1、2020/9/3,1,集散控制系統(tǒng),2020/9/3,2,集散控制系統(tǒng),2020/9/3,3,第一章概述,1.1集散控制系統(tǒng)的基本概念 一、概念 集散控制系統(tǒng)：以微處理器為基礎(chǔ)的采用分散控制、集中顯示和操作的新一代控制系統(tǒng)。 集散控制系統(tǒng)又叫“分散控制系統(tǒng)”、“分布式控制系統(tǒng)”。英文：“Distributed control system”簡寫成“DCS” 二、集散控制系統(tǒng)的產(chǎn)生、發(fā)展歷程 國外情況： 基地式儀表室內(nèi)遠(yuǎn)傳控制DDCDCS (第一代)DCS(第二代局域網(wǎng)) DCS(第三代開放性) DCS(第四代信息與集成) 國內(nèi)情況： 八十年代初，全套引進(jìn)；八十年代末DCS制造開始起步；到九十年

2、代，迅速發(fā)展壯大。,2020/9/3,4,DCS的發(fā)展 第一階段（1975年1980年） 代表產(chǎn)品主要有美國Honeywell公司的TDC2000，Baily公司的Network90，F(xiàn)oxboro公司的Spectrum，日本橫河公司的Centum等 主要由過程控制單元PCU、數(shù)據(jù)采集裝置DAU、CRT操作站、監(jiān)控計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)高速公路HW五部分組成,2020/9/3,5, 第二階段（1980年1985年） 主要代表產(chǎn)品有Honeywell公司的TDC3000，日本橫河公司的Centum A，B，D等 主要由局部網(wǎng)絡(luò)LAN、多功能控制器MC、增強(qiáng)型操作站EOS、通用操作站US、網(wǎng)間連接器GW、系

3、統(tǒng)管理模塊SMM和主計(jì)算機(jī)HC七部分組成,2020/9/3,6, 第三階段（1985年1990年） DCS向計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制擴(kuò)展，將過程控制、監(jiān)督控制和管理調(diào)度進(jìn)一步結(jié)合起來，并且加強(qiáng)斷續(xù)系統(tǒng)功能，采用專家系統(tǒng)和開放系統(tǒng)互連參考模型為基礎(chǔ)的制造自動化協(xié)議MAP標(biāo)準(zhǔn)，以及硬件上的諸多新技術(shù)，從而克服了自動化孤島問題 典型產(chǎn)品有Honeywell公司的TDCS3000，日本橫河公司的Centum-XL，Bailey的INFI-90等,2020/9/3,7, 第四階段（1990年以后） DCS以管控一體化出現(xiàn)，在硬件上采用了開放的工作站，采用了Client/Server的結(jié)構(gòu)，在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上增加了工廠信

4、息網(wǎng)，并可與互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)，在軟件上采用UNIX和X-Windows的圖形用戶界面，系統(tǒng)的軟件更豐富，一些優(yōu)化和管理良好的界面的軟件被開發(fā)并移植到DCS中 典型產(chǎn)品有Honeywell公司的TPS控制系統(tǒng)，日本橫河公司的Centum-CS控制系統(tǒng)，F(xiàn)oxboro公司的I/A S50/51系統(tǒng)等 CISC-RISC (complex/reduced instruction set computer),2020/9/3,8,二、DCS系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) DCS系統(tǒng)有三大部分組成： 1、分散過程控制裝置 功能：生產(chǎn)過程的各種變量通過它轉(zhuǎn)化為操作監(jiān)視的數(shù)據(jù)，操作的各種信息業(yè)通過過程控制裝置送到各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對輸

5、入輸出量進(jìn)行A/D,D/A轉(zhuǎn)換以及濾波等運(yùn)算 組成：AI AO DI DO PI PO等功能板， CPU、電源、端子板等 2、操作管理裝置 功能：操作員可以通過他了解生產(chǎn)能夠過程的運(yùn)行狀況，并通過它發(fā)出操作指令給生產(chǎn)過程 組成：人機(jī)界面等 3、通信系統(tǒng) 功能：在分散過程控制裝置與操作管理裝置之間完成數(shù)據(jù)交換和傳遞 組成：線纜和接口,2020/9/3,9,2020/9/3,10,三、開放系統(tǒng) 1、可移植性 不同DCS廠家的軟件、程序、數(shù)據(jù)及人員可以相互借用，互相移植，到第四代硬件都可以移植。另外以職業(yè)帶來了安全方面的隱患。如，橫河公司的R3用富士公司的PROCESION代為I/O單元。 2、互操

