DCS、FCS控制系统结构框架搭建
FCS与DCS溷合式集成控制系统word资料8页
FCS与DCS混合式集成控制系统研究引言控制系统由五十多年前的PCS( PneumatiCControl System)的第一代控制系统，经历了ACS(AnalogouSControl System)、CCS(ComputerControl System)和DCS(Distributed Control System)，而发展成今天的第五代控制系统———现场总线控制系统FCS(FieldbuSControl System)。
集散控制系统DCS由操作站、控制站(监视站)、应用模件与历史模件、通讯网络和工程师站等组成。
DCS除采用高可靠性的软硬件以及通信网络、控制站等冗余措施外，还使用故障检测与诊断工程软件，可对生产工况进行监测，从而及早发现故障，及时采取措施，提高了生产的安全性。
上世纪80年代后期，在DCS的基础上开始开发一种适用于工业环境的网络结构和网络协议，并实现传感器、控制器层的通信，这就是现场总线。
但研究工作进展缓慢，而且无国际标准可遵守。
国际电工委员会( IEC)于2000年1月正式公布了IEC61158现场总线全部技术标准。
但此标准中容纳了8种互不兼容的通信协议。
由于是妥协于各方面的既有利益，并没有实现完全统一国际标准的初衷。
CAN(ControllerArea Network)总线是现场总线的一种，它一般采用典型的串行总线拓扑结构进行通讯，这种方式的位速率低于环形结构，但是结构简单、成本低、而且通信可靠。
CAN总线因传输时间短，受干扰的概率低，保证了通信的实时性。
CAN能对错误的来源进行正确定位，将永久的硬件错误从软件错误中独立出来，其协议采用CRC检验，并提供相应的错误处理功能，同时保证了数据通信的可靠性。
混合式控制系统的提出现场总线控制系统FCS应该与集散控制系统DCS相互兼容。
首先从工程成本与效益看，现场总线的优势是良好的互操作性，结构简单，布线费用低；控制功能分散，灵活可靠，以及现场信息丰富。
DCS与FCS控制系统集成方案
（ ）Ｃ 系统的基础是数字智能现场装置。Ｃ 系统 ２Ｆ Ｓ ＦＳ
执行 的 是 自动 控 制 与 现 场 装 置之 间 的 双 向数 字 通 信
重点分析作为现代工业顺序逻辑控制的Ｐ Ｃ、 Ｃ 和现 Ｌ Ｄ Ｓ 场总线控制系统（ＣＳ 及其相互关系 。 Ｆ ）
现场总线信号制。 如果现场装置不遵循统一的总线协 议， 即相 关的通信规约， 就不具备数字通信功能 。
一
体化， 是关键环节。 现场总线系统在设计网络布局时，
数 据公路 自身及相关配套软硬 件的设计 决定了 系统总体的灵活性和安全性。 虽然为保证通信的完整， 大部分ＤＣ 厂家都能提供冗余数据 公路， Ｓ 为保证系统
的安 全性 ， 用 了复 杂 的通 信规 约 和 纠错 技术 ， 相 比 使 但 较 Ｆ 而言 ， 构 形 式 上注 定 了无 法 做 到 真 正意 义 上 ＣＳ 结 的控 制 功 能 分 散 、 险分 散 。 风
１２Ｆ ． ＣＳ
不 仅 要 考 虑各 现 场 节 点 的距 离 ， 要 考虑 现 场 节 点 之 还
间的功能关系 、 信息在网络上的流动情况等。 由于智能 化现场仪表的功 能很强 ， 因此许多仪表会有 同样的功
能 块， 态 时选 哪 个功 能 块 要 仔细 考 虑 ， 组 要使 网络上 的
信息流动最小化 。 同时通信参数的组态也很重要， 要在 系统 的实 时性 与网络效率之 问做好平衡 。
（ 存 在 技术 瓶 颈 。 要 表 现在 ： 安 防爆 理 论 的 ４） 主 本
虽然现场总线技术发展 非常迅速 ， 但也存在许多
问题 ， 制约 其 应 用 范 围 的进 一 步 扩 大 ： （ ）Ｃ 系统 的核心是 总 线协议 ， １Ｆ Ｓ 即总线 标准 ， 只要
DCS、FCS控制系统结构框架搭建
3）多点控制如楼宇自动化。
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图2 FCS控制系统结构图
3、小锅控制系统
省煤器、除氧器、炉膛、换热器、汽包和蒸发器构成小锅系统，组成水汽热能全流程，由各种传感器将监测到的信号传送给CPU进行处理。传感器把工艺变量转化成一个与之成对应关系的输出信号，变送器把输出信号种类繁多且微弱的传感信号转换成标准统一的电气信号。CPU与分布式I/O之间通过Profibus DP总线进行通信。Profibus DP总线能实现串行、数字式、双向、多点通讯，大大简化了并行接线的需求，节省了设备开支，提高通讯稳定性。
