集散控制系统必备知识

集散控制系统必备知识

模块一集散控制系统必备知识

【任务目标】1、通过与模拟控制系统比较，认识计算机控制系统及其组成。2、了解计算机控制系统的应用类型、发展史。3、了解计算机通信网络的概念和通信协议。4、掌握集散控制系统的硬件结构。5、了解集散控制系统的软件体系。6、提高查阅资料和信息处理的能力、交流表达能力及团队合作能力。【任务内容】阅读能力训练环节任务内容：了解本课程的性质、内容、任务及学习方法，对目前市场上所常用的计算机控制系统的使用情况进行了解和比较，掌握计算机控制系统的组成原理、信号处理原理；了解计算机通信基本知识，掌握通信网络基础知识及网络控制方法，了解集散控制系统的设计思想及其发展过程，掌握集散控制系统的基本概念、体系结构及各层次的主要功能，了解集散控制系统的软件体系，了解集散系统的组态软件。具体要求如下：一、一般了解（表面了解）1、会说目前市场上所常用的计算机控制系统的组成、类型及应用？2、会讲集散控制系统的设计思想及其发展过程？（背景、发展）3、会说市场上常见的应用数据通信的例子。4、会说常见通信网络的拓扑结构。5、会讲集散控制系统是什么？（定义、特点、应用场合）6、会说市场上起主导地位的集散控制系统有哪些？（品牌、分类、系列、型号、图片）7、能说出三种以上市场上常用DCS的性价比。8、能说出三种以上常用的集散控制系统的组态软件。二、核心理解（内在理解）1、能表述计算机控制系统的组成原理、信号处理原理。（结构、原理、特点）。2、能正确表述集散控制系统的基本概念、体系结构及各层次的主要功能。3、能够识别现有实训装置中集散控制系统的各个组成部分及相互联系。三、根据上述要求，独立咨询相关信息，通过收集、整理、提炼完成表1-2～表1-5的填写训练，重点研究表1-3的相关内容，填写结果的参考评分标准见表1-7。四、配分：本项目工时180分钟，满分为100分，比重70%。综合能力训练环节以小组为单位，总结上面任务的实施经验，并回答教师提出的问题。回答问题要求包含以下要素：1）小组成员。2）各成员的身份（以分工不同划分）。3）经验总结报告主题及内涵。4）小组共性经验（共性优点，共性缺点）。5）小组个性经验（个性优点，个性缺点）。6）存在的问题。7）将如何改进或解决存在的问题。8）给同学的建议。9）回答核心问题：10）回答限时：每小组5分钟，共60分钟。11）配分：本项目工时90分钟，本项目满分100分，比重30%。

将合理的答案填入相应栏目扣分

组成

分类将合理的答案填入相应栏目扣分

组成

分类

应用背景发展种类一、预习内容1、预习集散控制系统的结构、工作原理、及用途用法。2、预习【知识链接】内容。二、训练器材图书资料、网络、教师提供资料、计算机三、训练步骤“阅读能力训练环节”训练步骤1、指导教师简要说明“阅读能力训练环节”的要求后，学生首先分组，并分配组内各成员的角色（各角色应进行轮换，以保证每个学生在不同的岗位上都体验过工作过程），选举产生的组长按指导教师要求对组内各成员分配任务，并分头行动，按预定目标完成收集、整理工作。工作流程如下：（1）教师简要说明“阅读能力训练环节”的要求。（2）分组、分配角色，并填写具体分工表1-1。表1-1组别：第一组序号姓名角色任务分工1张三主讲员2李四编辑员3王五点评员4赵六信息员（组长）

（3）按分工要求，通过多种途径收集并编辑所需资料，并完成表1-2至表1-5中所要求的任务。（4）全组成员集中，将前面收集资料进行按要求进行整理、学习，并制作PPT文件准备汇报学习成果，要求在汇报中有本组创新点、闪光点。（5）选派代表（组内成员轮流）准备汇报本组工作成果。（6）小组点评员点评。（7）教师集中点评，并将相关知识点归纳。表1-2一般了解——信息填写（50分）自检得要求分目前常用的计算机控制系统的组成、类型及应用集散控制系统的产生发展过程

常见通信网络

星型特点型号霍尼韦尔（Honeywell）公司DCS（美国）ABB-CE(CETAYLOR)公司DCS型号浙江威盛公司DCS(美国)横河电机公司星型特点型号霍尼韦尔（Honeywell）公司DCS（美国）ABB-CE(CETAYLOR)公司DCS型号浙江威盛公司DCS(美国)横河电机公司Centum-XL集散控制系统核心理解——核心问题回答（40分）将合理的答案填入相应栏目原理特点性能系统结构图扣分性价比得分系统结构图结构及对比对比总线型

