第二章-集散控制系统的构成
第二章 集散控制系统构成PPT课件
4）递阶控制结构的特点
采用递阶控制结构，具有经典控制结构所不具有的优点：
①系统结构灵活，容易更改，系统容量可伸缩，能适应工业生产不同规模应用 要求；②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；
③降低了信息存储量、计算量，减少了计算时间；
④可设置备用子系统，降低成本，提高可靠性； ⑤各级的智能化进一步提高系统的性能。
（3）通信系统：是实现集散控制系统各级之间数据通信的桥梁。根据系统 的不同，通信系统的拓扑结构和通信方式可不同，其目的是实现各有关级之 间的数据通信。
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第二章 集散控制系统构成
二、集散控制系统的构成要素 1.集散控制系统的结构特征
集散控制系统的结构特征：递阶控制结构、分散控制结构、冗余化结构。 （1）递阶控制： 集散控制系统是金字塔结构，同一级的各决策子系统可同时 对其下级系统施加作用，同时又受到上级的干预，子系统可通过上级相互交 换信息。因此，集散控制系统是递阶控制结构。
这类总线有基金会现场总线(FF)、Profibus-PA总线、world-FIP现场总线、 HART总线和LON总线等。其中，HART总线是过渡性的现场总线。
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第二章 集散控制系统构成
三、现场总线控制系统的构成 1.现场总线控制系统的构成要素
现场总线控制系统是集散控制系统向现场级分散的结果。因此，它具有集 散控制系统的构成要素，即它是：递阶控制系统、分散控制系统，具有冗余 化结构 （2）现场总线的特点
1）执行器传感器现场总线(Actuator Sensor Bus)
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执行器传感器现场总线是用于现场设备的底层现场总线。 适用于简单的开关装置和输入输出位的这类通信，数据宽度仅限于“位”。 其结构简单，成本低，数据信息短，需快速和有预知的响应时间。它具有简化 现场接线、不支持本安回路、不支持总线供电、传输距离在500m以下等特点。 典型的执行器传感器现场总线有：Seriplex总线、AS-i 总线。 连接到执行器传感器现场总线的设备主要是接近开关、液位开关、开关式控 制阀、电磁阀、电动机和其他两位式操作的设备。 2）设备现场总线(Device Bus) 设备现场总线是中间层的现场总线。 适用于以字节为单位的设备和装置的通信，例如，用于分析器、编码器、流 程参数传感器、电机启动器、接触器、电磁阀等的信息传输。其特点是成本适 中，数据信息包括离散量和模拟量，要求有快速通信和预知的响应时间，它支 持总线供电，不支持本安回路。可采用双绞线作为通信媒体。 典型的设备现场总线有Interbus—S总线、DeviceNet 总线、Profibus DP总线、 ControlNet 总线、SDS总线和CAN总线等。
计算机集散控制系统的构成
计算机集散控制系统的构成
集散控制系统的基本结构可包含分散过程控制装置部分、集中操作和管理系统部分以及通信网络部分三大部分。
(1)分散过程控制装置
分散过程控制装置是集散控制系统与生产过程间的界面，生产过程的各种过程变量通过分散过程控制装置转化为操作监视的数据，而操作的各种信息也通过分散过程控制装置送到执行机构。
在分散过程控制装置内，进行模拟量与数字量的相互转换，完成控制算法的各种运算，对输入与输出量进行有关的软件滤波及其他的一些运算。
(2)集中操作、管理装置
操作管理装置是操作人员与集散控制系统间的界面。
操作人员通过操作管理装置了解生产过程的运行状况，并通过它发出操作指令给生产过程。
生产过程的各种参数在操作管理装置上显示，以便于操作人员监视和操作。
(3)通信网络
分散过程控制装置与操作管理装置之间需要有一个桥梁来完成数拟之间的传递和交换，这就是通信网络。
有些集散控制系统产品在分散过程控制装置内又增加了现场装置级的控制装置和现场总线的通信系统；有些集散控制系统产
品则在操作管理装置内增加厂综合管理级的控制装置和相应的通信系统。
这些集散控制系统使系统的分级增加，系统的通信系统对不同的装置有不同的要求，但是，从系统总的结构来看，还是由三大部分组成的。
虽然在系统的体系结构上没有发生重大改变，但是经过不断的发展和完善，其功能和性能都得到了巨大的提高。
总的来说，计算机集散控制系统正在向着更加开放，更加标准化，更加产品化的方向发展。
集散控制系统
Cnet
基本 控制单元
M 常规仪表
过程控制站
通信 接口
基本 控制单元
基本 控制单元
Cnet
基本 控制单元
Fnet
现场总线仪表
数据采集站
通信 接口
数据输入 输出单元
数据输入 输出单元
Cnet
数据输入 输出单元
常规仪表
过程控制站的系统结构
过程控制站
