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自动控制目 录一、自动控制技术1、自动控制技术2、模块化分布式控制系统的特点3、控制科学与技术的发展及其思考二、可编程控制器1、何为可编程控制器2、设计可编程控制器时的注意事项3、三菱(MITSUBISHI）系列可编程控制器4、发电站中PLC控制系统的可靠性措施三、DCS系统1、DCS绪论2、三木自动化（山东）公司（1）、锅炉DCS系统（2）、高炉综合自动化控制系统（3）、高炉上料监控系统简介（4）、喷煤粉工程自动化控制系统简介（5）、焦化DCS系统四、组态1、ZLZT-1 工业组态软件2、SunyTech5.5 组态软件3、SunyTech6.0 组态软件五、其他1、自动控制技术A、计算机控制系统的分类计算机控制系统的分类有三种方法：以自动控制形式分类，以参于控制方式分类或以调节规律分类。一、以自动控制行式分类以自动控制方式可以分成如下几类：（一) 计算机开环控制(Computer Open Loop Control)系统若计算机开环控制系统的输出对生产过程能行使控制,但控制结果-生产过程的状态没有影响计算机控制的系统,计算机控制器生产过程等环节没有构成闭合环路,则称之为计算机开环控制系统.从图上看出生产过程的状态没有反馈给计算机,而是由操作人员监视生产过程的状态,决定控制方案,并告诉控制计算机使其行使控制作用.(二) 计算机闭环控制计算机对生产对象或过程进行控制时,生产过程状态能直接影响计算机控制的系统,称之为计算机闭环控制系统.控制计算机在操作人员监视下,自动接受生产过程状态检测结果,计算并确定控制方案,直接指挥控制部件(器)的动作,行使控制生产过程作用.在这样的系统中,控制部件按控制机发来的控制信息对运行设备进行控制,另一方面运行设备的运行状态作为输出,由检测部件测出后,作为输入反馈给控制计算机;从而使控制计算机控制部件生产过程检测部件构成一个闭环回路.我们将这种控制形式称之为控制计算机闭环控制.计算机闭环控制系统,利用数学模型设置生产过程最佳值与检测结果反馈值之间的偏差,控制达到生产过程运行在最佳状态.(三) 在线控制只要计算机对受控对象或受控生产过程,能够行使直接控制,不需要人工干预的都称之为控制计算机在线控制或称联机控制系统.(四) 离线控制控制计算机没有直接参于控制对象或受控生产过程.它只完成受控对象或受控过程的状态检测,并对检测的数据进行处理;而后制定出控制方案,输出控制指示,操作人员参考控制指示,人工手动操作使控制部件对受控对象或受控过程进行控制.这种控制形式称之为计算机离线控制系统.(五) 实时控制系统控制计算机实时控制系统是指受控制的对象或受控过程,每当请求处理或请求控制时,控制机能及时处理并进行控制的系统,常用在生产过程是间断进行的场合.如炼钢,每炼一炉钢是一个过程;又如轧钢过程,每轧出一块钢算一个过程,每个过程都重复进行.只有进入过程才要求计算机进行控制.在计算机一旦进行控制时,就要求计算机对来自生产过程的信息在规定的时间内作出反应或控制.这种系统常使用完善的中断系统和中断处理程序来实现.综上所述,一个在线系统并不一定是实时系统.但是一个实时系统必是一个在线系统.二、 以参于控制方式来分类按控制机参于控制方式来分类， 可分成如下几种：（一）直接数字控制系统由控制计算机取代常规的模拟调节仪表而直接对生产过程进行控制,由于计算机发出的信号为数字量，故得名DDC控制。实际上受控的生产过程的控制部件,接受的控制信号可以通过控制机的过程输入/输出通道中的数/模(D/A)转换器将计算机输出的数字控制量中转换成模拟量;输入的模拟量也要经控制机的过程输入/输出通道的模/数(A/D)转换器转换成数字量进入计算机.DDC控制系统中常使用小型计算机或微型机的分时系统来实现多个点的控制功能.实际上是属于用控制机离散采样,实现离散多点控制.这种DDC计算机控制系统已成为当前计算机控制系统中主要控制形式之一.DDC控制的优点是灵活性大,集中可靠性高和价格便宜.能用数字运算形式对若干个回路,甚至数十个回路的生产过程,进行比例- 积分-微分(PID)控制,使工业受控对象的状态保持在给定值上,偏差小且稳定.而且只要改变控制算法和应用程序便可实现较复杂的控制.如前馈控制和最佳控制等.一般情况下,DDC级控制常作为更复杂的高级控制的执行级.(二) 计算机监督控制系统计算机监督控制系统是针对某一种生产过程,依据生产过程的各种状态,按生产过程的数学模型计算出生产设备应运行的最佳给定值,并将最佳值自动地或人工对DDC执行级的计算机或对模拟调节仪表进行调正或设定控制的目标值.由DDC或调节仪表对生产过程各个点(运行设备)行使控制.SCC系统的特点是能保证受控的生产过程始终处于最佳状态情况下运行,因而获得最大效益.直接影响SCC效果优劣的首先是它的数学模型,为此要经常在运行过程中改进数学模型,并相应修改控制算法和应用控制程序.