02第二章 DCS的体系结构
第2章 DCS体系结构_补充
2010年12月4日星期六11时35分15 秒
DCS的体系结构
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DCS的体系结构
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3）比较 •功耗：在线式>后备式 •切换时间：通常在线式无切换时间，后备式约 为1～5ms •稳定：在线式高于后备式 •功率：在线式一般在5kW以上，甚至可达5000kW； 后备式一般小于0.5kW 二.直流 1.线性电源
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DCS的体系结构
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DCS的体系结构
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DCS的体系结构
§2.3 系统服务器的硬件体系 一. 硬盘 1. 功能：
为网络用户提供一个共享文件和应用软件 的存储仓库。
2. 容量 容量一般是PC硬盘的10～100倍。 容量＝每个用户平均需求空间×网络设计的用 户数
DCS的主控制器的控制周期一般可以由用户设定： 为50ms，100 ms，200ms，500ms，1s，2s。
速度比较：比较两个主控制器的最小需要的控 制周期
讨论控制周期的另重要因素：控制周期对控制 的品质的影响。
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4) 负荷率
=工作时间/控制周期=(控制周期－空闲时间)/ 控制周期
所谓软件容量指的是每个主控制器能装载多少 的控制算法。软件容量是受限于主控制器的三类Ic 器件的容量：一是固态盘(SSD)的容量，主要用于 保存用户编制的控制算法文件；二是内存容量，用 于运行程序的存储器；三是掉电保持SRAM的容量， 用于保存系统运行过程中产生的实时数据。这三个 容量中只要任何一个被突破，主控制器一般就会死 机，或者在程序编译时系统就会提醒用户容量超限 制，就表明主控制器的控制算法不能再增加了。
DCS的体系结构
物理层
系统 系统2 应用层
表示层
会话层
传输层
协议数据单元 报文 报文 报文 报文
网络层 链路层 物理层
分组 帧
比特
TCP/IP参考模型
TCP/IP模型 应用层
传输层
Telnet
TCP/IP协议族
FTP
SMTP
DNS
RIP
SNMP
TCP
UDP
Internet层 网络接口层
ARP 以太网
IGMP ICMP IP
决策管理层 （Decision management computer）
2、DCS的硬件结构---控制站
1. 输入输出单元（IOU） 模拟量4-20mA，1-5V，热电偶、热电
阻、脉冲量、数字量、信号调理、通信接 口、信号端子等。 2. 过程控制单元（PCU）
微处理器板、接口信号处理器板、 通信控制器板、冗余处理器板 3. 电源
成本低 密度高、节省空间 安装容易（综合布线系统） 平衡传输（高速率） 抗干扰性一般 连接距离较短
屏蔽双绞线 (STP)
以铝箔屏蔽以减少 干扰和串音
非屏蔽双绞线(UTP)
3类、5类、6类
（16M、155M、1200M）
双绞线外没有任何附 加屏蔽
●光纤传送模式：MMF、SMF
芯/封套特性 输入电信号 h2
2、参数 NvRAM，EEPROM，数据库
3、运行类型 周期性执行 异常执行的代码
DCS数据库的基本结构
实时数据库（RTDB） Block Diagram
RTDB中的数据类型（指针索引表） 模拟点 数字点 中间计算点 控制算法参数模块
DCS控制站的操作系统
RTOS（RTMOS） 功能特点：
DCS的体系结构及构成
电气监控系统
• FSSS furnace safeguard supervisory system 炉膛安全监控系统
• BMS burner management system 燃烧器管理系统
• SOE sequence of event recorder 事件顺序记录仪
• MFT main fuel trip
4、热控常用术语缩写:
• DCS distributed control system
分散控制系统
• DAS data acquisition system
数据采集系统
• SCS sequence control system
顺序控制系统
• ECS electrical control system
工业总线I/OBus 10Mb/s Modbus+
现场总线F-Net 1Mb—10Mb/s IEC802.3u，第三方协议
信息管理级
中央监控级
过程控制级 现场设备级 传感器，执行器级
2.2 过程控制级 过程控制级主要由现场控制站DPU（Distributed Control Unit）和I/O数
据采集站构成。一般在电厂中，把现场控制站和数据采集站集中安装在位于主 控室后的电子设备室中。
•
逻辑加法器
•
High/Low Limiter
•
高/低限幅
•
Time Function Generator
•
时间函数发生器
•
High Selector
•
高选
•
Low Selector
•
低选
•
High Signal Limiter
•
分散控制系统讲义DCS的体系结构
分散控制系统讲义DCS的体系结构分散控制系统(Distributed Control System, DCS)是一种基于计算机网络的控制系统，用于监控和控制工业过程中的多个设备和系统。