6、作性 網(wǎng)絡(luò)的連接，使數(shù)據(jù)互通，資源共享。現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)化后，符合標(biāo)準(zhǔn)地各種檢測、變送和執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)品可以互換和替代。第四代表現(xiàn)最明顯。 3、可適宜性 無論在運(yùn)行的軟件版本高低都可以互通、匹配，就是說應(yīng)用新的同時(shí)不可能把舊的廢掉。 4、可得到性 也就是容易得到，由于各制造廠的產(chǎn)品具有統(tǒng)一的通信標(biāo)準(zhǔn)，就可以根據(jù)需要選擇產(chǎn)品。,2020/9/3,11,1.2 集散控制系統(tǒng)的特點(diǎn),一、集散控制系統(tǒng)的特點(diǎn) A： DCS的基本特點(diǎn)：集中管理，分散控制 B： 與模擬儀表相比較的特點(diǎn)：連接方便，容易更改，顯示方式靈活，內(nèi)容多樣，數(shù)據(jù)存儲量大。 C:與DDC比較：具有操作監(jiān)督方便，危險(xiǎn)分散，功能分散等優(yōu)點(diǎn) 結(jié)構(gòu)上又

7、是遞階分級的 二、分級遞階控制（畫圖） 集散控制系統(tǒng)在水平與垂直方向都是分級的，如圖：操作站/工程師站/管理員站 通信系統(tǒng)控制站控制站 現(xiàn)場信號現(xiàn)場信號,2020/9/3,12,二、分散控制 不僅僅指控制上的分散，隨著生場規(guī)模越來越大操作管理不可能在一個控制室內(nèi)完成，因此還有其他的含義： 如：人員的分散、地域的分散、功能的分散、危險(xiǎn)的分散、及操作的分散。 三、自治和協(xié)調(diào)性 分散的基礎(chǔ)是集散控制系統(tǒng)應(yīng)是自治的系統(tǒng) 遞階分級的基礎(chǔ)是被分散的系統(tǒng)應(yīng)是相互協(xié)調(diào)的系統(tǒng) 、DCS的各組成部分使各自為政的自治系統(tǒng)，各自完成各自的功能，相互又有聯(lián)系，數(shù)據(jù)信息相互交換，各種條件相互制約在系統(tǒng)的協(xié)調(diào)下工作。 、分

8、散過程控制裝置是一個自治的系統(tǒng)，它完成數(shù)據(jù)的采集、信號處理、計(jì)算及輸出功能,2020/9/3,13,1.3集散控制系統(tǒng)的展望,一、總述 集散控制系統(tǒng)將向兩個方向發(fā)展： 一個是向上發(fā)展：向CIMS計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，CIPS計(jì)算機(jī)集成過程系統(tǒng)發(fā)展。 另一個是向下發(fā)展：即向FCS現(xiàn)場總線發(fā)展 二、信息化集成系統(tǒng) 提供了從現(xiàn)場到設(shè)備，從設(shè)備到車間、從車間到工廠、從工廠到企業(yè)集團(tuán)的整個信息通道，體現(xiàn)了信息的全面性、準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性和系統(tǒng)性。 、硬件 存貯容量、傳輸速度、標(biāo)準(zhǔn)接口以及操作環(huán)境都有了很大的改變。 、軟件 軟件方面采用了標(biāo)準(zhǔn)化原則、實(shí)用性、安全性、和性價(jià)比原則,2020/9/3,14,二、場總

9、線控制系統(tǒng)FCS(feildbus control system) DCS未來發(fā)展的趨勢 1、現(xiàn)場總線 現(xiàn)場總線的應(yīng)用在儀器儀表業(yè)帶來一場深刻的變革，將傳統(tǒng)的信號、通信、系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)河自控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)方法，安裝調(diào)試等也將帶來新的思路。 2、現(xiàn)場基金會FF 1994年成立10月成立，120成員單位，中國有冶金部自動化研究所、北京華控技術(shù)有限公司、中國儀器儀表協(xié)會等單位加入。 基金會現(xiàn)場總線是在多臺智能化現(xiàn)場設(shè)備及自動化系統(tǒng)間的有數(shù)字化的雙向的多站通信連結(jié)而成的一種網(wǎng)絡(luò)，取代了4-20mA模擬信號標(biāo)準(zhǔn)，用于連結(jié)智能現(xiàn)場總想儀表和控制室設(shè)備的雙向數(shù)字多站通信協(xié)議。,2020/9/3,15,、現(xiàn)場

