DCS及现场总线技术

*1DCS及现场总线DCS——DistributedControlSystemFCS——FieldbusControlSystem*2个人简介魏立新副教授电院自动化系教师联系电话箱：wlx2000@本课的四大特点1、先进性：DCS—最流行的工业控制系统

FCS—最前沿的全数字工控网络系统*32、综合性：集散型计算机控制系统（4C技术结合的产物)现场总线控制系统(工业控制网络)3、实用性：此课从事本专业工作联系极为紧密的专业课。4、实践性：本课不仅是专业理论知识，还是工程应用技术；更是一种多学科交叉形成的先进工业控制技术。DCS及现场总线的学习方法DCS&FCS是当今工业过程控制的主流系统，这门技术发展和更新极快.本课程内容吸收近几年DCS有关研究和教学经验，力求内容系统性和实用性。通过学习应了解DCS及现场总线的概念、特点、结构、原理和发展状况；熟悉其基本功能特性、使用方法和设计方法；*4本课程涵盖多门技术的相关内容*5本课程涵盖多门技术的相关内容计算机技术（DCS硬件构成、软件平台的应用等）自动控制技术（实现DCS控制策略及算法的技术方法）人机接口技术（DCS组态技术和操作技术等）通信技术（DCS数据通信技术、网络技术等）现场总线技术（现场总线的核心、基础、协议模型及典型的FCS技术）*6本课程与的相关课程的关系*7微机原理自动控制理论控制工程测控仪表与装置DCS及现场总线*81、理论教学第一章

概述

4学时内容：计算机控制系统概念、各类特点及应用重点：实时、分时等概念，集散控制总体概念难点：集散控制概念

第二章

DCS的硬件体系及系统

4学时内容：DCS构成方式、要素及功能;典型范例重点：DCS结构体系及各层功能难点：DCS结构体系教学内容、要求及学时分配*2011-2012（2）9第三章

DCS的软件体系及功能

2学时内容：DCS软件体系——控制、监控和组态软件重点：DCS可靠性和可组态性难点：组态概念

第四章DCS的控制算法及组态

4学时内容：PID控制、改进PID控制、前馈控制、串级控制时滞补偿控制、顺序控制算法及DCS实现重点：改进PID控制、前馈控制、时滞补偿控制难点：控制算法——组态——DCS控制功能教学内容、要求及学时分配*10第五章DCS数据通信及网络

4学时内容：数据通信概念及技术、DCS网络标准和协议重点：DCS通信相关技术、网络协议及功能难点：网络体系结构第六章现场总线技术基础

4学时内容：FCS的定义、特点、网络协议模式等重点：FCS的定义、特点难点：FCS的网络协议模式和标准教学内容、要求及学时分配教学内容、要求及学时分配第七章典型的现场总线应用2学时内容：FF的特点及主要技术应用；重点：不同FCS的应用特点及区别难点：FCS的应用技术方法*11*12考核权值分配平时成绩（课堂考勤、测验、作业等）占10%期末考试占90%教材及参考书(一)教材：《DCS及现场总线技术》肖军主编

——清华大学出版社（21世纪高等院校电气信息类系列特色教材）(二)参考书：《集散控制与现场总线》刘国海主编

——机械工业出版社（21世纪高等院校电气信息类系列教材）

《集散控制系统》刘翠玲主编

——北京大学出版社（21世纪高等院校自动化系实用规划教材）提示：学习中保持清醒而智慧的头脑比掌握知识本身更为重要。养成独立思考、探索新思想、新技术的好习惯，将会受益一生。

*13第一章绪论1.1计算机控制系统基本概念1.2计算机控制系统分类1.3集散控制系统基本概念1.4现场总线控制系统总体概念1.5DCS、FCS及PLC的差异*141.1计算机控制系统计算机控制系统的概述计算机控制系统的信号特点计算机控制系统的组成计算机控制系统的分类*151、计算机控制系统概述常规控制系统的工作原理*16模拟调节器执行机构被控对象测量变送器设定值reu被调参数y图a

