第六章 集散控制系统

1、第六章第六章 集散控制系统集散控制系统集散控制系统集散控制系统-又称分散型综合控制系统（DCS）系统，是对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的一种全新的分布式计算机控制系统。该系统将若干台微机分散应用于过程控制，全部信息通过通信网络由上位管理计算机监控，实现最优化控制，通过CRT装置、通信总线、键盘、打印机等，进行集中操作、显示和报警。整个装置继承了常规仪表分散控制和计算机集中控制的优点，克服了常规仪表功能单一、人一机联系差，以及单台微型计算机控制系统危险性高度集中的缺点，既在管理、操作和显示三方面集中，又在功能、负荷和危险性三方面分散。 集散控制系统的定义集散控制系统的定义一一 、集

2、散控制系统的组成、集散控制系统的组成（一）拓扑结构（一）拓扑结构（二）功能分析（二）功能分析TDC-3000系统系统CENTUM 系统系统二二 、集散控制系统的特点、集散控制系统的特点（1）控制设备的分散）控制设备的分散（2）监视和管理操作的集中）监视和管理操作的集中（3）开放的系统结构）开放的系统结构三三 、集散控制系统的发展、集散控制系统的发展初创期初创期(1975(1975一一l980l980年年) ) 成熟期成熟期(1980(1980一一19851985年年) )扩展期扩展期(1985(1985年以后年以后) )分散控制方式：分散控制方式：仪表间相距过远、仪表盘尺寸过大、无法全面仪表间

3、相距过远、仪表盘尺寸过大、无法全面了解信息及佳作；了解信息及佳作；集中控制方式：集中控制方式：危险过集中，计算机出现故障时整个生产装置危险过集中，计算机出现故障时整个生产装置瘫痪；瘫痪；集散控制方式：集散控制方式：控制功能分散、操作管理集中控制功能分散、操作管理集中DCSDCS。集散控制中危险分散的方法：将控制功能分散到多台计算机上，集散控制中危险分散的方法：将控制功能分散到多台计算机上，采取双重化冗余措施。现场控制站危险分散的设计原则采取双重化冗余措施。现场控制站危险分散的设计原则三三 、集散控制系统的发展、集散控制系统的发展国际著名厂商国际著名厂商: TDC-2000 TDC3000 SP

4、ECTRUM I/A series CENTUM XL 爱默生电气公司爱默生电气公司 WDPF PROVOX 国内著名厂商：国内著名厂商：DCSDCS系统操作台系统操作台DCSDCS系统控制单元系统控制单元DCSDCS系统用户界面系统用户界面Distributed control system包括： DCSDCS控制站、控制站、DCSDCS操作站、数操作站、数据通信及网络据通信及网络集散控制系统的现场控制站集散控制系统的现场控制站DCSDCS系统中，控制站继承了系统中，控制站继承了DDCDDC技术，它是一个完整的计算技术，它是一个完整的计算机，实际运行中可以在不与操作站及网络相连的情况下，机，

5、实际运行中可以在不与操作站及网络相连的情况下，完成过程控制策略，保证生产装置正常运行。完成过程控制策略，保证生产装置正常运行。 控制站作为一个完整的计算机，它的主要控制站作为一个完整的计算机，它的主要I/OI/O设备设备为现场的输入、输出处理设备，以及过程输入为现场的输入、输出处理设备，以及过程输入/ /输出（输出（P P I/OI/O）量，包括信号变换与信号调理，）量，包括信号变换与信号调理，A/DA/D、D/AD/A转换等。转换等。它在第二代和第三代产品中已陆续采用了嵌入式技术，并它在第二代和第三代产品中已陆续采用了嵌入式技术，并采用单片机等完成量程调整、远程采用单片机等完成量程调整、远程