知名品牌了解目前市场上起主导地位的集散控制系统DCS(美国)知名品牌

了解市场上的集散控制系统DCS

(日本)

常用的集散控制系统的组态软件

表1-3自检要求

结构

计算机控制系统

特点

定义集散控制系统是什么？应用场合

分工

录入（？%）

网络分工

录入（？%）

网络

书籍（？%）制系统组成的硬件有哪些？各有哪些分工？

表1-4信息获取方式自查表（10分）复制（？%）手段

绘制信息获取（？%）自查表（？%）来源其他（？%）

2、“阅读能力训练环节”进行评价后（评价表1-7），各组简要小结本环节的训练经验并填入表1-5，进入“综合能力训练环节步骤”。表1-5“阅读能力训练环节”经验小结

综合能力训练环节步骤1、以小组为单位，简要写出查找、收集、整理、学习“阅读能力训练环节”的经验总结报告，并在经验交流课上进行经验交流。（目的是分享经验，分享成果，发现问题，提高水平，完善自我，增强团队意识，提高协作能力与写作水平，提高语言表达能力，提高计算机应用能力、达成有效学习等）经验交流要表述的基本内容为：（1）小组成员（建议3～5人一组）（2）各成员的身份（以分工不同划分，如：编辑员、主讲员、点评员、联络员等）（3）经验总结报告主题及内涵（可由“编辑员”用PPT或word制作要讲述的内容）（4）小组共性与个性经验（共性优点，共性缺点）（5）存在的问题（6）将如何改进或解决存在的解决。（7）给同学的建议（8）回答问题（该问题可由实训指导教师随机提出或事先让各小组准备）2、小组推举“主讲员”上台向全班同学介绍本小组任务实施后的心得，限时5分钟。（以后的学习情境中小组成员轮流当“主讲员”）

“综合能力训练环节”经验小结收集、整理资料能力评价标准主要内容1、正确理解任务要求，并做出和合理分配。收集3、收集资料全面、完整、准确。据要求对资料做出准确的整理、分析、归纳。整理作成PPT文件，PPT文件要求内容准确、完整，格1、亲自编辑图纸创新3、信息量大、准确100《集散控制与现场总线》课程学生核心能力评价表（学生用）评价小组：______；点评员：___________；评价时间_________与人合作能力价主讲员《集散控制与现场总线》课程学生核心能力评价表（教师用）占70%集散控制系统基础知识考核要求分工，采用个人和合作方式，收集表制作完成PPT文件，“综合能力训练环节”经验小结收集、整理资料能力评价标准主要内容1、正确理解任务要求，并做出和合理分配。收集3、收集资料全面、完整、准确。据要求对资料做出准确的整理、分析、归纳。整理作成PPT文件，PPT文件要求内容准确、完整，格1、亲自编辑图纸创新3、信息量大、准确100《集散控制与现场总线》课程学生核心能力评价表（学生用）评价小组：______；点评员：___________；评价时间_________与人合作能力价主讲员《集散控制与现场总线》课程学生核心能力评价表（教师用）占70%集散控制系统基础知识考核要求分工，采用个人和合作方式，收集表制作完成PPT文件，2、将归纳好的相关内容，制上有创新地回答问与人交流能力10分评价教师：_____________；评价时间：___________评分标准2、分别采用网络、书籍等手段进行资料收集。402、简明扼要回答问题数字应用能力10分配分2040自我学习能力10分扣分信息处理能力10分得分解决问题能力20分专业能10分总评力30分（∑）的学习情境中小组成员轮流当“点评员”）4、教师对上述几个环节的能力训练情况进行综合评价。5、学生和教师综合能力训练环节评价见《集散控制与现场总线》课程学生核心能力评价表1-8至表1-11，评价结束后，各组简要小结本环节的训练经验并填入表1-6。表1-6

【任务评价】（1）收集、整理资料能力评价标准见表1-7。表1-7序号根据考核要求，通过多种途径，做好11-2、1-3资料；考核组织能力。1、正确理解任务要求，并根将所收集资料按要求分类、整理，并2准备汇报学习成果。式简练、清晰。在自己理解的层面3题，填写表格合计

