第3章DCS的控制站

1、* *1 1第第3 3章章 DCSDCS的控制站的控制站* *2 2 集散控制系统的一个突出优点是系统的硬件和软件都具有灵活的集散控制系统的一个突出优点是系统的硬件和软件都具有灵活的组态和配置能力。组态和配置能力。DCSDCS的硬件采用积木式结构，通过网络系统将不同数的硬件采用积木式结构，通过网络系统将不同数量的现场控制站、操作员站、工程师站等连接起来，共同完成各种采量的现场控制站、操作员站、工程师站等连接起来，共同完成各种采集、控制、显示、操作和管理功能。集散控制系统不仅可以灵活地配集、控制、显示、操作和管理功能。集散控制系统不仅可以灵活地配置成大、中、小型系统，还可以根据用户的财力和生产要

2、求进行系统置成大、中、小型系统，还可以根据用户的财力和生产要求进行系统的扩展和功能的增强。目前，世界上有几百家的扩展和功能的增强。目前，世界上有几百家DCSDCS制造厂商，不同厂商制造厂商，不同厂商的系统硬件千差万别。在本章中，我们不对某个具体的的系统硬件千差万别。在本章中，我们不对某个具体的DCSDCS系统硬件做系统硬件做介绍，只介绍一般介绍，只介绍一般DCSDCS系统所共有的硬件组成。系统所共有的硬件组成。一、一、 DCSDCS硬件组成概述硬件组成概述 一套典型的一套典型的 DCSDCS系统的硬件组成如图系统的硬件组成如图3.13.1所示，其中各部分的基本所示，其中各部分的基本功能如下所述

3、功能如下所述。DCS硬件组成概述硬件组成概述第第3 3章章 DCSDCS的控制站的控制站* *3 3DCS硬件组成概述硬件组成概述图图3.1 典型典型DCS系统的硬件体系结构示意图系统的硬件体系结构示意图第第3 3章章 DCSDCS的控制站的控制站* *4 41 1、操作员站操作员站 (Operator Station,OS)(Operator Station,OS)：主要给运行操作工使用，作为系统投主要给运行操作工使用，作为系统投运后日常值班操作的人机接口（运后日常值班操作的人机接口（Man Machine Interface,MMI)Man Machine Interface,MMI)设备

4、使用。在设备使用。在操作员站上，操作人员可以监视工厂的运行状况并进行少量必要的人工控制。操作员站上，操作人员可以监视工厂的运行状况并进行少量必要的人工控制。每套每套DCSDCS系统按工艺流程的要求，可以配置多台操作员站，每台操作员站供一系统按工艺流程的要求，可以配置多台操作员站，每台操作员站供一位操作员使用，监控不同的工艺过程，或者多人同时监控相同的工艺过程。位操作员使用，监控不同的工艺过程，或者多人同时监控相同的工艺过程。有的操作员站还配置大屏幕显示。有的操作员站还配置大屏幕显示。2 2、工程师站工程师站 (Engineer Station,ES)(Engineer Station,ES)：

5、主要给仪表工程师使用，作为系统设主要给仪表工程师使用，作为系统设计和维护的主要工具。仪表工程师可在工程师站上进行系统配置、计和维护的主要工具。仪表工程师可在工程师站上进行系统配置、I/O I/O 数据数据设定、报警和打印报表组态、操作画面组态和控制算法组态等工作。一般每设定、报警和打印报表组态、操作画面组态和控制算法组态等工作。一般每套套DCSDCS系统配置一台工程师站即可。工程师站可以通过网络连入系统，在线系统配置一台工程师站即可。工程师站可以通过网络连入系统，在线（On LineOn Line）使用，比如在线监控设备运行情况，也可以不连入系统，离线）使用，比如在线监控设备运行情况，也可以不

6、连入系统，离线 (Off Line) (Off Line) 做各种组态工作。在做各种组态工作。在DCSDCS系统调试完成投入生产运行后，工程师系统调试完成投入生产运行后，工程师站就可以不再连入系统甚至不上电。站就可以不再连入系统甚至不上电。 DCS硬件组成概述硬件组成概述第第3 3章章 DCSDCS的控制站的控制站* *5 5DCS硬件组成概述硬件组成概述3 3、系统服务器系统服务器 (System Server): (System Server): 一般每套一般每套DCSDCS系统配置一台或一对冗余的系统配置一台或一对冗余的系统服务器。系统服务器的用途可以有很多种系统服务器。系统服务器的用途

7、可以有很多种, ,各个厂家的定义也有差别。各个厂家的定义也有差别。总的来说，系统服务器可以用做：总的来说，系统服务器可以用做：(1)(1)系统级的过程实时数据库，存储系统系统级的过程实时数据库，存储系统中需要长期保存的过程数据。中需要长期保存的过程数据。 (2)(2)向企业管理信息系统向企业管理信息系统MIS(Management MIS(Management Information System)Information System)提供实时的过程数据。提供实时的过程数据。(3)(3)作为作为DCSDCS系统向别的系统提系统向别的系统提供通信接口服务并确保系统隔离和安全。供通信接口服务并确保

8、系统隔离和安全。 4 4、现场控制站现场控制站：现场控制站是现场控制站是DCSDCS的核心组成部分，集数据采集、预处理、的核心组成部分，集数据采集、预处理、控制运算、输出控制等功能于一体，其硬件组成包括以下几个部分。控制运算、输出控制等功能于一体，其硬件组成包括以下几个部分。（1）主控单元(Main Control Unit,MCU)：主控单元也就是主控制器，是主控单元也就是主控制器，是DCSDCS中各个现场控制站的中央处理单元，是中各个现场控制站的中央处理单元，是DCSDCS的核心设备。在一套的核心设备。在一套DCSDCS系统系统中中, ,根据危险分散的原则，按照工艺过程的相对独立性，每个典

