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1、第1章 绪论,什么是分布式控制系统？分布式控制系统，也称为集散控制系统，简称DCS，是计算机控制系统的一种结构形式，具有分散控制、集中管理、分层结构的特点。它的技术基础是：自动控制理论、计算机技术以及数据通信、微电子、仪器仪表,课程意义：,1、分布式控制系统是现代自动化控制系统的一种重要形 式，广泛应用于石油、化工、钢铁、冶金、建材、电力、机械制造、楼宇自动化等行业，具有很强的实用性，也是当今工业自动化应用的主流。2、是自动化系列课程中最接近生产实际的一门课程，不再停留在原理的描述上，更强调实用。3、电路原理、模拟数字电子技术基础、自动控制原理、计 算机控制技术、过程控制技术是先导课程。4、作
2、为自动化及相关专业的学生，有必要了解、学习这门课程，为从事相同或类似的工作打好基础。,1.1 计算机控制系统基础知识,分布式控制系统是计算机控制系统的一种特殊形式，需要用到一定的计算机控制的相关知识。,1.1.1 计算机控制系统的一般概念,什么是计算机控制系统？,自动化技术+计算机技术=计算机控制,自动化：是计算机技术应用的一大领域；计算机：是自动化技术的重要实现手段。,+,常规控制系统 液位控制系统为例,控制框图,常规模拟控制框图,计算机控制框图,计算机控制系统的构成,硬件,软件,硬件组成,1）主机：CPU、ROM、RAM。按照预定的程序运行；2）常规外设 键盘、打印机、CRT、外存等；3）
3、过程输入/输出设备 AD、DA、DI、DO等。接生产过程现场信号，转换成计算机能识别的信号，或者将计算机内控制信号转换成现场控制信号；4）操作台 包括CRT、键盘、开关、指示灯等。实现人机对话；5）接口电路 在主机与外设之间、主机与过程通道之间实现信号的转换与匹配，使主机、外设、过程通道之间能通过总线实现信号联系。,软件组成,系统软件：支持系统的开发、测试、运行和维护的工具软件，一般是操作系统；应用软件：在系统软件的基础上，通过编程工具编写的可执行程序，目的完成控制任务。,1.1.2 计算机内的信号变换,计算机：数字信号,现场：模拟信号,？,模拟信号与数字信号之间的转换过程包括：采样、量化、保
4、持,1.信号的采样,信号的采样：把时间上连续变化的模拟信号按一定的间隔转换成脉冲序列信号的过程。,概念：采样周期与采样宽度,问题：为什么要采样？,采样的理论基础：香农定理为了使采样信号能完全回复原信号，采样频率fs至少为原信号最高频率fmax的2倍。即fs2fmax。实际工程中常取：fs(510)fmax。,2.信号的量化,把采样到的模拟信号(幅度上连续变化）转换成有限字长的二进制数的过程。执行量化过程的装置是AD转换器。,量化单位的概念：,3.信号的保持,信号转换期间或转换完成后，需要维持一段时间信号不变，以方便后续处理，该过程即为信号的持。通过保持器完成信号的保持，工程中常用零阶保持器。,
5、零阶保持器的传递函数,零阶保持器对信号的回复过程,1.1.3 计算机控制系统的分类,1.数据采集系统,2.操作指导控制系统,3.直接数字控制系统DDC,4.计算机监督控制系统,5.集散控制系统(分布式控制系统）,1.1.4 计算机控制系统发展概况,1946年，世界上第一台电子计算机问世；1958年，美国Louisina公司电厂投入第一个计算机安全监视系统；1959年，美国Texaco公司炼油厂安装第一个计算机闭环控制系统；1960年，美国Monsanto公司安装了第一个计算机监督控制系统；1962年，美国Monsanto公司实现了第一个DDC系统。此后，计算机控制系统得到大发展。,1.1.5
6、控制计算机的几种机型,1 可编程控制器(PLC)关于PLC的定义。,PLC的特点：（1）构成灵活，扩展容易；（2）开发方便、容易编程；（3）非常可靠。,2.可编程调节器,也称为单回路调节器，由微处理器、过程IO单元、面板单元、通信单元、操作单元和编程单元等组成。,采用面向问题的组态编程；有丰富的功能模块；长于模拟量的连续控制。,3 单片机,将CPU、存储器、IO接口、定时器、计数器、AD转换器的集成在一块单芯片上的计算机。4位、8位、16位、32位。,4 总线式工控机,总线的概念,专门用于工业控制的计算机。为适应工业现场控制，软硬件需要做特殊处理。,5.集散控制系统,控制分散、管理集中的高级控
7、制系统，在当前工业控制 系统中占主流。,6 现场总线控制系统FCS,通过现场总线，把传感器、变送器、执行器、调节器等集成在一起构成的控制系统；,1.2 计算机控制系统的设计与实现,1.2.1 计算机控制系统的设计原则,1.可靠性高,可靠性的概念 系统在规定条件下规定时间内完成规定功能的能力。,衡量可靠性的基本指标1）平均无故障时间MTBF;平均故障维修时间MTTR;希望MTBF越长越好、MTTR越短越好,实现高可靠性的技术手段：（1）选用高性能、高可靠工控机；（2）设计可靠的方案，具备安全保护、报警、事故预测、事故处理、不间断电源等；（3）后备处理。,2.操作性好 实用方便、易于维修（维护）3