(三) 多级控制系统在现代生产企业中,不仅需要解决生产过程的在线控制问题,而且还要求解决生产管理问题,每日生产品种、数量的计划调度以及月季计划安排,制定长远规划、预报销售前景等, 于是出现了多级控制系统.DDC级主要用于直接控制生产过程,进行PID或前馈控制;SCC级主要用于进行最佳控制或自适应控制或自学习控制计算,并指挥DDC级控制同时向MIS级汇报情况.DDC级通常用微型计算机,SCC级一般用小型计算机或高档微型计算机.车间管理的MIS主要功能是根据工厂级下达的生产品种、数量命令和搜集上来的生产过程的状态的信息,随时进行合理调度,实现最优控制,指挥SCC级监督控制.工厂管理级的MIS主要功能是接受公司下达的生产任务和本厂的实际情况,进行最优化计算,制订本厂生产计划和短期(旬或周或日)安排,然后给车间级下达生产任务.公司管理级的MIS主要功能是对市场需求预测计算,制订战略上的长期发展规划,并对订货合同,原料供应情况和企业的生产状况,进行最优生产方案的比较选择计算,制订出整个公司企业较长时间(月或旬)的生产计划、销售计划,并向各工厂管理级下达任务.MIS级主要功能是实现信息实时处理,为各级决策者提供有用的信息,作出关于生产计划调度和管理方案,使计划协调和经营管理处于最优状态.这一级可根据企业的规模和管理范围的大小分成若干级.每级又依据要处理的信息量的大小确定采用的计算机的类型.一般情况车间级MIS用小型计算机或高档微型计算机,工厂管理级的MIS用中型计算机,而公司管理级的MIS则用大型计算机,或者用超大型计算机.(四)分布式控制或分散控制系统分散控制或分布控制,是将控制系统分成若干个独立的局部控制子系统,用以完成受控生产过程自动控制任务.由于微型计算机的出现与迅速发展,为实现分散控制提供了物质和技术基础,近年来分散控制得以异乎寻常的发展,且已成为计算机控制发展的重要趋势.自70年代起,又出现集中分散式的控制系统,简称集散系统.它是采用分散局部控制的新型的计算机控制系统.三、按调节规律分类如果按调节规律分类,计算机对工业生产过程进行控制所构成的系统可分成如下几种:(一)程序控制如果计算机控制系统是按着预先规定的时间函数进行控制,这种控制称之为程序控制.如炉温按着一定的时间曲线进行控制就为程序控制.这里的程序是指随时间变化就有确定对应变化值,而不是计算机所运行的程序.(二)顺序控制在程序控制的基础上产生了顺序控制,计算机如能根据随时间推移所确定对应值和此刻以前的控制结果两方面情况行使对生产过程控制的系统,称之为计算机的顺序控制.(三) 比例-积分-微分PID控制常规的模拟调节仪表可以完成PID控制.用微型计算机也可以实现PID控制.(四)前馈控制通常的反馈控制系统中,对干扰造成一定后果,才能反馈过来产生抑制干扰的控制作用,因而产生滞后控制的不良后果.为了克服这种滞后的不良控制,用计算机接受干扰信号后,在还没有产生后果之前插入一个前馈控制作用,使其刚好在干扰点上完全抵消干扰对控制变量的影响,因而又得名为扰动补偿控制.(五)最优控制(最佳控制)系统控制计算机如能有受控对象处于最佳状态运行的控制系统称之为最佳控制系统.如用计算机控制系统就是在现有的限定条件下,恰当选择控制规律(数学模型),使受控对象运行指标处于最优状态.如产量最大、消耗最大、质量合格率最高、废品率最少等。最佳状态是由定出的数学模型确定的,有时是在限定的某几种范围内追求单项最好指标,有时是要求综合性最优指标。(六)自适应控制系统上述的最佳控制,当工作条件或限定条件改变时,就不能获得最佳的控制效果了.如果在工作条件改变的情况下,仍然能的控制系统对受控对象的控制处于最佳状态,这样的控制系统称之为自适应系统.这就要求数学模型体现出在条件改变的情况下,如何达到最佳状态.控制计算机检测到条件改变的信息,按数学模型给出的规律进行计算,用以改变控制变量,使受控对象仍能处在最好状态.(七)自学习控制系统如果用计算机能够不断地根据受控对象运行结果积累经验,自行改变和完善控制规律,使控制效果愈来愈好,这样的控制系统被称为自学习控制系统.以上讲到的最优控制、自适应控制和自学习控制都涉及到多参数、多变量的复杂控制系统，都属于近代控制理论研究的问题。系统的稳定性的判断，多种因素影响控制的复杂数学模型研究等，都必须有生产管理、生产工艺、自动控制、检测仪表、程序设计、计算机硬件各方面人员相互配合才能得以实现。由受控对象要求反应时间的长短、控制点数多少和数学模型复杂程度来决定选用计算机规模。一般来说需要功能很强（速度与计算功能）的计算机才能实现。上述诸种控制，可以是单一种也可不是单一的，可以几种形式结合对生产过程实现控制。这要针对受控对象的实际情况，在系统分析、系统设计时确定B、微型计算机控制系统用于工业控制的计算机称为工业控制计算机。简称控制机。它由计算机和过程输入输出（ I/O）通过两大部分组成 。 计算机是由主机 、输入输出设备和外部磁盘机、磁带机等组成。在计算机外部又增加一部分过程输入/输出通道，用来完成工业生产过程的检测数据送入计算机进行处理；另一方面将计算机要行使对生产过程控制的命令、信息转换成工业控制对象的控制变量的信号，再送往工业控制对象的控制器去。