DCS的体系结构是一个分布式的架构，包括多个分散的控制器，这些控制器通过通信网络进行连接和交互。
本文将详细介绍DCS的体系结构。
DCS的体系结构主要由以下几个组成部分组成：1.控制器：DCS的核心部分就是控制器，它负责处理过程中的各种信号和数据，并根据设定的控制策略来执行相应的操作。
通常情况下，一个DCS系统包含多个控制器，每个控制器负责控制一个或多个设备或系统。
控制器通常由工作站或嵌入式计算机组成。
2.通信网络：DCS系统中所有的控制器、设备和工作站都通过通信网络进行连接和通信。
通信网络可以根据具体需求选择不同的技术，如以太网、现场总线等。
通信网络的稳定性和可靠性对DCS系统的工作非常重要，因为它直接影响了设备之间的通信和数据传输。
3.人机界面：DCS系统提供了一个人机界面，用于监控过程状态和操作控制器。
人机界面通常由一台或多台工作站组成，工作站上配备有显示屏、键盘和鼠标等输入设备。
操作人员可以通过人机界面查看实时数据、控制设备和执行报警处理等操作。
4.设备/系统：DCS系统可以控制和监测多种设备和系统，如发电机、输电系统、制造过程等。
每个设备或系统都有一个或多个控制器与之对应，通过控制器的指令来实现相应的控制操作。
5.数据存储和处理：DCS系统需要存储和处理大量的数据，包括实时数据、历史数据和配置数据等。
数据存储和处理通常由一个或多个数据库服务器来完成，数据库服务器负责数据的存储和检索等操作。
DCS的体系结构具有以下几个特点：1.分布式控制：DCS系统的控制器分布在不同的位置，可以同时控制多个设备和系统。
这种分布式的控制方式使得系统更加灵活和可靠，同时也降低了系统的复杂性。
2.可靠性：DCS系统具有高度可靠性，即使一个或多个控制器发生故障，系统依然可以正常工作。
2第二篇 DCS概述
第二篇 DCS概述DCS是继1969年PLC问世后，由HONEYWELL公司在1975年首先推出的系统。
即：TDC2000，它只有模拟量控制。
随后，相继有几十家美国仪表公司也推出自己的系统。
从不同方向发展起来的DCS在结构上、软件方面有些区别。
仪表公司开发的DCS的控制器的软件部分比较符合仪表工程人员应用的习惯，特别是组态方式比较方便。
传动公司设计的PLC部分比较好。
计算机公司设计的DCS的人机界面比较友好。
相继出现的DCS有MAX-1、RS3、MODⅢ、N-90、D/3、WDPF、MICRO、ECS-1200；日本横河的YEPARK MARKⅡ、东芝的TOSDIC；，英国的P4000；德国的TELEPERM、PROCONTROL P、瑞典的AC210等。
从理论上讲，一个DCS系统可以应用于各种行业。
但由于各行业有它的特殊性，所以DCS也就出现了型号与应用行业是否匹配的问题。
有时也由于DCS厂家和用户的技术人员的工艺知识的局限性而引起的。
例如：HONEYWELL公司对石化行业比较熟悉，其产品在石化行业应用较多，它缺少其它行业的特殊模块，如事件记录的快速模块。
而ＢAILEY的产品则在电力行业应用比较普遍，这些特殊模块都已经有了。
用户在选择DCS的时候主要是要注意其技术人员对自己生产工艺的熟悉程度，然后选择符合自己要求的DCS。
并应注意行业应用的特殊性，如电厂的SOE、水泥厂的大纯滞后，造纸厂的横向水分控制等。
DCS 系统适用于多大规模，比如使用NT操作系统的就适应于中、小规模的系统（标签量在10000点以下），最后才考虑价格因素。
各DCS厂家开发有不同类型硬件的操作站，它和控制器的不同组合会有不同的价格，其差异很大。
在作系统配置时，即使是同一个系统的不同组合，价格也不一样。
专用操作站也是可改变的。
以前是因为计算机技术不够发达、没有合适的软、硬件供选择，所以DCS厂家只能自己开发自己的专用操作站，因而造成封闭局面。
DCS的体系结构
DCS的体系结构DCS（分布式控制系统）是一种广泛应用于工业自动化领域的控制系统。
它通过将控制设备和传感器分布在被控制的过程或系统中来实现控制和监测。
DCS采用了分布式的架构，使得系统具有更高的可靠性、可扩展性和灵活性。
下面将对DCS的体系结构进行详细介绍。
控制层是DCS的最底层，主要负责对被控制对象进行实时的控制和调节。
它由多个控制器组成，每个控制器负责控制一个或多个设备或过程。
这些控制器分布在整个系统中，通过网络连接进行通信。
控制层的主要功能是接收来自传感器的反馈信号，根据预设的控制算法生成控制信号，并将其发送给执行器或驱动器来控制被控制对象。
此外，控制层还需要监测和调节控制过程中的参数，以确保系统的稳定性和安全性。
操作层位于控制层之上，主要负责人机交互和监控。
操作层包括操作站和工程站。
操作站是系统操作员与DCS进行交互的界面，通常采用图形化界面，操作员可以通过它来监测和控制整个系统。
操作站还提供了报警和事件处理功能，能够及时通知操作员系统中的异常情况。
工程站是用于配置和管理DCS系统的工具，它提供了网络配置、设备参数设置、控制策略配置等功能，可以对DCS进行灵活的调整和扩展。
信息层是DCS系统的最高层，主要负责数据存储、传输和分析。
信息层通常由数据库、历史数据服务器和报表服务器组成。
数据库用于存储实时数据、历史数据和配置信息，可以提供数据查询和统计分析功能。
历史数据服务器用于存储历史数据，可以在需要时进行回放和分析，用来进行故障诊断和性能优化。
报表服务器用于生成各种报表，如生产报表、能耗报表等，可以为管理人员提供决策支持。
整个DCS系统的各个层次通过网络连接起来，形成一个完整的系统。
因为采用了分布式的架构，DCS具有很高的可靠性和可扩展性。
如果一些控制器或传感器发生故障，系统可以自动切换到备用设备，保证系统的正常运行。
此外，DCS还支持远程访问和管理，可以通过网络连接远程监控和控制系统，方便维护人员对系统进行远程配置和故障排查。
