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1、2021/4/12 1 第 9章 集散控制系統(tǒng) 計(jì) 算 機(jī) 控 制 技 術(shù) 2021/4/12 2 主要內(nèi)容 集散控制系統(tǒng)的發(fā)展過程 集散控制系統(tǒng)的概念 集散控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu) 集散控制系統(tǒng)的功能特點(diǎn) 集散控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì) 典型的集散控制系統(tǒng) 計(jì) 算 機(jī) 控 制 技 術(shù) 2021/4/12 3 9.1 集散控制系統(tǒng)的發(fā)展過程與概念 隨著大規(guī)模集成電路的問世 ， 微處理器的誕生 ， 控制技術(shù) 、 顯示技術(shù) 、 計(jì)算機(jī)技術(shù) 、 通信技術(shù) 等的進(jìn) 一步發(fā)展 ， 人們開始將計(jì)算機(jī)應(yīng)用于儀表產(chǎn)品和控制 系統(tǒng)中 。 計(jì) 算 機(jī) 控 制 技 術(shù) 2021/4/12 4 9.1 集散控制系統(tǒng)的發(fā)展過程與概念

2、 最初的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是替代常規(guī)控制儀表的直 接數(shù)字控制系統(tǒng) （ DDC） ， 它容易進(jìn)行信息通信 ， 實(shí)現(xiàn) 集中控制 、 顯示和操作 ， 控制精度高 ， 使生產(chǎn)過程綜 合控制水平得到提高 。 但是 ， 在大型工廠或裝置中 ， 一臺(tái)計(jì)算機(jī)往往要集中控制幾十甚至幾百個(gè)回路 ， 事 故發(fā)生的危險(xiǎn)性高度集中 ， 一旦計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)出現(xiàn) 故障 ， 控制 、 監(jiān)視和操作都無法進(jìn)行 ， 給生產(chǎn)帶來很 大影響 ， 甚至造成全局性的重大事故 。 集中控制的固 有缺陷使 DDC未能得到普及推廣 。 直接數(shù)字控制系統(tǒng)的不足 計(jì) 算 機(jī) 控 制 技 術(shù) 2021/4/12 5 9.1 集散控制系統(tǒng)的發(fā)展過程與概念

3、進(jìn)入 20世紀(jì) 70年代后 ， 為了進(jìn)一步提高控制系統(tǒng) 的安全性和可靠性 ， 開發(fā)研制了新型的集散控制系統(tǒng) （ Distributed Control System， 簡(jiǎn)稱 DCS） 。 所謂集 散控制系統(tǒng)就是以微處理器為基礎(chǔ)的集中分散型控制 系統(tǒng) 。 該控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了控制分散 、 危險(xiǎn)分散 ， 并將 操作 、 監(jiān)視和管理集中 ， 克服了常規(guī)儀表控制系統(tǒng)功 能單一和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)危險(xiǎn)集中的局限性 ， 能夠?qū)?現(xiàn)連續(xù)控制 、 間歇 （ 批量 ） 控制 、 順序控制 、 數(shù)據(jù)采 集處理和先進(jìn)控制 ， 將操作 、 管理和生產(chǎn)過程密切結(jié) 合 。 計(jì) 算 機(jī) 控 制 技 術(shù) 2021/4/12 6 9.

4、1 集散控制系統(tǒng)的發(fā)展過程與概念 DCS英文直譯為 “ 分散控制系統(tǒng) ” 。 “ 集散控制系 統(tǒng) ” 是按中國(guó)人習(xí)慣理解而稱謂的 ， 集散控制系統(tǒng)的 主要特征是它的 集中管理 和 分散控制 。 它采用危險(xiǎn)分散 、 控制分散 ， 而操作和管理集中 的基本設(shè)計(jì)思想 ， 多層分級(jí) 、 合作自治的結(jié)構(gòu)形式 ， 同時(shí)也為正在發(fā)展的先進(jìn)過程控制系統(tǒng)提供了必要的 工具和手段 。 計(jì) 算 機(jī) 控 制 技 術(shù) 2021/4/12 7 9.1 集散控制系統(tǒng)的發(fā)展過程與概念 自從美國(guó)霍尼韋爾 （ Honeywell） 公司于 1975年首 次向世界范圍推出 TDC2000集散控制系統(tǒng)以來 ， DCS的 結(jié)構(gòu)和性能日

5、臻完善 ， 已經(jīng)在煉油 、 石油化工 、 電力 、 鋼鐵 、 紡織 、 食品加工等部門得到了廣泛的應(yīng)用 ， 取 得了良好的經(jīng)濟(jì)效益 。 縱觀 DCS發(fā)展過程 ， 大致可分為 三個(gè)階段 。 計(jì) 算 機(jī) 控 制 技 術(shù) 2021/4/12 8 9.1 集散控制系統(tǒng)的發(fā)展過程與概念 （ 1） 第一階段（初創(chuàng)期） 1975-1980年是初創(chuàng)階段。世界各大公司紛紛推出自己 的集散型控制系統(tǒng)，這一時(shí)期典型的 DCS系統(tǒng)除了 Honeywell的 TDC-2000系統(tǒng)外，還有 Foxboro的 Spectrum系 統(tǒng)、 Yokogawa（橫河）的 CENTUM系統(tǒng)、 Bailey公司的 Network-90

