DCS集散控制系统课程总结

集散控制系统课程总结本文将从课程学习框架（附件）、各章节内容、学习心得体会三个方面阐述自己对集散控制系统这门学科的了解，并作出以下总结：（其中学习框架参考书中目录及其自己所看章节而定位；各章节内容由看书过程中认为的重要及疑难问题内容设置而成）一、DCS概述与PLC的关系1.1DCS的概述1、计算机如何进行处理信息？控制计算机处理的信息只能是数字量，在实际生产过程中，被控量（如温度、压力、流量等）都是模拟量，执行机构接受的大多数是模拟量。所以，系统需有将模拟信号转换为数字信号的模/数（A/D）转换器和将数字信号转换为模拟信号的数/模（A/D）转换器。2、计算机控制系统的组成？主机、输入/输出设备、通信设备、现场设备、操作台、系统软件、应用软件3、计算机控制系统的分类有哪些？数据采集系统（DAS）、直接数字控制系统（DDC）、计算机监督控制系统（SCC）、分散控制系统（DCS）、现场总线控制系统（FCS）、综合自动化系统（CIPS）4、DCS的概念？集散型控制系统(TotalDistributedControlSystems以下称作DCS)也称为分散控制系统(DistributedComputerControlSystems)，它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，分析了计算机、通讯（Communication）、显示（CRT）和控制（Control）等4C技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、组态方便。它是以微处理器为核心，采用数据通讯技术和图形显示技术的新型计算机控制系统。该系统能够完成直接数字控制、顺序控制、批量控制、数据采集与处理、多变量解耦控制以及最优控制等功能，在先进的集散型控制系统中，还包含有生产的指挥、调度和管理功能。5、DCS集散控制系统的特点？1).采用分散技术、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调发展的设计原则，大大提高系统的可靠性。2).采用4C技术，即Control控制技术；Computer计算机技术；Communication通信技术；CathodeRayTubeCRT显示技术。3).由上而下形成多级控制结构，及过程控制、集中监控级和生产管理级。4).采用网络方式实现各级间的信息传递。1.2DCS的现状及发展1、简述DCS的发展史？按技术特征其发展可划分为三个阶段：1).70年待末期-初创(chuchuang)期比较著名的有美国Honeywell公司的TDC－2000；Foxboro公司的Spectrum、Bailey公司的NetWork-90；日本YOKOGAWA公司(gongsi)的Centum等。这一时期的产榀，在技术上有明显的局限性，微处理器多采用8位CPU。2).80年待初中期-发展期80年待随着微处理器运算能力的增强可靠性进一步提高，功能进一步扩展，出现了多功能过程控制站、增强型操作站、增加了光纤通讯技术。待表产榀有美国Honeywell公司的TDC－3000；TAYLOR公司的MOD300；WestingHouse公司的WDPF；等。这一待产榀的特点是采用16位CPU，标准化和模块化设计，扩充灵活，功能完善，用户界面友好。3).80年待末期－成熟期集散控制系统第三待产榀，把过程控制、监督控制、管理调度有机地结合起来，加强了断续控制功能，采用专家系统、MAP通信标准。其待表产榀有美国Honeywell公司的TDC-3000/LCN；Foxboro公司的I/ASeries；Bailey公司的INFI-90；等。这一待产榀的特点是采用32位CPU和专用集成电路，使控制功能更强、体积更小、可靠性更高，其通信系统实现了开放式通信。2、第四代DCS基本结构？综合管理级生产管理级集中管理级过程控制级现场设备1.3DCS的基本组成及特点1、最基本的DCS应包括哪四大部分？一台现场控制站、一台工程师站、一条系统网络、一个典型的DCS体系结构PLC基本概念及其技术特点？PLC：早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController,PLC），它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机（PersonalComputer）的简称混淆，所以将可编程序控制器简称PLC。PLC自1969年美国数据设备公司（DEC）研制出现，现行美国、日本、德国的可编程序控制器质量优良，功能强大。其技术特点有如下六点：从开关量控制发展到顺序控制，运算处理是从下往上的具备逻辑控制、定时控制、计数控制、步进（顺序）控制、连续PID控制、数据处理控制能力、通信和连网等多功能。可用一台PC为主站，多台同型PLC为从站。也可用一台PLC为主站，多台同型PLC为从站。PLC网络既可作为独立的DCS/TDCS，也可作为DCS/TDCS的子系统。主要用于工控中的顺序控制，新型的PLC也兼有闭环控制功能。3、DCS与PLC的对比：（根据书中内容总结如下）1)从发展来说：DCS从传统的仪表盘监控系统发展而来。因此，DCS从先天性来说较为侧重仪表的控制。PLC从传统的继电器回路发展而来，最初的PLC甚至没有模拟量的处理能力，因此，PLC从开始就强调的是逻辑运算能力。2）从系统的可扩展性和兼容性的方面来说：

