分布式控制系统01

1、LOGLOGO O2010年08月分布式控制系统分布式控制系统Your site here课课程程概况概况v课程性质课程性质 专业特色课专业特色课v学时学时 48v学分学分 3v课程序号课程序号 0653v课程代码课程代码 020338v前期课程前期课程 模拟电路、数字电路、自动控制理论、模拟电路、数字电路、自动控制理论、计算机语言、通信理论、单片机控制、电机学、计算机语言、通信理论、单片机控制、电机学、电力系统分析电力系统分析 等等v考试考查考试考查 Test考试考试Your site here教教材及材及参参考文考文献献v 程武山程武山. 分布式控制技术及其应用，科学出版社，分布式控制技术

2、及其应用，科学出版社，2008v 王常力，罗安王常力，罗安. 分布式控制系统（分布式控制系统（DCS）设计与应用实例）设计与应用实例，电子工业出版社，电子工业出版社，2005v 何衍庆等何衍庆等. 集散控制系统原理及应用，化学工业出版社，集散控制系统原理及应用，化学工业出版社，2010v Andrew S. 分布式系统原理与范型，清华大学出版社，分布式系统原理与范型，清华大学出版社，2008v George Coulouris . 分布式系统概念与设计，机械工业分布式系统概念与设计，机械工业出版社，出版社，2008v 凌志浩凌志浩. DCS与现场总线控制系统，华东理工大学出版社，与现场总线控制

3、系统，华东理工大学出版社，2008v 邵佩英邵佩英. 分布式数据库系统及其应用，科学出版社，分布式数据库系统及其应用，科学出版社，2009Your site hereContents分布式分布式系统构成及指令系统构成及指令现场总线和数据通信现场总线和数据通信可编程序逻辑控制方法可编程序逻辑控制方法3概述概述1245经典控制算法经典控制算法Your site hereContents (2)现场控制站现场控制站分布式控制系统分布式控制系统人机界面人机界面分布式控制系统分布式控制系统工程设计工程设计8现代控制算法现代控制算法67910分布式控制系统分布式控制系统应用实例应用实例Your site

4、herev分布式控制系统分布式控制系统- Distributed Control System, DCS 或曰：集散控制系统或曰：集散控制系统v分布式控制系统分布式控制系统基本概念基本概念v新型新型分布式控制系统分布式控制系统技术支撑、体系结构技术支撑、体系结构v新型新型分布式控制系统分布式控制系统技术特点技术特点v分布式控制系统分布式控制系统的展望的展望Your site herev分布式控制系统来源于直接数字控制系统分布式控制系统来源于直接数字控制系统v直接数字控制系统直接数字控制系统(Direct Digital Control，DDC)v计算机通过模拟量输入通道计算机通过模拟量输入通道

5、(AI)和开关量输入通和开关量输入通道道(DI)采集实时数据，然后按照一定的规律进行采集实时数据，然后按照一定的规律进行计算，最后发出控制信号，并通过模拟量输出通道计算，最后发出控制信号，并通过模拟量输出通道(AO)和开关量输出通道和开关量输出通道(DO)直接控制生产过程直接控制生产过程vDDC系统是一个闭环控制系统，是计算机在工业系统是一个闭环控制系统，是计算机在工业生产过程中最普遍的一种应用方式。生产过程中最普遍的一种应用方式。DDC系统中系统中的计算机直接承担控制任务，因而要求实时性好、的计算机直接承担控制任务，因而要求实时性好、可靠性高和适应性强。可靠性高和适应性强。 Your sit

6、e here1.1 1分布式控制系统分布式控制系统定义定义定义：定义：分布式控制系统分布式控制系统是以微处理器为基础，采用分散是以微处理器为基础，采用分散控制、集中管理（共用控制、共用显示）的那一类开放控制、集中管理（共用控制、共用显示）的那一类开放的仪表计算机控制系统的仪表计算机控制系统1.1.以闭环回路控制为主要功能的系统以闭环回路控制为主要功能的系统2.2.除变送和执行单元外，其他控制功能及通信、人机界除变送和执行单元外，其他控制功能及通信、人机界 面均采用数字技术面均采用数字技术3.3.以计算机的显示屏、键盘、鼠标代替仪表盘形成系统以计算机的显示屏、键盘、鼠标代替仪表盘形成系统 的人机

