第7章 集散控制系统统的构成计算机控制技术7.1 概述采用PC机作为为DCS中的各种节节点，特别别是操作员员站和工程师师站已是自然的 发发展趋势趋势 。有越来越多的DCS厂家采用工作站，提高了DCS的功能和性能，尤其 是PC机广泛的软软件资资源和网络络支持、图图形处处理能力等。DCS的进进一步分散优优越性：将危险险性进进一步分散，每块块板损损坏后的影响面进进一步缩缩小；I/O控制站的冗余可以在站内实现实现 ，进进一步分散了处处理功能，使系统统整体处处理能力得以提高;控制站的容量有较较大的扩扩充余地，使系统统的扩扩充更加灵活方便；系统统的维维修更加方便，实现实现 分板维维修，造成的影响更小;大大增加系统统的自诊诊断能力；有条件将回路控制功能下放到IO板级级，以便提高控制速度；有条件实现实现 分散式安装,简简化了现场现场 布线线的工作。第7章 集散控制系统统的构成第7章 集散控制系统统的构成计算机控制技术PLC与其它各种计计算机系统统和设备实现设备实现 集成，使得PLC组组成的系统统具备备了 DCS的形态态。DCS软软件的开放性和标标准化的问题问题DCS厂商将更多地采用商品化的软软件产产品，例如图图形处处理软软件、电电子报报表 软软件、数据库软库软 件、通信软软件和多媒体软软件等等。DCS的软件仍是专用的与其硬件产品密切相关，不同的DCS厂商的组态软件 不可相互替代。以IPC工控组态软件和现场I/O控制硬件组成基于IPC的DCS已成为发展趋势 。 第7章 集散控制系统统的构成计算机控制技术综上所述目前DCS系统可分三种类型：(1) 仪表厂家生产的DCS系统 如FOXBORO公司的IA系列，Honeywell公 司生产的TDC3000和Honeywell 900，横河公司的Centum和XL等，都是从 70年代开始一代一代发展起来的DCS系统产品，经过多年现场应用考核证明性 能良好、可靠、实用。这类系统的主要问题在于系统结构的封闭性，也就是必 须遵守相应厂家的规范标准才能进行工作，在扩充上和开放上存在着不足。(2) IPCDCS系统 该类系统建立在工业PC的基础上，采用标准的通信网络 ，构成开放性的DCS体系结构，显然在功能上更强，系统扩充更容易，软件丰 富，性能价格比较高，可很快地将PC的新技术用于系统中，因而是目前发展 的主流。(3) PLCDCS系统 该类系统建立在PLC的基础上，将PC通信网络与PLC 结合起来。这种方式实用，可靠性高。 第7章 集散控制系统统的构成计算机控制技术尽管上述每种类型的DCS系统都有其独特之处，我们仍可将他们的共同之 处用下图来表示。 过 程 传 感 器 和 执 行 装 置第7章 集散控制系统统的构成计算机控制技术该结该结 构中的设备设备 可被归为归为 三类类：与被控过过程直接相连连的接口设备设备执执行高层层人机接口和计计算功能的设备设备提供设备间设备间 通信的设备设备各设备简设备简 短定义义如下： 本地现场现场 控制单单元(LCU)系统统中可执执行闭环闭环 控制的最小硬件集。 LCU直接和过过程连连接。 低层层人机接口(LHMI)供操作工或仪仪表工操作本地控制单单元的设设 备备(如改变设变设 定值值，改变变控制模式，调调整参数等)。也可以是供监视监视 或修改 过过程工艺艺参数的设备设备 。第7章 集散控制系统统的构成计算机控制技术 数据I/O单单元(DI/DO)和过过程连连接，只用于采集或输输出数据的设备设备 ， 不执执行控制功能 高层层人机接口(HHMI)提供友好的人机界面，可显显示全系统统的工作状 况（如流程图图，历历史数据，统计统计 分析，报报表等）及系统组态统组态 。通过过通信设备设备 与 其它设备设备 相连连。 高级计级计 算设备设备 (HCD) 一般是单单独的微处处理机，执执行全局优优化、高 级过级过 程控制算法等功能，也通过过通信设备设备 与其它设备设备 相连连。 