市场上控制类产品繁多，无论DCS还是PLC，均有很多厂商在生产和销售。DCS在发展的过程中也是各厂家自成体系，但大部分的DCS系统，比如横YOKOGAWA、霍尼维尔、ABB等等，虽说系统内部（过程级）的通讯协议不尽相同，但操作级的网络平台不约而同的选择了以太网络，采用标准或变形的TCP/IP协议。这样就提供了很方便的可扩展能力。对于PLC系统来说，一般没有或很少有扩展的需求，因为PLC系统一般针对于设备来使用。一般来讲，PLC也很少有兼容性的要求，比如两个或以上的系统要求资源共享，对PLC来讲也是很困难的事。3）从数据库来说：

DCS一般都提供统一的数据库。在DCS系统中一旦一个数据存在于数据库中，就可在任何情况下引用，比如在组态软件中，在监控软件中，在趋势图中，在报表中……PLC系统的数据库通常都不是统一的，组态软件和监控软件甚至归档软件都有自己的数据库。4）从时间调度上来说：

PLC的程序一般不能按事先设定的循环周期运行。PLC程序是从头到尾执行一次后又从头开始执行。（现在一些新型PLC有所改进，不过对任务周期的数量还是有限制）DCS可以设定任务周期。比如，快速任务等。同样是传感器的采样，压力传感器的变化时间很短，我们可以用200ms的任务周期采样，而温度传感器的滞后时间很大，我们可以用2s的任务周期采样。这样，DCS可以合理的调度控制器的资源。

5）从网络结构发面来说：

DCS惯常使用两层网络结构，一层为过程级网络，大部分DCS使用自己的总线协议。其现场IO模块，特别是模拟量的采样数据（机器代码，213/扫描周期）十分庞大，同时现场干扰因素较多，因此应该采用数据吞吐量大、抗干扰能力强的网络标准。PLC系统的工作任务相对简单，因此需要传输的数据量一般不会太大，所以常见的PLC系统为一层网络结构。过程级网络和操作级网络要么合并在一起，要不过程级网络简化成模件之间的内部连接。PLC不会或很少使用以太网。

6）从应用对象的规模上来说：

PLC一般应用在小型自控场所，比如设备的控制或少量的模拟量的控制及联锁，而大型的应用一般都是DCS。习惯上我们把大于600点的系统称为DCS，小于这个规模叫做PLC。

PLC与DCS发展到今天，事实上都在向彼此靠拢，严格的说，现在的PLC与DCS已经不能一刀切开，很多时候之间的概念已经模糊了。二、DCS的系统组成与常见系统2.1DCS的体系结构1、对于集中式计算机控制系统，其两大应用指标是什么？中央计算机的处理速度和计算机自身的可靠性2.2DCS的分层功能1、DCS的层次功能各是什么？目前一般分为四层：过程控制级：进行过程数据的采集，数据检查，进行数字开环和闭环控制，设备监测和系统测试、诊断，实施安全性、冗余化措施。集中监控级：过程操作测试，设备间协调，优化过程控制，自适应回路控制，错误检测，数据存档。生产管理级：规划产品结构和规模，产品监视，产品报告，工厂生产监视。综合管理级：市场和用户分析，订货和销售统计，销售计划，产品生产协调，合同事宜，期限监测等。2.3DCS的通信网络1、计算机的通信方式有哪些？按照每次传送的数据位数，通信方式可分为：并行通信和串行通信。

