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1、第九章 分布式计算机控制系统,王贺升上海交通大学自动化系2010年6月,DCS与FCS,一 引言 二 DCS体系结构三 DCS功能特点四 DCS产品简介五 FCS体系结构六 FCS功能特点七 FCS产品简介 小结,DCS与FCS,DCS的基本概念、体系结构与功能特点。FCS的基本概念、体系结构与功能特点。DCS 与FCS的几种典型产品。,一 引言,分散控制系统DCS是以微型计算机为基础的集散型综合控制系统。它是为满足大型工业生产的要求，从综合自动化的角度，按控制功能分散、操作管理集中的原则设计。自从美国霍尼韦尔公司1975年成功推出世界上第一套DCS 以来，产品几经更新换代，技术性能日趋完善。
2、二十几年来，DCS首当其冲地成为大型工业生产过程的主流控制系统。现场总线控制系统FCS是继DCS之后出现的新一代控制系统，它代表的是一种数字化网络化到现场、控制管理到现场的发展方向。FCS将要取代DCS，或者说DCS已在吸纳FCS。总之，FCS已经成为当今世界范围内自动控制系统的热点。,DCS集散系统:DCS英文全称,DCS集散系统:DCS英文全称 DISTRIBUTED CONTROL SYSTEM,中文全称为集散型控制系统。DCS可以解释为在模拟量回路控制较多的行业中广泛使用的，尽量将控制所造成的危险性分散,而将管理和显示功能集中的一种自动化高技术产品。,三层集散控制系统,共出现了3代DC
3、S产品。1975年至80年代前期为第一代产品，80年代中期至90年代前期为第二代产品，90年代中期至21世纪初为第三代产品。目前发展成为DCS与FCS的集成。,四层集散控制系统的功能,DCS按功能分层的层次结构充分体现了其分散控制和集中管理的设计思想，DCS从下至上依次分为直接控制层、操作监控层、生产管理层和决策管理层,集散控制系统的功能,DCS散控制系统的四级典型层次功能,集散控制系统的功能,直接控制级(1)进行过程数据采集：即对被控设备中的每个过程量和状态信息进行快速采集，使进行数字控制、开环控制、设备监测、状态报告的过程等获得所需要的输入的信息。(2)进行直接数字的过程控制：根据控制组态
4、数据库、控制算法模块来实施实时的过程量(如开关量、模拟量等)的控制。(3)进行设备监测和系统的测试、诊断：把过程变量和状态信息取出后，分析是否可以接受以及是否可以允许向高层传输。进一步确定是否对被控装置实施调节；并根据状态信息判断计算机系统硬件和控制板件的性能(功能)，在必要时实施报警、错误或诊断报告等措施。(4)实施安全性、冗余化方面的措施：一旦发现计算机系统硬件或控制板有故障，就立即实施备用件的切换，保证整个系统安全运行。,集散控制系统的功能,过程管理级在过程管理级主要是应付单元内的整体优化，并对其下层产生确切的命令，在这一层可完成的功能有。(1)优化过程控制：这可以根据过程的数学模型以及
5、所给定的控制对象来进行，优化控制只有在优化执行条件确保的条件下方能达到，即使在不同策略条件下仍能完成对控制过程的优化。(2)自适应回路控制：在过程参数希望值的基础上，通过数字控制的优化策略。当现场条件发生改变时，经过过程管理级计算机的运算处理就得到新的设定值和调节值，并把调节值传送到直接过程控制层。(3)优化单元内各装置，使它们密切配合：这主要是根据单元内的产品、原材料、库存以及能源的使用情况，以优化准则来协调相互之间的关系。(4)通过获取直接控制层的实时数据以进行单元内的活动监视、故障检测存档、历史数据的存档、状态报告和备用。,集散控制系统的功能,生产管理级产品规划和控制级完成一系列的功能，
6、要求有比系统和控制工程更宽的操作和逻辑分析功能，根据用户的订货情况、库存情况、能源情况来规划各单元中的产品结构和规模。并且可使产品重新计划，随时更改产品结构，这一点是工厂自动化系统高层所需要的，有了产品重新组织和柔性制造的功能就可以应付由于用户订货变化所造成的不可预测的事件。由此，一些较复杂的工厂在这一控制层就实施了协调策略。此外，对于统观全厂生产和产品监视以及产品报告也都在这一层来实现，并与上层交互传递数据。在中小企业的自动化系统中，这一层可能就充当最高一级管理层。,集散控制系统的功能,工厂经营管理级经营管理级居于工厂自动化系统的最高一层，它管理的范围很广，包括工程技术方面、经济方面、商业事
