《过程控制装置》课程授课教案（控制仪表及装置）第五章 集散控制系统 Distributed Control System

第五章计算机集散控制系统Distributed Control System本章主要内容计算机集散控制系统(DCS)概念·计算机集散控制系统的体系结构计算机集散控制系统的硬件结构计算机集散控制系统中的软件技术DCS通讯接口计算机集散控制系统及应用的发展趋势第一节 Unit 1计算机集散控制系统(DCS)概念ReviewofDistributedControlSystem本节主要内容DCS的整体概念·DCS的特点DCS的发展及典型产品5-1-1DCS的整体概念发展的背景基本概念·结构与组成.DCS的软件组成5-1-2DCS的特点独立性.协调性.友好性.适应性、灵活性和可扩充性实时性.可靠性5-1-3DCS的发展及典型产品DCS的开创期(1975年~1980年)DCS的组成现场控制站一现场监测站CRT操作站数据高速公路监控计算机

第五章 计算机集散控制系统 Distributed Control System 本章主要内容 • 计算机集散控制系统(DCS)概念 • 计算机集散控制系统的体系结构 • 计算机集散控制系统的硬件结构 • 计算机集散控制系统中的软件技术 • DCS 通讯接口 • 计算机集散控制系统及应用的发展趋势 第一节 Unit 1 计算机集散控制系统(DCS)概念 Review of Distributed Control System 本节主要内容 • DCS 的整体概念 • DCS 的特点 • DCS 的发展及典型产品 5-1-1 DCS 的整体概念 • 发展的背景 • 基本概念 • 结构与组成 • DCS 的软件组成 5-1-2 DCS 的特点 • 独立性 • 协调性 • 友好性 • 适应性、灵活性和可扩充性 • 实时性 • 可靠性 5-1-3 DCS 的发展及典型产品 • DCS 的开创期(1975 年~1980 年) • DCS 的组成 – 现场控制站 – 现场监测站 – CRT 操作站 – 数据高速公路 – 监控计算机

监控计算机CRT操作站数据高速公路HW现场控制站现场监测站..第一代DCS基本结构5-1-4DCS的发展及典型产品DCS的成长与完善时期（1980年~1985年）以局部网络LAN为主于其它各单元都是挂在它上面的网络节点工作站主要组成部分局部网络、多功能现场控制站、增强型操作站、通用型操作站、网关、系统管理模块、主计算机第二代DCS基本结构示意图主计算机通用操作站系统管理模块局部网络LAN网关网关多功能控制器......其它D增强型H网络操作站WDCS的扩展期（1985年以后）典型产品有Honeywell公司的TDC3000/PMYOKAGAWA公司的Centum-XLFoxboro公司的I/ASeriesTAILORInstruments公司的Mod300BaileyControl公司的INFI-90等

5-1-4 DCS 的发展及典型产品 • DCS 的成长与完善时期(1980 年~1985 年) • 以局部网络 LAN 为主干 • 其它各单元都是挂在它上面的网络节点工作站 • 主要组成部分 – 局部网络、多功能现场控制站、增强型操作站、通用型操作站、网关、系统 管理模块、主计算机 • 第二代 DCS 基本结构示意图 • DCS 的扩展期（1985 年以后） • 典型产品有 – Honeywell 公司的 TDC 3000/PM – YOKAGAWA 公司的 Centum-XL – Foxboro 公司的 I/A Series – TAILOR Instruments 公司的 Mod 300 – Bailey Control 公司的 INFI-90 等

第二节Unit2计算机集散控制系统的体系结构Architecture of Distributed Control System本节主要内容·概述·大型DCS的体系结构与各层的功能中小型DCS的体系结构与各层的功能5-2-1概述（1)DCS的诞生及开放系统专用计算机控制系统专用机专用机专用机1过程装置过程装置过程装置车间设备专用计算机控制系统5-2-1概述（2)中央计算机集中控制系统中央计算机中央计算机前端机前端机前端机1A变送器执行器过程装置过程装置过程装置车间设备车间设备中央计算机集中式控制系统引入中央计算机的控制系统4-2-1概述（3）集散控制系统层次化体系结构的形成集散控制技术成为过程计算机控制系统的主流技术的原因从经济角度考虑性能价格比一技术角度考虑系统的功能分散与风险分散一分层的计算机控制系统4-2-1层次化体系结构的形成三层结构模式的计算机控制系统

