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1、2023/7/14,1,知识点：了解计算机控制系统的基本概念及其分类了解DCS的概念、现状及发展掌握DCS的基本组成及特点理解DCS和PLC 之间的关系,学习目标,2023/7/14,2,1.计算机控制系统的组成,1.1基本概念计算机控制系统是用计算机(通常称为工业控制计算机)来实现工业过程自动控制的系统。,什么是自动控制?自动控制系统由哪些部分组成?,2023/7/14,3,设定值,控制器,D/A,执行机构,被控对象,A/D,计算机,被控变量,-,图1.1 计算机闭环控制系统结构图,测量变送,2023/7/14,4,计算机控制系统的工作原理,(1)实时数据采集 对测量变送装置输出的信号经A/
2、D转换后进行处理。,(2)实时控制决策 对被控变量的测量值进行分析、运算和处理，并按预定的控制规律进行运算。,(3)实时控制输出 实时地输出运算后的控制信号，经D/A转换后驱动执行机构，完成控制任务。,上述过程不断重复，使被控变量稳定在设定值上。,可归纳为以下三个步骤：,2023/7/14,5,生产过程,工业控制机,图1.2 计算机控制系统的组成框图,生产过程,指按生产过程控制的特点和要求而设计的计算机它包括硬件和软件两部分。,包括被控对象，测量变送、执行机构、电气开关等装置。,1.2.1硬件系统,2023/7/14,6,接收输入的指令和工业对象的信息，向系统各部分发送命令和数据。,包括显示操
3、作台、屏幕显示器(CRT)或数码显示器、键盘、打印机、记录仪等。,从被控对象采集的模拟量或数字量信号转换为计算机能够接收的数字量,生产过程包括被控对象，测量变送、执行机构、电气开关等装置。,图1.2 计算机控制系统的组成框图,包括磁盘、光盘、磁带，主要用于存储大量的程序和数据。,将计算机的处理结果转换成可以对被控对象进行控制的信号。,2023/7/14,7,工业控制机硬件：硬件是指计算机本身及外围设备。,计算机硬件,过程输出接口,计算机,过程输入接口,存储器,人机接口,2023/7/14,8,软件是指能完成各种功能的计算机程序的总和.,软件,系统软件,应用软件,是专门用来使用和管理计算机的程序
4、，包括操作系统、监控管理程序、语言处理程序和故障诊断程序等。,应用软件是用户根据要解决的实际问题而编写的各种程序。,1.2.2 软件系统,2023/7/14,9,计算机控制系统,分级控制系统,数据采集系统,直接数字控制系统,现场总线控制系统,集散型控制系统,1.3计算机控制系统的应用类型,计算机监督控制系统,根据应用特点、控制功能和系统结构，计算机控制系统主要分为六种类型,2023/7/14,10,1.3.1 数据采集系统,计算机承担数据的采集和处理工作。,数据采集系统对生产过程各种工艺变量进行巡回检测、处理、记录以及变量的超限报警。,同时对变量进行累计和实时分析。,2023/7/14,11,
5、DAS系统的特点：,1).用于数据采集处理实现生产过程集中监视；2).越限报警，以确保生产安全；3).计算机不直接参与控制，用于开环操作指导。,2023/7/14,12,计算机通过过程输入通道对变量作巡回检测,1.3.2直接数字控制系统（DDC）,根据变量，按照一定的控制规律进行运算,其结果经过输出通道，作用到控制对象。,模拟量输入,微型计算机,模拟量输出,生产过程,数字量输入,数字量输出,显示,打印,磁盘,磁盘,2023/7/14,13,采用计算机代替模拟仪表控制，只要改变程序就可以对控制对象进行控制，因此计算机可以控制几百个回路，并可以对上下限进行监视和报警。,工业生产现场环境恶劣，干扰频