7、务方面、人事活动方面以及其他方面的功能。把这些功能都集成到软件系统中，通过综合的产品计划，在各种变化条件下，结合多种多样的材料和能量调配，以达到最优地解决这些问题。其典型的功能为：(1)市场分析。(2)用户信息的收集。(3)订货统计分析。(4)销售与产品计划。(5)合同事宜。(6)接收订货与期限监测。(7)产品制造协调。(8)价格计算。(9)生产能力与订货的平衡。(10)订货的分发。(11)生产与交货期限的监视。(12)生产，订货和合同的报告。(13)财政方面的报告等。,集散控制系统组成,由若干台微处理器或微机分别承担部分任务，并通过高速数据通道把各个分散点的信息集中起来，进行集中的监视和操作
8、，并实现复杂的控制和优化。Distributed control system包括:1：控制器 2：I/O板 3：操作站 4：通讯网络 5：图形及编程软件,集散控制系统组成,控制算法模块不同,组合方法不同I/O智能区别操作站差别大,小型机-PC机;操作系统UNIX-NT;软件专用-通用等通信网络差别最大,轮询,TOKEN,消息提供图形组态软件支持,集散控制系统组成,或称三大部分带I/O部件的控制器人机接口(含,操作站,工程师站,历史数据站)通信网络,关键1DCS控制站,DCS系统中，控制站继承了DDC技术，它是一个完整的计算机，实际运行中可以在不与操作站及网络相连的情况下，完成过程控制策略，保
9、证生产装置正常运行。控制站作为一个完整的计算机，它的主要I/O设备为现场的输入、输出处理设备，以及过程输入/输出（P I/O）量，包括信号变换与信号调理，A/D、D/A转换等。它在第二代和第三代产品中已陆续采用了嵌入式技术，并采用单片机等完成量程调整、远程I/O数据传输、小型化及减少P I/O卡硬件规格等功能，直至连接智能化的现场变送器或接受采用现场总线提供的数字信号。,关键1DCS控制站-软件,关于DCS控制站的系统软件，原则上也有实时操作系统、编程语言及编译系统、数据库系统、自诊断系统等，只是完善程度不同而己。第一代DCS控制站的功能更近似于多回路调节器，而且每个控制站都可以配置人机界面和
10、备用操作器；第二代DCS控制站的实时操作系统及程序编译系统比较完整，编程语言有面向过程语言和高级语言，控制策略的组态由操作站或工作站在与控制站联机的情况下，完成编译和下载；第三代DCS控制站的系统软件齐全，操作站或工程师站可以完成离线组态及在线修改控制策略。,关键1DCS控制站-可靠性,控制站是整个DCS的基础，它的可靠性和安全性最为重要，死机和控制失灵的现象是绝对不允许的，而且冗余、掉电保护、抗干扰、防爆系统构成等方面都应有很高的可靠性，才能满足用户要求。多年的实践经验证明，绝大多数厂家的DCS控制站都能够胜任用户要求。,关键2 DCS操作站,DCS操作站具有操作员功能、工程师功能、通信功能
11、和高级语言功能等，其中工程师功能中包括系统组态、系统维护、系统通用（Utility）功能。实际的DCS操作站是典型的计算机，它与控制站不同，有着丰富的外围设备和人机界面。70年代中期，CRT显示器技术已成熟，以外部存储器为特征，第二代DCS操作站还具有如下特点：操作站和工程师站（或称工作站）分开，也有公司将操作站的历史数据存储用硬盘（历史模件）和高级语言应用站（应用模件）分别独立挂在通信网络上；操作系统除采用DOS系统以外，有的产品采用Unix等操作系统；实时数据库储存性能逐渐完善；在人机界面方面，逐渐过渡为以GUI图形用户界面为平台并采用鼠标、组态时制作流程图和控制回路图等方法，采用菜单、窗