单回路常规控制系统示意图ym1、计算机控制系统概述计算机控制系统的工作原理*17u计算机保持器广义对象测量变送器e(kT)u(kT)被调参数y图b

单回路计算机控制系统示意图ym采样器A/DD/A计算机系统设定值r2、信号特点计算机控制系统的信号形式连续模拟信号:时间与幅值上均连续，如y(t)、u(t)离散模拟信号:时间是离散的，幅值上连续，如y*(t)、u*(t)离散数字信号:时间离散的，幅值为数字量，如y(kT)、u(kT)*18采样器

A/D计算机

A/D保持器y(t)y*(t)

y(kT)

u(kT)

u*(kT)

u(t)2、信号特点计算机控制系统中的量化将离散模拟信号用二进制代码逼近为数字信号的过程（如采样值y*(t)量化为y(kT)的过程）量化单位qq=M/2n，M为被转换的模拟量电信号满量程，

n为A/D的转换位数量化误差

e=±q/2*19计算机控制系统的采样过程*20y(t)t采样器y(t)y*(t)y*(t)2T4Ttτ原始过程信号信号通过采样器采样后的信号过程信号采样过程示意图计算机控制系统的采样的合理性采样器接通时间τ远小于采样周期T采样信号y*(t)复现原信号在采样瞬间的值y(t)A/D转换后，y*(t)y(kT),k=1，2，……采样周期T须满足香农定理当满足上述条件时，y*(t)与y(kT)只相差量化误差*212、信号特点*22

设δ(t-kT)是t=kT时刻的理想采样脉冲，则采样周期T的选择相当重要。因为y*(t)只与y(t)在脉冲出现瞬间的值y(kT)有关，故采样信号可用下式表示：2、信号特点信号的保持目的：将离散采样信号恢复为被控对象能够感知的连续模拟信号方法：采用保持器——由现在或过去时刻的采样值,用某种函数去逼近2个采样时刻间的原信号常用的保持器：零阶、一阶*23

2、信号特点零阶保持器恢复信号的示意图*24

6T

4T

2Tt

y采样信号y(kT)原信号y(t)恢复信号yh(t)零阶保持器算式yh(kT+t)=y(kT)0≤t＜T,k=0,±1,±2,…由于它只是简单地外推，故只有当T足够小时，零阶保持器才能较好地恢复原信号。显然：要改变控制策略及算法，只要改变计算机的程序就可以（软）实现相应功能。*25计算机控制系统工作过程(1)实时数据采集:检测被控量的瞬时值，将采样结果输到计算机中。(2)实时决策:给定值与被控量的数值处理后，按照预定的控制规律进行控制运算——实时决策。(3)实时控制:将实时决策结果转化为控制信号适时地送给执行装置——实现过程控制。(4)信息管理:随着网络技术和控制策略的发展，信息共享及管理在控制系统得到了充分的应用。*26上述测、算、控、管的过程不断重复，使系统按一定的动态(过渡过程)指标进行工作。并同时可对被控制量和设备本身所出现的异常状态及时进行监督并迅速做出处理——计算机控制系统最基本的功能。实时控制——指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间(采样\控制间隔)内完成。分时控制——因计算机运算处理速度远高控制回路的速度要求，故可使计算机依次的完成多个通道（回路）的实时控制。*273、计算机控制系统的组成及作用计算机硬件设备——指微机本身及其外围设备，是计算机控制系统的基础；计算机控制软件——指管理计算机的程序以及过程控制的应用程序，是计算机控制系统的灵魂；计算机通信网络——指各数据采集节点和控制单元之间的通信设备及网络，是进行系统数据信息交换的通道。*283、计算机控制系统的组成作用计算机控制系统的组成示意图*29

软件部分计算机控制系统

硬件部分控制计算机主机、外设、系统总线生产过程输入输出通道人—机联系设备、通信设备

现场仪表（测量传感器、执行机构等）

操作系统汇编或高级语言、过程控制语言通信网络软件、诊断程序等

系统软件

应用软件

过程输入/输出程序、过程控制程序人机接口程序、打印显示程序各种公共子程序历史数据库、实时数据库计算机控制系统各部分功能

——由主机、接口电路及外围设备组成。不同的系统，所需硬件也不同，一般可根据控制系统的需要进行扩展。具有各种功能的插件板或功能模块，可用标准总线连接起来，如PC总线构成的各种工业控制计算机、PLC、DCS等。