第二节 Unit 2 计算机集散控制系统的体系结构 Architecture of Distributed Control System 本节主要内容 • 概述 • 大型 DCS 的体系结构与各层的功能 • 中小型 DCS 的体系结构与各层的功能 5-2-1 概述（1） • DCS 的诞生及开放系统 • 专用计算机控制系统 5-2-1 概述（2） 中央计算机集中控制系统 4-2-1 概述（3） • 集散控制系统层次化体系结构的形成 • 集散控制技术成为过程计算机控制系统的主流技术的原因 – 从经济角度考虑性能价格比 – 技术角度考虑系统的功能分散与风险分散 – 分层的计算机控制系统 4-2-1 层次化体系结构的形成 • 三层结构模式的计算机控制系统

中央计算机中间层计算机中间层计算机中间层计算机1徽微微微微微型型型机型机型型机机机机设备单元设备单元设备单元车间设备5-2-1集散控制系统功能分层体系过程控制级（直接控制级）进行过程数据采集、直接数字控制、设备监测和系统测试与诊断、实施安全性、元余化方面的措施过程管理级一优化过程控制、先进控制、协调各装置、对实时数据进行分析、存档、状态报告等5-2-2大型DCS的体系结构TDC3000的三种通信链路数据高速公路（DH）(UCN)通用控制网(LCN)局部控制网TDC3000提供的不同等级的分散控制过程控制级、先进控制级、最高控制级5-2-3中小型DCS的体系结构uμXL的系统构成一操作站（MOPS/MOPL）一现场控制单元(MFCN)RL通信总线系统的分层结构过程控制级先进的回路控制操作站-

5-2-1 集散控制系统功能分层体系 • 过程控制级（直接控制级） – 进行过程数据采集、直接数字控制、设备监测和系统测试与诊断、实施安全 性、冗余化方面的措施 • 过程管理级 – 优化过程控制、先进控制、协调各装置、对实时数据进行分析、存档、状态 报告等 5-2-2 大型 DCS 的体系结构 • TDC3000 的三种通信链路 – 数据高速公路（DH） – 通用控制网 （UCN） – 局部控制网 （LCN） • TDC3000 提供的不同等级的分散控制 – 过程控制级、先进控制级、最高控制级 5-2-3 中小型 DCS 的体系结构 • μXL 的系统构成 – 操作站（MOPS/MOPL） – 现场控制单元(MFCN) – RL 通信总线 • 系统的分层结构 – 过程控制级 – 先进的回路控制 – 操作站

第三节Unit3计算机集散控制系统的硬件结构HardwareofDistributedControlSystem本节主要内容概述.DCS的现场控制站DCS操作站.DCS的穴余技术5-3-1概述DCS的突出优点-硬件和软件都具有灵活的组态和配置能力硬件的组态确定硬件的模块化配置：操作站的选择、现场控制站的配置以及电源的选择等DCS的实际硬件差别很大5-3-2DCS的现场控制站（单元）现场控制站的机柜电源（直流、交流）控制计算机-是现场控制站的核心CPU-存储器一总线输入/输出通道等5-3-3DCS的操作站操作站分为操作员站和工程师站操作台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5-3-4DCS的亢余技术DCS的穴余电源、输入/输出模块、控制回路、过程数据高速公路多重化自动备用

第三节 Unit 3 计算机集散控制系统的硬件结构 Hardware of Distributed Control System 本节主要内容 • 概述 • DCS 的现场控制站 • DCS 操作站 • DCS 的冗余技术 5-3-1 概述 • DCS 的突出优点 – 硬件和软件都具有灵活的组态和配置能力 • 硬件的组态 – 确定硬件的模块化配置：操作站的选择、现场控制站的配置以及电源的选择 等 • DCS 的实际硬件差别很大 5-3-2 DCS 的现场控制站(单元) • 现场控制站的机柜 • 电源（直流、交流） • 控制计算机——是现场控制站的核心 – CPU – 存储器 – 总线 – 输入/输出通道等 5-3-3 DCS 的操作站 • 操作站分为操作员站和工程师站 • 操作台 • 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 5-3-4 DCS 的冗余技术 • DCS 的冗余 – 电源、输入/输出模块、控制回路、过程数据高速公路 • 多重化自动备用

