1、第二章,集散控制系统的构成,第二章 集散控制系统的构成,第一节 集散控制系统的构成方式 第二节 集散控制系统的构成要素 第三节 现场总线控制系统的构成 第四节 典型集散控制系统的构成实例,2.1 集散控制系统的构成方式,功能分层是集散控制系统的体系特征反映了集散控制系统的“分散控制、集中管理”的特点。 四个层次 三大块,集散控制系统典型结构,一、集散控制系统的各层功能,1、现场控制级的功能 前提：微处理器进入现场变送器、传感器和执行器；现场总线的应用。 部分或完全完成过程控制级的功能： 采集过程数据，对数据进行数据转换； 输出过程操作命令； 进行直接数字控制； 完成与过程装置控制级的数据通信；
2、 对现场控制级的设备进行检测和诊断。,2、过程装置控制级的功能,结构：过程控制设备+I/O卡件 采集过程数据，进行数据转换和处理； 数据的监视和存储； 实施连续、批量或顺序控制的运算和输出控制作用； 数据和设备的自诊断； 数据通信。,3、车间操作管理级的功能,中央控制室操作站、打印机、拷贝机、工程师站、计算站 数据显示与记录； 过程操作（含组态操作、维护操作）； 数据存储和压缩归档； 报警、事件的诊断和处理； 系统组态、维护和优化处理； 数据通信； 报表打印和画面硬拷贝。,4、全厂优化和调度管理级的功能,从系统的观点：原料销售；优化协调 优化控制； 协调和调度各车间生产计划和各部门的联系； 主
3、要数据的显示、存储和打印；数据通信。,二、集散系统三大基本构成的特征,“三大块”与四层的关系： 1、分散过程控制装置对应于现场控制级和过程控制装置级； 2、集中操作和管理系统对应于车间操作管理级和全厂优化调度管理级； 3、通信系统完成各层之间的通信。,1、分散过程控制装置部分 适应恶劣的生产环境；分散控制；实时性；独立性。,2、集中操作和管理系统部分,信息量大； 易操作性； 容错性好；,3、通信系统部分,传输速率 误码率 开放性 互操作性,2.2 集散系统的构成要素,一、集散控制系统的结构特征递阶控制 结构分散控制 结构冗余控制 结构,1、递阶控制结构： 多层结构、多级结构和多重结构 （1）多
4、层结构（按控制功能和规律） 直接控制层：一般的简单控制。 优化控制或监视层：对象数学模型和参数已知，确定直接控制层的控制器的设定值。 学习层或自适应层：对实际系统的观测来辨识优化层中所使用的数学模型结构和参数，使模型能正确反映实际过程。 自组织层：按系统总控制目标选择下层所用的模型结构、控制策略等。,（2）多级结构为了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添加一级协调级。,（3）多重结构 第一重：按一定物理规律变化的物理现象； 第二重：受控系统（从信息处理和控制角度）； 第三重：经济实体，评价其效益和利润（经济学角度） 比较： 多重结构：主要从建模考虑； 多级结构
5、：子系统关联、横向分解； 多层结构：纵向分解。,集散控制系统是递阶控制结构1、分散控制既有横向的多级结构又有纵向的多层结构，它的功能决定了必须是递阶控制结构。2、由于集散控制系统应用于相互关联的工业系统，它的决策不仅需要各子系统的决策，还需上级的协调来实现全局优化。,（4）递阶控制结构的优点 系统结构灵活，容易改变，系统的容量可以扩大或缩小； 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； 降低了信息存储量、计算量，减少了计算时间； 可以设置备用子系统，降低成本，提高可靠性； 各级的智能化将进一步提高系统的性能。,2、集散控制系统的分散控制结构,结构： 垂直型（阶层
6、型）：监视、调整 水平型：自我管理 复合型：子系统有较强的独立性，但还受上位的监视和调整。,层次分散与水平分散示意图,集散控制系统分散控制结构体现在：,（1）组织人事的分散； （2）地域的分散； （3）功能的分散； （4）负荷的分散。,3、冗余化的结构,为了提高系统的可靠性，集散控制系统重要设备、对全局系统有影响的公共设备上常采用冗余结构。经常采用的冗余方式有：同步运转方式；待机运转方式；后退运转方式；多级操作方式。,（1）同步运转方式,让两台或两台以上的装置以相同的方式同步运转，输入相同的信号，进行相同的处理，然后对输出进行比较，如果输出保持一致则系统是正常运行的。双重冗余、“三中取二”（信
7、号联锁系统）应用于可靠性要求极高的场合（紧急停车系统和安全联锁系统）,（2）待机运转方式,N台同类设备，采用一台后备设备，平时后备设备处于准备状态，一旦N台设备中某一台设备发生故障，能启动后备设备使其运转。 1：1备用系统（通信系统）、N：1备用系统（多回路控制器） 热后备系统，指挥装置,（3）后退运转方式,正常时，N台设备各自分担各自功能进行运转，当其中一台设备损坏时，其余设备放弃部分不重要的功能，以此来完成损害设备的功能。 典型：CRT和操作站（第一台监视、第二台操作、第三台报警）,（4）多级操作方式,纵向冗余的方法。正常操作是从上一层进行的，如该层故障则由下一层完成，这样逐步向下形成对最