*301.硬件由CPU和存储器构成，是整个控制系统的指挥部。它自动地对过程输入通道发送来的工业参数进行巡回检测，按照人们预先安排的程序，进行信息处理、分析和计算，并作出相应的控制决策，通过输出通道及时发出有关的控制命令。*311)计算机主机2)接口与输入/输出通道计算机和生产过程之间设置信息的传递和交换的连接通道———输入/输出通道，(过程通道)过程通道一般可分为模拟量输入通道（A/D）、模拟量输出通道(D/A)、开关量输入通道和开关量输出通道等。

过程通道是不能直接由主机控制的，必须由“接口”来传送相应的信息和命令。*323)通用外围设备通用外围设备主要是为了扩大主机的功能而设置的，通用外围设备可分为输入设备、输出设备和存储设备，并根据控制系统的规模和要求来配置。*334)检测及执行机构工业过程参数一般是非电物理量，必须经过传感器变换为等效的电信号。因此，检测元件精度的高低直接影响微机控制系统的精度。为了控制生产过程，还需要有执行机构。常用的执行机构有电动、液动和气动等形式。另有动力电机和控制电机等。*345)操作台操作台是人机对话（接口）的联系纽带。程序员使用该人机设备(运行操作台)来输入、修改和检查程序。生产过程的操作人员必须了解控制台的使用细节，否则会引起严重后果。*352.软件软件——各种功能程序的总和——操作系统、监控程序、管理程序、控制程序、计算和自诊断程序等。软件是微机系统的神经中枢，整个系统的动作都是在软件指挥下协调工作的。软件质量关系到计算机运行和控制效果的好坏，及硬件功能是否能够充分发挥和推广应用。软件通常分两类：系统软件应用软件和数据库。

*363.计算机控制系统网络

网络技术在计算机控制系统中的比重越来越大。计算机控制系统的网络结构一般分为两大类：对等式网络结构Peertopeer；客户机/服务器结构Client/Server。自动化领域的计算机局域网——现场总线技术*37计算机控制的优点(1)消除模拟调节器难以克服的缺点:漂移问题，参数整定范围窄，比例、积分和微分系数不能单独调整，(2)可在整个控制范围内实行多参数调节。(3)当信号噪声大时，数字低通滤波器与模拟滤波器相配合，对高频的脉冲噪声有较好的滤波效果，特别是数字滤波可抑制甚低频的周期干扰。

*38(4)使用灵活，便于实现特殊的控制规律，如修改部分程序就能改变调节规律，而无需改变硬件设备，计算机控制系统可以在线改变控制方案。因而可以在不增加硬件设备的情况下逐步提高控制水平。(5)具有增加控制回路而不会显著地增加费用的特点，还可实现打印、制表、报警、显示等附加功能。*39强调计算机控制系统是以分时方式对控制对象进行控制的，它以定时采样和阶段控制来代替常规调节装置的连续检测和连续控制。

*40第二节计算机控制系统分类

*41检测及变送控制对象执行机构多路开关接口外部通道变送器接口接口接口接口A/DD/A反多路开关开关量输入开关量输出传感器主机及操作台通用外部设备显示终端磁盘驱动器打印机软件微型计算机生产对象操作台实时时钟基本计算机控制系统结构示意图按照系统的功能分类——计算机巡回检测和操作指导系统计算机直接数字控制系统计算机监督控制系统计算机集散控制系统现场总线控制系统工业过程计算机集成制造系统（流程CIMS）*421、数据采集和监视系统

——主要对过程参数进行定时巡回检测、数据记录、数据计算、数据统计和处理、参数的越限报警以及对数据进行积累和实时分析。计算机不直接参与生产过程的控制。代替大量的常规显示和记录仪表，对整个生产过程进行集中监视。*43数据采集系统（DataAcquisitionSystem，DAS）*44

数据采集系统示意图

……数

字计算机CRT打印机报警过程输入通道

测量变送

测量变送被控生产过程执行机构

人……2、直接数字控制系统（DirectDigitalControl)

DDC系统中用一台微机对多个被控参数进行巡回检测，再根据规定的控制规律、进行控制运算，并输出到执行机构对生产过程进行控制。DDC系统中，计算机不仅完全取代模拟调节器，实现多回路的PID调节，而且不改变硬件，只通过改变软件就可以实现较复杂的控制算法。*45*46图DDC系统框图直接数字控制(DDC)计算机CRT打印机报警操作台过程输入通道

