第2章集散控制系统的体系结构

1、第第2 2章章 集散控制系统的体系结构集散控制系统的体系结构2.1 DCS2.1 DCS的的功功能分层能分层2.2 2.2 DCSDCS的分散方式和体系结构的分散方式和体系结构集散控制系统是一种操作显示集中、控制功能分散、采用集散控制系统是一种操作显示集中、控制功能分散、采用分级分层体系结构、局部网络通信的计算机综合控制系统。分级分层体系结构、局部网络通信的计算机综合控制系统。从总体结构上看，从总体结构上看，DCS是由工作站和通信网络两大部分组是由工作站和通信网络两大部分组成的，系统利用通信网络将各工作站连接起来，实现集中成的，系统利用通信网络将各工作站连接起来，实现集中监视、操作、信息管理和

2、分散控制。监视、操作、信息管理和分散控制。技能点技能点：能够识别装置中能够识别装置中DCS的各个组成部分的各个组成部分能够组成一个最小配置的能够组成一个最小配置的DCS能够熟练地指出能够熟练地指出DCS各组成部分的功能特性各组成部分的功能特性 学习目标2.1 2.1 集散控系统的功能分层集散控系统的功能分层集散控制系统经过三十多年的发展，其结构不断更新。集散控制系统经过三十多年的发展，其结构不断更新。随着随着DCS开放性的增强，其层次化的体系结构特征更开放性的增强，其层次化的体系结构特征更加显著，充分体现了加显著，充分体现了DCS集中管理、分散控制的设计集中管理、分散控制的设计思想。思想。DC

3、S是纵向分层、横向分散的大型综合控制系是纵向分层、横向分散的大型综合控制系统，它以多层局部网络为依托，将分布在整个企业范统，它以多层局部网络为依托，将分布在整个企业范围内的各种控制设备和数据处理设备连接在一起，实围内的各种控制设备和数据处理设备连接在一起，实现各部分的信息共享和协调工作，共同完成各种控制、现各部分的信息共享和协调工作，共同完成各种控制、管理及决策任务。管理及决策任务。 集散控制系统结构集散控制系统结构中央操作台网间连接器管理计算机图图2.1集散控制系统的典型体系结构集散控制系统的典型体系结构 DCS的结构的结构DCSDCS是纵向分层、横向分散的大型综合控制系统。是纵向分层、横向

4、分散的大型综合控制系统。v自下而上四个不同的层次（对应四层计算机网自下而上四个不同的层次（对应四层计算机网络）络）:v现场级现场级：现场网络现场网络Fnet(Field Network)Fnet(Field Network)v控制级控制级：控制网络控制网络Cnet(Control Network)Cnet(Control Network)v监控级监控级：监控网络：监控网络Snet(Supervision Network)Snet(Supervision Network)v管理级管理级：管理网络：管理网络Mnet(Management Network)Mnet(Management Networ

5、k)1.1.现场级现场级v现场级设备现场级设备：传感器、变送器和执行器传感器、变送器和执行器 现场级的现场级的信息传递信息传递方式：方式：（1 1）传统的）传统的4 42020mA mA 模拟量传输方式模拟量传输方式（2 2）现场总线的）现场总线的全数字量传输方式全数字量传输方式（3 3）在）在4 42020mAmA模拟量信号上，叠加上调制后的模拟量信号上，叠加上调制后的数字量信号的数字量信号的混合传输方式混合传输方式 现场信息传递方式发展方向：以现场总线为基础现场信息传递方式发展方向：以现场总线为基础的全数字传输的全数字传输2. 2. 控制级：过程控制站和数据采集站控制级：过程控制站和数据采

6、集站（1）过程控制站过程控制站v接收由现场设备（如传感器、变送器）来的信号，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。到现场的执行器中去。v可同时完成连续控制、顺序控制或逻辑控制功能。可同时完成连续控制、顺序控制或逻辑控制功能。（2 2）数据采集站）数据采集站v接收由现场设备送来的信号，并进行一些必要的转接收由现场设备送来的信号，并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，换和处理之后送到分散型控制系统中的其他部分，如监控级设备。如监控级设备。v数据采集站接收大量的过