通信 接口
基本 控制单元
基本 控制单元
Cnet
基本 控制单元
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1.3 集散控制系统的硬件结构
管理 计算机
管理 计算机
Mnet
运行员 操作站
运行员 操作站
Snet
运行员 操作站
工程师 工作站
计算站
过程控制站
通信 接口
基本 控制单元
基本 控制单元
Cnet
基本 控制单元
M 常规仪表
过程控制站
通信 接口
基本 控制单元
基本 控制单元
Cnet
基本 控制单元
Fnet
现场总线仪表
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1.1.2 控制级
控制级主要由过程控制站和数据采集站构成。一般在实际 应用中，把过程控制站和数据采集站集中安装在位于主控 室后的电子设备室中。过程控制站接收由现场设备，如传 感器、变送器来的信号，按照一定的控制策略计算出所需 的控制量，并送回到现场的执行器中去。过程控制站可以 同时完成连续控制、顺序控制或逻辑控制功能，也可能仅 完成其中的一种控制功能。
现场级设备一般位于被控生产过程的附近。典型的现场级 设备是各类传感器、变送器和执行器。它们将生产过程中 的各种物理量转换为电信号，例如将4~20mA的电信号(一 般变送器)或符合现场总线协议的数字信号(现场总线变送 器)，送往控制站或数据采集站；或者将控制站输出的控制 器信号(4~20mA的电信号或现场总线数字信号)转换成机械 位移，带动调节机构，实现对生产过程的控制。
DCS控制系统介绍三篇
DCS控制系统介绍三篇篇一：DCS控制系统介绍集散控制系统的英文原名为:DistributedControlSystem，简称DCS，通常也称为集散控制系统。
集散控制系统的控制功能，主要由计算机技（computer）、控制技术（Control）、显示技术（CRT）和通信技术（communicate）来完成，一般也称为4C技术，4C技术是DCS系统的四大支柱。
DCS中通信技术更为重要，操作员站的操作、工程师站系统的组态以及现场设备信息的交换都依靠通信技术来完成。
第一节集散控制系统的构成一集散控制系统的构成方式如图是集散控制系统典型结构。
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。
从功能上看可以分为：四个层次，分别是现场控制级的功能；过程装置控制级；车间操作管理级；全厂优化和调度管理级。
从结构看分为：三大块，分别是分散过程控制装置；集中操作和管理系统；通信系统。
图4.1DCS结构（一）集散控制系统的各层功能1、现场控制级的功能（1）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。
部分或完全完成过程控制级的功能；（2）采集过程数据，对数据进行数据转换；（3）输出过程操作命令；（4）进行直接数字控制；（5）完成与过程装置控制级的数据通信；（6）对现场控制级的设备进行检测和诊断。
2、过程装置控制级的功能过程装置控制级的结构采用过程控制设备+I/O卡件，其功能是：（1）采集过程数据，进行数据转换和处理；（2）数据的监视和存储；（3）实施连续、批量或顺序控制的运算和输出控制作用；（4）数据和设备的自诊断；（5）数据通信。
3、车间操作管理级的功能车间操作管理级设备有中央控制室操作站、打印机、拷贝机、工程师站、计算站，能完成功能是：（1）数据显示与记录（2）过程操作（含组态操作、维护操作）（3）数据存储和压缩归档（4）报警、事件的诊断和处理（5）系统组态、维护和优化处理（6）数据通信；（7）报表打印和画面硬拷贝。
《集散控制系统及现场总线技术》课程教学大纲
《集散控制系统及现场总线技术》教学大纲课程名称：集散控制系统及现场总线技术（Distribution Control System and Field Bus Technology）课程编码：1502ZY028 课程类别：专业选修学分：2 分总学时：32 学时，其中，理论学时：22 学时；实验学时：10 学时适用专业：自动化、自动化产业班先修课程：模拟电子技术、数字电子技术、过程控制系统及装置杨三青周永乾一、课程性质《集散控制系统及现场总线技术》是自动化专业的一门专业选修课。
本课程介绍集散控制系统及现场总线的基本概念、特点及发展情况；详细阐明了系统构成、数据通信、控制算法、系统的操作、显示及信息综合管理及应用。
旨在培养从事工业企业集散控制系统及现场总线的生产、建设、管理、维护第一线需要的有理论、重实践的高技能型人才，使学生获得集散控制系统及现场总线的基本知识和实际应用能力，为今后从事职场工作打下坚实基础。
二、课程目标（一）育人目标紧紧围绕坚定学生理想信念，以爱党、爱国、爱社会主义、爱人民、爱集体为主线，将育人要素嵌入到集散控制系统及现场总线技术课堂教学中。