（3）结构不同。DCS属于多级分层网络结构，点对点接线方法，FCS一根通信电缆连接多个设备，回路自治。
（4）设计、投资和使用不同。DCS必须一次设计到位，升级困难，FCS投资起点低，可以边投边扩边投运；DCS不能对现场仪表进行诊断、维护、组态，FCS可以；FCS处理信息现场化，DCS集中化
四、实训内容及步骤
通信系统是过程控制站与操作员站之间完成数据之间传递和交换的桥梁，例如过程控制系统中增加现场级的控制设备和总线通信系统，操作员站内增加综合管理级的控制装备和相应的通讯设备。通信系统常采用总线型、环形等网络，对不同的设备采用的通信网络也不同。
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1、DCS控制系统
DCS系统是分布式控制系统，又称为集散控制系统，是20世纪70年代中期基于“4C”技术发展出的新型工业控制系统。它将整个控制系统按照区域、功能和回路分解，再通过总线或通信网络将它们连接为一个有机整体，减少风险，提高系统可靠性。从基本结构看DCS系统可分解为过程控制站、操作员站、通信系统三个部分。
单元机组DCS-FCS控制系统
楚 彦君 ， 邵 华 焦
北 京 四 方 继 保 自动 化 股 份 有 限 公 司 ， 京 １０ ８ 北 ０ ０５ 典 型 的 线智 能设 备 ， 系 统上 将 热 Ｔ 控制 与 电 气控 制 合 二 为 从
粤
第 ．
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力 发 电 ， ０ ９，８ １ ． ２ ０ ３ （ ０）
［ ］ 楚 彦 君． 场 总 线 应 用 于 发 电 厂 电 气 控 制 系 统 的 研 究 ３ 现
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由 图 叮见 ， 统 从 上 垒 Ｆ为 主 站 层 、 布 控 制 层 系 分
（ ２ 和 现 场 层 ， 布 控 制 层 包 括 热 ＿ 和 电气 控 制 。 图 ） 分 ｒ
远程 Ｉ（ 及 电 气设 备 采用 分 布式 Ｉ（ 方 式 。 ／） ／） 通过 现 场 总线 与控制 器连接 。分布控 制层 控制 器采集 现 场控 制
一
和生 产管理 层 组 成 。过 程控 制 层 采用 现 场 总 线 技 术 ， 将现 场 总线 接 口模 件作 为 Ｄ ＳＩ ｏ模 件 连 接 现 场 总 Ｃ ／
构 成单 元机组 Ｄ Ｓ—Ｆ Ｓ控制 系统 （ １ 。 Ｃ Ｃ 图 ）
行 业 信 息 报 道
锅 炉 Ｐ Ａ… …Ｍ Ｃ Ａ Ｃ Ｃ
渣、 除灰等 控 制功 能 。厂 ＿ 电 气设 备 （ 、 压 综 合 保 Ｉ ｛ ｊ 中 低
护 装置 ）智 能 化仪 表 和远 程 Ｉ（ 均 采用 Ｐ ｏｉｕ／ Ｐ 、 ／） ｒｆ ｓ Ｄ ｂ 现场 总线通 迅 方 式 ， 信 息 发 送 至 控 制器 。控 制 系 统 将
分散控制系统讲义DCS的体系结构
分散控制系统讲义DCS的体系结构分散控制系统(Distributed Control System, DCS)是一种基于计算机网络的控制系统，用于监控和控制工业过程中的多个设备和系统。
DCS的体系结构是一个分布式的架构，包括多个分散的控制器，这些控制器通过通信网络进行连接和交互。
本文将详细介绍DCS的体系结构。
DCS的体系结构主要由以下几个组成部分组成：1.控制器：DCS的核心部分就是控制器，它负责处理过程中的各种信号和数据，并根据设定的控制策略来执行相应的操作。
通常情况下，一个DCS系统包含多个控制器，每个控制器负责控制一个或多个设备或系统。
控制器通常由工作站或嵌入式计算机组成。
2.通信网络：DCS系统中所有的控制器、设备和工作站都通过通信网络进行连接和通信。
通信网络可以根据具体需求选择不同的技术，如以太网、现场总线等。
通信网络的稳定性和可靠性对DCS系统的工作非常重要，因为它直接影响了设备之间的通信和数据传输。
3.人机界面：DCS系统提供了一个人机界面，用于监控过程状态和操作控制器。
人机界面通常由一台或多台工作站组成，工作站上配备有显示屏、键盘和鼠标等输入设备。
