第二章 集散控制系统构成

不管采用哪种类型，集散控制系统都有三大基本部分，这是与 工业微机控制系统相区别的。
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第二章 集散控制系统构成
三、现场总线控制系统的构成 1.现场总线控制系统的构成要素
现场总线控制系统是集散控制系统向现场级分散的结果。因此，它具有集 散控制系统的构成要素，即它是：递阶控制系统、分散控制系统，具有冗余 化结构。 （1）现场总线及其分类 现场总线是在过程白动化和制造自动化中，实现智能化现场设备与高层设 备之间互连的，全数字、串行、双向传输的、多分支结构的通信系统。 现场总线是应用于现场智能设备之间的一种通信总线，它广泛应用于制造 工业自动控制和过程工业自动控制领域。 按现场应用的不同要求和规模，现场总线可分为执行器传感器现场总线、 设备现场总线和全服务现场总线。 1）执行器传感器现场总线(Actuator Sensor Bus)
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第二章 集散控制系统构成
二、集散控制系统的构成要素 2.集散控制系统的结构分类
（1）产品结构类型 ①多数集散控制系统的结构：模件化控制站十与MAP兼容的宽带、载带局 域网十信息综合管理系统。（通信系统以工业以太网或实时以太网为主） ②第二代集散控制系统的典型结构：分散过程控制装置十局域网十信息管 理系统。（采用局域网技术，通信性能提高，联网能力增强） ③早期集散控制系统的结构：分散过程控制站十高速数据公路十操作站十 上位机。 ④制造业广泛采用的一种集散控制系统结构：可编程控制器(PLC)十通信系 统十操作管理站。（尤其对大量顺序控制系统的工业生产过程特别有效。大 多数可编程控制器制造商采用这种结构实现集散控制系统，集散控制系统制 造商也已有采用可编程控制器作为控制站的例子。中小型规模的工业应用也 常采用这种集散控制系统的结构）
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第二章 集散控制系统构成
二、集散控制系统的构成要素 1.集散控制系统的结构特征
集散控制系统的结构特征：递阶控制结构、分散控制结构、冗余化结构。 （2）分散控制： 分散控制结构是针对集中控制可靠性差的缺点而提出。与 递阶控制结构的根本区别是分散控制系统结构是一个自治(Autonomous)的闭 环结构。 1）分散控制结构的类型 分散控制结构分为垂直型、水平型和两者混合的复合型。 ①垂直型。又称阶层型。它是以上下关系为基础的控制结构。下位向左右 方向扩大，形成金字塔形。系统的通信发生在上下位之间，其主导权由上位 掌握，对下位设备的动作有监视和进行调整的权限。 ②水平型。它是一种以自我管理为基础的对等的分散子系统结构。通信系 统中，这些子系统具有平等地化。
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3）全服务现场总线(Fieldbus) 全服务现场总线又称为数据流现场总线，它是最高层的现场总线。 该总线以报文通信为主，包括一些复杂的对过程控制装置的操作和控制等功 能。其特点是开放性、互操作性及分散控制等。它的通信数据信息长，最大传 输距离根据采用通信媒体的不同而变化。传输时间较长，传输数据类型较多。 这类总线有基金会现场总线(FF)、Profibus-PA总线、world-FIP现场总线、 HART总线和LON总线等。其中，HART总线是过渡性的现场总线。
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第二章 集散控制系统构成
二、集散控制系统的构成要素 1.集散控制系统的结构特征
集散控制系统的结构特征：递阶控制结构、分散控制结构、冗余化结构。 （3）冗余化结构： 为提高系统的可靠性，集散控制系统在重要设备、对全 系统有影响的公用设备上常采用冗余化结构(Redundant structure)。 所有设备都采用冗余结构是不必要的，也是不经济的。应对采用冗余结构 造成的投资增加和系统故障造成的停车损失进行权衡比较，考虑合适的冗余 结构方式。
第6章 集散控制系统的人机界面
第7章 集散控制系统的数据通信 第8章 集散控制系统应用实例 ……热工过程DCS系统开发与应用（一、二、三、四）
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第二章 集散控制系统构成
