控制理論與控制工程專題講座

1、控制理論與控制工程專題,工業(yè)過程控制系統(tǒng)及應(yīng)用,2020年9月16日星期三,Industrial Process Contral System,2,教學(xué)內(nèi)容,工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù),工業(yè)控制系統(tǒng),工業(yè)控制組態(tài)軟件,工業(yè)控制數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn),2020年9月16日星期三,Industrial Process Contral System,3,工業(yè)控制系統(tǒng),按照工業(yè)生產(chǎn)過程所使用的原材料和產(chǎn)成品的形態(tài)，可將工業(yè)生產(chǎn)分為三種典型的過程：連續(xù)過程（Continuous Process）、離散過程（Discrete Process）和批量過程（Batch Process）。,工業(yè)控制系統(tǒng)概述,連續(xù)過程：指工業(yè)生產(chǎn)過

2、程所使用的原材料及其產(chǎn)成品為不可以計數(shù)的流體，如液體、氣體等。這樣的物料需要使用容器或管道進行輸送，其計量也不可以計數(shù)，只能采用適當(dāng)?shù)挠嬃繂挝?，如立方米、千克等?這類過程的輸入、輸出變量為時間連續(xù)和幅度連續(xù)的量，其生產(chǎn)方式也是連續(xù)不斷的。生產(chǎn)過程一旦建立，就可以連續(xù)地將原材料加工為產(chǎn)成品，其過程的輸入/輸出和排放遵循物質(zhì)不滅和能量守恒定律。,連續(xù)過程的變量一般是溫度、壓力、流量、質(zhì)量及液位等。,2020年9月16日星期三,Industrial Process Contral System,4,工業(yè)控制系統(tǒng),工業(yè)控制系統(tǒng)概述,石油煉制、化肥等生產(chǎn)過程都是連續(xù)過程。以連續(xù)過程為主要特征的生產(chǎn)行業(yè)

3、被習(xí)慣性地稱為流程工業(yè)。在國際上，過程控制（Process Control）和過程自動化（Process Automation）指的一般都是連續(xù)過程。,離散過程：工業(yè)過程所使用的原材料和產(chǎn)成品都是“固態(tài)”的、按件計量的，其過程的輸入、輸出變量為時間離散和幅度離散的量，如產(chǎn)品的數(shù)量、位置、開關(guān)的狀態(tài)等。,例如，玩具的主要生產(chǎn)過程可以看成是一個離散過程。以離散過程為主要特征的生產(chǎn)行業(yè)被習(xí)慣性地稱為制造業(yè)。面向制造業(yè)的自動化系統(tǒng)一般稱為工廠自動化（Factory Automation）。,2020年9月16日星期三,Industrial Process Contral System,5,工業(yè)控制系統(tǒng)

4、,工業(yè)控制系統(tǒng)概述,批量過程：是一種周期性重復(fù)的生產(chǎn)過程即利用同樣的生產(chǎn)裝置，在不同的時間段，根據(jù)不同的配方和生產(chǎn)工藝生產(chǎn)出不同產(chǎn)品。,這類過程的特點是連續(xù)過程和離散過程交替進行，配方的切換和生產(chǎn)工藝的改變是離散過程，而在確定了配方和生產(chǎn)工藝后的生產(chǎn)過程又是一個連續(xù)過程。,一個完整的生產(chǎn)過程，一般都是連續(xù)過程和離散過程的混合體。,例如，在啤酒的生產(chǎn)過程中，發(fā)酵過程是一個連續(xù)過程，但啤酒最后灌裝成瓶的過程又是離散過程。針對這類過程的控制，被稱為混合控制（Hybrid Control）,大部分制藥、食品、飲料的生產(chǎn)過程都是批量過程。,2020年9月16日星期三,Industrial Process

5、 Contral System,6,工業(yè)控制系統(tǒng),工業(yè)控制系統(tǒng)概述,一、控制系統(tǒng)的基本組成：,在一個控制系統(tǒng)中，必不可少的組成部分有三個；被控對象(即生產(chǎn)過程)、控制設(shè)備或裝置、人。,人是起主導(dǎo)作用的：生產(chǎn)過程是為滿足人的需求而建立的，生產(chǎn)的程序、步驟及工藝等是人設(shè)計的。在整個生產(chǎn)過程中，要進行哪些控制、如何進行控制及控制的方法是什么，都是由人決定的。,被控對象是實施生產(chǎn)過程的主體：不論何種控制裝置，其控制作用都是圍繞生產(chǎn)過程發(fā)生的。如果離開了生產(chǎn)過程，控制裝置就失去了存在的意義。因此，控制裝置是從屬于生產(chǎn)過程的，但對生產(chǎn)過程又產(chǎn)生著巨大的反作用力，使得完成生產(chǎn)過程的主體，如發(fā)電機、鍋爐、化工

6、反應(yīng)裝置等能夠更加安全、高效、穩(wěn)定及可靠地運行。,2020年9月16日星期三,Industrial Process Contral System,7,工業(yè)控制系統(tǒng),工業(yè)控制系統(tǒng)概述,控制裝置是控制系統(tǒng)的核心：所有控制作用都是由控制裝置實現(xiàn)的，一個控制系統(tǒng)能否順利地實現(xiàn)其控制目標(biāo)，完成復(fù)雜的控制功能，主要看控制裝置是否穩(wěn)定可靠并具有優(yōu)異的性能。,由于控制裝置的重要性，在很多場合，人們不再以被控對象、控制裝置和人這三部分的總和作為控制系統(tǒng)的定義，而是直接將控制裝置定義為控制系統(tǒng)，即認為控制系統(tǒng)是由圍繞實施控制所必須的測量、計算及執(zhí)行等各個環(huán)節(jié)所組成的。,這實際上是對直接控制系統(tǒng)的定義，而有人參與的

7、控制則被定義為監(jiān)督控制系統(tǒng)。,直接控制系統(tǒng)定義為以下三個要素的集合：,1、測量方法和測量裝置；,2020年9月16日星期三,Industrial Process Contral System,8,工業(yè)控制系統(tǒng),工業(yè)控制系統(tǒng)概述,2、控制方法(包括算法)和運算處理裝置；,3、執(zhí)行方法和執(zhí)行裝置。,在這三個要素中，方法是軟件（這里的軟件是指解決方案，而不是指程序代碼），雖然軟件是無形的，但它是控制系統(tǒng)的主宰，決定了控制系統(tǒng)的功能和性能。各種裝置則是硬件，是實現(xiàn)方法的手段。所有有關(guān)軟件和硬件的結(jié)合，構(gòu)成了控制系統(tǒng)的各個組成部分。,二、測量方法和測量裝置,被控對象有其自身的運行狀態(tài)，這些狀態(tài)是生產(chǎn)過程

