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1、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l2.1.1 DCS的体系结构lDCS系统通常分四层结构（分别对应四层计算机网络）：p现场级、对应现场网络（Field Network）p过程控制级、对应控制网络（Control Network）p操作监控级、对应监控网络（Supervision Network）p信息管理级、对应管理网络（Management Network）DCS的典型体系结构的典型体系结构DCS系统四级（层）内容介绍：系统四级（层）内容介
2、绍：l1现场级（层）现场级（层）l 此层有现场此层有现场各类测控装置各类测控装置（设备），如各类传感器、变（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）的信送器、执行器等。它们能够完成对生产装置（过程）的信号号转换、检测和控制量的输出转换、检测和控制量的输出等。现场控制站（过程控制等。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。计算机）通过现场网络直接与这级（层）设备连接。l2控制级（层）控制级（层）l 此层有此层有现场控制站现场控制站（包括各种控制器、智能调节器）和（包括各种控制器、智能调节器）和现场数据采集站现场数据采集站等。它们通过控制网直
3、接与现场各类装置等。它们通过控制网直接与现场各类装置(如变送器、执行机构如变送器、执行机构)相连，完成对所连接的各类装置实相连，完成对所连接的各类装置实施施监测和控制监测和控制。l 同时，它们还能与上面的监控层计算机相连，同时，它们还能与上面的监控层计算机相连，接收接收上层上层的管理信息，并的管理信息，并向上传递向上传递现场装置的特性数据和采集到的现场装置的特性数据和采集到的实时数据。实时数据。l3监控级（层）监控级（层）l此层有此层有操作员工作站、工程师工作站和计算站操作员工作站、工程师工作站和计算站等。它等。它们能对现场设备进行们能对现场设备进行检测和故障诊断检测和故障诊断，能综合各个过，
4、能综合各个过程控制站的所有信息，对全系统进行程控制站的所有信息，对全系统进行集中监视和操作集中监视和操作；能进行能进行组态、参数修改和优化过程处理组态、参数修改和优化过程处理等工作。并能等工作。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），异常时态），异常时实施报警、给出诊断报告实施报警、给出诊断报告等措施。等措施。l4管理级（层）管理级（层）l此层有此层有生产管理和经营管理计算机生产管理和经营管理计算机。实现全厂设备性。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。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
5、全厂的主要承担全厂的管理决策、计划管理、行政管理管理决策、计划管理、行政管理等任等任务，即为厂长和各管理部门服务务，即为厂长和各管理部门服务。2.1.2 DCS的分散方式l1.DCS的分散方式的分散方式l1）功能分散）功能分散 按装置或设备的功能考虑，并以全局控制和个别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。控制之间的分散来划分的。 l 2）物理分散）物理分散l 由许多不同的物理实体分散地实现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。有层次分散型和水平分散型两种分散形式。l3）地域分散）地域分散l指安装布置方式，有如下两种形式：指安装布置方
6、式，有如下两种形式：l地域集中式地域集中式l地域分散式地域分散式l4）负荷分散）负荷分散l通过负荷分散，使一个控制处理装置发生故障时的危通过负荷分散，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。险影响减到尽可能小的地步。 2.DCS的冗余化的冗余化l常用的冗余方式如下：常用的冗余方式如下：l1）同步运转方式）同步运转方式l2）待机运转方式）待机运转方式l3）后退运转方式）后退运转方式l4）多级操作方式）多级操作方式2.1.3 DCS的各级（层）功能的各级（层）功能l1现场级（层）的功能现场级（层）的功能p1）各类传感器和变送器的功能）各类传感器和变送器的功能p2）执行器的功能）执
