第2章集散控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu).

1、第第2 2章章 集散控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)集散控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)2 2. .1 DCS1 DCS的的功功能分層能分層2.2 2.2 DCSDCS的分散方式和體系結(jié)構(gòu)的分散方式和體系結(jié)構(gòu)集散控制系統(tǒng)是一種操作顯示集中、控制功能分散、采用集散控制系統(tǒng)是一種操作顯示集中、控制功能分散、采用分級分層體系結(jié)構(gòu)、局部網(wǎng)絡(luò)通信的計算機綜合控制系統(tǒng)。分級分層體系結(jié)構(gòu)、局部網(wǎng)絡(luò)通信的計算機綜合控制系統(tǒng)。從總體結(jié)構(gòu)上看，從總體結(jié)構(gòu)上看，DCS是由工作站和通信網(wǎng)絡(luò)兩大部分組是由工作站和通信網(wǎng)絡(luò)兩大部分組成的，系統(tǒng)利用通信網(wǎng)絡(luò)將各工作站連接起來，實現(xiàn)集中成的，系統(tǒng)利用通信網(wǎng)絡(luò)將各工作站連接起來，實現(xiàn)集中監(jiān)視、操作、信息管

2、理和分散控制。監(jiān)視、操作、信息管理和分散控制。技能點技能點：能夠識別裝置中能夠識別裝置中DCS的各個組成部分的各個組成部分能夠組成一個最小配置的能夠組成一個最小配置的DCS能夠熟練地指出能夠熟練地指出DCS各組成部分的功能特性各組成部分的功能特性 學(xué)習(xí)目標(biāo)2.1 2.1 集散控系統(tǒng)的功能分層集散控系統(tǒng)的功能分層集散控制系統(tǒng)經(jīng)過三十多年的發(fā)展，其結(jié)構(gòu)不斷更新。集散控制系統(tǒng)經(jīng)過三十多年的發(fā)展，其結(jié)構(gòu)不斷更新。隨著隨著DCS開放性的增強，其層次化的體系結(jié)構(gòu)特征更開放性的增強，其層次化的體系結(jié)構(gòu)特征更加顯著，充分體現(xiàn)了加顯著，充分體現(xiàn)了DCS集中管理、分散控制的設(shè)計集中管理、分散控制的設(shè)計思想。思想。

3、DCS是縱向分層、橫向分散的大型綜合控制系是縱向分層、橫向分散的大型綜合控制系統(tǒng)，它以多層局部網(wǎng)絡(luò)為依托，將分布在整個企業(yè)范統(tǒng)，它以多層局部網(wǎng)絡(luò)為依托，將分布在整個企業(yè)范圍內(nèi)的各種控制設(shè)備和數(shù)據(jù)處理設(shè)備連接在一起，實圍內(nèi)的各種控制設(shè)備和數(shù)據(jù)處理設(shè)備連接在一起，實現(xiàn)各部分的信息共享和協(xié)調(diào)工作，共同完成各種控制、現(xiàn)各部分的信息共享和協(xié)調(diào)工作，共同完成各種控制、管理及決策任務(wù)。管理及決策任務(wù)。 集散控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)集散控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中央操作臺網(wǎng)間連接器管理計算機圖圖2.1集散控制系統(tǒng)的典型體系結(jié)構(gòu)集散控制系統(tǒng)的典型體系結(jié)構(gòu) DCS的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)DCSDCS是縱向分層、橫向分散的大型綜合控制系統(tǒng)。是縱向分層、

4、橫向分散的大型綜合控制系統(tǒng)。v自下而上四個不同的層次（對應(yīng)四層計算機網(wǎng)自下而上四個不同的層次（對應(yīng)四層計算機網(wǎng)絡(luò)）絡(luò)）:v現(xiàn)場級現(xiàn)場級：現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)Fnet(FieldFnet(Field Network) Network)v控制級控制級：控制網(wǎng)絡(luò)控制網(wǎng)絡(luò)Cnet(ControlCnet(Control Network) Network)v監(jiān)控級監(jiān)控級：監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)：監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)Snet(SupervisionSnet(Supervision Network) Network)v管理級管理級：管理網(wǎng)絡(luò)：管理網(wǎng)絡(luò)Mnet(ManagementMnet(Management Network) Netw