6、系統(tǒng)、 Siemens的 Teleperm M系統(tǒng)和肯特公司的 P4000等。 計(jì) 算 機(jī) 控 制 技 術(shù) 2021/4/12 9 9.1 集散控制系統(tǒng)的發(fā)展過程與概念 （ 2） 第二階段（成熟期） 1980-1985年的第二階段是 DCS的成熟期。這期間隨著各種 高新技術(shù)，特別是信息處理技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展， 一方面 是硬件和軟件技術(shù)不斷更新，例如現(xiàn)場(chǎng)控制的 CPU由 16 位向 32位過渡，現(xiàn)場(chǎng)控制站的功能大為增強(qiáng)；操作站采用高分 辨率的 CRT和掩模式控制盤；系統(tǒng)軟件水平不斷提高，系統(tǒng)自 檢功能增強(qiáng)，開發(fā)了各類大、中、小型具有數(shù)、?；旌享樞蚩?制功能的集散系統(tǒng)。 另一方面 ，開

7、發(fā)了高層次的綜合信息管理 系統(tǒng)，以適應(yīng)企業(yè)發(fā)展的需要。由于系統(tǒng)技術(shù)不斷成熟，通過 眾多廠家參與競(jìng)爭(zhēng)， DCS價(jià)格開始下降， DCS的應(yīng)用更加廣泛。 典型的 DCS產(chǎn)品類型有： Honeywell的 TDC-3000、 Taylor 公司的 MOD300、 ABB公司的 MASTER、 LEEDS&NORTHROP公司的 MAX 等。 計(jì) 算 機(jī) 控 制 技 術(shù) 2021/4/12 10 9.1 集散控制系統(tǒng)的發(fā)展過程與概念 （ 3） 第三階段（擴(kuò)展期） 1985年至今為 DCS擴(kuò)展期。這一階段， DCS系統(tǒng)把過程控制、監(jiān)督 控制、管理調(diào)度有機(jī)地結(jié)合起來，并繼續(xù)加強(qiáng)邏輯控制功能。這一時(shí) 期 DC

8、S的特點(diǎn)是系統(tǒng)功能綜合化和系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)開放性水平不斷提高。功能 綜合化體現(xiàn)在 DCS的管理功能增強(qiáng)，包括原材料進(jìn)廠到生產(chǎn)設(shè)計(jì)、計(jì)劃 進(jìn)度、質(zhì)量檢查、成品包裝、出廠及供銷等一系列信息的管理調(diào)度； 另一方面是 DCS的控制功能增強(qiáng)，實(shí)現(xiàn) DCS的過程自動(dòng)化與順序控制、 機(jī)電控制相結(jié)合的綜合控制。而 DCS開放性改變了過去各個(gè) DCS自成系 統(tǒng)的封閉結(jié)構(gòu)，形成了連接規(guī)則標(biāo)準(zhǔn)化的開放通信網(wǎng)絡(luò)，在一定程度 上實(shí)現(xiàn)了不同廠家設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)兼容。新一代 DCS采用微型無引線元器件 和軟印制線路板、表面貼裝技術(shù)新工藝，體積小、可靠性高；除使用 本公司軟件外，還能使用 C、 Fortran、 Pascal、 Basic

9、等高級(jí)語(yǔ)言作為 編程工具。 擴(kuò)展期的典型 DCS系統(tǒng)有 Honeywell的 TDC-3000UCN、 Yokogawa的 CENTUM-XL和 XL、 Bailey公司的 INFI-90系統(tǒng)、 Westing House的 WDPF 系統(tǒng)等。 計(jì) 算 機(jī) 控 制 技 術(shù) 2021/4/12 11 9.2 集散控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu) 集散控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)通常為三級(jí)。 第一級(jí)為分散 過程控制級(jí) ； 第二級(jí)為集中操作監(jiān)控級(jí) ； 第三級(jí)為綜合信 息管理級(jí) 。各級(jí)之間由通信網(wǎng)絡(luò)連接，級(jí)內(nèi)各裝置之間由 本級(jí)的通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信聯(lián)系。 經(jīng)營(yíng)管理級(jí) 生產(chǎn)管理級(jí) 控制管理級(jí) 過程控制級(jí) 圖 DCS的結(jié)構(gòu)層次 計(jì)

10、算 機(jī) 控 制 技 術(shù) 2021/4/12 12 9.2 集散控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu) 計(jì) 算 機(jī) 控 制 技 術(shù) 2021/4/12 13 9.2 集散控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu) 分散過程控制級(jí) 過程控制級(jí)是集散控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程分散 控制的關(guān)鍵。 它與生產(chǎn)過程直接聯(lián)系，完成生產(chǎn)過程實(shí)時(shí) 信號(hào)采集、變換、處理、輸入、輸出、運(yùn)算和控制 。其主 要硬件有過程控制單元、過程輸入輸出單元、信號(hào)處理與 變換單元和備用盤裝儀表等。其主要任務(wù)是進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、 直接數(shù)字控制；對(duì)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)和自診斷；以及實(shí)施安全 化、冗余化措施等。 計(jì) 算 機(jī) 控 制 技 術(shù) 2021/4/12 14 1-DCS的分散過程控制