8、的表征?？刂葡到y(tǒng)將通過測量被控對象的運行狀態(tài)來了解生產(chǎn)過程。,一個被控對象能夠被測量（即通過可行的方法進行測量，并通過測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確及時地判斷出被控對象的狀態(tài))的難易程度，稱為該被控對象的可測性。,2020年9月16日星期三,Industrial Process Contral System,9,工業(yè)控制系統(tǒng),工業(yè)控制系統(tǒng)概述,表征生產(chǎn)過程狀態(tài)的量有很多種，如溫度、濕度、壓力、流量、液位、密度、電流、電壓、功率、速度、位置等。這些量都被稱為過程量。,1、模擬量,模擬量是表達物理過程或物理設(shè)備量值的一種連續(xù)變化的量，其數(shù)值隨時間變化而變化，表現(xiàn)為一個時間的函數(shù)。,模擬量最大的特點是連續(xù)性，即在其隨

9、時間變化的曲線上的任意點均可求導(dǎo)，不存在拐點。,這個特點的物理意義是：這類物理量的變化是一個漸變的過程，無論該物理量的變化有多快，都會有一個過渡過程，其取值可有無窮多個。,一般來說，過程量可分為模擬量和開關(guān)量兩大類。,2020年9月16日星期三,Industrial Process Contral System,10,工業(yè)控制系統(tǒng),工業(yè)控制系統(tǒng)概述,溫度、濕度、壓力、流量、液體、密度、重量、體積、電流、電壓、功率、速度、位置及亮度等量都被歸類于模擬量。,模擬量還可細分為兩種：瞬時量和累積量。,瞬時量(或瞬時值)是指該物理量在測量的時刻所具有的值，這個時刻一旦過去，該物理量的值就會改變。如：溫度

10、、壓力等物理量。,累積量則表明該物理量隨時間的前進而不斷增長的積累，是某瞬時量對時間的積分。如：液體的體積，是流量和時間的乘積(在流量恒定條件下)；電能（在工程上稱之為電度）是電功率與時間的乘積（在電功率恒定條件下）等等。,測量是控制系統(tǒng)感知被控對象運行狀態(tài)的重要環(huán)節(jié)，一般通過敏感元件或檢測元件來實現(xiàn)測量。如壓力傳感器、溫度傳感器等。,2020年9月16日星期三,Industrial Process Contral System,11,工業(yè)控制系統(tǒng),工業(yè)控制系統(tǒng)概述,傳感器一般使用物理或化學(xué)原理來感知各種狀態(tài)，其輸出一般是一個可以被控制系統(tǒng)的核心部件-運算處理裝置所處理的信號。運算處理裝置將這

11、些不同的物理、化學(xué)量，通過變送器予以變換，形成符合一定標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)信號（電壓或電流及氣壓），一般稱之為測量值。,2、開關(guān)量,開關(guān)量是一種表示物理過程或設(shè)備所處狀態(tài)的量，也可直接稱之為狀態(tài)量。典型的開關(guān)量只有兩個取值，如電力開關(guān)的分與合、截斷閥門的通與斷等。,這類物理量也可有多個取值，如具有多個繞組抽頭的電力變壓器當(dāng)前的分接頭位置。盡管可以有多個取值，但開關(guān)量取值的數(shù)量是有限的，這點與模擬量有著本質(zhì)的不同。,2020年9月16日星期三,Industrial Process Contral System,12,工業(yè)控制系統(tǒng),工業(yè)控制系統(tǒng)概述,在控制系統(tǒng)中，各種開關(guān)量也需要轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號，一般用電平的高

12、或低表達不同的狀態(tài)。,在工程上，對于開關(guān)量的測量是通過繼電器接點、行程開關(guān)等裝置實現(xiàn)的。,3、SOE量,SOE是Sequence of Event的縮寫。它是一種特殊的開關(guān)量，這種開關(guān)量僅在現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)出現(xiàn)變化時產(chǎn)生，其中不僅要表示出現(xiàn)場設(shè)備改變后的狀態(tài)，還要記錄該狀態(tài)出現(xiàn)改變的準(zhǔn)確時間，一般要精確到毫秒。,SOE的作用是當(dāng)現(xiàn)場設(shè)備因某種原因（一般是出現(xiàn)某種故障時）產(chǎn)生了一系列狀態(tài)變化，如聯(lián)鎖保護裝置的動作，在事后分析故障原因時,2020年9月16日星期三,Industrial Process Contral System,13,工業(yè)控制系統(tǒng),工業(yè)控制系統(tǒng)概述,要找出動作的順序，以確定引起故

13、障的第一原因是什么，其后聯(lián)鎖動作過程又是怎樣的。這對故障分析是一種非常有用的數(shù)據(jù)。,4、脈沖量,脈沖量實際上是一種用特殊方法進行測量的模擬量，一般用來表示某個量的累積值。能夠發(fā)出脈沖量的測量裝置通過對被測物理量進行時間上的累計，在到達個計量單位時便發(fā)出一個脈沖，通過計數(shù)器對脈沖的數(shù)量進行累加，以得到該物理量的累計值。,三、控制方法和運算處理裝置,控制系統(tǒng)是根據(jù)不同被控對象的特點來實施控制的。,對于連續(xù)過程，一般使用模擬調(diào)節(jié)儀表和DCS實施控制；,對于離散過程，一般使用繼電器和PLC實施控制；,2020年9月16日星期三,Industrial Process Contral System,14,

14、工業(yè)控制系統(tǒng),工業(yè)控制系統(tǒng)概述,對于批量過程或混合過程，則采用各種控制設(shè)備相結(jié)合以實施控制。,1、對連續(xù)過程的控制,對于連續(xù)過程的控制一般稱之為過程控制或流程控制，它是一種連續(xù)調(diào)節(jié)性質(zhì)的控制。調(diào)節(jié)是控制的一種，特指通過反饋的方法對連續(xù)變化的對象進行連續(xù)的控制。調(diào)節(jié)的過程并沒有明顯的起點和終點，它所關(guān)心的是受控對象對目標(biāo)值的允許偏差及進行測量和控制的周期，這兩個參數(shù)是連續(xù)過程調(diào)節(jié)的兩個最基本的要素。,除了這兩大要素外，連續(xù)過程調(diào)節(jié)最重要的要素是調(diào)節(jié)控制算法，如經(jīng)典的PID調(diào)節(jié)、現(xiàn)代的模糊控制等。,根據(jù)調(diào)節(jié)控制算法進行計算，是控制系統(tǒng)最核心的功能，計算功能由控制器、調(diào)節(jié)器或運算器完成。,2020年

15、9月16日星期三,Industrial Process Contral System,15,工業(yè)控制系統(tǒng),工業(yè)控制系統(tǒng)概述,2、對離散過程的控制,對于離散過程的控制以狀態(tài)控制為主，一般稱之為程序控制或邏輯控制。這是一種對非連續(xù)對象、非連續(xù)過程的控制。,而非連續(xù)過程則由一組非連續(xù)對象按照工序的要求組合在一起，以完成一個比較復(fù)雜的動作或任務(wù)，這樣的過程有很明顯的起點和終點?？刂七^程和動作過程是完全對應(yīng)的。對非連續(xù)過程的控制是一種順序控制或程序控制，是根據(jù)各個被控對象的動作時間、動作順序和邏輯關(guān)系進行的控制。,對非連續(xù)對象進行控制，實際上就是按照一定的方式改變被控對象的狀態(tài)或位置，如某個電力開關(guān)的合