8、.实时性强 定时事件的处理、随机事件的处理4.通用性好 选用通用设备、技术指标留余量5.经济效益高 性价比、投入产出比,1.2.2计算机控制系统的设计步骤,基本步骤：总体设计、硬件设计、软件设计、系统调试,1.总体设计1）确定系统任务与控制方案2）确定系统的构成方式3）选择现场设备4）控制算法的选择5）估算成本、经济核算,2.硬件设计 合理划分软硬件完成的功能。,对于应用领域单一的系统，可考虑自行开发专用系统。,3.软件设计,主要是指编制应用程序,计算机控制系统的软件设计与一般应用软件设计相比的几个不同特点：1）应用程序与硬件密切相关；2）应用程序具有较强的实时性；3）应用程序具有较强的针对性
9、；4）应用程序应具有一定的灵活性和通用性；5）应用程序应具有较高的可靠性。,几个问题：1）编程语言的选择。机器语言、汇编语言、高级语言、组态语言2）应用程序设计步骤 程序设计、编译、调试、改进3）应用程序设计方法 模块化、结构化,4.系统调试1）硬件调试2）软件调试3）软硬件统调4）现场调试运行,1.3 集散控制系统概述,1.3.1 集散控制系统的概念,集散控制系统的完整定义：（1）以回路控制为主要功能；（2）除变送和执行单元外，其余控制功能、通信与人机界面等均采用数字技术；（3）以计算机的CRT、鼠标、键盘等代替实际仪表盘作为人机界面；（4）回路控制功能由现场控制站完成，系统可有多台现场控制
10、站，每个现场控制站控制若干回路；（5）人机界面由操作员站实现，系统可有多台操作员站；（6）系统的现场控制站、操作员站通过数字通信网络连接。,1.3.2 DCS的基本组成及特点,DCS系统基本组成 过程控制单元、过程接口单元、管理计算机、操作站、高速数据通道,（1）过程控制单元 实现闭环控制、控制多个回路，也可实现顺序控制、批量控制等；（2）过程接口单元 也称数据采集单元，采集非控制变量；（3）操作站 实现监视操作、打印报表、编程与组态；（4）数据高速通道 连接过程控制单元、操作站和上位机等，实现信息交换；（5）管理计算机 也称上位机，监视系统所有信息，实现优化管理与控制。,DCS系统的特点：1
11、.分散性与集中性 分散：地域分散、设备分散、功能分散、危险分撒；目的：提高系统可靠性安全性；手段：硬件积木化、软件模块化；集中：集中监视、集中操作、集中管理；手段：通过网络与数据库实现集中；2.自治性与协调性 自治：系统中各台计算机独立工作；协调：系统中各台计算机通过通信网络交换信息、协调工作。3.灵活性与扩展性 硬件的积木式结构与软件的模块化结构，使系统可根据实际需要选用扩充某些功能。4.先进性与继承性 分散结构、冗余结构；实用先进的软件和算法；新老系统可兼容。5.友好性与新颖性 界面友好；多种画面形式；操作简便。,1.3.3 集散控制系统发展历程,第一代（初创期），代表系统：Honeywe
12、ll公司TDC-2000;Yokogawa公司Yawpark等。典型结构：,第一代DCS系统特点：（1）注重控制功能的实现；（2）人机界面功能弱；（3）控制功能接近仪表控制系统；（4）产品专用化；,第二代（成熟期）代表产品：Honeywell公司TDGC-3000,Fisher公司PROVOX系统等典型结构,特点：1）引入局域网；2）增加了控制功能；3）产品仍然为专有产品。,3.第三代（扩展期）代表产品：Foxboro公司I/A series；Honeywell公司TDC-3000/UCN,Yokogawa公司Centum-XL等。典型结构,特点：1）增加上层网络，加入管理功能；2）体系结构标
13、准化；3）采用标准化网络；4）组态标准化；5）大部分产品标准化。,4.新一代DCS系统,特点：1)采用现场总线技术；2)设备数字化；,1.4 几种计算机控制系统与DCS的比较,1.5 DCS典型产品及特点,以北京和利时公司DCS系统为例,HOLLiAS MACS-F分布式控制系统,MACS-F分布式控制系统适合于中大规模高密度安装的项目，采用FM系列硬件。I/O模块和端子底座组合后共同占用安装面积，适合安装密度要求高、空间较小的场合，并且I/O能够远程分布安装，大幅度节省I/O电缆。系统点数范围从几百点到1万点；单机柜含端子最大可安装1056点；主控制器与I/O模块独立，可实现控制器与I/O模
14、块异地安装；I/O模块可以随用户现场需要本地安装、分散安装或远程安装；采用机架式集中电源为本地I/O供电，具有高性价比的特点。,HOLLiAS MACS-S分布式控制系统,MACS-S系统适合于大规模或超大规模且安装密度适中的项目，采用SM系列硬件。I/O模块和端子模块分别安装在机柜正反面，适合安装空间规划严格和安装密度适中的场合，日常维护主要在机柜后面的端子侧进行。除具有MACS系列产品开放化、信息化、智能化、小型化和高可靠等系统特性外，HOLLiAS MACS-S系统还具有以下技术特点：系统点数范围从几千点到10万点；单机柜含端子最大可安装720点；系统骨干网络配置可高达1000Mbps，控制器节点网络速率可达100Mbps；采用4U高标准机架设计，每个机架独立配置冗余电源，形成分布式系统电源结构；独立安装和维护的端子模块，可实现误接220VAC等强电信号时不损坏I/O模块；采用冗余背板总线设计；I/O模块内置HART接口，软件上支持HART仪表的无缝集成。,
