集散控制系统概述

集散控制系统概念 体系结构 硬件组成 软件－组态软件

一、发展历程和概念 随着工厂生产规模的扩大和工艺过程的复杂化，当采用分离仪表组成控制系统时，需要大量的仪表单元连接成系统。 子系统的信号连接非常困难，不便于进行集中操作管理和显示 。 需要对系统结构和控制方式进行升级或改变时，需要更换大量的仪表，维护非常困难。 因此,采用分离仪表控制系统对大规模的工业生产过程进行控制是非常困难的。

60年代，随着计算机技术的发展出现了过程计算机控制系统。过程计算机控制系统具备了控制系统的主要功能，如数据采集、控制、远程通信，集中显示操作等。 但是，一台计算机往往控制着几十个－－几百个回路，对几百个到上千个过程变量的集中显示及操作控制，一旦控制计算机发生故障，将导致生产过程的全面瘫痪 。 工业过程计算机控制系统存在安全性和可靠性问题。

集散控制系统（Distributed Control System）是以微处理器为基础的集中分散型控制系统。 集散控制系统的集中——是进行集中操作管理 集散控制系统的分散——控制系统的体系结构是分布式的，按控制功能或区域将<集中的计算机控制系统>分解为分散的控制站，带微处理器的控制站分别控制几个、十几个、几十个回路。通过控制站的组合实现了控制功能的分散，从而使危险分散。 实现对生产过程集中监视、操作、管理和分散控制的目标。主要涉及计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、通信网络技术和人机接口技术。

1975年第一套集散控制系统由美国Honeywell（霍尼威尔）公司推出，命名为TDC-2000。 第一代集散控制系统有Honeywell公司的TDC-2000；Taylor公司的MOD 300；Foxboro公司的SPECTRUM；横河公司的CENTUM；西门子公司的TELEPERM M；肯特公司的P4000

第二代集散控制系统。进一步提高可靠性，新开发了多功能过程控制站、增强型操作站、光纤通信等。控制站和操作站均采用高性能微处理器，板级模块化，单元结构化；能实现过程控制、数据采集、顺序控制和批量控制等功能，通信系统已采用局域网络。 典型的集散控制系统产品有Honeywell公司的TDC-3000；Taylor公司的MOD300；Bailey公司的NETWORK-90；西屋公司的WDPF；ABB公司的MASTER；LEEDS&.NORTHROP公司的MAX1等。

第三代集散控制系统采用开放式的通信技术，向上与Ethernet连接，构成综合的企业管理系统；向下支持现场总线，可以在智能变送器、控制站、操作站之间实现可靠的实时数字通信。控制站采用32位微处理器，控制功能更强，应用先进控制算法。操作站采用高档微计算机，增强的图形显示功能，采用多窗口技术和触摸屏。 美国Foxboro公司的I/A S系统；Honeywell公司带有UCN网的TDC-3000；横河公司的带有SV-NET网的CENTUM-XL；LEEDS&.NORTHROP公司的MAX1000；Bailey公司的INFO-90等。

第四代集散控制系统采用标准模型和通信协议，实现高速数据通信。采用RISC工作站，速度更快实现各种复杂控制策略和先进控制，以适应离散和批量工业自动化的要求； 典型产品有 SIMATIC PCS7，Honeywell公司的TPS控制系统，横河公司的CENTUM-CS控制系统，Foxboro公司的I/A S 50/51系列控制系统，ABB公司的Advant系列OCS开放控制系统等。

2008年厂商市场份额按销售额 品牌 市场（亿元） 份额（2008） 2008年主要厂商市场份额比较——按销售额 2008年厂商市场份额按销售额 品牌 市场（亿元） 份额（2008） ABB   Emerson Honeywell Siemens Supcon Hollysys Yokogawa Foxboro GE Xinhua Zhishen Mesto Xinhua Group Others Total 100.0%　

DCS系统采用三级的体系结构。包括现场级、车间级和工厂管理级。 现场层设备与控制站之间的连接是一对一（一个I/O点对应设备的一个测控点）所谓I/O接线方式，信号方式采用4-20mA（传送模拟量信息）或24VDC（传送开关量信息）信号。 工厂管理级

二、集散控制系统的基本组成 （1）分散过程控制装置 分散过程控制装置是由I/O接口和现场仪表组成。I/O接口包括输入/输出接口，分为模拟量和开关量。 （2）控制站 控制站是集散控制系统的控制核心，它向下通过I/O接口与现场的各种仪表和设备相连接，向上利用通信网络与操作管理计算机连接。控制站按照各种调节规律完成过程控制中所需要的计算，如：PID调节、顺序控制、采样控制、批量控制等。