计计算机接口设备设备 允许许其它通用计计算机连连入集散控制系统统，从中获获得 某些信息和数据，实现资实现资 源共享。 通信设备设备 单级单级 或多级级通信网络络，提供分布系统统内各设备间设备间 的数据和 信息交换换，该设备该设备 不包括特定设备间设备间 的通信连连接和设备设备 内不同器件间间的数据通 信。第7章 集散控制系统统的构成计算机控制技术电源设备虽然没有在上图中给出，但它对集散控制系统的设计和使用具有非常重要的意义。DCS的关键是计算机的网络技术，我们可以认为DCS的结构其实质就是一个网络结构。如何充分利用网络资源，如何通过网络协调DCS中各台计算机的运行，如何在多台计算机共同完成系统功能的过程中，保证所处理信息的实时性、完整性和一致性，则成为了DCS设计中的关键问题。 第7章 集散控制系统统的构成计算机控制技术7.2基于IPC的DCS系统统构成(IPC-DCS)IPC-DCS系统自上而下分为4层：管理层(SMS)、操作层(IOS)、现场控制层 (FCS)、仪表层(FIS)，其基本结构如下图。 第7章 集散控制系统统的构成计算机控制技术1管理层(SMS)用于工厂总工室或计划调度室。2操作层(IOS)用于系统中央控制室（或值班室等），运行SCADA软件和主体工控组态软件 （GENESIS、Wincc或FIX）、进行生产流程的操作。3控制层(FCS)用于控制设备间、现场控制房和现场仪表间，运行现场IO程序、PID运算。4仪表及设备层(FIS)位于工业生产设备现场，提供变送器、传感器、驱动装置和执行机构的信号调整。第7章 集散控制系统统的构成计算机控制技术7.2.1 IPC-DCS的网络体系 IPC-DCS的网络结构体系可划分为三种类型：1.客户服务器结构；2.对等 结构；3.混合结构。1. 客户户服务务器结结构 客户端本身没有数据库，过程I/O数据全都集中连接在服务器端。第7章 集散控制系统统的构成计算机控制技术2. 对等结构 每个节点都与过程I/O相连,节点之间可以互相访问对方的过程数据。当过程I/O点数较 多，生产装置的地 域位置较分散时， 适于采用这种结构 。第7章 集散控制系统统的构成计算机控制技术3. 混合结构混合结构由客户服务器结构、对等结构等基本系统结构混合组成。第7章 集散控制系统统的构成计算机控制技术7.2.2 IPC-DCS的通信方式IPC-DCS的通信方式可划分为三种类型:1.串行通信；2.使用公众电话网拨号通信；3.通过以太网用TCP/IP协议通信。第7章 集散控制系统统的构成计算机控制技术1. 串行通信监控组态软件的SCOMServer和SCOMClient支持计算机之间通过串行通信口 联网，当串口使用RS232/RS422时，只能实现计算机间1：1的互联。如果想实现 1：N的计算机互联，则计算机必须配有N个串口。第7章 集散控制系统统的构成计算机控制技术当串口使用RS485时，只需一个串口便可实现计算机间1：N的互联。N的取 值大小决定于RS485驱动芯片的带载能力。第7章 集散控制系统统的构成计算机控制技术2. 使用公众电话网拨号通信3. 通过以太网用TCP/IP协议通信 安装了监控组态软件。应用系统的任一网络节点机，均可以同时作为其他 一个或多个客户机的服务器，同时也可以作为客户端访问其他多个服务器。第7章 集散控制系统统的构成计算机控制技术7.2.3 IPC-DCS的过程控制级的构成典型的过程控制级的内容构成如下图所示。第7章 集散控制系统统的构成计算机控制技术IPC-DCS的过程控制级一般由4部分构成： 现场信号的输入输出单元； 微型计算机（工业控制机或含CPU的专用控制单元）； CRT和打印机等常规外设； 手动自动操作单元。第7章 集散控制系统统的构成计算机控制技术IPC-DCS过过程控制级级主要功能包括：1.数据采集 它提供高、中、低速的数据采集和数据处处理功能、事故打 印、事故追忆忆、制表输输出功能。