（2）核心能力评价表见《集散控制与现场总线》课程学生核心能力评价表1-8至表1-11。

表1-8

模块一集散控制系统基础知识

项目评组别第一组第二组第三组

表1-9模块一

与人合作能力分主讲员《集散控制与现场总线》课程学生核心能力总评价表（学生用）占30%集散控制系统基础知识第一组评价《集散控制与现场总线》课程学生核心能力总评价表集散控制系统基础知识学生评价30%总评各组总评个人单项任务总评成绩表JX-300X系统基础知识职业核心能力30分与姓名笔试能力40分10分与人交流能力10分统计与结算小组：_____________；统计与结算时间：___________第二组评价统计与结算小组：_____________；统计与结算时间：___________教师评价70%30%附加分解人合作能力10分数字应用能力10分第三组评价教师一题总自人交流能力30分自我学习能力10分第四组评与人合作能力分主讲员《集散控制与现场总线》课程学生核心能力总评价表（学生用）占30%集散控制系统基础知识第一组评价《集散控制与现场总线》课程学生核心能力总评价表集散控制系统基础知识学生评价30%总评各组总评个人单项任务总评成绩表JX-300X系统基础知识职业核心能力30分与姓名笔试能力40分10分与人交流能力10分统计与结算小组：_____________；统计与结算时间：___________第二组评价统计与结算小组：_____________；统计与结算时间：___________教师评价70%30%附加分解人合作能力10分数字应用能力10分第三组评价教师一题总自人交流能力30分自我学习能力10分第四组评价50%信决问题能力10分信息处理能力10分第三组评价教师二数我学习能力10分解决问题能力20分第二组评价50%创息处理能力10分专业能10分第一组评价小计业字应用能力分5力30分第二组评价新革新能力分点评员第一组评价拓展能力加总评第二组评价6S激励加分总评（∑/n）不到位扣违纪扣分备注得组别第一组第二组第三组

表1-10模块一

项目得组别分第一组总评第二组总评第三组总评

表1-11模块一

对象得组别分第一组总评第二组总评第三组总评（3）个人单项任务总分评定建议见表1-12。表1-12任务一学生成绩综合评价表课专业能力70分评专与

学号操作能力60分

20分分

制

【知识链接】1.1计算机控制系统的组成及应用类型

1.1.1计算机控制系统的组成计算机控制系统是以计算机为核心部件的自动控制系统。在工业控制系统中，计算机承担着数据采集与处理、顺序控制与数值控制、直接数字控制与监督控制、最优控制与自适应控制、生产管理与经营调度等任务。它已广泛应用于生产现场，并深入各行业的许多领域。（一）基本概念1、计算机控制系统的组成

有关的术语概念如下：（1）计算机控制系统：利用计算机(通常称为工业控制计算机)来实现工业过程自动控制的系统。（2）在线方式：在计算机控制系统中，生产过程和计算机直接连接，并受计算机控制的方式。（3）离线方式：生产过程不和计算机相连，且不受计算机控制，而是靠人进行联系并作相应操作的方式。（4）实时：是指信号的输入、计算和输出都在一定的时间范围内完成。2、计算机控制系统的工作原理计算机控制系统的工作原理可归纳为以下三个步骤：(1)实时数据采集对测量变送装置输出的信号经A/D转换后进行处理。(2)实时控制决策对被控变量的测量值进行分析、运算和处理，并按预定的控制规律进行运算。(3)实时控制输出实时地输出运算后的控制信号，经D/A转换后驱动执行机构，完成控制任务。上述过程不断重复，使被控变量稳定在设定值上。（二）硬件系统计算机控制系统由工业控制机和生产过程两大部分组成。如图1.2所示。

工业控制机硬件：硬件是指计算机本身及外围设备。硬件包括计算机过程输入、输出接口、人机接口、外部存储器等。生产过程包括被控对象，测量变送、执行机构、电气开关等装置。（三）软件系统软件是指能完成各种功能的计算机程序的总和，通常包括系统软件和应用软件。1.1.2计算机控制系统的应用类型计算机控制系统种类繁多，命名方法也各有不同。根据应用特点、控制功能和系统结构，计算机控制系统主要可分为六种类型：数据采集系统、直接数字控制系统、计算机监督控制系统、分级控制系统、集散型控制系统及现场总线控制系统。(一)数据采集系统如图1.3所示。在数据采集系统中，计算机只承担数据的采集和处理工作，而不直接参与控制。

