第一章集散控制系统概述.ppt

2020年6月8日,1,集散控制系统,教材：何衍庆等。集散控制系统原理及应用（第三版），化工出版社。,2020年6月8日,2,第一章概述,绪论第一节集散控制系统的概念第二节集散控制系统的特点第三节集散控制系统的展望第四节集散控制系统在我国的发展状况,2020年6月8日,3,绪论,一、控制系统按照结构分类集中控制系统分散控制系统集散控制系统(分布式控制系统)二、集散控制系统的产生,2020年6月8日,4,一、控制系统按照结构分类1、集中控制系统（CentralizedControlSystem，CCS）2、分散控制系统（DecentralizedControlSystem，DCS）3、集散控制系统（TotalDistributedControlSystem，TDCS）（分布式控制系统）,2020年6月8日,5,1、集中控制系统,2020年6月8日,6,集中控制系统的概念,单机系统，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，有时称为“群控”。,2020年6月8日,7,2、分散控制系统,多机系统，多台计算机分别控制不同的对象或设备，各自构成子系统，各子系统间有通信或网络互联的关系。从整个系统来说，在功能上、逻辑关系上、物理上以及地理位置上都是分散的。以计算机网络为组成核心的控制系统都是分散式系统。,2020年6月8日,8,3、集散控制系统,将微处理器作为核心的集中分散控制系统。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。TotalDistributedControlSystem，TDCS,又称分布式控制系统。主要特点：集中管理、分散控制。,2020年6月8日,9,集散控制系统典型结构,2020年6月8日,10,比较分散控制系统和集散控制系统,结构相似：分层、子系统、联系不同：（1）采用的技术不同；（2）各子系统有密切联系和信息交换，系统对各子系统的总体目标和任务进行协调和分配。集散控制系统也是多机系统，严格地说是分散控制系统的一种。,2020年6月8日,11,1.30年代初期：分散控制方式直接作用式气动控制器；控制装置安装在被控过程附近，每个回路有单独控制器；运行人员分布在全厂各处；适用于规模不太大、工艺过程不太复杂的企业。,二、集散控制系统的产生,2020年6月8日,12,控制系统的发展史,2020年6月8日,13,2.30年代末期：集中控制中央控制室，信息远距离传输；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；优点：运行人员可获得整个的生产信息，便于协调控制；注意：控制仪表和运行人员在地理上的集中，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；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。,2020年6月8日,14,控制系统的发展史,2020年6月8日,15,控制系统的发展史,2020年6月8日,16,控制系统的发展史,2020年6月8日,17,3.50年代末60年代初：集中控制方式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。特点：控制集中、管理集中缺点：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。,2020年6月8日,18,集中控制系统,2020年6月8日,19,4.70年代:集散控制方式分析集中控制的失败，提出了集散控制系统的概念；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.特点：控制分散、管理集中,2020年6月8日,20,集散控制系统,以微处理器为基础的分散控制、集中管理的共用控制、共用显示的开放的仪表计算机控制系统。主要特点：集中管理、分散控制。,2020年6月8日,21,控制系统的发展史,2020年6月8日,22,总结：控制系统的发展历史(循环)1.30年代初期：分散控制(控制分散、管理分散)2.30年代末期：集中控制(控制分散、管理集中)3.50年代末60年代初：集中控制(控制集中、管理集中)4.70年代:集散控制(控制分散、管理集中),2020年6月8日,23,集散控制系统产生的原因,模拟仪表难以胜任生产规模的不断扩大；常规模拟仪表存在难以克服的弊病：1、控制功能过于单一，难以实现复杂控制的功能。2、难以集中操作和监视。仪表控制系统应适应工业技术发展的要求；计算机集中控制的风险太大；系统上下及子系统之间的通信联系要求越来越高。,2020年6月8日,24,第一节集散控制系统的概念,一、集散系统的发展历史四个历史阶段二、集散系统的基本结构三大组成部分,2020年6月8日,25,一、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）DCS的雏形，三大组成部分：过程控制装置操作管理装置数据通信系统,2020年6月8日,26,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。比较注重控制功能的实现，设计重点是现场控制站，直接控制功能成熟可靠，人机界面功能相对较弱。各个厂家的系统均由专有产品构成。