《DCS与现场总线》-第1章-1

集散控制系统及现场总线人类现代文明与工业控制主要参考书王锦标，计算机控制系统，清华出版社，2004李正军，现场总线及其应用技术，机械工业，2005杨宁赵玉刚，集散控制系统及现场总线，北航出版社，2003王常力，廖道文．集散控制系统的设计与应用，清华出版社，1993主要参考书(Continue)熊淑燕，火力发电厂集散控制系统，科学出版社，2000罗鸿，ERP原理设计实施，电子工业出版社，2003邹益仁马增良蒲维，现场总线控制系统的设计和开发，国防工业出版社，2003[瑞典]JonasBerge著陈小枫董景辰曹迎东等译，过程控制现场总线—工程、运行与维护，清华大学出版社2003顾洪军等编著，《工业企业网与现场总线技术及应用》，人民邮电出版社，2002课程学习内容集散型控制系统（DCS）原理及其应用现场总线控制系统（FCS）原理及其应用第一章概述第一节计算机控制系统第二节DCS系统简介第三节FCS系统简介第四节控制系统发展趋势测控系统的演变

传统检测系统

显示仪表被测参数1、传统测控时代

传统手动控制系统

显示器执行机构被测控参数

传感器检测系统

传感器调理电路模块显示仪表被测参数2、电气测控时代

现代手动控制系统

传感器调理电路模块显示仪表执行机构被测控参数

电气控制系统

传感器调理电路模块显示器执行机构控制电路模块被测控参数

智能检测控制系统

传感器智能仪表执行机构被测控参数3、智能测控时代

计算机测控系统

传感器调理电路模块计算机被测控参数输入通道输出通道控制电路模块执行机构4、计算机测控时代

计算机控制系统作为当今工业控制的主流系统，已取代常规的模拟检测、调节、显示、记录等仪器设备和很大部分操作管理的人工职能，并具有较高级复杂的计算方法和处理方法，以完成各种过程控制、操作管理等任务。随着科学技术的迅速发展，计算机控制技术的应用领域日益广泛，在冶金、化工、电力、自动化机床、工业机器人控制、柔性制造系统和计算机集成制造系统等工业控制方面已取得了令人瞩目的研究与应用成果，在国民经济中发挥着越来越大的作用。

基本概念测量：采用各种方法获得客观事物的量值，称之为“测量”控制：采用各种方法支配或约束某一客观事物的进程结果，称之为“控制”测控系统的分类

按照仪器和系统担负的任务不同，测控系统可分为三大类：单纯以控制为目的的“控制系统”单纯以测量和检测为目的的“测试（检测）系统”

测控一体的“测控系统”或“监控系统”

（1）开环（前馈）控制系统控制器被控对象控制量输入量扰动输出量系统的被控制量（输出量）对系统的控制量（输入量）没有影响，即被控制量只受控于控制量，而对控制量无反作用，这类系统称为开环系统，或前馈控制系统。按信号传递路径分类：开环控制系统和闭环控制系统特点：控制量与输出量之间仅有前向通路，没有反馈通路，输出量只被检测，无直接控制作用；外部条件和系统内部参数保持不变时，对于一个确定的输入量，总存在一个与之对应的输出量；控制精度取决于控制器各被控对象的参数稳定性，易受干扰影响（抗干扰能力差），缺乏精确性和适应性。开环控制系统工作原理：根据给定的信号去控制被控对象，不能自动消除被控参数偏离给定值所带来的误差。

（2）闭环（反馈）控制系统反馈：指输出量通过适当的装置将测量信号的全部或一部分返回输入端，使之与输入量进行比较的过程。如果输出量和反馈量相减则称为负反馈，反之，若二者相加，则称为正反馈。输入量和反馈量之差称为偏差信号。系统的被控量对控制作用有直接影响的系统称为闭环控制系统。反馈控制系统是指在负反馈的基础上，用“检测误差用以纠正误差”这一原理组成的系统。由于此类系统信息的传递途径有一个自己闭合的环路，所以称为闭环控制系统。特点：由负反馈构成闭环，利用误差信号进行控制；对于外界扰动和系统内部参数的变化等引起的误差能够自动纠正；系统元件参数配合不当，容易产生振荡，使系统不能正常工作，因而存在稳定性问题。