9、型的工艺段根据危险分散的原则，按照工艺过程的相对独立性，每个典型的工艺段应配置一对冗余的主控制器，主控制器在设定的控制周期下，循环地执行以应配置一对冗余的主控制器，主控制器在设定的控制周期下，循环地执行以下任务：从下任务：从I/0I/0设备采集现场数据设备采集现场数据 - - 执行控制逻辑运算执行控制逻辑运算 - - 向向I/OI/O输出设备输出设备输出控制指令输出控制指令 - - 与操作员站进行数据交换。与操作员站进行数据交换。 第第3 3章章 DCSDCS的控制站的控制站* *6 6DCS硬件组成概述硬件组成概述（2）输入输出设备(Input/ Output,I/O)：用于采集现场信号或输

10、用于采集现场信号或输出控制信号出控制信号, ,主要包含模拟量输入设备主要包含模拟量输入设备(Analog Input,AI)(Analog Input,AI)、模拟量、模拟量输出设备输出设备(Analog Output,AO)(Analog Output,AO)、开关量输入设备、开关量输入设备(Digital (Digital Input,DI)Input,DI)、开关量输出设备、开关量输出设备(Digital Output,DO)(Digital Output,DO)、脉冲量输入设、脉冲量输入设备备(Pulse Input,PI) (Pulse Input,PI) 及一些其他的混合信号类型的

11、输入输出设备及一些其他的混合信号类型的输入输出设备或特殊或特殊I/0I/0设备。设备。 （3）电源、转换设备 ：主要为系统提供电源，主要设备包含：主要为系统提供电源，主要设备包含：AC-AC-DCDC转换器和不间断电源转换器和不间断电源(UPS)(UPS)等。等。 （4）机柜：机柜用于安装主控制器、机柜用于安装主控制器、I/0I/0设备、网络设备及电源装设备、网络设备及电源装置。置。5 5、通信网络及设备通信网络及设备（1）控制网络及设备 (Control Network,CNET)：控制网络也就是控制网络也就是现场总线网络，主要用于将主控制器与现场总线网络，主要用于将主控制器与I/0I/0设

12、备连接起来，也可用设备连接起来，也可用于将主控制器和智能仪表、于将主控制器和智能仪表、PLCPLC等设备连接。其主要设备包括通信等设备连接。其主要设备包括通信线缆线缆( (即通信介质即通信介质) )、中继器、终端匹配器、通信介质转换器、通信、中继器、终端匹配器、通信介质转换器、通信协议转换器或其他特殊功能的网络设备。协议转换器或其他特殊功能的网络设备。第第3 3章章 DCSDCS的控制站的控制站* *7 7DCS硬件组成概述硬件组成概述（2）系统网络及设备 (System Network,SNET)：系统网络用于将系统网络用于将操作员站、工程师站及系统服务器等操作层设备和控制层的主控操作员站、

13、工程师站及系统服务器等操作层设备和控制层的主控制器连接起来。组成系统网络的主要设备有网络接口卡（网卡）、制器连接起来。组成系统网络的主要设备有网络接口卡（网卡）、集线器集线器( ( 或交换机或交换机) )、路由器和通信线缆等。、路由器和通信线缆等。第第3 3章章 DCSDCS的控制站的控制站* *8 8第第3章章 DCS的的控制站控制站3.1 DCS控制站的控制站的硬件硬件 3.2 DCS控制站的控制站的软件软件 第第3 3章章 DCSDCS的控制站的控制站* *9 9第第3章章 DCS的的控制站控制站控制站控制站(CS)是是DCS的的基础基础功能：功能：输入输入输出输出运算运算控制控制通信通

14、信硬件：硬件： 输入输出单元输入输出单元(IOU) 主控单元主控单元(MCU) 电源电源第第3 3章章 DCSDCS的控制站的控制站* *10 10第第3章章 DCS的的控制站控制站软件：软件：系统软件系统软件应用软件应用软件 应用软件的应用软件的用户表现形式用户表现形式是是 功能块功能块：输入块输入块输出块输出块运算块运算块连续控制块连续控制块逻辑控制块逻辑控制块顺序控制块顺序控制块第第3 3章章 DCSDCS的控制站的控制站* *11 11第第3章章 DCS的的控制站控制站3.1 DCS控制站的硬件控制站的硬件 3.2 DCS控制站的控制站的软件软件 第第3 3章章 DCSDCS的控制站的

15、控制站* *12 123.1 DCS控制站的控制站的硬件硬件3.1.1 DCS控制站的控制站的主控主控单元单元 3.1.2 DCS控制站的控制站的输入输出输入输出单元单元 第第3 3章章 DCSDCS的控制站的控制站* *13 133.1 DCS控制站的控制站的硬件硬件组成：组成： 输入输出单元输入输出单元 (IOU) 主控单元主控单元 (MCU) 电源电源主控单元主控单元(MCU)是是 控制站的控制站的核心核心输入输出单元输入输出单元(IOU)是是 控制站的控制站的基础基础图图3.1 控制站控制站(CS)的硬件结构的硬件结构(a) CS结构结构(b) CS柜正面柜正面(c) CS柜反面柜反面

