分散型控制系统

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1、第一章 概述分散型控制系统(DCS： Distributed Control System)，简称分散系统。自第一 套 DCS 面世以来，一场波及全球的 DCS 生产和应用竞赛从此拉开了序幕。其发展主要 来源于二方面的激励：一是时代的要求，即来自环境的刺激，以信息管理和自动化为 中心展开的技术和经济市场的激烈竞争；二是支撑DCS发展的内部因素，即计算机技 术，通讯技术和自动控制技术等发展所创造的先决条件。在短短的近二十年时间里， 世界上已有几十家公司推出50多种DCS产品，实际应用回路数达百万个之多，应用 面几乎覆盖了所有的过程控制领域。可以说，DCS给工业控制及其装置带来了又一次 具有划时代

2、意义的飞跃。1.1 分散型控制系统综述1.1.1 分散型控制系统的基本概念和特点为了搞清什么是DCS，首先在概念上作一个划分。一、集中型控制系统和分散型控制系统1集中型控制系统( CCS： Central Control System)CCS 指过程控制器、指示仪、记录仪或者控制计算机集中安装在中央控制室中， 通过管路或线路与现场传感器、现场执行器相连所构成的过程控制系统。例如：50 年代，自动化仪表以气动仪表为主流，出现了集中型模拟式气动仪表控制系 统。60年代，自动化仪表以模拟式电动仪表(DDZII, DDZ 一III型)为主流，产生 了集中型模拟式电动仪表控制系统。计算机在过程控制领域的

3、应用可追溯到50年代，到了60年代至70年代初，形 成了集中型计算机控制系统发展时期。经历了直接数字控制系统(DDC)，集中型计算 机控制系统和监督计算机控制系统等阶段。(1) 直接数字控制系统(DDC： Direct Digital Control) 直接数字控制是计算机控制技术的基础，主要是由一台数字计算机替代一组模拟调节器。DDC比起模拟仪表控制的主要优点在于，所有PID和其它运算均在计算机中 进行，保持了数字化的精度。但由于当时的计算机运算速度十分有限，不能对快速过 程很好地控制。(2) 集中型计算机控制系统 集中型计算机控制系统的系统结构如图1-1所示。 它把几十个甚至几百个控制回路

4、及上千个过程变量的显示、操作和控制集中在单一计算机上实现，即在一台计算机上实现了过程监视、数据收集、数据处理，数据存 储、报警和登录以及过程控制，甚至于部分生产调度和工厂管理等功能。集中型计算机控制比起常规仪表控制系统有很大的优越性，第一，控制组态灵活。 对于控制回路的增知，控制方案的变化，可由软件改变。第二，控制功能齐全。可以 实现各种先进控制，联锁功能等复杂控制。第三，单一计算机的集中控制和管理。便 于信息的分析和综合，容易实现整个大系统的最优控制。第四，良好的人机接口。使 大量的模拟仪表盘仅用一个 CRT 显示，改善了操作员的工作环境。然而，集中型计算机控制存在一个最大的致命弱点，就是危

5、险集中，单台计算机控制着几十个甚至几百个回路，一旦计算机发生故障，将导致生产过程的全面瘫痪。 这一主要缺点影响了集中型计算机控制的推广。(3) 监督计算机控制系统(SCC： Supervisory Computer Control)监督计算机控制系统属于过程现场控制和集中显示操作相分离的分层计算机控 制系统。在二级系统中；第一级计算机与生产过程连接，并承担测量和控制任务，即 完成直接数字控制，第二级计算机对生产过程工况，操作条件的变更信息和数字模型 进行必要的转换，给第一级计算机提供最佳给定值和最优控制量等各种控制信息。监 督计算机控制系统的系统结构如图 1-2所示。2分散型控制系统(DCS)

