DCS及現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)

*1DCS及現(xiàn)場(chǎng)總線DCS——DistributedControlSystemFCS——FieldbusControlSystem*2個(gè)人簡(jiǎn)介魏立新副教授電院自動(dòng)化系教師聯(lián)系電話箱：wlx2000@本課的四大特點(diǎn)1、先進(jìn)性：DCS—最流行的工業(yè)控制系統(tǒng)

FCS—最前沿的全數(shù)字工控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)*32、綜合性：集散型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（4C技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò))3、實(shí)用性：此課從事本專業(yè)工作聯(lián)系極為緊密的專業(yè)課。4、實(shí)踐性：本課不僅是專業(yè)理論知識(shí)，還是工程應(yīng)用技術(shù)；更是一種多學(xué)科交叉形成的先進(jìn)工業(yè)控制技術(shù)。DCS及現(xiàn)場(chǎng)總線的學(xué)習(xí)方法DCS&FCS是當(dāng)今工業(yè)過程控制的主流系統(tǒng)，這門技術(shù)發(fā)展和更新極快.本課程內(nèi)容吸收近幾年DCS有關(guān)研究和教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，力求內(nèi)容系統(tǒng)性和實(shí)用性。通過學(xué)習(xí)應(yīng)了解DCS及現(xiàn)場(chǎng)總線的概念、特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)、原理和發(fā)展?fàn)顩r；熟悉其基本功能特性、使用方法和設(shè)計(jì)方法；*4本課程涵蓋多門技術(shù)的相關(guān)內(nèi)容*5本課程涵蓋多門技術(shù)的相關(guān)內(nèi)容計(jì)算機(jī)技術(shù)（DCS硬件構(gòu)成、軟件平臺(tái)的應(yīng)用等）自動(dòng)控制技術(shù)（實(shí)現(xiàn)DCS控制策略及算法的技術(shù)方法）人機(jī)接口技術(shù)（DCS組態(tài)技術(shù)和操作技術(shù)等）通信技術(shù)（DCS數(shù)據(jù)通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等）現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)（現(xiàn)場(chǎng)總線的核心、基礎(chǔ)、協(xié)議模型及典型的FCS技術(shù)）*6本課程與的相關(guān)課程的關(guān)系*7微機(jī)原理自動(dòng)控制理論控制工程測(cè)控儀表與裝置DCS及現(xiàn)場(chǎng)總線*81、理論教學(xué)第一章

概述

4學(xué)時(shí)內(nèi)容：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概念、各類特點(diǎn)及應(yīng)用重點(diǎn)：實(shí)時(shí)、分時(shí)等概念，集散控制總體概念難點(diǎn)：集散控制概念

第二章

DCS的硬件體系及系統(tǒng)

4學(xué)時(shí)內(nèi)容：DCS構(gòu)成方式、要素及功能;典型范例重點(diǎn)：DCS結(jié)構(gòu)體系及各層功能難點(diǎn)：DCS結(jié)構(gòu)體系教學(xué)內(nèi)容、要求及學(xué)時(shí)分配*2011-2012（2）9第三章

DCS的軟件體系及功能

2學(xué)時(shí)內(nèi)容：DCS軟件體系——控制、監(jiān)控和組態(tài)軟件重點(diǎn)：DCS可靠性和可組態(tài)性難點(diǎn)：組態(tài)概念

第四章DCS的控制算法及組態(tài)

4學(xué)時(shí)內(nèi)容：PID控制、改進(jìn)PID控制、前饋控制、串級(jí)控制時(shí)滯補(bǔ)償控制、順序控制算法及DCS實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)：改進(jìn)PID控制、前饋控制、時(shí)滯補(bǔ)償控制難點(diǎn)：控制算法——組態(tài)——DCS控制功能教學(xué)內(nèi)容、要求及學(xué)時(shí)分配*10第五章DCS數(shù)據(jù)通信及網(wǎng)絡(luò)