16、主控主控单元单元(MCU)输入输出输入输出处理板处理板(IOP)信号调信号调整板整板(SCC)MCUIOUCNET信号端信号端子板子板(STC)电源电源电源电源MCUPOIMCUPOIPOI1 24 56 78 9310STCSCC123456789101112131415161 24 56 78 93101 24 56 78 9310STCSCC第第3 3章章 DCSDCS的控制站的控制站* *14 143.1 DCS控制站的控制站的硬件硬件硬件组成：硬件组成：模模板板结构结构背面接线背面接线主控单元主控单元 (冗余冗余MCU) 电源电源(冗余冗余)输入输出单元输入输出单元 (IOU)Hon

17、eywell 第第3 3章章 DCSDCS的控制站的控制站* *15 153.1 DCS控制站的控制站的硬件硬件硬件组成：硬件组成：模模块块结构结构块下接线块下接线电源电源输入输出单元输入输出单元(IOU)主控单元主控单元(MCU)Emerson 第第3 3章章 DCSDCS的控制站的控制站* *16 163.1 DCS控制站的控制站的硬件硬件硬件组成：硬件组成：模模块块结构结构主控单元主控单元(冗余冗余MCU)Siemens 第第3 3章章 DCSDCS的控制站的控制站* *17 173.1 DCS控制站的控制站的硬件硬件硬件组成：硬件组成：模模块块结构结构主控单元主控单元(冗余冗余MCU)

18、输入输出单元输入输出单元(IOU)Siemens 第第3 3章章 DCSDCS的控制站的控制站* *18 183.1 DCS控制站的控制站的硬件硬件模模板板结构结构背面接线背面接线Yokogawa 第第3 3章章 DCSDCS的控制站的控制站* *19 193.1 DCS控制站的控制站的硬件硬件模模块块结构结构旁旁边边接线接线Honeywell 第第3 3章章 DCSDCS的控制站的控制站* *20203.1 DCS控制站的控制站的硬件硬件模模块块结构结构旁旁边边接线接线Honeywell C系列系列第第3 3章章 DCSDCS的控制站的控制站* *21 213.1 DCS控制站的控制站的硬件

19、硬件3.1.1 DCS控制站的主控单元控制站的主控单元 3.1.2 DCS控制站的控制站的输入输出输入输出单元单元 第第3 3章章 DCSDCS的控制站的控制站* *22223.1.1 DCS控制站的控制站的主控单元主控单元主控单元主控单元(MCU)是是 控制站的控制站的核心核心组成：组成：控制处理器控制处理器输入输出接口处理器输入输出接口处理器通信处理器通信处理器冗余处理器冗余处理器图 3.5 一种典型主控单元结构原理图在在DCSDCS系统中系统中, ,根据风险分散的原则根据风险分散的原则, ,按照工艺过程的相对独立性按照工艺过程的相对独立性, ,每个工艺段通常配置一对冗余的控制器每个工艺段

20、通常配置一对冗余的控制器, ,并且在设定的控制周期内并且在设定的控制周期内, ,循环地执行现场数据的采集、控制运算、控制指令的输出和人机循环地执行现场数据的采集、控制运算、控制指令的输出和人机界面的数据交换等任务。控制器是一个智能化的可独立运行的数界面的数据交换等任务。控制器是一个智能化的可独立运行的数据采集与控制的装置据采集与控制的装置, ,作为其核心的控制计算单元作为其核心的控制计算单元, ,主要由主要由CPUCPU、存、存储器、系统网络接口、控制网络接口等部分组成。储器、系统网络接口、控制网络接口等部分组成。(1) CPU(1) CPU目前各厂家的现场控制站的控制运算的主芯片普遍采用高性

21、能目前各厂家的现场控制站的控制运算的主芯片普遍采用高性能的的3232位的微处理器，常见的有位的微处理器，常见的有 Inte1486DXInte1486DX、Intel Intel Pentium133/233/266Pentium133/233/266、PowerPCPowerPC及及MC68030MC68030等，大多为美国摩托等，大多为美国摩托罗拉公司和英特尔公司生产的系列产品。很多系统还配有浮点罗拉公司和英特尔公司生产的系列产品。很多系统还配有浮点运算协处理器，因此数据处理能力大大提高，工作周期可缩短运算协处理器，因此数据处理能力大大提高，工作周期可缩短到到0.10.1O.2S, O.2

22、S, 并且可执行更为复杂先进的控制算法，如自整定并且可执行更为复杂先进的控制算法，如自整定、预测控制、模糊控制等。关于、预测控制、模糊控制等。关于CPUCPU的选择和评价，过去曾经有的选择和评价，过去曾经有过只看主频的错误倾向。事实上这样来评价过只看主频的错误倾向。事实上这样来评价CPUCPU是非常片面的。是非常片面的。一个主控制器是否性能优良，主要是看它在控制软件的配合下一个主控制器是否性能优良，主要是看它在控制软件的配合下，能否长期安全可靠地在规定的时间内完成规定的任务。一个，能否长期安全可靠地在规定的时间内完成规定的任务。一个效率低下的软件，即使在很高的主频下，也不可能得到很好的效率低下

23、的软件，即使在很高的主频下，也不可能得到很好的性能。另外工艺上也是问题，比方说，性能。另外工艺上也是问题，比方说，PentiumPentium芯片的散热问题芯片的散热问题就比就比486DX486DX的难解决，如果安装风扇，工业生产一般连续的难解决，如果安装风扇，工业生产一般连续2424小时小时运转，这样风扇寿命不过运转，这样风扇寿命不过1 12 2 年，又带来维护问题。年，又带来维护问题。(2) (2) 存储器存储器 存储器是具有记忆功能的半导体电路，一般分为存储器是具有记忆功能的半导体电路，一般分为ROMROM和和RAMRAM两大部分。两大部分。ROMROM中的内容中的内容一般是一般是DCS