6、I/OI/O数据传输、小型化数据传输、小型化及减少及减少P I/OP I/O卡硬件规格等功能，直至连接智能化的现场卡硬件规格等功能，直至连接智能化的现场变送器或接受采用现场总线提供的数字信号。变送器或接受采用现场总线提供的数字信号。集散控制系统的现场控制站集散控制系统的现场控制站主要设备：主要设备：现场控制单元。现场控制单元。主要任务：主要任务：进行数据采集及处理，对被控对象实施闭环反馈进行数据采集及处理，对被控对象实施闭环反馈控制、顺序控制和批量控制。控制、顺序控制和批量控制。用户可以用户可以根据不同的应用需求，选择配置不同的现场控制单根据不同的应用需求，选择配置不同的现场控制单元元以构成现

7、场控制站。以构成现场控制站。以面向连续生产的以面向连续生产的过程控制为主，顺序逻辑控制为辅过程控制为主，顺序逻辑控制为辅，构成，构成一个可以实现多种复杂控制方案的现场控制站一个可以实现多种复杂控制方案的现场控制站; 以顺序控制、联锁控制功能为主以顺序控制、联锁控制功能为主的现场控制站；的现场控制站；构成对构成对大批量过程信号进行总体信息采集大批量过程信号进行总体信息采集的现场控制站。的现场控制站。 1.机柜 现场控制站机柜中央控制室机柜间机柜间机柜组有了现场控制站，生产过程控制的安全性和可靠性都很容易得到保证现场控制单元多层I/O卡件箱电源单元通信接口接线端子板机柜正面（前面）机柜背面（后面）

8、现场控制站机柜2.电源n电源系统的可靠性措施电源系统的可靠性措施n 每一个现场控制站均采用每一个现场控制站均采用双电源供电，互为冗余双电源供电，互为冗余。 n采用采用超级隔离变压器超级隔离变压器，将其初级、次级线圈间的屏，将其初级、次级线圈间的屏蔽层可靠接地，以克服共模干扰的影响。蔽层可靠接地，以克服共模干扰的影响。n采用采用交流电子调压器交流电子调压器，快速稳定供电电压。，快速稳定供电电压。n配有配有不间断供电电源不间断供电电源 UPS，以保证供电的连续性。，以保证供电的连续性。n现场控制站内各现场控制站内各功能模块所需直流电源功能模块所需直流电源一般为一般为5V、15V(或或12 V)、以

9、及、以及+24V。 3.控制计算机 控制器电源单元I/O卡件现场总线接口卡件导轨控制计算机控制计算机n控制计算机一般是由控制计算机一般是由 CPUCPU、存储器、输入、存储器、输入 / / 输出通输出通道道等基本部分组成。等基本部分组成。n(1)CPU(1)CPU n用以实现用以实现算术运算和逻辑运算算术运算和逻辑运算。n可以可以执行复杂的先进控制算法执行复杂的先进控制算法，如自动整定、预测，如自动整定、预测控制、模糊控制和自适应控制等。控制、模糊控制和自适应控制等。 n(2)(2)存储器存储器 n控制计算机的存储器分为控制计算机的存储器分为RAMRAM和和ROMROM。n在控制计算机中在控制

10、计算机中 ROM ROM 占有较大的比例占有较大的比例。n由于控制计算机在正常工作时运行的是一套固定的由于控制计算机在正常工作时运行的是一套固定的程序，程序，DCS中大都采用了中大都采用了程序固化的办法。程序固化的办法。n在冗余控制计算机系统中，还特别设有在冗余控制计算机系统中，还特别设有双端口随机双端口随机存储器存储器RAM RAM ，其中存放有，其中存放有过程输入输出数据、设定值过程输入输出数据、设定值和和PIDPID参数等参数等。n(3)总线 n总线是总线是将现场控制站内部各单元连接起来将现场控制站内部各单元连接起来的通信介的通信介质。质。 n(4)输入/输出通道 n模拟量输入模拟量输入

