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5 集散控制系统简介
化 工 仪 表 及 自 动 化
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5 集散控制系统简介
教学内容：
5.1 计算机控制与计算机控制系统的组成
5.2 集散控制系统的特点及构成
5.3 现场总线控制系统
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—DCS控制系统—
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5.1 计算机控制与计算机控制系统的组成
由模拟调节器等常规自动化工具实现的自动化系统称为常规控制系统，也叫模拟式控制系统，以计算机为主要控制装置的自动化系统称之为计算机控制系统。
随着工业生产向大型化和连续化方向发展，生产过程也日趋复杂，对过程控制的要求也就越来越高，常规模拟仪表已不能完全满足生产控制要求。目前计算机控制已广泛应用于石油、化工、冶金、煤炭、制药、电子、汽车、机械制造等行业。
电子计算机应用在过程控制中，最初只用来作数据处理和巡回检测，取代记录仪等，后来逐渐取代模拟控制器，进入在线控制领域
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5.1.1 计算机控制系统的特点
(1) 计算机采用分时操作，用一台计算机可以代替许多台常规仪表，在一台计算机上操作与监视则方便了许多。
(2)常规模拟式控制系统的功能实现和方案的修改比较困难，常需要进行硬件配置调整和接线更改；而计算机控制系统，只需修改程序，重新组态即可实现。
(3) 计算机控制系统可以通过通信网络而互通信息，实现数据和信息共享，能使操作人员及时了解生产情况，改变生产控制和经营策略，使生产处于最优状态。
(4)计算机具有记忆和判断功能，它能够综合生产中各方面的信息，在生产发生异常情况下及时做出判断，采取适当措施，并提供故障原因的准确指导，缩短系统维修和排除故障时间，提高系统运行的安全性，提高生产效率。
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5.1.2 计算机控制系统的组成
生产过程
实时时钟
传感器
执行器
输出通道
主 机
输入通道
光电输入机
外存储器
声光报警器
宽行打印机
CRT显示器
纸带穿孔机
控制台
电传打字机
计算机控制系统组成框图
计算机控制系统主要由传感器、过程输入输出通道、计算机及其外设、操作台、执行机构等组成。
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（1）传感器
将过程变量转换成计算机所能接受的信号，如4～20mA或1～5V。
（2）过程输入通道
包括采样器、数据放大器和模数转换器。接受传感器传送来的信号进行相关的处理（有效性检查、滤波等）并转换成数字信号。
（3）控制计算机
它根据采集的现场信息，按照事先存储在内存中的依据数学模型编写好的程序或固定的控制算法计算出控制输出，通过过程输出通道传送给相关的接受装置。
（4）外围设备
外围设备主要是为了扩大主机的功能而设置的，它们用来显示、打印、存储及传送数据。一般包括光电机、打印机、显示器、报警器等。
（5）操作台
进行人机对话的工具。操作台一般设置键盘与操作按钮，通过它可以修改被控变量的设定值和报警的上、下限值、控制器的参数Kc、Ti、Td值以及对计算机发出指令等。
（6）过程输出通道
将计算机的计算结果经过相应的变换送往执行机构，对生产过程进行控制。
（7）执行机构
接收多路开关送来的控制信号，执行机构产生相应的动作，改变控制阀的开度，从而达到控制生产过程的目的。
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5.1.3 计算机控制系统的类型
5.1.3.1 按系统的功能分类
（1）顺序控制和数值控制
所谓顺序控制，就是使生产过程按事先规定好的时间函数或逻辑顺序进行工作的控制方式。它可以是按照预先规定好的各时间段应进行的控制动作，依次逐步进行(开环控制方式)。也可以是根据前阶段的结果，选择下一步应执行的动作，并转入相应的下一阶段(闭环控制方式)。
数值控制也简称数控，是将输入的数字信号转换成自动执行机构的控制信号，用以控制生产过程。主要用于机床及有关加工装置的控制。
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（2）直接数字控制（简称DDC）
