集散控制系統(tǒng)概述

集散控制系統(tǒng)教師：李琦控制科學(xué)與工程學(xué)院第一章概述緒論第一節(jié)集散控制系統(tǒng)的概念第二節(jié)集散控制系統(tǒng)的特點(diǎn)第三節(jié)集散控制系統(tǒng)的展望一、DCS的產(chǎn)生直接作用式氣動(dòng)執(zhí)行器；控制裝置安裝在被控過(guò)程附近，每個(gè)回路有單獨(dú)控制器；運(yùn)行人員分布在全廠各處；適用于規(guī)模不太大、工藝過(guò)程不太復(fù)雜的企業(yè)。1.1930年初期-分散控制典型的單回路連續(xù)控制閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖采用中央控制室，信息遠(yuǎn)距離傳輸；變送器、執(zhí)行器和控制器分離：變送器、執(zhí)行器安裝在現(xiàn)場(chǎng)，控制器在中央控制室；優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)行人員可獲得整個(gè)的生產(chǎn)信息，便于協(xié)調(diào)控制；2.40年代：“集中控制”2.50年代初：“集中控制”采用電動(dòng)單元組合儀表和組件組裝式儀表。變送器、執(zhí)行器和控制器分離：變送器、執(zhí)行器安裝在現(xiàn)場(chǎng)，控制器在中央控制室。注意：控制儀表和運(yùn)行人員在地理上的集中，控制器分別完成各控制任務(wù)，故障影響不大，管理集中，仍然分散控制；3.60年代初：集中控制計(jì)算機(jī)用于生產(chǎn)過(guò)程直接數(shù)字控制，計(jì)算機(jī)造價(jià)高，一臺(tái)計(jì)算機(jī)控制全廠的生產(chǎn)過(guò)程，整個(gè)系統(tǒng)控制任務(wù)的集中。特點(diǎn)：控制集中、管理集中缺點(diǎn)：受硬件水平限制，計(jì)算機(jī)可靠性低，一旦發(fā)生故障，全廠生產(chǎn)癱瘓。4.70年代中期:分布式控制系統(tǒng)分析集中控制的失敗，提出了分布式控制系統(tǒng)的概念；把控制功能分散在不同的計(jì)算機(jī)中完成，采用通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)各部分之間的聯(lián)系和協(xié)調(diào)。

分布式控制系統(tǒng):把控制功能分散在不同的計(jì)算機(jī)中完成，采用通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)各部分之間的聯(lián)系和協(xié)調(diào)。1.30年代初期：分散控制→(控制分散、管理分散)2.40年代：“集中控制”→(控制分散、管理集中)3.60年代：集中控制→(控制集中、管理集中)4.70年代至今:分布式控制(控制分散、管理集中)總結(jié)：1、集中控制系統(tǒng)（CentralizedControlSystem，CCS）2、分散控制系統(tǒng)（DecentralizedControlSystem，DCS）3、分布式控制系統(tǒng)（DistributedControlSystem，DCS）（集散控制系統(tǒng)）二、控制系統(tǒng)分類(lèi)按照結(jié)構(gòu)分類(lèi)1、集中控制系統(tǒng)控制計(jì)算機(jī)基本控制過(guò)程1基本控制過(guò)程2基本控制過(guò)程3基本控制過(guò)程4基本控制過(guò)程5集中控制系統(tǒng)的概念:單機(jī)系統(tǒng)，用一臺(tái)計(jì)算機(jī)對(duì)多個(gè)對(duì)象或設(shè)備進(jìn)行集中管理和集中控制。2、分散控制系統(tǒng)多機(jī)系統(tǒng)，多臺(tái)計(jì)算機(jī)分別控制不同的對(duì)象或設(shè)備，各自構(gòu)成子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)間有通信或網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的關(guān)系。從整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，在功能上、邏輯關(guān)系上、物理上以及地理位置上都是分散的。以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為組成核心的控制系統(tǒng)都是分散式系統(tǒng)。

