《DCS與現(xiàn)場總線》-第1章-1

集散控制系統(tǒng)及現(xiàn)場總線人類現(xiàn)代文明與工業(yè)控制主要參考書王錦標(biāo)，計算機控制系統(tǒng)，清華出版社，2004李正軍，現(xiàn)場總線及其應(yīng)用技術(shù)，機械工業(yè)，2005楊寧趙玉剛，集散控制系統(tǒng)及現(xiàn)場總線，北航出版社，2003王常力，廖道文．集散控制系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用，清華出版社，1993主要參考書(Continue)熊淑燕，火力發(fā)電廠集散控制系統(tǒng)，科學(xué)出版社，2000羅鴻，ERP原理設(shè)計實施，電子工業(yè)出版社，2003鄒益仁馬增良蒲維，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)，國防工業(yè)出版社，2003[瑞典]JonasBerge著陳小楓董景辰曹迎東等譯，過程控制現(xiàn)場總線—工程、運行與維護(hù)，清華大學(xué)出版社2003顧洪軍等編著，《工業(yè)企業(yè)網(wǎng)與現(xiàn)場總線技術(shù)及應(yīng)用》，人民郵電出版社，2002課程學(xué)習(xí)內(nèi)容集散型控制系統(tǒng)（DCS）原理及其應(yīng)用現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）原理及其應(yīng)用第一章概述第一節(jié)計算機控制系統(tǒng)第二節(jié)DCS系統(tǒng)簡介第三節(jié)FCS系統(tǒng)簡介第四節(jié)控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢測控系統(tǒng)的演變

傳統(tǒng)檢測系統(tǒng)

顯示儀表被測參數(shù)1、傳統(tǒng)測控時代

傳統(tǒng)手動控制系統(tǒng)

顯示器執(zhí)行機構(gòu)被測控參數(shù)

傳感器檢測系統(tǒng)

傳感器調(diào)理電路模塊顯示儀表被測參數(shù)2、電氣測控時代

現(xiàn)代手動控制系統(tǒng)

傳感器調(diào)理電路模塊顯示儀表執(zhí)行機構(gòu)被測控參數(shù)

電氣控制系統(tǒng)

傳感器調(diào)理電路模塊顯示器執(zhí)行機構(gòu)控制電路模塊被測控參數(shù)

智能檢測控制系統(tǒng)

傳感器智能儀表執(zhí)行機構(gòu)被測控參數(shù)3、智能測控時代

計算機測控系統(tǒng)

傳感器調(diào)理電路模塊計算機被測控參數(shù)輸入通道輸出通道控制電路模塊執(zhí)行機構(gòu)4、計算機測控時代

計算機控制系統(tǒng)作為當(dāng)今工業(yè)控制的主流系統(tǒng)，已取代常規(guī)的模擬檢測、調(diào)節(jié)、顯示、記錄等儀器設(shè)備和很大部分操作管理的人工職能，并具有較高級復(fù)雜的計算方法和處理方法，以完成各種過程控制、操作管理等任務(wù)。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，計算機控制技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛，在冶金、化工、電力、自動化機床、工業(yè)機器人控制、柔性制造系統(tǒng)和計算機集成制造系統(tǒng)等工業(yè)控制方面已取得了令人矚目的研究與應(yīng)用成果，在國民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮著越來越大的作用。

基本概念測量：采用各種方法獲得客觀事物的量值，稱之為“測量”控制：采用各種方法支配或約束某一客觀事物的進(jìn)程結(jié)果，稱之為“控制”測控系統(tǒng)的分類

按照儀器和系統(tǒng)擔(dān)負(fù)的任務(wù)不同，測控系統(tǒng)可分為三大類：單純以控制為目的的“控制系統(tǒng)”單純以測量和檢測為目的的“測試（檢測）系統(tǒng)”

測控一體的“測控系統(tǒng)”或“監(jiān)控系統(tǒng)”