12、口、CAD等技术，使人机界面友好。,关键3数据通信及网络,在DCS系统诞生时，主要解决一个生产装置中几个控制站和一个或几个操作站之间的数据通信问题；第二代DCS则解决多个装置的DCS互联问题；第三代DCS则解决一个工厂的多个车间互联及与全厂计算机管理网络互联的问题，这是总的设计思想。在实际应用中，如石化行业，DCS一直多用在一个生产装置范围内的多机通信系统中，而且控制站和操作站均集中放置在控制室内。在DCS中采用数字通信技术，还有在控制站内采用站内通信总线及远程I/O总线，以及在第三代DCS的控制站内增加了连接PLC、分析仪和现场智能仪表的接口卡，使DCS与现场仪表之间的接线减少，并对现场仪表
13、进行设备管理，这为DCS向下兼容并与现场总线通信技术融合打下基础。,专用性,HONEYWELL石化 SIEMENS冶金BAILEY电力,二(三层)DCS体系结构详细,前言 1 分散过程控制级2 集中操作监控级3 综合信息管理级,二DCS体系结构,典型的DCS体系结构分为三层，如图所示。第一层为分散过程控制级；第二层为集中操作监控级；第三层为综合信息管理级。层间由高速数据通路HW和局域网络LAN两级通信线路相连，级内各装置之间由本级的通信网络进行通信联系。,二DCS体系结构,图1 分散控制系统体系结构,1 分散过程控制级,分散过程控制级的功能及其主要装置。1现场控制站 2智能调节器3可编程控制器
14、PLC,1 分散过程控制级,分散过程控制级是DCS的基础层,它向下直接面向工业对象，其输入信号来自于生产过程现场的传感器（如热电偶、热电阻等）、变送器（如温度、压力、液位、流量等）及电气开关（输入触点）等，其输出去驱动执行器（如调节阀、电磁阀、电机等），完成生产过程的数据采集、闭环调节控制、顺序控制等功能；其向上与集中操作监控级进行数据通信，接收操作站下传加载的参数和操作命令，以及将现场工作情况信息整理后向操作站报告。构成这一级的主要装置有：现场控制站，可编程控制器，智能调节器及其它测控装置。,.现场控制站,现场控制站具有多种功能集连续控制、顺序控制、批量控制及数据采集功能为一身。（1）现场控
15、制站的硬件构成现场控制站一般是标准的机柜式机构，柜内由电源、总线、I/O模件、处理器模件、通信模件等部分组成。一般在机柜的顶部装有风扇组件，其目的是带走机柜内部电子部件所散发出来的热量；机柜内部设若干层模件安装单元，上层安装处理器模件和通信模件，中间安装I/O模件，最下边安装电源组件。机柜内还设有各种总线，如电源总线，接地总线，数据总线，地址总线，控制总线等等。现场控制站的电源不仅要为柜内提供电源，还要为现场检测器件提供外供电源，这两种电源必须互相隔离，不可共地，以免干扰信号通过电源回路耦合到I/O通道中去。,.现场控制站,一个现场控制站中的系统结构如图2所示，包含一个或多个基本控制单元，基本
16、控制单元是由一个完成控制或数据处理任务的处理器模件以及与其相连的若干个输入输出模件所构成的（有点类似于IPC）。基本控制单元之间，通过控制网络Cnet 连接在一起，Cnet 网络上的上传信息通过通信模件，送到监控网络Snet，同理Snet 的下传信息，也通过通信模件和Cnet 传到各个基本控制单元。在每一个基本控制单元中，处理器模件与I/O模件之间的信息交换由内部总线完成。内部总线可能是并行总线，也可能是串行总线。近年来，多采用串行总线。,.现场控制站,（2）现场控制站的软件功能 现场控制站的主要功能有6种，即数据采集功能、DDC控制功能、顺序控制功能、信号报警功能、打印报表功能、数据通信功能
17、。数据采集功能：对过程参数，主要是各类传感变送器的模拟信号进行数据采集、变换、处理、显示、存储、趋势曲线显示、事故报警等。DDC控制功能：包括接受现场的测量信号，进而求出设定值与测量值的偏差，并对偏差进行PID控制运算，最后求出新的控制量，并将此控制量转换成相应的电流送至执行器驱动被控对象。顺序控制功能：通过来自过程状态输入输出信号和反馈控制功能等状态信号，按预先设定的顺序和条件，对控制的各阶段进行顺序控制。信号报警功能：对过程参数设置上限值和下限值，若超过上限或下限则分别进行越限报警；对非法的开关量状态进行报警；对出现的事故进行报警。信号的报警是以声音、光或CRT屏幕显示颜色变化来表示。打印
