DCS及現(xiàn)場總線技術第1章解析課件

1DCS及現(xiàn)場總線DCS——DistributedControlSystemFCS——FieldbusControlSystem*1DCS及現(xiàn)場總線DCS——DistributedCon21.1計算機控制系統(tǒng)基本概念1.2計算機控制系統(tǒng)分類1.3集散控制系統(tǒng)基本概念1.4現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)總體概念1.5DCS、FCS及PLC的差異21.1計算機控制系統(tǒng)基本概念計算機控制系統(tǒng)的概述計算機控制系統(tǒng)的信號特點計算機控制系統(tǒng)的組成計算機控制系統(tǒng)的分類3第1節(jié)計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)的概述3第1節(jié)計算機控制系統(tǒng)

計算機控制系統(tǒng)的定義：計算機控制系統(tǒng)是應用計算機參與控制并借助一下輔助部件與被控對象相聯(lián)系，以獲得一定控制目的而構成的系統(tǒng)。1、計算機控制系統(tǒng)概述4計算機控制系統(tǒng)的定義：計算機控制系統(tǒng)是應用計*5常規(guī)控制系統(tǒng)的工作原理控制器執(zhí)行機構被控對象測量變送器設定值reu被調(diào)參數(shù)y圖a

單回路常規(guī)控制系統(tǒng)示意圖ym2、計算機控制系統(tǒng)的信號特點*5常規(guī)控制系統(tǒng)的工作原理控制器執(zhí)行機構被控對象測量變送器設*6計算機控制系統(tǒng)的工作原理u計算機保持器廣義對象測量變送器e(kT)u(kT)被調(diào)參數(shù)y圖b

單回路計算機控制系統(tǒng)示意圖ym采樣器A/DD/A計算機系統(tǒng)設定值r*6計算機控制系統(tǒng)的工作原理u計算機保持器廣義對象測量變送器*7信號特點1計算機控制系統(tǒng)的信號形式連續(xù)模擬信號:時間與幅值上均連續(xù)，如y(t)、u(t)離散模擬信號:時間是離散的，幅值上連續(xù)，如y*(t)、u*(t)離散數(shù)字信號:時間離散的，幅值為數(shù)字量，如y(kT)、u(kT)采樣器

A/D計算機

A/D保持器y(t)y*(t)

y(kT)

u(kT)

u*(kT)

u(t)*7信號特點1計算機控制系統(tǒng)的信號形式采樣器A/D計算機*8信號特點2計算機控制系統(tǒng)的采樣過程y(t)t采樣器y(t)y*(t)y*(t)2T4Ttτ原始過程信號信號通過采樣器采樣后的信號過程信號采樣過程示意圖*8信號特點2計算機控制系統(tǒng)的采樣過程y(t)t采樣器y(信號特點3

信號的保持目的：將離散采樣信號恢復為被控對象能夠感知的連續(xù)模擬信號方法：采用保持器——由現(xiàn)在或過去時刻的采樣值,用某種函數(shù)去逼近2個采樣時刻間的原信號常用的保持器：零階、一階9信號特點3信號的保持9*10信號特點4計算機控制系統(tǒng)的采樣的合理性采樣器接通時間τ遠小于采樣周期T采樣信號y*(t)復現(xiàn)原信號在采樣瞬間的值y(t)A/D轉(zhuǎn)換后，y*(t)y(kT),k=1，2，……當滿足上述條件時，y*(t)與y(kT)只相差量化誤差*10信號特點4計算機控制系統(tǒng)的采樣的合理性信號特點5

零階保持器恢復信號的示意圖

6T

4T

2Tt

y采樣信號y(kT)原信號y(t)恢復信號yh(t)零階保持器算式y(tǒng)h(kT+t)=y(kT)0≤t＜T,k=0,±1,±2,…由于它只是簡單地外推，故只有當T足夠小時，零階保持器才能較好地恢復原信號。11信號特點5零階保持器恢復信號的示意圖6T4*12顯然：要改變控制策略及算法，只要改變計算機的程序就可以（軟）實現(xiàn)相應功能。*12顯然：要改變控制策略及算法，只要改變計算機的程序就可以計算機控制與傳統(tǒng)的繼電控制比較，具有很大的優(yōu)勢：1、改變控制策略及算法時，只要改變計算機程序，就可以進行功能實現(xiàn)。2、精度高、速度快、存儲容量大和有邏輯判斷功能等。3、可實現(xiàn)高級復雜的控制策略。計算機技術的發(fā)展使整個人類社會發(fā)生了巨大的變化，自然影響了工業(yè)生產(chǎn)和企業(yè)管理。越來越多的的企業(yè)利用計算機控制系統(tǒng)將過程控制和生產(chǎn)管理有機的結合起來，實現(xiàn)生產(chǎn)的全面自動化管理。13計算機控制與傳統(tǒng)的繼電控制比較，具有很大的優(yōu)勢：計算機技*14計算機控制系統(tǒng)工作過程(1)實時數(shù)據(jù)采集:檢測被控量的瞬時值，將采樣結果輸?shù)接嬎銠C中。(2)實時決策:給定值與被控量的數(shù)值處理后，按照預定的控制規(guī)律進行控制運算——實時決策。(3)實時控制:將實時決策結果轉(zhuǎn)化為控制信號適時地送給執(zhí)行裝置——實現(xiàn)過程控制。(4)信息管理:隨著網(wǎng)絡技術和控制策略的發(fā)展，信息共享及管理在控制系統(tǒng)得到了充分的應用。*14計算機控制系統(tǒng)工作過程(1)實時數(shù)據(jù)采集:檢測被控量的*15上述測、算、控、管的過程不斷重復，使系統(tǒng)按一定的動態(tài)(過渡過程)指標進行工作。并同時可對被控制量和設備本身所出現(xiàn)的異常狀態(tài)及時進行監(jiān)督并迅速做出處理——計算機控制系統(tǒng)最基本的功能。實時控制——指信號的輸入、計算和輸出都要在一定的時間(采樣\控制間隔)內(nèi)完成。分時控制——因計算機運算處理速度遠高控制回路的速度要求，故可使計算機依次的完成多個通道（回路）的實時控制。*15上述測、算、控、管的過程不斷重復，使系統(tǒng)按一定的動態(tài)(*163、計算機控制系統(tǒng)的組成及作用計算機硬件設備——指微機本身及其外圍設備，是計算機控制系統(tǒng)的基礎；計算機控制軟件——指管理計算機的程序以及過程控制的應用程序，是計算機控制系統(tǒng)的靈魂；計算機通信網(wǎng)絡——指各數(shù)據(jù)采集節(jié)點和控制單元之間的通信設備及網(wǎng)絡，是進行系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息交換的通道。*163、計算機控制系統(tǒng)的組成及作用計算機硬件設備——指微機*17

計算機控制系統(tǒng)的組成作用軟件部分計算機控制系統(tǒng)

硬件部分控制計算機主機、外設、系統(tǒng)總線生產(chǎn)過程輸入輸出通道人—機聯(lián)系設備、通信設備

現(xiàn)場儀表（測量傳感器、執(zhí)行機構等）

操作系統(tǒng)匯編或高級語言、過程控制語言通信網(wǎng)絡軟件、診斷程序等

系統(tǒng)軟件

應用軟件

過程輸入/輸出程序、過程控制程序人機接口程序、打印顯示程序各種公共子程序歷史數(shù)據(jù)庫、實時數(shù)據(jù)庫計算機控制系統(tǒng)的組成示意圖*17計算機控制系統(tǒng)的組成作用軟件部分計算機控*18計算機控制系統(tǒng)各部分功能

——由主機、接口電路及外圍設備組成。不同的系統(tǒng)，所需硬件也不同，一般可根據(jù)控制系統(tǒng)的需要進行擴展。具有各種功能的插件板或功能模塊，可用標準總線連接起來，如PC總線構成的各種工業(yè)控制計算機、PLC、DCS等。

