1、DCS的體系結構網絡結構及物理結構_生產過程控制的設計和運行維護主講人：楊潤賢2009-2010-2電子信息工程系復習1、控制系統發展的三條主線？2、單元式組合儀表的分類及特點？3、DCS控制系統發展源泉特點？4、DCS控制系統定義？授課內容DCS的體系結構DCS的網絡結構DCS的物理結構及硬件組成第一部分DCS的體系結構守集散控制系統體系結構的特征縱向分層橫向分散設備分級網絡分層按照功能，集散控制系統設備分為四級現場控制級過程控制級過程管理級經營管理級行和四級設備對應的四層網絡現場網絡控制網絡監控網絡管理網絡典型的DCS控制系統如下圖所示:現場控制級一、DCS基本組成基本DCS應包括四大組成

2、部分:1、一臺現場控制站；（至少）2、一臺操作員站；（至少）3、一臺工程師站（至少）4、一條系統網絡（至少）操作員站亨操作站：是操作人員對生產過程進行顯示、監視、操作控制和管理的主要設備。亨在有的小DCS中，操作站兼有工程師站的功能，在操作站上也可以進行系統組態和維 護的部分或全部工作。亨DCS操作站一般分為操作員站和工程師站兩種（數據站）。工程師站主要是技術人員和控制系統的人機接口，可以對使用系統進行監視。工程師站為用戶提供了一個靈活的、功能齊全的工作平臺，通過組態軟件來實現用戶 所要求的各種控制策略。有些小型DCS的工程師站可以用一個操作員站代替。工程師站行工程師站：用于對DCS進行離線的

3、組態工作和在線的系統監督、控制和維護。行工程師能夠借助于組態軟件對系統進行離線組態，并在DCS在線運行時，可以實時地 監視通信網絡上各工作站的運行情況。監控計算機監控計算機通過網絡收集系統中各單元的數據信息，根據數學模型和優化控制指標進 行后臺計算、優化控制等，它還用于全系統信息的綜合管理。現場控制站現場控制站通過現場儀表直接和生產過程相連接，采集過程變量信息，并進行轉換和運 算等處理，產生控制信號以驅動現場的執行機構，實現對生產過程的控制。現場控制站可控制多個回路，具有極強的運算和控制功能，能夠自主地完成回路控制任 務，實現反饋控制、邏輯控制、順序控制和批量控制等功能。數據采集站通過現場儀表

4、直接和生產過程相連接，對過程非控制變量進行數據采集和預處理，并對 實時數據進一步加工。（1）為操作站提供數據，實現對過程的監視和信息存儲；（2）為控制回路的運算提供輔助數據和信息。通信系統通信系統連接DCS的各操作站、工程師站、監控計算機、控制站、數據采集站等部分， 傳遞各工作站之間的數據、指令及其他信息，使整個系統協調一致地工作，從而實現數據和 信息資源的共享。Desktop Style HISEthernetHigh Ditribntlstandard FCS ErilianGed FCS Migration FCSRenwte Node*Optical FiberRenwt Mode 2

5、Enclosed iDistilay Style Console的人機接口，用以完成集中監視、操作Ficl操作站、工程師站和監控計算 組態和信息綜合管理等任務。亨現場控制站和數據采集站構成DCS 任務。的過程接口，用以完成數據采集和處理和分散控制行通信系統是連接DCS各部分的紐帶，是實現集中管理、分散控制目標的關鍵。1、現場控制級A典型的現場控制級設備（工業現場控制系統相關設備）各類傳感器各類變送器各類執行器現場控制級設備的主要任務完成過程數據采集和處理。直接輸出操作命令、實現分散控制。完成和上級設備的數據通信，實現網絡數據庫共享。過程控制級A過程控制級主要設備：過程控制站、數據采集站和現場總

6、線服務器（邏輯站）等。A過程控制站產生控制作用?？梢詫崿F反饋控制、邏輯控制、順序控制和批量控制等功能。A數據采集站接收大量的非控制過程信息；（開關量和模擬量）不直接完成控制功能。（基本監視任務）A現場總線服務器一臺安裝了現場總線接口卡和DCS監控網絡接口卡的計算機。A過程控制級設備的主要功能采集過程數據，進行數據轉換和處理；對生產過程進行監測和控制；現場設備及I/O卡件的自診斷；和過程管理級進行數據通信。過程管理級A過程管理級的主要設備：操作站、工程師站和監控計算機、（數據站）等。A操作站操作人員和DCS相互交換信息的人機接口設備；DCS的核心顯示、監視、操作和管理裝置。工程師站對DCS進行配

7、置、組態、調試、維護。A監控計算機實現對生產過程的監督控制；機組運行優化和性能計算，先進控制策略的實現等。A數據站是用于數據處理的，目前系統保留，尚未使用A過程管理級設備的主要功能對生產過程進行監測和控制；對DCS進行配置、組態、調試、維護；對各種設計文件進行歸類和管理。實現對生產過程的監督控制，故障檢測和數據存檔。經營管理級A經營管理級的設備可能是廠級管理計算機，也可能是若干個生產裝置的管理計算機。A廠級管理系統的主要功能是監視企業各部門的運行情況。A管理計算機的要求是具有能夠對控制系統做出高速反應的實時操作系統。經營管理級設備的主要功能監視企業各部門的運行情況；實時監控承擔全廠性能監視、運