5、ork)1.1.現(xiàn)場級現(xiàn)場級v現(xiàn)場級設(shè)備現(xiàn)場級設(shè)備：傳感器、變送器和執(zhí)行器傳感器、變送器和執(zhí)行器 現(xiàn)場級的現(xiàn)場級的信息傳遞信息傳遞方式：方式：（1 1）傳統(tǒng)的）傳統(tǒng)的4 42020mAmA 模擬量傳輸方式模擬量傳輸方式（2 2）現(xiàn)場總線的）現(xiàn)場總線的全數(shù)字量傳輸方式全數(shù)字量傳輸方式（3 3）在）在4 42020mAmA模擬量信號上，疊加上調(diào)制后的模擬量信號上，疊加上調(diào)制后的數(shù)字量信號的數(shù)字量信號的混合傳輸方式混合傳輸方式 現(xiàn)場信息現(xiàn)場信息傳遞傳遞方式發(fā)展方向：以現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)方式發(fā)展方向：以現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)的全數(shù)字傳輸?shù)娜珨?shù)字傳輸2. 2. 控制級：過程控制站和數(shù)據(jù)采集站控制級：過程控制站和數(shù)據(jù)

6、采集站（1）過程控制站過程控制站v接收由現(xiàn)場設(shè)備（如傳感器、變送器）來的信號，接收由現(xiàn)場設(shè)備（如傳感器、變送器）來的信號，按照一定的控制策略計算出所需的控制量，并送回按照一定的控制策略計算出所需的控制量，并送回到現(xiàn)場的執(zhí)行器中去。到現(xiàn)場的執(zhí)行器中去。v可同時完成連續(xù)控制、順序控制或邏輯控制功能?？赏瑫r完成連續(xù)控制、順序控制或邏輯控制功能。（2 2）數(shù)據(jù)采集站數(shù)據(jù)采集站v接收由現(xiàn)場設(shè)備送來的信號，并進行一些必要的轉(zhuǎn)接收由現(xiàn)場設(shè)備送來的信號，并進行一些必要的轉(zhuǎn)換和處理之后送到分散型控制系統(tǒng)中的其他部分，換和處理之后送到分散型控制系統(tǒng)中的其他部分，如監(jiān)控級設(shè)備。如監(jiān)控級設(shè)備。v數(shù)據(jù)采集站接收大量的過

7、程信息，并通過監(jiān)控級設(shè)數(shù)據(jù)采集站接收大量的過程信息，并通過監(jiān)控級設(shè)備傳遞給運行人員。備傳遞給運行人員。v不直接完成控制功能，是與過程控制站的主要區(qū)別。不直接完成控制功能，是與過程控制站的主要區(qū)別。 卡件實例圖當(dāng)今的當(dāng)今的DCSDCS操作站的功能強，速度快，記錄數(shù)據(jù)大，所操作站的功能強，速度快，記錄數(shù)據(jù)大，所以對操作員站內(nèi)的處理機系統(tǒng)提出了更高的要求。以對操作員站內(nèi)的處理機系統(tǒng)提出了更高的要求。3. 3. 監(jiān)控級監(jiān)控級v主要設(shè)備：主要設(shè)備：運行員操作站運行員操作站、工程師工作站工程師工作站和和計算計算站站。v運行員操作站安裝在中央控制室運行員操作站安裝在中央控制室v工程師工作站和計算站一般安裝在