7、界面的人机界面4.4.闭环回路控制功能由现场控制站完成闭环回路控制功能由现场控制站完成5.5.人机界面由操作员站实现，系统可以配多个操作员站人机界面由操作员站实现，系统可以配多个操作员站6.6.系统的现场控制站、个操作员站通过数字通信网络实系统的现场控制站、个操作员站通过数字通信网络实 现连接现连接Your site here1.1 分布式控制系统分布式控制系统基本概念基本概念2分布式控制系统分布式控制系统组成组成1. 现场控制站现场控制站 完成系统的运算处理控制完成系统的运算处理控制2. 操作员站操作员站 完成人机界面操作，监视完成人机界面操作，监视3. 工程师站工程师站 对对DCS进行应用

8、组态和编辑进行应用组态和编辑4. 通信系统通信系统=系统网路系统网路+现场总线网络现场总线网络5. 高层管理网络高层管理网络 更高层次或全厂范围的控制更高层次或全厂范围的控制 Your site here1.1 分布式控制系统分布式控制系统基本概念基本概念2分布式控制系统分布式控制系统组成组成(2)Your site here1.1 分布式控制系统分布式控制系统基本概念基本概念3分布式控制系统分布式控制系统特点特点 集中监视管理集中监视管理+分散控制调节分散控制调节1. 生产过程的全部操作和显示都集中在一个生产过程的全部操作和显示都集中在一个操作站进行，方便协调控制操作站进行，方便协调控制2.

9、 多个微处理器分散承担生产过程的控制，多个微处理器分散承担生产过程的控制，提高系统的可靠性，增加了冗余度提高系统的可靠性，增加了冗余度3. 模块化结构，组态软件模块化结构，组态软件4. 人机操作界面模拟了电动仪表的控制流程人机操作界面模拟了电动仪表的控制流程5. 操作站和过程控制装置之间有高速数据通操作站和过程控制装置之间有高速数据通信系统，强大的信息流信系统，强大的信息流Your site here1.1 分布式控制系统分布式控制系统基本概念基本概念3分布式控制系统分布式控制系统结构结构1. 递阶控制结构递阶控制结构Your site here1.1 分布式控制系统分布式控制系统基本概念基本

10、概念3分布式控制系统分布式控制系统结构结构(2)2. 分散控制结构分散控制结构(Decentralized Control Structure )大系统中每个子系统分别用独立作出决策的控大系统中每个子系统分别用独立作出决策的控制器进行控制以完成优化任务的控制结构制器进行控制以完成优化任务的控制结构 分散控制结构中大系统优化的总任务由各分分散控制结构中大系统优化的总任务由各分散的控制器共同完成。每个分散控制器只能获散的控制器共同完成。每个分散控制器只能获得大系统的部分信息（信息分散），也只能对得大系统的部分信息（信息分散），也只能对大系统进行局部控制（控制分散）。在空间上大系统进行局部控制（控制

11、分散）。在空间上分散的大系统，或在空间上较集中但各个控制分散的大系统，或在空间上较集中但各个控制通道的动态响应时间（或时间常数）差别较大通道的动态响应时间（或时间常数）差别较大的大系统，均可采用分散控制的大系统，均可采用分散控制Your site here1.1 分布式控制系统分布式控制系统基本概念基本概念3分布式控制系统分布式控制系统结构结构(3)2. 分散控制结构分散控制结构分散控制器分散控制器1分散控制器分散控制器i分散控制器分散控制器n子过程子过程1子过程子过程i子过程子过程n相互通信相互通信分散控制器分散控制器被控过程或对象被控过程或对象Your site here1.1 分布式控制

12、系统分布式控制系统基本概念基本概念3分布式控制系统分布式控制系统结构结构(4)2. 分散控制结构分散控制结构 完全分散控制结构完全分散控制结构当大系统的各分散控制器间没有任何信息交换当大系统的各分散控制器间没有任何信息交换时，如电力网、交通管制网、数字通信系统、时，如电力网、交通管制网、数字通信系统、宏观经济系统等宏观经济系统等 局部分散控制结构局部分散控制结构各分散控制器间有部分各分散控制器间有部分(主要的和关键的主要的和关键的)信息信息交换交换 分散控制与多级递阶控制不同，它没有上一分散控制与多级递阶控制不同，它没有上一级的协调器，大系统优化的总任务分配给各分级的协调器，大系统优化的总任务

13、分配给各分散控制器，依靠它们之间相互通信进行调整散控制器，依靠它们之间相互通信进行调整 Your site here1.1 分布式控制系统分布式控制系统基本概念基本概念4分布式控制系统分布式控制系统发展史发展史 分布式控制系统，或曰集散系统，是相分布式控制系统，或曰集散系统，是相对于集中式控制系统而言的一种新型计算机对于集中式控制系统而言的一种新型计算机控制系统，它是在集中式控制系统的基础上控制系统，它是在集中式控制系统的基础上发展、演变而来的发展、演变而来的 在系统功能方面，在系统功能方面，DCS和集中式控制系和集中式控制系统的区别不大，但在系统功能的实现方法上统的区别不大，但在系统功能的实