DDC的控制过程是：计算机首先通过模数输入转换器 （A/D）按一定周期，循环实时采集多个生产过程被控参数的信息，然后按照控制算法运算后，其结果通过数模转换器 （D/A）依次进入控制执行器，构成一个闭环回路。
DDC 比起模拟仪表控制的主要优点在于很容易在计算机中实现 PID 和其他复杂的运算规律，并且保持了数字化的精度。
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（3）计算机监督控制 (简称SCC)
SCC系统有两种结构形式：其一是由上、下位机构成，上位机起监控作用，下位机起DDC作用，如图5-3（a）所示；另一种结构形式是由监督计算机与模拟控制器构成，如图5-3（b）所示。
就其功能而言，SCC也有两种形式：一种是寻求控制手段的最优设定值，又称之为SPC控制系统。另一种是设计一个最优控制器，以满足一个控制系统的最优指标，即根据工况来确定控制方式或控制器的控制规律。
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（4）递阶控制
递阶控制系统中包含有若干台计算机，并分成几个层次。处于最基层的“工作计算机”直接控制生产过程，在其上层的“监督计算机”则根据数学模型按控制方案计算，指挥它下一级“工作计算机”的工作。高层的“经营管理计算机”进行全局规划、管理和调度，向它下一级的“监督计算机”下达指令。这样就构成了一个金字塔形的计算机控制系统，称为递阶控制系统，又叫做分级控制系统。
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5.1.3.2 按系统结构分
（1）单机控制系统
单机控制系统是指用一台微机对生产过程进行控制的系统，它可以实现DDC控制。
控制回路一般有4路、8路或16路。
其特点是系统结构简单、价格便宜，适合于小规模生产装置的计算机控制。对于规模大、控制回路多的生产过程，可采用双机或多级计算机控制系统。
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（2）多级计算机控制系统
最常见的是包含主、从计算机的两级计算机控制系统，它可以实现SCC控制。
主计算机称上位机，它具有较强的计算能力和人机对话能力，主要用于协调各个下位机的工作，监督和控制整个生产过程。
处于从属地位的计算机称之为下位机，也称前沿机。它接受上位机的指令，直接从事生产过程的数据采集和参数控制，并将有关的测量和控制信息返回给上位机
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（3）多级分布式计算机控制系统 (Distributed Control System，简称DCS)
集散系统是70年代中期发展起来的一种全新分布式控制系统。它从模拟电动控制仪表的操作习惯出发，融入计算机技术（Computer）、控制理论（Control）、网络通讯技术（Communication）和CRT显示技术的发展成果，总的设计思想是将生产管理数据集中显示，而将生产过程控制分散实施，表现出集中管理、分散控制的明显的特点，俗称“集散控制系统”。
DCS系统具有极高的可靠性和系统组合、扩展的高度灵活性，并使危险性分散。
DCS系统由于其突出的优越，已在生产中得以广泛的应用。
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5.1.4 计算机控制系统的发展趋势
1959年3月1日第一套计算机控制系统在美国德克萨斯州亚瑟港炼油厂的聚合装置上正式投入运行，该系统控制着26个流量、72个温度、3个压力和3个机械位置。
随着控制理论、计算机技术、通讯技术的发展而进一步完善，其发展速度将可能超乎人们的想象。在未来的几年，计算机在控制领域里的应用将向集散化和综合化发展。
随着计算机技术越来越多应用于检测与传感器、执行装置，工艺生产中越来越多的将采用智能化的变送器和执行器，现场总线控制系统将逐渐取代集散控制系统。
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（三）集散型控制系统的发展概况
20世纪70年代中期，微处理器高速发展，微机价格下降。结合通信网络技术，出现了若干微机通过网络连接起来，构成一个大型计算机系统，使得整个系统的任务可以分散进行，实现了计算机系统的分散化，从而大大降低了系统出现故障的风险。分散化思想的日益成熟，计算机网络技术的发展，推动了分布式处理系统的发展。在此期间，世界各国也相继推出了自己的第一代集散型控制系统。