1.硬件*18計算機控制系統(tǒng)各部分功能——由主機、接口電路*19由CPU和存儲器構成，是整個控制系統(tǒng)的指揮部。它自動地對過程輸入通道發(fā)送來的工業(yè)參數(shù)進行巡回檢測，按照人們預先安排的程序，進行信息處理、分析和計算，并作出相應的控制決策，通過輸出通道及時發(fā)出有關的控制命令。1)計算機主機*19由CPU和存儲器構成，是整個控制系統(tǒng)的指揮部。1)計*202)接口與輸入/輸出通道計算機和生產(chǎn)過程之間設置信息的傳遞和交換的連接通道———輸入/輸出通道，(過程通道)過程通道一般可分為模擬量輸入通道（A/D）、模擬量輸出通道(D/A)、開關量輸入通道和開關量輸出通道等。

過程通道是不能直接由主機控制的，必須由“接口”來傳送相應的信息和命令。*202)接口與輸入/輸出通道計算機和生產(chǎn)過程之間設置信息*213)通用外圍設備通用外圍設備主要是為了擴大主機的功能而設置的，通用外圍設備可分為輸入設備、輸出設備和存儲設備，并根據(jù)控制系統(tǒng)的規(guī)模和要求來配置。*213)通用外圍設備通用外圍設備主要是為了擴大主機的功能*224)檢測及執(zhí)行機構工業(yè)過程參數(shù)一般是非電物理量，必須經(jīng)過傳感器變換為等效的電信號。因此，檢測元件精度的高低直接影響微機控制系統(tǒng)的精度。為了控制生產(chǎn)過程，還需要有執(zhí)行機構。常用的執(zhí)行機構有電動、液動和氣動等形式。另有動力電機和控制電機等。*224)檢測及執(zhí)行機構工業(yè)過程參數(shù)一般是非電物理量，必須*235)操作臺操作臺是人機對話（接口）的聯(lián)系紐帶。程序員使用該人機設備(運行操作臺)來輸入、修改和檢查程序。生產(chǎn)過程的操作人員必須了解控制臺的使用細節(jié)，否則會引起嚴重后果。*235)操作臺操作臺是人機對話（接口）的聯(lián)系紐帶。程序員*24（2）.軟件軟件——各種功能程序的總和——操作系統(tǒng)、監(jiān)控程序、管理程序、控制程序、計算和自診斷程序等。軟件是微機系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，整個系統(tǒng)的動作都是在軟件指揮下協(xié)調(diào)工作的。軟件質(zhì)量關系到計算機運行和控制效果的好壞，及硬件功能是否能夠充分發(fā)揮和推廣應用。軟件通常分兩類：系統(tǒng)軟件應用軟件和數(shù)據(jù)庫。

*24（2）.軟件軟件——各種功能程序的總和——操作系統(tǒng)、監(jiān)*25（3）.計算機控制系統(tǒng)網(wǎng)絡

網(wǎng)絡技術在計算機控制系統(tǒng)中的比重越來越大。計算機控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡結構一般分為兩大類：對等式網(wǎng)絡結構Peertopeer；客戶機/服務器結構Client/Server。自動化領域的計算機局域網(wǎng)——現(xiàn)場總線技術*25（3）.計算機控制系統(tǒng)網(wǎng)絡網(wǎng)絡技術在計算機控制*26計算機控制的優(yōu)點(1)消除模擬調(diào)節(jié)器難以克服的缺點:漂移問題，參數(shù)整定范圍窄，比例、積分和微分系數(shù)不能單獨調(diào)整，(2)可在整個控制范圍內(nèi)實行多參數(shù)調(diào)節(jié)。(3)當信號噪聲大時，數(shù)字低通濾波器與模擬濾波器相配合，對高頻的脈沖噪聲有較好的濾波效果，特別數(shù)字濾波可抑制甚低頻的周期干擾。

*26計算機控制的優(yōu)點(1)消除模擬調(diào)節(jié)器難以克服的缺點:*27(4)使用靈活，便于實現(xiàn)特殊的控制規(guī)律，如修改部分程序就能改變調(diào)節(jié)規(guī)律，而無需改變硬件設備，計算機控制系統(tǒng)可以在線改變控制方案。因而可以在不增加硬件設備的情況下逐步提高控制水平。(5)具有增加控制回路而不會顯著地增加費用的特點，還可實現(xiàn)打印、制表、報警、顯示等附加功能。*27(4)使用靈活，便于實現(xiàn)特殊的控制規(guī)律，如修改部分程*28強調(diào)計算機控制系統(tǒng)是以分時方式對控制對象進行控制的，它以定時采樣和階段控制來代替常規(guī)調(diào)節(jié)裝置的連續(xù)檢測和連續(xù)控制。

*28強調(diào)*29檢測及變送控制對象執(zhí)行機構多路開關接口外部通道變送器接口接口接口接口A/DD/A反多路開關開關量輸入開關量輸出傳感器主機及操作臺通用外部設備顯示終端磁盤驅(qū)動器打印機軟件微型計算機生產(chǎn)對象操作臺實時時鐘基本計算機控制系統(tǒng)結構示意圖*29檢測及變送控制對象執(zhí)行機構多路開關接口外部通道變送器接*30按照系統(tǒng)的功能分類——計算機巡回檢測和操作指導系統(tǒng)計算機直接數(shù)字控制系統(tǒng)計算機監(jiān)督控制系統(tǒng)計算機集散控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)工業(yè)過程計算機集成制造系統(tǒng)（流程CIMS）第二節(jié)計算機控制系統(tǒng)分類

*30按照系統(tǒng)的功能分類——計算機巡回檢測和操作指導系統(tǒng)第二*311、數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視系統(tǒng)

——主要對過程參數(shù)進行定時巡回檢測、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)計算、數(shù)據(jù)統(tǒng)計和處理、參數(shù)的越限報警以及對數(shù)據(jù)進行積累和實時分析。計算機不直接參與生產(chǎn)過程的控制。代替大量的常規(guī)顯示和記錄儀表，對整個生產(chǎn)過程進行集中監(jiān)視。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DataAcquisitionSystem，DAS）*311、數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DataAcq*32

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意圖

……數(shù)

字計算機CRT打印機報警過程輸入通道

測量變送

測量變送被控生產(chǎn)過程執(zhí)行機構

人……*32數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意圖……數(shù)字計算*33

DDC系統(tǒng)中用一臺微機對多個被控參數(shù)進行巡回檢測，再根據(jù)規(guī)定的控制規(guī)律、進行控制運算，并輸出到執(zhí)行機構對生產(chǎn)過程進行控制。DDC系統(tǒng)中，計算機不僅完全取代模擬調(diào)節(jié)器，實現(xiàn)多回路的PID調(diào)節(jié)，而且不改變硬件，只通過改變軟件就可以實現(xiàn)較復雜的控制算法。2、直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DirectDigitalControl)*33DDC系統(tǒng)中用一臺微機對多個被控參數(shù)進行巡回檢測，*34圖DDC系統(tǒng)框圖直接數(shù)字控制(DDC)計算機CRT打印機報警操作臺過程輸入通道

測量變送

測量變送被控生產(chǎn)過程過程輸出通道

執(zhí)行機構

執(zhí)行機構…………*34圖DDC系統(tǒng)框圖直接數(shù)字控制(DDC)計算機CR*353、微機監(jiān)督控制系統(tǒng)(SupervisoryComputerControl）兩級控制第1級用DDC計算機或調(diào)節(jié)器，完成直接控制；第2級用SCC計算機根據(jù)工藝信息和其他參數(shù)——即按照一定算法進行優(yōu)化計算，自動地改變DDC系統(tǒng)的給定值，從而使生產(chǎn)過程始終處于最優(yōu)工況(最低消耗、最低成本、最高產(chǎn)量等)。又稱給定值控制SPC(SetPointComputerControl)。SCC系統(tǒng)不僅可以進行給定值控制，同時還可以進行順序控制、最優(yōu)控制以及自適應控制等。*353、微機監(jiān)督控制系統(tǒng)(SupervisoryCom*36監(jiān)督控制系統(tǒng)結構示意圖監(jiān)督控制計算機(SCC)CRT打印機報警DDC計算機或調(diào)節(jié)器輸入通道