3、分布式控制系統(tǒng)利用控制技術(shù)（Control）、計(jì)算機(jī)技術(shù)（Computer）、通信技術(shù)（Communication）和陰極射線管（CRT）顯示技術(shù)——4C技術(shù)，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行集中監(jiān)視、操作、管理和分散控制的新型控制系統(tǒng)，稱(chēng)集散控制系統(tǒng)，分布式控制系統(tǒng)（DistributedControlSystem，DCS

）

。主要特點(diǎn)：集中管理、分散控制。

比較分散控制系統(tǒng)和分布控制系統(tǒng)相同：結(jié)構(gòu)相似、子系統(tǒng)分散控制，DCS嚴(yán)格地說(shuō)是分散控制系統(tǒng)的一種。不同：DCS各子系統(tǒng)有密切聯(lián)系和信息交換，系統(tǒng)對(duì)各子系統(tǒng)的總體目標(biāo)和任務(wù)進(jìn)行協(xié)調(diào)和分配。第一章集散控制系統(tǒng)概述緒論第一節(jié)集散控制系統(tǒng)的概念第二節(jié)集散控制系統(tǒng)的特點(diǎn)第三節(jié)集散控制系統(tǒng)的展望一、DCS的定義一類(lèi)分散控制、集中管理、共用控制、共用顯示的、開(kāi)放的儀表和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。第一節(jié)集散控制系統(tǒng)的概念集散控制系統(tǒng)產(chǎn)生的原因模擬儀表難以勝任生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大；儀表技術(shù)需要適應(yīng)工業(yè)技術(shù)發(fā)展的要求；計(jì)算機(jī)集中控制的風(fēng)險(xiǎn)太大；系統(tǒng)上下及子系統(tǒng)之間的通信聯(lián)系要求越來(lái)越高。1.第一階段（初創(chuàng)期）（1975—1980年）分布控制系統(tǒng)是1975年首先由美國(guó)霍尼威爾（Honeywell）公司推出的。(日本橫河公司）基本特點(diǎn)：集中管理、分散控制；融入4C技術(shù)，數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)為初級(jí)局域網(wǎng)。第一代典型產(chǎn)品（公司）：

Honeywell公司的TDC2000橫河公司的CENTEMFoxboro公司的SPECTRUM

西門(mén)子(Siemens)公司的TELEPERMM二、集散系統(tǒng)的發(fā)展歷史2.第二階段（成熟期）（1980—1985年）系統(tǒng)硬件和軟件技術(shù)不斷更新，系統(tǒng)功能擴(kuò)大或增強(qiáng)；數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)：總線網(wǎng)或環(huán)網(wǎng)；局域網(wǎng)；缺點(diǎn)：通信系統(tǒng)各自為政、不同廠家通信困難——“自動(dòng)化孤島”。二、集散系統(tǒng)的發(fā)展歷史第二代典型產(chǎn)品（公司）：

Honeywell公司的TDC3000

西屋公司的WDPFABB公司的MASTER3.第三階段（擴(kuò)展期）（1985年以后）主要特征：開(kāi)放系統(tǒng)，局域網(wǎng)：通信標(biāo)準(zhǔn)符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織的ISO的OSI（OpenSystemInterconnect）開(kāi)放系統(tǒng)互連的參考模型；不同制造廠家的產(chǎn)品可以進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，克服了“自動(dòng)化孤島”等困難；系統(tǒng)的軟件和控制功能也有所增強(qiáng)。代表產(chǎn)品:美國(guó)Foxboro公司在1987年推出的I/AS系統(tǒng)Honeywell公司的帶有UCN網(wǎng)的TDC3000

橫河公司帶有SV-NET網(wǎng)的CENTUM-XL二、集散系統(tǒng)的發(fā)展歷史4.第四階段（網(wǎng)絡(luò)開(kāi)放期）（1990年以后）硬件：開(kāi)放式的工作站，RISC(ReducedInstructionSetComputing精簡(jiǎn)指令集)代替CISC（復(fù)雜指令集），客戶(hù)機(jī)/服務(wù)器的結(jié)構(gòu)；開(kāi)放性、可操作性、互相聯(lián)系、共享資源及運(yùn)行第三方軟件等已成為各制造廠家生產(chǎn)分布式控制系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)；在軟件上則采用UNIX系統(tǒng)和X-Windows的圖形界面，系統(tǒng)的軟件更豐富；計(jì)算機(jī)集成制造(CIMS)系統(tǒng)得到了應(yīng)用。第四代代表產(chǎn)品：

