現(xiàn)場總線課件.ppt

1、分布式控制與現(xiàn)場總線技術(shù)（ DCS & FCS ）,鄭輯光 Email： Z 西安交通大學(xué)自動控制研究所 2003年2月,主要研究內(nèi)容,（現(xiàn)場總線+分布式）控制系統(tǒng)組成：,主要研究內(nèi)容,系 統(tǒng) 組 成 對象（或過程）： 冶金、石油化工、制藥、食品加工、機(jī)械加工等等； 自動化裝置： 制造/工廠自動化：IPC、PLC等； 過程控制：IPC、DCS等； 控制理論（算法）,主要研究內(nèi)容,“3C”技術(shù)的綜合：,01：自動化儀表發(fā)展概況,自動控制理論與過程控制算法的發(fā)展 自動化裝置的五個發(fā)展階段 “基地式”儀表； 單元組合式儀表； 計算機(jī)集中控制系統(tǒng)； 集散控制系統(tǒng)（DCS）； 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS)

2、. 工業(yè)自動化的任務(wù),工業(yè)自動化發(fā)展概況,第一階段（50年代） 控制理論：以傳遞函數(shù)作為模型描述方法，以根軌跡、頻率法作為基本的分析和綜合方法； 控制方法：基本PID控制與串級、前饋控制等； 控制儀表：基地式儀表單元組合儀表。,單元組合儀表構(gòu)成的調(diào)節(jié)系統(tǒng),自動化儀表的基本概念,敏感元件（又稱“一次儀表”）： “獨(dú)立”于被測系統(tǒng)之外，直接與工藝介質(zhì)相接觸，并以參數(shù)方式對被測物理量作出“敏感”響應(yīng)的物理實(shí)體。這里，“獨(dú)立”是指被測物理量不應(yīng)因敏感元件的設(shè)置而受到影響。 傳感器： 是將敏感元件參數(shù)響應(yīng)變量轉(zhuǎn)換成便于應(yīng)用和傳送的信號裝置。因此，其是由敏感元件和相應(yīng)線路所組成的物理系統(tǒng)。 變送器：是輸出

3、信號符合標(biāo)準(zhǔn)化要求的傳感器。,電動單元組合式儀表發(fā)展概況,DDZ-型儀表： 60年代，放大元件為電子管、磁放大器 DDZ-型儀表： 70年代 ，采用晶體管放大元件 DDZ- 型儀表： 80年代，采用集成電路 S型儀表： 90年代，采用微處理器的數(shù)字調(diào)節(jié)器,工業(yè)自動化發(fā)展概況,第二階段（ 60 70年代中期） 控制理論：以狀態(tài)空間分析方法為基礎(chǔ)，其核心包括：以最小二乘法為基礎(chǔ)的系統(tǒng)辨識方法，以極大值原理和動態(tài)規(guī)劃為主的最優(yōu)控制理論，和以卡爾曼濾波器為代表的估計技術(shù)； 控制方法：最優(yōu)控制方法在航空航天領(lǐng)域取得了成功，但尚未能很好地應(yīng)用于過程工業(yè)； 控制設(shè)備：單元組合儀表計算機(jī)集中控制方式（如DDC

4、，SPC等）,計算機(jī)集中控制系統(tǒng),工業(yè)自動化發(fā)展概況,第三階段（ 70年代末 90年代） 控制設(shè)備：商品化的分布式計算機(jī)控制系統(tǒng)（ DCS）與可編程控制器（Programmable Logic Controllers, PLC）的出現(xiàn)與工業(yè)應(yīng)用； 控制方法：以模型預(yù)測控制為代表的適合于工業(yè)過程的先進(jìn)控制（Adavanced Process Control, APC）方法形成，商品化APC 軟件產(chǎn)品出現(xiàn)； 控制對象：受約束的 MIMO（多輸入多輸出）系統(tǒng)，控制目標(biāo)考慮操作條件的最優(yōu)化。,集散控制系統(tǒng)（DCS）,工業(yè)自動化發(fā)展概況,第四階段（ 90年代 ） 控制對象：操作單元生產(chǎn)全過程供應(yīng)鏈（Su

5、pply Chain），廣義的“控制”概念。 控制設(shè)備：商品化現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（Fieldbus Computer Systems, FCS）逐步替代DCS系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高度發(fā)展。 控制方法：結(jié)合最優(yōu)化技術(shù)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)信息處理技術(shù)的現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)（CIMS）的形成與應(yīng)用。,現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）,生產(chǎn)制造管理信息系統(tǒng)MMS,工業(yè)自動化的任務(wù),典型的流程工業(yè)企業(yè),被控過程（或?qū)ο螅┡e例,工業(yè)自動化的任務(wù),廠級生產(chǎn)計劃與調(diào)度： 通過合理安排各裝置的生產(chǎn)任務(wù)（處理量、生產(chǎn)方案等），實(shí)現(xiàn)全廠生產(chǎn)效益的最大化； 裝置操作的最優(yōu)化： 在完成廠級生產(chǎn)任務(wù)、保證裝置安全的前提下，以裝置效益的最優(yōu)