11、級(jí) 現(xiàn)場(chǎng)控制站 現(xiàn)場(chǎng)控制站的構(gòu)成 機(jī)箱（柜） 電源 PC總線工業(yè)控制機(jī) 通信控制單元 手動(dòng)、自動(dòng)顯示操作單元 現(xiàn)場(chǎng)控制站的功能 現(xiàn)場(chǎng)控制站的功能主要有 6種，即數(shù)據(jù)采集功能、 DDC控制功能、順序控制功能、信號(hào)報(bào)警功能、 打印報(bào)表功能、數(shù)據(jù)通信功能。 計(jì) 算 機(jī) 控 制 技 術(shù) 2021/4/12 15 1- DCS的分散過程控制級(jí) 智能調(diào)節(jié)器 以微處理器技術(shù)為基礎(chǔ)的智能調(diào)節(jié)器（如單回路、 多回路智能調(diào)節(jié)器）由于具有數(shù)據(jù)通信功能，因此 在 DCS的分散過程控制級(jí)也得到了廣泛的應(yīng)用。 智能調(diào)節(jié)器是一種數(shù)字化的過程控制儀表，其外表 類似于一般的盤裝儀表 。 智能調(diào)節(jié)器不僅可接受 4 20mA， D

12、C電流信號(hào)輸 入的設(shè)定值，還具有異步通信接口 RS 422 485、 RS 232等，可與上位機(jī)連成主從式通信網(wǎng)絡(luò)，接 受上位機(jī)下傳的控制參數(shù)，并上報(bào)各種過程參數(shù)。 計(jì) 算 機(jī) 控 制 技 術(shù) 2021/4/12 16 1- DCS的分散過程控制級(jí) 可編程序控制器（ PLC） PLC與智能調(diào)節(jié)器最大的不同點(diǎn)是：它主要配制 的是開關(guān)量輸入、輸出通道，用于執(zhí)行順序控制 功能。 PLC主要用于生產(chǎn)過程中按時(shí)間順序控制 或邏輯控制的場(chǎng)合，以取代復(fù)雜的繼電器控制裝 置。 在較新型的 PLC中，也提供了模擬量控制模塊， 其輸入輸出的模擬量標(biāo)準(zhǔn)與智能調(diào)節(jié)器相同。同 時(shí)也提供了 PID等控制算法 。 PLC一

13、般均帶有 RS 422標(biāo)準(zhǔn)的異步通信接口， 可與上位機(jī)連成主從式總線型網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成 DCS。 計(jì) 算 機(jī) 控 制 技 術(shù) 2021/4/12 17 9.2 集散控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu) 集中操作監(jiān)控級(jí) 集中操作監(jiān)控級(jí)的主要功能是 過程操作 、 監(jiān)視 、 優(yōu)化過程 控制 和 數(shù)據(jù)存檔 等。該級(jí)是面向操作員和控制系統(tǒng)工程師 的，因此配有技術(shù)手段齊備、功能強(qiáng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及各類 外部裝置，特別是 CRT顯示器和鍵盤，一級(jí)需要較大存儲(chǔ) 容量的硬盤或軟盤支持；另外還需要功能強(qiáng)的軟件支持， 確保工程師和操作員對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)、監(jiān)視和操作，對(duì)生 產(chǎn)過程實(shí)行高級(jí)控制策略、故障診斷、質(zhì)量評(píng)估。其具體 組成包括：監(jiān)控計(jì)算機(jī)；

14、工程師顯示操作站；操作員顯示 操作站。 計(jì) 算 機(jī) 控 制 技 術(shù) 2021/4/12 18 2- DCS的集中操作監(jiān)控級(jí) 顯示操作站的構(gòu)成 監(jiān)控計(jì)算機(jī) 鍵盤 CRT顯示器 打印機(jī) 顯示操作站的功能 顯示操作站主要是和操作員以及工程師有關(guān)的 系統(tǒng)的功能；操作員在運(yùn)轉(zhuǎn)整個(gè)系統(tǒng)時(shí)必要的 操作功能，工程師為了進(jìn)行系統(tǒng)的生成和維護(hù) 時(shí)必要的工程師功能。 計(jì) 算 機(jī) 控 制 技 術(shù) 2021/4/12 19 9.2 集散控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu) 綜合信息管理級(jí) 這一級(jí)由管理計(jì)算機(jī)、辦公自動(dòng)化系統(tǒng)、工廠自動(dòng)化服務(wù)系統(tǒng)構(gòu) 成，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)企業(yè)的 綜合信息管理 。綜合信息管理主要包括 生產(chǎn)管理 和 經(jīng)營(yíng)管理 。 生

