DSC组成机构-基础知识

➢知识点：●了解计算机控制系统的根本概念及其分类●了解DCS的概念、现状及开展●掌握DCS的根本组成及特点●理解DCS和PLC之间的关系学习目标7/22/202511.计算机控制系统的组成1.1根本概念☞计算机控制系统是用计算机(通常称为工业控制计算机)来实现工业过程自动控制的系统。什么是自动控制?自动控制系统由哪些局部组成?7/22/20252设定值控制器D/A执行机构被控对象A/D计算机被控变量-图1.1计算机闭环控制系统结构图测量变送7/22/20253计算机控制系统的工作原理(1)实时数据采集对测量变送装置输出的信号经A/D转换后进行处理。(2)实时控制决策

对被控变量的测量值进行分析、运算和处理，并按预定的控制规律进行运算。(3)实时控制输出实时地输出运算后的控制信号，经D/A转换后驱动执行机构，完成控制任务。上述过程不断重复，使被控变量稳定在设定值上。可归纳为以下三个步骤：7/22/20254生产过程工业控制机图1.2计算机控制系统的组成框图生产过程指按生产过程控制的特点和要求而设计的计算机它包括硬件和软件两局部。包括被控对象，测量变送、执行机构、电气开关等装置。硬件系统7/22/20255接收输入的指令和工业对象的信息，向系统各局部发送命令和数据。包括显示操作台、屏幕显示器(CRT)或数码显示器、键盘、打印机、记录仪等。从被控对象采集的模拟量或数字量信号转换为计算机能够接收的数字量生产过程包括被控对象，测量变送、执行机构、电气开关等装置。图1.2计算机控制系统的组成框图包括磁盘、光盘、磁带，主要用于存储大量的程序和数据。将计算机的处理结果转换成可以对被控对象进行控制的信号。7/22/20256

工业控制机硬件：硬件是指计算机本身及外围设备。

计算机硬件过程输出接口计算机过程输入接口存储器人机接口7/22/20257软件是指能完成各种功能的计算机程序的总和.软件系统软件应用软件是专门用来使用和管理计算机的程序，包括操作系统、监控管理程序、语言处理程序和故障诊断程序等。应用软件是用户根据要解决的实际问题而编写的各种程序。1.2.2软件系统7/22/20258计算机控制系统分级控制系统数据采集系统直接数字控制系统现场总线控制系统集散型控制系统1.3计算机控制系统的应用类型计算机监督控制系统根据应用特点、控制功能和系统结构，计算机控制系统主要分为六种类型7/22/202591.3.1数据采集系统计算机承担数据的采集和处理工作。数据采集系统对生产过程各种工艺变量进行巡回检测、处理、记录以及变量的超限报警。同时对变量进行累计和实时分析。7/22/202510DAS系统的特点：1).用于数据采集﹑处理﹑实现生产过程集中监视；2).越限报警，以确保生产平安；3).计算机不直接参与控制，用于开环操作指导。7/22/202511计算机通过过程输入通道对变量作巡回检测直接数字控制系统〔DDC〕根据变量，按照一定的控制规律进行运算其结果经过输出通道，作用到控制对象。模拟量输入微型计算机模拟量输出生产过程数字量输入数字量输出显示打印磁盘磁盘7/22/202512 采用计算机代替模拟仪表控制，只要改变程序就可以对控制对象进行控制，因此计算机可以控制几百个回路，并可以对上下限进行监视和报警。工业生产现场环境恶劣，干扰频繁，直接威胁着计算机的可靠运行。因此，必须采取抗干扰措施。直接数字控制系统〔DDC〕7/22/202513DDC特点1).进行数据采集﹑处理﹑报警，实现生产过程集中监视；2).计算机直接参与控制，实现过程闭环控制；3).一台计算机可以替代多台PID模拟控制器，实现多回路的控制，并易引入复杂控制算法和方式，由软件编程实现即可，无需增加硬件设备；4).显示﹑控制集中，危险也集中〔一旦计算机出现故障，整个系统将瘫痪〕，对系统的可靠性要求较高。7/22/202514计算机监督控制系统(SCC)DDC级微机完成生产过程的直接数字控制；SCC级微机进行优化分析计算，产生最优化设定值。用数字控制仪器代替，再配以输入采样器、A/D转换器和D/A转换器、输出扫描器，便是SCC加数字控制器的SCC系统。当SCC计算机出现故障时，由数字控制器独立完成控制任务，比较平安可靠。7/22/202515SCC特点1〕DDC直接与过程相连，实现过程直接数字控制，要求DDC级实时性好﹑可靠性高﹑环境适应性强；2〕SCC级计算机也称上位机，它根据DDC级提供的生产过程状况和已定的数学模型，进行优化分析﹑计算，输出最优设定值SP，交与DDC级执行。SCC计算机承担高级控制和管理任务，要求数据处理功能强﹑存储量大﹑运行速度快。3〕SCC为两级控制，系统的可靠性较DDC高。即一旦SCC计算机出现故障，DDC计算机仍能独立完成任务；而DDC计算机出现故障，那么由SCC计算机替代DDC计算机完成控制任务。7/22/202516分级控制系统 生产过程中既存在控制问题，也存在大量的管理问题。由假设干台微处理器或微机分别承担局部控制任务，代替了集中控制的计算机。这种系统的特点是将控制功能分散，用多台计算机分别完成不同的控制功能，管理那么采用集中管理。7/22/202517(3)工厂集中控制级它可根据上级下达的任务和本厂情况，制定生产方案、安排本厂工作、进行人员调配及各车间的协调，并及时向上级报告。(4)企业管理级制定长期开展现划、生产销方案，发命令至各工厂，并接受反响信息，实现全企业的总调度。〔2)车间监督级(SCC级)它根据厂级计算机下达的命令和通过装置控制级获得的生产过程数据，进行最优化控制。

