DCS与现场总线

DCS特点：
• 1）.采用分散控制﹑集中操作﹑分级管理﹑分而自 治和综合协调的设计原则，大大提高了系统的可 靠性； 2）.采用了4C技术： Computer﹑Control﹑Communication及CRT； 3）.由下而上形成多级控制结构：过程控制级﹑集 中监控级﹑生产管理级； 4）.采用网络方式实现各级间的信息传递。
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☞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。
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1.3.5 集散控制系统
采集非控制 过程信息
协调各控制站的工作 达到过程的动态最优化
人机接口装臵， 完成操作、显 示和监视任务
完成过程的现 场控制任务
集散控制系统是分布式结构系统。 实现了地理上和功能上分散的控制，将各个分散的信息集中 起来，进行集中的监视和操作。
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数据采集系 统
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现场总线控制 系统
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1.3.1 数据采集系统
计算机承担数据的采集和处理工作。 数据采集系统对生产过程各种工艺变量进行巡回检测、 处理、记录以及变量的超限报警。
同时对变量进行累计和实时分析。
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DAS系统的特点：
• 1).用于数据采集﹑处理﹑实现生产过 程集中监视； 2).越限报警，以确保生产安全；
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•
• •
1.3.6 现场总线控制系统
现场总线控制系统(FCS)，是新一代分布式控制结构，采用工 作站-现场总线智能仪表的二层结构模式。
工作站
服务器
现场数字传感器
现场数字执行器
现场数字控制功能模块
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FCS系统特点：
• • • • 1）采用一对N的设备连接方式﹑成本低。 2）实现了彻底的分散控制。 3）开放性与互操作性简化了系统的集成。 4）信息综合，组态灵活。
系统软件
软 件
应用软件
应用软件是用户根据要 解决的实际问题而编写 的各种程序。
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软件是指能完成各种功 能的计算机程序的总和.
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1.3 计算机控制系统的应用类型
计算机监督控 根据应用特点、控制功 分级控制系 能和系统结构，计算机 制系统 统 控制系统主要分为六种 类型 集散型控制 直接数字控 系统 制系统 计算机控制系统
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1.3.3 计算机监督控制系统(SCC)
用数字控制仪器代替，再配以输 入采样器、 A/D 转换器和 D/A 转换 器、输出扫描器，便是SCC加数字 控制器的 SCC 系统。当 SCC 计算机 出现故障时，由数字控制器独立 DDC 级微机完成生产过程的直接数字控制； SCC 级微机进 完成控制任务，比较安全可靠。 行优化分析计算，产生最优化设定值。
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☞ 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。
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2.1 集散控制系统产生的背景
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DDC特点
•
• •
•
1).进行数据采集﹑处理﹑报警，实现生产过 程集中监视； 2).计算机直接参与控制，实现过程闭环控制； 3).一台计算机可以替代多台PID模拟控制器， 实现多回路的控制，并易引入复杂控制算法和 方式，由软件编程实现即可，无需增加硬件设 备； 4).显示﹑控制集中，危险也集中（一旦计算 机出现故障，整个系统将瘫痪），对系统的可 靠性要求较高。
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1.2.1
硬件系统
工业控制机
生 产 过 程
指按生产过程控制的特 点和要求而设计的计算 机它包括硬件和软件两 部分。
生产过程
包括被控对象，测量变 送、执行机构、电气开 关等装臵。
图1.2
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计算机控制系统的组成框图
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将计算机的处理结果转 换成可以对被控对象进 包括磁盘、光盘、磁带， 包括显示操作台、屏幕 行控制的信号。 接收输入的指令和工业 生产过程包括被控对象， 从被控对象采集的模拟 主要用于存储大量的程 显示器 (CRT)或数码显 对象的信息，向系统各 测量变送、执行机构、 量或数字量信号转换为 序和数据。 示器、键盘、打印机、 部分发送命令和数据。 电气开关等装臵。 计算机能够接收的数字 记录仪等。 量
为集散系统或DCS。
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TPS系统结构图
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☞集散控制系统是控制技术 (Control) 、 计 算 机 技 术 (Computer) 、 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。
• ➢ 集散控制系统是一种典型的分级分布 式控制结构。 • ➢ 集散控制系统有计算机控制系统控制 算法先进、精度高、响应速度快的优 点．又有仪表控制系统安全可靠、维护 方便的优点。
• ➢ 集散控制系统容易实现复杂的控制规 律，系统是积木式结构，结构灵活，可 大可小，易于扩展。
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DCS的发展与基本组成
☞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