7、行器的功能p3）现场级（层）的信息传输方式）现场级（层）的信息传输方式（1）传统的）传统的420mA 模拟量传输方式；模拟量传输方式；（2）现场总线的全数字量传输方式；）现场总线的全数字量传输方式；（3）在）在420mA模拟量信号上，叠加调制后的数模拟量信号上，叠加调制后的数字量信号的混合传输方式。字量信号的混合传输方式。 2控制级（层）的功能控制级（层）的功能l1）过程控制站的功能）过程控制站的功能 能对现场设备（如传感器、变送器等）传来能对现场设备（如传感器、变送器等）传来的信息，按照一定的控制策略进行的信息，按照一定的控制策略进行分析、处理分析、处理并并计算计算出所需的出所需的控制量控制
8、量，通过输出通道将控制量信，通过输出通道将控制量信息传递给现场的执行器，完成系统的控制任务。息传递给现场的执行器，完成系统的控制任务。 l2）数据采集站的功能）数据采集站的功能 数据采集站能完成过程数据采集站能完成过程数据采集、设备监测、数据采集、设备监测、系统测试和故障诊断系统测试和故障诊断。 3监控级（层）的功能监控级（层）的功能l1)操作员工作站操作员工作站的主要功能是用于的主要功能是用于监视和控制监视和控制整个生整个生产过程（装置）。产过程（装置）。 l2)工程师工作站工程师工作站的主要功能是为控制工程师对的主要功能是为控制工程师对DCS控控制系统进行配置、组态、调试和维护提供的一个工
9、作制系统进行配置、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各种设计文件进行归类和管理，形成相应的设计文档等。等。l3)计算站计算站主要是由超级微型机或小型机组成。它的主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。要功能是对生产过程进行监督控制。 4管理级（层）的功能管理级（层）的功能l 此层是此层是DCS的的最高级（层）管理者最高级（层）管理者通过其上位机（管理计通过其上位机（管理计算机）可以进行算机）可以进行生产管理和经营管理生产管理和经营
10、管理。 l1）生产管理级（层）生产管理级（层）l生产管理级（层）是工厂企业生产管理者使用的生产管理级（层）是工厂企业生产管理者使用的主要功能主要功能是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，
11、在这一级（层）能实现对全厂生产管理和产规划目标。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。品的监视报告，并与上级（层）交互传递数据信息。2）经营管理级（层）经营管理级（层）l经营管理级（层）是工厂经营者使用的。它管理经营管理级（层）是工厂经营者使用的。它管理的范围很广，包括工程的范围很广，包括工程技术方面、经济方面、商技术方面、经济方面、商业事务方面、人事活动方面以及其他方面业事务方面、人事活动方面以及其他方面的功能。的功能。把这些功能都集成到软件系统中，通过综合的产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
12、的材品计划，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。料和能量调配，以达到最优地解决策略和方法。在这一层中，通过网络与公司的在这一层中，通过网络与公司的经理部、市场部、经理部、市场部、计划部以及人事部计划部以及人事部等办公室进行连接，来实现整等办公室进行连接，来实现整个企业系统的最优化。个企业系统的最优化。2.2 DCS的构成及联系l2.2.1 DCS的基本构成的基本构成l一个基本的一个基本的DCS一般是由一般是由现场控制站现场控制站（或过（或过程控制单元）、程控制单元）、现场数据采集站现场数据采集站（或过程接口（或过程接口单元）、单元）、操作员工作站操作员工