16、閘或分閘。,2020年9月16日星期三,Industrial Process Contral System,16,工業(yè)控制系統(tǒng),工業(yè)控制系統(tǒng)概述,3、連續(xù)控制和離散控制的比較,表1 連續(xù)控制和離散控制的比較,2020年9月16日星期三,Industrial Process Contral System,17,工業(yè)控制系統(tǒng),工業(yè)控制系統(tǒng)概述,4、對批量過程或混合過程的控制,批次控制結(jié)合了過程控制和程序控制這兩種控制類型，適用于在同一條生產(chǎn)線上通過裝置連接、組合的改變，工藝流程的改變和工藝參數(shù)的調(diào)整生產(chǎn)不同品種產(chǎn)品的生產(chǎn)控制。,其工作過程為：首先通過程序控制確定生產(chǎn)流程和工藝參數(shù)，然后轉(zhuǎn)入過程控制

17、；當(dāng)一個完整的過程完成后，再次轉(zhuǎn)入程序控制，形成下一個批次的生產(chǎn)流程和工藝參數(shù)，如此反復(fù)。,實際上批次控制是一種混合控制，是將過程控制和程序控制結(jié)合在一起的控制系統(tǒng)。,2020年9月16日星期三,Industrial Process Contral System,18,工業(yè)控制系統(tǒng),工業(yè)控制系統(tǒng)概述,四、控制的執(zhí)行方法和執(zhí)行裝置,由計算機輸出的控制指令需要通過各種不同的執(zhí)行機構(gòu)來作用于被控對象的可操作部分和可調(diào)節(jié)部分。這些執(zhí)行機構(gòu)稱為執(zhí)行裝置或執(zhí)行單元，如氣動閥、電磁閥、控制電機及繼電器等。,執(zhí)行裝置將運算處理裝置輸出的控制指令轉(zhuǎn)換為被控對象可接受的動作，以改變被控對象的運行狀態(tài)。,運算處理裝

18、置的輸出也可分為模擬量和開關(guān)量兩大類：模擬量輸出用于對被控對象進行連續(xù)調(diào)節(jié)，如調(diào)整閥門的開度(百分比)以控制流量等等；開關(guān)量控制則用于改變被控對象的狀態(tài)或工況，如通過電力開關(guān)的分/合以改變電網(wǎng)的接線方式等等。,2020年9月16日星期三,Industrial Process Contral System,19,工業(yè)控制系統(tǒng),工業(yè)控制系統(tǒng)概述,另一類控制方式稱為乒乓控制，即采用開關(guān)量作為運算處理裝置的輸出量，通過控制開關(guān)量處于不同狀態(tài)的時間比例，達到控制模擬量的目的。如一個電加熱爐，可通過改變接通電源時間和關(guān)斷電源時間的比例來控制加熱溫度，接通電源的時間長，溫度提高；縮短接通電源的時間，溫度降低

19、。,五、控制系統(tǒng)各要素的關(guān)系,2020年9月16日星期三,Industrial Process Contral System,20,工業(yè)控制系統(tǒng),工業(yè)控制系統(tǒng)概述,人的主導(dǎo)作用：設(shè)定值、控制算法、控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型等。,六、控制系統(tǒng)的人機界面,人機界面包括了測量值的顯示，計算參數(shù)的顯示，人工操作設(shè)備（如按鈕、調(diào)節(jié)手柄）等，還有對運算處理裝置進行設(shè)定和控制算法預(yù)置的設(shè)備等。,2020年9月16日星期三,Industrial Process Contral System,21,工業(yè)控制系統(tǒng),DCS控制系統(tǒng)簡述,DCS是Distributed Control System的縮寫，直譯為“分布式控制系統(tǒng)

20、”。DCS的主要用途是進行控制，而系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)則是分布式的，是一種分布結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng),又稱“集散控制系統(tǒng)”。,一、控制系統(tǒng)的發(fā)展,后圖所列是各類控制系統(tǒng)的發(fā)展過程。從中可以看到，整個控制系統(tǒng)的發(fā)展是沿著三條主線展開的。,第一條主線是對離散系統(tǒng)的控制，即邏輯控制或程序控制；,第二條主線是SCADA系統(tǒng)，其早期是遙測遙控系統(tǒng)；,第三條主線是對連續(xù)過程的控制系統(tǒng)。,2020年9月16日星期三,Industrial Process Contral System,22,工業(yè)控制系統(tǒng),DCS控制系統(tǒng)簡述,圖3 各類控制系統(tǒng)的發(fā)展過程,2020年9月16日星期三,Industrial Process Cont

21、ral System,23,工業(yè)控制系統(tǒng),DCS控制系統(tǒng)簡述,二、儀表控制系統(tǒng)的基本概念,儀表控制系統(tǒng)（指由模擬式儀表組成的控制系統(tǒng)）最主要的功能是進行回路控制。,所謂回路控制是指那種對最小過程單元進行的閉環(huán)控制或調(diào)節(jié)。這些控制有12個現(xiàn)場輸入(測量值)和1個現(xiàn)場輸出(控制量)，在現(xiàn)場輸入和現(xiàn)場輸出之間有計算單元(即控制器)，另外還有一個給定值輸入，用于設(shè)定控制目標(biāo)。參見后圖。,回路控制的作用是保證被控對象的一個最基本的運行單元能夠按照預(yù)定的參數(shù)正常運行。控制器的輸入有兩個：設(shè)定值和測量值。其基本特征就是根據(jù)兩者的偏差在系統(tǒng)中形成反饋而進行的控制。,2020年9月16日星期三,Industri

22、al Process Contral System,24,工業(yè)控制系統(tǒng),DCS控制系統(tǒng)簡述,回路控制的功能框圖如下：,回路控制的復(fù)雜性在于控制算法。為了實現(xiàn)快速準(zhǔn)確的控制，必須對被控對象的動態(tài)特性進行透徹的分析，并且對控制輸出施加到被控對象后所引起的數(shù)值變化和時間響應(yīng)性歸納出正確的數(shù)學(xué)模型。,圖4 回路控制的功能框圖,2020年9月16日星期三,Industrial Process Contral System,25,工業(yè)控制系統(tǒng),DCS控制系統(tǒng)簡述,示例：儲液罐液位控制,在注重控制算法研究同時，在控制系統(tǒng)的實際實施過程還要進行參數(shù)整定，從而實現(xiàn)預(yù)期的控制結(jié)果。,圖5 儲液罐液位控制,2020

23、年9月16日星期三,Industrial Process Contral System,26,工業(yè)控制系統(tǒng),DCS控制系統(tǒng)簡述,三、早期的儀表控制系統(tǒng)基地式儀表,所謂基地式儀表，是指控制系統(tǒng)(即儀表)與被控對象在機械結(jié)構(gòu)上是結(jié)合在一起的，而且儀表各個部分，包括檢測、計算、執(zhí)行及簡單的人機界面等都做成一個整體，就地安裝在被控對象之上。,基地式儀表一般只針對單一運行參數(shù)實施控制，其輸入、輸出都圍繞著一個單一的控制目標(biāo)，計算也主要為控制某個重要參數(shù)，控制功能也是單的。這種控制被稱為單一回路控制，簡稱單回路控制。,四、近代儀表控制系統(tǒng)單元式組合儀表,這類儀表將測量、控制計算、執(zhí)行及顯示、設(shè)定、記錄等功

