集散控制系统的构成

JX-300X系统的基本结构
JX-300X系统的基本结构
OS：操作站 ES：工程师站 BCU：总线变换单元 CIU：通讯接口单元 PCS：过程控制站 DAS：数据采集站 LCS：逻辑控制站 MFS：多功能计算站
过程控制级（Process Control Unit ）
系统硬件
控制站（CONTROL STATION, 简称CS，或AS） 由主控制卡、通信卡件、I/O卡件、供电单元组成 通过不同的硬件配置和软件设置可构成不同功能的控制站 过程控制站PCS 逻辑控制站LCS 数据采集站DAS 核心部件是主控制卡，它能进行多种过程控制运算和数字 逻辑运算，并能通过下一级通信总线（SBUS)获得各种 I/O卡件的信息。
机）

工业级微机用作多功能、多回路的分散控制装置；
操作管理机使用PC机，相应软件由软件厂商开发。
（2）回路控制器+通信系统+工业级微机

回路控制器作为分散控制装置；工业级微机作为操 作管理站，通用性强、自行开发软件。适用于中小 型企业（集散控制系统）。
（3）PLC+通信系统+工业级微机

PLC作为分散控制装置；其他同2。在制造业广泛应用的
从系统的观点：原料销售；优化协调
功能：

优化控制； 协调和调度各车间生产计划和各部门的联系； 主要数据的显示、存储和打印； 数据通信。
二、集散控制系统的构成方式二：分块结构
集散系统的基本结构： “三大 块”
（1）分散过程控制装置 （2）操作管理装置 （3）通信系统
（1）分散过程控制装置(下位机)
功能：

数据显示与记录； 过程操作（含组态操作、维护操作）；
数据存储和压缩归档；
报警、事件的诊断和处理； 系统组态、维护和优化处理； 数据通信； 报表打印和画面硬拷贝。
工作站
通信网络
(集散控制系统 DCS）集中操作监控 级
第四层
四个层次
4、全厂优化和调度管理级的功能
（2）操作管理装置(上位机)

是集散控制系统与操作人员、管理人员间的界面，
即人机界面。

监视和操作。
集中操作和管理系统部分 特征
• 信息量大； • 易操作性； • 容错性好；
（3）通信系统

是分散过程控
制装置与操作
管理装置之间
数据传递和交
换的桥梁。
通信系统部分特征
• 开放性：上层与其他厂商产品间 • 互操作性：下层与其他厂商变送器、执行器 间 • 传输速率 • 误码率
SBUS-S1
SBUS-S2
图5.4 SBUS总线结构示意图
机笼主体由 金属框架和 母板组成， 内部有20个 槽位用于固 定卡件。
冗余 冗余数据 主控卡 转发卡
0~15号I/O槽位
JX-300X DCS机笼正面结构图
机柜结构
机柜内部装有多层机架，安装电源及多种模件 外壳采用金属材料以提供电磁屏蔽。 为保证散热降温，柜内装有风扇。 柜内大多设有温度自动控制装置
• 第二重：受控系统（从信息处理和控制角度）；
• 第三重：经济实体，评价其效益和利润（经济学角 度） 比较：

• 多重结构：主要从建模考虑；
• 多级结构：子系统关联、横向分解、纵向分级；
（4）DCS递阶控制结构的优点
• 系统结构灵活，容易改变，系统的容量可以扩大或 缩小； • 控制功能增强，除了直接控制外，还有优化控制、 自学习、自适应和自组织等功能； • 降低了信息存储量、计算量，减少了计算时间； • 可以设置备用自系统，降低成本，提高可靠性； • 各级的智能化将进一步提高系统的性能。
第二章 集散控制系统的构成

第一节 集散控制系统的构成方式及功能 第二节 DCS的结构特点 第三节 JX-300X集散控制系统的构成
一、分层结构
第一节 集散控制系统的构成方式 及功能
集散控制系统的构成方式：分四个 层次

功能分层是集散控制系统的体系特征，
反映了集散控制系统的“分散控制、 集中管理”的特点。
机柜示例 ：浙大中控JX系统
柜顶风扇 控制站插件箱
接线端子 I/O插件箱
交流电源： 交流电源经过集散系统的电盘的断路器给系统 供电，保证现场控制站供电系统高效、稳定、无 干扰。

