分散控制系统概述
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DCS系统通过某种通信网络将分布在工业现场附近或电子设备 间的过程控制站和控制中心的操作员站及工程师站等连接起来，以 完成对现场生产设备的分散控制和集中操作管理。
DCS自1975年问世以来已经历了近三十年的时间，其可靠性、 实用性不断提高，功能日益增强。如控制器的处理能力、网络通讯 能力、控制算法、画面显示及综合管理能力等。 DCS系统过去只应 用在少数大型企业的控制系统中，但随着 4C技术及软件技术的迅猛 发展，到目前已经在电力、石油、化工、制药、冶金、建材等众多 行业得到了广泛的应用，特别是电力、石化这样的行业。
山西大学工程学院信息工程系
ＤＣＳ DCS的体系结构—过程控制系统
2．过程控制站
过程控制站接收由现场设备，如传感器、变送器来的信号，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。过程控 制站可以同时完成模拟量连续控制、开关量顺序控制功能，也可能仅完 成其中的一种控制功能。
如果过程控制站仅接收由现场设备送来的信号，而不直接完成控制功 能，则称其为数据采集站。数据采集站接收由现场设备送来的信号，对 其进行一些必要的转换和处理之后送到分散型控制系统中的其他部分， 主要是监控级设备中去，通过监控级设备传递给运行人员。
CRT
CRT
计算机
计算机
依靠网络互连的人机接口可以监控全过程-----集中管理
山西大学工程学院信息工程系
ＤＣＳ DCS的产生
过程的各个部分之间势必有交互信息，如何解决？引入 网络总线，即计算机网络。
山西大学工程学院信息工程系
ＤＣＳ DCS的产生
集中管理的优点: A 一台计算机可完成局部系统的监视 B 画面切换可进行全局的监控 C 保持
分散控制系统的组成 :
过程控制站：下位机
人机接口：上位机
通信系统：总线
分散控制系统的 设计理念 :
分散控制、集中管理
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ＤＣＳ DCS的体系结构
Mnet
管
理 级
管理计
管理计
0
算机
0
算机
0
Snet
监 控
工程师
0
站
级
Cnet-H
操
0
作
0
员
站
操
作
0
员
站
3 Co m
路由器
0
历史纪 录站、
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ＤＣＳ DCS概念 下图以一个水位信号调节的例子简单地说明DCS的应 用过程：
山西大学工程学院信息工程系
ＤＣＳ DCS概念
把上述过程引申如下：
人机界面 监 视 /控 制 操 作
数据转换、控制运算、传送 数据和诊断结果到上层网络
输入信号 采集单元
DCS系 统源自文库
现场
仪表/
变送器
一般在电厂中，把过程控制站集中安装在位于主控室后的电子设备间 中。许多新建电厂为降低工程造价，在将过程控制站有限分散布置的同 时（即：将过程控制站分别布置在靠近锅炉房和汽机房的电子设备间 中），大量采用远程 I/O并逐步采用现场总线仪表。
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ＤＣＳ DCS的体系结构—过程控制系统
过程控制子系统是DCS系统中负责现场过程数据采集和过程控制的系统，由现场 设备与过程控制站组成。
1．现场设备
现场设备一般位于被控生产过程的附近。典型的现场设备是各类传感器、变送 器和执行器，它们将生产过程中的各种物理量转换为电信号，送往过程控制站，或 者将控制站输出的控制量转换成机械位移，带动调节机构，实现对生产过程的控制。
计算站
控
过
制
程
级
控
制
站
现 场 级
过 程 控 制 站
常规仪表
控
控
制
控
制
器
制
器
器
过
程
Cnet-L
Cnet-L
控
lati gi d
远 本
制
程 地
站
lat igid
I/O
I/O
站
站
l ati gi d
Fnet
常规仪表
现场总线仪表
常规仪表
山西大学工程学院信息工程系
ＤＣＳ DCS的体系结构
网络通信系统:网络层次、传输信息、挂 接的设备 人机接口系统：组成、作用 过程控制系统：组成、作用