15、產(chǎn)管理級(jí)可根據(jù)訂貨、庫(kù)存和能源等情況來規(guī)劃產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和生 產(chǎn)規(guī)模，并可根據(jù)市場(chǎng)情況重新規(guī)劃和隨機(jī)更改產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。此外， 還可對(duì)全廠狀況進(jìn)行觀察、產(chǎn)品數(shù)量和質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)視，并能根據(jù) 與經(jīng)營(yíng)管理級(jí)互相傳遞數(shù)據(jù)、報(bào)表等。 經(jīng)營(yíng)管理級(jí)的管理范圍包括：工程技術(shù)、商業(yè)事務(wù)、人事管理及 其他方面，這些功能集成在軟件系統(tǒng)中。在經(jīng)營(yíng)管理級(jí)中，通過 與公司的經(jīng)理部、市場(chǎng)部、規(guī)劃部和人事部等進(jìn)行對(duì)市場(chǎng)的分析、 用戶信息收集、訂貨系統(tǒng)分析、合同、接收訂貨與期限監(jiān)督、產(chǎn) 品制造協(xié)調(diào)、價(jià)格計(jì)算、生產(chǎn)與交貨期限監(jiān)督等，以便實(shí)現(xiàn)整個(gè) 制造系統(tǒng)的最優(yōu)良管理。 計(jì) 算 機(jī) 控 制 技 術(shù) 2021/4/12 20 3-DCS的綜合信息

16、管理級(jí) MIS的組成 MIS的硬件組成 DCS中主要由管理計(jì)算機(jī)、辦公自動(dòng)化服務(wù)系 統(tǒng)、工廠自動(dòng)化服務(wù)系統(tǒng)構(gòu)成綜合信息管理級(jí)， 這些部分也就是 MIS的硬件組成 MIS的軟件組成 企業(yè) MIS可粗略地分為市場(chǎng)經(jīng)營(yíng)管理、生產(chǎn)管 理、財(cái)務(wù)管理和人事管理四個(gè)于系統(tǒng)。 DCS中 MIS的功能 DCS的綜合信息管理級(jí)主要由 MIS來實(shí)現(xiàn)生 產(chǎn)管理和經(jīng)營(yíng)管理。 計(jì) 算 機(jī) 控 制 技 術(shù) 2021/4/12 21 9.2 集散控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu) 通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) DCS各級(jí)之間的信息傳輸主要依靠通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)來支持， 根據(jù)各級(jí)的不同要求，通信網(wǎng)絡(luò)又分成低速、中速、高速 通信網(wǎng)絡(luò)。 低速網(wǎng)絡(luò) 面向分散過程控制級(jí)；

17、 中級(jí)網(wǎng)絡(luò) 面向 集中操作控制級(jí)； 高速網(wǎng)絡(luò) 面向高速通信網(wǎng)絡(luò)管理級(jí)。 計(jì) 算 機(jī) 控 制 技 術(shù) 2021/4/12 22 9.2 集散控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu) 例： TDC-3000網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) 計(jì) 算 機(jī) 控 制 技 術(shù) 2021/4/12 23 9.2 集散控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu) TDC-3000有三種通信網(wǎng)絡(luò)： 工廠控制網(wǎng)絡(luò)（ PCN） 、 局部控制網(wǎng)絡(luò) （ LCN） 、 通用控制網(wǎng)絡(luò)（ UCN） 和 高速數(shù)據(jù)通道（ Data Hiway） 。 前三者均為局域網(wǎng)，通信特性相同。后者用來支持設(shè)備間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通 信及資源共享。局部控制網(wǎng)絡(luò)用兩條冗余的同軸電纜作為傳輸介質(zhì)。 通信協(xié)議采用 IEEE802標(biāo)

18、準(zhǔn)，介質(zhì)存取方式為令牌總線，信息以幀方 式傳遞。采用循環(huán)冗余校驗(yàn)碼和重發(fā)糾錯(cuò)技術(shù)，以確保信息的安全傳 送。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)最多可接 64個(gè)設(shè)備，信息在 64個(gè)設(shè)備上傳送的時(shí)間最長(zhǎng) 約為 0.42s，最短為 1.8ms，每個(gè)設(shè)備占用介質(zhì)發(fā)送時(shí)間為 30s。每個(gè)設(shè) 備都有兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口，對(duì)兩條同軸電纜發(fā)送和接收信息，互為冗余。 發(fā)送與接收電路采用變壓器隔離方式。所采用的硬件和軟件措施可保 證網(wǎng)絡(luò)通信的高速、可靠和安全。 計(jì) 算 機(jī) 控 制 技 術(shù) 2021/4/12 24 9.2 DCS體系結(jié)構(gòu) 從 DCS的層次結(jié)構(gòu)考察硬件構(gòu)成 ， 最低級(jí)是與生產(chǎn) 過程直接相連的過程控制級(jí) 。 在不同的 DCS中 ， 過程

19、控 制級(jí)所采用的裝置結(jié)構(gòu)形式大致相同 ， 但名稱各異 ， 如 過程控制單元 、 現(xiàn)場(chǎng)控制站 、 過程監(jiān)測(cè)站 、 基本控制器 、 過程接口單元等 ， 在這里 ， 我們統(tǒng)稱現(xiàn)場(chǎng)控制單元 FCU。 這一級(jí)實(shí)現(xiàn)了 DCS的分散控制功能 ， 所采用的裝置 又稱分散控制裝置 ， 由安裝在控制機(jī)柜內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)化模件 組裝而成 。 生產(chǎn)過程的各種參量由傳感器接受并轉(zhuǎn)換送 給現(xiàn)場(chǎng)控制單元作為控制和監(jiān)測(cè)的依據(jù) ， 而各種操作通 過現(xiàn)場(chǎng)控制單元送到各執(zhí)行機(jī)構(gòu) 。 有關(guān)信號(hào)的模擬量和 數(shù)字量的轉(zhuǎn)換 、 各類基本控制算法也在現(xiàn)場(chǎng)控制單元中 完成 。 計(jì) 算 機(jī) 控 制 技 術(shù) 2021/4/12 25 9.2 DCS體系結(jié)