輸出通道被控生產(chǎn)過程操作臺輸入通道*36監(jiān)督控制系統(tǒng)結構示意圖監(jiān)督控制計算機(SCC)CRT打*374.集散型計算機控制系統(tǒng)（DCS）

監(jiān)控計算機CRT操作站現(xiàn)場控制站現(xiàn)場控制站

被控對象被控對象……….…高速數(shù)據(jù)通道….….集散控制系統(tǒng)（DCS）組成框圖DCS采用分散控制和集中管理的控制理念與網(wǎng)絡化的控制結構，靈活地將控制設備、服務器、基礎自動化單元等聯(lián)系在一起。按功能分散、危險分散、管理集中和應用靈活等原則進行設計，具有高可靠性能，便于維修與更新。*374.集散型計算機控制系統(tǒng)（DCS）監(jiān)控計算機CR*38它以系統(tǒng)最優(yōu)化為目標，以計算機為核心并與數(shù)據(jù)通信技術、控制技術、顯示技術、人機接口技術、I/O接口等技術相結合——用于過程控制和生產(chǎn)管理的工控主流控制系統(tǒng)。傳統(tǒng)DCS系統(tǒng)結構*38它以系統(tǒng)最優(yōu)化為目標，以計算機為核心并與數(shù)據(jù)通信技術、*39*39*405、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）現(xiàn)場總線——連接智能現(xiàn)場設備和自動化系統(tǒng)的全數(shù)字、雙向傳輸、多分支結構的通信網(wǎng)絡。FCS的基本結構*405、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）現(xiàn)場總線——連接智能現(xiàn)*41*41*42FCS用現(xiàn)場總線把具有輸入、輸出、運算、控制和通信功能的現(xiàn)場總線數(shù)字儀表（如傳感器、變送器、執(zhí)行器）等集成一體，構成現(xiàn)場網(wǎng)絡自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)了生產(chǎn)過程的信息集成。

ASASEthernet,TCP/IP監(jiān)控計算機顯示操作站現(xiàn)場總線網(wǎng)間連接器H2或高速Ethernet

現(xiàn)場總線橋低速現(xiàn)場總線(H1)小型PLC過程控制生產(chǎn)制造裝置級網(wǎng)絡*42FCS用現(xiàn)場總線把具有輸入、輸出、運算、控制和通信功能*436、流程計算機集成制造系統(tǒng)流程計算機集成制造系統(tǒng)（ComputerIntegratedManufacturingSystems）——流程CIMS

通過計算機硬、軟件的綜合運用，利用現(xiàn)代管理技術、制造技術、信息技術、自動化技術、系統(tǒng)工程技術，將企業(yè)生產(chǎn)過程中的人員、技術、經(jīng)營管理三要素及其信息與物流有機集成，并實現(xiàn)優(yōu)化運行的復雜大系統(tǒng)。

CIＭS代表了當今工廠綜合自動化的最高水平，被譽為是未來的工廠。*436、流程計算機集成制造系統(tǒng)流程計算機集成制造系統(tǒng)*44

流程計算機集成制造系統(tǒng)

經(jīng)營決策企業(yè)管理生產(chǎn)調(diào)度過程優(yōu)化過程控制第五層：企業(yè)決策，生產(chǎn)規(guī)劃第四層：供銷,財務,計劃,管理等第三層：生產(chǎn)調(diào)度，系統(tǒng)優(yōu)化第二層：先進控制，過程優(yōu)化第一層：單元自動化,簡單控制生產(chǎn)過程

流程CIMS的遞階控制示意圖*44流程計算機集成制造系統(tǒng)經(jīng)營決策企業(yè)管理生產(chǎn)調(diào)度*45*45*46流程CIMS是工程大系統(tǒng)，它所要解決的不是局部優(yōu)化問題，而是工廠、公司乃至一個區(qū)域的總目標或總?cè)蝿盏淖顑?yōu)化問題。最優(yōu)化的目標函數(shù)包括產(chǎn)量最高、質(zhì)量最好、原料和能耗最小、成本最低、可靠性最高、環(huán)境污染最小等指標，它反映了技術、經(jīng)濟、環(huán)境等多方面的綜合性要求。流程CIMS的理論基礎是大系統(tǒng)理論。*46流程CIMS是工程大系統(tǒng)，它所要解決的不是局部優(yōu)化問題*47*47*2011-2012（2）482.按照控制規(guī)律對計算機控制系統(tǒng)分類1)程序控制和順序控制

程序控制是控制被控量按照預先規(guī)定的時間函數(shù)變化，被控制量是時間的函數(shù)，如加熱爐的溫度控制。順序控制則可以看作是程序控制的擴展，在各個時期所給出的設定值可以是不同的物理量，而且每次設定值的給出，不僅取決于時間，還取決于對以前的控制結果的邏輯判斷。*2011-2012（2）482.按照控制規(guī)律對計算機控制*492)PID控制調(diào)節(jié)器的輸出是調(diào)節(jié)器輸入的比例、積分、微分的函數(shù)。PID控制結構簡單，參數(shù)容易調(diào)整,因此一直是應用最廣、最為成熟的技術。3)有限拍控制有限拍控制的性能指標是調(diào)節(jié)時間最短，要求設計的系統(tǒng)在盡可能短的時間里完成調(diào)節(jié)過程。有限拍控制通常在數(shù)字隨動系統(tǒng)中應用。*492)PID控制*2011-2012（2）504)復雜規(guī)律的控制控制系統(tǒng)性能指標不單是過渡過程的品質(zhì)，而且包括能耗最小、產(chǎn)量最高、質(zhì)量最好等綜合性指標。對于存在隨機擾動、純滯后對象以及多變量耦合的系統(tǒng)，僅用PID控制是難以達到滿意的性能指標的，因此，針對實際情況采用各種復雜規(guī)律的控制——串級控制，前饋控制，純滯后補償控制，多變量解耦控制以及最優(yōu)、自適應、自學習控制等。*2011-2012（2）504)復雜規(guī)律的控制控制系*515）智能控制智能控制理論是把先進的方法學理論與解決當前技術問題所需要的系統(tǒng)理論結合起來的學科。智能控制理論可以看作是三個主要理論領域的交叉或匯合:人工智能、運籌學和控制理論。智能控制系統(tǒng)實質(zhì)上是一個大系統(tǒng)——綜合的自動化系統(tǒng)。模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡、遺傳算法、專家系統(tǒng)等均可稱智能控制*515）智能控制智能控制理論是把先進的方法學理論與解決當前*52第3節(jié)DCS總體概念及特點它是綜合了4C技術的控制系統(tǒng)。設計原則及主要特點：危險、控制分散操作、管理集中分級管理、分而自治集散控制系統(tǒng)具有技術先進、功能完備、應用靈活、操作方便、運行可靠等多方面顯著特點，為計算機控制開創(chuàng)了一個嶄新的應用領域，并得到了廣泛的應用。*52第3節(jié)DCS總體概念及特點它是綜合了4C技術的控*53初期DCS產(chǎn)生的基本思路：1）分散控制：分解集中控制——多個專門的過程分散控制裝置（FCS）2）集中操作：保持操作習慣——良好的人/機操作界面(操作站)數(shù)據(jù)通信：建立操作站過程分散控制裝置的數(shù)據(jù)聯(lián)系

*53初期DCS產(chǎn)生的基本思路：*54*54*55*55*56*56*57過程控制實驗室的DCS*57過程控制實驗室的DCS*58

DCS的特點1分級遞階控制:雙向分級、各自分工、相互協(xié)調(diào)縱向：上下可分2-5級（過程控制級、操作管理級等）

橫向：可分多級（根據(jù)控制規(guī)模和控制方案確定）2分散控制:控制分散、人員分散、地域分散、功能分散、設備分散、操作分散——目的：危險分散。

設備的冗余設置——提高系統(tǒng)的可靠性。3自治和協(xié)調(diào)性——DCS的形成的基礎

系統(tǒng)分散的基礎：被分散的系統(tǒng)是自治的系統(tǒng)。

遞階分級的基礎：被分級的系統(tǒng)是相互協(xié)調(diào)的。廣義的集散內(nèi)涵：控制分散、通訊分散、數(shù)據(jù)庫分散、供電分散、負荷分散等數(shù)據(jù)及通訊管理集中、控制目標集中、顯示操作的集中等*58DCS的特點1分級遞階控制:雙向分級、各自分工、相*59集散控制系統(tǒng)從其本質(zhì)和內(nèi)部機理上講——