6、繁，直接威胁着计算机的可靠运行。因此，必须采取抗干扰措施。,1.3.2直接数字控制系统（DDC）,2023/7/14,14,DDC特点,1).进行数据采集处理报警，实现生产过程集中监视；2).计算机直接参与控制，实现过程闭环控制；3).一台计算机可以替代多台PID模拟控制器，实现多回路的控制，并易引入复杂控制算法和方式，由软件编程实现即可，无需增加硬件设备；4).显示控制集中，危险也集中（一旦计算机出现故障，整个系统将瘫痪），对系统的可靠性要求较高。,2023/7/14,15,1.3.3计算机监督控制系统(SCC),DDC级微机完成生产过程的直接数字控制；SCC级微机进行优化分析计算，产生最优
7、化设定值。,用数字控制仪器代替，再配以输入采样器、A/D转换器和D/A转换器、输出扫描器，便是SCC加数字控制器的SCC系统。当SCC计算机出现故障时，由数字控制器独立完成控制任务，比较安全可靠。,2023/7/14,16,SCC特点,1）DDC直接与过程相连，实现过程直接数字控制，要求DDC级实时性好可靠性高环境适应性强；2）SCC级计算机也称上位机，它根据DDC级提供的生产过程状况和已定的数学模型，进行优化分析计算，输出最优设定值SP，交与DDC级执行。SCC计算机承担高级控制和管理任务，要求数据处理功能强存储量大运行速度快。3）SCC为两级控制，系统的可靠性较DDC高。即一旦SCC计算机
8、出现故障，DDC计算机仍能独立完成任务；而DDC计算机出现故障，则由SCC计算机替代DDC计算机完成控制任务。,2023/7/14,17,1.3.4分级控制系统,生产过程中既存在控制问题，也存在大量的管理问题。由若干台微处理器或微机分别承担部分控制任务，代替了集中控制的计算机。这种系统的特点是将控制功能分散，用多台计算机分别完成不同的控制功能，管理则采用集中管理。,2023/7/14,18,(3)工厂集中控制级 它可根据上级下达的任务和本厂情况，制定生产计划、安排本厂工作、进行人员调配及各车间的协调，并及时向上级报告。,(4)企业管理级 制定长期发展现划、生产销计划，发命令至各工厂，并接受反馈
9、信息，实现全企业的总调度。,（2)车间监督级(SCC级)它根据厂级计算机下达的命令和通过装置控制级获得的生产过程数据，进行最优化控制。,(1)装置控制级(DDC级)对生产过程进行直接控制，使所控制的生产过程在最优工作状况下工作。,2023/7/14,19,1.3.5集散控制系统,协调各控制站的工作达到过程的动态最优化,人机接口装置，完成操作、显示和监视任务,集散控制系统是分布式结构系统。,完成过程的现场控制任务,实现了地理上和功能上分散的控制，将各个分散的信息集中起来，进行集中的监视和操作。,采集非控制过程信息,2023/7/14,20,集散控制系统是一种典型的分级分布式控制结构。集散控制系统
10、有计算机控制系统控制算法先进、精度高、响应速度快的优点又有仪表控制系统安全可靠、维护方便的优点。集散控制系统容易实现复杂的控制规律，系统是积木式结构，结构灵活，可大可小，易于扩展。,2023/7/14,21,DCS特点：,1）.采用分散控制集中操作分级管理分而自治和综合协调的设计原则，大大提高了系统的可靠性；2）.采用了4C技术：ComputerControlCommunication及CRT；3）.由下而上形成多级控制结构：过程控制级集中监控级生产管理级；4）.采用网络方式实现各级间的信息传递。,2023/7/14,22,1.3.6 现场总线控制系统,现场总线控制系统(FCS)，是新一代分布
11、式控制结构，采用工作站-现场总线智能仪表的二层结构模式。,现场数字执行器,现场数字控制功能模块,服务器,工作站,现场数字传感器,2023/7/14,23,2023/7/14,24,FCS系统特点：,1）采用一对N的设备连接方式成本低。2）实现了彻底的分散控制。3）开放性与互操作性简化了系统的集成。4）信息综合，组态灵活。,2023/7/14,25,2023/7/14,26,2 DCS的发展与基本组成集散控制系统是 20 世纪 70 年代中期发展起来的、以微处理器为基础的、实行集中管理、分散控制的计算机控制系统。由于该系统在发展初期以实行分散控制为主，因此又称为分散型控制系统或分布式控制系统(D
