1、集散控制系統（Distributed Control System，DCS）是一種以微處理器為基礎的分布式計算機控制系統。本講知識點v DCS的產生、發展（典型的DCS產品圖示）和特點v DCS的體系結構v PCS7過程控制系統及其應用v DCS的可靠性及其提高措施一、DCS的產生、發展和特點 現代化工業飛速發展，工業生產過程的控制規模不斷擴大，復雜程度不斷提高，工藝過程不斷強化，對過程控制和生產管理系統提出越來越高的要求。 控制系統的發展歷史經歷了由基地式儀表單元組合儀表計算機集中控制集散控制的過程。 產生u直接作用式氣動控制器；u控制裝置安裝在被控過程附近，每個回路有單獨控制器；u運行人員

2、分布在全廠各處；u適用于規模不太大、工藝過程不太復雜的企業。1. 30年代初期年代初期-分散控制方式分散控制方式u中央控制室，信息遠距離傳輸問題；u變送器、執行器和控制器分離：變送器、執行器安裝在現場，控制器在中央控制室；u優點：運行人員可獲得整個的生產信息，便于協調控制；u注意：控制儀表和運行人員在地理上的集中，控制器分別完成各控制任務，故障影響不大運行管理的集中，仍然分散控制；u采用氣動單元組合儀表、電動單元組合儀表和組件組裝式儀表。2. 30年代末期：集中控制年代末期：集中控制u計算機進入過程控制領域，一臺計算機控制全廠的生產過程，整個系統控制任務的集中。u特點：控制集中、管理集中u缺點

3、：受硬件水平限制，計算機可靠性低，一旦發生故障，全廠生產癱瘓。3. 50年代末年代末60年代初：集中控制方式年代初：集中控制方式4. 集散控制方式集散控制方式u分析集中控制的失敗，提出了集散控制系統的概念； 把控制功能分散在不同的計算機中完成（危險分散） 由CRT操作站和上位機進行監視和操作 應用通信技術實現各部分之間的聯系和協調uDCS繼承了常規儀表控制系統分散控制和計算機控制系統集中管理的優點，克服了常規儀表功能單一、人-機聯系差，以及單臺微型計算機控制系統危險性高度集中的缺點，既在管理、操作和顯示三方面集中，又在功能、負荷和危險性三方面分散。u特點：控制分散、管理集中 發展 1975年H

4、oneywell推出了世界上第一套集散控制系統 TDC2000, 實現了分散控制和集中管理的功能。 80年代中期，系統軟硬件技術不斷更新，系統功能得到擴大或增強；在數據通信方面采用了局域網。 80年代后期系統的通信功能增強，通信標準符合OSI參考模型，各不同制造廠家的產品可以進行數據通信。 90年代以后管控一體化，硬件上采用了開放式的工作站，采用了客戶機/服務器的結構；在軟件上則采用UNIX系統和X-Windows的圖形界面，系統的軟件更豐富。 隨著PLC和FCS技術的發展, DCS與PLC和FCS相融合的混合型分布式控制系統已經出現。1.功能齊全2.人機聯系完善3.可靠性高4.系統擴展靈活5

5、.安裝調試簡單6.性價比好DCS的性能比常規儀表控制系統和集中型計算機控制系統更為優越,它的主要特點如下： 特點二、 DCS的體系結構CRT操作站管理計算機過程控制單元過程控制單元數據采集單元集中操作與管理裝置集中操作與管理裝置分散控制裝置分散控制裝置通信系統通信系統 硬件結構-分散過程控制級 分散過程控制級是DCS的基礎層 向下直接面向工業對象，其輸入信號來自于生產過程現場的傳感器、變送器及電氣開關等，其輸出去驅動執行器（如調節閥、電磁閥、電機等），完成生產過程的數據采集、閉環調節控制、順序控制等功能； 向上與集中操作監控級進行數據通信，接收操作站下傳的參數和操作命令，以及將現場工作情況信息

6、整理后向操作站報告。 構成這一級的主要裝置有：現場控制站，可編程控制器，智能調節器及其它測控裝置。現場控制站一般是標準的機柜式機構，柜內由電源、總線、I/O模件、處理器模件、通信模件等部分組成。一般在機柜的頂部裝有風扇組件，其目的是帶走機柜內部電子部件所散發出來的熱量；機柜內部設若干層模件安裝單元，上層安裝處理器模件和通信模件，中間安裝I/O模件，最下邊安裝電源組件。機柜內還設有各種總線，如電源總線，接地總線，數據總線，地址總線，控制總線等等。現場控制站的電源不僅要為柜內提供電源，還要為現場檢測器件提供外供電源，這兩種電源必須互相隔離，不可共地，以免干擾信號通過電源回路耦合到I/O通道中去。1