8、终元件执行器的控制。 例如：功能模块设有手动、自动切换开关,二、集散控制系统的结构分类,产品结构类型模件化控制站+与MAP兼容的宽带、载带局域网+信息综合管理系统。 分散过程控制装置+局域网+信息管理系统。 分散过程控制站+高速数据公路+操作站+上位机。 可编程控制器（PLC）+通信系统+ 操作管理站。单（多）回路控制器+通信系统+操作管理站。,三大组成部分： 分散控制装置+通信系统+集中操作和管理装置 （1）工业级微机+通信系统+操作管理机 （2）单回路控制器+通信系统+工业级微机 （3）PLC+通信系统+工业级微机 （4）工业级微机+通信系统+工业级微机 （5）智能前端+通信系统+工业级微
9、机,（1）工业级微机+通信系统+操作管理机工业级微机用作多功能、多回路的分散控制装置；操作管理机使用PC机，相应软件由软件厂商开发。 （2）单回路控制器+通信系统+工业级微机单回路控制器作为分散控制装置；工业级微机作为操作管理站，通用性强、自行开发软件。适用于中小型企业。,3）PLC+通信系统+工业级微机PLC作为分散控制装置；其他同2。在制造业广泛应用的结构，尤其适用于有大量逻辑顺序控制的过程。 （4）工业级微机+通信系统+工业级微机工业级微机既作分散控制装置，也作操作和管理装置。,（5）智能前端+通信系统+工业级微机 智能前端指用于生产现场的智能控制设备，作为分散控制装置；用于小型集散控制
10、系统。,2.3 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（1）现场总线及其分类过程自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联的，全数字、串行、双向传输的、多分支结构的通信系统。执行器传感器现场总线、设备现场总线和全服务现场总线。,执行器传感器现场总线（Actuator sensor bus）用于现场设备的底层现场总线。它适用于简单的开关装置和输入输出位的通信。特点：结构简单、成本低、数据信息短，需快速和有预知的响应时间。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500米以下。典型总线：AS-i总线，Seriplex总线。连接设备： 液位开关、开关式控
11、制阀、电磁阀、电动机和其他两位式操作的设备。,设备现场总线 （Device bus）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。特点：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，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。典型总线：Interbus-S总线、DeviceNet总线、Profibus DP总线、ControlNet总线、SDS总线和CAN总线。设备：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。,全服务现场总线（Fieldbus）数据流现场总线，最高层的现场总线。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
12、控制等功能。特点：开放性、互操作性及分散控制等。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。典型总线：FF、Profibus-PA总线、WorldFIP总线、HART总线等。,主要用于过程控制的现场总线：HART、FF、Profibus-PA等。主要用于汽车工业的现场总线：CAN、DeviceNet和As-i等。主要用于楼宇自动化的现场总线：LON、BACnet等主要用于机械工业自动化的现场总线：DeviceNet、Modbus、ControlNet、Profibus DP、CAN等。,集散控制系统（DCS）和现场总线控制系统(FCS),分散控制、
13、集中管理。集散控制系统分散不够彻底，分散到设备和装置级，而现场总线控制系统分散到现场级。 数字传输技术。FCS将DCS的优点集中，控制功能更完善，操作更方便，组态更容易。FCS与DCS的一个重要区别是采用数字传输技术代替模拟传输技术。 综合自动化的组成部分。用于过程控制的重要装置，与其他的过程控制和管理装置如紧急停车系统、可编程逻辑控制系统、制造执行系统、先进控制系统等，一起组成综合自动化系统。,通信传输的差别。DCS传输的信号是4-20mA模拟信号，采用HART协议仪表的传输采用混合传输。而现场总线传输的信号是数字信号。FCS中信号的标准、通信标准和系统标准与DCS不同，表现为传输的变量从DCS的单一模拟信号向FCS的多变量数字信号发展；通信采用多站双向；系统控制分散到现场。,2、现场总线控制系统的基本构成,两层结构的现场总线控制系统。现场总线设备和操作管理装置组成两层结构的现场总线控制系统。控制规模较小，控制回路不多。 三层结构的现场总线控制系统。在两层结构的基础上增加控制装置。即现场总线设备、控制装置和操作管理装置组成。大部分控制功能在现场总线级完成，控制装置主要完成对下层的协调控制功能及部分先进控制功能。,由DCS扩展的现场总线控制系统。将DCS输入输出总线经现场总线接口连接到现场总线，将输入输出模块下移到现场总线设备中，形成由DCS扩展的现场总线控制系统。,
