集散控制-第1章 绪论_2010(02)

集散控制系统,姚小兰北京理工大学电话：68912467E-mail:,集散控制系统的概念、特点及国内外的发展情况、DCS的体系结构 DCS硬件系统 （DCS 硬件组成 、主控制器 、IO等）DCS控制层软件 （DCS控制层软件功能 、信号采集与数据预处理 、 控制编程语言 ）DCS的监督控制软件及人机界面 （监控层应用功能设计 、OPC的基本结构 ）集散型控制系统的通讯网络 DCS的高级管理功能 集散控制系统的设计 典型集散控制系统实例,主要内容,平时作业及考勤20课堂讨论及论文30期末笔试50,主要要求,1 王常力，廖道文. 分布式控制系统(DCS)设计与应用实例, 电子工业出版社，20042 杨宁，赵玉刚. 集散控制系统及现场总线, 北京航空航天大学出版社，20033 张新薇，陈旭东等. 集散系统及系统设计, 机械工业出版社，20054 何衍庆,俞金寿. 集散控制系统原理及应用,化学工业出版社, 20025 刘翠玲，黄建兵等. 集散控制系统，北京大学出版社，20066 侯朝桢. 分布式计算机控制系统, 北京理工大学出版社，1997,参考书目,1.1 控制系统概述1.2 计算机控制系统简介1.3 什么是集散控制系统1.4 DCS的发展历史1.5 DCS 应用范围的扩展1.6 DCS的体系结构1.7 DCS、PLC、FCS的比较,结束,首页,上页,下页,末页,第一章 集散控制系统的概念及发展历史,结束,首页,上页,下页,末页,1.1 控制系统概述,控制科学与技术的发展状况 控制科学与技术在20世纪的人类科技进步中起到了举足轻重的作用 20世纪初的Lyapunov稳定理论和PID控制律概念；20年代的反馈放大器；30年代的Nyquist与Bode图；40年代维纳的控制论；50年代贝尔曼动态规划理论和庞特里亚金极大值原理；60年代卡尔曼滤波器、系统状态空间法、系统能控性和能观性；70年代的自校正控制和自适应控制；80年代针对系统不确定状况的鲁棒控制；90年代基于智能信息处理的智能控制理论。,结束,首页,上页,下页,末页,1.1 控制系统概述,随着计算机科学、网络和智能信息处理技术的进步，以及社会生产力发展的强烈需求，在如何解决日益增加的复杂系统、网络系统、多传感器信息融合、生物、基因、量子计算、社会经济与生态等重大问题上，控制科学和自动化领域的研究者们在21世纪初面临着更重大的、更为迫切的挑战。 近30年来，控制科学在非线性系统控制、集散系统控制、系统辨识、随机与自适应控制、鲁棒控制、离散事件系统和混合系统、智能控制等研究方向上取得了许多重要进展。,结束,首页,上页,下页,末页,1.1 控制系统概述,控制科学所面临的挑战问题 高度自主的复杂工程系统的设计与控制 智能控制与基于人类行为的智能化信息处理 复杂工业系统的故障快速处理、系统重构与修复，复杂环境中仿人机器人的设计和制造，社会系统中的重大事变的应急指挥和组织系统都存在着如何适应外部世界不确定性的动态变化问题 学习控制系统 综合智能处理方法 复杂系统的理论体系的形成 要求控制系统对被控对象的动力学模型要有“学习”和“识别”能力，对环境和扰动的变化要有“适应”和“鲁棒”能力。,结束,首页,上页,下页,末页,1.1 控制系统概述,控制系统的基本组成：被控对象（即生产过程）、控制设备或装置、人（控制方法与算法） 工业生产的典型过程：连续过程（Continuous Process）离散过程（Discrete Process）批量过程（Batch Process）,一种间歇性多品种生产过程，特点是离散与连续过程交替进行。常用控制方法：连续过程控制离散过程控制批量过程或混合过程控制,直接控制与监督控制,结束,首页,上页,下页,末页,1.2 计算机控制系统简介,1.2.1 计算机控制系统 自动控制系统可以分成调节系统和伺服系统两类； 调节系统要求被控对象的状态保持不变，一般输入信号不作频繁调节。 伺服系统要求被控对象的状态能自动地、连续地、精确地复现输入信号。