集散控制系统绪论.

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1、绪 论 绪 论 课程介绍 课程类型：选修课 学时数： 32(18周) 成绩评定：作业+出勤+期末考试 参考书：1.集散控制系统（DCS），中国林业 出版社，刘翠玲主编，2006； 2.集散控制系统原理及其应用，电子 工业出版社，张德泉主编，2007 绪 论 微处理器 微处理器用一片或少数几片大规模集成电路组成的中央 处理器。这些电路执行控制部件和算术逻辑部件的功能 。微处理器与传统的中央处理器相比，具有体积小、重 量轻和容易模块化等优点。 基本组成部分：寄存器堆、运算器、时序控制电路，以 及数据和地址总线。 微处理器能完成取指令、执行指令，以及与外界存储器 和逻辑部件交换信息等操作，是微型计算

2、机的运算控制 部分。它可与存储器和外围电路芯片组成微型计算机。 绪 论 集散控制系统是 20 世纪 70 年代中期发展 起来的、以微处理器为基础的、实行集中 管理、分散控制的计算机控制系统。由于 该系统在发展初期以实行分散控制为主， 因此又称为分散型控制系统或分布式控制 系统(Distributed Control System，DCS)， 简称为集散系统或DCS。 绪 论 某发电厂计算机监控室某发电厂计算机监控室 绪 论 某炼铁厂计算机监控室某炼铁厂计算机监控室 绪 论 TPS系统结构图 绪 论 CENTUM-CS 3000CENTUM-CS 3000 绪 论 CENTUM CS 系统外观图

3、 绪 论 集散控制系统是控制技术 (Control)、计算机技术 (Computer) 、通信技术 (Communication)、阴极射线管(CRT)图形显示技术 和网络技术(Network)相结合的产物，是一种操作显示集中、控 制功能分散、采用分级分层体系结构、局部网络通信的计算机 综合控制系统，其目的在于控制或控制管理一个工业生产过程 或工厂。 绪 论 集散控制系统自问世以 来，发展异常迅速 ,几 经更新换代，技术性能 日臻完善，并以其技术 先进、性能可靠、构成 灵活、操作简便和价格 合理的特点，赢得了广 大用户，已被广泛应用 于石油、化工、电力、 冶金和轻工等工业领域 。 绪 论 20

4、12年中国DCS分行业市场份额 绪 论 1 集散控制系统产生的背景 20世纪30年代40年代 采用基地式仪表实现单回路控制，按地理位置分散于 现场、自成体系，是原始的分散控制系统。 20世纪40年代50年代 采用气动、电动模拟仪表组成过程控制系统。实现了 一定程度的集中监视、操作和分散控制，较好地适应 了工艺设备大型化和生产过程连续化发展的需要。 绪 论 1 集散控制系统产生的背景 20 世纪 60 年代初，人们开始将电子计算机用于过程控制 ，试图利用计算机所具有的能执行复杂运算、处理速度快、集 中显示操作、易于通信、易于实现多种控制算法、易于改变控 制方案、控制精度高等特点，来克服常规模拟仪

5、表的局限性。 一台计算机控制着几十甚至几百个回路，整个生产过程 的监视、操作、报警、控制和管理等功能都集中在这台计算 机上。 一旦计算机的公共部分发生故障时，轻则造成装置或整个 工厂停工，重则导致设备的损坏甚至发生火灾、爆炸等恶性事 故，这就是所谓“危险集中”。 绪 论 绪 论 而采用一台计算机工作、另 一台计算机备用的双机双工 系统，或采用常规仪表备用 方式，虽可提高控制系统的 可靠性，但成本太高，如果 工厂的生产规模不大，则经 济性更差，用户难以接受。 因此，有必要吸收常规模拟 仪表和计算机控制系统的优 点，并且克服它们的弱点， 利用各种新技术和新理论， 研制出新型的控制系统。 绪 论 2