Honeywell公司的TPS控制系統(tǒng)橫河公司的CENTUM-CSFoxboro公司的I/AS50/51控制系統(tǒng)

ABB公司Advant系列OCS開(kāi)放控制系統(tǒng)二、集散系統(tǒng)的發(fā)展歷史國(guó)內(nèi)外經(jīng)典系統(tǒng)(DCS)

制造廠商

產(chǎn)品名

發(fā)表日期

微機(jī)類(lèi)型

控制回路

采樣周期

控制算法

通信網(wǎng)絡(luò)

應(yīng)用

TDC-2000

1975.11

CP-1600

8回路/站

1/3s

28

250KB/S，300m

TDC-3000（LCN）

1983.10

M68000

CP-1600

16回路/站

1/3s

24

5MB/s，609.6m

美國(guó)Honeywell

TDC-3000（LCN）

1988

MC68020

16回路/站

1/3s

720

5MB/s，1km

用于石油化工

CENTUM

1975.6

UCM-16

32回路/站

1s

32

25KB/s，1km

YEWPACK-MARKⅡ

1984.12

UCM-16

80回路/站

1S

13

10MB/s，1km

日本橫河

CENTUM-XL

1988.4

MC68020

80回路/站

0.2S

具有預(yù)測(cè)控制

10MB/s，SV-NET

1km

用于化工、冶金較多，與西安儀表廠有合作

SPECTRUM

1979.4

AM2900

30回路/站

0.5s

23

1MB/s，4.5km

美國(guó)Foxboro

I/ASerials

1987.4

80C86

30回路/站

0.1s

35

10MB/s，15km

用于石油化工

NETWORK-90

1980.10

M68000

2回路/站

1/3

50

500KB/s，1.1km

美國(guó)Bailey

INFI-90

1987

MC68020

模塊化組合

1/3

200

10MB/s，1km

用于電力、冶金較多

美國(guó)

Leeds&Northrup

MAX-1000

80年代中期

DSP-32C

32

具有1ms采樣的DI

248

10MB/s，2km

用于電力、冶金較多，與上海儀表廠有合作

WDPF

1982.10

Intel8605

幾十回路/站

0.1S

2MB/s，610km

美國(guó)

WestingHouse

WDPF-Ⅲ

1988

80386

10E-4s

100MB/s，10km

主要用于電力、冶金

美國(guó)Rosemount

S3

1983.10

M6800

64回路/站

1/4s

58

1MB/s，1km

用于化工、電力、冶金等

JX-100

1993.12

8096

32回路/站

0.5s

35

1MB/s，2km

中國(guó)