闭环控制系统与开环控制系统的主要区别在于闭环控制系统有一条从系统输出端经过测量元件到输入端的反馈通路输入量控制器被控对象控制量扰动输出量反馈元件+-输入变换电压放大执行机构功率放大减速器电热器调压器炉子+热电偶期望温度实际温度常规控制系统的工作原理模拟调节器执行机构被控对象测量变送器设定值reu被调参数y图a

单回路常规控制系统示意图ym

按偏差e进行控制，目的是减少或消除偏差。1.1计算机控制系统

1.1.1概述计算机控制系统的工作原理u计算机保持器广义对象测量变送器e(kT)u(kT)被调参数y图b

单回路计算机控制系统示意图ym采样器A/DD/A计算机系统设定值r计算机控制系统的组成框图从本质上看，计算机控制系统的作用如下三个方面：

①实时数据采集：对来自测量变送装置的被控量的瞬时值进行检测和输入。

②实时控制决策：对采集到的被控量进行分析和处理，并按已定的控制规律，决定将要采取的控制行为。

③实时控制输出：根据控制决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。（2）几个概念①在线方式和离线方式：on-line/off-line

生产过程和计算机直接连接，并受计算机控制的方式称为在线方式或联机方式；生产过程不和计算机相连，且不受计算机控制，而是靠人进行联系并做相应操作的方式称为离线方式或脱机方式。②实时：指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间范围内完成，亦即计算机对输入信息，以足够快的速度进行控制，超出了这个时间，就失去了控制的时机，控制也就失去了意义。

！而且这个时间范围的大小跟被空对象联系非常的紧密！不同的被控对象，对时间范围的要求不同：发酵过程和导弹防御系统的对比！思考两个问题一.在线系统是否一定是实时系统？二.实时系统是否一定是在线系统？一.不一定。在线采集的数据不一定在当时就进行处理，只要把数据采集来就可以！二.是。不在线肯定不能满足实时性。计算机控制系统的主要优点组成方式灵活能实现复杂的控制规律获取更大的经济效益为实现企业综合自动化打下了良好的基础1.1.2信号特点计算机控制系统的信号形式连续模拟信号:时间与幅值上均连续，如y(t)、u(t)离散模拟信号:时间是离散的，幅值上连续，如y*(t)、u*(t)连续数字信号:时间是连续的，幅值上已是数字量，计算机内部存储和处理信号离散数字信号:时间离散的，幅值为数字量，如y(kT)、u(kT)采样器

A/D计算机D/A保持器y(t)y*(t)

y(kT)

u(kT)

u*(kT)

u(t)计算机控制系统中的量化将离散模拟信号用二进制代码逼近为数字信号的过程（如采样值y*(t)量化为y(kT)的过程）量化单位qq=M/2n，M为被转换的模拟量电信号满量程，

n为A/D的转换位数量化误差

e=±q/2计算机控制系统的采样过程y(t)t采样器y(t)y*(t)y*(t)2T4Ttτ原始过程信号信号通过采样器采样后的信号过程信号采样过程示意图计算机控制系统的采样的合理性采样器接通时间τ远小于采样周期T理想采样器（接通电阻R0，开路电阻R

）采样信号y*(t)复现原信号在采样瞬间的值y(t)A/D转换后，y*(t)

y(kT),k=1，2，……采样周期T须满足香农定理采样频率大于2倍原始信号频率当满足上述条件时，y*(t)与y(kT)只相差量化误差

设δ(t-kT)是t=kT时刻的理想采样脉冲，则采样周期T的选择相当重要。因为y*(t)只与y(t)在脉冲出现瞬间的值y(kT)有关，故采样信号可用下式表示：

信号的保持目的：是将离散采样信号恢复为被控对象能够感知的连续模拟信号方法：采用保持器，由现在或过去时刻的采样值,用某种函数去逼近2个采样时刻间的原信号常用的保持器：零阶、一阶及高阶