4學(xué)時(shí)內(nèi)容：數(shù)據(jù)通信概念及技術(shù)、DCS網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議重點(diǎn)：DCS通信相關(guān)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及功能難點(diǎn)：網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)第六章現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)基礎(chǔ)

4學(xué)時(shí)內(nèi)容：FCS的定義、特點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議模式等重點(diǎn)：FCS的定義、特點(diǎn)難點(diǎn)：FCS的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議模式和標(biāo)準(zhǔn)教學(xué)內(nèi)容、要求及學(xué)時(shí)分配教學(xué)內(nèi)容、要求及學(xué)時(shí)分配第七章典型的現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用2學(xué)時(shí)內(nèi)容：FF的特點(diǎn)及主要技術(shù)應(yīng)用；重點(diǎn)：不同F(xiàn)CS的應(yīng)用特點(diǎn)及區(qū)別難點(diǎn)：FCS的應(yīng)用技術(shù)方法*11*12考核權(quán)值分配平時(shí)成績(jī)（課堂考勤、測(cè)驗(yàn)、作業(yè)等）占10%期末考試占90%教材及參考書(一)教材：《DCS及現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)》肖軍主編

——清華大學(xué)出版社（21世紀(jì)高等院校電氣信息類系列特色教材）(二)參考書：《集散控制與現(xiàn)場(chǎng)總線》劉國(guó)海主編

——機(jī)械工業(yè)出版社（21世紀(jì)高等院校電氣信息類系列教材）

《集散控制系統(tǒng)》劉翠玲主編

——北京大學(xué)出版社（21世紀(jì)高等院校自動(dòng)化系實(shí)用規(guī)劃教材）提示：學(xué)習(xí)中保持清醒而智慧的頭腦比掌握知識(shí)本身更為重要。養(yǎng)成獨(dú)立思考、探索新思想、新技術(shù)的好習(xí)慣，將會(huì)受益一生。

*13第一章緒論1.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本概念1.2計(jì)算機(jī)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(chǎng)總線控制系統(tǒng)總體概念1.5DCS、FCS及PLC的差異*141.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的信號(hào)特點(diǎn)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類*151、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述常規(guī)控制系統(tǒng)的工作原理*16模擬調(diào)節(jié)器執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對(duì)象測(cè)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ym1、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工作原理*17u計(jì)算機(jī)保持器廣義對(duì)象測(cè)量變送器e(kT)u(kT)被調(diào)參數(shù)y圖b

單回路計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)示意圖ym采樣器A/DD/A計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)定值r2、信號(hào)特點(diǎn)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的信號(hào)形式連續(xù)模擬信號(hào):時(shí)間與幅值上均連續(xù)，如y(t)、u(t)離散模擬信號(hào):時(shí)間是離散的，幅值上連續(xù)，如y*(t)、u*(t)離散數(shù)字信號(hào):時(shí)間離散的，幅值為數(shù)字量，如y(kT)、u(kT)*18采樣器

A/D計(jì)算機(jī)

A/D保持器y(t)y*(t)

y(kT)

u(kT)

u*(kT)

u(t)2、信號(hào)特點(diǎn)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的量化將離散模擬信號(hào)用二進(jìn)制代碼逼近為數(shù)字信號(hào)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(hào)滿量程，

n為A/D的轉(zhuǎn)換位數(shù)量化誤差

e=±q/2*19計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的采樣過程*20y(t)t采樣器y(t)y*(t)y*(t)2T4Ttτ原始過程信號(hào)信號(hào)通過采樣器采樣后的信號(hào)過程信號(hào)采樣過程示意圖計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的采樣的合理性采樣器接通時(shí)間τ遠(yuǎn)小于采樣周期T采樣信號(hào)y*(t)復(fù)現(xiàn)原信號(hào)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)定理當(dāng)滿足上述條件時(shí)，y*(t)與y(kT)只相差量化誤差*212、信號(hào)特點(diǎn)*22