按照数据在线路上的传输方向，通信方式可分为：单工通信、半双工通信与全双工通信。2、计算机通信的国际标准是什么？国际标准组织（国际标准化组织）制定了OSI模型。这个模型把网络通信的工作分为7层，分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。3、以太网的含义？以太网(Ethernet)指的是由Xerox公司创建并由Xerox、Intel和DEC公司联合开发的基带局域网规范，是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。4、DCS网络体系结构DCS的网络体系主要特点就是分层控制。第一级是现场总线网络。用于现场智能变送器、智能执行器、智能I/O之间的通信。第二级是系统网络，用于过程监视和管理等设备之间的通信以及现场控制站间的通信。第三级是管理网络，用于管理计算机操作站等上位设备之间的以及与监控计算机站/管理级的连接。5、DCS网络拓扑结构的形式?总线式、环状结构、星状结构。6、DCS的通信存取控制的重要性及其方式有哪些？对通信子网使用的合理分配调度决定了各站所提出的请求作出响应的快慢，决定了通信子网的实时性。存取控制方法是通信子网使用分配调度算法的核心，与通信子网的实时性有着密切的联系。DCS采用最多的存取控制是CSMA、CSMA/CD、令牌环和令牌总线方式或是几种存取控制方式的组合。7、DCS的网络特点？1）快速的实时响应能力2）极高的可靠性3）适用于恶劣的环境下工作4）分层结构2.4常见的DCS1、HOLLiASMACS系统系统组成：系统由工程师站、操作员站、现场控制站、通信站组成。工程师站：用来完成系统组态、修改及下装，包括：数据库、图形、控制算法、报表组态，参数配置，操作员站、现场控制站及过程I/O模块的配置组态，数据下装和增量下装等。操作员站：用来进行生产现场的监视和管理，包括：系统数据的集中管理和监视，工艺流程图显示，报表打印，控制操作，历史趋势显示，日志、报警记录和管理等。现场控制站：用来完成现场信号采集、工程单位变换、控制和联锁控制算法、控制输出、通过系统网络将数据和诊断结果传送到操作员站等功能系统特点：在统一的系统平台上提供管控一体化解决方案；标准的Client/Server结构；应用先进的现场总线技术；支持OPC数据处理；开放的网络系统2、Foxboro公司的I/AS系统系统组成：过程控制站、过程操作站、工程师操作站/应用计算机处理站、信息管理站和通信系统。过程控制站：I/AServer系统的过程控制站称为控制处理机，包括：网络通信处理机、I/O总线通信处理机、控制处理机。工程师站和操作站：选用SUN公司的64位工作站，支持工业标准通信协议，可以方便和工厂信息网连接。通信系统：通信系统为1：1冗余的高速结点总线，为I/ASeries系统中的各个站之间，提供高速、冗余点到点的通信，具有优异的性能和安全性。系统特点：可靠性和安全性；易维护性；灵活性和可扩展性；长寿命系统结构；西门子SIMATICPCS7系统（典型的工厂自动化系统）系统组成：操作员站、工程师站、过程外部设备（I/O设备）、通信。操作员站：是过程控制系统SIMATICPCS7的人机界面，用于用户过程的窗口。操作员的架构非常灵活，可以适配不同的工厂规定和客户要求。工程师站：SIMATICPCS7工程师站采用优化的相互协同的装置，用于系统范围的工程与组态。过程外部设备（I/O设备）：过程控制系统SIMATICPCS7提供许多连接I/O的可能性，用于通过传感器和执行器采集的输出过程信号通信：采用Profibus的现场通信—在现场级，分布式外部设备，可通过功能强大的实时总线系统与自动化系统进行通信。系统特点：1）基于标准的SIMATIC软件和硬件组件；先进的分布式客户机/服务器架构；2）可伸缩性强，从小型实验室系统，到具有高达60，000个过程对象的大型工厂；3）可用于连续和批处理应用；可用于所有工业领域：过程、制造以及混合工业4）强大的HMI系统，带有集成的基于SQL服务器的归档系统；5）通过现场总线PROFIBUS，现场设备和驱动系统均可很灵活和容易的集成；6）在同一个可编程控制器中可以混合运行标准和故障安全相结合的形式，高可用性和故障安全相结合的形式；可在所有层级实现冗余，提高可用性三、DCS的硬件及通信3.1现场控制单元硬件现场控制站（FCU）：系统最底层，用于实现各种现场物理信号的输入和处理，实现各种实时控制的运算和输出等功能。