8、電子設(shè)備室工程師工作站和計算站一般安裝在電子設(shè)備室 (1)(1)運行員操作站運行員操作站v功能功能：* * 運行員與集散控制系統(tǒng)交換信息的人機接口。運行員與集散控制系統(tǒng)交換信息的人機接口。* * 監(jiān)視和控制整個生產(chǎn)過程。監(jiān)視和控制整個生產(chǎn)過程。v運行員操作站運行員操作站組成組成：一臺具有較強圖形處理功：一臺具有較強圖形處理功能的微型機，以及相應(yīng)的外部設(shè)備，一般配有能的微型機，以及相應(yīng)的外部設(shè)備，一般配有CRTCRT顯示器、大屏幕顯示裝置顯示器、大屏幕顯示裝置 、打印機、拷貝、打印機、拷貝機、鍵盤、鼠標(biāo)或球標(biāo)。機、鍵盤、鼠標(biāo)或球標(biāo)。（2 2）工程師工作站）工程師工作站v功能功能： * * 控制工

9、程師對集散控制系統(tǒng)進行配置、組控制工程師對集散控制系統(tǒng)進行配置、組態(tài)、調(diào)試、維護的工作站。態(tài)、調(diào)試、維護的工作站。 * * 對各種設(shè)計文件進行歸類和管理，形成各對各種設(shè)計文件進行歸類和管理，形成各種設(shè)計文件，例如，各種圖紙、表格等。種設(shè)計文件，例如，各種圖紙、表格等。組成組成：由：由PCPC機配置一定數(shù)量的外部設(shè)備所組成，機配置一定數(shù)量的外部設(shè)備所組成，如打印機、繪圖機等如打印機、繪圖機等。（3 3）計算站）計算站v功能功能：對生產(chǎn)過程監(jiān)督控制：對生產(chǎn)過程監(jiān)督控制 例如機組運行優(yōu)化和性能計算，先進控制策略例如機組運行優(yōu)化和性能計算，先進控制策略的實現(xiàn)等。的實現(xiàn)等。( (由于計算站的主要功能是完

10、成復(fù)雜由于計算站的主要功能是完成復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理和運算功能，因此，對它的要求主的數(shù)據(jù)處理和運算功能，因此，對它的要求主要是運算能力和運算速度。要是運算能力和運算速度。) )v組成組成：超級微型機或小型機：超級微型機或小型機 4.管理級管理級v廠級管理計算機廠級管理計算機, ,或是若干個機組的管理計算機或是若干個機組的管理計算機。v使用者使用者：廠長、經(jīng)理、總工程師、值長等行政：廠長、經(jīng)理、總工程師、值長等行政管理或運行管理人員。管理或運行管理人員。v主要任務(wù)主要任務(wù)：監(jiān)測企業(yè)各部分的運行情況，利用監(jiān)測企業(yè)各部分的運行情況，利用歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)預(yù)測可能發(fā)生的各種情況，歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)預(yù)測可能發(fā)

11、生的各種情況，從企業(yè)全局利益出發(fā)輔助企業(yè)管理人員進行決從企業(yè)全局利益出發(fā)輔助企業(yè)管理人員進行決策，幫助企業(yè)實現(xiàn)其規(guī)劃目標(biāo)。策，幫助企業(yè)實現(xiàn)其規(guī)劃目標(biāo)。v管理級屬于管理級屬于廠級廠級，可分成，可分成實時監(jiān)控實時監(jiān)控和和日常管理日常管理兩兩部分。部分。v實時監(jiān)控實時監(jiān)控是全廠各機組和公用輔助工藝系統(tǒng)的運是全廠各機組和公用輔助工藝系統(tǒng)的運行管理層，承擔(dān)全廠性能監(jiān)視、運行優(yōu)化、全廠行管理層，承擔(dān)全廠性能監(jiān)視、運行優(yōu)化、全廠負荷分配和日常運行管理等任務(wù)，主要為值長服負荷分配和日常運行管理等任務(wù)，主要為值長服務(wù)。務(wù)。v日常管理日常管理承擔(dān)全廠的管理決策、計劃管理、行政承擔(dān)全廠的管理決策、計劃管理、行政管理

