DCS集散控制系统复习考纲(华东理工大学版)

一、集散系统的主要特性
A．Total Distributed Control System, TDCS, 又称分布式控制系统。

B．主要特性：集中管理、分散控制
C．第一个集散控制系统是1975年首先由美国霍尼威尔（Honeywell）公司推出TDCS200
集散控制系统产生的原因：
A．模拟仪表难以胜任生产规模的不断扩大
B．常规模拟仪表存在难以克服的弊病：1.控制功能过于单一，难以实现复杂控制的功能 2.难以集中操作和监视
C．仪表控制系统应适应工业技术发展的要求
D．计算机集中控制的风险太大
E．系统上下及子系统之间的通信联系要求越来越高（数据传输速率、数据通信质量）
二、集散系统的基本结构
A．分散过程控制装置
B．集中操作和管理装置
C．通信系统
三、开放系统的主要特征
以规范化和时间存在的接口标准为依据而建立起来的计算机系统、网络系统及相关的通信系统
A．可移植性
B．互操作性
C．可适宜性
D．可得到性
四、DCS的发展方向
A．垂直方向向上发展：MES，ERP
B．垂直方向向下发展（现场级）：向FCS现场总线控制系统发展
C．无线连接
D．网络化（工业以太网“一网到底”，管理层—现场控制层）
E．功能安全
F．标准化（编程语言的标准化、人际界面、硬件标准）
国产DCS的未来发展方向
A．国产DCS必须在继续拓展中小型项目市场的同时，提高自身的综合素质，积极进入大型工程项目
B．国内DCS企业应以DCS技术为核心，向工业自动化综合企业发展
C．要尽快地研究和建议我国FCS（现场总线控制系统）的体系结构
1.由于现场总线的使用，使得集散控制系统实现了真正的分散控制
2.距离几款常用的集散控制系统：PCS 7、Delta V和Experison PFS等
3.集散系统的主要特点为：A、D
A．分散控制 B.分散管理 C.集中控制 D.集中管理
4.Honeywell公司1975年首先推出第一套集散控制系统是TDC-2000
5.列举几种在集散控制系统中常用的现场总线有FF、Profibus和ControlNet
二、集散系统的基本构成：
A．分散过程控制装置部分
1.适应恶劣的生产环境
2.分散控制
3.实时性
4.独立性
B．集中操作和管理系统部分
1.信息量大
2.易操作性
3.容错性好
C．通信系统部分
1.误码率低
2.传输速率高
3.开放性
4.互操作性
三、集散系统的结构特征
A．递阶控制结构（多层结构、多级结构和多重结构）
B．分散控制结构（垂直型，水平型和复合型）
C．冗余化结构
四、冗余化结构
优点：系统可靠性有很大的提高
缺点：由于冗余是采用相同的设备提高可靠性，导致成本增加
集散控制系统的冗余方式：
A．同步运转方式（紧急停车系统和安全连锁系统）
让两台或两台以上的装置以相同的方式同步运转，输入相同的信号，进行相同的处理，然后对输出进行比较，如果输出保持一致则系统是正常运行的。

B．待机运转方式（通信系统、多回路控制器）
采用N台同类设备，采用一台后备设备，平时后备设备处于准备状态，一旦N台设备中某一台设备发生故障，能启动后备设备使其运转。

C．后退运转方式（操作站、人机界面）
正常时，N台设备各自分担各自功能进行运转，当其中一台设备损坏是，其余设备放弃部分不重要的功能以此来完成损害设备的功能
D．多级操作方式（手自动切换）
纵向冗余的方法。

