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1、计算机测控系统,李江全,石河子大学机电学院电气工程系 2008年12月, 计算机集散控制系统,自动化仪表发展概况,自动化装置的五个发展阶段 “基地式”仪表； 单元组合式仪表； 计算机集中控制系统； 集散控制系统（DCS）； 现场总线控制系统（FCS).,工业自动化发展概况,第一阶段（50年代） 控制理论：以传递函数作为模型描述方法，以根轨迹、频率法作为基本的分析和综合方法； 控制方法：基本PID控制与串级、前馈控制等； 控制仪表：基地式仪表单元组合仪表。,单元组合仪表构成的调节系统,自动化仪表的基本概念,敏感元件（又称“一次仪表”）： “独立”于被测系统之外，直接与工艺介质相接触，并以参数方式
2、对被测物理量作出“敏感”响应的物理实体。这里，“独立”是指被测物理量不应因敏感元件的设置而受到影响。 传感器： 是将敏感元件参数响应变量转换成便于应用和传送的信号装置。因此，其是由敏感元件和相应线路所组成的物理系统。 变送器：是输出信号符合标准化要求的传感器。,电动单元组合式仪表发展概况,DDZ-型仪表： 60年代，放大元件为电子管、磁放大器 DDZ-型仪表： 70年代 ，采用晶体管放大元件 DDZ-型仪表： 80年代，采用集成电路 S型仪表： 90年代，采用微处理器的数字调节器,工业自动化发展概况,第二阶段（ 60 70年代中期） 控制理论：以状态空间分析方法为基础，其核心包括：以最小二乘法
3、为基础的系统辨识方法，以极大值原理和动态规划为主的最优控制理论，和以卡尔曼滤波器为代表的估计技术； 控制方法：最优控制方法在航空航天领域取得了成功，但尚未能很好地应用于过程工业； 控制设备：单元组合仪表计算机集中控制方式（如DDC，SPC等）,计算机集中控制系统,工业自动化发展概况,第三阶段（ 70年代末 90年代） 控制设备：商品化的分布式计算机控制系统（ DCS）与可编程控制器（Programmable Logic Controllers, PLC）的出现与工业应用； 控制方法：以模型预测控制为代表的适合于工业过程的先进控制（Adavanced Process Control, APC）方
4、法形成，商品化APC 软件产品出现； 控制对象：受约束的 MIMO（多输入多输出）系统，控制目标考虑操作条件的最优化。,集散控制系统（DCS）,工业自动化发展概况,第四阶段（ 90年代 ） 控制对象：操作单元生产全过程供应链（Supply Chain），广义的“控制”概念。 控制设备：商品化现场总线控制系统（Fieldbus Computer Systems, FCS）逐步替代DCS系统；网络技术的高度发展。 控制方法：结合最优化技术、计算机网络与数据信息处理技术的现代集成制造系统（CIMS）的形成与应用。,现场总线控制系统（FCS）,生产制造管理信息系统MMS,计算机集散控制系统概述,计算机
5、集散控制系统，又称计算机分布式控制系统（Distributed Control System，DCS）。它是一种综合了计算机技术、控制技术、通信技术、CRT显示技术，（即4C技术），实现对生产过程集中监测、操作、管理和分散控制的新型控制系统。,集散控制系统既不同于分散的仪表控制，又不同于集中计算机控制系统，它克服了二者的缺陷而集中了二者的优势。与模拟仪表控制相比，它具有连接方便、采用软连接的方法连接、容易更改、显示方式灵活、显示内容多样、数据存储量大、占用空间少等优点；与计算机集中控制系统相比，它具有操作监督方便、危险分散、功能分散等优点。,另外，集散控制系统不仅实现了分散控制、分而治之，而且
6、实现了集中管理、整体化优，提高了生产自动化水平和管理水平，成为过程自动化和信息管理自动化相结合的管理与控制一体化的综合集成系统。这种系统组态灵活，通用性强，规模可大可小，既适用于中小型控制系统，也适用于大型控制系统。因此，在各行各业各个领域得到了广泛应用。,集散控制系统的体系结构,1分散过程控制级,分散过程控制级直接面向生产过程，是集散控制系统的基础。它具有数据采集、数据处理、回路调节控制和顺序控制等功能，能独立完成对生产过程的直接数字控制。其过程输入信息是面向传感器的信号，其输出是作用于驱动执行机构 。 同时，通过通信网络可实现与同级间的其它控制单元、上层操作管理站相连和通信，实现更大规模的
7、控制与管理。它可传送操作管理级所需的数据，也能接收操作管理级发来的各种操作指令，并根据操作指令进行相应的调整或控制。,2集中操作监控级,这一级的主要功能是系统生成、组态、诊断、报警，现场数据收集处理，生产过程量显示、各种工艺流程图显示、趋势曲线显示，改变过程参数，进行过程操作控制等。为完成这些功能，在硬件上该级主要由操作台、监控计算机、键盘、图形显示设备、打印机等组成。 这一级以操作监视为主要任务，兼有部分管理功能。它是面向操作员和系统工程师的，这一级配备有技术手段齐备，功能强的计算机系统及各类外部装置，特别是CRT显示器和键盘，还需要较大存储容量的存储设备及功能强的软件支持，确保工程师和操作