24、能分別由不同的單元實現(xiàn)，互相之間采用某種標(biāo)準(zhǔn)的物理信號實現(xiàn)連接。并可根據(jù)控制功能的需求進行靈活的組合。,2020年9月16日星期三,Industrial Process Contral System,27,工業(yè)控制系統(tǒng),DCS控制系統(tǒng)簡述,好處：儀表的功能大大加強了，能夠適應(yīng)各種不同的應(yīng)用需求，而且其功能的實現(xiàn)不再受安裝位置的限制?？梢园褭z測單元和執(zhí)行單元安裝在現(xiàn)場，而將控制、顯示及記錄設(shè)定等單元集中起來放在中心控制室內(nèi)，這樣，生產(chǎn)設(shè)備的操作人員足不出戶就可以迅速掌握整個生產(chǎn)設(shè)備的運行狀態(tài)并可以直接對現(xiàn)場設(shè)備實施操作和調(diào)節(jié)等。,單元式組合儀表有兩大類。,氣動單元組合儀表：以經(jīng)過干燥凈化的壓縮空

25、氣作為動力并以氣壓傳遞現(xiàn)場信號，其規(guī)范為20100kPa。,氣動單元組合儀表主要有七種單元：變送單元(B)、調(diào)節(jié)單元(T)、顯示單元(X)、計算單元(J)、給定值單元(G)、輔助單元(F)和轉(zhuǎn)換單元(Z)。,2020年9月16日星期三,Industrial Process Contral System,28,工業(yè)控制系統(tǒng),DCS控制系統(tǒng)簡述,這些單元經(jīng)過適當(dāng)?shù)倪B接及組合，就可以實現(xiàn)較復(fù)雜、規(guī)模較大的控制。,優(yōu)點：防爆，可以用于易燃易爆的場合，而且壓縮氣體提供的動力可以直接驅(qū)動如氣動閥門等現(xiàn)場設(shè)備，方便、可靠；具有很強的抗干擾性。,缺點：需要潔凈干燥的氣源；氣體的傳輸路徑要敷設(shè)氣路管道，為了防腐

26、蝕和防泄漏，需要采用成本很高的銅制管線或不銹鋼管線，還需要加工精度非常高的連接件，設(shè)備及運行成本高。,電動單元組合儀表：由直流電源提供運行動力并以直流電信號（電流或電壓）傳遞現(xiàn)場信號的值。其信號規(guī)范有兩種，一種為010 mA，如，DDZ II系列。另一種為420 mA，如，DDZ III系列。,2020年9月16日星期三,Industrial Process Contral System,29,工業(yè)控制系統(tǒng),DCS控制系統(tǒng)簡述,電動單元組合儀表主要有八種單元：變送單元(B)、調(diào)節(jié)單元(T)、顯示單元(X)、計算單元(J)、給定值單元(G)、輔助單元(F)、轉(zhuǎn)換單元(Z)和執(zhí)行單元（K）。,電動

27、單元組合儀表比氣動單元組合儀表更加輕便靈活，功能也更加齊全，因此一經(jīng)推出就迅速得到了廣泛的應(yīng)用。,電動單元組合儀表的控制執(zhí)行機構(gòu)為電磁閥、各種控制電機和繼電器等用電磁原理設(shè)計的設(shè)備或裝置。,真正的控制系統(tǒng)是從單元式組合儀表出現(xiàn)后才逐步形成的。,基地式儀表只能實現(xiàn)分立的、單個回路的、各種控制回路之間無任何聯(lián)系的控制，因此談不上形成系統(tǒng)。,2020年9月16日星期三,Industrial Process Contral System,30,工業(yè)控制系統(tǒng),DCS控制系統(tǒng)簡述,單元式組合儀表可以通過不同單元的組合，不僅能完成單個回路的控制，還能夠?qū)崿F(xiàn)串級控制、復(fù)合控制等復(fù)雜的、涉及幾個回路互動的控制功

28、能，而且，由于單元式組合儀表有能力將顯示、操作記錄及設(shè)定等單元集中安裝在控制室內(nèi)，使得操作員可以隨時掌握生產(chǎn)過程的全貌并據(jù)此實施操作控制，因此，這樣就構(gòu)成了一個完整的控制系統(tǒng)。,作為現(xiàn)代控制系統(tǒng)的主要特點，在于系統(tǒng)是由現(xiàn)場的回路控制部分（一次儀表），集中控制室中的人機界面（二次儀表）和連接這兩部分的信號電纜三大部分所組成的。,從基地式儀表發(fā)展到單元式組合儀表，從控制裝置發(fā)展到控制系統(tǒng)，根本原因是信號傳輸?shù)某霈F(xiàn)。即：信號的傳輸技術(shù)造成了功能上的分工與配合，使控制裝置演變成了控制系統(tǒng)。,2020年9月16日星期三,Industrial Process Contral System,31,工業(yè)控制系

29、統(tǒng),DCS控制系統(tǒng)簡述,不論是氣動單元組合儀表還是電動單元組合儀表，其調(diào)節(jié)、計算單元都是采用模擬原理實現(xiàn)的。,以電動單元組合儀表為例，其控制算法如比例、積分、微分等調(diào)節(jié)規(guī)律，均利用電容、電感、電阻等元件的電氣規(guī)律模擬實現(xiàn)。,這些方法均有較大的局限性：,其一：是計算精度不高。其精度受元件參數(shù)的精度或加工精度的影響較大，而且隨著時間的推移、環(huán)境的變化和機件的磨損，各種參數(shù)會發(fā)生變化，造成控制精度的下降。,其二：以模擬方式實現(xiàn)的計算，其動態(tài)范圍也受到較大的限制。如果在控制回路中需要一個較大的滯后環(huán)節(jié)，實現(xiàn)起來是非常困難的，因此單元式組合儀表的控制回路絕大多數(shù)是經(jīng)典PID控制，很少有更高級的控制算法。

30、,2020年9月16日星期三,Industrial Process Contral System,32,工業(yè)控制系統(tǒng),DCS控制系統(tǒng)簡述,五、數(shù)字式單回路調(diào)節(jié)器SLC,數(shù)字式單回路調(diào)節(jié)器SLC（Single Loop Controller）以微處理器為核心，主要完成控制計算的功能。其最主要的用途是代替單元式組合儀表的計算、顯示及給定值等單元，而檢測、執(zhí)行等功能仍然由常規(guī)的單元完成，以這種方式組成的系統(tǒng)是一種模擬式和數(shù)字式混合模式的系統(tǒng)。,微處理器采用數(shù)字方式進行控制計算，其計算的能力大大加強，可以實現(xiàn)相當(dāng)復(fù)雜或難度很高的控制計算。而且數(shù)字化的處理具有數(shù)字通信功能，因此可以被用來方便地實現(xiàn)如串級