它是以微處理機為核心的計算機控制系統(tǒng)；從其外部構成方式和應用角度上講——

它類似于單元組合式儀表控制系統(tǒng)。因而，系統(tǒng)的組態(tài)及擴展都十分容易。*59集散控制系統(tǒng)從其本質(zhì)和內(nèi)部機理上講——*2011-2012（2）60集散系統(tǒng)在功能上真正實現(xiàn)了

————

管理集中和控制分散既實現(xiàn)了操作、管理和監(jiān)視的縱向分級集中，又實現(xiàn)了控制、危險的橫向分散，從根本上提高了系統(tǒng)的可靠性。DCS系統(tǒng)是目前公認的最理想的工業(yè)控制系統(tǒng)之一，在國內(nèi)外冶金、電力、石油、化工、建筑等工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應用。*2011-2012（2）60集散系統(tǒng)在功能上真正實現(xiàn)了

*61DCS的特點——獨立性協(xié)調(diào)性友好性適應性、靈活性和可擴充性實時性可靠性*61DCS的特點——獨立性(一）1975-1980（初創(chuàng)期）相應的產(chǎn)品稱之為第一代DCS

①注重控制功能的實現(xiàn)，在功能上更接近儀表控制系統(tǒng)。

②各廠家的DCS系統(tǒng)均由專有產(chǎn)品構成。DCS的發(fā)展階段

Honeywell

TDC-2000

Bailey

Network-90

Foxboro

Spectrum

Leeds&Northrup

MAX-1

日本橫河

CENTUM

Kent公司

P4000

西門子

TelepermM

東芝公司

TOSDIC特點(一）1975-1980（初創(chuàng)期）相應的產(chǎn)品稱之為（二）1980-1985(成熟期)相應的產(chǎn)品稱之為第二代DCS

①引入了局域網(wǎng)作為主干網(wǎng)，開始擺脫儀表控制系統(tǒng)的影響，向計算機控制系統(tǒng)靠近，但網(wǎng)絡協(xié)議仍各自為政。②在控制功能上：除回路控制外，增加了順序控制、邏輯控制；加強了系統(tǒng)管理站的功能。③在人機界面方面：圖形用戶界面逐步豐富。

Honeywell

TDC-3000(LCN)

WestingHouse

WDPF

Fisher

PROVOX

Rosemount

RS3

Talor

MOD-300

日本橫河

YEWPACK-MARKⅡ……特點（二）1980-1985(成熟期)相應的產(chǎn)品稱之為（三）1985-90年代(擴展期)相應的產(chǎn)品稱之為第三代DCS

Honeywell

TDC-3000(UCN)

WestingHouse

WDPFⅡ

Foxboro

I/ASeries

Bailey

INIF-90

日本橫河

CENTUM-XL/μXL

日立

HIACS……①增加了上層網(wǎng)絡，將生產(chǎn)的管理功能納入到系統(tǒng)中，形成三級結構：直接控制、監(jiān)督控制和協(xié)調(diào)優(yōu)化、生產(chǎn)管理。各廠家已普遍采用標準網(wǎng)絡產(chǎn)品。除現(xiàn)場控制站專有外，其余已采用了市場采購的商品。②各種DCS的直接控制功能幾乎無差異，相互間的差異主要體現(xiàn)在與不同行業(yè)應用密切相關的控制方法和高層管理功能上。③組態(tài)實現(xiàn)標準化。特點（三）1985-90年代(擴展期)相應的產(chǎn)品稱

HoneywellPlantScape、ExperionPKS(過程知識系統(tǒng)）

FoxboroA2

L&N

MAX-1000、MAX-1000Plus、maxDNA橫河

CS3000-R3（PRM-工廠資源管理系統(tǒng)）

ABB

Freelance2000、IndustrialIT

艾默生

DeltaV

SiemensPCS7RockwellNetLinx和利時

HOLLiAS

浙大中控

WebfieldECS-100、GCS-200、GCS-1/2

上海新華

XDPF-400

國電智深

EDPF-NT……（四）90’S以后相應的產(chǎn)品稱之為第四代DCS(或新型DCS)特點HoneywellPlantScape*66傳統(tǒng)DCS的局限測量變送和執(zhí)行機構仍是基于模擬儀表不同廠商的產(chǎn)品互不兼容，互操作性差傳統(tǒng)DCS的編程計算工具仍顯簡單與上位機的接口硬件和規(guī)約各不相同*66傳統(tǒng)DCS的局限測量變送和執(zhí)行機構仍是基于模擬儀表*67集散控制系統(tǒng)的展望(1)操作性能進一步提高，操作、管理、組態(tài)、開發(fā)將更加方便，軟件更加豐富。

各種高性能的控制、管理軟件在DCS中得到廣泛應用。(2)加強網(wǎng)絡標準，統(tǒng)一通信規(guī)程，現(xiàn)場總線的規(guī)格化，系統(tǒng)硬件、軟件的標準化，形成開放型的集散系統(tǒng)。

(3)系統(tǒng)規(guī)模向大規(guī)模發(fā)展的同時也向小系統(tǒng)發(fā)展。集散系統(tǒng)后的新的控制網(wǎng)絡——現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)有更廣闊的應用前景。

*67集散控制系統(tǒng)的展望(1)操作性能進一步提高，操作、管*68第4節(jié)FCS的總體概念1、FCS的基本概念現(xiàn)場總線——安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動控制裝置之間的數(shù)字、串行、多點通信的數(shù)據(jù)總線。

現(xiàn)場總線就是以數(shù)字通信替代了傳統(tǒng)4～20mA模擬信號及普通開關量信號的傳輸。

——連接智能現(xiàn)場設備和自動化系統(tǒng)的全數(shù)字、雙向、多站的通信系統(tǒng)。*68第4節(jié)FCS的總體概念1、FCS的基本概念*69現(xiàn)場總線的技術特點：1.現(xiàn)場通信網(wǎng)絡用于過程和制造自動化現(xiàn)場智能設備互連的數(shù)字通信網(wǎng)絡，通過總線網(wǎng)絡將控制功能延伸到現(xiàn)場。從而，實現(xiàn)開放型的互聯(lián)網(wǎng)絡。2．互操作性設備間具有互可操作性。互可操作性與互用性是指用戶可以根據(jù)自身的需求選擇不同廠家或型號的產(chǎn)品構成所需的控制回路，即可自由集成FCS。*69現(xiàn)場總線的技術特點：1.現(xiàn)場通信網(wǎng)絡*703．分散功能塊現(xiàn)場設備是微機化設備，既有檢測、變換和補償功能，又有控制和運算功能。DCS控制站控制功能被分散給現(xiàn)場儀表，使控制系統(tǒng)結構具備高度的分散性。從而，廢棄了DCS的I/O單元和控制站，把DCS控制站的功能塊分散地分配給現(xiàn)場儀表，構成了虛擬控制站，徹底地實現(xiàn)了分散控制。4．通信線供電通信線供電方式允許現(xiàn)場儀表直接從通信線上攝取能量,這種方式用于本質(zhì)安全環(huán)境的低功耗現(xiàn)場儀表，體現(xiàn)了對現(xiàn)場環(huán)境的適應性。*703．分散功能塊*2011-2012（2）715．可組態(tài)性所有廠商的現(xiàn)場儀表引入功能塊概念，統(tǒng)一組態(tài)方法。使得組態(tài)方法非常簡單，不會因為現(xiàn)場設備或儀表種類不同帶來組態(tài)方法的不同，從而，給組態(tài)編程帶來了很大方便。6．開放性通信標準的公開、一致，使系統(tǒng)具備開放性。實現(xiàn)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫的共享。7．可控性操作員在控制室即可了解現(xiàn)場設備或現(xiàn)場儀表的工作狀況，也能對其參數(shù)進行調(diào)整，還可預測或?qū)ふ夜收?，系統(tǒng)始終處于操作員的遠程監(jiān)控和可控狀態(tài)，提高了系統(tǒng)的可靠性、可控性和可維護性。*2011-2012（2）715．可組態(tài)性*2011-2012（2）722、

