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1. 计算机集中控制系统（DDC）、集散控 制系统（ DCS） 、现场总线控制系统 （ FCS）在系统构成上有哪些不同？ 2. 什么是变送器？何谓两线制变送器？ 3. 什么是“活零点”？有何优点？
跟踪重要参数的操作指标，实现基本单元的平稳操作、 安全操作与质量控制。
过程控制的目标
从生产过程的角度看，过程控制实现的目标： 从生产过程的角度看，过程控制实现的目标： 安全性： 安全性：确保生产过程中人身与设备的安全，主要措
施包括：对重要参数设置定值控制、采取参数超限报 警与事故报警、设置自动联锁保护系统等；
答疑与考试安排
考前答疑： 考前答疑 地点：自动控制研究所，东2楼163房间 地点：自动控制研究所， 163房间 时间：每周二下午， 时间：每周二下午，4:00 ~ 6:00 6月2日上午： 8:30~11:30 日上午： 月 日上午 6月2日下午： 2:30~5:30 日下午： 月 日下午
思 考 题
计算机集中控制系统
工业自动化发展概况
第三阶段（ 70年代末 ~ 90年代）
控制设备： 控制设备：商品化的分布式计算机控制系统 （ DCS）与可编程控制器（Programmable Logic Controllers, PLC）的出现与工业应用； 控制方法： 控制方法：以模型预测控制为代表的适合于工 业过程的先进控制（Adavanced Process Control, APC）方法形成，商品化APC 软件产 品出现； 控制对象： 控制对象：受约束的 MIMO（多输入多输出） 系统，控制目标考虑操作条件的最优化。
本课程的讲授内容
鉴于基金会现场总线与其它现场总线最 大的不同点之一就是其拥有用户层，换句话 说，FF现场总线不仅仅是一个总线标准，更 成为一个现代过程控制系统的体系结构。因 此一定要讲解或补充PID控制与过程控制的 知识，这样才能理解FF现场总线，也才能用 好FF现场总线技术。
本课程的讲授内容
第一部分： 第一部分：数字控制算法及过程控制系统 设计 第二部分： 第二部分：数字调节器及分布式控制系统 第三部分： 第三部分：现场总线控制系统
1. 2. 3. 4. 5.
“基地式”仪表； 单元组合式仪表； 计算机集中控制系统； 集散控制系统（DCS）； 现场总线控制系统（FCS).
工业自动化的任务
§0－2：信号传输标准
电压制信号传输标准：（参考教材： 电压制信号传输标准 （参考教材：0.2节） 节
信号源 干扰 Rl 负载 调节器、记录仪等） （调节器、记录仪等）
“3C”技术的综合：
C o n t ro l
控制理论 （经典控制理论、现代控 制理论、数字控制、预测 控制等等） 计算机技术 （微机控制原理与 接口技术、单片 机 、 DSP、 PLD） 现场总线与分布 式控制系统 网络通信技术 （计算机网络、通 信原理）
C o mp u t e r
C o m m u n i c a t i on
Βιβλιοθήκη Baidu
变送器
信号的远距离传输 Rl
Ri
电压传输：信号源内阻小（零）、负载电阻大，因而对 电压传输 外界扰动敏感，且受传输导线电阻的影响大。故不适 合于信号的远距离传输。
信号传输标准
电流制信号传输标准：
信号源 干扰 Rl 负载 调节器、记录仪等） （调节器、记录仪等）
变送器
信号的远距离传输 Rl
Ri
电流传输：信号源内阻大（无限大）、负载电阻小，因 电流传输 而对外界扰动不敏感，且不受传输导线电阻的影响。 故非常适合于信号的远距离传输。
单元组合仪表构成的调节系统
自动化仪表的基本概念
敏感元件（又称“一次仪表”）： 敏感元件（又称“一次仪表”
“独立”于被测系统之外，直接与工艺介质相接 触，并以参数方式对被测物理量作出“敏感”响应的 物理实体。这里，“独立”是指被测物理量不应因敏 感元件的设置而受到影响。
传感器： 传感器
是将敏感元件参数响应变量转换成便于应用和传 送的信号装置。因此，其是由敏感元件和相应线路所 组成的物理系统。
现场总线控制系统（FCS）
生产制造管理信息系统——MMS
工业自动化的任务
典型的流程工业企业
生产厂 企业举例 炼油厂 车间 常减压装置 生产装置
...