每一现场控制站场均用双相交流电源供电，两相 互为冗余。

如果附近有经常开关的大功率用电设备，应采用 超级隔离变压器，将其初级、次级线圈间的屏蔽 层可靠接地。这样能很好的隔离共模干扰。
第二层
四个层次
2、控制级的功能
结构：过程控制设备(下位机)+I/O卡件 功能：

进行数据转换和处理；
数据的监视和存储； 实施连续、批量或顺序控制的运算和输出控 制作用； 数据和设备的自诊断； 数据通信。

通信网络
I/O卡
控制器
第三层
四个层次
3、监控级的功能
中央控制室：操作站、工程师站(上位机)、打印机、计算站
子电源单元采用1：1或N：1冗余配置
I/O通道
在过程控制计算机中，种类最多，数量最大的 是各种I/O接口模件(卡件)。
来自过程对象的被测信号通过输入卡件，进入 现场控制站，然后按一定的算法进行数据处理， 并通过输出卡件向执行设备送出控制或报警等 输入卡件 输出卡件 现场控制站 执行 信息。 数据处理 信号
（2）多级结构 水平分级：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，各水平分级之间也 进行数据交换；为了减少同
一级的各子系统之间信息的
交换和决策的冲突，在分散
的各决策子系统添加一级协
（3）多重结构
信息：自下向上逐渐集中，自上而下逐渐分散。
• 第一重：按一定物理规律变化的物理现象；
2、分散控制结构

分散控制结构的类型：
• 垂直型（阶层型）：监视、调整
• 水平型：自我管理
• 二者混合型
垂直型(层次分散)与水平型(水平分散)示 意图
DCS的分散控制结构体现在：

（1）组织人事的分散；


（2）地域的分散；
（3）功能的分散；

（4）负荷的分散。
3、冗余控制结构

为了提高系统的可靠性，集散控制系统重要设备、 对全局系统有影响的公共设备上常采用冗余结构。 经常采用的冗余方式有：

JX-300X应用了最新信号处理技术、高速网络通信 技术、可靠的软件平台和软件设计技术以及现场总 线技术，采用了高性能的微处理器和成熟的先进控 制算法，全面提高了JX-300的功能和性能。 使其兼具了高速可靠的数据输入、输出、运算、过 程控制功能和PLC联锁逻辑控制功能，能适应更广 泛更复杂的应用要求，成为一个全数字化、结构灵 活、功能完善的新型开放式集散控制系统。为区别 于早期推出的JX-300系统，我们称该新型系统为
集散控制系统的结构，尤其适用于有大量逻辑顺序控制的
过程。 （4）智能前端+通信系统+工业级微机

智能前端指用于生产现场的智能控制设备，作为分散控制 装置；用于小型集散控制系统。
第二节 DCS的结构特点
1、分级递阶控制体系结构
集散控制系统在水平和垂直方向都是分级
（层、块）的。

垂直分级：是指功能方面不同的分级，至 少有两个分级，即监控级和控制级。
SBUS 总线
JX-300X典型的通信网络
SBUS总线
SBUS总线是控制站内部各卡件之间进行信息
交换的通道。主控制卡就是通过SBUS总线来管理 分散于各个机笼的I/O卡件的。
第一层为双重化总线SBUS-S2，位于控制站所管 辖的I/O机笼之间，连接主控制卡和数据转发卡。
第二层为SBUS-S1网络，位于各I/O机笼内， 连接数据转发卡和各块I/O卡件。
（1）按控制功能多层结构
• 控制级：一般的简单 控制
• 优化控制或监控级： 对象数学模型和参数已 知，确定直接控制层的 控制器的设定值
• 学习层或自适应层： 对实际系统的观测来辨 识优化层中所使用的数 学模型结构和参数，使 模型和实际过程一致 • 自组织层：按系统总 控制目标选择下层所用 的模型结构、控制策略 等
（4）多级操作方式
• 纵向冗余的方法。正常操作是从上一层进行的， 如该层故障则由下一层完成，这样逐步向下形 成对最终元件执行器的控制。 • 例如：功能模块设有手动、自动切换开关
第三节 JX-300X集散控制系统的 构成