（常数、线性函数、抛物线）

零阶保持器恢复信号的示意图

6T

4T

2Tt

y采样信号y(kT)原信号y(t)恢复信号yh(t)零阶保持器算式yh(kT+t)=y(kT)0≤t＜T,k=0,±1,±2,…由于它只是简单地外推，故只有当T足够小时，零阶保持器才能较好地恢复原信号。

1.1.3计算机控制系统的组成及作用计算机控制系统的组成示意图软件部分计算机控制系统

硬件部分控制计算机主机、外设、系统总线生产过程输入输出通道人—机联系设备、通信设备

现场仪表（测量传感器、执行机构等）

操作系统汇编或高级语言、过程控制语言通信网络软件、诊断程序等

系统软件

应用软件

过程输入/输出程序、过程控制程序人机接口程序、打印显示程序各种公共子程序历史数据库、实时数据库计算机巡回检测和操作指导系统1.1.4计算机控制系统的分类……数

字计算机CRT打印机报警过程输入通道

测量变送

测量变送被控生产过程执行机构

人……优点：结构简单，控制灵活和安全。缺点:要由人工操作，速度受到限制，不能控制多个对象。计算机直接数字控制（DDC）系统直接数字控制(DDC)计算机CRT打印机报警操作台过程输入通道

测量变送

测量变送被控生产过程过程输出通道

执行机构

执行机构………………

计算机闭环控制系统。可完全取代模拟调节器，实现多回路的PID控制，而且只要改变程序就可以实现复杂的控制规律。

计算机监督控制（SCC）系统监督控制计算机(SCC)CRT打印机报警DDC计算机或调节器输入通道

输出通道被控生产过程操作台输入通道

其作用是改变给定值，又称设定值控制。它的任务着重在控制规律的修正与实现，如最优控制、自适应控制等。计算机集散控制系统（DCS）

采用分散控制、集中操作、分级管理和综合协调的设计原则与网络化的控制结构，形成分级分布式控制。现场总线控制系统工作站—现场智能仪表-变送器智能部件FCS的核心是现场总线，是一种数字通信协议，是连接智能现场设备和自动化系统的通信网络，是控制技术、仪表工业技术和计算机网络技术三者结合。现场总线控制系统工作站—现场智能仪表-智能电磁流量计结构模式为：“工作站一现场总线智能仪表”二层结构，降低了成本，提高了可靠性，并且在统一国际标准下可实现真正的开放式互连系统结构。

计算机集成控制系统（CIMS/CIPS）

经营决策企业管理生产调度过程优化过程控制第五层：企业决策，生产规划第四层：供销,财务,计划,管理等第三层：生产调度，系统优化第二层：先进控制，过程优化第一层：单元自动化,简单控制生产过程

流程CIMS的递阶控制示意图根据计算机的硬件不同分类基于单片机的简单系统基于工控机(IPC)基于可编程逻辑控制器(PLC)基于各种类型DCS基于现场总线仪表的FCS智能控制

智能控制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。可以看成三个主要理论领域的交叉或会合，即：人工智能运筹学控制理论1.1.5控制系统发展趋势从一般控制技术向综合自动化技术的发展经营决策企业管理生产调度过程优化过程控制PCS(ProcessControlSystem)MES(ManufacturingExecutionSystem)BPS（包括ERP）(BusinessPlanningSystem)BPS(BusinessPlanningSystem)BPS产品与工艺设计（P/PE）企业资源计划（ERP）供应链管理（SCM）电子商务（EC）销售服务管理（SSM）第一阶段：信息发布阶段

内容：一方面是企业在内部全面利用现代信息技术，建立企业内部的生产及管理系统；另一方面企业采用浏览器／服务器结构、利用WWW服务器发布企业信息主要特点：企业利用网站作为企业形象宣传和信息发布的工具，网站所发布的信息是“静态”信息，与企业内部信息系统没有直接联系。通常这些网站被认为是电子商务系统的“雏形”。第二阶段：事务处理阶段