测量变送

测量变送被控生产过程过程输出通道

执行机构

执行机构…………3、微机监督控制系统(SupervisoryComputerControl）两级控制第1级用DDC计算机或调节器，完成直接控制；第2级用SCC计算机根据工艺信息和其他参数——即按照一定算法进行优化计算，自动地改变DDC系统的给定值，从而使生产过程始终处于最优工况(最低消耗、最低成本、最高产量等)。又称给定值控制SPC(SetPointComputerControl)。SCC系统不仅可以进行给定值控制，同时还可以进行顺序控制、最优控制以及自适应控制等。*47监督控制系统结构示意图*48监督控制计算机(SCC)CRT打印机报警DDC计算机或调节器输入通道

输出通道被控生产过程操作台输入通道*494.集散型计算机控制系统（DCS）

监控计算机CRT操作站现场控制站现场控制站

被控对象被控对象……….…高速数据通道….….集散控制系统（DCS）组成框图DCS采用分散控制和集中管理的控制理念与网络化的控制结构，灵活地将控制设备、服务器、基础自动化单元等联系在一起。按功能分散、危险分散、管理集中和应用灵活等原则进行设计，具有高可靠性能，便于维修与更新。它以系统最优化为目标，以计算机为核心并与数据通信技术、控制技术、显示技术、人机接口技术、I/O接口等技术相结合——用于过程控制和生产管理的工控主流控制系统。*50传统DCS系统结构*51*525、现场总线控制系统（FCS）现场总线——连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向传输、多分支结构的通信网络。FCS的基本结构*53FCS用现场总线把具有输入、输出、运算、控制和通信功能的现场总线数字仪表（如传感器、变送器、执行器）等集成一体，构成现场网络自动化系统，实现了生产过程的信息集成。*54

ASASEthernet,TCP/IP监控计算机显示操作站现场总线网间连接器H2或高速Ethernet

现场总线桥低速现场总线(H1)小型PLC过程控制生产制造装置级网络6、流程计算机集成制造系统流程计算机集成制造系统（ComputerIntegratedManufacturingSystems）——流程CIMS

通过计算机硬、软件的综合运用，利用现代管理技术、制造技术、信息技术、自动化技术、系统工程技术，将企业生产过程中的人员、技术、经营管理三要素及其信息与物流有机集成，并实现优化运行的复杂大系统。

CIMS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。*55*56

流程计算机集成制造系统

经营决策企业管理生产调度过程优化过程控制第五层：企业决策，生产规划第四层：供销,财务,计划,管理等第三层：生产调度，系统优化第二层：先进控制，过程优化第一层：单元自动化,简单控制生产过程

流程CIMS的递阶控制示意图*57流程CIMS是工程大系统，它所要解决的不是局部优化问题，而是工厂、公司乃至一个区域的总目标或总任务的最优化问题。最优化的目标函数包括产量最高、质量最好、原料和能耗最小、成本最低、可靠性最高、环境污染最小等指标，它反映了技术、经济、环境等多方面的综合性要求。流程CIMS的理论基础是大系统理论。*58*592.按照控制规律对计算机控制系统分类1)程序控制和顺序控制

程序控制是控制被控量按照预先规定的时间函数变化，被控制量是时间的函数，如加热炉的温度控制。顺序控制则可以看作是程序控制的扩展，在各个时期所给出的设定值可以是不同的物理量，而且每次设定值的给出，不仅取决于时间，还取决于对以前的控制结果的逻辑判断。*602)PID控制调节器的输出是调节器输入的比例、积分、微分的函数。PID控制结构简单，参数容易调整,因此一直是应用最广、最为成熟的技术。

