DCS及现场总线技术-第1章

下午12时59分,2015-2016（1）,1,DCS及现场总线,DCSDistributedControlSystem,FCSFieldbusControlSystem,下午12时59分,2015-2016（1）,2,1、先进性：DCS最流行的工业控制系统FCS最前沿的全数字工控网络系统,本课的四大特点,2、综合性：集散型计算机控制系统（4C技术结合的产物)现场总线控制系统(工业控制网络),3、实用性：此课是本专业生产实习、毕业设计以及从事本专业工作联系极为紧密的专业课。,4、实践性：本课不仅是专业理论知识，还是工程应用技术；更是一种多学科交叉形成的先进工业控制技术。,下午12时59分,2015-2016（1）,3,本课程涵盖多门技术的相关内容,下午12时59分,2015-2016（1）,4,本课程涵盖多门技术的相关内容,计算机技术（DCS硬件构成、软件平台的应用等）自动控制技术（实现DCS控制策略及算法的技术方法）人机接口技术（DCS组态技术和操作技术等）通信技术（DCS数据通信技术、网络技术等）现场总线技术（现场总线的核心、基础、协议模型及典型的FCS技术）,下午12时59分,2015-2016（1）,5,第一章绪论,1.1计算机控制系统基本概念1.2计算机控制系统分类1.3集散控制系统基本概念1.4现场总线控制系统总体概念1.5DCS、FCS及PLC的差异,下午12时59分,2015-2016（1）,6,1.1计算机控制系统概述,常规(传统)控制系统的工作原理,下午12时59分,2015-2016（1）,7,计算机控制系统的工作原理,下午12时59分,2015-2016（1）,8,显然：要改变控制策略及算法，只要改变计算机的程序就可以（软）实现相应功能。,下午12时59分,2015-2016（1）,9,计算机控制系统工作过程,(1)实时数据采集:检测被控量的瞬时值，将采样结果输到计算机中。(2)实时决策:给定值与被控量的数值处理后，按照预定的控制规律进行控制运算实时决策。(3)实时控制:将实时决策结果转化为控制信号适时地送给执行装置实现过程控制。(4)信息管理:随着网络技术和控制策略的发展，信息共享及管理在控制系统得到了充分的应用。,下午12时59分,2015-2016（1）,10,上述测、算、控、管的过程不断重复，使系统按一定的动态(过渡过程)指标进行工作。并同时可对被控制量和设备本身所出现的异常状态及时进行监督并迅速做出处理计算机控制系统最基本的功能。实时控制指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间(采样控制间隔)内完成。分时控制因计算机运算处理速度远高于控制回路的速度要求，故可使计算机依次的完成多个通道（回路）的实时控制。,下午12时59分,2015-2016（1）,11,计算机控制系统的组成及作用,计算机硬件设备指微机本身及其外围设备，是计算机控制系统的基础；计算机控制软件指管理计算机的程序以及过程控制的应用程序，是计算机控制系统的灵魂；计算机通信网络指各数据采集节点和控制单元之间的通信设备及网络，是进行系统数据信息交换的通道。,下午12时59分,2015-2016（1）,12,基本计算机控制系统结构示意图,下午12时59分,2015-2016（1）,13,计算机控制系统的组成示意图,下午12时59分,2015-2016（1）,14,计算机控制系统各部分功能,由主机、接口电路及外围设备组成。不同的系统，所需硬件也不同，一般可根据控制系统的需要进行扩展。具有各种功能的插件板或功能模块，可用标准总线连接起来，如PC总线构成的各种工业控制计算机、PLC、DCS等。,1.硬件,下午12时59分,2015-2016（1）,15,由CPU和存储器构成，是整个控制系统的指挥部。它自动地对过程输入通道发送来的工业参数进行巡回检测，按照人们预先安排的程序，进行信息处理、分析和计算，并作出相应的控制决策，通过输出通道及时发出有关的控制命令。,1)计算机主机,下午12时59分,2015-2016（1）,16,2)接口与输入/输出通道,计算机和生产过程之间设置信息的传递和交换的连接通道输入/输出通道，(过程通道)过程通道一般可分为模拟量输入通道（A/D）、模拟量输出通道(D/A)、开关量输入通道和开关量输出通道等。过程通道是不能直接由主机控制的，必须由“接口”来传送相应的信息和命令。