設(shè)δ(t-kT)是t=kT時(shí)刻的理想采樣脈沖，則采樣周期T的選擇相當(dāng)重要。因?yàn)閥*(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(hào)可用下式表示：2、信號(hào)特點(diǎn)信號(hào)的保持目的：將離散采樣信號(hào)恢復(fù)為被控對(duì)象能夠感知的連續(xù)模擬信號(hào)方法：采用保持器——由現(xiàn)在或過去時(shí)刻的采樣值,用某種函數(shù)去逼近2個(gè)采樣時(shí)刻間的原信號(hào)常用的保持器：零階、一階*23

2、信號(hào)特點(diǎn)零階保持器恢復(fù)信號(hào)的示意圖*24

6T

4T

2Tt

y采樣信號(hào)y(kT)原信號(hào)y(t)恢復(fù)信號(hào)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(jiǎn)單地外推，故只有當(dāng)T足夠小時(shí)，零階保持器才能較好地恢復(fù)原信號(hào)。顯然：要改變控制策略及算法，只要改變計(jì)算機(jī)的程序就可以（軟）實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。*25計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)工作過程(1)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集:檢測(cè)被控量的瞬時(shí)值，將采樣結(jié)果輸?shù)接?jì)算機(jī)中。(2)實(shí)時(shí)決策:給定值與被控量的數(shù)值處理后，按照預(yù)定的控制規(guī)律進(jìn)行控制運(yùn)算——實(shí)時(shí)決策。(3)實(shí)時(shí)控制:將實(shí)時(shí)決策結(jié)果轉(zhuǎn)化為控制信號(hào)適時(shí)地送給執(zhí)行裝置——實(shí)現(xiàn)過程控制。(4)信息管理:隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)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(yīng)用。*26上述測(cè)、算、控、管的過程不斷重復(fù)，使系統(tǒng)按一定的動(dòng)態(tài)(過渡過程)指標(biāo)進(jìn)行工作。并同時(shí)可對(duì)被控制量和設(shè)備本身所出現(xiàn)的異常狀態(tài)及時(shí)進(jìn)行監(jiān)督并迅速做出處理——計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)最基本的功能。實(shí)時(shí)控制——指信號(hào)的輸入、計(jì)算和輸出都要在一定的時(shí)間(采樣\控制間隔)內(nèi)完成。分時(shí)控制——因計(jì)算機(jī)運(yùn)算處理速度遠(yuǎn)高控制回路的速度要求，故可使計(jì)算機(jī)依次的完成多個(gè)通道（回路）的實(shí)時(shí)控制。*273、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成及作用計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備——指微機(jī)本身及其外圍設(shè)備，是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)；計(jì)算機(jī)控制軟件——指管理計(jì)算機(jī)的程序以及過程控制的應(yīng)用程序，是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的靈魂；計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)——指各數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)和控制單元之間的通信設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)，是進(jìn)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息交換的通道。*283、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成作用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成示意圖*29

軟件部分計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

硬件部分控制計(jì)算機(jī)主機(jī)、外設(shè)、系統(tǒng)總線生產(chǎn)過程輸入輸出通道人—機(jī)聯(lián)系設(shè)備、通信設(shè)備

現(xiàn)場(chǎng)儀表（測(cè)量傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等）

操作系統(tǒng)匯編或高級(jí)語(yǔ)言、過程控制語(yǔ)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(jī)接口程序、打印顯示程序各種公共子程序歷史數(shù)據(jù)庫(kù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)各部分功能

——由主機(jī)、接口電路及外圍設(shè)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(jìn)行擴(kuò)展。具有各種功能的插件板或功能模塊，可用標(biāo)準(zhǔn)總線連接起來(lái)，如PC總線構(gòu)成的各種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、PLC、DCS等。

