DCS及现场总线技术精讲

3．监控级（层） 此层有操作员工作站、工程师工作站和计算站等。它 们能对现场设备进行检测和故障诊断，能综合各个过 程控制站的所有信息，对全系统进行集中监视和操作； 能进行组态、参数修改和优化过程处理等工作。并能 根据状态信息判断计算机系统硬件和软件的性能（状 态），异常时实施报警、给出诊断报告等措施。 4．管理级（层） 此层有生产管理和经营管理计算机。实现全厂设备性 能监视、运行优化、负荷分配和日常运行管理等功能。 主要承担全厂的管理决策、计划管理、行政管理等任 务，即为厂长和各管理部门服务。
2．管理信息网

随着DCS技术的发展，DCS已从初期的单纯 的低层控制功能发展到了更高层次的数据采集、 监督控制、生产管理等全厂范围的控制和管理 系统。

因此，DCS 更应该被看成是一个计算机管理 控制系统，其中，包含了全厂自动化控制和管 理的丰富内涵。
具有管理信息网的DCS系统结构图
2.2.3 DCS常用结构类型
1.现场控制站
现场控制站（Scene Control Station，SCS），又叫过程控制 单元（Process Control Unit，PCU），是DCS的核心，系统主要的 控制功能是由它来完成的。 现场控制站通过现场仪表直接与生产过程相连接，采集过程变 量信息，并进行转换和运算等处理，产生控制信号以驱动现场的执 行机构，实现对生产过程的控制。 现场控制站可控制多个 回路，具有极强的运算和控 制功能，能够自主地完成回 路控制任务，实现反馈控制、 逻辑控制、顺序控制和批量 控制等功能。
DCS及现场总线技术
第２章 DCS硬件体系及系统
第2章 DCS硬件体系及系统
本章介绍主要内容： 2.1 DCS的体系结构及功能 2.2 DCS的构成及联系 2.3 DCS的硬件系统 2.4 DCS典型产品结构实例
2.1 DCS的体系结构及功能

2.1.1 DCS的体系结构 DCS系统通常分四层结构（分别对应四层计算 机网络）：
2.2 DCS的构成及联系

2.2.1 DCS的基本构成 一个基本的DCS一般是由现场控制站（或过 程控制单元）、现场数据采集站（或过程接口 单元）、操作员工作站、工程师工作站、各种
功能站（如记录数据站、高级控制站、管理计
算站等）和高速数据通道（或系统通信网络）
等几个主要部分组成，如下页图所示。
2.DCS的冗余化

常用的冗余方式如下： 1）同步运转方式 2）待机运转方式 3）后退运转方式 4）多级操作方式
2.1.3 DCS的各级（层）功能

1．现场级（层）的功能
1）各类传感器和变送器的功能 2）执行器的功能
3）现场级（层）的信息传输方式

（1）传统的4～20mA 模拟量传输方式； （2）现场总线的全数字量传输方式； （3）在4～20mA模拟量信号上，叠加调制后的数 字量信号的混合传输方式。

2）经营管理的。它管理 的范围很广，包括工程技术方面、经济方面、商 业事务方面、人事活动方面以及其他方面的功能。 把这些功能都集成到软件系统中，通过综合的产 品计划，根据各种变化条件，结合多种多样的材 料和能量调配，以达到最优地解决策略和方法。 在这一层中，通过网络与公司的经理部、市场部、 计划部以及人事部等办公室进行连接，来实现整 个企业系统的最优化。
3．监控级（层）的功能

1)操作员工作站的主要功能是用于监视和控制整个生 产过程（装置）。 2)工程师工作站的主要功能是为控制工程师对DCS控 制系统进行配置、组态、调试和维护提供的一个工作 平台，实现系统优化和先进控制策略的实施，以及对 各种设计文件进行归类和管理，形成相应的设计文档 等。 3)计算站主要是由超级微型机或小型机组成。它的主 要功能是对生产过程进行监督控制。



分散过程控制站十高速数据公路＋操作站十上位机。这 是早期DCS的结构。 分散过程控制装置＋局域网十信息管理系统。采用局域 网技术，通信性能提高，联网能力增强，这是第二代 DCS的典型结构。 模件化控制站＋宽带、载带局域网十信息综合管理系统。 这是多数DCS的结构。 单（多）回路控制器＋通信系统＋操作管理站。这是一 种适用于小型企业的DCS结构，具有较大的灵活性和较 高性价比。 可编程控制器（PLC）＋通信系统＋操作管理站。这是 一种在制造业广泛采用的DCS结构，尤其对生产过程顺 序控制系统特别有效。
一般来说，卡件冗余必须通过跳线设置并满足地 址冗余的要求。地址冗余是指：互为冗余的卡件必 须放置在地址为I，I+1的槽位，I为偶数。

2.3.1过程控制站

DCS的控制级位于系统的最底层。 它接收来自现场的各种检测仪表送来的过程信号， 对其进行实时的数据采集、噪音滤除、补偿运算、非 线性校正、标度变换等处理，并可按要求进行累积量 的计算、上下限报警以及测量值和报警值向通信网络 的传输。 用以实现各种现场物理信号的输入和处理，实现各种 实时控制信号的运算和输出等功能。
现场级、对应现场网络（Field Network） 过程控制级、对应控制网络（Control Network） 操作监控级、对应监控网络（Supervision Network） 信息管理级、对应管理网络（Management Network）