由控制器行使对生产设备运行控制。 微型计算机近年来发展迅速，功能不断扩大，高档微型计算机已向小型计算机领域过渡，有的高档微型计算机已具备中型机功能。因此，微型机在工业控制领域愈来愈得到广泛应用。用单板微型计算机实现DDC级控制，用微型计算机实现SCC级监督管理控制，用高档微型计算机实现SCC或低层的MIS管理已屡见不鲜了。一、 用单板微型计算机实现DDC级控制，结构简单、运行可靠、易于实现、成本低廉，因此得到广泛应用。 这种微型计算机控制系统中，一般是以一台单板微型计算机为核心，可以扩充几台单板机和扩充必要的RAM、EPROM、并行I/O接口，串行I/O接口，计时器等构成。 单板微型计算机厂家在出厂时就考虑到功能扩充的可能，具备各种扩充板，如存储扩展板、I/O扩展板、通信扩展板等。可根据受控对象的需要构成积木式单板微型计算机控制系统。二、 工业控制微型计算机系统 当信息处理量大，计算多，功能要求较高时，可用存储量较大和比较齐全的外部设备的微型计算机系统。 这类微型计算机系统主要由下面硬件与软件构成：（一）硬件1. CPU：Intel 8080A/8085,Z80(Z80A),MC6800;2. 内存储容量：RAM4 16KB、EPROM4 16KB；最大可扩充至上64KB；3. 并行I/O接口：8位，4 6个；4. 串行I/O接口：2个，RS232（RS 232C）或RS 422；5. 定时/计数器：4个；6. 中断方式：根据CPU种类，设置优先中断控制电路，如选用可编程序中断控制器Intel8259;7. 模拟输入通道: 16路, 10或12位A/D转换器;8. 模拟量输出通道:8路, 10或12位A/D转换器;9. 开关量输入: 24点,光电隔离式;10. 开关量输出: 32点,继电器接点输出;11. 开关量输出切换手动操作面板;12. 模拟型操作面板: 指示和设定给定值、测量值及阀位；手/自动切换开关；手动旋钮等；13. 打印机一台：用于定时或随机打印；14. 人 机联系接口，有两种可以选用：（1）DEP数据操作面板；（2）CRT监视显示终端；15. 实时时钟及报警；16. 盒式磁带1合：用于记录信息与数据；17. 软磁盘：5英寸双面双密度；18. 供电系统：交流220V、50Hz、配有隔离变压器，并具有通电自动启动和断电保护功能。上述各项有的是必备，有的是可以选用，还有的可根据需要进行扩展。(二） 软件系统软件：管理程序（监控程序）应用软件：实施控制作用的控制算法软件包。三、 集中分散式控制系统TDCS 自75年美国Honeywell研制成集中分散式控制(TDC-2000)系统之后,美国、日本等国的一些公司也相继出厂。 TDCS是以微型计算机为核心，与数据通讯系统、CRT显示器以及用于数据采集和控制的过程接口相结合的新型控制系统。 TDCS将系统控制任务分散给各个子系统独立完成，这使局部出现故障不影响全局，可使“ 危险分散” 开来。而将操作、显示部分高度集中于监控级和管理级的计算机，使得操作人员实现集中监控和生产管理工作。 可以看出TDCS是属于多级（多层）结构。分散过程控制级包括若干个基本控制系统，每个系统分别由一台微型机为核心，扩展必要的RAM，EPROM和I/O接口，再加上过程输入/输出通道（包括ADC和DAC）以及常用的应用程序所组成。每个控制系统都独立完成受控的生产过程数据采集和实时控制任务。 集中监视控制级用一台带有软盘驱动器的微型计算机，来完成生产过程的数据处理和最优控制，并利用CRT工作站对生产过程实现集中显示、报警和人机联系等监视操作。 生产管理指挥是各级的决策指挥中心。所使用的设备比起前两级在性能与规模上都要高出一个档次。根据订货合同的需求和工厂的实际现状，确定最好的生产计划，并下达。C、工业控制用计算机与特点工业控制用计算机的构成 ： 用于工业控制的计算机称为工业控制计算机。简称控制机。它由计算机和过程输入输出（ I/O）通过两大部分组成 。 计算机是由主机 、输入输出设备和外部磁盘机 、磁带机等组成 。在计算机外部又 增加一部分过程输入 /输出通道 ，用来完成工业生产过程的检测数据送入计算机进行处 理 ；另一方面将计算机要行使对生产过程控制的命令 、信息转换成工业控制对象的控制变量的信号 ，再送往工业控制对象的控制器去 。由控制器行使对生产设备运行控制 。工业控制用计算机的特点： 控制机与一般通用计算机相比较 ，有如下特点：（一）具有较完善的过程通道 ，便于将各种形式的信息变换, 并完成检测数据输入和控制信息输出。 输入生产过程检测信号有两大类：一类是电压或电流模拟信号:另一类是开关量或数字脉冲量。开关量、脉冲量都属于数字信号。通常检测出的生产过程信号若是模拟量的话 ,已由一次检测信号经放大、变换后(二次仪表)变为电压010伏或变为电 0-10mA.这些模拟量必须经过模/数转换器(ADC:Analog-Digital Cnverter)转换成数字量, 才能被计算机所接受. 