通过积极培育和践行社会主义核心价值观，运用马克思主义哲学的方法论，引导学生正确做人和做事；注重在课程教学中把马克思主义立场观点方法的教育与科学精神的培养结合起来，提高学生正确认识问题、分析问题和解决问题的能力；注重强化学生工程伦理教育，培养学生精益求精的大国工匠精神，激发学生科技报国的家国情怀和使命担当。
让学生成为德才兼备、又红又专、全面发展的人才。
（二）知识和能力目标1.了解集散控制系统及现场总线的基本概念，体系结构，各种信号传输标准（支撑毕业要求2.1）2.掌握集散控制系统及现场总线硬件组成、数据通信，网络架构，熟悉各种通信协议。
（支撑毕业要求2.1）3.掌握集散控制系统及现场总线软件组成，了解各种控制算法、系统的操作、显示及信息综合管理等技术。
集散控制20
随着控制器与变送器、传感器的执行机构 的整体安装式智能仪表的问世，现场控制 级可以部分或全部完成装置控制级的功能。 现场控制级的功能是： ①采集过程数据，对数据进行转换； ②输出过程操纵命令； ③进行直接数字控制； ④完成与过程装置控制级的数据通信； ⑤对现场控制级的设备进行监测与诊断。
2.过程装置控制级的功能 大多数集散控制系统采用过程装置控制设 备和I/O卡件组成过程装置控制级，通过通 信网络把过程信息传送到上、下级。 过程装置控制级的特点是： ①高可靠性； ②实时性； ③控制功能强； ④通信速度高、信息量大。
图2-1 集散控制系统的三大组成部分
1．分散过程控制装置部分 它是系统与过程之间的接口，其结构特征： ①需适应恶劣的工业生产过程环境； ②分散控制； ③实时性； ④独立性。 2．集中操作和管理系统部分 集中操作与管理部分的主要功能是集中各分散过 程控制装置送来的信息，通过监视和操作，把操 作命令下送各分散过程控制装置。信息用于分析、 研究、打印、存储并作为确定生产计划、调度的 依据。其结构特征： ①信息量大； ②易操作性； ③容错性好；
3．通信系统部分 主要是开放性和互操作性。
§2.2 集散控制系统的构成要素
一、集散控制系统的结构特征 1.递阶控制结构 递阶控制的结构形成有三种，即多层结构、 多级结构和多重结构。 （1）多层结构 这种结构按系统中决策的复杂性分级。
图2-2 按功能划分的多层结构
（2）多级结构 为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上 添加一级协调级，用于下级决策的协调和信 息的交换。 处于上层的协调器控制着下层的若干决 策器，每个决策器有各自的控制决策和控制 目标。协调器通过对下层决策的干预来保证 决策器分别找到的决策能满足整个上层控制 目标的要求。
第2章 DCS系统的体系结构
❖ 2.2.4 工厂经营管理级
在经营管理这一层，其 典型的功能为：
(1) 市场分析。 (2) 用户信息的收集。 (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。
（A）画面（窗口）操作监视功能
❖ 以生产过程的日常操作与监视为主，通过一 系列建立的操作监视画面或窗口，实现对生 产过程的运行、操作、监视、控制、报表等 运作。
❖ 在操作站的画面体系中，分为标准画面、用 户画面和信息画面三大类。
❖ DCS生产厂家众多，产品各不相同，但是以 下画面是每个DCS操作站必不可少。
❖ (2) 自适应回路控制：在过程参数希望值的基础上，通过数 字控制的优化策略。当现场条件发生改变时，经过过程管理 级计算机的运算处理就得到新的设定值和调节值，并把调节 值传送到直接过程控制层。
❖ (3) 优化单元内各装置，使它们密切配合：这主要是根据单 元内的产品、原材料、库存以及能源的使用情况，以优化准 则来协调相互之间的关系。
❖ (2) 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。
❖ 20 世纪60年代末到70 年代初，由于低成本的集成 电路技术的发展，出现了小型、微型计算机，使得 小型、微型计算机的功能更加完善，而且价格便宜， 用这种小型计算机来替代中央计算机的局部工作， 以对在其周围的装置进行过程监测和控制，把这些 小型计算机叫作第一级计算机。用这种小型计算机 来替代中央计算机的局部工作，对在其周围的装置 进行过程监测和控制，把这些小型计算机叫作第一 级计算机。而中央只处理中心自动化问题和管理方 面的问题，从而产生了第二级自动化控制系统的结 构图如图2.3 所示，
集散控制系统的构成
机柜示例 ：浙大中控JX系统
柜顶风扇 控制站插件箱
接线端子 I/O插件箱
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。
每一现场控制站场均用双相交流电源供电，两相 互为冗余。
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、次级线圈间的屏蔽 层可靠接地。这样能很好的隔离共模干扰。
• 同步运转方式；
• 待机运转方式；
• 后退运转方式；
• 多级操作方式。