同步运转、待机运转、后退运转等三种方式中·简易的手动备用第四节Unit4计算机集散控制系统的软件技术SoftwareofDistributedControlSystem本节主要内容DCS的组态软件.·DCS操作软件DCS的控制软件5-4-1DCS的组态软件（1）基本配置组态一给系统一个配置信息：如各种站的个数、其索引标志、各现场工作站的最大点数、最短执行周期应用软件组态数据库的生成、历史库的生成、图形的生成、报表生成和控制组态等5-4-1DCS的组态软件（2）画面组态数据组态报表生成回路组态操作级别DCS的操作软件、监督员级、工程师级5-4-2DCS的操作软件（1）操作站要实现的功能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-生产记录的打印和管理等5-4-2DCS的操作软件（2）·实时多任务操作系统的功能一软硬件逻辑接口（Logic Interface）以及任务调度、任务间通信、资源管理等实时多任务操作系统的实时特征一异步事件响应、任务切换能力、中断响应能力、优先级中断和调度、强占式调度能力、同步能力5-4-2DCS的操作软件（3）

– 同步运转、待机运转、后退运转等三种方式 • 简易的手动备用 第四节 Unit 4 计算机集散控制系统的软件技术 Software of Distributed Control System 本节主要内容 • DCS 的组态软件 • DCS 操作软件 • DCS 的控制软件 5-4-1 DCS 的组态软件（1） • 基本配置组态 – 给系统一个配置信息：如各种站的个数、其索引标志、各现场工作站的最大 点数、最短执行周期 • 应用软件组态 – 数据库的生成、历史库的生成、图形的生成、报表生成和控制组态等 5-4-1 DCS 的组态软件（2） • 画面组态 • 数据组态 • 报表生成 • 回路组态 • 操作级别 – DCS 的操作软件、监督员级、工程师级 5-4-2 DCS 的操作软件（1） • 操作站要实现的功能 – 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 – 生产记录的打印和管理等 5-4-2 DCS 的操作软件（2） • 实时多任务操作系统的功能 – 软硬件逻辑接口（Logic Interface）以及任务调度、任务间通信、资源管理等 • 实时多任务操作系统的实时特征 – 异步事件响应、任务切换能力、中断响应能力、优先级中断和调度、强占式 调度能力、同步能力 5-4-2 DCS 的操作软件（3）

实时数据库是全局数据库数据库系统在不同层次上的结构一现场控制站上存储该站所用的各种点记录的全记录信息一操作站的实时数据库·实时数据。管理程序5-4-2DCS的操作软件（4）历史数据库短时间间隔历史数据（存储间隔一般为秒级）长时间间隔历史数据（存储间隔一般为分级）5-4-2DCS的操作软件（5）网络通信是DCS的关键技术之DCS对网络通信的要求高可靠性·硬件上高度可靠，软件上有较好的容错能力实时性灵活性能够支持多种数据信息格式5-4-3DCS的控制软件（1）通用的现场控制站功能数据采集、控制输出、自动控制和网络通信现场控制站的软件系统一执行代码：周期执行和随机执行·一般固化在EPROM中数据部分.保留在RAM中5-4-3DCS的控制软件（2）现场控制站软件通道数据巡检控制算法库数据采集模块数据转换和报警检查控制算法运算实时数据库1SOE记录检查1控制输出模块网络通信模块在线诊断现场控制站软件结构现场控制站软件执行顺序5-4-3DCS的控制软件（3)实时数据库的基本数据类型模拟量输入输出（AN）结构开关量输入输出（DG）结构

• 实时数据库是全局数据库 • 数据库系统在不同层次上的结构 – 现场控制站上存储该站所用的各种点记录的全记录信息 – 操作站的实时数据库 • 实时数据 • 管理程序 5-4-2 DCS 的操作软件（4） • 历史数据库 – 短时间间隔历史数据（存储间隔一般为秒级） – 长时间间隔历史数据（存储间隔一般为分级） 5-4-2 DCS 的操作软件（5） • 网络通信是 DCS 的关键技术之一 • DCS 对网络通信的要求 – 高可靠性 • 硬件上高度可靠，软件上有较好的容错能力 – 实时性 – 灵活性 • 能够支持多种数据信息格式 5-4-3 DCS 的控制软件（1） • 通用的现场控制站功能 – 数据采集、控制输出、自动控制和网络通信 • 现场控制站的软件系统 – 执行代码：周期执行和随机执行 • 一般固化在 EPROM 中 – 数据部分 • 保留在 RAM 中 5-4-3 DCS 的控制软件（2） • 现场控制站软件 5-4-3 DCS 的控制软件（3） • 实时数据库的基本数据类型 – 模拟量输入输出（AN）结构 – 开关量输入输出（DG）结构