浙江中控于1997 年推出了全数字化的新一代 集散控制系统JX-300。
该系统不仅具有原JX-100 集散控制系统的所有 功能和优良性能， 更吸纳了九十年代微处理 器、CRT 图形显示和网络通讯等领域的最新技 术，成为近几年国外著名DCS 系统在中国市场 的最主要竞争对手之一。

• 同步运转方式；
• 待机运转方式；
• 后退运转方式；
• 多级操作方式。
（1）同步运转方式
• 让两台或两台以上的装置以相同的方式同步运转， 输入相同的信号，进行相同的处理，然后对输出
进行比较，如果输出保持一致则系统是正常运行
的。
• 双重冗余、“三中取二”（连锁）
• 应用于可靠性要求极高的场合
（2）待机运转方式
SO通道
开关量输出通道，用于控制电磁阀门、继电器、指示灯、声 报警器等只具有开、关两种状态的设备，它是由端子板、SO 板及机柜内电缆构成。
JX-300X/JX-300XP
卡件实例图
监控级
控制系统工程师、操作员与DCS的界面—人机界面。

模拟量输出通道（AO）
输出4—20mA或0—10mA的直流电流信号。 组成： D/A插板 输出端子板 柜内电缆
D/A插板
每板可提供4wk.baidu.com8路模拟输出，精度有8位、12位几种。 输出负载能力一般要求小于500欧。
开关量输入/输出通道（SI/SO）
SI通道
开关量输入通道。用来输入各种限位开关、继电器或 电磁阀门连动触点的开、关状态；输入信号可能是交流 电压信号，直流电压信号或干接点。

典型系统分为四个层次
四个层次
1、现场级的功能

采集过程数据，对数据进行数据转换；
输出过程操作命令；
进行直接数字控制； 完成与过程装置控制级的数据通信；

对现场控制级的设备进行检测和诊断。
现场级实现控制的前提：微处理器进入现场变送器、传感 器和执行器；现场总线的应用。部分或完全完成过程控制 级的功能。
对控制连续性要求特别高的场合，应装设不间断 供电电源UPS 。

柜内直流稳压电源： 统一的主电源单元将交流电整流成直流电（一般 为24V）供给柜内直流母线。各层机架内设有子 电源单元，将母线上送来的单一直流电压转变成 机架所需的各种电压（+5V、± 12V、± 15V 等）。
主控电源采用1：1冗余配置。

是集散控制系统与生产过程间的界面 ，即过程界
面。
• 过程变量→分散过程控制装置→操作监视的数据 • 操作信息→分散过程控制装置→执行机构。

数/模、模/数转换、控制算法、软件滤波等
分散过程控制装置部分的特征 • 适应恶劣的工业生产环境； • 分散控制，监视和控制分离； • 实时性；
• 独立性和可靠性要求高。
• 采用N台同类设备，采用一台后备设备，平时
后备设备处于准备状态，一旦N台设备中某一
台设备发生故障，能启动后备设备使其运转。
• 1：1备用系统、N：1备用系统
（3）后退运转方式
• 正常时，N台设备各自分担各自功能进行运转， 当其中一台设备损坏时，其余设备放弃部分不 重要的功能，以此来完成损害设备的功能。 • 例如：操作站（第一台监视、第二台操作、第 三台报警）
设备
I/O通道
AI通道 AO通道 SI通道 SO通道
模拟量输入通道(AI)
一般由端子板、信号调节器、A/D插板、及柜内连接电缆 组成。

端子板：用于连接现场信号电缆，对每一路信号线路提供正 负极两个接线端子及屏蔽层的接地端子。


柜内电缆：端子板、信号调节器与A/D板之间的信号连接。
信号调节器：将各种范围的模拟量输入信号统一转换成0—5V 或0—10V的电压信号送入A/D板。 采用差动放大器，并且每 一路都串接了滤波器。 A/D插板：信号调节器输入的多路模拟信号，按CPU的指令 逐一转变为数字量送给CPU。DCS多用12位A/D转换器。时
生产管理级
过程管理级
管理计算机
中央操作台 LAN局域网
网间连接器
工程师操作站
操 作 员 站
监控计算机
网间连接器
高速数据公路
过 程 控 制 级
数据 采集站 多功能 控制站
DDC直接数 字控制站
可编程逻辑 控制站
单回路调节 控制站
三、典型硬件构成分析
（1）工业级微机+通信系统+商用PC机（或工业级微