12、等任務(wù)，主要是為廠長和各管理部門服務(wù)。管理等任務(wù)，主要是為廠長和各管理部門服務(wù)。v集散控制系統(tǒng)的集散控制系統(tǒng)的分散方式分散方式包含功能分散、包含功能分散、物理分散和地理分散三個不同的概念物理分散和地理分散三個不同的概念v體系結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)：分級遞階控制結(jié)構(gòu)：分級遞階控制結(jié)構(gòu)v信息結(jié)構(gòu)信息結(jié)構(gòu)：自下向上逐漸集中，自上而下：自下向上逐漸集中，自上而下逐漸分散。逐漸分散。2.2 2.2 DCSDCS的分散方式和體系結(jié)構(gòu)的分散方式和體系結(jié)構(gòu)1.功能分散：功能分散：一個大系統(tǒng)的控制功能要分解為一一個大系統(tǒng)的控制功能要分解為一些基本的控制功能。些基本的控制功能。v具有人機接口功能的集中操作站和具有過程接具有

13、人機接口功能的集中操作站和具有過程接口功能的過程控制裝置的分散；口功能的過程控制裝置的分散；v過程裝置中控制功能的分散；過程裝置中控制功能的分散；v按裝置或設(shè)備的功能以及全局控制和個別控制按裝置或設(shè)備的功能以及全局控制和個別控制之間的分散之間的分散2.2.1 DCS2.2.1 DCS的分散方式的分散方式2.2.物理分散物理分散：整個系統(tǒng)所完成的控制功能由許多整個系統(tǒng)所完成的控制功能由許多不同的物理實體分散地實現(xiàn)。不同的物理實體分散地實現(xiàn)。v兩種分散形式：兩種分散形式：（1 1）層次分散型層次分散型（兩層或多層）：上層實現(xiàn)較高（兩層或多層）：上層實現(xiàn)較高級的控制功能，下層實現(xiàn)基本控制功能。級的控

14、制功能，下層實現(xiàn)基本控制功能。（2 2）水平分散型水平分散型：各控制器在硬件結(jié)構(gòu)上處于平：各控制器在硬件結(jié)構(gòu)上處于平等地位。等地位。層次分散與水平分散示意圖層次型分散系統(tǒng)的特點層次型分散系統(tǒng)的特點v硬件結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)的功能分散相適應(yīng)，每部分具硬件結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)的功能分散相適應(yīng)，每部分具有比較強的自治性：在上層控制器失效的情況下，有比較強的自治性：在上層控制器失效的情況下，下層控制器可維持基本控制功能。下層控制器可維持基本控制功能。v合理地進行功能分配，使每個控制器的工作負合理地進行功能分配，使每個控制器的工作負荷均勻，降低對硬件指標(biāo)的要求。荷均勻，降低對硬件指標(biāo)的要求。v系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的信息是多層次的，直

15、接與控制有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的信息是多層次的，直接與控制有關(guān)的信息在低層總線上高速傳輸，監(jiān)視和管理信關(guān)的信息在低層總線上高速傳輸，監(jiān)視和管理信息通過高層通信網(wǎng)絡(luò)傳輸，通信系統(tǒng)信息流分配息通過高層通信網(wǎng)絡(luò)傳輸，通信系統(tǒng)信息流分配合理，不會造成通信網(wǎng)絡(luò)的信息擁堵。合理，不會造成通信網(wǎng)絡(luò)的信息擁堵。水平型分散系統(tǒng)的特點水平型分散系統(tǒng)的特點v硬件結(jié)構(gòu)清晰，控制器的統(tǒng)一，便于維護和硬件結(jié)構(gòu)清晰，控制器的統(tǒng)一，便于維護和備份。備份。v對通信系統(tǒng)的速度和容量要求較高，但通信對通信系統(tǒng)的速度和容量要求較高，但通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比層次型分散系統(tǒng)要簡單一些。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比層次型分散系統(tǒng)要簡單一些。3. 3. 地理分散地理分散v

