集散控制系統(tǒng)認知學習要求（1）集散型控制系統(tǒng)的概念、作用及體系結構

（2）JX-300XPDCS體系結構、硬件組成及軟件組成

（3）冗余技術2.0課程導入

1.生產(chǎn)過程計算機控制控制器執(zhí)行器

對象

檢測變送器設定值

SV+偏差

DV控制器輸出

MV

操縱變量

q

被控變量y

擾動f-測量值

PV自動化裝置工藝對象（1）單閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成

控制回路的核心是控制器。

生產(chǎn)設備上有多少個被測參數(shù)，就最少需要多少個控制回路。有多少控制回路，就需要多少臺控制器（調(diào)節(jié)器）作回路中的控制器。

——單回路控制器的缺點

大型企業(yè)的儀表車間內(nèi)，成百上千的控制器組成的儀表盤，已經(jīng)淘汰。取而代之的是可以控制多回路的計算機控制系統(tǒng)。（2）計算機控制系統(tǒng)的基本組成計算機控制系統(tǒng)的基本組成控制對象執(zhí)行器模擬量輸入通道模擬量輸出通道開關量輸入通道開關量輸出通道運算控制臺輸入設備輸出設備外部存貯器操作系統(tǒng)運算器控制器主存貯器計算機控制系統(tǒng)控制計算機通用計算機外部設備自動化儀表主機外部設備檢測變送器2.計算機控制系統(tǒng)的種類（1）直接數(shù)字控制系統(tǒng)DDC數(shù)控計算機操作控制數(shù)據(jù)測量值A/D接口輸入通道檢測變送輸出通道執(zhí)行器生產(chǎn)過程D/A接口設定值顯示打?。?）計算機監(jiān)督控制系統(tǒng)SCCSCC計算機設定值測量值A/D接口輸入通道檢測變送D/A多路執(zhí)行器生產(chǎn)過程DDC顯示打印通訊接口集團公司管理級

生產(chǎn)過程工廠管理級

車間管理級

車間管理級

過程控制級

過程控制級

過程控制級

過程控制級

（3）集散控制系統(tǒng)DCS3.集散控制系統(tǒng)（1）集散控制系統(tǒng)（DistributedControlSystem）

——集中分散控制系統(tǒng)的簡稱，英文名稱是分布式控制系統(tǒng)。生產(chǎn)過程是一個復雜的過程，不能由一臺主機完全控制。一旦主機故障，將會影響全局。因此，采用信息集中、控制分散的系統(tǒng)。特點：集中管理、分散控制。（2）集散控制系統(tǒng)的特點

集散控制系統(tǒng)采用以微處理器為核心的“智能技術”，凝聚了計算機的最先進技術，成為計算機應用最完善、最豐富的領域。這是集散控制系統(tǒng)有別于其他系統(tǒng)裝置的最大特點。集散控制系統(tǒng)采用分級梯階結構，實現(xiàn)系統(tǒng)功能分散、危險分散、提高可靠性、強化系統(tǒng)應用靈活性、降低投資成本、便于維修和技術更新等功能目的。三、集散控制系統(tǒng)

功能分散基本控制器的硬件與軟件實現(xiàn)了模塊化、標準化。能單獨完成各種控制任務，提高了系統(tǒng)可靠性。位置分散基本控制器安裝在被控對象很近的地方，大量數(shù)據(jù)在現(xiàn)場處理。集中操作管理高速數(shù)據(jù)傳輸總線、圖文并舉、監(jiān)視控制一體。系統(tǒng)組態(tài)方便用戶可方便實現(xiàn)各種運算、控制功能的組態(tài)，方便修改與擴充。通讀教材9-19頁、48-51頁、90-91頁內(nèi)容，回答下列問題：

1.什么是集散控制系統(tǒng)？其基本設計思想是什么？

2.簡述集散控制系統(tǒng)的體系結構及各層次的主要功能。3.操作站主要包括哪些設備？操作站的基本功能有哪些？

4.現(xiàn)場控制站的主要設備有哪些？它具有哪些功能？

5.什么是冗余技術？DCS系統(tǒng)中有哪些冗余措施。6.簡述JX-300XPDCS體系結構及系統(tǒng)基本硬件組成。2.1集散控制系統(tǒng)概述

1.集散型控制系統(tǒng)的產(chǎn)生與發(fā)展集散型控制系統(tǒng)（DistributedControlSystem，簡稱DCS）是以多臺微處理器為基礎的集中分散型控制系統(tǒng)，具有良好的控制性能和可靠性、產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率提高以及物耗、能耗降低等特點，已成為石油、化工、冶金、建材、電力、制藥等行業(yè)實現(xiàn)過程控制的主流產(chǎn)品。