模拟计算量（AC）结构-开关量点组合（GP）结构-4-4-3DCS的控制软件（4）·现场控制站能够实现的控制功能-反馈控制-批量控制和顺序控制第五节Unit5DCS通讯接口CommunicationInterfaceofDCS本节主要内容·串行接口设计·网络接口设计5-5概述·DCS通讯接口通讯接口硬件和通讯接口软件DCS通讯方式串行通讯-网络通讯-工控平台软件5-5-1XL的串行接口μXL的通讯硬件.驱动软件为MAPF-S031RS81卡支持的通讯特性.RtDb与μXL通讯方式：主从式5-5-1μXL的通讯系统示意图·上位机与μXL通讯软件及通讯系统示意图

– 模拟计算量（AC）结构 – 开关量点组合（GP）结构 4-4-3 DCS 的控制软件（4） • 现场控制站能够实现的控制功能 – 反馈控制 – 批量控制和顺序控制 第五节 Unit 5 DCS 通讯接口 Communication Interface of DCS 本节主要内容 • 串行接口设计 • 网络接口设计 5-5 概述 • DCS 通讯接口 – 通讯接口硬件和通讯接口软件 • DCS 通讯方式 – 串行通讯 – 网络通讯 • 工控平台软件 5-5-1 μXL 的串行接口 • μXL 的通讯硬件 • 驱动软件为 MAPF-S031 • RS81 卡支持的通讯特性 • RtDb 与μXL 通讯方式：主从式 5-5-1 μXL 的通讯系统示意图 • 上位机与μXL 通讯软件及通讯系统示意图

应用软件包工控平台软件uXL的实时数据库RtDb驱动器1串行口CuXL的RS81操作站（MOPS）1MPAF/S031［RL通讯总线现场控制单元5-5-1μXL的通讯系统驱动软件的组态输入数据串口设置波特率、停止位、数据位及校验设置-.波特率数据位校验停止位COME960011RtDb地址-工位号μXL相应的通讯指令上位机运行的软件模块要求从μXLRS81送来的数据的定义:XLRS81硬件线缆的串口接线方式PinPinNoNo22SD-SD33RD--RD4RS-45CS-+56DR677SGSG8CD820ER20μXLRS81板串口接线示意图

5-5-1 μXL 的通讯系统 • 驱动软件的组态输入数据 – 串口设置 • 波特率、停止位、数据位及校验设置 • – RtDb 地址 – 工位号 • μXL 相应的通讯指令 • 上位机运行的软件模块 • 要求从μXL RS81 送来的数据的定义 • μXL RS81 硬件 线缆的串口接线方式

5-5-2TDC3000的网络接口通讯硬件支持二类板卡：PCNM、PCLMPCNM是与PC机系统的网络连接网关-PCLM是与DEC公司小型机或工作站系统的网络连接网关这两类板卡支持的通讯方式为网络接口第六节Unit6DCS及应用的发展趋势TheDevelopingTrend andApplicationofDCS本节主要内容DCS的局限性·PLC系统的发展对DCS的影响DCS体系结构的发展趋势5-6-1DCS的局限（1）DCS的出现是控制系统发展的里程碑DCS的应用效益较高的可靠性一提高了控制精度，可实现“卡边”控制-操作方便5-6-1DCS的局限（2）测量变送和执行机构仍是基于模拟仪表·不同厂商的产品互不兼容，互操作性差

5-5-2 TDC3000 的网络接口 • 通讯硬件支持二类板卡：PCNM、PCLM – PCNM 是与 PC 机系统的网络连接网关 – PCLM 是与 DEC 公司小型机或工作站系统的网络连接网关 • 这两类板卡支持的通讯方式为网络接口 第六节 Unit 6 DCS 及应用的发展趋势 The Developing Trend and Application of DCS 本节主要内容 • DCS 的局限性 • PLC 系统的发展对 DCS 的影响 • DCS 体系结构的发展趋势 5-6-1 DCS 的局限（1） • DCS 的出现是控制系统发展的里程碑 • DCS 的应用效益 – 较高的可靠性 – 提高了控制精度，可实现“卡边”控制 – 操作方便 5-6-1 DCS 的局限（2） • 测量变送和执行机构仍是基于模拟仪表 • 不同厂商的产品互不兼容，互操作性差