31、控制、復(fù)合控制等較復(fù)雜的控制功能。,SLC發(fā)展很快，后來又在單回路調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上發(fā)展了多回路調(diào)節(jié)器。,2020年9月16日星期三,Industrial Process Contral System,33,工業(yè)控制系統(tǒng),DCS控制系統(tǒng)簡述,盡管SLC在內(nèi)部采用了數(shù)字技術(shù)，以微處理器為核心構(gòu)成系統(tǒng)，但在形式上還是沿用了單元式組合儀表的構(gòu)造，仍然是以一個單元的方式安裝在儀表面板上，所不同的是SLC的顯示多采用數(shù)字式的顯示，即用數(shù)碼管直接顯示出測量值或控制值、設(shè)定值等。,六、計算機控制系統(tǒng),1、監(jiān)視系統(tǒng)（Monitoring Control，MS）,1958年9月，在美國路易斯安娜州的一座發(fā)電廠內(nèi)安裝

32、了第一臺用于現(xiàn)場狀態(tài)監(jiān)視的計算機。它的作用是將一些現(xiàn)場檢測儀表的數(shù)據(jù)采集到一起，然后在計算機的顯示屏上進行顯示，以供操作人員在中央控制室內(nèi)觀察發(fā)電廠的運行參數(shù)，實現(xiàn)了多臺檢測控制儀表的集中監(jiān)視功能。,2020年9月16日星期三,Industrial Process Contral System,34,工業(yè)控制系統(tǒng),DCS控制系統(tǒng)簡述,2、監(jiān)督控制系統(tǒng)（Set Point Control，SPC）,1959年3月，在美國得克薩斯州的一個煉油廠投運了另一套計算機系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅可以顯示現(xiàn)場儀表的檢測數(shù)據(jù)，而且可以設(shè)定或改變現(xiàn)場控制儀表的給定值。其根據(jù)偏差實施控制的仍然由控制儀表完成。,3、直接數(shù)字

33、控制系統(tǒng)（Direct Digital Control， DDC）,1960年4月，在美國肯塔基州的個化工廠投運的另一套計算機系統(tǒng)，除了完成現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)的監(jiān)視和設(shè)定值的功能外，還可以實際完成控制計算并實際輸出控制量。,DDC與單元式組合儀表所構(gòu)成的控制系統(tǒng)的區(qū)別：,儀表系統(tǒng)的控制回路完全是分立的，每個控制回路均有自己的一套設(shè)備，包括測量、控制計算及控制量的輸出等。,2020年9月16日星期三,Industrial Process Contral System,35,工業(yè)控制系統(tǒng),DCS控制系統(tǒng)簡述,DDC則利用計算機強大的計算處理能力將所有回路的控制計算工作集中完成。由于這種集中處理方式，相應(yīng)

34、的過程量輸入輸出也都集中連接到計算機上，而無法明確區(qū)分哪些量是屬于哪個控制回路的。,DDC將所有控制回路的計算處理集中在一起的方法比較有利于復(fù)雜控制功能的實現(xiàn)，如復(fù)合控制及多個回路協(xié)調(diào)控制等，但也同時帶來了安全性和計算能力的問題。,所有回路都集中在計算機中進行計算處理，因此計算機成為整個系統(tǒng)可靠性的“瓶頸”，一旦計算機出現(xiàn)故障，所有的控制回路都會失去控制，整個系統(tǒng)將會失控，這是非常危險的。,另外，受到計算機處理能力的限制，在控制回路太多或要求控制周期很短時，系統(tǒng)將滿足不了要求。,2020年9月16日星期三,Industrial Process Contral System,36,工業(yè)控制系統(tǒng),

35、DCS控制系統(tǒng)簡述,上述三種不同類型的計算機控制系統(tǒng)（MS,SPC,DDC），其主要的區(qū)別在于數(shù)字化的程度不同。,SPC，則由計算機采用數(shù)字技術(shù)實現(xiàn)檢測、給定值的數(shù)字化，但在實現(xiàn)控制的計算和輸出環(huán)節(jié)，仍然依靠模擬儀表。,MS，是在檢測和顯示環(huán)節(jié)上實現(xiàn)了數(shù)字化，但在實際進行控制的部分，包括控制計算和給定值的設(shè)定上，仍然采用模擬儀表實現(xiàn)。,DDC，則將檢測、計算、控制輸出，包括給定值的設(shè)置等全部環(huán)節(jié)實現(xiàn)了數(shù)字化。,七、分布式控制系統(tǒng)（DCS）,前述，DDC將所有控制回路的計算都集中在主CPU中，這將引起可靠性問題和實時性問題。,2020年9月16日星期三,Industrial Process Co

36、ntral System,37,工業(yè)控制系統(tǒng),DCS控制系統(tǒng)簡述,隨著系統(tǒng)功能要求的不斷增加，性能要求的不斷提高和系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴大，這兩個問題更加突出。,1975年出現(xiàn)的DCS，是一種結(jié)合了儀表控制系統(tǒng)和DDC兩者的優(yōu)勢而出現(xiàn)的全新控制系統(tǒng)，它很好地解決了DDC存在的兩個問題。,如果說，DDC是計算機進入控制領(lǐng)域后出現(xiàn)的新型控制系統(tǒng)，那么DCS則是網(wǎng)絡(luò)進入控制領(lǐng)域后出現(xiàn)的新型控制系統(tǒng)。,DCS的出現(xiàn)和發(fā)展是一個漸進的過程，人們對其的認識也是一個漸進的過程，對其的定義過程是一個深入理解DCS作用的過程。,目前，DCS比較完整的定義：,（1）以回路控制為主要功能的系統(tǒng)；,2020年9月16日星期

37、三,Industrial Process Contral System,38,工業(yè)控制系統(tǒng),DCS控制系統(tǒng)簡述,（2）除變送和執(zhí)行單元外，各種控制功能及通信、人機界面均采用數(shù)字技術(shù)；,（3）以計算機的CRT、鍵盤、鼠標(biāo)/軌跡球代替儀表盤形成系統(tǒng)人機界面；,（4）回路控制功能由現(xiàn)場控制站完成，系統(tǒng)可有多臺現(xiàn)場控制站每臺控制一部分回路；,（5）人機界面由操作員站實現(xiàn)，系統(tǒng)可有多臺操作員站；,（6）系統(tǒng)中所有的現(xiàn)場控制站、操作員站均通過數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)連接。,2020年9月16日星期三,Industrial Process Contral System,39,工業(yè)控制系統(tǒng),DCS控制系統(tǒng)簡述,八、D

38、CS的發(fā)展歷程,1975年第一套DCS誕生到現(xiàn)在，DCS經(jīng)歷了三個大的發(fā)展階段。從總的趨勢看，DCS的發(fā)展體現(xiàn)在以下幾個方面：,（1）系統(tǒng)的功能從低層（現(xiàn)場控制層）逐步向高層（監(jiān)督控制、生產(chǎn)調(diào)度管理）擴展；,（2）系統(tǒng)的控制功能從單一的回路控制逐步發(fā)展到綜合了邏輯控制、順序控制、程序控制、批量控制及配方控制等混合控制功能；,（3）構(gòu)成系統(tǒng)的各個部分由DCS廠家專有的產(chǎn)品逐步改變?yōu)殚_放的市場采購的產(chǎn)品；,（4）開放的趨勢使得DCS廠家越來越重視采用公開標(biāo)準(zhǔn)，這使得第三方產(chǎn)品更加容易集成到系統(tǒng)中來；,2020年9月16日星期三,Industrial Process Contral System,4