13、作站、工程师工作站工程师工作站、各种各种功能站功能站（如记录数据站、高级控制站、管理计（如记录数据站、高级控制站、管理计算站等）和算站等）和高速数据通道高速数据通道（或系统通信网络）（或系统通信网络）等几个主要部分组成，如下页图所示。等几个主要部分组成，如下页图所示。1.1.现场控制站现场控制站 现场控制站可控制多个现场控制站可控制多个回路，具有极强的运算和控回路，具有极强的运算和控制功能，能够自主地完成回制功能，能够自主地完成回路控制任务，实现反馈控制、路控制任务，实现反馈控制、逻辑控制、顺序控制和批量逻辑控制、顺序控制和批量控制等功能。控制等功能。 现场控制站（现场控制站（Scene Co
14、ntrol Station，SCS），又叫过程控制），又叫过程控制单元（单元（Process Control Unit，PCU），是），是DCS的核心，系统主要的的核心，系统主要的控制功能是由它来完成的。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。行机构，实现对生产过程的控制。现场控制站机柜2.2.数据采集站数据采集站 数据采集站通过现场仪表直接与数据采集站通过
15、现场仪表直接与生产过程相连接，对过程非控制变量生产过程相连接，对过程非控制变量进行数据采集和预处理，并对实时数进行数据采集和预处理，并对实时数据进一步加工。据进一步加工。为操作站提供数据，为操作站提供数据，实现对过程的监视和信息存储；为控实现对过程的监视和信息存储；为控制回路的运算提供辅助数据和信息。制回路的运算提供辅助数据和信息。 数据采集站（数据采集站（Data Acquisition Stand，DAS）又叫过程接口单元（）又叫过程接口单元（Process Interface Unit，PIU）。）。l目前，大多目前，大多DCS的数据采集站已由现场控制站替代。的数据采集站已由现场控制站替
16、代。3.3.操作员工作站操作员工作站操作站提供了良好的人机交互界面，操作站提供了良好的人机交互界面，用以实现集中监视、操作和信息管用以实现集中监视、操作和信息管理等功能。理等功能。 在有的小在有的小DCS中，操作站兼有工程中，操作站兼有工程师站的功能，在操作站上也可以进师站的功能，在操作站上也可以进行系统组态和维护的部分或全部工行系统组态和维护的部分或全部工作。作。 l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是操作运行人员与控制系统交换信息的人机接口。一般交换信息的人机接口。一般是由一台具有较强图形处理是由一台具有较强图形处
17、理功能的功能的微型计算机微型计算机，以及相，以及相应的应的外部设备外部设备组成。它配有组成。它配有CRT或或LED（Light Emitting Diode）显示器、）显示器、大屏幕显示装置、打印机、大屏幕显示装置、打印机、拷贝机、键盘、鼠标等拷贝机、键盘、鼠标等。 4.4.工程师站工程师站工程师能够借助于组态软件对工程师能够借助于组态软件对系统进行离线组态，并在系统进行离线组态，并在DCS在线运行时，可以实时地监视在线运行时，可以实时地监视通信网络上各工作站的运行情通信网络上各工作站的运行情况。况。l工程师工作站工程师工作站（Engineering Work Station，EWS）是由）是
18、由PC机机配置一定数量的外部设备所配置一定数量的外部设备所组成，如组成，如CRT（或（或LED）显）显示器、键盘、鼠标、打印机示器、键盘、鼠标、打印机和绘图机等。和绘图机等。l专业技术人员通过键盘可以专业技术人员通过键盘可以进行各种组态（系统组态、进行各种组态（系统组态、硬件组态和软件组态），对硬件组态和软件组态），对各种设计文件进行归类和管各种设计文件进行归类和管理，和在线的系统监督、控理，和在线的系统监督、控制与维护。制与维护。5高速通信总线高速通信总线l 高速通信总线高速通信总线(Data High Bus，DHB)，又叫数，又叫数据高速通道据高速通道(Data High Way，DHW
19、)。它是一种具有。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。率在各单元之间传输信息。6管理计算机管理计算机l管理计算机管理计算机(Manager Computer，MC)，习，习惯上称它为上位机。惯上称它为上位机。管理计算机是管理计算机是DCS的的主机。主机。l具有进行大型复杂运算的能力以具有进行大型复杂运算的能力以及多输入、多