7、程信息，并通过监控级设数据采集站接收大量的过程信息，并通过监控级设备传递给运行人员。备传递给运行人员。v不直接完成控制功能，是与过程控制站的主要区别。不直接完成控制功能，是与过程控制站的主要区别。 卡件实例图当今的当今的DCSDCS操作站的功能强，速度快，记录数据大，所操作站的功能强，速度快，记录数据大，所以对操作员站内的处理机系统提出了更高的要求。以对操作员站内的处理机系统提出了更高的要求。3. 3. 监控级监控级v主要设备：主要设备：运行员操作站运行员操作站、工程师工作站工程师工作站和和计算计算站站。v运行员操作站安装在中央控制室运行员操作站安装在中央控制室v工程师工作站和计算站一般安装在

8、电子设备室工程师工作站和计算站一般安装在电子设备室 (1)(1)运行员操作站运行员操作站v功能功能：* * 运行员与集散控制系统交换信息的人机接口。运行员与集散控制系统交换信息的人机接口。* * 监视和控制整个生产过程。监视和控制整个生产过程。v运行员操作站运行员操作站组成组成：一台具有较强图形处理功：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，一般配有能的微型机，以及相应的外部设备，一般配有CRTCRT显示器、大屏幕显示装置显示器、大屏幕显示装置 、打印机、拷贝、打印机、拷贝机、键盘、鼠标或球标。机、键盘、鼠标或球标。（2 2）工程师工作站）工程师工作站v功能功能： * * 控制工

9、程师对集散控制系统进行配置、组控制工程师对集散控制系统进行配置、组态、调试、维护的工作站。态、调试、维护的工作站。 * * 对各种设计文件进行归类和管理，形成各对各种设计文件进行归类和管理，形成各种设计文件，例如，各种图纸、表格等。种设计文件，例如，各种图纸、表格等。组成组成：由：由PCPC机配置一定数量的外部设备所组成，机配置一定数量的外部设备所组成，如打印机、绘图机等如打印机、绘图机等。（3 3）计算站）计算站v功能功能：对生产过程监督控制：对生产过程监督控制 例如机组运行优化和性能计算，先进控制策略例如机组运行优化和性能计算，先进控制策略的实现等。的实现等。( (由于计算站的主要功能是完

10、成复杂由于计算站的主要功能是完成复杂的数据处理和运算功能，因此，对它的要求主的数据处理和运算功能，因此，对它的要求主要是运算能力和运算速度。要是运算能力和运算速度。) )v组成组成：超级微型机或小型机：超级微型机或小型机 4.管理级管理级v厂级管理计算机厂级管理计算机, ,或是若干个机组的管理计算机或是若干个机组的管理计算机。v使用者使用者：厂长、经理、总工程师、值长等行政：厂长、经理、总工程师、值长等行政管理或运行管理人员。管理或运行管理人员。v主要任务主要任务：监测企业各部分的运行情况，利用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，历史数据和实时数据预测可能发

11、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。策，帮助企业实现其规划目标。v管理级属于管理级属于厂级厂级，可分成，可分成实时监控实时监控和和日常管理日常管理两两部分。部分。v实时监控实时监控是全厂各机组和公用辅助工艺系统的运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，主要为值长服负荷分配和日常运行管理等任务，主要为值长服务。务。v日常管理日常管理承担全厂的管理决策、计划管理、行政承担全厂的管理决策、计划管理、行政管理

12、等任务，主要是为厂长和各管理部门服务。管理等任务，主要是为厂长和各管理部门服务。v集散控制系统的集散控制系统的分散方式分散方式包含功能分散、包含功能分散、物理分散和地理分散三个不同的概念物理分散和地理分散三个不同的概念v体系结构体系结构：分级递阶控制结构：分级递阶控制结构v信息结构信息结构：自下向上逐渐集中，自上而下：自下向上逐渐集中，自上而下逐渐分散。逐渐分散。2.2 2.2 DCSDCS的分散方式和体系结构的分散方式和体系结构1.功能分散：功能分散：一个大系统的控制功能要分解为一一个大系统的控制功能要分解为一些基本的控制功能。些基本的控制功能。v具有人机接口功能的集中操作站和具有过程接具有

13、人机接口功能的集中操作站和具有过程接口功能的过程控制装置的分散；口功能的过程控制装置的分散；v过程装置中控制功能的分散；过程装置中控制功能的分散；v按装置或设备的功能以及全局控制和个别控制按装置或设备的功能以及全局控制和个别控制之间的分散之间的分散2.2.1 DCS2.2.1 DCS的分散方式的分散方式2.2.物理分散物理分散：整个系统所完成的控制功能由许多整个系统所完成的控制功能由许多不同的物理实体分散地实现。不同的物理实体分散地实现。v两种分散形式：两种分散形式：（1 1）层次分散型层次分散型（两层或多层）：上层实现较高（两层或多层）：上层实现较高级的控制功能，下层实现基本控制功能。级的控