7、.現場控制站現場控制站的主要功能有六種：數據采集功能：對過程參數，主要是各類傳感變送器的模擬信號進行數據采集、變換、處理、顯示、存儲、趨勢曲線顯示、事故報警等。DDC控制功能：包括接受現場的測量信號，進而求出設定值與測量值的偏差，并對偏差進行PID控制運算，最后求出新的控制量，并將此控制量轉換成相應的電流送至執行器驅動被控對象。順序控制功能：通過來自過程狀態輸入輸出信號和反饋控制功能等狀態信號，按預先設定的順序和條件，對控制的各階段進行順序控制。信號報警功能：對過程參數設置上限值和下限值，若超過上限或下限則分別進行越限報警；對非法的開關量狀態進行報警；對出現的事故進行報警。信號的報警是以聲音、

8、光或CRT屏幕顯示顏色變化來表示。打印報表功能：定時打印報表；隨機打印過程參數；事故報表的自動記錄打印。數據通信功能：完成分散過程控制級與集中操作監控級之間的信息交換 智能調節器是一種數字化的過程控制儀表，也稱可編程調節器。其外形類似于一般的盤裝儀表，而其內部是由微處理器CPU、存儲器RAM、ROM、模擬量和數字量I/0 通道、電源等部分組成的一個微型計算機系統。 智能調節器可以接受和輸出420mA模擬量信號和開關量信號，同時還具有RS-232或RS-485等串行通信接口。一般有單回路、2回路、或4回路的調節器，控制方式除一般的單回路PID之外，還可組成串級控制、前饋控制等復雜回路。 智能調節

9、器不僅可以在一些重要場合下單獨構成復雜控制系統，完成1 4個過程控制回路，而且可以作為大型集散控制系統中最基層的一種控制單元，與操作監控級連成主從式通信網絡，接受其下傳的控制參數，并上報各種過程參數。2.智能調節器 與智能調節器最大的不同點是：它主要配置的是開關量輸入、輸出通道，用于執行順序控制功能。在新型的PLC中，也提供了模擬量輸入輸出及PID控制模塊，而且均帶有RS-485標準的異步通信接口。 同智能調節器一樣，PLC的高可靠性和不斷增強的功能，使它既可以在小型控制系統中擔當控制主角，又可以作為大型集散控制系統中最基層的一種控制單元3.可編程調節器 集中操作監控級是面向現場操作員和系統工

10、程師的。 集中操作監控級以操作監視為主要任務把過程參數的信息集中化，對各個現場控制站的數據進行收集，并通過簡單的操作，進行工程量的顯示、各種工藝流程圖的顯示、趨勢曲線的顯示以及改變過程參數（如設定值、控制參數、報警狀態等信息）；另一個任務是兼有部分管理功能：進行控制系統的組態與生成。 構成這一級的主要裝置有：面向操作人員的操作員操作站、面向監督管理人員的工程師操作站、監控計算機及層間網絡聯接器。 一般情況下，一個DCS系統只需配備一臺工程師站，而操作員站的數量則需要根據實際要求配置。 硬件結構-集中操作監控級DCS的綜合信息管理級主要由高檔微機或小型機擔當的管理計算機構成，它實際上是一個管理信

11、息系統，是由計算機硬件、軟件、數據庫、各種規程和人共同組成的工廠自動化綜合服務體系和辦公自動化系統。DCS的綜合信息管理級主要完成生產管理和經營管理功能。比如進行市場預測，經濟信息分析；對原材料庫存情況、生產進度、工藝流程及工藝參數進行生產統計和報表；進行長期性的趨勢分析，作出生產和經營決策，確保最優化的經濟效益。目前國內使用的DCS重點主要放在底層與中層二級上。3.硬件結構- DCS的通信系統 DCS各級之間的信息傳輸主要依靠通信網絡系統來支持。 與一般的局域網不同，DCS中采用的通信網絡是用于生產過程的控制和管理，具有以下特點：1. 具有快速的實時響應能力，一般辦公室自動化計算機局部網絡響

12、應時間為2-6s，而它要求0.01-0.5s；2. 具有高的可靠性，必須連續、準確運行，數據傳送誤碼率低于10-810-11，系統利用率在99.999%以上；3. 適合于在惡劣環境下工作，能抗電源干擾、雷擊干擾、電磁干擾和低電位差干擾； 軟件系統由于DCS是多層體系結構，每層的硬件組成及其完成功能不同，因而相應的軟件系統也會不同。處于高層的DCS綜合信息管理級是一個以數據處理為中心的管理信息系統，而從自動控制的角度出發，更關心用于底層與中間層的軟件系統，它主要包括控制軟件包、操作顯示軟件包等。 用于分散過程控制級，為用戶提供各種過程控制的功能，包括：數據采集和處理、控制算法、常用運算公式和控制

