工业过程先进控制概述石红瑞

现场总线控制系统FCS的主要特征
1. 数字通讯代替4~20ｍＡ模拟传输，数字通讯网络延 伸到工业过程现场；
2. 智能现场设备：智能变送器完成测量、变送基本功 能，还具有自诊断、报警，再现标定、PID调节、 信号处理、通信等功能，可实现多参数传感变送器。
3. 开放的互联网络：协议公开、互操作性、互用性。 4. 系统结构的高度分散性：总线仪表集检测、运算、
9、其他类型现场总线
• HART协议，用于现场智能仪表和控制 是设备间通信的一种开放协议，属于模 拟系统向数字系统转变过程中过渡性产 品，其特点是在现有模拟信号传输线上 实现狮子信号通信。 HART协议最早由 Rosemount公司开发并得到E+H，Moor, AB,Siemens,Smar和横河等许多著名仪表 公司的支持。
多变量频域
随机过程 非线性系统
3、检测控制仪表的发展
• 50’，基地式仪表（电子真空管），自力 式温度调节，就地式液位控制
• 60’，单元组合（气动、电动） QDZ ：0.02~0.1MPa 标准信号 DDZП：0~10mA标准信号 DDZШ ：4~20mA、1~5V 标准信号
DDZ仪表与数字调节器
• 研究内容：可控性、可观性、实现问题、 典范型、分解理论、稳定性理论
• 使控制由一类工程设计方法提高到新的 科学----控制科学。相继出现了系统辨识 与参数估计、随机控制、自适应控制、 鲁棒控制等。
• 航空、航天、制导成绩辉煌，复杂工业 过程无能为力。
80~90’，大系统理论与智能控制
• 大系统理论：控制理论广度挖掘 研究大系统的分解及各子系统的协调，多
DCS的体系结构——Siemens
工程师 站
打印服
AB PLC控制系统 ControlNet 操作工 局域 操作工
站
网
站
务器
打 打 操作室
印印
机机
I/O I/O I/O I/O
I/O I/O
电 源
处 理 器
适 配 器
冗 余 模 块
电 源
处 理 器
适 配 器
冗 余 模 块
电 源
适 配 器
电 源
适 配 器
• 利用PROFIBUS总线构成的系统体系结构大致可分为 现场级、车间级和工厂及三层，现场级采用 PROFIBUS-DP 或PROFIBUS-PA现场总线，车间级采 用PROFIBUS-FMS ，工厂级使用Industrial Ethernet。
4、Type4 现场总线
• Type 4 现场总线得到了P-NET(Process automation NET)用户组织的支持。PNET是丹麦Process-Data Sikebory Aps从 1983年开始开发，主要用于啤酒、食品、 农业和饲养业，现已成为欧洲EN50170 标准的第二部分。
90’，现场总线控制系统FCS
(Fieldbus Control System)
• 国际电工技术委员会IEC和美国仪表协 会ISA定义：
“现场总线是连接智能现场设备和自动化 系统的数字式、双向传输、多分枝结 构的通讯网络；关键标志：支持双向、 多节点、总线式的全数字通信。”
• 关键技术：智能现场仪表与通讯网络。
务，既提高了效率，又降低了成本。且
PC上的PLC具有在线调试和仿真功能， 极大地改善了编程环境。
八种现场总线列为国际标准
1、Type 1 基金会总线FF 低速总线H1,用于现场级，能够通过总 线为现场仪表供电，并支持带总线供 电设备的本质安全 高速总线H2，主要用于过程控制级、远 程I/O和其他高速数据传输的应用。
级递解与优化控制。 • 智能控制：控制理论深度开阔 模拟人类智能，模拟人脑的神经体液系统、
人脑对模糊变量的处理能力。 内容包括：神经网络、模糊控制、专家系
统
21’，网络控制
• 基于网络的控制系统是指传感器、控制器、 执行器等通过实时网络构成闭环的反馈控制 系统。其特征是系统各组件之间可以通过网 络交换信息
5、Type5 现场总线
• Type5 现场总线即为IEC定义的H2总线， 它由Fieidbus Foundation现场总线基金会 组织负责开发，并于1998年全面采用已 广泛应用于IT产业的高速以太网 HSE(High Speed Ethernet)标准。