14、制功能，下层实现基本控制功能。（2 2）水平分散型水平分散型：各控制器在硬件结构上处于平：各控制器在硬件结构上处于平等地位。等地位。层次分散与水平分散示意图层次型分散系统的特点层次型分散系统的特点v硬件结构与系统的功能分散相适应，每部分具硬件结构与系统的功能分散相适应，每部分具有比较强的自治性：在上层控制器失效的情况下，有比较强的自治性：在上层控制器失效的情况下，下层控制器可维持基本控制功能。下层控制器可维持基本控制功能。v合理地进行功能分配，使每个控制器的工作负合理地进行功能分配，使每个控制器的工作负荷均匀，降低对硬件指标的要求。荷均匀，降低对硬件指标的要求。v系统结构中的信息是多层次的，直

15、接与控制有系统结构中的信息是多层次的，直接与控制有关的信息在低层总线上高速传输，监视和管理信关的信息在低层总线上高速传输，监视和管理信息通过高层通信网络传输，通信系统信息流分配息通过高层通信网络传输，通信系统信息流分配合理，不会造成通信网络的信息拥堵。合理，不会造成通信网络的信息拥堵。水平型分散系统的特点水平型分散系统的特点v硬件结构清晰，控制器的统一，便于维护和硬件结构清晰，控制器的统一，便于维护和备份。备份。v对通信系统的速度和容量要求较高，但通信对通信系统的速度和容量要求较高，但通信系统的结构比层次型分散系统要简单一些。系统的结构比层次型分散系统要简单一些。3. 3. 地理分散地理分散v

16、集散控制系统的安装布置方式：集散控制系统的安装布置方式：v地理集中式地理集中式把所有的基本控制单元集中在把所有的基本控制单元集中在中央控制室或附近的电子设计室内；中央控制室或附近的电子设计室内；v地理分散式地理分散式把基本控制单元安装在被控生把基本控制单元安装在被控生产过程的附近，即在整个厂房内分散布置。产过程的附近，即在整个厂房内分散布置。 v体系结构体系结构：分级递阶控制结构分级递阶控制结构集散控制系统在水集散控制系统在水平和垂直方向都是分层（级）的。平和垂直方向都是分层（级）的。v水平方向上各过程控制级之间是互相协调的分级，它水平方向上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

17、操作管理级，同时接受操作管理级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，各水平级之间也进行数据交换；的指令，各水平级之间也进行数据交换；v垂直分级是功能方面不同的分级，至少有两个分级，垂直分级是功能方面不同的分级，至少有两个分级，即操作管理级和过程控制级；这样的系统是分级递阶即操作管理级和过程控制级；这样的系统是分级递阶系统。系统。v信息结构信息结构：自下向上逐渐集中，自上而下逐渐分散：自下向上逐渐集中，自上而下逐渐分散。2.2.2 2.2.2 DCSDCS的体系结构的体系结构典型典型集散型控制系统的结构图集散型控制系统的结构图 产品的结构类型产品的结构类型1、模块化控制站与、模块

18、化控制站与MAP兼容的宽带、载带局兼容的宽带、载带局域网信息综合管理系统（第三代的典型结构）域网信息综合管理系统（第三代的典型结构）2、分散过程控制站局域网信息管理系统（第、分散过程控制站局域网信息管理系统（第二代结构）二代结构）3、分散过程控制站高速数据公路操作站上、分散过程控制站高速数据公路操作站上位机位机4、PLC通信系统通信系统+操作管理站操作管理站5、单回路控制器通信系统操作管理站、单回路控制器通信系统操作管理站DCS的结构分类的结构分类实际应用中的结构类型实际应用中的结构类型（1）工业微机）工业微机+通信系统通信系统+操作管理机操作管理机（2）单回路控制器）单回路控制器+通信系统通信系统+工业微机工业微机（3）PLC+通信系统通信系统+工业微机工业微机（4）工业微机）工业微机+通信系统通信系统+工业微机工业微机（5）智能前端）智能前端+通信系统通信系统+工业微机工业微机1.1.集散控制系统的结构分为哪几层集散控制系统的结构分为哪几层? ?各层设备各层设备有哪些有哪些? ?2.2.怎样理解集散控制系统的分散方式怎样理解集散控制系统的分散方式? ?3.3.层次分散型和水平分散型的特点是什么？层次分散型和水平分散型的特点是什么？4.4.何为何为分级递阶控制结构？分级递阶控制结