,2020年6月8日,27,第一个集散控制系统是1975年首先由美国霍尼威尔（Honeywell）公司推出的TDCS2000第一代典型产品（公司）：Honeywell公司的TDCS2000Bailey公司的Network90系统横河公司的CENTUM西门子(Siemens)公司的TELEPERMM,2020年6月8日,28,2.第二阶段（成熟期）（19801985年）系统硬件和软件技术不断更新，系统功能扩大或增强；数据通信系统：总线网或环网；局域网；通信系统各自为政、不同厂家通信困难“自动化孤岛”。,2020年6月8日,29,特点：引入局域网作为系统骨干，使得系统的规模容量进一步增加，并且有扩充的余地。在功能上也逐步完善，除回路控制以外，增加了与顺序控制、逻辑控制相结合。加强管理站功能，可实现优化控制和生产管理功能。人机界面功能也有显著的改善，通过CRT的显示能得到更多的生产和系统控制信息。系统的开放性仍然很差。,2020年6月8日,30,第二代典型产品（公司）：Honeywell公司的TDCS3000西屋公司的WDPFABB公司的MASTER,2020年6月8日,31,3.第三阶段（扩展期）（1985年以后）主要特征：开放系统局域网：10兆宽带、5兆载带通信标准符合国际标准组织ISO的OSI开放系统互连的参考模型；不同制造厂家的产品可以进行数据通信，克服了“自动化孤岛”等困难；系统的软件和控制功能也有所增强。,2020年6月8日,32,特点：增加了上层网络，将生产的管理功能纳入系统中。形成直接控制、监督控制和协调优化、上层管理的现代DCS的标准体系结构。各种DCS的差异体现在不同行业应用的控制方法和高层管理功能上。另外组态实现标准化，支持IEC61131-3所定义的五种编程语言。系统的开放性有很大的提高，构成系统的产品不再专有化。现场总线技术也开始应用到系统中。,2020年6月8日,33,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其他代表产品:Honeywell公司的带有UCN网的TDCS3000横河公司带有SV-NET网的CENTUM-XL,2020年6月8日,34,4.第四阶段（新一代DCS）（90年代后期）（集成阶段、合成阶段）管控一体化硬件：开放式的工作站，RISC代替CISC，客户机/服务器的结构；软件：则采用UNIX系统和X-Windows的图形界面，系统的软件更丰富;,2020年6月8日,35,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.特点：引入企业信息网，更加注重信息化和集成化；以实现管控一体化，采用C/S的结构，可以直接连到Internet；FCS进一步分散化；I/O处理单元小型化、智能化、低成本；平台的开放型与应用的专业化。,2020年6月8日,36,第四代典型产品：Honeywell公司的TPS控制系统、ExperionPKS.Emerson公司的DeltaV控制系统.Foxboro公司的I/AS50/51控制系统.西门子公司的PCS7控制系统.中控的WebFieldECS-100,2020年6月8日,37,DCS的发展趋势主要体现在以下几个方面：1、系统的功能从低层逐步向高层扩展2、系统的控制功能由单一的回路控制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。3、构成系统的各个部分由专有产品改变为开放的市场采购产品。4、开放的趋势使得DCS厂家重视公开标准，注意与第三方产品的集成.,2020年6月8日,38,5、开放性的系统趋同化使得DCS厂家向高层、与生产工艺结合紧密的高级控制功能发展。6、数字化的发展越来越向现场延伸，使得现场控制功能和系统的体系结构发生重大变化，将发展为更加智能，更加分散化的控制系统。,2020年6月8日,39,二、集散系统的基本结构,（1）分散过程控制装置集散控制系统与生产过程的界面：过程变量分散过程控制装置操作监视的数据操作信息分散过程控制装置执行机构。数/模、模/数转换、控制算法、软件滤波等,2020年6月8日,40,（2）操作管理装置操作人员与集散系统的界面：监视和操作。（3）通信系统分散过程控制装置与操作管理之间数据传递和交换。,2020年6月8日,41,（一）分级递阶控制体系结构集散控制系统在水平和垂直方向都是分级（层、块）的。（1）垂直分级：是指功能方面不同的分级，至少有两个分级，即操作管理级和过程控制级。,第二节集散控制系统的特点,2020年6月8日,42,（2）水平分级：各过程控制级之间是互相协调的分级，它们把数据向上送达操作管理级，同时接受操作管理级的指令，各水平分级之间也进行数据交换；（3）信息结构：自下向上逐渐集中，自上而下逐渐分散。,2020年6月8日,43,2020年6月8日,44,（二）分散控制,分散的含义：控制分散、人员分散、地域分散、功能分散、危险分散、设备分散、操作分散。分散的目的：使危险分散，提高设备的可利用率,2020年6月8日,45,（三）自治性和协调性,集散控制系统的各组成部分是各自为政的自治系统，完成各自的功能，相互间又有联系，数据信息互相交换，条件相互制约，在系统的协调下工作。自治性与协调性和分散控制、集中管理相对应。,2020年6月8日,46,特点之间的关系,分散的基础是被分散的系统应是自治系统；递阶分级的基础是被分级的系统是相互协调的系统；分散是互相协调的分散；分散中有集中管理；分散的自治系统是在统一管理和协调下分散工作的。