目前现场设备的信息传递有三种方式，一种是传统的 4～20mA(或者其他类型的 模拟量信号)模拟量传输方式；另一种是现场总线的全数字量传输方式；还有一种是 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。现场信息以 现场总线（Fnet）为基础的全数字传输是今后的发展方向。
按照传统观点，现场设备不属于分散控制系统的范畴，但随着现场总线技术的 飞速发展，网络技术已经延伸到现场，微处理机已经进入变送器和执行器，现场信 息已经成为整个系统信息中不可缺少的一部分。 因此，我们将其并入分散控制系统 体系结构中。
ＤＣＳ 分散控制系统概述
DCS概念 DCS的产生及发展 分散控制系统的体系结构 分散控制系统的特点 火电厂自动化
山西大学工程学院信息工程系
ＤＣＳ DCS概念
DCS即 集 散 型 控 制 系 统 ， 又 称 分 布 式 控 制 系 统 （ Distributed Control System）、分散控制系统。它的主要基础是 4C技术，即计算 机－Computer、控制 －Control、通信－Communication和CRT显示 技术。
如何监控现场呢？计算机挂CRT，设备和CRT混安，分散； CPU负担较重，且不便于监控其它过程；可以把人机接口运用 独立计算机，连接到网络，且是多台计算机，各台分工不同。
CRT
CRT
计算机
计算机
山西大学工程学院信息工程系
ＤＣＳ DCS的产生
---------分散控制系统
山西大学工程学院信息工程系
ＤＣＳ DCS的产生
山西大学工程学院信息工程系
ＤＣＳ DCS的体系结构------分析
（2）从系统的部件结构角度上看，分散控制系统是继模拟 式组件组装仪表之后的新一代数字式仪表控制系统。构成系 统的基本部件，是一系列承担指定任务的数字化功能组件， 其中包括微处理器为核心的控制与信息处理模件、I/O模件、 电源模件、通信接口模件等等。分散控制系统是若干数字化 功能组件按功能要求、使用需要和按一定规律进行的有机组 合，并与其他相关部件（如显示器、键盘、打印机等）配合 而成的新型控制系统。
（3）从系统的信息处理角度上看，分散控制系统是由一系 列实现不同功能，完成不同的信息采集、信息加工、信息处 理、信息管理、信息传输的站所组成。各站之间通过信息网 络连接，相互进行信息的交流。信息网络上分布的各站的信 息地位平等，网络上的信息大家共享。分散的具有一定自治 能力的站在系统中增强了信息加工和处理速度，而高速的信 息传递有利于信息沟通和信息综合管理。
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ＤＣＳ DCS的体系结构------分析
（4）从系统的功能 角度上看，分散控制系 统是一个多功能分级控 制系统的结构体系 ；分 散控制系统按功能可以 划分为经营管理、生产 管理、过程管理（监督 控制）、直接控制等 四 个层次级别。其结构如 图所示。
经营 管理级 生产管理级 过程管理级 直接控制级
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ＤＣＳ DCS的体系结构------分析
分散控制系统是一个技术先进、功能全面、应用广泛、 结构复杂的现代化计算机控制系统。不同厂商推出的不同分 散控制系统产品，其系统结构各有不同。对任一分散控制系 统的认识和分析，可以从不同的侧重点入手，例如：
（1）从系统的物理构成角度上看，分散控制系统不外乎 由硬件系统和软件系统组成。硬件系统是躯体，它包括构成 系统的所有物理元器件、应用模件、功能单元、设备和设 施；软件系统是灵魂，它包括操作系统、数据库系统、功能 软件、工具软件、系统管理软件、应用和开发软件等等。
过程对象
控制指令 输出单元
阀 门 /执 行机构
操作员站 以太网连接
主控单元
现场总 线连接
IO输 入 模 块
DCS系 统
现场
仪表/ 变送器
过程对象
IO输 出 模 块
阀 门 /执 行机构
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ＤＣＳ DCS的产生
（1）由于计算机运算速度块，可以处理多路信息。
计算机
D/A
A/D
（2）为了方便计算机与多路信号连接，8或16路通道集成在一 块印刷电路板。AI、AO、DI、DO板卡或模件。
分散控制系统的分析 :多种角度
