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集散控制系统（DCS）第9讲华东理工大学自动化系凌志浩第1部分集散控制系统的构成第1节集散控制系统的构成方式第2节集散控制系统的构成要素第1节集散控制系统的构成方式功能分层是集散控制系统的体系特征反映了集散控制系统的“分散控制、集中管理”的特点。四个层次三大块分布式控制系统典型结构一、集散控制系统的各层功能1.现场控制级的功能前提：微处理器进入现场变送器、传感器和执行器；现场总线的应用。部分或完全完成过程控制级的功能：采集过程数据，对数据进行数据转换；输出过程操作命令；进行直接数字控制；完成与过程装置控制级的数据通信；对现场控制级的设备进行检测和诊断。2.过程装置控制级的功能结构：过程控制设备+I/O卡件采集过程数据，进行数据转换和处理；数据的监视和存储；实施连续、批量或顺序控制的运算和输出控制作用；数据和设备的自诊断；数据通信。3.车间操作管理级的功能中央控制室操作站、打印机、拷贝机、工程师站、计算站数据显示与记录；过程操作（含组态操作、维护操作）；数据存储和压缩归档；报警、事件的诊断和处理；系统组态、维护和优化处理；数据通信；报表打印和画面硬拷贝。4.全厂优化和调度管理级的功能从系统的观点：原料销售；优化协调优化控制；协调和调度各车间生产计划和各部门的联系；主要数据的显示、存储和打印；数据通信。二、集散系统三大基本构成的特征“三大块”与四层的关系：1.分散过程控制装置对应于现场控制级和过程控制装置级；2.集中操作和管理系统对应于车间操作管理级和全厂优化调度管理级；3.通信系统完成各层之间的通信。1.分散过程控制装置部分适应恶劣是生产环境；分散控制；实时性；独立性。2.集中操作和管理系统部分信息量大；易操作性；容错性好；3.通信系统部分传输速率误码率开放性互操作性第2节集散系统的构成要素一、集散控制系统的结构特征递阶控制结构分散控制结构冗余控制结构1.递阶控制结构：多层结构、多级结构和多重结构（1）多层结构（按控制功能和规律）直接控制层：一般的简单控制优化控制或监视层：对象数学模型和参数已知，确定直接控制层的控制器的设定值学习层或自适应层：对实际系统的观测来辨识优化层中所使用的数学模型结构和参数，使模型和实际过程一致自组织层：按系统总控制目标选择下层所用的模型结构、控制策略等（2）多级结构为了减少同一级的各子系统之间信息的交换和决策的冲突，在分散的各决策子系统添加一级协调级。（3）多重结构第一重：按一定物理规律变化的物理现象；第二重：受控系统（从信息处理和控制角度）；第三重：经济实体，评价其效益和利润（经济学角度）比较：多重结构：主要从建模考虑；多级结构：子系统关联、横向分解、纵向分级；多层结构：复杂控制规律（4）递阶控制结构的优点系统结构灵活，容易改变，系统的容量可以扩大或缩小；控制功能增强，除了直接控制外，还有优化控制、自学习、自适应和自组织等功能；降低了信息存储量、计算量，减少了计算时间；可以设置备用子系统，降低成本，提高可靠性；各级的智能化将进一步提高系统的性能。2.集散控制系统的分散控制结构结构：垂直型（阶层型）：监视、调整水平型：自我管理复合型层次分散与水平分散示意图集散控制系统分散控制结构体现在：（1）组织人事的分散；（2）地域的分散；（3）功能的分散；（4）负荷的分散。3.冗余化的结构为了提高系统的可靠性，集散控制系统重要设备、对全局系统有影响的公共设备上常采用冗余结构。经常采用的冗余方式有：同步运转方式；待机运转方式；后退运转方式；多级操作方式。（1）同步运转方式让两台或两台以上的装置以相同的方式同步运转，输入相同的信号，进行相同的处理，然后对输出进行比较，如果输出保持一致则系统是正常运行的。