(二)直接数字控制系统直接数字控制（DirectDigitalControl，DDC）系统的构成如图1.4所示。

直接数字控制系统与模拟系统的比较：（1）在DDC中，在信号出入计算机时必须经D/A、A/D转换。（2）其控制方式比常规控制系统灵活且又经济。直接数字控制系统的性能特点：由于DDC系统中的计算机直接承担控制任务，所以要求实时性好、可靠性高和适应性强。(三)计算机监督控制系统

监督计算机控制(SupervisoryComputerControl，SCC)系统，简称SCC系统，系统结构如图l.5所示。SCC系统是一种两级微型计算机控制系统，其中DDC级微机完成生产过程的直接数字控制；SCC级微机则根据生产过程的工况和已定的数学模型，进行优化分析计算，产生最优化设定值，送给DDC级执行。SCC级微机承担着高级控制与管理任务，要求数据处理功能强，存储容量大等，一般采用较高档微机。(四)分级控制系统特点：控制功能分散，集中管理。图1.6所示的分级计算机控制系统是一个四级系统。(1)装置控制级(DDC级)对生产过程进行直接控制，如进行PID控制或前馈控制，使所控制的生产过程在最优工作状况下工作。(2)车间监督级(SCC级)它根据厂级计算机下达的命令和通过装置控制级获得的生产过程数据，进行最优化控制。它还担负着车间内各工段间的协调控制和对DDC计算机级进行监督的任务。(3)工厂集中控制级它可根据上级下达的任务和本厂情况，制定生产计划、安排本厂工作、进行人员调配及各车间的协调，并及时将SCC级和DDC级的情况向上级报告。(4)企业管理级制定长期发展现划、生产计划、销售计划，发命令至各工厂，并接受各工厂、各部门发回来的信息，实现全企业的总调度。

(五)集散控制系统组成：集散控制系统分为多个层次，每层由多个计算机组成，分别行使不同的功能，主要由数据采集站、控制站、数据通信系统、操作站、工程师站、监控计算机、输入输出通道等部分组成特点：集中监视、集中操作，分散控制、分散危险其结构如图1.7所示。

（六）现场总线控制系统现场总线控制系统(FieldbusControlSystem，FCS)，是新一代分布式控制结构，如图l.8所示。几个概念：智能仪表：传统仪表与DDC相结合，带有通讯端口。现场总线：连接工业现场仪表和控制装置之间的全数字化、双向、多站点的串行通信网络。被称为21世纪的工业控制网络标准。现场总线控制系统特点：（1）全数字化（2）彻底分散化

星型结构如图1.9所示。特点：可靠性差，一旦中央节点出现故障，环型结构如图星型结构如图1.9所示。特点：可靠性差，一旦中央节点出现故障，环型结构如图1.10所示。特点：总线型结构如图1.11链路控制简单，节点数量太多时会影所示。特点：结构简单，便于扩充。

1.2.1通信网络1.局部网络的概念局部区域网络(LocalAreaNetwork，LAN)，简称为局部网络或局域网，是一种分布在有限区域内的计算机网络，是利用通信介质将分布在不同地理位置上的多个具有独立工作能力的计算机系统连接起来，并配置网络软件的一种网络，广大用户能够共享网络中的所有硬件、软件和数据等资源。DCS网络实质上就是计算机网络。2.局部网络拓扑结构网络拓扑结构是指用传输媒体互连各种设备的物理布局，就是用什么方式把网络中的计算机等设备连接起来。拓扑图给出网络服务器、工作站的网络配置和相互间的连接。通信网络的拓扑结构主要是星型、环型、总线型、树型和菊花链型。(1)星型结构则整个系统就会瘫痪。

(2)环型结构响通信速度；环是封闭的，不便于扩充。

(3)总线型结构

(4)树型结构树型拓扑是从总线型拓扑演变过来的，形状像一棵倒置的树，顶端有一个带分支的根，每个分支还可延伸出子分支。图1.12就是这种树型拓扑结构。

这种拓扑和带有几个段的总线拓扑的主要区别在于根(也称头端)的存在。当节点发送时，根接收该信号，然后再重新广播发送到全网。这种结构不需要中继器。(5)菊花链型结构图1.13为菊花链型拓扑结构图。菊花链型也称链型结构。这种拓扑结构，在一个网段中现场总线电缆从一台现场仪表走到另一台现场仪表，在每个现场仪表的端子上互连。使用这种拓扑结构应该使用联接器，否则，在拆卸一台仪表时容易使整个总线断路。

