,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 1
分散控制系统的主要硬件
第三章
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 2
本章扼要介绍 DCS的,
过程控制设备、人机接口设备、系统通讯设备。
第一节 过程控制设备
一, 过程控制设备的功能
过程控制设备是 DCS最基层 (直接控制级 )的
自动化设备。
其功能为,
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 3
1,对现场过程信号进行实时的数据采集, 噪音滤
除, 补偿运算, 非线性校正, 标度变换等处
理；
2,按要求进行累积量的计算, 上下限报警, 测量
值和报警值向通讯网络的传输；
3,接受上层通讯网络传来的控制指令, 并根据过
程控制的组态进行控制运算；
4,输出驱动现场执行机构的各种控制信号, 实现
对生产过程的数字直接控制, 满足生产中连
续控制, 逻辑控制, 顺序控制等的需要 。
5,实现手动操作的功能 。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 4
二, 过程控制设备的品种
在 DCS的应用中，用于过程控制级的设备有两
类品种,
可编程逻辑控制器 (PLC)﹑
可编程调节器等。
一是,DCS自身的,现场控制单元”,
二是：可纳入 DCS中应用的其它独立产品，即,
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 5
不同厂家的现场控制单元所采用的结构形式大
致相同 。 概括地说, 现场控制单元是一个以微处
理器为核心的, 按功能要求组合的各种电子模件
的集合体, 并配以机柜和电源等而形成的一个相
对独立的控制装臵 。
不同的 DCS生产厂家, 对自己系统中的过程控
制设备取有独特的名称, 如表 3— 1所示,
1．现场控制单元
是 DCS中与现场关系最密切最靠近生产现场的控
制装置。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 6
各典型系统的过程控制设备，其名称无一相同，为
叙述方便起见，下面将统称之为,现场控制单元,。
表 3 — 1 典型系统的过程控制设备
厂 商 系 统 名 称 过程控制设备名称
B a il e y C o n t r o l s I N F I- 9 0
P r o c e s s C o n t r o l U n i t
( 过程控制单元 )
W e s t in g h o u s e W D P F - II
D is t ri b u t e d P r o c e s s in g U n i t
( 分布式处理单元 )
L e e d s & N o rt h ru p M A X - 1 0 0 0
R e m o t e P r o c e s s in g U n i t
( 远程处理单元 )
S ie m e n s T e l e p e rm - M E
A u to m a t io n S u b s y s te m
( 自动子系统 )
F o x b o r o I /A S e ri e s 控制处理机和现场总线模件
H I T A C H H IA C S - 3 0 0 0
H IS E C - 0 4 M /L,M /F
高性能控制器
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 7
这种调节器的生产厂家和品种较多, 仅就控制回路的
能力而言, 有单回路, 双回路, 四回路, 八回路等区别 。
2．可编程调节器
是由微处理器,RAM,ROM,模拟量和数字量 I/O
通道、电源等基本部分组成的、外貌类似一般盘装
仪表的一个时间分享的微机控制装置。
该调节器具有,PID控制运算、信号选择控制、按预定
曲线控制等功能，可实现前馈、串级、单回路、多回路控
制，并可进行故障检测、报警、手动操作等。
该调节器一般设有异步通讯接口 (RS-232或 RS-422),使
之可与 DCS或其它上位机联网通讯。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 8
新型的 PLC还提供了模拟量输入, 输出通道和 PID等控
制算法, 可以实现连续过程的控制 。
3．可编程逻辑控制器 (PLC)
PLC是一种以微处理器为核心、具有存贮记忆
功能、可提供开关量输入、输出通道，能通过预
先编制好的程序来实现时间顺序控制或逻辑顺序
控制的数字化控制装置。
PCL取代以往复杂的继电器控制装臵。
PLC均已标准化、模块化、系列化。
PLC中的一个 I/O模块通常可输入或输出 16～ 64个点。
用户可根据需要灵活选配模块构成不同规模的 PLC。
PLC一般设有异步通讯接口 (RS-232或 RS-422),它既
可作为一个独立的控制站，也可以与 DCS通讯网络连接。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 9
一般，可编程调节器和 PLC尚不属于 DCS的配套产品，
此处不作详细介绍。而本节着重介绍现场控制单元。
现场控制单元一般是由机柜, 电源, I/O通道,
以微处理器为核心的功能模件等几部分组成 。
三,现场控制单元
一般是用金属材料 (如钢板 )制成的立式柜 。 柜
内装有 6～ 8层机架, 供安装电源和各种模件之用 。
每层机横向可插 4～ 12个模件 。
(一 ) 机柜
机柜通常应采取,电磁屏蔽、散热降温、柜内
温度自动检测与报警、防尘、防潮、防火、防腐蚀。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 10
使用机柜时保留一定数量 (约 10～ 15%)的扩展空间。
(二 ) 电源
1,交流电源
现场控制单元的供电来自 220V或 120V交流电
源，这个交流电源一般是由 DCS的总电源装臵分
配提供的。
交流电源经现场控制单元内的配电盘、断路
器给直流稳压电源及系统供电。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 11
为保证交流供电的稳定和系统的正常工作，
DCS通常采取了相应的可靠性措施,
采用两路互为冗余的单相交流电源供电；
采用交流电子调压器稳定电压；
采取正确合理的接地方式屏蔽干扰；
采用超级隔离变压器隔离电源干扰；
采用不间断电源 UPS保障连续供电。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 12
2,直流电源
不同厂家生产的现场控制单元内部各模件的供
电，均采用直流电源，但对直流电源的等级要求
不一，常见的有＋ 5V、＋ 12V、－ 12V、＋ 15V、－
15V、＋ 24V。 因此，现场控制单元内必须具备直
流稳压电源，将送来的交流电源转换为适应内部
各种模件需要的直流电源。
设备生产厂家不同，实现直流稳压电源的方
式也有异，一般有以下几种形式,
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 13
(1) 采用 1:1冗余配置的集中式直流稳压器；
(2) 采用主、从直流稳压电源，其中,
主电源 1:1冗余配臵,
实现交流 —— 直流转换送至母线
从电源 N:1冗余配臵,
实现直流 —— 直流转换送至模件
(3) 采用分立的直流稳压电源
这种电源以模件的形式插入机柜内各层的模
件槽位中。交流电经机柜内的电源引入盘直
接送到这些电源模件上，由此转换成所需电
压的直流电供其它模件使用。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 14
(三 ) I/O模件
为 DCS的各种输入 /输出信号提供信息通道的专
用模件，称为 I/O模件。
*、它是对生产现场的模拟量信号、开关量信
号、脉冲量信号进行采样、转化、处理成微处理
器能接收的标准数字信号。
I/O模件的基本作用,
*、将微处理器的运算输出结果（二进制码）
转换、还原成模拟量或开关量信号，去控制现场
执行机构。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 15
I/O模件是 DCS中种类最多、使用数量最大的
一类模件。众多的 I/O模件可归纳为以下几类,
模拟量输入模件,
模拟量输出模件,
开关量输入模件,
开关量输出模件,
脉冲量输入模件。
各类 I/O模件是根据信号及其处理要求而设计
的 。 因此, 在介绍 I/O模件之前, 有必要对信号形
式予以简单说明 。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 16
实际生产过程中需要监视和控制的物理量, 化
学量按其随时间变化的规律可分为以下三类,
1．信号形式
v
v
v
t t t
是指随时间推移周期
性重复出现短暂起伏
的过程量 。 如转速
测量变送器输出的信
号即为某一频率的脉
冲量 。
模拟量
是指那些随时间连
续变化的量。 如压
力、温度,…… 等
等。
开关量
是指只具有两个状
态的过程量。 如开
关的“合”与
“断”、设备的
“投”与“切”，
信号的“有”与
“无”等等。
脉冲量
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 17
(1)电流信号,
来自于各种温度, 压力, 位移等变送器 。
(2)毫伏级电压信号,
来自于热电偶, 热电阻或应变式传感器 。
(3)常规直流电压信号,
来自于一切可输出直流电压的各种过程设备 。
2．模拟量输入 (AI)模件
生产厂家和用途不同，每个 AI模件可接收 4～
64路模拟信号不等。模拟信号一般是传感器对现
场物理量或化学量检测，并由变送器将检测信号
转换而得的相应的电信号。
输入 AI的模拟量电信号有,
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 18
对多路输入的各种模拟电信号进行采样, 滤
波, 放大, 隔离, 输入开路检测, 误差补偿及必
要修正 （ 如热电偶冷端补偿, 电路性能漂移校正
等 ）, 向工程单位转化, 模拟量 /数字量转换, 以
提供准确可靠的数字量 。
AI模件的基本功能是,
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 19
3） A/D转换器：用来接收信号调理器送来的各路
模拟信号和某些参考输入 （ 如冷端
参考输入等 ）, 它由多路切换开关
按照 CPU的指令选择某一路信号输
入, 并将该路模拟输入信号转换成
数字量信号送给 CPU。
AI通道的主要组成部分,
1）信号端子板：其主要作用是用来连接输送现场
模拟信号的电缆。
2）信号调理器：是对每路模拟输入信号进行滤波、
放大、隔离、开路检测等综合处理，
为 A/D转换提供可靠的、统一的、
与模拟输入相对应的电压信号。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 20
目前, 新型的 AI模件采用了微处理器, 使其
功能得到扩展 。 这种 AI模件可通过便携式编程器
调整其运行软件去适应现场的各种测量条件, 也
可进行开平方运算等非线性补偿, ……, 使 AI模
件应用的灵活性和广泛性得以提高, 使备品的种
类与数量大幅度减小 。
图 3— 2给出了 INFI-90系统的一种通用 AI模件
功能框图 。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 21
à?
?ó
?÷
P 3
D? 1? μ÷? ì 1
D? 1? μ÷? ì 2
D? 1? μ÷? ì 1 6
?a ?? 2? ?? êa è?
?￡
?à
êa
è?
.
.
.
.
.
.
.
.
.
?′
á2
?D
oo
?a
?×
A/D
3a o ?÷
?é ±′ 3ì
?o ? à
′? ′￠ ?÷
?2 ì?
?? oú
′? ′￠ ?÷
?￠ ′￥
?ì ?÷
2? oó 2￠
D? ?? oú
′? ′￠ ?÷
?? ?ù
′? ′￠ ?÷
3ó 3ü ??
?ó ?ù
à? ?ó ?÷
P 2
I/O3 ó 3ü ??
LED
?? ê? ?÷
?￡ ?t μ×
?2? a ?×
模件上微处理器的主要功能为,
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 22
?选择隔离放大的输入参考,
?选择 A/D转换的通道, 及其冷端参考输入,
?设置各输入通道的类型和分辨率,
?读取 A/D转换的结果并给予必要的补偿或修正,
?驱动红 /绿 LED指示灯反映模件运行状态,
?通过 8位双列拔码开关确定模件在子总线上的地址,
?通过双口存贮器随时进行系统子总线数据的读写,
?进行模件的安全性完整性检查和 A/D转换器的校验 。
模件上微处理器的主要功能为,
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 23
3．模拟量输出（ AO） 模件
AO模件的主要功能,
把计算机输出的数字量信号转换成外部过程
控制仪表或装臵可接受的模拟量信号，用来驱动
各种执行机构控制生产过程，或为模拟式控制器
提供给定值，或为记录仪表和显示仪表提供模拟
信号。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 24
（ 1） 电压输出 。 其特点是速度快, 精度高 。
（ 2） 电流信号 。 适宜远距离传输 。
AO模件输出的信号形式有两种,
一般由输出端子板, 输出驱动器, D/A转换器,
多路切换开关, 数据保持寄存器, 输出控制器等
硬件予以实现 。
AO通道的组成,
图 3— 3给出了两个典型的 AO通道组成框图。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 25
接 口
电 路
I/O总线
数 据 保 持
寄 存 器
输 出
控 制 器
多 路 切 换 开 关
D/A
转换器
数字
锁存器
输出
驱动器
端 子 板
D/A
转换器
数字
锁存器
输出
驱动器
D/A
转换器
数字
锁存器
输出
驱动器
......,
......,
......,
......,
I/O总线
接 口
电 路
输 出
控 制 器
D/A
转换器
多 路 切 换 开 关
数字
锁存器
输出
驱动器
数字
锁存器
输出
驱动器
数字
锁存器
输出
驱动器
......,
......,
端 子 板
......,
每
路
信
号
都
设
置
独
立
的D/A
转
换
器
各
路
信
号
采
用
一
个
共
用
的D/A
转
换
器
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 26
4．开关量输入（ SI） 模件
SI模件的基本功能是,
根据监测和控制的需要，把生产过程中的某
些只有两种状态的开关量信号（如各种限位开关、
电磁阀门联动触点、继电器、电动机等的开 /关
状态）转换成计算机可识别的信号形式。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 27
一般为电压信号, 它可以是交流电压, 也可以
是直流电压 。 最常见的有,5VDC,12VDC,24VDC、
48VDC,125VDC和 120VAC等几种规格的输入, 允许
输入误差在 ± 10％ 左右 。
SI模件所接受的信号,
一般由端子板、保护电路、隔离电路、信号处
理器、数字缓冲器、控制器、地址开关与地址译
码器,LED指示器等组成,
SI模件的组成,
其基本结构如图 3— 4所示。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 28
I / O 3 ü ? ?