12、istributed Control System，DCS)，简称为集散系统或DCS。,2023/7/14,27,2023/7/14,28,TPS系统结构图,2023/7/14,29,2023/7/14,30,集散控制系统是控制技术(Control)、计算机技术(Computer)、通信技术(Communication)、阴极射线管(CRT)图形显示技术和网络技术(Network)相结合的产物，是一种操作显示集中、控制功能分散、采用分级分层体系结构、局部网络通信的计算机综合控制系统，其目的在于控制或控制管理一个工业生产过程或工厂。,2023/7/14,31,集散控制系统自问世以来，发展异常迅速
13、,几经更新换代，技术性能日臻完善，并以其技术先进、性能可靠、构成灵活、操作简便和价格合理的特点，赢得了广大用户，巳被广泛应用于石油、化工、电力、冶金和轻工等工业领域。,2023/7/14,32,2.1集散控制系统产生的背景,20 世纪 60 年代初，人们开始将电子计算机用于过程控制，试图利用计算机所具有的能执行复杂运算、处理速度快、集中显示操作、易于通信、易于实现多种控制算法、易于改变控制方案、控制精度高等特点，来克服常规模拟仪表的局限性。,一台计算机控制着几十甚至几百个回路，整个生产过程的监视、操作、报警、控制和管理等功能都集中在这台计算机上。,一旦计算机的公共部分发生故障时，轻则造成装置或
14、整个工厂停工，重则导致设备的损坏甚至发生火灾、爆炸等恶性事故，这就是所谓“危险集中”。,2023/7/14,33,2023/7/14,34,而采用一台计算机工作、另一台计算机备用的双机双工系统，或采用常规仪表备用方式，虽可提高控制系统的可靠性，但成本太高，如果工厂的生产规模不大，则经济性更差，用户难以接受。因此，有必要吸收常规模拟仪表和计算机控制系统的优点，并且克服它们的弱点，利用各种新技术和新理论，研制出新型的控制系统。,2023/7/14,35,20 世纪 70 年代初，大规模集成电路的问世及微处理器的诞生，为新型控制系统的研制创造了物质条件。同时，CRT 图形显示技术和数字通信技术的发展
15、，为新型控制系统的研制提供了技术条件，现代控制理论的发展为新型控制系统的研制和开发提供了理论依据和技术指导。根据“危险分散”的设计思想，过去由一台大型计算机完成的功能，现在可以由几十台甚至几百台微处理机来完成。各微处理机之间可以用通信网络连接起来，从而构成一个完整的系统。,2023/7/14,36,系统中的一台微处理机只需控制几个至几十个回路，即使某一微处理机发生故障，只影响它所控制的少数回路，而不会对整个系统造成严重影响，从而在很大程度上使危险分散。,这种新型控制系统采用多台彩色图形显示器监视着过程和系统的运行，实现了操作和信息综合管理的集中，利用通信系统将各微机连接起来，按控制功能或按区域
16、将微处理机进行分散配置，实行分散控制，增强了全系统的安全可靠性。,2023/7/14,37,1975 年 12 月，美国霍尼威尔(Honeywell)公司正式向市场推出了世界上第一套集散控制系统TDC-2000（Total Distributed Control 2000）系统，成为最早提出集散控制系统设计思想的开发商。,图1-6 TDC-3000系统构成图,2023/7/14,38,2.2集散控制系统的基本构成,综观各种集散控制系统，尽管其品种规格繁多，设计风格各异，但大多数都包含有分散过程控制装置、集中操作管理装置和通信系统等三大部分。分散过程控制装置是DCS与生产过程联系的接口，按其功能
17、又可分为现场控制站（简称控制站）和数据采集站等。,图 1-5 CENTUM CS 系统外观图,2023/7/14,39,集中操作管理装置是人与DCS联系的接口，按其功能又可分为操作员工作站（简称操作站）、工程师工作站（简称工程师站）和监控计算机（又称上位机）等。通信系统（又称通信网络）是DCS的中枢，它将DCS的各部分连接起来构成一个整体。因此，操作员站、工程师站、监控计算机、现场控制站、数据采集站和通信系统等是构成DCS的最基本部分，如图1 所示。,图1 集散控制系统的基本构成,2023/7/14,40,(1)操作站,操作站是操作人员对生产过程进行显示、监视、操作控制和管理的主要设备。操作站