20、输出控制功能，根据及多输入、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，以实现系统的最计算、优化控制，以实现系统的最优控制和全厂的优化管理。优控制和全厂的优化管理。 通过网络收集系统通过网络收集系统中各单元的数据信息，中各单元的数据信息，综合监视全系统的各单综合监视全系统的各单元，管理全系统的所有元，管理全系统的所有信息。信息。综上所述，操作站、工综上所述，操作站、工程师站和管理计算机构程师站和管理计算机构成了成了DCS的人机接口，的人机接口，用以完成集中监视、操用以完成集中监视、操作、组态和信息综合管作、组态和信息综合管理等任务理等任务。现
21、场控制站现场控制站和数据采集站构成和数据采集站构成DCS的过程接口，用以完成的过程接口，用以完成数据采集与处理和分散数据采集与处理和分散控制任务。控制任务。通信总线是通信总线是连接连接DCS各部分的纽带，各部分的纽带，是实现集中管理、分散是实现集中管理、分散控制目标的关键。控制目标的关键。2.2.2 DCS的通信联系l1系统通信网络系统通信网络l高速通信总线是高速通信总线是DCS 中的另一个重要组成部分，又叫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），数据高速通道（或系统通信网络），它是连接系统各它是连接系统各个站的桥梁。也就是说，个站的桥梁。也就是说，DCS中的现场控制站（或
22、过中的现场控制站（或过程控制单元）、现场数据采集站（或过程接口单元）、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。分都是由数据高速通道连接起来的。2管理信息网管理信息网l随着随着DCS技术的发展，技术的发展，DCS已从初期的单纯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、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监督控制、生产
23、管理等全厂范围的控制和管理系统。系统。l因此，因此，DCS 更应该被看成是一个计算机管理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控制系统，其中，包含了全厂自动化控制和管理的丰富内涵。理的丰富内涵。具有管理信息网的具有管理信息网的DCS系统结构图系统结构图2.2.3 DCS常用结构类型常用结构类型l分散过程控制站十高速数据公路操作站十上位机。这分散过程控制站十高速数据公路操作站十上位机。这是是DCS的结构。的结构。l分散过程控制装置局域网十信息管理系统。采用局域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，这是网技术，通信性能提高，
24、联网能力增强，这是的典型结构。的典型结构。l模件化控制站宽带、载带局域网十信息综合管理系统。模件化控制站宽带、载带局域网十信息综合管理系统。这是这是的结构。的结构。l单（多）回路控制器通信系统操作管理站。这是一单（多）回路控制器通信系统操作管理站。这是一种适用于种适用于小型企业的小型企业的DCS结构结构，具有较大的灵活性和较，具有较大的灵活性和较高性价比。高性价比。l可编程控制器（可编程控制器（PLC）通信系统操作管理站。这是）通信系统操作管理站。这是一种在一种在制造业广泛采用的制造业广泛采用的DCS结构结构，尤其对生产过程顺，尤其对生产过程顺序控制系统特别有效。序控制系统特别有效。2.3 D
25、CS的硬件系统l本节从过程控制站、人机接口设备、系统通信设备等三个方面，对DCS的硬件系统和组成作一个扼要阐述。l 冗余冗余：通俗来讲，冗余就是热备用，可以理解既：通俗来讲，冗余就是热备用，可以理解既多余又不多余。多余又不多余。l 当两件卡件设置成冗余工作时，其中一个卡件处当两件卡件设置成冗余工作时，其中一个卡件处于于工作状态工作状态，而另一个卡佳处于，而另一个卡佳处于备用状态备用状态，一旦工，一旦工作卡件故障，备用卡马上会切换到工作，承担起原作卡件故障，备用卡马上会切换到工作，承担起原来工作卡的任务，从而保证系统持续正常工作。来工作卡的任务，从而保证系统持续正常工作。l 一般来说，卡件冗余必
