第二章 集散控制系统的构成
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44
SBUS 总线
JX-300X典型的通信网络
45
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。
28
（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 加一级协调级。
29
（3）多重结构
信息：自下向上逐渐集中，自上而下逐渐分散。
35
（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
36
（2）待机运转方式
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
46
SBUS-S2 SBUS-S1
图5.4 SBUS总线结构示意图
47
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
48
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
33
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。
34
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： 同步运转方式； 待机运转方式； 后退运转方式； 多级操作方式。
53
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信息。
输入卡件
信号
现场控制站 数据处理
输出卡件
执行 设备
54
I/O通道
AI通道 AO通道
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
39
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。
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）。
24
（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。
中管理”的特点。
典型系统分为四个层次
2
四个层次
3
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。
（3）通信系统
16
（1）分散过程控制装置(下位机)
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
17
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。
（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。
25
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。
26
（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
27
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
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
1
第一节 集散控制系统的构成方式及功能
一、分层结构
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
56
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4—8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。
SI通道
SO通道
55
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。时间在100微秒左右。 每块A/D插板输入8—64路模拟信号
第一重：按一定物理规律变化的物理现象； 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； 多层结构：复杂控制规律
30
（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；
41
JX-300X系统的基本结构
42
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
43
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。
40
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JX-300X。
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。
31
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
32
垂直型(层次分散)与水平型(水平分散)示意图
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 。
52
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。 子电源单元采用1：1或N：1冗余配置
22
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
23
三、典型硬件构成分析
（1）工业级微机+通信系统+商用PC机（或工业级微机）
18
（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。
19
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；
20
（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。
21
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
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
37
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
（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）
38
（4）多级操作方式
4
第二层
四个层次
5
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。
6
通信网络
I/O卡
控制器
7
8
第三层
四个层次
9
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
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。
10
工作站
通信网络
11
(集散控制系统 DCS）集中操作监控级
49
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
50
51
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。
12
第四层
四个层次
13
4、全厂优化和调度管理级的功能
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。
14
二、集散控制系统的构成方式二：分块结构
15
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
SBUS 总线
JX-300X典型的通信网络
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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。
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（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 加一级协调级。
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（3）多重结构
信息：自下向上逐渐集中，自上而下逐渐分散。
35
（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
36
（2）待机运转方式
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
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SBUS-S2 SBUS-S1
图5.4 SBUS总线结构示意图
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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
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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
33
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。
34
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： 同步运转方式； 待机运转方式； 后退运转方式； 多级操作方式。
53
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信息。
输入卡件
信号
现场控制站 数据处理
输出卡件
执行 设备
54
I/O通道
AI通道 AO通道
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
39
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。
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）。
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（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。
中管理”的特点。
典型系统分为四个层次
2
四个层次
3
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。
（3）通信系统
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（1）分散过程控制装置(下位机)
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
17
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。
（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。
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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。
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（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
27
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
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
1
第一节 集散控制系统的构成方式及功能
一、分层结构
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
56
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4—8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。
SI通道
SO通道
55
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。时间在100微秒左右。 每块A/D插板输入8—64路模拟信号
第一重：按一定物理规律变化的物理现象； 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； 多层结构：复杂控制规律
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（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；
41
JX-300X系统的基本结构
42
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
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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。
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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JX-300X。
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。
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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
32
垂直型(层次分散)与水平型(水平分散)示意图
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 。
52
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。 子电源单元采用1：1或N：1冗余配置
22
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
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三、典型硬件构成分析
（1）工业级微机+通信系统+商用PC机（或工业级微机）
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（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。
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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；
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（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。
21
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
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
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
（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）
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（4）多级操作方式
4
第二层
四个层次
5
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。
6
通信网络
I/O卡
控制器
7
8
第三层
四个层次
9
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
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。
10
工作站
通信网络
11
(集散控制系统 DCS）集中操作监控级
49
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
50
51
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。
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第四层
四个层次
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4、全厂优化和调度管理级的功能
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。
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二、集散控制系统的构成方式二：分块结构
15
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