DCS集散控制系统学习教程

第二章 集散控制系统 （DCS）

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2.1 DCS的形成、发展和特点 2.1.1 DCS的概念

集散控制系统（Distributed Control System）亦称分布式控制系统（简称DCS），是结合多种先进技术而形成的，对生产过程进行集中监测、操作、管理和分散控制的一种控制技术，是随着现代大型工业生产自动化的不断发展和过程控制要求的日益复杂应运而生的一种综合控制系统，是完成过程控制、过程管理的现代化设备。 幻灯片3

国外称集散控制系统是4C 技术的产物。这4C 就是指控制技术（Control）、计算机技术（Computer）、通信技术（Communication）、和CRT（Cathode Ray Tube）技术。DCS既不同于分散的仪表控制，又不同于集中式计算机控制系统，是4C 技术相互渗透发展而产生的 。 幻灯片4

2.1.2 DCS的发展情况

过程控制设备的发展历史，大概有以下几个阶段：30年代——机械式仪表现场操作；40年代——大型气动式仪表控制室操作；50年代——气动单元组合仪表控制室操作；60年代——电动单元组合仪表；70年代——集散控制系统。即经过了就地分散控制――模拟仪表集中控制――计算机集中控制――计算机分散控制（DCS）几个阶段。

集散控制系统从诞生之日起，已经历了三代，目前的正在发展之中。 幻灯片5

 DCS开创期：1975～1980年

 代表产品：Honeywell，TDC2000

 FOXBORO，Spectrum  Baily，N-90  恒河，CENTUM

这些第一代的集散控制系统以微处理器为基础的过程控制单元，实现多种控制功能算法，并实现分散控制；采用带显示器的操作站，与过程控制单元分离，实现集中监视、集中操作、信息综合管理；采用较先进的冗余通信系统、用同轴电缆作为传输媒质，实现控制单元与操作站的通信，已具有DCS的基本特点（即分散控制，集中管理），是DCS的雏形。 幻灯片6

 DCS成长过渡期：1980～1985年  代表产品：未变

 第二代的主要特点是在原来产品的基础上进行改进，进一步提高可靠性并扩展和增强

了功能。

 其特点是采用模块化、标准化设计，数据通信向标准化迁移，板级模块化，单元结

构化，使之具有更强适应性和可扩充性；新开发的多功能过程控制站、增强型操作站采用了16位CPU及高分辨率CRT技术；通信系统已采用局域网络（从主从式的星形变为总线网络或环网通信），使系统通信范围扩大，同时数据传输速率也大大提高；控制功能更加完善，它能实现过程控制、数据采集、顺序控制和批量控制功能。

其基本结构由六部分组成，即局域网络、多功能现场控制站、增强型操作站、主计算机、网络连接器和系统管理站等。 幻灯片7

 DCS完善期：80年代中后期  代表产品：Honeywell，TDC3000

 FOXBORO，I/A SERIES  Baily，INFI-90  Moore ，PACS

这阶段的特点是向开放式、标准化方向发展：实现了开放式的系统通信， 向上能与 MAP 和 Ethernet 接口，或者通过网间连接器与其它网络联系，构成复合管理系统，并与不同制造商的产品能进行数据通信；向下支持现场总线，它使得过程控制或车间的智能变送器、执行器和本地控制器之间能实现可靠的实时数据通信。 幻灯片8

 开放系统是第三代集散控制系统主要特征。根据X/OPEN协会的定义，以规范化与实际

存在的接口标准为依据而建立的计算机系统、网络系统及相关的通信系统，这些标准可为各种应用系统的标准平台提供软件的可移植性、系统的互操作性、信息资源管理的灵活性和更大的可选择性。  开放系统的基本特征如下：

 可移植性（portability）

 互操作性（interoperability）  可适宜性（scalability） 可得到性（availability） 幻灯片9

 DCS管控一体化时期：90年代初至今  代表产品：

 Honeywell，TPS系统（Total Plant System）

 PKS系统(Process knowledge System)  FOXBORO，I/A’S 50/51系列控制系统 Invensys  横河，CENTUM－CS

 ABB，ADVANT系统OCS开放控制系统

当今的 DCS是生产过程控制系统与信息管理系统紧密结合的“管控一体化”的新一代集散型控制系统。由于工厂、企业的信息集成和管理已经提到一定的高度，DCS 系统的功能已不再只局限于生产过程的控制，在整个工厂、集团公司的管理中，DCS 也能发挥相应的作用。 幻灯片10

DCS发展趋势：

向上发展：即向计算机集成制造系统（CIMS：Computer Integrated Manufacturing System）、计算机集成过程系统（CIPS：Computer Integrated Production System）等信息化集成化系统发展。

向下发展：即向现场总线控制系统发展（FCS：Fieldbus Control System），把系统控制能力移到现场，使得控制得到最终的分散，减少了输入输出的接口，减少了机柜的空间和附属设备。 幻灯片11