*301.硬件由CPU和存儲(chǔ)器構(gòu)成，是整個(gè)控制系統(tǒng)的指揮部。它自動(dòng)地對(duì)過程輸入通道發(fā)送來(lái)的工業(yè)參數(shù)進(jìn)行巡回檢測(cè)，按照人們預(yù)先安排的程序，進(jìn)行信息處理、分析和計(jì)算，并作出相應(yīng)的控制決策，通過輸出通道及時(shí)發(fā)出有關(guān)的控制命令。*311)計(jì)算機(jī)主機(jī)2)接口與輸入/輸出通道計(jì)算機(jī)和生產(chǎn)過程之間設(shè)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(guān)量輸入通道和開關(guān)量輸出通道等。

過程通道是不能直接由主機(jī)控制的，必須由“接口”來(lái)傳送相應(yīng)的信息和命令。*323)通用外圍設(shè)備通用外圍設(shè)備主要是為了擴(kuò)大主機(jī)的功能而設(shè)置的，通用外圍設(shè)備可分為輸入設(shè)備、輸出設(shè)備和存儲(chǔ)設(shè)備，并根據(jù)控制系統(tǒng)的規(guī)模和要求來(lái)配置。*334)檢測(cè)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(hào)。因此，檢測(cè)元件精度的高低直接影響微機(jī)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(jī)構(gòu)。常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)有電動(dòng)、液動(dòng)和氣動(dòng)等形式。另有動(dòng)力電機(jī)和控制電機(jī)等。*345)操作臺(tái)操作臺(tái)是人機(jī)對(duì)話（接口）的聯(lián)系紐帶。程序員使用該人機(jī)設(shè)備(運(yùn)行操作臺(tái))來(lái)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(tái)的使用細(xì)節(jié)，否則會(huì)引起嚴(yán)重后果。*352.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(jì)算和自診斷程序等。軟件是微機(jī)系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)作都是在軟件指揮下協(xié)調(diào)工作的。軟件質(zhì)量關(guān)系到計(jì)算機(jī)運(yùn)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(yīng)用。軟件通常分兩類：系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)。

*363.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的比重越來(lái)越大。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)一般分為兩大類：對(duì)等式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Peertopeer；客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)Client/Server。自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)——現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)*37計(jì)算機(jī)控制的優(yōu)點(diǎn)(1)消除模擬調(diào)節(jié)器難以克服的缺點(diǎn):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(dú)調(diào)整，(2)可在整個(gè)控制范圍內(nèi)實(shí)行多參數(shù)調(diào)節(jié)。(3)當(dāng)信號(hào)噪聲大時(shí)，數(shù)字低通濾波器與模擬濾波器相配合，對(duì)高頻的脈沖噪聲有較好的濾波效果，特別是數(shù)字濾波可抑制甚低頻的周期干擾。

*38(4)使用靈活，便于實(shí)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(wú)需改變硬件設(shè)備，計(jì)算機(jī)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(shè)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(huì)顯著地增加費(fèi)用的特點(diǎn)，還可實(shí)現(xiàn)打印、制表、報(bào)警、顯示等附加功能。*39強(qiáng)調(diào)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是以分時(shí)方式對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制的，它以定時(shí)采樣和階段控制來(lái)代替常規(guī)調(diào)節(jié)裝置的連續(xù)檢測(cè)和連續(xù)控制。

*40第二節(jié)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分類

*41檢測(cè)及變送控制對(duì)象執(zhí)行機(jī)構(gòu)多路開關(guān)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(guān)開關(guān)量輸入開關(guān)量輸出傳感器主機(jī)及操作臺(tái)通用外部設(shè)備顯示終端磁盤驅(qū)動(dòng)器打印機(jī)軟件微型計(jì)算機(jī)生產(chǎn)對(duì)象操作臺(tái)實(shí)時(shí)時(shí)鐘基本計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖按照系統(tǒng)的功能分類——計(jì)算機(jī)巡回檢測(cè)和操作指導(dǎo)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)直接數(shù)字控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)集散控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)工業(yè)過程計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（流程CIMS）*421、數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視系統(tǒng)