第2章DCS的体系结构
第2章DCS的体系结构
DCS（分布式控制系统）的体系结构是一种分布式控制系统的最基本
的架构，它描述了整个系统的组成部分与其互相之间的关系以及系统的功
能特性，从而实现有效的系统集成，它们均由一系列的子系统（模块）组成，如：控制器、I/O模块、人机接口模块、报警处理模块和通信模块等，每个模块都有自己独特的功能，它们之间进行交互及交换信息，以支持整
个系统的运行。
DCS的体系结构主要分为以下几个部分：
硬件部分：DCS以单片机（SCM）为核心，连接一系列外部设备，如
I/O模块、存储模块和现场总线模块等。
软件部分：主要包含操作系统（OS）、应用软件和通信模块。
操作系
统可以是嵌入式操作系统，也可以是客户端/服务器操作系统；应用软件
就是用户以不同的方法去实现不同功能的程序；通信模块则是用来实现DCS与客户端、服务器之间的信息交换的模块。
模块部分：模块是DCS的主要组成部分，它们由多个子模块（子系统）组成。
第2章DCS的体系结构
主要内容： 1）层次结构； 2）硬件结构； 3）软件结构；
4）网络结构
2.1 DCS的体系结构形成
基本发展趋势
集中型 计算机控制系统 多级 计算机控制系统 集散型 计算机控制系统 计算机 集成综合系统
2.1.1 集中型计算机控制系统的发展
（1）专用机结构 一种任务一种计算机；通用性差；协调性差
2.3.3 DCS的网络结构 常见拓扑形态
各种拓扑形态特点
总线型与环形网络： 共享传输介质；需要负载的总线占用裁决机制支持。 星型网络: 独占传输截止；存在中央接点，导致可靠性问题。
应根据实际情况合理选用！
资源占用仲裁机制：
（1）令牌环
拓扑结构：点到点链路连接，构成闭合环 传输媒体：STP、光纤，速率4/16Mbps； 最多站点数：250， 信号采用差分曼彻斯特编码
D
干线耦合器的结构
干线耦合器
高层软件 发送缓冲区 接收缓冲区
DTE
站点 A
单向环 C
接收 发送
环路 输出
线路 控制器 线路 驱动 接收
环路 输入
TCU
B
令牌环工作原理
令牌环工作过程
当网络空闲时，只有令牌在环路上不停流动。 令牌 实际上是一个特殊的帧， 其中有一位称为令牌比特 （即帧格式中的T比特）。当其为0时，表示该令牌空 闲，当其为1时，表示某站正发送数据。 当一个站想发送数据时，必须首先截获空闲令牌，这 时发送站将令牌比特置为1，然后发送数据；如果经 过的令牌其令牌比特为1，则只能耐心等待。
2.5 DCS体系结构典型示例 2.5.1 TDC-3000型集散控制系统的体系结构
引入现场总线后DCS体系结构的变化
第2章 DCS系统的体系结构
❖ 2.2.4 工厂经营管理级
在经营管理这一层，其 典型的功能为：
(1) 市场分析。 (2) 用户信息的收集。 (3) 订货统计分析。 (4) 销售与产品计划。 (5) 合同事宜。 (6) 接收订货与期限监测。
（A）画面（窗口）操作监视功能
❖ 以生产过程的日常操作与监视为主，通过一 系列建立的操作监视画面或窗口，实现对生 产过程的运行、操作、监视、控制、报表等 运作。
❖ 在操作站的画面体系中，分为标准画面、用 户画面和信息画面三大类。
❖ DCS生产厂家众多，产品各不相同，但是以 下画面是每个DCS操作站必不可少。
❖ (2) 自适应回路控制：在过程参数希望值的基础上，通过数 字控制的优化策略。当现场条件发生改变时，经过过程管理 级计算机的运算处理就得到新的设定值和调节值，并把调节 值传送到直接过程控制层。
❖ (3) 优化单元内各装置，使它们密切配合：这主要是根据单 元内的产品、原材料、库存以及能源的使用情况，以优化准 则来协调相互之间的关系。
❖ (2) 引入功能上可替代的集散型控制技术，以 改善系统的可靠性。
❖ 20 世纪60年代末到70 年代初，由于低成本的集成 电路技术的发展，出现了小型、微型计算机，使得 小型、微型计算机的功能更加完善，而且价格便宜， 用这种小型计算机来替代中央计算机的局部工作， 以对在其周围的装置进行过程监测和控制，把这些 小型计算机叫作第一级计算机。用这种小型计算机 来替代中央计算机的局部工作，对在其周围的装置 进行过程监测和控制，把这些小型计算机叫作第一 级计算机。而中央只处理中心自动化问题和管理方 面的问题，从而产生了第二级自动化控制系统的结 构图如图2.3 所示，
第2章集散控制系统的体系结构
要是运算能力和运算速度。)
组成：超级微型机或小型机
4. 管理级
厂级管理计算机,或是若干个机组的管理计算机。 使用者：厂长、经理、总工程师、值长等行政 管理或运行管理人员。 主要任务：监测企业各部分的运行情况，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辅助企业管理人员进行决 策，帮助企业实现其规划目标。
集散控制系统的分散方式包含功能分散、
物理分散和地理分散三个不同的概念
体系结构：分级递阶控制结构 信息结构：自下向上逐渐集中，自上而下
逐渐分散。
DCS的分散方式
1. 功能分散：一个大系统的控制功能要分解为一
些基本的控制功能。
具有人机接口功能的集中操作站和具有过程接
口功能的过程控制装置的分散；
管理级属于厂级，可分成实时监控和日常管理两 部分。 实时监控是全厂各机组和公用辅助工艺系统的运 行管理层，承担全厂性能监视、运行优化、全厂 负荷分配和日常运行管理等任务，主要为值长服 务。
日常管理承担全厂的管理决策、计划管理、行政 管理等任务，主要是为厂长和各管理部门服务。
2.2
DCS的分散方式和体系结构
2.2.2
DCS的体系结构
