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1、Zhengzhou University of Light Industry主要内容2.1 DCS的体系结构形成2.2 DCS分层结构中各层的功能2.3 DCS的构成与联系2.4 DCS体系结构的技术特点2.5 DCS体系结构典型示例第二章 DCS体系结构Date1Zhengzhou University of Light Industry过程控制系统的体系结构发展经历了：集中型计算机控制系统多级计算机控制系统集散型计算机控制系统计算机集成综合系统2.1 DCS的体系结构形成Date2Zhengzhou University of Light Industry2.1.1 集中型计算机控制系统2
2、0世纪60年代，过程控 制中开始使用工业控制 计算机，工业控制计算 机大多数都是专用机。专用机的大量使用使系 统集成成为可能，从而 奠定了集中控制模式。Date3Zhengzhou University of Light Industry由于大型高速的过程控 制计算机的出现，使一 台计算机代替众多小型 机成为可能，因而形成 中央集中式控制系统。直到70年代，这种控制 系统仍占主导地位。Date4Zhengzhou University of Light Industry由于既成事实的原因，中央计算机的集中控制 模式很快得到了发展。尤其是在工厂的旧设备改造 过程中，它的优势更加明显。在中央计算机
3、上必须 完成以下功能：(1) 过程监测(2) 数据采集(3) 报警和记录(4) 数据存档(5) 数据处理(6) 过程控制Date5Zhengzhou University of Light Industry2.1.2 DCS分层体系结构的形成对于集中式计算机控制系统，两大应用指 标就是中央计算机的处理速度和计算机本 身的可靠性，存在如下问题：1.计算机处理速度问题2.系统复杂性问题3.系统维修改造问题Date6Zhengzhou University of Light Industry基于上述状况，必须寻求一种更加可靠的计算机自动化控制系统，其方案无外乎有以下 两种：1.使计算机本身更加可靠2
4、.引入功能上可替代的集散型控制技术，以改善系统的可靠性Date7Zhengzhou University of Light Industry60年代末70年代初， 出现了微型计算机， 利用这种微型计算机 代替中央计算机的局 部工作，从而形成了 二级自动化控制系统 ，其结构图如下：Date8Zhengzhou University of Light Industry当控制规模增大后， 需要很多前端计算机 才能满足要求，从而 使中央计算机负荷加 大，因此又出现了中 间层计算机的三层结 构模式的计算机控制 系统。Date9Zhengzhou University of Light Industry2
5、.1.3 DCS的分层体系结构DCS的最重要的特点就是其分层体系结构。DCS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。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。Date10Zhengzhou University of Light IndustryDCS的层次结构图Date11Zhengzhou University of Light IndustryDCS各层功能 直接控制层 过程管理层 生产管理层 决策管理层直接控制层： 在这一层上，过程控制计算机直接与现 场各类装置（如变送器、执行器、记录 仪表等）相连，对所连接的装置实施监 测、控制，同时还向上与第二
6、层计算机 相连，接收上层的管理信息，并向上传 递装置的特性数据和采集到的实时数据 。过程管理层： 在这一级上的过程管理计算机主要有监 控计算机、操作站、工程师站。它综合 监视过程各站的所有信息、集中显示操 作，控制回路组态和参数修改，优化过 程处理等。生产管理层： 在这一级上的管理计算机根据产品各部 件的特点，协调各单元级的参数设定， 是产品的总体协调员和控制器。决策管理层： 这一级局于中央计算机上，并与办公室 自动化连接起来，担负起全厂的总体协 调管理，包括各类经营活动、人事管理 等。Date12Zhengzhou University of Light Industry2.2 DCS体系结
7、构中各层功能Date13Zhengzhou University of Light Industry 直接控制级 过程管理级 生产管理级 经营管理级直接控制级： 1.进行过程数据采集。 2.进行直接数字的过程控制。 3.进行设备监测和系统测试、诊断。 4.实施安全性、软硬件备份方面的措施。过程管理级： 1.优化过程控制。 2.自适应回路控制。 3.优化单元内各装置，使它们密切配合。 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、状态报告和备份。生产管理级： 1.规划各单元产品结构。 2.根据情况随时改变产品结构。 3.可以应对由于用户订货变化所造成的不可
8、预测的事件。 4.在生产管理中起重要作用。经营管理级： 1.市场分析 2.用户信息收集 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.生产能力与订货平衡等Date14Zhengzhou University of Light Industry2.3 DCS的构成与联系(自1975年Honeywell公司推出第一套DCS以来， 世界上有几十家公司推出了上百种DCS，虽然 这些系统各不相同，但在体系结构方面却大同 小异。(不同的只是采用了不同的计算机、不同的网络 或不同的设备。(最大差异还是在于软件设计和网络设计。Date15Zhe