双重冗余、“三中取二”（连锁）应用于可靠性要求极高的场合（2）待机运转方式采用N台同类设备，采用一台后备设备，平时后备设备处于准备状态，一旦N台设备中某一台设备发生故障，能启动后备设备使其运转。1：1备用系统、N：1备用系统热后备系统，指挥装置（3）后退运转方式正常时，N台设备各自分担各自功能进行运转，当其中一台设备损坏时，其余设备放弃部分不重要的功能，以此来完成损害设备的功能。典型：CRT和操作站（第一台监视、第二台操作、第三台报警）（4）多级操作方式纵向冗余的方法。正常操作是从上一层进行的，如该层故障则由下一层完成，这样逐步向下形成对最终元件执行器的控制。例如：功能模块设有手动、自动切换开关二、集散控制系统的结构分类三大组成部分：分散控制装置+通信系统+集中操作和管理装置（1）工业级微机+通信系统+操作管理机（2）单回路控制器+通信系统+工业级微机（3）PLC+通信系统+工业级微机（4）工业级微机+通信系统+工业级微机（5）智能前端+通信系统+工业级微机（1）工业级微机+通信系统+操作管理机工业级微机用作多功能、多回路的分散控制装置；操作管理机使用PC机，相应软件由软件厂商开发。（2）单回路控制器+通信系统+工业级微机单回路控制器作为分散控制装置；工业级微机作为操作管理站，通用性强、自行开发软件。适用于中小型企业（集散控制系统）。（3）PLC+通信系统+工业级微机PLC作为分散控制装置；其他同2。在制造业广泛应用的集散控制系统的结构，尤其适用于有大量逻辑顺序控制的过程。（4）工业级微机+通信系统+工业级微机工业级微机既作分散控制装置，也作操作和管理装置。（5）智能前端+通信系统+工业级微机智能前端指用于生产现场的智能控制设备，作为分散控制装置；用于小型集散控制系统。第2部分集散控制系统性能指标的评价第1节集散系统的可靠性第2节集散系统的易操作性第3节集散系统的可组态性第4节集散控制系统的其它性能指标第1节集散系统的可靠性一、可靠性1.可靠性机器、零件或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。广义可靠性和狭义可靠性：狭义可靠性:一次性使用的机器、零件或系统的使用寿命。广义可靠性：可修复的机器、零件或系统，在使用中不发生故障，一旦发生故障又易修复，使之具有经常使用的性能。（包含可维修性）2.衡量可靠性的指标（1）可靠度（2）平均故障时间MTBF（MeanTimeBetweenFailure）（3）到发生故障的平均时间MTTF（MeanTimeToFailure）（4）（瞬时）故障率FR（FailureRate）（1）可靠度：机器、零件或系统，从开始工作起，在规定的工作条件下的工艺周期内，达到所规定的性能，也是无故障正常工作的概率。（2）平均故障时间（MTBF）：可以边修理边使用的机器、零件或系统，相临故障时间的正常时间的平均值。（3）到发生故障的平均时间（MTTF）：不能修理的机器、零件或系统，至发生故障为止的工作时间的平均值。（4）故障率：通常指瞬时故障率，能工作到某个时间的机器、零件或系统，在连续单位时间内发生故障的比率，又称失效率或风险率。二、提高可靠性的途径从可靠性设计和维修性两方面分析1.可靠性设计的准则（1）有效地利用以前的经验（2）尽可能减少零件数（3）采用标准化产品（4）检查、调试及互换容易实现（5）零件互换性好（6）可靠性特殊设计方法2.提高分布式系统硬件可靠性的措施（1）冗余结构设计（RedundantStructure）按冗余部件、装置或系统的工作状态分为：工作冗余（热备用）后备冗余（冷备用）设计冗余结构的范围与系统的可靠性、自动化水平以及经济性一起考虑。越是处于下层的部件、装置或系统越需要冗余，而且冗余度越高。