6、0世纪70年代初，大规模集成电路的问世及微处理器的诞生，为 新型控制系统的研制创造了物质条件。同时，CRT图形显示技术 和数字通信技术的发展，为新型控制系统的研制提供了技术条件 ，现代控制理论的发展为新型控制系统的研制和开发提供了理论 依据和技术指导。根据“危险分散”的设计思想，过去由一台大 型计算机完成的功能，现在可以由几十台甚至几百台微处理机来 完成。各微处理机之间可以用通信网络连接起来，从而构成一个 完整的系统。 绪 论 系统中的一台微处理机只需控制几个至几十个回路，即 使某一微处理机发生故障，只影响它所控制的少数回路， 而不会对整个系统造成严重影响，从而在很大程度上使危 险分散。 这种

7、新型控制系统采用多台彩色图形显示器监视着过 程和系统的运行，实现了操作和信息综合管理的集中， 利用通信系统将各微机连接起来，按控制功能或按区域 将微处理机进行分散配置，实行分散控制，增强了全系 统的安全可靠性。 绪 论 1975 年 12 月， 美国霍尼威尔 (Honeywell) 公司 正式向市场推出了 世界上第一套集散 控制系统TDC- 2000（Total Distributed Control 2000） 系统，成为最早提 出集散控制系统设 计思想的开发商。 TDC-3000系统构成图 绪 论 2 集散控制系统的基本构成 集散控制系统 分散过程控制装置集中操作管理装置通信系统 DCS与

8、 生产过 程联系 的接口 DCS与人联 系的接口 将DCS的各部 分连接起来构 成一个整体 绪 论 (1)操作站 操作站是操作人员对生产过 程进行显示、监视、操作 控制和管理的主要设备。 操作站提供了良好的人机 交互界面，用以实现集中 监视、操作和信息管理等 功能。在有的小DCS中， 操作站兼有工程师站的功 能，在操作站上也可以进 行系统组态和维护的部分 或全部工作。 集中操作管理装置 绪 论 (2)工程师站 工程师站用于对DCS进行 离线的组态工作和在线的 系统监督、控制与维护。 工程师能够借助于组态软 件对系统进行离线组态， 并在DCS在线运行时，可 以实时地监视通信网络上 各工作站的运行

9、情况。 集中操作管理装置 绪 论 (3)监控计算机 监控计算机通过网 络收集系统中各单 元的数据信息，根 据数学模型和优化 控制指标进行后台 计算、优化控制等 ，它还用于全系统 信息的综合管理。 集中操作管理装置 绪 论 (4)现场控制站 现场控制站可控制多个回路，具 有极强的运算和控制功能，能够自主 地完成回路控制任务，实现反馈控制 、逻辑控制、顺序控制和批量控制等 功能。 现场控制站通过现场仪表直 接与生产过程相连接，采集过 程变量信息，并进行转换和运 算等处理，产生控制信号以驱 动现场的执行机构，实现对生 产过程的控制。 分散过程控制装置 绪 论 现场控制站机柜 绪 论 APM机柜 绪

10、论 (5)数据采集站 数据采集站通过现场仪表直接与生产过 程相连接，对过程非控制变量进行数据采集 和预处理，并对实时数据进一步加工。为操 作站提供数据，实现对过程的监视和信息存 储；为控制回路的运算提供辅助数据和信息 。 绪 论 (6)通信系统 通信系统连接DCS的各操作站、工程师站、监控计算机 、控制站、数据采集站等部分，传递各工作站之间的 数据、指令及其他信息，使整个系统协调一致地工作 ，从而实现数据和信息资源的共享。 绪 论 综上所述，操作站、工程师站和监 控计算机构成了DCS的人机接口， 用以完成集中监视、操作、组态和 信息综合管理等任务。现场控制站 和数据采集站构成DCS的过程接口

11、，用以完成数据采集与处理和分散 控制任务。通信系统是连接DCS各 部分的纽带，是实现集中管理、分 散控制目标的关键。 绪 论 3 集散控制系统的特点 集散控制系统与常规模拟仪表及集中型计算机控制系 统相比，具有十分显著的特点。 绪 论 (1)系统构成灵活 从总体结构上看，DCS可以分为通信网络和工作站两大 部分，各工作站通过通信网络互连起来，构成一个完 整的系统。工作站采用标准化和系列化设计，硬件采 用积木搭接方式进行配置，软件采用模块化设计，系 统采用组态方法构成各种控制回路，很容易对方案进 行修改。用户可根据工程对象要求，灵活方便地扩大 或缩小系统的规模。 绪 论 (2)操作管理便捷 DC