?ó ? ù
μ? á 2
?× ?? ?÷
?? 3 ó ° ?
±￡ o¤
μ? á2
·? ??
μ? á2
D? 1 ? ′ ￥ ? ì ? ÷
LED
?· ê? ?÷
μ× ? 2
á? ? ÷ ò ?
μ× ?2 ? a ?×
êy 3?
o1 3? ?÷
±￡ o¤
μ? á2
·? ??
μ? á2
±￡ o¤
μ? á2
·? ??
μ? á2
......,.....
......,.....
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 29
5．开关量输出（ SO） 模件
SO模件的基本功能,
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制或状态显示
的开关量信号。以控制现场有关电动机的启／停、
继电器的闭／断、电磁阀门的开／关、指示灯的
亮／灭、以及报警系统等的开关状态，可用来实
现局部功能组甚至整个机组自动启停的控制。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 30
一般由端子板, 输出电路, 输出寄存器, 控制
器, 地址开关与地址译码器, LED指示器等基本部
分组成,
SO模件输出的信号,
随生产厂家和型号不同而异，有 20VDC（ 10mA，
16mA）,24VDC（ 250mA）,60VDC（ 300mA） 等电
压等级的输出。
SO模件的组成,
如图 3— 5中所示；
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 31
I / O 总 线
接 口
电 路
控制器
端 子 板
驱动
电路
隔离
电路
数 据 选 择 器
LED
指示器
地 址
码 器 译
地址开关
故障
寄存器
驱动
电路
隔离
电路
驱动
电路
隔离
电路
.....,
故障
检测器
故障
检测器
输出
寄存器
状态
缓冲器
输
出
电
路
.....,
.....,
...,.,
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 32
在生产过程中, 有许多测量信号为脉冲信号,
例如：转速计, 罗茨式流量计, 涡街流量计, 涡
轮流量计, 计数装臵等的输出 。
6．脉冲量输入（ PI） 模件
将脉冲量转换成与之对应的且计算机可识别的
数字量。
各种 PI模件结构各异，但基本功能可由图 3-6
示之。
PI模件的基本功能,
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 33
?¨ê ± ? ? êy ?÷
±ê
3?
ê±
?ó
?T 2ù ?T à÷?T 2ù ?T à÷
?? D? á? 2¨?? D? á? 2¨
?à μ? ·? ???à μ? ·? ??
êy ? Y o 1 3 ? ? ? ′ ? ? ÷
?¨ê ± ? ? êy ?÷
....
..
....
..
I/O 3 ü ??
除此之外，有的 PI模
件还具有,
模件状态自检,
超时复位,
数据有效检验,
数据丢失处理
等功能 。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 34
当前, I/O模件正沿着进一步智能化的方向发展, 即
在 I/O模件上应用微处理器, 使其成为一个功能更强可独
立运行的智能化模件, 可以实现,
? 各路输入信号的自动巡回检测,
? 非线性校正和补偿运算；
? 输入与输出通道共一个模件；
? 集数据采集, 运算处理, 控制输出等为一体, 对若干
回路进行监测和控制, ……
这使得上一级微处理器承担的工作得到进一步分散,
从而大大节省了上一级微处理器的机时, 使系统的工作速
度进一步提高, 或使上一级微处理器有更多的时间处理更
为先进复杂的控制规律 。 这种功能上的进一步分散会使系
统的可靠性再度提高 。
I/O模件的发展方向,
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 35
功能模件是现场控制单元的核心模件, 是
I/O模件的上一级智能化模件 。 它通过现场控制
单元的内部总线与各种 I/O模件进行信息交换,
实现现场的数据采集, 贮存, 运算, 控制等功能 。
(四 ) 功能模件
功能模件基本结构如图 3— 7所示。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 36
中央处理
单元 随机存储器 RAM 其它功能 部 件
通讯接口
PI 模件
只读存储器
ROM
AI 模件 AO 模件 SI 模件 SO 模件
功
能
模
件
数 据 高 速 公 路
主 CPU 协 CPU
模 件 总 线
I/O总线
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 37
1、中央处理单元 CPU,
功能模件的组成,
是功能模件的处理指挥中心 。 即按预定的周期,
程序和条件对相应的信号进行运算, 处理, 对功
能模件和其它相关模件进行操作控制和故障诊断 。
采用高性能的 16位或 32位微处理器,
常采用 1:1冗余配臵 。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 38
2、只读存储器 (Read Only Memory简称 ROM）
为功能模件的程序存储器，用来 固定 存放支
持系统运行的（ I/O驱动、数据采集、控制算法、
时钟控制、引导、系统组态、模件测试诊断等）
程序。
系统一旦加电,CUP就能投入正常有序的工
作之中。
一般具有数百 K字节的程序空间。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 39
3、随机存储器 (Random Access Memory简称 RAM)
RAM为易失性存贮器, 缺点是断电后内部信
息全部丢失 。 为此, 工程相应措施,
为功能模件的工作存储器，用来 随机 存放程
序运行所需的（采集数据、设定值、中间和最后
运算结果、报警限值、手操值、整定参数、控制
指令等）可在线修改的实时参数。
使存储器内容既可随时改写，又在掉电时不丢失。
(1) 应用电可擦可编程只读存储器 EEPROM
(3) 应用磁介质存储器。
(4) 应用具有后备电池的随机存储器 SRAM。
(2) 应用非易失性随机存储器 NOVRAM。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 40
4、模件总线
是模件所有数据、地址、控制等信息的传输
通道。流行的有,
INTEL公司的多总线 MULTIBUS
,EOROCARD”标准的 VME总线
PC总线 (ISA总线 )
STD总线
用来实现功能模件与系统数据高速公路, 冗
余功能模件等的连接 。
5．通讯接口
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 41
并行数据串行化与发送,
串行数据接收与并行化,
信息的编制 (插入和删除 ),
信息的奇偶校验和检错 。
由于,数据高速公路上的信息以位 串行 方式传送,
功能模件内总线上的信息以 并行 方式传送
因此，通讯接口具有以下功能,
通讯接口与功能模件内部的数据传送一般采用直接存
储器存取 (Direct Memory Access,简称 DMA)传送方式,
该方式是存储器 RAM与外设直接进行并行数据 ←→ 串行数
据传送, 而无需 CPU介入的传送方法 。 这是一种快速交换
大量数据的传送方法 。 但它受到存储器的存储速度限制 。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 42
该通讯接口的基本工作步骤,
通讯接口的基本功能框图如图 3— 8所示,
2￠ D êy ?Y
o1 3? ?÷
μ÷? ? /μ ÷? à
?× ??
2￠ ?í /? ó ê?
?× ? ?
DMA
?× ?? ?÷
μ÷? ? /μ ÷? à ?÷
2￠ ?í /? ó ê? ?÷
?? ?? D￡ ?é ?o μ? 2￠ ?í /? ? ?é
D? ? ￠
±′ ? ?
2￠ /′ ?
3a o
?￡
?t
3ü
??
?′? êa ?? ?ó
′? êa ó￥ ′e
?? 3ì í¨? ?
·? ?? ?? á2
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 43
(1) DMA控制器向 CPU发出, 总线请求, 信号；
(2) CPU收到请求信号后, 向 DMA发出, 总线响应, 信号；
(3) CPU将模件总线的使用权让出, 移交给 DMA控制器管理 。
(4) DMA控制器向提出请求的外设发出, 传输应答,, 允许
进行数据传输；
(5)在 DMA控制器的控制下, 外设通过发送 /接收器, ……,
模件总线等与存储器 RAM直接进行数据传输；
(6)设定的字节数传送完毕, DMA控制器撤消向 CPU的, 总
线请求,, 再由 CPU重新管理模件总线, 进入正常工作 。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 44
2、具有显示操作的功能仪表。
第二节 人机接口设备
人机接口设备是人与系统互通信息、交互作
用的设备。
分散控制系统的人机接口设备一般有两种形式,
1、以 CRT为基础的显示操作站。又可划分为,
操作员接口站
(Operator Interface Station简称 OIS),
工程师工作站
(Engineering Working Station简称 EWS)等
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 45
是一个设臵在机组的集控室内的操作员工作
台,是运行操作人员与生产过程之间的一个交互
窗口 。 它把系统的绝大多数显示和操作内容集中
在 CRT的不同画面和操作键盘上,从而使运行操作
人员的控制台盘体积, 人工监视面大大减少,且
对系统的操作也更为便利化 。
一、操作员接口站 (OIS)
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 46
（一） OIS的基本功能与基本结构
基本功能包括,
1、收集各现场控制单元的过程信息，建立数据库；
2、自动检测和控制整个系统的工作状态；
3、在 CRT上显示各种参数、画面以及用户自定义；
4、各种制表打印、曲线打印以及 CRT的屏幕拷贝；
5、可在线变量计算、控制方式切换，可实现 DDC控制、逻
辑控制和设定值指导控制等；
6、进行生产效率、能源消耗、设备寿命、成本核
算,…… 等综合计算，实现生产过程管理；
7、具有磁盘操作、数据库组织、显示格式编辑、程序诊
断处理等在线辅助功能。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 47
OIS主要由,
? 高档微处理器 (CPU),
? 信息存储设备 (RAM,ROM,硬磁盘, 软磁盘, 光盘等 ),
? CRT显示器, 报警器,
? 记录设备 (打印机, 拷贝机 ),
? 操作键盘, 鼠标或轨迹球,
? 通讯接口以及固定这些设备的台架 （ 操作台 ） 等构成 。
基本结构 如图 3— 9所示,
ROM
语音报警
装置
鼠标,
轨迹球 键盘 CRT 打印机 拷贝机
通讯接口 光盘 软磁盘 硬磁盘 CPU RAM
内 部 总 线
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 48
操作员接口站实际上是一个融当代先进的计
算机技术,CRT图形显示技术、内部通讯技术为一
体的、适应过程控制需要的专用计算机子系统。
操作台由金属的骨架和板材制作, 既是固定
和保护计算机和各种外设的设施,又是运行操作人
员经常性工作的台面 。 操作台的设计应满足,
（二）操作台
1、设备固定和保护的要求；
2、高度和倾斜尺寸适合于操作人员长期工作
的要求；
3、外观美观大方,保持优雅工作环境的要求。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 49
操作台的典型型式
1,桌式操作台
(如 WDPF-Ⅱ 系统的操作台 )
操作台呈桌子式样,
桌台面上放臵 CRT显
示器、操作键盘、
鼠标等,而微处理机
系统及其电源系统
臵于桌面下方机柜
内。
鼠标或
轨迹球
彩色 CRT
操作键盘
机柜
WDPF— Ⅱ 系统操作台
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 50
彩色
CRT
操作
键盘
机柜
报警
显示盘
软驱与
键盘接口
鼠标或
轨迹球
操作台将 CRT显
示器, 微处理
机系统及其电
源系统等集成
一体,
2,集成式操作台
(如 INFI-90系统的操作台 )
INFI— 90系统操作台
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 51
目前,300MW火电机组的分散控制系统中,操
作员接口站一般采用了 5～ 7个左右操作台,集中
布臵在控制室的操作员工作区域内 。
除上述型式的操作台外,实际应用中也不乏
其它型式的操作台,如具有两个 CRT的双屏操作台
等。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 52
一般, 操作员接口站随着计算机技术的发展大
都使用当代先进的微处理器, 其位数, 主频, 内存
容量, 外存设备皆在不断升级 。
（三）微处理器系统
操作员接口站常采用多处理器结构形式。如,
? MAX-1000系统采用了图形处理器、应用处理器和实时处
理器；
? I/A的 WP30操作员站采用了主处理器、数字处理器和图形
处理器；
? HIACS-3000系统采用了专用的浮点协处理器和图形协处
理器。
用以实现功能的进一步分散和保证信息处理
速度达到规定的要求 。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 53
（ 四 ） 显示处理设备
包括,CRT显示器, 液晶显示器, 背投显示
器, 大屏幕墙挂显示器等 。 显示器的尺寸, 颜色,
分辨率在不断提高 。
图形显示的几种实现方式,
（ 1）采用普通图形控制卡
（ 2）采用智能图形控制卡
（ 3）采用智能图形终端
1,键盘 。 多采用表面覆盖聚酯, 有防水防尘能
力, 有明确图案或字符标志的工程化, 触摸式,
平面薄膜键盘 。 该键盘无机械触点,可靠性高,
至少可正常工作 100万次 。
（五）输入设备
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 54
INFI-90系统的操作员键盘如图 3-15所示,
A
A B C D H I
N
M L K J G F E
S X V Y W Z R P Q T O U
PAN Zo
TB
SSS AS
Fo MA
Ca
Ra
Cm
OUT
SET
TAB
AA
PA
Si Ca SC G/G NP Re
OP Di PP Ma Ba
De Tu MM CLM GFM
He DS $ 4
A
13
A
14
A
15
A
16
A
5
A
6
A
7
A
8
A
9
A
10
A
11
A
12
A
4
A
3
A
2
A
1
ESC Cl En
>
-
<
=
)
0
(
,
,
+
#
3
@
2
!