供电系统的冗余：外部双重化供电、内部大容量电池供电保护数据；过程控制装置的冗余：装置冗余（n：1）和CPU冗余（双重化冗余、热后备方式）；通信系统的冗余：双重化冗余，智能变送器、数据通信采用现场总线；操作站的冗余：2—3台操作站并联运行，组成双重化冗余或（2，3）表决系统冗余；系统输入输出信号的插卡部件的冗余以及上位机冗余等。冗余设计是以投入相同的装置、部件为代价来提高系统的可靠性。（2）不易发生故障的硬件设计为了提高使用寿命，从下面几个方面考虑硬件是设计和系统的选型：运动部件：由于电子元器件的使用寿命比机械运动部件的使用寿命长，因此，运动部件的寿命就成为衡量系统可靠性的指标。接插部件：卡件本身、卡件和卡件座接触部分的设计——采用先进的制造工艺元器件：机械与电子器件。选用名牌生产厂家高性能、规格化、系列化的元器件，严格预处理和筛选。电路优化设计：采用大规模和超大规模的集成电路芯片，尽可能减少焊点；采用电路优化设计（连接线优化布置、优化性能的元器件、多级控制系统总体设计）（3）迅速排除故障的硬件设计为迅速排除故障，减小MTTR，除了具有足够的备品备件以及提高维修人员技能外，在硬件设计方面采取以下措施：自诊断：硬件和软件结合共同完成。硬件设计使系统发生故障时引起标志为的变化；软的设计是对检测值与故障限值进行比较并发出信号。硬件设计：硬件机械部件和电子部件的设计应易检修、更换、不易发生故障。专用诊断检修设备：为便于诊断和检修，大多数分布式控制系统厂家制造专用设备，用于在线和离线检查和修理，甚至可以进行仿真运行。售后服务和备品备件：人员培训、售后维修、升级及备品备件的服务。三．提高分布式系统软件可靠性的措施（1）分散结构设计把整体的软件设计分散成各子系统的设计，各自独立，共享资源，不仅有利于设计工作的开展，也有利于软件的调试。如把整体设计分为控制器模件、历史数据模件、打印模件、报警事件模件等子系统的软件设计。（2）容错技术在设计软件时，对操作人员的误操作不予响应，即如不按设计顺序则软件不会去输出操作指令，或者输出提示操作出错的信息。（3）标准化采用标准化的软件可以提高软件运行的可靠性，还为其他软件公司的软件移植、应用提供条件。第2节集散控制系统的易操作性集散控制系统的操作包括生产过程操作、组态和编程操作以及维护修理操作。操作透明度：操作信息和更新速度易操作性：方便地达到所需要的操作，不易发生误操作容错技术：发生误操作时不影响正常运行安全性：进入相应操作环境的安全许可措施一．操作透明度操作透明度：生产过程的操作信息是否清晰地为操作员所接受和理解，并被应用于生产过程的操作中去的能力。（1）检测仪表使用初期：现场工作、有实感的理解过程（真实、形象）（2）CRT集中显示和操作：操作员对生产过程的状态的认识和实感变淡薄。需要操作员的经验、知识和思维方式对信息进行处理和理解，从而降低操作透明度。（3）集散控制系统：建立与生产过程、模拟仪表及其相似的趋势显示画面、面板，实时更新等。用来提高操作透明度。二．易操作性易操作性：分布式系统所提供的操作环境容易为操作员所接受，并根据提供的信息对生产的全过程进行操作。操作环境、操作功能、容错技术、安全性（一）操作环境：舒适地进行工作数据、状态等信息易于辨认；报警或事件等信息能引起注意；长期工作不感到疲劳；开关和设备便于操作；以最快的速度达到所需要的操作。涉及宜人学、系统的组态、结构方面的知识。宜人学宜人学（人机工程学）：“人体科学”与“工程技术”的结合，研究“人-机-环境”系统中人、机、环境三大要素之间的关系和相互作用的规律，为解决和优化系统中人的效能、健康等问题提供理论与方法的一门新兴边缘科学。人机工程学的基本理论是“产品设计要适合人的生理，心理因素”。（二）操作功能分布式控制系统的操作功能主要通过运行员站实施。从易操作性来分析操作功能的实施，其判别准则是：如何获得所需信息经过多少项操作达到能提供信息的画面如何对过程实施操作（1）显示功能显示画面：①过程操作画面：概貌画面、过程