生产装置
催化裂化装置 汽油重整装置等
操作单元
...
操作单元
单元 泵、换热器、加热炉、 锅炉、塔、反应器等
被控过程（或对象）举例
工业自动化的任务
§0－1：自动化仪表发展概况
自动控制理论与过程控制算法的发展 自动化装置的五个发展阶段
1. 2. 3. 4. 5.
“基地式”仪表； 单元组合式仪表； 计算机集中控制系统； 集散控制系统（DCS）； 现场总线控制系统（FCS).
工业自动化的任务
工业自动化发展概况
第一阶段（~50年代）
控制理论： 控制理论：以传递函数作为模型描述方 法，以根轨迹、频率法作为基本的分析 和综合方法； 控制方法： 控制方法：基本PID控制与串级、前馈控 制等； 控制仪表： 控制仪表：基地式仪表→单元组合仪表。
经济性： 经济性：即实现经济效益的最大化或操作成本的最小
化，常用方法：采用约束控制与操作最优化技术；
稳定性： 稳定性：即要求系统具有抑制外部干扰，保持生产过
程长期稳定运行的能力。常用方法：结合工业对象特 性与控制理论对系统进行稳定性与鲁棒性分析。
以上主要讲述了三个方面
自动控制理论与过程控制算法的发展 自动化装置的五个发展阶段
分布式控制与现场总线技术 （ DCS & FCS ）
郑辑光 Email： Zhengjg@mail.xjtu.edu.cn 西安交通大学自动控制研究所 2003年2月
主要研究内容
（现场总线+分布式）控制系统组成： 控制系统组成： 控制系统组成
环 境
干扰
物料输入 能量输入 物料输出 能量输出 过程信息输入/输出 信息输入
教材及参考书
1.
2.
3.
4.
5.
施仁、刘文江、郑辑光：自动化仪表与过程控制（第三 自动化仪表与过程控制（ 自动化仪表与过程控制 版），电子工业出版社，2003年3月 Jonas Berge著，陈小枫等译：过程控制现场总线 过程控制现场总线—— 过程控制现场总线 工程、运行与维护，清华大学出版社，2003年7月 工程、运行与维护 Johnson,C.D.（美）：过程控制仪表技术 过程控制仪表技术（影印版）科 过程控制仪表技术 学出版社，2002年6月 Karl J.Astrom Bjorn Wittenmark著，周兆英等译：计 计 算机控制系统——原理与设计（第三版），电子工业出 原理与设计（ 算机控制系统 原理与设计 第三版） 版社，2001年4月 阳宪惠主编：现场总线技术及其应用，清华大学出版社， 现场总线技术及其应用， 现场总线技术及其应用 清华大学出版社， 1999年6月
信号传输标准
两线制变送器
负载 24V DC电源 调节器、记录仪等） （调节器、记录仪等）
+
信号源 被 测 变 量
-
Rl
变送器
+
信号的远距离传输 Rl
250
4~20mA，决定于被测变量 mA， mA
两线制变送器
信号传输标准
另外，采用直流信号传输的优点： 传输过程中易于和交流感应干扰相 区别，且不存在相移问题，可不受传输 线中电感、电容和负载性质的限制。 其它信号传输标准： 其它信号传输标准 RS485数字信号传输、Smart传输技 术、现场总线技术等等。
集散控制系统（DCS）
工业自动化发展概况
第四阶段（ 90年代 ~ ）
控制对象：操作单元→生产全过程→供应链 控制对象： （Supply Chain），广义的“控制”概念。 控制设备： 控制设备：商品化现场总线控制系统 （Fieldbus Computer Systems, FCS）逐步替 代DCS系统；网络技术的高度发展。 控制方法： 控制方法：结合最优化技术、计算机网络与数 据信息处理技术的现代集成制造系统（CIMS） 的形成与应用。
信号传输标准
活零点”的优点： “活零点”的优点： 有利于识别断电、断线等故障，且为实现 两线制提供了可能性。 所谓“两线制”变送器就是将供电的电源 线与信号的输出线合并起来，一共只用两根导 线。使用两线制变送器不仅节省电缆，布线方 便，且大大有利于安全防爆，因为减少一根通 往危险现场的导线，就减少了一个窜进危险火 花的门户。
信号传输标准