18、提供了良好的人机交互界面，用以实现集中监视、操作和信息管理等功能。在有的小DCS中，操作站兼有工程师站的功能，在操作站上也可以进行系统组态和维护的部分或全部工作。,2023/7/14,41,(2)工程师站,工程师站用于对DCS进行离线的组态工作和在线的系统监督、控制与维护。工程师能够借助于组态软件对系统进行离线组态，并在DCS在线运行时，可以实时地监视通信网络上各工作站的运行情况。,2023/7/14,42,(3)监控计算机,监控计算机通过网络收集系统中各单元的数据信息，根据数学模型和优化控制指标进行后台计算、优化控制等，它还用于全系统信息的综合管理。,2023/7/14,43,(4)现场控制
19、站,现场控制站可控制多个回路，具有极强的运算和控制功能，能够自主地完成回路控制任务，实现反馈控制、逻辑控制、顺序控制和批量控制等功能。,现场控制站通过现场仪表直接与生产过程相连接，采集过程变量信息，并进行转换和运算等处理，产生控制信号以驱动现场的执行机构，实现对生产过程的控制。,2023/7/14,44,现场控制站机柜,2023/7/14,45,APM机柜,2023/7/14,46,(5)数据采集站,数据采集站通过现场仪表直接与生产过程相连接，对过程非控制变量进行数据采集和预处理，并对实时数据进一步加工。为操作站提供数据，实现对过程的监视和信息存储；为控制回路的运算提供辅助数据和信息。,202
20、3/7/14,47,(6)通信系统,通信系统连接DCS的各操作站、工程师站、监控计算机、控制站、数据采集站等部分，传递各工作站之间的数据、指令及其他信息，使整个系统协调一致地工作，从而实现数据和信息资源的共享。,2023/7/14,48,综上所述，操作站、工程师站和监控计算机构成了DCS的人机接口，用以完成集中监视、操作、组态和信息综合管理等任务。现场控制站和数据采集站构成DCS的过程接口，用以完成数据采集与处理和分散控制任务。通信系统是连接DCS各部分的纽带，是实现集中管理、分散控制目标的关键。,2023/7/14,49,2.3集散控制系统的特点,集散控制系统与常规模拟仪表及集中型计算机控制
21、系统相比，具有十分显著的特点。,2023/7/14,50,(1)系统构成灵活,从总体结构上看，DCS可分为通信网络和工作站两大部分，各工作站通过通信网络互连起来，构成一个完整的系统。工作站采用标准化和系列化设计，硬件采用积木搭接方式进行配置，软件采用模块化设计，系统采用组态方法构成各种控制回路，很容易对方案进行修改。用户可根据工程对象要求，灵活方便地扩大或缩小系统的规模。,2023/7/14,51,(2)操作管理便捷,DCS的集中监控管理装置无论采用专用人机接口系统还是通用PC机系统，操作人员都能通过显示器（CRT or LCD）和操作键盘及鼠标等，方便的监视生产装置乃至整个工厂的运行情况，快
22、捷的操控各种机电设备；技术人员可按预定的控制策略组态不同的控制回路，并调整回路的某些常数；存储装置可以保存大量的过程历史信息和系统信息，打印机能打印出各种报告和报表，适应了现代化生产综合管理的要求。,2023/7/14,52,(3)控制功能丰富,DCS可以进行连续的反馈控制、间断的批量控制和顺序逻辑控制，可以完成简单控制和复杂的多变量模型优化控制，可以执行 PID 运算和 Smith 预估补偿等多种控制运算，并具有多种信号报警、安全联锁保护和自动开停车等功能。,(4)信息资源共享,DCS采用局部区域网络(Local Area Network，LAN)把各工作站连接起来，实现数据、指令及其他信息
