《集散控制系统》

1、 .110.Ethernet企业实时历史数据库服务器以太主干网空分空分DCS DCS FOXbroFOXbro I/AI/A S S醋酸、醋酸、气化、气化、净 化净 化甲醇甲醇隔离光纤DCS DCS HoneywellHoneywell PlantScapePlantScape热电热电DCS DCS ABBABB AC800FAC800F循环水循环水及硫回收及硫回收DCSDCS 中自中自PCC800PCC800PROFIBUS-DP输煤输煤Siemens S7 Siemens S7 PLCPLC防火墙防火墙污水处理污水处理隔离光纤ModiconModiconQ u n t u m Q u n

2、t u m PLCPLC各车间工作站公司文档、OA数据库服务器公司通用SQL数据库服务器公司财务SQL数据库服务器以太主干网部门工作站公司WEB数据发布服务器企业级防企业级防火墙火墙公司远程办公公司移动办公公司领导、购销存、调度工作站部门级防火墙部门级防火墙PlantScape OPC DAS服务器国泰管控一体化企业网拓扑结构国泰管控一体化企业网拓扑结构 .3 .4. 第十章第十章 计算机集散控制系统计算机集散控制系统5. 图1-1常规仪表控制系统框图v euqy控控制制器器执执行行器器被被控控对对象象测测量量变变送送器器偏偏差差给给定定值值控控制制作作用用操操纵纵变变量量被被控控量量 测测量

3、量值值r+_zf干干扰扰uqy控控制制器器执执行行器器被被控控对对象象给给定定值值控控制制作作用用操操纵纵变变量量被被控控量量 图图1 1- -2 2 常常规规仪仪表表控控制制系系统统原原理理框框图图r( (a a) ) 闭闭环环控控制制系系统统( (b b) ) 开开环环控控制制系系统统.图1-2计算机控制系统原理图v +re偏偏 差差计计 算算 机机D/A执执 行行 器器被被 控控 对对 象象uqyA/D测测 量量 变变 送送 器器z测测 量量 值值给给 定定 值值控控 制制 计计 算算 机机生生 产产 过过 程程控控 制制作作 用用操操 纵纵变变 量量被被 控控 量量图图 1 1- -3

4、 3 计计 算算 机机 控控 制制 系系 统统 原原 理理 框框 图图-.图1-3计算机控制系统硬件组成框图v CPURAMROM输输入入设设备备输输出出设设备备外外存存储储器器通通信信设设备备操操作作台台接接口口接接口口接接口口接接口口接接口口系系统统总总线线工工业业对对象象接接口口接接口口接接口口接接口口换换转转换换转转开开关关输输出出开开关关输输入入测测量量变变送送驱驱动动执执行行过过程程输输入入输输出出通通道道计计算算机机基基本本系系统统主主机机常常规规外外部部设设备备图1-4 计算机控制系统硬件组成框图D/AA/D.图1-4计算机软件分类v .图1-5数据采集系统v 计计 算算 机机

5、工工业业对对象象器器换换转转D/A采采样样器器测测量量元元件件统统系系集集采采据据数数1 1图图5 5- -显显示示终终端端打打印印机机.图1-6操作指导控制系统v 计计 算算 机机工工业业对对象象器器换换转转D/A采采样样器器测测量量元元件件显显示示终终端端打打印印机机控控制制仪仪表表 图图1 1- -6 6 操操作作指指导导控控制制系系统统.图1-7直接数字控制系统v 计计算算机机生生产产过过程程显显示示打打印印机机报报警警操操作作台台）ID，D/A（入入输输程程过过）OD，A/D（出出输输程程过过图图1 1- -7 7 直直接接数数字字控控制制系系统统.图1-8监督计算机控制系统的两种结

6、构形式v 工工 艺艺 数数 据据工工 艺艺 数数 据据显显 示示打打 印印报报 警警显显 示示打打 印印报报 警警机机算算计计CCS机机算算计计CCS测测 量量测测 量量控控 制制控控 制制模拟控制器CDD生生产产过过程程生生产产过过程程用用计计算算机机(a)统统系系器器制制控控拟拟模模+ +CCS图图 1 1- -8 8 监监 督督 计计 算算 机机 控控 制制 系系 统统 的的 两两 种种 结结 构构 形形 式式给给 定定 值值给给 定定 值值采采 集集采采 集集统统系系制制控控CDD+CCS (b)2022-1-22.14计算机集散控制系统，简称“集散系统”，是一种为满足大型工业生产复杂

