DCS的硬件系统概要

会计学1DCS的硬件系统概要第1页/共26页第2页/共26页

（一）工程师站(EngineerStation,ES):

主要给仪表工程师使用,作为系统设计和维护的主要工具。仪表工程师可在工程师站上进行系统配置、I/O数据设定、报警和打印报表设计、操作画面设计和控制算法设计等工作。一般每套系统配置一台工程师站即可。工程师站可以通过网络连人系统,在线(OnLine)使用,比如在线进行算法仿真调试,也可以不连人系统,离线(Off-Line)运行。基本上在系统投运后,工程师站就可以不再连人系统甚至不上电。第3页/共26页

（二）操作员站(OperatorStation,OS):

主要给运行操作工使用,作为系统投运后日常值班操作的人机接口(ManMachineInterface,MMI)设备使用。在操作员站上,操作人员可以监视工厂的运行状况并进行少量必要的人工操作控制。每套系统按工艺流程的要求,可以配置多台操作员站,每台操作员站供一位操作员使用,监控不同的工艺过程,或者多人备份同时监控相同的工艺过程。有的操作员人机接口还配置大屏幕(占一面墙)显示。第4页/共26页

（三）系统服务器(SystemServer):

一般每套DCS系统配置一台或一对冗余的系统服务器。系统服务器的用途可以有很多种,各个厂家的定义可能有差别。总的来说,系统服务器可以用做:(1)系统级的过程实时数据库,存储系统中需要.长期保存的过程数据。(2)向企业MIS(ManagementInformationSystem)提供单向的过程数据,此时为区别慢过程的MIS办公信息,将安装在服务器上的过程信息系统称为REALMIS,即实时管理信息系统,因为它提供的是实时的工艺过程数据。(3)作为DCS系统向别的系统提供通信接口服务并确保系统隔离和安全,如防火墙(FireWall)功能。第5页/共26页

（四）主控制器(MainControlUnit,MCU):主控制器是DCS中各个现场控制站的中央处理单元,是DCS的核心设备。在一套DCS应用系统中,根据危险分散的原则,按照工艺过程的相对独立性,每个典型的工艺段应配置一对冗余的主控制器,主控制器在设定的控制周期下,循环地执行以下任务:从I/0设备采集现场数据一>执行控制逻辑运算一>向I/O输出设备输出控制指令一>与操作员站进行数据交换。第6页/共26页

（五）输入输出设备(Input/Output,I/O):

用于采集现场信号或输出控制信号,主要包含模拟量输入设备(AnalogInput,AI)、模拟量输出设备(AnalogOutput,AO)、开关量输入设备(DigitalInputDI)、开关量输出设备(DigitalOutput,DO)、脉冲量输入设备(PusleInputPI)及一些其他的混合信号类型输入输出设备或特殊I/0设备。第7页/共26页

（六）控制网络及设备(ControlNetwork,CNET):

控制网络用于将主控制器与I/0设备连接起来,其主要设备包括通信线缆(即通信介质)、重复器、终端匹配器、通信介质转换器、通信协议转换器或其他特殊功能的网络设备。第8页/共26页

（七）系统网络及设备(SystemNetwork,SNET):

系统网络用于将操作员站、工程师站及系统服务器等操作层设备和控制层的主控制器连接起来。组成系统网络的主要设备有网络接口卡、集线器(或交换机)、路由器和通信线缆等。第9页/共26页

（八）电源、转换设备:

主要为系统提供电源,主要设备包含AC-配转换器、双路AC切换装置(仅在某些场合使用)和不间断电源(UPS)等。（九）机柜和操作台:

机柜用于安装主控制器、I/0设备、网络设备及电源装置。操作台用于安装操作员站设备。第10页/共26页DCS的硬件组成包括：（一）工程师站(EngineerStation,ES)（二）操作员站(OperatorStation,OS)（三）系统服务器(SystemServer)（四）主控制器(MainControlUnit,MCU)（五）输入输出设备(Input/Output,I/O)（六）控制网络及设备(ControlNetwork,CNET)（七）系统网络及设备(SystemNetwork,SNET)（八）电源、转换设备（九）机柜和操作台小结第11页/共26页

学习DCS硬件，以应用为主，这里主要讲现场控制站内部电路，包括：（1）主控制器(MainControlUnit,MCU)（2）输入输出设备(Input/Output,I/O)（3）电源、转换设备（4）机柜和操作台第12页/共26页（1）主控制器(MainControlUnit,MCU)第13页/共26页（1）主控制器(MainControlUnit,MCU)一个典型的MCU的组成框图如图所示：