23、的传输，使整个系统信息、资源共享。系统通信采用国际标准通信协议，便于系统间的互连，提高了系统的开放性。,2023/7/14,53,(5)安装调试简单,DCS的各单元都安装在标准机柜内，模件之间采用多芯电缆、标准化接插件相连；与过程连接时采用规格化端子板，到中控室操作站只需敷设同轴电缆进行数据传递，所以布线量大为减少，便于装配和更换。系统采用专用软件进行调试，并具有强大的自诊断功能，为故障判别提供准确的指导，维修迅速。,2023/7/14,54,(6)安全可靠性高,DCS在设计、制造时，采用了多种可靠性技术。系统采用了多微处理机分散控制结构，某一单元失效时，不会影响其他单元的工作。即使在全局性通
24、信或管理站失效的情况下，局部站仍能维持工作。,硬件采用冗余技术，操作站、控制站和通信线路采用双重化等配置方式。软件采用程序分段、模块化设计和容错技术。系统各单元具有强有力的自诊断、自检查、故障报警和隔离等功能。具有抗干扰能力，对测量信号和控制信号要经过隔离处理，信号电缆进行良好的屏蔽和接地。,2023/7/14,55,(7)性能价格比高,DCS技术先进、功能齐全、可靠性高、适应能力强。规模越大，平均每个回路的投资费用越省，数据、资源的共享本身就意味着系统成本的降低。,2023/7/14,56,4集散控制系统的性能,1、可靠性 最直接方法：总体设计时加入可靠性设计环节。2、可操作性3、实时性4、
25、环境适应性5、经济性6、可扩展性,2023/7/14,57,重要性能指标的设计,(1)可靠性设计 可靠性指机器、零件、系统在规定的工作条件下，在规定的时间内具有正常工作性能的能力。主要由可靠度、MTBF、MTTR、故障率衡量(2)实时性设计(3)抗干扰设计,2023/7/14,58,5DCS的选型、安装、调试、验收,5.1 选型 主要是：选成型产品还是采用PLC搭建 根据：模拟量多还是逻辑控制多；投资预算。若选用成型集散控制系统，还要根据因素确定具体型号,2023/7/14,59,5.2 安装 安装前准备：地基、电源、接地 5.3 调试 主要包括：工厂调试和现场调试(1)工厂调试：在生产厂专业
26、人员的指导下，完成系统的离线调试。（包括硬件调试、用户应用软件调试）,2023/7/14,60,(2)现场调试 现场调试是在工厂调试的基础上进行的现场的在线调试。注意：现场调试不允许任何错误和疏漏。特别对于危险极大的化工生产装置任何差错都会带来意想不到的效果。,2023/7/14,61,6集散控制系统发展概况,集散控制系统的发展，大致经历了四个时期。,2023/7/14,62,(1)1975年至1980年为初创期,这个时期的DCS基本上由过程控制装置、数据采集装置、操作管理装置、监控计算机和数据传输通道等部分组成。这个时期DCS的技术重点是实现了分散控制，从而克服集中型计算机控制系统危险高度集
27、中的致命弱点，加强了可靠性设计。初创期DCS的典型代表有：美国霍尼威尔(Honeywell)公司的 TDC-2000，福克斯波罗(Foxboro)公司的 SPECTRUM，日本横河(YOKOGAWA)公司的 CENTUM 及德国西门子(Siemens)公司的 TELEPERM M 等。,2023/7/14,63,(2)1980 年至 1985 年为成熟期,这一时期的DCS由局部网络、多功能过程控制站、增强型操作站、主计算机、系统管理站和网间连接器等部分组成。DCS的技术重点是实现全系统信息的综合管理，为此，必然要引入先进的局部网络技术，以加强通信系统。代表产品有：Honeywell 的 TDC
28、-3000，YOKOGAWA 的 CENTUM，Taylor 的 MOD-300 等。,2023/7/14,64,(3)1985 年至 1990 年为扩展期,扩展期DCS结构的主要变化是局部网络采用标准化开放型的通信协议。如采用以开放系统互连参考模型为基础的制造自动化协议（MAP），或与 MAP 兼容，或其本身就是实时 MAP 局部网络。其他单元无论是硬件还是软件都有较大改进，但系统的基本组成变化不大。扩展期DCS的另一种特点是系统的智能向现场延伸，系统中引入了智能变送器(Smart Transmitters)和现场总线(Field Bus)技术。,2023/7/14,65,智能变送器具有数字