7、控制要求，利用计算机网络实现集中操作管理、分散控制的多计算机协同工作的计算机控制系统。 “集散系统”，也即DCS（Distributed Control System），直译为分布式计算机控制系统，又称分散型控制系统，是随着现代微型计算机、通信、CRT图形显示和控制技术（简称“4C”技术）的发展而不断发展的。 .15 集中分散型结构分散性：分散控制、设备地域分散、功能分散-危险分散； 具体表现为： 硬件积木化，软件模块化。分层分子系统。集中性：集中监视、集中操作、集中管理。 表现为采用实时通信网络和分布式数据库。 分级递阶控制功能DCS控制算法丰富，集连续控制、顺序控制和批处理控制于一体;可实

8、现前馈、解耦、自适应和预测控制等先进控制和优化控制;并支持开发特殊应用软件，实现综合自动化和管控一体化。 . 可靠性高实时性好适应性强 系统分散控制的结构、冗余技术、自诊断自恢复技术、抗干扰技术和高性能的元件， 适应各种规模、环境、功能需求 界面友好，维护方便 专用人机接口，控制系统用组态方法生成，几乎不编程 开放系统 标准化、系列化设计，可移植性、互操作性、可得到性 第十章第十章 计算机集散控制系统计算机集散控制系统16 .17第一阶段（1975年1980年） .18 .19第二阶段（80年代 ） .20.第三阶段（90年代前后）DCS向计算机网络控制扩展，在硬件上采用了开放的工作站，采用了

9、Client/Server的结构，控制站采用多CPU结构，各类模块网络全面冗余，在网络结构上增加了工厂信息网，并可与互联网联网，构建管控一体化系统，在软件上采用WINDOWS、UNIX环境X-Windows的图形用户界面，各类DBMS，一些优化和管理良好的界面的软件被开发并移植到DCS中，从而克服了自动化孤岛问题有：Honeywell公司的TPS控制系统日本横河公司的Centum-CS控制系统Foxboro公司的I/A S50/51系统Rosemount公司的Delta V；国内有浙江中控的JX-300XP，和利时公司的HOLLiASMACS系统 第十章第十章 计算机集散控制系统计算机集散控制

10、系统21 .22第四阶段（1990年以后）新一代DCSFCS.第四阶段（1990年以后）新一代DCSFCS 改变前三代没有解决的常规模拟仪表一个测点传输一对信号到控制室的浪费现象。￥/m, mm2,计算3000点信号电缆费。模拟仪表改数字仪表，用现场总线互联；彻底分散控制，组态构成现场虚拟控制站VCS。 第十章第十章 计算机集散控制系统计算机集散控制系统23 .24 .25 典型的典型的DCS体系结构分为三层，如下图所示：体系结构分为三层，如下图所示：第一层为分散过程控制级；第一层为分散过程控制级；第二层为集中操作监控级；第二层为集中操作监控级；第三层为综合信息管理级。第三层为综合信息管理级。

11、 层间由高速数据通路层间由高速数据通路HW和局域网络和局域网络LAN两两级通信线路相连，级内各装置之间由本级级通信线路相连，级内各装置之间由本级的通信网络进行通信联系的通信网络进行通信联系2022-1-22.26分散控制系统体系结构分散控制系统体系结构.1、控制级的功能及其主要装置 分散过程控制级（面向生产过程） 功能：完成生产过程的数据采集、调节控制等功能 装置：现场控制站（工业控制机） 可编程序控制器（PLC） 智能调节器 其它测控装置第十章第十章 计算机集散控制系统计算机集散控制系统.1、控制级的功能及其主要装置（续） 现场控制站 主要由机箱（柜）、电源、总线式工业控制机 、通信控制单元

12、、手动、自动显示操作单元等构成 其功能主要有6种，即数据采集功能、DDC控制功能、顺序控制功能、信号报警功能、打印报表功能、数据通信功能 第十章第十章 计算机集散控制系统计算机集散控制系统.1、控制级的功能及其主要装置（续） 智能调节器 一种数字化的过程控制仪表，其外表类似于一般的盘装仪表 智能调节器不仅可接受420mA，DC电流信号输入的设定值，还具有异步通信接口RS422485、RS232等，可与上位机连成主从式通信网络，接受上位机下传的控制参数，并上报各种过程参数第十章第十章 计算机集散控制系统计算机集散控制系统.1、控制级的功能及其主要功能及其主要装置（续）可编程控制器即PLC 与智能