七十年代初，隨著大規(guī)模集成電路的問世、微處理器的誕生以及數(shù)字通信技術、陰極射線管（CRT）顯示技術的進一步發(fā)展，基于“危險分散”的設計思想，世界上第一臺實現(xiàn)集中管理和分散控制的新型計算機控制系統(tǒng)TDC2000型集散控制系統(tǒng)于1975年由美國Honeywell公司推出。

第四代DCS的體系結構主要分為四層結構，即現(xiàn)場儀表層、控制裝置單元層、工廠（車間）層和企業(yè)管理層。企業(yè)管理層一般不包含在廠商提供的產(chǎn)品內(nèi)，可以通過所提供的開放的數(shù)據(jù)庫接口，連接第三方的管理軟件平臺。因此說第四代DCS可以實現(xiàn)工廠級的所有控制和管理功能，并集成全企業(yè)的信息管理功能。

某煉鐵廠計算機監(jiān)控室2.集散控制系統(tǒng)的基本結構與特點

包括分散的過程控制裝置、集中操作管理系統(tǒng)和通信系統(tǒng)三個部分。

分散過程控制裝置部分由多回路控制器、單回路控制器、多功能控制器、可編程序邏輯控制器（PLC）及數(shù)據(jù)采集裝置等組成，它相當于現(xiàn)場控制級和過程控制裝置級。

集中操作和管理部分由操作站、管理機和外部設備如打印機、拷貝機等組成，相當于車間操作管理級和全廠優(yōu)化、調(diào)度管理級，實現(xiàn)人機接口。

每級之間以及每級內(nèi)的計算機或微處理器則由通信系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)通信，數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)是DCS的基本和核心，實現(xiàn)將分散的信息綜合、管理的信息分散的功能。集散控制系統(tǒng)組成示意圖DCS主要特點：（1）

DCS的信息化與集成化（2）DCS、PLC、FCS相互融合形成混合控制系統(tǒng)（3）DCS的開放性（4）DCS進入低成本時代3.集散控制系統(tǒng)的體系結構

按照DCS各組成部分的功能分布，所有設備分別處于四個不同的層次，自下而上分別是現(xiàn)場控制級、過程控制級、過程管理級和經(jīng)營管理級。與這四層結構相對應的四層局部網(wǎng)絡分別是現(xiàn)場網(wǎng)絡（FieldNetwork，F(xiàn)net）控制網(wǎng)絡（ControlNetwork，Cnet）監(jiān)控網(wǎng)絡（SupervisionNetwork，Snet）管理網(wǎng)絡（ManagementNetwork，Mnet）。集散控制系統(tǒng)的體系結構（1）現(xiàn)場控制級典型的現(xiàn)場控制級設備是各類傳感器、變送器和執(zhí)行器。（2）過程控制級過程控制級主要由過程控制站、數(shù)據(jù)采集站和現(xiàn)場總線接口等構成。（3）過程管理級過程管理級的主要設備有操作站、工程師站和監(jiān)控計算機等。（4）經(jīng)營管理級經(jīng)營管理級是全廠自動化系統(tǒng)的最高層。2.2集散控制系統(tǒng)現(xiàn)場控制站

1.現(xiàn)場控制站的組成

分散過程控制裝置主要包括現(xiàn)場控制站、數(shù)據(jù)采集站、順序邏輯控制站和批量控制站等，其中現(xiàn)場控制站功能最為齊全，是DCS與生產(chǎn)過程之間的接口，是DCS的核心。