39、0,工業(yè)控制系統(tǒng),DCS控制系統(tǒng)簡述,（5）開放性帶來的系統(tǒng)趨同化迫使DCS廠家向高層的、與生產(chǎn)工藝結(jié)合緊密的高級控制功能發(fā)展，以求得與其他同類廠家的差異化；,（6）數(shù)字化的發(fā)展越來越向現(xiàn)場延伸，這使得現(xiàn)場控制功能和系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)發(fā)生了重大變化，將發(fā)展成為更加智能化、更加分散化的新一代控制系統(tǒng)。,1、第一代DCS（初創(chuàng)期）,第一代DCS誕生于的19751980年間，系統(tǒng)代表是：Honeywell公司的TDC-2000，Yokogawa（橫河）公司的Yokogawa系統(tǒng)等。,第一代DCS是由過程控制單元、數(shù)據(jù)采集單元、CRT操作站、上位管理計算機及連接各個單元和計算機的高速數(shù)據(jù)通道這五個部分組成，

40、這也奠定了DCS的基礎(chǔ)體系結(jié)構(gòu)。,2020年9月16日星期三,Industrial Process Contral System,41,工業(yè)控制系統(tǒng),DCS控制系統(tǒng)簡述,這個時期的系統(tǒng)比較注重控制功能的實現(xiàn)，系統(tǒng)的設(shè)計重點是現(xiàn)場控制站，因此系統(tǒng)的直接控制功能比較成熟可靠，而系統(tǒng)的人機界面功能則相對較弱。,這代DCS的特點是分散控制，集中監(jiān)視。控制的分散不是到每個回路，而是到現(xiàn)場控制站，一個現(xiàn)場控制站所控制的回路從幾個到幾十個不等；集中監(jiān)視所采用的是CRT顯示技術(shù)和控制鍵盤操作技術(shù)，而不是儀表面板和模擬盤。,在這個時期，各個廠家的系統(tǒng)均由專有產(chǎn)品構(gòu)成，各個廠家的系統(tǒng)在通信方面也是自成體系的。這種

41、由獨家技術(shù)、獨家產(chǎn)品構(gòu)成的系統(tǒng)形成了極高的價位，不僅系統(tǒng)的購買價格高，系統(tǒng)的維護運行成本也高。,2020年9月16日星期三,Industrial Process Contral System,42,工業(yè)控制系統(tǒng),DCS控制系統(tǒng)簡述,2、第二代DCS（成熟期）,第二代DCS是在19801985年前后推出的各種系統(tǒng)，代表：Honeywell公司的TDC-3000，F(xiàn)isher公司的PROVOX等。,第二代DCS的最大特點是引入了局域網(wǎng)（LAN）作為系統(tǒng)骨干，按照網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的概念組織過程控制站、中央操作站、系統(tǒng)管理站及網(wǎng)關(guān)，這使得系統(tǒng)的規(guī)模、容量進一步增加，系統(tǒng)的擴充有巨大的余地，也更加方便。,在功能

42、上，這個時期的DCS逐步走向完善，除回路控制外，還增加了順序控制、邏輯控制等功能，加強了系統(tǒng)管理站的功能，可實現(xiàn)一些優(yōu)化控制和生產(chǎn)管理功能。,2020年9月16日星期三,Industrial Process Contral System,43,工業(yè)控制系統(tǒng),DCS控制系統(tǒng)簡述,在人機界面方面，CRT顯示技術(shù)的發(fā)展，使圖形用戶界面逐步豐富，顯示密度大大提高，CRT畫面上可以顯示更多的生產(chǎn)現(xiàn)場信息和系統(tǒng)控制信息。,在操作方面，從過去單純的鍵盤操作（命令操作界面）發(fā)展到基于屏幕顯示的光標(biāo)操作（圖形操作界面），軌跡球、光筆等光標(biāo)控制設(shè)備在系統(tǒng)中得到了越來越多的應(yīng)用。,3、第三代DCS（擴展期）,第三代

43、DCS以1987年Foxboro公司的I/A series為代表。該系統(tǒng)采用了ISO標(biāo)準(zhǔn)MAP（制造自動化規(guī)約）網(wǎng)絡(luò)。其他產(chǎn)品：Honeywell公司的TDC-3000UCN，Yokogawa（橫河）公司的Centum-XL和XL等。,2020年9月16日星期三,Industrial Process Contral System,44,工業(yè)控制系統(tǒng),DCS控制系統(tǒng)簡述,這個時期的DCS在功能上實現(xiàn)了進一步擴展，增加了上層網(wǎng)絡(luò)，將生產(chǎn)的管理功能納入到系統(tǒng)中，這樣，就形成了直接控制、監(jiān)督控制和協(xié)調(diào)優(yōu)化、上層管理三層功能結(jié)構(gòu)。這就是現(xiàn)代DCS的標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)。這樣的體系結(jié)構(gòu)使DCS成為一個很典型的計算

44、機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。,進入20世紀90年代以后，人們已經(jīng)很難比較出各個廠家的DCS在直接控制功能方面的差異，而各種DCS的差異則主要體現(xiàn)在與不同行業(yè)應(yīng)用密切相關(guān)的控制方法和高層管理功能方面。,在網(wǎng)絡(luò)方面，各個廠家已普遍采用了標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，如各種實時網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)等。,2020年9月16日星期三,Industrial Process Contral System,45,工業(yè)控制系統(tǒng),DCS控制系統(tǒng)簡述,除了功能上的擴充和網(wǎng)絡(luò)通信的部分實現(xiàn)外，多數(shù)DCS廠家在組態(tài)方面實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化，由IEC61131-3所定義的五種組態(tài)語言為大多數(shù)DCS廠家所采納，為用戶提供了極大的便利。,在構(gòu)成系統(tǒng)的產(chǎn)品方面，除現(xiàn)場控制

45、站基本上還是各個DCS廠家的專有產(chǎn)品外，人機界面工作站、服務(wù)器和各種功能站的硬件和基礎(chǔ)軟件，已沒有哪個廠家在使用自已的專有產(chǎn)品了，這些產(chǎn)品己全部采用了市場采購的商品。,4、新一代DCS的出現(xiàn),電子信息產(chǎn)業(yè)的開放潮流和現(xiàn)場總線技術(shù)的成熟與應(yīng)用造就了新一代的DCS。其技術(shù)特點包括全數(shù)字化、信息化和集成化。（后述）,2020年9月16日星期三,Industrial Process Contral System,46,工業(yè)控制系統(tǒng),DCS的體系結(jié)構(gòu),一、DCS的基本構(gòu)成,典型的DCS體系結(jié)構(gòu)如下圖所示：,圖6 典型的DCS體系結(jié)構(gòu),2020年9月16日星期三,Industrial Process Co

46、ntral System,47,工業(yè)控制系統(tǒng),DCS的體系結(jié)構(gòu),一個最基本的DCS應(yīng)包括四個大的組成部分：至少一臺現(xiàn)場控制站，至少一臺操作員站，一臺工程師站（也可利用一臺操作員站兼做工程師站），條系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。,DCS還可包括完成某些專門功能的站、擴充生產(chǎn)管理和信息處理功能的信息網(wǎng)絡(luò)，以及實現(xiàn)現(xiàn)場儀表、執(zhí)行機構(gòu)數(shù)字化的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)。,1、操作員站,操作員站主要完成人機界面的功能，一般采用桌面型通用計算機系統(tǒng)，如圖形工作站或個人計算機等。,2、現(xiàn)場控制站,現(xiàn)場控制站是DCS的核心，系統(tǒng)主要的控制功能由它來完成。,2020年9月16日星期三,Industrial Process Contral Sys

