化工儀表及自動化第九章計算機控制系統

1內容提要概述216計算機控制系統的組成計算機控制系統的特點計算機控制系統的發展過程集散控制系統219集散控制系統的特點集散控制系統的基本構成CENTUM-CS集散控制系統（自學）2內容提要現場總線控制系統27現場總線控制系統的特點現場總線國際標準化主要的現場總線系統簡介3第九章計算機控制系統現代科學技術領域中，計算機技術和自動化技術被認為是發展最迅速的兩個分支，計算機控制技術是這兩個分支相結合的產物，它是工業自動化的重要支柱。自20世紀50年代末期，第一臺計算機應用于控制以來，開始了轟轟烈烈的計算機工業應用的時代。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，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帶來明顯的好處、反而嚴重地影響了生產，使計算機控制經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DCS(DistributedContro1System)。5DCS這類系統實現控制分散，危險分散，操作、監測和管理集中，采用分級遞階的分布式結構，使當時陷入困境的計算機集中控制和直接數字控制(DirectDigitalControl—DDC)得到新生，在全球迅速得到推廣應用。但是當時各個生產集散控制系統的廠家為了技術保密，都采用封閉政策，各個廠都自成體系，數據不能與外界通信，該系統的推廣應用受到限制。

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、模塊化設計，增強靈活性與適應性，數據通訊用局域網(LAN)，可實現與外界數據通訊，可與MAP和以太網接口，有網間連接器，全部使用32位CPU和表面安裝技術(SMT)，增強圖示功能，應用多窗口技術和指觸屏，相應速度更快，組態可用計算機輔助設計(CAD)，更加直觀，開始引入專家系統，實現PID參數自整定，可與主機聯系，構成信息管理系統。7進入20世紀90年代以來，DCS又有了新的發展，表面安裝技術與專用集成電路(ASIC)使板級上元件數量很少，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、容錯技術和通訊網絡都得到進一步發展。從而使工業自動化技術發展到一個嶄新的階段，所以對一個工程技術人員來說，了解和掌握計算機控制系統方面的知識非常重要。8我國的現狀我國計算機控制系統也是從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中的應用作了一些嘗試，其他一些企業（例興平化肥廠）也作了一些相應的工作。但是計算機真正在生產上應用是在微型計算機出現以后，特別是從20世紀八十年代開始，我國陸續引進了國外先進的集散系統，首先應用于大型企業。同時，國內的一些研究、制造單位也著手開發同類的先進控制系統，使計算機在生產過程自動化中的應用，真正出現日新月異的大好局面。9第一節概述一、計算機控制系統的組成

所謂計算機控制系統是利用計算機實現工業生產過程的自動控制系統。圖9-1是典型的計算機控制系統原理框圖。圖9-1計算機控制系統原理框圖10第一節概述一、計算機控制系統的組成在常規控制系統中，如果用計算機來代替常規控制器，就可以構成計算機控制系統。不同于常規的儀表控制系統，在計算機控制系統中，由于計算機的輸入和輸出信號都是數字信號，因此在典型的計算機控制系統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換為數字信號的A/D轉換器，以及將數字控制信號轉換為模擬信號的D/A轉換器。11優勢由于控制系統中引進了計算機，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。特別是系統的控制功能是通過內部的控制程序來實現的，只要改變這些程序，就可以更改對設備的控制功能以適應新的要求，而不需要改動系統的硬件結構。這種靈活性給實現許多新型的控制系統帶來極大的方便和可能，容易取得較顯著的控制效果。12數據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據進行分析，并按預先規定的控制規律進行運算，根據運算結果，決定進一步的控制行為；控制輸出根據決策，適時地對控制機構發出控制信號，完成控制任務。生產過程中應用的計算機系統，除個別特殊的只用于數據采集的外，一般都應是實時計算機系統。從本質上來看，計算機控制的工作過程的三個步驟：數據采集、控制決策與控制輸出。13數據采集和處理系統數據采集和處理系統框圖14數據采集和處理系統數據采集和處理系統是將生產過程中的各種參數經一次儀表發送、信號調理、模數轉換而定時地巡回采樣到計算機中，然后由計算機對數據進行分析相處理。數據采集和處理系統在工業生產中的應用比較多，例如，流量測量中的壓力、溫度等參數影響的自動校正，一些工藝指標(如轉化率、出料成分、熱焓等）的自動計算等。15第一節概述圖9-2計算機控制系統組成框圖計算機控制系統主要由：傳感器、過程輸入輸出通道、計算機及其外圍設備、操作臺和執行器等組成，如下圖9-2所示。16第一節概述二、計算機控制系統的特點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儀表，在一臺計算機上操作與監視很方便。②計算機控制系統，由于其所實現功能的軟件化，復雜控制系統的實現或控制方案的修改可能只需修改程序、重新組態即可實現。③計算機控制系統可以通過通信網絡而互通信息，實現數據和信息共享，能使操作人員及時了解生產情況，改變生產控制和經營策略，使生產處于最優狀態。17第一節概述④計算機具有記憶和判斷功能，它能夠綜合生產中各方面的信息，在生產發生異常情況下，及時做出判斷，采取適當措施，并提供故障原因的準確指導，縮短系統維修和排除故障時間，提高系統運行的安全性，提高生產效率，這是常規儀表所達不到的。18第一節概述三、計算機控制系統的發展過程1.直接數字控制

