第九章 計算機控制系統(tǒng)

化工儀表及自動化第九章計算機控制系統(tǒng)

1內(nèi)容提要概述216計算機控制系統(tǒng)的組成計算機控制系統(tǒng)的特點計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展過程集散控制系統(tǒng)219集散控制系統(tǒng)的特點集散控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成CENTUM-CS集散控制系統(tǒng)（自學）2內(nèi)容提要現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)27現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的特點現(xiàn)場總線國際標準化主要的現(xiàn)場總線系統(tǒng)簡介3第九章計算機控制系統(tǒng)現(xiàn)代科學技術(shù)領(lǐng)域中，計算機技術(shù)和自動化技術(shù)被認為是發(fā)展最迅速的兩個分支，計算機控制技術(shù)是這兩個分支相結(jié)合的產(chǎn)物，它是工業(yè)自動化的重要支柱。自20世紀50年代末期，第一臺計算機應(yīng)用于控制以來，開始了轟轟烈烈的計算機工業(yè)應(yīng)用的時代。當時認為計算機的運算、記憶功能非常強大，同時由于計算機造價很高，為了使計算機控制能與常規(guī)儀表競爭，企圖用一臺計算機來控制盡可能多的控制回路，實現(xiàn)集中檢測、集中控制和集中管理，這樣就大大提高了對計算機可靠性的要求。4但由于當時計算機功能低、運算速度慢，再加上硬件不過關(guān)，可靠性較低，軟件功能差，常常由于計算機故障或一個輸入、輸出回路發(fā)生故障，就要對全廠或整個裝置進行停車搶修，計算機控制不僅沒有給生產(chǎn)帶來明顯的好處、反而嚴重地影響了生產(chǎn)，使計算機控制經(jīng)歷了漫長而艱難的道路，一度陷入了困境難以自拔。為擺脫上述困境，競相尋找新的出路。終于在1975年美國霍尼韋爾公司〔HonywellInc〕和日本橫河電機株式會社分別推出新型的集散控制系統(tǒng)DCS(DistributedContro1System)。5DCS這類系統(tǒng)實現(xiàn)控制分散，危險分散，操作、監(jiān)測和管理集中，采用分級遞階的分布式結(jié)構(gòu)，使當時陷入困境的計算機集中控制和直接數(shù)字控制(DirectDigitalControl—DDC)得到新生，在全球迅速得到推廣應(yīng)用。但是當時各個生產(chǎn)集散控制系統(tǒng)的廠家為了技術(shù)保密，都采用封閉政策，各個廠都自成體系，數(shù)據(jù)不能與外界通信，該系統(tǒng)的推廣應(yīng)用受到限制。

6直到20世紀80年代初期，計算機過程控制已進入高一層次，現(xiàn)場控制站已用16位CPU，增強型用32位CPU，開始用標準化、模塊化設(shè)計，增強靈活性與適應(yīng)性，數(shù)據(jù)通訊用局域網(wǎng)(LAN)，可實現(xiàn)與外界數(shù)據(jù)通訊，可與MAP和以太網(wǎng)接口，有網(wǎng)間連接器，全部使用32位CPU和表面安裝技術(shù)(SMT)，增強圖示功能，應(yīng)用多窗口技術(shù)和指觸屏，相應(yīng)速度更快，組態(tài)可用計算機輔助設(shè)計(CAD)，更加直觀，開始引入專家系統(tǒng)，實現(xiàn)PID參數(shù)自整定，可與主機聯(lián)系，構(gòu)成信息管理系統(tǒng)。7進入20世紀90年代以來，DCS又有了新的發(fā)展，表面安裝技術(shù)與專用集成電路(ASIC)使板級上元件數(shù)量很少，可靠性大大提高，RISC工作站使圖形窗口更完善，操作更方便，交互圖形、人機接口、容錯技術(shù)和通訊網(wǎng)絡(luò)都得到進一步發(fā)展。從而使工業(yè)自動化技術(shù)發(fā)展到一個嶄新的階段，所以對一個工程技術(shù)人員來說，了解和掌握計算機控制系統(tǒng)方面的知識非常重要。8我國的現(xiàn)狀我國計算機控制系統(tǒng)也是從20世紀六十年代開始的，例如北京有機化工廠在20世紀六十年代就對計算機在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用作了一些嘗試，其他一些企業(yè)（例興平化肥廠）也作了一些相應(yīng)的工作。但是計算機真正在生產(chǎn)上應(yīng)用是在微型計算機出現(xiàn)以后，特別是從20世紀八十年代開始，我國陸續(xù)引進了國外先進的集散系統(tǒng)，首先應(yīng)用于大型企業(yè)。同時，國內(nèi)的一些研究、制造單位也著手開發(fā)同類的先進控制系統(tǒng)，使計算機在生產(chǎn)過程自動化中的應(yīng)用，真正出現(xiàn)日新月異的大好局面。9第一節(jié)概述一、計算機控制系統(tǒng)的組成