6、化為目標(biāo)，制定各單元重要參數(shù)的操作指標(biāo)（即設(shè)定值）； 基本單元的平穩(wěn)控制： 跟蹤重要參數(shù)的操作指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)基本單元的平穩(wěn)操作、安全操作與質(zhì)量控制。,過程控制的目標(biāo),從生產(chǎn)過程的角度看，過程控制實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)： 安全性：確保生產(chǎn)過程中人身與設(shè)備的安全，主要措施包括：對重要參數(shù)設(shè)置定值控制、采取參數(shù)超限報警與事故報警、設(shè)置自動聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)等； 經(jīng)濟(jì)性：即實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的最大化或操作成本的最小化，常用方法：采用約束控制與操作最優(yōu)化技術(shù)； 穩(wěn)定性：即要求系統(tǒng)具有抑制外部干擾，保持生產(chǎn)過程長期穩(wěn)定運(yùn)行的能力。常用方法：結(jié)合工業(yè)對象特性與控制理論對系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性與魯棒性分析。,以上主要講述了三個方面,自動控制理論

7、與過程控制算法的發(fā)展 自動化裝置的五個發(fā)展階段 “基地式”儀表； 單元組合式儀表； 計算機(jī)集中控制系統(tǒng)； 集散控制系統(tǒng)（DCS）； 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS). 工業(yè)自動化的任務(wù),02：信號傳輸標(biāo)準(zhǔn),電壓制信號傳輸標(biāo)準(zhǔn)：（參考教材：0.2節(jié)）,電壓傳輸：信號源內(nèi)阻小（零）、負(fù)載電阻大，因而對外界擾動敏感，且受傳輸導(dǎo)線電阻的影響大。故不適合于信號的遠(yuǎn)距離傳輸。,信號傳輸標(biāo)準(zhǔn),電流制信號傳輸標(biāo)準(zhǔn)：,電流傳輸：信號源內(nèi)阻大（無限大）、負(fù)載電阻小，因而對外界擾動不敏感，且不受傳輸導(dǎo)線電阻的影響。故非常適合于信號的遠(yuǎn)距離傳輸。,信號傳輸標(biāo)準(zhǔn),國際電工委員會（IEC）于1973年4月通過信號傳輸?shù)膰H標(biāo)準(zhǔn)

8、： 現(xiàn)場傳輸信號： 直流 420mA； 控制室內(nèi)儀表間的聯(lián)絡(luò)信號： 直流 15V. 適用范圍： DDZ- 型、數(shù)字儀表、DCS系統(tǒng)等,信號傳輸標(biāo)準(zhǔn),DDZ-型、 DDZ-型儀表采用的信號傳輸標(biāo)準(zhǔn)為： 010mA DC ，或 05V DC 兩種標(biāo)準(zhǔn)的比較： 這種以20mA表示信號的滿度值，而以此滿度值的20%即4mA表示零信號的安排，稱為“活零點(diǎn)”。,信號傳輸標(biāo)準(zhǔn),“活零點(diǎn)”的優(yōu)點(diǎn)： 有利于識別斷電、斷線等故障，且為實(shí)現(xiàn)兩線制提供了可能性。 所謂“兩線制”變送器就是將供電的電源線與信號的輸出線合并起來，一共只用兩根導(dǎo)線。使用兩線制變送器不僅節(jié)省電纜，布線方便，且大大有利于安全防爆，因?yàn)闇p少一根通

9、往危險現(xiàn)場的導(dǎo)線，就減少了一個竄進(jìn)危險火花的門戶。,信號傳輸標(biāo)準(zhǔn),兩線制變送器,兩線制變送器,信號傳輸標(biāo)準(zhǔn),另外，采用直流信號傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)： 傳輸過程中易于和交流感應(yīng)干擾相區(qū)別，且不存在相移問題，可不受傳輸線中電感、電容和負(fù)載性質(zhì)的限制。 其它信號傳輸標(biāo)準(zhǔn)： RS485數(shù)字信號傳輸、Smart傳輸技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)等等。,本課程的講授內(nèi)容,鑒于基金會現(xiàn)場總線與其它現(xiàn)場總線最大的不同點(diǎn)之一就是其擁有用戶層，換句話說，F(xiàn)F現(xiàn)場總線不僅僅是一個總線標(biāo)準(zhǔn)，更成為一個現(xiàn)代過程控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。因此一定要講解或補(bǔ)充PID控制與過程控制的知識，這樣才能理解FF現(xiàn)場總線，也才能用好FF現(xiàn)場總線技術(shù)。,本課程的

10、講授內(nèi)容,第一部分：數(shù)字控制算法及過程控制系統(tǒng) 設(shè)計 第二部分：數(shù)字調(diào)節(jié)器及分布式控制系統(tǒng) 第三部分：現(xiàn)場總線控制系統(tǒng),教材及參考書,施仁、劉文江、鄭輯光：自動化儀表與過程控制（第三版），電子工業(yè)出版社，2003年3月 Jonas Berge著，陳小楓等譯：過程控制現(xiàn)場總線工程、運(yùn)行與維護(hù)，清華大學(xué)出版社，2003年7月 Johnson,C.D.（美）：過程控制儀表技術(shù)（影印版）科學(xué)出版社，2002年6月 Karl J.Astrom Bjorn Wittenmark著，周兆英等譯：計算機(jī)控制系統(tǒng)原理與設(shè)計（第三版），電子工業(yè)出版社，2001年4月 陽憲惠主編：現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用，清華大學(xué)出版社，1999年6月,答疑與考試安排,考前答疑： 地點(diǎn)：自動控制研究所，東2樓163