1
/
,
9
&
7
'
*
"
6
%
5;
8
Sp SL
Sh
Ho
Cu
报警确认 消音
功能区 字母区
显示区 控制区 数字区 光标区
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 55
是安装在 CRT屏幕表面上的一个细网络状敏
感区 (敏感区一般采用透明接触线, 红外线发射
/接收器, 薄膜导体或电容敏感元件 ),它与相
应的外围电路 (触摸屏控制卡 )配合起来, 可以
识别运行操作人员的手指接触屏幕的位臵,运
行操作人员只要用手指接触该屏幕上的某一区
域,就可以达到操作该区域显示内容的目的 。
INFI-90系统的触摸屏如图 3-16所示,
2、触摸屏
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 56
触屏控制卡 1
多总线键盘模件
触屏控制卡 2
CRT 触摸屏
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 57
3、鼠标或轨迹球
是专门用于显示器上的光标移动的设备。尽
管在输入键盘上设有光标移动键,但应用鼠标或轨
迹球移动光标更为便捷。所以,操作员接口站一般
都配备这种输入设备。
简称外存, 是主机内存 (ROM,RAM)的补充 。 用
以扩大信息存储容量, 保证信息存储, 永久性, 。
（六）外部存储设备
任何一种形式的外存大都由三部分组成。如图
所示,
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 58
存储控制器
驱动器
存储介质
是数据信
息的载体,它在
存储控制器和
驱动器的控制
下实现数据信
息的加载或卸
载 。
是主机 CPU
与驱动器之间的
接口，它用来接
收和解释 CPU的
指令，检测系统
状态，向驱动器
发出控制读 /写
的信号。
是使信息检测
传输元件 (如磁头 )
和存储介质运行
的驱动机构。用
以确定数据信息
读或写的物理位
置,实现状态检测、
数据读 /写的操作。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 59
目前,在 DCS中应用的外存主要有,
硬磁盘,其盘径有 14″, 8″, 5.25″, 3.5″
等几类品种；
软磁盘,其盘径有 8″, 5.25″, 3.5″ 等几类
品种；
磁带, 宽度约 1/2英寸,长度有 200,600、
1200,2400英尺几种 ；
光盘, ?,磁光盘, 或, 光软盘, MOD
一个 3.5″ 的 MOD盘的存储容量可达 100MB。
?相变光盘 PCD
存储容量在 600MB左右。
存储容量达 650MB
?只读光盘存储器 CD-ROM
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 60
（七）打印 /拷贝输出设备
黑白打印机 —— 生产记录和报警记录采用,
彩色打印机 —— CRT画面打印则采用。
打印机,
CRT画面的记录,
彩色视频拷贝机,
制作 CRT显示内容的幻灯片
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 61
是操作员接口与现场控制单元或网络上的
其它工作单元进行信息交流,从而获取系统控
制过程和设备状态的实时数据,并对生产过程
进行控制操作的必备专用电子模件 。
INFI-90系统操作员接口站的通讯接口如图
3-18所示,
（八）通讯接口
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 62
环路模件
（ IIMLM01）
通讯环路
模件
（ IIMCL01）
通讯处理
模件
（ IIMCP01）
（或 IIMCP02）
网
络
操作员 接口站
(OIS)
(1) 为核心模件 。
接受 OIS 发出的
,请求发送数据,
或, 请求接收数据,
的命令,处理和传
输有关数据 。 该模
件包含一个数据传
送的库,以便与 OIS
和网络上的其它工
作单元进行通讯 。
(2) 是一个通讯组
态模件 。 模件上设
有组态开关,通过这
些组态开关的位臵
(断 /通 ),确定 OIS在
网络上的节点号,
网络编号, 网络类
型, 测试运行方式
等,以保证通讯处理
模件与环形网络正
确通讯 。
(3) 是
一个端
子单元,
是 OIS与
网络通
讯的物
理接口 。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 63
二, 工程师工作站 （ EWS）
为方便 DCS运行工程师工作而提供的一种
专用设备。是一个硬件和软件一体化的人机接
口，专门用于系统设计、开发、组态、调试、
维护和监视。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 64
（一） EWS的基本功能
1,系统组态,确定硬件组态、连接关系、控制逻辑和
控制算法等。
实现对操作员接口进行组态。
4、文件编制,支持表格数据和图形数据两种格式的文
件系统；支持工程设计文件建立和修改；
支持文件编制的硬件设备 （ 例如打印
机 ）, 可以输出所感兴趣的文档资料 。
5、故障诊断,自动识别 DCS中任何一个设备的故障；确
定故障的类型和故障的严重性；快速处
理查错信息 。
2,OIS组态,
3,在线监控,具有 OIS的全部在线监控功能 。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 65
（二） EWS的基本构成
一般说来,EWS有两种基本型式,
1,EWS与 OIS合为一个整体。
例如,WDPF系统采用。
2,EWS相对独立。
例如,HIACS— 3000,INFI— 90等系统采用。
无论何种型式的 EWS,其硬件配臵大同小
异, 基本结构如图 3— 19所示 。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 66
ROM
CPU
RAM
总
线
绘图仪
打印机
CRT 彩色显示 器
工程师 键盘
鼠标
软盘 驱动器
硬盘及驱动器 显示卡
协处理器
通讯接口
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 67
三、功能仪表
除上述的 OIS和 EWS外, DCS还具有实现某些特
定功能的人机接口设备 。 这类设备有两种典型的
结构型式,
A,安装在控制盘台 (或机架 )上的模件式装臵,
B,手持的便携式装臵 。
这是为方便现场组态、参数调整、专项监视和
实现手动直接控制等而设臵的 功能仪表 。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 68
（ 一 ） 组态调整装置
不同的 DCS,组态调整装臵所采用地结构型式
也有别, 或是便携式或是模件式, 如图 3— 20所示 。
是 DCS工程设计和维护的一种终端设备，是对
DCS进行控制策略更改、控制回路组态、控制参数
调整和系统故障诊断的就地工具，是以微处理器为
核心的低层工程师接口。
组态调整装臵一般由微处理器、存储器、显示
器及其接口、键盘及其接口、通讯接口、外设接口
等组成。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 69
4 C
U 5, 7
1 1 8
1 2 3
4 5 6
7 8 9
0 C,
U
S E
R E +
[ ]
ENTE
OFF
TUNE
ADD
7
-
3 2 1
6 5 4
9 8
0,
EXEC CONF ON
F4 F3 F2 F1
MONI SEDD ADDR CLEA
Baliey Controls
NEXT S.F,
DELE
MODI
PREV
显示屏
4行，每行
16个字符簘
4个功能键
（ F1— F4）
专用
性能
方式
按键
（ 1）模件式 （ 2）便携式
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 70
(二 )模拟量控制站
常规控制系统中，设臵有许多模拟量控制的自
动 /手动切换操作器，当自动控制设备出现故障时
可通过这些操作器手动控制生产过程。而在 DCS中，
这一功能由模拟量控制站来实现。作为系统的后
备控制手段。
图 3— 21示出了一种典型的模拟量控制站结构 。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 71
AUTO
VAR
SEL
TAG
MAN
CMPTR ALARM ACK
100
90
40
80
70
60
50
30
20
10
0
100
90
40
80
70
60
50
30
20
10
0
90
100
70
60
50
20
40
30
0
10
80
VAR
SET
OUT
DEV
TR1
SET
CAS
RAT
AUT
TR2
OUT
M A
字母数字
显示窗口
固定螺栓
给定值
过程
变量
控制
输出
指示器
手动超
驰开关
模拟量控制
站实际上是一个
模件式装臵，通
常安装在火电厂
控制室的操作台
或立盘上，它与
外部的所有联系
均通过其尾部连
接器实现 。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 72
（ 1） 对模拟量控制站的运行方式进行选择 。
（ 2） 对模拟量控制回路进行自动 /手动方式无扰
切换, 给定值设臵和远方手动控制 。
（ 3） 对模拟量过程变量, 给定值, 控制输出以
及模拟量控制站运行方式等进行监视 。
（ 4） 对模拟量参数超限, 通讯故障等进行报警 。
模拟量控制站的主要功能,
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 73
是一个开关量操作站, 是可以对逻辑系统
进行操作的带按钮和指示器的逻辑控制器 。 它
是由一块面板和一块与面板相连的印刷电路板
组成的盘装仪表 。
（三）数字逻辑站
图 3— 22示出了数字逻辑站的一种典型结构。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 74
故障
指示
状态灯 按键 1 B1
A8
A7
A6
A5
A4
A3
A2
A1
B8
B7
B6
B5
B4
B3
B2
按键 2
按键 3
按键 4 按键 8
按键 7
按键 6
按键 5 ① 控制开关量系统的
启停 （ 如控制单个
油喷燃器 ） ；
② 作为顺序控制系统
的输入指令或确认
信号；
③ 作为系统中重要开
关量的手动后备操
作工具 。
前面板上有,
1个本站故障指示灯,
8个操作按钮开关,
16个输出状态 LED指示灯。
数字逻辑站的主要作用,
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 75
（四）数字指示站
是一个模件式盘装仪表，它只能显示确定的
接入信息，但不能干预生产过程，其作用相当于
常规控制系统中的显示仪表 。
在 DCS中，数字指示站用来监视一些与闭环
控制回路无关的过程变量、进行报警显示和故障
显示。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 76
典型数字指示站的
结构如图 3— 23所示 。
数字显示屏
按键 2
通道标签
高限
报警 100 90
40
80
70
60
50
30
20
10
0
100
90
40
80
70
60
50
30
20
10
0
100
90
40
80
70
60
50
30
20
10
0
通道指示
按键 1
通讯中断指示灯
低限报警
指示器
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 77
第三节 系统通讯设备
数据通讯是将生产过程的检测, 监视, 控制,
操作, 管理等各种功能有机地组成一个完整实体
的必要纽带 。
在 DCS中, 数据通讯必须满足过程控制的可靠
性, 实时性和适用性的基本要求,所有这些皆是
借助于通讯设备实现的 。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 78
一, 通讯接口
DCS各节点 （ 现场控制单元, OIS,EWS、
计算机 …… 等 ） 之间的连接与联系, 主要是依
靠通讯接口通过本系统网络来实现的 。 通过通
讯接口各节点可以从 （ 向 ） 网络获取 （ 发送 ）
信息, 实现与网络的信息交换 。
通讯接口是各种 DCS必备的基本硬件，只是
因系统而异通讯接口的品种和实现方法有所不同，
但满足系统中各种类型节点连接网络的要求、达
到互通信息的目的是一致的。
下面以 INFI— 90系统为例予以说明,
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 79
?网络通讯子模件,
?计算机通讯传输模件,
?现场控制单元的网络处理模件,
?网络 — 网络间的本地接口模件,
?网络 — 网络间的远程接口模件。
INFI— 90系统提供了,
其中，网络通讯子模件是核心模件，它与以
上其它模件有机地组合，可形成满足不同通讯需
要的通讯接口单元。例如,
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 80
它是由一个网络通讯子模件和一个网络处理模
件所组成的通讯接口单元实现的, 使现场控制单
元的各种主模件可与网络进行信息交换, 完成其
控制策略 。 如图所示 。
节
点
节
点
INFI-NET
通讯接口单元
现场控制
单元
网络通讯子模件
网络处理模件
1、现场控制单元与网络的通讯
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 81
μμ
μμ
μμμμ
RS-232C
IEEE488
μè
Mac II
?? ?á oú
INFI-NET
í¨? ? ?ó ?ù μ¤ ?a
?? ?á oú
í¨? ? ′?