18、报表功能：定时打印报表；随机打印过程参数；事故报表的自动记录打印。数据通信功能：完成分散过程控制级与集中操作监控之间的信息交换。,.智能调节器,智能调节器是一种数字化的过程控制仪表，也称可编程调节器。其外形类似于一般的盘装仪表，而其内部是由微处理器CPU、存储器RAM、ROM、模拟量和数字量I/0 通道、电源等部分组成的一个微型计算机系统。智能调节器可以接受和输出420mA模拟量信号和开关量信号，同时还具有RS232或RS-485等串行通信接口。一般有单回路、2回路、或4回路的调节器，控制方式除一般的单回路PID之外，还可组成串级控制、前馈控制等复杂回路。因此，智能调节器不仅可以在一些重要场合
19、下单独构成复杂控制系统，完成1 4个过程控制回路，而且可以作为大型分散控制系统中最基层的一种控制单元，与上位机（即操作监控级）连成主从式通信网络，接受上位机下传的控制参数，并上报各种过程参数。,.可编程控制器即PLC,可编程控制器即PLC，与智能调节器最大的不同点是：它主要配制的是开关量输人、输出通道，用于执行顺序控制功能。在新型的PLC中，也提供了模拟量输入输出及PID控制模块，而且均带有RS-485标准的异步通信接口。同智能调节器一样，PLC的高可靠性和不断增强的功能，使它既可以在小型控制系统中担当控制主角，又可以作为大型分散控制系统中最基层的一种控制单元,2 集中操作监控级,集中操作监控
20、级的概述 操作员操作站 工程师操作站,2 集中操作监控级,集中操作监控级是面向现场操作员和系统工程师的，如图1所示的中间层。这一级配有技术手段先进，功能强大的计算机系统及各类外部装置，通常采用较大屏幕、较高分辨率的图形显示器和工业键盘，计算机系统配有较大存储容量的硬盘或软盘，另外还有功能强大的软件支持，确保工程师和操作员对系统进行组态、监视和操作，对生产过程实行高级控制策略、故障诊断、质量评估等。集中操作监控级以操作监视为主要任务：把过程参数的信息集中化，对各个现场控制站的数据进行收集，并通过简单的操作，进行工程量的显示、各种工艺流程图的显示、趋势曲线的显示以及改变过程参数（如设定值、控制参数
21、、报警状态等信息）；另一个任务是兼有部分管理功能：进行控制系统的组态与生成。构成这一级的主要装置有：面向操作人员的操作员操作站、面向监督管理人员的工程师操作站、监控计算机及层间网络联接器。一般情况下，一个DCS系统只需配备一台工程师站，而操作员站的数量则需要根据实际要求配置。,操作员站,DCS的操作员站是处理一切与运行操作有关的人-机界面功能的网络节点，其主要功能就是使操作员可以通过操作员站及时了解现场运行状态、各种运行参数的当前值、是否有异常情况发生等。并可通过输出设备对工艺过程进行控制和调节，以保证生产过程的安全、可靠、高效、高质,操作员站,(1)DCS的操作员站硬件操作员站由IPC或工作
22、站、工业键盘、大屏幕图形显示器和操作控制台组成，这些设备除工业键盘外，其他均属通用型设备。目前DCS一般都采用IPC来作为操作员站的主机及用于监控的监控计算机。操作员键盘多采用工业键盘，它是一种根据系统的功能用途及应用现场的要求进行设计的专用键盘，这种键盘侧重于功能键的设置、盘面的布置安排及特殊功能键的定义。由于DCS操作员的主要工作基本上都是通过CRT屏幕、工业键盘完成的，因此，操作控制台必须设计合理，使操作员能长时间工作不感吃力。另外在操作控制台上一般还应留有安放打印机的位置，以便放置报警打印机或报表打印机。作为操作员站的图形显示器均为彩色显示器，且分辨率较高、尺寸较大。打印机是DCS操作
23、员站的不可缺少的外设。一般的DCS配备两台打印机，一台为普通打印机，用于生产记录报表和报警列表打印；另一台为彩色打印机，用来拷贝流程画面。,操作员站,(2)操作员站的功能操作员站的功能主要是指正常运行时的工艺监视和运行操作，主要由总貌画面、分组画面、点画面、流程图画面、趋势曲线画面、报警显示画面及操作指导画面等7种显示画面构成（详见第6.3.2 图形显示画面）。,工程师操作站,工程师站是对DCS进行离线的配置、组态工作和在线的系统监督、控制、维护的网络节点。其主要功能是提供对DCS进行组态，配置工具软件即组态软件，并通过工程师站及时调整系统配置及一些系统参数的设定，使DCS随时处于最佳工作状态
