工业控制计算机1(14版)课件

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1、第四章 工业控制计算机及集散控制系统1,4.1 工业集散控制系统概述,工业生产自动化的概念,工业生产的自动化控制系统可分为过程控制自动化、制造工业自动化和混合型工业自动化。 过程控制自动化主要是指大型连续生产的流程工业，如化工、石油、电力、造纸等行业的生产过程自动化控制与测量系统。 制造工业自动化是指离散型制造过程，如汽车、电子设备、机械、飞机等行业及制造、加工配装过程的自动化控制与测量系统。 混合型制造业(又称间隙过程工业)自动化，如冶金、食品、玻璃、半导体、轻纺等行业生产过程的自动控制与自动测量系统。,工业生产自动化的概念,流程工业自动化测控系统的控制对象是温度、流量、压力、物位等，以模拟

2、量为主，常采用传统的模拟型(气动或电动式)单元组合式工业仪表，也可采用智能式(数字式)回路可编程调节器(ILC)或20世纪90年代流行的集散型控制系统（DCS)，以及最新的现场总线系统。 离散型的制造工业自动化的主要控制对象是速度、位置、几何量等，以开关量为主，常采用传统的继电器控制系统，或可编程逻辑控制器(PLC)。 混合型工业自动化控制系统的控制对象，既有模拟量又有开关量，因此，上述两类系统所采用的控制装置常混合在一起使用。目前国内轻工、食品加工业采用DCS的还很少，主要是由于DCS的价格过于昂贵，但在国外，大型的轻工、食品加工业是DCS系统的大用户。,数字式自动化控制系统,数字式控制系统

3、的发展大致分为三个阶段:20世纪50年代为工业过程计算机应用的初期。60年代至70年代为集中式计算机控制时期，70年代中期以后，以微型计算机为基础的工业测控系统获得迅速发展和广泛的应用;尤其是80年代中期进入了以4C技术(计算机、通信、控制、CRT)为特征的集散型控制系统的发展时期。 50年代，在数字计算机出现以后，控制工程师们就进行了大量的实验和研究，希望用计算机对大型生产过程进行集中检测和控制，以克服模拟式仪表过于分散、监视和操作不便的缺点、并实现比普通的比例-积分-微分(PID)更为高级的控制。当时人们主要研究数字计算机在导弹和飞机测控方面的应用，在离线状态下，对数据进行采集和分析计算。

4、计算机与过程装置之间没有任何物理上的联系。后来，扩充了对控制器的设定值和执行器位置值的计算，但计算后的值仍由人工输入执行装置。1956年美国的TRW航空公司和Texaco公司提出了一个论证报告，决定针对美国得克萨斯州(TEXAS)的Port Arthur炼油厂的一台聚合装置进行研究，采用一台TRW-300计算机。1959年投入运行并获得成功，它主要用于数据记录并可进行部分控制。这套控制系统可测控26个流量、72个温度、3个压力和成分量，其基本功能是使反应器的压力最小并确定5个反应器供料的最佳分配，根据催化剂性能的测量结果控制热水的流入量以确定最佳循环，这是世界上最早成功应用数字计算机完成的工业

5、测控系统。,数字式自动化控制系统,60年代初，人们开始试验直接将计算机与变送器、执行器连接起来，实现过程的测检、监视以及对过程的控制并取得了成功。如1962年英国帝国化学工业公司（ICI)安装了一套Ferranti Argus计算机控制系统，替代了全部模拟式控制仪表，它可以直接测量224个过程参数并控制129个阀门。 早期的数字控制在多数情况下的应用为单回路控制，每台计算机直接参与控制和管理的过程装置量比较少，称为直接数字控制系统(Direct Digital Control System)简称DDC系统。它是用一台计算机配以适当的输入输出设备，例如模数 (A/D)和数模(D/A)转换，从生产

6、现场获取信息，按照预先确定的控制算法算出控制量，并通过输出通道，直接作用于执行机构上，实现生产过程的闭环控制。DDC控制是数字式控制系统中最基本的、应用最为广泛的控制形式。直接数字控制与常规模拟式仪表控制系统有很大的相似性，但是由于计算机的快速性、数字化以及是通过执行程序来实现各种控制规律，因此，DDC控制又具有下列特点: 一台计算机的DDC控制器可以取代多台模拟控制器，完成比例-积分-微分运算和逻辑判断功能，且可以完成常规仪表很难甚至无法实现的通信和优化控制。 控制规律的范围变化较宽，各参数之间无互相干扰，容易实现无扰动切换。对噪声较大的信号，可通过数字滤波(即滤波计算程序)来提高信号的真实