47、tem,48,工業(yè)控制系統(tǒng),DCS的體系結(jié)構(gòu),現(xiàn)場控制站的硬件一般都采用專門的工業(yè)級計算機系統(tǒng)，除了計算機系統(tǒng)所必需的運算器（即主CPU）、存儲器外，還包括了現(xiàn)場測量單元、執(zhí)行單元的輸入輸出設(shè)備，即過程量I/O或現(xiàn)場I/O。,在現(xiàn)場控制站內(nèi)部，主CPU和內(nèi)存等用于數(shù)據(jù)的處理、計算和存儲的部分被稱為邏輯部分，而現(xiàn)場I/O則被稱為現(xiàn)場部分，這兩個部分是需要嚴格隔離的，以防止現(xiàn)場的各種信號，包括干擾信號對計算機的處理產(chǎn)生不利的影晌 。,現(xiàn)場控制站內(nèi)邏輯部分和現(xiàn)場部分的連接，一般采用與工業(yè)計算機相匹配的內(nèi)部并行總線，常用的并行總線有Multibus、VME、STD、ISA、PC104、PCI和Comp

48、act PCI等。,2020年9月16日星期三,Industrial Process Contral System,49,工業(yè)控制系統(tǒng),DCS的體系結(jié)構(gòu),并行總線結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，用其連接邏輯部分和現(xiàn)場部分很難實現(xiàn)有效的隔離，成本較高，且擴充困難，因此很多廠家改用串行總線。串行總線的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，成本低，很容易實現(xiàn)隔離，而且容易擴充，可以實現(xiàn)遠距離的I/O模塊連接。,目前，現(xiàn)場總線技術(shù)的快速發(fā)展更推進了這個趨勢。目前，直接使用現(xiàn)場總線產(chǎn)品作為現(xiàn)場I/O模塊和主處理模塊的連接已很普遍，用得較多的現(xiàn)場總線產(chǎn)品有CAN、Profibus、Devicenet、Lonworks及FF等。,3、工程師站,工

49、程師站的主要作用是對DCS進行應(yīng)用組態(tài)。,DCS是一個通用的控制系統(tǒng)，在其上可實現(xiàn)各種各樣的應(yīng)用，關(guān)鍵是如何定義一個具體的系統(tǒng)完成什么樣的控制。,2020年9月16日星期三,Industrial Process Contral System,50,工業(yè)控制系統(tǒng),DCS的體系結(jié)構(gòu),組態(tài)所要完成的工作：定義控制系統(tǒng)的輸入、輸出量；選擇控制回路的算法；選取控制計算的參數(shù)；設(shè)置人機界面來實現(xiàn)人對系統(tǒng)的管理與監(jiān)控；還有諸如報警、報表及歷史數(shù)據(jù)記錄等各個方面功能的定義。,只有完成了正確的組態(tài)，一個通用的DCS才能夠成為一個針對一個具體控制應(yīng)用的可運行系統(tǒng)。,組態(tài)工作是在系統(tǒng)運行之前進行的。一旦組態(tài)完成，系

50、統(tǒng)就具備了運行能力。,4、服務(wù)器及其他功能站,在現(xiàn)代DCS結(jié)構(gòu)中，還有許多執(zhí)行特定功能的計算機，如專門記錄歷史數(shù)據(jù)的歷史站；進行高級控制運算功能的高級計算站；進行生產(chǎn)管理的管理站等。,2020年9月16日星期三,Industrial Process Contral System,51,工業(yè)控制系統(tǒng),DCS的體系結(jié)構(gòu),5、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò),系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，是連接DCS系統(tǒng)各個站的橋梁。對系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的要求是實時性、可靠性和數(shù)據(jù)通信能力。,在早期的DCS中，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，包括其硬件和軟件，部是各個廠家專門設(shè)計的專有產(chǎn)品，現(xiàn)在，以太網(wǎng)逐步成為事實上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，所以，各個廠家直接采用了以太網(wǎng)作為系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。,6、現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)

51、,現(xiàn)場總線技術(shù)出現(xiàn)以后，將使DCS成為一種全數(shù)字化的系統(tǒng)。系統(tǒng)的各個部分將全部采用數(shù)字化連接（數(shù)字通信），即通過現(xiàn)場總線實現(xiàn)連接這將徹底改變整個控制系統(tǒng)的面貌。,2020年9月16日星期三,Industrial Process Contral System,52,工業(yè)控制系統(tǒng),DCS的體系結(jié)構(gòu),下圖是現(xiàn)場總線技術(shù)進入DCS后的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。,圖7 現(xiàn)場總線技術(shù)進入DCS后的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。,2020年9月16日星期三,Industrial Process Contral System,53,工業(yè)控制系統(tǒng),DCS的體系結(jié)構(gòu),現(xiàn)場總線技術(shù)使用數(shù)字方式傳輸數(shù)據(jù)而不是使用簡單的420mA模擬信號，其傳輸

52、的內(nèi)容也完全不局限于測量量或控制量，而包含了許多與現(xiàn)場設(shè)備運行相關(guān)的數(shù)據(jù)和信息，因此現(xiàn)場總線的傳輸問題要比模擬信號的傳輸問題復(fù)雜得多，所以，現(xiàn)場總線雖已出現(xiàn)多年，但至今仍然沒有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，這種多標(biāo)準(zhǔn)并存的局面很有可能長期延續(xù)下去。,采用了現(xiàn)場總線技術(shù)以后，DCS的體系結(jié)構(gòu)將發(fā)生很大的改變：,（1）改變了現(xiàn)場信號線的接線方式，將從1：1的模擬信號線連接改變?yōu)?：n的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)連接，現(xiàn)場與主控制室之間的接出線數(shù)量將大大減少，而可以傳遞的信息量則大大增加。,（2）現(xiàn)場控制站中有很大一部分設(shè)備將被安裝在現(xiàn)場，形成分散安裝、分散調(diào)試、分散運行和分散維護，因此安裝、調(diào)試、運行和維護,2020年9月16日

53、星期三,Industrial Process Contral System,54,工業(yè)控制系統(tǒng),DCS的體系結(jié)構(gòu),的方式將不同，也必然需要有套全新的方法和工具。,（3）回路控制的實現(xiàn)方式將發(fā)生改變。由于現(xiàn)場I/O和現(xiàn)場總線儀表的智能化，它們已經(jīng)具備了回路控制計算的能力，這便有可能將回路控制的功能由現(xiàn)場控制站下放到現(xiàn)場I/O或現(xiàn)場總線儀表來完成，實現(xiàn)更加徹底的分散。,傳統(tǒng)的儀表控制也是由一個控制儀表實現(xiàn)一個回路的控制，這和現(xiàn)場總線儀表的方式是一樣的。本質(zhì)的區(qū)別在于：傳統(tǒng)儀表的控制采用的是模擬技術(shù)，而現(xiàn)場總線儀表采用的是數(shù)字技術(shù)；傳統(tǒng)儀表不具備網(wǎng)絡(luò)通信能力，其數(shù)據(jù)無法與其他設(shè)備共享，也不能直接連接

