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1、集散控制系统概述南京航空航天大学计算机集散控制系统实验报告 学生姓名： 学 号： 专 业： 导航、制导与控制 学 院： 自动化学院 指导教师： 陈欣老师 2008年2月20日集散控制系统概述集散控制系统(DCS，Distributed Control System)，是以多个微处理机为基础利用现代网络技术、现代控制技术、图形显示技术和冗余技术等实现对分散控制对象的调节、监视管理的控制技术。DCS也叫分布式控制系统，是相对于集中式控制系统而言的一种新型计算机控制系统，它是在集中式控制系统的基础上发展、演变而来的。一， DCS的发展史，现状和趋势DCS从诞生到现在，大致经历了以下几个发展阶段：1.
2、 第一代DCS：具有分散控制、集中管理的过程控制、操作管理和数据通信三大主要功能，以 Honeywell公司1975年推出的TDC2000等为代表。2. 第二代DCS：与第一代DCS产品相比第二代DCS增加了诸如控制算法，包含常规控制、逻辑控制、批量控制的结合的混合控制。管理范围也大大扩大，功能增加。通信方式为总线式和环式，并支持局域网协议。以TDC3000等为代表。3. 第三代DCS：第三代以FOXBORO公司1987年推出的I/A Series系统为代表。主要是在局域网技术上实现10Mbps的宽带网和5Mbps的载带网，并符合OSI互联参考模型标准。另外，还增加了自适应和自整定等控制算法。
3、4. 第四代DCS：第四代DCS产品的主要标志是集成化、开放化、信息化。DCS的功能包括过程控制，PLC, RTU远程采集发送器, FCS,多回路调节器、智能采集和控制单元等功能集成，以及组态软件、I/O组件、PLC单元等产品集成。其核心标志为两个I.即:Information（信息）和Integration（集成)DCS的出现是工业控制的一个里程碑，它在80多年的应用发展中取得了辉煌的成绩。目前，DCS已逐渐进入稳定成熟期。由于“信息孤岛”这一缺点的存在，很大程度上制约了DCS的应用和发展，与此同时，上世纪80年代一种新型的计算机控制系统现场总线控制系统(FCS登上了工业自动化的历史舞台，F
4、CS对于信息孤岛”这一难题的解决，使得FCS取代DCS的过程控制层（最底层通信网络）成为必然的趋势，虽然FCS的普及还存在诸多的挑战，但是在以后工业自动化领域会大大推广。DCS也正向着智能化、开放化、网络化的方向不断发展。二， DCS体系结构与特点DCS的体系结构分为四个部分（见图1）：1.管理层：管理层有PC机，小型计算机或工作站组成，用来进行总的生产的调度管理。它面对的是经营的管理者或是高级生产管理者，它需要对大量数据经行处理，并要求有良好的人机界面实现控制，需要冗余的信息从而保证安全生产。2.高级控制层：包括操作站和工程师站。这一部分是要求实现对生产过程的指令操作，通过这个站点对控制站进
5、行实时的控制，要求有良好的人机界面，通过调控可以达到控制的效果。3.控制站：对工业生产过程进行实时的控制，从而实现控制功能，同时向高级控制层反馈所得到的工业生产状况的信息。4.系统网络：分为实时网络和非实时网络两种。包括了以太网和现场总线。它是构建集散控制系统体系的“血脉”。集散控制系统具有良好的适应性，扩展性，可靠性，自主性，人机交互性。 经营管理现场控制站1生产过程管理高级功能站服务器操作站工程师站现场控制站N现场控制站2工业过程工业过程工业过程以太网现场总线图1 DCS的体系结构三， DCS的硬件结构集散控制系统的硬件结构采用模块化结构方式。1. 控制站。控制站是一个可独立运行的计算机监
6、测与控制系统，由于它是专为过程测控而设计的通用型设备，所以其机柜，电源，输入输出通道和控制计算机等与一般的计算机系统相比又有所不同。控制站的机柜内部均装有多层机架，以供安装电源和其他模块使用。控制站要使用效率高，稳定性好的，无干扰的交流供电系统。柜中一般有5V，15V，24V等电源。控制站的控制计算机是一个智能化的可独立运行的数据采集和控制系统，作为其核心的控制计算机必须由CPU，存储器，总线，I/O通道等基本部分组成。由于是对信号进行处理的核心部件所以对数据的传递有以下几个通道：模拟量的输入通道，模拟量的输出通道，开关量的输入通道，开关量的输出通道，脉冲量的输入通道。控制站中的核心原件为控制
7、器，控制器的硬件物理结构一般有三种形式。一种是采用控制总线，把回路控制器，逻辑控制器和数据采集器分开，在3种控制器中分别完成自己的任务。另一种是三者由一个集中的控制器来完成。第三种是采用微处理器为基础的软DCS，是嵌入式系统，现在应用比较广泛。2. 操作站和工程师站操作站和工程师站都是集散控制系统与用户进行信息交换的设备。一般用一台高档微型计算机作为操作站主机，它采用实时多任务操作系统，并配有彩色CRT显示器，键盘，打印机，拷贝机等。利用CRT的显示功能和键盘的操作功能对生产过程进行集中操作和监视。 操作站由操作员操作键盘来管理，工程师站由工程师操作键盘管理从而实现不同的功能。 操作站主要操作
8、有生产功能命令操作，回路状态修改，画面调用和展开，过程报告，和信息输出；而工程师站则进行系统组态，系统测试，系统维护和系统管理。工程师站的管理权限和管理的内容要宽泛。四， DCS软件结构计算机的软件体系分为两个部分：系统软件和应用软件。DCS软件体系中涵盖上述两个部分，由于其分布式结构，又增加这如通信管理软件，组态生成软件及诊断软件。 控制站与操作站都具有人机接口，控制站侧重于现有的系统状态参数进行修改，而操作站则是对生产过程进行观察从而及时的调整运动参数，给予控制站操作指令。操作站和控制站都有一些参数的显示，显示包括两类：数值显示和图形显示，而图像显示又分为图表显示和动画显示。1. 控制站在