,下午12时59分,2015-2016（1）,17,3)通用外围设备,通用外围设备主要是为了扩大主机的功能而设置的，通用外围设备可分为输入设备、输出设备和存储设备，并根据控制系统的规模和要求来配置。,下午12时59分,2015-2016（1）,18,4)检测及执行机构,工业过程参数一般是非电物理量，必须经过传感器变换为等效的电信号。因此，检测元件精度的高低直接影响微机控制系统的精度。为了控制生产过程，还需要有执行机构。常用的执行机构有电动、液动和气动等形式。另有动力电机和控制电机等。,下午12时59分,2015-2016（1）,19,5)操作台,操作台是人机对话（接口）的联系纽带。程序员使用该人机设备(运行操作台)来输入、修改和检查程序。生产过程的操作人员必须了解控制台的使用细节，否则会引起严重后果。,下午12时59分,2015-2016（1）,20,2.软件,软件各种功能程序的总和操作系统、监控程序、管理程序、控制程序、计算和自诊断程序等。软件是微机系统的神经中枢，整个系统的动作都是在软件指挥下协调工作的。软件质量关系到计算机运行和控制效果的好坏，及硬件功能是否能够充分发挥和推广应用。软件通常分两类：系统软件应用软件和数据库。,下午12时59分,2015-2016（1）,21,3.计算机控制系统网络,网络技术在计算机控制系统中的比重越来越大。计算机控制系统的网络结构一般分为两大类：对等式网络结构Peertopeer；客户机/服务器结构Client/Server。自动化领域的计算机局域网现场总线技术,下午12时59分,2015-2016（1）,22,计算机控制的优点,(1)消除模拟调节器难以克服的缺点:漂移问题，参数整定范围窄，比例、积分和微分系数不能单独调整。(2)可在整个控制范围内实行多参数调节。(3)当信号噪声大时，数字低通滤波器与模拟滤波器相配合，对高频的脉冲噪声有较好的滤波效果，特别是数字滤波可抑制甚低频的周期干扰。,下午12时59分,2015-2016（1）,23,(4)使用灵活，便于实现特殊的控制规律，如修改部分程序就能改变调节规律，而无需改变硬件设备，计算机控制系统可以在线改变控制方案。因而可以在不增加硬件设备的情况下逐步提高控制水平。(5)具有增加控制回路而不会显著地增加费用的特点，还可实现打印、制表、报警、显示等附加功能。,下午12时59分,2015-2016（1）,24,强调计算机控制系统是以分时方式对控制对象进行控制的，它以定时采样和阶段控制来代替常规调节装置的连续检测和连续控制。,下午12时59分,2015-2016（1）,25,按照系统的功能分类,巡回检测和操作指导系统直接数字控制系统计算机监督控制系统集散控制系统现场总线控制系统工业过程计算机集成制造系统（流程CIMS）,1.2计算机控制系统分类,下午12时59分,2015-2016（1）,26,1、巡回检测和操作指导系统主要对过程参数进行定时巡回检测、数据记录、数据计算、数据统计和处理、参数的越限报警以及对数据进行积累和实时分析。计算机不直接参与生产过程的控制。代替大量的常规显示和记录仪表，对整个生产过程进行集中监视。,数据采集系统（DataAcquisitionSystem，DAS）,下午12时59分,2015-2016（1）,27,数据采集系统示意图,下午12时59分,2015-2016（1）,28,DDC系统中用一台微机对多个被控参数进行巡回检测，再根据规定的控制规律、进行控制运算，并输出到执行机构对生产过程进行控制。DDC系统中，计算机不仅完全取代模拟调节器，实现多回路的PID调节，而且不改变硬件，只通过改变软件就可以实现较复杂的控制算法。,2、直接数字控制系统（DirectDigitalControl),下午12时59分,2015-2016（1）,29,图DDC系统框图,下午12时59分,2015-2016（1）,30,3、计算机监督控制系统(SupervisoryComputerControl）,两级控制第1级用DDC计算机或调节器，完成直接控制；第2级用SCC计算机根据工艺信息和其他参数即按照一定算法进行优化计算，自动地改变DDC系统的给定值，从而使生产过程始终处于最优工况(最低消耗、最低成本、最高产量等)。又称给定值控制SPC(SetPointComputerControl)。SCC系统不仅可以进行给定值控制，同时还可以进行顺序控制、最优控制以及自适应控制等。,下午12时59分,2015-2016（1）,31,监督控制系统结构示意图,下午12时59分,2015-2016（1）,32,4.