SUPCON

JX-300

1996.9

P51XA

128回路/站

100ms，

其中具有1msDI

80

10MB/s，1.555km

廣泛應(yīng)用于化工、電力、冶金

隨著對(duì)管理和控制要求的提高:管控一體化特點(diǎn)：軟硬件、通信的合成化，現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用；windows操作系統(tǒng)的普遍應(yīng)用第五代代表產(chǎn)品：5.第五階段（全網(wǎng)絡(luò)化期）（1995年-）國(guó)外：Honeywell公司EPKS系統(tǒng)Emerson公司DeltaV系統(tǒng)橫河公司CentumCS3000系統(tǒng)西門(mén)子公司PCS7系統(tǒng)國(guó)內(nèi)：北京和利時(shí)信息技術(shù)有限公司（HOLLiASMACS-F系統(tǒng)；HOLLiASMACS-S系統(tǒng)）浙江中控技術(shù)股份公司（WebFieldJX；WebFieldECS系列控制系統(tǒng)）其它第一章集散控制系統(tǒng)概述緒論第一節(jié)集散控制系統(tǒng)的概念第二節(jié)集散控制系統(tǒng)的特點(diǎn)第三節(jié)集散控制系統(tǒng)的展望特點(diǎn)一、分散控制分散的含義：控制分散、人員分散、地域分散、功能分散、危險(xiǎn)分散、設(shè)備分散、操作分散。分散的目的：使危險(xiǎn)分散，提高設(shè)備的可利用率第二節(jié)集散控制系統(tǒng)的特點(diǎn)特點(diǎn)二、集中信息管理與集成信息集成表現(xiàn)在：管控一體化、信息集成化和網(wǎng)絡(luò)化從單一的控制系統(tǒng)發(fā)展為開(kāi)放的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)第二節(jié)集散控制系統(tǒng)的特點(diǎn)特點(diǎn)三、自治性和協(xié)調(diào)性自治性：組成部分是各自為政的自治系統(tǒng)，完成各自的功能，獨(dú)立工作；協(xié)調(diào)性：相互間又有聯(lián)系，數(shù)據(jù)信息互相制約，在系統(tǒng)的協(xié)調(diào)下工作。主要通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)和通信網(wǎng)絡(luò)完成。自治性與協(xié)調(diào)性與分散控制、集中管理相對(duì)應(yīng)。第二節(jié)集散控制系統(tǒng)的特點(diǎn)特點(diǎn)四、開(kāi)放系統(tǒng)開(kāi)放系統(tǒng)：以規(guī)范化和實(shí)際存在的接口標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)而建立起來(lái)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及相關(guān)的通信系統(tǒng)。第二節(jié)集散控制系統(tǒng)的特點(diǎn)開(kāi)放系統(tǒng)主要體現(xiàn)在：（1）可移植性（Portability）第三方的應(yīng)用軟件可以在集散控制中使用。（2）互操作性（Interoperability）在網(wǎng)絡(luò)的各節(jié)點(diǎn)上的設(shè)備或裝置：操作監(jiān)視站（操作員站、工程師站）、分散過(guò)程控制站等，能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò)獲得其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)、資源和處理能力。不同計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間能正確有效地進(jìn)行數(shù)據(jù)互通、協(xié)同工作、共享資源。第二節(jié)集散控制系統(tǒng)的特點(diǎn)（3）可適宜性（Scalability）DCS系統(tǒng)對(duì)計(jì)算機(jī)運(yùn)行的要求變得更為寬松，系統(tǒng)的軟件版本高低互用。（4）可用性（Availability）指對(duì)用戶(hù)友好的程度。容易使用、容易學(xué)習(xí)、可在不同用戶(hù)不同環(huán)境下正常運(yùn)行的能力。各廠家產(chǎn)品具有統(tǒng)一的、開(kāi)放的通信標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品可以互換。第二節(jié)集散控制系統(tǒng)的特點(diǎn)第一章集散控制系統(tǒng)概述緒論第一節(jié)集散控制系統(tǒng)的概念第二節(jié)集散控制系統(tǒng)的特點(diǎn)第三節(jié)集散控制系統(tǒng)的展望第三節(jié)、分布式控制系統(tǒng)的展望一、信息化和扁平化一個(gè)方向是向下發(fā)展：向CIMS計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)、CIPS計(jì)算機(jī)集成生產(chǎn)系統(tǒng)發(fā)展。系統(tǒng)包括ERP（Enterpriseresourceplanning)和MES（ManufacturingExecutionSystem）。另一個(gè)方向是向下發(fā)展：向FCS（FieldbusControlSystem）現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)發(fā)展。1．CIMS的概念及由來(lái)CIMS即計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，是基于1973年美國(guó)JosephHarrington博士在其博士論文《ComputerIntegratedManufacturing》中首次提出的CIM（ComputerIntegratedManufacturing——計(jì)算機(jī)集成制造）的概念而構(gòu)成的一種現(xiàn)代制造系統(tǒng)。Harrington博士提出的CIM概念包括的基本觀點(diǎn)：企業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)，即從市場(chǎng)分析、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、加工制造、經(jīng)營(yíng)管理到售后服務(wù)的全部生產(chǎn)活動(dòng)，彼此是緊密聯(lián)系的，是一個(gè)不可分割的整體，應(yīng)該在企業(yè)整體框架下統(tǒng)一考慮各環(huán)節(jié)的生產(chǎn)活動(dòng)；整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程實(shí)質(zhì)上是一個(gè)數(shù)據(jù)采集、傳遞和加工處理的過(guò)程，最終形成的產(chǎn)品可以看作是“數(shù)據(jù)”的物質(zhì)表現(xiàn)。應(yīng)該說(shuō)，這一概念具有很強(qiáng)的超前意識(shí)，正確地指出了在未來(lái)的計(jì)算機(jī)時(shí)代企業(yè)運(yùn)行管理的最佳模式。