24、DCS制造厂家写入的系统程序，通常情况下是一套固定的程序，它不仅将系制造厂家写入的系统程序，通常情况下是一套固定的程序，它不仅将系统启动、自检及基本的统启动、自检及基本的I/0I/0驱动程序写入驱动程序写入ROMROM中，而且将各种控制、检测功能模块、中，而且将各种控制、检测功能模块、所有固定参数和系统通信、系统管理模块全部固化，并且永远驻留在所有固定参数和系统通信、系统管理模块全部固化，并且永远驻留在ROMROM中。中。 DCSDCS启动后，首先由检查程序检查启动后，首先由检查程序检查DCSDCS的各部件操作是否正常，并将检查的结果的各部件操作是否正常，并将检查的结果显示给操作人员；然后，编

25、译程序将用户输入的控制程序变换成由微电脑指令组成显示给操作人员；然后，编译程序将用户输入的控制程序变换成由微电脑指令组成的程序，并对用户程序进行语法检查；最后执行监测控制程序。在控制器的存储器的程序，并对用户程序进行语法检查；最后执行监测控制程序。在控制器的存储器中，中，ROMROM占有较大的容量，一般达到几百占有较大的容量，一般达到几百MBMB。有的系统将用户组态的应用程序也固。有的系统将用户组态的应用程序也固化在化在ROMROM中，只要一加电，控制站就可正常运行，使用更加方便、可靠，但修改组中，只要一加电，控制站就可正常运行，使用更加方便、可靠，但修改组态方式要相对复杂一些。态方式要相对复

26、杂一些。 随机存储器随机存储器RAMRAM为程序运行提供了存储实时数据与计算过程中间变量的空间，为程序运行提供了存储实时数据与计算过程中间变量的空间，用户在线操作时需修改的参数（如设定值、手动操作值、用户在线操作时需修改的参数（如设定值、手动操作值、 PIDPID参数、报警界限等）参数、报警界限等）也需存入也需存入RAMRAM中；当前一些较为先进的集散系统为用户提供了在线修改组态的功能中；当前一些较为先进的集散系统为用户提供了在线修改组态的功能，显然这一部分用户组态应用程序也必须存入，显然这一部分用户组态应用程序也必须存入RAMRAM中运行。由于现场控制站一般不中运行。由于现场控制站一般不设磁

27、盘，上述后两部分内容一般存入具有电池后备系统的设磁盘，上述后两部分内容一般存入具有电池后备系统的SRAMSRAM中，当系统一旦掉电中，当系统一旦掉电时，可有效保持其中的数据、程序数十天不被破坏，这对于事故的查询及快速恢复时，可有效保持其中的数据、程序数十天不被破坏，这对于事故的查询及快速恢复系统正常运行是很重要的。系统正常运行是很重要的。RAMRAM的空间一般为数百的空间一般为数百MBMB至数至数GBGB。 在一些采用了冗余在一些采用了冗余CPUCPU的系统中，还特别设有一种双端口随机存储器，其中存的系统中，还特别设有一种双端口随机存储器，其中存放有过程输入放有过程输入/ /输出数据及设定值、

28、输出数据及设定值、PIDPID参数等；两块参数等；两块CPUCPU板可分别对其进行读板可分别对其进行读/ /写，写，从而实现了双从而实现了双CPUCPU间运行数据的同步，当在线的主间运行数据的同步，当在线的主CPUCPU出现故障时，离线出现故障时，离线 CPUCPU可立即可立即接替工作，并且对生产过程不会产生任何扰动，可以有效保证生产过程的正常控制接替工作，并且对生产过程不会产生任何扰动，可以有效保证生产过程的正常控制。 (3) (3) 系统网络接口系统网络接口 系统网络接口是控制器与操作员站、工程师系统网络接口是控制器与操作员站、工程师站等操作层设备通信的网络接口。过去的大多数站等操作层设备

29、通信的网络接口。过去的大多数DCSDCS制造厂商的系统网络都是专用的，并都宣称专制造厂商的系统网络都是专用的，并都宣称专用网络安全可靠，根本不允许接进另一方的系统用网络安全可靠，根本不允许接进另一方的系统网路。随着网络技术的不断发展，在网路。随着网络技术的不断发展，在2020世纪世纪9090年年代后期，新推出的代后期，新推出的DCSDCS系统产品中，都采用了工业系统产品中，都采用了工业以太网技术。经过长时间的运营和测试，工业以以太网技术。经过长时间的运营和测试，工业以太网的安全性和可靠性是完全有保障的，只需要太网的安全性和可靠性是完全有保障的，只需要在软件的应用层上采取一定的保护措施（如应答在

30、软件的应用层上采取一定的保护措施（如应答和重发）就可以了。采用工业以太网使得开放性和重发）就可以了。采用工业以太网使得开放性的应用更为广泛，并且应用成本也比较低，增强的应用更为广泛，并且应用成本也比较低，增强了产品的竞争力。了产品的竞争力。4) 4) 控制网络接口控制网络接口 控制网络接口是控制器与控制网络接口是控制器与I/OI/O单元进行数单元进行数据交换的网络接口。由于据交换的网络接口。由于DCSDCS需要进行大量需要进行大量 的模拟量和数字量的数据传输，而且每个的模拟量和数字量的数据传输，而且每个I/OI/O设备的数据量较大，所以控制网络接口设备的数据量较大，所以控制网络接口一般选择字节

