第二章 集散控制系统的硬件构成

第二章 集散控制系统的硬件构成
第一节 集散控制系统的构成方式 DCS的结构特点 第二节 DCS的结构特点 第三节 集散控制系统的硬件构成
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第一节 集散控制系统的构成方式
工作站
通信网络 I/O卡 卡 控制器
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(集散控制系统 DCS）集中操作监控级
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集散控制系统的构成方式 第一节 集散控制系统的构成方式 一、集散控制系统的各层功能 功能分层是集散控制系统的体系特征， 反映了集散控制系统的“分散控制、集 中管理”的特点。 四个层次
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通信系统+操作管理机 （1）工业级微机 通信系统 操作管理机 ）工业级微机+通信系统 工业级微机用作多功能、多回路的分散控制装置； 工业级微机用作多功能、多回路的分散控制装置；操 作管理机使用PC机 相应软件由软件厂商开发。 作管理机使用 机，相应软件由软件厂商开发。
通信系统+工业级微机 （2）单回路控制器 通信系统 工业级微机 ）单回路控制器+通信系统 单回路控制器作为分散控制装置； 单回路控制器作为分散控制装置；工业级微机作为操 作管理站，通用性强、自行开发软件。 作管理站，通用性强、自行开发软件。适用于中小型 企业（集散控制系统）。 企业（集散控制系统）。
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1、递阶控制结构 、
（4）递阶控制结构的特点 ） 系统结构灵活，容易改变，系统的容量可以扩大或缩小； 系统结构灵活，容易改变，系统的容量可以扩大或缩小； 控制功能增强，除了直接控制外，还有优化控制、自学习、 控制功能增强，除了直接控制外，还有优化控制、自学习、自适 应和自组织等功能； 应和自组织等功能； 降低了信息存储量、计算量，减少了计算时间； 降低了信息存储量、计算量，减少了计算时间； 可以设置备用自系统，降低成本，提高可靠性； 可以设置备用自系统，降低成本，提高可靠性； 各级的智能化将进一步提高系统的性能。 各级的智能化将进一步提高系统的性能。
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交流电源： 交流电源： 交流电源经过集散系统的电盘的断路器给系统供 电，保证现场控制站供电系统高效、稳定、无干扰。 保证现场控制站供电系统高效、稳定、无干扰。 每一现场控制站场均用双相交流电源供电， 每一现场控制站场均用双相交流电源供电， 两相互为冗余。 两相互为冗余。 如果附近有经常开关的大功率用电设备， 如果附近有经常开关的大功率用电设备，应 采用超级隔离变压器，将其初级、 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。 间的屏蔽层可靠接地。这样能很好的隔离共 模干扰。 模干扰。 对控制连续性要求特别高的场合， 对控制连续性要求特别高的场合，应装设不 间断供电电源UPS 间断供电电源UPS 。
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3、冗余控制结构
为了提高系统的可靠性，集散控制系统重要设备、对 全局系统有影响的公共设备上常采用冗余结构。 经常采用的冗余方式有： 同步运转方式； 待机运转方式； 后退运转方式； 多级操作方式。
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（1）同步运转方式 ）
让两台或两台以上的装置以相同的方式同步运转， 输入相同的信号，进行相同的处理，然后对输出进 行比较，如果输出保持一致则系统是正常运行的。 双重冗余、“三中取二”（连锁） 应用于可靠性要求极高的场合
前提： 现场级实现控制的前提 微处理器进入现场变送器、 现场级实现控制的前提：微处理器进入现场变送器、传感 器和执行器；现场总线的应用。 器和执行器；现场总线的应用。部分或完全完成过程控制 级的功能。 级的功能。
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一、集散控制系统的各层功能
四个层次
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2、过程控制级的功能
下位机)+I/O卡件 结构：过程控制设备 下位机 结构：过程控制设备(下位机 卡件 功能： 功能：
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一、集散控制系统的各层功能
四个层次
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4、全厂优化和调度管理级的功能
从系统的观点： 销售； 从系统的观点：原料 销售；优化协调 功能： 功能：
优化控制； 优化控制； 协调和调度各车间生产计划和各部门的联系； 协调和调度各车间生产计划和各部门的联系； 主要数据的显示、存储和打印； 主要数据的显示、存储和打印； 数据通信。 数据通信。
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系统硬件
I/O 单 元 机 笼
I/O 单 元 机 笼
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机柜结构
机柜内部装有多层机架，安装电源及多种模件 外壳采用金属材料以提供电磁屏蔽。 为保证散热降温，柜内装有风扇。 柜内大多设有温度自动控制装置
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浙大中控JX-300系统 机柜示例 ：浙大中控 系统
柜顶风扇
控制站插件箱
接线端子 I/O插件箱 I/O插件箱
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集散控制系统的构成方式 第一节 集散控制系统的构成方式 二、集散系统的基本结构