13、輸出等功能模塊。 由于構成這一級的裝置不同，而且即便是同一種裝置但廠家品牌、型號也可能不同，實際上支持這些硬件裝置的軟件平臺和編程語言都不相同。歸納起來有圖形化編程（又分功能塊圖、梯形圖、順序功能圖），文本化語言（又分指令表和結構化文本），面向問題的語言（又分填表式和批處理兩種）和通用的高級語言（又分VB、VC等）等多種。 當把相應的軟件安裝在控制裝置中，用戶可以通過組態方式自由選用各種功能模塊，以便構成控制系統。 用于集中操作監控級，為用戶提供豐富的人-機接口聯系功能。 在操作站上進行集中操作監視，可以選擇多種圖形顯示畫面，如總貌顯示、分組顯示、回路（點）顯示、趨勢顯示、流程顯示、報警顯示和

14、操作指導等畫面，并可以在圖形畫面上進行各種操作，所以它可以完全取代常規模擬儀表盤。 需要指出的是，當前國內市場上已經成功運行著十幾種通用監控組態軟件。2. 操作顯示軟件包 組態 簡單的講，組態（Configuration）就是用應用軟件中提供的工具、方法、完成工程中某一具體任務的過程。集散系統的組態主要包括系統組態、控制組態、畫面組態。 系統組態操作是根據已有的DCS，確定各設備的可尋址的標志號、各設備之間的連接關系（部分為硬接線）、所包含的軟件環境以及相應操作系統。 控制組態可以通過編程或組態器，也可以由操作站直接送入后再下裝到分散過程控制裝置，用于確定各分散過程控制裝置的輸入輸出通道特性、

15、建立數據庫，確定控制方案和實施手段等。 畫面組態包括操作站、簡易型操作終端、工程師站以及上位管理站的用戶畫面的組織、畫面的生成、數據點的確定、調用畫面的手段等。 SIMATIC PCS 7是一種新型過程控制系統。它提出了一種全集成自動化（Totally Integrated Automation, TIA）理念，具有統一的數據管理、通信和組態功能。 PCS 7 采用了TIA 系列的標準硬件和軟件，基本部件包括自動化系統、分布式I/O、操作員站、工程師站和通信網絡。 系統由PROFIBUS-DP總線和工業以太網兩級網絡組成。DP總線用于自動化系統和設備級分散I/O之間通信，是系統底層控制網絡。工

16、業以太網連接分散過程控制級和集中操作監控級，構成系統上層網絡。三、 DCS實例PCS7過程控制系統PCS7 系統結構 AS-iProfibus-PAProfibus-PAProfibus-PAOS-LAN工業以太網工業以太網標準自動化系統AS414-3等工程師站ESOS單站OS服務器容錯自動化系統AS414-4H等歸檔服務器OS客戶機管理計算機分布式I/OET200分布式I/OET200故障安全自動化系統AS414FH等分布式I/OET200DP/PA鏈接器DP/PA鏈接器DP/PA鏈接器DP/AS-i鏈接器Profibus-DP 分散過程控制裝置 PCS 7分散過程控制裝置包括自動化系統和分

17、布式分散過程控制裝置包括自動化系統和分布式I/O。標準自動化系統包括 AS 414-3、AS 416-2、AS 416-3 和AS 417-4。其中AS 414-3適于小型應用，其余用于中等規模或更大的系統。該由機架、電源模塊（PS）、中央處理單元（CPU）和通信處理器（CP）構成。容錯自動化系統它可以滿足高可靠性的要求，包括 AS 414-4-1H、AS 417-4-1H、AS 414-4-2H 和AS 417-4-2H等四種類型的產品。故障安全自動化系統它不僅可檢測過程中的故障, 而且還可檢測系統內部故障，在檢測錯誤時, 自動將裝置設置到一個安全狀態。基于 AS 414H 和 AS 417

18、H 的故障安全自動化系統（F/FH 系統）將工廠自動化和安全功能組合到單一系統之中。ET 200M 是主要的分布式是主要的分布式 I/O 產品，與產品，與PCS 7的自動化系統一起用于過的自動化系統一起用于過程控制。它由電源模塊、接口模塊和程控制。它由電源模塊、接口模塊和 I/O 模塊組成，均可實現冗余配置。模塊組成，均可實現冗余配置。ET 200iS 是具有本安性能的是具有本安性能的 I/O 產品，防護等級產品，防護等級 IP 30，可以直接安裝，可以直接安裝在防爆在防爆1區或區或2區中，傳感器區中，傳感器/ 執行器置于執行器置于0區。每個模塊都可在防爆環境區。每個模塊都可在防爆環境中熱插拔