6、分散型控制系统是利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散 控制的一种新型控制技术。分散型控制系统一般由集中管理部分，分散控制监测部分和通讯部分组成。其中分散控制监测部分(即现场控制单元)，按地理位置分散于现 场，或集中安装在控制室，一般可控制1 个或数个回路，具有几十种甚至上百种运算 功能。分散型控制系统软件一般由实时多任务操作系统，数据库管理系统，数据通信 软件，组态软件和各种应用软件所组成。其中组态软件工具，可以按用户要求生成实 用系统。分散型控制系统与常规仪表控制，以及集中型计算机控制系统相比具有十分显著 的优点，具体表现在下面几方面：(1) 自律性极强的单元结构。即单元功

7、能齐全，可靠性极高，是个自治的系 统。(2) 完善的控制功能。有串级控制系统，前馈反馈复合控制系统，自适应 控制系统，多变量解耦控制系统等控制功能。(3) 统领全局的窗口功能。有CRT操作站(包括工程师接口和操作员接口)，以 及高速处理器和专用图形协处理器。用键盘、鼠标或球标器以及触摸屏幕进行操作， 可显示总貌，分组和单元等各种数据，模拟图、趋势图等各种画面，以及操作、报警 等各种信息。( 4)局部网络通信技术。过程控制系统引入先进通讯技术是其向分散型控制系 统发展的主要标志。保证实时控制信息传输，以及全系统的信息综合管理。( 5)强管理能力。( 6)高可靠性系统。广泛采用了冗余技术和容错技术

8、，各单元都具有自诊断、 自检查和自修复功能，以及故障自动报警功能。(7)系统构成灵活，扩展方便。采用模块、模件结构，可以灵活组建系统，具 有很强的通用性。二、分散型控制系统的分散控制分散型控制系统最基本特征是分散控制。即将自治的控制功能归入现场控制单 元，使其按一定的控制策略，长期可靠的自动进行。分散型控制系统分散控制的含义， 从广义上看，具有如下特点：1分散智能(控制功能)现场控制单元以微处理器为基础，不仅价廉而且性能高。常规或先进的控制算法， 甚至自整定控制的功能均能独立完成。2分散显示包含三方面的内容：( 1)现场控制单元可以与本地显示装置连接，随时显示现场信息；(2) 中央操作站具有显

9、示全系统任何一个分散过程点全部信息的能力；(3) 新一代的分散型控制系统，各个本地显示操作站，不仅可谓用其它本地显 示操作站信息，也可调用中央操作站信息，并进行分散显示。3分散数据库 现场控制单元可以设有本地数据库，同时兼为全系统共享；4分散通信由于采用局部网络的通信技术，使现场控制单元在网络中可互相通信，各单元具 有平等的通信控制权。5分散供电适应于现场控制单元分散于现场的需要，有利于系统可靠性的提高。6分散负荷一个现场控制单元，仅承担地理位置分散的系统中一小部分负荷的控制。三、分散型控制系统的信息综合管理及分层体系结构 分散型控制系统的主要控制特点是分散控制，但现代的发展趋势更注重于全系统

10、 的信息综合管理。分散型控制系统从层次上可分成四级（参见图 1-3）： 1直接控制级（过程控制级） 这级是分散型控制系统的基础。在这一级上，现场控制单元直接与现场各类装 置（如变送器、执行器和记录仪表等）相连，完成如下主要任务：图卜）集散型控制系统四层结柏模式（1）进行过程数据采集。即对被控设备中的每个过程量和状态信息进行实时采 集，保证数字控制，开环控制，设备监测，状态报告的过程等获得所需要的输入信息；（2）进行直接数字的过程控制。根据控制组态数据库、控制算法模块来实施连 续控制、顺序控制和批量控制；（3）进行设备监测和系统的测试和诊断。根据过程变量和状态信息，分析并确 定是否对被控装置实施

11、调节，并判断计算机系统硬件和控制板的状态和性能，在必要 时实施报警、错误或诊断报告等措施；（4）实施安全性、冗余化方面的措施。一旦发现计算机系统硬件或控制板有故 障，可及时切换到备用件，以确保整个系统安全运行。2过程管理级 在这一级上，过程管理计算机主要有监控计算机，操作员站和工程师站。它综合 监视过程各站所有信息，集中显示操作，控制回路组态和参数修改，优化过程处理等。 可完成的功能有：（1）优化过程控制。根据过程的数学模型以及所给定的控制对象，并且在优化 执行条件确保的条件下才能实施和达到优化控制，但即使在不同策略条件下仍能完成 对控制过程的优化；（2）自适应回时控制。在过程参数希望值的基础