7、性。 DDC不仅能实现常规的PID调节规律，而且能灵活有效地实现各种更先进、更复杂的控制规律，如前馈控制、大滞后系统控制和解耦控制等。,数字式自动化控制系统,在70年代中期，随着石油工业的大型化，在大型工业生产中仅采用上述的一个计算机控制单个或几个回路的DDC方式，就很难适应。因此，出现了集中式计算机控制系统，集中式DDC控制系统是采用一台计算机完成对几十甚至几百个控制回路、上千个过程变量的数据采集、处理、存储、报警和控制，并且还可以实现生产调度和工厂管理的部分功能。这种集中型DDC控制系统比起常规仪表控制系统有很大的优越性，控制功能齐全，可实现模拟仪表几乎无法实现的复杂控制，并且便于信息的分

8、析和综合，易实现整个流程的最优控制。众多的模拟仪表指示盘可以用一台操作站的CRT显示器替代，改善了人机界面。 但是人们在大量应用集中型计算机控制系统的过程中，也发现它存在一些问题 单台计算机集中控制了几十个甚至几百个回路，一旦计算机发生故障，将导致生产流程的全面瘫痪，即控制集中，危险也集中了。 由于生产流程的控制变量和运算量很大，一台计算机的速度和容量不足，而用多台计算机，则计算机之间的数据和控制信息的交换比较困难。 由于对流程的控制要求不断提高，软件更加庞大、复杂、开发周期长、修改困难。 因此，人们又逐渐地把注意力转向控制系统的分散化，并要求既具有DDC的控制优点。又要解决信息集中管理，危险

9、也集中的矛盾，于是提出了分层控制的概念，自80年代中期逐步发展为目前的集散控制系统。,集散型计算机控制系统,集散型计算机控制系统的结构是一个分布式的系统，所以又称分布式计算机控制系统DCS（Distributed Computer System），基本思想是管理功能集中，控制功能分散。 1. 集散系统组成 DCS是随着计算机技术、信号处理技术、自动测量和控制技术、通信网络技术和人机接口技术的发展和相互渗透而产生的，既不同于分散的常规仪表控制系统，又不同于集中式的计算机控制系统，它是吸收了两者的优点，并在此基础上发展起来的一个系统工程，具有很强的生命力和显著的优越性。如图7-2所示。,集散型计算

10、机控制系统,显然，集散型控制系统通常可分为四级。 （1）直接控制级 直接控制级的过程控制计算机直接与现场各种装置相连，例如变送器、执行器、记录和显示仪表等，对现场的装置和参数实施监测和控制，例如进行数字的开环和闭环控制，对设备和控制系统进行测量或诊断。同时，它还与第二层的过程管理计算机相连，接受上层计算机的指令和管理信息，并向上传递现场采集的数据(包括实时数据和特征数据)。该级可以采用带通信接口的可编程控制器(PLC)或单片计算机测控装置、具有网络功能的工业自动化仪表(如DDZ-S)、工业标准总线计算机(STD总线)和工业增强型个人计算机(PC总线)。,集散型计算机控制系统,（1）直接控制级

11、（2）过程管理级 过程管理级计算机(又称操作站)，可监视直接控制级各站的信息，如故障检测存档、历史数据、记录状态报告、打印显示、优化过程控制、协调各站的操作关系，控制回路状态和参数修改等。该级常采用工业控制计算机(PC总线)和专用计算机等。 （3）生产管理级 生产管理级计算机是根据用户的订货情况、库存情况、能源情况来规划各单元的产品结构和规模，并且可以随时更改产品结构，使生产线具有柔性制造的功能，是产品生产的总体协调与控制器。该级容量大、运算功能强，信息的实时性要求低于过程控制计算机，一般通信速率在200ms以上，通常该级在中小企业自动化系统中，也就是最高一级了。对于具有第四级的大型企业，生产