24、之下。（1）工程师站的硬件对系统工程师站的硬件没有什么特殊要求，由于工程师站一般放在计算机房内，工作环境较好，因此不一定非要选用工业型的机器，选用普通的微型计算机或工作站就可以了，但由于工程师站要长期连续在线运行，因此其可靠性要求较高。目前，由于计算机制造技术的巨大进步，便得IPC的成本大幅下降，因而工程师站的计算机也多采用IPC。其它外设一般采用普通的标准键盘、图形显示器，打印机也可与操作员站共享。,工程师操作站,(2)系统工程师站的功能主要包括对系统的组态功能及对系统的监督功能。组态功能：工程师站的最主要功能是对DCS进行离线的配置和组态工作。在DCS进行配置和组态之前，它是毫无实际应用功
25、能的，只有在对应用过程进行了详细的分析、设计并按设计要求正确地完成了组态工作之后，DCS才成为一个真正适合于某个生产过程使用的应用控制系统。系统工程师在进行系统的组态工作时，可依照给定的运算功能模块进行选择、连接、组态和设定参数，用户无须编制程序。监督功能：与操作员站不同，工程师站必须对DCS本身的运行状态进行监视，包括各个现场I/O控制站的运行状态、各操作员站的运行情况、网络通信情况等等。一旦发现异常，系统工程师必须及时采取措施，进行维修或调整，以使DCS能保证连续正常运行，不会因对生产过程的失控造成损失。另外还具有对组态的在线修改功能，如上、下限定值的改变，控制参数的修整，对检测点甚至对某
26、个现场I/O站的离线直接操作。在集中操作监控级这一层，当被监控对象较多时还配有监控计算机；当需要与上下层网络交换信息时还需配备网间联接器。,3 综合信息管理级,这一级主要由高档微机或小型机担当的管理计算机构成，如图1所示的顶层部分。DCS的综合信息管理级实际上是一个管理信息系统（Management lnformation System，简称MIS），由计算机硬件、软件、数据库、各种规程和人共同组成的工厂自动化综合服务体系和办公自动化系统。MIS是一个以数据为中心的计算机信息系统。企业MIS可粗略地分为市场经营管理、生产管理、财务管理和人事管理四个子系统。子系统从功能上说应尽可能独立，子系统之
27、间通过信息而相互联系。DCS的综合信息管理级主要完成生产管理和经营管理功能。比如进行市场预测，经济信息分析；对原材料库存情况、生产进度、工艺流程及工艺参数进行生产统计和报表；进行长期性的趋势分析，作出生产和经营决策，确保最优化的经济效益。目前国内使用的DCS重点主要放在底层与中层二级上。,4 通信网络系统,DCS各级之间的信息传输主要依靠通信网络系统来支持。通信网分成低速、中速、高速通信网络。低速网络面向分散过程控制级；中速网络面向集中操作监控级；高速网络面向管理级。用于DCS的计算机网络在很多方面的要求不同于通用的计算机网络。它是一个实时网络，也就是说网络需要根据现场通信的实时性要求，在确定
28、的时限内完成信息的传送。根据网络的拓扑结构，DCS的计算机网络大致可分为星型、总线型和环型结构三种。DCS厂家常采用的网络结构是环型网和总线型网，在这两种结构的网络中，各个节点可以说是平等的，任意两个节点之间的通信可以直接通过网络进行，而不需要其它节点的介入。比较大的分散控制系统中，为了提高系统性能，也可以把集中网络结构合理地运用于一个系统中，以充分利用各网络结构的优点。,三 DCS功能特点,1 DCS的软件2 DCS的特点,三 DCS功能特点,由于DCS是多层体系结构，每层的硬件组成及其完成功能不同，因而相应的软件系统也会不同。处于高层的DCS综合信息管理级是一个以数据处理为中心的管理信息系
29、统，而从自动控制的角度出发，更关心用于底层与中间层的软件系统，它主要包括控制软件包、操作显示软件包等。,1 DCS的软件,分散过程控制级的控制软件包分散过程控制级的操作显示软件包,1 DCS的软件,用于分散过程控制级的控制软件包为用户提供各种过程控制的功能，包括数据采集和处理、控制算法、常用运算公式和控制输出等功能模块。由于构成这一级的可能是现场控制站、PLC或智能调节器等不同的测控装置，而且既便是同一种装置但厂家品牌、型号也可能不同，实际上支持这些硬件装置的软件平台和编程语言都不相同。归纳起来有图形化编程（又分功能块图、梯形图、顺序功能图），文本化语言（又分指令表和结构化文本），面向问题的语