12、上，通过数字控制的优化策略， 当现场条件发生改变时，经过过程管理级计算机的运算处理，得到新的设定值和调节 值并传送到直接过程控制层；（3）优化单元内各装置。根据单元内的产品、原材料、库存以及能源的使用情 况，以优化准则协调相互的关系；（4）通过获取直接控制层的实时数据以进行单元内的活动监视，故障检测存档， 历史数据存档，状态报告和备用。3生产管理级（产品管理级）在这一级上，管理计算机根据产品各部件的特点，协调各单元级的参数设定，是 产品的总体协调和控制者。在中小企业中，这级可能充当最高一级管理层。主要完 成的功能有：（1）具有比系统和控制工程更宽的操作和逻辑分析功能，可根据用户的订货情 况、库

13、存情况、能源情况来分析规划各单元中的产品结构和规模；（2）具有产品重新组织和柔性制造的功能，可以应付由于用户订货变化所造成 的不可预测事件。在一些较复杂的工厂还实施了协调策略；（3）具有综观全厂和产品监视，以及产品报告的功能，并与上层交互传递数据。 4工厂经营管理级 这一级居于中央计算机上，并与公司（或工厂）的经理部、市场部、计划部以及 人事部等办公室自动化连接起来，担负起包括工程技术方面、经济方面、商务方面和 人事方面等的总体协调和管理，实现整个制造系统的最优化。其典型功能为：（1）市场分析；（2）用户信息的收渠；（3）订货统计分析；（4）销售与产品计划；（5）合同事宜；（6）接收订货与期限

14、监测；（7）产品制进协调；（8）价格计算；（9）生产能力与订货的平衡；（10）订货的分发；（11）生产与交货期限的监视；（12）生产、订货和合同的报告；（13）财政方面的报告。112 分散型控制系统的发展及其基本结构70 年代以来，计算机控制系统逐渐向管理的集中化和控制的分散化方向发展。 到了 70 年代中期，微处理器高速发展，微机性能价格比不断提高。结合通信网络技 术，出现了若干微计算机通过网络连接而构成的大型计算机系统，使得整个系统的任 务可以分散进行，实现了计算机系统的分散化，从而大大降低了系统出现故障的风险。 分散化思想的日益成熟，计界机网络技术的发展，推动了分布式处理系统的发展。分布

15、式系统应用于工业控制领域，从而促进了分散型控制系统的发展。、计算机与模拟仪表混合式控制系统这是分散型控制系统的前期。由于集中型计算机控制暴露出的重大缺陷，促使其 向分散型方向转变。计算机与模拟仪表混合式控制系统基本结构参见图 1-4，其特点是：1现场控制功能是由传统模拟仪表实现。即使得模拟显示与操作器分离，通过 多芯电缆与调节仪相连，从而实现控制器向现场分散；2主计算机在中央控制室，接受调节仪表送来的信息，可显示过程参数，并具 有管理能力，而且可以根据对象的数学模型进行最优化设计，计算最优操作条件，最 后以最优工艺参数给模拟仪表设定值。典型系统有：FOXBORO公司的SPEC200系统。二、第一代分散型控制系统75 年美国最大仪表公司 Honey Well 首家率先推出综合分散控制系统 TDC2000， 从而使计算机控制进入了分散型控制系统的新纪元。这以后，美国、西欧及日本的一些著名公司开发了自己的第一代分散型控制系统。 如：日本横河公司的 CENTUM，美国贝雷控制公司的 Net work-90, FOXBORO公司 spectrum，英国肯特公司的P4000,德国西门子公司的Teleperm等等。第一代分散型控制系统的基本结构如图 1-5所示，它主要由五部分组成： 1过程控制单元（现场控制单元）2它是由CPU、I/O板、A/D和D/A板、多路