6、Type6 现场总线
• SwiftNet是IEC61158中的第六种现场总 线国际标准，它由美国SHIP STAR协会 主持制定，得到美国波音公司的支持， 主要用于航空和航天等领域。该总线的 特点是结构简单、实时性高，通信协议 仅包括了物理层和数据链路层，在标准 总没有定义应用层。
• （2）FCS具有开放性。在FCS中，软件 和硬件都遵从同样的标准，互换性好， 更新换代容易。程序设计采用IEC1131-3 五种国际标准编程语言，编程和开发工 具是完全开放的，同时还可以利用PC丰 富的软硬件资源。
• （3）系统的效率大为提高。在FCS中， 一台PC可同时完成原来要用两台设备才 能完成的PLC和NC/CNC任务。在多任 务的Windows NT操作系统下，PC中的 软PLC可以同时执行多达十几个PLC任
3、Type3 现场总线----PROFIBUS
• 德国西门子公司是PROFIBUS产品的主要供应商， PROFIBUS为现场总线的欧洲EN50170标准的第二部 分。
• PROFIBUS是一种车间级监控和现场设备级数据通讯 的现场总线技术，有三个兼容部分组成： PROFIBUS-DP PROFIBUS-FMS PROFIBUS-PA
• 化学反应设备， 如连续槽反应器 CSTR(Continous Stirred-Tank Reactor)
2、任务
• 在了解和掌握生产过程、工艺流程静动 特性的基础上，应用控制理论对过程控 制系统进行分析和综合，即方案设计， 最后采用适宜的技术加以实现。（自动 控制系统的设计和实现）
• 要求：安全性、经济性和稳定性。 • 安全型：报警和联锁保护系统(ESD) • 经济性：节能降耗、环境保护 • 稳定性：抑制干扰、长期稳定运行
70’, 计算机控制系统
• 集散控制系统DCS (Distributed Control System)
• 可编程序控制器PLC (Programmable Logic Controller)
• 数字调节器（早期称单回路调节器） • 工业控制计算机
DCS的演变
DCS体系结构——横河CS3000
品和工具构成一个完整的针对流程和生产过 程的解决方案。
二、过程控制系统的发展
1、被控对象（生产过程） 简单---复杂---大型---连续---优化生产过程
（卡边：优质、高产、低能耗） 对象特性：非线性、时变、分布参数、多
变量耦合、滞后等
2、控制理论的发展
40’： 经典控制理论 系统描述：传递函数 分析设计方法：根轨迹、Bode图 研究对象：SISO、线性定常 控制方案：PID、串级、前馈等 经典控制理论亦称古典频域方法
1、研究对象：
六大参数的工业控制问题 温度(T) 、压力(P)、液位(L) 、流量(F)、
成分和物性(A)。 范围：石油、化工、冶金、电力、轻工、
纺织等工艺工程。 划分：连续过程、间歇过程或称批量过程
（Batch Process)
典型被控对象（过程）：
• 物料贮存（液体贮存）
• 热量或质量交换（换热器、精馏塔等）
60~70’，现代控制理论
核心：状态空间 内容包括： • 以最小二乘法为基础的系统辨识； • 以极小an 滤波理论为核心的最佳估计。 采用Kalman 滤波器的随机干扰下的线性
二次型系统(LGQ) 宣告时与方法的完成。
• 研究对象：MIMO、线性时变
• 研究基于网络的控制系统的各种性能。 如：网络络控制系统的时延分析；
网络控制系统的稳定性分析； 网络控制系统的能控性和能观性； 网络控制系统的状态估计； 网络控制系统的随机状态反馈。
工业过程控制理论
系统 描述 控制系统 设计方法
频域
传递函数 （非线性→线性化）
描述函数 相平面
根轨迹 伯德图 奈氏判据
CPU
Adaptor 电 源
适 配 器
隔离配 电器
冗余通信 远程I/O 远程I/O
远程I/O 保 险
信号线
继
电
保
器
险
控制柜间
WT AI PT
M AO M 开关 DI
S DO S 生产现场
图3-5：控制系统构成图