8、员对系统进行组态、监视和操作，对生产过程实现高级控制策略、故障诊断、质量评估等。,3综合信息管理级,这一级在集散控制系统中是最高层次级，是实现整个企业（或工厂）的综合信息管理，主要执行生产管理和经营管理功能。在这一级可完成市场预测、经济信息分析、原材料库存情况、生产进度、工艺流程及工艺参数、生产统计、报表，进行长期性的趋势分析等，做出生产和经营决策，确保整个企业的最佳化的经济效益。,4通信网络系统,通信网络系统将集散控制系统的各部分连接在一起，完成各种数据、指令及其它信息的传递。由于各级之间的信息传输主要是依靠通信网络系统来支持，所以通信系统是集散控制系统的支柱。为保证信息高速可靠地传送，必须
9、选择适当的通信网络结构、通信控制方式和通信介质。,集散控制系统的特点,1自治性 系统上各工作站是通过网络接口连接起来的，各工作站独立自主地完成自己的任务，且各站的容量可扩充，配套软件随时可组态加载，是一个能独立运行的高可靠性子系统。分散过程控制级各控制装置是一个自治的系统，它完成数据的采集、信号处理、计算机数据输出等功能。集中操作监控级完成数据的显示、操作监视和操作信号的发送等功能。综合信息管理级完成信息的管理和优化。通信网络系统则完成各站的连接和数据通信。所以各部分都是各自独立的自治系统。其控制功能分散，危险分散的特点，提高了系统的可靠性。,2协调性 各工作站间能够通过通信网络传送各种信息并
10、协调工作，以完成控制系统的总体功能和优化处理。实时安全可靠的工业控制局部网络使整个系统信号畅通，信息共享。采用标准通信网络协议，可与上层的信息管理系统连接起来进行信息的交互。,3在线性和实时性 生产过程控制级由于采用基于高性能微处理器的控制调节器，可通过过程通道、I/O接口和通信网络，对过程对象的数据进行实时采集、分析、记录、监视、操作控制，并可进行系统结构、组态回路的在线修改、局部故障的在线维修，提高了系统的可用性。,4适应性、灵活性和可扩充性 集散控制系统的硬件和软件采用开放式，标准化、模块化和系列化设计，系统为积木式结构，使得系统配置灵活，可以根据用户的不同需要，方便地构成多级控制系统。
11、当工厂根据生产要求需要改变生产工艺或生产流程时，只需改变系统配置和控制方案，如增加或拆除部分单元，而系统不会受到任何影响。,5系统组态灵活方便 集散控制系统向用户提供了系统组态软件，该软件是采用面向问题的语言，提供了数十种常用的运算和控制模块，控制工程师只需按照系统的控制方案，从中任意选择模块，并以填表的方式来定义这些功能模块，进行控制系统的组态。系统组态一般是在操作站上进行的。填表组态方式极大地提高了系统设计的效率，解除了用户使用计算机必须编程的困扰。,6友好性 集散控制系统软件是面向工业控制技术人员、工艺技术人员和生产操作人员。其实用而简捷的人机会话系统，CRT彩色高分辨率交互图形显示、复
12、合窗口技术，使画面日趋丰富，菜单功能更具实时性。而平面密封式薄膜操作键盘、触摸式屏幕、鼠标器、跟踪球操作器等更便于操作，语音输入输出使操作员与系统对话更加方便。,7可靠性 由于集散控制系统采用很多独特的设计，使其具有可靠性高的优点。在结构上采用容错设计，使得在任一个单元失效的情况下，仍然保持系统的完整性，即使全局性通信或管理失效，局部站仍能维持工作。在硬件上，采用了冗余设计，无论操作站、控制站，还是通信链路都采用双重化配置，同时在系统内外采取了各种抗干扰措施，满足“电磁兼容性”要求。 在软件上采用分段与模块设计，积木式结构，以及程序卷回(即指令复执)等容错设计。系统具有快速自诊断功能，实现故障
13、部件的自动隔离、自动恢复与热机插拔技术；系统内发生异常，可将故障信息汇总到操作站，通过CRT显示，或者声光报警或打印机输出，及时通知操作员；监测站、控制站各插件上都有状态信号灯，指示故障插件。所有以上这些措施极大地提高了系统的可靠性和安全性。,中小型DCS的结构与通信标准,中小型DCS的拓扑结构一般采用专业DCS中用得比较广泛的总线拓扑结构，监控级设备（也可以称为上位机或操作站）一般使用工业PC机，控制级设备使用产品化的调节仪表、可编程序控制器（PLC）和远程IO模块等。上位机和控制级设备的网络通信则使用RS-485总线和面向字符型的通信协议。中小型DCS的基本结构如图所示。,中小型DCS的基
14、本结构,RS-485串口通信标准,RS-485的主要特点有： 1）RS-485的电气特性：逻辑“1”以两线间的电压差为（26）V表示；逻辑“0”以两线间的电压差为（26）V表示。接口信号电平比RS-232-C降低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL 电路连接。 2）RS-485的数据最高传输速率为10Mbps。因为RS-485接口组成的半双工网络，一般只需二根连线，所以RS-485接口均采用屏蔽双绞线传输。,RS-485的主要特点有： 3）RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能力增强，即抗噪声干扰性好，抗干扰性能大大高于 RS-232 接口, 因而通信距离远，RS-485接口的最大传输距离大约为1200米，实际上可达 3000米。 5）RS-485需要2个终端电阻，其阻值要求等于传输电缆的特性阻抗。在短距离传输时可不需终接电阻，即在300米以下可不需终接电阻，终接电阻接在传输总线的两端。 6）RS-485接口在总线上是允许连接多达128个收发器，即具有多站能力，这样用户可以利用单一的RS-485接口方便地建立起设备网络。,
