分布式计算机控制系统

五、基于IPC构成的分布式控制系统
IPC-DCS的通信方式
1.串行通信
五、基于IPC构成的分布式控制系统
IPC-DCS的通信方式
2.使用公众电话网拨号通信 3.通过以太网用TCP/IP通信
六、基于PLC构成的分布式控制系统
PLC 采用层次化网络结构，从下至上分为输入 / 输出总线 （IOBUS）、控制网络（CNET）、管理网络（MNET）。
1.管理层（SMS）
2.操作层（IOS） 3.现场控制层（FCS） 4.仪表层（FIS）
五、基于IPC构成的分布式控制系统
IPC-DCS的网络结构
1.客户/服务器
五、基于IPC构成的分布式控制系统
IPC-DCS的网络结构 2.对等结构
五、基于IPC构成的分布式控制系统
IPC-DCS的网络结构 3.混合结构
（一） DCS系统的层次结构 1、 现场控制级（直接控制层） （1）微处理器进入现场变送器、传感器和执行器；部分或 完全完成过程控制级的功能； （2）采集过程数据，对数据进行数据转换； （3）输出过程操作命令； （4）进行直接数字控制； （5）完成与过程装置控制级的数据通信； （6）对现场控制级的设备进行检测和诊断。 主要设备：控制站（包含输入输出单元（IOU）、控制单元 （CU）、电源单元（PU））
四、DCS实例
四、DCS实例
Honeywell PKS系统的特点
1.可实现模拟量控制、顺序控制机逻辑控制 2.实现多级冗余 3.人机界面非常友好 4.提供了向FCS过渡的解决方案
5.支持OPC数据交换
6.支持第三方控制器 7.支持仿真环境，可离线组态
五、基于IPC构成的分布式控制系统
IPC-DCS的层次结构
一、DCS的构成
2、输入/输出单元 输入/输出单元是由各种类型的输入/输出模板组成。 3、电源单元 DCS系统主要采用开关电源。 4、机柜 现场控制站的机柜内部均装有多层机架，以供安装电源及模块之用。 5、DCS的操作站 DCS操作站一般分为操作员站和工程师站。前者主要实现一般的生产操作 和监控任务，具有数据采集和处理、监控画面显示、故障诊断和报警等 功能。后者除了具有操作员站的一般功能以外，还应具备系统的组态、 控制目标的修改等功能。
一、DCS的构成
DCS功能的构成反映了DCS的“分散控制、集中管 理”的特点。 从功能上看可以分为：四个层次，分别是现场控 制级的功能；过程装置控制级；车间操作管理级； 全厂优化和调度管理级。 从结构看分为：三大块，分别是分散过程控制装 置；集中操作和管理系统；通信系统。
一、DCS的构成
一、DCS的构成
3）网络通信模块周期性的从数据库取得各记录的实时值并
广播到网络上，以刷新其他站的数据库，同时不断接受网络 上的控制信息包，并将该信息写回该点的记录中。
一、DCS的构成
2.操作员站监控软件 （1）主要功能
完成实时数据管理、历史数据存储和管理、控制回路调节和
显示、生产工艺流程画面显示、系统状态、趋势显示以及生 产记录的打印和管理。
一、DCS的构成
2、过程装置控制级（操作监控层） 过程装置控制级功能是： （1）采集过程数据，进行数据转换和处理； （2）数据的监视和存储； （3）实施连续、批量或顺序控制的运算和输出控制作用； （4）数据和设备的自诊断； （5）数据通信。 主要设备：操作员站、工程师站、监控计算机站和计算机网 关。
实现实时数据库组态
系统硬件组态 历史记录组态 报警组态 在线下装
控制算法组态
画面组态 报表组态 在线组态 安全性组态等功能。
一、DCS的构成
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一、DCS的构成
一、DCS的构成
一、DCS的构成
一、DCS的构成
一、DCS的构成
（二）DCS的网络结构 1、DCS的控制网络CNET 控制站内部使用的冗余实时网络，实现在控制站内部各个智 能I/O模板和控制板之间信息传递。
4、DCS的决策管理网络DNET
处于公司级，覆盖整个公司的各个网络节点，选用局域网或 区域网。
