分散控制系統(tǒng)與

現(xiàn)場總線技術(shù)梁庚，李文，李大中主要內(nèi)容分散控制系統(tǒng)概論分散控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡通信分散控制系統(tǒng)的現(xiàn)場級分散控制系統(tǒng)的控制級分散控制系統(tǒng)的監(jiān)控級分散控制系統(tǒng)中的控制算法分散控制系統(tǒng)的工程設計規(guī)范及評價與選擇分散控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中的應用現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)幾種典型的現(xiàn)場總線技術(shù)1分散控制系統(tǒng)概論分散控制系統(tǒng)屬于儀表控制系統(tǒng)（簡稱儀控系統(tǒng)）的范疇。儀控系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了早期的基地式儀表、單元組合儀表、中期的組裝式儀表和直接數(shù)字控制系統(tǒng)(DirectDigitalControl,DDC)和現(xiàn)今廣泛采用的DCS的幾個發(fā)展歷程基地式儀表概念

將測量、顯示、控制等各部分集中組裝在一個表殼里、可就地安裝、可以構(gòu)成單回路的簡單控制系統(tǒng)。特點

1.綜合與集中2.結(jié)構(gòu)簡單，不需要變送器，使用維護方便、防爆3.缺點是功能較簡單，不便于組成復雜的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，外殼尺寸大，精度稍低基地式儀表的形態(tài)類型——氣動式基地儀表：例如B系列和KF系列氣動基地式儀表——電動基地式儀表：例如MOOR公司的XCT340D-B和SMAR公司的LD301精度可靠性價格維護氣動式低本安、安全、穩(wěn)定、可靠高簡單、容易電動式高稍差低較為復雜單元組合儀表以統(tǒng)一的標準信號將參數(shù)的測量、變送、顯示及控制等各種能夠獨立工作的單元儀表(簡稱單元，例如變送單元、顯示單元、控制單元等)相互聯(lián)系而組合起來的一種儀表，它按照自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)中各組成部分的功能和現(xiàn)場使用要求，分成若干個獨立的單元。單元組合儀表模塊化構(gòu)成和相互關(guān)系變送單元：又稱變送器。它將各種生產(chǎn)過程中被測量參數(shù)（如溫度、壓力、流量、物位等）轉(zhuǎn)換成標準氣動或電動信號（20～100千帕）,傳送給其他單元。轉(zhuǎn)換單元：將電動調(diào)節(jié)儀表的標準信號(0～10毫安或4～20毫安)轉(zhuǎn)換為氣動儀表的標準信號，以組成電動、氣動儀表混合使用的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。調(diào)節(jié)單元：根據(jù)被調(diào)量與給定值的偏差，按一定調(diào)節(jié)規(guī)律運算(如比例、積分、微分或它們的組合等)，輸出一個調(diào)節(jié)信號給執(zhí)行器，實現(xiàn)系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)。常用的調(diào)節(jié)器有比例調(diào)節(jié)器、微分調(diào)節(jié)器、積分調(diào)節(jié)器、比例積分調(diào)節(jié)器和PID調(diào)節(jié)器。顯示單元：于指示、記錄或累積計算被測參數(shù)、給定值、調(diào)節(jié)器輸出或閥門位置信號等。帶有調(diào)節(jié)單元的顯示單元具有控制中心的作用。有的顯示單元具有報警功能。計算單元：對幾個標準的信號進行加、減、乘、除、開方等數(shù)學運算，常用于被測參數(shù)綜合計算和按計算值調(diào)節(jié)的系統(tǒng)中。給定單元：輸出一個固定的或按時間程序變化的給定值給調(diào)節(jié)單元，實現(xiàn)系統(tǒng)的定值調(diào)和程序調(diào)節(jié)。類型——氣動單元組合儀表——電動單元組合儀表氣動單元組合儀表電動單元組合儀表組裝式儀表組裝式儀表是一種大型柜式的調(diào)節(jié)儀表，按照控制系統(tǒng)中的各種功能劃分組件，各組件可在機架上插裝，方便地組合成整套控制系統(tǒng)?；緲?gòu)成元件：運算放大器功能組件：模擬量組件(線性集成電路)和數(shù)字量組件(TTL數(shù)字集成電路)兩類特點