3.传输介质传输介质是通信网络的物质基础。主要有双绞线、同轴电缆和光缆三种如图2.11所示。其中，双绞线是经常使用的传输介质，它一般用于星形网络中，同轴电缆一般用于总线型网络，光缆一般用于主干网的连接。

1.2.2通信协议1.通信协议的概念网络通信功能包括两大部分，即数据传输和通信控制。在通信过程中，信息从开始发送到结束发送可分为若干个阶段，相应的通信控制功能也分成一组组操作。一组组通信控制功能应当遵守通信双方共同约定的规则，并受这些规则的约束。在计算机通信网络中，对数据传输过程进行管理的规则被称为协议。协议关键要素：语法(Syntax)：信息的格式（由哪几部分组成），包括数据格式、信号电平等规定。（即：怎么说）语义(Semantics)：信息的含义及控制信息（各部分的具体意义），是比特流每部分的含义。一个特定比特模式如何理解，基于这种理解采取何种动作等。（即：说什么）时序(Timing)：信息交换的步骤与顺序，规定了速度匹配和排序，包括数据何时发送，以什么速率发送，使发送与接收方能够无差错地完成数据通信等。（即：什么时候说）为了使各种网络能够互连，国际标准化组织(InternationalStandardsOrganization，ISO)提出了一个开放系统互连(OpenSystemsInterconnection，OSI)参考模型，简称ISO/OSI模型。它是系统之间相互交换信息所共同使用的一组标准化规则，凡按照该模型建立的网络就可以互连。2.网络控制方法网络控制方法是指在通信网络中，使信息从发送装置迅速而正确地传递到接收装置的管理机制。常用的方法有：查询式、自由竞争式、令牌传送和存储转发式。(1)查询式查询式用于主从结构网络中，如星型网络或具有主站的总线型网络。主站依次询问各站是否需要通信，收到通信应答后再控制信息的发送与接收。当多个从站要求通信时，按站的优先级安排发送。(2)自由竞争式(CSMA/CD)带有冲突检测的载体监听多重访问技术，是一种竞争方式，适用于总线型网络结构。在这种方式中，网上各站是平等的，任何一个站在任何时刻均可以广播式向网上发送信息。信息中包含有目的站地址，其他各站接收到后确定是否为发给本站的信息。由于总线结构网络中线路是公用的，因此竞争发送所要解决的问题是当有多个站同时发送信息时的协调问题。CSMA/CD采取的控制策略是：竞争发送、广播式传输、载体监听、冲突检测、冲突后退、再试发送。每个站在发送数据帧之前，首先要进行载波监听，只有介质空闲时，才允许发送帧。这时，如果两个以上的站同时监听到介质空闲并发送帧，则会产生冲突现象，这使发送的帧都成为无效帧，发送随即宣告失败。每个站必须有能力随时检测冲突是否发生，一旦发生冲突，则应停止发送，以免介质带宽因传送无效帧而被白白浪费，然后随机延时一段时间后，再重新争用介质，重发送帧。

(3)令牌传送图1.15是一个令牌传送示意图。这种方式中，有一个称为令牌(TokenPassing)的信息段在网络中各节点间依次传递。令牌有空、忙两种状态，开始时为空。节点只有得到空令牌时才具有信息发送权，同时将令牌置为忙。令牌绕节点一周且信息被目标节点取走后，令牌被重新置为空。令牌传送的方法实际上是一种按预先的安排让网络中各节点依次轮流占用通信线路的方法。令牌是一组特定的二进制代码，它按照事先排列的某种逻辑顺序沿网络而行。只有获得令牌的节点才有权控制和使用网络。令牌传送既适合于环型网，也适合于总线型网。在总线型网的情况下，各站被赋予一个逻辑位置，所有站形成一个逻辑环。令牌传送效率高，信息吞吐量大，实时性好。

令牌传送与CSMA/CD相比，重载时响应时间较短，实时性较好。而CSMA/CD在网络重载时将不断地发生冲突，因此响应时间较长，实时性变差。但令牌方式控制较复杂，网络扩展时必须重新初始化。(4)存储转发式存储转发式的信息传送过程为：源节点发送信息，到达它的相邻节点；相邻节点将信息存储起来，等到自己的信息发送完，再转发这个信息，直到把此信息送到目的节点；目的节点加上确认信息(正确)或否认信息(出错)，向下发送直至源站；源节点根据返回信息决定下一步动作，如取消信息或重新发送。存储转发式不需要交通指挥器，允许有多个节点在发送和接收信息，信息延时小，带宽利用率高。1.3集散控制系统概论