二、DCS的特点
1、独立性
各工作组独立完成工作
2、协调性 各工作站间通过通信网络传送信息并协调工作
3、友好性
操作方便、显示直观、提供了装置运行下的可监视性 4、适应性、灵活性和可扩充性 DCS软硬件采用开放式、标准化、模块化设计 5、实时性
发展方向。
四、DCS实例
Honeywell PKS系统
PKS(Process Knowledge System) 系统是一个将整个工厂的商业信 息系统与生产过程控制系统统一在一个平台上的自动化系统 ,它继 承了传统 DCS 的优点 , 同时又融合新的技术突破 , 是一套比 TPS 及 PlantScape系统更趋完善的控制系统。
七、基于工业以太网和现场总线的分布式控制系统
3.以太网发展的障碍
（1）通信存在不确定性
（2）不适用于恶劣的工业现场环境 （3）安全性和总线供电 （4）微处理器功能限制
七、基于工业以太网和现场总线的分布式控制系统
4.工业以太网发展的现状
（1）通信实时性
（2）工业环境适应性和可靠性
七、基于工业以太网和现场总线的分布式控制系统
分布式计算机控制系统
一、DCS概述
分布式计算机控制系统 (Distributed Control System)，简称DCS，通常也称为集散控制系统。 DCS 的控制功能，主要由计算机（ Computer ）、控 制技术（Control）、显示技术（CRT）和通信技术 （ Communicate ）来完成，一般也称为 4C 技术， 4C 技术是DCS系统的四大支柱。DCS中通信技术更为重 要，操作员站的操作、工程师站系统的组态以及现 场设备信息的交换都依靠通信技术来完成。
七、基于工业以太网和现场总线的分布式控制系统
7.基于工业以太网和现场总线的分布式控制系统
5.工业以太网发展协议
（1）HSE（High Speed Ethertnet） （2）PROFlnet
1）基于通用对象模型（COM）的分布式自动化系统 2）规定了Profibus和标准以太网之间的开放透明通信
3）Ethernet/IP
（4）Modbus TCP/IP
七、基于工业以太网和现场总线的分布式控制系统
一、DCS的构成
（3）实时数据库 实时数据库是现场控制软件的中心环节。 实时数据库的基本数据类型：
•
• • •
模拟量输入输出结构
开关量输入输出结构 模拟计算量结构 开关量点组合结构
一、DCS的构成
（3）实时数据库
实时数据库的存取形式：
1）输入输出模块取得通道信息和转换信息后，经运算后将 运算结果存回数据库。 2）控制算法从数据库中取得运算所需要的各种变量值，并 把控制结果写回数据库。
1.现场控制站控制软件
（1）主要功能
完成对现场的直接控制，包括数据采集、数据转换、算法运 行、控制输出、与其他站点通信及实时传输数据、控制站自 诊断及故障恢复、冗余切换、在线组态、在线下装、工程在 线升级和数据保持。
（2）现场控制站软件分为执行代码和数据两部分。
执行代码：固化在EPROM 数据：RAM
PLC、FCS及各种控制设备和软件资源的广义集成。
三、DCS的发展趋势
(2)仪表技术向数字化、智能化、网络化方向发展 工业控制设备的智能化、网络化发展，可以促使过程控制的功能 进一步分散下移，实现真正意义上的“全数字”、“全分散”控 制。另外，由于这些智能仪表具有的精度高、重复性好、可靠性 高，并具备双向通信和自诊断功能等特点，致使系统的安装、使
一、DCS的构成
一、DCS的构成
1、 控制单元 控制单元是各个DCS控制站的中央处理单元，是DCS的核心设 备。 关键指标：处理容量、控制周期、负荷率。很大程度上取决 于网络指标和控制软件的设计。 可靠性设计：控制冗余设计、控制网络冗余设计、系统网络 冗余设计、实时数据的掉电保持、在线诊断与状态提示、故 障隔离与故障恢复等。
对过程对象的所有操作是具有实时性
二、DCS的特点
6、可靠性
高可靠性、高效率和高可用性是DCS的生命力所在。
系统结构采用容错设计 系统所有硬件采用冗余设计 软件的容错设计 “电磁兼容性”设计 结构、组装工艺的高可靠性设计 在线快速排除故障的设计