（1）機柜現(xiàn)場控制站機柜內(nèi)部均裝有多層機架，以便安裝各種模塊和電源。

（2）電源現(xiàn)場控制站電源（交流電源和直流電源）必須穩(wěn)定、可靠，才能確?，F(xiàn)場控制站正常工作。

（3）控制計算機控制計算機是現(xiàn)場控制站的核心部件，一般由CPU、存儲器、輸入/輸出通道等組成。2.現(xiàn)場控制站的基本功能

包括反饋控制、邏輯控制、順序控制、批量控制、數(shù)據(jù)采集與處理和數(shù)據(jù)通信等功能。

（1）反饋控制

現(xiàn)場控制站的反饋控制功能主要包括輸入信號處理、報警處理、控制運算、控制回路組態(tài)和輸出信號處理等。

（2）邏輯控制

邏輯控制是根據(jù)輸入變量的狀態(tài)按照邏輯關系進行的控制。在DCS中，由邏輯功能模塊實現(xiàn)邏輯控制功能。邏輯運算包括與(AND)、或(OR)、非(NO)、異或(XOR)、連接(LINK)、進行延時(ONDELAY)、停止延時(OFFDELAY)、觸發(fā)器(FLIP-FLOP)、脈沖(PULSE)等。（3）順序控制順序控制就是按預定的動作順序或邏輯，依次執(zhí)行各階段動作程序的控制方法。在順序控制中可以兼用反饋控制、邏輯控制和輸入/輸出監(jiān)視的功能。實現(xiàn)順序控制的常用方法有順序表法、程序語言方式和梯形圖法等三種。（4）批量控制批量控制就是根據(jù)工藝要求將反饋控制與邏輯、順序控制結合起來，使一個間歇式生產(chǎn)過程得到合格產(chǎn)品的控制。（5）輔助功能輔助功能指輔助性功能，如控制方式有手動、自動、串級和計算機等四種方式可供選擇，增量型和速度型PID算法具有測量值跟蹤功能等。

3.冗余技術

冗余技術是提高DCS可靠性的重要手段。（1）冗余方式

DCS的冗余技術可以分為多重化自動備用和簡易的手動備用兩種方式。

多重化自動備用就是對設備或部件進行雙重化或三重化設置，當設備或部件萬一發(fā)生故障時，備用設備或部件自動從備用狀態(tài)切換到運行狀態(tài)，以維持生產(chǎn)繼續(xù)進行。多重化自動備用還可以進一步分為同步運轉(zhuǎn)、待機運轉(zhuǎn)、后退運轉(zhuǎn)等三種方式。①同步運轉(zhuǎn)方式讓兩臺或兩臺以上的設備或部件同步運行，進行相同的處理，并將其輸出進行核對。當兩臺設備同步運行時，只有當它們的輸出一致時，才作為正確的輸出，這種系統(tǒng)稱為“雙重化系統(tǒng)”（DualSystem）。當三臺設備同步運行時，將三臺設備的輸出信號進行比較，取兩個相等的輸出作為正確的輸出值，這就是設備的三重化設置，這種方式具有很高的可靠性，但投入也比較大。②待機運轉(zhuǎn)方式使一臺設備處于待機備用狀態(tài)，當工作設備發(fā)生故障時，啟動待機設備來保證系統(tǒng)正常運行。這種方式稱為1:1的備用方式，這種類型的系統(tǒng)稱為“雙工系統(tǒng)”（DuplexSystem）。類似地，對于N臺同樣設備，采用一臺待機設備的備用方式就稱為N:1備用。在DCS中一般對局部的設備采用1:1備用方式，對整個系統(tǒng)則采用N:1的備用方式。它是DCS中主要采用的冗余技術。③后退運轉(zhuǎn)方式多臺設備正常運行時，各自分擔不同功能，當其中之一發(fā)生故障時，其他設備放棄其中一些不重要的功能，進行互相備用。這種方式顯然是最經(jīng)濟的，但相互之間必然存在公用部分，而且軟件編制也相當復雜。三、集散控制系統(tǒng)（2）DCS系統(tǒng)中的冗余技術

系統(tǒng)中使用硬件冗余技術：控制站、操作站與主控制器模板、通訊卡的冗余，即雙套制。一用一備，不會影響生產(chǎn)。系統(tǒng)有自動發(fā)現(xiàn)故障與接轉(zhuǎn)的能力和設備，并將結果告知操作人員。冗余措施DCS的冗余包括通信網(wǎng)絡的冗余、操作站的冗余、現(xiàn)場控制站的冗余、電源的冗余、輸入/輸出模塊的冗余等。通常將工作冗余稱“熱備用”，而將后備冗余稱為“冷備用”。除了硬件冗余外，DCS還采用了信息冗余技術，就是在發(fā)送信息的末尾增加多余的信息位，以提供檢錯及糾錯的能力。2.3集散控制系統(tǒng)操作站

1.操作站的組成

一般分為操作員站和工程師站兩種類型。（1）操作臺（2）微處理機系統(tǒng)（3）外部存儲設備（4）圖形顯示設備（5）操作站鍵盤①操作員鍵盤操作員鍵盤一般都采用具有防水、防塵能力、有明確圖案或標志的薄膜鍵盤。這種鍵盤從鍵的分配和布置上都充分考慮到操作直觀、方便，外表美觀，并且在鍵體內(nèi)裝有電子蜂鳴器，以提示報警信息和操作響應。②工程師鍵盤工程師鍵盤一般為常用的擊打式鍵盤，主要用來進行編程和組態(tài)?，F(xiàn)代DCS操作站已采用了通用PC機系統(tǒng)，因此，無論是操作員鍵盤還是工程師鍵盤都使用通用標準鍵盤。（6）打印輸出設備2.操作站的基本功能