31、型协议的通信网络，如一般选择字节型协议的通信网络，如ProfiBus-DPProfiBus-DP、ModbusModbus等现场总线网络。一等现场总线网络。一般情况下，般情况下，DCS DCS 标准配置都是双控制网络接标准配置都是双控制网络接口冗余运行，这大大加强了系统的可靠性和口冗余运行，这大大加强了系统的可靠性和安全性。安全性。(5)(5)主从冗余控制逻辑主从冗余控制逻辑 该部分电路用于控制互为备份的两台主该部分电路用于控制互为备份的两台主控制器的切换。由于过程控制对安全性和可控制器的切换。由于过程控制对安全性和可靠性的特殊要求，几乎所有的靠性的特殊要求，几乎所有的DCSDCS系统；其系统

32、；其标准配置都是双主控制器冗余运行，这和普标准配置都是双主控制器冗余运行，这和普通通 PLC PLC 只能是单控制器配置的结构是不同只能是单控制器配置的结构是不同的。该部分电路必须确保任一时刻有且仅有的。该部分电路必须确保任一时刻有且仅有一台主控制器的控制指令被输出到一台主控制器的控制指令被输出到I/0I/0设备设备。(6)(6)电源电路电源电路 主控制器的输入电源一般是主控制器的输入电源一般是24V24V直流电直流电源，需要将其变换成源，需要将其变换成5V5V直流或直流或3.3V3.3V直流，供直流，供主控制器上的主控制器上的ICIC芯片使用。芯片使用。第第3 3章章 DCSDCS的控制站的

33、控制站* *23233.1.1 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。MCU1MCU2第第3 3章章 DCSDCS的控制站的控制站* *24243.1.1 DCS控制站的控制站的主控单元主控单元MCU功能：功能：控制处理器控制处理器的功能是的功能是 运算、控制和实时数据处理；运算、控制和实时数据处理；输入输出接口处理器输入输出接口处理器与与 IOU之间互相通信，之间互相通信， 交换输入输出信息；交

34、换输入输出信息；第第3 3章章 DCSDCS的控制站的控制站* *25253.1.1 DCS控制站的控制站的主控单元主控单元MCU功能：功能：通信处理器通信处理器是是 控制站与控制站与CNET之间的通信接口，之间的通信接口，实现控制站与实现控制站与 CNET之间的信息交换；之间的信息交换；冗余处理器冗余处理器承担承担MCU1和和MCU2的的 故障分析与切换功能。故障分析与切换功能。 第第3 3章章 DCSDCS的控制站的控制站* *26263.1.1 DCS控制站的控制站的主控单元主控单元MCU结构：结构：模模板板 模模块块模模板板MCU模板或模块的模板或模块的 物理划分因物理划分因DCS而异

35、，而异， 可以分为可以分为4、3、2块，块， 甚至合并为甚至合并为1块。块。模模块块第第3 3章章 DCSDCS的控制站的控制站* *27273.1 DCS控制站的控制站的硬件硬件3.1.1 DCS控制站的控制站的主控主控单元单元3.1.2 DCS控制站的输入输出单元控制站的输入输出单元 第第3 3章章 DCSDCS的控制站的控制站* *28283.1.2 DCS控制站的控制站的输入输出单元输入输出单元输入输出单元输入输出单元(IOU)是是 控制站的控制站的基础基础组成：组成：模拟量输入模拟量输入(AI) 数字量输入数字量输入(DI)模拟量输出模拟量输出(AO) 数字量输出数字量输出(DO)脉

36、冲量输入脉冲量输入(PI) 串行接口串行接口(SI)结构：结构：模板或模块模板或模块模板模板插在卡笼内，插在卡笼内，模块模块用用DIN导轨连接或导轨连接或 用串行通信线连接。用串行通信线连接。 第第3 3章章 DCSDCS的控制站的控制站* *29291.输入输出模板输入输出模板(模块模块)IOP (input output processor) SCC (signal conditioner card)STC (signal terminal card)IOU组成组成： 输入输出处理板输入输出处理板(IOP) ：变换：变换 信号调整板信号调整板(SCC) ：隔离、放大或驱动：隔离、放大或驱动

37、 信号端子板信号端子板(STC) ：接线：接线IOU结构结构： IOP、SCC和和STC的结构的结构 因因DCS而异，而异， 可以分为可以分为3、2、1块模板。块模板。模模板板模模块块第第3 3章章 DCSDCS的控制站的控制站* *3030类型类型：模拟量输入板：模拟量输入板：4mA20mA DC，010mA DC； 热电偶输入板：热电偶输入板：S，B，R，K，T，E，J，等；，等； 热电阻输入板：热电阻输入板：Pt100，Cu50，等；，等；脉冲输入板：脉冲输入板：方波或正弦波，方波或正弦波，020kHz； 1.输入输出模板输入输出模板(模块模块)第第3 3章章 DCSDCS的控制站的控制

38、站* *31 31类型类型：开关量输入板：开关量输入板：接点，电平接点，电平，等，等；模拟量输出板：模拟量输出板：4mA20mA DC，010mA DC；开关量输出板：开关量输出板：接点，脉宽接点，脉宽，等，等；通信接口板：通信接口板：RS-232，RS-422，RS-485，等。，等。1.输入输出模板输入输出模板(模块模块)第第3 3章章 DCSDCS的控制站的控制站* *32321.输入输出模板输入输出模板(模块模块)冗余冗余：2块块IO同时工作，同时工作， 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。 模模块块1模模块块2模模板板1模模板板2第第3 3章章 DCSDCS的

