集散控制系统与现场总线技术-2008-1-绪论

1.1.3 计算机控制系统的分类
工 计 A/ D 转 换 器 采 样 器 测 量 元 件 业 算
对 机 显示终端 象
打印机 图 1- 5 数据采集系统
数据采集系统(Data Acquisition System)--是计算机应用于生产过程 控制最早、也是最基本的一种类型，如图1-5所示。生产过程中被控对象的 大量参数经测量变送仪表发送和A/D通道或DI通道巡回采集后送入计算机， 由计算机对这些数据进行分析和处理，并按操作要求进行屏幕显示、制表 打印和越限报警。
测量 控制
生 产 过 程
(b) S CC+ DD C控制系统 图1-8 监督计算机控制系统的两种结构形式
1.1.3 计算机控制系统的分类

分散控制系统--是以微处理器为基础，借助于 计算机网络对生产过程进行集中管理和分散控制 的先进计算机控制系统。由于早期开发的分散控 制系统在体系结构上具有分散式系统的特征，因 此国外将该类系统取名为分散控制系统，国内y一 般将其称为集散型控制系统，或者是分布式控制 系统。分散控制系统简称为DCS。DCS 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。它的结构组成如图1-9所示。
计算机基本系统 CPU 主机 系 RAM ROM 统 常规 外部 设备 输入设备 输出设备 外存储器 通信设备 操作台 接口 接口 接口 接口 接口 线 接口 开关输出 象 总 接口 开关输入 对 接口 D /A 转换 驱动执行 业 接口 过程输入输出通道 A / D 转换 测量变送 工
图1-3
图1-4 计算机控制系统硬件组成框图 计算机控制系统硬件组成框图
集散控制系统又称分布式计算机控制系统，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，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，综合了4C技术 ---- 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。
1.1.3 计算机控制系统的分类
操作指导控制系统--是基于数据采集系统的 一种开环结构，如图1-6所示。计算机根据采集到 的数据以及工艺要求进行最优化计算，计算出的 最优操作条件，并不直接输出控制被控对象，而 是显示或打印出来，操作人员据此去改变各个控 制器的给定值或操作执行器，以达到操作指导的 作用。它相当于模拟仪表控制系统的手动与半自 动工作状态。OGC系统的优点是结构简单，控制灵 活和安全；缺点是要由人工操作，速度受到限制， 不能同时控制多个回路。
1.1.3 计算机控制系统的分类
工 计 A/ D 转 换 器 采 样 器 测 量 元 件
业
算
对 机 显示终端 控 制 仪 表 象
打印机
图1-6 操作指导控制系统
1.1.3 计算机控制系统的分类
直接数字控制系统--是用一台计算机不仅完成对多
个被控参数的数据采集，而且能按一定的控制规律进行实 时决策，并通过过程输出通道发出控制信号，实现对生产 过程的闭环控制。为了操作方便，DDC系统还配置一个包 括给定、显示、报警等功能的操作控制台。DDC系统中的
1.1.1 计算机控制系统的一般概念
f 干扰 + e 给定值 _ 偏差 z 测量值 r u
控制作用 控制器 执行器
q
执行变量
被控对象
y
被控量
测量变送器 图1-1(a) 闭环控制系统
闭环控制系统--闭环控制系统中，测量变送器对被控对象进行检
测，把被控量如温度、压力等物理量转换成电信号再反馈到控制器中，控 制器将此测量值与给定值进行比较形成偏差输入，并按照一定的控制规律 产生相应的控制信号驱动执行器工作，执行器产生的执行变量使被控对象 的被控量跟踪趋近给定值，从而实现自动控制稳定生产的目的。这种信号 传递形成了闭合回路，所以称此为按偏差进行控制的闭环反馈控制系统。
应配置数据处理能力强，存储容量大的高档计算机。
1.1.3 计算机控制系统的分类
S CC 工艺数据 显示 打印 报警 计 算 机 采集 给定值 模 拟 控 制 器 测量 控制 生 产 过 程
(a) S CC+模拟控制器系统
工艺数据 显示 打印 报警
SCC 计 算 机
采集 给定值
DDC 用 计 算 机

第1章 绪论
1.1 计算机控制系统基础知识 1.2 集散控制系统（DCS）概述

1.1 计算机控制系统基础知识
1.1.1 计算机控制系统的一般概念 1.1.2 计算机控制系统的分类

1.1.1 计算机控制系统的一般概念
计算机控制技术--是把计算机技术与自动 控制技术融为一体的一门综合性技术，是 以计算机为核心部件的过程控制系统或运 动控制系统。 从计算机应用的角度出发，自动化控制工 程是其重要的一个应用领域；而从自动化 控制工程来看，计算机技术又是一个主要 的实现手段。
1.1.1 计算机控制系统的一般概念
r
给定值 控制器
u
控制作用
执行器
q
执行变量
被控对象
y
被控量
图1-1(b) 开环控制系统

开环控制系统--不同于闭环系统，它不需要被控对象的
测量反馈信号，控制器直接根据给定值驱动执行器去控制 被控对象，所以这种信号的传递是单方向的。开环控制系 统不能自动消除被控量与给定值之间的偏差，其控制性能 不如闭环系统。
1.1.3 计算机控制系统的分类
至其它工厂 企业级 经营管理计算机 至其它工厂 工厂级 集中控制计算机
车间级监控计算机（SCC）
车间级监控计算机（SCC）
装置控制级（DDC）
装置控制级（DDC）
装置控制级（DDC）
装置控制级（DDC）
工厂对象A
工厂对象B
工厂对象C
1.2.2 集散控制系统的发展过程
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
1.2.2 集散控制系统的发展过程

