第1章信息融合系统概述

集散控制系统与现场总线 主讲：雷建和 青岛理工大学自动化工程学院 课程的地位、内容 * 集散控制系统与现场总线 是一门实用性较强的 专业课。本课程重点内容为集散控制系统和现场总 线技术的基本概念、特点和工作原理，课程中涉及 的工程概念和设计方法内容较多，理论内容较少。 内容主要包括：集散控制系统导论；现场控制站及 过程接口单元；集散控制系统的操作站；集散控制 系统的主要技术与应用实例；现场总线技术及应用 等。课堂教学以讲课为主，重点讲授集散控制系统 中基本部分的功能、组成、基本原理和应用，侧重 对实用技术的介绍。 v 控制系统各部分与相应的知识领域的对应关系 第 1章 概述 1.1 集散控制系统的基本概念 1.2 集散控制系统的产生 1.3 集散控制系统的发展 1.4 集散控制系统的 基 本组成 1.5 集散控制系统的特点 1.6 集散控制系统的发展趋势 集散控制系统是以 微处理器 为基础 的 集中分散 型控制系统。 简称 DCS（ Distributed Control System）。 1975年美国霍尼 韦 尔 (HoneyWell)公司 第一套产品 TDC-2000 至今， DCS产品几经更新换代，技术性能达到日趋完善的程 度。 DCS早已发展成为当今工业控制的主流系统。 DCS以其先进、可靠、灵活和操作简便及其合理的价格被广泛 用于化工、石油、电力、冶金和造纸等工业领域。 1.1 集散控制系统的基本概念 计算机控制（系统）的分类 v控制算法 ：逻辑控制、数值控制和混合控制 v控制方式 ：开环控制、闭环控制和监督控制 v控制对象 ：连续过程、离散过程和以批次为 基础的过程 v控制规律 ：顺序控制、常规控制（如 PID控制 ）、高级控制（或称先进控制：如最优控制 、自适应控制、预测控制等） v控制功能 ： （ 1）操作指导控制系统 （ 2）直接数字控制系统（ DDC） （ 3）计算机监督控制系统（ SCC） （ 4） 集散控制系统（ DCS） （ 5）计算机集成控制系统 （ 6） 现场总线控制系统（ FCS） v系统结构 ： （ 1）集中控制系统（ Centralized Control System， CCS） （ 2） 集散控制系统（ Distributed Control System， DCS） 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 5 集中控制系统的概念 v单机系统 v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，有时成为 “ 群控 ” 。 集散控制系统 v 以满足现代化工业生产和日益复杂的控制对象的要 求为前提，从生产综合自动化的角度出发，将微处 理器作为核心的集中分散控制系统。 v 是利用控制技术（ 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 。又称分散控制系统（ Total Distributed Control System， TDCS） 。 v 主要特点：集中管理、分散控制 。 集散控制系统典型结构 1.2 集散控制系统的产生 v 现代化工业飞速发展，工业生产过程的控制规模不断扩大， 复杂程度不断提高，工艺过程不断强化，对过程控制和生产 管理系统提出越来越高的要求。 v 劳动力密集型 设备密集型 信息密集型 知识密集型。 v 以计算机为基础而构成的控制、管理、决策系统的重要作用 。 v 集散控制系统是继直接作用式气动仪表、气动单元组合仪表 、电动单元组合仪表和组件组装式仪表之后的新一代控制系 统。 v v 按照年代讲解集散控制系统的产生 v 在概念上注意： v （ 1）理解 “ 分散 集中 分散 ” 的发展过程（螺旋 上升式发展进程） v （ 2）其中穿插系统控制功能方面的分类 过程控制系统的发展史 1. 30年代初期：分散控制方式 v 直接作用式气动控制器； v 控制装置安装在被控过程附近，每个回路有单独控制器； v 运行人员分布在全厂各处； v 适用于规模不太大、工艺过程不太复杂的企业。 控制分散 管理分散 2. 30年代末期：集中控制 v 中央控制室，信息远距离传输问题； v 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； v 优点：运行人员可获得整个的生产信息，便于协调 控制； v 注意：控制仪表和运行人员地理上的集中，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； v 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。 控制分散 管理集中 过程控制系统的发展史 过程控制系统的发展史 过程控制系统的发展史 3. 