（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
（2）待机运转方式
集散控制系统的结构，尤其适用于有大量逻辑顺序控制的
过程。 （4）智能前端+通信系统+工业级微机
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。
第二节 DCS的结构特点
1、分级递阶控制体系结构
集散控制系统在水平和垂直方向都是分级
（层、块）的。
垂直分级：是指功能方面不同的分级，至 少有两个分级，即监控级和控制级。
SBUS 总线
JX-300X典型的通信网络
SBUS总线
SBUS总线是控制站内部各卡件之间进行信息
交换的通道。主控制卡就是通过SBUS总线来管理 分散于各个机笼的I/O卡件的。
第一层为双重化总线SBUS-S2，位于控制站所管 辖的I/O机笼之间，连接主控制卡和数据转发卡。
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（2）多级结构
水平分级：各过程控制级之 间是互相协调的分级，它们把 数据向上送达操作管理级，同 时接受操作管理级的指令，各 水平分级之间也进行数据交换； 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。
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（3）多重结构 信息：自下向上逐渐集中，自上而下逐渐分散。
作管理机使用PC机，相应软件由软件厂商开发。
（2）回路控制器+通信系统+工业级微机 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。适用于中小型企 业（集散控制系统）。
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（3）PLC+通信系统+工业级微机 PLC作为分散控制装置；其他同2。在制造业广泛应用的集散
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（2）操作管理装置(上位机)
是集散控制系统与操作人员、管理人员间的界面，
即人机界面。
监视和操作。
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集中操作和管理系统部分特征 信息量大； 易操作性； 容错性好；
20
（3）通信系统
是分散过程控 制装置与操作 管理装置之间 数据传递和交 换的桥梁。
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通信系统部分特征 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、执行器间 传输速率 误码率
控制系统的结构，尤其适用于有大量逻辑顺序控制的过程。
（4）智能前端+通信系统+工业级微机 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。
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第二节 DCS的结构特点
1、分级递阶控制体系结构 集散控制系统在水平和垂直方向都是分级
（层、块）的。
垂直分级：是指功能方面不同的分级，至 少有两个分级，即监控级和控制级。
第二章 集散控制系统的构成
第一节 集散控制系统的构成方式及功能 第二节 DCS的结构特点 第三节 JX-300X集散控制系统的构成
1
第一节 集散控制系统的构成方式及功能 一、分层结构
集散控制系统的构成方式：分四个层次 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。 典型系统分为四个层次
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2、分散控制结构
分散控制结构的类型： 垂直型（阶层型）：监视、调整 水平型：自我管理 二者混合型
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垂直型(层次分散)与水平型(水平分散)示意图
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DCS的分散控制结构体现在： （1）组织人事的分散； （2）地域的分散； （3）功能的分散； （4）负荷的分散。
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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、4Fra bibliotek第二层
四个层次
5
2、控制级的功能
结构：过程控制设备(下位机)+I/O卡件 功能：