14、现方法上却完全不同却完全不同 3代产品的区别，可从代产品的区别，可从DCS的三大部分，的三大部分，即控制站、操作站和通信网络的发展来判断即控制站、操作站和通信网络的发展来判断 Your site here1.1 分布式控制系统分布式控制系统基本概念基本概念4分布式控制系统分布式控制系统发展史发展史(1) 1975年至年至80年代前期为第一代产品。年代前期为第一代产品。1975年美国最大的仪表控制公司霍尼韦尔年美国最大的仪表控制公司霍尼韦尔首次向世界推出了它的综合分散控制系统首次向世界推出了它的综合分散控制系统 TDC2000(TotalDistributedControl-2000),这一系统

15、的发表这一系统的发表,立即引起美国工业立即引起美国工业控制界高度评价控制界高度评价,称之为称之为“最鼓舞人心的事最鼓舞人心的事件件”。世界各国的各大公司也纷纷仿效。世界各国的各大公司也纷纷仿效,推推出了一个又一个集散系统出了一个又一个集散系统,从此过程控制进从此过程控制进入了集散系统的新时期。入了集散系统的新时期。 Your site here1.1 分布式控制系统分布式控制系统基本概念基本概念4分布式控制系统分布式控制系统发展史发展史(2)TDC2000 的控制界面的控制界面Your site here1.1 分布式控制系统分布式控制系统基本概念基本概念4分布式控制系统分布式控制系统发展史发

16、展史(3)2. 80年代中期至年代中期至90年代前期为集散控制年代前期为集散控制系统第二代产品。随着计算机的发展与网络系统第二代产品。随着计算机的发展与网络开发，各控制厂商更多地采用商业计算机的开发，各控制厂商更多地采用商业计算机的技术技术第二代集散系统的主要特征是第二代集散系统的主要特征是：新系统的局部网络采用新系统的局部网络采用MAP协议协议引用智能变送器与现场总线结构引用智能变送器与现场总线结构在控制软件上引入在控制软件上引入PLC的顺序控制与批量控的顺序控制与批量控制，使制，使DCS也具有也具有PLC的功能的功能 Your site here1.1 分布式控制系统分布式控制系统基本概念

17、基本概念4分布式控制系统分布式控制系统发展史发展史(4)3. 90年代中期至年代中期至21世纪初为第三代产品。世纪初为第三代产品。90年代初各国知名的年代初各国知名的DCS有有:Bailey的的INFI90Rosemount的的RS3Westing House的的DPFLeeds & Nonthrup的的MAX1000,日本横河的日本横河的CENTUM上述均为大型的上述均为大型的DCS,为了适应市场的需要为了适应市场的需要各厂商也开发了不少中小型的各厂商也开发了不少中小型的DCS系统如系统如S9000,MAX2,LXL,A2PACS等等等等 Your site here1.1 分布式控

18、制系统分布式控制系统基本概念基本概念5两个两个概念概念1. 开放系统开放系统第三代集散控制系统的主要特征第三代集散控制系统的主要特征可移植性可移植性(Portability)互操作性互操作性(Interoperability)可适宜性可适宜性(Scalability)可得到性可得到性(Availability)Your site here1.1 分布式控制系统分布式控制系统基本概念基本概念5两个两个概念概念(2)2. OSI参考模型参考模型(Open System Interconnection，开放系统互连，开放系统互连) OSI参考模型是一个逻辑上的定义，一个参考模型是一个逻辑上的定义，一

19、个规范，它把网络从逻辑上分为了规范，它把网络从逻辑上分为了7层。每一层层。每一层都有相关、相对应的物理设备，比如路由器，都有相关、相对应的物理设备，比如路由器，交换机。交换机。 七层网络模型的定义是网络发展中一个重要七层网络模型的定义是网络发展中一个重要里程碑，不但成为以前的和后续的各种网络技里程碑，不但成为以前的和后续的各种网络技术评判、分析的依据，也成为网络协议设计和术评判、分析的依据，也成为网络协议设计和统一的参考模型统一的参考模型Your site here1.1 分布式控制系统分布式控制系统基本概念基本概念5两个两个概念概念(3) OSI参考模型参考模型Your site here1