26、须通过跳线设置并满足地一般来说，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：址冗余的要求。地址冗余是指：互为冗余的卡件必互为冗余的卡件必须放置在地址为须放置在地址为I，I+1的槽位，的槽位，I为偶数。为偶数。硬件基础硬件基础2.3.1过程控制站过程控制站l DCS的控制级位于系统的最底层。的控制级位于系统的最底层。l 它接收来自现场的各种检测仪表送来的过程信号，它接收来自现场的各种检测仪表送来的过程信号，对其进行实时的对其进行实时的数据采集数据采集、噪音滤除噪音滤除、补偿运算补偿运算、非非线性校正线性校正、标度变换标度变换等处理，并可按要求进行等处理，并可按要求进行累积量累积量
27、的计算的计算、上下限报警上下限报警以及测量值和报警值向以及测量值和报警值向通信网络通信网络的传输的传输。l用以实现各种现场物理信号的用以实现各种现场物理信号的输入和处理输入和处理，实现各种，实现各种实时控制信号的实时控制信号的运算和输出运算和输出等功能。等功能。l 过程控制站中的过程控制装置，即所谓过程控制站中的过程控制装置，即所谓的的“现场控制单元现场控制单元” 。l 它们是由它们是由机柜机柜、机笼机笼、供电电源供电电源、功能功能模件模件（主控卡）、数据转发模（卡）件、（主控卡）、数据转发模（卡）件、端子端子板板和和各类各类I/O模模（卡）（卡）件件等部分组成。等部分组成。1机柜、机笼和模件
28、机柜、机笼和模件1）机柜）机柜l 现场控制单元的机柜一般是用金属材料制成的立现场控制单元的机柜一般是用金属材料制成的立式柜。式柜。l 柜内装有柜内装有多层机架多层机架，供安装电源和各种模件之用，供安装电源和各种模件之用，电源通常放在最上层或最下层电源通常放在最上层或最下层，柜内的其它层可用来，柜内的其它层可用来横向排列所配置的各种模件横向排列所配置的各种模件。l 随系统而异，随系统而异，柜内纵向一般分柜内纵向一般分68层层，横向可插横向可插420个模件个模件。现场控制单元的标准机柜式结构。现场控制单元的标准机柜式结构。 控制站机柜控制站机柜机柜背面（后面）通信接口接线端子板电源单元机柜正面（前
29、面）现场控制单元多层I/O卡件箱2）机笼）机笼l 机笼采用金属框架和母板组成，被安装在机机笼采用金属框架和母板组成，被安装在机柜内，最多安装柜内，最多安装1个电源机笼和个电源机笼和6个模件机笼个模件机笼。l 模件机笼模件机笼用于安装功能模件（主控卡）、数用于安装功能模件（主控卡）、数据转发模（卡）件、端子板和各类据转发模（卡）件、端子板和各类I/O模（卡）件模（卡）件等，均可采用冗余结构配置，构成等，均可采用冗余结构配置，构成双冗余双冗余主控结主控结构和冗余构和冗余I/O结构。结构。 3）模件）模件l模件是现场控制单元中安装的电子组件。模件是现场控制单元中安装的电子组件。l如如功能模件功能模件
30、（主控卡）（主控卡） 、l数据转发模数据转发模（卡）（卡）件件、l各种各种I/O模模（卡）（卡）件件等。等。l所有的模（卡）件，都是按智能化要求设计的。所有的模（卡）件，都是按智能化要求设计的。 2.功能模件（主控卡）功能模件（主控卡）l功能模件（主控卡）是现场控制单元的功能模件（主控卡）是现场控制单元的核心模件核心模件，是，是I/O模件的上一级智能化模件。结构如下图所示模件的上一级智能化模件。结构如下图所示 微微处处理理器器CPUROMDMA、I/O控制控制I/O接口接口I/O总线总线通信接通信接口口系统时系统时钟钟LED、开关、开关数据缓冲器数据缓冲器模件总线模件总线RAM总线控总线控制逻
31、辑制逻辑DCS控制站的控制站的主控单元主控单元冗余：冗余：MCU1和和MCU2互为备用，互为备用，一个处于一个处于正常正常工作状态，工作状态，另一个处于另一个处于热备用热备用状态，状态，具有自动具有自动诊断诊断和自动和自动切换切换的功能。的功能。MCU1MCU23数据转发模（卡）件数据转发模（卡）件l 数据转发模（卡）件是系统数据转发模（卡）件是系统I/O机笼的核心单元，机笼的核心单元，是功能模件（主控卡）连接是功能模件（主控卡）连接I/O模（卡）件的模（卡）件的中间环节中间环节.l 具有管理具有管理I/O模（卡）件模（卡）件、驱动、驱动SBUS总线总线、冷端、冷端温度采集和机笼内热电偶冷端温