FCS的本質(zhì)特征1．FCS的核心是總線協(xié)議2．FCS的基礎是數(shù)字智能現(xiàn)場裝置3．FCS的本質(zhì)是信息處理現(xiàn)場化

*2011-2012（2）722、FCS的本質(zhì)特征1．F第5節(jié)DCS、

PLC及FCS之間的差異可編程邏輯控制器（PLC）簡介PLC最初功能PLC的編程PLC的改進與發(fā)展采用數(shù)據(jù)高速通道DH增加模擬量信號的處理功能網(wǎng)絡化，實現(xiàn)系統(tǒng)集成第5節(jié)DCS、PLC及FCS之間的差異可編程邏輯控制器（可編程邏輯控制器的特點：1、從開關量發(fā)展到順序控制，運算處理是從上往下。2、具有邏輯控制、定時控制、計數(shù)控制、步進控制等多功能。3、可一臺為主站，多臺為從站，構成一個控制系統(tǒng)；還可以作為DCS系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)?？删幊踢壿嬁刂破鞯奶攸c：DCS與PLC的區(qū)別：PLC擅長于步進邏輯控制，DCS擅長復雜控制。

隨著PLC技術的發(fā)展，其運算速度更快、存儲量更大、產(chǎn)品非常豐富，人機界面完美、通信設備完備，像大型控制系統(tǒng)集成方向發(fā)展。而另一方面，DCS應用系統(tǒng)中已有大量的可編程控制器運用。他們之間是相互競爭、相互融化、一起發(fā)展。DCS與PLC的區(qū)別：PLCDCS早期離散連續(xù)PLCDCS現(xiàn)代離散連續(xù)PLCDCS中期離散連續(xù)離散連續(xù)PLC與DCS和FCS形成了三足鼎立之勢！微型化、網(wǎng)絡化、PC化和開放性是PLC、DCS未來發(fā)展的主要方向。目前世界上約有200家PLC生產(chǎn)廠家，目前占控制市場份額30％。主要生產(chǎn)廠家有美國的AB公司、莫迪康公司、GE公司、德國的西門子公司、日本的歐姆龍公司、三菱電機公司。DCS控制站PLC化

而PLC功能DCS化除了成套的DCS外，目前以PLC為基礎構成的DCS方案是應用最為廣泛的模式！PLCDCS早期離散連續(xù)PLCDCS現(xiàn)代離散連續(xù)PLCDCSDCS與FCS的區(qū)別：FCS的發(fā)展應用時自動化領域的一場革命。它結合了DCS、工業(yè)以太網(wǎng)、先進控制等技術，具有強大的生命力。

在將來很長一段時間內(nèi)DCS、PLC及FCS必將共存，會向智能化、開放性、網(wǎng)絡化、信息化發(fā)展。DCS與FCS的區(qū)別：*78習題計算機控制系統(tǒng)的分類，簡述各系統(tǒng)類型的特點。什么是DCS？DCS的基本設計思想是什么？DCS主要特點有哪些？現(xiàn)場總線的本質(zhì)特征有哪些？FCS的主要技術特點有哪些？DCS與FCS的主要區(qū)別是什么?*78習題計算機控制系統(tǒng)的分類，簡述各系統(tǒng)類型的特點。*79謝謝*79謝謝80DCS及現(xiàn)場總線DCS——DistributedControlSystemFCS——FieldbusControlSystem*1DCS及現(xiàn)場總線DCS——DistributedCon811.1計算機控制系統(tǒng)基本概念1.2計算機控制系統(tǒng)分類1.3集散控制系統(tǒng)基本概念1.4現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)總體概念1.5DCS、FCS及PLC的差異21.1計算機控制系統(tǒng)基本概念計算機控制系統(tǒng)的概述計算機控制系統(tǒng)的信號特點計算機控制系統(tǒng)的組成計算機控制系統(tǒng)的分類82第1節(jié)計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)的概述3第1節(jié)計算機控制系統(tǒng)

計算機控制系統(tǒng)的定義：計算機控制系統(tǒng)是應用計算機參與控制并借助一下輔助部件與被控對象相聯(lián)系，以獲得一定控制目的而構成的系統(tǒng)。1、計算機控制系統(tǒng)概述83計算機控制系統(tǒng)的定義：計算機控制系統(tǒng)是應用計*84常規(guī)控制系統(tǒng)的工作原理控制器執(zhí)行機構被控對象測量變送器設定值reu被調(diào)參數(shù)y圖a

單回路常規(guī)控制系統(tǒng)示意圖ym2、計算機控制系統(tǒng)的信號特點*5常規(guī)控制系統(tǒng)的工作原理控制器執(zhí)行機構被控對象測量變送器設*85計算機控制系統(tǒng)的工作原理u計算機保持器廣義對象測量變送器e(kT)u(kT)被調(diào)參數(shù)y圖b

單回路計算機控制系統(tǒng)示意圖ym采樣器A/DD/A計算機系統(tǒng)設定值r*6計算機控制系統(tǒng)的工作原理u計算機保持器廣義對象測量變送器*86信號特點1計算機控制系統(tǒng)的信號形式連續(xù)模擬信號:時間與幅值上均連續(xù)，如y(t)、u(t)離散模擬信號:時間是離散的，幅值上連續(xù)，如y*(t)、u*(t)離散數(shù)字信號:時間離散的，幅值為數(shù)字量，如y(kT)、u(kT)采樣器

A/D計算機

A/D保持器y(t)y*(t)

y(kT)

u(kT)

u*(kT)

u(t)*7信號特點1計算機控制系統(tǒng)的信號形式采樣器A/D計算機*87信號特點2計算機控制系統(tǒng)的采樣過程y(t)t采樣器y(t)y*(t)y*(t)2T4Ttτ原始過程信號信號通過采樣器采樣后的信號過程信號采樣過程示意圖*8信號特點2計算機控制系統(tǒng)的采樣過程y(t)t采樣器y(信號特點3

信號的保持目的：將離散采樣信號恢復為被控對象能夠感知的連續(xù)模擬信號方法：采用保持器——由現(xiàn)在或過去時刻的采樣值,用某種函數(shù)去逼近2個采樣時刻間的原信號常用的保持器：零階、一階88信號特點3信號的保持9*89信號特點4計算機控制系統(tǒng)的采樣的合理性采樣器接通時間τ遠小于采樣周期T采樣信號y*(t)復現(xiàn)原信號在采樣瞬間的值y(t)A/D轉(zhuǎn)換后，y*(t)y(kT),k=1，2，……當滿足上述條件時，y*(t)與y(kT)只相差量化誤差*10信號特點4計算機控制系統(tǒng)的采樣的合理性信號特點5