39、控制站的控制站* *33332. MCU和和IOU互连互连MCU和和IOU之间之间通过串行输入输出总线通过串行输入输出总线(IOBUS)互连，互连， 图图3.2 输入输出总线输入输出总线 (IOBUS)AI:模拟量输入模拟量输入 TC: 热电偶热电偶 RTD: 热电阻热电阻 PI:脉冲输入脉冲输入 DI:数字量输入数字量输入 AO:模拟量输出模拟量输出 DO:数字量输出数字量输出 SI: 串行接串行接口口MCUCNETIOBUS420mA TCRTDMCUIOUPIAIAIAIDIAODOSIIOBUS类型：类型：RS-232，RS-422，RS-485，PROFIBUS-DP，LON，CAN

40、，等。，等。 冗余冗余IOBUS 第第3 3章章 DCSDCS的控制站的控制站* *3434DCS的现场控制站的现场控制站模拟量输入设备（模拟量输入设备（AIAI） AIAI设备是设备是DCSDCS系统控制常用的数据采集设备，现场传感器信号多样，与之相应系统控制常用的数据采集设备，现场传感器信号多样，与之相应也有多种也有多种AIAI接口设备，如图接口设备，如图3.63.6所示为一种典型的所示为一种典型的8 8路路AIAI模块接口电路，用于模块接口电路，用于接收接收4 420mA20mA电流信号或电流信号或O O5V/O5V/O10V10V电压信号。通过对电压信号。通过对AIAI电路原理的分析，

41、我们电路原理的分析，我们可以知道不同现场设备的接线方法，如图可以知道不同现场设备的接线方法，如图3.73.7所示为和利时公司所示为和利时公司FM148AFM148A模块接线图。模块接线图。A/D转换器85VCC24VVC0V0+I0+G0FUSE0通道26通道7通道A/D转换器85VCC24VVC7V7+I7+G7FUSE图3.6 典型的8路AI模块接口电路第第3 3章章 DCSDCS的控制站的控制站* *3535DCS的现场控制站的现场控制站（a）两线制电流信号接法 (b)四线制电流信号接法第第3 3章章 DCSDCS的控制站的控制站* *3636DCS的现场控制站的现场控制站(C)电压信号

42、接法图3.7 FM148A电压信号、电流信号接线图第第3 3章章 DCSDCS的控制站的控制站* *3737DCS的现场控制站的现场控制站 这些这些AIAI接口设备在使用时，除了要了解模拟信号处理的接口设备在使用时，除了要了解模拟信号处理的ADAD转换技术，结转换技术，结合工业控制的需要，还得了解以下一些内容。合工业控制的需要，还得了解以下一些内容。1. 1. 基本的基本的AlAl信号调理技术信号调理技术 AIAI设备用于将输入的模拟量值数字化，用于工业过程控制的基本设备用于将输入的模拟量值数字化，用于工业过程控制的基本AIAI设备设备有三类：热电阻有三类：热电阻(RTD)(RTD)输入设备、

43、热电偶输入设备、热电偶(TC)(TC)输入设备和变送器信号输入设输入设备和变送器信号输入设备，它们都统称为备，它们都统称为AIAI输入设备，其中输入设备，其中RTDRTD和和TCTC输入由于其信号电平较低，可输入由于其信号电平较低，可以统称为低电平以统称为低电平( (或小信号或小信号)AI)AI设备设备(Low Level AI),(Low Level AI),而标准变送器的电平值而标准变送器的电平值较高较高(4(420mA/O20mA/O5V/O5V/O10V)10V)，统称为高电平，统称为高电平( (或大信号或大信号)AI)AI设备设备(High (High Level AI)Level

44、AI)。 为了将各种类型和电平的为了将各种类型和电平的AIAI信号调整成模数转换器信号调整成模数转换器(Analog to (Analog to Digital Converter, ADC)Digital Converter, ADC)能够接受的标准电平，同时也为了滤除干扰信号，能够接受的标准电平，同时也为了滤除干扰信号，需要对这些原始信号进行信号调理需要对这些原始信号进行信号调理(Signal Conditioning)(Signal Conditioning)。这三种基本这三种基本AIAI设备的信号处理和转换流程如图设备的信号处理和转换流程如图3.83.8所示。所示。第第3 3章章 DC

45、SDCS的控制站的控制站* *3838DCS的现场控制站的现场控制站图3.8 工业过程的三种基本AI设备的信号处理流程第第3 3章章 DCSDCS的控制站的控制站* *3939DCS的现场控制站的现场控制站2. 2. 精度精度 首先我们来澄清三个概念。首先我们来澄清三个概念。精密度精密度(Precision)(Precision)：表示测量结果的随机表示测量结果的随机( (偶然偶然) )误差的大小。误差的大小。 正确度正确度(Correctness)(Correctness)：表示测量结果的系统误差大小。表示测量结果的系统误差大小。 准确度准确度(Accuracy)(Accuracy)：是系统

46、误差和随机误差的综合，表示测量结果与真值的一是系统误差和随机误差的综合，表示测量结果与真值的一致程度，也称精确度或精度。致程度，也称精确度或精度。 这三种概念之间的关系如图这三种概念之间的关系如图3.93.9所示。所示。图3.9 正确度、精密度和精确度之间的关系第第3 3章章 DCSDCS的控制站的控制站* *4040DCS的现场控制站的现场控制站用来衡量精度的指标有相对误差、绝对误差和引用误差等多种表现形用来衡量精度的指标有相对误差、绝对误差和引用误差等多种表现形式，在工业控制仪表和控制系统领域，最常用的表示方法是引用误差，式，在工业控制仪表和控制系统领域，最常用的表示方法是引用误差，其定义