——主要對(duì)過程參數(shù)進(jìn)行定時(shí)巡回檢測(cè)、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)計(jì)算、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和處理、參數(shù)的越限報(bào)警以及對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行積累和實(shí)時(shí)分析。計(jì)算機(jī)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(duì)整個(gè)生產(chǎn)過程進(jìn)行集中監(jiān)視。*43數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DataAcquisitionSystem，DAS）*44

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意圖

……數(shù)

字計(jì)算機(jī)CRT打印機(jī)報(bào)警過程輸入通道

測(cè)量變送

測(cè)量變送被控生產(chǎn)過程執(zhí)行機(jī)構(gòu)

人……2、直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DirectDigitalControl)

DDC系統(tǒng)中用一臺(tái)微機(jī)對(duì)多個(gè)被控參數(shù)進(jìn)行巡回檢測(cè)，再根據(jù)規(guī)定的控制規(guī)律、進(jìn)行控制運(yùn)算，并輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行控制。DDC系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)不僅完全取代模擬調(diào)節(jié)器，實(shí)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(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的控制算法。*45*46圖DDC系統(tǒng)框圖直接數(shù)字控制(DDC)計(jì)算機(jī)CRT打印機(jī)報(bào)警操作臺(tái)過程輸入通道

測(cè)量變送

測(cè)量變送被控生產(chǎn)過程過程輸出通道

執(zhí)行機(jī)構(gòu)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)…………3、微機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)(SupervisoryComputerControl）兩級(jí)控制第1級(jí)用DDC計(jì)算機(jī)或調(diào)節(jié)器，完成直接控制；第2級(jí)用SCC計(jì)算機(jī)根據(jù)工藝信息和其他參數(shù)——即按照一定算法進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，自動(dòng)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(jìn)行給定值控制，同時(shí)還可以進(jìn)行順序控制、最優(yōu)控制以及自適應(yīng)控制等。*47監(jiān)督控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖*48監(jiān)督控制計(jì)算機(jī)(SCC)CRT打印機(jī)報(bào)警DDC計(jì)算機(jī)或調(diào)節(jié)器輸入通道

輸出通道被控生產(chǎn)過程操作臺(tái)輸入通道*494.集散型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（DCS）

監(jiān)控計(jì)算機(jī)CRT操作站現(xiàn)場(chǎng)控制站現(xiàn)場(chǎng)控制站

被控對(duì)象被控對(duì)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(luò)化的控制結(jié)構(gòu)，靈活地將控制設(shè)備、服務(wù)器、基礎(chǔ)自動(dòng)化單元等聯(lián)系在一起。按功能分散、危險(xiǎn)分散、管理集中和應(yīng)用靈活等原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，具有高可靠性能，便于維修與更新。它以系統(tǒng)最優(yōu)化為目標(biāo)，以計(jì)算機(jī)為核心并與數(shù)據(jù)通信技術(shù)、控制技術(shù)、顯示技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)、I/O接口等技術(shù)相結(jié)合——用于過程控制和生產(chǎn)管理的工控主流控制系統(tǒng)。*50傳統(tǒng)DCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)*51*525、現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）現(xiàn)場(chǎng)總線——連接智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的全數(shù)字、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)。FCS的基本結(jié)構(gòu)*53FCS用現(xiàn)場(chǎng)總線把具有輸入、輸出、運(yùn)算、控制和通信功能的現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)字儀表（如傳感器、變送器、執(zhí)行器）等集成一體，構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程的信息集成。*54

ASASEthernet,TCP/IP監(jiān)控計(jì)算機(jī)顯示操作站現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)間連接器H2或高速Ethernet

