集散控制的第一章

1集散控制系统2王娆芬[e-mail]行政楼915677911263成绩（考试课）平时：40%随堂作业。20%大报告。20%（11周）出勤：每缺勤1次，扣5分，缺勤超过本门课1/3取消考试资格。考试：60%，闭卷一、本课程在课程体系中的定位1.具备一定的系统设计、分析、仿真、控制、决策的知识和技能；2.具有在自动化相关专业领域进行科学研究的能力；3.具有自动化工程实践应用的能力。二、教学目标1.加强学生对实际过程工业控制方法的认识，培养学生从应用角度出发，分析、设计和维护控制系统的能力；2.全面了解集散控制系统的结构、评价方法和设计方法，培养学生树立正确的设计思路，培养从事自动控制方法相关研究的能力。3.培养学生应用计算机技术、通信技术、控制技术和显示技术，解决实际工程问题的能力；4三、教学效果通过本课程的学习，学生可具备：了解集散控制系统的发展、基本概念和结构；掌握集散控制系统的硬件结构、特点、分层体系和各层功能；熟悉集散控制系统的性能评估和选型方法；熟悉集散控制系统的控制算法和组态；熟悉集散控制系统的工程设计过程和方法。熟悉集散控制系统人机界面的功能和特点；熟悉集散控制系统的网络通信；56概述绪论1.1集散控制系统的基本概念1.2集散控制系统的特点1.3集散控制系统的展望7绪论一、控制系统按照结构分类集中控制系统分散控制系统集散控制系统(分布式控制系统)二、集散控制系统的产生8一、控制系统按照结构分类1、集中控制系统（CentralizedControlSystem，CCS）2、分散控制系统（DecentralizedControlSystem，DCS）3、集散控制系统（TotalDistributedControlSystem，TDCS）（分布式控制系统）91、集中控制系统控制计算机基本控制过程1基本控制过程2基本控制过程3基本控制过程4基本控制过程510集中控制系统的概念单机系统，用一台计算机对多个对象或设备进行集中管理和集中控制，有时称为“群控”。112、分散控制系统多机系统多台计算机分别控制不同的对象或设备，各自构成子系统，各子系统间有通信或网络互联的关系。从整个系统来说，在功能上、逻辑关系上、物理上以及地理位置上都是分散的。以计算机网络为组成核心的控制系统都是分散式系统。123、集散控制系统将微处理器作为核心的集中分散控制系统。利用控制技术（Control）、计算机技术（Computer）、通信技术（Communication）和阴极射线管（CRT）显示技术——4C技术，对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的新型控制系统。TotalDistributedControlSystem，TDCS,又称分布式控制系统。主要特点：集中管理、分散控制。13集散控制系统典型结构14比较分散控制系统和集散控制系统结构相似：分层、子系统、联系不同：（1）采用的技术不同；（2）各子系统有密切联系和信息交换，系统对各子系统的总体目标和任务进行协调和分配。集散控制系统也是多机系统，严格地说是分散控制系统的一种。151.30年代初期：分散控制方式特点直接作用式气动控制器；控制装置安装在被控过程附近，每个回路有单独控制器；运行人员分布在全厂各处；适用于规模不太大、工艺过程不太复杂的企业。二、集散控制系统的产生16控制系统的发展史172.30年代末期：集中控制方式中央控制室，信息远距离传输；变送器、执行器和控制器分离：变送器、执行器安装在现场，控制器在中央控制室；优点：运行人员可获得整个的生产信息，便于协调控制；注意：控制仪表和运行人员在地理上的集中，控制器分别完成各控制任务，故障影响不大——运行管理的集中，仍然分散控制；采用气动单元组合仪表、电动单元组合仪表和组件组装式仪表。