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ＤＣＳ DCS的体系结构—网络通信系统
分散控制系统的纵向分层结构将系统分成四个不同的层次，自下而上分别 是：现场级、控制级、监控级和管理级。对应着这四层结构，分别由四层计 算机网络即现场网络Fnet(Field Network)、控制网络Cnet(Control Network)、监 控网络Snet(Supervision Network) 和管理网络Mnet(Management Network)把相应 的设备连接在一起。
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ＤＣＳ DCS的产生
（3）计算机与板卡如何连接？一台计算机与多块板相连？如 何连接？----总线
计算机
AI AO DI DO PI
这样，用一台计算机采集和控制所有的点数（全过程）---集 中型计算机控制系统。
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ＤＣＳ DCS的产生
集中控制存在的问题： a 计算机负担很重，响应不及时，失去控制的实时性。 B 计算机出故障的机率非常大，计算机出故障后全局瘫痪。 C 如何克服，引入分散控制。
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ＤＣＳ DCS的产生
（4）人机接口 测点数较多，简单的人机接口设备不足以完成监视和操控
（较多，仪表盘很长，监盘易出现问题），所以需要配备CRT 或LCD。
开发相应的监控画面。
一个CRT还是多台CRT；如果是一个CRT，计算机通过接口 （显卡）即可；如果是多个CRT，独立计算机设备，网络。
监控网络Snet(Supervision Network) 位于监控层，用于连接监控层工程师站、 操作员站、历史纪录站等人机接口站，传递以历史数据为主的过程监控数据。
管理网络Mnet(Management Network) 位于管理层，用于连接各类管理计算机。
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ＤＣＳ DCS的体系结构—过程控制系统
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ＤＣＳ DCS的体系结构—HMI
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ＤＣＳ DCS的体系结构—HMI
2．管理级 管理级包含的内容比较广泛，一般来说，它可能是一个发电厂的 厂级管理计算机，可能是若干个机组的管理计算机。它所面向的使 用者是厂长、经理、总工程师、值长等行政管理或运行管理人员。 厂级管理系统的主要任务是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。 管理级是属厂级的，也可分成实时监控(SIS)和日常管理(MIS)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。
现场网络Fnet(Field Network) 由类现场总线及远程I/O总线构成，位于被控 生产过程附近用于连接远程 I/O或现场总线仪表。
控制网络Cnet(Control Network) 由位于控制柜内部的柜内低速总线（ Cnet-L） 和位于控制柜与人机接口间的高速总线 (Cnet-H)构成用于传递实时过程数据。
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ＤＣＳ DCS的体系结构—HMI
DCS人机接口子系统主要有监控级和管理级设备构成。是DCS系统信息展示 和人机交互的平台。
1．监控级 监控级的主要设备有操作员站、工程师站、计算站。其中操作员站安装在中 央控制室，工程师站、历史纪录站和计算站一般安装在电子设备间。 操作员站是运行人员与分散型控制系统相互交换信息的人机接口设备。运行 人员通过操作员站来监视和控制整个生产过程。运行人员可以在操作员站上观 察生产过程的运行情况，读出每一个过程变量的数值和状态，判断每个控制回 路是否工作正常，并且可以随时进行手动／自动控制方式的切换，修改给定 值，调整控制量，操作现场设备。以实现对生产过程的干预。另外还可以打印 各种报表，拷贝屏幕上的画面和曲线等。为了实现以上功能，操作员站是由一 台具有较强图形处理功能的微型机，以及相应的外部设备组成，一般配有 CRT 显示器、大屏幕显示装置(选件)、打印机、拷贝机、键盘、鼠标或球标。