（3）人机界面 人机界面是操作人员与集散控制系统之间的界面，主要是操作员站和工程师站。操作人员通过操作员站了解生产过程的运行状况，并通过它发出操作指令。工程师站主要用来进行控制系统的组态和流程画面的绘制。管理计算机——系统的信息管理和优化控制。 （4）通信网络 集散控制系统的数据传输依赖于强有力的通信网络。通信网络连接集散控制系统的各个部分，完成数据、指令和其它信息的传递。

（5）软件系统 DCS软件由实时多任务操作系统、数据库系统、通讯软件、组态软件、和应用软件组成。 组态软件——按用户要求生成实际控制系统的工具

CS3000系统结构和硬件构成

横河公司（YOKOGAWA）公司先后推出了CENTUM、CENTUM-V、CENTUM-XL和μXL等集散系统. 1993年推出了新一代基于PC的集散控制系统CENTUM-CS。 CENTUM CS1000及CENTUM CS3000的人机接口站采用PC平台和用户熟悉和易于操作的Windows NT环境，组态和监控界面采用窗口式的管理方式，从而将DCS与WINDOWS系统的易操作性相结合。

一、CS3000系统构成及设备 1.1 CS3000系统构成及设备 CS3000系统是由多个人机界面站HIS，现场控制站FCS和VNet网络组成。 CS3000系统按照“域”架构组织起来的。最多16个域。 域的概念：由一条控制总线（VNet）连接的所有站的集合。 域之间用总线转换器BCV连接。 站包括：现场控制站(FCS)、操作站(HIS)、高级过程控制站（APCS） 、工程师站（EWS）、信息和命令站（ICS） 、总线转换器（BCV）等。

域的最小配置： 1个FCS、1个HIS。 域的最大配置：一个域中可有HIS、FCS、BCV总共最多64个站， 其中HIS最多16个。且一个用于组态。 8 HIS以上需服务器

系统构成 本地NODE 远程NODE 敞开式标准HIS 封闭式标准HIS 通用PC型HIS HIS 高级过程控制站APCS 工程师站EWS 网线转换器 子系统 紧凑型FCS BCV总线转换器 Vnet光线中继器 架装FCS 架装FCS ESB BUS 本地NODE RIO BUS光线中继器 标准FCS 机柜 I/O扩展柜 标准FCS 机柜 I/O扩展柜 远程NODE 架装型NODE

一、CS3000系统构成及设备 人机界面站HIS：主要功能是对生产过程进行监视和操作，系统诊断维护和数据管理等。可操作监视10万个工位号。工作在Windows 环境，可以用各种语言进行编程。 现场控制站FCS是一个可独立运行的计算机检测控制系统。通过I/O插件对现场仪表进行数据采集及处理，对被控单元实施闭环反馈控制、批量控制和顺序控制。包括机柜、电源、输入输出通道和控制计算机。 工程师站供技术人员生成控制策略的人机接口。工程师站上配有组态软件，用来实现用户所要求的各种控制策略。

CS3000使用Vnet、Ethernet、RIO bus。 用于连接系统的实时控制网络。现场控制站（FCS）、人机接口站（HIS）、总线转换接口（ABC）等站均连接Vnet 特点 通讯协议 : IEEE 802.4 通讯控制 : 总线型的令牌传递 通讯速率 : 10 Mbps 通讯媒介 : 同轴电缆( YCB111/ YCB141）/光缆

一、CS3000系统构成及设备 1.2.2 Ethernet 用于系统内各HIS站之间，EWS和HIS之间，以及HIS与管理计算机之间进行数据交换的网络。 通讯协议 : TCP/IP 通讯速率 : 10 Mbps 通讯媒介 : 同轴电缆/光缆

一、CS3000系统构成及设备 1.2.3 RIO BUS（用于RIO型） 远程输入/输出总线（RIO-：Remote Input/Output-）是FCS内部I/O节点单元的连接总线，用于FCS站的控制单元（FCU）与节点NODE之间的连接。