20、.2 新型新型DCS的技术支撑、体系结构的技术支撑、体系结构1分布式控制系统分布式控制系统技术支撑技术支撑 向上发展向上发展-计算机集成制造系统计算机集成制造系统(Computer Integrated Manufacturing Systems ，CIMS) 定义：定义：CIMS是通过计算机硬软件，并综合是通过计算机硬软件，并综合运用现代管理技术、制造技术、信息技术、运用现代管理技术、制造技术、信息技术、自动化技术、系统工程技术。将企业生产全自动化技术、系统工程技术。将企业生产全部过程中有关的人、技术、经营管理三要素部过程中有关的人、技术、经营管理三要素及其信息与物流有机集成并优化运行的复杂

21、及其信息与物流有机集成并优化运行的复杂的大系统的大系统 CIMS代表了当今工厂综合自动化的最高代表了当今工厂综合自动化的最高水平，被誉为是未来的工厂水平，被誉为是未来的工厂 Your site here1.2 新型新型DCS的技术支撑、体系结构的技术支撑、体系结构1分布式控制系统分布式控制系统技术支撑技术支撑(2) 向上发展向上发展-计算机集成制造系统计算机集成制造系统 CIM的概念最早是由美国学者哈林顿博士的概念最早是由美国学者哈林顿博士(Joseph Harrington)提出的，其基本提出的，其基本出发点是：出发点是： 1）企业的各种生产经营活动是不可分割的）企业的各种生产经营活动是不可

22、分割的，要统一考虑；，要统一考虑； 2）整个生产制造过程实质上是信息的采集）整个生产制造过程实质上是信息的采集、传递和加工处理的过程、传递和加工处理的过程 Your site here1.2 新型新型DCS的技术支撑、体系结构的技术支撑、体系结构1分布式控制系统分布式控制系统技术支撑技术支撑(3)2. 向下发展向下发展-现场总线控制系统现场总线控制系统(Fieldbus Control System，FCS) 现场总线控制系统，它是用现场总线这一开现场总线控制系统，它是用现场总线这一开放的、具有互操作性的网络将现场各个控制器放的、具有互操作性的网络将现场各个控制器和仪表及仪表设备互联，构成现场

23、总线控制系和仪表及仪表设备互联，构成现场总线控制系统，同时控制功能彻底下放到现场，降低了安统，同时控制功能彻底下放到现场，降低了安装成本和维修费用。因此，装成本和维修费用。因此，FCS实质上是一种实质上是一种开放的、具有互操作性的、彻底分散的分布式开放的、具有互操作性的、彻底分散的分布式控制系统，有望成为控制系统，有望成为21世纪控制系统的主流世纪控制系统的主流产品产品 Your site here1.2 新型新型DCS的技术支撑、体系结构的技术支撑、体系结构1分布式控制系统分布式控制系统技术支撑技术支撑(4)现场总线控制系统现场总线控制系统(FCS)的主要特点：的主要特点： 1. 数字化的信

24、息传输数字化的信息传输 系统采用数字信号，通信质量好系统采用数字信号，通信质量好 2. 分散的系统结构分散的系统结构 现场智能仪表，独立完成测量、校正、调节、诊现场智能仪表，独立完成测量、校正、调节、诊断等功能，如断等功能，如AGC 3. 方便的互操作性方便的互操作性 符合统一标准，不同厂商的产品可异构符合统一标准，不同厂商的产品可异构 4. 开放的互联网络开放的互联网络 各节点的资源可共享各节点的资源可共享 5. 多种传输媒介和拓扑结构多种传输媒介和拓扑结构Your site here1.2 新型新型DCS的体系结构的体系结构2Your site here1.2 新型新型DCS的技术支撑、体

25、系结构的技术支撑、体系结构2体系结构体系结构 现场仪表层现场仪表层 将物理信号转变为电信号，控制输出信号将物理信号转变为电信号，控制输出信号转变为物理信号转变为物理信号2. 装置控制层装置控制层 独立完成实时控制，有连续控制、离散控制独立完成实时控制，有连续控制、离散控制、混合控制等、混合控制等Your site here1.2 新型新型DCS的技术支撑、体系结构的技术支撑、体系结构2体系结构体系结构(2)3. 工厂监控与管理层工厂监控与管理层主要内容有主要内容有MES (Manufacturing Execution System)制造执行系统制造执行系统 MES是美国是美国AMR公司公司(

26、Advanced Manufacturing Research，Inc)在在90年代初提出的年代初提出的将将MES定义为定义为“位于上层的计划管理系统与位于上层的计划管理系统与底层的工业控制之间的面向车间层的管理信底层的工业控制之间的面向车间层的管理信息系统息系统”,它为操作人员它为操作人员/管理人员提供计划管理人员提供计划的执行、跟踪以及所有资源的执行、跟踪以及所有资源(人、设备、物人、设备、物料、客户需求等料、客户需求等)的当前状态的当前状态Your site here1.2 新型新型DCS的技术支撑、体系结构的技术支撑、体系结构2体系结构体系结构(3)4. 企业经营管理层企业经营管理层主