同样输出控制量是数字信号,也得经过数/模转换器(DAC :Digital-Analog Cnverter),将数字信号转换成模拟信号0-10伏或(0-+5伏)或变为电流:0-10mA, 再送入到控制器去控制生产设备的运行。 通道中设置模/数转换器（ADC）和数/模转换器（DAC）完成模拟量转换成数字量和数字量转换成模拟量。 如果检测生产过程的状态信号是数字量时进入通道一般采用隔离（光电、变压器、开关）的数字量信号，只要藕合电位合适，就能被计算机接受。（二）要有比较完善的中段系统和高速数据通道，以使其能迅速响应生产过程发出的中段请求，并能与生产过程实时交换信息。 对来自过程输入/输出通道的中段请求，分成中段优先级别（有的复杂系统分成03型，其中3型为过程通道中段，又把它分题07级），使来自生产过程的信息处理分轻重缓急，对那些现场保存时间短的信号，优先级别就高，以便先进行处理。如：炼钢过程中测钢水温度的信号，在请求输入（请求中段）后，两秒钟之内得将测温的热电偶信号取进，并转换成数字量送入计算机，这样急于处理的信号走高速通道。并把中段级别定高，使之在两秒之内能将信号取进计算机。又如由大型光电光谱仪测得钢的成分，每种成分（如Mn、P、S、C等）在向计算机送出时，请求计算机接受，限定计算机必须在此330ms之内取走，不然就送下一种成分了。这要求将光谱仪送计算机数据的中段级别定高，便于优先处理，免得在规定时间内没有取到该取到的数据。来自生产过程检测信号按着要求响应时间的长短来定出优先级别。又由完善的中段功能保证控制机能协调工作。（三)具有高可靠性。 工业生产常常是连续（昼夜）生产，这就要求控制计算机具有高度可靠性。不能中途停机，不能发生故障。目前的计算机都能作到几千小时不出一次故障。就是出了故障由于检查故障程序比较完善也能在几分钟之内修复。 为了使控制机防止外界干扰除了供电系统采用隔离变压器以外，在生产过程与过程通道之间也采取隔离方法，使其计算机系统与外界的过程控制器和检查仪表之间没有公共地线。用如下三种方法：（1）用继电器隔离。（2）用变压器隔离。（3）用光电管隔离。（四） 具有人机联系功能，以便实现人机对话，及时地对生产过程进行必要的干预。生产过程常常会发生意外事故，或生产设备出现问题，控制失灵等，都需要人工停止计算机控制，或发现控制发生偏差，人工可修正控制。（五） 具有能正确反映生产规律的数学模型，其数学模型只能近似反映出生产规律，其近似误差愈小，或者说近似程度愈接近，就愈容易实现生产过程最佳控制，达到增加产量提高产品质量、降低消耗、降低成本的目的。因此，实现计算机控制以后，要不断的改善、修正数学模型，提高数学模型近似程度是一项不可缺少的工作。（六） 具有适于控制用的软件系统。包括操作系统的系统软件和应用软件，用以提高控制质量，如适用于生产在线控制的实时操作系统 ，各种过程输入/输出通道的中断处理程序，过程I/O数据传输过程出现错误的处理程序和实现过程控制应用程序。应当指出，对于现场生产过程的各种生产设备必须具备：1、具有能接受控制机（过程输入/输出通道）送来的控制信息，并对生产设备行使控制的控制器或称控制部件。如是直流电机，常采用可控硅控制器，接受控制器送来的控制信号控制马达的起、停和快慢。有的是用常规控制仪表（PID仪表），由计算机给PID仪表设定或修正调正值，由PID仪表按给定的调正值行使控制。2、能有检测生产设备的运行状态的一次仪表（部件）或二次转换仪表部件。检测仪表输出信息能被控制机过程输入/输出通道所接受的模拟量和数字量。3、能有反映生产规律的数学模型。 这是实现计算机控制生产的三个前提条件，只有具备这三个条件才谈得上计算机自动控制生产过程。人工智能的发展促使自动控制向智能控制发展。可以说,智能控制是控制理论、人工智能(AI)和计算机科学相结合的产物。智能控制系统是在控制论、信息论、人工智能、仿生学、神经生理学及计算机科学发展的基础上逐渐形成的一类高级信息与控制系统。结合具体的工业生产过程,各种智能控制系统正在发挥巨大的经济和社会效益。 智能控制与智能自动化技术是众多学科和工程技术之集成。一方面,包括经典控制理论及现代控制理论在内的传统控制理论与技术无法满足工业及人类生活中日益复杂的控制与自动化要求;而另一方面,在计算机科学技术地推动下,人工智能科学与技术取得巨大进展。在此情况下,智能控制与智能自动化技术产生了,并逐渐发展起来。 尽管最初人们认为智能控制是自动控制理论(AC)与人工智能(AI),或AC、AI 与运筹学(OR)的结合,但事实上,智能控制是一门仍在不断丰富和发展中的具有众多学科集成特点的科学与技术。它不仅包含了AC、AI、OR 、系统理论(ST)和计算机科学(CS)的内容,而且还从生物学、生理学、心理学、协同学及人类知识理论等学科中吸取了丰富的营养。目前,在世界范围内,智能控制和智能自动化科学与技术正在成为自动化领域中最兴旺和发展最迅速的一个分支学科,并被许多发达国家确认为面向21世纪和提高国家竞争力的核心技术。(1)、智能(Intelligence): 智能控制中的智能是指有自治能力的程度(Degree of Autonomy)。