分布式控制系统概述.ppt

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1、分布式控制技术 及其应用 Your site here 任课课教师师及学习习班级级 v教师姓名：邓娜 v联系方式：67791238 v班级代号：0231101 v班级人数：43人 v上课时间：周一、周三7-8节 v上课地点：C110 v上课周次：1-16周 Your site here 课课程概况 v课程性质：专业特色课 v学时： 64 v学分： 4 v课程序号：0279 v课程代码：020338 v前期课程：模拟电路、数字电路、自动控制理论 、 计算机语言、通信理论、单片机控制 、 电机学等 v考试考查：考试 Your site here Contents 分布式系统构成及指令 现场总线和数

2、据通信 可编程序逻辑控制方法 3 概述 1 2 4 5常规控制算法 Your site here Contents (2) 现场控制站 操作和显示 DCS工程设计与应用 8 现代控制方法 6 7 9 10 Your site here 第一章 概述 本章知识点 1.分布式控制系统的概念 2.分布式控制系统的组成、结构 3.分布式控制系统的特点 4.分布式控制系统的体系结构 和技术特点 5.分布式控制系统的发展 分布式计算机控制系统又称集散控制系统，简称 DCS（Distributed Control System) 它是一个为满足大型工业生产和日益复杂的过程 控制要求，从综合自动化的角度出发，

3、按功能分散 、管理集中的原则构思，采用多层分级、合作自治 的结构形式，综合计算机（Computer）、通信（ Communication）、终端显示（CRT）和控制（ Control）技术而发展起来的新型控制系统 一、概念 第一节 DCS概念 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。 集散控制系统是控制技术 (Control)、计算机技术 (C

4、omputer)、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。 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，巳被广泛应用于石油、化工、电力、冶金和轻工等 工业领域。 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

5、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”。 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

6、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。 20 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。 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

7、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。 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。 智能变送器具有数字通信能力，通过现场总线

8、与过程 控制站或与局部网络节点相连接。在控制室或本节点 工作站中便可对现场的智能变送器进行调零、调量程 、组态、自动标定、自动诊断及自动排除故障等操作 。 扩展期DCS的代表产品有：Honeywell 的 TDC- 3000/PM，YOKOGAWA 的 CENTUM-XL，Foxboro 的 I/A S，Bailey Control 的 INFI-90 等。 从DCS三十多年的发展历史中可以清楚地看到，正是计算机技术 、屏幕显示技术、控制技术、网络和通信技术的不断发展，才推 动了DCS的不断更新换代。今后 DCS 的发展仍将继承集中监视 管理和分散控制这一理念。向着更大范围的集中管理和更加彻底

9、 的分散控制两个方向发展，即向着计算机集成制造系统 (Computer Integrated Manufacturing System，CIMS)、计算机 集成过程系统 (Computer Integrated Proces System，CIPS) 方 向和现场总线控制系统(Fieldbus Control System，FCS)方向发 展。 二、组成 集散控制系统是一微处理器和网络为基础的集 中分散型控制系统。它包括控制站、操作站、 通讯系统和工程师站。 控制站 操作站 工程师站 通讯系统 第二节 DCS组成 网络拓扑结构 第二节 DCS组成 1.控制站： 完成系统的运算处理控制。它有两部

10、分组成： 1. 逻辑部分：主CPU+内存等，用于数据的处理、 计 算和存储部分。 2.现场部分：现场I/O部分、用内部并行总线、 Multibus、VME、STD，PCI等。现逐步用内部串 行总线，如CAN、Profibus、Devicenet等。 第二节 DCS组成 DeviceNet Foundation Fieldbus 第二节 DCS组成 2.操作站： 完成人机界面功能、供操作员操作监视。 1. 画面种类：流程图、总貌、控制组、调整趋 势、报警归档等。 2. 宝钢高炉控制系统：800多幅流程图画面（操 作）、200多幅报警画面。 第二节 DCS组成 第二节 DCS组成 第二节 DCS组

11、成 第二节 DCS组成 第二节 DCS组成 第二节 DCS组成 3.工程师站： 1.用于组态（离线） 2.在线修改+操作。 4.通讯系统： 1.系统网络：以太网（I/A），100Mbps，256个节点。 2.现场总线网络： 64个节点、与RS232C等同、且能离站 互联、可实现点对点（Peer to Peer）、500Kbps。 第二节 DCS组成 2 集散控制系统的基本构成 综观各种集散控制系统，尽管其品种规格繁多，设计 风格各异，但大多数都包含有分散过程控制装置、集 中操作管理装置和通信系统等三大部分。分散过程控 制装置是DCS与生产过程联系的接口，按其功能又可 分为现场控制站（简称控制站

12、）和数据采集站等。 集中操作管理装置是人与DCS联系的接口，按其功能 又可分为操作员工作站（简称操作站）、工程师工作 站（简称工程师站）和监控计算机（又称上位机）等 。通信系统（又称通信网络）是DCS的中枢，它将 DCS的各部分连接起来构成一个整体。因此，操作员 站、工程师站、监控计算机、现场控制站、数据采集 站和通信系统等是构成DCS的最基本部分，如图1 所 示。 图1 集散控制系统的基本构成 (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