20世纪80年代，随着微处理运算能力的增强，超大规模集成电路集成度的提高和成本的不断下降，给过程控制的发展带来了新的面貌，使得过去难以想像的功能付诸了实施，推动着以微处理器为基础的过程控制设备和集散型控制系统、可编程控制器和过程变送器等同步更新发展。
进入20世纪90年代，计算机等新技术的发展，特别是开放式结构和集成技术将深刻地影响着 DCS的发展。使集散型控制系统进入一个新的阶段，产生了生产过程控制系统与信息管理系统紧密结合的管控一体化的新一代集散型控制系统。具体表现为：
① DCS向综合化、开放化发展；
② 大型 DCS进一步完善和提高的同时，发展小型集散控制系统；
③ 采用人工智能技术；
④ 采用虚拟的真像技术。
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5.2 集散控制系统的特点及构成
5.2.1 集散控制系统的基本构成
(2)集散控制系统（Distributed Control System，英文缩写DCS）就是：一方面强调控制的分散性，即使用若干个控制器完成系统的控制任务，每个控制器实现一定的有限控制目标,可独立完成数据采集、信号处理、计算变换及输出等功能；另一方面，又强调管理的集中性，它依靠计算机网络完成操作显示部分与分散控制系统之间的数据传送，使所有控制器都在生产过程的统一管理协调下动作的计算机控制系统。
(1) 集中分散 型 计 算 机 控 制 系 统 又 称 为 分 布 式 计 算 机 控 制 系 统， 简 称 集 散 型 控 制 系 统（DCS）。其实质是 四 Ｃ 技术，即计算机 （Computer）、控制器 （Controller）、通 信（Communication）和CRT 显示技术相结合的产物。
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连续过程
间歇过程
离散过程
直接控制
过程管理
生产管理
经营管理
生产管理主要完成生产规划，生产监视，根据用户订单、库存、能耗约束、能耗需求等指标进行生产调度。在许多DCS中，这级充当最高管理层。
直接控制级主要功能包括现场数据采集，过程监视、故障诊断、控制输出、安全性能和冗余性能的实施……
经营管理级居于工厂自动化系统的最高一层，负责全厂广泛的工程、经济、商务、人事以及其他的工作。如：市场分析、销售和生产计划……
过程管理级主要功能包括回路组态、优化控制、性能监视、故障监测、记录、报警……
DCS功能层次示意图
集散型控制系统体系结构的主要特点是层次化，使之体现集中操作管理、分散控制的思想，一般由四级层次组成。
(3)集散型控制系统的体系结构
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集散型控制系统体系结构中各层的功能
　　１. 直接控制级
直接控制级是集散型控制系统的基础，其主要任务如下。（１）进行过程数据采集:　即对被控设备中的每个过程量和状态信息快速采集，使进行数字开环控制、闭环控制、设备监测、状态报告的过程等获得所需要的输入信息。
（２）进行直接数字的过程控制:　根据控制组态数据库，控制算法模块来实施实时的过程量 （如开关量，模拟量等）控制。
（３）进行设备监测和系统的测试和诊断:　把过程变量和状态信息取出后，分析是否可以接受和是否可以允许向高层传输，进一步确定是否对被控装置实施控制。并根据状态信息判断计算机系统硬件和控制板件的性能，在必要时实施报警、错误或诊断报告等措施。
（４）实施安全性、冗余化方面的措施:　一旦发现计算机系统硬件或控制板有故障，就立即实施备用件的切换，保证整个系统安全运行。
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２. 过程管理级
　　过程管理级主要是应付单元内的整体优化，并对其下层发出命令，在这一层可完成的功能如下。
（１）优化过程控制:　这可以根据过程的数学模型以及所设定的被控对象来进行。
（２）自适应回路控制:　在过程参数希望值的基础上，通过数字控制的优化策略，当现场条件发生改变时，经过过程管理级计算机的运算处理就得到新的设定值和控制值，并把控制值传送到直接过程控制层。传送到直接过程控制层。
（３）优化单元内各装置，使它们密切配合:　这主要是根据单元内的产品、原材料、库存以及能源的使用情况，以优化准则来协调相互之间的关系。
（４）通过获取直接控制层的实时数据以进行单元内的活动监视，故障检测存档，历史数据的存档，状态报告和备用。
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３. 生产管理级
　　根据用户的订货情况、库存情况、能源情况来规划各单元中的产品结构和规模，并且可使产品重新计划，随时更改产品结构。为此，一些复杂的工厂在这一控制层就实施了协调策略。此外，综观全厂的生产和产品监视，以及产品报告也都在这一层来实现，并与上层交互传递数据。中小企业中，这一层可充当最高一级管理层。