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☞ 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。 2014-6-30
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☞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臵，实行分散控制，增强了全系 统的安全可靠性。
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，轻则造成装臵或整个 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”。
•
•
3).计算机不直接参与控制，用于开环 操作指导。
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1.3.2 直接数字控制系统（DDC）
计算机通过过程输入通道对变量作巡回检测 模拟量输入 生 微 根据变量，按照一定的控制规律进行运算 数字量输入 型 产 计 其结果经过输出通道，作用到控制对象。 算 过 模拟量输出 机 程 数字量输出 显示 打印 磁盘
图1-6 TDC-3000系统构成图
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2.2 集散控制系统的基本构成
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• 1）DDC直接与过程相连，实现过程直接数字控制， 要求DDC级实时性好﹑可靠性高﹑环境适应性强； • 2）SCC级计算机也称上位机，它根据DDC级提供的 生产过程状况和已定的数学模型，进行优化分析﹑ 计算，输出最优设定值SP，交与DDC级执行。SCC 计算机承担高级控制和管理任务，要求数据处理功 能强﹑存储量大﹑运行速度快。 • 3）SCC为两级控制，系统的可靠性较DDC高。即一 旦SCC计算机出现故障，DDC计算机仍能独立完成 任务；而DDC计算机出现故障，则由SCC计算机替 代DDC计算机完成控制任务。
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☞ 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 ——TDC2000 （ 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。
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图1.2 计算机控制系统的组成框图
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•
工业控制机硬件：硬件是指计算机本 身及外围设备。
过程输出接 口
过程输入接 口
人机接口
计算机硬件
计算机
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存储器
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1.2.2
软件系统
是专门用来使用和管理计算机 的程序，包括操作系统、监控 管理程序、语言处理程序和故 障诊断程序等。
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(1) 装臵控制级 (DDC 级 ) 对生产 过程进行直接控制，使所控制的 生产过程在最优工作状况下工作。
(3) 工厂集中控制级 它可根据上 (4)企业管理级 制定长期发展现 级下达的任务和本厂情况，制定生 划、生产销计划，发命令至各工厂， 产计划、安排本厂工作、进行人员 并接受反馈信息，实现全企业的总 （2)车间监督级(SCC级) 它根据 调配及各车间的协调，并及时向上 调度。 厂级计算机下达的命令和通过装臵 级报告。 控制级获得的生产过程数据，进行 最优化控制。
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1.
计算机控制系统的组成
• 1.1 基本概念
• ☞计算机控制系统是用计算机 (通常称为 工业控制计算机 )来实现工业过程自动控 制的系统。
什么是自动控制? 自动控制系统由 哪些部分组成?
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计算机 设定值
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被控变量
控制器 D/A
执行机构
被控对象
A/ D
测量变送
图1.1 计算机闭环控制系统结构图
磁盘
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1.3.2 直接数字控制系统（DDC）
采用计算机代替模拟仪表控制，只要改变 程序就可以对控制对象进行控制，因此计算机 可以控制几百个回路，并可以对上下限进行监 视和报警。
工业生产现场环境恶劣，干扰频繁，直接威胁着计算机的可靠 运行。因此，必须采取抗干扰措施。
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DCS与现场总线
主讲：卢均治
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第一章DCS系统概述及与PLC的关系
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学 习 目 标
• ➢知识点：
• ●了解计算机控制系统的基本概念及其分 类 • ●了解DCS的概念、现状及发展 • ●掌握DCS的基本组成及特点
• ●理解DCS和PLC 之间的关系
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计算机控制系统的工作原理
可归纳为以下三个步骤：
(1) 实时数据采集 对测量变送装臵输出的信号 经A/D转换后进行处理。 (2) 实时控制决策 对被控变量的测量值进行分析、 运算和处理，并按预定的控制规律进行运算。 (3) 实时控制输出 实时地输出运算后的控制信号，经 D/A转换后驱动执行机构，完成控制任务。 上述过程不断重复，使被控变量稳定在设定值上。
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SCC特点
1.3.4 分级控制系统
• • • 生产过程中既存在控制问题，也存在大 量的管理问题。 由若干台微处理器或微机分别承担部分控制 任务，代替了集中控制的计算机。 这种系统的特点 是将控制功能分散，用多台 计算机分别完成不同的控制功能，管理则采用集 中管理。
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