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《工业控制网络安全技术与实践》一一2.2 分布式控制系统

简介:

本节书摘来自华章出版社《工业控制网络安全技术与实践》一 书中的第2章,第2.1节,作者:姚 羽 祝烈煌 武传坤  ,更多章节内容可以访问云栖社区“华章计算机”公众号查看。

2.2 分布式控制系统

分布式控制系统(Distributed Control System,DCS)又称为集散式控制系统,是工业控制系统的组成部分。本节主要介绍分布式控制系统相关知识,包括DCS的基本概念、组成机构和特点。
2.2.1 什么是DCS
DCS是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统,综合了计算机(Computer)、通信(Communication)、终端显示(CRT)和控制(Control)技术而发展起来的新型控制系统。其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活以及组态方便。它满足了大型工业生产和日益复杂的过程控制要求,从综合自动化的角度出发,按功能分散、管理集中的原则构思,采用了多层分级、合作自治的结构形式。
DCS网络是整体的基础和核心。网络对于DCS整个系统的实时性、可靠性和扩充性起着决定性作用,因此对于DCS网络来说,它必须满足实时性的要求,即在确定的时间限度内完成信息的传送。这里所说的“确定”的时间限度,是指无论在何种情况下,信息传送都能在这个时间限度内完成,而这个时间限度则是根据被控制过程的实时性确定的。因此,衡量系统网络性能的指标并不是网络的速率,即通常所说的每秒比特数(bit/s),而是系统网络的实时性,即能在多长的时间内确保所需信息的传输得以完成。
2.2.2 DCS的组成
DCS是以微处理器和网络为基础的集中分散型控制系统。它包括操作员站、工程师站、监控计算机、现场控制站、数据采集站、通信系统。DCS的基本构成如图2-3所示。image

(1)操作员站
操作员站是操作人员对生产过程进行显示、监视、操作控制和管理的主要设备。操作员站提供了良好的人机交互界面,用以实现集中监视、操作和信息管理等功能。在一些小DCS中,操作员站兼有工程师站的功能,在操作员站上也可以进行系统组态和维护的部分或全部工作。
(2)工程师站
工程师站用于对DCS进行离线的组态工作和在线的系统监督、控制与维护。工程师能够借助于组态软件对系统进行离线组态,并在DCS在线运行时,可以实时地监视通信网络上各工作站的运行情况。
(3)监控计算机
监控计算机通过网络收集系统中各单元的数据信息,根据数学模型和优化控制指标进行后台计算、优化控制等,它还用于全系统信息的综合管理。
(4)现场控制站
现场控制站通过现场仪表直接与生产过程相连接,采集过程变量信息,并进行转换和运算等处理,产生控制信号来驱动现场的执行机构,最终实现对生产过程的控制。现场控制站可控制多个回路,具有极强的运算和控制功能,能够自主地完成回路控制任务,实现反馈控制、逻辑控制、顺序控制和批量控制等功能。
(5)数据采集站
数据采集站与生产过程相连接,对过程非控制变量进行数据采集和预处理,并对实时数据进一步加工;为操作员站提供数据,实现对过程的监视和信息存储,为控制回路的运算提供辅助数据和信息。
(6)通信系统
通信系统连接DCS的各操作员站、工程师站、监控计算机、现场控制站、数据采集站等部分,传递各工作站之间的数据、指令及其他信息,使整个系统协调一致地工作,从而实现数据和信息资源的共享。
DCS自下而上通常分为控制级、监控级和管理级,每级之间分别由控制网络(Control Network,Cnet)、监控网络(Supervision Network,Snet)、管理网络(Management Network,Mnet)把相应的设备连接在一起,进行数据和命令的传输。DCS的结构如图2-4所示。
image

图2-4 DCS的结构图
2.2.3 DCS的特点
DCS具有如下特点。
(1)高可靠性
DCS采用容错设计,当某一台计算机出现故障时并不会导致系统丧失其他功能。此外,由于系统中各台计算机所承担的任务比较单一,因此可以针对需要实现的功能采用具有特定结构和软件的专用计算机,从而提高系统中每台计算机的可靠性。
(2)开放性
DCS采用开放式、标准化、模块化和系列化设计,系统中各台计算机采用局域网方式通信,实现信息传输,当需要改变或扩充系统功能时,可将新增计算机方便地连入系统通信网络或从网络中卸下,几乎不影响系统其他计算机的工作。
(3)灵活性
通过组态软件根据不同的流程应用对象进行软硬件组态,即确定测量与控制信号及相互间连接关系,从控制算法库选择适用的控制规律以及从图形库调用基本图形组成所需的各种监控和报警画面,从而方便地构成所需的控制系统。
(4)易于维护
功能单一的小型或微型专用计算机,具有维护简单、方便的特点,当某一局部或某个计算机出现故障时,可以在不影响整个系统运行的情况下在线更换,迅速排除故障。
(5)协调性
各工作站之间通过通信网络传送各种数据,整个系统信息共享,协调工作,以完成控制系统的总体功能和优化处理。
(6)控制功能齐全
控制算法丰富,集连续控制、顺序控制和批处理控制于一体,可实现串级、前馈、解耦、自适应和预测控制等先进控制,并可方便地加入所需的特殊控制算法。

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