进行数据转换和处理； ❖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； 数据和设备的自诊断； 数据通信。
6
通信网络
I/O卡
控制器
7
8
第三层
四个层次
9
3、监控级的功能
中央控制室：操作站、工程师站(上位机)、打印机、计算站 功能：
从系统的观点：原料销售；优化协调 功能：
优化控制； ❖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； 数据通信。
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二、集散控制系统的构成方式二：分块结构
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集散系统的基本结构： “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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（1）分散过程控制装置(下位机)
是集散控制系统与生产过程间的界面，即过程界面。
过程变量→分散过程控制装置→操作监视的数据 操作信息→分散过程控制装置→执行机构。 数/模、模/数转换、控制算法、软件滤波等
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分散过程控制装置部分的特征 适应恶劣的工业生产环境； ❖分散控制，监视和控制分离； 实时性； 独立性和可靠性要求高。
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生产管理级 管理计算机
中央操作台
过程管理级
LAN局域网
工程师操作站 操 作 员 站 监控计算机
网间连接器 网间连接器
高速数据公路
过
程 控 制
DDC直接数 字控制站
级
数据 采集站
多功能 控制站
可编程逻辑 单回路调节
控制站
控制站
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三、典型硬件构成分析
（1）工业级微机+通信系统+商用PC机（或工业级微机） 工业级微机用作多功能、多回路的分散控制装置；操
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）； 第三重：经济实体，评价其效益和利润（经济学角度）
比较： 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； 多层结构：复杂控制规律
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（4）DCS递阶控制结构的优点 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、自适应和自组织等功能； 降低了信息存储量、计算量，减少了计算时间； 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。
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）按控制功能多层结构 控制级：一般的简单 控制 ❖ 优化控制或监控级： 对象数学模型和参数已 知，确定直接控制层的 控制器的设定值
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学习层或自适应层： 对实际系统的观测来辨 识优化层中所使用的数 学模型结构和参数，使 模型和实际过程一致
自组织层：按系统总 控制目标选择下层所用 的模型结构、控制策略 等
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四个层次
3
1、现场级的功能 采集过程数据，对数据进行数据转换； ❖输出过程操作命令； 进行直接数字控制； 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。
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。部分或完全完成过程控制 级的功能。
数据显示与记录； ❖过程操作（含组态操作、维护操作）； 数据存储和压缩归档； 报警、事件的诊断和处理； 系统组态、维护和优化处理； 数据通信； 报表打印和画面硬拷贝。
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工作站
通信网络
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(集散控制系统 DCS）集中操作监控级
12
第四层
四个层次
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4、全厂优化和调度管理级的功能