êa ?￡ ?t
í? á? í¨? ?
3ó ?￡ ?t
它是由一个网络通讯子模件和一个计算机的通
讯传输模件所组成的通讯接口单元实现的, 可使系
统的主计算机以及网络以外的 PC机, 可编程序控制
器 （ PCL） 等与网络进行信息交换 。 如图所示 。
2,计算机与 INFI— 90网络的通讯。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 82
它是由两个网络通讯子模件和一个网络 — 网
络间的本地接口模件所组成的通讯接口单元实现
的 。 可使两个距离较近的 INFI— 90网络进行信息
交换 。 如图所示 。
INFI-NET INFI-NET
本
地
传
输
模
件
通讯接口单元
点
节
点
节
点
节
点
节
网络通讯
子模件
网络通讯
子模件
3,本地网络之间的通讯。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 83
它是由两个网络通讯子模件和两个网络 — 网络
间的远程接口模件所组成的通讯接口单元实现的,
使两个距离较远的 INFI— 90网络进行信息交换 。 如
图所示 。
节
点
节
点
INFI-NET
节
点
节
点
INFI-NET
通讯接口单元 通讯接口单元
远程传
输模件
远程传
输模件
网络通讯
子模件
网络通讯
子模件
4,远程网络之间的通讯。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 84
新一代 DCS正朝着开放式系统发展。开放式系统
的主要特性是它在通讯技术上采用开放式结构,提
供了专用的通讯接口,使之可与早期的、已在应用
的、其它公司的、不同系列的 DCS产品或各种控制
设备进行通讯。
开放式结构能将多种控制设备集成为一体化的
控制系统和形成统一的管理数据库，为实现全厂控
制、管理的综合自动化和有效的目标管理奠定了物
质基础。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 85
二, 通讯介质
通讯介质是连接系统各个站点的物理信号通
道。 DCS对通讯介质有着较高的要求，即通讯介质
的频带宽，信号传输的时间延迟小，能满足高速
传输的需要，能避免信息在传输过程中因共模和
串模干扰所引起的信号混叠或丢失等等。
在 DCS中,数据通讯普遍采用的通讯介质有以
下几种,
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 86
（一）双绞线
铜导
线
绝缘
层
屏蔽
护套
绝缘
护套
适应于低速传输场合,
最大带宽约 100kHz— 1MHz,
传输速率一般小于 2Mbps。
模拟信号传输时每 5— 6km要有一个放大器,
数字信号传输时每 2— 3km需要一个转发器。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 87
（二）同轴电缆
内
导
体
中间
绝缘
体
外屏蔽
导体
外绝
缘层
宽带同轴电缆既可用于模拟传输 （ 如视频信号传
输 ）, 也可用于数字传输, 当用于数字传输时,
其传输速率可达 50Mbps。
同轴电缆大致可分两类,
1、基带同轴电缆 （如 50Ω 同轴电缆）
专门用于数字传输，传输速率可达 10Mbps。
2、宽带同轴电缆 （如 75Ω 同轴电缆）
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 88
（三）光缆
内
芯
覆
层 合成 钎维层
绝
缘
层
光缆中的信息是以光的形式传输的, 它对电
磁干扰几乎毫无反应 。 光缆的数据传输速率 高
达几百 Mbps,在不用转发器的情况下, 光缆可
在几公里范围内传输信息 。
主要缺点是分支、连接比较困难和复杂，需采
用专用的光缆连接器。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 89
三种通讯介质的特点,
介质
项目 双绞线 同轴电缆 光缆
传输介质价格 较低 较高 较高
连接件价格 低 较低 高
标准化程度 高 较高 低
连接 简单 需专用连接器 需复杂连接器和工艺
敷设 简单 稍复杂 简单
抗干扰能力 较好 很好 特别好
环境的适应性 较好 较好 特别好
适用的网络 环形网 总线型或环形网 目前多用于环形网
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 90
第四节 300MW火电机组 DCS的硬件配置实例
一、被控对象概况
（一）锅炉及其辅助设备
锅炉为引进美国 GE公司技术制造的亚临界、一
次中间再热、自然循环、单炉膛、煤粉燃烧锅炉。
锅炉的最大连续负荷额定参数（ B-MCR） 为,
主蒸汽流量,1025.7 t/h
主蒸汽压力,18.3 Mpa
主蒸汽温度,541 ℃
再热蒸汽流量,834.8 t/h
再热器进 /出口压力,3.83/3.62 Mpa
再热器进 /出口温度,322/541 ℃
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 91
锅炉的燃烧方式为,
摆动式喷燃器，四角布置，切圆燃烧。
主蒸汽采用二级喷水方式调温,
再热蒸汽采用烟气挡板 +事故喷水调温。
燃料燃烧系统,
三层点火器、三层油燃烧器、四层煤粉燃
烧器。
锅炉的主要辅助设备如表 3— 8所示。
蒸汽调节方式为,
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 92
表 3 — 8 锅炉主要辅助设备
设备名称 数量 （台） 容量 （ B-MCR ） 其它说明
送风机 2 50% 定速、电机驱动、轴流式、可调叶片
引风机 2 50% 定速、电机驱动、轴流式、可调叶片
一次风机 2 50% 定速、电机驱动、离心式
给煤机 4
磨煤机 4 钢球磨煤机
排粉机 4
给粉机 16
空气预热器 2 50% 三分仓、回转式
除尘器 2 四电场电气除尘器
汽动给水泵 2 50%
电动给水泵 1 50% 带可调速的液力耦合装置
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 93
汽轮机的最大连续负荷参数（ T-MCR） 为,
（二）汽轮机及其辅助设备
汽轮机为引进美国西屋电气公司技术制造的亚
临界、一次中间再热、单轴、双缸、双排汽、凝汽
式汽轮机。
额定功率,300 MW
最大功率,326 MW
主汽门前蒸汽压力,16.7 Mpa
主汽门前蒸汽温度,538 ℃
再热蒸汽温度,538 ℃
额定转速,3000 r/min
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 94
三台高加、四台低加、一台除氧器。
主要辅助设备包括,
汽轮机旁路系统,容量为：锅炉最大连续负荷的 40%
回热系统,
定子绕组采用水内冷,
转子绕组采用氢内冷,
铁芯极其它构件均为氢表面冷却 。
（三）发电机
发电机为引进美国西屋电气公司技术制造。
发电机的主要参数为,
额定功率,300 MW
最大功率,330 MW
额定转速,3000 r/min
冷却方式为,
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 95
二,机组仪表和控制系统的基本要求
（一）运行方式要求
1,能带基本负荷运行；
2,在负荷需要和周波变化时，可调整基本负荷；
3,能带周期循环负荷运行。（即：白天带满负
荷或按要求负荷运行，夜间减负荷或带最小
燃煤负荷）；
4,能滑压运行和定压运行。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 96
1,采用直接进口的 DCS实现四个功能系统, 即：数据
采集系统 （ DAS）, 模拟量控制系统 （ MCS）, 顺序控制系
统 （ SCS） 和燃烧器管理系统 （ BMS） 。
2,采用上海新华电站控制工程有限公司制造 （ 引进
西屋公司技术 ） 的数字电液控制系统 （ DEH）, 实现汽轮
机的速度和负荷控制, 应力计算与控制, 阀门管理, 超速
保护, 阀门试验和自动汽轮机控制 （ ATC） 。
（二）控制设备要求
根据我国的实际国情,300MW机组的控制设备
绝大多数按如下要求选择,
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 97
3,采用汽轮机厂商成套提供的电液控制系统 （ MEH）,
实现锅炉给水泵的小汽轮机控制 。
4,采用瑞士苏尔寿公司提供的旁路控制系统 （ BPCS）
控制汽轮机的旁路系统 。
5,采用必要的常规仪表和硬手操设备, 确保在 DCS或
CRT系统故障不能投运时机组安全停机 。
（三）系统布置要求
仪表和控制系统在布臵上的基本要求为,
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 98
1,锅炉、汽轮机、发电机和有关的辅助系统采用集中
控制方式，可在主控制室内控制整个机组的运行；
2,机组的控制台和控制立盘分开布置,DCS的操作员接
口站、手动 /自动操作站,DEH系统的嵌入盘等，布
置在机组控制盘台上。
1,在不同的运行方式中, 顺序控制可实现机组的启,
停和运行 。
2,机组的启, 停, 正常运行以及非常运行情况的处理,
只需少量运行人员在控制室内干预和协助就能实现 。
3,机组的所有自动控制, 集中监视, 远方手动操作,
均能在控制室内满足各种运行方式的所有需求 。
（四）运行控制要求
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 99
三,DCS的应用与配置
针对上述被控对象和控制要求，许多厂家的分
散控制系统都有应用。
此处着重介绍我国火电厂普遍应用的,
WDPF— Ⅱ 系统,
INFI— 90系统
HIACS— 3000系统
在实现,DAS（ 数据采集系统）,
MCS（ 模拟量控制系统）,
SCS（ 顺序控制系统）,
BMS（ 燃烧器管理系统）
等四个功能系统时的硬件基本配臵。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 100
打印机 打印机 打印机 打印机 打印机
打印机
彩 色 拷 贝 机
历史 /记录站 计 算 服 务 站
工程师
工作站
操作员
接口站
操作员
接口站
操作员
接口站
操作员
接口站
操作员
接口站
（双 CRT）
信息高速公路（以太网）
分
布
式
处
理
单
元
...,
.,
3个
分
布
式
处
理
单
元
模拟量控制系统
分
布
式
处
理
单
元
...,
.,
4个
分
布
式
处
理
单
元
分
布
式
处
理
单
元
...,
.,
4个
分
布
式
处
理
单
元
分
布
式
处
理
单
元
...,
.,
3个
分
布
式
处
理
单
元
燃烧管理系统 顺序控制系统 数据采集系统
分
布
式
处
理
单
元
扩
展
柜
数据高速公路
图 3— 29 WDPF系统硬件配置图
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 101
打印机 打印机 打印机 彩色 拷贝机
操作员接口站 打印站
以太网
支持站
打印机
报表 /记录站
通讯接口
打印机
工程师工作站
通讯接口
PCU PCU
.....,
模拟量控制系统
PCU PCU
.....,
数据采集系统
PCU PCU
.....,
燃烧管理系统
PCU PCU
.....,
顺序控制系统
通讯接口
接 DEH控制系统
图 3— 30 INFI— 90 系统硬件配置图
INFI— NET 环网
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 102
计 算 机
CRT CRT
打印机 打印机
标准 键盘 专用 键盘 专用 键盘
计 算 机
CRT CRT
打印机 打印机
标准 键盘 专用 键盘 专用 键盘
计 算 机
CRT 彩色
打印机
标准 键盘 专用 键盘
工程师工作站
CRT
打印机
标准 键盘
磨
煤
机
系
统
燃
料
系
统
单元
主控
通
风
系
统
给
水
系
统
汽
温
系
统
辅
机
系
统
1
辅
机
系
统
2
F
S
S
系
统
B
C
S
系
统
1
B
C
S
系
统
2
I/O
站
1
I/O
站
2
I/O
站
3
接口
站
系 统控制站 系 统控制站 系 统控制站
机
群
控
制
器
.,
,
RS232
现
场
控
制
单
元
CV网络 CV网络 CV网络
环型 μ - ∑ 网络
图 3— 31 HIACS--3000 系统硬件配置图
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 1
分散控制系统的主要硬件
第三章
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 2
本章扼要介绍 DCS的,
过程控制设备、人机接口设备、系统通讯设备。
第一节 过程控制设备
一, 过程控制设备的功能
过程控制设备是 DCS最基层 (直接控制级 )的
自动化设备。
其功能为,
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 3
1,对现场过程信号进行实时的数据采集, 噪音滤
除, 补偿运算, 非线性校正, 标度变换等处
理；
2,按要求进行累积量的计算, 上下限报警, 测量
值和报警值向通讯网络的传输；
3,接受上层通讯网络传来的控制指令, 并根据过
程控制的组态进行控制运算；
4,输出驱动现场执行机构的各种控制信号, 实现
对生产过程的数字直接控制, 满足生产中连
续控制, 逻辑控制, 顺序控制等的需要 。
5,实现手动操作的功能 。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 4
二, 过程控制设备的品种
在 DCS的应用中，用于过程控制级的设备有两
类品种,
可编程逻辑控制器 (PLC)﹑
可编程调节器等。
一是,DCS自身的,现场控制单元”,
二是：可纳入 DCS中应用的其它独立产品，即,
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 5