体系结构：分级递阶控制结构——集散控制系统在水 平和垂直方向都是分层（级）的。 水平方向上各过程控制级之间是互相协调的分级，它 们把数据向上送达操作管理级，同时接受操作管理级 的指令，各水平级之间也进行数据交换； 垂直分级是功能方面不同的分级，至少有两个分级， 即操作管理级和过程控制级；这样的系统是分级递阶 系统。 信息结构：自下向上逐渐集中，自上而下逐渐分散。
2. 控制级：过程控制站和数据采集站
DCS体系结构分析
DCS体系结构分析DCS（分散控制系统）是一种基于计算机网络技术的控制系统，它将控制任务分散到各个分支单元，并通过通信网络将各个单元连接在一起实现协调与集中控制的目的。
DCS系统通常由下面几个主要组成部分构成：中央处理器（CP），输入/输出（I/O）子系统，操作工作站，通信网络以及第三方设备。
1.中央处理器（CP）：中央处理器是DCS系统的核心部件，负责控制和协调整个系统的运行。
它通常由一台或多台主机计算机构成，具有强大的计算和处理能力。
中央处理器负责解析和执行来自输入/输出子系统的控制命令，并将结果发送到各个执行单元或操作工作站。
中央处理器还负责监控整个系统的状态，并在需要时进行故障处理和容错控制。
2.输入/输出（I/O）子系统：输入/输出子系统是DCS系统与外部设备之间的接口，负责采集和传输实时数据。
它通常由多个输入/输出模块组成，这些模块可以连接各种传感器和执行器。
输入/输出子系统将传感器采集到的数据传递给中央处理器进行处理和控制，并将控制命令传递给执行器执行。
3.操作工作站：操作工作站是DCS系统的用户界面，供操作员对系统进行监视和控制。
操作工作站通常由一台或多台计算机组成，上面安装了运行DCS软件的图形界面。
通过操作工作站，操作员可以实时监视和控制各个分支单元的状态，并进行参数调整和故障处理。
4.通信网络：通信网络是连接整个DCS系统各个组成部分的关键组件，它负责传输控制命令、实时数据和状态信息。
通信网络可以采用以太网、现场总线等各种标准协议。
通信网络需要具备高可靠性和实时性，以保证控制命令的实时性和准确性。
5.第三方设备：DCS系统通常与其他辅助设备和系统进行集成，例如数据库系统、报警系统、电力系统等。
这些第三方设备通过各种接口与DCS系统连接，实现数据共享和功能交互。
DCS体系结构的核心思想是将控制任务分散到各个单元，实现多级控制和分布式决策。
借助于中央处理器和通信网络的支持，DCS系统能够实现快速、准确的控制和协调，提高生产效率和质量，并具备灵活性和可扩展性。
第2讲 DCS的体系结构、功能
压力、液位等； ② DDC控制功能：
DDC控制包括接收现场的测量信号，求出设定值 与测量值的偏差，并对偏差进行PID控制运算，最 后求出新的控制量、并将此控制量转换成相应的电 流送至执行机构。
(2)1980 年至 1985 年为成熟期
☞这一时期的DCS由局部网络、多功能过程控制站、 增强型操作站、主计算机、系统管理站和网间连 接器等部分组成。DCS的技术重点是实现全系统 信息的综合管理，为此，必然要引入先进的局部 网络技术，以加强通信系统。DCS的代表产品有：
Honeywell的TDC-3000，YOKOGAWA 的 CENTUM， Taylor 的 MOD-300 等。
☞智能变送器具有数字通信能力，通过现场总线与过 程控制站或与局部网络节点相连接。在控制室或 本节点工作站中便可对现场的智能变送器进行调 零、调量程、组态、自动标定、自动诊断及自动 排除故障等操作。
❖ ➢集散控制系统容易实现复杂的控制规 律，系统是积木式结构，结构灵活，可 大可小，易于扩展。
2.集散控制系统的特点
☞集散控制系统与常规模拟仪表及集中型计算机控制系统 相比，具有十分显著的特点。
(1)系统构成灵活
☞用户可根据工程对象要求，灵活方便地扩大或缩 小系统的规模。
(2)操作管理便捷
☞ 技术人员可按预定的控制策略组态不同的控制
3.1 DCS分散过程级
① DCS的分散过程控制级，直接与生产过程现场的 传感器（热电偶、热电阻）变送器（温度、压力、 液位、流量变送器等）、执行机构（调节阀、电磁 阀等），电气开关（触点输入输出）相连接，完成 生产过程控制。
② DCS的分散过程控制级能与集中操作监控级进行 数据通信，接收（显示）操作站下传加载的参数和 作业命令，并将现场工作情况信息整理后向（显示） 操作站报告。
DCS体系结构
输入输出单元IOU
接收过程变量（如温度等）和状态变量（开关状态） 输出模拟量和数字量操作信号
过程控制单元PCU
直接数字控制DDC：连续、逻辑、顺序、批量控制 与控制网络连接，便于操作监控层对生产过程进行监视和操作 安全冗余处理，保证系统不间断的安全运行
主要功能
管理公司的生产、供应、销售、技术、计划、市场、 财务、人事、后勤等；
收集各部门信息，综合分析，实时做出决策，协调各 级管理人员指挥调度；
协助公司经理制定中长期生产计划和远景规划。
资料仅供参考
2.2 DCS的硬件结构
特点：
积木式； 可灵活地配制成大、中、小系统； 可根据企业的财力或生产要求，逐步扩展系统和增加
▪ 操作监控层设备组态 ▪ 操作监控层功能组态 ▪ 直接控制层设备组态 ▪ 直接控制层功能组态
设备组态
资料仅供参考
作用：登记控制网络上各节点的网络地址、硬件 和软件配置。
如：
登记控制网络上过程控制站、操作员站、工程师站、 监控计算机站和计算机网关的网络地址；
登记过程控制站的输入输出单元中每块输入板(卡)和 输出板(卡)的地址(卡笼号及卡槽号)以及是否冗余；
光缆
（LCN） LCNE
LCNE
HG DH
CB
AMC
PM APM HPM LM
FSC
（UCN）
EOS EC
MC 接变送器、执行器等 IOP
TPS系统构成图
（HI 低速）
资料仅供参考
TPS系统构成图中各部分功能