一、集散控制系统的构成方式 1. 集散控制系统的各层功能
随着现场总线控制系统的诞生，集散控制系统的最低层出现现场控制级。 通常，将连接常规模拟仪表的仪表计算机控制系统称为集散控制系统，将 连接现场总线仪表的仪表计算机控制系统称为现场总线控制系统。 从集散控制系统分散控制、集中管理的特点看，现场总线控制系统属于集 散控制系统范畴。 现场控制级；过程装置控制级；车间操作管理级；全厂优化调度管理级
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④自组织层。按系统总控制目标选择下层所用模型结构、控制策略等。当 总目标变化时，能够自动改变优化层所用的优化性能指标。当辨识参数不能满 足应用要求时，应能够自动修改自适应层的学习策略等。
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2）多级结构（Multilevel structure） 为减少同一级的各子系统之间信息的交换和决策的冲突，在分散的各决策 子系统上添加一级协调级，用于下级决策的协调和信息的交换。 下图显示一个全厂多级多目标结构：
普通高等教育“十一五”国家级规划教材
集散控制系统原理及应用 第三版
何衍庆 黄海燕 黎 冰 编著
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集散控制系统原理及应用
第1章 概述
第2章 集散控制系统构成 第3章 集散控制系统性能评估 第4章 集散控制系统的控制算法和控制组态 第5章 集散控制系统的工程设计
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第二章 集散控制系统构成
三、现场总线控制系统的构成 1.现场总线控制系统的构成要素
现场总线控制系统是集散控制系统向现场级分散的结果。因此，它具有集 散控制系统的构成要素，即它是：递阶控制系统、分散控制系统，具有冗余 化结构 （2）现场总线的特点 ①开放性。现场总线是开放的网络。符合现场总线通信协议的任何一个制 造厂商的现场总线仪表产品都能方便地连接到现场总线通信网，符合通信标 准的不同制造商产品可以互换或替换，而不必考虑该产品是否是原制造商产 品。此外，第三方软件列以方便地移植到系统中，缩短了系统开发周期。 ②智能化。现场总线仪表把微处理器引入仪表，使仪表本身成为网络的一 个站，并参与通信。在现场总线仪表中可以完成原来需在分散过程控制装置 或回路控制器中才能完成的各种运算和控制。在现场就可完成控制系统的各 种基本功能要求，送控制室的数据全部是数字信号，保证了功能的自治性。
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第二章 集散控制系统构成
二、集散控制系统的构成要素 1.集散控制系统的结构特征
集散控制系统的结构特征：递阶控制结构、分散控制结构、冗余化结构。 （1）递阶控制： 集散控制系统是金字塔结构，同一级的各决策子系统可同时 对其下级系统施加作用，同时又受到上级的干预，子系统可通过上级相互交 换信息。因此，集散控制系统是递阶控制结构。 递阶控制(Hierarchical control)结构分多层结构、多级结构和多重结构三类。 1）多层结构（Multiplayer structure） ①直接控制层。采用一般的简单控制。 ②优化控制或监视层。在一定的对象数学模型和参数已知条件下，按优 化指标确定直接控制层中控制器的设定值。 ③学习层或自适应层。通过对实际系统的观测，辨识优化层中所使用数 学模型的结构和参数，使建立的数学模型能够尽可能正确反映实际过程。
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③复合型。它是水平和垂直型的混合。各子系统各自管理的同时，形成上下 阶层关系，各子系统有较强的独立性，上位系统的故障不影响下位子系统间的 数据交换和各自的功能。正常工作时，上位系统监视和支持下位系统的工作。 大多数集散控制系统采用复合型分散控制结构。 2）集散控制系统的分散控制结构 集散控制系统中，分散控制结构表现为下列几方面： ①组织人事的分散。 ②地域的分散。 ③功能的分散。集散控制系统的分级是以功能分散为依据的。按纵向分散， 可分为直接控制、优化控制、自学习和白适应控制及自组织控制。按类型分散， 可分为常规控制、顺序控制和批量控制等。 ④负荷的分散。集散控制系统的负荷分散不是由于负荷能力不够而进行的 负荷分散，主要是危险分散。 分散控制结构是以良好的通信系统为基础的。过分的分散，使系统通信量增 大，响应速度下降。同样，过分的集中、因受微处理器处理速度的限制而使信 息得不到及时处理，造成响应速度变慢。因此、考虑到经济性、响应性、系统 构成的灵活性等因素，集散控制系统纵向通常分为二到四层。。 化学工业出版社
