DCS和现场总线技术第2章
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DCS及现场总线技术
第２章 DCS硬件体系及系统
第2章 DCS硬件体系及系统
本章介绍主要内容
2.1 DCS的体系结构及功能 2.2 DCS的构成及联系 2.3 DCS的硬件系统 2.4 DCS典型产品结构实例
2.1 DCS的体系结构及功能
2.1.1 DCS的体系结构 DCS系统通常分四层结构（分别对应四层计算机网络）， 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）。
2．数据采集站
数据采集站（Data Acquisition Stand，DAS）又叫过程接口单元 （Process Interface Unit，PIU）。它是为生产过程中的非控制变量设置 的采集装置，接收由现场设备送来的信号，并进行一些必要的转换和处 理之后送到DCS中的其他部分，如监控级设备。
3．监控级（层）
此层有操作员站、工程师站和计算站等。能对现场设备进行检测 和故障诊断，能综合各个过程控制站的所有信息，对全系统进行 集中监视和操作；能进行组态、参数修改和优化过程处理等工作。 并能根据状态信息判断计算机系统硬、软件的状态，异常时实施 报警、诊断等措施。
4．管理级（层）
此层有生产和经营管理计算机。实现全厂设备性能监视、运行优 化、负荷分配和日常运行管理等功能。主要承担全厂的管理决策、 计划、行政管理等任务。
2.1 DCS的体系结构及功能
2.1.1.DCS的分散方式
1）功能分散 按装置或设备的功能考虑，并以全局控制和个别控制 之间的分散来划分的。
2）物理分散 由许多不同的物理实体分散地实现
有层次分散型和水平分散型两种分散形式。
3）地域分散 指安装布置方式，有如下两种形式： ①地域集中式 ②地域分散式 4）负荷分散 通过负荷分散，使一个控制装置发生故障时的危险影
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，系统主要控制功能是由它来完成的。
它接收由现场设备来的信号，对生产过程进行闭环控 制，可控制数个至数十个回路，按照一定的控制策略 计算出所需的控制量，并送回到现场的执行器中去。 它能同时完成连续控制、顺序控制和逻辑控制功能。
2）数据采集站的功能 数据采集站能完成过程数据采集、设备监测、系统测 试和故障诊断。
2.1 DCS的体系结构及功能
2.1.3 DCS的各级（层）功能
3．监控级（层）的功能 1)操作员站主要功能是用于监视和控制整个生产过程。 2)工程师站主要功能是为控制工程师针对DCS控制系
统进行配置、组态、调试和维护提供的工作平台，可 实现系统优化和先进控制策略的实施，可以对各种设 计文件进行归类和管理，形成相应的设计文档等。 3)计算站主要是由超级微型机或小型机组成。它的主 要功能是对生产过程进行监督控制。
2.2 DCS的构成及联系
2.2.1 DCS的基本构成 一个基本的DCS一般是由现场控制站（或过程控制单
元）、现场数据采集站（或过程接口单元）、操作员 工作站、工程师工作站、各种功能站（如记录数据站、 高级控制站、管理计算站等）和高速数据通道（或系 统通信网络）等几个主要部分组成，如下页图所示。
响减到尽可能小的地步。
2.1 DCS的体系结构及功能
2.1.2 DCS的冗余化
常用的冗余方式如下： 1）同步运转方式 2）待机运转方式 3）后退运转方式 4）多级操作方式
2.1 DCS的体系结构及功能
2.1.3 DCS的各级（层）功能
1．现场级（层）的功能 1）各类传感器和变送器的功能 2）执行器的功能 3）现场级（层）的信息传输方式
在这一级（层）能实现对全厂生产管理和产品的监视报告，并与 上级（层）交互传递数据信息。
2.1 DCS的体系结构及功能
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ2.1.3 DCS的各级（层）功能
2）经营管理级（层） ——工厂经营者使用。它管理的范围很广：包括工程技术、经济、
商业事务、人事活动以及其他方面的功能。把这些功能都集成到 软件系统中，通过综合产品计划，根据各种变化条件，结合多种 多样的材料和能量调配，以达到最优地解决策略和方法。 在这一层中，通过网络与公司的经理部、市场部、计划部以及人 事部等部门进行连接，来实现整个企业系统的最优化。
2.1 DCS的体系结构及功能
2.1.3 DCS的各级（层）功能
4．管理级（层）的功能 1）生产管理级（层）
——工厂企业生产管理者使用．主要功能是监测企业各部门以及 生产装置的运行情况，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，
根据用户的订货、库存、能源情况来规划各生产部门中的产品结 构和规模，帮助企业实现其规划目标。
（1）传统的4～20mA 模拟量传输方式； （2）现场总线的全数字量传输方式； （3）在4～20mA模拟量信号上，叠加调制后的数字量信号的混合
传输方式。
2.1 DCS的体系结构及功能
2.1.3 DCS的各级（层）功能
2．控制级（层）的功能
1）过程控制站的功能 能对现场设备（如传感器、变送器等）传来的信息， 按照一定的控制策略进行计算给出所需的控制量，通 过输出通道将控制信息传递给现场的执行器，完成系 统的控制任务。
DCS的典型体系结构
No Image
DCS系统四级（层）内容介绍：
1．现场级（层） 此层有现场各类测控装置（设备），如各类传感器、变送器、执
行器等。它们能够完成对生产装置（过程）的信号检测、转换和 控制量的输出等。现场控制站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装置(变送器、执行机构) 相连，完成监测和控制功能。 同时，它们与上面监控层计算机相连，接收上层管理信息，并向 上传递现场装置的特性数据和采集到的实时数据。