18控制系统的发展史19控制系统的发展史20控制系统的发展史213.50年代末60年代初：集中控制方式计算机用于生产过程直接数字控制，造价高，一台计算机控制全厂的生产过程，整个系统控制任务的集中。特点：控制集中、管理集中缺点：受硬件水平限制，计算机可靠性低，一旦发生故障，全厂生产瘫痪。22集中控制系统控制计算机基本控制过程1基本控制过程2基本控制过程3基本控制过程4基本控制过程5234.70年代:集散控制方式集散控制系统产生的原因：模拟仪表难以胜任生产规模的不断扩大；仪表控制系统应适应工业技术发展的要求；计算机集中控制的风险太大；系统上下及子系统之间的通信联系要求越来越高提出了集散控制系统的概念，把控制功能分散在不同的计算机中完成，采用通信技术实现各部分之间的联系和协调。特点：控制分散、管理集中24控制系统的发展史25总结：控制系统的发展历史(循环)1.30年代初期：分散控制→(控制分散、管理分散)2.30年代末期：集中控制→(控制分散、管理集中)3.50年代末60年代初：集中控制→(控制集中、管理集中)4.70年代:集散控制(控制分散、管理集中)26一、集散系统的发展历史五个历史阶段（五代）二、集散系统的基本结构三大块1.1集散控制系统的基本概念27一、集散控制系统的发展（五个历史阶段）1.第一阶段（初创期）（1975—1980年）DCS的雏形，三大组成部分：分散过程控制装置操作管理装置数据通信系统28基本特点：集中管理、分散控制；融入4C技术，数据通信系统为初级局域网。比较注重控制功能的实现，设计重点是现场控制站，直接控制功能成熟可靠，人机界面功能相对较弱。各个厂家的系统均由专有产品构成。29第一个集散控制系统是1975年首先由美国霍尼威尔（Honeywell）公司推出第一代典型产品（公司）：Honeywell公司的TDCS2000福克斯波罗公司的Spectrum横河公司的Centum西门子(Siemens)公司的TelepermM泰勒公司的MOD3等302.第二阶段（成熟期）（1980—1985年）集散控制系统的功能不断完善：控制算法扩充；常规控制和逻辑控制、批量控制结合；过程操作管理范围扩大；功能增添；显示屏分辨率提高；显示色彩增加；多微处理器技术得到应用等。31数据通信技术发展：由主从式星式数据通信转为对等式总线网或环网通信；局域网；通信范围扩大、传输速率提高、通信质量改善。通信系统各自为政、不同厂家通信困难——“自动化孤岛”。3233特点：引入局域网作为系统骨干，使得系统的规模容量进一步增加，并且有扩充的余地。在功能上也逐步完善，除回路控制以外，增加了与顺序控制、逻辑控制相结合的控制方式。加强管理站功能，可实现优化控制和生产管理功能。人机界面功能也有显著的改善，通过CRT的显示能得到更多的生产和系统控制信息。系统的开放性仍然很差。34第二代典型产品（公司）：Honeywell公司的TDCS-3000泰勒公司的MOD300贝利公司的Network-90西屋公司的WDPFABB公司的Master利诺公司的MAX1等353.第三阶段（开放期）（1985年-1990年）主要特征：开放系统通信标准符合国际标准组织ISO的OSI开放系统互连的参考模型，第三方软件和程序可在集散控制系统中应用和移植；不同制造厂家的产品可以进行数据通信，克服了“自动化孤岛”等困难；系统的软件和控制功能也有所增强。3637特点：增加了上层网络，将生产的管理功能纳入系统中。形成直接控制、监督控制和协调优化、上层管理的现代DCS的标准体系结构。各种DCS的差异体现在不同行业应用的控制方法和高层管理功能上。另外组态实现标准化，支持IEC61131-3所定义的五种编程语言。系统的开放性有很大的提高，构成系统的产品不再专有化。现场总线技术也开始应用到系统中。38美国Foxboro公司在1987年推出的I/AS系统标志着集散控制系统进入了第三代。