3)有限拍控制有限拍控制的性能指标是调节时间最短，要求设计的系统在尽可能短的时间里完成调节过程。有限拍控制通常在数字随动系统中应用。*614)复杂规律的控制控制系统性能指标不单是过渡过程的品质，而且包括能耗最小、产量最高、质量最好等综合性指标。对于存在随机扰动、纯滞后对象以及多变量耦合的系统，仅用PID控制是难以达到满意的性能指标的，因此，针对实际情况采用各种复杂规律的控制——串级控制，前馈控制，纯滞后补偿控制，多变量解耦控制以及最优、自适应、自学习控制等。*625）智能控制智能控制理论是把先进的方法学理论与解决当前技术问题所需要的系统理论结合起来的学科。智能控制理论可以看作是三个主要理论领域的交叉或汇合:人工智能、运筹学和控制理论。智能控制系统实质上是一个大系统——综合的自动化系统。模糊控制、神经网络、遗传算法、专家系统等均可称智能控制*631.2DCS总体概念及特点它是综合了4C技术的控制系统。设计原则及主要特点：危险、控制分散操作、管理集中分级管理、分而自治集散控制系统具有技术先进、功能完备、应用灵活、操作方便、运行可靠等多方面显著特点，为计算机控制开创了一个崭新的应用领域，并得到了广泛的应用。*64初期DCS产生的基本思路：1）分散控制：分解集中控制——多个专门的过程分散控制装置（FCS）2）集中操作：保持操作习惯——良好的人/机操作界面(操作站)数据通信：建立操作站过程分散控制装置的数据联系

*65*66*67日本横河电机*68

DCS的特点1分级递阶控制:双向分级、各自分工、相互协调纵向：上下可分2-5级（过程控制级、操作管理级等）

横向：可分多级（根据控制规模和控制方案确定）2分散控制:控制分散、人员分散、地域分散、功能分散、设备分散、操作分散——目的：危险分散。

设备的冗余设置——提高系统的可靠性。3自治和协调性——DCS的形成的基础

系统分散的基础：被分散的系统是自治的系统。

递阶分级的基础：被分级的系统是相互协调的。广义的集散内涵：控制分散、通讯分散、数据库分散、供电分散、负荷分散等数据及通讯管理集中、控制目标集中、显示操作的集中等*69集散控制系统从其本质和内部机理上讲——

它是以微处理机为核心的计算机控制系统；从其外部构成方式和应用角度上讲——

它类似于单元组合式仪表控制系统。因而，系统的组态及扩展都十分容易。*70集散系统在功能上真正实现了

————

管理集中和控制分散既实现了操作、管理和监视的纵向分级集中，又实现了控制、危险的横向分散，从根本上提高了系统的可靠性。DCS系统是目前公认的最理想的工业控制系统之一，在国内外冶金、电力、石油、化工、建筑等工业生产中得到了广泛的应用。*71DCS的特点——独立性协调性友好性适应性、灵活性和可扩充性实时性可靠性*72DCS的发展历程第一代DCS——开创期(1975年~1980年)DCS的组成现场控制站现场监测站CRT操作站数据高速公路监控计算机*73CRT操作站

监控计算机

数据高速公路HW现场监测站

现场控制站第一代DCS基本结构

……

……第二代DCS——成长期(1980年~1985年)以局部网络LAN为主干其它各单元都是挂在它上面的网络节点工作站主要组成部分局部网络多功能现场控制站增强型操作站通用型操作站网关系统管理模块主计算机*74局部网络LAN其它网络DHW网关多功能控制器网关……系统管理模块通用操作站主计算机增强型操作站……DCS的扩展期（1985年以后）特点：1、DCS向综合化、开放化发展2、大型DCS进一步完善的同时，发展小型集散控制系统3、采用人工智能技术*75MAP——ManufactureAutomationProtocol

传统DCS的局限测量变送和执行机构仍是基于模拟仪表不同厂商的产品互不兼容，互操作性差传统DCS的编程计算工具仍显简单与上位机的接口硬件和规约各不相同*76

PLC发展对DCS的影响可编程逻辑控制器（PLC）简介PLC最初功能PLC的编程PLC的改进与发展采用数据高速通道DH增加模拟量信号的处理功能网络化，实现系统集成*77DCS体系的发展FCS与DCSFCS可能会取代DCS，但相当长时间内将共存DCS的开放性与FCS初步兼容、异质兼容和同质兼容DCS发展：上融合Internet技术（互联网）中采用Intranet技术（企业信息网）底采用Infranet技术（控制网）三网融合——无缝集成——综合自动化*78集散控制系统的展望(1)操作性能进一步提高，操作、管理、组态