32、度补偿功能。温度采集和机笼内热电偶冷端温度补偿功能。 l 具有具有“看门狗看门狗”复位功能复位功能；完成主控卡和完成主控卡和I/O卡的卡的数据交换数据交换；可冗余配置可冗余配置；实现实现I/O扩容扩容；自检及支持；自检及支持SBUS I/O总线通信协议总线通信协议等。等。JX-300X DCS中的数据转发模（卡）件中的数据转发模（卡）件XP233与功能模与功能模件（主控卡）的连接结构图件（主控卡）的连接结构图 如下图所示如下图所示4. I/O模（卡）件模（卡）件l1）模拟量输入（）模拟量输入（AI）模件）模件 l AI模件的基本功能是对多路输入的各种模模件的基本功能是对多路输入的各种模拟电信号
33、进行拟电信号进行采样、滤波、放大、隔离采样、滤波、放大、隔离、输入输入开路检测开路检测、误差补偿及必要修正误差补偿及必要修正（如热电偶冷（如热电偶冷端补偿、电路性能漂移校正等）、端补偿、电路性能漂移校正等）、向工程单位向工程单位转化转化、模拟量模拟量/数字量转换数字量转换，以提供准确可靠，以提供准确可靠的数字量。的数字量。 l 随生产厂家和用途不同，随生产厂家和用途不同，每个每个AI模件可接收模件可接收4 64路模拟信号不等路模拟信号不等。这些模拟信号一般是传感器对现。这些模拟信号一般是传感器对现场物理量或化学量进行检测，并由变送器将检测信号场物理量或化学量进行检测，并由变送器将检测信号进行转
34、换而得相应的电信号。进行转换而得相应的电信号。通常通常AI输入的模拟量电输入的模拟量电信号有以下三种：信号有以下三种：l电流信号电流信号：来自于各种温度、压力、位移等变送器。：来自于各种温度、压力、位移等变送器。一般采用一般采用420mA标准电流。标准电流。l毫伏电压信号毫伏电压信号：来自于热电偶、热电阻或应变式传：来自于热电偶、热电阻或应变式传感器。感器。l常规电压信号常规电压信号：来自于一切可输出直流电压的各种：来自于一切可输出直流电压的各种过程设备。过程设备。AI模件可接收电压范围一般为模件可接收电压范围一般为0 5VDC、0 10VDC、-10 10VDCAI模件组成模件组成l一般由信
35、号端子板、信号调理器、一般由信号端子板、信号调理器、A/D转换器等硬件予以实现。转换器等硬件予以实现。l信号端子板信号端子板：主要作用是用来连接输送现场模拟信号的电缆。：主要作用是用来连接输送现场模拟信号的电缆。l信号调理器信号调理器：主要对每路模拟输入信号进行：主要对每路模拟输入信号进行滤波、放大、隔离滤波、放大、隔离、开路检测等综合处理开路检测等综合处理，为，为A/D转换提供可靠的，统一的、与模转换提供可靠的，统一的、与模拟输入相对应的电压信号。拟输入相对应的电压信号。lA/D转换器转换器：接收信号调理器送来的各路信号，由多路开关按：接收信号调理器送来的各路信号，由多路开关按照照CPU指令
36、选择某一路信号输入，并将器转换为数字量信号送指令选择某一路信号输入，并将器转换为数字量信号送给给CPU。l2）模拟量输出（）模拟量输出（AO）模件）模件l 主要功能是主要功能是把计算机输出的数字量信号转换成外把计算机输出的数字量信号转换成外部过程控制仪表或装置可接受的模拟量信号，部过程控制仪表或装置可接受的模拟量信号，即即D/A转换转换，用来驱动各种执行机构控制生产过程，或，用来驱动各种执行机构控制生产过程，或为模为模拟式控制器提供给定值拟式控制器提供给定值，或为记录仪表和显示仪表提，或为记录仪表和显示仪表提供模拟信号。供模拟信号。l AO模件输出的模拟信号有电压和电流两种形式。模件输出的模拟
37、信号有电压和电流两种形式。l 电压输出电压输出的特点是速度快、精度高。通常的输出的特点是速度快、精度高。通常的输出电压有电压有0/1/25VDC、0/210VDC、 -55VDC、-1010VDC等几种。等几种。l 电流信号电流信号适宜远距离传输，目前采用最多的输出适宜远距离传输，目前采用最多的输出电流标准为电流标准为420mADC或或020mADC，也有采用，也有采用010mADC或或15mADC电流标准的。电流标准的。AO模件组成模件组成l一般由一般由输出端子板输出端子板（连接现场控制信号电缆）、（连接现场控制信号电缆）、l输出驱动器输出驱动器（实现功率放大）、（实现功率放大）、l多路切换
38、开关多路切换开关（周期性的分时选通各路信号）、（周期性的分时选通各路信号）、lD/A转换器、转换器、l数据保持寄存器数据保持寄存器（保存各路数字信号的值，供（保存各路数字信号的值，供D/A转换转换之用）、之用）、l输出控制器输出控制器（实现（实现AO模件输出的模拟信号的识别、选模件输出的模拟信号的识别、选择以及多路开关的状态控制等功能）择以及多路开关的状态控制等功能）等硬件予以实现。等硬件予以实现。l3）开关量输入（）开关量输入（SI）模件）模件 l根据监测和控制的需要，把生产过程中的某些只有两根据监测和控制的需要，把生产过程中的某些只有两种状态的种状态的开关量信号开关量信号（如（如各种限位开