27、要有企业资源规划主要有企业资源规划(Enterprise Resource Planning ，ERP)，供应链，供应链管理管理(Supply Chain Management， SCM) ，客户关系管理，客户关系管理(Customer Relationship Management ，CRM) ，电子商务管理，电子商务管理(Electronic Commerce Management，ECM) Your site here1.3 新型新型分布式控制系统分布式控制系统技术特点技术特点v和模拟电气仪表相比，和模拟电气仪表相比，DCS系统连接方便，软连系统连接方便，软连接，灵活更改控制策略，显示存

28、储数据量大接，灵活更改控制策略，显示存储数据量大v和和DDC比较，操作监督方便，可靠性高，有冗余比较，操作监督方便，可靠性高，有冗余v特点：特点：v分级分层递阶控制分级分层递阶控制v分散控制分散控制v信息管理与集成信息管理与集成v自治和协调自治和协调v开放系统开放系统Your site here1.3 新型新型分布式控制系统分布式控制系统技术特点技术特点v在垂直和水平方向都是分级的在垂直和水平方向都是分级的v垂直方向至少分为操作层和现场控制层垂直方向至少分为操作层和现场控制层v水平方向各现场控制节点相互协调，构成水平分水平方向各现场控制节点相互协调，构成水平分层层v系统越大，垂直和水平方向的分

29、级越多系统越大，垂直和水平方向的分级越多vMES、ERP是垂直向上扩展的是垂直向上扩展的DCSvFCS是垂直向下扩展的是垂直向下扩展的DCS1分级分层递阶控制分级分层递阶控制Your site here1.3 新型新型分布式控制系统分布式控制系统技术特点技术特点1分级分层递阶控制分级分层递阶控制(2)v 分级分层递阶控制系统示意图分级分层递阶控制系统示意图Your site here1.3 新型新型分布式控制系统分布式控制系统技术特点技术特点v分散控制是指系统中的控制部分表现为若干个分散的，分散控制是指系统中的控制部分表现为若干个分散的，有一定相对独立性的子控制机构，这些机构在各自的有一定相对

30、独立性的子控制机构，这些机构在各自的范围内各司其责，各行其是，互不干涉，各自完成自范围内各司其责，各行其是，互不干涉，各自完成自己的目标。当然这些目标是整个系统目标中的分目标。己的目标。当然这些目标是整个系统目标中的分目标。 v分散控制的特点是与集中控制相反，不同的信息流入分散控制的特点是与集中控制相反，不同的信息流入不同的控制中心不同的控制指令由不同的控制中心发不同的控制中心不同的控制指令由不同的控制中心发出。出。 v不仅在控制方式上分散，还包含人员分散、地域分散、不仅在控制方式上分散，还包含人员分散、地域分散、功能分散、危险分散、设备分散、操作分散功能分散、危险分散、设备分散、操作分散2分

31、散控制分散控制Your site here1.3 新型新型分布式控制系统分布式控制系统技术特点技术特点v 分布式生成过程中的大量数据信息通过上传实现统一管理分布式生成过程中的大量数据信息通过上传实现统一管理和数据共享和数据共享v 信息集成信息集成 （集成平台）（集成平台） Integrated information（Integrated platform） 是指系统中各子系统和用是指系统中各子系统和用户的信息采用统一的标准，规范和编码，实现全系统信息户的信息采用统一的标准，规范和编码，实现全系统信息共享，进而可实现相关用户软件间的交互和有序工作共享，进而可实现相关用户软件间的交互和有序工作

32、v 标准化是信息集成的基础，主要包含通信协议标准化（如标准化是信息集成的基础，主要包含通信协议标准化（如MAP/TOP，制造自动化协议，制造自动化协议/技术办公室协议等），产技术办公室协议等），产品数据标准话（如品数据标准话（如STEP，产品模型数据交换标准等），产品模型数据交换标准等），以及调节网络标准化，电子文档标准化，交互图形标准化以及调节网络标准化，电子文档标准化，交互图形标准化等等 3信息管理与集成信息管理与集成Your site here1.3 新型新型分布式控制系统分布式控制系统技术特点技术特点vOpening System（OS） v开放式系统是由厂商、厂商的国际联盟、政府部开放式系统是由厂商、厂商的国际联盟、政府部门和世界范围的标准化组织进行定义的信息