分布式控制系统概论

1.分布式控制系统概论1.1分布式控制系统的产生和发展1.2分布式控制系统的结构1.3分布式控制系统的特点1.4分布式控制系统的体系结构和分散方式1.5分布式控制系统的展望计算机控制（系统）的分类控制算法：逻辑控制、数值控制和混合控制控制方式：开环控制、闭环控制和监督控制控制对象：连续过程、离散过程和以批次为基础的过程系统结构：（1）集中控制系统（CentralizedControlSystem，CCS）（2）分散控制系统（DecentralizedControlSystem，DCS）

（3）分布式控制系统（DistributedControlSystem，DCS）控制规律：顺序控制、常规控制（如PID控制）、高级控制（或称先进控制：如最优控制、自适应控制、预测控制等）控制功能：（1）操作指导控制系统（2）直接数字控制系统（DDC）（3）计算机监督控制系统（SCC）（4）分布式控制系统（DCS）（5）计算机集成控制系统（6）现场总线控制系统（FCS）集中控制系统控制计算机基本控制过程1基本控制过程2基本控制过程3基本控制过程4基本控制过程5集中控制系统的概念单机系统，用一台计算机对多个对象或设备进行集中管理和集中控制，有时称为“群控”。

分散控制系统多机系统，多台计算机分别控制不同的对象或设备，各自构成子系统，各子系统间有通信或网络互联的关系。从整个系统来说，在功能上、逻辑关系上、物理上以及地理位置上都是分散的。以计算机网络为组成核心的控制系统都是分散式系统。

分布式控制系统以满足现代化工业生产和日益复杂的控制对象的要求为前提，从生产综合自动化的角度出发，将微处理器作为核心的集中分散控制系统。它是利用控制技术（Control）、计算机技术（Computer）、通信技术（Communication）和阴极射线管（CRT）显示技术——4C技术，对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的新型控制系统。又称集散控制系统（TotalDistributedControlSystem，TDCS）

。主要特点：集中管理、分散控制。

比较分散控制系统和分布控制系统结构相似：分层、子系统、联系不同：（1）采用的技术不同；（2）各子系统有密切联系和信息交换，系统对各子系统的总体目标和任务进行协调和分配。分布控制系统也是多机系统，严格地说是分散控制系统的一种。分布控制系统典型结构1.1分布式控制系统的产生和发展现代化工业飞速发展，工业生产过程的控制规模不断扩大，复杂程度不断提高，工艺过程不断强化，对过程控制和生产管理系统提出越来越高的要求。劳动力密集型→设备密集型→信息密集型→知识密集型。以计算机为基础构成控制、管理、决策系统

分布式控制系统是继直接作用式气动仪表、气动单元组合仪表、电动单元组合仪表和组件组装式仪表之后的新一代控制系统。1.1分布式控制系统的产生和发展1.1.1分布式控制系统的产生按照年代讲解分布式控制系统的产生在概念上注意：（1）理解“分散→集中→分散”的发展过程（螺旋上升式发展进程）（2）其中穿插系统控制功能方面的分类过程控制系统的发展史1.30年代初期：分散控制方式直接作用式气动控制器；控制装置安装在被控过程附近，每个回路有单独控制器；运行人员分布在全厂各处；适用于规模不太大、工艺过程不太复杂的企业。典型的连续控制闭环控制系统框图返回本章目录2.30年代末期：集中控制中央控制室，信息远距离传输问题；变送器、执行器和控制器分离：变送器、执行器安装在现场，控制器在中央控制室；优点：运行人员可获得整个的生产信息，便于协调控制；注意：控制仪表和运行人员在地理上的集中，控制器分别完成各控制任务，故障影响不大——运行管理的集中，仍然分散控制；采用气动单元组合仪表、电动单元组合仪表和组件组装式仪表。过程控制系统的发展史过程控制系统的发展史过程控制系统的发展史3.50年代末60年代初：集中控制方式50年代末，计算机进入过程控制领域，按照计算机的功能分为以下几个阶段：（1）操作指导控制系统（2）直接数字控制系统（DDC）（3）计算机监督控制系统（SCC）（4）分布式控制系统（DCS）（5）计算机集成控制系统（6）现场总线控制系统（FCS）（1）操作指导控制系统