54、到計算機管理系統(tǒng)和更高層的信息系統(tǒng)，而現(xiàn)場總線儀表則可輕易地實現(xiàn)所有這些功能。,2020年9月16日星期三,Industrial Process Contral System,55,工業(yè)控制系統(tǒng),DCS的體系結(jié)構(gòu),7、高層管理網(wǎng)絡(luò),目前，DCS已從單純的低層控制功能發(fā)展到了更高層次的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)督控制、生產(chǎn)管理等全廠范圍的控制、管理系統(tǒng)。,從發(fā)展的角度看，DCS應(yīng)該被看成是一個計算機管理控制系統(tǒng)，包含了全廠自動化的豐富內(nèi)涵。,現(xiàn)在，DCS廠家在原DCS的基礎(chǔ)上增加了服務(wù)器，用來對全系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行集中的存儲和處理。服務(wù)器的概念起源于SCADA系統(tǒng)，因為SCADA是全廠數(shù)據(jù)的采集系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)庫是為

55、各個方面服務(wù)的，而DCS作為低層數(shù)據(jù)的直接來源，在其系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)上配置服務(wù)器，就自然形成了這樣的數(shù)據(jù)庫。,56,2020年9月16日星期三,Industrial Process Contral System,圖8 綜合監(jiān)控自動化系統(tǒng),2020年9月16日星期三,Industrial Process Contral System,57,工業(yè)控制系統(tǒng),DCS的體系結(jié)構(gòu),這種具有系統(tǒng)服務(wù)器的結(jié)構(gòu)，在網(wǎng)絡(luò)層次上增加了管理網(wǎng)絡(luò)層，主要是為了完成綜合監(jiān)控和管理功能，在這層網(wǎng)絡(luò)上傳送的主要是管理信息和生產(chǎn)調(diào)度指揮信息。這樣的系統(tǒng)實際上就是一個將控制功能和管理功能結(jié)合在一起的大型信息系統(tǒng)。,二、DCS的軟件,DC

56、S軟件的基本構(gòu)成也是按照硬件的劃分形成的。,按照軟件運行的時機和環(huán)境，可將DCS軟件劃分為在線的運行（Run Time）軟件和離線的應(yīng)用開發(fā)工具軟件（組態(tài)軟件）兩大類。其中控制站軟件、操作員站軟件、各種功能站上的軟件及工程師站上在線的系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視軟件等都是運行軟件，而工程師站軟件（除在線的系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視軟件外）則屬于離線軟件。,2020年9月16日星期三,Industrial Process Contral System,58,工業(yè)控制系統(tǒng),DCS的體系結(jié)構(gòu),1、現(xiàn)場控制站軟件,現(xiàn)場控制站軟件的最主要功能是完成對現(xiàn)場的直接控制，包括回路控制、邏輯控制、順序控制和混合控制等多種類型的控制。,為此，

57、在現(xiàn)場控制站中應(yīng)該包含以下主要的軟件：,（1）現(xiàn)場I/O驅(qū)動，其功能是完成過程量的輸入/輸出。其動作包括對過程輸入輸出設(shè)備實施驅(qū)動，以具體完成輸入/輸出工作。,（2）對輸入的過程量進行預(yù)處理，如工程量的轉(zhuǎn)換、統(tǒng)一計量單位、剔除各種因現(xiàn)場設(shè)備和過程I/O設(shè)備引起的于擾和不良數(shù)據(jù)、對輸入數(shù)據(jù)進行線性化補償及規(guī)范化處理等。,（3）實時采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)并存儲在現(xiàn)場控制站內(nèi)的本地數(shù)據(jù)庫中，這些數(shù)據(jù)可作為原始數(shù)據(jù)參與控制計算，也可通過計算或處理成為中間,2020年9月16日星期三,Industrial Process Contral System,59,工業(yè)控制系統(tǒng),DCS的體系結(jié)構(gòu),變量，并在以后參與控制計

58、算。,所有本地數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)（包括原始數(shù)據(jù)及中間變量）均可成為人機界面、報警、報表、歷史數(shù)據(jù)記錄、趨勢及綜合分析等監(jiān)控功能的輸入數(shù)據(jù)。,（4）進行控制計算。根據(jù)控制算法和檢測數(shù)據(jù)、相關(guān)參數(shù)進行計算，得到實施控制的量。,（5）通過現(xiàn)場I/O驅(qū)動，將控制量輸出到現(xiàn)場。,2、操作員站軟件,操作員站軟件的主要功能是人機界面，即HMI的處理，其中包括圖形畫面的顯示、對操作員操作命令的解釋與執(zhí)行、對現(xiàn)場數(shù)據(jù)和狀態(tài)的監(jiān)視及異常報警、歷史數(shù)據(jù)的存檔和報表處理等。,2020年9月16日星期三,Industrial Process Contral System,60,工業(yè)控制系統(tǒng),DCS的體系結(jié)構(gòu),為此，在操作員站

59、軟件中應(yīng)該包含以下主要的軟件：,（1）圖形處理軟件。該軟件根據(jù)由組態(tài)軟件生成的圖形文件進行靜態(tài)畫面（又稱為背景畫面）的顯示和動態(tài)數(shù)據(jù)的顯示及按周期進行數(shù)據(jù)更新。,（2）操作命令處理軟件。其中包括對鍵盤操作、鼠標(biāo)操作、畫面熱點操作的各種命令方式的解釋與處理。,（3）歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)的趨勢曲線顯示軟件。,（4）報警信息的顯示、事件信息的顯示、記錄與處理軟件。,（5）歷史數(shù)據(jù)的記錄與存儲、轉(zhuǎn)儲及存檔軟件。,（6）報表軟件。,（7）系統(tǒng)運行日志的形成、顯示、打印和存儲記錄軟件。,2020年9月16日星期三,Industrial Process Contral System,61,工業(yè)控制系統(tǒng),DCS的體系結(jié)構(gòu),3、工程師站軟件,工程師站軟件可分為兩個部分：,其一，在線運行部分。主要完成對DCS系統(tǒng)本身運行狀態(tài)的診斷和監(jiān)視，發(fā)現(xiàn)異常時進行報警，同時通過工程師站上的CRT屏幕給出詳細的異常信息，如出現(xiàn)異常的位置、時間、性質(zhì)等。,其二，離線態(tài)的組態(tài)軟件。這是一組軟件工具，是為了將一個通用的、對多個應(yīng)用控制工程有普遍適應(yīng)能力的系統(tǒng)，變成一個針對某一個具體應(yīng)用控制工程的專門系統(tǒng)。,在工程師站上，要做的組態(tài)定義主要包括以下幾個方面：,（1）系統(tǒng)硬件配置定義，包括系統(tǒng)中各類站的數(shù)量、每個站的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、各個現(xiàn)場I/O站的I/O量配置（如各種I/O模塊的數(shù)量、是否冗,2020年9月16