操作站的基本功能主要表現(xiàn)為顯示、操作、報警、組態(tài)、系統(tǒng)維護和報告生成等六個方面。

（1）顯示DCS能將系統(tǒng)信息集中地反映在屏幕上，并自動地對信息進行分析、判斷和綜合。

（2）操作

操作站可對全系統(tǒng)每個控制回路進行操作，對設定值、控制輸出值、控制算式中的常數(shù)值、順控條件值和操作值進行調(diào)整，對控制回路中的各種操作方式（如手動、自動、串級、計算機、順序手動等）進行切換。對報警限值、順控定時器及計數(shù)器的設定值進行修改和再設定。為了保證生產(chǎn)的安全，還可以采取緊急操作措施。（3）報警操作站以畫面方式、色彩（或閃光）方式、模擬方式、數(shù)字方式及音響信號方式對各種變量的越限和設備狀態(tài)異常進行各種類型的報警。（4）系統(tǒng)組態(tài)DCS實際應用于生產(chǎn)過程控制時，需要根據(jù)設計要求，預先將硬件設備和各種軟件功能模塊組織起來，以使系統(tǒng)按特定的狀態(tài)運行，這就是系統(tǒng)組態(tài)。（5）系統(tǒng)維護DCS的各裝置具有較強的自診斷功能，當系統(tǒng)中的某設備發(fā)生故障時，一方面立刻切換到備用設備，另一方面經(jīng)通信網(wǎng)絡傳輸報警信息，在操作站上顯示故障信息，蜂鳴器等發(fā)出音響信號，督促工作人員及時處理故障。（6）報告生成根據(jù)生產(chǎn)管理需要，操作站可以打印各種班報、日報、操作日記及歷史記錄，還可以拷貝流程圖畫面等。（7）自診斷功能為了提高DCS的可靠性，延長系統(tǒng)的平均故障間隔時間（MTBF）和縮短平均故障修復時間（MTTR），集散控制系統(tǒng)的各裝置具有較強的自診斷功能。在系統(tǒng)投運前，用離線診斷程序檢查各部分工作狀態(tài)；系統(tǒng)運行中，各設備不斷執(zhí)行在線自診斷程序，一旦發(fā)現(xiàn)錯誤，立即切換到備用設備；同時經(jīng)過通信網(wǎng)絡在顯示器上顯示出故障代碼，等待及時處理。通常故障代碼可以定位到卡件板，用戶只需及時更換卡件。主要內(nèi)容：（1）系統(tǒng)簡介（2）JX-300XPDCS體系結構（3）系統(tǒng)基本硬件組成（4）系統(tǒng)軟件組成（5）通信網(wǎng)絡（6）系統(tǒng)的主要特點（7）系統(tǒng)規(guī)模2.4WebFieldJX-300XPDCS系統(tǒng)概述1.系統(tǒng)簡介系統(tǒng)名稱：WebFieldJX-300XPDCSWebFieldJX:系列產(chǎn)品300XP：系統(tǒng)型號，之前有100、200、300、300B、300XDCS：Distributedcontrolsystem的簡稱，集散控制系統(tǒng)。

JX-300XP系統(tǒng)是SUPCONWebField系列控制系統(tǒng)十余年成功經(jīng)驗的總結，吸收了近年來快速發(fā)展的通信技術、微電子技術，充分應用了最新信號處理技術、高速網(wǎng)絡通信技術、可靠的軟件平臺和軟件設計技術以及現(xiàn)場總線技術，采用了高性能的微處理器和成熟的先進控制算法，全面提高了JX-300XP的功能和性能，能適應更廣泛更復雜的應用。2.JX-300XPDCS體系結構3.系統(tǒng)基本硬件組成現(xiàn)場控制站（CS）：實時控制、直接與工業(yè)現(xiàn)場進行信息交互工程師站（ES）：工程師的組態(tài)和維護平臺操作員站（OS）：操作人員完成過程監(jiān)控管理任務的人機界面過程控制網(wǎng)絡SCnetII