9、ngzhou University of Light Industry典型DCS体系结构Date16Zhengzhou University of Light Industry2.3.1 DCS的基本构成y 操作员站y 现场控制站y 工程师站y 服务器及其它功能站y 系统网路y 现场总线网络Date17Zhengzhou University of Light Industry操作员站z操作员站主要完成人机界面功能。z一般采用桌面型通用计算机系统，如图形 工作站或个人计算机等。z有时还配备双显示屏或多显示屏，以拓宽 操作员监控范围。Date18Zhengzhou University of L
10、ight Industry现场控制站Z现场控制站是DCS的核心。Z硬件一般采用专用工业级计算机系统。Z现场控制站与现场I/O之间连接方式以串行 总线为主。Z目前直接使用现场总线产品作为现场I/O模 块和主处理器模块的连接已经很普遍。Date19Zhengzhou University of Light Industry工程师站Q工程师站是DCS中的一个特殊功能站Q主要功能是对DCS进行组态：包括离线组态和 在线组态Q一般一个标配DCS系统中至少要有一个工程师 站Q在系统规模较小时也可以用操作员站来实现工 程师站的功能，但这样只能进行离线组态Date20Zhengzhou University
11、of Light Industry服务器及其他功能站8DCS系统除了实现相应的控制功能外还要进 行其他工作，如记录历史数据，报表生成 ，历史数据分析，报警等，都需要设置相 应的工作站来实现功能。8SCADA功能在现代DCS系统中作用越来越 明显。Date21Zhengzhou University of Light Industry系统网络FDCS的另一个重要的组成部分是系统网络 ，它是连接系统各站的桥梁。F目前各个DCS厂家几乎都有各自的网络规 则，给不同DCS设备之间通信设置了人为 的壁垒。F以太网将为不同DCS设备之间互通实现可 能。Date22Zhengzhou University
12、of Light Industry现场总线网络M早期的DCS在现场检测和控制执行上都采用模拟仪表的变送单元和执行单元。M当现场总线出现后，使DCS向纯数字化发展实现了可能。M现场总线出现后DCS的系统结构发生了一定的变化，具体的结构如下图所示。Date23Zhengzhou University of Light Industry现场总线进入DCS后体系结构图Date24Zhengzhou University of Light Industry现场总线使DCS系统发生的改变“改变了现场信号线的连接方式，从1:1的模拟信 号连接改变为1:n的数字网络连接“将现场控制站中有很大部分设备将被安装在
13、现场 ，形成分散安装，分散调试，分散运行，分散维 护。“由于现场I/O和现场总线仪表的智能化，他们已 经具备了回路计算能力，使回路控制由现场控制 站下放到I/O或现场仪表，使系统更分散Date25Zhengzhou University of Light Industry高层管理网络Date26Zhengzhou University of Light Industry2.3.2 DCS的软件构成V按照软件运行的时机和环境，可将DCS 软件划分 为在线的运行(Run Time)软件和离线的应用开发工 具软件(即组态软件)两大类，其中控制站软件、操 作员站软件、各种功能站上的软件及工程师站上在
14、线的系统状态监视软件等都是运行软件，而工程师 站软件(除在线的系统状态监视软件外)则属于离线 软件。V下面分别描述各个站的软件功能及其构成。Date27Zhengzhou University of Light Industry1.现场控制站软件n现场控制站软件的最主要功能是完成对现场的 直接控制，这里面包括了回路控制、逻辑控制 、顺序控制和混合控制等多种类型的控制。n为了实现这些基本功能，在现场控制站中应该 包含以下主要的软件。Date28Zhengzhou University of Light Industry(1) 现场I/O 驱动，其功能是完成过程量的输入/输出。 其动作包括对过程输
15、入/输出设备实施驱动，以具体完成输入输出工作。(2) 对输入的过程量进行预处理，如工程量的转换、统 一计量单位、剔除各种因现场设备和过程I/O设备引起的干扰和不良数据、对输入数据进行线性化补偿及规范 化处理等，总之是要尽量真实地用数字值还原现场值并 为下一步的计算做好准备。Date29Zhengzhou University of Light Industry(3) 实时采集现场数据并存储在现场控制站内的本地数据库中，这些数据可作为原始数据参与控制计算，也可 通过计算或处理成为中间变量，并在以后参与控制计算 。所有本地数据库的数据(包括原始数据和中间变量)均可成为人机界面、报警、报表、历史、趋
16、势及综合分析 等监控功能的输入数据。(4) 进行控制计算，就是根据控制算法和检测数据、相关参数进行计算，得到实施控制的量。(5) 通过现场I/O驱动，将控制量输出到现场。Date30Zhengzhou University of Light Industry为了实现现场控制站的功能，在现场控制站中建立有与 本站的物理I/O 和控制相关的本地数据库，这个数据库中只保存与本站相关的物理I/O 点及与这些物理I/O 点相关的，经过计算得到的中间变量。本地数据库可以满足 本现场控制站的控制计算和物理I/O 对数据的需求，有时除了本地数据外还需要其他节点上的数据，这时可从网络上将其他节点的数据传送过来，这种操作被称为数据的引用。Date31Zhengzhou University of Light Industry2.操作员站软件)操作员站软件的主要功能是人机界面，即HMI 的处理，其中包括图形画面的显示、对操作员 操作命令的解释与执行、对现场数据和状态的 监视及异常报警、历史数据的存档和报表处理 等。为了上述功能的实现，操作员站软件主要 由以下几个