2.1.3 DCS的特点

DCS集散控制是一个以通信网为纽带的集中显示、操作、管理、控制相对分散的多级计算机网络控制系统，由过程控制级、控制管理级和生产管理级所组成。

DCS 具有通用性强、系统组态灵活、控制功能完善、数据处理方便、显示操作集

中、人机界面友好、安装简单规范化、调试方便、运行安全可靠等特点。 幻灯片12

 分级递阶系统

 垂直方向：至少分为两级——操作管理级和过程控制级。

水平方向：相互谐调的分级，把数据向上传送到管理级，同时接收操作管理级的指令，各个水平分级之间相互进行数据交换。 幻灯片13  分散控制

 集中：DDC，一旦计算机出现故障，将造成过程操作的全部瘫痪。

分散：不仅是分散控制，还包含其它含义，如人员分散，地域分散，功能分散，设备分散，操作分散等。目的是使危险分散，提高设备的可利用率。 幻灯片14

 自治和谐调性

 DCS 上各工作站自主地完成分配给自己的规定任务，具有控制功能分散，

危险分散的特点，提高了系统的可靠性。各站的容量可扩充，配套软件随时可组态加载，是一个能运行的高可靠性子系统。

各自的部分通过实时高可靠的工业控制局部网络传送各种信息并协调工作，实现整个系统的信息共享；根据系统的特性对各个工作站进行协制，从而完成控制系统的总体功能和优化控制。 幻灯片15  友好性

 DCS 的人机接口和软件面向工业控制技术人员、工艺技术人员和生产操作人

员，操作方便，显示直观，了解生产状况直观。

DCS软件采用实用而简捷的人机会话系统,CRT高分辨率交互图形显示,复合窗口技术,画面丰富,纵观、控制、调整、趋势、流程图、回路一览、批量控制、计量报表、操作指导画面、菜单功能等均具有实时性。平面密封式薄膜操作键盘、触摸式屏幕、鼠标器、跟踪球等操作设备使其更便于操作。 幻灯片16

 适应性、灵活性和可扩充性

 DCS 的硬件和软件采用开放式、标准化和模块化设计，系统为积木式结构，具

有灵活的配置，可适应不同用户的需要。

当工厂根据生产需要改变生产工艺和流程时，可改变系统的某些配置和控制方案，通过组态软件，进行一些填写表格式的操作即可实现。 幻灯片17

 在线性与实时性

通过人机接口和I/O 接口，DCS 对过程对象的数据进行实时采集、处理、记录、监视、操作控制，并包括对系统结构和组态回路的在线修改、局部故障的在线维护等，提高了系统的可用性。 幻灯片18  可靠性

高可靠性、高效率和高可用性是DCS的生命力所在，系统在设计阶段就采用了一系列可靠性设计技术。如：容错设计、冗余设计（硬件双重化）、在线故障排除设计以及一系列抗干扰措施，使系统的可靠性得到了全面的提高。 幻灯片19

2.1.4 国内DCS的发展情况

DCS问世于1975年，生产厂家主要集中在美、日、德等国。我国从70年代中后期起，首先以大型进口设备成套引入国外的DCS，首批有化纤、乙烯、化肥等项目。当时，我国主要行业（如电力、石化、建材和冶金等）的DCS基本全部进口。80年代初期在引进、消化和吸收的同时，开始了研制国产化DCS的技术攻关。 幻灯片20

近十几年来，特别是“九五”以来，我国DCS系统研发和生产发展很快，崛起了一批优秀企业，但国外DCS产品在国内市场中占有率还较高，其中主要是Honeywell和恒河公司的产品。今后几年，DCS作为自动化仪表行业主要产品的地位不会动摇。 幻灯片21

2.2 DCS的体系结构

2.2.1 DCS的体系结构概述

DCS的结构是一个分布式系统，从整体逻辑结构上讲，是一个分支树结构。其纵向结构分为过程控制级、控制管理级和生产管理级三级递阶结构。整个系统由3 部分构成，即集中管理部分、分散控制监测部分和网络通信部分。 幻灯片22

DCS体系结构示意图 ：

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DCS系统层次化结构的形成，经历了20世纪60年代的计算机集中控制，20世纪70年代的两级自动化控制结构和其后的三层计算机控制系统三个阶段。右图为三级计算机控制系统图。

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DCS系统的体系结构按功能通常分为四级，第一级为直接控制级，第二级为过程管理级，第三级为产品管理级，第四级为经营管理级。各级之间通过通信网络相连，各级内部各站或单元由本级的通信网络进行通信联系。 幻灯片25

DCS系统的功能分层图 ：

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2.2.2 DCS体系结构的各层功能

DCS体系结构的各级功能，总体上可用下图表示：

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 直接控制级（过程控制级）

在这一级上，过程控制计算机直接与现场各类装置（变送器、执行器、记录仪等）相连，对所连接的装置实施检测与控制，同时接收上层来的管理信息，并向上层传递装置的特性数据和采集到的实时数据。 幻灯片28

直接过程控制级是集散控制系统的基础，其主要功能有：

（1）进行过程数据采集：现场检测模拟量、数字量和脉冲量的输入/输出并进行转换处理，控制运算结果的直接输出。

（2）进行直接的数字过程控制：根据控制组态数据库中的控制算法模块，各种控制回路的运算(回路调节、逻辑运算等等)，来实施对实时过程量的控制。

（3）进行设备监测和系统的测试和诊断：把过程变量和状态信息提取后，分析是否可以接受以及是否允许向高层传输，进而确定是否对被控装置实施调节 ；必要时实施报警、错误或诊断报告等措施。