20、構(gòu) DCS的各級(jí)都以計(jì)算機(jī)為核心 ， 其中生產(chǎn)管理級(jí) 、 經(jīng)營(yíng)管理級(jí)是由功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn) ， 沒有更多的 硬件構(gòu)成 ， 這里不再詳細(xì)闡述 。 過程管理級(jí)由工程師站 、 操作員站 、 管理計(jì)算機(jī)和顯示裝置組成直接完成對(duì)過程 控制級(jí)的集中監(jiān)視和管理 ， 通常稱為操作站 。 DCS的硬件和軟件 ， 都是按模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的 ， 所 以 DCS的開發(fā)實(shí)際上就是將系統(tǒng)提供的各種基本模塊按 實(shí)際的需要組合為一個(gè)系統(tǒng) ， 這個(gè)過程稱為系統(tǒng)的組態(tài) 。 采用組態(tài)的方式構(gòu)建系統(tǒng)可以極大限度地減少許多重復(fù) 的工作 ， 為 DCS的推廣應(yīng)用提供了技術(shù)保證 。 DCS的硬 件組態(tài)就是根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的規(guī)模對(duì)計(jì)算機(jī)及其網(wǎng)

21、絡(luò)系統(tǒng) 進(jìn)行配置 ， 選擇適當(dāng)?shù)墓こ處熣?、 操作員站和現(xiàn)場(chǎng)控制 單元 。 計(jì) 算 機(jī) 控 制 技 術(shù) 2021/4/12 26 9.3 集散控制系統(tǒng)的功能特點(diǎn) 集散控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的儀表控制系統(tǒng)和一般計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)比較，具 有以下幾個(gè)特點(diǎn)： 分散控制，集中管理 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用初期，控制系統(tǒng)是集中的（如 DDC），一 臺(tái)計(jì)算機(jī)完成全部過程控制和操作監(jiān)視。一旦計(jì)算機(jī)故障，整個(gè)系統(tǒng) 癱瘓，風(fēng)險(xiǎn)過于集中。 分散控制將控制任務(wù)分散到下層的各個(gè)過程控制單元（ PCU）完成， 各過程控制單元獨(dú)自完成自己的工作，一旦現(xiàn)場(chǎng)控制單元出現(xiàn)故障， 僅影響所管轄的控制回路，真正做到了危險(xiǎn)分散。分散的含義包括地

22、域分散、功能分散、設(shè)備分散和操作分散，這樣就提高了設(shè)備的可利 用率。此外，在集散控制系統(tǒng)中采用了多功能 CRT工作站，它集中了生 產(chǎn)過程全部信息，并以多畫面（如工藝流程畫面、控制過程畫面、操 作畫面等）方式顯示，真正做到了集中管理。 計(jì) 算 機(jī) 控 制 技 術(shù) 2021/4/12 27 9.3 集散控制系統(tǒng)的功能特點(diǎn) 硬件積木化，軟件模塊化 DCS采用積木化硬件組裝式結(jié)構(gòu)，使得 系統(tǒng)配置靈活 ，可方便地構(gòu) 成多級(jí)控制系統(tǒng)。如果要擴(kuò)大或縮小系統(tǒng)的規(guī)模，只需按要求在系統(tǒng) 中增加或拆除部分單元，而系統(tǒng)不會(huì)受到任何影響。這樣的組合方式， 有利于企業(yè)分批投資，逐步形成一個(gè)在功能和結(jié)構(gòu)上 由簡(jiǎn)單到復(fù)雜 、

23、 從低級(jí)到高級(jí) 的現(xiàn)代化管理系統(tǒng)。 DCS為用戶提供了豐富的功能軟件，用戶只需按要求選用即可，大 大減少了用戶的開發(fā)工作量。功能軟件主要包括控制軟件包、操作顯 示軟件包和報(bào)表打印軟件包等，并提供至少一種過程控制語(yǔ)言，供用 戶開發(fā)高級(jí)的應(yīng)用軟件。 計(jì) 算 機(jī) 控 制 技 術(shù) 2021/4/12 28 9.3 集散控制系統(tǒng)的功能特點(diǎn) 采用局域網(wǎng)通信技術(shù) 分布于各地域的現(xiàn)場(chǎng)控制單元與 CRT操作站間的數(shù)據(jù)通信采用了局 域網(wǎng)技術(shù)，傳輸實(shí)時(shí)信息， CRT操作站對(duì)全系統(tǒng)的信息進(jìn)行綜合管理。 CRT操作站對(duì)現(xiàn)場(chǎng)控制單元進(jìn)行操作、控制和管理，保證整個(gè)系統(tǒng)協(xié)調(diào) 地工作。由于大多數(shù)集散控制系統(tǒng)的局域網(wǎng)采用光纖傳輸