正常操作是从上一层进行的，如该层故障则由下一层完成，这样逐步向下完成对最终元件执行器的控制。

五、现场总线控制系统的构成
现场总线及其分类：
按现场总线应用的不同要求和规模：
1.执行器传感器现场总线
2.设备现场总线
3.全服务器现场总线
六、典型DCS系统
TPS、Experion PKS（Honeywell）
PCS 7（Siemens）
Delta V（Emerson）
I/A S（Forboro）
Experion PKS：
1.分散过程控制装置
C200、C300混合控制器、输入输出子系统和现场总线设备
2.集中操作和管理装置
过程服务器、操作站、应用控制环境等
3.通信系统
容错以太网和ControlNet现场总线
思考题：
根据下面的配置要求，画出PKS系统的结构图
1.1条容错以太网（都采用冗余配置）
2.1台过程服务器，2台操作站，1台ACE，2套冗余的混合控制器C200，1个FSC
3.I/O控制网络节有2台A—B公司的PLC和2台HPM I/O
PKS的软件：
Configuration Studio 用于系统包括服务器、操作站、控制器处理器等
1.Quick Builder：用于建立在PKS系统中的硬件，包括操作站，控制器处理器、打印机
等和标准点的图形工具
2.System Display：可配置报告、组显示、趋势和站设置
3.HMIWeb Display Builder：建立用户的显示画面，用htmlg格式存储
SIMATIC PCS 7（Siemens）
1.分散过程控制装置
AS与分布式I/O
2.集中操作和管理装置
OS与ES
3.通信系统
Profibus、以太网与MPI网
A.PCS 7采用的组态工具为SIMATIC程序管理器
B.在项目管理上，程序管理器以系统硬件和生产工艺2个不同的视觉，同时进行管理
C.控制组态工具：CFC（连续控制）、SFC（顺序控制）、SCL（编程语言）
分散过程控制装置： MD/MD Plus控制器及I/O模块
集中操作和管理装置： Professional Plus工作站（唯一的）、操作员站及应用工作站
通信系统：基金会现场总线构成的现场控制网络、冗余控制网
在Delta V控制系统中采用一个阀门和一台变送器就可以实现回路控制
1.在Delta V控制系统中采用了符合基金会现场总线标准的功能块，功能块可以在现场设
备中执行，无需经过主机，设备之间就可通信
2.组态图：
现场总线控制系统中，要实现一个单回路控制至少要有哪些现场总线设备？各现场总线设备应含有哪些功能模块？并完成这些功能模块的组态图
例子：
1.在PCS 7系统中为了实现控制组态常采用以下工具A、C、D相结合。

A．CFC B. Cl C.SFC D. SCL
2. 集散控制系统的递阶控制结构具有三种形式，分别为: A、B、C。

A．多重结构 B. 多级结构 C. 多层结构 D. 多元结构
3. 现场总线按现场应用的不同要求和规模，可分为A、B、D三大类。

A．执行器传感器现场总线 B. 数据流现场总线 C. FF基金会现场总线 D 设备现场总线
4. Delta V系统采用的基金会（FF）现场总线的数据结构
5. TPS是Honeywell公司的集散系统产品，Delta V是Emerson公司的集散系统产品
6. 在Delta V系统中需要一台且只需要一台的工作站为Professional Plus工作站
判断题：
1.集散系统的结构具有递阶控制、集中控制和冗余化结构的特征
2.递阶控制的多层，多级和多重三种结构之间相互制约，相互排斥，不可共存于一个系统
中
3.Delta V系统采用的Profibus现场总线作为其控制网
4.在集散控制系统的负荷分散是由于负荷能力不够而进行的负荷分散。

试以某DCS为例，分析集散控制系统的基本构成及其各部分的主要功能
第三章
一、集散系统的可靠性
衡量集散系统的可靠性指标有：可靠度、MTBF、FR（故障率、失效度）、有效度
可靠度的计算：
利用上式可以求取不同工作时间内的可靠度，但计算是t不得超出偶然失效期
例：已知电子元件的 =1/2000，求该元件工作50h的可靠度
串并联情况下的可靠度：
一个复杂系统的可靠度除了与构成系统的子系统及其元器件的可靠度有关，还与系统的结构形式有关
串联系统的可靠度：
注：在串联系统中只有有一个可靠度等于0，那整个系统的可靠度为0。

串联的系统越多可靠度越低
并联系统的可靠度：
注：在并联系统中，并联的子系统越多，可靠性越高（双重冗余）
例：假设单击系统中的可靠度是99%，那用这样的的系统组成冗余的双机系统，其可靠度为多少。