：實現(xiàn)工程師站、操作站、控制站的通訊系統(tǒng)主要設備

（1）控制站（CS）

實現(xiàn)對物理位置、控制功能都相對分散的現(xiàn)場生產(chǎn)過程進行控制的主要硬件設備稱為控制站（ControlStation，CS）。

通過不同的硬件配置和軟件設置可構成不同功能的控制站，包括數(shù)據(jù)采集站（DAS）、邏輯控制站（LCS）和過程控制站（PCS）三種類型。

數(shù)據(jù)采集站提供對模擬量和開關量信號的基本監(jiān)視功能，一個數(shù)據(jù)采集站最多可處理384點模擬量信號（AI/AO）或1024點開關量信號（DI/DO），768kB數(shù)據(jù)運算程序代碼及768kB數(shù)據(jù)存儲器。邏輯控制站提供馬達控制和繼電器類型的離散邏輯功能。信號處理和控制響應快，控制周期最小可達50ms。邏輯控制站側重于完成聯(lián)鎖邏輯功能，回路控制功能受到相應限制。邏輯控制站最大負荷為64個模擬量輸入、1024個開關量、768kB控制程序代碼和768kB數(shù)據(jù)存儲器。過程控制站簡稱控制站，是傳統(tǒng)意義上集散控制系統(tǒng)的控制站，提供常規(guī)回路控制的所有功能和順序控制方案，控制周期最小可達0.1s。過程控制站最大負荷為128個控制回路（AO）、256個模擬量輸入（AI）、1024個開關量（DI/DO）、768kB控制程序代碼、768kB數(shù)據(jù)存儲器。主控制卡是控制站中關鍵的智能卡件，又叫CPU卡（或主機卡）。主控制卡以高性能微處理器為核心，能進行多種過程控制運算和數(shù)字邏輯運算，并能通過下一級通信總線獲得各種I/O卡件的交換信息，而相應的下一級通信總線稱之為SBUS?？刂普镜淖訂卧怯梢欢〝?shù)量的I/O卡件（1～16個）構成的，可以安裝在本地控制站內(nèi)或無防爆要求的遠方現(xiàn)場，分別稱為IO單元（IOU）或遠程IO單元（RIOU）。（2）操作站（OS）由工業(yè)PC機、CRT、鍵盤、鼠標、打印機等組成的人機接口設備稱為操作站（OperatorStation，OS），是操作人員完成工藝過程監(jiān)視、操作、記錄等管理任務的環(huán)境。高性能工控機、卓越的流程圖、多窗口畫面顯示等功能可以方便地實現(xiàn)生產(chǎn)過程信息的集中顯示、集中操作和集中管理。（3）工程師站（ES）集散控制系統(tǒng)中用于控制應用軟件組態(tài)、系統(tǒng)監(jiān)視、系統(tǒng)維護的工程設備稱為工程師站（EngineerStation，ES）。它是為專業(yè)工程技術人員設計的，內(nèi)裝有相應的組態(tài)平臺和系統(tǒng)維護工具，工程師站的硬件配置與操作站基本一致。（4）通信接口單元（CIU）用于實現(xiàn)JX-300X系統(tǒng)與其它計算機、各種智能控制設備（如PLC）接口的硬件設備稱為通信接口單元(CommunicationInterfaceUnit，CIU或通信管理站)。（5）多功能站（MFS）用于工藝數(shù)據(jù)的實時統(tǒng)計、性能運算、優(yōu)化控制、通信轉(zhuǎn)發(fā)等特殊功能的工程設備統(tǒng)稱為多功能站（Multi-functionStation，MFS）。系統(tǒng)需向上兼容、聯(lián)接不同網(wǎng)絡版本的JX系列DCS系統(tǒng)時，采用MFS即可實現(xiàn)，并節(jié)省用戶的投資成本。（6）過程控制網(wǎng)（SCnetII）將控制站、操作站、通信接口單元等硬件設備連接起來，構成一個完整的分布式控制系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)各節(jié)點間相互通信的網(wǎng)絡稱為過程控制網(wǎng)（簡稱SCnetII）。SCnetII采用冗余10Mbps（局部可達100Mbps）工業(yè)太網(wǎng)。4.系統(tǒng)軟件組成組態(tài)軟件包：用戶授權管理軟件（SCReg）—權限的設置系統(tǒng)組態(tài)軟件（SCKkey）——系統(tǒng)參數(shù)設置流程圖制作軟件（SCDrewEX）——流程圖制作報表制作軟件（SCFormEx）——報表制作二次計算軟件（SCTask）——實現(xiàn)二次計算功能SCX語言編程軟件（SCLang）——控制方案編程圖形化編程軟件（SCControl）——控制方案編程實時監(jiān)控軟件：實時監(jiān)控軟件（AdvanTrol）——實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理5.通信網(wǎng)絡JX-300XP系統(tǒng)為了適應各種過程控制