国际电工委员会（IEC）于1973年4 月通过信号传输的国际标准： 现场传输信号： 直流 4~20mA； 控制室内仪表间的联络信号： 直流 1~5V. 适用范围： 适用范围 DDZ-⊄ 型、数字仪表、DCS系统等
信号传输标准
DDZ-∇型、 DDZ-⊇型仪表采用的信 号传输标准为： 0~10mA DC ，或 0~5V DC 两种标准的比较： 两种标准的比较： 这种以20mA表示信号的满度值，而以 此满度值的20%即4mA表示零信号的安排， 称为“活零点”。
厂级生产计划与调度： 厂级生产计划与调度：
通过合理安排各装置的生产任务（处理量、生产方案 等），实现全厂生产效益的最大化；
装置操作的最优化： 装置操作的最优化：
在完成厂级生产任务、保证装置安全的前提下，以装 置效益的最优化为目标，制定各单元重要参数的操作 指标（即设定值）；
基本单元的平稳控制： 基本单元的平稳控制：
第二阶段（ 60 ~ 70年代中期）
控制理论：以状态空间分析方法为基础，其核 控制理论： 心包括：以最小二乘法为基础的系统辨识方法， 以极大值原理和动态规划为主的最优控制理论， 和以卡尔曼滤波器为代表的估计技术； 控制方法： 控制方法：最优控制方法在航空航天领域取得 了成功，但尚未能很好地应用于过程工业； 控制设备： 控制设备：单元组合仪表→计算机集中控制方 式（如DDC，SPC等）
变送器： 变送器 是输出信号符合标准化要求的传感器。
电动单元组合式仪表发展概况
DDZ-∇型仪表： 60年代，放大元件为电子管、磁放大器 DDZ-⊇型仪表： 70年代 ，采用晶体管放大元件 DDZ-⊄ 型仪表： 80年代，采用集成电路 S型仪表： 90年代，采用微处理器的数字调节器
工业自动化发展概况
物理过程
自动化仪表 控制设备） （控制设备）
信息输出
主要研究内容
系 统 组 成
对象（或过程） 对象（或过程）： 冶金、石油化工、制药、食品加工、机 械加工等等； 自动化装置： 自动化装置 制造/工厂自动化：IPC、PLC等； 过程控制：IPC、DCS等； 控制理论（算法） 控制理论（算法）
主要研究内容
跟踪重要参数的操作指标，实现基本单元的平稳操作、 安全操作与质量控制。
过程控制的目标
从生产过程的角度看，过程控制实现的目标： 从生产过程的角度看，过程控制实现的目标： 安全性： 安全性：确保生产过程中人身与设备的安全，主要措
施包括：对重要参数设置定值控制、采取参数超限报 警与事故报警、设置自动联锁保护系统等；
答疑与考试安排
考前答疑： 考前答疑 地点：自动控制研究所，东2楼163房间 地点：自动控制研究所， 163房间 时间：每周二下午， 时间：每周二下午，4:00 ~ 6:00 6月2日上午： 8:30~11:30 日上午： 月 日上午 6月2日下午： 2:30~5:30 日下午： 月 日下午
思 考 题
计算机集中控制系统
工业自动化发展概况
第三阶段（ 70年代末 ~ 90年代）
控制设备： 控制设备：商品化的分布式计算机控制系统 （ DCS）与可编程控制器（Programmable Logic Controllers, PLC）的出现与工业应用； 控制方法： 控制方法：以模型预测控制为代表的适合于工 业过程的先进控制（Adavanced Process Control, APC）方法形成，商品化APC 软件产 品出现； 控制对象： 控制对象：受约束的 MIMO（多输入多输出） 系统，控制目标考虑操作条件的最优化。
本课程的讲授内容
鉴于基金会现场总线与其它现场总线最 大的不同点之一就是其拥有用户层，换句话 说，FF现场总线不仅仅是一个总线标准，更 成为一个现代过程控制系统的体系结构。因 此一定要讲解或补充PID控制与过程控制的 知识，这样才能理解FF现场总线，也才能用 好FF现场总线技术。
本课程的讲授内容
第一部分： 第一部分：数字控制算法及过程控制系统 设计 第二部分： 第二部分：数字调节器及分布式控制系统 第三部分： 第三部分：现场总线控制系统
1. 2. 3. 4. 5.
