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分布式控制技术及其应用Yoursitehere任课教师及学习班级教师姓名：邓娜联系方式：67791238班级代号：0231101班级人数：43人上课时间：周一、周三7-8节上课地点：C110上课周次：1-16周Yoursitehere课程概况课程性质：专业特色课学时：64学分：4课程序号：0279课程代码：020338前期课程：模拟电路、数字电路、自动控制理论、计算机语言、通信理论、单片机控制、电机学等考试考查：考试YoursitehereContents分布式系统构成及指令现场总线和数据通信可编程序逻辑控制方法3概述1245常规控制算法YoursitehereContents(2)现场控制站操作和显示DCS工程设计与应用8现代控制方法67910Yoursitehere第一章概述本章知识点1.分布式控制系统的概念2.分布式控制系统的组成、结构3.分布式控制系统的特点4.分布式控制系统的体系结构和技术特点5.分布式控制系统的发展•分布式计算机控制系统又称集散控制系统，简称DCS（DistributedControlSystem)•它是一个为满足大型工业生产和日益复杂的过程控制要求，从综合自动化的角度出发，按功能分散、管理集中的原则构思，采用多层分级、合作自治的结构形式，综合计算机（Computer）、通信（Communication）、终端显示（CRT）和控制（Control）技术而发展起来的新型控制系统一、概念第一节DCS概念☞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(DistributedControlSystem，DCS)，简称为集散系统或DCS。☞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。☞集散控制系统自问世以来，发展异常迅速,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。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”。☞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。☞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，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。☞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。☞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（TotalDistributedControl2000）系统，成为最早提出集散控制系统设计思想的开发商。☞智能变送器具有数字通信能力，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/AS，BaileyControl的INFI-90等。☞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方向发展，即向着计算机集成制造系统(ComputerIntegratedManufacturingSystem，CIMS)、计算机集成过程系统(ComputerIntegratedProcesSystem，CIPS)方向和现场总线控制系统(FieldbusControlSystem，FCS)方向发展。二、组成集散控制系统是一微处理器和网络为基础的集中分散型控制系统。它包括控制站、操作站、通讯系统和工程师站。控制站操作站工程师站通讯系统第二节DCS组成网络拓扑结构第二节DCS组成1.控制站：完成系统的运算处理控制。它有两部分组成：1.逻辑部分：主CPU+内存等，用于数据的处理、计算和存储部分。2.现场部分：现场I/O部分、用内部并行总线、Multibus、VME、STD，PCI等。现逐步用内部串行总线，如CAN、Profibus、Devicenet等。第二节DCS组成DeviceNetFoundationFieldbus第二节DCS组成2.操作站：完成人机界面功能、供操作员操作监视。1.画面种类：流程图、总貌、控制组、调整趋势、报警归档等。2.宝钢高炉控制系统：800多幅流程图画面（操作）、200多幅报警画面。第二节DCS组成第二节DCS组成第二节DCS组成第二节DCS组成第二节DCS组成第二节DCS组成3.工程师站：1.用于组态（离线）2.在线修改+操作。4.通讯系统：1.系统网络：以太网（I/A），100Mbps，256个节点。2.现场总线网络：64个节点、与RS232C等同、且能离站互联、可实现点对点（PeertoPeer）、500Kbps。第二节DCS组成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，按其功能又可分为现场控制站（简称控制站）和数据采集站等。☞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(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。(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。(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。(4)现场控制站☞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。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。(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。(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。☞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。三、主要特点特点：集中管理和分散控制1.整个生产过程的全部操作、显示集中在同一个操作站进行；2.用多个微处理器分散承担生产过程的控制，每个微处理器只控制少量回路。第三节DCS特点四、体系结构和技术特点1、体系结构随着计算机系统和网络技术的发展与企业管理科学（扁平化少层次结构）的进展，人们根据功能把整个企业集团的综合自动化与管理功能划分为四层结构：现场仪表和执行机构层，装置控制层，工厂监控与管理层和企业经营管理层。第四节DCS体系结构和技术特点经营管理CRM、ERP、SCM、e-business工厂监控与管理装置控制现场仪表DCS、PLC、RTU、ESD调节器各种传感器、变送器、执行器月/周/天班hMinsms生产调度计划管理资源分配物料跟踪工艺管理文档管理MES质量管理操作人员管理设备维修管理SCADA网络信息发布、历史纪录、报警处理、性能分析、操作显示、数据存储与分析、生产数据采集图A体系结构第四节DCS体系结构和技术特点2.技术特点DECVAX计算机UNIXTPS桌面应用AXP计算机NTNGNGPHDPLNMAPPGUSAXMUXSUSSAMNIMAMHMCLMHGCBEOSECAMCMCPMAPMHPMLMFSC工厂信息网（PIN）就地控制网（LCN）光缆LCNELCNE其他公司的PLC万能控制网（UCN）DH现场总线仪表IOP现场总线网（HI低速）接变送器、执行器等LCNEPLCG•多网络协议支持的拓扑结构第四节DCS体系结构和技术特点•分散控制：递级控制结构第四节DCS体系结构和技术特点分散控制：支持多种现场总线第四节DCS体系结构和技术特点五、DCS的发展◆第一阶段（1975年—1980年）—代表产品主要有美国Honeywell公司的TDC2000，Bailey公司的Network90，Foxboro公司的Spectrum，日本横河公司的Centum等—主要由过程控制单元PCU、数据采集装置DAU、CRT操作站、监控计算机和数据高速公路HW五部分组成VNET/IP由日本横河Yokogawa开发，该协议的实时扩展是实时可靠数据报协议(Real-timeamp;ReliableDatagramProtocol，RTP)，在传输层采用UDP协议，但在IP栈协议层进行了优化以实现冗余网络联结第五节DCS发展公司代表产品所属国家HoneywellTD