CIMS：以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，綜合生產(chǎn)過(guò)程中信息流、資金流和物資流的運(yùn)動(dòng)，集市場(chǎng)研究、生產(chǎn)決策、經(jīng)營(yíng)管理、設(shè)計(jì)制造與銷(xiāo)售服務(wù)等功能為一體，使企業(yè)走向高度集成化、自動(dòng)化和智能化的生產(chǎn)技術(shù)與組織方式。它將CAD/CAM、PDM(ProductDataManagement)、ERP/MIS等企業(yè)所涉及到的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理業(yè)務(wù)融為一體，組成企業(yè)先進(jìn)的生產(chǎn)和管理模式。2、CIPS（ComputerIntegratedProducingSystem，計(jì)算機(jī)集成生產(chǎn)系統(tǒng)）是企業(yè)在當(dāng)前實(shí)施的人工集成信息的生產(chǎn)系統(tǒng)。CIPS屬于一種典型的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)：除原生產(chǎn)系統(tǒng)中的基礎(chǔ)自控裝置如DCS，PLC等外，還有計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架及服務(wù)器，網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等。軟件系統(tǒng)：除各相關(guān)的系統(tǒng)軟件及數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)外，應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)是CIPS的主體，它包括三大類(lèi)：（1）管理信息系統(tǒng)類(lèi)：生產(chǎn)計(jì)劃管理，營(yíng)銷(xiāo)合同管理，生產(chǎn)調(diào)度管理，物資及庫(kù)存管理，產(chǎn)品質(zhì)量保證體系，廠務(wù)管理、人事財(cái)務(wù)管理等等；（2）信息存貯、綜合統(tǒng)計(jì)類(lèi)：市場(chǎng)信息管理，包括原、材、燃料，產(chǎn)品的國(guó)內(nèi)外價(jià)格信息，工程數(shù)據(jù)庫(kù)，生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)庫(kù)，質(zhì)量數(shù)據(jù)庫(kù)；（3）生產(chǎn)過(guò)程優(yōu)化及管理決策類(lèi)：企業(yè)系統(tǒng)物料平衡模型，企業(yè)能量平衡模型，企業(yè)投入產(chǎn)出動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)模型，企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行和管理優(yōu)化系統(tǒng)。3、MES（ManufacturingExecutionSystem）制造執(zhí)行系統(tǒng)資源配置和狀態(tài)管理模塊生產(chǎn)單元調(diào)度模塊質(zhì)量管理模塊運(yùn)行細(xì)節(jié)計(jì)劃編制與調(diào)度4、ERP（Enterpriseresourceplanning)企業(yè)資源計(jì)劃財(cái)務(wù)管理生產(chǎn)控制物流管理人力資源管理扁平化扁平化第三節(jié)、分布式控制系統(tǒng)的展望二、網(wǎng)絡(luò)化現(xiàn)場(chǎng)總線FCS（FieldbusControlSystem）：現(xiàn)場(chǎng)總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)、在微機(jī)化測(cè)量控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的系統(tǒng)，也被稱(chēng)為開(kāi)放式、數(shù)字化、多點(diǎn)