（4）实施安全性、冗余化方面的措施：一旦发现故障，就立即实施备用件的切换 。 幻灯片29

 过程管理级

 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。这一层的具体功能有:  优化过程控制

 自适应回路控制  优化单元内各装置

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工程师站：负责系统的管理、控制组态、系统的生成与下装；

操作员站：是人机接口，由PC机系统(含CRT、键盘、打印机)负责生产工艺的操作控制、过程状态显示、报警状态显示、实时数据和历史数据的显示、打印等；

上位机：即管理计算机，它实现生产调度管理、优化计算、生产经营管理与分析决策等层次的管理和计算。 幻灯片31

 产品管理级（生产管理级）

 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，

是产品的总体协同员和控制器，负责厂级的生产调度和优化。 要求根据用户的订货情况、库存情况、能源情况来规划各单元中的产品结构和规模，并可对产品重新计划，随时更改产品结构。对于综合全厂生产和产品监视，以及产品报告也都在这一层实现，并与上层交换传递数据。具体有：规划产品结构和规模；产品监视；产品报告；工厂生产监视。 幻灯片32

 经营管理级

经营管理级居于工厂自动化系统的最高一层，负责全厂的总体协调管理，包括工程技术方面、经济方面、商业事务方面、人事活动等等，以达到组合优化的目的 。 幻灯片33

这一级的主要功能包括：

市场经济情报：包括情报收集、市场分析、预测、用户反馈、市场趋势等。 销售管理：包括合同管理、定货交货统计、合同履行、材料库存、外购定货管理等。 生产管理：生产定货安排、零部件计划、外协管理、工期管理等。 成本控制：包括制造成本、管理成本、价格核定等。

质量管理：包括零部件、半成品、成品质量、外协部件质量控制的统计、工艺参数分析等。 幻灯片34

2.2.3 DCS示例－－霍尼韦尔TDC-3000系统

美国Honeywell公司1975年推出第一套集散控制系统TDC-2000以来，相继推出TDC-3000、TDC-3000*和TPS系统。目前，在世界上应用较广而又具有四层体系结构的首推Honeywell 公司推出的TDC 3000系统，它于1983年10月发布，其宗旨就是要解决过程控制领域内的关键问题—过程控制系统与信息管理系统的协调，为实现全厂生产管理提供最佳系统。 而TPS是Total Plant Solution的缩写，它是全厂一体化系统。 幻灯片35

在集散控制系统的构成图上，高速数据公路为通信系统的部分是该公司的第一代系统（TDC-2000）；以就地控制网（LCN）为通信系统的部分是第二代系统（TDC-3000）；以万能控制网（UCN）为过程控制器的通信网络、以UCN为开放式平台的TDC-3000*系统是第三代系统；而TPS系统是以WinNT为开放式平台的新一代系统。 幻灯片36

TDC-3000系统分层结构图

幻灯片37  通信系统

TDC-3000系统的通信网络包括工厂信息网（PIN）、就地控制网（LCN）、万能控制网（UCN）、数据高速公路（DH）和现场总线。 幻灯片38

工厂信息网（PIN）：信息管理的重要组成部分，通过TPS节点（GUS、PHD），PIN可直接与LCN相连，实现管理信息系统与过程控制系统相连。 局部控制网络（LCN）：是TPS系统的主干网，符合IEEE 802.2和IEEE 802.4的载波通信网络，曼彻斯特编码，实时时钟速率12.5kHZ。媒体控制采用令牌存取通信控制方式，符合IEEE802.4（令牌总线访问控制），数据传输速率5Mbit/s，总线型拓扑结构。 幻灯片39

万能控制网络（UCN）：是1988年开发的以MAP为基础的双重化实时控制网络，令牌传送载波带（模拟信号）总线网络，数据传输速率为5Mbit/s，支持32个冗余设备。 数据公路（Data Highway）：是第一代集散型控制系统的通信系统，采用串行、半双工方式工作，优先存取和定时询问方式控制，传输介质为75Ω同轴电缆，传输速率为250 kBit/s。DH上设置了一个通信指挥器HTD来管理通信，任何DH之间的通信必须由HTD指挥。

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 分散过程控制装置

 Honeywell的TDC-3000系统提供三个不同等级的分散控制：

 以过程控制设备（如PM、LM以及DH上各设备）为基础，并对控制元件进行

控制的过程控制级；

 先进控制级，包括比过程控制级更加复杂的控制策略和控制计算，通常称为

工厂级；

最高控制级，提供用于高级计算的技术和手段，例如适用于复杂控制的过程模型，过程最优控制及线性规划等，称为联合级。 幻灯片41

 TDC-3000系统的操作和管理站  增强型操作站（EOS），它是TDC-2000 CRT操作站的改进型 ；  本地批量操作站（LBOS），主要用于小系统；  万能操作站（US），是TPS系统中主要的人机界面，是综合管理的人机接口；  新操作站（US＊），是带有工业标准协处理器的万能操作站，采用RISC工作

站处理器，操作系统的软件是HP-UX，开放的X-WINDOW技术，操作员能够同时观察工厂信息、网络数据和过程控制数据。

全局用户操作站（GUS：Global User Station），是采用WinNT操作系统的TPS节点之一，采用LCN和Intel Pentium II双处理器系统。 幻灯片42

