《分散控制系统与现场总线技术 》课件-1 概论

分散控制系统与

现场总线技术梁庚，李文，李大中主要内容分散控制系统概论分散控制系统的网络通信分散控制系统的现场级分散控制系统的控制级分散控制系统的监控级分散控制系统中的控制算法分散控制系统的工程设计规范及评价与选择分散控制系统在工业生产中的应用现场总线控制系统几种典型的现场总线技术1分散控制系统概论分散控制系统属于仪表控制系统（简称仪控系统）的范畴。仪控系统的发展经历了早期的基地式仪表、单元组合仪表、中期的组装式仪表和直接数字控制系统(DirectDigitalControl,DDC)和现今广泛采用的DCS的几个发展历程基地式仪表概念

将测量、显示、控制等各部分集中组装在一个表壳里、可就地安装、可以构成单回路的简单控制系统。特点

1.综合与集中2.结构简单，不需要变送器，使用维护方便、防爆3.缺点是功能较简单，不便于组成复杂的调节系统，外壳尺寸大，精度稍低基地式仪表的形态类型——气动式基地仪表：例如B系列和KF系列气动基地式仪表——电动基地式仪表：例如MOOR公司的XCT340D-B和SMAR公司的LD301精度可靠性价格维护气动式低本安、安全、稳定、可靠高简单、容易电动式高稍差低较为复杂单元组合仪表以统一的标准信号将参数的测量、变送、显示及控制等各种能够独立工作的单元仪表(简称单元，例如变送单元、显示单元、控制单元等)相互联系而组合起来的一种仪表，它按照自动调节系统中各组成部分的功能和现场使用要求，分成若干个独立的单元。单元组合仪表模块化构成和相互关系变送单元：又称变送器。它将各种生产过程中被测量参数（如温度、压力、流量、物位等）转换成标准气动或电动信号（20～100千帕）,传送给其他单元。转换单元：将电动调节仪表的标准信号(0～10毫安或4～20毫安)转换为气动仪表的标准信号，以组成电动、气动仪表混合使用的调节系统。调节单元：根据被调量与给定值的偏差，按一定调节规律运算(如比例、积分、微分或它们的组合等)，输出一个调节信号给执行器，实现系统的自动调节。常用的调节器有比例调节器、微分调节器、积分调节器、比例积分调节器和PID调节器。显示单元：于指示、记录或累积计算被测参数、给定值、调节器输出或阀门位置信号等。带有调节单元的显示单元具有控制中心的作用。有的显示单元具有报警功能。计算单元：对几个标准的信号进行加、减、乘、除、开方等数学运算，常用于被测参数综合计算和按计算值调节的系统中。给定单元：输出一个固定的或按时间程序变化的给定值给调节单元，实现系统的定值调和程序调节。类型——气动单元组合仪表——电动单元组合仪表气动单元组合仪表电动单元组合仪表组装式仪表组装式仪表是一种大型柜式的调节仪表，按照控制系统中的各种功能划分组件，各组件可在机架上插装，方便地组合成整套控制系统。基本构成元件：运算放大器功能组件：模拟量组件(线性集成电路)和数字量组件(TTL数字集成电路)两类特点

组件数量可按需要插装，几个控制系统可合在一个机柜内，易于改换控制系统的构成。调节功能齐全，与计算机联用方便，适用于多参数综合自动控制系统。具有自动切换、程序控制和逻辑控制等功能，能适应大型设备自动启停等要求。除自动控制外还有自动保护功能，可对工艺事故、仪表事故、电源故障和误操作等作出判断并进行联锁保护。按用户要求设计组装，按系统成套提供。组装式仪表机柜上方是电源组件，中间是各功能组件，下面联接电缆。显示操作组件各有单独的外壳，可安装在用户的控制台上。组装式仪表的形态直接数字控制技术（DDC）DDC系统是一种闭环控制系统。由一台计算机通过多点巡回检测装置对过程参数进行采样，并将采样值与存于存储器中的设定值进行比较，再根据两者的差值和相应于指定控制规律的控制算法进行分析和计算，以形成所要求的控制信息,然后将其传送给执行机构,用分时处理方式完成对多个单回路的各种控制DDC的特点实时控制分时方式控制灵活性、多功能性DDC的构成DDC的主要问题DDC系统存在的主要问题是可靠性较差。DDC产生时，计算机开始用于生产过程的直接数字控制。自于当时的计算机造价很高，所以常常用一台计算机控制全厂所有的生产过程．这样，就造成了整个系统控制任务的集中。由于受当时硬件水平的限制．计算机的可靠性比较低，一旦计算机发生故蹿，全厂的生产就陷于瘫痪。分散控制系统的产生和发展第一阶段时间：20世纪70年代中叶到70年代末。标志:美国Honeywell-1975年-TDC2000的分散控制系统。特点：系统已经包括了DCS的三大组成部分，即分散过程控制装置、操作管理装置和数据通信系统。它也具有DCS的基本特点，即管理集中、控制分散。产品：TAYLOR公司的MOD3,FOXBORO公司的SPECTRUM,日本横河的CENTUM,肯特公司的P4000第二阶段时间：20世纪80年代后标志：Honeywell的TDC3000，TAYLOR公司的M300，Bailey公司的Network90，西屋公司的WDPF，ABB公司的MASTER，西门子公司的TELEPERM。美国利诺的MAX1000等。主要特点：1）系统的功能扩大或者增强、常规控制与逻辑控制、批量控制相结合；2）过程操作管理范围的扩大；3）多微处理器技术的应用等；4）数据通信系统的发展，从主从式的星形网络通信转变为对等式的总线网络通信或环网通信。第三阶段时间：20世纪90年代后标志：美国FOXBORO公司推出的I/ASERIES特点：主要改变是在局域网络方面，统采用了10M宽带网与5M的载带网，符合ISO/OSI互联参考模型。第三方的应用软件也能在系统中应用．从而使分散控制系统进入了更高的阶段。第四阶段时间：20世纪末到21世纪初期标志：HONEYWELL公司的EPERIONPKS(过程知识系统)，EMERSON公司的OVATION,ABB公司的SYMPHONY以及西门子公司的基于PCS7技术的SPPA-T3000系统特点：1）运算能力大大提高，一台过程控制站可同时实现模拟量控制和数字量控制2）标准化程度大大提高，硬件上广泛采用基于以太网的通信网络，同时支持多种网络协议3）软件IEC61131-3标准4）在现场级还与现场总线技术逐渐融合我国的自主知识产权DCS北京国电智深控制技术有限公司的EDPF-NT系列DCS先后获得国家科技进步奖二等奖2项、省部级科技进步与技术发明奖33项、神华国能集团科学技术进步奖特等奖等众多奖项，多次在高端工业自动化领域打破国外垄断、填补国内空白，创造了多项“世界第一”、“中国首台套”的业绩。国产DCS不论从硬件还是软件上看，现已发展到能与国外产品相比的水平，由于其性能和实现的功能和国外DCS产品相同，又有价格上的优势仪控系统的发展过程总结类型特点控制器类型模块化程度控制模式管理模式基地式仪表模拟无分散分散单元组合仪表模拟较高分散集中组装式仪表模拟高分散集中DDC系统数字较低集中集中DCS数字高分散集中分散控制系统的体系结构三层结构的监督控制系统