（1）開環(huán)（前饋）控制系統(tǒng)控制器被控對象控制量輸入量擾動輸出量系統(tǒng)的被控制量（輸出量）對系統(tǒng)的控制量（輸入量）沒有影響，即被控制量只受控于控制量，而對控制量無反作用，這類系統(tǒng)稱為開環(huán)系統(tǒng)，或前饋控制系統(tǒng)。按信號傳遞路徑分類：開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)特點：控制量與輸出量之間僅有前向通路，沒有反饋通路，輸出量只被檢測，無直接控制作用；外部條件和系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)保持不變時，對于一個確定的輸入量，總存在一個與之對應(yīng)的輸出量；控制精度取決于控制器各被控對象的參數(shù)穩(wěn)定性，易受干擾影響（抗干擾能力差），缺乏精確性和適應(yīng)性。開環(huán)控制系統(tǒng)工作原理：根據(jù)給定的信號去控制被控對象，不能自動消除被控參數(shù)偏離給定值所帶來的誤差。

（2）閉環(huán)（反饋）控制系統(tǒng)反饋：指輸出量通過適當(dāng)?shù)难b置將測量信號的全部或一部分返回輸入端，使之與輸入量進(jìn)行比較的過程。如果輸出量和反饋量相減則稱為負(fù)反饋，反之，若二者相加，則稱為正反饋。輸入量和反饋量之差稱為偏差信號。系統(tǒng)的被控量對控制作用有直接影響的系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。反饋控制系統(tǒng)是指在負(fù)反饋的基礎(chǔ)上，用“檢測誤差用以糾正誤差”這一原理組成的系統(tǒng)。由于此類系統(tǒng)信息的傳遞途徑有一個自己閉合的環(huán)路，所以稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。特點：由負(fù)反饋構(gòu)成閉環(huán)，利用誤差信號進(jìn)行控制；對于外界擾動和系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)的變化等引起的誤差能夠自動糾正；系統(tǒng)元件參數(shù)配合不當(dāng)，容易產(chǎn)生振蕩，使系統(tǒng)不能正常工作，因而存在穩(wěn)定性問題。

閉環(huán)控制系統(tǒng)與開環(huán)控制系統(tǒng)的主要區(qū)別在于閉環(huán)控制系統(tǒng)有一條從系統(tǒng)輸出端經(jīng)過測量元件到輸入端的反饋通路輸入量控制器被控對象控制量擾動輸出量反饋元件+-輸入變換電壓放大執(zhí)行機構(gòu)功率放大減速器電熱器調(diào)壓器爐子+熱電偶期望溫度實際溫度常規(guī)控制系統(tǒng)的工作原理模擬調(diào)節(jié)器執(zhí)行機構(gòu)被控對象測量變送器設(shè)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ym

按偏差e進(jìn)行控制，目的是減少或消除偏差。1.1計算機控制系統(tǒng)

1.1.1概述計算機控制系統(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(shè)定值r計算機控制系統(tǒng)的組成框圖從本質(zhì)上看，計算機控制系統(tǒng)的作用如下三個方面：

①實時數(shù)據(jù)采集：對來自測量變送裝置的被控量的瞬時值進(jìn)行檢測和輸入。

②實時控制決策：對采集到的被控量進(jìn)行分析和處理，并按已定的控制規(guī)律，決定將要采取的控制行為。

③實時控制輸出：根據(jù)控制決策，適時地對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出控制信號，完成控制任務(wù)。（2）幾個概念①在線方式和離線方式：on-line/off-line

生產(chǎn)過程和計算機直接連接，并受計算機控制的方式稱為在線方式或聯(lián)機方式；生產(chǎn)過程不和計算機相連，且不受計算機控制，而是靠人進(jìn)行聯(lián)系并做相應(yīng)操作的方式稱為離線方式或脫機方式。②實時：指信號的輸入、計算和輸出都要在一定的時間范圍內(nèi)完成，亦即計算機對輸入信息，以足夠快的速度進(jìn)行控制，超出了這個時間，就失去了控制的時機，控制也就失去了意義。