16、集散控制系統(tǒng)的安裝布置方式：集散控制系統(tǒng)的安裝布置方式：v地理集中式地理集中式把所有的基本控制單元集中在把所有的基本控制單元集中在中央控制室或附近的電子設(shè)計室內(nèi)；中央控制室或附近的電子設(shè)計室內(nèi)；v地理分散式地理分散式把基本控制單元安裝在被控生把基本控制單元安裝在被控生產(chǎn)過程的附近，即在整個廠房內(nèi)分散布置。產(chǎn)過程的附近，即在整個廠房內(nèi)分散布置。 v體系結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)：分級遞階控制結(jié)構(gòu)分級遞階控制結(jié)構(gòu)集散控制系統(tǒng)在水集散控制系統(tǒng)在水平和垂直方向都是分層（級）的。平和垂直方向都是分層（級）的。v水平方向上各過程控制級之間是互相協(xié)調(diào)的分級，它水平方向上各過程控制級之間是互相協(xié)調(diào)的分級，它們把數(shù)據(jù)向上送達

17、操作管理級，同時接受操作管理級們把數(shù)據(jù)向上送達操作管理級，同時接受操作管理級的指令，各水平級之間也進行數(shù)據(jù)交換；的指令，各水平級之間也進行數(shù)據(jù)交換；v垂直分級是功能方面不同的分級，至少有兩個分級，垂直分級是功能方面不同的分級，至少有兩個分級，即操作管理級和過程控制級；這樣的系統(tǒng)是分級遞階即操作管理級和過程控制級；這樣的系統(tǒng)是分級遞階系統(tǒng)。系統(tǒng)。v信息結(jié)構(gòu)信息結(jié)構(gòu)：自下向上逐漸集中，自上而下逐漸分散：自下向上逐漸集中，自上而下逐漸分散。2.2.2 2.2.2 DCSDCS的體系結(jié)構(gòu)的體系結(jié)構(gòu)典型典型集散型控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖集散型控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖 產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)類型產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)類型1、模塊化控制站與、模塊

18、化控制站與MAP兼容的寬帶、載帶局兼容的寬帶、載帶局域網(wǎng)信息綜合管理系統(tǒng)（第三代的典型結(jié)構(gòu)）域網(wǎng)信息綜合管理系統(tǒng)（第三代的典型結(jié)構(gòu)）2、分散過程控制站局域網(wǎng)信息管理系統(tǒng)（第、分散過程控制站局域網(wǎng)信息管理系統(tǒng)（第二代結(jié)構(gòu)）二代結(jié)構(gòu)）3、分散過程控制站高速數(shù)據(jù)公路操作站上、分散過程控制站高速數(shù)據(jù)公路操作站上位機位機4、PLC通信系統(tǒng)通信系統(tǒng)+操作管理站操作管理站5、單回路控制器通信系統(tǒng)操作管理站、單回路控制器通信系統(tǒng)操作管理站DCS的結(jié)構(gòu)分類的結(jié)構(gòu)分類實際應(yīng)用中的結(jié)構(gòu)類型實際應(yīng)用中的結(jié)構(gòu)類型（1）工業(yè)微機）工業(yè)微機+通信系統(tǒng)通信系統(tǒng)+操作管理機操作管理機（2）單回路控制器）單回路控制器+通信系統(tǒng)通信系統(tǒng)+工業(yè)微機工業(yè)微機（3）PLC+通信系統(tǒng)通信系統(tǒng)+工業(yè)微機工業(yè)微機（4）工業(yè)微機）工業(yè)微機+通信系統(tǒng)通信系統(tǒng)+工業(yè)微機工業(yè)微機（5）智能前端）智能前端+通信系統(tǒng)通信系統(tǒng)+工業(yè)微機工業(yè)微機1.1.集散控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分為哪幾層集散控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分為哪幾層? ?各層設(shè)備各層設(shè)備有哪些有哪些? ?2.2.怎樣理解集散控制系統(tǒng)的分散方式怎樣理解集散控制系統(tǒng)的分散方式? ?3.3.層次分散型和水平分散型的特點是什么？層次分散型和水平分散型的特點是什么？4.4.何為何為分級遞階控制結(jié)構(gòu)？分級遞階控制結(jié)