基本结构： 三大块” 基本结构：“三大块” （1）分散过程控制装置 ） （2）操作管理装置 ） （3）通信系统 ）
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二、集散系统的基本结构
（1）分散过程控制装置 下位机 ）分散过程控制装置-下位机 是集散控制系统与生产过程间
DDC直接数 DDC直接数 字控制站 数据 采集站 多功能 控制站 可编程逻辑 控制站 单回路调节 控制站
管理计算机
中央操作台 LAN局域网 LAN局域网
网间连接器
操 作 员 站
监控计算机
网间连接器
高速数据公路
现场级
生产过程
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过程控制级（Process Control Unit ）
系统硬件 控制站（ 简称CS CS， AS） 控制站（CONTROL STATION, 简称CS，或AS） 由主控制卡、通信卡件、I/O卡件 卡件、 由主控制卡、通信卡件、I/O卡件、供电单元组成 通过不同的硬件配置和软件设置可构成不同功能的控制站 过程控制站PCS 过程控制站PCS 逻辑控制站LCS 逻辑控制站LCS 数据采集站DAS 数据采集站DAS 核心部件是主控制卡， 核心部件是主控制卡，它能进行多种过程控制运算和数字 逻辑运算，并能通过下一级通信总线（SBUS)获得各种 逻辑运算，并能通过下一级通信总线（SBUS)获得各种 I/O卡件的信息 卡件的信息。 I/O卡件的信息。
信息量大； 信息量大； 易操作性； 易操作性； 容错性好； 容错性好；
3、通信系统部分
开放性： 开放性：上层与其他厂商产品间 互操作性：下层与其他厂商变送器、 互操作性：下层与其他厂商变送器、执行器间 传输速率 误码率
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DCS的结构特点 第二节 DCS的结构特点
一、集散控制系统的结构特征
1、递阶控制 结构 2、分散控制 结构 3、冗余控制 结构
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1、递阶控制结构 、
（2）多级结构 ） 为了减少同一级的各子系统 之间信息的交换和决策的冲 突，在分散的各决策子系统 添加一级协调级。 添加一级协调级。
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1、递阶控制结构 、
（3）多重结构 ） 第一重：按一定物理规律变化的物理现象； 第一重：按一定物理规律变化的物理现象； 第二重：受控系统（从信息处理和控制角度）； 第二重：受控系统（从信息处理和控制角度）； 第三重：经济实体，评价其效益和利润（经济学角度） 第三重：经济实体，评价其效益和利润（经济学角度） 比较： 比较： 多重结构：主要从建模考虑； 多重结构：主要从建模考虑； 多级结构：子系统关联、横向分解、纵向分级； 多级结构：子系统关联、横向分解、纵向分级； 多层结构： 多层结构：复杂控制规律
上位机)、打印机、 中央控制室：操作站、工程师站 上位机 中央控制室：操作站、工程师站(上位机 、打印机、计算站 功能： 功能：
数据显示与记录； 数据显示与记录； 过程操作（含组态操作、维护操作）； 过程操作（含组态操作、维护操作）；警、事件的诊断和处理； 系统组态、维护和优化处理； 系统组态、维护和优化处理； 数据通信； 数据通信； 报表打印和画面硬拷贝。 报表打印和画面硬拷贝。
通信系统+工业级微机 （5）智能前端 通信系统 工业级微机 ）智能前端+通信系统 智能前端指用于生产现场的智能控制设备， 智能前端指用于生产现场的智能控制设备，作为分散控制装 置；用于小型集散控制系统。 用于小型集散控制系统。
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二、按四层分析： 按四层分析：
生产管理级 监控级 工程师操作站 过程控制级
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一、集散控制系统的各层功能
四个层次
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1、现场级的功能 、
采集过程数据，对数据进行数据转换； 采集过程数据，对数据进行数据转换； 输出过程操作命令； 输出过程操作命令； 进行直接数字控制； 进行直接数字控制； 完成与过程装置控制级的数据通信； 完成与过程装置控制级的数据通信； 对现场控制级的设备进行检测和诊断。 对现场控制级的设备进行检测和诊断。
进行数据转换和处理； 进行数据转换和处理； 数据的监视和存储； 数据的监视和存储； 实施连续、批量或顺序控制的运算和输出控制作用； 实施连续、批量或顺序控制的运算和输出控制作用； 数据和设备的自诊断； 数据和设备的自诊断； 数据通信。 数据通信。
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一、集散控制系统的各层功能
四个层次
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3、监控级的功能
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（4）多级操作方式 ）
纵向冗余的方法。正常操作是从上一层进行的， 如该层故障则由下一层完成，这样逐步向下形成 对最终元件执行器的控制。 例如：功能模块设有手动、自动切换开关
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第三节 集散控制系统的硬件构成
一、按三大块分析： 按三大块分析： 分散控制装置+通信系统 集中操作和管理装置 分散控制装置 通信系统+集中操作和管理装置 通信系统 通信系统+操作管理机 （1）工业级微机 ）工业级微机IPC+通信系统 操作管理机 通信系统 操作管理机PC （2）单回路控制器 通信系统 工业级微机 通信系统+工业级微机 ）单回路控制器+通信系统 通信系统+工业级微机 （3）PLC+通信系统 工业级微机 ） 通信系统 通信系统+工业级微机 （4）工业级微机 通信系统 工业级微机 ）工业级微机+通信系统 通信系统+工业级微机 （5）智能前端 通信系统 工业级微机 ）智能前端+通信系统