12、管理级可与上层交互传递数据，并接受管理指令。该级常采用计算机服务器和小型计算机。,集散型计算机控制系统,（1）直接控制级 （2）过程管理级 （3）生产管理级 （4）经营管理级 经营管理级是工厂自动化系统（factory Automation）的最高层，它的管理范围包括工程技术、经济和商业事务、人事活动、财务活动、规划和市场分析等，并存储和处理大量的信息，通过综合的产品计划，在各种变化条件下对各种各样的信息和装置进行合理的配调，如产品的经营、销售、订货、接受以及产品产量和质量的调整、调度生产计划、财务管理、设备管理、总厂管理等，以达到最优地解决某些问题。 该级常采用小型或中型计算机，并与其他相关

13、工厂或单位，如银行、税务、交通等组成广域网并提供大范围的产品售后服务和技术支持。 目前，国内的中小企业大多只有第一层，某些发展较快的企业也只有一、二层，少数大的企业已开始具有第三层的部分功能。在国外，即使世界上目前最优秀的集散控制系统，也多局限在第一、二、三层。,集散控制系统的特点,(1)分散控制系统的可靠性高 DCS采用了标准化、模块化和系列化的设计，把众多的现场实时控制交给许多台DDC来完成，控制功能分散了，负荷也分散了，当上级计算机出现故障时，DDC仍可独立完成相应回路的控制;而且当某台DDC出现问题，相关的其他DDC有可能根据上级计算机的指令，完成某项操作，补偿由于某台DDC出问题所导

14、致的控制功能的降低，这样可大大提高整个测控系统的可靠性。 (2)管理集中，易于实现更高级的控制规律 各DDC与操作站是通过网络接口连接起来的，它们不仅可独立地完成分配给自己的任务，而且在上级计算机的协调管理下，可以完成整个生产流程总体功能的优化控制，使系统的操作具有更好的可控性。因为仅仅把生产线的控制系统由模拟仪表改为数字仪表，或由DDC改为DCS所带来的控制效益有限(往往只有20%)，只有充分应用DCS的功能，采用先进的测控策略，才能提高DCS的经济效益(约占运行效益的60%)。,集散控制系统的特点,(3)采用组态软件具有良好的人机界面 集散型控制系统软件大都采用菜单式组态软件，它是面向工程

15、技术人员和生产操作人员而设计的，其运行界面十分友好。 集散系统的操作多为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，复合多窗口技术，画面日趋丰富：综观、控制、调整、趋势、流程图、回路一览、报警一览、批量控制、计量报表、摸作指导等画面，菜单功能具有实时性，采用平面密封式薄膜操作键盘或触摸式屏幕，鼠标器或跟踪球操作器等。语音输入/输出使操作员与系统对话更方便。 提供的组态软件(包括系统组态、过程控制组态、画面组态、报表组态等)是集散型控制系统的关键部分。用户的方案及显示方式由它来解释生成DCS内部可理解的目标程序或数据，它是DCS的“原料”加工处理软件。使用组态软件可以生成相应的实用

16、系统，易于用户制定新的控制策略，便于灵活扩充。 (4)配置灵活，可扩展性好 硬件和软件采用开放式、标准化和模块化设计。系统为积木式结构，具有灵活的配置，可适应不同的测控需要。可根据生产要求，改变系统的大小配置，在工厂改变生产工艺、生产流程时，只需要改变某些配置和控制方案，而这些改变都不需要修改或重新开发软件，只是使用组态软件，填写一些新的表格即可实现。,集散控制系统的特点,(5)在线自诊断及报警功能强 DCS系统均采用了新型的专用集成电路(ASIC)和表面安装技术(SMT)，自身的可靠性很高;有些DCS系统采用了双重化措施和硬软件自诊断设计，可自动监测DCS内部故障，并可自动隔离、自动恢复，也允许热机带电插拔模块。当内部发生异常时，通过硬件自诊断机能和测试机能检出后，汇总到操作站，然后通过CRT显示、声响报警或打印机输出，将故障信息通知操作员;各监测站、控制站的各插件上都有状态信号灯指示故障插件。,工业计算机和集散控制系统的进展,20世纪90年代以来，由于个人计算机领域发生的革命性进展，计算机技术在办公领域获得