　　经营管理级居于工厂自动化系统的最高一层。它管理的范围很广，包括工程技术方面、经济方面、商业事务方面、生产经营、财务、人事等各个方面。把这些功能都集成到软件系统中，通过综合的产品计划，在各种变化条件下，结合多种多样的材料和能量调配，最优地解决这些问题。在这一层中，通过与公司的经理部、市场部、计划部以及人事部等办公室自动化相连接，来实现整个制造系统的最优化。
４. 工厂经营管理级
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5.2.2 集散控制系统的特点
集散型控制系统采用标准化、模块化和系列化设计，由过程控制级、控制管理级和生产管理级所组成的一个以通信网络为纽带的集中显示操作管理，控制相对分散，具有配置灵活，组态方便的多级计算机网络系统结构。
① 控制功能丰富 。
② 监视操作方便。
③ 信息和数据共享 。
④系统扩展灵活。
⑤安装维护方便。
⑥系统可靠性高 。
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OperateIT
EngineerIT
过程管理级
控制网络
过程控制级
断路器, 保险
电源供电柜
常规测量设备
常规执行机构
/
OptimizeIT
PID
例1：集散型控制系统体系结构示例
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例2： 下图TDC- 3000是霍尼威尔 （Honeywell）公司1983年10 月发表的，目前应用较广且有四层体系结构。
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① 局部控制网络 （LCN）是 TDC 3000的主干网，通过计算机接口与DECnet/Ethernet相连，同 DEC?VAX 系统计算机联系构成综合管理系统；与个人计算机构成范围 更 广 泛 的计算机综合网络系统。从而将工厂所有计算机系统和控制系统联为一体，实现优化控制、优化管理的目的。
② 万能控制网络 （UCN）是1988年开发的以 MAP （通信标准化）为基础的双重化实时控制网络。支持了32个冗余设备，应用层采用 RS-511标准。
③ 数据公路 （DH）是第一代集散型控制系统的通 信 系 统，采 用 串 行、半 双工方式 工作，优先存取和 定 时 询 问 方 式控 制，DH 上 设 置 了 一 个 通 信 指 挥 器 （HTD） 来 管 理 通 信。任何 DH 之间的通信必须由 HTD 指挥，从 HTD 获得使用 DH 的权利。
１.TDC- 3000有三种通信链路
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２. TDC -3000提供三个不同等级的分散控制
① 以过程控制设备为基础，并对控制元件进行控制的过程控制级。
② 先进的控制级包括比过程控制级更加复杂的控制策略和控制计算，通常称为工厂级。
③ 最高控制级提供用于高级计算机的技术和手段，例如适用 于 复 杂 控制的过程 模 型，过程最优控制及线性规划等称为联合级。
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３. TDC-3000的过程控制站主要包括：
基本控制器 （BC），多功能控制器 （MC）、先进多功能控制器 （AMC）、逻辑控制器、过程控制器、逻辑管理站 （LM），过程管理 站 （PM）、单 回 路 控制器 （KMM）和可编程控制器 （PLC）等。
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４.TDC-3000有四种 CRT 操作站
① 万能操作站 （US）是全系统的窗口，是综合管理的人机接口。
② 增强型操作站 （EOS）是 TDC-2000 CRT 操作站的改进型。
③ 本地批量操作 （LBOS）主要用于小系统。
④ 新操作站 （US*） 使用开放的 X-WINDOW技术，操作员能够同时观察工厂信息、网络数据和过程控制数据。。
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５.TDC-3000? 在 LCN 上挂接多种模块
① 万能操作站 （US）。
② 历史模件 （HM）可以收集和存储历史数据。③ 应用模件 （AM）用于连续控制、逻辑控制、报警处理和批量历史收集等等。其控制策略可用标准算法，此外还有优化用工具软件包等。