(2)、自治能力(Autonomy): 自治能力是学习或获取各种知识、并利用此知识进行决策以改善自身行为的能力。(3)、智能控制器(Intelligent Controller): 用智能控制方法或传统的系统及控制技术设计或实现的、用于模拟或完成正常的由人、动物或生物系统所完成的功能的控制器。(4)、智能控制系统(Intelligent Control System )：智能控制系统是具有某种程度自治性的控制系统。(5)、智能控制方法:(Intelligent Control Methodology): 利用旨在模拟人、动物或生物系统功能的技术或过程来为动态系统构造或实现控制、以达到预定要求的控制方法的集合。智能控制系统的特征:a、处理各种不确定性、定性信息和数据结构的能力。b、处理非结构化信息和数据的能力。c、对具有高度抽象性的离散符号指令作出响应的能力。d、辩识主控系统结构或构成变化的能力。e、处理和利用各种不同性质的知识的能力。f、根据主控系统或环境变化,对自身参数或结构进行修正或重构的能力。g、在运行过程中学习和获取关于对象和环境新知识并利用新知识改进控制行为的能力。h、基于对象行为预测的控制的多目标性。 任何具备上述一种或多种能力的控制系统均被认为是智能控制系统。从这个意义上讲, 经典的反馈控制、变结构控制、自校正控制及自适应控制均被认为属于智能控制的范畴,它们与通常所说的智能控制的区别在于它们仅具有较低层次的智能。而智能控制理论及应用研究的目的就是利用包括传统控制及系统理论在内的已有各种理论及技术来构造在某种程度上具备上述特征的控制系统,并最终实现具有完全自治力的系统。 目前关于智能控制的研究和应用沿着几个主要的分支发展,主要为:自适应控制(Adaptive Control)、模糊控制(Fuzzy Control)、神经网控制(Neural Net-based Control)、基于知识的控制(Knowledge Based Control )或专家控制(Expert Control)、复合智能控制(Hybrid Intelligent Control)、学习控制(learning Control)和基于进化机制的控制(Evolutionary Mechanism Based Control)。这些有的已在现代工业生产过程的智能控制与智能自动化投入实际应用。模块化分布式控制系统的特点模块化分布式控制系统，主要分为三个系列：(1)基于以太网和Modbus通讯协议的Openline 系列(2)基于Optomux和Modbus通讯协议的MicroDAC, OpenDAC，OpenLT系列(3)基于现场总线Lonworks, Device, Profibus的Microlon, DacNet系列。系统结构概貌：从大的方面说，要构成一个完整的模块化分布式控制系统需要六个部分，1. 执行机构 2. 现场控制器和接口 3. 控制网络 4. 工程师工作站和操作员工作站 5. 组态软件和操作系统配置 6. 特定算法和特定行业编程。总体而言，这六个部分的工作的“全部”是一个整体的工业自动化系统工程，工程和项目的整体设计和施工是有自动化系统工程公司来完成的，而相应于这些部分产品的提供已成为专业制造商的不同市场细分，如：制造传感器的供应商，供应组态软件的厂商等。而我们所提供产品则是整个系统的第2和第3部分，实质上是I/O子系统的系列产品，我们之所以将我们的I/O子系统称之为模块化分布式控制系统，是因为从构成控制系统网络的每一个I/O子系统到每一个I/O子系统中的每一个I/O点的构成均无一例外的采用完全模块化结构，每一个I/O点都是独立的和互不干扰的。每一个I/O点的调理，A/D转换及监测控制类型均是高度点一级可配置和相互独立选择的，从硬件结构的设计上保证了当任何一点出现故障或损坏时，只需将此I/O模块更换即可使整个系统正常运行（一般可带电更换）。I/O子系统结构： 每一个I/O子系统都是放置于现场附近的局部控制器系统。它包括四个部分.1. 控制器 2. I/O模块安装架 3. 光电隔离I/O模块 4. 网络通讯和通讯协议。1. 控制器：是I/O子系统的心脏，是一种微型化的计算机系统或智能控制器。它负责运行现场嵌入式控制程序(ECP)，读取通过I/O模块采集的各种数据，经控制算法得出结论，并实施输出控制；同时，它还通过通讯网络负责同上位机进行通讯，并接受上位机指令。2. I/O模块安装架：直接和控制器相连。用于和固定I/O模块，和控制器交换数据以及和现场执行机构或变送装置接口。3. I/O模块： 4000V光电隔离，实施数据采集，变送，各类信号类型至频率信号转换，如：A/D, D/A， AC - DC, DC - DC，计数等。分单点和双点模块两类。4. 通讯网络接口和通讯协议： 严格的说，此接口是控制器的一部分，它依产品型号和类型的不同而不同。如：Openline采用的是Ethernet和Modbus, MicroDAC和OpenDAC采用的是Optomux和Modbus, Microlon采用的是Lonworks, DacNet采用的是DeviceNet.