集散控制系统必备知识

模块一集散控制系统必备知识【任务目标】1、通过与模拟控制系统比较，认识计算机控制系统及其组成。

2、了解计算机控制系统的应用类型、发展史。

3、了解计算机通信网络的概念和通信协议。

4、掌握集散控制系统的硬件结构。

5、了解集散控制系统的软件体系。

6、提高查阅资料和信息处理的能力、交流表达能力及团队合作能力。

【任务内容】阅读能力训练环节任务内容：了解本课程的性质、内容、任务及学习方法，对目前市场上所常用的计算机控制系统的使用情况进行了解和比较，掌握计算机控制系统的组成原理、信号处理原理；了解计算机通信基本知识，掌握通信网络基础知识及网络控制方法，了解集散控制系统的设计思想及其发展过程，掌握集散控制系统的基本概念、体系结构及各层次的主要功能，了解集散控制系统的软件体系，了解集散系统的组态软件。

具体要求如下：一、一般了解（表面了解）1、会说目前市场上所常用的计算机控制系统的组成、类型及应用？2、会讲集散控制系统的设计思想及其发展过程？（背景、发展）3、会说市场上常见的应用数据通信的例子。

4、会说常见通信网络的拓扑结构。

5、会讲集散控制系统是什么？（定义、特点、应用场合）6、会说市场上起主导地位的集散控制系统有哪些？（品牌、分类、系列、型号、图片）7、能说出三种以上市场上常用DCS的性价比。

8、能说出三种以上常用的集散控制系统的组态软件。

二、核心理解（内在理解）1、能表述计算机控制系统的组成原理、信号处理原理。

（结构、原理、特点）。

2、能正确表述集散控制系统的基本概念、体系结构及各层次的主要功能。

3、能够识别现有实训装置中集散控制系统的各个组成部分及相互联系。

三、根据上述要求，独立咨询相关信息，通过收集、整理、提炼完成表1-2～表1-5的填写训练，重点研究表1-3的相关内容，填写结果的参考评分标准见表1-7。

四、配分：本项目工时180分钟，满分为100分，比重70%。

综合能力训练环节以小组为单位，总结上面任务的实施经验，并回答教师提出的问题。

回答问题要求包含以下要素：1）小组成员。

2）各成员的身份（以分工不同划分）。

3）经验总结报告主题及内涵。

4）小组共性经验（共性优点，共性缺点）。

5）小组个性经验（个性优点，个性缺点）。

6）存在的问题。

7）将如何改进或解决存在的问题。

8）给同学的建议。

9）回答核心问题：10）回答限时：每小组5分钟，共60分钟。

11）配分：本项目工时90分钟，本项目满分100分，比重30%。

【任务实施】一、预习内容1、预习集散控制系统的结构、工作原理、及用途用法。

2、预习【知识链接】内容。

二、训练器材图书资料、网络、教师提供资料、计算机三、训练步骤“阅读能力训练环节”训练步骤1、指导教师简要说明“阅读能力训练环节”的要求后，学生首先分组，并分配组内各成员的角色（各角色应进行轮换，以保证每个学生在不同的岗位上都体验过工作过程），选举产生的组长按指导教师要求对组内各成员分配任务，并分头行动，按预定目标完成收集、整理工作。

工作流程如下：（1）教师简要说明“阅读能力训练环节”的要求。

（2）分组、分配角色，并填写具体分工表1-1。

（3）按分工要求，通过多种途径收集并编辑所需资料，并完成表1-2至表1-5中所要求的任务。

（4）全组成员集中，将前面收集资料进行按要求进行整理、学习，并制作PPT文件准备汇报学习成果，要求在汇报中有本组创新点、闪光点。

（5）选派代表（组内成员轮流）准备汇报本组工作成果。

（6）小组点评员点评。

（7）教师集中点评，并将相关知识点归纳。

表1-2 一般了解——信息填写（50分）表1-4 信息获取方式自查表（10分）2、“阅读能力训练环节”进行评价后（评价表1-7），各组简要小结本环节的训练经验并填入表1-5，进入“综合能力训练环节步骤”。

表1-5 “阅读能力训练环节”经验小结综合能力训练环节步骤1、以小组为单位，简要写出查找、收集、整理、学习“阅读能力训练环节”的经验总结报告，并在经验交流课上进行经验交流。

（目的是分享经验，分享成果，发现问题，提高水平，完善自我，增强团队意识，提高协作能力与写作水平，提高语言表达能力，提高计算机应用能力、达成有效学习等）经验交流要表述的基本内容为：（1）小组成员（建议3～5人一组）（2）各成员的身份（以分工不同划分，如：编辑员、主讲员、点评员、联络员等）（3）经验总结报告主题及内涵（可由“编辑员”用PPT或word制作要讲述的内容）（4）小组共性与个性经验（共性优点，共性缺点）（5）存在的问题（6）将如何改进或解决存在的解决。