 系统模件

 TDC－3000系统在LCN上挂接多种模件：  万能操作站（US）。

 历史模件（HM）可以收集和存储历史数据，存储系统和控制组态数据。  应用模件（AM）用于连续控制、逻辑控制、报警处理和批量历史收集等等，

其控制策略可用标准算法。此外，还有优化用工具软件包：回路自整定软件包、预测控制软件包、实时质量控制软件包(SPQC）、过程模型和优化软件包等。  可编程序控制器接口（PLCG）。  计算机接口（CG），提供与其他厂家如DEC、IBM、HP等主计算机之间的连接。  网络接口模件（NM），提供UCN和LCN之间的连接。 数据公路接口（HG），将数据公路（DH）与LCN相连。 幻灯片43

2.3 DCS的硬件结构

2.3.1 DCS硬件结构概述

目前，世界上的DCS生产厂家很多，不同的系统采用的计算机硬件差别很大。对于现场控制站，从可编程序控制器（PLC）到单片机组成的小型控制采集装置；从STD（总线）计算机和工业PC等小型工控机到各种16位和32位总线型工业控制计算机系统；从智能仪表控制系统到交流变频调速器（VVVF）等，都是可选的现场控制站系统。所以，只能着重从功能上和类型上来介绍DCS的现场控制站和操作员站的组成。 幻灯片44

硬件和软件都具有灵活的组态和配置能力是DCS系统的突出优点。DCS的硬件系统是通过网络将不同数目的现场控制站、操作员站和工程师站连接起来，共同完成各种采集、控制、显示、操作和管理功能。 幻灯片45

2.3.2 DCS的过程控制级

在DCS中，各种现场检测仪表（传感器、变送器等）送来的过程信号均由过程控制级各单元进行实时的数据采集，滤除噪声信号，进行非线性校正及各种补偿运算，折算成相应的工程量，根据组态要求还可进行上下限报警及累积量计算。所有测量值和报警值经过通信网络传送到操作站数据库，供实时显示、优化计算、报警打印等。在过程控制单元，根据过程控制组态，还可进行各种闭环反馈控制、批量控制与顺序控制等，并可接收

操作站发来的各种手动操作命令进行手动控制，从而提供了对生产过程的直接调节控制功能。 幻灯片46

在不同的DCS中，过程控制单元的名称各异，例如：过程接口单元（Process Interface Unit）、基本控制器（Basic Controller）、多功能控制器（Multifunction Controller）等，但是所采用的结构形式大致相同，都由安装在控制柜内的一些标准化功能模件组装而成。 幻灯片47

构成DCS过程控制单元的包括标准结构的现场控制站，和以微处理器技术为基础发展起来的智能仪表，如智能数字调节器及可编程序控制器（PLC）。 幻灯片48

2.3.3 DCS的现场控制站

现场控制站一般均放置在靠近过程装置的地方，为适应工业生产环境，各厂家对其产品均进行了加强处理，使其具有防尘、防潮、防电磁干扰、抗冲击、抗振动及耐高低温等抵抗恶劣环境的能力。

现场控制站是一个可运行的计算机监测与控制系统，由于它是专为过程测控而设计的专用型设备，所以其机柜、电源、输入/输出通道和控制计算机等与一般的计算机系统相比又有所不同 。 幻灯片49  机柜

 现场控制站一般是标准的机柜式结构，机柜内部均装有多层机架，以供安装

电源及各种模件之用。机柜要可靠接地，接地电阻应小于4Ω。一般机柜顶部装有风扇，作为散热降温用，如果机柜内温度超过正常范围时，现场控制站机柜会自动发出报警信号。

机柜内还设有各种总线，例如：点源总线、接地总线、数据总线、地砖总线、控制总线等等。有些总线是由模件安装单元背后的印刷电路板构成的，有些总线是由模件安装单元之间的电缆构成。 幻灯片50  电源

 DCS具有效率高、稳定性好、无干扰的交流供电系统。每一个现场控制站采用

交流双电源供电。在石油、化工等对控制连续性要求特别高的场合，要求设置不间断供电电源（UPS，后备式和在线式），UPS的供电时间由负载用电量与蓄电池容量所确定。用户应在选型时根据装置在停电后必须保持正常控制的时间，确定电池的容量。 柜内直流稳压电源一般有＋5V、±15V（或±12V）、＋24V等。有的采用冗余的双电源供电方式。 幻灯片51  工控机

 现场控制站是一个智能化的可运行的数据采集与控制系统，作为其核心

的控制计算机必须由CPU、存储器、总线、I/O通道等基本部分组成。

控制计算机（处理器模件）是完成过程控制的核心模件，它完成用户所设计的各种控制策略（由功能块组态而建立的各种控制策略）。控制策略以组态文件的形式存储于非易失性存储器（NVRAM）中。鉴于处理器模件的重要性，大多数集散控制系统中的处理器模件都是可冗余设置的。 幻灯片52

处理器模件原理方框图

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（1）微处理器

微处理器CPU，负责模件的操作和控制。目前一般为32位的微处理器。微处理器可以同步访问32位字长的存储器，或异步访问各种字长的端口。大多为Motorola公司生产的68000系列CPU和Intel公司生产的80×86CPU系列产品，时钟频率已达100MHz以上，很多系统还配有浮点运算协处理器，因此数据处理能力大大提高，工作周期可缩短到0．2～0.1s，并且可执行更为复杂先进的控制算法，如自整定、预测控制、模糊控制等。由于微处理器负责模件的操作，因此它与模件中所有其它部分交换信息。微处理器的操作系统和功能块库，驻留于只读存储器中。 幻灯片