操作人员可以通过人机界面查看实时数据、控制设备和执行报警处理等操作。
4.设备/系统：DCS系统可以控制和监测多种设备和系统，如发电机、输电系统、制造过程等。
每个设备或系统都有一个或多个控制器与之对应，通过控制器的指令来实现相应的控制操作。
5.数据存储和处理：DCS系统需要存储和处理大量的数据，包括实时数据、历史数据和配置数据等。
数据存储和处理通常由一个或多个数据库服务器来完成，数据库服务器负责数据的存储和检索等操作。
DCS的体系结构具有以下几个特点：1.分布式控制：DCS系统的控制器分布在不同的位置，可以同时控制多个设备和系统。
这种分布式的控制方式使得系统更加灵活和可靠，同时也降低了系统的复杂性。
2.可靠性：DCS系统具有高度可靠性，即使一个或多个控制器发生故障，系统依然可以正常工作。
DCS控制系统的级成结构
DCS 控制系统的级成结构摘要: 从DCS 控制系统的级成结构看可以分为三大部分：带I/O 部件的控制器、通讯网络和人机接口(HSI)。
控制器I/O 部件直接与生产过程相连，接收现场设备送来的信号；人机接口是操作人员与DCS 相互交换信息的设备；通讯网络将控制器和人机接口联...从dcs 控制系统的级成结构看可以分为三大部分：带I/O 部件的控制器、通讯网络和人机接口(HSI)。
控制器I/O 部件直接与生产过程相连，接收现场设备送来的信号；人机接口是操作人员与DCS 相互交换信息的设备；通讯网络将控制器和人机接口联系起来，形成一个有机的整体。
早期的DCS 系统的通讯网络都是专用的，DCS 有几级网络，完成不同模件之间的通讯。
从目前的情况来看，DCS 的最多网络级有四级，它们分别是I/O 总线、现场总线、控制总线和DCS 网络。
I/O 总线，它把多种I/O 信号送到控制器，由控制器读取I/O 信号。
这称为I/O 总线。
I/O 板相互之间并不交换数据。
I/O 总线的速率是不高的。
从几十K 到几兆不等。
这与计算机技术的发展情况有关。
80 年代初是20K，80 年代中期是40K、80 年代末期是80K，90 年代是几兆。
为了快速，最好是并行总线。
采用并行总线，其I/O 模件必需与控制器模件相邻。
采用串行总线的情况下，I/O 板和控制器之间的距离也要比较近才行。
最好把控制器模件和I/O 模件装在一个机柜内或相邻的机柜内。
远程I/O 应该采用现场总线。
如CAN、LONWORKS、HART 总线等。
现场总线是90 年代初发展起来的。
在I/O 板中从硬件来说应该有能接收现场总线来的信号的输入、输出板。
从软件来说在控制器中应该有读取和写到现场总线信号的功能块。
在DCS 系统中，远程I/O 采用HART 总线比较多。
比如现场的变送器，离控制器机柜距璃比较远，把16 个变送器来的信号编成为一组，用HART 总线把信号送到控制器，空制器同时读进16 个变送器来的信号。
UN2000DCSFCS集散控制系统
z 硬件板卡关键元器件多选用军用级芯片，增强了硬件的可靠性和抗干扰能力 z 操作站软件采用 WIN2000/XP 操作平台，各操作站相互冗余，保证了集中管理的高度可靠性
1、控制站
配置与硬件结构
两台过程控制器互为冗余（主从结构），通过主从控制器经双冗余 CAN 总线连接到 I/O 扩 展机箱。一个控制器可控制 4 个 I/O 机箱。每个 I/O 机箱可插入 12 块 I/O 摸板。
-3-
航天测控
I/O 模块均为智能模板，通过双冗余的 CAN 总线与主从控制器相连，实现可靠的 I/O 数据 交换。输入冗余的模板可随意放置在 I/O 插槽中；输出冗余的模板可放置在任意相邻的一对 I/O 插槽中。
从该画面可以切换到：流程画面、控制画面、趋势画面和 工艺报警一览画面中。（图 7）
图7
-5-
航天测控
趋势画面
趋势画面是用来显示、观察、比较所定义的 1~8 条历史数 据。历史曲线分为：实时曲线、秒级历史曲线、分级历史曲线、 时级历史曲线。时标用来观察具体某一时刻的数值。
AO 模块，12bit，8ch，通道隔离，
RMAX 不小于 750Ω；
DI 模块，32ch，24VDC，
光电隔离，继电器隔离；
DO 模块，32ch，继电器输出；
PI 模块，16bit，12ch，机采用 IPC，P4/2.8G/256M/40G 以上配置，10/100 自适应网卡；