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⑤适用于小型企业的集散控制系统结构：单(多)回路控制器十通信系统十操 作管理站。（有较大的灵活性和较高性价比） （2）实际应用的结构类型 实际应用时，采用微处理器、工业微机组成集散控制系统的结构类型如下： ①工业微机十通信系统十操作管理机。（工业微机IPC作为多功能多回路的 分散过程控制装置，并由软件公司开发有关应用软件） ②单回路控制器十通信系统十工业微机。（工业微机IPC作为操作管理机， 通用性强，软件可自行开发，也有成熟的软件产品可购买） ③可编程控制器十通信系统十工业微机。（主要用于有大量顺序控制应用的 场合） ④工业微机十通信系统十工业微机。（这两个工业微机各有不同功能，前者 作为分散过程控制装置，后者作为操作管理机。可选用不同规格的工业微机以 适应不同的应用要求） ⑤智能前端十通信系统十工业微机。（这是简易通用的集散控制小系统结构， 偶有应用）
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第二章 集散控制系统构成
一、集散控制系统的构成方式 2.集散控制系统的基本构成
（1）分散过程控制装置：由多回路控制器、单回路控制器、多功能控制器、 可编程逻辑控制器和数据采集装置等组成。它相当于现场控制级和过程控制 装置级，实现与生产过程的连接。 （2）集中操作和管理系统：由操作站、工程师站、服务器、管理机和外部 设备，例如打印机、数据存储装置等组成，相当于车间操作管理级和全厂优 化和调度管理级，实现入与机的信息交互。 （3）通信系统：是实现集散控制系统各级之间数据通信的桥梁。根据系统 的不同，通信系统的拓扑结构和通信方式可不同，其目的是实现各有关级之 间的数据通信。
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3）多重结构（Stratified structure） 多重结构是指用一组模型从不同角度对系统进行描述的多级结构。层次的选 择，即观察的角度受观察者的知识和观察者对系统兴趣的约束。 例如，一个复杂的自动化生产过程可按下列三重层次进行研究： ①将系统看成是按一定物理规律变化的物理现象； ②从信息处理和控制角度看，将过程看成是一个受控系统； ③从经济学角度看，将系统看成是一个经济实体，并据此评价其经济效益 和利润。
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执行器传感器现场总线是用于现场设备的底层现场总线。 适用于简单的开关装置和输入输出位的这类通信，数据宽度仅限于“位”。 其结构简单，成本低，数据信息短，需快速和有预知的响应时间。它具有简化 现场接线、不支持本安回路、不支持总线供电、传输距离在500m以下等特点。 典型的执行器传感器现场总线有：Seriplex总线、AS-i 总线。 连接到执行器传感器现场总线的设备主要是接近开关、液位开关、开关式控 制阀、电磁阀、电动机和其他两位式操作的设备。 2）设备现场总线(Device Bus) 设备现场总线是中间层的现场总线。 适用于以字节为单位的设备和装置的通信，例如，用于分析器、编码器、流 程参数传感器、电机启动器、接触器、电磁阀等的信息传输。其特点是成本适 中，数据信息包括离散量和模拟量，要求有快速通信和预知的响应时间，它支 持总线供电，不支持本安回路。可采用双绞线作为通信媒体。 典型的设备现场总线有Interbus—S总线、DeviceNet 总线、Profibus DP总线、 ControlNet 总线、SDS总线和CAN总线等。
4）递阶控制结构的特点 采用递阶控制结构，具有经典控制结构所不具有的优点： ①系统结构灵活，容易更改，系统容量可伸缩，能适应工业生产不同规模应用 要求；②控制功能增强。除了直接控制外，还有优化控制、自学习、自适应和 自组织等功能； ③降低了信息存储量、计算量，减少了计算时间； ④可设置备用子系统，降低成本，提高可靠性； ⑤各级的智能化进一步提高系统的性能。