集散型计算机控制系统（DCS）,集散控制系统（DCS）组成框图,DCS采用分散控制和集中管理的控制理念与网络化的控制结构，灵活地将控制设备、服务器、基础自动化单元等联系在一起。按功能分散、危险分散、管理集中和应用灵活等原则进行设计，具有高可靠性能，便于维修与更新。,下午12时59分,2015-2016（1）,33,它以系统最优化为目标，以计算机为核心并与数据通信技术、控制技术、显示技术、人机接口技术、I/O接口等技术相结合用于过程控制和生产管理的工控主流控制系统。,传统DCS系统结构,下午12时59分,2015-2016（1）,34,下午12时59分,2015-2016（1）,35,5、现场总线控制系统（FCS）,现场总线连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向传输、多分支结构的通信网络。,FCS的基本结构,下午12时59分,2015-2016（1）,36,下午12时59分,2015-2016（1）,37,FCS用现场总线把具有输入、输出、运算、控制和通信功能的现场总线数字仪表（如传感器、变送器、执行器）等集成一体，构成现场网络自动化系统，实现了生产过程的信息集成。,下午12时59分,2015-2016（1）,38,6、工业过程计算机集成制造系统,流程计算机集成制造系统（ComputerIntegratedManufacturingSystems）流程CIMS通过计算机硬、软件的综合运用，利用现代管理技术、制造技术、信息技术、自动化技术、系统工程技术，将企业生产过程中的人员、技术、经营管理三要素及其信息与物流有机集成，并实现优化运行的复杂大系统。CINS代表了当今工厂综合自动化的最高水平，被誉为是未来的工厂。,下午12时59分,2015-2016（1）,39,流程计算机集成制造系统,下午12时59分,2015-2016（1）,40,下午12时59分,2015-2016（1）,41,流程CIMS是工程大系统，它所要解决的不是局部优化问题，而是工厂、公司乃至一个区域的总目标或总任务的最优化问题。,最优化的目标函数包括产量最高、质量最好、原料和能耗最小、成本最低、可靠性最高、环境污染最小等指标，它反映了技术、经济、环境等多方面的综合性要求。流程CIMS的理论基础是大系统理论。,下午12时59分,2015-2016（1）,42,下午12时59分,2015-2016（1）,43,按照控制规律对计算机控制系统分类,1)程序控制和顺序控制程序控制是控制被控量按照预先规定的时间函数变化，被控制量是时间的函数，如加热炉的温度控制。顺序控制则可以看作是程序控制的扩展，在各个时期所给出的设定值可以是不同的物理量，而且每次设定值的给出，不仅取决于时间，还取决于对以前的控制结果的逻辑判断。,下午12时59分,2015-2016（1）,44,2)PID控制调节器的输出是调节器输入的比例、积分、微分的函数。PID控制结构简单，参数容易调整,因此一直是应用最广、最为成熟的技术。3)有限拍控制有限拍控制的性能指标是调节时间最短，要求设计的系统在尽可能短的时间里完成调节过程。有限拍控制通常在数字随动系统中应用。,下午12时59分,2015-2016（1）,45,4)复杂规律的控制,控制系统性能指标不单是过渡过程的品质，而且包括能耗最小、产量最高、质量最好等综合性指标。对于存在随机扰动、纯滞后对象以及多变量耦合的系统，仅用PID控制是难以达到满意的性能指标的，因此，针对实际情况采用各种复杂规律的控制串级控制，前馈控制，纯滞后补偿控制，多变量解耦控制以及最优、自适应、自学习控制等。,下午12时59分,2015-2016（1）,46,5）智能控制,智能控制理论是把先进的方法学理论与解决当前技术问题所需要的系统理论结合起来的学科。智能控制理论可以看作是三个主要理论领域的交叉或汇合:人工智能、运筹学和控制理论。智能控制系统实质上是一个大系统综合的自动化系统。模糊控制、神经网络、遗传算法、专家系统等均可称智能控制,下午12时59分,2015-2016（1）,47,1.2DCS总体概念及特点,它是综合了4C技术的控制系统。设计原则及主要特点：危险、控制分散操作、管理集中分级管理、分而自治集散控制系统具有技术先进、功能完备、应用灵活、操作方便、运行可靠等多方面显著特点，为计算机控制开创了一个崭新的应用领域，并得到了广泛的应用。