可靠性设计准则：
1.系统运行不受故障影响的准则
2.系统不易发生故障的准则
3.迅速排出故障的准则
A．系统运行不受故障影响的设计：
冗余结构设计
在集散系统中，采用冗余设计的部件有：
1.供电系统的冗余：外部双重化供电，内部大容量电池供电保护数据
2.过程控制装置的冗余：装置冗余（n：1）和CPU冗余（双重化冗余、热后备方式）
3.通信系统的冗余：双重化冗余，智能变送器，数据通信采用现场总线
4.操作站的冗余：2—3台操作站并联运行，组成双重化冗余或（2，3）表决系统冗余
系统输入输出信号的插卡部件的冗余以及上位机冗余等
B．不易发生故障的硬件设计:
为了提高使用寿命，从下面几个方面考虑硬件的设计和系统的选型
运动部件：由于电子元器件的使用寿命比机械运动部件的使用寿命长，因此，运动部件的寿命就成为衡量系统寿命可靠性指标。

二、集散系统的可组态性
集散系统的组态：
系统组态：组成系统的各设备间的连续
画面组态：操作站的各种画面、画面间连接
控制组态：完成各控制器、过程控制装置结构连接、参数设置等
功能块是由分布式系统制造商提供的系统应用程序，由不同功能的子程序组成，主要包括结构参数、设置参数和可调整参数。

功能参数----子功能、不同数据类型、多输入信号：充分利用内存、减少消耗
功能块质量的评估：灵活性、先进性和完善性
集散系统中的组态语言：功能块语言、面向问题的语言和高级语言
思考题：在现场总线控制系统中，完成单回路控制系统的组态至少需要用到哪些类型功能块，试画出其组态框图
三、可扩展性
可扩展性的含义：
1.增加输入、输出模块（空间、CPU、电源）
2.通信网络的扩展延伸
3.通过通信系统进行联系，方便地增加设备或者删除设备
4.全开放的结构，允许符合开发系统互联协议的其他厂家的集散系统与之通信
四、实时性
系统的实时性主要与通信速率、媒体存取控制，减小无效通信率、实时控制的数据结构和多任务应用等因素有关。

因此从这几个方面采取以下措施可以提高实时性：
1.选用较高通信速率的集散系统
2.采用合适的媒体存取控制方式
3.减小无效通信量
4.采用如分布式数据库结构实时控制的数据结构和多任务应用软件
减小无效通信量的措施：
1.例外报告（过程中的未发生变化的数据）
2.广播式通信（通信前的呼叫、应答等）
3.压缩数据的包装（减小通信层及改进通信协议等）
1.例举三个衡量集散控制系统性能指标有：可靠性、可组态性和实时性。

2.已知某电子元件的失效率
3.集散控制系统中，为了满足过程控制的要求，常设计出一些包含子系统功能的专用的功
能模块，而子系统的有无则通过设置功能模块的A来确定
A.功能参数
B.连接参数
C.参数系统
D.设置参数
4. 在DCS中为了减少无效通信量常采用的措施有BCD。

A.减少网络通信的吞吐量
B.例外报告
C.改进数据的包装
D.采用广播式的发送方式
一、PID控制
1. P、I、D三种控制是独立的，没有控制器参数之间的联系
2. 离散PID控制器的参数不受硬件的制约，可以在更大范围内设置
3. 采用采样控制，引入了采样周期，因此而引入了一个纯滞后环节，使控制品质变差
4. 采样周期的大小影响控制系统的控制品质
二、集散控制系统在实现复杂控制系统的注意事项
1. 串级控制
计算机控制系统中，串级控制系统主控制器输出不需要再进行信号转换，它的输出范围直接与副被控变量的量程范围保持一致
集散控制系统中，可根据组成主、副环各环节的特性，对主环和副环被控变量采用不同的采用频率
四、现场总线控制系统的模块
现场总线设备中的模块分别为：资源模块、转换器模块和功能模块
1.资源模块和参数
资源模块用于描述现场设备的特性，例如设备名称、制造商名称、序列号等。