13、调节器最大的不同点是：它主要配制的是开关量输人、输出通道，用于执行顺序控制功能。在新型的PLC中，也提供了模拟量输入输出及PID控制模块，而且均带有通信接口。 同智能调节器一样，PLC的高可靠性和不断增强的功能，使它既可以在小型控制系统中担当控制主角，又可以作为大型分散控制系统中最基层的一种控制单元（详见11章）。第十章第十章 计算机集散控制系统计算机集散控制系统. 集中操作监控级（面向操作员和系统工程师） 功能：以操作监视为主要任务，兼有部分管理功能。配备计算机及外设，以及相应软件，对生产过程实行高级控制策略、故障诊断、质量评估 组成： 监控计算机 工程师显示操作站 操作员显示操作站 2 2

14、、集中操作监控级的功能及其主要装置、集中操作监控级的功能及其主要装置 第十章第十章 计算机集散控制系统计算机集散控制系统. DCS的操作员站的操作员站 是处理一切与运行操作有关的人是处理一切与运行操作有关的人- -机界面功能的网络机界面功能的网络节点，其主要功能就是使操作员可以通过操作员站及节点，其主要功能就是使操作员可以通过操作员站及时了解现场运行状态、各种运行参数的当前值、是否时了解现场运行状态、各种运行参数的当前值、是否有异常情况发生等。并可通过输出设备对工艺过程进有异常情况发生等。并可通过输出设备对工艺过程进行控制和调节，以保证生产过程的安全、可靠、高效、行控制和调节，以保证生产过程的

15、安全、可靠、高效、高质。高质。提问运行操作功能如何实现？提问运行操作功能如何实现？ 操作员站的功能实现主要由总貌画面、分组画面、点操作员站的功能实现主要由总貌画面、分组画面、点画面、流程图画面、趋势曲线画面、报警显示画面及画面、流程图画面、趋势曲线画面、报警显示画面及操作指导画面等操作指导画面等7 7种显示画面构成（详见第种显示画面构成（详见第6.3.2 6.3.2 图图形显示画面）。形显示画面）。 配置配置 多台。多台。 2 2、集中操作监控级的功能及其主要装置（续）、集中操作监控级的功能及其主要装置（续） 第十章第十章 计算机集散控制系统计算机集散控制系统. 工程师站功能工程师站功能v(1

16、) 系统组态：组建和变更操作员站和现场控制站的功能系统组态：组建和变更操作员站和现场控制站的功能 v(2) 系统测试：测试系统的逻辑算法是否正确，测试系统的系统测试：测试系统的逻辑算法是否正确，测试系统的网络的通信是否正常，测试系统外部设备连接是否正常。网络的通信是否正常，测试系统外部设备连接是否正常。 v(3) 系统维护：对系统定期检查或更改、生成组态文件存储系统维护：对系统定期检查或更改、生成组态文件存储、数据恢复等。、数据恢复等。 v(4) 系统管理：主要对系统文件的管理。如将组态文件加密系统管理：主要对系统文件的管理。如将组态文件加密，备份，对系统运行数据的文件存储、转存、归档管理等。

17、，备份，对系统运行数据的文件存储、转存、归档管理等。 一般配置一般配置1-21-2台。台。 2 2、集中操作监控级的功能及其主要装置、集中操作监控级的功能及其主要装置（续）（续） 第十章第十章 计算机集散控制系统计算机集散控制系统. 监控计算机实施先控策略和数据管理的节点 优化控制 应用数学模型或其它形式的模型，结合装置的约束统计和控制目标函数，计算出最优的操作统计，送下一级执行 自适应控制 根据采集到的各种物理量，对系统的模型参数进行在线估计，然后根据自适应算法或自调节算法得出控制给定，送下一级执行 协调控制 根据各部分的关系和运行状态，装置的生产要求，原材料、库存和能耗等数据，以及一些优化