计算机控制系统（也称为数字控制系统）是利用计算机代替常规模拟控制器，使它成为控制系统的一个组成部分。 由于计算机输入输出只能是数字信号，所以要加入A/D、D/A环节。,结束,首页,上页,下页,末页,1.2 计算机控制系统简介,计算机控制伺服系统由计算机通过模拟量输入通道采集被控对象的状态，与给定值的数字量比较，获得误差，然后经控制器的算法程序进行信息加工，做出相应的控制和处理决策，形成控制信息，通过模拟量输出通道，转变成被控对象可以接受的模拟信号，通过驱动器带动系统跟踪输入变化。,结束,首页,上页,下页,末页,1.2 计算机控制系统简介,常规仪表控制系统原理框图,计算机控制系统原理框图,结束,首页,上页,下页,末页,1.2 计算机控制系统简介,计算机控制系统硬件组成框图,结束,首页,上页,下页,末页,1.2 计算机控制系统简介,1.2.2计算机控制系统的分类 数据采集系统（DAS） 操作指导控制系统（OGC）,结束,首页,上页,下页,末页,1.2 计算机控制系统简介,3. 直接数字控制系统（DDC）4. 计算机监督控制系统（SCC）5. 集散控制系统（DCS）,结束,首页,上页,下页,末页,1.2 计算机控制系统简介,1.2.3控制计算机的几种机型可编程控制器（PLC）可编程调节器单片微型计算机总线式工控机集散控制系统（DCS)现场总线控制系统（FCS）,结束,首页,上页,下页,末页,1.3 什么是DCS(集散控制系统),DCSDistributed Control System，直译为“分布式控制系统”，也称为 “集散控制系统”。考集散控制系统是计算机（Computer）、通信（Communication）、CRT显示和控制（Control）技术（简称4C技术）发展起来的产物。,结束,首页,上页,下页,末页,1.3 什么是DCS(集散控制系统),集散控制系统是当前先进工业控制系统主要结构形式。从七十年代开始应用以来，在冶金、电力、石油、化工、轻工等工业过程控制中获得迅猛的发展在高校，集散控制系统课程是最接近实际生产过程的一门专业课程。举例：交通灯控制、电梯控制、生产线控制等,结束,首页,上页,下页,末页,考1.3 什么是DCS(集散控制系统),DCS的特点和优点： 它采用危险分散、控制分散、而操作和管理集中的基本设计思想，以及分层、分级和合作自治的结构形式，适应现代的工业生产和管理要求。分散性和集中性： 分散性除控制分散外，还包括地域分散、设备分散、功能分散和危险分散。目的是危险分散，进而提高系统的可靠性和安全性。DCS硬件积木化和软件模块化是分散的具体体现。集中是指集中监视、集中操作和集中管理。DCS通信网络和分布式数据库是集中性的具体体现。自治性和协调性：自治性是指系统中的各台计算机均可独立地工作。协调性是指系统中地各台计算机用通信网络互联在一起，相互传送信息，相互协调工作，以实现系统地总统功能。,结束,首页,上页,下页,末页,考1.3 什么是DCS(集散控制系统),灵活性和扩展性： DCS硬件采用积木式结构，可灵活地配置成小、中、大各类系统。同时可根据企业的情况，逐步扩展系统，改变系统的配置。DCS软件采用模块式结构，可灵活地组态构成简单、复杂各类控制系统，同时可根据生产工艺和流程需要，随时修改控制硬件方案。先进性和继承性：DCS综合了“4C”技术，随着“4C”技术地发展而发展。DCS问世以来，更新换代比较快。当出现新型DCS时，老DCS作为新DCS地一个子系统继续工作。可靠性和适应性：DCS的分散带来系统的危险分散，提高了系统的可靠性。DCS的一系列冗余技术及自动检测故障功能等，进一步保证了系统的可靠性。高性能的电子元器件、先进的生产工艺和各项抗干扰技术，可使DCS能够适应恶劣的工作环境。友好性和新颖性：DCS为操作人员提供了友好的人机界面，如彩色CRT和交互式图形画面。新颖性主要表现在人机界面，采用动态画面、工业电视、合成语音等多媒体技术，图文并茂，形象直观。