1.3.1第一代集散控制系统1975年美国Honeywell公司推出了TDC—2000集散控制系统，它是一个多处理器的分布式控制系统，克服了集中型控制系统的危险集中的致命弱点。主要产品：美国的Foxboro公司的Spectrum系统，贝利公司的N—90系统，英国肯特公司的P4000系统，德国西门子公司的TelepermM系统，日本横河的CENTUM系统等。系统组成：现场监测站、现场控制站、数据公路、CST操作站、监控计算机等组成。主要特点：这一代集散系统主要解决当时过程工业控制应用中采用模拟电动仪表难以解决的有关控制问题。监控站以8位微处理器为主，通信采用DCS制造商自己的通信协议。在技术上尚有明显的局限性。

图1.16第一代集散控制系统结构简图1.3.2第二代集散控制系统主要产品：Honeywell的TDC—3000；横河的CENTUMA、B、C；Tayor公司的MOD300；Bailey公司的NETWORK—90；西屋公司的WDPF等。主要特点：由于微机技术的成熟和局部网络技术的进入，使得集散系统得到飞速发展。第二代集散系统以局部网络为主干来统领全系统工作，系统中各单元都可以看作是网络节点的工作站，局部网络节点又可以挂接桥和网间连接器，并与同网络和异型网络相连。采用了标准化模块设计，现场控制站使用16位微处理器，增强型操作站使用32位微处理器，板级模块化，使之扩展灵活方便，控制功能更加完善，它能实现数据采集、连续控制、顺序控制和批量控制等功能，用户界面更加友好，为操作人员、工程师和维护人员提供了一种综合性的面向过程的单一窗口，便于他们完成各自的操作。

图1.17第二代集散控制系统结构简图1.3.3第三代集散控制系统美国Foxboro公司在1987年推出的I/S系统标志着集散控制系统进入第三代。主要产品：Honeywell公司的TDC—3000/PM、横河公司的CENTUM—XL、Foxboro公司的I/SS、贝利公司的INFI—90等。主要特点：第三代集散控制系统其结构的主要变化是局部网络采用了MAP或者是与MAP兼容、或者局部网络本身就是实时MAPLAN。MAP是由美国GM（通用汽车公司）负责制定的，它是一种工厂系统公共的通信标准，已逐步成为一种事实上的工业标准。除了局部网络的根本进步之外，第三代集散控制系统的其它单元无论是硬件还是软件，都有很大的变化，但系统的基本组成变化不大，其主要特征为：(1)实现开放式的系统通信。(2)控制站使用32位CPU，使控制功能更强。(3)操作站也采用了32位高等计算机，增强图形显示功能，采用多窗口技术和使用触摸屏调出画面，使操作更简便，操作响应速度加快。(4)过程控制组态采用CAD算法，使其更直观方便，并引人专家系统，实现自整定功能。

图1.18第三代集散控制系统结构简图1.3.4第四代集散控制系统在20世纪90年代初，随着对控制和管理要求的不断提高，第四代集散控制系统以控管一体化的形式出现。主要产品：Honeywell公司的TPS控制系统横河公司的CENTUM—CS控制系统，ABB公司Advant系列OCS开放控制系统等。共性：全面支持企业信息化、系统构成集成化、混合控制功能兼容，营建进一步分散化、智能化和低成本化，系统平台开放化、应用系统专业化。主要特征为：信息化和集成化；混合控制系统；融合采用现场总线技术的进一步分散化；I/O处理单元小型化、智能化、低成本；系统平台开放型与应用的专业化。在网络结构上增加了工厂信息网（intranet）并可与国际信息网（internet）连网。在软件上采用UNIX和X—WINDOWS的图形用户界面，系统的软件更丰富，在信息的管理、通信等方面提供了综合的解决方案。

图1.19和利时第四代集散控制系统体系结构1.4集散控制系统的硬件结构

从总体结构上看，DCS是由工作站和通信网络两大部分组成的。1.4.1集散控制系统的体系结构集散控制系统的设计思想：集中管理、分散控制。

集散控制系统的组成特点：纵向分层、横向分散、设备分级、网络分层的大型综合控制系统。按照功能，集散控制系统设备分为四级：现场控制级、过程控制级、过程管理级、经营管理级。与四级设备对应的四层网络称为：现场网络、控制网络、监控网络、管理网络。集散控制系统的基本组成：现场监测站、现场控制站、操作员站、工程师站、上位机和通讯网络。图1.20为一个DCS的典型体系结构。