(1)装置控制级(DDC级)对生产过程进行直接控制，使所控制的生产过程在最优工作状况下工作。7/22/202518集散控制系统

协调各控制站的工作到达过程的动态最优化人机接口装置，完成操作、显示和监视任务集散控制系统是分布式结构系统。完成过程的现场控制任务实现了地理上和功能上分散的控制，将各个分散的信息集中起来，进行集中的监视和操作。采集非控制过程信息7/22/202519➢集散控制系统是一种典型的分级分布式控制结构。➢集散控制系统有计算机控制系统控制算法先进、精度高、响应速度快的优点．又有仪表控制系统平安可靠、维护方便的优点。➢集散控制系统容易实现复杂的控制规律，系统是积木式结构，结构灵活，可大可小，易于扩展。7/22/202520DCS特点：7/22/2025211.3.6现场总线控制系统现场总线控制系统(FCS)，是新一代分布式控制结构，采用工作站-现场总线智能仪表的二层结构模式。现场数字执行器现场数字控制功能模块效劳器工作站现场数字传感器7/22/2025227/22/202523FCS系统特点：1〕采用一对N的设备连接方式﹑本钱低。2〕实现了彻底的分散控制。3〕开放性与互操作性简化了系统的集成。4〕信息综合，组态灵活。7/22/2025247/22/2025252DCS的开展与根本组成☞集散控制系统是20世纪70年代中期开展起来的、以微处理器为根底的、实行集中管理、分散控制的计算机控制系统。由于该系统在开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。7/22/2025267/22/202527TPS系统结构图7/22/2025287/22/2025297/22/2025307/22/2025312.1集散控制系统产生的背景