（2）时钟和实时时钟

时钟为微处理器和相关外部设备提供时钟信号，而实时时钟（RTC）为系统提供实时时间。 幻灯片55 （3）存储器

存储器包含只读存储器（ROM）、随机存储器（SRAM）和非易失存储器（NVRAM）。ROM中保存微处理器的操作系统；SRAM作为数据暂存和系统组态的副本；NVRAM保存系统组态（用功能块设计的控制策略）、批处理文件以及UDF和高级语言程序。

由于控制计算机在正常工作中运行的是一套固定的程序，为了工作的安全可靠，大多采用了程序固化的办法，不仅将系统启动、自检及基本的I/O驱动程序写入ROM中，而且将各种控制、检测功能模块，所有固定参数和系统通信、系统管理模块全部固化，因此在控制计算机的存储器中，ROM占有较大的比例。 幻灯片56

（4）DMA控制器

直接数据存储（DMA）控制器使各种通信链路能够直接与RAM交换数据，而不需微处理器的干预。采用DMA处理方式大大减轻了微处理器的负担，并且显著提高了微处理器的工作速度，因为它不需要频繁的处理数据交换的任务了。I/O 扩展总线、双冗余的链路模拟量控制站或开关量控制站，串行链路、控制网络等通信链路，均支持DMA。 幻灯片57

（5）控制网络

控制网络是一个高速通信网络，处理器模件利用这个网络来与过程控制站的其它模件交换信息。控制网络一般是可冗余的，有两个的通道，处理器模件可同时通过两个通道来发送和接收信息，并检查两个通道的一致性，这样就可及时发现故障，使通信故障造成的影响减至最低。 幻灯片58

（6）冗余链路

处理器模件是可冗余的。冗余链路为主处理器模件和备用处理器模件提供两条并行线路，当主模件执行控制任务时，备用模件通过冗余链路，获得主模件的块输出信息，不管主模件因何原因发生故障，备用模件都可以在不中断被控过程的情况下自动接替控制任务。 幻灯片59

（7）输入/输出总线

处理器模件与输入/输出模件之间的数据传输是通过输入/输出总线进行的。输入/输出总线可能是并行总线也可能是串行总线。每个挂在输入/输出总线上的模件均有自己的地址，处理器模件可以通过输入/输出总线对输入/输出模件进行各种操作（对模件进行读写）。模件上的开关用来设定模件的地址和工作方式，这些信息均通过数据缓冲区与微处理器交换信息。 幻灯片60 （8）串行口

处理器模件可以设置串行口，以便通过标准的串行口（RS 232或RS 485）与其它设备进行通信。串口支持高级语言（C/BASIC）。 幻灯片61  I/O通道

（1）模拟量输入模件

模拟量输入模件接收由现场送来的模拟量信号，对信号的量程、零点进行校正和调整，并将其转换为数字量，转换为工程单位，然后经I/O总线传送给处理器模件。其原理图如下：

幻灯片62

（2）模拟量输出模件

模拟量输出模件的作用是把处理器模件输出的控制量信号转化成具有一定带负载能力的电压或电流信号，输出到现场的执行机构，以实现对生产过程的控制。 其原理框图如下：

幻灯片63

（3）开关量输入模件

开关量输入模件接收由现场输入的开关量信号，对其进行预处理之后，将反映开关量状态变化的数字量信号经I/O总线送往处理器模件。

开关量输入模件由输入隔离电路、阈值判别电路、控制逻辑电路、模件状态监测电路、I/O总线接口等部分组成。 幻灯片

（4）开关量输出模件

开关量输出模件通过I/O总线接收处理器模件输出的开关量信号，经该模件输出，以便控制现场的开关量控制设备。

开关量输出模件由输出寄存器、输出选择器、输出驱动电路、状态缓存器、故障控制逻辑、故障状态寄存器、总线故障监测电路等部分所组成。 幻灯片65

（5）脉冲量输入模件

脉冲量输入模件的作用是将来自生产过程中的脉冲量信号进行处理，存储并通过

I/O总线传送给处理器模件。一个脉冲量输入模件可以接收多个脉冲量输入信号。

脉冲量输入模件有三种工作方式：积算方式、频率方式和周期方式。其中积算方式用于累积脉冲的总数，一般用于流量或电量的积算。频率方式用于测量脉冲的频率，也就是单位时间内脉冲的个数，其典型应用是转速的测量。周期方式是测量两个脉冲之间的时间间隔，事实上周期是频率的倒数，当脉冲的频率很低时，为了提高测量精度，常常采用测周期的方式。 幻灯片66

 现场总线模件

 现场总线模件为现场的智能装置提供了一条数字通信通道。在一条被称为现

场总线的通信线路上，可以并联连接多达32个符合现场总线通信协议的智能设备。这些智能设备以全数字方式传递过程变量、控制变量、状态信息、管理信息等内容。 有些系统中的现场总线模件支持数/模混合通信。在这些系统中，以4－20mA的模拟量信号传输过程变量信号，其他信号的数字量调制信号叠加在模拟量信号上传输。现场总线模件是现场总线与集散型控制系统之间的一个接口。 幻灯片67

现场总线模件的原理框图如下所示，它是由模件I/O电路、A/D转换器、通信电路、微处理器及控制逻辑、I/O总线接口五部分所组成的。

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2.3.4 智能调节器与可编程序控制器（PLC）

新型的数字智能调节器与PLC不仅容量更大，速度更快，而且都增设了较强的联网通信能力。可以采用以廉价的双绞线为传输介质的现场总线网，将作为主节点的现场控制站与作为从节点的数十个数字调节器、PLC或数字化智能变送器连接在一起，也可以将数台PLC通过网关直接接入高速数据公路，组成过程控制级的顺序控制站。 幻灯片69