,2020年6月8日,47,（四）开放系统,开放系统：以规范化和实际存在的接口标准为依据而建立起来的计算机系统、网络系统及相关的通信系统。,2020年6月8日,48,集散系统的开放性特征。（1）可移植性（Portability）第三方的应用软件可以在集散控制中使用。（2）互操作性（Interoperability）可以进行操作的设备或装置在网络的各节点：操作监视站（操作员站、工程师站）、分散过程控制站等。不同计算机系统之间能正确有效地进行数据互通、协同工作、共享资源。,2020年6月8日,49,（3）可适宜性（Scalability）系统对计算机的运行环境要求变得更为宽松，系统的级别和软件版本高低互用。（4）可得到性（Availability）容易使用、容易学习、可在不同用户不同环境下正常运行的能力。用户选择产品的灵活性增强了。,2020年6月8日,50,（五）信息管理与集成,单一的生产过程控制信息的集成发展为管控一体化、信息集成化和网络化。单一的控制系统发展为开放的网络系统。,2020年6月8日,51,1.适应性和扩展性强2.控制能力强3.人机联系手段先进4.可靠性高5.可维修性好6.安装费用少,四、集散控制系统的优点,2020年6月8日,52,1.适应性和扩展性强,集散控制系统在结构上采用了常规系统的模块化设计方法。硬件、软件都可根据需要灵活组合，以适应生产规模的大小。采用组态方法构成各种回路，容易进行方案修改。扩展灵活，有利于分批投资、分批受益。,2020年6月8日,53,2.控制、操作能力强,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。实现常规算法、复杂的优化控制算法、逻辑控制和批量控制。可以实现监控、显示、打印、报警、历史数据存储等日常全部操作要求。,2020年6月8日,54,3.人机联系手段(CRT+键盘),人机联系信息流向：“人过程”联系和“过程人”联系更先进的人机联系手段：CRT图形显示和键盘操作“过程人”：信息直接显示在CRT屏幕“人过程”：通过键盘输入各种操作指令人机联系手段双向集中：一致性，防止误操作,2020年6月8日,55,常规控制系统的人机联系,“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。“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。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。,2020年6月8日,56,4.可靠性高,（1）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。（2）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。（3）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。,2020年6月8日,57,5.可维修性好,可维修性：系统部件发生故障后对其进行维修的难易程度。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。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。,2020年6月8日,58,集散控制系统的可维修性有明显优势：少数集中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；采用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，运行员和工程师迅速发现系统故障的性质和地点。,2020年6月8日,59,6.安装费用少,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。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。,2020年6月8日,60,集散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：减少60%,2020年6月8日,61,三、集散控制系统的展望,集散控制系统将向两个方向发展：一个方向是向上发展：向MES制造执行系统、ERP企业资源计划；另一个方向是向下发展：向FCS（FieldbusControlSystem）现场总线控制系统发展。,2020年6月8日,62,图：ISASP95企业信息集成规范的层次模型,2020年6月8日,63,现场总线和无线连接,现场总线：连接工业现场的传感器、执行机构、控制系统之间的全数字式、双向传输、多分支的通信网络。现场总线控制系统（FieldbusControlSystem：FCS）是采用现场总线作为通信系统的分布式控制系统。,2020年6月8日,64,现场总线控制系统实现了真正的分散控制,现场总线控制系统将使控制得到最终的分散，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。从而使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。,2020年6月8日,65,无线连接,优点：降低成本、提高传输速率。Zigbee，蓝牙bluetooth，无线射频识别RFID和无线HART。,2020年6月8日,66,网络化,工业以太网用于工业控