一、CS3000系统构成及设备 1.3. 系统构成总结 域内最大配置 系统最大规模 最小配置 最大工位数 : 1,000,000 /HIS 1.3. 系统构成总结 V net SFCS LFCS KFCS 最大工位数 : 1,000,000 /HIS 最大站数 : 64 V-net 总线(Max): 20 km RIO 总线(max) : 20 km per FCS ESB 总线(max) : 10 M ER 总线(max) : 2 km per FCS 最小配置 域内最大配置 ● ● ● V-net :1,000,000 /HIS :256 :20 km :20 km per FCS :10 M :2 km per FCS 最大域数：16 系统最大规模 *Vnet(粗同轴电缆): 500 M *RIO总线(双绞线) : 750 M *ESB总线：10 M *ER总线(同轴电缆)： 185 M(细) 500 M(粗) 2 KM以太网中继器

二、现场控制站FCS

二、FCS的基本构成 FCS分为标准型控制站LFCS和小型控制站SFCS。 标准型控制站LFCS由现场控制单元（FCU：Field Control Unit）、远程输入输出总线（RIO bus或ESB bus）和节点（Node）组成。 小型控制站SFCS由现场控制单元（FCU：Field Control Unit）和节点（Node）组成。

FCS的类型 ◆ 小型FCS—SFCS ◆ RIO标准型FCS—LFCS SFCS LFCS

现场控制单元（FCU） 现场控制单元（FCU）是FCS中进行控制运算的核心部分，它具有运算、控制和通信的功能。主要由处理器、RIO节点通信卡和电源三种卡件以及V-net通信接口和RIO bus总线通信接口组成。 处理器卡件主要包括CPU、主存储器、V-net接口三部分。CPU采用32位RISIC处理器，主频30MHz。主存储器16MB。V-net可以配置冗余接口；节点通信卡冗余配置，每个节点通信卡连接一条RIO总线，

供电单元 RIO BUS接口卡 处理卡 Vnet 连接单元 电池单元 电池单元 外部接口单元 电源分配板 RIO BUS接口单元 供电端子 风扇单元

FCU模件名称

节点（Node） 节点是连接现场输入/输出信号的通信装置和变换处理装置。 每台FCS的RIO bus总线上最多可以连接8个节点，每个节点最多配置5个I/O插件箱。 FCS的节点是由节点接口单元（NIU：node interface unit）和输入/输出单元（IOU：input output unit）组成。 IOU通常是由IO插件和IO插件箱组成

RIO标准型FCS—LFCS的NODE 接口单元NIU 插件箱 模件 IOU

标准型FCS（ LFCS）的整体结构

FCU、NODE、NIU、IOU安装位置 控制单元 ◆ 一个FCU最多连8个NODE。 ◆ 一个NIU最多连5个IOU。

FCS与现场仪表的连接 NIU IOU IOU

紧凑型FCS的结构 内存后备 : 72小时 I/O模块箱 : 2个/5个 AI/AO : 128点 DI/DO : 512点 内存后备 : 72小时 I/O模块箱 : 2个/5个 AI/AO : 128点 DI/DO : 512点 双重化 : CPU,电源,通信口 安装 : 19“ 机架安装 SFCS外型

紧凑型FCS的结构 转接头 处理卡 控制总线 连接单元 供电单元 电池单元 1 2 3 4 5 电源分配板 插件箱 I/O插件 扩展板

FCS组合连接

3.2 处理器卡介绍 3.2 .1 处理器卡指示灯的含义 HRDY—绿灯亮硬件自诊断正常。 RDY—绿灯亮硬件和软件运行正常 3.2 处理器卡介绍 3.2 .1 处理器卡指示灯的含义 HRDY—绿灯亮硬件自诊断正常。 RDY—绿灯亮硬件和软件运行正常 CTRL—处理卡运行指示灯，绿灯亮运行，灯灭后备。 COPY—数据拷贝时绿灯亮，拷贝结束灯灭。

FCS的地址设置 奇偶校验位 奇校验位 域地址 DOMAIN地址的设置

STATION地址的设置

模拟量IO插件箱AMN11/AMN12；多点模拟量IO插件箱AMN34 继电器型IO插件箱AMN21； 接线方式：单点 多点端子型 多点接插型 AMN32 AMN31 AMN11

⑵ I/O插件类型 AMN11 AAM10/ AAM11 ：电流/电压输入 AAM21：RTD输入 单点模拟量信号插件 外型 插件箱及安装方式 AMN11 AAM10/ AAM11 ：电流/电压输入 AAM21：RTD输入 AAM21/RJ：mV(-50 to 150mV), T/C输入 APM11：脉冲输入（0 to 10kHz) AAM51：电流/电压(0 to 10 V)输出 插件箱最多安装16块卡