 智能调节器

 这是一种数字化的过程控制仪表，其外表类似于一般的盘装仪表，而其内部

却是由微处理器（可能是8位的CPU，也可能是各种单片机）、RAM、ROM、模拟量与数字量l/O通道与的电源等基本组成部分所构成的一个微型的计算机系统，可以说除了控制点的区别之外，它的功能与现场控制站大同小异。 一般有单回路、2回路、4回路或8回路的调节器，至于控制方式除一般PID之外，还可组成串级控制、信号选择控制、前馈控制和按预定曲线进行程序控制等。 幻灯片70

智能调节器不仅可接收以4～20mA电流信号输入的设定值，还具有RS－232或RS－422异步通信接口等，可与上位机连成主从式通信网，接收上位机下装的控制参数，并上报各种过程参数。

为便于仪表操作人员使用，其人机交互界面（面板）的设计及操作方法与常规的模拟调节器基本相同。 幻灯片71

SLCD单回路调节器电路框图

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 可编程序控制器（PLC）

可编程序控制器也是一种以微处理机为核心的过程控制装置，与智能调节器最大的不同点是：它主要配制的是开关量I/O通道，用于执行顺序控制功能（在较新型的PLC中，亦提供了模拟量控制模板，和PID等控制算法）。 幻灯片73

PLC主要用于生产过程中按时间顺序控制或逻辑顺序控制的场合，以取代复杂的继电器控制装置。例如高层建筑的电梯控制、自动加工机床的程序控制等。

PLC所采用的编程语言主要是一种非常形象化的梯形图语言，它基本是由继电器控制电路的符号转化而来的。编程过程与绘制逻辑控制电路图的过程比较相似。在专用编程器上输入全部梯形图后，编程器即自动将其编辑成微处理器可执行的内部程序，经过试运行考验合格后，固化到EPROM中，安装到PLC上就可以执行输入的程序，实现工业生产线的自动化控制。 幻灯片74

2.3.5 DCS的操作员站和工程师站  计算机站

 计算机站提供了对现场直接操作、系统生成以及诊断等集中监示的设施。

它通过数据网络与其他各站连在一起。 计算机站是几个部分的统称，其主要部分是操作台（Operating Console），又称为操作员站（Operator Station） 、过程操作站（Process Operator Station）， 或控制中心（Command Centre） 。 幻灯片75

通常操作台（站）由一个大屏幕监示器（CRT）、一台控制计算机以及一个操控键盘组成。此外，计算机站还有一个网关（Gateway），并通过它与一个功能更强的计算机系统（上位机）相连，以便实现高级的控制和管理功能。

有些系统还配备一个工程师站（Engineer’s Console），用来生成目标系统的参数等。 幻灯片76

计算机站的组成包括：冗余的操作站 、工程师站、网关＋上位机。

计算机站应该完成以下基本功能：①过程显示和控制；②现场数据的收集和恢复显示；③级间通信；④系统诊断；⑤系统配置和参数生成；⑥仿真调试等。 幻灯片77

 操作站功能

DCS操作站一般分为操作员站和工程师站两种。 其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。 幻灯片78

（1）显示管理功能

操作员站的显示管理功能可以分为两大类：标准显示和用户自定义显示。标准显示是一个DCS的厂家工程师和操作人员根据多年的经验，在系统中设定的显示功能，通常有点记录详细显示、报警信息的显示、控制回路或回路组显示、趋势显示等；用户自定义显示是那些与特定应用有关的显示功能，通常由用户自己根据需要生成。 幻灯片79

通常，一个DCS的操作员站上应该显示以下几个方面的内容： 模拟流程和总貌显示； 过程状态； 特殊数据记录； 趋势显示； 统计结果显示； 历史数据田显示； 生产状态显示等。 幻灯片80

（2）打印功能

DCS的操作员站配上打印机，可以完成下述打印功能： 生产过程记录报表； 生产统计报表；

系统运行状态信息打印； 报警信息的打印。 幻灯片81

（3）组态功能

几乎所有的DCS都支持多种组态功能，包括数据库的生成、历史记录的创建、生产流程画面的生成、生产记录报表的生成、连续控制回路的组态、顺序控制的组态等，这些组态功能通常在工程师站上完成。

其中工程师站主要是提供技术人员生成控制系统的人机接口，或者对应用系统进行监视。 幻灯片82  操作台

操作台起到固定和保护各种计算机和外部设备的作用。目前流行的操作台有桌式操作台、集成式操作台和双屏操作台三种，可以分别适用于不同场合。 幻灯片83

 处理机系统

现今DCS操作员站的功能越来越强，这就对操作站处理机系统提出更高的要求。一般的DCS操作站采用32位处理机，新推出的中、小型DCS多采用工业PC机来作操作员站主机系统，内存配置多在128M字节以上。 幻灯片84

 外部存储设备

为了很好地完成DCS操作站的历史数据存储功能，许多DCS的操作站都配有一到两个大容量的外部存储设备（磁盘或磁带），有些系统还配备有一台或多台历史数据记录仪。 幻灯片85