,下午12时59分,2015-2016（1）,48,初期DCS产生的基本思路：1）分散控制：分解集中控制多个专门的过程分散控制装置（FCS）2）集中操作：保持操作习惯良好的人/机操作界面(操作站)数据通信：建立操作站过程分散控制装置的数据联系,下午12时59分,2015-2016（1）,49,下午12时59分,2015-2016（1）,50,下午12时59分,2015-2016（1）,51,下午12时59分,2015-2016（1）,52,DCS的特点,1分级递阶控制:双向分级、各自分工、相互协调纵向：上下可分2-5级（过程控制级、操作管理级等）横向：可分多级（根据控制规模和控制方案确定）2分散控制:控制分散、人员分散、地域分散、功能分散、设备分散、操作分散目的：危险分散。设备的冗余设置提高系统的可靠性。3自治和协调性DCS的形成的基础系统分散的基础：被分散的系统是自治的系统。递阶分级的基础：被分级的系统是相互协调的。广义的集散内涵：控制分散、通讯分散、数据库分散、供电分散、负荷分散等数据及通讯管理集中、控制目标集中、显示操作的集中等,下午12时59分,2015-2016（1）,53,集散控制系统,从其本质和内部机理上讲它是以微处理机为核心的计算机控制系统；从其外部构成方式和应用角度上讲它类似于单元组合式仪表控制系统。因而，系统的组态及扩展都十分容易。,下午12时59分,2015-2016（1）,54,集散系统在功能上真正实现了管理集中和控制分散,既实现了操作、管理和监视的纵向分级集中，又实现了控制、危险的横向分散，从根本上提高了系统的可靠性。DCS系统是目前公认的最理想的工业控制系统之一，在国内外冶金、电力、石油、化工、建筑等工业生产中得到了广泛的应用。,下午12时59分,2015-2016（1）,55,DCS的特点,独立性协调性友好性适应性、灵活性和可扩充性实时性可靠性,下午12时59分,2015-2016（1）,56,DCS的发展历程,第一代DCS开创期(1975年1980年)DCS的组成现场控制站现场监测站CRT操作站数据高速公路监控计算机,下午12时59分,2015-2016（1）,57,第二代DCS成长期(1980年1985年)以局部网络LAN为主干其它各单元都是挂在它上面的网络节点工作站主要组成部分局部网络多功能现场控制站增强型操作站通用型操作站网关系统管理模块主计算机,下午12时59分,2015-2016（1）,58,DCS的扩展期（1985年以后）特点：1、DCS向综合化、开放化发展2、大型DCS进一步完善的同时，发展小型集散控制系统3、采用人工智能技术,MAPManufactureAutomationProtocol,下午12时59分,2015-2016（1）,59,传统DCS的局限,测量变送和执行机构仍是基于模拟仪表不同厂商的产品互不兼容，互操作性差传统DCS的编程计算工具仍显简单与上位机的接口硬件和规约各不相同,下午12时59分,2015-2016（1）,60,PLC发展对DCS的影响,可编程逻辑控制器（PLC）简介PLC最初功能PLC的编程PLC的改进与发展采用数据高速通道DH增加模拟量信号的处理功能网络化，实现系统集成,下午12时59分,2015-2016（1）,61,DCS体系的发展,FCS与DCSFCS可能会取代DCS，但相当长时间内将共存DCS的开放性与FCS初步兼容、异质兼容和同质兼容DCS发展：上融合Internet技术（互联网）中采用Intranet技术（企业信息网）底采用Infranet技术（控制网）三网融合无缝集成综合自动化,下午12时59分,2015-2016（1）,62,集散控制系统的展望,(1)操作性能进一步提高，操作、管理、组态、开发将更加方便，软件更加丰富。各种高性能的控制、管理软件在DCS中得到广泛应用。(2)加强网络标准，统一通信规程，现场总线的规格化，系统硬件、软件的标准化，形成开放型的集散系统。(3)系统规模向大规模发展的同时也向小系统发展。集散系统后的新的控制网络现场总线控制系统(FCS)有更广阔的应用前景。,下午12时59分,2015-2016（1）,63,1.3FCS的总体概念,1.3.1FCS的基本概念现场总线一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备与控制装置之间进行双向、串行、多节点、数字式的数据交换的通信技术。(IEC定义)现场总线就是以数字通信替代了传统420mA模拟信号及普通开关量信号的传输。连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统。,下午12时59分,2