（一）CPU:控制运算的主芯片,常见的有Intel486DX4、IntelPentium133/233/266、等,近年来以ARM核为基础的低功耗芯片的流行。CPU要综合考虑计算速度和可靠性问题，不见得CPU档次越高越好。第14页/共26页（1）主控制器(MainControlUnit,MCU)

（二）系统网络(SNET)接口:SNET接口是主控制器与操作员站、工程师站等操作层设备通信的网络接口。过去各家DCS厂商的系统网络基本上都是专有的，根本不开放,并且都宣称专用网络可靠。目前这种情况已经有了很大的改变,几乎在20世纪90年代后期推出的新系统中,DCS的系统网络都采用了以太网,事实证明,以太网作为主流的商用网络,只要在软件的应用层上采取一定的保护措施(比如应答和重发),其可靠性和安全性是没有问题的。采用以太网最大的好处,首先是开放和易于集成,其次是低成本。第15页/共26页（1）主控制器(MainControlUnit,MCU)

（三）控制网络(CNET)接口:CNET接口是主控制器与I/O进行数据交换的网络接口。作为过程控制系统(即DCS),与制造控制系统相比(即传统的PLC系统),由于DCS需要进行大量的模拟量数据传送,而且每个I/0设备的数据量较大,所以CNET一般选择字节型长包协议的通信网络(如Profibus一DP),第16页/共26页（1）主控制器(MainControlUnit,MCU)

（四）主从冗余控制逻辑:

该部分电路用于控制互为备份的两台主控制器的切换。由于过程控制对安全性和可靠性的特殊要求,几乎所有的DCS系统，其标准配置都是双主控制器冗余运行,这和普通PLC只能是单控制器配置的结构是不同的。该部分电路必须确保任一时刻有且仅有一台主控制器的控制指令被输出到I/0设备。第17页/共26页（1）主控制器(MainControlUnit,MCU)

（五）固态盘(SolidStateDisk,SSD)或Flash存储器:

用于保存主控制器的操作系统、用户控制算法文件等信息。在主控制器上电启动后将这些文件调入内存运行。

（六）内存(MainMemory):

用于加载运行程序,掉电后内存的内容不会被保存。

（七）掉电保持静态存储器(SRAM):

该存储器用于存储运行过程中需要实时保存、并且在系统掉电后还需要保存一段时间的数据,比方说阀门在DCS掉电前的开度。因为这些数据在DCS重新上电后可能用做初始值输出,保证现场阀位不出现跳动。为了便于选择DCS掉电后SRAM是否保存实时数据,一般的主控制器都设置有使能开关,用于接通或关断SRAM的后备电池(BackupBattery)。第18页/共26页（2）输入输出设备(Input/Output,I/O)①模拟量输入设备(AI)第19页/共26页第20页/共26页四线制电流信号的接线FM148A8路模拟信号输入模块

二线制电流信号的接线

电压信号的接线第21页/共26页模拟量模块在使用时注意以下几个问题

1，精度

首先我们来澄清三个概念。精密度(Precision):表示测量结果的随机(偶然)误差的大小。正确度(Correctness):表示测量结果的系统误差大小。准确度(Accuracy):是系统误差和随机误差的综合，表示测量结果阈真值的一致程度，也称精确度或精度。

在实际测量AI的精度时，一般在满量程内均匀选取3点(10%,50%,90%)或5点(10%,30%,50%,70%,90%),用精度至少高一个等级的测量仪表和信号源测量AI的精度，必须所有测量点的绝对误差都小于期望值，AI精度就算合格。第22页/共26页模拟量模块在使用时注意以下几个问题

1，精度

2，分辨率

分辨率是测量装置能感知和区分的最小变化量,对于采用A/D转换器的AI设备而言,分辨率就是采样数据最低位所代表的模拟量的值.

分辨率以A/D转换器的位数和量程表示,比如用12位量程为0~5V的A/D,其分辨率为:5V/4096=1.22Mv.一般地，分辨率=信号量程/2n,其中n为A/D转换器的位数。第23页/共26页模拟量模块在使用时注意以下几个问题

1，精度

2，分辨率

3，输入阻抗

对于AI设备来说，当用于测量电压信号时，输入阻抗的大小也会对测量精度带来影响。这是因为被测量的电压信号源都存在微小的等效内阻，该内阻与AI的输入阻抗是串联关系，当AI的输入阻抗不足够大时，信号源内阻上的电压降就不可忽略，AI设备输入端得到的电压为开路时信号电压减去接通时信号源内阻上的压降,比真实值小。

一般要求DCS的AI设备的输入阻抗在100KΩ以上(IE61131-2仅要求10KΩ以上)，这意味着当信号源的内阻在1OΩ以内时，最多引起万分之一的相对误差。

第24页/共26页模拟量模块在使用时注意以下几个问