零階保持器恢復信號的示意圖

6T

4T

2Tt

y采樣信號y(kT)原信號y(t)恢復信號yh(t)零階保持器算式y(tǒng)h(kT+t)=y(kT)0≤t＜T,k=0,±1,±2,…由于它只是簡單地外推，故只有當T足夠小時，零階保持器才能較好地恢復原信號。90信號特點5零階保持器恢復信號的示意圖6T4*91顯然：要改變控制策略及算法，只要改變計算機的程序就可以（軟）實現(xiàn)相應功能。*12顯然：要改變控制策略及算法，只要改變計算機的程序就可以計算機控制與傳統(tǒng)的繼電控制比較，具有很大的優(yōu)勢：1、改變控制策略及算法時，只要改變計算機程序，就可以進行功能實現(xiàn)。2、精度高、速度快、存儲容量大和有邏輯判斷功能等。3、可實現(xiàn)高級復雜的控制策略。計算機技術的發(fā)展使整個人類社會發(fā)生了巨大的變化，自然影響了工業(yè)生產(chǎn)和企業(yè)管理。越來越多的的企業(yè)利用計算機控制系統(tǒng)將過程控制和生產(chǎn)管理有機的結合起來，實現(xiàn)生產(chǎn)的全面自動化管理。92計算機控制與傳統(tǒng)的繼電控制比較，具有很大的優(yōu)勢：計算機技*93計算機控制系統(tǒng)工作過程(1)實時數(shù)據(jù)采集:檢測被控量的瞬時值，將采樣結果輸?shù)接嬎銠C中。(2)實時決策:給定值與被控量的數(shù)值處理后，按照預定的控制規(guī)律進行控制運算——實時決策。(3)實時控制:將實時決策結果轉(zhuǎn)化為控制信號適時地送給執(zhí)行裝置——實現(xiàn)過程控制。(4)信息管理:隨著網(wǎng)絡技術和控制策略的發(fā)展，信息共享及管理在控制系統(tǒng)得到了充分的應用。*14計算機控制系統(tǒng)工作過程(1)實時數(shù)據(jù)采集:檢測被控量的*94上述測、算、控、管的過程不斷重復，使系統(tǒng)按一定的動態(tài)(過渡過程)指標進行工作。并同時可對被控制量和設備本身所出現(xiàn)的異常狀態(tài)及時進行監(jiān)督并迅速做出處理——計算機控制系統(tǒng)最基本的功能。實時控制——指信號的輸入、計算和輸出都要在一定的時間(采樣\控制間隔)內(nèi)完成。分時控制——因計算機運算處理速度遠高控制回路的速度要求，故可使計算機依次的完成多個通道（回路）的實時控制。*15上述測、算、控、管的過程不斷重復，使系統(tǒng)按一定的動態(tài)(*953、計算機控制系統(tǒng)的組成及作用計算機硬件設備——指微機本身及其外圍設備，是計算機控制系統(tǒng)的基礎；計算機控制軟件——指管理計算機的程序以及過程控制的應用程序，是計算機控制系統(tǒng)的靈魂；計算機通信網(wǎng)絡——指各數(shù)據(jù)采集節(jié)點和控制單元之間的通信設備及網(wǎng)絡，是進行系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息交換的通道。*163、計算機控制系統(tǒng)的組成及作用計算機硬件設備——指微機*96

計算機控制系統(tǒng)的組成作用軟件部分計算機控制系統(tǒng)

硬件部分控制計算機主機、外設、系統(tǒng)總線生產(chǎn)過程輸入輸出通道人—機聯(lián)系設備、通信設備

現(xiàn)場儀表（測量傳感器、執(zhí)行機構等）

操作系統(tǒng)匯編或高級語言、過程控制語言通信網(wǎng)絡軟件、診斷程序等

系統(tǒng)軟件

應用軟件

過程輸入/輸出程序、過程控制程序人機接口程序、打印顯示程序各種公共子程序歷史數(shù)據(jù)庫、實時數(shù)據(jù)庫計算機控制系統(tǒng)的組成示意圖*17計算機控制系統(tǒng)的組成作用軟件部分計算機控*97計算機控制系統(tǒng)各部分功能

——由主機、接口電路及外圍設備組成。不同的系統(tǒng)，所需硬件也不同，一般可根據(jù)控制系統(tǒng)的需要進行擴展。具有各種功能的插件板或功能模塊，可用標準總線連接起來，如PC總線構成的各種工業(yè)控制計算機、PLC、DCS等。

1.硬件*18計算機控制系統(tǒng)各部分功能——由主機、接口電路*98由CPU和存儲器構成，是整個控制系統(tǒng)的指揮部。它自動地對過程輸入通道發(fā)送來的工業(yè)參數(shù)進行巡回檢測，按照人們預先安排的程序，進行信息處理、分析和計算，并作出相應的控制決策，通過輸出通道及時發(fā)出有關的控制命令。1)計算機主機*19由CPU和存儲器構成，是整個控制系統(tǒng)的指揮部。1)計*992)接口與輸入/輸出通道計算機和生產(chǎn)過程之間設置信息的傳遞和交換的連接通道———輸入/輸出通道，(過程通道)過程通道一般可分為模擬量輸入通道（A/D）、模擬量輸出通道(D/A)、開關量輸入通道和開關量輸出通道等。

過程通道是不能直接由主機控制的，必須由“接口”來傳送相應的信息和命令。*202)接口與輸入/輸出通道計算機和生產(chǎn)過程之間設置信息*1003)通用外圍設備通用外圍設備主要是為了擴大主機的功能而設置的，通用外圍設備可分為輸入設備、輸出設備和存儲設備，并根據(jù)控制系統(tǒng)的規(guī)模和要求來配置。*213)通用外圍設備通用外圍設備主要是為了擴大主機的功能*1014)檢測及執(zhí)行機構工業(yè)過程參數(shù)一般是非電物理量，必須經(jīng)過傳感器變換為等效的電信號。因此，檢測元件精度的高低直接影響微機控制系統(tǒng)的精度。為了控制生產(chǎn)過程，還需要有執(zhí)行機構。常用的執(zhí)行機構有電動、液動和氣動等形式。另有動力電機和控制電機等。*224)檢測及執(zhí)行機構工業(yè)過程參數(shù)一般是非電物理量，必須*1025)操作臺操作臺是人機對話（接口）的聯(lián)系紐帶。程序員使用該人機設備(運行操作臺)來輸入、修改和檢查程序。生產(chǎn)過程的操作人員必須了解控制臺的使用細節(jié)，否則會引起嚴重后果。*235)操作臺操作臺是人機對話（接口）的聯(lián)系紐帶。程序員*103（2）.軟件軟件——各種功能程序的總和——操作系統(tǒng)、監(jiān)控程序、管理程序、控制程序、計算和自診斷程序等。軟件是微機系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，整個系統(tǒng)的動作都是在軟件指揮下協(xié)調(diào)工作的。軟件質(zhì)量關系到計算機運行和控制效果的好壞，及硬件功能是否能夠充分發(fā)揮和推廣應用。軟件通常分兩類：系統(tǒng)軟件應用軟件和數(shù)據(jù)庫。

*24（2）.軟件軟件——各種功能程序的總和——操作系統(tǒng)、監(jiān)*104（3）.計算機控制系統(tǒng)網(wǎng)絡

網(wǎng)絡技術在計算機控制系統(tǒng)中的比重越來越大。計算機控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡結構一般分為兩大類：對等式網(wǎng)絡結構Peertopeer；客戶機/服務器結構Client/Server。自動化領域的計算機局域網(wǎng)——現(xiàn)場總線技術*25（3）.計算機控制系統(tǒng)網(wǎng)絡網(wǎng)絡技術在計算機控制*105計算機控制的優(yōu)點(1)消除模擬調(diào)節(jié)器難以克服的缺點:漂移問題，參數(shù)整定范圍窄，比例、積分和微分系數(shù)不能單獨調(diào)整，(2)可在整個控制范圍內(nèi)實行多參數(shù)調(diào)節(jié)。(3)當信號噪聲大時，數(shù)字低通濾波器與模擬濾波器相配合，對高頻的脈沖噪聲有較好的濾波效果，特別數(shù)字濾波可抑制甚低頻的周期干擾。

*26計算機控制的優(yōu)點(1)消除模擬調(diào)節(jié)器難以克服的缺點:*106(4)使用靈活，便于實現(xiàn)特殊的控制規(guī)律，如修改部分程序就能改變調(diào)節(jié)規(guī)律，而無需改變硬件設備，計算機控制系統(tǒng)可以在線改變控制方案。因而可以在不增加硬件設備的情況下逐步提高控制水平。(5)具有增加控制回路而不會顯著地增加費用的特點，還可實現(xiàn)打印、制表、報警、顯示等附加功能。*27(4)使用靈活，便于實現(xiàn)特殊的控制規(guī)律，如修改部分程*107強調(diào)計算機控制系統(tǒng)是以分時方式對控制對象進行控制的，它以定時采樣和階段控制來代替常規(guī)調(diào)節(jié)裝置的連續(xù)檢測和連續(xù)控制。