由于控制器是一种计算机，因而它具备计算机所具有的一切特点，如运行嵌入式控制程序，实现算法等。在结构上采用了高可靠的工业结构设计和存储结构，去掉了计算机中不符合控制系统需要的部分，如大容量硬盘，显示等。每种控制器的型号不同，其CPU的速度，I/O处理能力，运算能力，通讯能力也不同。如：Openline使用的是AMD 586-133, 而MicroDAC使用的是NEC V25-10/16等。在操作系统方面也不尽相同，如Openline采用的是嵌入式DOS或实时多任务操作系统QNX。MicroDAC采用DAC Monitor(可运行由C,C+,Borland,Turbo C/C+, Pascal, BASIC 等编译的程序）。FCS与DCS比较FCS: FCS（Field-bus Control System）现场总线控制系统；DCS：（Distributed Control System）分布式控制系统.；DCS是一种很好的工业控制系统，它已被广泛的应用并取得了良好的效果，但其功能的大部分未发挥，FCS是在现场总线技术的基础上较DCS更新一代的控制系统如下图所示：DCS系统与FCS系统会在很长的一段时间内共存.PLC、DCS、FCS三大控制系统的特点和差异 在有些行业，FCS是由PLC发展而来的；而在另一些行业，FCS又是由DCS发展而来的，所以FCS与PLC及DCS之间有着千丝万缕的联系，又存在着本质的差异。本文试就PLC、DCS、FCS三大控制系统的特点和差异作一分析，指出它们之间的渊源及发展方向。 1.前言 上世纪九十年代走向实用化的现场总线控制系统，正以迅猛的势头快速发展，是目前世界上最新型的控制系统。现场总线控制系统是目前自动化技术中的一个热点，正受到国内外自动化设备制造商与用户越来越强烈的关注。现场总线控制系统的出现，将给自动化领域带来又一次革命，其深度和广度将超过历史的任何一次，从而开创自动化的新纪元。 在有些行业，FCS是由PLC发展而来的；而在另一些行业，FCS又是由DCS发展而来的，所以FCS与PLC及DCS之间有着千丝万缕的联系，又存在着本质的差异。本文试就PLC、DCS、FCS三大控制系统的特点和差异作一分析，指出它们之间的渊源及发展方向。2PLC、DCS、FCS三大控制系统的基本特点 目前，在连续型流程生产自动控制（PA）或习惯称之谓工业过程控制中，有三大控制系统，即PLC、DCS和FCS。它们各自的基本特点如下： 21 PLC （1）从开关量控制发展到顺序控制、运送处理，是从下往上的。 （2）连续PID控制等多功能，PID在中断站中。 （3）可用一台PC机为主站，多台同型PLC为从站。 （4）也可一台PLC为主站，多台同型PLC为从站，构成PLC网络。这比用PC机作主站方便之处是：有用户编程时，不必知道通信协议，只要按说明书格式写就行。 （5）PLC网格既可作为独立DCS/TDCS，也可作为DCS/TDCS的子系统。 （6）大系统同DCS/TDCS，如TDC3000、CENTUMCS、WDPFI、MOD300。 （7）PLC网络如Siemens公司的SINECL1、SINECH1、S4、S5、S6、S7等，GE公司的GENET、三菱公司的MELSECNET、MELSECNET/MINI。 （8）主要用于工业过程中的顺序控制，新型PLC也兼有闭环控制功能。 （9）制造商：GOULD（美）、AB（美）、GE（美）、OMRON（日）、MITSUBISHI（日）、Siemens（德）等。 22 DCS或TDCS （1）分散控制系统DCS与集散控制系统TDCS是集4C（Communication，Computer， Control、CRT）技术于一身的监控技术。 （2）从上到下的树状拓扑大系统，其中通信（Communication）是关键。 （3）PID在中断站中，中断站联接计算机与现场仪器仪表与控制装置。 （4）是树状拓扑和并行连续的链路结构，也有大量电缆从中继站并行到现场仪器仪表。 （5）模拟信号，A/DD/A、带微处理器的混合。 （6）一台仪表一对线接到I/O，由控制站挂到局域网LAN。 （7）DCS是控制（工程师站）、操作（操作员站）、现场仪表（现场测控站）的3级结构。 （8）缺点是成本高，各公司产品不能互换，不能互操作，大多DCS系统各家是不同的。 （9）用于大规模的连续过程控制，如石化等。 （10）制造商：Bailey（美）、Westinghous（美）、HITACH（日）、LEEDS & NORTHRMP（美）、SIEMENS（德）、Foxboro（美）、ABB（瑞士）、Hartmann & Braun（德）、Yokogawa（日）、Honewell（美国）、Taylor（美）等。 23 FCS （1）基本任务是：本质（本征）安全、危险区域、易变过程、难于对付的非常环境。 （2）全数字化、智能、多功能取代模拟式单功能仪器、仪表、控制装置。 （3）用两根线联接分散的现场仪表、控制装置、PID与控制中心，取代每台仪器两根线。