图 1、系统体系结构图
1、主控制器
示意图如图 2：
冗余控制模块，Intel PMMX CPU；
DCSFCS控制系统结构框架搭建
DCSFCS控制系统结构框架搭建DCS（分散控制系统）和FCS（集中控制系统）是两种常用的控制系统结构框架，用于对复杂的工业过程进行监控和控制。
DCS主要用于大型工程，如炼油厂和电厂等，而FCS适用于小型工程，如水处理厂和食品加工厂等。
本文将介绍如何搭建一个DCS和FCS控制系统结构框架。
DCS控制系统结构框架主要包含以下几个组成部分：控制器、执行机构、感知器、通信单元和人机界面。
首先，我们需要选择一种适合的控制器，常见的有PLC（可编程逻辑控制器）和DCS（分散控制系统）。
PLC 适用于简单的控制任务，而DCS适用于更复杂的控制任务。
控制器的选择将直接影响到整个系统的性能和可靠性。
接下来，我们需要选择适当的执行机构来执行控制命令。
执行机构可以是电动执行器、气动执行器或液压执行器等，根据具体的应用需求来选择合适的执行机构。
执行机构的工作原理和性能将直接影响到系统的准确性和响应速度。
感知器用于感知工业过程中的各种参数和状态信息，如温度、压力、液位等。
感知器将感知到的信息传输给控制器，以供控制器进行决策和控制。
常见的感知器有温度传感器、压力传感器和流量传感器等，根据具体的应用需求选择合适的感知器。
通信单元用于实现各个系统组件之间的通信，以实现信息的传递和控制命令的传输。
通信方式可以是有线通信或无线通信，具体的通信协议可根据应用需求选择，常见的有Modbus、Profibus和Ethernet等。
通信单元的性能和可靠性将直接影响到系统的稳定性和响应速度。
最后，人机界面用于实现操作员和整个控制系统之间的交互。
人机界面可以是PC端的监控软件或触摸屏等，用于实时显示工业过程的状态和参数，并允许操作员对系统进行控制和调整。
一个直观和易用的人机界面对操作员的生产效率和工作质量有着重要的影响。
FCS控制系统结构框架相对简单，主要包含以下几个组成部分：控制器、执行机构、感知器和人机界面。
FCS通常采用集中控制方式，即所有的控制和决策都由一个中央控制器来完成。
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3、掌握实验系统中DCS和FCS系统的搭建方法。
二、实训器材
供水控制系统、小锅供水系统
三、基础知识
FCS是现场总线型控制系统，DCS是集散控制系统，FCS和DCS控制系统的区别
（1）信号传输方式不同。DCS中仪表和设备之间是模拟信号传输，FCS中仪表和仪表之间、仪表和控制器之间是数字信号传输。
（2）通信协议不同。DCS通常是独家封闭的通信协议，不兼容；FCS是开放系统，采用标准的通信协议，设备之间容易实现互联互通。
通信系统是过程控制站与操作员站之间完成数据之间传递和交换的桥梁，例如过程控制系统中增加现场级的控制设备和总线通信系统，操作员站内增加综合管理级的控制装备和相应的通讯设备。通信系统常采用总线型、环形等网络，对不同的设备采用的通信网络也不同。
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1、DCS控制系统
DCS系统是分布式控制系统，又称为集散控制系统，是20世纪70年代中期基于“4C”技术发展出的新型工业控制系统。它将整个控制系统按照区域、功能和回路分解，再通过总线或通信网络将它们连接为一个有机整体，减少风险，提高系统可靠性。从基本结构看DCS系统可分解为过程控制站、操作员站、通信系统三个部分。
④用分散的虚拟控制站取代集中的控制站。
⑤把微机处理器转入现场自控设备，使设备具有数字计算、标准统一全开发。
⑥可上局域网，可与internet相通，既是通信网络又是控制网络。
（2）FCS的典型应用
1）连续的工艺过程自动控制如石油化工，其中“本安防爆”技术是绝对重要的；
（3）结构不同。DCS属于多级分层网络结构，点对点接线方法，FCS一根通信电缆连接多个设备，回路自治。
（4）设计、投资和使用不同。DCS必须一次设计到位，升级困难，FCS投资起点低，可以边投边扩边投运；DCS不能对现场仪表进行诊断、维护、组态，FCS可以；FCS处理信息现场化，DCS集中化
四、实训内容及步骤
实训名称实训日期
