售、管理和控制一体化的广义分散控制系统得到广泛应用,如图2所示。

 
(1)过程控制级:过程控制级主要由现场控制站、数据采集站和过程管理计算机等组成,是直接与生产过程相逢的一级计算机系统,是集散控制系统的基础。过程控制级一方面与各类现场设备,例如变送器、执行器相连,以实现装置的监测与控制;另一方面还向上与第二层计算机相连,接收上层的管理信息,传递装置的实时数据。
(2)控制管理级:控制管理级主要有监控计算机、操作站和工程师站等,主要是实施生产过程的优化控制,根据产品原材料以及能源的使用情况,以优化准则来协调装置间的相互关系。另外,通过获取直接控制层的实时数据,进行生产过程的监视、故障检测和数据存档。 
(3)生产管理级:生产管理级又称产品管理级。这一级采用管理用计算机,主要用来规划产品的结构和规模,根据用户订货情况、库存情况和能源情况来修订生产计划和改变产品结构,有产品重新组织和柔性制造的功能,可应付由于用户订货变化所造成的各种损失。此外,工厂生产和产品监视,以及产品报告也都在这一级实现。
(4)经营管理级:这一级管理用计算机叫中央计算机,是工厂自动化系统的最高一层。它管理的范围除了工程技术方面之外,还应包括经济、商业事物、人事组织以及其他方面的功能。把这些功能都集成到软件系统中,并与经理部、市场部、计划部以及人事部等办公自动化系统相连接,运用优化策略来实现整个制造系统的最优化。经营管理级的功能有市场用户分析、订货,以及销售统计、销售计划、产品制造协调、合同事宜、期限监测和财政报告等。
  对于某一具体应用的集散系统,并非都有四层功能体系。中小规模的控制系统只有一、二层,少数使用到第三层,在大规模的控制系统中才应用到四层模式。
递阶控制系统的优点是各个分级具有各自的分工范围,它们相互协调。协调由上一级完成,下级数据传送到上一级,由上一级根据生产要求进行协调,并把协调后的指令送达各有关的下一级,再由下一级实现。分散过程控制装置是自治的系统,它采集生产过程的各种数据,按控制要求输出有关信号,送执行机构完成控制操作。由于在各个分散控制装置闸既有分工,又看联系,同时,各自能根据上一级的协调来完成各自的任务,困此,它们又是相互联系和制约的,这样,整个系统能在优化的操作条件下运行。
与递阶控制系统相比,模拟电动仪表相互间的协调和制约较难解决,系统控制方案的更新也较困难,各级的相互联系虽然可通过仪表信号间的串联或并联来实现,但是收到输出阻抗和输出功率的限制,并且这种连接的更改十分困难。
与递阶控制系统相比,计算机直接数字控制系统组成的某些部件的故障将造成整个系统的瘫痪。由于系统没有分级,系统中各个组成部分具有相同等级,各级间数据由同一CPU处理,虽然可进行优先级分配,但是系统调整较困难。此外,因为没有分级,对系统整体的可靠性要求大大提高,而系统的危险佳也相应增大。
2.2 分散控制
分散控制(distributed control)是分散控制系统(DCS)的另一特点,分散是针对集中而言的。在计算机控制系统应用的初期,控锄系统集中在一个计算机中实现,用一个计算机完成所有的操作监督和过程的控制。分散的含义不单是分散控制,它还包含其他意义。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。分散的目的是提高设备的可利用率。
集中式计算机控制系统是在中央控制室集中控制的基础上发展而来。在中央控制室,各种过程参数经检测、变送后集中送到中央控钳室,在控制室的仪表盘上集中显示或记录,对重要参数还通过控制器迸行控制,输出的信号被送到现场执行机构完成控制操作。操作人员在中央控制室通过仪表盘上的仪表来监视和操作,大大方便了操作过程,对信息管理也有较好的效果。
这种控制方式也带来了一系列的问题,首先是计算机一旦发生故障,将使生产过程全线瘫痪,为此,危险分散的想法就提了出来,冗余的概念也产生了。仅用一个同样的计算机控制系统作为原系统的冗余后备,无论从经济上还是从技术上都是行不通的。对计算机功能的分析表明,如果在过程控制级或现场控制级对控制系统进行分散,把过程控制和操作管理分散是可能和可行的。其次,随着生产规模的扩大,设备的安装越来越复杂,把地域上分布范围很广的各过程参数集中到一个中央控制室,也是不经济的,操作管理也会不方便。因此,地域分散和人员分散也提了出来。
地域的分散对计算机控制提出了分散控制的要求,人员的分散与管理的分散密切相关,而地域的分散也与设备的分散有必然的联系。此外,在集中的计算机控捌系统中,操作人员的操作是在不同的显示屏前完成备自的操作,因此,操作的分散和多用户多进程的计算机操作系统等要求也被提出了。
通过对集中计算机控制系统的分析,人们认识到分散控制系统是解决集中计算机控制系统不足的较好途径。在实践中,人们对分散控制器的应用有了进一步的认识,现场总线控制系统的诞生就是对分散控制系统认识的升华。在现场总线控制系统中,把控制级下移到最下一级即现场控制级,从而实现了彻底的分散。
2.3  自治和协调性
分散控制系统的各组成部分是独立的自治系统。它们各自完成各自的功能,相互联系和协调。分散过程控制装置是一个自治系统,它完成生产过程的数据采集、信号处理、计算和数据输出的功能。操作管理装置是一个自治系统,它完成数据显示、操作监视和操作数据的发送等功能。通讯系统则完成操作管理装置与分散过程控制装置间的数据传输,实现上一级与下一级间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。          
在分散控制系统中,分散的内涵十分广泛。例如,分散数据库、分散控制功能、分散数据显示、分散通信、分散供电、分散负荷等,它们的分散是相互协调的分散,即在分散中有集中的管理、集中的控制目标、集中的显示屏幕、集中的通信管理等,它们为分散进行协调和管理工作。因此,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低阶分级控制。
2.4  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信系统。早期的分散控制系统是自动化孤岛,各个分散控制系统制造厂商的产品不能互操作、互联。为得到开放性,分散控制系统经历了不断改进或重新设计的过程,现在,分散控制系统已成为开放系统的主流产品。
  开放系统的墓本特征如下:
(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运行,有时可能有小的修改。它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。从系统应用来看,各个制造厂分散控制系统软件有了相互移植的可能。软件的可移植性也带来了安全性的问题,因此,应采用相应的安全措施。可移植性能保护用户已有资源,减少应用开发时闸和费用,减少维护人员的培训费用。
(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信系统能互相连接;通过互联,能准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,共同资源,完成应用功能。
网络上的节点通过互操作性,能对网络上其他节点的数据、资源和处理能力等实现共享。在现场总线控制系统申,备种现场总线仪表也能互换或替换,而不必考虑是否是原制造厂商的产品。
(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。
(4)可用性: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产品,只要是符合标准的其他制造厂商产品都可选用,使用户选择产品的灵活性大大提高。
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。
 

 
 
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