定义：计算机的输出不直接控制生产对象，只对系统过程参数进行收集、加工处理，然后输出数据；操作人员根据这些数据进行设定值的改变或必要的操作。操作指导控制系统原理图返回本节计算机控制系统基本框图把前面图中的控制器用数字调节器来代替，就可以构成微型计算机控制系统（2）直接数字控制系统（DDC）定义：DDC(DirectDigitalControl)控制是用一台微型机对多个被测参数进行巡回检测，检测结果与设定值比较，在按照PID规律或直接数字控制运算进行控制运算，然后输出到执行机构，对生产过程进行控制，使被控参数稳定在给定值上。DDC数字控制系统原理图返回本节60年代初，计算机用于生产过程直接数字控制，造价高，一台计算机控制全厂的生产过程，整个系统控制任务的集中。特点：控制集中、管理集中缺点：受硬件水平限制，计算机可靠性低，一旦发生故障，全厂生产瘫痪。4.70年代:分布控制方式分析集中控制的失败，提出了分布式控制系统的概念；把控制功能分散在不同的计算机中完成，采用通信技术实现各部分之间的联系和协调特点：控制分散、管理集中过程控制系统的发展史分布式控制系统以满足现代化工业生产和日益复杂的控制对象的要求为前提，从生产综合自动化的角度出发，将微处理器作为核心的集中分散控制系统。它是利用控制技术（Control）、计算机技术（Computer）、通信技术（Communication）和阴极射线管（CRT）显示技术——4C技术，对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的新型控制系统。又称集散控制系统（TotalDistributedControlSystem，TDCS）

。主要特点：集中管理、分散控制。

总结：控制系统的发展历史(循环)1.30年代初期：分散控制→(控制分散、管理分散)2.30年代末期：集中控制→(控制分散、管理集中)3.50年代末60年代初：集中控制→(控制集中、控制集中)

4.70年代:分布控制(控制分散、管理集中)今天的分布控制系统已经不是过去的模拟控制系统，而是计算机技术的数字控制系统；今天的集中手段不仅依靠指示仪表、记录仪表和操作开关，而是采用先进的CRT显示设备、打印机和键盘。1.1.2分布式控制系统的发展

（四个历史阶段）1.第一阶段（初创期）（1975—1980年）DCS的雏形，三大组成部分：过程控制装置、操作管理装置和数据通信系统；基本特点：集中管理、分散控制；融入4C技术，数据通信系统为初级局域网。分布控制系统是1975年首先由美国霍尼威尔（Honeywell）公司推出第一代典型产品（公司）：

Honeywell公司的TDC2000Foxboro公司的SPECTRUM

横河公司的CENTEM

西门子(Siemens)公司的TELEPERMM2.第二阶段（成熟期）（1980—1985年）系统硬件和软件技术的不断更新，系统功能得到扩大或增强；操作管理及监督范围的扩大，提高了综合管理信息的能力；显示屏分辨率及色彩的提高；多个处理器技术和冗余技术应用发展。特别是在数据通信方面采用了局域网。第二代典型产品（公司）：

Honeywell公司的TDC3000

西屋公司的WDPFABB公司的MASTER3.第三阶段（扩展期）（1985年以后）主要特征：开放系统系统的通信功能增强，通信标准符合国际标准组织的ISO的OSI开放系统互连的参考模型，各不同制造厂家的产品可以进行数据通信，克服了第二代集散控制系统在应用过程中出现的“自动化孤岛”等困难。此外，系统的软件和控制功能也有所增强。美国Foxboro公司在1987年推出的I/AS系统标志着集散控制系统进入了第三代其他代表产品:Honeywell公司的带有UCD网的TDC3000

横河公司带有SV-NET网的CENTUM-XL4.第四阶段（网络开放期）（1990年以后）管控一体化，硬件上采用了开放式的工作站，使用RISC代替CISC，采用了客户机/服务器的结构；开放性、可操作性、互相联系、共享资源及运行第三方软件等已成为各制造厂家生产分布式控制系统的标准；在软件上则采用UNIX系统和X-Windows的图形界面，系统的软件更丰富;计算机集成制造(CIMS)系统得到了应用。第四代代表产品：

Honeywell公司的TPS控制系统横河公司的CENTUM-CSFoxboro公司的I/AS50/51控制系统

ABB公司Advant系列OCS开放控制系统1.2分布式控制系统的结构自下而上四个不同的层次（对应四层计算机网络）:现场级：现场网络Fnet(FieldNetwork)控制级：控制网络Cnet(ConuolNetwork)监控级：监控网络Snet(SuperVisionNetwork)管理级：管理网络Mnet(ManagementNetwork)分布控制系统典型结构1.现场级：现场级设备：传感器、变送器和执行器现场级的信息传递方式：（1）传统的4～20mA模拟量传输方式（2）现场总线的全数字量传输方式（3）在4～20mA模拟量信号上，叠加上调制后的数字量信号的混合传输方式现场信息传递方式发展方向：以现场总线为基础的全数字传输2.