組件數(shù)量可按需要插裝，幾個控制系統(tǒng)可合在一個機柜內(nèi)，易于改換控制系統(tǒng)的構(gòu)成。調(diào)節(jié)功能齊全，與計算機聯(lián)用方便，適用于多參數(shù)綜合自動控制系統(tǒng)。具有自動切換、程序控制和邏輯控制等功能，能適應大型設備自動啟停等要求。除自動控制外還有自動保護功能，可對工藝事故、儀表事故、電源故障和誤操作等作出判斷并進行聯(lián)鎖保護。按用戶要求設計組裝，按系統(tǒng)成套提供。組裝式儀表機柜上方是電源組件，中間是各功能組件，下面聯(lián)接電纜。顯示操作組件各有單獨的外殼，可安裝在用戶的控制臺上。組裝式儀表的形態(tài)直接數(shù)字控制技術(shù)（DDC）DDC系統(tǒng)是一種閉環(huán)控制系統(tǒng)。由一臺計算機通過多點巡回檢測裝置對過程參數(shù)進行采樣，并將采樣值與存于存儲器中的設定值進行比較，再根據(jù)兩者的差值和相應于指定控制規(guī)律的控制算法進行分析和計算，以形成所要求的控制信息,然后將其傳送給執(zhí)行機構(gòu),用分時處理方式完成對多個單回路的各種控制DDC的特點實時控制分時方式控制靈活性、多功能性DDC的構(gòu)成DDC的主要問題DDC系統(tǒng)存在的主要問題是可靠性較差。DDC產(chǎn)生時，計算機開始用于生產(chǎn)過程的直接數(shù)字控制。自于當時的計算機造價很高，所以常常用一臺計算機控制全廠所有的生產(chǎn)過程．這樣，就造成了整個系統(tǒng)控制任務的集中。由于受當時硬件水平的限制．計算機的可靠性比較低，一旦計算機發(fā)生故躥，全廠的生產(chǎn)就陷于癱瘓。分散控制系統(tǒng)的產(chǎn)生和發(fā)展第一階段時間：20世紀70年代中葉到70年代末。標志:美國Honeywell-1975年-TDC2000的分散控制系統(tǒng)。特點：系統(tǒng)已經(jīng)包括了DCS的三大組成部分，即分散過程控制裝置、操作管理裝置和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。它也具有DCS的基本特點，即管理集中、控制分散。產(chǎn)品：TAYLOR公司的MOD3,FOXBORO公司的SPECTRUM,日本橫河的CENTUM,肯特公司的P4000第二階段時間：20世紀80年代后標志：Honeywell的TDC3000，TAYLOR公司的M300，Bailey公司的Network90，西屋公司的WDPF，ABB公司的MASTER，西門子公司的TELEPERM。美國利諾的MAX1000等。主要特點：1）系統(tǒng)的功能擴大或者增強、常規(guī)控制與邏輯控制、批量控制相結(jié)合；2）過程操作管理范圍的擴大；3）多微處理器技術(shù)的應用等；4）數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的發(fā)展，從主從式的星形網(wǎng)絡通信轉(zhuǎn)變?yōu)閷Φ仁降目偩€網(wǎng)絡通信或環(huán)網(wǎng)通信。第三階段時間：20世紀90年代后標志：美國FOXBORO公司推出的I/ASERIES特點：主要改變是在局域網(wǎng)絡方面，統(tǒng)采用了10M寬帶網(wǎng)與5M的載帶網(wǎng)，符合ISO/OSI互聯(lián)參考模型。第三方的應用軟件也能在系統(tǒng)中應用．從而使分散控制系統(tǒng)進入了更高的階段。第四階段時間：20世紀末到21世紀初期標志：HONEYWELL公司的EPERIONPKS(過程知識系統(tǒng))，EMERSON公司的OVATION,ABB公司的SYMPHONY以及西門子公司的基于PCS7技術(shù)的SPPA-T3000系統(tǒng)特點：1）運算能力大大提高，一臺過程控制站可同時實現(xiàn)模擬量控制和數(shù)字量控制2）標準化程度大大提高，硬件上廣泛采用基于以太網(wǎng)的通信網(wǎng)絡，同時支持多種網(wǎng)絡協(xié)議3）軟件IEC61131-3標準4）在現(xiàn)場級還與現(xiàn)場總線技術(shù)逐漸融合我國的自主知識產(chǎn)權(quán)DCS北京國電智深控制技術(shù)有限公司的EDPF-NT系列DCS先后獲得國家科技進步獎二等獎2項、省部級科技進步與技術(shù)發(fā)明獎33項、神華國能集團科學技術(shù)進步獎特等獎等眾多獎項，多次在高端工業(yè)自動化領域打破國外壟斷、填補國內(nèi)空白，創(chuàng)造了多項“世界第一”、“中國首臺套”的業(yè)績。國產(chǎn)DCS不論從硬件還是軟件上看，現(xiàn)已發(fā)展到能與國外產(chǎn)品相比的水平，由于其性能和實現(xiàn)的功能和國外DCS產(chǎn)品相同，又有價格上的優(yōu)勢儀控系統(tǒng)的發(fā)展過程總結(jié)類型特點控制器類型模塊化程度控制模式管理模式基地式儀表模擬無分散分散單元組合儀表模擬較高分散集中組裝式儀表模擬高分散集中DDC系統(tǒng)數(shù)字較低集中集中DCS數(shù)字高分散集中分散控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)三層結(jié)構(gòu)的監(jiān)督控制系統(tǒng)

四層結(jié)構(gòu)的監(jiān)督控制系統(tǒng)