三、FCS硬件构成 AMN31 AMM12T：电压多点输入 AMM22T：热电偶多点输入 AMM32T：热电阻多点输入 16点端子类模拟量卡件 外型 插件箱及安装方式 AMN31 AMM12T：电压多点输入 AMM22T：热电偶多点输入 AMM32T：热电阻多点输入 AMM42T：2线制变送器输入 插件箱最多安装2块卡 AMM32T、AMM42T只能安装1块卡 AMM32T不能安装在1槽

三、FCS硬件构成 AMN32 AMM12C：电压16点输入 (-10 to 10 V) 连接类模拟量卡件 外型 插件箱及安装方式 AMN32 AMM12C：电压16点输入 (-10 to 10 V) AMM22C：16点输入(-100 to 100 mV) AMM32C：热电阻16点输入 AMM25C：热电偶15点输入 插件箱最多安装4块卡

三、FCS硬件构成 AMC80：多点模拟量I/O卡件 输入8点（1~5 V)， 输出8点（4~20mA) 连接类模拟量卡件 外型 插件箱及安装方式 AMN34 AMC80：多点模拟量I/O卡件 输入8点（1~5 V)， 输出8点（4~20mA) 通过KS1电缆与信号变换器或端子板连接，卡件可实现双重化。 插件箱最多安装2块卡

三、FCS硬件构成 端子型数字IO插件 ADM11T：16点接点输入 ADM12T：32点接点输入 ADM51T：16点接点输出 端子类接点卡件 外型 插件箱及安装方式 AMN31 端子型数字IO插件 ADM11T：16点接点输入 ADM12T：32点接点输入 ADM51T：16点接点输出 ADM52T：32点接点输出 插件箱最多安装2块卡

三、FCS硬件构成 连接型数字IO插件 ADM11C：16点接点输入 ADM12C：32点接点输入 ADM51C：16点接点输出 连接类接点卡件 外型 插件箱及安装方式 AMN32 连接型数字IO插件 ADM11C：16点接点输入 ADM12C：32点接点输入 ADM51C：16点接点输出 ADM52C：32点接点输出 插件箱最多安装4块卡

三、FCS硬件构成 ADM15R：16点继电器输入 ADM55R：16点继电器输出 AMN21 继电器卡件 外型 插件箱及安装方式 继电器卡件 外型 插件箱及安装方式 AMN21 ADM15R：16点继电器输入 ADM55R：16点继电器输出 插件箱安装1块卡

FCS的控制功能 FCS的控制功能主要有反馈控制、顺序控制、计算功能、仪表面板功能、监视管理功能。此外，还可以实现模糊控制、预估控制等先进控制功能。 FCS的基本控制功能是通过固化在ROM中的一段子程序实现的。子程序称为功能块。

常规功能块 常规功能块主要由输入信号处理、计算单元、输出信号处理及报警处理四个环节组成。过程变量输入值首先进入输入信号处理，再经过计算单元和报警处理后，进入信号输出处理，最后输出至现场的执行机构，完成了一个完整的输入输出过程。

常规控制功能的功能块 输入指示 PVI PVI－DV 手动操作 MLD MLD－PVI MLD－SW MC－2 MC－3 输入指示 AS－HML SS－HML SS－DUAL 调节控制 PID PI－HLD PID－BSW ONOFF PID－TP PD－MR PI－BLEND PID－STC FSBSET BLEND 信号分配 FOUT FFSUM XCPL SPLIT 信号设定 RATIO PG－13 BSETU－2 BSETU－3 报警 ALM－R 信号限制 VELLIM

PID功能块

② 顺序控制功能块 顺序控制功能块主要用于联锁系统、顺序控制系统和批量控制系统。 顺序控制功能，是按照预先所定义的控制条件和顺序来执行相应的控制动作。

顺序控制表： 控制的动作和条件以表格的形式进行填写，动作的执行是受到控制条件的联合制约。 顺控表模块：ST16、ST16E（扩展表）

顺控表的格式 扫描方式 启动方式 条件信号及规则 操作信号及规则 条件栏： 规则栏：Y成立、N不成立 联锁发生的条件 动作栏： 步号栏：联锁动作的顺序 输入连接信息设定区 条件详细设定区 条件规则设定区 条件栏： 联锁发生的条件 规则栏：Y成立、N不成立 操作信号及规则 输出连接信息设定区 操作详细设定区 动作规则设定区 动作栏： 联锁动作的结果