現(xiàn)場(chǎng)總線橋低速現(xiàn)場(chǎng)總線(H1)小型PLC過程控制生產(chǎn)制造裝置級(jí)網(wǎng)絡(luò)6、流程計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)流程計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（ComputerIntegratedManufacturingSystems）——流程CIMS

通過計(jì)算機(jī)硬、軟件的綜合運(yùn)用，利用現(xiàn)代管理技術(shù)、制造技術(shù)、信息技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、系統(tǒng)工程技術(shù)，將企業(yè)生產(chǎn)過程中的人員、技術(shù)、經(jīng)營(yíng)管理三要素及其信息與物流有機(jī)集成，并實(shí)現(xiàn)優(yōu)化運(yùn)行的復(fù)雜大系統(tǒng)。

CIMS代表了當(dāng)今工廠綜合自動(dòng)化的最高水平，被譽(yù)為是未來(lái)的工廠。*55*56

流程計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)

經(jīng)營(yíng)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(cái)務(wù),計(jì)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：?jiǎn)卧詣?dòng)化,簡(jiǎn)單控制生產(chǎn)過程

流程CIMS的遞階控制示意圖*57流程CIMS是工程大系統(tǒng)，它所要解決的不是局部?jī)?yōu)化問題，而是工廠、公司乃至一個(gè)區(qū)域的總目標(biāo)或總?cè)蝿?wù)的最優(yōu)化問題。最優(yōu)化的目標(biāo)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(biāo)，它反映了技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等多方面的綜合性要求。流程CIMS的理論基礎(chǔ)是大系統(tǒng)理論。*58*592.按照控制規(guī)律對(duì)計(jì)算機(jī)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(yù)先規(guī)定的時(shí)間函數(shù)變化，被控制量是時(shí)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(kuò)展，在各個(gè)時(shí)期所給出的設(shè)定值可以是不同的物理量，而且每次設(shè)定值的給出，不僅取決于時(shí)間，還取決于對(duì)以前的控制結(jié)果的邏輯判斷。*602)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，參數(shù)容易調(diào)整,因此一直是應(yīng)用最廣、最為成熟的技術(shù)。

3)有限拍控制有限拍控制的性能指標(biāo)是調(diào)節(jié)時(shí)間最短，要求設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在盡可能短的時(shí)間里完成調(diào)節(jié)過程。有限拍控制通常在數(shù)字隨動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)用。*614)復(fù)雜規(guī)律的控制控制系統(tǒng)性能指標(biāo)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(biāo)。對(duì)于存在隨機(jī)擾動(dòng)、純滯后對(duì)象以及多變量耦合的系統(tǒng)，僅用PID控制是難以達(dá)到滿意的性能指標(biāo)的，因此，針對(duì)實(shí)際情況采用各種復(fù)雜規(guī)律的控制——串級(jí)控制，前饋控制，純滯后補(bǔ)償控制，多變量解耦控制以及最優(yōu)、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)控制等。*625）智能控制智能控制理論是把先進(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(lái)的學(xué)科。智能控制理論可以看作是三個(gè)主要理論領(lǐng)域的交叉或匯合:人工智能、運(yùn)籌學(xué)和控制理論。智能控制系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)大系統(tǒng)——綜合的自動(dòng)化系統(tǒng)。模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、專家系統(tǒng)等均可稱智能控制*631.2DCS總體概念及特點(diǎn)它是綜合了4C技術(shù)的控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)原則及主要特點(diǎn)：危險(xiǎn)、控制分散操作、管理集中分級(jí)管理、分而自治集散控制系統(tǒng)具有技術(shù)先進(jìn)、功能完備、應(yīng)用靈活、操作方便、運(yùn)行可靠等多方面顯著特點(diǎn)，為計(jì)算機(jī)控制開創(chuàng)了一個(gè)嶄新的應(yīng)用領(lǐng)域，并得到了廣泛的應(yīng)用。*64初期DCS產(chǎn)生的基本思路：1）分散控制：分解集中控制——多個(gè)專門的過程分散控制裝置（FCS）2）集中操作：保持操作習(xí)慣——良好的人/機(jī)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