11、/输出输出(AI/AO)n开关量输入开关量输入/输出输出(SI/SO)n数字量输入数字量输入/输出输出(DI/DO)n脉冲量输入通道脉冲量输入通道 (PI) n模拟量输入输出通道模拟量输入输出通道(AI/AO)(AI/AO) n模拟量输入通道模拟量输入通道(AI)(AI)n模拟量输入通道模拟量输入通道(AI)(AI)将来自将来自在线检测仪表和变送器在线检测仪表和变送器的的连续性模拟电信号转换成数字信号连续性模拟电信号转换成数字信号，送给送给CPUCPU进行处进行处理。理。n模拟量输出通道模拟量输出通道(AO)(AO) n模拟量输出通道模拟量输出通道(AO)(AO)一般一般将计算机输出的数字信号

12、将计算机输出的数字信号转换为转换为420mADC(420mADC(或或15VDC) 15VDC) 的连续直流信号的连续直流信号，用，用于控制各种执行机构。于控制各种执行机构。n开关量输入开关量输入/ /输出通道输出通道(SI/SO)(SI/SO) n开关量输入通道开关量输入通道(SI)(SI)主要用来采集各种主要用来采集各种限位开关、限位开关、继电器继电器 或电磁阀连动触点的开、关状态或电磁阀连动触点的开、关状态，并输入至计，并输入至计算机。算机。n开关量输出通道开关量输出通道(SO)(SO)主要用于控制主要用于控制电磁阀、继电电磁阀、继电器、指示灯、声光报警器器、指示灯、声光报警器等只具有开

13、、关两种状态的等只具有开、关两种状态的设备。设备。脉冲输入通道脉冲输入通道(PI)(PI) 脉冲输入通道脉冲输入通道(PI)(PI)将将现场仪表（如涡轮流量计现场仪表（如涡轮流量计等）输出的为脉冲信号等）输出的为脉冲信号处理后送入计算机。处理后送入计算机。 1.反馈控制2.4.1 2.4.1 现场控制站的基本功能现场控制站的基本功能反馈控制反馈控制输入处理输入处理控制运算控制运算回路组态回路组态输出处理输出处理报警处理报警处理反馈控制功能分布图反馈控制功能分布图(1)(1)输入信号处理输入信号处理n模拟输入信号处理模拟输入信号处理n合理性检验合理性检验n零偏零偏修修正正 n规格化规格化 n工程

14、量变换工程量变换 n非线性非线性处理处理 n开方开方运算运算 n补偿运算补偿运算 n脉冲序列的瞬时值变换及累计脉冲序列的瞬时值变换及累计n对于对于数字信号数字信号n状态报警及输出方式处理。状态报警及输出方式处理。n对对于于脉冲序列脉冲序列n瞬时值变换及累积计算瞬时值变换及累积计算。 n报警类型报警类型n报警限值报警限值 n报警优先级报警优先级 n 报警优先级参数报警优先级参数 n 报警链中断参数报警链中断参数 n 最高报警选择参最高报警选择参数数 (2)(2)报警处理报警处理(3)(3)控制运算控制运算n常规常规 PID n微分先行微分先行PIDn积分分离积分分离n开关控制开关控制n时间比例式

15、开关控制时间比例式开关控制n信号选择信号选择n比率设定比率设定常 用 算 法n时间程序设定时间程序设定n Smith 预估控制预估控制n多变量解耦控制多变量解耦控制n一阶滞后运算一阶滞后运算n超前超前-滞后运算滞后运算n其他运算等其他运算等(4) 控制回路组态n根据控制策略的需要，根据控制策略的需要，将一些功能模块通过软件连将一些功能模块通过软件连接起来接起来，构成检测回路或控制回路。，构成检测回路或控制回路。温度与压力串级控制系统回路组态图温度与压力串级控制系统回路组态图(5)输出信号处理n输出开路检验输出开路检验n输出上下限检验输出上下限检验n输出变化率限幅输出变化率限幅n模拟输出模拟输出