30、言（又分填表式和批处理两种）和通用的高级语言（又分VB、VC等）等多种。当把相应的软件安装在控制装置中，用户可以通过组态方式自由选用各种功能模块，以便构成控制系统。,1 DCS的软件,用于集中操作监控级的操作显示软件包为用户提供了丰富的人-机接口联系功能。在显示器和键盘组成的操作站上进行集中操作监视，可以选择多种图形显示画面，如总貌显示、分组显示、回路（点）显示、趋势显示、流程显示、报警显示和操作指导等画面，并可以在图形画面上进行各种操作，所以它可以完全取代常规模拟仪表盘。需要指出的是，当前国内市场上已经成功运行着十几种通用监控组态软件。比如KingView组态王，通过策略组态与画面组态，可以
31、迅速方便地在工业控制机上实现对各种现场的监测与控制，而且能支持国内最流行的400多种硬件设备的驱动程序，包括各种PLC、智能仪表、板卡、智能模块、变频器以及现场总线等，而且与大型数据库软件都有好的接口，体现了良好的通用性和灵活性。,2 DCS的特点,与一般计算机控制系统相比，DCS具有以下几个特点。1硬件积木化DCS采用积木化硬件组装式结构，如果要扩大或缩小系统的规模，只需按要求在系统配置中增加或拆除部分单元，而系统不会受到任何影响。2软件模块化DCS为用户提供了丰富的功能软件，用户只需按要求选用即可，大大减少了用户的开发工作量。3通信网络的应用通信网络是DCS的神经中枢，它将物理上分散的多台
32、计算机有机地连接起来，实现了相互协调、资源共享的集中管理。通过高速数据通信线，将现场控制站、操作员站、工程师站、监控计算机、管理计算机连接起来，构成多级控制系统。4.可靠性高DCS的可靠性高，体现在系统结构、冗余技术、自诊断功能、抗干扰措施和高性能的部件。,2 DCS的特点,与PLC相比，DCS具有以下几个特点。回路多-DI/DO多复杂控制-顺序控制多,四 DCS产品简介,1 TDC-30002 I/AS,四 DCS产品简介,目前在我国的石油、化工、冶金、电力、纺织、建材、造纸、制药等行业上已装备了上千套DCS，其中国外著名品牌的占据多数。近十年来我国也正式推出了自行设计和制造的分散控制系统，
33、并正在大力推广使用。表1列举了当前在我国应用较多的DCS产品。,四 DCS产品简介-TDC-3000,1 TDC-3000系统结构主要组成功能特点,DCS 体系结构典型示例,旧的设备与新开发的系统兼容，新一代系统兼容旧一代产品，这是它的最大特色。,四 DCS产品简介-TDC-3000,系统结构Honeywell公司TDC-3000的系统结构如图3所示TDC-3000主干网络称为局部控制网络（Local Control Network，即LCN），在LCN上可以挂接通用操作站、历史模件、应用模件、存档模件、各种过程管理站及各种网关接口。TDC-3000的下层网称为通用控制网络（Universal
34、 Control Network，即UCN），在UCN上连接各种I/O与控制管理站。为了与Honeywell公司老的产品Data Hi-way相兼容，在LCN上设有专门的接口模块Hiway，在其Data Hi-way上可以接有操作员站、现场I/O控制站等。,DCS 体系结构典型示例,TDC-3000 有3种通信链路(1)局部控制网络(LCN)是TDC-3000的主干网，令牌存取通信控制方式，符合IEEE 802.4，传输速率5Mbit/s，总线拓扑结构。通过计算机接口与DECnet/Ethernet 相连，与DEC-VAX系统计算机联系构成综合管理系统；与个人计算机构成范围更广泛的计算机综合网
35、络系统，从而将工厂所有计算机系统和控制系统联系成为一体，实现优化控制、优化管理的目的。(2)万能控制网络(UCN)是1988 年开发的以MAP为基础的双重化实时控制网络，令牌传送载带总线网络，传输速率为5Mbit/s，支持32个冗余设备，应用层采用RS-511 标准。(3)数据高速公路(DH)是第一代集散控制系统的通信系统，采用串行、半双工方式工作，优先存取和定时询问方式控制，传输介质为75Q-同轴电缆，传输速率为250Kbit/s，DH 上设置了一个通信指挥器(HTD)来管理通信。任何DH 之间的通信必须由HTD 指挥，必须从HTD 获得使用DH 的权利。,四 DCS产品简介-TDC-300