（4）在总线上PID与仪器、仪表、控制装置都是平等的。 （5）多变量、多节点、串行、数字通信系统取代单变量、单点、并行、模拟系统。 （6）是互联的、双向的、开放的取代单向的、封闭的。 （7）用分散的虚拟控制站取代集中的控制站。 （8）由现场电脑操纵，还可挂到上位机，接同一总线的上一级计算机。 （9）局域网，再可与internet相通。 （10）改变传统的信号标准、通信标准和系统标准入企业管理网。 （11）制造商：美Honeywell 、Smar 、Fisher Rosemount、 AB/Rockwell、Elsag Bailey 、Foxboro 、Yamatake 、日Yokogawa、欧 Siemens、 GECAlsthom 、Schneider、 procesData、 ABB等。 （12）3类FCS的典型 1）连续的工艺过程自动控制如石油化工，其中“本安防爆”技术是绝对重要的，典型产品是FF、World FIP、ProfibusPA； 2）分立的工艺动作自动控制如汽车制造机器人、汽车，典型产品是ProfibusDP、CANbus； 3）多点控制如楼宇自动化，典型产品是LON Work、ProfibusFMS。 从上述基本要点的描述中，我们是否注意到一点，用于过程控制的三大系统，没有一个是针对电站而开发的，或者说，在他们开发的初期，都并非以电站做系统的首选控制对象。而在这些系统的使用说明中也绝不把电站做为首选适用范围，有的在适用范围中根本就不提电站。现在奇怪的是，这三大控制系统，尤其是DCS、PLC，都在电站得到了广泛应用，而且效果也非常好。 3三大控制系统之间的差异 我们已经知道，FCS是由DCS与PLC发展而来，FCS不仅具备DCS与PLC的特点，而且跨出了革命性的一步。而目前，新型的DCS与新型的PLC，都有向对方靠拢的趋势。新型的DCS已有很强的顺序控制功能；而新型的PLC，在处理闭环控制方面也不差，并且两者都能组成大型网络，DCS与PLC的适用范围，已有很大的交叉。下一节就仅以DCS与FCS进行比较。在前面的章节中，实际上已涉及到DCS与FCS的差异，下面将就体系结构、投资、设计、使用等方面进行叙述。 31 差异要点 DCS DCS系统的关键是通信。也可以说数据公路是分散控制系统DCS的脊柱。由于它的任务是为系统所有部件之间提供通信网络，因此，数据公路自身的设计就决定了总体的灵活性和安全性。数据公路的媒体可以是：一对绞线、同轴电缆或光纤电缆。 通过数据公路的设计参数，基本上可以了解一个特定DCS系统的相对优点与弱点。 （1）系统能处理多少I/O信息。 （2）系统能处理多少与控制有关的控制回路的信息。 （3）能适应多少用户和装置（CRT、控制站等）。 （4）传输数据的完整性是怎样彻底检查的。 （5）数据公路的最大允许长度是多少。 （6）数据公路能支持多少支路。 （7）数据公路是否能支持由其它制造厂生产的硬件（可编程序控制器、计算机、数据记录装置等）。 为保证通信的完整，大部分DCS厂家都能提供冗余数据公路。 为了保证系统的安全性，使用了复杂的通信规约和检错技术。所谓通信规约就是一组规则，用以保证所传输的数据被接收，并且被理解得和发送的数据一样。 目前在DCS系统中一般使用两类通信手段，即同步的和异步的，同步通信依靠一个时钟信号来调节数据的传输和接收，异步网络采用没有时钟的报告系统。 FCS FCS的关键要点有三点 （1）FCS系统的核心是总线协议，即总线标准前面的章节已经叙述，一种类型的总线，只要其总线协议一经确定，相关的关键技术与有关的设备也就被确定。就其总线协议的基本原理而言，各类总线都是一样的，都以解决双向串行数字化通讯传输为基本依据。但由于各种原因，各类总线的总线协议存在很大的差异。 为了使现场总线满足可互操作性要求，使其成为真正的开放系统，在IEC国际标准，现场总线通讯协议模型的用户层中，就明确规定用户层具有装置描述功能。为了实现互操作，每个现场总线装置都用装置描述DD来描述。DD能够认为是装置的一个驱动器，它包括所有必要的参数描述和主站所需的操作步骤。由于DD包括描述装置通信所需的所有信息，并且与主站无关，所以可以使现场装置实现真正的互操作性。 实际情况是否如上述一致，回答是否定的。目前通过的现场总线国际标准含8种类型，而原IEO国际标准只是8种类型之一，与其它7种类型总线的地位是平等的。其它7种总线，不论其市场占有率有多少，每个总线协议都有一套软件、硬件的支撑。它们能够形成系统，形成产品，而原IEC现场总线国际标准，是一个既无软件支撑也无硬件支撑的空架子。所以，要实现这些总线的相互兼容和互操作，就目前状态而言，几乎是不可能的。 通过上述，我们是否可以得出这样一种映象：开放的现场总线控制系统的互操作性，就一个特定类型的现场总线而言，只要遵循该类型现场总线的总线协议，对其产品是开放的，并具有互操作性。换句话说，不论什么厂家的产品，也不一家是该现场总线公司的产品，只要遵循该总线的总线协议，产品之间是开放的，并具有互操作性，就可以组成总线网络。 (2)FCS系统的基础是数字智能现场装置 数字智能现场装置是FCS系统的硬件支撑，是基础，道理很简单，FCS系统执行的是自动控制装置与现场装置之间的双向数字通信现场总线信号制。如果现场装置不遵循统一的总线协议，即相关的通讯规约，不具备数字通信功能，那么所谓双向数字通信只是一句空话，也不能称之为现场总线控制系统。再一点，现场总线的一大特点就是要增加现场一级控制功能。如果现场装置不是多功能智能化的产品，那么现场总线控制系统的特点也就不存在了，所谓简化系统、方便设计、利于维护等优越性也是虚的。 (3) FCS系统的本质是信息处理现场化 对于一个控制系统，无论是采用DCS还是采用现场总线，系统需要处理的信息量至少是一样多的。实际上，采用现场总线后，可以从现场得到更多的信息。现场总线系统的信息量没有减少，甚至增加了，而传输信息的线缆却大大减少了。这就要求一方面要大大提高线缆传输信息的能力，另一方面要让大量信息在现场就地完成处理，减少现场与控制机房之间的信息往返。可以说现场总线的本质就是信息处理的现场化。 减少信息往返是网络设计和系统组态的一条重要原则。减少信息往返常常可带来改善系统响应时间的好处。因此，网络设计时应优先将相互间信息交换量大的节点，放在同一条支路里。 减少信息往返与减少系统的线缆有时会相互矛盾。这时仍应以节省投资为原则来做选择。如果所选择系统的响应时间允许的话，应选节省线缆的方案。如所选系统的响应时间比较紧张，稍微减少一点信息的传输就够用了，那就应选减少信息传输的方案。 现在一些带现场总线的现场仪表本身装了许多功能块，虽然不同产品同种功能块在性能上会稍有差别，但一个网络支路上有许多功能雷同功能块的情况是客观存在的。选用哪一个现场仪表上的功能块，是系统组态要解决的问题。 考虑这个问题的原则是：尽量减少总线上的信息往返。一般可以选择与该功能有关的信息输出最多的那台仪表上的功能块。 32 典型系统比较 通过使用现场总线，用户可以大量减少现场接线，用单个现场仪表可实现多变量通信，不同制造厂生产的装置间可以完全互操作，增加现场一级的控制功能，系统集成大大简化，并且维护十分简便。典型的现场总线系统框图示于图1。从图1中可以看出，传统的过程控制仪表系统每个现场装置到控制室都需使用一对专用的双绞线，以传送420mA信号，图2所示现场总线系统中，每个现场装置到接线盒的双绞线仍然可以使用，但是从现场接线盒到中央控制室仅用一根双绞线完成数字通信。图1：传统的过程控制系统通过采用现场总线控制系统，到底能节省多少电缆，编者尚未做此计算。但是，我们不可以采用DCS系统的电厂中与自动控制系统有关的所用电缆公里数看出，电缆在基建投资中所占份额。 某电厂，2300MW燃煤机组。热力系统为单元制。每台机组设置一座集中控制楼，采用机、炉、电单元集中控制方式。单元控制室的标高为12.6米，与运行层标高一致。DCS采用WDPF，每台机组设计的I/O点为4500点。图2：现场总线控制系统 电缆敷设采用EC软件，8个人用1.5个月时间完成电缆敷设的设计任务；主厂房内每台300MW机组自动化专业的电缆根数为4038根；主厂房内每台300MW机组自动化专业的电缆长度为350公里；以上电缆的根数及长度均不包括全厂火灾报警的厂供电缆和全厂各辅助生产车间的电缆；电缆桥架的立柱、桥架及小槽盒全部选用钢制镀锌，每台机组约95吨。其它电缆桥架包括直通、弯通、三通、四通、盖板、终端封头、调宽片、直接片等选用铝合金材质，每台300MW机组约为55吨。附件随桥架提供（如螺栓、螺母）。 某电厂，4MW燃油燃气电站。热力系统为单元制。DCS采用TELEPERM-XP。每台机组设计I/O点数为5804点。 电缆敷设采用EC软件，12个人用2.5个月时间完成电缆敷设的设计任务；主厂房内每台325MW机组自动化专业的电缆根数为4413根；主厂房内每台235MW机组自动化专业的电缆长度为360公里；每台机组全部选用钢制镀锌电缆桥架，其重量约为200吨。电站的电缆可以分为六大类：高压电力电缆、低压电力电缆、控制电缆、热控电缆、弱电电缆（主要指计算机用电缆）、其它电缆。若两台300MW机组同时做电缆敷设，自动化专业电缆的数量大约有8500根左右。其中热控电缆和弱电电缆将大于5000根，即约占60%左右（以根数计量）。 3.3 设计、投资及使用 上述的比较是偏重于纯技术性的比较，以下比较拟加入经济因素。 比较的前题是DCS系统与典型的、理想的FCS系统进行比较。为什么要做如此的假设。做为DCS系统发展到今天，开发初期提出的技术要求却已满足并得到了完善，目前的状况是进一步提高，因此也就不存在典型、理想的说法。而作为FCS系统，90年代刚进入实用化，作为开发初期的技术要求：兼容开放，双向数字通信、数字智能现场装置、高速总线等，目前还不理想有待完善。这种状态与现场总线国际标准的制定不能说没有关系。过去的十多年，各总线组织都忙于制定标准，开发产品，占领更多的市场，目的就是要挤身于国际标准，合法的占领更大的市场。现在有关国际标准的争战已告一段落，各大公司组织都已意识到，要真正占领市场，就得完善系统及相关产品。我们可以做这样的预测，不久的将来