分散控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)現(xiàn)場級現(xiàn)場級指DCS系統(tǒng)在生產(chǎn)現(xiàn)場布置和實施的控制裝置或子系統(tǒng)，一般位于被控生產(chǎn)過程的附近。典型的現(xiàn)場級設備包括各類傳感器、變送器和執(zhí)行機構(gòu)等。傳感器將現(xiàn)場的非電物理量（如溫度、壓力、流量等）轉(zhuǎn)換為微小的電信號；變送器將傳感器送來的小信號變換為通用的電壓或電流信號，如4-20mA電流等?？刂萍壙刂萍壷饕蛇^程控制站和數(shù)據(jù)采集站構(gòu)成。在集中式布置方式中，過程控制站和數(shù)據(jù)采集站集中安裝在位于主控室后的電子設備室中。過程控制站主要作用是與現(xiàn)場級構(gòu)成閉環(huán)回路控制。實時完成連續(xù)控制、順序控制或邏輯控制功能。監(jiān)控級監(jiān)控級的主要設備有運行員操作站、工程師工作站和計算站。其中運行員操作站、工程師工作站通常安裝在中央控制室，計算站等一般安裝在電子設備室。運行員操作站是運行員與分散型控制系統(tǒng)相互交換信息的人機接口設備。運行人員通過運行員操作站來監(jiān)視和控制整個生產(chǎn)過程。工程師工作站是為了控制工程師對分散控制系統(tǒng)進行配置、組態(tài)、調(diào)試、維護所設置的工作站計算站的主要任務是實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的監(jiān)督控制。管理級管理級包含的內(nèi)容比較廣泛，一般來說，它可能是一個工廠的廠級管理計算機，也可能是若干個機組的管理計算機。它所面向的使用者包括廠長、經(jīng)理、總工程師、值長等行政管理或運行管理人員。廠級管理系統(tǒng)的主要任務是監(jiān)測企業(yè)各部分的運行情況，利用歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)對未來的生產(chǎn)做出預測，從企業(yè)全局利益出發(fā)輔助企業(yè)管理人員進行決策，幫助企業(yè)實現(xiàn)其規(guī)劃目標。分散控制系統(tǒng)的特點模塊化程度高，可擴展性強開放性好控制功能完善，人機聯(lián)系手段豐富可靠性高分散控制系統(tǒng)與工業(yè)4.0“工業(yè)4.0”即工業(yè)四代，是以智能制造為主導的第四次工業(yè)革命（第一、二、三次工業(yè)革命分別對應蒸汽時代、電氣時代、信息時代）?！肮I(yè)4.0”是德國政府提出的一個高科技戰(zhàn)略計劃，是指利用物聯(lián)信息系統(tǒng)(Cyber-PhysicalSystem，CPS)將生產(chǎn)中的供應，制造，銷售信息數(shù)據(jù)化、智能化，最后達到快速、有效、個人化的產(chǎn)品供應。工業(yè)4.0”的核心概念是由通信設備連接起的網(wǎng)絡化傳感器、生產(chǎn)設施、產(chǎn)品的控制系統(tǒng)，其主要特征是生產(chǎn)的智能化、數(shù)字化。工業(yè)4.0的目標：目標是建立一個高度靈活的個性化和數(shù)字化的產(chǎn)品與服務的生產(chǎn)模式。在這種模式中，傳統(tǒng)的行業(yè)界限將消失，并會產(chǎn)生各種新的活動領域和合作形式。創(chuàng)造新價值的過程正在發(fā)生改變，產(chǎn)業(yè)鏈分工將被重組。“工業(yè)4.0“的三大主題：

一是"智能工廠"，重點研究智能化生產(chǎn)系統(tǒng)及過程，以及網(wǎng)絡化分布式生產(chǎn)設施的實現(xiàn)；

二是“智能生產(chǎn)”，主要涉及整個企業(yè)的生產(chǎn)物流管理、人機互動以及3D技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)過程中的應用等；

三是“智能物流”：主要通過互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、物流網(wǎng)，整合物流資源，充分發(fā)揮現(xiàn)有物流資源供應方的效率，而需求方，則能夠快速獲得服務匹配，得到物流支持工業(yè)4.0九大技術(shù)支柱：

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)

云計算工業(yè)大數(shù)據(jù)工業(yè)機器人3D打印知識工作自動化工業(yè)網(wǎng)絡安全虛擬現(xiàn)實人工智能基于工業(yè)4.0的分散控制系統(tǒng)工業(yè)4.0的基礎是“互聯(lián)網(wǎng)+”，就未來DCS的發(fā)展而言，工業(yè)4.0在過程控制系統(tǒng)中的體現(xiàn)就是“互聯(lián)網(wǎng)+控制+管理”的模式。DCS中計算機的智能決策依賴于對信息的充分感知；要實現(xiàn)智能化，就要給系統(tǒng)提供充分的數(shù)據(jù)支撐。為此，需要配備足夠的傳感器，來判斷設備狀態(tài)、產(chǎn)品質(zhì)量、工況異常等。在此基礎上，將其與生產(chǎn)組織、用戶信息等集成起來，就實現(xiàn)了信息的縱向集成，是自動化走向智能化必不可少的中間階段。DCS可在下列幾個方面進行改進和完善以促進與工業(yè)4.0的融合：(1)加強信息采集。通過傳感器、軟測量等手段獲取質(zhì)量、排放、能耗、設備、工藝、操作等相關(guān)信息，并通過數(shù)據(jù)預處理得到