10、總線的特點(diǎn) 用戶對產(chǎn)品的選擇權(quán)增至最大 消除了420mA模擬儀表通信的瓶頸現(xiàn)象 降低現(xiàn)場安裝費(fèi)用和減少相應(yīng)設(shè)備 為用戶提供更多功能 增強(qiáng)了系統(tǒng)的自治性 提高系統(tǒng)的檢測精度和魯棒性 系統(tǒng)組態(tài)簡單，安裝運(yùn)行和維修方便 三、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)將是控制的到最終地分散，它把控制功能移到了現(xiàn)場沒了控制站。有人預(yù)計(jì)二十一世紀(jì)的控制是FCS取代DCS時(shí)代。但是，現(xiàn)場總線研究課題開發(fā)工作還在進(jìn)行之中，一些控制功能和標(biāo)準(zhǔn)還不完善，發(fā)展方向拭目以待。,2020/9/3,16,2020/9/3,17,2020/9/3,18,2020/9/3,19,2020/9/3,20,2020/9/3,21,

11、2020/9/3,22,2020/9/3,23,2020/9/3,24,2020/9/3,25,2020/9/3,26,分布式控制的技術(shù)發(fā)展,系統(tǒng)硬件的發(fā)展 開放結(jié)構(gòu)的工作站 整體運(yùn)算速度快 存貯容量大 圖形處理功能強(qiáng) 良好的安全保護(hù)系統(tǒng) 友好的人機(jī)界面,2020/9/3,27,分布式控制的技術(shù)發(fā)展（續(xù)）, 現(xiàn)場總線 互操作性 更低的安裝費(fèi)用 更低的維護(hù)費(fèi)用 有助于維護(hù) 改進(jìn)功能,2020/9/3,28,分布式控制的技術(shù)發(fā)展（續(xù)）, 現(xiàn)場總線 互操作性 更低的安裝費(fèi)用 更低的維護(hù)費(fèi)用 有助于維護(hù) 改進(jìn)功能,2020/9/3,29,分布式控制的技術(shù)發(fā)展（續(xù)）, 開放的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) Client/Se

12、rver網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)通信接口 數(shù)字儀表綜合化 數(shù)字儀表可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、控制功能運(yùn)算、操作監(jiān)視、報(bào)警和控制，一些儀表還包括高級的控制算法 采用數(shù)字儀表可大大節(jié)約現(xiàn)場接線和安裝費(fèi)用，現(xiàn)場信號用同軸電纜傳送到上一級,2020/9/3,30,分布式控制的技術(shù)發(fā)展（續(xù)）,系統(tǒng)軟件的發(fā)展 采用多任務(wù)多用戶的操作系統(tǒng)或其改進(jìn)版本 引入人工智能 采用智能變送器、智能控制器和智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)等智能儀表 采用智能控制算法 采用管理、調(diào)度等優(yōu)化軟件包 采用GUI圖形處理的各種應(yīng)用軟件 交互式關(guān)系數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用,2020/9/3,31,第一章概述,1.1集散控制系統(tǒng)的基本概念 一、概念 集散控制系統(tǒng)：以微處理器為基礎(chǔ)

13、的采用分散控制、集中顯示和操作的新一代控制系統(tǒng)。 集散控制系統(tǒng)又叫“分散控制系統(tǒng)”、“分布式控制系統(tǒng)”。英文：“Distributed control system”簡寫成“DCS” 二、集散控制系統(tǒng)的產(chǎn)生、發(fā)展歷程 國外情況： 基地式儀表室內(nèi)遠(yuǎn)傳控制DDCDCS (第一代)DCS(第二代局域網(wǎng)) DCS(第三代開放性) DCS(第四代信息與集成) 國內(nèi)情況： 八十年代初，全套引進(jìn)；八十年代末DCS制造開始起步；到九十年代，迅速發(fā)展壯大。,2020/9/3,32,DCS的發(fā)展 第一階段（1975年1980年） 代表產(chǎn)品主要有美國Honeywell公司的TDC2000，Baily公司的Netwo