！而且這個時間范圍的大小跟被空對象聯(lián)系非常的緊密！不同的被控對象，對時間范圍的要求不同：發(fā)酵過程和導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的對比！思考兩個問題一.在線系統(tǒng)是否一定是實時系統(tǒng)？二.實時系統(tǒng)是否一定是在線系統(tǒng)？一.不一定。在線采集的數(shù)據(jù)不一定在當(dāng)時就進(jìn)行處理，只要把數(shù)據(jù)采集來就可以！二.是。不在線肯定不能滿足實時性。計算機控制系統(tǒng)的主要優(yōu)點組成方式靈活能實現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律獲取更大的經(jīng)濟(jì)效益為實現(xiàn)企業(yè)綜合自動化打下了良好的基礎(chǔ)1.1.2信號特點計算機控制系統(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)連續(xù)數(shù)字信號:時間是連續(xù)的，幅值上已是數(shù)字量，計算機內(nèi)部存儲和處理信號離散數(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D/A保持器y(t)y*(t)

y(kT)

u(kT)

u*(kT)

u(t)計算機控制系統(tǒng)中的量化將離散模擬信號用二進(jìn)制代碼逼近為數(shù)字信號的過程（如采樣值y*(t)量化為y(kT)的過程）量化單位qq=M/2n，M為被轉(zhuǎn)換的模擬量電信號滿量程，

n為A/D的轉(zhuǎn)換位數(shù)量化誤差

e=±q/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計算機控制系統(tǒng)的采樣的合理性采樣器接通時間τ遠(yuǎn)小于采樣周期T理想采樣器（接通電阻R0，開路電阻R

）采樣信號y*(t)復(fù)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，……采樣周期T須滿足香農(nóng)定理采樣頻率大于2倍原始信號頻率當(dāng)滿足上述條件時，y*(t)與y(kT)只相差量化誤差

設(shè)δ(t-kT)是t=kT時刻的理想采樣脈沖，則采樣周期T的選擇相當(dāng)重要。因為y*(t)只與y(t)在脈沖出現(xiàn)瞬間的值y(kT)有關(guān)，故采樣信號可用下式表示：

信號的保持目的：是將離散采樣信號恢復(fù)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、一階及高階

（常數(shù)、線性函數(shù)、拋物線）

零階保持器恢復(fù)信號的示意圖

6T

4T

2Tt

y采樣信號y(kT)原信號y(t)恢復(fù)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(dāng)T足夠小時，零階保持器才能較好地恢復(fù)原信號。

1.1.3計算機控制系統(tǒng)的組成及作用計算機控制系統(tǒng)的組成示意圖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(shè)、系統(tǒng)總線生產(chǎn)過程輸入輸出通道人—機聯(lián)系設(shè)備、通信設(shè)備

現(xiàn)場儀表（測量傳感器、執(zhí)行機構(gòu)等）

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

系統(tǒng)軟件

應(yīng)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)庫計算機巡回檢測和操作指導(dǎo)系統(tǒng)1.1.4計算機控制系統(tǒng)的分類……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(gòu)

人……優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，控制靈活和安全。缺點:要由人工操作，速度受到限制，不能控制多個對象。計算機直接數(shù)字控制（DDC）系統(tǒng)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(gòu)

執(zhí)行機構(gòu)………………

計算機閉環(huán)控制系統(tǒng)?？赏耆〈M調(diào)節(jié)器，實現(xiàn)多回路的PID控制，而且只要改變程序就可以實現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律。

計算機監(jiān)督控制（SCC）系統(tǒng)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

其作用是改變給定值，又稱設(shè)定值控制。它的任務(wù)著重在控制規(guī)律的修正與實現(xiàn)，如最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制等。計算機集散控制系統(tǒng)（DCS）

采用分散控制、集中操作、分級管理和綜合協(xié)調(diào)的設(shè)計原則與網(wǎng)絡(luò)化的控制結(jié)構(gòu)，形成分級分布式控制?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)工作站—現(xiàn)場智能儀表-變送器智能部件FCS的核心是現(xiàn)場總線，是一種數(shù)字通信協(xié)議，是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)，是控制技術(shù)、儀表工業(yè)技術(shù)和計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)三者結(jié)合?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)工作站—現(xiàn)場智能儀表-智能電磁流量計結(jié)構(gòu)模式為：“工作站一現(xiàn)場總線智能儀表”二層結(jié)構(gòu)，降低了成本，提高了可靠性，并且在統(tǒng)一國際標(biāo)準(zhǔn)下可實現(xiàn)真正的開放式互連系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