50年代末 60年代初：集中控制方式 控制集中 管理集中 50年代末，计算机进入过程控制领域，按照计算机的 功能分为以下几个阶段： （ 1）操作指导控制系统 （ 2）直接数字控制系统（ DDC） （ 3）计算机监督控制系统（ SCC） （ 4） 集散控制系统（ DCS） （ 5）计算机集成控制系统 （ 6） 现场总线控制系统（ FCS） （ 1）操作指导控制系统 v计算机的输出不直接控制生产对象，只对系统 过程参数进行收集、加工处理，然后输出数据 ；操作人员根据这些数据进行设定值的改变或 必要的操作。 操作指导控制系统原理图 v典型的连续控制闭环控制系统框图 计算机控制系统基本框图 把控制器用数字调节器来代替，就可以构成微型计算机 控制系统 （ 2）直接数字控制系统（ DDC） vDDC(Direct Digital Control)控制是用一台微型 机对多个被测参数进行巡回检测，检测结果 与设定值比较，再按照 PID规律或直接数字控 制运算进行控制运算，然后输出到执行机构 ，对生产过程进行控制，使被控参数稳定在 给定值上。 DDC数字控制系统原理图 v 60年代初，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。 v 特点：控制集中、管理集中 v 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。 （ 3）计算机监督控制系统（ SCC） SCC由二级计算机组成 第一级计算机与生产过程连接，并 承担测量和控制任务，即完成 DDC控 制。 第二级计算机是按照生产过程工况 ，操作条件的变更信息和数学模型 进行必要的转换，给第一级计算机 提供最佳给定值和最优控制量等各 种控制信息。 第一级计算机和第二级计算机间的 数据通信，一般采用串行数据链路 规程，传送速率都比较低。 (4). 集散控制方式 v分析集中控制的失败，提出了集散控制系统 的概念； v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 ; v特点：控制分散、管理集中 过程控制系统的发展史 集散控制系统 v以满足现代化工业生产和日益复杂的控制对 象的要求为前提，从生产综合自动化的角度 出发，将微处理器作为核心的集中分散控制 系统。它是利用控制技术（ 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。 又称分散控制系统（ Total Distributed Control System， TDCS） 。 v主要特点：集中管理、分散控制。 v 控制系统的发展历史 v 1. 30年代初期：分散控制 (控制分散、 管理分散 ) v 2. 30年代末期：集中控制 (控制分散、管理集中 ) v 3. 50年代末 60年代初：集中控制 (控制集中、管理集中 ) v 4. 70年代 :分散控制 (控制分散、管理集中 ) 总结 ： v 控制系统的发展历史经历了由控制分散、 管理分散 控制分散、管理集中 控制集中 、管理集中 控制分散、管理集中的过程。 v 今天的集散控制系统已经不是过去的模拟控 制系统，而是计算机技术的数字控制系统； 今天的集中手段不仅依靠指示仪表、记录仪 表和操作开关，而是采用先进的 CRT显示设 备、打印机和键盘。 1.3 集散控制系统的发展 （四个历史阶段） 1. 第一阶段（初创期）（ 19751980 年） v 1975年首先由美国 Honeywell公司推出的。 v 以分散的控制设备来适应分散的过程对象，并将 它们通过数据高速公路与基于 CRT的操作站相连 接，互相协调，一起实施实时工业过程的控制和 监视，达到掌握全局的目的。 v 实现了控制系统的功能分散、负荷分散，从而危 险也分散。 五大部分组成 : v 1现场控制站 (过程控制单元 ) v 2现场监测站 (数据采集装置 ) v 3CRT操作站 v 4数据公路 v 5监控计算机 v DCS的雏形； v 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。 v 第一代典型产品（公司）： Honeywell公司的 TDC2000 Foxboro公司的 SPECTRUM 横河公司的 CENTEM 西门子 (Siemens)公司的 TELEPERM M 2. 第二阶段（成熟期）（ 19801985 年） v 系统硬件和软件技术的不断更新，体现在：系统功能 得到扩大或增强；操作管理及监督范围的扩大，提高 了综合管理信息的能力；显示屏分辨率及色彩的提高 ；多个处理器技术和冗余技术应用发展。特别是在数 据通信方面采用了局域网。 v 基本结构 由六部分组成：局部网络、多功能现场控制 站、增强型操作站、主计算机、网间连接器 (网关 )和 系统管理站等。 v 功能 ： 过 程控制、数据采集、 顺 序控制和批量控制等 。 v第二代典型产品（公司）： Honeywell公司的 TDC3000 西屋公司的 WDPF ABB公司的 MASTER 3. 第三阶段（扩展期）（ 1985年以后） v 开放 系统是第三代系统的主要特征。 