（7）给同学的建议（8）回答问题（该问题可由实训指导教师随机提出或事先让各小组准备）2、小组推举“主讲员”上台向全班同学介绍本小组任务实施后的心得，限时5分钟。

（以后的学习情境中小组成员轮流当“主讲员”）3、其它小组推举的“点评员”对已经表述的“主讲员”进行点评，限时1分钟。

（以后的学习情境中小组成员轮流当“点评员”）4、教师对上述几个环节的能力训练情况进行综合评价。

5、学生和教师综合能力训练环节评价见《集散控制与现场总线》课程学生核心能力评价表1-8至表1-11，评价结束后，各组简要小结本环节的训练经验并填入表1-6。

表1-6 “综合能力训练环节”经验小结【任务评价】（1） 收集、整理资料能力评价标准见表1-7。

表1-7 收集、整理资料能力评价标准（2） 核心能力评价表见《集散控制与现场总线》课程学生核心能力评价表1-8至表1-11。

表1-8 《集散控制与现场总线》课程学生核心能力评价表（学生用）模块一 集散控制系统基础知识 评价小组：______；点评员：___________；评价时间_________表1-9《集散控制与现场总线》课程学生核心能力评价表（教师用）占70%模块一集散控制系统基础知识评价教师：_____________；评价时间：___________表1-10《集散控制与现场总线》课程学生核心能力总评价表（学生用）占30%模块一 集散控制系统基础知识 统计与结算小组：_____________；统计与结算时间：___________表1-11 《集散控制与现场总线》课程学生核心能力总评价表模块一 集散控制系统基础知识 统计与结算小组：_____________；统计与结算时间：___________表1-12 个人单项任务总评成绩表制【知识链接】1.1 计算机控制系统的组成及应用类型1.1.1计算机控制系统的组成计算机控制系统是以计算机为核心部件的自动控制系统。

在工业控制系统中，计算机承担着数据采集与处理、顺序控制与数值控制、直接数字控制与监督控制、最优控制与自适应控制、生产管理与经营调度等任务。

它已广泛应用于生产现场，并深入各行业的许多领域。

（一）基本概念1、计算机控制系统的组成有关的术语概念如下：（1）计算机控制系统：利用计算机(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。

（2）在线方式：在计算机控制系统中，生产过程和计算机直接连接，并受计算机控制的方式。

（3）离线方式：生产过程不和计算机相连，且不受计算机控制，而是靠人进行联系并作相应操作的方式。

（4）实时：是指信号的输入、计算和输出都在一定的时间范围内完成。

2、计算机控制系统的工作原理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置输出的信号经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。

（二）硬件系统计算机控制系统由工业控制机和生产过程两大部分组成。

如图1.2所示。

工业控制机硬件：硬件是指计算机本身及外围设备。

硬件包括计算机、过程输入、输出接口、人机接口、外部存储器等。

生产过程包括被控对象，测量变送、执行机构、电气开关等装置。

（三）软件系统软件是指能完成各种功能的计算机程序的总和，通常包括系统软件和应用软件。

1.1.2计算机控制系统的应用类型计算机控制系统种类繁多，命名方法也各有不同。

根据应用特点、控制功能和系统结构，计算机控制系统主要可分为六种类型：数据采集系统、直接数字控制系统、计算机监督控制系统、分级控制系统、集散型控制系统及现场总线控制系统。

(一) 数据采集系统如图1.3所示。

在数据采集系统中，计算机只承担数据的采集和处理工作，而不直接参与控制。

(二) 直接数字控制系统直接数字控制（Direct Digital Control，DDC）系统的构成如图1.4所示。

直接数字控制系统与模拟系统的比较：（1）在DDC中，在信号出入计算机时必须经D/A、A/D转换。

（2）其控制方式比常规控制系统灵活且又经济。

直接数字控制系统的性能特点：由于DDC系统中的计算机直接承担控制任务，所以要求实时性好、可靠性高和适应性强。

(三) 计算机监督控制系统监督计算机控制(Supervisory Computer Control，SCC)系统，简称SCC系统，系统结构如图l.5所示。

SCC系统是一种两级微型计算机控制系统，其中DDC级微机完成生产过程的直接数字控制；SCC级微机则根据生产过程的工况和已定的数学模型，进行优化分析计算，产生最优化设定值，送给DDC级执行。

SCC级微机承担着高级控制与管理任务，要求数据处理功能强，存储容量大等，一般采用较高档微机。

(四) 分级控制系统特点：控制功能分散，集中管理。

图1.6所示的分级计算机控制系统是一个四级系统。

(1)装置控制级(DDC级) 对生产过程进行直接控制，如进行PID控制或前馈控制，使所控制的生产过程在最优工作状况下工作。

(2)车间监督级(SCC级) 它根据厂级计算机下达的命令和通过装置控制级获得的生产过程数据，进行最优化控制。

它还担负着车间内各工段间的协调控制和对DDC计算机级进行监督的任务。

(3)工厂集中控制级它可根据上级下达的任务和本厂情况，制定生产计划、安排本厂工作、进行人员调配及各车间的协调，并及时将SCC级和DDC级的情况向上级报告。

(4)企业管理级制定长期发展现划、生产计划、销售计划，发命令至各工厂，并接受各工厂、各部门发回来的信息，实现全企业的总调度。

(五) 集散控制系统组成：集散控制系统分为多个层次，每层由多个计算机组成，分别行使不同的功能，主要由数据采集站、控制站、数据通信系统、操作站、工程师站、监控计算机、输入输出通道等部分组成特点：集中监视、集中操作，分散控制、分散危险其结构如图1.7所示。

（六）现场总线控制系统现场总线控制系统(Fieldbus Control System，FCS)，是新一代分布式控制结构，如图l.8所示。