丁基生产线工艺流程窗口
报警汇总和事务日志窗口
XV603P1气动开/关阀的顺序和 安全联锁梯形图程序
Type1 FCS结构示意图
管理层PC 操作站
PLC等其他 控制站
网络服务器
Ethernet TCP/IP
网关
H2(HSE)
网桥
H1低速现场总线
2、Type2 现场总线----ControlNet
• ControlNet现场总线，技术基础Rockwell Automation
• Rockwell自动化网络总称Netlinx， 具有 三层网络结构：信息层(Ethernet)、控制 层(ControlNet)和设备层(DeviceNet)。
• （1）在FCS中，借助于现场总线技术，所有 的I/O模块均放在工业现场，而且所有的信号 通过分布式智能I/O模块在现场被转换成标准 数字信号，只需一根电缆就可把所有的现场
子站连接起来，进而把现场信号非常简捷地
传送到控制室监控设备上，降低了成本，又
便于安装和维护，同时数字化的数据传输使
系统具有很高的传输速度和很强的抗干扰能 力。
控制科学与工程（一级学科， 博士点）
下设二级学科 • 控制理论与控制工程（博士点） • 模式识别与智能系统（博士点） • 检测技术与自动化装置（硕士点） • 系统工程（硕士点） • 导航制导
一、过程控制（Process Control) 的研究对象和任务
工业自动化涉及的范围极广，过程控制是 其中最重要的一个分支。
7、Type7现场总线
• 成立于1987年的WorldFIP协会制定并大 力推广Type7现场总线，WorldFIP协议 现已成为欧洲EN50170标准的第三部分。
8、Type8现场总线
• Interbus 现场总线由德国 Phoenix Contact 公司开发，得到了Interbus俱乐部支持。 它是一种串行总线系统，适用于分散输 入/输出，以及不同类型控制系统间的数 据传送。
• LonWorks总线
LonWorks技术的核心是具备通讯和控制 功能的Neuron芯片,它实现了完整的 LonWorks的LonTalk协议，由神经芯片 构成的节点之间可以进行对等通信。神 经元芯片上集成有介质访问处理器、网 络处理器和应用处理器三个８位CPU。
控制于一体，把DCS控制站的功能分配给现场仪表， 构成一种全分布式控制系统体系结构。 “开放性、分散性与数字通信”是现场总线最显著的特 征。更好地体现“信息集中、控制分散的思想。”
FCS与传统PLC 配置方式的比较
FCS对计算机控制系统的影响
传统的计算机控制系统一般采用DCS结构。 在DCS中，对现场信号需要进行点对点的连接， 并且I/O端子与PLC或自动化仪表一起被放在 控制柜中，而不是放在现场。这就需要铺设 大量的信号传输电缆，布线复杂，既费料又 费时，信号容易衰减并容易被干扰，而且又 不便维护。DCS一般由操作员站、控制站等组 成，结构复杂，成本高。而且DCS不是开放系 统，互操作性差，难以实现数据共享。而基 于PC的FCS则完全克服了这些缺点。
3、过程控的体系结构
控制理论 仪表与计算机 过程控制系统 过程(对象)
4、过程控制系统的组成
干扰信号
扰动
指令信号 (设定值)
控制器C(s)
执行器 Gv(s)
被控参数
对象Gp(s)
加热蒸汽 被加热介质
TC
测量变送器Gm(s)
测量噪声
换热器温度控制系统
（德国）2020自动化技术是下列技术： • 电子电气技术（Electronic Electric ,EE） • 机电一体化技术 • 生产工艺流程 • 计算机和IT技术 • 传感器和变送器 • 驱动和执行系统 • 通信技术的综合 自动化控制系统是运用和应用自动化技术、产
控制器
PID控制 前馈、串级
解耦
Smith 自整定PID
时域
状态方程（连续 →离散化） 离散状态方程
优化控制 极点配置 动态规划 黎卡提方程
多变量控制器 状态观测器 Kalman滤波器 内模控制 预测控制 模型参考自适应 (鲁棒控制)
系统辨识 (建模方法)
频率响应 瞬态响应 相关分析
最小二乘 广义最小二乘 极大似然法