計算機集成控制系統(tǒng)（CIMS/CIPS）

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(wù),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(jìn)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的遞階控制示意圖根據(jù)計算機的硬件不同分類基于單片機的簡單系統(tǒng)基于工控機(IPC)基于可編程邏輯控制器(PLC)基于各種類型DCS基于現(xiàn)場總線儀表的FCS智能控制

智能控制把先進(jìn)的方法學(xué)理論與解決當(dāng)前技術(shù)問題所需要的系統(tǒng)理論結(jié)合起來的學(xué)科?？梢钥闯扇齻€主要理論領(lǐng)域的交叉或會合，即：人工智能運籌學(xué)控制理論1.1.5控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢從一般控制技術(shù)向綜合自動化技術(shù)的發(fā)展經(jīng)營決策企業(yè)管理生產(chǎn)調(diào)度過程優(yōu)化過程控制PCS(ProcessControlSystem)MES(ManufacturingExecutionSystem)BPS（包括ERP）(BusinessPlanningSystem)BPS(BusinessPlanningSystem)BPS產(chǎn)品與工藝設(shè)計（P/PE）企業(yè)資源計劃（ERP）供應(yīng)鏈管理（SCM）電子商務(wù)（EC）銷售服務(wù)管理（SSM）第一階段：信息發(fā)布階段

內(nèi)容：一方面是企業(yè)在內(nèi)部全面利用現(xiàn)代信息技術(shù)，建立企業(yè)內(nèi)部的生產(chǎn)及管理系統(tǒng)；另一方面企業(yè)采用瀏覽器／服務(wù)器結(jié)構(gòu)、利用WWW服務(wù)器發(fā)布企業(yè)信息主要特點：企業(yè)利用網(wǎng)站作為企業(yè)形象宣傳和信息發(fā)布的工具，網(wǎng)站所發(fā)布的信息是“靜態(tài)”信息，與企業(yè)內(nèi)部信息系統(tǒng)沒有直接聯(lián)系。通常這些網(wǎng)站被認(rèn)為是電子商務(wù)系統(tǒng)的“雛形”。第二階段：事務(wù)處理階段

第三階段：系統(tǒng)集成階段

CGI

JDBC/ODBC

Middleware

企業(yè)內(nèi)部信息系統(tǒng)

SQL

數(shù)據(jù)庫服務(wù)器

DBServer

應(yīng)用

服務(wù)器

Application

Server

WWW

服務(wù)器

接口中間層

HTTP/WML

HTTP/HTML

Wireless

HTTP/HTML

其他應(yīng)用

第四階段：動態(tài)電子商務(wù)

動態(tài)電子商務(wù)指電子商務(wù)過程和相關(guān)系統(tǒng)可以動態(tài)地適應(yīng)和支持不斷變化的商業(yè)戰(zhàn)略和行為。企業(yè)和客戶、合作伙伴一起動態(tài)地擴展和協(xié)作經(jīng)營過程，實現(xiàn)更先進(jìn)、靈活的集成，并通過網(wǎng)上電子市場(e-Marketplace)以更標(biāo)準(zhǔn)和開放的形式(如WebServices)響應(yīng)市場需求、尋找合作伙伴、形成動態(tài)聯(lián)盟。1.2DCS系統(tǒng)簡介DCS DistributedControlSystem