47、如图其定义如图3.103.10所示。所示。图3.10 引用误差定义示意图第第3 3章章 DCSDCS的控制站的控制站* *41 41DCS的现场控制站的现场控制站 引用误差：满量程内的最大绝对误差除以满量程。引用误差：满量程内的最大绝对误差除以满量程。 国家标准国家标准GB/T13283-91GB/T13283-91工业过程测量和控制用检测仪表和显示仪表工业过程测量和控制用检测仪表和显示仪表精确度等级中描述了引用误差的定义和用法。常见的引用误差等级有精确度等级中描述了引用误差的定义和用法。常见的引用误差等级有0.1%0.1%、0.2% 0.2% 和和 0.5%, 0.5%, 分别简称为分别简称

48、为0.10.1级、级、0.20.2级和级和0.50.5级仪表或设备。级仪表或设备。DCSDCS厂家在表示其系统厂家在表示其系统AIAI的精度时，如果引用误差为的精度时，如果引用误差为0.1%, 0.1%, 国外厂家通常国外厂家通常表示为表示为“0.1%,F.S.0.1%,F.S.” 实际上指的就是引用误差，国内厂家一般表示为实际上指的就是引用误差，国内厂家一般表示为“0.1%, 0.1%, 满量程满量程”。由于精度还受环境温度的影响，该指标一般是室温。由于精度还受环境温度的影响，该指标一般是室温(25)(25)下的指标。下的指标。 最后必须指出的是，最后必须指出的是，AIAI精度是精度是AIA

49、I设备本身及所处环境因素的综合体现，设备本身及所处环境因素的综合体现，这些因素包含温度漂移、时间漂移和抗干扰。只看标准环境条件下这些因素包含温度漂移、时间漂移和抗干扰。只看标准环境条件下AIAI的精的精度指标，并不能真正反映度指标，并不能真正反映AIAI的精度品质。的精度品质。2. 2. 分辨率分辨率 分辨率分辨率(Resolution)(Resolution)是测量装置能感知和区分的最小变化量，对于采是测量装置能感知和区分的最小变化量，对于采用用A/DA/D转换器的转换器的 AIAI设备而言，分辨率就是采样数据最低位设备而言，分辨率就是采样数据最低位(LSB,Least (LSB,Least

50、 Significant Bit)Significant Bit)所代表的模拟量的值。分辨率以所代表的模拟量的值。分辨率以A/DA/D转换器的位数和量转换器的位数和量程程第第3 3章章 DCSDCS的控制站的控制站* *4242DCS的现场控制站的现场控制站表示，比如用表示，比如用1212位位A/DA/D转换转换0 05V 5V 信号信号, , 其分辨率为：其分辨率为：5V/4096=1.22mV5V/4096=1.22mV。一般地，。一般地，分辨率分辨率= =信号量程信号量程/2n/2n，其中，其中n n为为A/DA/D转换器的位数。转换器的位数。 3. 3. 稳定度稳定度 稳定度分为短时间

51、稳定度和长时间稳定度。其中短时间稳定度用于描述稳定度分为短时间稳定度和长时间稳定度。其中短时间稳定度用于描述AIAI设设备在噪声影响下的测量结果跳动，长时间稳定度用于描述备在噪声影响下的测量结果跳动，长时间稳定度用于描述AIAI设备的时间漂移。设备的时间漂移。 短时间稳定度：在一段短时间内，对于同一被测量值实施多次测量，测量值的波短时间稳定度：在一段短时间内，对于同一被测量值实施多次测量，测量值的波动范围动范围( (即最大值减最小值即最大值减最小值) )与量程之比，以百分比表示。与量程之比，以百分比表示。 长时间稳定度：对于同一被测量值，相隔较长时间长时间稳定度：对于同一被测量值，相隔较长时间

52、( (比如说比如说1 1年年) )用同一测量装置用同一测量装置进行测量，其引用误差漂移量与时间之比，单位为百万分之一每年进行测量，其引用误差漂移量与时间之比，单位为百万分之一每年(ppm/(ppm/年年) )。 4. 4. 温度漂移温度漂移 在所有环境因素中，对在所有环境因素中，对AIAI设备的精度构成严重威胁的因素是环境温度。我们设备的精度构成严重威胁的因素是环境温度。我们可以用温度漂移可以用温度漂移(Temperature Drift)(Temperature Drift)指标来衡量这种影响。指标来衡量这种影响。 AIAI设备精度的温度漂移的定义是：环境温度每上升设备精度的温度漂移的定义是

53、：环境温度每上升1 1，AIAI设备的引用误差可能设备的引用误差可能的最大变化量。温漂的量纲是：的最大变化量。温漂的量纲是：ppm/ppm/, ,即百万分之一每摄氏度。由温度漂移的即百万分之一每摄氏度。由温度漂移的定义可知定义可知: : 温度变化导致的引用误差的最大变化量温度变化导致的引用误差的最大变化量= =温度变化量温漂指标温度变化量温漂指标 第第3 3章章 DCSDCS的控制站的控制站* *4343DCS的现场控制站的现场控制站例如例如, ,在环境温度在环境温度2525条件下标称引用误差为条件下标称引用误差为0.1%0.1%的仪表的仪表, ,如果其温漂指标为如果其温漂指标为 100ppm