v 系统的通信功能增强，通信标准符合 ISO的 OSI开放系统互连 的参考模型，各不同制造厂家的产品可以进行数据通信。 v 向上能与 MAP（ Manufacture Automation Protocol） 和 Ethernet接口，或通过网间连接器与其他网络联系。 v 向下支持现场总线，使过程控制或车间的智能变送器、执行 器和本地控制器间实现可靠的实时数字数据通信。 v 此外，系统的软件和控制功能也有所增强。 v 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。 v其他代表产品 : Honeywell公司的带有 UCD网的 TDC3000 横河公司带有 SV-NET网的 CENTUM-XL 4. 第四阶段（网络开放期）（ 1990年以后） v 管控一体化，硬件上采用了开放式的工作站，采 用了客户机 /服务器的结构； v 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； v 软件上则采用 UNIX系统和 X-Windows的图形界面 ，系统的软件更丰富。 v计算机集成制造 (CIMS)系统得到了应用。 v第四代代表产品： Honeywell公司的 TPS控制系统 横河公司的 CENTUM-CS Foxboro公司的 I/AS50/51控制系统 ABB公司 Advant系列 OCS开放控制系统 1.4 集散控制系统的基本组成 v 集散控制系统大多采用标准化、模块化的设计方式，从 它们的基本结构来看，具有相同的特性，都是由过程控 制级、控制管理级和生产管理级所组成的一个以通讯网 络为桥梁的集中显示操作，控制相对分散的多级计算机 网络系统结构。总体上，集散控制系统由四大基本部分 组成。 1.分散过程控制装置 2.控制器 3.人机界面 4.通信网络 1.5 集散控制系统的特点 v 先进的计算机控制技术和分级分散的体系结构 1.强大的控制能力 2.友好的人机联系手段 3.适应性和扩展性 4.可靠性高 5.可维修性 6.安装费用 7.开放的通信网络 （ 1） 强大的控制能力 v 控制功能由 软件 来实现，具有高度的灵活性和完 善的控制能力。 v 实现常规算法、复杂的优化控制算法、逻辑推理 和逻辑判断。 v 保持数字控制的全部优点，解决了集中控制可靠 性低的问题。 （ 2） 友好的人机联系手段 v 人机联系信息流向： “人 过程 ” 联系和 “过程 人 ” 联系 v 更先进的人机联系手段： CRT图形显示和键盘操 作 v “过程 人 ” ：信息直接显示在 CRT屏幕 v “人 过程 ” ：通过键盘输入各种操作指令 v 人机联系手段双向集中：一致性，防止误操作 常规控制系统的人机联系 v “人 过程 ” ：操作器、定值器、开关、按钮； 运行人员通过这些设备调整和控制生产过程。 v “过程 人 ” ：各种显示仪表、记录仪表、报警 装置、信号等等设备；运行人员通过它们了解生 产过程的运行情况。 v 人机联系设备安装在控制盘或操作台上，迅速准 确地找到需要操作和监视的对象比较困难，容易 出错。 （ 3） 适应性和扩展性 v 分布式控制系统在结构上采用了常规系统的 模块 化 设计方法。 v 硬件、软件都可根据需要 灵活组合 ，以适应生产 规模的大小。 v 随生产过程的发展， 扩充 硬件和软件。 v 特征：递进性和整体性。 （ 4） 可靠性高 v 器件高度集成，可靠性高；模块化结构，每个 过程控制站只控制少数几路控制回路，个别回路 或单元故障不影响全局。 v 在电源、通信、过程控制站等处广泛采用冗余 技术，为可靠性创造条件。 v 软件模块化组态方法形成各种控制方案，取消 常规系统中模件之间的连线，减少故障。 （ 5） 可维修性 v 可维修性反映系统发生故障后对其进行维修的难易程度。 v 常规系统 可维修性差：部件种类繁多、稳定性较差、缺少必 要自诊断功能。 v 集中式计算机控制系统 可维修性要好些，但系统庞大、关联 密切的硬、软件系统需要较高技术水平的维修人员。 v 分布式控制系统 的可维修性有明显优势： 少数统一设计的标准模件，硬件简单； 控制任务由多个处理器分别完成，只担负少量控制任务， 分散故障风险； 较完善的在线诊断技术，故障定位准确； 通过各种人机接口设备，运行员和工程师能迅速发现系统 故障的性质和地点。 （ 6） 安装费用 v 安装费用：电缆、导线的安装敷设费用和控制室 、电子设备室的建筑费用。 v 常规控制系统 安装费用比较高： * 由变送器、传感器和执行器到控制系统机柜之间需 要很长的电缆； * 各种模件之间通过导线连接组成不同的控制方案； * 各种机柜和控制盘、台占相当大的建筑空间。 v 分布式控制系统 安装费用少： * 控制方案主要靠软件功能块实现； * 过程控制站分散在被控过程附近，大大减少变送器 、传感器和执行器到控制系统机柜之间的连接电缆 ，减少中央控制室的占地面积。 * 工作量： 30%-50%；控制室面积： 60% （ 7） 开放的通信网络 DCS采用局部区域网络 (Local Area Network， LAN) 把各工作站连接起来，实现 数据、指令及其他信息的传输， 使整个系统 信息 、资源 共享。系统通信采用国际标准通 信协议 ， 便于系统间的互连 ， 提高了系统的 开放性。 1.6 集散控制系统的 发 展 趋势 v集散控制系统将向 两个方向 发展： v一个方向是向上发展，即向 CIMS计算机集成 制造系统、 CIPS计算机集成过程系统发展； v另一个方向是向下发展，即向 FCS（ Fieldbus Control System）现场总线控制系统发展。 （ 1） CIMS的概念及由来 v CIMS即计算机集成制造系统，是基于 1973年美 国 Joseph Harrington博士在其博士论文 Computer Intergrated Manufacturing 中首次 提出的 CIM（ Computer Intergrated Manufacturing 计算机集成制造）的概念而 构成的一种现代制造系统。 v CIM概念包括两个基本观点 ： * 企业生产的各个环节，即从市场分析、产品设 计、加工制造、经营管理到售后服务的全部生产 活动，彼此是紧密联系的，是一个不可分割的整 体，应该在企业整体框架下统一考虑各环节的生 产活动； * 整个生产过程实质上是一个数据采集、传递和 加工处理的过程，最终形成的产品可以看作是 “ 数据 ”的物质表现。 v 这一概念具有很强的超前意识，正确地指出了在 未来的计算机时代企业运行管理的最佳模式。 v CIMS： 以计算机系统为基础，综合生产过程中信息流 、资金流和物资流的运动，集市场研究、生产决策、 经营管理、设计制造与销售服务等功能为一体，使企 业走向高度集成化、自动化和智能化的生产技术与组 织方式。它将 CAD/CAM、 PDM、 ERP/MIS等企业所涉及 到的设计、生产、管理业务融为一体，组成企业先进 的生产和管理模式。 v 在国内，原国家科委组织了一些高校等机构专门对 CIMS进行研究和推广，成立了国家 863/CIMS主题专家 组，还有相应的一个庞大的系统组织配合专家组的工 作。在过去的十多年里，该主题取得了较为显著的成 绩，并且提出了 “现代集成制造系统 “的概念。 （ 2） CIPS的概念 v CIPS（ Computer Integrated Producing System ， 计算机集成生产系统 ）：是企业在当前实施的 人工集成信息的生产系统。 CIPS属于一种类型的 控制论系统，即工业生产控制论系统。 v 主要硬件系统除原生产系统中的基础自控装置， 如 DCS， PLC等外，还有计算机网络构架及服务器 ，网络交换机等。 v 软件系统除各相关的系统软件及数据库系统外， 应用软件开发是 CIPS的主体，它包括三大类： 1）管理信息系统类：生产计划管理，营销合同 管理，生产调度管理，物资及库存管理，产品质 量保证体系，厂务管理、人事财务管理等等； 2）信息存贮、综合统计类：市场信息管理，包 括原、材、燃料，产品的国内外价格信息，工程 数据库，生产过程数据库，质量数据库； 3）生产过程优化及管理决策类：企业系统物料 平衡模型，企业能量平衡模型，企业投入产出动 态经济模型，企业生产运行和管理优化系统。 （ 3） 现场总线的概念 v现场总线 (IEC)定义：安装在制造或过程区域 的现场装置与控制室内的自动控制装置之间 的 数字式、串行、多点通信的数据总线 。 v现场总线控制系统 （ Fieldbus Control System： FCS） 是采用现场总线作为通信系统 的分布式控制系统。 现场总线控制系统实现了真正的分散控制 v 现场总线控制系统使控制得到最终的分散。 v 在 FCS中各种现场设备有足够的自主性，它们彼 此之间互相通信，完全可以把各种控制功能分散 到各种现场设备中，实现真正的分散控制。 v DCS系统中原有的操作管理站发挥上位机的功能 ，执行对整个系统的优化、信息管理和调度工作 。 FCS必将推动 DCS的变革。新一代 DCS都包 含了各种形式的现场总线接口 ， 可以支持多种 标准的现场总线仪表 和 执行机构等 ， 此外 ， DCS 产品还改变了相对集中的控制站结构 ， 取而代之的是进一步分散的导轨式或现场安装 的 I/O 模块 。 DCS 将吸收 FCS 的长处 ， 不断 发展和 完善。新型 DCS的典型代表有 Homywell 公司推出的新一代过程知识系统 Experion PKS、 Emerson 公司推出的 Delta V系统、中控 科技 自动化有限公司推出的 Web Field ECS-100系统 等 。 我国使用 DCS是在 20 世纪 70 年代末、 80 年 代初。当时国家为了满足国内新建项目和老厂 技术改造的需要，从国外引进的 DCS多达几百 套，主要用于化工、石化、炼油、冶金、电力 、轻工等工业过程控制，取得了良好的技术经 济效益。同时，坚持自力更生、自主开发与引 进技术相结合的方针，把引进国外先进技术与 对其及时消化、吸收与创新，作为发展我国科 学技术的重要