不同厂家的现场控制单元所采用的结构形式大
致相同 。 概括地说, 现场控制单元是一个以微处
理器为核心的, 按功能要求组合的各种电子模件
的集合体, 并配以机柜和电源等而形成的一个相
对独立的控制装臵 。
不同的 DCS生产厂家, 对自己系统中的过程控
制设备取有独特的名称, 如表 3— 1所示,
1．现场控制单元
是 DCS中与现场关系最密切最靠近生产现场的控
制装置。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 6
各典型系统的过程控制设备，其名称无一相同，为
叙述方便起见，下面将统称之为,现场控制单元,。
表 3 — 1 典型系统的过程控制设备
厂 商 系 统 名 称 过程控制设备名称
B a il e y C o n t r o l s I N F I- 9 0
P r o c e s s C o n t r o l U n i t
( 过程控制单元 )
W e s t in g h o u s e W D P F - II
D is t ri b u t e d P r o c e s s in g U n i t
( 分布式处理单元 )
L e e d s & N o rt h ru p M A X - 1 0 0 0
R e m o t e P r o c e s s in g U n i t
( 远程处理单元 )
S ie m e n s T e l e p e rm - M E
A u to m a t io n S u b s y s te m
( 自动子系统 )
F o x b o r o I /A S e ri e s 控制处理机和现场总线模件
H I T A C H H IA C S - 3 0 0 0
H IS E C - 0 4 M /L,M /F
高性能控制器
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 7
这种调节器的生产厂家和品种较多, 仅就控制回路的
能力而言, 有单回路, 双回路, 四回路, 八回路等区别 。
2．可编程调节器
是由微处理器,RAM,ROM,模拟量和数字量 I/O
通道、电源等基本部分组成的、外貌类似一般盘装
仪表的一个时间分享的微机控制装置。
该调节器具有,PID控制运算、信号选择控制、按预定
曲线控制等功能，可实现前馈、串级、单回路、多回路控
制，并可进行故障检测、报警、手动操作等。
该调节器一般设有异步通讯接口 (RS-232或 RS-422),使
之可与 DCS或其它上位机联网通讯。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 8
新型的 PLC还提供了模拟量输入, 输出通道和 PID等控
制算法, 可以实现连续过程的控制 。
3．可编程逻辑控制器 (PLC)
PLC是一种以微处理器为核心、具有存贮记忆
功能、可提供开关量输入、输出通道，能通过预
先编制好的程序来实现时间顺序控制或逻辑顺序
控制的数字化控制装置。
PCL取代以往复杂的继电器控制装臵。
PLC均已标准化、模块化、系列化。
PLC中的一个 I/O模块通常可输入或输出 16～ 64个点。
用户可根据需要灵活选配模块构成不同规模的 PLC。
PLC一般设有异步通讯接口 (RS-232或 RS-422),它既
可作为一个独立的控制站，也可以与 DCS通讯网络连接。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 9
一般，可编程调节器和 PLC尚不属于 DCS的配套产品，
此处不作详细介绍。而本节着重介绍现场控制单元。
现场控制单元一般是由机柜, 电源, I/O通道,
以微处理器为核心的功能模件等几部分组成 。
三,现场控制单元
一般是用金属材料 (如钢板 )制成的立式柜 。 柜
内装有 6～ 8层机架, 供安装电源和各种模件之用 。
每层机横向可插 4～ 12个模件 。
(一 ) 机柜
机柜通常应采取,电磁屏蔽、散热降温、柜内
温度自动检测与报警、防尘、防潮、防火、防腐蚀。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 10
使用机柜时保留一定数量 (约 10～ 15%)的扩展空间。
(二 ) 电源
1,交流电源
现场控制单元的供电来自 220V或 120V交流电
源，这个交流电源一般是由 DCS的总电源装臵分
配提供的。
交流电源经现场控制单元内的配电盘、断路
器给直流稳压电源及系统供电。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 11
为保证交流供电的稳定和系统的正常工作，
DCS通常采取了相应的可靠性措施,
采用两路互为冗余的单相交流电源供电；
采用交流电子调压器稳定电压；
采取正确合理的接地方式屏蔽干扰；
采用超级隔离变压器隔离电源干扰；
采用不间断电源 UPS保障连续供电。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 12
2,直流电源
不同厂家生产的现场控制单元内部各模件的供
电，均采用直流电源，但对直流电源的等级要求
不一，常见的有＋ 5V、＋ 12V、－ 12V、＋ 15V、－
15V、＋ 24V。 因此，现场控制单元内必须具备直
流稳压电源，将送来的交流电源转换为适应内部
各种模件需要的直流电源。
设备生产厂家不同，实现直流稳压电源的方
式也有异，一般有以下几种形式,
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 13
(1) 采用 1:1冗余配置的集中式直流稳压器；
(2) 采用主、从直流稳压电源，其中,
主电源 1:1冗余配臵,
实现交流 —— 直流转换送至母线
从电源 N:1冗余配臵,
实现直流 —— 直流转换送至模件
(3) 采用分立的直流稳压电源
这种电源以模件的形式插入机柜内各层的模
件槽位中。交流电经机柜内的电源引入盘直
接送到这些电源模件上，由此转换成所需电
压的直流电供其它模件使用。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 14
(三 ) I/O模件
为 DCS的各种输入 /输出信号提供信息通道的专
用模件，称为 I/O模件。
*、它是对生产现场的模拟量信号、开关量信
号、脉冲量信号进行采样、转化、处理成微处理
器能接收的标准数字信号。
I/O模件的基本作用,
*、将微处理器的运算输出结果（二进制码）
转换、还原成模拟量或开关量信号，去控制现场
执行机构。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 15
I/O模件是 DCS中种类最多、使用数量最大的
一类模件。众多的 I/O模件可归纳为以下几类,
模拟量输入模件,
模拟量输出模件,
开关量输入模件,
开关量输出模件,
脉冲量输入模件。
各类 I/O模件是根据信号及其处理要求而设计
的 。 因此, 在介绍 I/O模件之前, 有必要对信号形
式予以简单说明 。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 16
实际生产过程中需要监视和控制的物理量, 化
学量按其随时间变化的规律可分为以下三类,
1．信号形式
v
v
v
t t t
是指随时间推移周期
性重复出现短暂起伏
的过程量 。 如转速
测量变送器输出的信
号即为某一频率的脉
冲量 。
模拟量
是指那些随时间连
续变化的量。 如压
力、温度,…… 等
等。
开关量
是指只具有两个状
态的过程量。 如开
关的“合”与
“断”、设备的
“投”与“切”，
信号的“有”与
“无”等等。
脉冲量
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 17
(1)电流信号,
来自于各种温度, 压力, 位移等变送器 。
(2)毫伏级电压信号,
来自于热电偶, 热电阻或应变式传感器 。
(3)常规直流电压信号,
来自于一切可输出直流电压的各种过程设备 。
2．模拟量输入 (AI)模件
生产厂家和用途不同，每个 AI模件可接收 4～
64路模拟信号不等。模拟信号一般是传感器对现
场物理量或化学量检测，并由变送器将检测信号
转换而得的相应的电信号。
输入 AI的模拟量电信号有,
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 18
对多路输入的各种模拟电信号进行采样, 滤
波, 放大, 隔离, 输入开路检测, 误差补偿及必
要修正 （ 如热电偶冷端补偿, 电路性能漂移校正
等 ）, 向工程单位转化, 模拟量 /数字量转换, 以
提供准确可靠的数字量 。
AI模件的基本功能是,
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 19
3） A/D转换器：用来接收信号调理器送来的各路
模拟信号和某些参考输入 （ 如冷端
参考输入等 ）, 它由多路切换开关
按照 CPU的指令选择某一路信号输
入, 并将该路模拟输入信号转换成
数字量信号送给 CPU。
AI通道的主要组成部分,
1）信号端子板：其主要作用是用来连接输送现场
模拟信号的电缆。
2）信号调理器：是对每路模拟输入信号进行滤波、
放大、隔离、开路检测等综合处理，
为 A/D转换提供可靠的、统一的、
与模拟输入相对应的电压信号。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 20
目前, 新型的 AI模件采用了微处理器, 使其
功能得到扩展 。 这种 AI模件可通过便携式编程器
调整其运行软件去适应现场的各种测量条件, 也
可进行开平方运算等非线性补偿, ……, 使 AI模
件应用的灵活性和广泛性得以提高, 使备品的种
类与数量大幅度减小 。
图 3— 2给出了 INFI-90系统的一种通用 AI模件
功能框图 。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 21
à?
?ó
?÷
P 3
D? 1? μ÷? ì 1
D? 1? μ÷? ì 2
D? 1? μ÷? ì 1 6
?a ?? 2? ?? êa è?
?￡
?à
êa
è?
.
.
.
.
.
.
.
.
.
?′
á2
?D
oo
?a
?×
A/D
3a o ?÷
?é ±′ 3ì
?o ? à
′? ′￠ ?÷
?2 ì?
?? oú
′? ′￠ ?÷
?￠ ′￥
?ì ?÷
2? oó 2￠
D? ?? oú
′? ′￠ ?÷
?? ?ù
′? ′￠ ?÷
3ó 3ü ??
?ó ?ù
à? ?ó ?÷
P 2
I/O3 ó 3ü ??
LED
?? ê? ?÷
?￡ ?t μ×
?2? a ?×
模件上微处理器的主要功能为,
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 22
?选择隔离放大的输入参考,
?选择 A/D转换的通道, 及其冷端参考输入,
?设置各输入通道的类型和分辨率,
?读取 A/D转换的结果并给予必要的补偿或修正,
?驱动红 /绿 LED指示灯反映模件运行状态,
?通过 8位双列拔码开关确定模件在子总线上的地址,
?通过双口存贮器随时进行系统子总线数据的读写,
?进行模件的安全性完整性检查和 A/D转换器的校验 。
模件上微处理器的主要功能为,
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 23
3．模拟量输出（ AO） 模件
AO模件的主要功能,
把计算机输出的数字量信号转换成外部过程
控制仪表或装臵可接受的模拟量信号，用来驱动
各种执行机构控制生产过程，或为模拟式控制器
提供给定值，或为记录仪表和显示仪表提供模拟
信号。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 24
（ 1） 电压输出 。 其特点是速度快, 精度高 。
（ 2） 电流信号 。 适宜远距离传输 。
AO模件输出的信号形式有两种,
一般由输出端子板, 输出驱动器, D/A转换器,
多路切换开关, 数据保持寄存器, 输出控制器等
硬件予以实现 。
AO通道的组成,
图 3— 3给出了两个典型的 AO通道组成框图。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 25
接 口
电 路
I/O总线
数 据 保 持
寄 存 器
输 出
控 制 器
多 路 切 换 开 关
D/A
转换器
数字
锁存器
输出
驱动器
端 子 板
D/A
转换器
数字
锁存器
输出
驱动器
D/A
转换器
数字
锁存器
输出
驱动器
......,
......,
......,
......,
I/O总线
接 口
电 路
输 出
控 制 器
D/A
转换器
多 路 切 换 开 关
数字
锁存器
输出
驱动器
数字
锁存器
输出
驱动器
数字
锁存器
输出
驱动器
......,
......,
端 子 板
......,
每
路
信
号
都
设
置
独
立
的D/A
转
换
器
各
路
信
号
采
用
一
个
共
用
的D/A
转
换
器
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 26
4．开关量输入（ SI） 模件
SI模件的基本功能是,
根据监测和控制的需要，把生产过程中的某
些只有两种状态的开关量信号（如各种限位开关、
电磁阀门联动触点、继电器、电动机等的开 /关
状态）转换成计算机可识别的信号形式。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 27
一般为电压信号, 它可以是交流电压, 也可以
是直流电压 。 最常见的有,5VDC,12VDC,24VDC、
48VDC,125VDC和 120VAC等几种规格的输入, 允许
输入误差在 ± 10％ 左右 。
SI模件所接受的信号,
一般由端子板、保护电路、隔离电路、信号处
理器、数字缓冲器、控制器、地址开关与地址译
码器,LED指示器等组成,
SI模件的组成,
其基本结构如图 3— 4所示。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 28
I / O 3 ü ? ?