图1.20集散控制系统的体系结构图（一）现场控制级现场控制级由现场控制级设备和现场总线等构成。1、现场控制级设备及其功能现场控制级设备直接与生产过程相连，是DCS的基础。典型的现场控制级设备是各类传感器、变送器和执行器。现场控制级设备的功能：一是完成过程数据采集与处理。二是直接输出操作命令、实现分散控制。三是完成与上级设备的数据通信，实现网络数据库共享。四是完成对现场控制级智能设备的监测、诊断和组态等。2、现场网络的功能与信息传递方式现场网络与各类现场传感器、变送器和执行器相连，以实现对生产过程的监测与控制。同时与过程控制级的计算机相连，接收上层的管理信息，传递装置的实时数据。现场网络的信息传递方式，一是传统的模拟信号(如4～20mADC或者其他类型的模拟量信号)传输方式；二是全数字信号（现场总线信号）传输方式；三是混合信号（如在4～20mADC模拟量信号上，叠加调制后的数字量信号）传输方式。现场信息以现场总线为基础的全数字传输是今后的发展方向。（二）过程控制级过程控制级主要由过程控制站、数据采集站和现场总线接口等构成。过程控制站：产生控制作用，可以实现反馈控制、逻辑控制、顺序控制和批量控制等功能。数据采集站：接收大量的非控制过程信息；不直接完成控制功能。现场总线服务器：一台安装了现场总线接口卡与DCS监控网络接口卡的计算机。过程控制级的主要功能：一是采集过程数据，进行数据转换与处理；二是对生产过程进行监测和控制，输出控制信号，实现反馈控制、逻辑控制、顺序控制和批量控制功能；三是现场设备及I/O卡件的自诊断；四是与过程操作管理级进行数据通信。（三）过程管理级过程管理级的主要设备有操作站、工程师站和监控计算机等。

1、操作站功能及其配置要求功能：操作站是操作人员与DCS相互交换信息的人机接口设备，是DCS的核心显示、操作和管理装置。配置要求：由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组成，一般配有CRT或LCD显示器、大屏幕显示装置(选件)、打印机、键盘、鼠标等，开放型DCS采用个人计算机作为人机接口站。2、工程师站功能及其配置功能：工程师站是为了控制工程师对DCS进行配置、组态、调试、维护所设置的工作站。工程师站的另一个作用是对各种设计文件进行归类和管理，形成各种设计、组态文件，如各种图样、表格等。配置要求：工程师站一般由PC机配置一定数量的外部设备组成，例如打印机、绘图仪等。3、监控计算机功能及其配置功能：（1）用于实现对生产过程的监督控制。（2）通过获取过程控制级的实时数据，运行优化和性能计算，先进控制策略的实现等。配置要求：由超级微型机或小型机构成，对运算能力和运算速度的要求较高。过程管理级设备的主要功能：（1）对生产过程进行监测和控制；（2）对DCS进行配置、组态、调试、维护；（3）对各种设计文件进行归类和管理；（4）实现对生产过程的监督控制，故障检测和数据存档。（四）经营管理级功能：监测企业各部门的运行情况，利用历史数据和实时数据预测可能发生的各种情况，从企业全局利益出发，帮助企业管理人员进行决策，帮助企业实现其计划目标。经营管理级是属厂级的，也可分成实时监控和日常管理两部分。配置要求：（1）能够对控制系统做出高速反应的实时操作系统。（2）能够连续运行可冗余的高可靠性系统。（3）优良的、高性能的、方便的人机接口，丰富的数据库管理软件，过程数据收集软件，人机接口软件以及生产管理系统生成等工具软件，能够实现整个工厂的网络化和计算机的集成化。

OS：操作站；ES：工程师站；MFS：多功能计算站；BCU：总线变换单元；CIU：通讯接口单元；PCS：过程控制站；ACS：区域控制站；LCS：逻辑控制站；DAS：数据采集站；SBUS：系统I/O总线；IOU：IO单元；RIOU：远程IO单元