四层结构的监督控制系统

分散控制系统的结构现场级现场级指DCS系统在生产现场布置和实施的控制装置或子系统，一般位于被控生产过程的附近。典型的现场级设备包括各类传感器、变送器和执行机构等。传感器将现场的非电物理量（如温度、压力、流量等）转换为微小的电信号；变送器将传感器送来的小信号变换为通用的电压或电流信号，如4-20mA电流等。控制级控制级主要由过程控制站和数据采集站构成。在集中式布置方式中，过程控制站和数据采集站集中安装在位于主控室后的电子设备室中。过程控制站主要作用是与现场级构成闭环回路控制。实时完成连续控制、顺序控制或逻辑控制功能。监控级监控级的主要设备有运行员操作站、工程师工作站和计算站。其中运行员操作站、工程师工作站通常安装在中央控制室，计算站等一般安装在电子设备室。运行员操作站是运行员与分散型控制系统相互交换信息的人机接口设备。运行人员通过运行员操作站来监视和控制整个生产过程。工程师工作站是为了控制工程师对分散控制系统进行配置、组态、调试、维护所设置的工作站计算站的主要任务是实现对生产过程的监督控制。管理级管理级包含的内容比较广泛，一般来说，它可能是一个工厂的厂级管理计算机，也可能是若干个机组的管理计算机。它所面向的使用者包括厂长、经理、总工程师、值长等行政管理或运行管理人员。厂级管理系统的主要任务是监测企业各部分的运行情况，利用历史数据和实时数据对未来的生产做出预测，从企业全局利益出发辅助企业管理人员进行决策，帮助企业实现其规划目标。分散控制系统的特点模块化程度高，可扩展性强开放性好控制功能完善，人机联系手段丰富可靠性高分散控制系统与工业4.0“工业4.0”即工业四代，是以智能制造为主导的第四次工业革命（第一、二、三次工业革命分别对应蒸汽时代、电气时代、信息时代）。“工业4.0”是德国政府提出的一个高科技战略计划，是指利用物联信息系统(Cyber-PhysicalSystem，CPS)将生产中的供应，制造，销售信息数据化、智能化，最后达到快速、有效、个人化的产品供应。工业4.0”的核心概念是由通信设备连接起的网络化传感器、生产设施、产品的控制系统，其主要特征是生产的智能化、数字化。工业4.0的目标：目标是建立一个高度灵活的个性化和数字化的产品与服务的生产模式。在这种模式中，传统的行业界限将消失，并会产生各种新的活动领域和合作形式。创造新价值的过程正在发生改变，产业链分工将被重组。“工业4.0“的三大主题：

一是"智能工厂"，重点研究智能化生产系统及过程，以及网络化分布式生产设施的实现；

二是“智能生产”，主要涉及整个企业的生产物流管理、人机互动以及3D技术在工业生产过程中的应用等；

三是“智能物流”：主要通过互联网、物联网、物流网，整合物流资源，充分发挥现有物流资源供应方的效率，而需求方，则能够快速获得服务匹配，得到物流支持工业4.0九大技术支柱：

工业物联网

云计算工业大数据工业机器人3D打印知识工作自动化工业网络安全虚拟现实人工智能基于工业4.0的分散控制系统工业4.0的基础是“互联网+”，就未来DCS的发展而言，工业4.0在过程控制系统中的体现就是“互联网+控制+管理”的模式。DCS中计算机的智能决策依赖于对信息的充分感知；要实现智能化，就要给系统提供充分的数据支撑。为此，需要配备足够的传感器，来判断设备状态、产品质量、工况异常等。在此基础上，将其与生产组织、用户信息等集成起来，就实现了信息的纵向集成，是自动化走向智能化必不可少的中间阶段。DCS可在下列几个方面进行改进和完善以促进与工业4.0的融合：(1)加强信息采集。通过传感器、软测量等手段获取质量、排放、能耗、设备、工艺、操作等相关信息，并通过数据预处理得到