24、媒介，通信 的安全性大大提高，這是集散控制系統(tǒng)優(yōu)于一般計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的重 要特點(diǎn)之一。 完善的控制功能 集散控制系統(tǒng)的控制單元具有連續(xù)、分散、批量控制等功能，其 算法功能模塊多達(dá)上千種，可實(shí)現(xiàn)各種高級(jí)控制，例如，串級(jí)控制、 前饋 -反饋控制、 Smith預(yù)估控制、自適應(yīng)控制、推理控制以及多變量 解耦控制等。 計(jì) 算 機(jī) 控 制 技 術(shù) 2021/4/12 29 9.3 集散控制系統(tǒng)的功能特點(diǎn) 管理能力強(qiáng) 目前，集散控制系統(tǒng)的管理水平已達(dá)到：生產(chǎn)過程自動(dòng)化，實(shí)現(xiàn) 過程監(jiān)控、節(jié)能控制、安全監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測(cè)和生產(chǎn)計(jì)劃管理等；工廠 自動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)加工、裝配、檢查、挑選、設(shè)備故障診斷及產(chǎn)品質(zhì)量管 理等；實(shí)驗(yàn)

25、室自動(dòng)化；辦公室自動(dòng)化。 安全可靠性高 由于集散控制系統(tǒng)采用了多微處理器分散控制結(jié)構(gòu)，且廣泛采用 冗余技術(shù)、容錯(cuò)技術(shù)、各單元具有自檢查、自診斷、自修理和電源保 護(hù)功能，大大提高了系統(tǒng)的安全可靠性。 高性能 /價(jià)格比 集散控制系統(tǒng)功能齊全，技術(shù)先進(jìn)，安全可靠。大規(guī)模集散控制 系統(tǒng)的投資與相同控制回路和功能的傳統(tǒng)儀表控制系統(tǒng)相比將更低廉。 計(jì) 算 機(jī) 控 制 技 術(shù) 2021/4/12 30 9.4 集散控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì) 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展及其在工業(yè)控制系統(tǒng)中的 應(yīng)用 ， DCS表現(xiàn)出十分優(yōu)越的性能 ， 將工業(yè)過程自動(dòng)化 提高到一個(gè)新的水平 。 但是傳統(tǒng)的 DCS基于模擬儀表 ， 而模擬儀表的

26、單一 功能 ， 使得與工業(yè)生產(chǎn)過程打交道的過程監(jiān)控站仍是 集中的；現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的檢測(cè) 、 傳輸與控制還是保留了與 常規(guī)儀表相同的方式 ， 即通過傳感器或變送器檢測(cè)物 理信號(hào)并轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的 4 20mA信號(hào)以模擬方式進(jìn)行傳 輸 。 這種方式在檢測(cè)環(huán)節(jié)存在的問題是精度低 、 動(dòng)態(tài) 補(bǔ)償能力差 、 無自診斷功能；同時(shí)由于各 DCS開發(fā)商生 產(chǎn)自己的專用平臺(tái) ， 使得不同廠商的 DCS之間不兼容 、 互操作性差 。 近年來 ， 隨著新技術(shù) 、 新器件 、 新方法 、 新應(yīng)用 的相互促進(jìn) ， 在 DCS關(guān)聯(lián)領(lǐng)域有許多新進(jìn)展 。 計(jì) 算 機(jī) 控 制 技 術(shù) 2021/4/12 31 9.4 集散控制系統(tǒng)的發(fā)展

27、趨勢(shì) 1-向開放式系統(tǒng)發(fā)展 2-智能變送器、遠(yuǎn)程 I/O和現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展，進(jìn)一步使現(xiàn) 場(chǎng)測(cè)控功能下移分散 3-DCS、 PLC、 PCCS相互滲透融合，形成數(shù)字化、模塊化、 網(wǎng)絡(luò)化的分布式控制系統(tǒng) 4-現(xiàn)場(chǎng)總線集成于 DCS系統(tǒng)是現(xiàn)階段控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì) 現(xiàn)場(chǎng)總線于 DCS系統(tǒng) I/O總線上的集成 現(xiàn)場(chǎng)總線于 DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層的集成 現(xiàn)場(chǎng)總線通過網(wǎng)關(guān)與 DCS系統(tǒng)并行集成 計(jì) 算 機(jī) 控 制 技 術(shù) 2021/4/12 32 9.4 集散控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì) 綜上可以預(yù)見 ， 未來的 DCS將采用智能化儀 表和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù) ， 從而徹底實(shí)現(xiàn)分散控制 ， 并 可節(jié)約大量的布線費(fèi)用 ， 提高系統(tǒng)的易