1、现场控制站的功能有？采集、控制功能；信号的采集、转换功能；控制策略的实现2、现场控制站的可靠性根据是什么？系统元器件；系统的可靠性设计；系统的冗余性措施；系统故障隔离措施；系统迅速排除故障措施3.2过程控制单元硬件1、过程控制单元硬件有哪些组成？是DCS的核心部件，由CPU、RAM、EEPROM、ROM，通信网络，I/O站组成2、功能是什么？过程数据采集；过程控制；设备监测；系统测试与检测；实施安全性和冗余化方面的技术措施。3.3操作员站单元硬件操作员站是联系操作人员和DCS之间的一个人机界面1、操作员站由什么组成？大屏幕显示器（CRT），一台控制计算机，一个操作键盘2、有哪些显示内容？模拟流程和总貌；过程状态；特殊数据记录；趋势显示；统计结果显示；历史数据显示；生产状态显示3、操作人员通过哪几个方面进行控制：a.设定值控制b.单步控制执行器c.连续控制执行器d.子组控制e.部分组控制f方式选择g.预选模块h.单独控制电动机、电磁阀、执行器3.4工程师单元硬件工程师站单元是对DCS进行离线的配置，组态工作和在线的系统配置、组态工作和在线的系统监督、控制、维护的网络结点。系统工程师可以通过工程师站及时调整系统配置及一些系统参数的调整。1、工程师单元的功能有哪些？系统维护功能；系统管理功能；系统组态功能；系统测试功能。3.5通信网络单元硬件通信网络与微机技术相结合，实现过程控制。1、通讯网络传输介质的分类？无线介质：无线电波、微波、蓝牙和红外线。 有线介质：双绞线；同轴电缆；光缆2、通信标准接口有哪些？RS-232C；电流环；IEEE488标准接口；RS-449标准接口3.6网络设备1、按通信参考模型的角度分为几个层次，各采用什么设备，作用是什么？层名设备名称功能物理层中继器通过复制位信号延伸网段长度数据链路层网桥在局域网之间存储或转发数据帧网络层路由器在不同网络之间存储转发分组信号传输层及以上网关进行协议转换，提供更高层次的接口四、DCS的软件及组态组态软件主要完成系统的控制层软件和监控软件的组态功能，安装在工程师站中控制层软件运行在现场控制站上的软件上，主要完成各种控制功能。监控软件运行于操作员站或工程师站上的软件，主要完成操作人员所发出的各个命令的执行、图形和画面的显示、报警信息的显示处理、对现场各类检测数据的集中处理等。4.1组态软件1、组态软件包含哪些内容？组态软件：系统配置组态；数据库组态；控制算法组态；流程显示及操作画面组态；报表组态；编译和下装等4.2DCS的通信网络系统1、DCS通信网络参考ISO/OSI模型将协议分为哪几层？物理层；链路层；网络层；传输层；会话层；表示层；应用层。五、DCS现场总线5.1现场总线概念与技术特色1、什么是现场总线，什么事FCS？现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。它是一种工业数据总线，是自动化领域中底层数据通信网络。以现场总线为核心的工业控制系统称为现场总线控制系统（FieldbusControlSystemFCS）2、现场总线系统的技术特点是什么？1）现场控制设备具有通信功能，便于构成工厂底层控制网络。2）通信标准的公开、一致，使系统具备开放性，设备间具有互可操作性。3）功能块与结构的规范化使相同功能的设备间具有互换性。4）控制功能下放到现场，使控制系统结构具备高度的分散性。3、现场总线有什么优点？1）节省硬件数量与投资2）节省安装费用3）节省维护开销4）用户具有高度的系统集成主动权5.2现场总线发展现状一是寻求统一的现场总线国际标准；二是IndustrialEthernet走向工业控制网络六、常用现场总线的应用总线名称总线特点控制层现场总线ControlNet面向控制层的实时性现场总线网络，在同一物理层介质上提供时间I/O数据和报文数据，包括程序的上传/下载设备现场总线Devic