2.4 顺控表的两种实现方式： （1）无步号顺控表

（2）有步号方式－整个 动作按照步号顺序执行

无步号顺控表方式程序例 -Closed -Open

2.7步号方式程序例

③计算功能块 计算功能块主要为了适应控制的要求而进行的数据运算。

二、HIS硬件构成 2.1 标准型HIS HIS的硬件主要包括：主机、显示器、操作员键盘（工程师键盘）和外围设备等组成。 主机为工作站或工业PC机，网络接口有冗余配置的V-net和Ethernet。 HIS标准型有如下几种类型： ◆封闭式单显示器HIS、封闭式双显示器HIS ◆开放式单显示器HIS、开放式双显示器HIS

二、HIS硬件构成

二、HIS硬件构成 2.2 通用PC型HIS硬件构成及相关参数 ◆PC可选用IBM PC/AT 兼容机 ◆选用通用PC做HIS必须配备VF701卡，支持Vnet网络。选配操作员键盘。

二、HIS硬件构成

二、HIS硬件构成 2.2.2 VF701卡及地址 置于PCI槽上的控制总线接口卡，用于将PC型HIS接入V-net。 参见：ENG—A1-3

二、HIS硬件构成 VF701卡地址 域号 站号

二、HIS硬件构成 2.2.3 操作员键盘 防尘防水平面触摸键，9针RS232或USB接口，可发出7种电子报警音响。 连接电缆 2.2.3 操作员键盘 防尘防水平面触摸键，9针RS232或USB接口，可发出7种电子报警音响。 连接电缆 参见：OP—C1-10

二、HIS硬件构成 方式选择钥匙 功能键 窗口调用键 数据键入键 操作控制键 其它键

四、系统安装 4.1 安装CS3000软件的配置要求： 1）硬件要求： 以通用PC机为例，进行介绍： PC机主存的要求：仅具有操作监视功能——96M。 具有组态及测试功能——128M。 PC机硬盘：要求在2G或更高。 外设: CD-ROM drive ;3.5-inch FDD;MO drive;ZIP drive. 操作员键盘:(可选） Ethernet 网卡： VF701网卡，并按要求设置好相应地址。 2）软件环境： 系统操作平台为:windows 2000/windows xp。 OFFICE 2000/XP （如果进行报表定义）时需要安装。 要求显示器 8M，至少256色。 虚拟内存：300MB/ 400MB(具有组态功能）

四、系统安装 虚拟内存更改路径：进入我的电脑属性

四、系统安装 PC机的名称：HISddss: dd 域号 (1~16)； ss 站号 (1~64) 例如:HIS0164. 3）软件方面： CS 3000 software CD-ROM (1) CS 3000 electronic document (IM) CD-ROM (1) CS 3000 key-coded floppy disk (1 or more) 注意：要求以管理员身份登陆，才可以进行CS3000软件的安装。

四、系统安装 4.2 软件安装步骤： 1）插入keycode 文件（软盘），及software CD. 2）选中f:\centum\setup.exe

四、系统安装 3）双击setup.exe文件，出现如下画面：

四、系统安装 4）点击下一步继续安装

四、系统安装 5）可以更改安装路径：

四、系统安装 6）填写单位及用户名称：

四、系统安装 7）读取keycode 盘的ID 号：

四、系统安装 8）如有多个keycode 盘，可以在此进行选择：

四、系统安装 9）出现装入软件包的清单列表：

四、系统安装 10）选择安装在线资料的路径：

四、系统安装 11）开始进行文件的安装： 12）软件媒体部分安装完成后，提示插入IM 资料的CD盘：

四、系统安装

插入IM 资料的CD盘后，将把相关的IM33（电子资料）文件，读到相应的文件里。

四、系统安装 13）选择是否以其他方式来安装CS3000软件：

四、系统安装 14）如果安装有操作员键盘可以在此进行选择。

四、系统安装 15）输入参照数据库的主机名称：通常选用工程师站.

四、系统安装 16）提示安装阅读器，来读阅在线帮助资料。 路径：插入IM光盘。 F:\CENTUM\READER\ENGLISH.

四、系统安装 17）上述安装完成后，可以进行重新启动。至此软件安装结束。 18） 在下面路径下，安装V 网卡，及协议。

四、系统安装

四、系统安装

四、系统安装

四、系统安装 19）V 网及协议安装成功！

四、系统安装 20）V 网/Ethernet 及TCP/IP 协议地址定义：

四、系统安装 注释：V 网的IP地址定义：172.16.dd.ss (dd为域号；ss为站号） Ethernet IP地址为： 172.17.dd.ss (dd,ss与V网地址定义一致）