14、rk90，F(xiàn)oxboro公司的Spectrum，日本橫河公司的Centum等 主要由過程控制單元PCU、數(shù)據(jù)采集裝置DAU、CRT操作站、監(jiān)控計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)高速公路HW五部分組成,2020/9/3,33, 第二階段（1980年1985年） 主要代表產(chǎn)品有Honeywell公司的TDC3000，日本橫河公司的Centum A，B，D等 主要由局部網(wǎng)絡(luò)LAN、多功能控制器MC、增強(qiáng)型操作站EOS、通用操作站US、網(wǎng)間連接器GW、系統(tǒng)管理模塊SMM和主計(jì)算機(jī)HC七部分組成,2020/9/3,34, 第三階段（1985年1990年） DCS向計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制擴(kuò)展，將過程控制、監(jiān)督控制和管理調(diào)度進(jìn)一步結(jié)合起

15、來，并且加強(qiáng)斷續(xù)系統(tǒng)功能，采用專家系統(tǒng)和開放系統(tǒng)互連參考模型為基礎(chǔ)的制造自動化協(xié)議MAP標(biāo)準(zhǔn)，以及硬件上的諸多新技術(shù)，從而克服了自動化孤島問題 典型產(chǎn)品有Honeywell公司的TDCS3000，日本橫河公司的Centum-XL，Bailey的INFI-90等,2020/9/3,35, 第四階段（1990年以后） DCS以管控一體化出現(xiàn)，在硬件上采用了開放的工作站，采用了Client/Server的結(jié)構(gòu)，在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上增加了工廠信息網(wǎng)，并可與互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)，在軟件上采用UNIX和X-Windows的圖形用戶界面，系統(tǒng)的軟件更豐富，一些優(yōu)化和管理良好的界面的軟件被開發(fā)并移植到DCS中 典型產(chǎn)品有Hon

16、eywell公司的TPS控制系統(tǒng)，日本橫河公司的Centum-CS控制系統(tǒng)，F(xiàn)oxboro公司的I/A S50/51系統(tǒng)等 CISC-RISC (complex/reduced instruction set computer),2020/9/3,36,二、DCS系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) DCS系統(tǒng)有三大部分組成： 1、分散過程控制裝置 功能：生產(chǎn)過程的各種變量通過它轉(zhuǎn)化為操作監(jiān)視的數(shù)據(jù)，操作的各種信息業(yè)通過過程控制裝置送到各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對輸入輸出量進(jìn)行A/D,D/A轉(zhuǎn)換以及濾波等運(yùn)算 組成：AI AO DI DO PI PO等功能板， CPU、電源、端子板等 2、操作管理裝置 功能：操作員可以通過他了解

17、生產(chǎn)能夠過程的運(yùn)行狀況，并通過它發(fā)出操作指令給生產(chǎn)過程 組成：人機(jī)界面等 3、通信系統(tǒng) 功能：在分散過程控制裝置與操作管理裝置之間完成數(shù)據(jù)交換和傳遞 組成：線纜和接口,2020/9/3,37,2020/9/3,38,三、開放系統(tǒng) 1、可移植性 不同DCS廠家的軟件、程序、數(shù)據(jù)及人員可以相互借用，互相移植，到第四代硬件都可以移植。另外以職業(yè)帶來了安全方面的隱患。如，橫河公司的R3用富士公司的PROCESION代為I/O單元。 2、互操作性 網(wǎng)絡(luò)的連接，使數(shù)據(jù)互通，資源共享?，F(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)化后，符合標(biāo)準(zhǔn)地各種檢測、變送和執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)品可以互換和替代。第四代表現(xiàn)最明顯。 3、可適宜性 無論在運(yùn)行的軟件版