20世纪60年代初，人们开始将电子计算机用于过程控制，试图利用计算机所具有的能执行复杂运算、处理速度快、集中显示操作、易于通信、易于实现多种控制算法、易于改变控制方案、控制精度高等特点，来克服常规模拟仪表的局限性。一台计算机控制着几十甚至几百个回路，整个生产过程的监视、操作、报警、控制和管理等功能都集中在这台计算机上。7/22/2025327/22/2025337/22/2025347/22/202535☞系统中的一台微处理机只需控制几个至几十个回路，即使某一微处理机发生故障，只影响它所控制的少数回路，而不会对整个系统造成严重影响，从而在很大程度上使危险分散。☞这种新型控制系统采用多台彩色图形显示器监视着过程和系统的运行，实现了操作和信息综合管理的集中，利用通信系统将各微机连接起来，按控制功能或按区域将微处理机进行分散配置，实行分散控制，增强了全系统的平安可靠性。7/22/202536☞1975年12月，美国霍尼威尔(Honeywell)公司正式向市场推出了世界上第一套集散控制系统——TDC-2000〔TotalDistributedControl2000〕系统，成为最早提出集散控制系统设计思想的开发商。图1-6TDC-3000系统构成图7/22/2025372.2集散控制系统的根本构成☞综观各种集散控制系统，尽管其品种规格繁多，设计风格各异，但大多数都包含有分散过程控制装置、集中操作管理装置和通信系统等三大局部。分散过程控制装置是DCS与生产过程联系的接口，按其功能又可分为现场控制站〔简称控制站〕和数据采集站等。图1-5CENTUMCS系统外观图7/22/202538☞集中操作管理装置是人与DCS联系的接口，按其功能又可分为操作员工作站〔简称操作站〕、工程师工作站〔简称工程师站〕和监控计算机〔又称上位机〕等。通信系统〔又称通信网络〕是DCS的中枢，它将DCS的各局部连接起来构成一个整体。因此，操作员站、工程师站、监控计算机、现场控制站、数据采集站和通信系统等是构成DCS的最根本局部，如图1所示。图1集散控制系统的根本构成7/22/202539(1)操作站☞操作站是操作人员对生产过程进行显示、监视、操作控制和管理的主要设备。操作站提供了良好的人机交互界面，用以实现集中监视、操作和信息管理等功能。在有的小DCS中，操作站兼有工程师站的功能，在操作站上也可以进行系统组态和维护的局部或全部工作。7/22/202540(2)工程师站☞工程师站用于对DCS进行离线的组态工作和在线的系统监督、控制与维护。工程师能够借助于组态软件对系统进行离线组态，并在DCS在线运行时，可以实时地监视通信网络上各工作站的运行情况。7/22/202541(3)监控计算机☞监控计算机通过网络收集系统中各单元的数据信息，根据数学模型和优化控制指标进行后台计算、优化控制等，它还用于全系统信息的综合管理。7/22/202542(4)现场控制站现场控制站可控制多个回路，具有极强的运算和控制功能，能够自主地完成回路控制任务，实现反响控制、逻辑控制、顺序控制和批量控制等功能。现场控制站通过现场仪表直接与生产过程相连接，采集过程变量信息，并进行转换和运算等处理，产生控制信号以驱动现场的执行机构，实现对生产过程的控制。7/22/202543现场控制站机柜7/22/202544APM机柜7/22/202545(5)数据采集站数据采集站通过现场仪表直接与生产过程相连接，对过程非控制变量进行数据采集和预处理，并对实时数据进一步加工。为操作站提供数据，实现对过程的监视和信息存储；为控制回路的运算提供辅助数据和信息。7/22/202546(6)通信系统☞通信系统连接DCS的各操作站、工程师站、监控计算机、控制站、数据采集站等局部，传递各工作站之间的数据、指令及其他信息，使整个系统协调一致地工作，从而实现数据和信息资源的共享。7/22/202547☞综上所述，操作站、工程师站和监控计算机构成了DCS的人机接口，用以完成集中监视、操作、组态和信息综合管理等任务。现场控制站和数据采集站构成DCS的过程接口，用以完成数据采集与处理和分散控制任务。通信系统是连接DCS各局部的纽带，是实现集中管理、分散控制目标的关键。7/22/2025482.3集散控制系统的特点☞集散控制系统与常规模拟仪表及集中型计算机控制系统相比，具有十分显著的特点。7/22/202549(1)系统构成灵活☞从总体结构上看，DCS可分为通信网络和工作站两大局部，各工作站通过通信网络互连起来，构成一个完整的系统。工作站采用标准化和系列化设计，硬件采用积木搭接方式进行配置，软件采用模块化设计，系统采用组态方法构成各种控制回路，很容易对方案进行修改。用户可根据工程对象要求，灵活方便地扩大或缩小系统的规模。7/22/202550(2)操作管理便捷7/22/202551(3)控制功能丰富☞DCS可以进行连续的反响控制、间断的批量控制和顺序逻辑控制，可以完成简单控制和复杂的多变量模型优化控制，可以执行PID运算和Smith预估补偿等多种控制运算，并具有多种信号报警、平安联锁保护和自动开停车等功能。(4)信息资源共享☞DCS采用局部区域网络(LocalAreaNetwork，LAN)把各工作站连接起来，实现数据、指令及其他信息的传输，使整个系统信息、资源共享。系统通信采用国际标准通信协议，便于系统间的互连，提高了系统的开放性。7/22/202552(5)安装调试简单☞DCS的各单元都安装在标准机柜内，模件之间采用多芯电缆、标准化接插件相连；与过程连接时采用规格化端子板，到中控室操作站只需敷设同轴电缆进行数据传递，所以布线量大为减少，便于装配和更换。系统采用专用软件进行调试，并具有强大的自诊断功能，为故障判别提供准确的指导，维修迅速。7/22/202553(6)平安可靠性高7/22/202554(7)性能价格比高7/22/2025554集散控制系统的性能1、可靠性最直接方法：总体设计时参加可靠性设计环节。2、可操作性3、实时性4、环境适应性5、经济性6、可扩展性7/22/202556☞重要性能指标的设计(1)可靠性设计可靠性指机器、零件、系统在规定的工作条件下，在规定的时间内具有正常工作性能的能力。主要由可靠度、MTBF、MTTR、故障率衡量(2)实时性设计(3)抗干扰设计7/22/2025575DCS的选型、安装、调试、验收7/22/2025585.2安装安装前准备：地基、电源、接地5.3调试主要包括：工厂调试和现场调试(1)工厂调试：在生产厂专业人员的指导下，完成系统的离线调试。〔包括硬件调试、用户应用软件调试〕

7/22/202559(2)现场调试现场调试是在工厂调试的根底上进行的现场的在线调试。注意：现场调试不允许任何错误和疏漏。特别对于危险极大的化工生产装置任何过失都会带来意想不到的效果。7/22/2025606集散控制系统开展概况☞集散控制系统的开展，大致经历了四个时期。7/22/202561(1)1975年至1980年为初创期7/22/202562(2)1980年至1985年为成熟期7/22/202563(3)1985年至1990年为扩展期7/22/202564☞智能变送器具有数字通信能力，通过现场总线与过程控制站或与局部网络节点相连接。在控制室或本节点工作站中便可对现场的智能变送器进行调零、调量程、组态、自动标定、自动诊断及自动排除故障等操作。☞扩展期DCS的代表产品有：Honeywell的TDC-3000/PM，YOKOGAWA的CENTUM-XL，Foxboro的I/AS，BaileyControl的INFI-90等。7/22/202565FoxCom