所謂計算機控制系統(tǒng)是利用計算機實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過程的自動控制系統(tǒng)。圖9-1是典型的計算機控制系統(tǒng)原理框圖。圖9-1計算機控制系統(tǒng)原理框圖10第一節(jié)概述一、計算機控制系統(tǒng)的組成在常規(guī)控制系統(tǒng)中，如果用計算機來代替常規(guī)控制器，就可以構(gòu)成計算機控制系統(tǒng)。不同于常規(guī)的儀表控制系統(tǒng)，在計算機控制系統(tǒng)中，由于計算機的輸入和輸出信號都是數(shù)字信號，因此在典型的計算機控制系統(tǒng)中需要有輸入與輸出的接口裝置(I/O)，需要有將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的A/D轉(zhuǎn)換器，以及將數(shù)字控制信號轉(zhuǎn)換為模擬信號的D/A轉(zhuǎn)換器。11優(yōu)勢由于控制系統(tǒng)中引進了計算機，就可以充分運用計算機強大的計算、邏輯判斷和記憶等信息加工能力。特別是系統(tǒng)的控制功能是通過內(nèi)部的控制程序來實現(xiàn)的，只要改變這些程序，就可以更改對設(shè)備的控制功能以適應(yīng)新的要求，而不需要改動系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)。這種靈活性給實現(xiàn)許多新型的控制系統(tǒng)帶來極大的方便和可能，容易取得較顯著的控制效果。12數(shù)據(jù)采集對被控變量的瞬時值進行檢測，并輸入計算機；控制決策對采集到的數(shù)據(jù)進行分析，并按預(yù)先規(guī)定的控制規(guī)律進行運算，根據(jù)運算結(jié)果，決定進一步的控制行為；控制輸出根據(jù)決策，適時地對控制機構(gòu)發(fā)出控制信號，完成控制任務(wù)。生產(chǎn)過程中應(yīng)用的計算機系統(tǒng)，除個別特殊的只用于數(shù)據(jù)采集的外，一般都應(yīng)是實時計算機系統(tǒng)。從本質(zhì)上來看，計算機控制的工作過程的三個步驟：數(shù)據(jù)采集、控制決策與控制輸出。13數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)框圖14數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)是將生產(chǎn)過程中的各種參數(shù)經(jīng)一次儀表發(fā)送、信號調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換而定時地巡回采樣到計算機中，然后由計算機對數(shù)據(jù)進行分析相處理。數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用比較多，例如，流量測量中的壓力、溫度等參數(shù)影響的自動校正，一些工藝指標(如轉(zhuǎn)化率、出料成分、熱焓等）的自動計算等。15第一節(jié)概述圖9-2計算機控制系統(tǒng)組成框圖計算機控制系統(tǒng)主要由：傳感器、過程輸入輸出通道、計算機及其外圍設(shè)備、操作臺和執(zhí)行器等組成，如下圖9-2所示。16第一節(jié)概述二、計算機控制系統(tǒng)的特點①計算機采用分時操作，用一臺計算機可以代替許多臺常規(guī)儀表，在一臺計算機上操作與監(jiān)視很方便。②計算機控制系統(tǒng)，由于其所實現(xiàn)功能的軟件化，復(fù)雜控制系統(tǒng)的實現(xiàn)或控制方案的修改可能只需修改程序、重新組態(tài)即可實現(xiàn)。③計算機控制系統(tǒng)可以通過通信網(wǎng)絡(luò)而互通信息，實現(xiàn)數(shù)據(jù)和信息共享，能使操作人員及時了解生產(chǎn)情況，改變生產(chǎn)控制和經(jīng)營策略，使生產(chǎn)處于最優(yōu)狀態(tài)。17第一節(jié)概述④計算機具有記憶和判斷功能，它能夠綜合生產(chǎn)中各方面的信息，在生產(chǎn)發(fā)生異常情況下，及時做出判斷，采取適當措施，并提供故障原因的準確指導(dǎo)，縮短系統(tǒng)維修和排除故障時間，提高系統(tǒng)運行的安全性，提高生產(chǎn)效率，這是常規(guī)儀表所達不到的。18第一節(jié)概述三、計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展過程1.直接數(shù)字控制

由于提供了計算機與過程裝置間的接口，實現(xiàn)了“傳感器—計算機—執(zhí)行器”三者電氣信號的直接傳遞，計算機在配備了傳感器、執(zhí)行器以及相關(guān)的電氣接口后就可以實現(xiàn)過程的檢測、監(jiān)視、控制和管理。這種用數(shù)字控制技術(shù)簡單地取代模擬控制技術(shù)，而不改變原有的控制功能，形成了所謂的直接數(shù)字控制(DirectDigitalControl)，簡稱DDC。