36、0,主要组成（l）通用操作站（UniVersal Station，US）完成人-机接口功能，由监视器和带有用户定义的功能键盘组成。它可以监测控制过程和系统，通过组态实现控制方案、生成系统数据库、用户画面和报告、检测和诊断故障、维护控制室和生产过程现场的设备，评估工厂运行性能和操作员效率。（2）历史模件（History Module，HM）图3 TDC-3000系统结构图收集和存储包括常规报告、历史事件和操作记录在内的过程历史。作为系统文件管理员，提供模块、控制器和智能变送器、数据库、流程图、组态信息、用户源文件和文本文件等方面的系统储存库，完成趋势显示、下装批处理文件、重新下装控制策略、重新装
37、入系统数据等功能。（3）存档模件（Archive Replay Module，ARM）完成数据存取、数据分析功能。存档模件中所处理的数据包括连续历史数据、系统报表和ASC文件等。这些归档数据可在微机上或在通用操作站上重现。,四 DCS产品简介-TDC-3000,主要组成(4)应用模件（Application Module，AM）工程师可以综合过程控制器（过程管理站、高级过程管理站和逻辑管理站）的数据，通过使用应用模件，完成高级控制策略，进行复杂的运算控制。(5)过程管理站（Process Manager，PM）提供常规控制、顺序控制、逻辑控制、计算机控制以及结合不同控制的综合控制功能。(6)高
38、级过程管理站（Advaced Process Manager，APM）除提供PM的功能外，还可提供马达控制、事件顺序记录、扩充的批量和连续量过程处理能力以及增强的子系统数据一体化。(7)逻辑管理站（Logic Manager，LM）适用于快速逻辑、连锁、顺序控制、批量处理和马达控制。LM可以控制离散的设备（包括非Honeywell的ASC设备在内）并将其与TDC-3000功能一体化。LM可用继电器梯形图编程。,四 DCS产品简介-TDC-3000,1 TDC-3000功能特点系统中设有分布式模块共享的全局数据库，并为非Honeywell产品提供数据存取途径。系统综合了数据采集常规过程控制、先进
39、过程控制、过程和商业信息一体化各个层次的技术，为企业提供经营、管理和决策所必需的数据。系统提供与DECNet-VAX的接口、与通用微机的接口、与PLC接口及Honeywell前一代产品的接口，并允许将多个TDC-3000系统通过网络连接在一起。,DCS 体系结构典型示例,TDC-3000 提供三个不同等级的分散控制(1)以过程控制设备(如PM、LM 以及DH 上各设备)为基础，并对控制元件进行控制的过程控制级。(2)先进的控制级包括比过程控制级更加复杂的控制策略和控制计算，通常称为工厂级。(3)最高控制级提供用于高级计算的技术和手段，例如适用于复杂控制的过程模型，过程最优控制及规划等称为联合级
40、。,DCS 体系结构典型示例,TDC-3000 的过程控制站TDC-3000 的过程控制站包括：基本控制器(BC)、多功能控制器(MC)、先进多功能控制器(AMC)、逻辑控制器、过程控制器、逻辑管理站(LM)、过程管理站(PM)、单回路控制器(KMM)和可编程控制器(PLC)等。,DCS 体系结构典型示例,TDC-3000 在LCN 上挂接多种模件(1)万能操作站(US)。(2)历史模件(HM)可以收集和存储历史数据。(3)应用模件(AM)用于连续控制、逻辑控制、报警处理和批量历史收集，等等。其控制策略可用标准算法。此外，还有优化用工具软件包：回路自整定软件包、预测控制软件包、实时质量控制软件
41、包(SPQC)、过程模型和优化软件包等。(4)可编程逻辑控制接口(PLCG)。(5)计算机接口(CG)提供与其他厂家如DEC、IBM、HP 等主计算机之间的连接。(6)网络接口模件(NM)提供UCN 和LCN 之间的连接。(7)数据公路接口(HG)将数据公路(DH)与LCN 相连。,四 DCS产品简介-I/AS,2 I/AS系统结构主要组成功能特点,四 DCS产品简介-I/AS,2 I/AS系统结构Foxboro公司的I/AS的系统结构如图4所示，它的主干是采用OSI通信规程，可与MPA协议兼容的I/AS宽带局域网LAN相连延伸至15km长，通过宽带接口BLI可与64条载波带LAN相连。载波带