“基地式”仪表； 单元组合式仪表； 计算机集中控制系统； 集散控制系统（DCS）； 现场总线控制系统（FCS).
工业自动化的任务
§0－2：信号传输标准
电压制信号传输标准：（参考教材： 电压制信号传输标准 （参考教材：0.2节） 节
信号源 干扰 Rl 负载 调节器、记录仪等） （调节器、记录仪等）
“3C”技术的综合：
C o n t ro l
控制理论 （经典控制理论、现代控 制理论、数字控制、预测 控制等等） 计算机技术 （微机控制原理与 接口技术、单片 机 、 DSP、 PLD） 现场总线与分布 式控制系统 网络通信技术 （计算机网络、通 信原理）
C o mp u t e r
C o m m u n i c a t i on
Βιβλιοθήκη Baidu
变送器
信号的远距离传输 Rl
Ri
电压传输：信号源内阻小（零）、负载电阻大，因而对 电压传输 外界扰动敏感，且受传输导线电阻的影响大。故不适 合于信号的远距离传输。
信号传输标准
电流制信号传输标准：
信号源 干扰 Rl 负载 调节器、记录仪等） （调节器、记录仪等）
变送器
信号的远距离传输 Rl
Ri
电流传输：信号源内阻大（无限大）、负载电阻小，因 电流传输 而对外界扰动不敏感，且不受传输导线电阻的影响。 故非常适合于信号的远距离传输。
单元组合仪表构成的调节系统
自动化仪表的基本概念
敏感元件（又称“一次仪表”）： 敏感元件（又称“一次仪表”
“独立”于被测系统之外，直接与工艺介质相接 触，并以参数方式对被测物理量作出“敏感”响应的 物理实体。这里，“独立”是指被测物理量不应因敏 感元件的设置而受到影响。
传感器： 传感器
是将敏感元件参数响应变量转换成便于应用和传 送的信号装置。因此，其是由敏感元件和相应线路所 组成的物理系统。
现场总线控制系统（FCS）
生产制造管理信息系统——MMS
工业自动化的任务
典型的流程工业企业
生产厂 企业举例 炼油厂 车间 常减压装置 生产装置
...
生产装置
催化裂化装置 汽油重整装置等
操作单元
...
操作单元
单元 泵、换热器、加热炉、 锅炉、塔、反应器等
被控过程（或对象）举例
工业自动化的任务
§0－1：自动化仪表发展概况
自动控制理论与过程控制算法的发展 自动化装置的五个发展阶段
1. 2. 3. 4. 5.
“基地式”仪表； 单元组合式仪表； 计算机集中控制系统； 集散控制系统（DCS）； 现场总线控制系统（FCS).
工业自动化的任务
工业自动化发展概况
第一阶段（~50年代）
控制理论： 控制理论：以传递函数作为模型描述方 法，以根轨迹、频率法作为基本的分析 和综合方法； 控制方法： 控制方法：基本PID控制与串级、前馈控 制等； 控制仪表： 控制仪表：基地式仪表→单元组合仪表。
经济性： 经济性：即实现经济效益的最大化或操作成本的最小
化，常用方法：采用约束控制与操作最优化技术；
稳定性： 稳定性：即要求系统具有抑制外部干扰，保持生产过
程长期稳定运行的能力。常用方法：结合工业对象特 性与控制理论对系统进行稳定性与鲁棒性分析。
以上主要讲述了三个方面
自动控制理论与过程控制算法的发展 自动化装置的五个发展阶段
分布式控制与现场总线技术 （ DCS & FCS ）
郑辑光 Email： Zhengjg@mail.xjtu.edu.cn 西安交通大学自动控制研究所 2003年2月
主要研究内容
（现场总线+分布式）控制系统组成： 控制系统组成： 控制系统组成
环 境
干扰
物料输入 能量输入 物料输出 能量输出 过程信息输入/输出 信息输入
教材及参考书
1.
2.
3.
4.
5.