19直接數(shù)字控制DDC的組成DDC是計算機在工業(yè)控制上應(yīng)用的最普遍最基本的一種方式。從控制方式來說，可以說它是一種由工業(yè)控制計算機代替常規(guī)控制器所組成的一種簡單的計算機控制系統(tǒng)。計算機根據(jù)生產(chǎn)過程的信息，按照數(shù)字量形式，以一定的控制規(guī)律（簡單PID、串級、前饋等）運算，運算的結(jié)果通過輸出通道直接去改變執(zhí)行機構(gòu)的狀態(tài)，從而實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的閉環(huán)控制。20DDC系統(tǒng)的基本組成框圖如圖9-1所示。

DDC系統(tǒng)是由一臺DDC用計算機（主機）、輸入通道、輸出通道、人機接口幾部分構(gòu)成。21DDC的特點一臺計算機可取代多臺模擬控制器的作用；控制規(guī)律中的變化范圍較寬，而且參數(shù)之間無相互干擾；容易實現(xiàn)無擾動切換；對于噪聲較大的信號，可以通過數(shù)字濾波來提高信號的真實性；對輸入信號和輸出信號的調(diào)理比較方便；除能實現(xiàn)PID控制功能外，還能方便地采用先進的、復(fù)雜的控制規(guī)律（如串級控制、前饋一反饋控制、選擇性控制、解耦控制等），使系統(tǒng)的控制品質(zhì)得到提高。22DDC的缺點在直接數(shù)字控制系統(tǒng)中，對生產(chǎn)過程產(chǎn)生直接影響的被控變量的給定值是預(yù)先設(shè)定的，并且存入計算機的內(nèi)存中，這個給定值不能根據(jù)過程條件和生產(chǎn)工藝信息的變化及時修改，故系統(tǒng)無法使生產(chǎn)過程處于最優(yōu)工況，這顯然是不夠理想的。23第一節(jié)概述DDC的本質(zhì)DDC是計算機控制技術(shù)的基礎(chǔ)。從本質(zhì)上來說，就是用一臺計算機取代一組模擬控制器，構(gòu)成閉環(huán)控制回路。DDC控制系統(tǒng)的優(yōu)點DDC的突出優(yōu)點是：計算靈活，它不僅能實現(xiàn)典型的DDC控制規(guī)律，而且能方便地對傳統(tǒng)的PID算法進行改進或?qū)崿F(xiàn)其他的控制算法。

小結(jié)24第一節(jié)概述2.集中型計算機控制系統(tǒng)從系統(tǒng)功能上講，集中型計算機控制系統(tǒng)是DDC控制的發(fā)展，由于當時計算機體積龐大，價格昂貴，人們企圖用一臺計算機來控制盡可能多的控制回路，實現(xiàn)集中檢測、集中控制和集中管理。如圖9-3所示。圖9-3集中型計算機控制系統(tǒng)原理圖25集中型計算機控制系統(tǒng)的特點：可以實現(xiàn)先進控制、聯(lián)鎖控制等各種復(fù)雜的控制功能；信息集中，便于實現(xiàn)優(yōu)化控制和優(yōu)化生產(chǎn)；靈活性大，控制回路的增減、控制方案的調(diào)整可以由軟件來完成；操作方便，大量的模擬儀表盤可以由CRT取代，實現(xiàn)參數(shù)的監(jiān)控。但是，存在危險“集中”等問題。26何謂危險“集中”？但是，集中檢測、集中控制和集中管理帶來的問題是：常常由于計算機故障或一個輸入、輸出回路發(fā)生故障，就要對全廠或整個裝置進行停車檢修，嚴重地影響了生產(chǎn)，成為危險“集中”。這種危險“集中”很難為生產(chǎn)過程所接受，從而陷入困境。怎么辦呢？只有采用集散控制系統(tǒng)來解決27第一節(jié)概述3.集散控制系統(tǒng)

由于在可靠性方面存在重大缺陷，集中型計算機控制系統(tǒng)沒有得到成功的應(yīng)用。人們認識到，要提高系統(tǒng)的可靠性，需要把控制功能分散到若干個控制站來實現(xiàn)，不能采用高度集中的辦法。集散控制系統(tǒng)（DistributedControlSystem,