其他代表产品:Honeywell公司的带有UCN网的TDC3000横河公司带有SV-NET网的CENTUM-XL罗斯蒙特公司的RS-3利诺公司的MAX1000394.第四阶段（集成期）（1990-1995）开放性、可操作性、互相联系、共享资源及运行第三方软件等已成为各制造厂家生产集散控制系统的标准管控一体化：集散控制系统不仅对生产过程进行控制和管理，还对整个车间、工厂到企业的生产计划、资源进行调度和管理。硬件：开放式的工作站，RISC代替CISC，客户机/服务器的结构；40软件：则采用UNIX系统和X-Windows的图形界面，系统的软件更丰富；工厂信息网（Intranet）的出现，在计算机集成制造系统CIMS得到应用。信息的集成化和网络化。41特点：引入企业信息网，更加注重信息化和集成化；已实现管控一体化，采用C/S的结构，可以直接连到Internet；I/O处理单元小型化、智能化、低成本；更注重平台的开放型与应用的专业化。42Honeywell公司的TPS系统横河公司的CS系统ABB公司的Advant系列OCS系统Foxboro的I/AS50/51系列435.第五阶段（合成阶段）（90年代后期）现场总线技术的发展，使得现场总线控制系统（FieldbusControlSystem,FCS）与集散控制系统合成。FCS将集散控制系统的优点集中，使控制功能更完善，操作更方便，组态更容易。采用数字传输技术代替模拟传输技术。随着FCS的逐步完善，现场总线设备功能的不断增强，操作的方便、成本的降低和功能的完善等将使FCS应用越来越广，并将逐步代替传统意义的集散控制系统。44第五代典型产品：Honeywell公司的Experion-PKS和PlantScape系统.Emerson公司的DeltaV和Ovation系统.英维思公司的I/A系列FoxCAE系统ABB的IndustrialITSmar公司的System302西门子公司的PCS7控制系统45DCS的发展趋势主要体现在以下几个方面：1、系统的功能从低层逐步向高层扩展。2、系统的功能由单一的回路控制发展到综合了逻辑控制、顺序控制、程序控制、批量控制及配方控制等混合控制功能。3、构成系统的各个部分由专有产品改变为开放的市场采购产品。464、开放的趋势使得DCS厂家重视公开标准，注意与第三方产品的集成。5、开放性的系统趋同化使得DCS厂家向高层、与生产工艺结合紧密的高级控制功能发展。6、数字化的发展越来越向现场延伸，使得现场控制功能和系统的体系结构发生重大变化，将发展为更加智能、更加分散化的控制系统。47集散控制系统的主要类型①以生产电动模拟仪表为主的仪表制造商，在常规过程控制方面进行深入研究，形成第一类DCS的特色。在常规模拟仪表基础上，这类DCS以过程控制见长。②以生产继电器、开关逻辑器件为主的制造商，在逻辑控制、顺序控制方面发挥其特长，在可编程逻辑控制器研究的基础上，形成第二类DCS产品。这类DCS以逻辑控制、顺序控制见长。③以生产计算机、半导体和集成电路为主的制造商，充分发挥其在数据通信、计算机技术的优势，利用其数据通信、数据显示、数据存储、微处理器技术和网络技术方面的特长，形成了第三类DCS。这类DCS以计算机和网络技术见长。48集散控制系统的定义教材定义：集散控制系统是一类分散控制、集中管理的共用控制、共用显示的开放的仪表计算机控制系统。分散控制指控制可以分散在各控制装置或现场设备；集中管理指操作人员主要集中在控制室操作整个生产过程；共用控制指各种控制回路是共用一个或几个分散过程控制装置；49共用显示指显示装置既显示生产过程的流程，也显示用于操作的仪表面板，在一个显示画面上可获得多个设备或过程的运行状态等；开放指系统能够与其他系统友好地连接，实现信息共享，系统内部的设备，例如变送器和执行器等可以互操作和互换；仪表计算机控制系统指控制系统既包含仪表，也包含计算机及相关通信系统，其目的是用于生产过程的