16、n开关输出开关输出n脉冲宽度输出脉冲宽度输出 2.逻辑控制n根据输入变量的状态，根据输入变量的状态，按逻辑关系进行的控制按逻辑关系进行的控制。n在在DCS中，由中，由逻辑功能模块逻辑功能模块实现逻辑控制功能。实现逻辑控制功能。逻 辑 控 制 功 能n与与 ( AND )n或或 ( OR )n非非 ( NO )n异或异或 ( XOR )n连接连接 ( LINK )n 进 行 延 时进 行 延 时 ( O N DELAY )n 停 止 延 时停 止 延 时 ( O F F DELAY )n触发器触发器 ( FLIP - FLOP) n脉冲脉冲 ( PULSE )3.顺序控制n顺序控制：顺序控制：按

17、按预定预定的动作顺序的动作顺序或逻辑或逻辑，依次执行各，依次执行各阶段动作程序阶段动作程序。n顺序控制中可以顺序控制中可以兼用反馈控制、逻辑控制和输入兼用反馈控制、逻辑控制和输入 / 输出监视输出监视等功能。等功能。n实现顺序控制的常用方法实现顺序控制的常用方法n顺序表法顺序表法n程序语言方式程序语言方式n梯形图法梯形图法n顺序表法顺序表法n将控制顺序按逻辑关系和时间关系将控制顺序按逻辑关系和时间关系预先编成顺序记预先编成顺序记录录，存储于管理文件中存储于管理文件中，然后逐项执行然后逐项执行。n程序语言方式程序语言方式n通过语言编程来实现顺序控制通过语言编程来实现顺序控制。n梯形图法梯形图法（

18、梯形逻辑控制语言梯形逻辑控制语言）n由继电器逻辑电路图演变而来的一种由继电器逻辑电路图演变而来的一种解释执行程序解释执行程序的的设计语言设计语言。n随着随着 DCS 的发展的发展，已出现了已出现了梯形逻辑与连续控制算梯形逻辑与连续控制算法相结合法相结合的复合控制功能。的复合控制功能。 4.批量控制n根据工艺要求，将根据工艺要求，将反馈控制与逻辑、顺序控制结合反馈控制与逻辑、顺序控制结合起来起来，使一个间歇式生产过程得到合格产品的控制。，使一个间歇式生产过程得到合格产品的控制。n反馈控制的报警信号反馈控制的报警信号n回路状态信号回路状态信号n模拟信号的比较、判断、运算结果模拟信号的比较、判断、运

19、算结果顺序控制的条件信号顺序控制的条件信号n回路的切换回路的切换n参数的变更参数的变更n设定值的调整设定值的调整n控制算法的变更控制算法的变更n控制方案的变更控制方案的变更由顺序控制转换为反馈控制的条件由顺序控制转换为反馈控制的条件5.辅助功能(1)控制方式选择手动手动( MAN ) 自动自动( AUT ) 串级串级( CAS ) 计算机计算机( COMP ) (2)测量值跟踪n在手动方式时，使本回路的设定值不再保持原来的在手动方式时，使本回路的设定值不再保持原来的值，而跟踪测量值。值，而跟踪测量值。(3)输出值跟踪n在手动方式时，使内存单元中在手动方式时，使内存单元中 PID 输出值跟踪手操

20、输出值跟踪手操输出值。输出值。n从手动切换到自动时，从手动切换到自动时，内存单元中的自动输出数值内存单元中的自动输出数值与手操输出值相等，与手操输出值相等，切换是无扰动的。切换是无扰动的。 n在自动方式时，在自动方式时，手操器的输出值手操器的输出值是始终是始终跟踪跟踪控制器控制器的的自动输出值自动输出值的。的。n从自动切换到手动时，从自动切换到手动时，手操器的输出值与手操器的输出值与PID的输的输出值相等，出值相等，切换是无扰动的。切换是无扰动的。 n DCS操作站具有操作员功能、工程师功能、通信功能和高级语言功能等，其中工程师功能中包括系统组态、系统维护、系统通用（Utility）功能。n