机柜背面（后面）通信接口电源单元

图1.21JX-300X集散控制系统结构示意图机柜背面（后面）通信接口电源单元1.4.2集散控制系统的硬件结构DCS的硬件系统主要由集中操作管理装置、分散过程控制装置和通信接口设备等组成，通过通信网络系统将这些硬件设备连接起来。（一）DCS的现场控制站主要功能：进行数据采集及处理，对被控对象实施闭环反馈控制、批量控制和顺序控制。按其功能不同的分类：数据采集站、逻辑控制站、过程控制站。硬件组成：机柜、电源、输入输出通道和控制计算机等。1、机柜组成：现场控制单元、多层I/O卡件箱、电源单元、接线端子板和通信接口。机柜正面（前面）

现场控制单元

接线端子板

多层I/O卡件箱

图1.22机柜图2、电源现场控制站内各功能模块所需直流电源一般为±5V、±15V(或±12V)、以及+24V。电源系统的可靠性措施：（1）每一个现场控制站均采用双电源供电，互为冗余。（2）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，以克服共模干扰的影响。（3）采用交流电子调压器，快速稳定供电电压。（4）配有不间断供电电源UPS，以保证供电的连续性。增加直流电源系统的稳定性措施：（1）给主机供电与给现场设备供电的电源要在电气上隔离，以减少相互间的干扰。（2）采用冗余的双电源方式给各功能模块供电。（3）一般由统一的主电源单元将交流电变为24V直流电供给柜内的直流母线，然后通过DC-DC转换方式将24V直流电源变换为子电源所需的电压。（4）主电源一般采用1:1冗余配置，而子电源一般采用N:1冗余配置。3、控制计算机控制计算机是现场控制站的核心，一般是由CPU、存储器、输入/输出通道等基本部分组成。

I/O卡件

导I/O卡件轨

电源单元现场总线接口卡件

控制器

图1.23控制计算机简图(1)CPU用以实现算术运算和逻辑运算。可以执行复杂的先进控制算法，如自动整定、预测控制、模糊控制和自适应控制等。(2)存储器控制计算机的存储器分为RAM和ROM。在控制计算机中ROM占有较大的比例。由于控制计算机在正常工作时运行的是一套固定的程序，DCS中大都采用了程序固化的办法。在冗余控制计算机系统中，还特别设有双端口随机存储器RAM，其中存放有过程输入输出数据、设定值和PID参数等。(3)总线总线是将现场控制站内部各单元连接起来的通信介质。(4)输入/输出通道包括模拟量输入/输出(AI/AO)、开关量输入/输出(SI/SO)、数字量输入/输出(DI/DO)和脉冲量输入通道(PI)。①模拟量输入输出通道(AI/AO)模拟量输入通道(AI)：模拟量输入通道(AI)将来自在线检测仪表和变送器的连续性模拟电信号转换成数字信号，送给CPU进行处理。模拟量输出通道(AO)：模拟量输出通道(AO)一般将计算机输出的数字信号转换为4~20mADC(或1~5VDC)的连续直流信号，用于控制各种执行机构。②开关量输入/输出通道(SI/SO)开关量输入通道(SI)：主要用来采集各种限位开关、继电器或电磁阀连动触点的开、关状态，并输入至计算机。开关量输出通道(SO)：主要用于控制电磁阀、继电器、指示灯、声光报警器等只具有开、关两种状态的设备。③脉冲输入通道(PI)脉冲输入通道(PI)将现场仪表（如涡轮流量计等）输出的为脉冲信号处理后送入计算机。（二）DCS的操作站主要功能：为过程显示和控制、系统生成与诊断、现场数据的采集和恢复显示等。

工程师站控制站

信息报警站工程师站控制站嵌入型台式

显示器主机

标准键盘

工作台

操作站

主机柜图1.24中央控制室设备图分类：一般分为操作员站和工程师站两种。工程师站与操作员站的比较：工程师站主要是控制技术人员与控制系统的人机接口，或者对应用系统进行监视。与操作员站最大的区别是工程师站上配有一套组态软件，为用户提供一个灵活的、功能齐全的工作平台，通过它来实现用户所要求的各种控制策略。操作站主要硬件组成：操作台、微处理机系统、外部存储设备、图形显示设备、操作站键盘、打印输出设备等。通用操作站是DCS的发展方向。（三）DCS的冗余技术要使DCS的运行不受故障的影响，主要依靠冗余技术的采用。1、冗余方式（1）多重自动备用方式同步运转方式：让两台或两台以上的设备或部件同步运行，进行相同的处理，并将其输出进行核对。两台设备同步运行，只有当它们的输出一致时，才作为正确的输出，这种系统称为“双重化系统”(DualSystem)。三台设备同步运行，将三台设备的输出信号进行比较，取两个