三、DCS的发展趋势
(1)系统功能向开放式方向发展 传统 DCS 的结构是封闭式的，不同制造商的 DCS 之间难以兼容。而 开放式的DCS将可以赋予用户更大的系统集成自主权，用户可根据 实际需要选择不同厂商的设备连同软件资源连入控制系统，达到 最佳的系统集成。这里不仅包括 DCS 与 DCS 的集成，更包括 DCS 与
用和维护工作更为方便。
三、DCS的发展趋势
(3)工控软件正向先进控制方向发展 广泛应用各种先进控制与优化技术是挖掘并提升 DCS综合性能最有 效、最直接、也是最具价值的发展方向，主要包括先进控制、过 程优化、信息集成、系统集成等软件的开发和产业化应用。在未 来，工业控制软件也将继续向标准化、网络化、智能化和开放性
6.工业以太网的发展趋势与前景
（1）工业以太网与现场总线相结合
1）物理介质采用以太网连线 2）工业现场使用工业以太网交换机 3）采用IEEE 802.3物理层和数据链路层标准、TCP/IP协议 4）应用层采用现场总线的应用层协议 5）兼容现有成熟的传统控制系统
（2）工业以太网直接应用于现场设备层通信成趋势
一、DCS的构成
（二）DCS的软件结构
DCS软件包括：
现场控制站控制软件 操作员站监控软件 工程师站组态软件 三部分软件分别运行在不同层次的硬件平台上，并通过控制
网络、系统网络进行通信、彼此互相配合协调，交换管理和
控制信息，完成整个控制系统的各种功能。
一、DCS的构成
一、DCS的构成
一般为总线型拓扑结构。
七、基于工业以太网和现场总线的分布式控制系统
1.工业以太网的背景 （1）现有现场总线标准过多 （2）DCS和FCS技术上的专有性
（3）信息技术发展的要求
七、基于工业以太网和现场总线的分布式控制系统
2.以太网的优点
（1）通信速率高
（2）应用广泛 （3）成本低廉 （4）易于信息集成 （5）可持续发展潜力大
一、DCS的构成
（2）操作员监控软件的实现 实时多任务操作系统：实时多任务核心
实时数据库：DCS最基本的资源
历史数据库：便于对系统进行综合分析 网络通信管理：操作站对DCS集中管理和操作的基础
一、DCS的构成
3.工程师站组态软件 （1）组态
“组态(Configure)”的含义是“配置”、“设定”、“设
置”等意思，是指用户通过类似“搭积木”的简单方式来完 成自己所需要的软件功能，而不需要编写计算机程序。就是 用应用软件中提供的工具、方法，完成工程中某一具体任务 的过程。
一种组态软件只能适合某种领域的应用。组态形成的数据只
有其制造工具或其他专用工具才能识别。
一、DCS的构成
3.工程师站组态软件 （2）主要功能
一、DCS的构成
3、车间操作管理级（生产管理层） 车间操作管理级能完成功能是： （1）数据显示与记录 （2）过程操作（含组态操作、维护操作） （3）数据存储和压缩归档 （4）报警、事件的诊断和处理 （5）系统组态、维护和优化处理 （6）数据通信； （7）报表打印和画面硬拷贝。 主要设备：中央控制室操作站、打印机、拷贝机、工程师站、 计算站等
一、DCS的构成
4、 全厂优化和调度管理级（决策管理层） （1）从系统的观点：原料到销售进行优化协调，优化控制 （2）协调和调度各车间生产计划和各部门的联系； （3）主要数据的显示、存储和打印；数据通信。 主要设备：大型机、中型机、微机
一、DCS的构成
一、DCS的构成
（二）DCS的硬件结构 DCS系统基于分级分布式网络结构连接各硬件单元或者硬件 模块。 硬件系统主要包括：控制单元、输入/输出单元、电源单元、 控制网络及设备、系统网络及设备、操作员站、工程师站、 监控计算机站、机柜和操作台等。
2、DCS的系统网络SNET
DCS的中枢，应具有良好的实时性、快速的响应性、极高的 安全性和网络的开放性等特点，选用局域网。 传输介质：同轴电缆或光缆
一、DCS的构成
（二）DCS的网络结构 3、DCS的管理网络MNET 处于工厂级，覆盖一个厂区的各个网络节点，选用局域网。 传输介质：同轴电缆或者光缆