2. DDC控制 具有执执行多回路的PID调节调节 功能、显显示、报报警功能。另有 顺顺序控制功能和自适应应、最优优、解耦控制功能。3. 数据通信 完成控制站与上位机间间的信息交换换。第7章 集散控制系统统的构成计算机控制技术7.3 PLC的DCS系统统构成（PLC-DCS）开放式PLC-DCS结结构包含三个网络层络层 ：即设备层设备层 、控制层层以及信息层层，其结结 构简图简图 如图图7.11所示。第7章 集散控制系统统的构成计算机控制技术7.3.1 PLC-DCS的网络络体系1.典型网络结络结 构(1)设备层设备层 网络络 设备层设备层 网络络是基于现场总线现场总线 技术术的工业标业标 准开放网络络或PLC厂家各自推 出的总线总线 网络络，用于提供低层层工业业装置（传传感器、拖动动装置、阀门阀门 等）与 高层设备层设备 （计计算机、PLC）之间间的连连接。(2)控制层层网络络 控制层层网络络是基于PLC工业业网络络和现场总线现场总线 技术术的开放或半开放网络络。 它将I/O网络结络结 合起来，成为为可满满足实时实时 性和高吞吐量要求的网络络。 (3)信息层层网络络 信息层层网络络是以太网工业标业标 准TCPIP网络络。 第7章 集散控制系统统的构成计算机控制技术2.典型网络简络简 介基于PLC的DCS 控制系统统的 SIEMENS公司的 PLC网络产络产 品。第7章 集散控制系统统的构成计算机控制技术7.3.2 PLC-DCS网络络中常用的通信方式1PLC控制网络络的“周期I/O方式”通信 主站中负责负责 通信的处处理器采用周期扫扫描方式与各从站交换换数据，使主站 中“远远程I/O缓缓冲区”得到周期性刷新，在主站中PLC的CPU单单元负责负责 用户户程序 的扫扫描，对对本地I/O单单元及远远程I/O缓缓冲区进进行读读写操作。这样这样 一种通信方式 既涉及到周期又涉及到I/O，因而被称为为“周期I/O方式”。2PLC控制网络络的“全局I/O方式”通信 全局I/O方式的通信原理如图图所示。 通过过广播通信过过程，PLC1，PLC2， PLC3的使各链链接区中数据等值值化。 每台PLC只要访问访问 自己的链链接区， 就等于访问访问 了其它PLC的链链接区， 也就相当于与其它PLC交换换了数据。全局I/O方式中的链链接区是从PLC的I/O区划分出来的，经过经过 等值值化通信变变成 所有PLC共享（全局共享），因此称为为“全局I/O方式”。第7章 集散控制系统统的构成计算机控制技术3主从总线总线 1：N通信方式（PLC通信网络络）主从总线总线 通信方式(1：N通信方式): 线结线结 构的PLC子网上有N个站，其中只有1个主站，其它皆是从站，也就是 因为这为这 个原因主从总线总线 通信方式又称为为1：N通信方式。主从总线总线 通信方式采用集中式存取控制技术术分配总线总线 使用权权，通常采用轮轮 询询表法。主从总线总线 通信方式中有两种基本的数据传传送方式: 只允许许主从通信，不允许许从从通信，从站与从站要交换换数据，必须经须经 主站 中 转转。 既允许许主从通信也允许许从从通信，从站获获得总线总线 使用权权后先安排主从通信 ，再安排自己与其它从站（即从从）之间间的通信。第7章 集散控制系统统的构成计算机控制技术4令牌总线总线 N：N通信方式（PLC通信网络络）令牌总线总线 通信方式又称为为N：N通信方式。在总线结总线结 构上的PLC子网上有N个站，N个站都是主站。N：N通信方式采用令 牌总线总线 存取控制技术术。数据传传送方式无应应答数据传传送方式。采用有应应答数据传传送方式。有些令牌总线总线 型 PLC 网络络的数据传传送方式固定为为一种，有些则则可由用户选择户选择 。第7章 集散控制系统统的构成计算机控制技术5浮动动主站N：M通信方式（PLC通信网络络）浮动动主站通信方式又称N：M通信方