连续过程 批量控制 离散控制
第四层 第三层 第二层 第一层 现场设备
分散控制系统功能结构图
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DCS自1975年问世以来已经历了近三十年的时间，其可靠性、 实用性不断提高，功能日益增强。如控制器的处理能力、网络通讯 能力、控制算法、画面显示及综合管理能力等。 DCS系统过去只应 用在少数大型企业的控制系统中，但随着 4C技术及软件技术的迅猛 发展，到目前已经在电力、石油、化工、制药、冶金、建材等众多 行业得到了广泛的应用，特别是电力、石化这样的行业。
山西大学工程学院信息工程系
ＤＣＳ DCS的体系结构—过程控制系统
2．过程控制站
过程控制站接收由现场设备，如传感器、变送器来的信号，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。过程控 制站可以同时完成模拟量连续控制、开关量顺序控制功能，也可能仅完 成其中的一种控制功能。
如果过程控制站仅接收由现场设备送来的信号，而不直接完成控制功 能，则称其为数据采集站。数据采集站接收由现场设备送来的信号，对 其进行一些必要的转换和处理之后送到分散型控制系统中的其他部分， 主要是监控级设备中去，通过监控级设备传递给运行人员。
CRT
CRT
计算机
计算机
依靠网络互连的人机接口可以监控全过程-----集中管理
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ＤＣＳ DCS的产生
过程的各个部分之间势必有交互信息，如何解决？引入 网络总线，即计算机网络。
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ＤＣＳ DCS的产生
集中管理的优点: A 一台计算机可完成局部系统的监视 B 画面切换可进行全局的监控 C 保持
分散控制系统的组成 :
过程控制站：下位机
人机接口：上位机
通信系统：总线
分散控制系统的 设计理念 :
分散控制、集中管理
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ＤＣＳ DCS的体系结构
Mnet
管
理 级
管理计
管理计
0
算机
0
算机
0
Snet
监 控
工程师
0
站
级
Cnet-H
操
0
作
0
员
站
操
作
0
员
站
3 Co m
路由器
0
历史纪 录站、
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ＤＣＳ DCS概念 下图以一个水位信号调节的例子简单地说明DCS的应 用过程：
山西大学工程学院信息工程系
ＤＣＳ DCS概念
把上述过程引申如下：
人机界面 监 视 /控 制 操 作
数据转换、控制运算、传送 数据和诊断结果到上层网络
输入信号 采集单元
DCS系 统源自文库
现场
仪表/
变送器
一般在电厂中，把过程控制站集中安装在位于主控室后的电子设备间 中。许多新建电厂为降低工程造价，在将过程控制站有限分散布置的同 时（即：将过程控制站分别布置在靠近锅炉房和汽机房的电子设备间 中），大量采用远程 I/O并逐步采用现场总线仪表。
山西大学工程学院信息工程系
ＤＣＳ DCS的体系结构—过程控制系统
过程控制子系统是DCS系统中负责现场过程数据采集和过程控制的系统，由现场 设备与过程控制站组成。
1．现场设备
现场设备一般位于被控生产过程的附近。典型的现场设备是各类传感器、变送 器和执行器，它们将生产过程中的各种物理量转换为电信号，送往过程控制站，或 者将控制站输出的控制量转换成机械位移，带动调节机构，实现对生产过程的控制。
计算站
控
过
制
程
级
控
制
站
现 场 级
过 程 控 制 站
常规仪表
控
控
制
控
制
器
制
器
器
过
程
Cnet-L
Cnet-L
控
lati gi d
远 本
制
程 地
站
lat igid
I/O
I/O
站