21、DCSDCS操作员站和工程师站操作员站和工程师站n实际的DCS操作站是典型的计算机，它与控制站不同，有着丰富的外围设备和人机界面。70年代中期，CRT显示器技术已成熟，以外部存储器为特征，第二代DCS操作站还具有如下特点：操作站和工程师站（或称工作站）分开，也有公司将操作站的历史数据存储用硬盘（历史模件）和高级语言应用站（应用模件）分别独立挂在通信网络上；操作系统除采用DOS系统以外，有的产品采用Unix等操作系统；实时数据库储存性能逐渐完善；在人机界面方面，逐渐过渡为以GUI图形用户界面为平台并采用鼠标、组态时制作流程图和控制回路图等方法，采用菜单、窗口、CAD等技术，使人机界面友好。 DC

22、S操作站的功能（三大功能）n工程功能完成系统生成、系统维护、系统测试和系统管理；n操作功能监视、记录、运行；n通信功能完成现场控制站于上位机之间的数据交换。n主要介绍操作功能操作运行中的操作画面n（1）总貌画面反映生产过程总体状况。n（2）分组画面对应显示各内部仪表状态，操作中观察其它回路中的关联变化。n（3）回路调整画面n（4）报警画面n（5）趋势分组画面n（6）流程子画面2.2.2 2.2.2 操作站操作站嵌入型台式操作站 桌面型操作站信息报警站工程师站 控制站 显示器 标准键盘 主机 操作站主机柜 工作台 中央控制室设备中央控制室设备n DCS DCS 操作站一般分为操作站一般分为操作员

23、站和工程师站操作员站和工程师站两种两种。n工程师站主要是工程师站主要是技术人员与控制系统的人机接口技术人员与控制系统的人机接口，可以对应用系统进行监视。可以对应用系统进行监视。n工程师站为用户提供了一个灵活的、功能齐全的工工程师站为用户提供了一个灵活的、功能齐全的工作平台，作平台，通过组态软件来实现用户所要求的各种控制通过组态软件来实现用户所要求的各种控制策略策略。n有些小型有些小型DCSDCS的的工程师站可以用一个操作员站代替工程师站可以用一个操作员站代替。 操作台操作台 微处理机系统微处理机系统 外部存储设备外部存储设备 图形显示设备图形显示设备 操作键盘和鼠标操作键盘和鼠标 打印输出设备

24、打印输出设备DCS DCS 操作站主要设备操作站主要设备操作站设备操作站设备2.2.3 2.2.3 冗余技术冗余技术1. 1. 冗余方式冗余方式冗余技术冗余技术多重化自动备用多重化自动备用简易的手动备用简易的手动备用后退运转后退运转同步运转同步运转待机运转待机运转2.4.2 2.4.2 操作站的基本功能操作站的基本功能操作站的操作站的基本功能基本功能显示显示报警报警系统维护系统维护报告生成报告生成操作操作系统组态系统组态操作站的基本功能分布图操作站的基本功能分布图2.4.32.4.3自诊断功能自诊断功能n在在系统投运前系统投运前，用用离线诊断程序检查离线诊断程序检查各部分各部分的的工作状态工作

25、状态。n系统运系统运行行中中，各设备不断执行各设备不断执行在线自诊断程序在线自诊断程序。n一旦发现错误一旦发现错误，立，立即切换到备用设备即切换到备用设备；n同时经过通信网络在显示器上同时经过通信网络在显示器上显示出故障代码，显示出故障代码，等待及等待及时处理时处理；n故障代码可以故障代码可以定位到定位到卡卡件件板板，用户只需及时用户只需及时更换卡更换卡件件。 数据通信及网络在在DCSDCS系统诞生时，主要解决一个生产装置中几个控制站和一个系统诞生时，主要解决一个生产装置中几个控制站和一个或几个操作站之间的数据通信问题；第二代或几个操作站之间的数据通信问题；第二代DCSDCS则解决多个装置则解决多个装置的的DCSDCS互联问题；第三代互联问题；第三代DCSDCS则解决一个工厂的多个车间互联及则解决一个工厂的多个车间互联及与全厂计算机管理网络互联的问题，这是总的设计思想。与全厂计算机管理网络互联的问题，这是总的设计思想。