*28強調(diào)*108檢測及變送控制對象執(zhí)行機構多路開關接口外部通道變送器接口接口接口接口A/DD/A反多路開關開關量輸入開關量輸出傳感器主機及操作臺通用外部設備顯示終端磁盤驅(qū)動器打印機軟件微型計算機生產(chǎn)對象操作臺實時時鐘基本計算機控制系統(tǒng)結構示意圖*29檢測及變送控制對象執(zhí)行機構多路開關接口外部通道變送器接*109按照系統(tǒng)的功能分類——計算機巡回檢測和操作指導系統(tǒng)計算機直接數(shù)字控制系統(tǒng)計算機監(jiān)督控制系統(tǒng)計算機集散控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)工業(yè)過程計算機集成制造系統(tǒng)（流程CIMS）第二節(jié)計算機控制系統(tǒng)分類

*30按照系統(tǒng)的功能分類——計算機巡回檢測和操作指導系統(tǒng)第二*1101、數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視系統(tǒng)

——主要對過程參數(shù)進行定時巡回檢測、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)計算、數(shù)據(jù)統(tǒng)計和處理、參數(shù)的越限報警以及對數(shù)據(jù)進行積累和實時分析。計算機不直接參與生產(chǎn)過程的控制。代替大量的常規(guī)顯示和記錄儀表，對整個生產(chǎn)過程進行集中監(jiān)視。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DataAcquisitionSystem，DAS）*311、數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DataAcq*111

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意圖

……數(shù)

字計算機CRT打印機報警過程輸入通道

測量變送

測量變送被控生產(chǎn)過程執(zhí)行機構

人……*32數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意圖……數(shù)字計算*112

DDC系統(tǒng)中用一臺微機對多個被控參數(shù)進行巡回檢測，再根據(jù)規(guī)定的控制規(guī)律、進行控制運算，并輸出到執(zhí)行機構對生產(chǎn)過程進行控制。DDC系統(tǒng)中，計算機不僅完全取代模擬調(diào)節(jié)器，實現(xiàn)多回路的PID調(diào)節(jié)，而且不改變硬件，只通過改變軟件就可以實現(xiàn)較復雜的控制算法。2、直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DirectDigitalControl)*33DDC系統(tǒng)中用一臺微機對多個被控參數(shù)進行巡回檢測，*113圖DDC系統(tǒng)框圖直接數(shù)字控制(DDC)計算機CRT打印機報警操作臺過程輸入通道

測量變送

測量變送被控生產(chǎn)過程過程輸出通道

執(zhí)行機構

執(zhí)行機構…………*34圖DDC系統(tǒng)框圖直接數(shù)字控制(DDC)計算機CR*1143、微機監(jiān)督控制系統(tǒng)(SupervisoryComputerControl）兩級控制第1級用DDC計算機或調(diào)節(jié)器，完成直接控制；第2級用SCC計算機根據(jù)工藝信息和其他參數(shù)——即按照一定算法進行優(yōu)化計算，自動地改變DDC系統(tǒng)的給定值，從而使生產(chǎn)過程始終處于最優(yōu)工況(最低消耗、最低成本、最高產(chǎn)量等)。又稱給定值控制SPC(SetPointComputerControl)。SCC系統(tǒng)不僅可以進行給定值控制，同時還可以進行順序控制、最優(yōu)控制以及自適應控制等。*353、微機監(jiān)督控制系統(tǒng)(SupervisoryCom*115監(jiān)督控制系統(tǒng)結構示意圖監(jiān)督控制計算機(SCC)CRT打印機報警DDC計算機或調(diào)節(jié)器輸入通道

輸出通道被控生產(chǎn)過程操作臺輸入通道*36監(jiān)督控制系統(tǒng)結構示意圖監(jiān)督控制計算機(SCC)CRT打*1164.集散型計算機控制系統(tǒng)（DCS）

監(jiān)控計算機CRT操作站現(xiàn)場控制站現(xiàn)場控制站

被控對象被控對象……….…高速數(shù)據(jù)通道….….集散控制系統(tǒng)（DCS）組成框圖DCS采用分散控制和集中管理的控制理念與網(wǎng)絡化的控制結構，靈活地將控制設備、服務器、基礎自動化單元等聯(lián)系在一起。按功能分散、危險分散、管理集中和應用靈活等原則進行設計，具有高可靠性能，便于維修與更新。*374.集散型計算機控制系統(tǒng)（DCS）監(jiān)控計算機CR*117它以系統(tǒng)最優(yōu)化為目標，以計算機為核心并與數(shù)據(jù)通信技術、控制技術、顯示技術、人機接口技術、I/O接口等技術相結合——用于過程控制和生產(chǎn)管理的工控主流控制系統(tǒng)。傳統(tǒng)DCS系統(tǒng)結構*38它以系統(tǒng)最優(yōu)化為目標，以計算機為核心并與數(shù)據(jù)通信技術、*118*39*1195、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）現(xiàn)場總線——連接智能現(xiàn)場設備和自動化系統(tǒng)的全數(shù)字、雙向傳輸、多分支結構的通信網(wǎng)絡。FCS的基本結構*405、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）現(xiàn)場總線——連接智能現(xiàn)*120*41*121FCS用現(xiàn)場總線把具有輸入、輸出、運算、控制和通信功能的現(xiàn)場總線數(shù)字儀表（如傳感器、變送器、執(zhí)行器）等集成一體，構成現(xiàn)場網(wǎng)絡自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)了生產(chǎn)過程的信息集成。

ASASEthernet,TCP/IP監(jiān)控計算機顯示操作站現(xiàn)場總線網(wǎng)間連接器H2或高速Ethernet

現(xiàn)場總線橋低速現(xiàn)場總線(H1)小型PLC過程控制生產(chǎn)制造裝置級網(wǎng)絡*42FCS用現(xiàn)場總線把具有輸入、輸出、運算、控制和通信功能*1226、流程計算機集成制造系統(tǒng)流程計算機集成制造系統(tǒng)（ComputerIntegratedManufacturingSystems）——流程CIMS

通過計算機硬、軟件的綜合運用，利用現(xiàn)代管理技術、制造技術、信息技術、自動化技術、系統(tǒng)工程技術，將企業(yè)生產(chǎn)過程中的人員、技術、經(jīng)營管理三要素及其信息與物流有機集成，并實現(xiàn)優(yōu)化運行的復雜大系統(tǒng)。

CIＭS代表了當今工廠綜合自動化的最高水平，被譽為是未來的工廠。*436、流程計算機集成制造系統(tǒng)流程計算機集成制造系統(tǒng)*123

流程計算機集成制造系統(tǒng)

經(jīng)營決策企業(yè)管理生產(chǎn)調(diào)度過程優(yōu)化過程控制第五層：企業(yè)決策，生產(chǎn)規(guī)劃第四層：供銷,財務,計劃,管理等第三層：生產(chǎn)調(diào)度，系統(tǒng)優(yōu)化第二層：先進控制，過程優(yōu)化第一層：單元自動化,簡單控制生產(chǎn)過程

流程CIMS的遞階控制示意圖*44流程計算機集成制造系統(tǒng)經(jīng)營決策企業(yè)管理生產(chǎn)調(diào)度*124*45*125流程CIMS是工程大系統(tǒng)，它所要解決的不是局部優(yōu)化問題，而是工廠、公司乃至一個區(qū)域的總目標或總?cè)蝿盏淖顑?yōu)化問題。最優(yōu)化的目標函數(shù)包括產(chǎn)量最高、質(zhì)量最好、原料和能耗最小、成本最低、可靠性最高、環(huán)境污染最小等指標，它反映了技術、經(jīng)濟、環(huán)境等多方面的綜合性要求。流程CIMS的理論基礎是大系統(tǒng)理論。*46流程CIMS是工程大系統(tǒng)，它所要解決的不是局部優(yōu)化問題*126*47*2011-2012（2）1272.按照控制規(guī)律對計算機控制系統(tǒng)分類1)程序控制和順序控制