DCS的典型体系结构
DCS系统四级（层）内容介绍：


机柜正面（前面）
控制站机柜
现场控制单元
2.2.2 DCS的通信联系

1．系统通信网络 高速通信总线是DCS 中的另一个重要组成部分，又叫 数据高速通道（或系统通信网络），它是连接系统各 个站的桥梁。也就是说，DCS中的现场控制站（或过 程控制单元）、现场数据采集站（或过程接口单元）、 操作员工作站、工程师工作站、各种功能站（如记录 数据站、高级控制站、管理计算站等）等几个主要部 分都是由数据高速通道连接起来的。


4．管理级（层）的功能

此层是DCS的最高级（层）管理者通过其上位机（管理计 算机）可以进行生产管理和经营管理。 1）生产管理级（层） 生产管理级（层）是工厂企业生产管理者使用的．主要功能是 监测企业各部门以及生产装置的运行情况，利用历史数据和实 时数据预测可能发生的各种情况，从企业全局利益出发辅助企 业管理人员进行决策，根据用户的订货情况、库存情况、能源 情况来规划各生产部门中的产品结构和规模，帮助企业实现其 规划目标。此外，在这一级（层）能实现对全厂生产管理和产 品的监视报告，并与上级（层）交互传递数据信息。
☞ 操作站提供了良好的人机交互界面， 用以实现集中监视、操作和信息管 理等功能。 在有的小 DCS 中，操作站兼有工 程师站的功能，在操作站上也可以 进行系统组态和维护的部分或全部 工作。
4.工程师站


工程师工作站 （Engineering Work Station，EWS）是由PC机 配置一定数量的外部设备所 组成，如CRT（或LED）显 示器、键盘、鼠标、打印机 和绘图机等。 专业技术人员通过键盘可以 进行各种组态（系统组态、 硬件组态和软件组态），对 各种设计文件进行归类和管 理，和在线的系统监督、控 制与维护。
6．管理计算机

管理计算机(Manager Computer，MC)，习 惯上称它为上位机。 管理计算机是DCS的 主机。 通过网络收集系统 中各单元的数据信息， 综合监视全系统的各单 元，管理全系统的所有 信息。
具有进行大型复杂运算的能力以
及多输入、多输出控制功能，根据 数学模型和优化控制指标进行后台 计算、优化控制，以实现系统的最 优控制和全厂的优化管理。



1．现场级（层） 此层有现场各类测控装置（设备），如各类传感器、变 送器、执行器等。它们能够完成对生产装置（过程）的信 号转换、检测和控制量的输出等。现场控制站（过程控制 计算机）通过现场网络直接与这级（层）设备连接。 2．控制级（层） 此层有现场控制站（包括各种控制器、智能调节器）和 现场数据采集站等。它们通过控制网直接与现场各类装置 (如变送器、执行机构)相连，完成对所连接的各类装置实 施监测和控制。 同时，它们还能与上面的监控层计算机相连，接收上层 的管理信息，并向上传递现场装置的特性数据和采集到的 实时数据。
2.1.2 DCS的分散方式

1.DCS的分散方式 1）功能分散 按装置或设备的功能考虑，并以全局控制和个别 控制之间的分散来划分的。
2）物理分散 由许多不同的物理实体分散地实现 有层次分散型和水平分散型两种分散形式。

3）地域分散 指安装布置方式，有如下两种形式： ①地域集中式 ②地域分散式 4）负荷分散 通过负荷分散，使一个控制处理装置发生故障时的危 险影响减到尽可能小的地步。
☞ 工程师能够借助于组态软件对 系统进行离线组态，并在 DCS 在线运行时，可以实时地监视 通信网络上各工作站的运行情 况。
5．高速通信总线

高速通信总线(Data High Bus，DHB)，又叫数 据高速通道(Data High Way，DHW)。它是一种具有 高速通信能力的信息总线，一般由双绞线、同轴电缆 或光导纤维构成。它将现场控制站、操作员工作站和 管理计算机等连成一个完整的系统，以一定的通信速 率在各单元之间传输信息。
目前，大多DCS的数据采集站已由现场控制站替代。
3.操作员工作站

操作员工作站（Operator Working Station，OWS） 是操作运行人员与控制系统 交换信息的人机接口。一般 是由一台具有较强图形处理 功能的微型计算机，以及相 应的外部设备组成。它配有 CRT或LED（Light Emitting Diode）显示器、 大屏幕显示装置、打印机、 拷贝机、键盘、鼠标等。
☞ 综 上 所 述， 操 作 站、工 程师站和管理计算机构 成 了 DCS 的 人 机 接 口 ， 用以完成 集中监视 、操 作、组态和信息综合管 理等任务。现场控制站 和 数 据 采 集 站 构 成 DCS 的过程接口，用以完成 数据采集 与处理和分散 控制任务。通信总线是 连接 DCS 各部分的纽带， 是实现集 中管理、分散 控制目标的关键。