第一阶段（1975年—1980年）
— 代表产品主要有美国Honeywell公司的
TDC2000，Baily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、 CRT操作站、监控计算机和数据高速公路HW五部分 组成
集散控制系统与 现场总线技术
孙进生 sunjinsheng@ 2009.3
课程简介
类别：专业选修 考核方式：考查（大作业+答辩） 学时：48 （42 + 6）

其中：讲课-26，上机讲课-10， 讨论-4， 考查-2，

实验-6
学分：3
课程简介
教材：《集散控制系统》刘翠玲 主编 参考教材： 《集散控制系统原理及其应用》 赵众 等编著 电子工业出版社 2007 《分布式控制系统（DCS）设计与应用实例》 王常力 主编 电子工业出版社 / 先修课程：自动控制原理、数据通信与网络、 PLC、过程控制工程、计算机控制系统（技术）、 检测技术与仪表 后续教学环节：工控组态软件、毕业设计
1.2.2 集散控制系统的发展过程

第三阶段（1985年—1990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
1.1.3 计算机控制系统的分类
图1-9 FCS
1.1.3 计算机控制系统的分类
图1-9 FCS
1.2 集散控制系统（DCS）概述
1.2.1 DCS的基本概念 1.2.2 DCS的发展过程 1.2.3 DCS的基本组成 1.2.4 DCS的特点 1.2.5 DCS的发展方向

1.2.1 集散控制系统的概念
1.1.1 计算机控制系统的一般概念
计算机控制系统硬件一般包括：
主机--CPU ＋RAM＋ROM＋系统总线
常规外部设备--输入/输出设备、外存储器等
过程输入输出通道—AI、AO、DI、DO 操作台—CRT、LED、LCD
等
通信设备—交换机、Modem、集线器等
1.1.1 计算机控制系统的一般概念
1.1.1 计算机控制系统的一般概念
控制计算机 生产过程
r +
给定值
e
偏差
计算机
-
D/A
u
控制 作用
执行器
q
操纵 变量
被控对象
y
被控量
A/D
z
测量值
测量变送器
图1-2 计算机控制系统原理图 图1-3 计算机控制系统原理框图

计算机控制系统--是把图1-1中的控制器用控制计算机代 替，即微型计算机与A/D（模/数）转换接口及D/A（数/模） 转换接口）。由于计算机内部采用的是数字信号，而测量 仪表及执行器多采用模拟信号，因此需要有A/D转换器将 模拟量转换为数字量作为其输入信号，以及D/A转换器将 数字量转换为模拟量作为其输出信号。
1.1.1 计算机控制系统的一般概念
图1-3
计算机控制系统硬件组成框图
1.1.1 计算机控制系统的一般概念
计算机控制系统软件
硬件仅为计算机控制系统的躯体。要使计算机正确地运行以解决各种 问题，必须为它编制软件。
所谓软件是指完成各种功能的计算机程序的总和，它是计算机控制系 统的神经中枢，整个系统的动作都是在软件程序指挥下协调工作的。
1.1.3 计算机控制系统的分类
监督计算机控制系统即SCC--是OGC系统与常规
仪表控制系统或与DDC系统综合而成的两级系统，如图18所示。显然，这属于计算机在线最优控制的一种形式。 当上位机出现故障时，可由下位机独立完成控制。下位 机直接参与生产过程控制，要求其实时性好，可靠性高
和抗干扰能力强；而上位机承担高级控制与管理任务，
1.1.1 计算机控制系统的一般概念
计算机控制系统的执行过程： a.实时数据采集--对来自测量仪表的被控量的瞬
时值进行采集和输入 ； b.实时数据处理--对采集到的被控量进行分析、 比较和处理，按一定的控制规律运算（如PID）， 得出控制决策； c.实时输出控制--根据控制决策，适时地对执行 器发出控制信号，完成控制任务。
一台计算机不仅完全取代了多个模拟调节器，而且在各个
回路的控制方案上，不改变硬件只通过改变程序就能有效 地实现各种各样的复杂控制。
1.1.3 计算机控制系统的分类
显示
计
打印机 算 报警 机
过程输入 A D （ / D ， I）
生
产
过 过程输出 D D （ /A ， O） 程
操作台
图1-7 直接数字控制系统

1.1.1 计算机控制系统的一般概念
计算机控制系统是由常规仪表控制系统演变而来 的; 常规仪表组成的自动控制系统根据不同的控制要 求，一般分成闭环控制(图1-1a所示)与开环控制 (图1-1b所示)两种结构形式;
计算机控制系统原理组成—用控制计算机代替图 1-1的控制器，如图1-2所示。
1.1.3 计算机控制系统的分类
图1-9 分布式控制系统
1.1.3 计算机控制系统的分类
现场总线控制系统即FCS--是新一代分布式控制结构。 该系统改进了DCS成本高和由于各厂商的产品通信标准不统 一而造成的不能互联等弱点，采用集管理控制功能于一身的 工作站与现场总线智能仪表的二层结构模式，把原DCS控制 站的功能分散到智能型现场仪表中去，形成一个彻底的分散 控制模式。它的结构组成如图1-10所示。每个现场仪表(例 如变送器、执行器)都作为一个智能节点，都带CPU单元，可 分别独立完成测量、校正、调节、诊断等功能，靠网络协议 把它们连接在一起统筹工作。
软件通常分为系统软件和应用软件两大类；系统软件一般由计算机厂 家提供，专门用来使用和管理计算机本身的程序；应用软件是用户针 对生产过程要求而编制的各种应用程序。
1.1.2 计算机控制系统的分类
数据采集系统 DAS 操作指导控制系统 OGC 直接数字控制系统 DDC 监督计算机控制系统 SCC 集散控制系统 DCS 现场总线控制系统 FCS