8、行優化、全廠負荷分配和日常運行管理等任務；日常管理承擔全廠的管理決策、計劃管理、行政管理等任務。第二部分DCS的物理結構及硬件組成各級設備的物理結構及硬件組成還包括：完成特殊功能站；擴充上層管理和信息處理功能的信息網絡；以及實現現場儀表、執行結構數字化的現場總線網絡操作站操作站操作臺微處理機系統外部存儲設備圖形顯示設備操作鍵盤和鼠標操作站設備現場控制站亨主要設備：現場控制單元。守主要任務：進行數據采集及處理，對被控對象實施閉環反饋控制、順序控制和批量控 制。亨用戶可以根據不同的使用需求，選擇配置不同的現場控制單元以構成現場控制站。以面向連續生產的過程控制為主，順序邏輯控制為輔，構成一個可以實現

9、多種復雜控 制方案的現場控制站；以順序控制、聯鎖控制功能為主的現場控制站；構成對大批量過程信號進行總體信息采集的現場控制站。機柜1機柜柜間機柜組有了現場控制站，生產過程控制的安全性和可靠性都很容易得到保andffllpliable, wS鳴 _ , makes all easy Ji現場控制站機柜中央控制室機柜間電源電源系統的可靠性措施每一個現場控制站均采用雙電源供電，互為冗余。采用超級隔離變壓器，將其初級、次級線圈間的屏蔽層可靠接地，以克服共模干擾的 影響。采用交流電子調壓器，快速穩定供電電壓。配有不間斷供電電源UPS，以保證供電的連續性。A現場控制站內各功能模塊所需直流電源一般為5V、15

10、V(或12 V)、以及+24V。A增加直流電源系統的穩定性措施給主機供電和給現場設備供電的電源要在電氣上隔離，以減少相互間的干擾。采用冗余的雙電源方式給各功能模塊供電。 一般由統一的主電源單元將交流電變為24V直流電供給柜內的直流母線，然后通過 DC-DC轉換方式將24V直流電源變換為子電源所需的電壓。主電源一般采用1:1冗余配置，而子電源一般采用N:1冗余配置?？刂朴嬎銠C3.控制計算機A控制計算機一般是由CPU、存儲器、輸入/輸出通道等基本部分組成。CPU用以實現算術運算和邏輯運算。可以執行復雜的先進控制算法，如自動整定、預測控制、模糊控制和自適應控制等。存儲器控制計算機的存儲器分為RAM和

11、ROM。在控制計算機中ROM占有較大的比例。由于控制計算機在正常工作時運行的是一套固定的程序，DCS中大都采用了程序固化 的辦法。在冗余控制計算機系統中，還特別設有雙端口隨機存儲器RAM，其中存放有過程輸 入輸出數據、設定值和PID參數等?？偩€總線是將現場控制站內部各單元連接起來的通信介質。輸入/輸出通道模擬量輸入/輸出(AI/AO)開關量輸入/輸出(SI/SO)數字量輸入/輸出(DI/DO)脈沖量輸入通道(PI)模擬量輸入輸出通道(AI/AO)模擬量輸入通道(AI)A模擬量輸入通道(AI)將來自在線檢測儀表和變送器的連續性模擬電信號轉換成數字 信號，送給CPU進行處理。模擬量輸出通道(AO)

12、A模擬量輸出通道(AO)一般將計算機輸出的數字信號轉換為420mADC(或 廣5VDC)的 連續直流信號，用于控制各種執行機構。開關量輸入/輸出通道(SI/SO)開關量輸入通道(SI)主要用來采集各種限位開關、繼電器或電磁閥連動觸點的開、 關狀態，并輸入至計算機。開關量輸出通道(SO)主要用于控制電磁閥、繼電器、指示燈、聲光報警器等只具有開、 關兩種狀態的設備。脈沖輸入通道(PI)脈沖輸入通道(PI)將現場儀表(如渦輪流量計等)輸出的脈沖信號處理后送入計算機。網絡設備1、設備集線器(Hub):完成網絡層的擴展(節點擴展)交換器：完成網絡帶寬擴展路由器：完成局域網和主干網的連接網關網橋：完成異種

13、網互聯2、注意事項網絡的傳輸介質要求網絡布線要求網絡接地要求第三部分DCS的冗余設計冗余方式多重化自動備用簡易的手動備用同步運轉同步運轉三重化配置雙重化配置A同步運轉方式讓兩臺或兩臺以上的設備或部件同步運行，進行相同的處理，并將其輸出進行核對。兩臺設備同步運行，只有當它們的輸出一致時，才作為正確的輸出，這種系統稱為“雙 重化系統”(Dual System) o三臺設備同步運行，將三臺設備的輸出信號進行比較，取兩個相等的輸出作為正確的 輸出值，這就是設備的三重化設置，A待機運轉方式同時配備兩臺設備，使一臺設備處于待機備用狀態。當工作設備發生故障時，啟動待機設備來保證系統正常運行。這種方式稱為1：

14、1的 備用方式。對于N臺同樣設備，采用一臺待機設備的備用方式就稱為N:1備用。待機運行方式是DCS中主要采用的冗余技術。后退運轉方式使用多臺設備，在正常運行時，各自分擔各種功能運行。當其中之一發生故障時，其他設備放棄其中一些不重要的功能，進行互相備用。A簡易的手動備用方式采用手動操作方式實現對自動控制方式的備用。當自動方式發生故障時，通過切換成手動工作方式，來保持系統的控制功能。冗余措施通信網絡的冗余：采用一備一用的配置。操作站的冗余：采用工作冗余的方式?，F場控制站的冗余：有的采用1:1冗余，也有的采用N:1冗余。采用無中斷自動切 換方式。電源的冗余：除了 220V交流供電外，還采用了鎳鎘電池、鉛鈣電池以及干電池等多 級掉電保護措施。輸入/輸出模塊的冗余：部分重要卡件采用1:1冗余。 DCS軟件還采用了信息冗余技術。第四部分DCS的軟件體系守系統軟件實時多任務操作系統面向過程的編程語言工具軟件亨使用軟件通信管理軟件組態生成軟