18、本高低都可以互通、匹配，就是說應(yīng)用新的同時(shí)不可能把舊的廢掉。 4、可得到性 也就是容易得到，由于各制造廠的產(chǎn)品具有統(tǒng)一的通信標(biāo)準(zhǔn)，就可以根據(jù)需要選擇產(chǎn)品。,2020/9/3,39,1.2 集散控制系統(tǒng)的特點(diǎn),一、集散控制系統(tǒng)的特點(diǎn) A： DCS的基本特點(diǎn)：集中管理，分散控制 B： 與模擬儀表相比較的特點(diǎn)：連接方便，容易更改，顯示方式靈活，內(nèi)容多樣，數(shù)據(jù)存儲量大。 C:與DDC比較：具有操作監(jiān)督方便，危險(xiǎn)分散，功能分散等優(yōu)點(diǎn) 結(jié)構(gòu)上又是遞階分級的 二、分級遞階控制（畫圖） 集散控制系統(tǒng)在水平與垂直方向都是分級的，如圖：操作站/工程師站/管理員站 通信系統(tǒng)控制站控制站 現(xiàn)場信號現(xiàn)場信號,2020/

19、9/3,40,二、分散控制 不僅僅指控制上的分散，隨著生場規(guī)模越來越大操作管理不可能在一個控制室內(nèi)完成，因此還有其他的含義： 如：人員的分散、地域的分散、功能的分散、危險(xiǎn)的分散、及操作的分散。 三、自治和協(xié)調(diào)性 分散的基礎(chǔ)是集散控制系統(tǒng)應(yīng)是自治的系統(tǒng) 遞階分級的基礎(chǔ)是被分散的系統(tǒng)應(yīng)是相互協(xié)調(diào)的系統(tǒng) 、DCS的各組成部分使各自為政的自治系統(tǒng)，各自完成各自的功能，相互又有聯(lián)系，數(shù)據(jù)信息相互交換，各種條件相互制約在系統(tǒng)的協(xié)調(diào)下工作。 、分散過程控制裝置是一個自治的系統(tǒng)，它完成數(shù)據(jù)的采集、信號處理、計(jì)算及輸出功能,2020/9/3,41,1.3集散控制系統(tǒng)的展望,一、總述 集散控制系統(tǒng)將向兩個方向發(fā)展

20、： 一個是向上發(fā)展：向CIMS計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，CIPS計(jì)算機(jī)集成過程系統(tǒng)發(fā)展。 另一個是向下發(fā)展：即向FCS現(xiàn)場總線發(fā)展 二、信息化集成系統(tǒng) 提供了從現(xiàn)場到設(shè)備，從設(shè)備到車間、從車間到工廠、從工廠到企業(yè)集團(tuán)的整個信息通道，體現(xiàn)了信息的全面性、準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性和系統(tǒng)性。 、硬件 存貯容量、傳輸速度、標(biāo)準(zhǔn)接口以及操作環(huán)境都有了很大的改變。 、軟件 軟件方面采用了標(biāo)準(zhǔn)化原則、實(shí)用性、安全性、和性價(jià)比原則,2020/9/3,42,二、場總線控制系統(tǒng)FCS(feildbus control system) DCS未來發(fā)展的趨勢 1、現(xiàn)場總線 現(xiàn)場總線的應(yīng)用在儀器儀表業(yè)帶來一場深刻的變革，將傳統(tǒng)的信號、

21、通信、系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)河自控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)方法，安裝調(diào)試等也將帶來新的思路。 2、現(xiàn)場基金會FF 1994年成立10月成立，120成員單位，中國有冶金部自動化研究所、北京華控技術(shù)有限公司、中國儀器儀表協(xié)會等單位加入。 基金會現(xiàn)場總線是在多臺智能化現(xiàn)場設(shè)備及自動化系統(tǒng)間的有數(shù)字化的雙向的多站通信連結(jié)而成的一種網(wǎng)絡(luò)，取代了4-20mA模擬信號標(biāo)準(zhǔn)，用于連結(jié)智能現(xiàn)場總想儀表和控制室設(shè)備的雙向數(shù)字多站通信協(xié)議。,2020/9/3,43,、現(xiàn)場總線的特點(diǎn) 用戶對產(chǎn)品的選擇權(quán)增至最大 消除了420mA模擬儀表通信的瓶頸現(xiàn)象 降低現(xiàn)場安裝費(fèi)用和減少相應(yīng)設(shè)備 為用戶提供更多功能 增強(qiáng)了系統(tǒng)的自治性 提高系統(tǒng)的檢測精度和魯棒性 系統(tǒng)組態(tài)簡單，安裝運(yùn)行和維修方便 三、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)將是控制的到最終地分散，