每个现场总线设备有且只有一个资源模块
资源模块的功能参数都是内涵参数，没有可连接参数。

共有34个参数
3．功能模块
现场总线设备中用于完成用户控制策略的各种子程序，对已经转换为标准信号的数字信号进行的运算程序。

不同功能块模块有不同参数表。

功能模块可以组合，实现从简单到复杂的控制策略。

FFB （柔性功能模块）可由用户根据应用目的自行设计所需功能。

功能模块由输入参数、输出参数和内含参数组成，输入参数接收来自转换器模块的信号或者其他功能模块的输出信号，输出到有关转换器或功能模块。

功能模块组态示例：
选择题：
在离散PID控制算法中常采用三种形式，分别是（A、B、D）
A、位置算法；
B、增量算法；
C、减量算法
D、速度算法
在离散PID控制的三种算法中，（位置算法）的输出是与控制阀的开度一一对应的。

简答题：
简述离散PID控制的优缺点，为什么与等效参数下的连续PID相比会产生控制性能的差异？
组态图：见前面。

判断题：
1.由于离散PID控制引入了之后环节，使得在等效参数下，相比连续PID控制的控制
品质更好。

2.在离散控制系统中，一些先进控制算法如神经网络控制，模糊控制等的功能模块已
经实现，并已有应用。

3.集散系统中，采用符合IEC61131-3标准的编程语言编写程序来实现顺序逻辑控制。

一、集散系统的工程设计
现场总线设备连接图：
与一般连接图接线的区别：
1.通信系统的接线需要设置终端器。

防止通信信号在端点处反射造成信号失真，并实现线
路阻抗匹配。

2.现场总线的电缆有一定的类型规定，对导线线径、特征阻抗等都有严格要求。

流程图颜色的设置：
过程流程图的背景颜色宜采用灰色、黑色或其他较暗的颜色。

流程画面的颜色宜采用冷色调，而非操作画面的颜色可采用暖色调
对流程缓慢的配合应使流程图画面简单明确，色彩协调，前后一致，颜色数量不宜过多，应避免引起操作人员的视觉疲劳。

流程图上数据的更新方式：周期刷新，例外报告
动态数据的三种显示方式：数据显示，文字显示，图形显示
三、信号报警系统设计原则
1. 发生事故前及时提供信号报警信息，避免事故的发生。

2. 发现事故时应能从安全生产的要求出发，切除与事故有关设备的运行，尽量减少事故的影响
3. 事故发生时应能提供第一事故原因的信息
4. 事故发生后提供事故的记录信息
A.偏离表法：
1. 价格高低顺序，列出技术指标的偏离情况
2. 筛除价格高、偏离技术要求大的
3. 加入权函数，计算总分，以最高者中标
B.矩阵表法
中小规模生产过程控制或招标时多家厂商无偏离表的情况。

适合用于符合要求的产品中拔长
例子：
1.在集散控制系统中，数据刷新的方式主要有周期刷新和例外报告两种方式
2.在DCS中常采用的抗干扰的措施有屏蔽、滤波和接地等
3.在集散控制系统中，为了减少数据在相近区域的更新，常采用例外报告的方法
4.为了强调安装在现场的仪表是现场总线仪表，可以在仪表的图形符号外标注现场总线的
类型，基金会现场总线的设备采用C表示
A.Profibus-DP
B. Profibus-PA
C. FF
D.CAN
1.在功能图描述符号中，执行机构常采用圆形表示
2.为了绘制集散系统流程图的方便，用户可随意绘制图形来表示相应地设备
3.对于过程显示画面来说，宜采用明亮的暖色作为背景色，这样不容易引起操作人员疲劳
而造成事故的发生。

4.在集散可能根治系统中，为了减小误读率，对于并列数据的显示，常采用表格线将数据
分开，同时，对不同类型的数据采用相同的颜色显示
第六章
例子：
1. 集散控制系统中对于趋势图的显示常采用以下两种方式，分别为A、C。

A.实时在线
B.实时离线
C.历史趋势
D.离线归档
2. 在集散控制系统中，从B中可以反映工艺过程及流程，并能了解到控制方案的设置的画面为。

A.概貌显示画面
B.过程显示画面
C.仪表面板显示画面
D.操作点显示画面
3. 集散控制系统中，画面组态工作主包括A、C、D三部分内容
A.静态画面
B.画面分页
C.动态画面
D.画面合成
4. 在集散控制系统中，对于流体输送常采用的动态处理方法为推进式处理。