13、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。 (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情况。 (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。 (4)现场控制站 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。现 场控制站可控制多

14、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。 (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。 (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。 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

15、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，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。 三、主要特点 特点：集中管理和分散控制 1.整个生产过程的全部操作、显示集中在同一个操 作站进行； 2.用多个微处理器分散承担生产过程的控制，每个 微处理器只控制少量回路。 第三节 DCS特点 四、体系结构和技术特点 1、体系结构 随着计算机系统和网络技术的发展与企业管理科学（扁平 化少层次结构）的进展，人们根据功能把整个企业集团的 综合自动化与管理功能划分为四层结构：现场仪表和执行 机构层

16、，装置控制层，工厂监控与管理层和企业经营管理 层。 第四节 DCS体系结构和技术特点 图A 体系结构 第四节 DCS体系结构和技术特点 2.技术特点 多网络协议支持的拓扑结构 第四节 DCS体系结构和技术特点 分散控制：递级控制结构 第四节 DCS体系结构和技术特点 l分散控制：支持多种现场总线 第四节 DCS体系结构和技术特点 五、DCS的发展 第一阶段（1975年1980年） 代表产品主要有美国Honeywell公司的TDC2000， Bailey公司的Network90，Foxboro公司的Spectrum，日本横 河公司的Centum等 主要由过程控制单元PCU、数据采集装置DAU、

17、CRT操作站、监控计算机和数据高速公路HW五部分组成 VNET/IP由日本横河Yokogawa开发，该协议的实时扩展是实时可靠数据报 协议(Real-time amp; Reliable Datagram Protocol，RTP)，在传输层采用UDP 协议，但在IP栈协议层进行了优化以实现冗余网络联结 第五节 DCS发展 公司代表产品所属国家 HoneywellTDC-2000美国 BaileyNetWork-90美国 FoxboroSpectrum美国 SiemensTeleperm M德国 YOKOGAWA(横河)Centum日本 TOSHIBA(东芝)TOSDIC日本 表 1 DCS第

18、一代代表一览表 第五节 DCS发展 第二阶段（1980年1985年） 主要代表产品有Honeywell公司的TDC3000， 日本横河公司的Centum A，B，D等 主要由局部网络LAN、多功能控制器MC、增 强型操作站EOS、通用操作站US、网间连接器GW、系 统管理模块SMM和主计算机HC七部分组成 第五节 DCS发展 表 2 DCS第二代代表一览表 公司代表产品所属国家 HoneywellTDC-3000美国 Leeds & NorthropMAX1美国 TaylorMOD300美国 Westing House(西屋)WDPF美国 Fisher-RosemountPROVOX美国 YO

19、KOGAWA(横河)Centum A,B,C日本 第五节 DCS发展 第三阶段（1985年） DCS向计算机网络控制扩展，将过程控制、监 督控制和管理调度进一步结合起来，并且加强断续系统功 能，采用专家系统和开放系统互连参考模型为基础的制造 自动化协议MAP标准，以及硬件上的诸多新技术，从而克 服了自动化孤岛问题。 典型产品有Honeywell公司的TDCS3000，日本 横河公司的Centum-XL，Bailey的INFI-90等。 第五节 DCS发展 表 3 DCS第三代代表一览表 公司代表产品所属国家 Foxboro I/A Series美国 HoneywellTDC-3000/UCN美

20、国 Leeds & NorthropMAX1000美国 BaileyINFO-90美国 Westing House(西屋)WDPF-II/III美国 YOKOGAWA(横河)Centum-XL日本 第五节 DCS发展 六、几个概念 OSI参考模型 第七层：应用层（Application Layer） 定义了用于在网络中进行通信和数据传输的接口 - 用户程式； 第六层：表示层（Presentation Layer） 掩盖不同系统间的数据格式的不同性；指定独立结构的数据传输格式； 第五层：会话层(Session Layer) 管理用户会话和对话；控制用户间逻辑连接的建立和挂断；报告上一层 发生的错

21、误。 第六节 OSI模型 第四层：传输层(Transport Layer) 管理网络中端到端的信息传送；通过错误纠正和流控制机制提供可靠的 数据包传送； 第三层：网络层(Network Layer) 定义网络设备间如何传输数据；根据唯一的网络设备地址路由数据包； 第二层：数据链路层(Data Link Layer) 定义操作通信连接的程序；封装数据包为数据帧；监测和纠正数据包传 输错误。 第一层：物理层(Physical Layer) 定义通过网络设备发送数据的物理方式；作为网络媒介和设备间的接口 ； 第六节 OSI模型 通过 OSI 层，信息可以从一台计算机的软件应用程序传输到 另一台的应用程序上。 第六节 OSI模型 VME总线