?ó ? ù
μ? á 2
?× ?? ?÷
?? 3 ó ° ?
±￡ o¤
μ? á2
·? ??
μ? á2
D? 1 ? ′ ￥ ? ì ? ÷
LED
?· ê? ?÷
μ× ? 2
á? ? ÷ ò ?
μ× ?2 ? a ?×
êy 3?
o1 3? ?÷
±￡ o¤
μ? á2
·? ??
μ? á2
±￡ o¤
μ? á2
·? ??
μ? á2
......,.....
......,.....
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 29
5．开关量输出（ SO） 模件
SO模件的基本功能,
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制或状态显示
的开关量信号。以控制现场有关电动机的启／停、
继电器的闭／断、电磁阀门的开／关、指示灯的
亮／灭、以及报警系统等的开关状态，可用来实
现局部功能组甚至整个机组自动启停的控制。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 30
一般由端子板, 输出电路, 输出寄存器, 控制
器, 地址开关与地址译码器, LED指示器等基本部
分组成,
SO模件输出的信号,
随生产厂家和型号不同而异，有 20VDC（ 10mA，
16mA）,24VDC（ 250mA）,60VDC（ 300mA） 等电
压等级的输出。
SO模件的组成,
如图 3— 5中所示；
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 31
I / O 总 线
接 口
电 路
控制器
端 子 板
驱动
电路
隔离
电路
数 据 选 择 器
LED
指示器
地 址
码 器 译
地址开关
故障
寄存器
驱动
电路
隔离
电路
驱动
电路
隔离
电路
.....,
故障
检测器
故障
检测器
输出
寄存器
状态
缓冲器
输
出
电
路
.....,
.....,
...,.,
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 32
在生产过程中, 有许多测量信号为脉冲信号,
例如：转速计, 罗茨式流量计, 涡街流量计, 涡
轮流量计, 计数装臵等的输出 。
6．脉冲量输入（ PI） 模件
将脉冲量转换成与之对应的且计算机可识别的
数字量。
各种 PI模件结构各异，但基本功能可由图 3-6
示之。
PI模件的基本功能,
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 33
?¨ê ± ? ? êy ?÷
±ê
3?
ê±
?ó
?T 2ù ?T à÷?T 2ù ?T à÷
?? D? á? 2¨?? D? á? 2¨
?à μ? ·? ???à μ? ·? ??
êy ? Y o 1 3 ? ? ? ′ ? ? ÷
?¨ê ± ? ? êy ?÷
....
..
....
..
I/O 3 ü ??
除此之外，有的 PI模
件还具有,
模件状态自检,
超时复位,
数据有效检验,
数据丢失处理
等功能 。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 34
当前, I/O模件正沿着进一步智能化的方向发展, 即
在 I/O模件上应用微处理器, 使其成为一个功能更强可独
立运行的智能化模件, 可以实现,
? 各路输入信号的自动巡回检测,
? 非线性校正和补偿运算；
? 输入与输出通道共一个模件；
? 集数据采集, 运算处理, 控制输出等为一体, 对若干
回路进行监测和控制, ……
这使得上一级微处理器承担的工作得到进一步分散,
从而大大节省了上一级微处理器的机时, 使系统的工作速
度进一步提高, 或使上一级微处理器有更多的时间处理更
为先进复杂的控制规律 。 这种功能上的进一步分散会使系
统的可靠性再度提高 。
I/O模件的发展方向,
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 35
功能模件是现场控制单元的核心模件, 是
I/O模件的上一级智能化模件 。 它通过现场控制
单元的内部总线与各种 I/O模件进行信息交换,
实现现场的数据采集, 贮存, 运算, 控制等功能 。
(四 ) 功能模件
功能模件基本结构如图 3— 7所示。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 36
中央处理
单元 随机存储器 RAM 其它功能 部 件
通讯接口
PI 模件
只读存储器
ROM
AI 模件 AO 模件 SI 模件 SO 模件
功
能
模
件
数 据 高 速 公 路
主 CPU 协 CPU
模 件 总 线
I/O总线
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 37
1、中央处理单元 CPU,
功能模件的组成,
是功能模件的处理指挥中心 。 即按预定的周期,
程序和条件对相应的信号进行运算, 处理, 对功
能模件和其它相关模件进行操作控制和故障诊断 。
采用高性能的 16位或 32位微处理器,
常采用 1:1冗余配臵 。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 38
2、只读存储器 (Read Only Memory简称 ROM）
为功能模件的程序存储器，用来 固定 存放支
持系统运行的（ I/O驱动、数据采集、控制算法、
时钟控制、引导、系统组态、模件测试诊断等）
程序。
系统一旦加电,CUP就能投入正常有序的工
作之中。
一般具有数百 K字节的程序空间。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 39
3、随机存储器 (Random Access Memory简称 RAM)
RAM为易失性存贮器, 缺点是断电后内部信
息全部丢失 。 为此, 工程相应措施,
为功能模件的工作存储器，用来 随机 存放程
序运行所需的（采集数据、设定值、中间和最后
运算结果、报警限值、手操值、整定参数、控制
指令等）可在线修改的实时参数。
使存储器内容既可随时改写，又在掉电时不丢失。
(1) 应用电可擦可编程只读存储器 EEPROM
(3) 应用磁介质存储器。
(4) 应用具有后备电池的随机存储器 SRAM。
(2) 应用非易失性随机存储器 NOVRAM。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 40
4、模件总线
是模件所有数据、地址、控制等信息的传输
通道。流行的有,
INTEL公司的多总线 MULTIBUS
,EOROCARD”标准的 VME总线
PC总线 (ISA总线 )
STD总线
用来实现功能模件与系统数据高速公路, 冗
余功能模件等的连接 。
5．通讯接口
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 41
并行数据串行化与发送,
串行数据接收与并行化,
信息的编制 (插入和删除 ),
信息的奇偶校验和检错 。
由于,数据高速公路上的信息以位 串行 方式传送,
功能模件内总线上的信息以 并行 方式传送
因此，通讯接口具有以下功能,
通讯接口与功能模件内部的数据传送一般采用直接存
储器存取 (Direct Memory Access,简称 DMA)传送方式,
该方式是存储器 RAM与外设直接进行并行数据 ←→ 串行数
据传送, 而无需 CPU介入的传送方法 。 这是一种快速交换
大量数据的传送方法 。 但它受到存储器的存储速度限制 。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 42
该通讯接口的基本工作步骤,
通讯接口的基本功能框图如图 3— 8所示,
2￠ D êy ?Y
o1 3? ?÷
μ÷? ? /μ ÷? à
?× ??
2￠ ?í /? ó ê?
?× ? ?
DMA
?× ?? ?÷
μ÷? ? /μ ÷? à ?÷
2￠ ?í /? ó ê? ?÷
?? ?? D￡ ?é ?o μ? 2￠ ?í /? ? ?é
D? ? ￠
±′ ? ?
2￠ /′ ?
3a o
?￡
?t
3ü
??
?′? êa ?? ?ó
′? êa ó￥ ′e
?? 3ì í¨? ?
·? ?? ?? á2
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 43
(1) DMA控制器向 CPU发出, 总线请求, 信号；
(2) CPU收到请求信号后, 向 DMA发出, 总线响应, 信号；
(3) CPU将模件总线的使用权让出, 移交给 DMA控制器管理 。
(4) DMA控制器向提出请求的外设发出, 传输应答,, 允许
进行数据传输；
(5)在 DMA控制器的控制下, 外设通过发送 /接收器, ……,
模件总线等与存储器 RAM直接进行数据传输；
(6)设定的字节数传送完毕, DMA控制器撤消向 CPU的, 总
线请求,, 再由 CPU重新管理模件总线, 进入正常工作 。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 44
2、具有显示操作的功能仪表。
第二节 人机接口设备
人机接口设备是人与系统互通信息、交互作
用的设备。
分散控制系统的人机接口设备一般有两种形式,
1、以 CRT为基础的显示操作站。又可划分为,
操作员接口站
(Operator Interface Station简称 OIS),
工程师工作站
(Engineering Working Station简称 EWS)等
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 45
是一个设臵在机组的集控室内的操作员工作
台,是运行操作人员与生产过程之间的一个交互
窗口 。 它把系统的绝大多数显示和操作内容集中
在 CRT的不同画面和操作键盘上,从而使运行操作
人员的控制台盘体积, 人工监视面大大减少,且
对系统的操作也更为便利化 。
一、操作员接口站 (OIS)
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 46
（一） OIS的基本功能与基本结构
基本功能包括,
1、收集各现场控制单元的过程信息，建立数据库；
2、自动检测和控制整个系统的工作状态；
3、在 CRT上显示各种参数、画面以及用户自定义；
4、各种制表打印、曲线打印以及 CRT的屏幕拷贝；
5、可在线变量计算、控制方式切换，可实现 DDC控制、逻
辑控制和设定值指导控制等；
6、进行生产效率、能源消耗、设备寿命、成本核
算,…… 等综合计算，实现生产过程管理；
7、具有磁盘操作、数据库组织、显示格式编辑、程序诊
断处理等在线辅助功能。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 47
OIS主要由,
? 高档微处理器 (CPU),
? 信息存储设备 (RAM,ROM,硬磁盘, 软磁盘, 光盘等 ),
? CRT显示器, 报警器,
? 记录设备 (打印机, 拷贝机 ),
? 操作键盘, 鼠标或轨迹球,
? 通讯接口以及固定这些设备的台架 （ 操作台 ） 等构成 。
基本结构 如图 3— 9所示,
ROM
语音报警
装置
鼠标,
轨迹球 键盘 CRT 打印机 拷贝机
通讯接口 光盘 软磁盘 硬磁盘 CPU RAM
内 部 总 线
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 48
操作员接口站实际上是一个融当代先进的计
算机技术,CRT图形显示技术、内部通讯技术为一
体的、适应过程控制需要的专用计算机子系统。
操作台由金属的骨架和板材制作, 既是固定
和保护计算机和各种外设的设施,又是运行操作人
员经常性工作的台面 。 操作台的设计应满足,
（二）操作台
1、设备固定和保护的要求；
2、高度和倾斜尺寸适合于操作人员长期工作
的要求；
3、外观美观大方,保持优雅工作环境的要求。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 49
操作台的典型型式
1,桌式操作台
(如 WDPF-Ⅱ 系统的操作台 )
操作台呈桌子式样,
桌台面上放臵 CRT显
示器、操作键盘、
鼠标等,而微处理机
系统及其电源系统
臵于桌面下方机柜
内。
鼠标或
轨迹球
彩色 CRT
操作键盘
机柜
WDPF— Ⅱ 系统操作台
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 50
彩色
CRT
操作
键盘
机柜
报警
显示盘
软驱与
键盘接口
鼠标或
轨迹球
操作台将 CRT显
示器, 微处理
机系统及其电
源系统等集成
一体,
2,集成式操作台
(如 INFI-90系统的操作台 )
INFI— 90系统操作台
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 51
目前,300MW火电机组的分散控制系统中,操
作员接口站一般采用了 5～ 7个左右操作台,集中
布臵在控制室的操作员工作区域内 。
除上述型式的操作台外,实际应用中也不乏
其它型式的操作台,如具有两个 CRT的双屏操作台
等。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 52
一般, 操作员接口站随着计算机技术的发展大
都使用当代先进的微处理器, 其位数, 主频, 内存
容量, 外存设备皆在不断升级 。
（三）微处理器系统
操作员接口站常采用多处理器结构形式。如,
? MAX-1000系统采用了图形处理器、应用处理器和实时处
理器；
? I/A的 WP30操作员站采用了主处理器、数字处理器和图形
处理器；
? HIACS-3000系统采用了专用的浮点协处理器和图形协处
理器。
用以实现功能的进一步分散和保证信息处理
速度达到规定的要求 。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 53
（ 四 ） 显示处理设备
包括,CRT显示器, 液晶显示器, 背投显示
器, 大屏幕墙挂显示器等 。 显示器的尺寸, 颜色,
分辨率在不断提高 。
图形显示的几种实现方式,
（ 1）采用普通图形控制卡
（ 2）采用智能图形控制卡
（ 3）采用智能图形终端
1,键盘 。 多采用表面覆盖聚酯, 有防水防尘能
力, 有明确图案或字符标志的工程化, 触摸式,
平面薄膜键盘 。 该键盘无机械触点,可靠性高,
至少可正常工作 100万次 。
（五）输入设备
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 54
INFI-90系统的操作员键盘如图 3-15所示,
A
A B C D H I
N
M L K J G F E
S X V Y W Z R P Q T O U
PAN Zo
TB
SSS AS
Fo MA
Ca
Ra
Cm
OUT
SET
TAB
AA
PA
Si Ca SC G/G NP Re
OP Di PP Ma Ba
De Tu MM CLM GFM
He DS $ 4
A
13
A
14
A
15
A
16
A
5
A
6
A
7
A
8
A
9
A
10
A
11
A
12
A
4
A
3
A
2
A
1
ESC Cl En
>
-
<
=
)
0
(
,
,
+
#
3
@
2
!