远程I/O是通信功能的数据采集和传送模块，自身没有控制调节功能，只能将现场数据送到控制中心或者接受控制中心的数据，对现场设备进行控制。通信方式很多，例如自由口通信、PROFIBUS、MODBUS等，以往都是采用控制电缆与PLC连接，现在采用远程I/O，只通过一根通信线就可以与PLC连接，不仅节省了PLC的I/O数，也降低了成本。
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院系电子信息工程学院班级12电气2班姓名杨彩云学号127301205
实训名称DCS、FCS控制系统结构框架搭建实训日期2014.4.10
一、实训目的
1、熟悉供水系统DCS和FCS控制系统的组成和结构，了解电控柜的构成及相关仪表的使用。
2、熟悉小锅系统SMPT 1000的组成结构，掌握FCS系统与DCS系统的区别。
图1DCS控制系统结构图
2、FCS控制系统
现场总线控制系统（FCS）集计算机技术、网络技术、控制技术为一体，是当代最先进的计算机控制技术，它是一种全分散、全数字、全开放的控制系统，主要适用于工业过程控制、制造业及楼宇自动化等领域。FCS基于现场总线技术，现场总线是用于现场仪表和控制系统之间的一种全分散、全数字化、智能、双向互联、多变量、多点、多站的通信网络系统，具有可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、通信速率快、系统安全、造价低廉、维护成本低等特点。现场总线技术使现场级设备的信息作为整个企业信息网的基础，提高了控制系统的信息处理能力和运行可靠性，节省了系统的硬件和布线费用，方便了用户对系统的组态、管理和维护。
图3小锅系统结构图
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五、实训总结
DCS控制系统将采集到的现场数据通过I/O口传送给控制中心，控制中心对数据进行处理后，再传送控制指令给现场设备，操作员站、工程师站和MCU FM801之间通过以太网进行通信，MCU FM801和现场的I/O设备之间通过Profibus DP总线进行通信；FCS控制系统采用智能化的现场设备，采集到的现场数据直接进行处理，将处理后的数据传送给CPU，操作员站与服务器之间通过工业以太网连接，服务器和S7 300 CPU之间通过Profibus DP总线连接，S7 300和ET200M之间也是通过Profibus DP总线连接，FCS系统与DCS系统相比，不仅提高了控制系统的信息处理能力和运行可靠性，节省了系统的硬件和布线费用，也方便了用户对系统的组态、管理和维护。
（1）FCS的特点
FCS是第五代过程控制系统，是3C技术的融合，采用总线标准，智能现场装置，主要用于本质安全、危险区域、易变过程、难于对付的非常环境。
①全数字化、智能、多功能仪表取代模拟式单功能仪器、仪表、控制装置。
②用两根线连接分散的现场仪表、控制装置，采用总线传输数据。
③从控制室到现场设备采用双向数字通信总线，是互联的、双向的、串行多节点、开放的数字通信系统，取代单向的、单点、并行、封闭的模拟系统。
2）分立的工艺动作自动控制，如汽车制造机器人、汽车；
3）多点控制如楼宇自动化。
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图2 FCS控制系统结构图
3、小锅控制系统
省煤器、除氧器、炉膛、换热器、汽包和蒸发器构成小锅系统，组成水汽热能全流程，由各种传感器将监测到的信号传送给CPU进行处理。传感器把工艺变量转化成一个与之成对应关系的输出信号，变送器把输出信号种类繁多且微弱的传感信号转换成标准统一的电气信号。CPU与分布式I/O之间通过Profibus DP总线进行通信。Profibus DP总线能实现串行、数字式、双向、多点通讯，大大简化了并行接线的需求，节省了设备开支，提高通讯稳定性。
过程控制站是集散控制系统与生产过程之间的界面，生产中的各种过程变量和状态信息通过过程控制站转化为操作监视的数据，而操作的各种信息通过过程控制站送到执行机构。在过程控制装置内进行模拟量和数字量的相互转换，完成各种控制算法的运算以及对输入量、输出量的处理。
操作员站是操作员与集散控制系统的界面，操作员通过操作员站了解生产过程的运行状况，并通过它发出操作指令，生产过程的各种参数在操作站上显示，以便操作员的监视和操作。