54、/100ppm/, ,则当环境温度变化到则当环境温度变化到3535时时, ,其引用误差将可能达到其引用误差将可能达到: :0.1%+(35-25)0.1%+(35-25)10010010-6=0.2%10-6=0.2%通过上式通过上式, ,提醒我们在阅读提醒我们在阅读DCSDCS制造厂的制造厂的AIAI指标时指标时, ,不要只看到不要只看到“0.1%,F.S.250.1%,F.S.25”, , 还要留意其温度漂移指标是多大。还要留意其温度漂移指标是多大。5. 5. 输入阻抗输入阻抗 对于对于AIAI设备来说，当用于测量电压信号时，输入阻抗的大小也会对测量精设备来说，当用于测量电压信号时，输入阻

55、抗的大小也会对测量精度带来影响。这是因为被测量的电压信号源都存在微小的等效内阻，该内阻与度带来影响。这是因为被测量的电压信号源都存在微小的等效内阻，该内阻与AIAI的输入阻抗是串联关系，当的输入阻抗是串联关系，当AIAI的输入阻抗不足够大时，信号源内阻上的电压的输入阻抗不足够大时，信号源内阻上的电压降就不可忽略，降就不可忽略，AIAI设备输入端得到的电压为开路时信号电压减去接通时信号源设备输入端得到的电压为开路时信号电压减去接通时信号源内阻上的压降，比真实值小。内阻上的压降，比真实值小。 一般要求一般要求DCSDCS的的AIAI设备的输入阻抗在设备的输入阻抗在100k100k以上以上(IEC6

56、1131-2(IEC61131-2仅要求仅要求1Ok1Ok以以上上), ), 这意味着当信号源的内阻在这意味着当信号源的内阻在1O1O以内时，最多引起万分之一的相对误差。以内时，最多引起万分之一的相对误差。 第第3 3章章 DCSDCS的控制站的控制站* *4444DCS的现场控制站的现场控制站6. 6. 电气隔离电气隔离 在一些场合，需要对在一些场合，需要对 AI AI 输入信号进行隔离处理，即切断现场与输入信号进行隔离处理，即切断现场与DCSDCS系统之系统之间的直接的电气连接，其目的如下：间的直接的电气连接，其目的如下：(1)(1)设备电气烧毁时不殃及设备电气烧毁时不殃及DCSDCS设备

57、。设备。(2)(2)现场设备对现场设备对DCSDCS系统之间存在高压时不损坏系统之间存在高压时不损坏DCSDCS设备。设备。 (3)(3)限制限制DCSDCS局部故障或损坏的扩散化。局部故障或损坏的扩散化。 (4)(4)切断现场设备接地点和切断现场设备接地点和DCSDCS系统接地点之间因接地电位差形成的地环电流，该系统接地点之间因接地电位差形成的地环电流，该地环电流导致地环电流导致AIAI设备输入端存在高共模电压，影响测量精度，有时甚至导致信号设备输入端存在高共模电压，影响测量精度，有时甚至导致信号不能通过前端仪表放大器。不能通过前端仪表放大器。(5)(5)当现场设备串入高压或本身就有高压时，

58、对当现场设备串入高压或本身就有高压时，对DCSDCS的维护人员提供人身保护。就的维护人员提供人身保护。就隔离的程度和范围来说，现场信号与隔离的程度和范围来说，现场信号与DCSDCS系统间的隔离可以分为以下几种。系统间的隔离可以分为以下几种。 路间隔离。每个信号通道之间的电气隔离，且各通道都与控制网络隔离。路间隔离。每个信号通道之间的电气隔离，且各通道都与控制网络隔离。 模块与模块间的隔离。模块与模块间的隔离。AIAI模块之间隔离，且各模块都与控制网络隔离，但同一模块之间隔离，且各模块都与控制网络隔离，但同一模块内的各通道之间不隔离。模块内的各通道之间不隔离。一列模块与另一列模块隔离。比方说这一

59、列模块与另一列模块隔离。比方说这5 5个模块与那个模块与那5 5个模块之间隔离，且所有个模块之间隔离，且所有模块都与控制网络隔离，但同一列的模块都与控制网络隔离，但同一列的5 5个模块之间不隔离。个模块之间不隔离。 站与站之间隔离。两个主控制站（一般装在不同的机柜中）之间隔离，但站内站与站之间隔离。两个主控制站（一般装在不同的机柜中）之间隔离，但站内设备之间不隔离。设备之间不隔离。第第3 3章章 DCSDCS的控制站的控制站* *4545DCS的现场控制站的现场控制站现场输入与现场输入与DCSDCS系统隔离。所有现场设备之间不隔离，但都与控制网络隔离。系统隔离。所有现场设备之间不隔离，但都与控

60、制网络隔离。 在上述五种隔离方式中，成本最高，、方式成本适中，只要柜内接地良在上述五种隔离方式中，成本最高，、方式成本适中，只要柜内接地良好，安全性和测量精度也能保证，就能广泛地被好，安全性和测量精度也能保证，就能广泛地被DCSDCS系统所采用。所以在系统所采用。所以在DCSDCS的的AIAI设备中，并不是所有的类型都必须要求提供路间隔离型设备，毕竟隔离型设备中，并不是所有的类型都必须要求提供路间隔离型设备，毕竟隔离型AIAI设备的成本要明显高于非隔离型，但某些情况下必须采用路间隔离型设备的成本要明显高于非隔离型，但某些情况下必须采用路间隔离型AIAI设备，设备，下面我们来分析哪些下面我们来分