*65*66*67日本橫河電機(jī)*68

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

橫向：可分多級(jí)（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(shè)備分散、操作分散——目的：危險(xiǎn)分散。

設(shè)備的冗余設(shè)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(chǔ)

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

遞階分級(jí)的基礎(chǔ)：被分級(jí)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(kù)分散、供電分散、負(fù)荷分散等數(shù)據(jù)及通訊管理集中、控制目標(biāo)集中、顯示操作的集中等*69集散控制系統(tǒng)從其本質(zhì)和內(nèi)部機(jī)理上講——

它是以微處理機(jī)為核心的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)；從其外部構(gòu)成方式和應(yīng)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(kuò)展都十分容易。*70集散系統(tǒng)在功能上真正實(shí)現(xiàn)了

————

管理集中和控制分散既實(shí)現(xiàn)了操作、管理和監(jiān)視的縱向分級(jí)集中，又實(shí)現(xiàn)了控制、危險(xiǎn)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(rèn)的最理想的工業(yè)控制系統(tǒng)之一，在國(guó)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(yīng)用。*71DCS的特點(diǎn)——獨(dú)立性協(xié)調(diào)性友好性適應(yīng)性、靈活性和可擴(kuò)充性實(shí)時(shí)性可靠性*72DCS的發(fā)展歷程第一代DCS——開創(chuàng)期(1975年~1980年)DCS的組成現(xiàn)場(chǎng)控制站現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站CRT操作站數(shù)據(jù)高速公路監(jiān)控計(jì)算機(jī)*73CRT操作站

監(jiān)控計(jì)算機(jī)

數(shù)據(jù)高速公路HW現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站

現(xiàn)場(chǎng)控制站第一代DCS基本結(jié)構(gòu)

……

……第二代DCS——成長(zhǎng)期(1980年~1985年)以局部網(wǎng)絡(luò)LAN為主干其它各單元都是掛在它上面的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)工作站主要組成部分局部網(wǎng)絡(luò)多功能現(xiàn)場(chǎng)控制站增強(qiáng)型操作站通用型操作站網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)管理模塊主計(jì)算機(jī)*74局部網(wǎng)絡(luò)LAN其它網(wǎng)絡(luò)DHW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(jì)算機(jī)增強(qiáng)型操作站……DCS的擴(kuò)展期（1985年以后）特點(diǎn)：1、DCS向綜合化、開放化發(fā)展2、大型DCS進(jìn)一步完善的同時(shí)，發(fā)展小型集散控制系統(tǒng)3、采用人工智能技術(shù)*75MAP——ManufactureAutomationProtocol

傳統(tǒng)DCS的局限測(cè)量變送和執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(jì)算工具仍顯簡(jiǎn)單與上位機(jī)的接口硬件和規(guī)約各不相同*76

PLC發(fā)展對(duì)DCS的影響可編程邏輯控制器（PLC）簡(jiǎn)介PLC最初功能PLC的編程PLC的改進(jìn)與發(fā)展采用數(shù)據(jù)高速通道DH增加模擬量信號(hào)的處理功能網(wǎng)絡(luò)化，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成*77DCS體系的發(fā)展FCS與DCSFCS可能會(huì)取代DCS，但相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)將共存DCS的開放性與FCS初步兼容、異質(zhì)兼容和同質(zhì)兼容DCS發(fā)展：上融合Internet技術(shù)（互聯(lián)網(wǎng)）中采用Intranet技術(shù)（企業(yè)信息網(wǎng)）底采用Infranet技術(shù)（控制網(wǎng)）三網(wǎng)融合——無(wú)縫集成——綜合自動(dòng)化*78集散控制系統(tǒng)的展望(1)操作性能進(jìn)一步提高，操作、管理、組態(tài)