第２章 DCS硬件体系及系统
第2章 DCS硬件体系及系统
本章介绍主要内容
2.1 DCS的体系结构及功能 2.2 DCS的构成及联系 2.3 DCS的硬件系统 2.4 DCS典型产品结构实例
2.1 DCS的体系结构及功能
2.1.1 DCS的体系结构 DCS系统通常分四层结构（分别对应四层计算机网络）， 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）。
2．数据采集站
数据采集站（Data Acquisition Stand，DAS）又叫过程接口单元 （Process Interface Unit，PIU）。它是为生产过程中的非控制变量设置 的采集装置，接收由现场设备送来的信号，并进行一些必要的转换和处 理之后送到DCS中的其他部分，如监控级设备。
3．监控级（层）
此层有操作员站、工程师站和计算站等。能对现场设备进行检测 和故障诊断，能综合各个过程控制站的所有信息，对全系统进行 集中监视和操作；能进行组态、参数修改和优化过程处理等工作。 并能根据状态信息判断计算机系统硬、软件的状态，异常时实施 报警、诊断等措施。
4．管理级（层）
此层有生产和经营管理计算机。实现全厂设备性能监视、运行优 化、负荷分配和日常运行管理等功能。主要承担全厂的管理决策、 计划、行政管理等任务。
2.1 DCS的体系结构及功能
2.1.1.DCS的分散方式
1）功能分散 按装置或设备的功能考虑，并以全局控制和个别控制 之间的分散来划分的。
2）物理分散 由许多不同的物理实体分散地实现
有层次分散型和水平分散型两种分散形式。
3）地域分散 指安装布置方式，有如下两种形式： ①地域集中式 ②地域分散式 4）负荷分散 通过负荷分散，使一个控制装置发生故障时的危险影
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，系统主要控制功能是由它来完成的。
它接收由现场设备来的信号，对生产过程进行闭环控 制，可控制数个至数十个回路，按照一定的控制策略 计算出所需的控制量，并送回到现场的执行器中去。 它能同时完成连续控制、顺序控制和逻辑控制功能。
2）数据采集站的功能 数据采集站能完成过程数据采集、设备监测、系统测 试和故障诊断。
2.1 DCS的体系结构及功能
2.1.3 DCS的各级（层）功能
3．监控级（层）的功能 1)操作员站主要功能是用于监视和控制整个生产过程。 2)工程师站主要功能是为控制工程师针对DCS控制系
统进行配置、组态、调试和维护提供的工作平台，可 实现系统优化和先进控制策略的实施，可以对各种设 计文件进行归类和管理，形成相应的设计文档等。 3)计算站主要是由超级微型机或小型机组成。它的主 要功能是对生产过程进行监督控制。
2.2 DCS的构成及联系
2.2.1 DCS的基本构成 一个基本的DCS一般是由现场控制站（或过程控制单
元）、现场数据采集站（或过程接口单元）、操作员 工作站、工程师工作站、各种功能站（如记录数据站、 高级控制站、管理计算站等）和高速数据通道（或系 统通信网络）等几个主要部分组成，如下页图所示。
响减到尽可能小的地步。
2.1 DCS的体系结构及功能
2.1.2 DCS的冗余化
常用的冗余方式如下： 1）同步运转方式 2）待机运转方式 3）后退运转方式 4）多级操作方式
2.1 DCS的体系结构及功能
2.1.3 DCS的各级（层）功能
1．现场级（层）的功能 1）各类传感器和变送器的功能 2）执行器的功能 3）现场级（层）的信息传输方式
在这一级（层）能实现对全厂生产管理和产品的监视报告，并与 上级（层）交互传递数据信息。
2.1 DCS的体系结构及功能
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ2.1.3 DCS的各级（层）功能
2）经营管理级（层） ——工厂经营者使用。它管理的范围很广：包括工程技术、经济、
商业事务、人事活动以及其他方面的功能。把这些功能都集成到 软件系统中，通过综合产品计划，根据各种变化条件，结合多种 多样的材料和能量调配，以达到最优地解决策略和方法。 在这一层中，通过网络与公司的经理部、市场部、计划部以及人 事部等部门进行连接，来实现整个企业系统的最优化。
2.1 DCS的体系结构及功能
2.1.3 DCS的各级（层）功能
4．管理级（层）的功能 1）生产管理级（层）
——工厂企业生产管理者使用．主要功能是监测企业各部门以及 生产装置的运行情况，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，
根据用户的订货、库存、能源情况来规划各生产部门中的产品结 构和规模，帮助企业实现其规划目标。
（1）传统的4～20mA 模拟量传输方式； （2）现场总线的全数字量传输方式； （3）在4～20mA模拟量信号上，叠加调制后的数字量信号的混合
传输方式。
2.1 DCS的体系结构及功能
2.1.3 DCS的各级（层）功能
2．控制级（层）的功能
1）过程控制站的功能 能对现场设备（如传感器、变送器等）传来的信息， 按照一定的控制策略进行计算给出所需的控制量，通 过输出通道将控制信息传递给现场的执行器，完成系 统的控制任务。
DCS的典型体系结构
No Image
DCS系统四级（层）内容介绍：
1．现场级（层） 此层有现场各类测控装置（设备），如各类传感器、变送器、执
行器等。它们能够完成对生产装置（过程）的信号检测、转换和 控制量的输出等。现场控制站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装置(变送器、执行机构) 相连，完成监测和控制功能。 同时，它们与上面监控层计算机相连，接收上层管理信息，并向 上传递现场装置的特性数据和采集到的实时数据。