39、关、电磁阀门联各种限位开关、电磁阀门联动触点、继电器、电动机等的开动触点、继电器、电动机等的开/关状态关状态）转换成计算转换成计算机可识别的信号形式。机可识别的信号形式。lSI模件所接收的模件所接收的开关量输入信号开关量输入信号，一般为电压信号，一般为电压信号，它可以是交流电压，也可以是直流电压。它可以是交流电压，也可以是直流电压。最常见的有最常见的有5VDC、12VDC、24VDC、48VDC、125VDC和和120VAC等，允许输入误差在等，允许输入误差在10%左右。左右。l端子板端子板：连接传送现场开关量信号的电缆：连接传送现场开关量信号的电缆l保护电路保护电路：对各输入信号进行限制，实
40、现过流、过压保护对各输入信号进行限制，实现过流、过压保护l隔离电路隔离电路：将模件与现场信号实现电气隔离将模件与现场信号实现电气隔离l信号处理器信号处理器：消除噪音，判断阈值，判断开关状态消除噪音，判断阈值，判断开关状态l数据缓冲器数据缓冲器：存放信号处理器送来的状态判断结果：存放信号处理器送来的状态判断结果l控制器：控制器：通过选通控制信号，读取缓冲器中状态值通过选通控制信号，读取缓冲器中状态值l地址开关与地址译码器地址开关与地址译码器：地址开关设置地址编码，总线上地址开关设置地址编码，总线上的板选信号通过地址开关和地址译码器传至控制器。的板选信号通过地址开关和地址译码器传至控制器。lLED
41、指示灯：指示灯：反映现场设备状态或缓冲器开关量输入状态反映现场设备状态或缓冲器开关量输入状态SI模件组成模件组成4）开关量输出（）开关量输出（SO）模件）模件l SO模件的基本功能是把计算机输出的二进制代模件的基本功能是把计算机输出的二进制代码所表示的开关量信息，转换成能对生产过程进行控码所表示的开关量信息，转换成能对生产过程进行控制或状态显示的开关量信号。制或状态显示的开关量信号。 l 控制现场有关电动机的启控制现场有关电动机的启/停、继电器的闭停、继电器的闭/断、断、电磁阀门的开电磁阀门的开/关、指示灯的亮关、指示灯的亮/灭、报警系统等的开灭、报警系统等的开关状态，可用来实现局部功能组甚至
42、整个机组自动启关状态，可用来实现局部功能组甚至整个机组自动启/停的控制。停的控制。l SO模件输出的开关量信号，随模件的生产厂家和模件输出的开关量信号，随模件的生产厂家和型号不同而异，通常有型号不同而异，通常有20VDC、24VDC、60VDC等等电压等级的输出。电压等级的输出。l SO模件一般由端子板、输出电路、输出寄存器、控模件一般由端子板、输出电路、输出寄存器、控制器、地址开关、地址译码器、制器、地址开关、地址译码器、LED指示灯等组成。指示灯等组成。l 一个一个SO模件的开关量输出数目，随模件信号不同而模件的开关量输出数目，随模件信号不同而异，目前最常见的是异，目前最常见的是16路输出
43、，每路输出具有相互独立路输出，每路输出具有相互独立的通道，各通道的隔离电路一般采用的通道，各通道的隔离电路一般采用光电隔离方式光电隔离方式。l SO模件的输出可直接控制直流电路中设备的开模件的输出可直接控制直流电路中设备的开/关，关，也可以通过双向可控硅控制交流电路中设备的开也可以通过双向可控硅控制交流电路中设备的开/关，还关，还有可以通过小型继电器控制交直流电路设备的开有可以通过小型继电器控制交直流电路设备的开/关。关。l5）脉冲量输入（）脉冲量输入（PI）模件）模件 l 许多现场仪表（如涡轮流量计、罗茨式流许多现场仪表（如涡轮流量计、罗茨式流量计以及一些机械计数装置等）输出的测量信量计以及
44、一些机械计数装置等）输出的测量信号为脉冲信号，它们必须通过脉冲输入通道才号为脉冲信号，它们必须通过脉冲输入通道才能送入计算机。能送入计算机。 l PI的基本功能：将输入的脉冲量转换成与的基本功能：将输入的脉冲量转换成与之对应的且计算机可识别的数字量。之对应的且计算机可识别的数字量。5.供电电源供电电源l1）交流电源交流电源。现场控制单元的供电来自。现场控制单元的供电来自220V或或120V交流电源，交流电源一般是由交流电源，交流电源一般是由DCS的总电源装的总电源装置分配提供的。置分配提供的。 l2）直流电源直流电源。不同厂家生产的现场控制单元内部。不同厂家生产的现场控制单元内部各模件的供电，