9、控制站中，主要涉及对信号的采集与处理，所以控制站的软件涵盖图2所示的几个部分。人机接口控制输出信号采集与巡检上级结点网络通信实时数据库控制算法图2 控制站软件结构组成图控制站的工作流程如图3所示：信号采集与巡检转换，报警处理修改数据库控制计算输出信息，I/O，网络操作诊断输出开始图3 控制站软件程序工作流程2. 操作站和工程师站除去控制站的部分 操作站和工程师站的操作的相似性，操作站的主要软件部分涵盖图4所显示的功能。操作员和工程师对系统的运行状态进行观察从而给出对系统问题的及时处理和生产过程的正常维护。工程师站的功能软件包含其中的几个部分。 实时多任务操作系统历史数据调用实时数据库管理历史数
10、据收集网络通信管理历史数据库管理图形显示管理历史趋势显示记录报表打印人机接口控制控制参数调节系统形态显示流程图底图显示动态刷新图4 操作站软件结构组成图 五， 网络体系DCS的网络包括两个部分，一个是处于操作站和控制站之间的现场网，一个是处于管理层和操作层之间的管理层网。工业控制用的网络通信系统有以下几个特点：快速实时响应能力，高可靠性，恶劣环境的适应能理。1. 现场网现场总线是一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备和控制装置之间实行双向、串形、多结点的数字通信技术。现场总线网络是基于现场总线协议构建的一个网络体系。现场总线标准的结构分层采用的是OSI模型的一，二和七层，并把二层和七层合
11、并为通信栈。主要用于解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题 。现场总线的本质体现在现场通信网络 ，现场设备互联 ，互操作性 ，分散功能块 ，通信线供电 ，开放式互联网络。目前世界上流行的现场总线有以下几个：基金会现场总线，CAN，Lonworks，DeviceNet，PROFIBUS，HART，CC-Link，WorldFIP。2. 管理层网DCS的管理层采用是工业以太网。以太网是由Xerox公司创建并由Xerox，Intel和DEC公司联合开发的基带局域网规范。以太网络使用CSMA/CD(载波侦听多路访问及冲突
12、检测技术)技术，运行速率达10Mbit/S。以太网与IEEE8023系列标准相类似，以太网采用总线型和星型的拓扑结构，以太网采用同轴缆、双绞线和光纤等多种连接介质，以太网卡采用半双工和以太网采全双工两种工作模式。目前主要采用的协议有Modbus/TCP，Ethernet/IP，FF HSE和PROFInet。六， 学习体会通过对DCS的系统学习,我对DCS的各个组成部分的知识有了一些了解包括DCS的产生发展过程，DCS的体系结构,DCS的网络通信和数字控制方法,DCS的功能模块设计方法,DCS的仿真控制站和操作站的设计等相关知识.具体有以下几点:1.了解了DCS的核心理念: 集中管理，分散控制
13、；真正的了解了集散控制技术是一种基成现代网络技术、现代控制技术、图形显示技术和冗余技术的综合技术。2. 对控制系统的基本概念和控制的非万能性有了更加合理的认识。因为在控制中，作为传递信息的信号能量是有限度的，在信号的不断传递中会不断衰减。所以控制的能力是有限度的。对于控制基本概念的挖掘使自己对控制本质的理解有了巨大提高。3. 对PID控制的计算机实现有了全新的认识，过去由于学习的不深入对PID的控制算法的计算机程序实现根本不了解，通过学习对控制算法的设计有了初步的认识。知道了应用差分这一数学工具对连续系统进行离散化处理。PID控制器的这一数学表达式：。同时对PID控制器的设计方法的理解可以引出
14、后续的一些认识的思路。4. 对DCS的基本体系结构有了一定的了解，并对其硬件体系与软件体系的学习有了一定的认识.对其最重要的操作站和控制站进行剖析从而得到了对DCS的深入把握。控制站的设计主要包括:数据采集及输出，数据处理，控制算法，网络通信，人机界面五个方面；操作站的设计主要包括:组态，状态显示，控制系统优化，网络通讯等。5. 网络通信和数字控制算法有了初步的认识，强化了对对控制网络的实时性(如采用令牌网)和可靠性(如采用会话方式)的现实意义的了解。对早期的NetBios通信协议及其相关编程有了一定的认识。6. 学习了C语言高级程序设计的相关知识，懂得了中断服务程序的设计，网络通信程序的设计
15、和C程序画表作图的程序设计。纠正了过去对C语言学习仅仅偏重于理论的错误认识。通过这一段时间的C程序设计的练习，使得过去的不认真的态度有了巨大的改观。参考文献【1】刘国海等著. 集散控制与现场总线，北京：机械工业出版社，2004.8【2】俞金寿等编. 过程控制系统和应用，北京：机械工业出版社，2003.6【3】何离庆等编. 过程控制系统与装置，重庆：重庆大学出版社，2003.7【4】袁任光. 集散型控制系统应用技术与实例，北京：机械工业出版社，2003.4【5】张新薇，陈旭东. 集散系统及系统开放，北京：机械工业出版社，2005.1【6】姜志成. 集散型控制系统发展概述 江苏电机工程，1996.9【7】张士超，仪垂杰等. 集散控制系统的发展及应用现状