核心思想： “控制分散，管理集中”應(yīng)用:工業(yè)自動化 生產(chǎn)過程自動化 制造工業(yè)自動化 ?集散控制系統(tǒng)是20世紀(jì)70年代中期發(fā)展起來的、以微處理器為基礎(chǔ)的、實行集中管理、分散控制的計算機控制系統(tǒng)。由于該系統(tǒng)在發(fā)展初期以實行分散控制為主，因此又稱為分散型控制系統(tǒng)或分布式控制系統(tǒng)(DistributedControlSystem，DCS)，簡稱為集散系統(tǒng)或DCS。1.2.1DCS的發(fā)展概況分布型控制系統(tǒng)（DistributedControlSystem，簡稱DCS）亦為集散型控制系統(tǒng)，是4C技術(shù)(Computer、Control、Communication和CRT)的產(chǎn)物，是一個為滿足大型工業(yè)生產(chǎn)日益復(fù)雜的過程控制的要求，從綜合自動化角度出發(fā)，按功能分散、管理集中的原則構(gòu)成的大系統(tǒng)。它具有高可靠性指標(biāo)，不斷以新的技術(shù)成果充實和研制，以微處理器、微型計算機技術(shù)為核心,與數(shù)據(jù)通信技術(shù)、CRT顯示、人機接口、輸入輸出技術(shù)相結(jié)合的，用于生產(chǎn)管理、數(shù)據(jù)采集和各種過程控制的處于新技術(shù)前沿的計算機控制系統(tǒng)。

第一階段（初創(chuàng)期）

CRT操作站

監(jiān)控計算機

數(shù)據(jù)高速公路HW現(xiàn)場監(jiān)測站

現(xiàn)場控制站圖1-1第一代DCS基本結(jié)構(gòu)第二階段（成熟期）……局部網(wǎng)絡(luò)LAN網(wǎng)關(guān)多功能控制器網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)管理模塊通用操作站主計算機增強型操作站其他網(wǎng)絡(luò)DHW……第三階段（擴展期）1.2.2DCS系統(tǒng)的發(fā)展過程儀表分散控制（單獨儀表）儀表集中控制（DDZ-II、III）SCC到DDCSCC和DDC的復(fù)合系統(tǒng)DCS系統(tǒng)SCC系統(tǒng)單回路控制器生產(chǎn)過程及裝備檢測單回路控制器單回路控制器監(jiān)視監(jiān)控計算機SCC–SupervisoryComputerControlDDC-DirectDigitalControl由計算機完成檢測信號的AD轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)控制算法，再通過執(zhí)行單元進(jìn)行輸出控制?？刂朴嬎銠C檢測執(zhí)行生產(chǎn)過程4-20mA，1-5VDDZ-III檢測執(zhí)行檢測執(zhí)行復(fù)合控制系統(tǒng)即：SCC＋DDCSCCComputer單回路控制器DDCComputer生產(chǎn)過程第二級第一級1.2.3DCS的基本結(jié)構(gòu)CentralComputerMCFCFCProcessUnit…MCFCFCProcessUnit…MCFCFCProcessUnit……HighWayControlWayFieldComputer工程師站操作員站交換機控制器I/O卡件現(xiàn)場儀表DCS控制系統(tǒng)簡圖1.2.4DCS系統(tǒng)發(fā)展方向1.2.5DCS典型行業(yè)應(yīng)用生產(chǎn)過程自動化的典型行業(yè)：冶金、石化、建材、造紙制造工業(yè)自動化的典型行業(yè)汽車、機床、飛機DCS→

CIMS（ComputerIntegratedManufactureSystem)DCS系統(tǒng)在工廠中的應(yīng)用舉例“一些自動化實驗裝置圖片”水處理生產(chǎn)線裝置填料塔換熱裝置加熱反應(yīng)器開環(huán)不穩(wěn)定的對象非線性液位對象1.2.6DCS的特點和優(yōu)點分散性和集中性自治性和協(xié)調(diào)性靈活性和擴展性先進(jìn)性和繼承性可靠性和適應(yīng)性友好性和新穎性DCS特點介紹DCS是分布式控制系統(tǒng)(DistributedControlSystem)的簡稱，國內(nèi)一般習(xí)慣稱為集散控制系統(tǒng)。它是一個由過程控制級和過程監(jiān)控級組成的以通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶的多級計算機系統(tǒng)，綜合了計算機Computer)、通訊(Communication)、顯示(CRT)和控制(Control)等4C技術(shù)，其