18、数据，产生控制指令，送下一级执行 装置运行数据管理 收集整个装置运行参数、状态，生成实时、历史数据库；制定生产记录报表和报警、故障记录等 2 2、集中操作监控级的功能及其主要装置、集中操作监控级的功能及其主要装置（续）（续） 第十章第十章 计算机集散控制系统计算机集散控制系统. 综合信息管理级（面生产管理人员） 功能：实现整个企业的综合信息管理（主要包括生产管理和经营管理） 组成：管理计算机、办公自动化系统、工厂自动化服务系统，应用了MIS、MES、ERP系统 3 3、综合信息管理级、综合信息管理级 第十章第十章 计算机集散控制系统计算机集散控制系统. DCS的通信网络系统 通信网络分类 低速

19、、中速、高速 网络拓扑结构 星型、总线型、树型、环型 网络访问控制方式 令牌传送协议、改进CSMA/CD协议 网络访问控制方式 DCS局域网与一般办公系统的局域网络不同，要求局域网与一般办公系统的局域网络不同，要求实时响应，能适应恶劣的工业环境、具有开发性等，对网络可靠性要求实时响应，能适应恶劣的工业环境、具有开发性等，对网络可靠性要求很高。很高。 4 4、DCSDCS的通信网络系统的通信网络系统. 4 4、DCSDCS的通信网络系统（续）的通信网络系统（续）2022-1-22.382022-1-22.397-3-1 基本控制器的构成.2022-1-22第十章第十章 计算机集散控制系统计算机集

20、散控制系统40 基本控制器的两种形式 以模拟控制为主，带有简单的程序控制功能 以顺序控制、程序控制为主，兼有模拟控制功能 一般系统中通常两种形式的基本控制器混用.2022-1-22第十章第十章 计算机集散控制系统计算机集散控制系统41v7-3-2 基本控制器的功能 控制功能 基本的PID控制 远方/本地设定值功能、数字逻辑功能、以时间或逻辑为基础的程序控制功能、远方调整参数功能、远方/本地手动功能、多种报警功能、多种数字滤波功能和算术运算功能，这些功能可组合成相当复杂的控制算式.2022-1-22第十章第十章 计算机集散控制系统计算机集散控制系统42v7-3-2 基本控制器的功能 接口功能 在

21、采集数据后进行预处理并向上级计算机传送，其工作存储器可作为上级计算机的分散数据存储器，供上级计算机直接查用.2022-1-22第十章第十章 计算机集散控制系统计算机集散控制系统43v7-3-2 基本控制器的功能 基本控制器的工作方式 自动控制：由操作员在数据输入板DEP上设定本地设定值 串级控制：其给定值是其它某一个回路的输出值，由组态字指定 上级计算机控制：由监控计算机代替基本控制器进行控制，它经高速数据通道输出基本控制器的给定值或输出幅值 手动：操作员在DEP或CRT上直接调整回路的输出 回路手动：在选用的模拟显示器上通过增/减键调整输出，基本控制器处于保持状态.2022-1-22第十章第

22、十章 计算机集散控制系统计算机集散控制系统44v7-3-3 工作原理 控制流程图.2022-1-22第十章第十章 计算机集散控制系统计算机集散控制系统45v7-3-3 工作原理 典型控制回路.2022-1-22第十章第十章 计算机集散控制系统计算机集散控制系统46v7-3-3 工作原理 控制软件包的结构.2022-1-22第十章第十章 计算机集散控制系统计算机集散控制系统47v7-3-3基本控制器的可靠性 冗余手段 每若干台基本控制器有一个备用控制器，再加上一个备用切换指挥器构成无中断控制系统 自诊断措施 启动时的初始化检查，每隔一定时间进行在线的周期性检查.2022-1-22第十章第十章 计算机集散控制系统计算机集散控制系统48v7-3-4 基本控制器的特征 带有固化的软件 算法可以组态，形成相对高级的控制算法 可以与上级计算机配合，完成高级控制功能 功能可变，改变控制方案不必更换硬件 可以在就地操作员单元上显示和调整各种参数 具有自诊断功能2022-1-22.492022-1-22.502022-1-22.512022-1-22.522022-1-22.532022-1-22.542022-1-22.552022-1-22.56（Dynamic Data Exchange，动态数据交换）,OPC技术2022-1-22.57数据采集功能、数据采集功能、DDC控制