④ 可编程逻辑控制接口 （PLCG）。
⑤ 计算机接口 （CG），提供与其他厂家如 DEC、IBM、HP等计算机之间的连接。
⑥ 网络接口模件 （NM），提供 UCN 和 LCN 之间的连接。
⑦ 数据公路接口 （HG），将数据公路 （DH）与 LCN 相连。
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例3： 以个人计算机为管理级的 DCS系统
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5.3.1 现场总线系统的产生和特征
5.3.1.1 现场总线系统的产生
现场总线控制系统(Fieldbus Control System，) 简称FCS。目前的DCS也称为传统的DCS，因DCS的检测、变送和执行等现场仪表仍采用模拟信号(4～20mA DC)连接。因而产生了上位机与现场仪表进行数字通信的要求。
从80年代起，出现了智能化的现场仪表，智能化现场仪表的出现，也要求与上位机系统实现数字通信。
正是在上述因素的驱动下，要求建立一个标准的现场仪表与上位机系统的数字通信链路，这条通信链路就是现场总线，FCS也就应运而生了。
实际上，现场总线就是连接现场变送器、传感器及执行机构等智能化现场仪表的通信网络。
5.3现场总线控制系统
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①现场总线是一个全数字化的现场通信网络
②现场总线网络是开放式互连网络
③现场总线采用数字信号传输取代模拟信号的传输，现场总线允许在一条通信线缆上挂多个现场设备，而不需要A/D、D/A等I/O组件。如图5-8所示
④增强了系统的自治性，系统控制功能更加分散
5.3.1.2 FCS现场总线系统的特征
现场控制单元
I/O子系统
控制器或通信接口
现场总线
通信总线
通信总线
传统计算机控制系统结构示意图
现场总线控制系统结构示意图
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国际电工委员会、国际标准化组织、各大公司及世界各国的标准化组织虽然都给予了极大的关注，直到1999年才形成了一个由8个类型组成的IEC61158现场总线国际标准。
5.3.2 现场总线国际标准化
IEC61158
Type1：IEC61158技术报告
Type2：ControlNet
Type3：PROFIBUS
Type4：P-Net
Type5：FF-HSE
Type6：SwiftNet
Type7：WorldFIP
Type8：Interbus
IEC61158采用的8种类型
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常见的现场总线系统
１.HART 总线系统
HART 系 统 是 1985 年 由 罗 斯 蒙 特 公司开发出的一种协议。它可以将模拟信号调制成调频信号，并利用数字调频信号进行传输。
２. CAN 总线系统
它是一种对等式的现场总线网，其物理层采用双绞线，符合ISO-DIS11898标准，其数据链路层采用 CSMA/CD协议，建立了良好的优先级控制机制。
３. LonWorks总线系统
Lonworks采用 Neuron芯片，这是集控制器和网络通信处理器于一体的芯片，内置4个 cpu，一个用于控制，可以处理现场I/O，另两个处理网络通信，因此，Lonworks具有明显的网络处理能力优势。
４.Profibus总线系统
Profibus是一种多主从的令牌网 络，得 到 令 牌 的 节 点 可 以 向 网 上 发 布 信息，其余节点接受。 Profibus的物理层采用 EIA485，数据链路层采用令牌协议。每个系统允许最多4个段，每段可以挂接32个点。
５.FF总线系统
是遵守ISA/IEC的SP50现场总线标准。FF 除了定义ISO 的第一、第二、第七层外，还定义了新的一层———用户协议层，FF采用了 HART 协议中的DDL 作为该层的一个组成部分。
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本章节小结
（1）计算机控制系统主要由传感器、过程输入输出通道、计算机及其外设、操作台执行机构等组成。计算机控制系统按照功能分为顺序控制、数值控制、直接数字控制、计算机监督控制、递阶控制。按照结构分为单机控制系统、多级计算机控制系统、多级分布式计算机控制系统。
（2）集散控制系统的基本组成通常包括现场监控站、操作站、上位机和通信网络等部分。
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