站
l ati gi d
Fnet
常规仪表
现场总线仪表
常规仪表
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ＤＣＳ DCS的体系结构
网络通信系统:网络层次、传输信息、挂 接的设备 人机接口系统：组成、作用 过程控制系统：组成、作用
目前现场设备的信息传递有三种方式，一种是传统的 4～20mA(或者其他类型的 模拟量信号)模拟量传输方式；另一种是现场总线的全数字量传输方式；还有一种是 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。现场信息以 现场总线（Fnet）为基础的全数字传输是今后的发展方向。
按照传统观点，现场设备不属于分散控制系统的范畴，但随着现场总线技术的 飞速发展，网络技术已经延伸到现场，微处理机已经进入变送器和执行器，现场信 息已经成为整个系统信息中不可缺少的一部分。 因此，我们将其并入分散控制系统 体系结构中。
ＤＣＳ 分散控制系统概述
DCS概念 DCS的产生及发展 分散控制系统的体系结构 分散控制系统的特点 火电厂自动化
山西大学工程学院信息工程系
ＤＣＳ DCS概念
DCS即 集 散 型 控 制 系 统 ， 又 称 分 布 式 控 制 系 统 （ Distributed Control System）、分散控制系统。它的主要基础是 4C技术，即计算 机－Computer、控制 －Control、通信－Communication和CRT显示 技术。
如何监控现场呢？计算机挂CRT，设备和CRT混安，分散； CPU负担较重，且不便于监控其它过程；可以把人机接口运用 独立计算机，连接到网络，且是多台计算机，各台分工不同。
CRT
CRT
计算机
计算机
山西大学工程学院信息工程系
ＤＣＳ DCS的产生
---------分散控制系统
山西大学工程学院信息工程系
ＤＣＳ DCS的产生
山西大学工程学院信息工程系
ＤＣＳ DCS的体系结构------分析
（2）从系统的部件结构角度上看，分散控制系统是继模拟 式组件组装仪表之后的新一代数字式仪表控制系统。构成系 统的基本部件，是一系列承担指定任务的数字化功能组件， 其中包括微处理器为核心的控制与信息处理模件、I/O模件、 电源模件、通信接口模件等等。分散控制系统是若干数字化 功能组件按功能要求、使用需要和按一定规律进行的有机组 合，并与其他相关部件（如显示器、键盘、打印机等）配合 而成的新型控制系统。
（3）从系统的信息处理角度上看，分散控制系统是由一系 列实现不同功能，完成不同的信息采集、信息加工、信息处 理、信息管理、信息传输的站所组成。各站之间通过信息网 络连接，相互进行信息的交流。信息网络上分布的各站的信 息地位平等，网络上的信息大家共享。分散的具有一定自治 能力的站在系统中增强了信息加工和处理速度，而高速的信 息传递有利于信息沟通和信息综合管理。
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ＤＣＳ DCS的体系结构------分析
（4）从系统的功能 角度上看，分散控制系 统是一个多功能分级控 制系统的结构体系 ；分 散控制系统按功能可以 划分为经营管理、生产 管理、过程管理（监督 控制）、直接控制等 四 个层次级别。其结构如 图所示。
经营 管理级 生产管理级 过程管理级 直接控制级
山西大学工程学院信息工程系
ＤＣＳ DCS的体系结构------分析
分散控制系统是一个技术先进、功能全面、应用广泛、 结构复杂的现代化计算机控制系统。不同厂商推出的不同分 散控制系统产品，其系统结构各有不同。对任一分散控制系 统的认识和分析，可以从不同的侧重点入手，例如：
（1）从系统的物理构成角度上看，分散控制系统不外乎 由硬件系统和软件系统组成。硬件系统是躯体，它包括构成 系统的所有物理元器件、应用模件、功能单元、设备和设 施；软件系统是灵魂，它包括操作系统、数据库系统、功能 软件、工具软件、系统管理软件、应用和开发软件等等。
过程对象
控制指令 输出单元
阀 门 /执 行机构
操作员站 以太网连接
主控单元
现场总 线连接
IO输 入 模 块
DCS系 统
现场
仪表/ 变送器
过程对象
IO输 出 模 块
阀 门 /执 行机构
山西大学工程学院信息工程系
ＤＣＳ DCS的产生