12、S的集中监控管理装置无论采用专用人机接口系统 还是通用PC机系统，操作人员都能通过高分辨率彩色 显示器（CRT or LCD）和操作键盘及鼠标等，方便的 监视生产装置乃至整个工厂的运行情况，快捷的操控 各种机电设备；技术人员可按预定的控制策略组态不 同的控制回路，并调整回路的某些常数；存储装置可 以保存大量的过程历史信息和系统信息，打印机能打 印出各种报告和报表，适应了现代化生产综合管理的 要求。 绪 论 (3)控制功能丰富 DCS可以进行连续的反馈控制、间断的批量控制和顺 序逻辑控制，可以完成简单控制和复杂的多变量模型 优化控制，可以执行 PID 运算和 Smith 预估补偿等 多种控制运算

13、，并具有多种信号报警、安全联锁保护 和自动开停车等功能。 (4)信息资源共享 DCS采用局部区域网络 (Local Area Network，LAN) 把各 工作站连接起来，实现数据、指令及其他信息的传输，使 整个系统信息、资源共享。系统通信采用国际标准通信协 议，便于系统间的互连，提高了系统的开放性。 按预定的动作顺序或逻辑，依此 执行各阶段动作程序的控制 根据工艺要求将反馈控制与逻辑、顺序控制结合起来 ，使一个间歇式生产过程得到合格产品的控制 绪 论 (5)安装、调试简单 DCS的各单元都安装在标准机柜内，模件之间采用多 芯电缆、标准化接插件相连；与过程连接时采用规格 化端子板，到中控室操

14、作站只需敷设同轴电缆进行数 据传递，所以布线量大为减少，便于装配和更换。系 统采用专用软件进行调试，并具有强大的自诊断功能 ，为故障判别提供准确的指导，维修迅速。 绪 论 (6)安全可靠性高 DCS在设计、制造时，采用了多种可靠性技术。系统 采用了多微处理机分散控制结构，某一单元失效时， 不会影响其他单元的工作。即使在全局性通信或管理 站失效的情况下，局部站仍能维持工作。 系统硬件采用冗余技术，操作站、控制站和通信线路 采用双重化等配置方式。软件采用程序分段、模块化 设计和容错技术。系统各单元具有强有力的自诊断、 自检查、故障报警和隔离等功能。系统具有抗干扰能 力，对测量信号和控制信号要经过隔

15、离处理，信号电 缆进行良好的屏蔽和接地。 绪 论 (7)性能价格比高 DCS技术先进、功能齐全、可靠性高、适应能力强。 规模越大，平均每个回路的投资费用越省，数据、资 源的共享本身就意味着系统成本的降低。 绪 论 4 集散控制系统发展概况 集散控制系统的发展，大致经历了四个时期。 绪 论 (1)1975年至1980年为初创期 这个时期的DCS基本上由过程控制装置、数据采集装置 、操作管理装置、监控计算机和数据传输通道等部分 组成。这个时期DCS的技术重点是实现了分散控制，从 而克服集中型计算机控制系统危险高度集中的致命弱 点，加强了可靠性设计。 初创期DCS的典型代表有：美国霍尼威尔 (Hon

16、eywell) 公司的 TDC-2000，福克斯波罗 (Foxboro) 公司的 SPECTRUM，日本横河 (YOKOGAWA) 公司的 CENTUM 及 德国西门子 (Siemens) 公司的 TELEPERMM 等。 绪 论 (2)1980 年至 1985 年为成熟期 这一时期的DCS由局部网络、多功能过程控制站、增 强型操作站、主计算机、系统管理站和网间连接器等 部分组成。DCS的技术重点是实现全系统信息的综合 管理，为此，必然要引入先进的局部网络技术，以加 强通信系统。 DCS的代表产品有：Honeywell 的 TDC-3000， YOKOGAWA 的 CENTUM，Taylor 的 MO