 图形显示设备

CRT仍然是当前DCS的主要显示设备。多数DCS操作站配备有厂家专用的图形显示器。 幻灯片86

 操作站键盘

 操作员键盘：现今的操作员键盘一般都采用具有防水、防尘能力、有明确图案

或标志的薄膜键盘。这种键盘从键的分配和布置上都充分考虑到操作直观、方便，外表美观，并且在键体内装有电子蜂鸣器，以提示报警信息和操作响应。

工程师键盘：工程师键盘一般为常用的击打式键盘，主要用途为工程师用来进行编程和组态。 幻灯片87

 打印输出设备

一般的DCS操作站都配有两台打印机，一台为针式打印机，用作生产记录报表和报警报表；另一台为彩色打印机，用来拷贝流程画面。有的DCS已经采用激光等非击打式打印机 。 幻灯片88

2.4 DCS的软件系统 2.4.1 软件系统概述

软件是DCS的重要组成部分，一个基本的过程控制计算机系统的软件可分为两个部分：系统软件（又称计算机系统软件）和应用软件（又称过程控制软件）。但由于DCS的分布式结构，又增加了诸如通信管理软件、组态生成软件以及诊断软件等。 幻灯片

系统软件一般指通用的、面向计算机的软件，是一组支持开发、生成、测试、运行和程序维护的工具软件，它一般与应用对象无关。DCS的系统软件一般由以下几个主要部分组成：实时多任务操作系统，面向过程的编程语言，工具软件。 幻灯片90

系统软件的组成

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过程控制软件包括：具有报警检测的过程数据的输入/输出，数据表示（又称实时数据库），连续控制调节，顺序控制，历史数据的存储，过程画面显示和管理，报警信息的管理，生产记录报表的管理和打印，参数列表显示，人机接口控制，还有部分的实时数据处理功能。其中，前四种功能是在现场控制站完成的。 幻灯片92

2.4.2 操作系统

操作系统是一组程序的集合，它用来控制计算机系统中的用户程序，为用户程序与系统硬件提供接口软件，并允许这些程序之间交换信息。用户程序也称为应用程序，一般设计成能够完成某些应用功能。在实时工业计算机系统中，应用程序是我们在功能规范中所规定的功能，而操作系统则是控制计算机自身运行的系统软件。操作系统本身是很复杂的软件包，详细分析和讨论操作系统需要一本专著来完成。因此，这里只对操作系统（特别是实时多任务操作系统）作些简单的介绍。 幻灯片93

 操作系统的基本组成

 一个操作系统通常有三个组成部分：  （1）命令解释程序（Command interpreter）：是一个允许向操作系统发出命令的程序，

它用来接收用户命令，并进行翻译和控制执行。  （2）核心（kernel，操作系统内核）

（3）I/O 设备驱动程序：具体控制各种硬件和外部设备。 幻灯片94

 操作系统的功能软件

 （1）文件系统（fi1e system）

用于配有磁盘存储器（软盘或硬盘）的计算机操作系统，一般叫做磁盘操作系统（Disk Operating System。文件系统隐含了访问磁盘等外存中的硬件操作，代之的是用户程序可以调用操作系统来建立一个称为“文件” 的逻辑结构，为该文件指定一个名称，并从文件中读取数据或存入数据。 幻灯片95

（2）逻辑I/O系统

操作系统的另一通用功能是逻辑I/O功能。应用程序调用操作系统来完成I/O操作，它们可以完全摆脱具体的设备操作。例如，一个应用程序要把下批输出数据送到控制台上，实际上的控制台可能是一个CRT 显示器终端，也可能是一个别的什么设备，甚至经常是一台打印机，这对用户程序来说没有实质的区别，只是逻辑I/O地址号的变化。 幻灯片96

 实时多任务操作系统

在工业控制计算机系统中，为了实现实时处理，在目标系统中需要一个实时多任务操作系统。一个实时执行程序（real－time executive）就要包括实时多任务处理能力，并支持任务之间的信息交换以及一些其它功能，如时间管理，任务管理等。而一个完整的实时多任务操作系统则除了一个实时多任务核心执行程序之外，还要包括文件管理系统。 幻灯片97

实时多任务操作系统与我们平时开发别的通用软件所用的操作系统（如：PC－DOS、UNIX等）的最大区别是实时多任务执行核心。任务又称进程，是由多道程序的并行操作而引入的。一个支持并行执行多于一个任务的操作系统核心称为多任务操作系统核心。而一个实时多任务操作系统核心除了支持多任务外，还要具有实时处理能力。 幻灯片98

由于过程生产的复杂性，各种紧急事件、报警信号和意外情况常有发生，而产品的优先指标和参数必须满足，因此控制计算机必须具有事件响应、中断、切换和优先处理、并行控制等功能，而实时多任务操作系统正好能满足这些要求。因此，DCS的过程控制计算机都是基于实时多任务操作系统的。 幻灯片99

2.4.3 编程语言

计算机编程语言从50年代的原始汇编语言进化到现代面向过程语言，经历了大约30年的时间。

为了帮助不熟悉计算机编程的人员实现应用程序，60年代出现了填表式（Fill in the form）或填空式（Fill in the blank）编程语言。使用这种编程语言，不需要编写任何顺序指令或语句，而是依标准的格式填空就可以了。从70年代，工业控制计算机的发展对编程语言提出了实时处理能力要求，导致了一系列实时编程语言的产生，如实时FORTRAN，Ada和Peart等。直到集散型控制系统推出之后，每套DCS都提供了应用于实时控制的、可