28、展性 。 OPC標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)從根本上解決了控制系統(tǒng)的共享 問題 ， 使系統(tǒng)的集成更加方便 ， 從而導(dǎo)致控制系 統(tǒng)價(jià)格的下降 。 基于 PC機(jī)的解決方案將使控制系統(tǒng)更具有開 放性 。 Internet技術(shù)在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 ， 將使操 作界面更加友好 、 數(shù)據(jù)訪問更加方便 ， 并且 Window NT將成為控制系統(tǒng)的優(yōu)秀平臺(tái) 。 總之 ， DCS通過不斷采用新技術(shù)將向標(biāo)準(zhǔn)化 、 開放化 、 通用化的方向發(fā)展 。 計(jì) 算 機(jī) 控 制 技 術(shù) 2021/4/12 33 9.5 典型的集散控制系統(tǒng) 本節(jié)以典型 的中小型集散控 制系統(tǒng) CENTUM- XL為例論述現(xiàn) 場(chǎng)控制單元和操 作站的硬件構(gòu)成， 如圖

29、所示： 圖 CENTUM XL系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 計(jì) 算 機(jī) 控 制 技 術(shù) 2021/4/12 34 硬件體系結(jié)構(gòu) 1-現(xiàn)場(chǎng)控制單元 現(xiàn)場(chǎng)控制單元一般遠(yuǎn)離控制中心， 安裝在靠近現(xiàn)場(chǎng)的地方，以消除長(zhǎng)距離 傳輸?shù)母蓴_。其高度模塊化結(jié)構(gòu)可以根 據(jù)過程監(jiān)測(cè)和控制的需要配置成由幾個(gè) 監(jiān)控點(diǎn)到數(shù)百個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的規(guī)模不等的過 程控制單元。它的結(jié)構(gòu)是許多功能分散 的插板（或稱模件）、插板箱，各箱又 分層地插入機(jī)柜。 計(jì) 算 機(jī) 控 制 技 術(shù) 2021/4/12 35 機(jī)柜與電源 機(jī)柜 現(xiàn)場(chǎng)控制單元的各種功能插板安裝在由多層機(jī)架組 成的機(jī)柜中。機(jī)柜常配有密封門、冷卻扇和過濾器等， 有時(shí)還配有溫控開關(guān)，當(dāng)機(jī)柜內(nèi)溫度超過正常

30、范圍時(shí)， 產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。 供電電源 DCS的電路由直流穩(wěn)壓電源供電，常用的是 5V， 12V和 24VDC，一般對(duì)現(xiàn)場(chǎng)控制單元的供電電源均要 求與現(xiàn)場(chǎng)變送器或執(zhí)行機(jī)構(gòu)的供電電源互相隔離，以減 少相互干擾。主電源（供柜內(nèi)母線的 24VDC）單元采用 1： 1冗余，各層機(jī)架上的子電源所需的各種電壓由主電源 變換而來，可采用 1： 1或 N： 1冗余配置。所有電源均來 自于 120VAC或 220VAC交流電網(wǎng)。為保證供給現(xiàn)場(chǎng)控制單 元交流電源的穩(wěn)定可靠，一般采取如下措施： 計(jì) 算 機(jī) 控 制 技 術(shù) 2021/4/12 36 機(jī)柜與電源 每一現(xiàn)場(chǎng)控制站均采用雙相交流電源供電，兩相 互為冗余。 若電

31、網(wǎng)電壓波動(dòng)嚴(yán)重，應(yīng)采用交流穩(wěn)壓器。 若附近有經(jīng)常開關(guān)的大功率設(shè)備，要采用超級(jí)隔 離變壓器，并將初、次級(jí)線圈間的屏蔽層可靠接 地，以隔離共模干擾。 對(duì)連續(xù)控制要求高的場(chǎng)合，應(yīng)配備不間斷供電電 源 UPS。 計(jì) 算 機(jī) 控 制 技 術(shù) 2021/4/12 37 硬件體系結(jié)構(gòu) 1-現(xiàn)場(chǎng)控制單元的功能 在 DCS中 ， 現(xiàn)場(chǎng)控制單元具有如下功能： 完成來自變送器的信號(hào)的數(shù)據(jù)采集 ， 有必要時(shí) ， 要對(duì) 采集的信號(hào)進(jìn)行校正 、 非線性補(bǔ)償 、 單位換算 、 上下限報(bào)警 以及累計(jì)量的計(jì)算等 。 將采集和通過運(yùn)算得到的中間數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳送給操 作站 。 通過其中的軟件組態(tài) ， 對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備實(shí)施各種控制 ， 包

32、 括反饋控制和順序控制 。 一般現(xiàn)場(chǎng)控制單元還設(shè)置手動(dòng)功能 ， 以實(shí)施對(duì)生產(chǎn)過 程的直接操作和控制 。 現(xiàn)場(chǎng)控制單元通常不配備 CRT顯示器 和操作鍵盤 ， 但可備有袖珍型現(xiàn)場(chǎng)操作器 ， 或在前面板上裝 備小型開關(guān)和數(shù)字顯示設(shè)備 。 現(xiàn)場(chǎng)控制單元具有很強(qiáng)的自治能力 ， 可單獨(dú)運(yùn)行 。 計(jì) 算 機(jī) 控 制 技 術(shù) 2021/4/12 38 硬件體系結(jié)構(gòu) 1-現(xiàn)場(chǎng)控制單元的結(jié)構(gòu) 基本型控制單元與 過程輸入、輸出設(shè)備 連接方式如圖所示： M A C 2 L C S V M 1 V M 2 S T 2 N P 5 P S 3 P S 3 通信插件 信號(hào)變換器 信號(hào)變換器 信號(hào)變換器 盤裝 儀表 端子