AM：应用模件 application module AMC：先进多功能控制器 advanced multifunction controller APM：先进过程管理站 advanced process manager AXM：先进应用模件 application module APP：应用处理平台 application processing platform CB：基本控制器 basic controller CLM：通信链接模件 communication link module DH：数据高速公路 data hiway EC：增强型控制器 extended controller EOS：增强型操作站 extended operator station EPLCG：增强型可编程控制器连接器 enhanced PLC gateway FSC：故障安全控制系统 fail safe control safety system GUC：全局用户操作站 global user station HG：高速公路连接器 hiway gateway HM：历史模件 history module
DCS控制系统
第三章 DCS的控制站
功能 控制站是DCS的核心,直接与生产过程的 信号传感器,变送器和执行器连接,具有 信号输入,输出,运算,控制和通信功能
DCS控制站硬件
◆输入输出单元(IOU) 直接与生产过程的输入输出信号连接,主要 由输入输出处理器板(IOP),信号调理板和端 子板(FTA)组成. ◆过程控制单元(PCU) 是控制站的核心,主要由控制处理器,输入 输出接口处理器,通信处理器和冗余处理器组成. 一般都有两个PCU,互为冗余热备用,具有自动诊 断和自动切换功能. ◆电源:一般都有两个电源,互为冗余
DCS的主要特点 的主要特点
(4)适应性,灵活性和易扩展性 DCS硬件采用积木式结构,可灵活配置成小,中,大 各类系统,还可根据生产要求,逐步扩展系统,改变系统 配置. 软件采用模块化设计,提供各类功能模块,可灵活组 态. (5)自治性和协调性 DCS自治性是指系统中各个控制站,操作站均可独立 地工作. DCS协调性指系统中各台计算机用通信网络互连在一 起,相互传送信息,相互协调工作. (6)界面友好性
DCS工程师站
DCS的工程师站功能 工程师站的主要功能就是组态,建立 DCS系统,控制系统和人机界面. ★作为DCS控制工程师的人机界面,工程师 站组态的主要内容包括系统设备组态,控 制功能组态和操作画面组态
�
集散控制系统( 第二篇 集散控制系统(DCS) )
第一章 DCS概述 第二章 DCS的体系结构 第三章 DCS的控制站 第四章 DCS的操作站和工程师站
第一章 DCS概述
概念 DCS(Distributed Control System)分散控 制系统,也称集散控制系统.是以应用微处 理器为基础,结合计算机技术,信号处理技 术,测量控制技术,通信网络技术和人机接 口技术,实现过程控制和工厂管理的控制系 统. 也可以说综ห้องสมุดไป่ตู้了计算机(Computer),通信 (Communication),屏幕显示(CRT)和 控制(Control)技术,简称"4C"技术.
DCS体系结构
本章内容安排
2.1 DCS的层次结构 2.2 DCS的硬件结构 2.3 DCS的软件结构 2.4 DCS的网络结构 2.5 典型DCS的体系结构 2.6 国产DCS的体系结构
2.1 DCS的层次结构
DMC DMC DMC DMC CG3 决策管理层
一般有：
通用操作画面：总貌、组、点、趋势和报警等
专用操作画面：工艺流程图、操作指导和操作 面板等
历史信息画面：操作员操作、过程点报警和事 故追忆日志等
系统信息画面：系统设备状态和功能模块汇总 等
2.3.3 DCS工程师站的软件结 构
用户软件包括：
组态软件 绘图软件 编程软件
2.3.1 DCS控制站的软件结构
CS或PCS软件的用户表现形式：各类功能模块 功能模块又称为点或内部仪表，主要包括：
输入模块：对应输入点，AI、DI等，一一对应 输出模块：对应输出点，AO、DO等 控制模块：连续控制、逻辑控制、顺序控制 运算模块：加减乘除、超前滞后补偿等 程序模块
登记过程控制站的输入输出单元中每块输入板 (卡)和输出板(卡)的地址(卡笼号及卡槽号)以 及是否冗余；
登记DCS的过程控制单元是否冗余，并分配运 算模块和控制模块数量；
根据生产状况及时协调全厂的生产，进行生产 调度和科学管理；
应付不可预测事件。
2.1.4 DCS的决策管理层
属于公司级
主要设备：决策管理计算机
DMC （Decision management computer ）
一般由一台大型机、几台中型机、若干台微型 机组成
主要功能
管理公司的生产、供应、销售、技术、计划、 市场、财务、人事、后勤等；
chapter02 DCS的体系结构.
1. 典型的现场级设备是各类传感器、变送器和执行器 2. 现场级的信息传递有三种方式：
传统的 4－20mA（或者其他类型的模拟量信号）模拟量传输方式； 现场总线的全数字量传输方式； 在4－20mA模拟量信号上，叠加上调制后的数字量信号的混合传输方式。
3. 当前，网络技术延伸到现场，微处理器进入变送器和执行器
M B
M B
X
X
冗余模件总线：MODULBUS 32位通信控制器 IEEE 802，.45Mbp，s 160米 令牌总线方式， 4个机架32个节点
MODULBUS
（最多4台）
A
A
A
C
C
C
M
M
M
A C M
24VDC 24VDC
冗余输入输出总线：IOBUS 16位通信控制器 RS48，5 1Mbps，450米 主从方式，1主站带31从站
ABB INFI 90
Honeywell TPS系统配置图
工程师站 19”
profit low!