19、。中熱插拔。ET 200S 是一種新型產品，防護等級是一種新型產品，防護等級IP 20，適用于需要故障安全電機啟，適用于需要故障安全電機啟動器的場合。也支持模塊的熱插拔，但它的動器的場合。也支持模塊的熱插拔，但它的I/O 模塊比模塊比ET 200iS豐富，豐富，除模擬量和數字量除模擬量和數字量I/O模塊以外，還包括電機起動器、氣動模塊等。模塊以外，還包括電機起動器、氣動模塊等。ET 200X 具有較高的防護等級具有較高的防護等級IP 65/67, 適于無控制柜場合的多功能解決適于無控制柜場合的多功能解決方案。其方案。其 I/O 模塊與模塊與ET 200S類似。類似。分布式I/O 集中操作管理裝

20、置 PCS7的集中操作管理裝置由操作員站和工程師站組成。操作員站操作員站OS是PCS 7 系統的人機接口, 用于生產過程的操作和監視。有單用戶系統（OS 單站）和具有客戶機/服務器結構的多用戶系統（OS客戶機/OS服務器）。單用戶系統 所有過程操作和監視都集中在一個站中,OS單站通過RJ 45端口可與OS LAN相連，也可通過通信處理器或標準LAN卡接入工業以太網。多用戶系統 通過OS LAN 從一個或多個OS 服務器接收數據，它還具有客戶機功能, 能訪問系統中其它OS服務器上的數據。操作員站采用WinCC組態軟件，能完成從畫面顯示到歷史趨勢記錄的一系列功能，并可設置操作權限。工程師站ES工程

21、師站用于對整個PCS7 系統進行組態。它采用和操作員系統的OS 單站相同的硬件以及Windows2000 操作系統, 可通過多屏圖形卡將最多四個過程監視器連接在一起來擴展工作區，使得組態更為方便。ES軟件為PCS7系統的所有部件提供統一的數據管理和組態工具，包括連續功能圖CFC、順序功能圖SFC、功能塊庫、硬件組態工具HW Config、OS圖形組態軟件、過程設備管理器PDM等部分。 CFC/SFC都是圖形組態工具, 前者以功能塊為基礎 , 主要用于連續過程的控制組態，后者用于順序控制。HW Config和PDM 是硬件組態工具，用于自動化系統、操作員站、工程師站、通信網絡及現場設備的組態。

22、通信網絡PCS 7 的通信系統包括工業以太網和現場總線。工業以太網用于自動化系統與操作員站、工程師站之間的數據通信，現場總線連接自動化系統和分布式 I/O，用于現場控制及檢測采集單元的數據交換。工業以太網工業以太網連接分散控制裝置和操作管理裝置。網絡可采用總線型、星型、環型等多種拓撲結構，較大的系統均采用冗余光纖環網。通信協議符合IEEE802.3及IEEE 802.3u標準。通過電氣交換機和光纖交換機連接子網，最多可連接1000個站。通信距離可達1.5公里(電纜)/200公里(光纖)。三線電纜、工業用雙絞線和光纜均適宜作為傳輸介質。現場總線PCS 7系統使用PROFIBUS DP、PA和AS

23、-I等現場總線。PROFIBUS DP 適用于自動控制系統和設備級分散 I/O 之間通信。PROFIBUS DP 網絡包括由DP 主站、從站和DP/PA、DP/AS-i等鏈接器。網絡可采用總線型、星型和樹型等多種結構。 主站 和從站之間采用輪循的通信方式，最多可連接125個從站, 傳輸速率可設置在 9.6 Kbit/s到1.5Mbit/s之間。通信介質包括光纖和屏蔽兩線電纜。通信距離最遠可達9.6公里(電纜)/90公里(光纖)。PROFIBUS PA是專為過程自動化設計的本質安全的傳輸技術，一根總線上可以同時實現供電和信息傳輸, 符合IEC1158- 2中規定的通信規程，可實現總線供電和本質安全防爆。PA拓撲結構包括總線型、星型和樹型。在防爆區每個DP/ PA 鏈路最多可連接15個現場設備，非防爆區最多可達31個, 通信介質采用屏蔽兩線電纜實現。通信距離可達1.9公里。AS-I 是直接連接現場傳感器和執行器的總線系統。 作為電纜束的替代品, AS-I總線利用無屏蔽兩芯電纜連接現場設備。AS-i總線網絡為單主站系統, 拓撲結構包括總線型、星型和樹型。一個標準的AS-i總線系統可以最多連接31個從站, 每個從站可最多配置4路輸入和4路輸出。經擴展，系統可連接62個從站。通信距離可達100米(無中繼