以自由组态的、模块化的菜单驱动软件。 幻灯片100

目前，一般DCS都提供了一种功能很强、可靠性很高的面向过程的语言（即组态软件），但同时为了满足用户的特殊要求，系统往往还支持一种或几种高级编程语言。 幻灯片101

2.4.4 软件体系

 现场控制站的软件结构

 DCS现场控制的软件应具有高可靠性和实时性。此外，DCS现场控制站一般无

人机接口，所以它应有较强的自治性，即软件的设计应保证避免死机发生，并且具有较强的抗干扰能力和容错能力。

多数现场控制站软件采用模块化结构设计，并且一般不用操作系统。软件系统一般分为执行代码部分和数据部分。执行代码部分一般固化在EPROM中，而数据部分则保留在RAM存储器中，在系统复位或开机时，这些数据的初始值从网络上装入。 幻灯片102

DCS的软件一般都采用通用的形式，即一套DCS系统可以应用于不同的控制对象。对于不同的对象，只需生成不同的数据库和应用图形及控制回路即可。为了使DCS现场控制站能够应用于不同的对象，它的软件设计必须满足代码部分与对象无关，而不同的应用对象只会影响存在RAM中的数据。各控制回路的执行代码也与具体的控制对象无关，它的执行只取决于存在RAM中的回路信息。 幻灯片103

 现场控制站的输入/输出软件

 一般情况下，现场控制站所处理的输入和输出按以下几种方式进行：

 （1）按数据结构所设定的周期而周期性的巡回输入和输出，周期的确定一般由硬

件时钟定时激活。

 （2）某些事件顺序记录信号的输入是靠硬件中断来驱动的。

（3）为了提高实时性，一般DCS的控制算法可以直接调用输入、输出处理模块，从相应的I/O通道实时地输入本控制算法所需要的输入信号，经过算法运算，接着调用输出模块将控制结果直接送往输出通道。 幻灯片104

 现场控制站的控制算法软件

 在DCS中，现场控制站一级直接完成现场数据的采集、输出和反馈控制功能，

所以，现场控制站一般装有一个控制算法模块库。

DCS中的各个控制算法是以控制模块的形式提供给用户，而用户可以利用系统所提供的模块，利用组态软件生成自己所需的控制规律，该控制规律再装到现场控制站去运算并执行。 幻灯片105

多数的DCS都提供下列所示的控制算法模块： 加法、减法、乘法、除法； 比例调节、比例积分调节（PI）、比例微分（PD）、比例积分微分（PID）； 高选通、低选通、超前、滞后补偿。 幻灯片106

 现场控制站的顺序控制软件

顺序控制是采用二值信息数字技术的自动控制方式。其定义可以简单地说明为：根据预定顺序逐步进行各阶段信息处理的控制方法。顺序控制突出顺序（或逻辑）的作用，

即控制执行是根据预先规定的顺序（或逻辑关系）进行信息处理而产生控制输出。 幻灯片107

应用处理机的逻辑元素和逻辑运算，可以很方便地实现顺序控制的各种功能。DCS的顺序控制功能的组态通常在工程师站上进行，生成一个下装的目标文件，该目标文件装到现场控制站，由现场控制站的微处理器（或微控制器）执行。 幻灯片108

 操作员站的软件体系

一般来讲，操作站要完成实时数据管理、历史数据存储和管理、控制回路调节和显示、生产工艺流程画面显示、系统状态、趋势显示以及生产记录的打印和管理等功能，实现这些功能的关键就是实时多任务操作系统和数据库管理。 幻灯片109

（1）操作站的软件系统都是以实时多任务操作系统为核心的。

（2）实时数据是DCS最基本的资源，它作为整个DCS系统数据处理、数据组织和管理的核心。

（3）为了便于操作人员或工程师对系统各点进行变化趋势分析以及管理人员对系统进行综合分析，必须在操作站上建立一个历史数据库，将一段时间内的历史数据存储起来。 （4）DCS实时数据库是全局、分布式数据库，系统的网络通信是操作员站对DCS集中管理和操作的基础，它是DCS的关键技术之一。 幻灯片110

 DCS的组态软件

DCS提供的组态软件包括系统组态、过程控制组态、画面组态、报表组态，用户的方案及显示方式由它来解释并生成DCS内部可理解的目标数据。从大的方面讲，DCS组态软件可以分为两个主要方面：硬件组态（又叫配置）和软件组态。 幻灯片111

硬件配置包括下列几方面的内容：工程师站的选择（包括机型、CRT尺寸、内存、硬盘、打印机等）；操作员站的选择（包括操作员站的个数和操作员站的配置，如CRT尺寸及是否双屏、主机型号、内存配置、磁盘容量的配置、打印机的台数和型号等）；现场控制站的配置，包括现场控制站的个数、地域分布，每个现场控制站中所配的各种模板的种类及数量，电源的选择。 幻灯片112

 软件组态的内容一般包括

 基本配置组态  应用软件的组态

 基本配置的组态是给系统一个配置信息，如系统的各种站的个数，它们的索引标志，每

个现场控制站的最大点数，最短执行周期，最大内存配置等，每个操作员站的内存配置信息，磁盘容量信息等。

 应用软件的组态则具有更丰富的内容，如数据库的生成、历史库（包括趋势图）的生成、

图形生成、控制组态等。