机组级监控层LCN
3×GUS
19”
profit low!
profit low!
profit low!
数据通讯层：以太网(TCP/IP 100M/s)
系统历史站 (HM)
网络通讯接口 NIM（冗余）
控制层UCN
监控网络 . 星形结构
交换机作为中心交换节点 传输介质主要采用双绞线，现在也有采用光纤的 基于CSMA/CD，需解决不确定性问题
监控网络 . 分级结构
分为实时通信网络和非实时通信网络 各级与具体通信协议和传输介质没有直接关系
监控网络 . 中心数据交换型
数据服务器作为中心数据库节点 操作站等监控层节点上没有实时数据 网络压力小 可以保证实时数据的一致 风险集中在了数据服务器
第2章 DCS的结构与特点(高2万字)
第二章分散控制系统(DCS)的结构与特点第一节分散控制系统概述一、分散控制系统的名称―分散控制系统‖一词，是人们根据外国公司的产品名称义译而得的。
由于产品生产厂家众多，系统设计不尽相同，功能和特点各具千秋，所以，对产品的命名也各显特色。
国内在翻译时，也有不同的称呼，最为常见的有：分散控制系统(Distributed Control System 简称DCS)；集散控制系统(Total Distributed Control System 简称TDCS或TDC)；分布式计算机控制系统(Distributed Computer Control System 简称DCCS)。
名称的不同只是命名意图和翻译上的差异，其系统本质基本相同，内在含义是一致的。
我国电力行业习惯称其为分散控制系统。
国内有人把它定义为以多台微处理器为基础，采用控制功能分散，显示操作集中，兼顾分而自治和综合协调原则设计的控制系统称为分散控制系统（简称DCS）。
二、分散控制系统的含义DCS是一种分级的控制系统。
各级完成不同的功能。
功能分层体系是分散控制系统的显著特点，是实现控制功能分散，操作显示集中的关键。
各种DCS系统虽然结构和功能各有不同，但有一个共同的特点，即控制功能分散、操作管理集中。
包括7个方面：(1)配置分散。
针对各被控设备的地理位置分散，强调相应地系统控制设备也分散配置，即采用多台以微处理器为基础分散控制单元分别承担不同的控制任务，每个分散控制单元有自己的输入/输出(I/O)，常规的或先进的控制算法，甚至自整定控制功能等。
(2) 功能分散：把中央控制器的功能分散出来，实现功能分散。
过程控制单元是以微处理器为基础的，各种常规的、先进的控制算法，甚至自整定控制的功能均能独立完成。
(3) 显示分散：中央操作站和本地操作站，都具备分散显示功能，包括3个方面。
现场控制单元本身可与本地的显示装置相连接，随时显示现场信息；中央操作站具有显示全系统任何一个分散过程点全部信息的能力；第三、四代的DCS各个本地显示操作站不仅可以调用其他本地显示操作站，也可调用中央操作站信息，并进行分散显示。
DCS及现场总线技术_第2章
3．监控级（层）的功能
1)操作员工作站的主要功能是用于监视和控制整个生 产过程（装置）。
2)工程师工作站的主要功能是为控制工程师对DCS控 制系统进行配置、组态、调试和维护提供的一个工作 平台，实现系统优化和先进控制策略的实施，以及对 各种设计文件进行归类和管理，形成相应的设计文档 等。
网络）：
现场级、对应现场网络（Field Network） 过程控制级、对应控制网络（Control Network） 操作监控级、对应监控网络（Supervision Network） 信息管理级、对应管理网络（Management Network）
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DCS的典型体系结构
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DCS系统四级（层）内容介绍：
1．现场级（层）
此层。它们能够完成对生产装置（过程）的
信号转换、检测和控制量的输出等。现场控制站（过程控
制计算机）通过现场网络直接与这级（层）设备连接。
2．控制级（层）
此层有现场控制站（包括各种控制器、智能调节器）
和现场数据采集站等。它们通过控制网直接与现场各类装
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1.现场控制站
现场控制站（Scene Control Station，SCS），又叫过 程控制单元（Process Control Unit，PCU），是DCS的核心，系统 主要的控制功能是由它来完成的。
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，产生控制信号以驱动现 场的执行机构，实现对生产过程的控制。
单（多）回路控制器＋通信系统＋操作管理站。这是一 种适用于小型企业的DCS结构，具有较大的灵活性和较高 性价比。
可编程控制器（PLC）＋通信系统＋操作管理站。这是一 种在制造业广泛采用的DCS结构，尤其对生产过程顺序控 制系统特别有效。
DCS2(系统结构)
15 14 13 12 11 10
0
1 2 3 4 5 6
双向环？
网络直径d为：n-1
9
8
7
双向环？ 无论什么情况,经过的中间结点数均不超过(n/2-1)， 即直径为[n/2]
环形结构—概论
性能指标 分布式控制的单向环结构，其通信并行度为n, 而集中式控制的单向环结构，其通信并行度为1, 接口数：每个结点的接口数与n无关，最多2个。 无路径选择 因为是串行组织结构，环形通路和接口的失效很容易破坏 系统的正常运行。
环形结构—概论
特点 对消息的传输只有一条路径，不存在消息路径选择问题； 每个结点可以从环路上接受消息，“广播式”消息传输易 于实现。 建立线路连接容易而迅速。这对短消息很重要。 接口及连接都比较简单。 易于实现分布式控制机制，每个接口可提供自己的总线 仲裁和同步能力。 可以提供高的吞吐量。 主要缺点 可靠性问题