,结束,首页,上页,下页,末页,1.4 DCS的发展历史,集散控制系统是1969年PLC问世后，由Honeywell公司在1975年首先推出的，是计算机（computer）、通信（communication）、CRT显示和控制（ control）技术（简称四C技术）发展起来的产物。最近几十年从气动仪表到电动仪表，从现场就地控制到中央控制室，从在仪表屏幕上(操纵台)操作到用计算机操作站（显示采用CRT、LCD、LED）操作，从模拟信号到数字信号等，发展是很惊人的。从仪表控制到回路控制器、PLC和DCS、开放型网络化系统经历不到50年的时间，在控制原理上的发展和实现控制的手段相比，装置的改进可以说是日新月异。,结束,首页,上页,下页,末页,1.4 DCS的发展历史_第一代,第一代DCS（19751980）为初始期或开创期。主要产品有Honeywell公司的TDC-2000、Yokogawa公司的Yawpark、Foxboro公司的Spectrum等；设计的重点是现场控制站，各公司都采用当时最先进的微处理器来构成现场控制站；特点是系统的直接控制功能比较成熟，而系统的人机界面功能相对较弱；功能上更接近于仪表控制系统，其特点是分散控制，集中监视；系统的构成均由专有产品构成，包括数据通讯、现场控制站、人机界面及各类功能性的工作站。这种由独家技术、独家产品构成的系统形成了极高的价位，不仅购买价格高，系统的维护运行成本也高，因此DCS的应用范围也受到一定的限制；,结束,首页,上页,下页,末页,1.6 传统DCS的基本组成,结束,首页,上页,下页,末页,1.4 DCS的发展历史_第二代,第二代DCS（19801985）为成熟期。主要产品有Honeywell公司的TDC-3000、Fisher公司的PROVOX、Taylor公司的MOD300等系统；系统的控制功能逐步走向完善，除回路控制外，还增加了逻辑控制、顺序控制、程序控制等混合控制功能；加强了系统管理站的功能，可实现一些优化控制和生产管理功能；图形用户界面逐步丰富，操作人员通过CRT获得更多的信息；在操作方面，从过去的键盘操作，发展到基于屏幕显示的光标操作等。系统技术不断成熟，更多的厂家参与竞争，DCS的价格开始下降，使得DCS的应用更加广泛。但是，相对来说购买、运行、及维护成本还是很高。缺点是通信标准方面，没有统一的标准。不同厂家的系统之间基本上不能进行数据交换。,结束,首页,上页,下页,末页,1.4 DCS的发展历史_第三代,第三代DCS（198590年代）为成熟期。以1987年Foxboro公司推出的I/A Series为代表，系统采用ISO标准MAP（制造自动化规约）网络。这时的产品还包括Honeywell公司的TDC-3000UCN、Yokogowa公司的Centrum-XL等；系统的功能进一步扩展，增加了上层网络，将生产的管理功能纳入到系统中，形成了直接控制、监督控制和协调优化三层功能结构。这就是现代DCS的标准结构。进入90年代以后，人们已经很难比较出各个厂家的DCS在直接控制功能方面的差异，其主要差异体现在与不同行业应用密切相关的控制方法和高层管理功能方面。在网络方面，各个厂家已普遍采用了标准的网络产品，如各种实时网络和以太网。多数DCS厂家在组态方面，实现了标准化，,结束,首页,上页,下页,末页,1.4 DCS的发展历史_发展趋势,第四（31）代DCS（90年代末）PC硬件作为操作站和控制器的硬件。操作系统采用WindowsNT 、2000和XP；采用实时操作系统。工程师站操作系统采用符合IEC61131-3标准的编程软件。控制器向下有多种现场总线的接口，如FF、HART、DeviceNet、Profibus等；向上与以太网连接。提供各种PLC的接口。这样的系统开放成本降低了，价格也同时降低了。