42、LAN也可与MAP兼容，每条长 2km，可挂100个节点，故系统总的规模可达 64100个节点。节点是系统结构的基本单元。它由各类处理机，载波带接口CLI及网间连接器等构成，可独立执行各种自动化功能。每一节点内最多可带32个站，相互间用节点总线（NODE BUS）连接。由节点内控制处理机、应用处理机、操作站处理机和通信处理机分别执行控制、管理、操作和通信的功能，控制处理机通过现场总线与现场的智能变送器和执行器相连。,四 DCS产品简介-I/AS,2 I/AS系统结构,四 DCS产品简介-I/AS,主要组成I/AS系统的节点主要由节点总线和节点工作站两部分组成。节点总线采用IEEE802.3通信
43、规程，拓扑方式为总线型。它采用点对点串行通信方式使节点工作站互连。一个节点最多可连32个工作站，它们具有相同的优先级，通信协议采用自由竞争式。节点工作站分为处理机组件、现场总线组件、接口组件、网间连接器和节点总线扩展组件五类。处理机组件完成集中监视、操作管理和分散控制的功能；现场总线组件是控制处理机与现场传感器，执行器的接口；接口组件实现与载波带LAN、非I/AS计算机的接口功能；网间连接器专门用来和非I/AS通信链路相连。节点总线扩展组件用来延长节点总线的跨距。,四 DCS产品简介-I/AS,主要组成（1）处理机组件它是I/AS节点的重要组成部分，主要有控制处理机（CP）、应用处理机（AP）
44、、操作站处理机（WP）和通信处理机（COMP）四类。控制处理机是I/A节点中的控制组件，可组态成30多种不同的功能块，具有连续控制、顺序控制和梯形逻辑控制等功能。应用处理机是I/A节点的中心组件，它实质上是以微处理器机为基础的计算机站或文件服务站。它与各种大容量的存储设备相连，完成大量的计算和文件报务，如网络管理、数据库管理、历史数据管理、控制功能、用户应用程序的开发和执行等功能。操作站处理机与人机接口输入/输出设备一起工作。它接收应用处理机和其他站的图文信息，并在CRT上显示出来，所显示的信息包括文本、图形说明、表格和控制画面。通信处理机为其他工作站提供与打印机、终端、调制解调器通信的功能。
45、它有4个与RS-232C兼容的串行口。它的主要功能是完成报警、报表等报文的打印和处理工作，另外也提供给用户终端接口功能,四 DCS产品简介-I/AS,主要组成(2）现场总线组件它直接与现场传感器、执行器相连，它通过现场总线与控制处理机通信。现场总线为EIA RS-485。现场总线组件可接受直流电流、电压、热电偶、热电阻等模拟输入信号，也可接受脉冲信号或触点信号。(3)接口组件 它主要分为载波带LAN接口组件和信息网络接口组件两种。接口组件用来使节点与载波带LAN相连和与非I/AS计算机相连。,四 DCS产品简介-I/AS,主要组成(4）网间连接器用来实现非I/A节点的互连。（5）节点总线它与每
46、个站中的节点总线接口电路一起工作，提供各站点间数据传输和总线存取。当接点所连的工作站不在同一个机箱时，要使用节点总线扩展器，以提供电源、信号放大和分立机壳中站的接地隔离。,四 DCS产品简介-I/AS,功能特点I/AS系统的通信规程采用MAP协议，使用户能兼收并蓄各家产品的长处，构成满意的综合控制系统。另外，I/AS系统硬件品种少但通用性强，系统组态灵活，小规模系统由一个节点带少数几个模块构成，大规模系统可由几个载波带LAN连成一个宽带LAN，达到最多 64100个节点的规模。另外，I/AS软件系统提供了综合控制软件包，把连续量控制、梯形逻辑控制和顺序控制功能结合在一起。I/AS系统的应用领域包括石化、建材等。,备注1:DCS面临的主要问题,目前，DCS如何解决现场接线繁杂、DCS控制站控制比较集中、FCS与DCS控制站的相互关系、智能控制、先进控制与优化如何在DCS、FCS中实现等已成为DCS发展中急需解决的问题。,