施仁、刘文江、郑辑光：自动化仪表与过程控制（第三 自动化仪表与过程控制（ 自动化仪表与过程控制 版），电子工业出版社，2003年3月 Jonas Berge著，陈小枫等译：过程控制现场总线 过程控制现场总线—— 过程控制现场总线 工程、运行与维护，清华大学出版社，2003年7月 工程、运行与维护 Johnson,C.D.（美）：过程控制仪表技术 过程控制仪表技术（影印版）科 过程控制仪表技术 学出版社，2002年6月 Karl J.Astrom Bjorn Wittenmark著，周兆英等译：计 计 算机控制系统——原理与设计（第三版），电子工业出 原理与设计（ 算机控制系统 原理与设计 第三版） 版社，2001年4月 阳宪惠主编：现场总线技术及其应用，清华大学出版社， 现场总线技术及其应用， 现场总线技术及其应用 清华大学出版社， 1999年6月
信号传输标准
两线制变送器
负载 24V DC电源 调节器、记录仪等） （调节器、记录仪等）
+
信号源 被 测 变 量
-
Rl
变送器
+
信号的远距离传输 Rl
250
4~20mA，决定于被测变量 mA， mA
两线制变送器
信号传输标准
另外，采用直流信号传输的优点： 传输过程中易于和交流感应干扰相 区别，且不存在相移问题，可不受传输 线中电感、电容和负载性质的限制。 其它信号传输标准： 其它信号传输标准 RS485数字信号传输、Smart传输技 术、现场总线技术等等。
集散控制系统（DCS）
工业自动化发展概况
第四阶段（ 90年代 ~ ）
控制对象：操作单元→生产全过程→供应链 控制对象： （Supply Chain），广义的“控制”概念。 控制设备： 控制设备：商品化现场总线控制系统 （Fieldbus Computer Systems, FCS）逐步替 代DCS系统；网络技术的高度发展。 控制方法： 控制方法：结合最优化技术、计算机网络与数 据信息处理技术的现代集成制造系统（CIMS） 的形成与应用。
信号传输标准
活零点”的优点： “活零点”的优点： 有利于识别断电、断线等故障，且为实现 两线制提供了可能性。 所谓“两线制”变送器就是将供电的电源 线与信号的输出线合并起来，一共只用两根导 线。使用两线制变送器不仅节省电缆，布线方 便，且大大有利于安全防爆，因为减少一根通 往危险现场的导线，就减少了一个窜进危险火 花的门户。
信号传输标准
国际电工委员会（IEC）于1973年4 月通过信号传输的国际标准： 现场传输信号： 直流 4~20mA； 控制室内仪表间的联络信号： 直流 1~5V. 适用范围： 适用范围 DDZ-⊄ 型、数字仪表、DCS系统等
信号传输标准
DDZ-∇型、 DDZ-⊇型仪表采用的信 号传输标准为： 0~10mA DC ，或 0~5V DC 两种标准的比较： 两种标准的比较： 这种以20mA表示信号的满度值，而以 此满度值的20%即4mA表示零信号的安排， 称为“活零点”。
厂级生产计划与调度： 厂级生产计划与调度：
通过合理安排各装置的生产任务（处理量、生产方案 等），实现全厂生产效益的最大化；
装置操作的最优化： 装置操作的最优化：
在完成厂级生产任务、保证装置安全的前提下，以装 置效益的最优化为目标，制定各单元重要参数的操作 指标（即设定值）；
基本单元的平稳控制： 基本单元的平稳控制：
第二阶段（ 60 ~ 70年代中期）
控制理论：以状态空间分析方法为基础，其核 控制理论： 心包括：以最小二乘法为基础的系统辨识方法， 以极大值原理和动态规划为主的最优控制理论， 和以卡尔曼滤波器为代表的估计技术； 控制方法： 控制方法：最优控制方法在航空航天领域取得 了成功，但尚未能很好地应用于过程工业； 控制设备： 控制设备：单元组合仪表→计算机集中控制方 式（如DDC，SPC等）
变送器： 变送器 是输出信号符合标准化要求的传感器。
电动单元组合式仪表发展概况
DDZ-∇型仪表： 60年代，放大元件为电子管、磁放大器 DDZ-⊇型仪表： 70年代 ，采用晶体管放大元件 DDZ-⊄ 型仪表： 80年代，采用集成电路 S型仪表： 90年代，采用微处理器的数字调节器
工业自动化发展概况
物理过程
自动化仪表 控制设备） （控制设备）
信息输出
主要研究内容
系 统 组 成
对象（或过程） 对象（或过程）： 冶金、石油化工、制药、食品加工、机 械加工等等； 自动化装置： 自动化装置 制造/工厂自动化：IPC、PLC等； 过程控制：IPC、DCS等； 控制理论（算法） 控制理论（算法）
主要研究内容