（1）由于计算机运算速度块，可以处理多路信息。
计算机
D/A
A/D
（2）为了方便计算机与多路信号连接，8或16路通道集成在一 块印刷电路板。AI、AO、DI、DO板卡或模件。
分散控制系统的分析 :多种角度
山西大学工程学院信息工程系
ＤＣＳ DCS的体系结构—网络通信系统
分散控制系统的纵向分层结构将系统分成四个不同的层次，自下而上分别 是：现场级、控制级、监控级和管理级。对应着这四层结构，分别由四层计 算机网络即现场网络Fnet(Field Network)、控制网络Cnet(Control Network)、监 控网络Snet(Supervision Network) 和管理网络Mnet(Management Network)把相应 的设备连接在一起。
山西大学工程学院信息工程系
ＤＣＳ DCS的产生
（3）计算机与板卡如何连接？一台计算机与多块板相连？如 何连接？----总线
计算机
AI AO DI DO PI
这样，用一台计算机采集和控制所有的点数（全过程）---集 中型计算机控制系统。
山西大学工程学院信息工程系
ＤＣＳ DCS的产生
集中控制存在的问题： a 计算机负担很重，响应不及时，失去控制的实时性。 B 计算机出故障的机率非常大，计算机出故障后全局瘫痪。 C 如何克服，引入分散控制。
山西大学工程学院信息工程系
ＤＣＳ DCS的产生
（4）人机接口 测点数较多，简单的人机接口设备不足以完成监视和操控
（较多，仪表盘很长，监盘易出现问题），所以需要配备CRT 或LCD。
开发相应的监控画面。
一个CRT还是多台CRT；如果是一个CRT，计算机通过接口 （显卡）即可；如果是多个CRT，独立计算机设备，网络。
监控网络Snet(Supervision Network) 位于监控层，用于连接监控层工程师站、 操作员站、历史纪录站等人机接口站，传递以历史数据为主的过程监控数据。
管理网络Mnet(Management Network) 位于管理层，用于连接各类管理计算机。
山西大学工程学院信息工程系
ＤＣＳ DCS的体系结构—过程控制系统
山西大学工程学院信息工程系
ＤＣＳ DCS的体系结构—HMI
山西大学工程学院信息工程系
ＤＣＳ DCS的体系结构—HMI
2．管理级 管理级包含的内容比较广泛，一般来说，它可能是一个发电厂的 厂级管理计算机，可能是若干个机组的管理计算机。它所面向的使 用者是厂长、经理、总工程师、值长等行政管理或运行管理人员。 厂级管理系统的主要任务是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。 管理级是属厂级的，也可分成实时监控(SIS)和日常管理(MIS)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。
现场网络Fnet(Field Network) 由类现场总线及远程I/O总线构成，位于被控 生产过程附近用于连接远程 I/O或现场总线仪表。
控制网络Cnet(Control Network) 由位于控制柜内部的柜内低速总线（ Cnet-L） 和位于控制柜与人机接口间的高速总线 (Cnet-H)构成用于传递实时过程数据。
山西大学工程学院信息工程系
ＤＣＳ DCS的体系结构—HMI
DCS人机接口子系统主要有监控级和管理级设备构成。是DCS系统信息展示 和人机交互的平台。
1．监控级 监控级的主要设备有操作员站、工程师站、计算站。其中操作员站安装在中 央控制室，工程师站、历史纪录站和计算站一般安装在电子设备间。 操作员站是运行人员与分散型控制系统相互交换信息的人机接口设备。运行 人员通过操作员站来监视和控制整个生产过程。运行人员可以在操作员站上观 察生产过程的运行情况，读出每一个过程变量的数值和状态，判断每个控制回 路是否工作正常，并且可以随时进行手动／自动控制方式的切换，修改给定 值，调整控制量，操作现场设备。以实现对生产过程的干预。另外还可以打印 各种报表，拷贝屏幕上的画面和曲线等。为了实现以上功能，操作员站是由一 台具有较强图形处理功能的微型机，以及相应的外部设备组成，一般配有 CRT 显示器、大屏幕显示装置(选件)、打印机、拷贝机、键盘、鼠标或球标。
连续过程 批量控制 离散控制
第四层 第三层 第二层 第一层 现场设备
分散控制系统功能结构图
山西大学工程学院信息工程系