29、通信能力，通过现场总线与过程控制站或与局部网络节点相连接。在控制室或本节点工作站中便可对现场的智能变送器进行调零、调量程、组态、自动标定、自动诊断及自动排除故障等操作。扩展期DCS的代表产品有：Honeywell 的 TDC-3000/PM，YOKOGAWA 的 CENTUM-XL，Foxboro 的 I/A S，Bailey Control 的 INFI-90 等。,2023/7/14,66,2023/7/14,67,(4)1990 年后为新的发展期,20 世纪 90 年代以后，随着3C技术特别是网络技术的快速发展，对控制和管理要求的不断提高，出现了以管控一体化为主要特点的新型集散控制系统。
30、它采用了客户机/服务器的结构，在网络结构上增加了工厂信息网(Intranet)，并可与 Internet 连网，计算机集成过程系统(CIPS)也开始进行试点应用。DCS的典型产品有 Honeywell 公司的 TPS 系统、横河公司的 CENTUM CS 系统、Foxboro 公司 I/A S 5051 系列控制系统等。,2023/7/14,68,从DCS三十多年的发展历史中可以清楚地看到，正是计算机技术、屏幕显示技术、控制技术、网络和通信技术的不断发展，才推动了DCS的不断更新换代。,今后 DCS 的发展仍将继承集中监视管理和分散控制这一理念。,向着更大范围的集中管理和更加彻底的分散控制两个
31、方向发展，即向着计算机集成制造系统(Computer Integrated Manufacturing System，CIMS)、计算机集成过程系统(Computer Integrated Proces System，CIPS)方向和现场总线控制系统(Fieldbus Control System，FCS)方向发展。,2023/7/14,69,Delta V系统控制器与IO卡件,2023/7/14,70,DeltaV系统操作、组态画面示,2023/7/14,71,FCS必将推动DCS的变革。新一代DCS都包含了各种形式的现场总线接口，可以支持多种标准的现场总线仪表和执行机构等，此外，DCS 产
32、品还改变了相对集中的控制站结构，取而代之的是进一步分散的导轨式或现场安装的 I/O 模块。DCS 将吸收 FCS 的长处，不断发展和完善。新型DCS的典型代表有Homywell 公司推出的新一代过程知识系统Experion PKS、Emerson 公司推出的 Delta V系统、中控科技自动化有限公司推出的 Web Field ECS-100系统等。,(5)我国DCS的发展,2023/7/14,72,JX-300XP系统网络结构示意图,2023/7/14,73,我国使用DCS是在20 世纪70 年代末、80 年代初。当时国家为了满足国内新建项目和老厂技术改造的需要，从国外引进的DCS多达几百套
33、，主要用于化工、石化、炼油、冶金、电力、轻工等工业过程控制，取得了良好的技术经济效益。同时，坚持自力更生、自主开发与引进技术相结合的方针，把引进国外先进技术与对其及时消化、吸收与创新，作为发展我国科学技术的重要途径。,2023/7/14,74,一方面，与外商合资合作，引进技术，组装国外DCS，并逐步国产化。另一方面，国家组织了精悍的队伍，联合攻关，研制适合中国国情的DCS。从过去主要应用于为数不多的小装置，现在逐步向中型及大型装置应用发展，形成了与国外产品竞争的局面。比较有代表性的产品是中控科技自动化有限公司的 Web Field ECS-100、北京和利时系统工程股份有限公司的 MACS、上海新华控制工程有限公司的 XDPS-400 和浙江威盛公司 FB-2000NS 等。,2023/7/14,75,JX-300XP系统整体结构图,