1
/
,
9
&
7
'
*
"
6
%
5;
8
Sp SL
Sh
Ho
Cu
报警确认 消音
功能区 字母区
显示区 控制区 数字区 光标区
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 55
是安装在 CRT屏幕表面上的一个细网络状敏
感区 (敏感区一般采用透明接触线, 红外线发射
/接收器, 薄膜导体或电容敏感元件 ),它与相
应的外围电路 (触摸屏控制卡 )配合起来, 可以
识别运行操作人员的手指接触屏幕的位臵,运
行操作人员只要用手指接触该屏幕上的某一区
域,就可以达到操作该区域显示内容的目的 。
INFI-90系统的触摸屏如图 3-16所示,
2、触摸屏
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 56
触屏控制卡 1
多总线键盘模件
触屏控制卡 2
CRT 触摸屏
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 57
3、鼠标或轨迹球
是专门用于显示器上的光标移动的设备。尽
管在输入键盘上设有光标移动键,但应用鼠标或轨
迹球移动光标更为便捷。所以,操作员接口站一般
都配备这种输入设备。
简称外存, 是主机内存 (ROM,RAM)的补充 。 用
以扩大信息存储容量, 保证信息存储, 永久性, 。
（六）外部存储设备
任何一种形式的外存大都由三部分组成。如图
所示,
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 58
存储控制器
驱动器
存储介质
是数据信
息的载体,它在
存储控制器和
驱动器的控制
下实现数据信
息的加载或卸
载 。
是主机 CPU
与驱动器之间的
接口，它用来接
收和解释 CPU的
指令，检测系统
状态，向驱动器
发出控制读 /写
的信号。
是使信息检测
传输元件 (如磁头 )
和存储介质运行
的驱动机构。用
以确定数据信息
读或写的物理位
置,实现状态检测、
数据读 /写的操作。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 59
目前,在 DCS中应用的外存主要有,
硬磁盘,其盘径有 14″, 8″, 5.25″, 3.5″
等几类品种；
软磁盘,其盘径有 8″, 5.25″, 3.5″ 等几类
品种；
磁带, 宽度约 1/2英寸,长度有 200,600、
1200,2400英尺几种 ；
光盘, ?,磁光盘, 或, 光软盘, MOD
一个 3.5″ 的 MOD盘的存储容量可达 100MB。
?相变光盘 PCD
存储容量在 600MB左右。
存储容量达 650MB
?只读光盘存储器 CD-ROM
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 60
（七）打印 /拷贝输出设备
黑白打印机 —— 生产记录和报警记录采用,
彩色打印机 —— CRT画面打印则采用。
打印机,
CRT画面的记录,
彩色视频拷贝机,
制作 CRT显示内容的幻灯片
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 61
是操作员接口与现场控制单元或网络上的
其它工作单元进行信息交流,从而获取系统控
制过程和设备状态的实时数据,并对生产过程
进行控制操作的必备专用电子模件 。
INFI-90系统操作员接口站的通讯接口如图
3-18所示,
（八）通讯接口
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 62
环路模件
（ IIMLM01）
通讯环路
模件
（ IIMCL01）
通讯处理
模件
（ IIMCP01）
（或 IIMCP02）
网
络
操作员 接口站
(OIS)
(1) 为核心模件 。
接受 OIS 发出的
,请求发送数据,
或, 请求接收数据,
的命令,处理和传
输有关数据 。 该模
件包含一个数据传
送的库,以便与 OIS
和网络上的其它工
作单元进行通讯 。
(2) 是一个通讯组
态模件 。 模件上设
有组态开关,通过这
些组态开关的位臵
(断 /通 ),确定 OIS在
网络上的节点号,
网络编号, 网络类
型, 测试运行方式
等,以保证通讯处理
模件与环形网络正
确通讯 。
(3) 是
一个端
子单元,
是 OIS与
网络通
讯的物
理接口 。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 63
二, 工程师工作站 （ EWS）
为方便 DCS运行工程师工作而提供的一种
专用设备。是一个硬件和软件一体化的人机接
口，专门用于系统设计、开发、组态、调试、
维护和监视。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 64
（一） EWS的基本功能
1,系统组态,确定硬件组态、连接关系、控制逻辑和
控制算法等。
实现对操作员接口进行组态。
4、文件编制,支持表格数据和图形数据两种格式的文
件系统；支持工程设计文件建立和修改；
支持文件编制的硬件设备 （ 例如打印
机 ）, 可以输出所感兴趣的文档资料 。
5、故障诊断,自动识别 DCS中任何一个设备的故障；确
定故障的类型和故障的严重性；快速处
理查错信息 。
2,OIS组态,
3,在线监控,具有 OIS的全部在线监控功能 。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 65
（二） EWS的基本构成
一般说来,EWS有两种基本型式,
1,EWS与 OIS合为一个整体。
例如,WDPF系统采用。
2,EWS相对独立。
例如,HIACS— 3000,INFI— 90等系统采用。
无论何种型式的 EWS,其硬件配臵大同小
异, 基本结构如图 3— 19所示 。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 66
ROM
CPU
RAM
总
线
绘图仪
打印机
CRT 彩色显示 器
工程师 键盘
鼠标
软盘 驱动器
硬盘及驱动器 显示卡
协处理器
通讯接口
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 67
三、功能仪表
除上述的 OIS和 EWS外, DCS还具有实现某些特
定功能的人机接口设备 。 这类设备有两种典型的
结构型式,
A,安装在控制盘台 (或机架 )上的模件式装臵,
B,手持的便携式装臵 。
这是为方便现场组态、参数调整、专项监视和
实现手动直接控制等而设臵的 功能仪表 。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 68
（ 一 ） 组态调整装置
不同的 DCS,组态调整装臵所采用地结构型式
也有别, 或是便携式或是模件式, 如图 3— 20所示 。
是 DCS工程设计和维护的一种终端设备，是对
DCS进行控制策略更改、控制回路组态、控制参数
调整和系统故障诊断的就地工具，是以微处理器为
核心的低层工程师接口。
组态调整装臵一般由微处理器、存储器、显示
器及其接口、键盘及其接口、通讯接口、外设接口
等组成。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 69
4 C
U 5, 7
1 1 8
1 2 3
4 5 6
7 8 9
0 C,
U
S E
R E +
[ ]
ENTE
OFF
TUNE
ADD
7
-
3 2 1
6 5 4
9 8
0,
EXEC CONF ON
F4 F3 F2 F1
MONI SEDD ADDR CLEA
Baliey Controls
NEXT S.F,
DELE
MODI
PREV
显示屏
4行，每行
16个字符簘
4个功能键
（ F1— F4）
专用
性能
方式
按键
（ 1）模件式 （ 2）便携式
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 70
(二 )模拟量控制站
常规控制系统中，设臵有许多模拟量控制的自
动 /手动切换操作器，当自动控制设备出现故障时
可通过这些操作器手动控制生产过程。而在 DCS中，
这一功能由模拟量控制站来实现。作为系统的后
备控制手段。
图 3— 21示出了一种典型的模拟量控制站结构 。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 71
AUTO
VAR
SEL
TAG
MAN
CMPTR ALARM ACK
100
90
40
80
70
60
50
30
20
10
0
100
90
40
80
70
60
50
30
20
10
0
90
100
70
60
50
20
40
30
0
10
80
VAR
SET
OUT
DEV
TR1
SET
CAS
RAT
AUT
TR2
OUT
M A
字母数字
显示窗口
固定螺栓
给定值
过程
变量
控制
输出
指示器
手动超
驰开关
模拟量控制
站实际上是一个
模件式装臵，通
常安装在火电厂
控制室的操作台
或立盘上，它与
外部的所有联系
均通过其尾部连
接器实现 。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 72
（ 1） 对模拟量控制站的运行方式进行选择 。
（ 2） 对模拟量控制回路进行自动 /手动方式无扰
切换, 给定值设臵和远方手动控制 。
（ 3） 对模拟量过程变量, 给定值, 控制输出以
及模拟量控制站运行方式等进行监视 。
（ 4） 对模拟量参数超限, 通讯故障等进行报警 。
模拟量控制站的主要功能,
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 73
是一个开关量操作站, 是可以对逻辑系统
进行操作的带按钮和指示器的逻辑控制器 。 它
是由一块面板和一块与面板相连的印刷电路板
组成的盘装仪表 。
（三）数字逻辑站
图 3— 22示出了数字逻辑站的一种典型结构。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 74
故障
指示
状态灯 按键 1 B1
A8
A7
A6
A5
A4
A3
A2
A1
B8
B7
B6
B5
B4
B3
B2
按键 2
按键 3
按键 4 按键 8
按键 7
按键 6
按键 5 ① 控制开关量系统的
启停 （ 如控制单个
油喷燃器 ） ；
② 作为顺序控制系统
的输入指令或确认
信号；
③ 作为系统中重要开
关量的手动后备操
作工具 。
前面板上有,
1个本站故障指示灯,
8个操作按钮开关,
16个输出状态 LED指示灯。
数字逻辑站的主要作用,
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 75
（四）数字指示站
是一个模件式盘装仪表，它只能显示确定的
接入信息，但不能干预生产过程，其作用相当于
常规控制系统中的显示仪表 。
在 DCS中，数字指示站用来监视一些与闭环
控制回路无关的过程变量、进行报警显示和故障
显示。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 76
典型数字指示站的
结构如图 3— 23所示 。
数字显示屏
按键 2
通道标签
高限
报警 100 90
40
80
70
60
50
30
20
10
0
100
90
40
80
70
60
50
30
20
10
0
100
90
40
80
70
60
50
30
20
10
0
通道指示
按键 1
通讯中断指示灯
低限报警
指示器
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 77
第三节 系统通讯设备
数据通讯是将生产过程的检测, 监视, 控制,
操作, 管理等各种功能有机地组成一个完整实体
的必要纽带 。
在 DCS中, 数据通讯必须满足过程控制的可靠
性, 实时性和适用性的基本要求,所有这些皆是
借助于通讯设备实现的 。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 78
一, 通讯接口
DCS各节点 （ 现场控制单元, OIS,EWS、
计算机 …… 等 ） 之间的连接与联系, 主要是依
靠通讯接口通过本系统网络来实现的 。 通过通
讯接口各节点可以从 （ 向 ） 网络获取 （ 发送 ）
信息, 实现与网络的信息交换 。
通讯接口是各种 DCS必备的基本硬件，只是
因系统而异通讯接口的品种和实现方法有所不同，
但满足系统中各种类型节点连接网络的要求、达
到互通信息的目的是一致的。
下面以 INFI— 90系统为例予以说明,
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 79
?网络通讯子模件,
?计算机通讯传输模件,
?现场控制单元的网络处理模件,
?网络 — 网络间的本地接口模件,
?网络 — 网络间的远程接口模件。
INFI— 90系统提供了,
其中，网络通讯子模件是核心模件，它与以
上其它模件有机地组合，可形成满足不同通讯需
要的通讯接口单元。例如,
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 80
它是由一个网络通讯子模件和一个网络处理模
件所组成的通讯接口单元实现的, 使现场控制单
元的各种主模件可与网络进行信息交换, 完成其
控制策略 。 如图所示 。
节
点
节
点
INFI-NET
通讯接口单元
现场控制
单元
网络通讯子模件
网络处理模件
1、现场控制单元与网络的通讯
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 81
μμ
μμ
μμμμ
RS-232C
IEEE488
μè
Mac II
?? ?á oú
INFI-NET
í¨? ? ?ó ?ù μ¤ ?a
?? ?á oú
í¨? ? ′?