DCS）是隨著現(xiàn)代大型工業(yè)生產(chǎn)自動化的不斷興起和過程控制要求的日益復(fù)雜應(yīng)運而生的綜合控制系統(tǒng)。

28集散式控制系統(tǒng)的主要特征是它的集中管理和分散控制

它采用危險分散、控制分散，而操作和管理集中的基本設(shè)計思想，多層分級、合作自治的結(jié)構(gòu)形式。目前，DCS在化工、制藥等各種領(lǐng)域得到了極其廣泛的應(yīng)用。29DCS系統(tǒng)為什么能夠使危險“分散”？DCS由于采用了多微型機的分散控制結(jié)構(gòu)，使危險也“分散”了。這是由于以微型機為核心的基本控制的可靠性，一般要比中、小型工業(yè)控制機高，并且每臺基本控制器只控制少量的回路，即使發(fā)生故障，影響的面也比較小，再采用冗余技術(shù)與容錯技術(shù)，使DCS的可靠性也大大地提高了。30第一節(jié)概述4.現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場裝置和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)。

本質(zhì)全數(shù)字式的，取消了原來DCS系統(tǒng)中獨立的控制器，避免了反復(fù)進行A／D、D／A的轉(zhuǎn)換。特點雙向數(shù)據(jù)通信能力；把控制任務(wù)下移到智能現(xiàn)場設(shè)備，以實現(xiàn)測量控制一體化，從而提高系統(tǒng)固有可靠性。

定義31第二節(jié)集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)，是4C技術(shù)，即計算機（Computer）、控制器（Controller）、通訊（Communication）和CRT（CathodeRayTube，陰極射線管顯示器）顯示技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。它以微處理機為核心，把微型計算機、工業(yè)控制計算機、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、顯示操作裝置、過程通道、模擬儀表等有機地結(jié)合起來，采用組合組裝式結(jié)構(gòu)組成系統(tǒng)，為實現(xiàn)工程大系統(tǒng)的綜合自動化創(chuàng)造了條件。自1975年問世以來，發(fā)展迅速，目前已得到廣泛應(yīng)用。32第二節(jié)集散控制系統(tǒng)一、集散控制系統(tǒng)的特點①控制功能豐富②監(jiān)視操作方便③信息和數(shù)據(jù)共享④系統(tǒng)擴展靈活⑤安裝維護方便⑥系統(tǒng)可靠性高33第二節(jié)集散控制系統(tǒng)二、集散控制系統(tǒng)的基本組成圖9-4集散控制系統(tǒng)基本構(gòu)成圖圖9-5CENTUM-CS系統(tǒng)外觀圖它主要有現(xiàn)場監(jiān)控站（監(jiān)測站和控制站）、操作站（操作員站和工程師站）、上位計算機和通信網(wǎng)絡(luò)等部分組成。34第二節(jié)集散控制系統(tǒng)

操作站、工程師站和上位計算機構(gòu)成集中管理部分；現(xiàn)場監(jiān)測站、現(xiàn)場控制站構(gòu)成分散控制部分；通信網(wǎng)絡(luò)是連接集散系統(tǒng)各部分的紐帶，是實現(xiàn)集中管理、分散控制的關(guān)鍵。小結(jié)35第二節(jié)集散控制系統(tǒng)圖9-6集散型控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)從結(jié)構(gòu)上來看，它是一種典型的分級分布式控制結(jié)構(gòu)。經(jīng)過近30年的發(fā)展，集散型控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不斷更新。DCS的層次化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)已成為它的顯著特征，使之充分體現(xiàn)集中管理、分散控制的思想。按照其功能劃分，可以分成如圖9-6的四層分層體系。36集散控制系統(tǒng)DCS的設(shè)計思想

采用全開放的軟件開發(fā)平臺；采用全開放的硬件平臺；采用全開放的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；采用全開放的高級控制模塊接口；提供可隨時更新的新一代硬件與系統(tǒng)軟件的環(huán)境。37第二節(jié)集散控制系統(tǒng)三、CENTUM-CS集散控制系統(tǒng)1.CENTUM-CS系統(tǒng)的構(gòu)成圖9-7CENTUM-CS系統(tǒng)構(gòu)成自學！38第三節(jié)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FieldbusControlSystem,FCS）是在計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)、微電子技術(shù)飛速發(fā)展的基礎(chǔ)上，與自動控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。它實際是繼儀表控制系統(tǒng)、集中式數(shù)字控制系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)后的新一代控制系統(tǒng)。現(xiàn)場總線是20世紀80年代中期在國際上開始出現(xiàn)，90年代初發(fā)展形成的。它是應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場、微機化測量設(shè)備之間以及現(xiàn)場與控制室（或控制設(shè)備）之間的一種雙向串行、多節(jié)點的數(shù)字通信系統(tǒng)，也被稱為開放式、數(shù)字化、多節(jié)點通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)。39第三節(jié)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)一、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的特點1.現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點圖9-16傳統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖傳統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)的缺點

這種傳輸方式一方面要使用大量的信號線纜；另一方面模擬信號的傳輸和抗干擾能力低。

40第三節(jié)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS是在DCS系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展而成的，它繼承了DCS的分布式特點，但在各功能子系統(tǒng)之間