第三阶段：系统集成阶段

CGI

JDBC/ODBC

Middleware

企业内部信息系统

SQL

数据库服务器

DBServer

应用

服务器

Application

Server

WWW

服务器

接口中间层

HTTP/WML

HTTP/HTML

Wireless

HTTP/HTML

其他应用

第四阶段：动态电子商务

动态电子商务指电子商务过程和相关系统可以动态地适应和支持不断变化的商业战略和行为。企业和客户、合作伙伴一起动态地扩展和协作经营过程，实现更先进、灵活的集成，并通过网上电子市场(e-Marketplace)以更标准和开放的形式(如WebServices)响应市场需求、寻找合作伙伴、形成动态联盟。1.2DCS系统简介DCS DistributedControlSystem

核心思想： “控制分散，管理集中”应用:工业自动化 生产过程自动化 制造工业自动化 ☞集散控制系统是20世纪70年代中期发展起来的、以微处理器为基础的、实行集中管理、分散控制的计算机控制系统。由于该系统在发展初期以实行分散控制为主，因此又称为分散型控制系统或分布式控制系统(DistributedControlSystem，DCS)，简称为集散系统或DCS。1.2.1DCS的发展概况分布型控制系统（DistributedControlSystem，简称DCS）亦为集散型控制系统，是4C技术(Computer、Control、Communication和CRT)的产物，是一个为满足大型工业生产日益复杂的过程控制的要求，从综合自动化角度出发，按功能分散、管理集中的原则构成的大系统。它具有高可靠性指标，不断以新的技术成果充实和研制，以微处理器、微型计算机技术为核心,与数据通信技术、CRT显示、人机接口、输入输出技术相结合的，用于生产管理、数据采集和各种过程控制的处于新技术前沿的计算机控制系统。

第一阶段（初创期）

CRT操作站

监控计算机

数据高速公路HW现场监测站

现场控制站图1-1第一代DCS基本结构第二阶段（成熟期）……局部网络LAN网关多功能控制器网关系统管理模块通用操作站主计算机增强型操作站其他网络DHW……第三阶段（扩展期）1.2.2DCS系统的发展过程仪表分散控制（单独仪表）仪表集中控制（DDZ-II、III）SCC到DDCSCC和DDC的复合系统DCS系统SCC系统单回路控制器生产过程及装备检测单回路控制器单回路控制器监视监控计算机SCC–SupervisoryComputerControlDDC-DirectDigitalControl由计算机完成检测信号的AD转换，实现控制算法，再通过执行单元进行输出控制。控制计算机检测执行生产过程4-20mA，1-5VDDZ-III检测执行检测执行复合控制系统即：SCC＋DDCSCCComputer单回路控制器DDCComputer生产过程第二级第一级1.2.3DCS的基本结构CentralComputerMCFCFCProcessUnit…MCFCFCProcessUnit…MCFCFCProcessUnit……HighWayControlWayFieldComputer工程师站操作员站交换机控制器I/O卡件现场仪表DCS控制系统简图1.2.4DCS系统发展方向1.2.5DCS典型行业应用生产过程自动化的典型行业：冶金、石化、建材、造纸制造工业自动化的典型行业汽车、机床、飞机DCS→

CIMS（ComputerIntegratedManufactureSystem)DCS系统在工厂中的应用举例“一些自动化实验装置图片”水处理生产线装置填料塔换热装置加热反应器开环不稳定的对象非线性液位对象1.2.6DCS的特点和优点分散性和集中性自治性和协调性灵活性和扩展性先进性和继承性可靠性和适应性友好性和新颖性DCS特点介绍DCS是分布式控制系统(DistributedControlSystem)的简称，国内一般习惯称为集散控制系统。它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机Computer)、通讯(Communication)、显示(CRT)和控制(Control)等4C技术，其