45、均采用直流电源，但对直流电源的各模件的供电，均采用直流电源，但对直流电源的等级要求不一，等级要求不一，l常见的有常见的有5V、12V、12V、15V、15V、24V，也有更高直流电压要求的情况。，也有更高直流电压要求的情况。 只有保持电源只有保持电源 ( 交流电源和直流电源交流电源和直流电源 )稳定、可靠，稳定、可靠，才能确保现场控制站正常工作。才能确保现场控制站正常工作。为了保证电源系统的可靠性，通常采取以下几种性为了保证电源系统的可靠性，通常采取以下几种性措施。措施。(1)每一个现场控制站均采用双电源供电，互为冗余每一个现场控制站均采用双电源供电，互为冗余。 (2)如果现场控制站机拒附近有
46、经常开关的大功率用电如果现场控制站机拒附近有经常开关的大功率用电设备，应采用超级隔离变压器，将其初级、次级线设备，应采用超级隔离变压器，将其初级、次级线圈间的屏蔽层可靠接地，以克服共模干扰的影响。圈间的屏蔽层可靠接地，以克服共模干扰的影响。(3)如果电网电压波动很严重，应采用交流电子调压器，如果电网电压波动很严重，应采用交流电子调压器，快速稳定供电电压。快速稳定供电电压。 (4)在石油、化工等对连续性控制要求特别高的场合，应配有不在石油、化工等对连续性控制要求特别高的场合，应配有不间断供电电源间断供电电源UPS，以保证供电的连续性。现场控制站内各，以保证供电的连续性。现场控制站内各功能模块所需
47、直流电源一般为功能模块所需直流电源一般为 5V、 15V(或或 12 V)、以及、以及+24V。 为增加直流电源系统的稳定性，一般可以采取以下几条措为增加直流电源系统的稳定性，一般可以采取以下几条措施。施。(1)为减少相互间的干扰，给主机供电与给现场设备供电的电源为减少相互间的干扰，给主机供电与给现场设备供电的电源要在电气上隔离。要在电气上隔离。 (2)采用冗余的双电源方式给各功能模块供电。采用冗余的双电源方式给各功能模块供电。(3)一般由统一的主电源单元将交流电变为一般由统一的主电源单元将交流电变为24V直流电供给柜内直流电供给柜内的直流母线，然后通过的直流母线，然后通过 DC-DC 转换方
48、式将转换方式将24V直流电源变换直流电源变换为子电源所需的电压，主电源一般采用为子电源所需的电压，主电源一般采用 1:1 冗余配置，而子冗余配置，而子电源一般采用电源一般采用 N:1 冗余配置冗余配置。2.3.2人机接口设备l 人机接口设备是人与系统互通信息、交互作用的人机接口设备是人与系统互通信息、交互作用的设备，属于设备，属于DCS的的监控级监控级。l 生产过程高度自动化仍需要操作人员对生产过程、生产过程高度自动化仍需要操作人员对生产过程、设备状态进行监视、判断、分析、决策和某些干预，设备状态进行监视、判断、分析、决策和某些干预，特别是生产过程发生故障时更是如此。特别是生产过程发生故障时更
49、是如此。l 操作人员操作人员的决策依赖于生产过程的大量信息，操的决策依赖于生产过程的大量信息，操作人员的干预又是通过控制信息的传递作用于生产过作人员的干预又是通过控制信息的传递作用于生产过程的。程的。l 人机接口设备人机接口设备正是承担这种信息相互传递任务的正是承担这种信息相互传递任务的装置。装置。1操作员工作站操作员工作站l 操作员工作站（操作员工作站（OWS）设置在生产现场的集控设置在生产现场的集控室内室内，是运行操作人员与生产过程之间的一个交互窗，是运行操作人员与生产过程之间的一个交互窗口。口。l 现代化大生产过程中，需要监视和收集的信息量现代化大生产过程中，需要监视和收集的信息量很大，
50、控制对象众多。很大，控制对象众多。l 为使运行操作人员方便地了解各种工况下的为使运行操作人员方便地了解各种工况下的运行运行参数参数，及时掌握，及时掌握设备操作信息和系统故障信息设备操作信息和系统故障信息，准确，准确无误地无误地作出操作决策作出操作决策，提供一种现代化的监控工具是提供一种现代化的监控工具是十分必要的。十分必要的。 1）OWS的基本构成的基本构成操作员工作站的主要部件如下操作员工作站的主要部件如下 :l（1）操作台）操作台 l（2）微处理器）微处理器 l（3）显示处理输出设备）显示处理输出设备 l（4）输入设备）输入设备 l（5）外部存储设备）外部存储设备 l（6）打印）打印/拷贝