5. 集散系统中常采用的报警信号有：闪烁、颜色变化和声响等
判断题：
1.单回路和多回路控制器的组态操作通常都是通过操作站完成的
2.在集散控制系统中，对于两位的机械和电气设备的显示所采用的动态处理方法为颜色变
化的动态处理方法
简答题：简述集散系统中的组态操作主要有哪些，各自解决什么问题
第七章：
一、DCS中控制网络的特点
1. 实时性好，动态响应快
2. 可靠性高
3. 适应恶劣的工业现场环境
4. 开放系统互联和互操作性
二、集散系统中的网络标准
1. OSI参考模型
2. PROWAY工业过程控制用数据公路标准
3. MAP制造自动化协议（全MAP\Mini MAP\EMAP）
4. 现场总线标准
5. OPC标准（用于过程控制的OLE技术，以OLE\COM\DCOM技术为基础的一套接口标准。

）
三、集散控制系统中的网络协议
1. 在DCS中，物理层与联络层常用的网络协议是以太网的网络协议，在网络层采用IP，传送层采用TCP。

IEEE802提供了局域网的最小基本通信的功能。

2. 以太网为采用CSMA/CD的总网线，网络结构分为三层：物理层、数据链路层和高层用户层。

几种串行通信标准：
RS-232C，RS-422和RS-485
RS-232C采用单工、半双工或全双工的工作模式，最大传送距离约为15米，最高速率为20kbps。

经过改进可达到115.2kbps。

RS-422和RS-485的最大传输距离可达1200m，最大传输速率为1Mpbs，其中RS-422采用全双工的工作模式，而RS-485采用的半双工的方式
IEEE802局域网标准
1.IEEE 802局域网标准次阿姨OSI参考模型的第一、二层，高层与OSI参考模型兼容。

规
定了物理层、逻辑层，高层与OSI参考模型兼容。

规定了物理层、逻辑链路控制层（LLC）和媒体存取控制层（MAC）。

2.对带有冲突检测的载波侦听多路存取、令牌总线、令牌环等三种媒体存取方式规定了相
应的协议，即IEEE802.3、IEEE802.4和IEEE802.5
3.IEEE802.3、IEEE802.4和IEEE802.5通信协议主要是数据链路层采用不同的媒体存取方
式不同的问题
1.现场总线采用的OSI参考模型的第一、二和第七层。

第三层和第七层合并称为通信栈
FF的通信模型采用OSI参考模型的第1（物理层）、2（数据链路层）和7层（应用层），但应用层分为现场总线访问子层FAS和现场总线报文规范子层FMS。

2.现场总线上的通信分别为调度通信（输入输出数据）和非调度通信（设定值的更改变手
动数据）；对主机或控制系统来说，设备描述的服务是读取设备的描述，而不是读取该设备的操作值。

例子：
1.FV-102-PID和FV-102-AO表示该现场总线仪表是一台C。

A.现场总线控制器
B.现场带智能阀门定位的控制阀
C.现场总线带PID功能模块和AO功能模块的控制阀
D.现场总线PID功能块的控制器
E.现场总线带AO功能模块的控制阀
2. 以太网的网络结构分为三层：A、B、D。

A.物理层
B.数据链路层
C.媒体存取控制层
D.高层用户层
3. 基金会现场总线通信模型是建立在OSI参考模型的基础上，主要包括以下A、B、C、D 分层。

A.物理层 B。

数据链路层 C.现场总线访问子层（FAS） D.现场总线报文规范子层（FMS）
4. IEEE 802.11常采用的媒体存取控制方式为CSMA/CA。

判断题：
1.现场总线上的输入输出数据常采用非调度通信的方式。

2.在DCS中，物理层与链路层常采用的网络协议是以太网，在网络层采用IP，传送层采用
TCP
3.在H1现场总线上可以有多个链路设备，但只有一个被选作为LAS使用
简答题：说明IEEE 802.3、IEEE 802.4和IEEE 802.5通信协议主要是解决OSI参考模型中哪一层的问题？各有什么特点？。