环形结构—多环结构
对环形结构可靠性的提升方案
采用多环结构，不仅可提高系统的坚定性，缩短网络 直径，而且可探索更大规模的分布并行计算能力。
环形结构—多环结构
二层多环结构
假设：主环上有m(>2)个结 点，每个子环上有s(>2)个 结点，共ms个结点。 第i个子环上的结点顺序 编号为(结点is在主环上)： (i-1)s+1, (i-1)s+2,…,is (i=1,2,…,m)
系统模型
LogP模型
P=8 o=2 g=4 L=6
0
P0
P1
10 14 18
22
P2
20 24 24
P3
P5
P4
P6
P7
系统模型
Anderson & Jensen 的通信结构分类法
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集散控制系统
1.1 DCS的体系结构形成
1.1 DCS的体系结构形成
中央计算机集中控制系统的形成（在 20 世纪 60 年代前期）
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集散控制系统
1.1 DCS的体系结构形成
DCS 分层体系结构的形成（20 世纪 60 年代末到 70 年代初）
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集散控制系统
2.2 DCS 分层结构中各层的功能
2.2.3
生产管理级
产品规划和控制级完成一系列的功能，要求有比系统和控制工程更 宽的操作和逻辑分析功能，根据用户的订货情况、库存情况、能源 情况来规划各单元中的产品结构和规模。并且可使产品重新计划， 随时更改产品结构，这一点是工厂自动化系统高层所需要的，有了 产品重新组织和柔性制造的功能就可以应付由于用户订货变化所造 成的不可预测的事件。由此，一些较复杂的工厂在这一控制层就实 施了协调策略。此外，对于统观全厂生产和产品监视以及产品报告 也都在这一层来实现，并与上层交互传递数据。在中小企业的自动 化系统中，这一层可能就充当最高一级管理层。
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集散控制系统
2.3
DCS 的构成与联系
5. 系统网络
DCS 的另一个重要的组成部分是系统网络，它是连接系统各个站 的桥梁。由于 DCS是由各种不同功能的站组成的，这些站之间必 须实现有效的数据传输，以实现系统总体的功能，因此系统网络 的实时性、可靠性和数据通信能力关系到整个系统的性能，特别 是网络的通信规约，关系到网络通信的效率和系统功能的实现， 因此都是由各个 DCS 厂家专门精心设计的，以太网逐步成为事 实上的工业标准，越来越多的 DCS 厂家直接采用了以太网作为 系统网络。
图 2.7 典型的 DCS 体系结构
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集散控制系统
2.3
DCS 的构成与联系
1. 操作员站
操作员站主要完成人机界面的功能，一般采用桌面型通用计算机 系统，如图形工作站或个人计算机等。其配置与常规的桌面系统 相同，但要求有大尺寸的显示器 (CRT 或液晶屏 )和性能好的图 形处理器，有些系统还要求每台操作员站使用多屏幕，以拓宽操 作员的观察范围。为了提高画面的显示速度，一般都在操作员站 上配置较大的内存。
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集散控制系统
2.2 DCS 分层结构中各层的功能
2.2.4
工厂经营管理级
经营管理级居于工厂自动化系统的最高一层，它管理的范围很广， 包括工程技术方面、经济方面、商业事务方面、人事活动方面以及 其他方面的功能。把这些功能都集成到软件系统中，通过综合的产 品计划，在各种变化条件下，结合多种多样的材料和能量调配，以 达到最优地解决这些问题。在这一层中，通过与公司的经理部、市 场部、计划部以及人事部等办公室自动化相连接，来实现整个制造 系统的最优化。 (7) 产品制造协调。
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集散控制系统
2.3
DCS 的构成与联系
6. 现场总线网络
早期的 DCS 在现场检测和控制执行方面仍采用了模拟式仪表的 变送单元和执行单元，在现场总线出现以后，这两个部分也被数 字化，因此 DCS 将成为一种全数字化的系统。在以往采用模拟 式变送单元和执行单元时，系统与现场之间是通过模拟信号线连 接的，而在实现全数字化后，系统与现场之间的连接也将通过计 算机数字通信网络，即通过现场总线实现连接，这将彻底改变整 个控制系统的面貌。 由于现场总线涉及到现场的测量和执行控制等与被控对象关系密 切的部分，特别是它将使用数字方式传输数据而不是使用简单的 4mA ～ 20mA 模拟信号，其传输的内容也完全不局限于测量值或 控制量，而包含了许多与现场设备运行相关的数据和信息，因此 现场总线的传输问题要比模拟信号的传输问题复杂得多，这就是 现场总线虽已出现多年，但至今仍然不能形成如 4mA ～ 20mA 这样统一标准的原因。
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集散控制系统
2.3
DCS 的构成与联系
3. 工程师站
工程师站是 DCS 中的一个特殊功能站，其主要作用是对 DCS 进 行应用组态。应用组态是 DCS 应用过程当中必不可少的一个环 节，因为 DCS 是一个通用的控制系统，在其上可实现各种各样 的应用，关键是如何定义一个具体的系统完成什么样的控制，控 制的输入/输出量是什么，控制回路的算法如何，在控制计算中 选取什么样的参数，在系统中设置哪些人机界面来实现人对系统 的管理与监控，还有诸如报警、报表及历史数据记录等各个方面 功能的定义，所有这些都是组态所要完成的工作，只有完成了正 确的组态，一个通用的DCS 才能够成为一个针对一个具体控制应 用的可运行系统。