33、板 控制回路部 模擬信號(hào)輸入 、 輸出部 數(shù) 字 信 號(hào) 輸 入 、 輸 出 圖 基本型控制單元的構(gòu)成 基本型控制單元的構(gòu)成 ： 計(jì) 算 機(jī) 控 制 技 術(shù) 2021/4/12 39 硬件體系結(jié)構(gòu) 1-現(xiàn)場(chǎng)控制單元的結(jié)構(gòu) 擴(kuò)展型控制單元的構(gòu)成 擴(kuò)展型控制單 元以及與它相連的 輸入、輸出單元、 過程輸入、輸出設(shè) 備、分系統(tǒng)等的構(gòu) 成如圖所示 ： MA C 2 P X 1 M F 1 N E 51 N P 5 P S 3 P S 3 通信插件 信號(hào)變換器 圖 擴(kuò)展型控制單元的構(gòu)成 N P 5 P S 3 P S 3 MEXU輸入 、 輸出單元 輸入 、 輸出插件 NE總線 PLC 遠(yuǎn)程 I/O 計(jì)

34、 算 機(jī) 控 制 技 術(shù) 2021/4/12 40 硬件體系結(jié)構(gòu) 1-現(xiàn)場(chǎng)控制單元 的部件 現(xiàn)場(chǎng)控 制單元的 部件插卡 大致可分 為公共部 件卡和輸 入、輸出 I/O卡兩類， 詳見表： 插卡 型號(hào) 功能 電源供應(yīng)卡 PS31/32/35 見上述 。 處理卡 NP53/54 見上述 。 NE-總線接口卡 NE53 MV-總線 /NE-總線轉(zhuǎn)換 。 模擬控制 I/O卡 MAC2 8路模擬量輸入： 1 5V DC； 8路模擬量輸出： 4 20mA。 脈沖控制 I/O卡 PAC 8路脈沖量輸入： 0 6KHz； 8路模擬量輸出： 4 20mA。 回路通信卡 LCU 可連接 4個(gè)回路顯示單元 （ ULD

35、U） /LCU卡 。 回路通信卡 LCS 可連接 8個(gè)回路 YEWSERIES80儀表 /LCS卡 。 多點(diǎn)狀態(tài) I/O卡 ST2 16個(gè)狀態(tài)輸入：接觸器或 DC電壓 （ 接觸器 ON： 200最大 ， OFF： 100K最??；電壓 ON： 1V DC， 200最大 ， OFF： 4.5 25V DC） ； 16個(gè)狀態(tài)輸出：半導(dǎo)體接觸器 ， 60V DC ， 200mA。 多點(diǎn)狀態(tài)輸入卡 ST3 32個(gè)狀態(tài)輸入：接觸器或 DC電壓 （ 同 ST2） 。 多點(diǎn)狀態(tài)輸出卡 ST4 32個(gè)狀態(tài)輸出：半導(dǎo)體接觸器 ， 60V DC ， 200mA。 多點(diǎn)狀態(tài) I/O卡 ST5 32個(gè)狀態(tài)輸入：同 ST

36、2； 32個(gè)狀態(tài)輸出：同 ST2。 多點(diǎn)狀態(tài)輸入卡 ST6 64個(gè)狀態(tài)輸入：接觸器或 DC電壓 （ 同 ST2） 。 多點(diǎn)狀態(tài)輸出卡 ST7 64個(gè)狀態(tài)輸出：半導(dǎo)體接觸器 ， 1億美元 B級(jí)： 2000萬到 1 億美元 C級(jí)： 200萬到 2000萬美元 D級(jí)： 200萬美 元 會(huì)員費(fèi) 10000美元 5000美元 2500美元 1500美元 OPC技術(shù)的 用戶不包 括供應(yīng)商 E級(jí)： 1000美 元 研究院、所 或非贏 利組織： 500美元 大學(xué)： 100美 元 計(jì) 算 機(jī) 控 制 技 術(shù) 2021/4/12 97 本章小結(jié) 分散控制系統(tǒng) DCS是以微型計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的集散型綜合控 制系統(tǒng)。它是為滿足大型工業(yè)生產(chǎn)的要求，從綜合自動(dòng)化 的角度，按控制功能分散、操作管理集中的原則設(shè)計(jì)。 DCS的特點(diǎn)：硬件積木化、軟件模塊化、通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用、 可靠性高。 典型的 DCS體系結(jié)構(gòu)分為三層：分散過程控制級(jí)、集中操 作監(jiān)控級(jí)和綜合信息管理級(jí)。層間由高速數(shù)據(jù)通路 HW和局 域網(wǎng)絡(luò) LAN兩級(jí)通信線路相連，級(jí)內(nèi)各裝置之間由本級(jí)的 通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信聯(lián)系。 典型的 DCS產(chǎn)品： Honeywell公司的 TDC-3000、 Foxboro公 司的 I/AS、浙大中控的 SUPCON JX-300