控制级：过程控制站和数据采集站（1）过程控制站接收由现场设备（如传感器、变送器）来的信号，按照一定的控制策略计算出所需的控制量，并送回到现场的执行器中去。可同时完成连续控制、顺序控制或逻辑控制功能。

（2）数据采集站接收由现场设备送来的信号，并进行一些必要的转换和处理之后送到分布式控制系统中的其他部分，如监控级设备。数据采集站接收大量的过程信息，并通过监控级设备传递给运行人员。不直接完成控制功能，这是它与过程控制站的主要区别。

3.监控级主要设备：运行员操作站、工程师工作站和计算站。运行员操作站安装在中央控制室工程师工作站和计算站一般安装在电子设备室

(1)运行员操作站运行员与分布式控制系统交换信息的人机接口。运行员操作站组成：一台具有较强图形处理功能的微型机，以及相应的外部设备，一般配有CRT显示器、大屏幕显示装置(选件)、打印机、拷贝机、键盘、鼠标或球标。

运行人员通过运行员操作站来监视和控制整个生产过程(运行人员可以在运行员操作站上观察生产过程的运行情况，读出每一个过程变量的数值和状态，判断每个控制回路是否工作正常，并且可以随时进行手动/自动控制方式的切换，修改给定值，调整控制量，操作现场设备,以实现对生产过程的干预。另外还可以打印各种报表，拷贝屏幕上的画面和曲线等)（2）工程师工作站为控制工程师对分散控制系统进行配置、组态、调试、维护所设置的工作站。对各种设计文件进行归类和管理，形成各种设计文件，例如，各种图纸、表格等。工程师工作站组成：由PC机配置一定数量的外部设备所组成，如打印机、绘图机等。

（3）计算站对生产过程进行监督控制，例如机组运行优化和性能计算，先进控制策略的实现等。(由于计算站的主要功能是完成复杂的数据处理和运算功能，因此，对它的要求主要是运算能力和运算速度。)组成：超级微型机或小型机

4.管理级厂级管理计算机,或是若干个机组的管理计算机。使用者是厂长、经理、总工程师、值长等行政管理或运行管理人员。主要任务：监测企业各部分的运行情况，利用历史数据和实时数据预测可能发生的各种情况，从企业全局利益出发辅助企业管理人员进行决策，帮助企业实现其规划目标。管理级属于厂级，可分成实时监控和日常管理两部分。实时监控是全厂各机组和公用辅助工艺系统的运行管理层，承担全厂性能监视、运行优化、全厂负荷分配和日常运行管理等任务，主要为值长服务。日常管理承担全厂的管理决策、计划管理、行政管理等任务，主要是为厂长和各管理部门服务。