程序控制是控制被控量按照預先規(guī)定的時間函數(shù)變化，被控制量是時間的函數(shù)，如加熱爐的溫度控制。順序控制則可以看作是程序控制的擴展，在各個時期所給出的設定值可以是不同的物理量，而且每次設定值的給出，不僅取決于時間，還取決于對以前的控制結果的邏輯判斷。*2011-2012（2）482.按照控制規(guī)律對計算機控制*1282)PID控制調(diào)節(jié)器的輸出是調(diào)節(jié)器輸入的比例、積分、微分的函數(shù)。PID控制結構簡單，參數(shù)容易調(diào)整,因此一直是應用最廣、最為成熟的技術。3)有限拍控制有限拍控制的性能指標是調(diào)節(jié)時間最短，要求設計的系統(tǒng)在盡可能短的時間里完成調(diào)節(jié)過程。有限拍控制通常在數(shù)字隨動系統(tǒng)中應用。*492)PID控制*2011-2012（2）1294)復雜規(guī)律的控制控制系統(tǒng)性能指標不單是過渡過程的品質(zhì)，而且包括能耗最小、產(chǎn)量最高、質(zhì)量最好等綜合性指標。對于存在隨機擾動、純滯后對象以及多變量耦合的系統(tǒng)，僅用PID控制是難以達到滿意的性能指標的，因此，針對實際情況采用各種復雜規(guī)律的控制——串級控制，前饋控制，純滯后補償控制，多變量解耦控制以及最優(yōu)、自適應、自學習控制等。*2011-2012（2）504)復雜規(guī)律的控制控制系*1305）智能控制智能控制理論是把先進的方法學理論與解決當前技術問題所需要的系統(tǒng)理論結合起來的學科。智能控制理論可以看作是三個主要理論領域的交叉或匯合:人工智能、運籌學和控制理論。智能控制系統(tǒng)實質(zhì)上是一個大系統(tǒng)——綜合的自動化系統(tǒng)。模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡、遺傳算法、專家系統(tǒng)等均可稱智能控制*515）智能控制智能控制理論是把先進的方法學理論與解決當前*131第3節(jié)DCS總體概念及特點它是綜合了4C技術的控制系統(tǒng)。設計原則及主要特點：危險、控制分散操作、管理集中分級管理、分而自治集散控制系統(tǒng)具有技術先進、功能完備、應用靈活、操作方便、運行可靠等多方面顯著特點，為計算機控制開創(chuàng)了一個嶄新的應用領域，并得到了廣泛的應用。*52第3節(jié)DCS總體概念及特點它是綜合了4C技術的控*132初期DCS產(chǎn)生的基本思路：1）分散控制：分解集中控制——多個專門的過程分散控制裝置（FCS）2）集中操作：保持操作習慣——良好的人/機操作界面(操作站)數(shù)據(jù)通信：建立操作站過程分散控制裝置的數(shù)據(jù)聯(lián)系

*53初期DCS產(chǎn)生的基本思路：*133*54*134*55*135*56*136過程控制實驗室的DCS*57過程控制實驗室的DCS*137

DCS的特點1分級遞階控制:雙向分級、各自分工、相互協(xié)調(diào)縱向：上下可分2-5級（過程控制級、操作管理級等）

橫向：可分多級（根據(jù)控制規(guī)模和控制方案確定）2分散控制:控制分散、人員分散、地域分散、功能分散、設備分散、操作分散——目的：危險分散。

設備的冗余設置——提高系統(tǒng)的可靠性。3自治和協(xié)調(diào)性——DCS的形成的基礎

系統(tǒng)分散的基礎：被分散的系統(tǒng)是自治的系統(tǒng)。

遞階分級的基礎：被分級的系統(tǒng)是相互協(xié)調(diào)的。廣義的集散內(nèi)涵：控制分散、通訊分散、數(shù)據(jù)庫分散、供電分散、負荷分散等數(shù)據(jù)及通訊管理集中、控制目標集中、顯示操作的集中等*58DCS的特點1分級遞階控制:雙向分級、各自分工、相*138集散控制系統(tǒng)從其本質(zhì)和內(nèi)部機理上講——

它是以微處理機為核心的計算機控制系統(tǒng)；從其外部構成方式和應用角度上講——

它類似于單元組合式儀表控制系統(tǒng)。因而，系統(tǒng)的組態(tài)及擴展都十分容易。*59集散控制系統(tǒng)從其本質(zhì)和內(nèi)部機理上講——*2011-2012（2）139集散系統(tǒng)在功能上真正實現(xiàn)了

————

管理集中和控制分散既實現(xiàn)了操作、管理和監(jiān)視的縱向分級集中，又實現(xiàn)了控制、危險的橫向分散，從根本上提高了系統(tǒng)的可靠性。DCS系統(tǒng)是目前公認的最理想的工業(yè)控制系統(tǒng)之一，在國內(nèi)外冶金、電力、石油、化工、建筑等工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應用。*2011-2012（2）60集散系統(tǒng)在功能上真正實現(xiàn)了

*140DCS的特點——獨立性協(xié)調(diào)性友好性適應性、靈活性和可擴充性實時性可靠性*61DCS的特點——獨立性(一）1975-1980（初創(chuàng)期）相應的產(chǎn)品稱之為第一代DCS

①注重控制功能的實現(xiàn)，在功能上更接近儀表控制系統(tǒng)。

②各廠家的DCS系統(tǒng)均由專有產(chǎn)品構成。DCS的發(fā)展階段

Honeywell

TDC-2000

Bailey

Network-90

Foxboro

Spectrum

Leeds&Northrup

MAX-1

日本橫河

CENTUM

Kent公司

P4000

西門子

TelepermM

東芝公司

TOSDIC特點(一）1975-1980（初創(chuàng)期）相應的產(chǎn)品稱之為（二）1980-1985(成熟期)相應的產(chǎn)品稱之為第二代DCS

①引入了局域網(wǎng)作為主干網(wǎng)，開始擺脫儀表控制系統(tǒng)的影響，向計算機控制系統(tǒng)靠近，但網(wǎng)絡協(xié)議仍各自為政。②在控制功能上：除回路控制外，增加了順序控制、邏輯控制；加強了系統(tǒng)管理站的功能。③在人機界面方面：圖形用戶界面逐步豐富。

Honeywell

TDC-3000(LCN)

WestingHouse

WDPF

Fisher

PROVOX

Rosemount

RS3

Talor

MOD-300

日本橫河

YEWPACK-MARKⅡ……特點（二）1980-1985(成熟期)相應的產(chǎn)品稱之為（三）1985-90年代(擴展期)相應的產(chǎn)品稱之為第三代DCS

Honeywell

TDC-3000(UCN)

WestingHouse

WDPFⅡ

Foxboro

I/ASeries

Bailey

INIF-90

日本橫河

CENTUM-XL/μXL

日立

HIACS……①增加了上層網(wǎng)絡，將生產(chǎn)的管理功能納入到系統(tǒng)中，形成三級結構：直接控制、監(jiān)督控制和協(xié)調(diào)優(yōu)化、生產(chǎn)管理。各廠家已普遍采用標準網(wǎng)絡產(chǎn)品。除現(xiàn)場控制站專有外，其余已采用了市場采購的商品。②各種DCS的直接控制功能幾乎無差異，相互間的差異主要體現(xiàn)在與不同行業(yè)應用密切相關的控制方法和高層管理功能上。③組態(tài)實現(xiàn)標準化。特點（三）1985-90年代(擴展期)相應的產(chǎn)品稱

HoneywellPlantScape、ExperionPKS(過程知識系統(tǒng)）

FoxboroA2

L&N

MAX-1000、MAX-1000Plus、maxDNA橫河

CS3000-R3（PRM-工廠資源管理系統(tǒng)）

ABB

Freelance2000、IndustrialIT

艾默