,结束,首页,上页,下页,末页,1.4 DCS的发展历史影响DCS发展的因素,硬件结构、软件应用和网络协议技术的发展，直接影响了DCS的发展：20世纪80年代初期，Interllution公司的FIX软件和Wonderware公司的Intouch软件在Dos上运行开发成功，为PC进入工业控制领域作了技术准备；OPC服务器的出现，解决了不同机型互操作和互连的问题；IEC611313编程标准的发布，有可能使DCS控制器的编程实现“一次学习，到处使用”；现场总线技术的发展，解决控制器远程信号的传输问题，这是一种通信和控制相结合的技术；目前已推出完全以工业以太网为基础的控制系统，其工厂级、控制级和现场级均采用基于TCP/IP的工业Ethenet，配备Web server功能，以十分迅速的速度进入工业控制领域；计算机技术的发展，如数据库，信息管理系统等。,结束,首页,上页,下页,末页,1.4 DCS的发展总结,DCS的发展历史与控制系统的发展历史是紧密相关的。,从1975年第一套DCS诞生到现在，DCS经历了三代（1）产品。系统的功能从低层逐步向高层扩展；系统的控制功能由单一的回路控制逐步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；构成系统的各个部分由DCS厂家专有的产品逐步改变为开放的市场采购的产品；开发的趋势使得DCS厂家越来越多重视采用公开标准，这使得第三方产品更加容易集成到系统中来；开放性带来的系统趋同化迫使DCS厂家向高层的、与生产工艺结合紧密的高级控制功能发展，以求得与其他同类厂家的差异化；数字化的发展越来越向现场延伸，这使得现场控制功能和系统体系结构发生了重大变化，将发展成为更加智能化、更加分散化的新一代控制系统。,结束,首页,上页,下页,末页,1.5 DCS 应用范围的扩展,理论上讲，一个DCS可以应用于各种行业。但是由于各行业有自己的特殊性，同时各DCS厂商熟悉的行业不同，因此，出现了DCS型号与行业是否匹配的问题。,用户在选择DCS的时候主要是要注意其技术人员对自己生产工艺的熟悉程度，并应注意行业应用的特殊性，然后选择符合自己要求的DCS。 开放型的系统允许使用不同类型操作站与控制器的组合，不同组合价格不同。 国产DCS在技术上可能不如进口的，但是也能满足基本要求。价格占绝对优势（成本、备品、现场服务）。,结束,首页,上页,下页,末页,1.6 传统DCS的基本组成,结束,首页,上页,下页,末页,1.6 传统DCS的基本组成,传统的集散控制系统由现场控制器、操作站、工程师站和通信网络等部分组成。操作站是人机接口装置，用于监视、操作，打印报表。不同的DCS操作站差别较大：是PC还是小型机；是UNIX还是NT操作系统；是专用的还是通用的监控软件。(大尺寸显示、较大的内存)现场控制站（包括I/O和控制器）。I/O卡（又称过程接口单元或数据采集站）分模拟量和开关量两种；控制器（又称过程控制单元或现场控制站）是DCS的核心部件，它向下经过I/O卡与现场仪表相连，向上经过通信网络与人机界面相连。系统的性能、可靠性等重要性能指标都要靠它完成；一般采用专门的工业级计算机系统。 工程师站对DCS进行应用组态。（包括离线和在线两种状态）服务器及其它功能站历史站、管理站、计算站等。通过网络与其它各站连接，形成一个功能完备的复杂控制系统。通信网络是连接系统各个站的桥梁。系统网络的实时性、可靠性和数据通信能力关系到整个系统的性能。目前多采用以太网方式。现场总线网络DCS将成为一种全数字化的系统。,结束,首页,上页,下页,末页,1.6 传统DCS的基本组成总线技术应用,结束,首页,上页,下页,末页,1.6传统DCS的基本组成综合监控自动化系统,结束,首页,上页,下页,末页,1.6 传统DCS的基本组成第四代体系结构,CRM:客户关系管理；ERP：企业资源计划；SCM:供应链管理,结束,首页,上页,下页,末页,1.6 传统DCS的基本组成DCS的软件构成,集散控制系统软件的基本构成是按着硬件的划分形成的。主要分为现场控制站软件、操作员站软件和工程师站软件，及运行于各个站上的网络软件。,结束,首页,上页,下页,末页,1.6 传统DCS的基本组成DCS的网络结构,网络的拓扑结构有总线型、环形和星形3种基本形态。对系统设计有意义的，有下面两种，在选择系统的网络结构时，需要根据实际应用的需要进行合理的取舍。 共享传输介质而不需要中央节点的网络，如总线型