对管理计算机的要求：能够对控制系统做出高速反应的实时操作系统。大量数据的高速处理与存储，能够连续运行可冗余的高可靠性系统，能够长期保存生产数据，并且具有优良的、高性能的、方便的人机接口，丰富的数据库管理软件，过程数据收集软件，人机接口软件以及生产管理系统生成等工具软件，实现整个工厂的网络化和计算机的集成化。1.3分布式控制系统的特点1.适应性和扩展性2.控制能力3.人机联系手段4.可靠性高5.可维修性6.安装费用1.适应性和扩展性分布式控制系统在结构上采用了常规系统的模块化设计方法。硬件、软件都可根据需要灵活组合，以适应生产规模的大小。随生产过程的发展，扩充硬件和软件。特征：递进性和整体性。2.控制能力控制功能由软件来实现，具有高度的灵活性和完善的控制能力。实现常规算法、复杂的优化控制算法、逻辑推理和逻辑判断。保持数字控制的全部优点，解决了集中控制可靠性低的问题。3.人机联系手段人机联系信息流向：“人→过程”联系和“过程→人”联系更先进的人机联系手段：CRT图形显示和键盘操作“过程→人”：信息直接显示在CRT屏幕“人→过程”：通过键盘输入各种操作指令人机联系手段双向集中：一致性，防止误操作常规控制系统的人机联系“人→过程”：操作器、定值器、开关、按钮；运行人员通过这些设备调整和控制生产过程。“过程→人”：各种显示仪表、记录仪表、报警装置、信号等等设备；运行人员通过它们了解生产过程的运行情况。人机联系设备安装在控制盘或操作台上，迅速准确地找到需要操作和监视的对象比较困难，容易出错。4.可靠性高（1）器件高度集成，可靠性高；模块化结构，每个过程控制站只控制少数几路控制回路，个别回路或单元故障不影响全局。（2）在电源、通信、过程控制站等处广泛采用冗余技术，为可靠性创造条件。（3）软件模块化组态方法形成各种控制方案，取消常规系统中模件之间的连线，减少故障。5.可维修性可维修性：系统部件发生故障后对其进行维修的难易程度。常规系统可维修性差：部件种类繁多、稳定性较差、缺少必要自诊断功能。集中式计算机控制系统可维修性要好些：但系统庞大、关联密切的硬、软件系统需要较高技术水平的维修人员。分布控制系统的可维修性有明显优势：少数集中统一设计的标准模件，硬件简单；控制任务由多个处理器分别完成，只担负少量控制任务，分散故障风险；采用较完善的在线诊断技术，故障定位准确；通过各种人机接口设备，运行员和工程师迅速发现系统故障的性质和地点。6.安装费用安装费用：电缆、导线的安装敷设费用和控制室、电子设备室的建筑费用。常规控制系统安装费用比较高：由变送器、传感器和执行器到控制系统机柜之间需要很长的电缆；各种模件之间通过导线连接组成不同的控制方案；各种机柜和控制盘、台占相当大的建筑空间。分布式控制系统安装费用少：控制方案主要靠软件功能块实现；过程控制站分散在被控过程附近，大大减少变送器、传感器和执行器到控制系统机柜之间的连接电缆，减少中央控制室的占地面积。工作量：30%-50%；控制室面积：60%1.4分布式控制系统的分散方式和体系结构分布式控制系统的分散方式包含功能分散、物理分散和地理分散三个不同的概念体系结构：分级递阶控制结构信息结构：自下向上逐渐集中，自上而下逐渐分散1.4.1分布式控制系统的分散方式1.功能分散：一个大系统的控制功能要分解为一些基本的控制功能。具有人机接口功能的集中操作站和具有过程接口功能的过程控制装置的分散；过程装置中控制功能的分散；按装置或设备的功能以及全局控制和个别控制之间的分散2.物理分散：整个系统所完成的控制功能由许多不同的物理实体分散地实现。两种分散形式：（1）层次分散型（两层或多层）：上层实现较高级的控制功能，下层实现基本控制功能。（2）水平分层型：各控制器在硬件结构上处于平等地位。层次分散与水平分散示意图层次型分散系统的特点硬件结构与系统的功能分散相适应，每部分具有比较强的自治性：在上层控制器失效的情况下，下层控制器可维持基本控制功能。合理地进行功能分配，使每个控制器的工作负荷比较均匀，降低对硬件指标的要求。系统结构中的信息是多层次的，直接与控制有关的信息在低层总线上高速传输，监视和管理信息通过高层通信网络传输，通信系统信息流分配合理，不会造成通信网络的信息拥堵。水平型分散系统的特点硬件结构清晰，控制器的统一，便于维护和备份。对通信系统的速度和容量要求较高，但通信系统的结构比层次型分散系统要简单一些。3.地理分散：分布式控制系统的安装布置方式：地理集中式：把所有的基本控制单元集中在中央控制室或附近的电子设计室内；地理分散式：把基本控制单元安装在被控生产过程的附近，即在整个厂房内分散布置。1.4.2分布式控制系统的体系结构体系结构：分级递阶控制结构分布式控制系统在水平和垂直方向都是分级（层、块）的。水平分级：各过程控制级之间是互相协调的分级，它们把数据向上送达操作管理级，同时接受操作管理级的指令，各水平分级之间也进行数据交换；垂直分级：是指功能方面不同的分级，至少有两个分级，即操作管理级和过程控制级。信息结构：自下向上逐渐集中，自上而下逐渐分散。1.5分布式控制系统的展望分布式控制系统将向两个方向发展：一个方向是向上发展：向CIMS计算机集成制造系统、CIPS计算机集成过程系统发展；另一个方向是向下发展：向FCS（FieldbusControlSystem）现场总线控制系统发展。1．CIMS的概念及由来

CIMS即计算机集成制造系统，是基于1973年美国JosephHarrington博士在其博士论文《ComputerIntegratedManufacturing》中首次提出的CIM（ComputerIntegratedManufacturing——计算机集成制造）的概念而构成的一种现代制造系统。Harrington博士提出的CIM概念包括两各基本观点：企业生产的各个环节，即从市场分析、产品设计、加工制造、经营管理到售后服务的全部生产活动，彼此是紧密联系的，是一个不可分割的整体，应该在企业整体框架下统一考虑各环节的生产活动；整个生产过程实质上是一个数据采集、传递和加工处理的过程，最终形成的产品可以看作是“数据”的物质表现。应该说，这一概念具有很强的超前意识，正确地指出了在未来的计算机时代企业运行管理的最佳模式。

CIMS：以计算机系统为基础，综合生产过程中信息流、资金流和物资流的运动，集市场研究、生产决策、经营管理、设计制造与销售服务等功能为一体，使企业走向高度集成化、自动化和智能化的生产技术与组织方式。它将CAD/CAM、PDM、ERP/MIS等企业所涉及到的设计、生产、管理业务融为一体，组成企业先进的生产和管理模式。在国内，原国家科委组织了一些高校等机构专门对CIMS进行研究和推广，成立了国家863/CIMS主题专家组，还有相应的一个庞大的系统组织配合