4. 决策管理层 ( 工厂总体管理和经营管理层 ) 这一级居于中央计算机上，并与办公室自动化连接起来，担负 起全厂的总体协调管理，包括各类经营活动、人事管理等。
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集散控制系统
2.2 DCS 分层结构中各层的功能
2.2 DCS 分层结构中各层的功能
2.1 节已经就计算机控制 系统的发展谈及到集散控 制系统的结构分层模式， 并归纳出集散控制系统的 四级典型功能层次，下面 将着重阐述各层的功能。
图 2.6
集散控制系统体系.2 DCS 分层结构中各层的功能
2.2.1 直接控制级
直接控制层是集散型控制系统的基础，其主要任务有。 (1) 进行过程数据采集：即对被控设备中的每个过程量和状态信 息进行快速采集，使进行数字控制、开环控制、设备监测、状态报 告的过程等获得所需要的输入的信息。 (2) 进行直接数字的过程控制：根据控制组态数据库、控制算法 模块来实施实时的过程量 ( 如开关量、模拟量等 ) 的控制。 (3) 进行设备监测和系统的测试、诊断：把过程变量和状态信息 取出后，分析是否可以接受以及是否可以允许向高层传输。 (4) 实施安全性、冗余化方面的措施：一旦发现计算机系统硬件 或控制板有故障，就立即实施备用件的切换，保证整个系统安全运 行。
2. 过程管理层 ( 操作监控层 ) 在这一级上的过程管理计算机主要有监控计算机、操作站、工 程师站。它综合监视过程各站的所有信息、集中显示操作，控 制回路组态和参数修改，优化过程处理等。
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集散控制系统
1.1 DCS的体系结构形成
3. 生产管理层 ( 产品管理级 ) 在这一级上的管理计算机根据产品各部件的特点，协调各单元 级的参数设定，是产品的总体协调员和控制器。
(1) 市场分析。 (2) 用户信息的收集。 (3) 订货统计分析。 (4) 销售与产品计划。 (5) 合同事宜。 (6) 接收订货与期限监测。 (8) 价格计算。 (9) 生产能力与订货的平衡。 (10) 订货的分发。 (11) 生产与交货期限的监视。 (12) 生产，订货和合同的报告。 (13) 财政方面的报告等。 华中科技大学 控制系 王卓
集散控制系统
2.3
DCS 的构成与联系
2.3
DCS 的构成与联系
一个最基本的 DCS 应包括 四个大的组成部分：至少 一台现场控制站，至少一 台操作员站一台工程师站 ( 也可利用一台操作员站 兼做工程师站 ) ，一条系 统网络。一个典型的 DCS 体结构如图 2.7 所示，图 中表明了 DCS 各主要组成 部分和各部分之间的连接 关系。
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集散控制系统
2.3
DCS 的构成与联系
2. 现场控制站
现场控制站是 DCS 的核心，系统主要的控制功能由它来完成。 系统的性能、可靠性等重要指标也都要依靠现场控制站保证，因 此对它的设计、生产及安装都有很高的要求。现场控制站的硬件 一般都采用专门的工业级计算机系统，其中除了计算机系统所必 需的运算器 ( 即主 CPU) 、存储器外，还包括了现场测量单元、 执行单元的输入 / 输出设备，即过程量I/O 或现场 I/O 。在现 场控制站内部，主 CPU 和内存等用于数据的处理、计算和存储 的部分被称为逻辑部分，而现场 I/O 则被称为现场部分，这两 个部分是需要严格隔离的，以防止现场的各种信号，包括干扰信 号对计算机的处理产生不利的影响。
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集散控制系统
2.3
DCS 的构成与联系
2. 现场控制站
现场控制站内的逻辑部分和现场部分的连接，一般采用与工业计 算机相匹配的内部并行总线，如 Multibus 、 VME 、STD 、 ISA 、 PCI04 、 PCI 和 Compact PCI 等。 由于并行总线结构比较复杂，用其连接逻辑部分和现场部分很难 实现有效的隔离，成本较高，很难方便地实现扩充。 串行总线的优点是结构简单，成本低，很容易实现隔离，而且容 易扩充，可以实现远距离的 I/O 模块连接。近年来，现场总线 技术的快速发展更推进了这个趋势，目前直接使用现场总线产品 作为现场 I/O 模块和主处理模块的连接已很普遍，如 CAN 、 Profibus 、Devicenet 、 Lonwrks 及 FF 等。由于 DCS 的现 场控制站有比较严格的实时性要求，需要在确定的时间期限内完 成测量值的输入、运算和控制量的输出，因此现场控制站的运算 速度和现场 I/O 速度都应该满足很高的设计指标。
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集散控制系统
2.3
DCS 的构成与联系
4. 服务器及其他功能站
在现代的 DCS 结构中，除了现场控制站和操作员站以外，还可 以有许多执行特定功能的计算机，如专门记录历史数据的历史站； 进行高级控制运算功能的高级计算站；进行生产管理的管理站等。 这些站也都通过网络实现与其他各站的连接，形成一个功能完备 的复杂的控制系统。 随着 DCS 的功能不断向高层扩展，系统已不再局限于直接控制， 而是越来越多地加入了监督控制乃至生产管理等高级功能，因此 当今大多数 DCS 都配有服务器。服务器的主要功能是完成监督 控制层的工作，如整个生产装置乃至全厂的运行状态监视、对生 产过程各个部分出现的异常情况的及时发现并及时处置、向更高 层的生产调度和生产管理，直至企业经营等管理系统提供实时数 据和执行调节控制操作等。