êa ?￡ ?t
í? á? í¨? ?
3ó ?￡ ?t
它是由一个网络通讯子模件和一个计算机的通
讯传输模件所组成的通讯接口单元实现的, 可使系
统的主计算机以及网络以外的 PC机, 可编程序控制
器 （ PCL） 等与网络进行信息交换 。 如图所示 。
2,计算机与 INFI— 90网络的通讯。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 82
它是由两个网络通讯子模件和一个网络 — 网
络间的本地接口模件所组成的通讯接口单元实现
的 。 可使两个距离较近的 INFI— 90网络进行信息
交换 。 如图所示 。
INFI-NET INFI-NET
本
地
传
输
模
件
通讯接口单元
点
节
点
节
点
节
点
节
网络通讯
子模件
网络通讯
子模件
3,本地网络之间的通讯。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 83
它是由两个网络通讯子模件和两个网络 — 网络
间的远程接口模件所组成的通讯接口单元实现的,
使两个距离较远的 INFI— 90网络进行信息交换 。 如
图所示 。
节
点
节
点
INFI-NET
节
点
节
点
INFI-NET
通讯接口单元 通讯接口单元
远程传
输模件
远程传
输模件
网络通讯
子模件
网络通讯
子模件
4,远程网络之间的通讯。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 84
新一代 DCS正朝着开放式系统发展。开放式系统
的主要特性是它在通讯技术上采用开放式结构,提
供了专用的通讯接口,使之可与早期的、已在应用
的、其它公司的、不同系列的 DCS产品或各种控制
设备进行通讯。
开放式结构能将多种控制设备集成为一体化的
控制系统和形成统一的管理数据库，为实现全厂控
制、管理的综合自动化和有效的目标管理奠定了物
质基础。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 85
二, 通讯介质
通讯介质是连接系统各个站点的物理信号通
道。 DCS对通讯介质有着较高的要求，即通讯介质
的频带宽，信号传输的时间延迟小，能满足高速
传输的需要，能避免信息在传输过程中因共模和
串模干扰所引起的信号混叠或丢失等等。
在 DCS中,数据通讯普遍采用的通讯介质有以
下几种,
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 86
（一）双绞线
铜导
线
绝缘
层
屏蔽
护套
绝缘
护套
适应于低速传输场合,
最大带宽约 100kHz— 1MHz,
传输速率一般小于 2Mbps。
模拟信号传输时每 5— 6km要有一个放大器,
数字信号传输时每 2— 3km需要一个转发器。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 87
（二）同轴电缆
内
导
体
中间
绝缘
体
外屏蔽
导体
外绝
缘层
宽带同轴电缆既可用于模拟传输 （ 如视频信号传
输 ）, 也可用于数字传输, 当用于数字传输时,
其传输速率可达 50Mbps。
同轴电缆大致可分两类,
1、基带同轴电缆 （如 50Ω 同轴电缆）
专门用于数字传输，传输速率可达 10Mbps。
2、宽带同轴电缆 （如 75Ω 同轴电缆）
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 88
（三）光缆
内
芯
覆
层 合成 钎维层
绝
缘
层
光缆中的信息是以光的形式传输的, 它对电
磁干扰几乎毫无反应 。 光缆的数据传输速率 高
达几百 Mbps,在不用转发器的情况下, 光缆可
在几公里范围内传输信息 。
主要缺点是分支、连接比较困难和复杂，需采
用专用的光缆连接器。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 89
三种通讯介质的特点,
介质
项目 双绞线 同轴电缆 光缆
传输介质价格 较低 较高 较高
连接件价格 低 较低 高
标准化程度 高 较高 低
连接 简单 需专用连接器 需复杂连接器和工艺
敷设 简单 稍复杂 简单
抗干扰能力 较好 很好 特别好
环境的适应性 较好 较好 特别好
适用的网络 环形网 总线型或环形网 目前多用于环形网
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 90
第四节 300MW火电机组 DCS的硬件配置实例
一、被控对象概况
（一）锅炉及其辅助设备
锅炉为引进美国 GE公司技术制造的亚临界、一
次中间再热、自然循环、单炉膛、煤粉燃烧锅炉。
锅炉的最大连续负荷额定参数（ B-MCR） 为,
主蒸汽流量,1025.7 t/h
主蒸汽压力,18.3 Mpa
主蒸汽温度,541 ℃
再热蒸汽流量,834.8 t/h
再热器进 /出口压力,3.83/3.62 Mpa
再热器进 /出口温度,322/541 ℃
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 91
锅炉的燃烧方式为,
摆动式喷燃器，四角布置，切圆燃烧。
主蒸汽采用二级喷水方式调温,
再热蒸汽采用烟气挡板 +事故喷水调温。
燃料燃烧系统,
三层点火器、三层油燃烧器、四层煤粉燃
烧器。
锅炉的主要辅助设备如表 3— 8所示。
蒸汽调节方式为,
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 92
表 3 — 8 锅炉主要辅助设备
设备名称 数量 （台） 容量 （ B-MCR ） 其它说明
送风机 2 50% 定速、电机驱动、轴流式、可调叶片
引风机 2 50% 定速、电机驱动、轴流式、可调叶片
一次风机 2 50% 定速、电机驱动、离心式
给煤机 4
磨煤机 4 钢球磨煤机
排粉机 4
给粉机 16
空气预热器 2 50% 三分仓、回转式
除尘器 2 四电场电气除尘器
汽动给水泵 2 50%
电动给水泵 1 50% 带可调速的液力耦合装置
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 93
汽轮机的最大连续负荷参数（ T-MCR） 为,
（二）汽轮机及其辅助设备
汽轮机为引进美国西屋电气公司技术制造的亚
临界、一次中间再热、单轴、双缸、双排汽、凝汽
式汽轮机。
额定功率,300 MW
最大功率,326 MW
主汽门前蒸汽压力,16.7 Mpa
主汽门前蒸汽温度,538 ℃
再热蒸汽温度,538 ℃
额定转速,3000 r/min
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 94
三台高加、四台低加、一台除氧器。
主要辅助设备包括,
汽轮机旁路系统,容量为：锅炉最大连续负荷的 40%
回热系统,
定子绕组采用水内冷,
转子绕组采用氢内冷,
铁芯极其它构件均为氢表面冷却 。
（三）发电机
发电机为引进美国西屋电气公司技术制造。
发电机的主要参数为,
额定功率,300 MW
最大功率,330 MW
额定转速,3000 r/min
冷却方式为,
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 95
二,机组仪表和控制系统的基本要求
（一）运行方式要求
1,能带基本负荷运行；
2,在负荷需要和周波变化时，可调整基本负荷；
3,能带周期循环负荷运行。（即：白天带满负
荷或按要求负荷运行，夜间减负荷或带最小
燃煤负荷）；
4,能滑压运行和定压运行。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 96
1,采用直接进口的 DCS实现四个功能系统, 即：数据
采集系统 （ DAS）, 模拟量控制系统 （ MCS）, 顺序控制系
统 （ SCS） 和燃烧器管理系统 （ BMS） 。
2,采用上海新华电站控制工程有限公司制造 （ 引进
西屋公司技术 ） 的数字电液控制系统 （ DEH）, 实现汽轮
机的速度和负荷控制, 应力计算与控制, 阀门管理, 超速
保护, 阀门试验和自动汽轮机控制 （ ATC） 。
（二）控制设备要求
根据我国的实际国情,300MW机组的控制设备
绝大多数按如下要求选择,
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 97
3,采用汽轮机厂商成套提供的电液控制系统 （ MEH）,
实现锅炉给水泵的小汽轮机控制 。
4,采用瑞士苏尔寿公司提供的旁路控制系统 （ BPCS）
控制汽轮机的旁路系统 。
5,采用必要的常规仪表和硬手操设备, 确保在 DCS或
CRT系统故障不能投运时机组安全停机 。
（三）系统布置要求
仪表和控制系统在布臵上的基本要求为,
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 98
1,锅炉、汽轮机、发电机和有关的辅助系统采用集中
控制方式，可在主控制室内控制整个机组的运行；
2,机组的控制台和控制立盘分开布置,DCS的操作员接
口站、手动 /自动操作站,DEH系统的嵌入盘等，布
置在机组控制盘台上。
1,在不同的运行方式中, 顺序控制可实现机组的启,
停和运行 。
2,机组的启, 停, 正常运行以及非常运行情况的处理,
只需少量运行人员在控制室内干预和协助就能实现 。
3,机组的所有自动控制, 集中监视, 远方手动操作,
均能在控制室内满足各种运行方式的所有需求 。
（四）运行控制要求
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 99
三,DCS的应用与配置
针对上述被控对象和控制要求，许多厂家的分
散控制系统都有应用。
此处着重介绍我国火电厂普遍应用的,
WDPF— Ⅱ 系统,
INFI— 90系统
HIACS— 3000系统
在实现,DAS（ 数据采集系统）,
MCS（ 模拟量控制系统）,
SCS（ 顺序控制系统）,
BMS（ 燃烧器管理系统）
等四个功能系统时的硬件基本配臵。
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 100
打印机 打印机 打印机 打印机 打印机
打印机
彩 色 拷 贝 机
历史 /记录站 计 算 服 务 站
工程师
工作站
操作员
接口站
操作员
接口站
操作员
接口站
操作员
接口站
操作员
接口站
（双 CRT）
信息高速公路（以太网）
分
布
式
处
理
单
元
...,
.,
3个
分
布
式
处
理
单
元
模拟量控制系统
分
布
式
处
理
单
元
...,
.,
4个
分
布
式
处
理
单
元
分
布
式
处
理
单
元
...,
.,
4个
分
布
式
处
理
单
元
分
布
式
处
理
单
元
...,
.,
3个
分
布
式
处
理
单
元
燃烧管理系统 顺序控制系统 数据采集系统
分
布
式
处
理
单
元
扩
展
柜
数据高速公路
图 3— 29 WDPF系统硬件配置图
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 101
打印机 打印机 打印机 彩色 拷贝机
操作员接口站 打印站
以太网
支持站
打印机
报表 /记录站
通讯接口
打印机
工程师工作站
通讯接口
PCU PCU
.....,
模拟量控制系统
PCU PCU
.....,
数据采集系统
PCU PCU
.....,
燃烧管理系统
PCU PCU
.....,
顺序控制系统
通讯接口
接 DEH控制系统
图 3— 30 INFI— 90 系统硬件配置图
INFI— NET 环网
,计算机分散控制系统,
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2013-3-2 102
计 算 机
CRT CRT
打印机 打印机
标准 键盘 专用 键盘 专用 键盘
计 算 机
CRT CRT
打印机 打印机
标准 键盘 专用 键盘 专用 键盘
计 算 机
CRT 彩色
打印机
标准 键盘 专用 键盘
工程师工作站
CRT
打印机
标准 键盘
磨
煤
机
系
统
燃
料
系
统
单元
主控
通
风
系
统
给
水
系
统
汽
温
系
统
辅
机
系
统
1
辅
机
系
统
2
F
S
S
系
统
B
C
S
系
统
1
B
C
S
系
统
2
I/O
站
1
I/O
站
2
I/O
站
3
接口
站
系 统控制站 系 统控制站 系 统控制站
机
群
控
制
器
.,
,
RS232
现
场
控
制
单
元
CV网络 CV网络 CV网络
环型 μ - ∑ 网络
图 3— 31 HIACS--3000 系统硬件配置图