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

19直接數字控制DDC的組成DDC是計算機在工業控制上應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控制計算機代替常規控制器所組成的一種簡單的計算機控制系統。計算機根據生產過程的信息，按照數字量形式，以一定的控制規律（簡單PID、串級、前饋等）運算，運算的結果通過輸出通道直接去改變執行機構的狀態，從而實現對生產過程的閉環控制。20DDC系統的基本組成框圖如圖9-1所示。

DDC系統是由一臺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；控制規律中的變化范圍較寬，而且參數之間無相互干擾；容易實現無擾動切換；對于噪聲較大的信號，可以通過數字濾波來提高信號的真實性；對輸入信號和輸出信號的調理比較方便；除能實現PID控制功能外，還能方便地采用先進的、復雜的控制規律（如串級控制、前饋一反饋控制、選擇性控制、解耦控制等），使系統的控制品質得到提高。22DDC的缺點在直接數字控制系統中，對生產過程產生直接影響的被控變量的給定值是預先設定的，并且存入計算機的內存中，這個給定值不能根據過程條件和生產工藝信息的變化及時修改，故系統無法使生產過程處于最優工況，這顯然是不夠理想的。23第一節概述DDC的本質DDC是計算機控制技術的基礎。從本質上來說，就是用一臺計算機取代一組模擬控制器，構成閉環控制回路。DDC控制系統的優點DDC的突出優點是：計算靈活，它不僅能實現典型的DDC控制規律，而且能方便地對傳統的PID算法進行改進或實現其他的控制算法。

小結24第一節概述2.集中型計算機控制系統從系統功能上講，集中型計算機控制系統是DDC控制的發展，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原理圖25集中型計算機控制系統的特點：可以實現先進控制、聯鎖控制等各種復雜的控制功能；信息集中，便于實現優化控制和優化生產；靈活性大，控制回路的增減、控制方案的調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，實現參數的監控。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，成為危險“集中”。這種危險“集中”很難為生產過程所接受，從而陷入困境。怎么辦呢？只有采用集散控制系統來解決27第一節概述3.集散控制系統

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

DCS）是隨著現代大型工業生產自動化的不斷興起和過程控制要求的日益復雜應運而生的綜合控制系統。

28集散式控制系統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計思想，多層分級、合作自治的結構形式。目前，DCS在化工、制藥等各種領域得到了極其廣泛的應用。29DCS系統為什么能夠使危險“分散”？DCS由于采用了多微型機的分散控制結構，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、小型工業控制機高，并且每臺基本控制器只控制少量的回路，即使發生故障，影響的面也比較小，再采用冗余技術與容錯技術，使DCS的可靠性也大大地提高了。30第一節概述4.現場總線控制系統

現場總線是連接智能現場裝置和自動化系統的數字式、雙向傳輸、多分支結構的通信網絡。

本質全數字式的，取消了原來DCS系統中獨立的控制器，避免了反復進行A／D、D／A的轉換。特點雙向數據通信能力；把控制任務下移到智能現場設備，以實現測量控制一體化，從而提高系統固有可靠性。

定義31第二節集散控制系統集散控制系統，是4C技術，即計算機（Computer）、控制器（Controller）、通訊（Communication）和CRT（CathodeRayTube，陰極射線管顯示器）顯示技術相結合的產物。它以微處理機為核心，把微型計算機、工業控制計算機、數據通信系統、顯示操作裝置、過程通道、模擬儀表等有機地結合起來，采用組合組裝式結構組成系統，為實現工程大系統的綜合自動化創造了條件。自1975年問世以來，發展迅速，目前已得到廣泛應用。32第二節集散控制系統一、集散控制系統的特點①控制功能豐富②監視操作方便③信息和數據共享④系統擴展靈活⑤安裝維護方便⑥系統可靠性高33第二節集散控制系統二、集散控制系統的基本組成圖9-4集散控制系統基本構成圖圖9-5CENTUM-CS系統外觀圖它主要有現場監控站（監測站和控制站）、操作站（操作員站和工程師站）、上位計算機和通信網絡等部分組成。34第二節集散控制系統

操作站、工程師站和上位計算機構成集中管理部分；現場監測站、現場控制站構成分散控制部分；通信網絡是連接集散系統各部分的紐帶，是實現集中管理、分散控制的關鍵。小結35第二節集散控制系統圖9-6集散型控制系統的體系結構從結構上來看，它是一種典型的分級分布式控制結構。經過近30年的發展，集散型控制系統的結構不斷更新。DCS的層次化系統結構已成為它的顯著特征，使之充分體現集中管理、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DCS的設計思想

采用全開放的軟件開發平臺；采用全開放的硬件平臺；采用全開放的網絡結構；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軟件的環境。37第二節集散控制系統三、CENTUM-CS集散控制系統1.CENTUM-CS系統的構成圖9-7CENTUM-CS系統構成自學！38第三節現場總線控制系統現場總線控制系統（FieldbusControlSystem,FCS）是在計算機網絡技術、通信技術、微電子技術飛速發展的基礎上，與自動控制技術相結合的產物。它實際是繼儀表控制系統、集中式數字控制系統、集散控制系統后的新一代控制系統。現場總線是20世紀80年代中期在國際上開始出現，90年代初發展形成的。它是應用于生產現場、微機化測量設備之間以及現場與控制室（或控制設備）之間的一種雙向串行、多節點的數字通信系統，也被稱為開放式、數字化、多節點通信的底層控制網絡。39第三節現場總線控制系統一、現場總線控制系統的特點1.現場總線控制系統的結構特點圖9-16傳統計算機控制系統結構示意圖傳統計算機控制系統的缺點

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第三節現場總線控制系統

現場總線控制系統FCS是在DCS系統的基礎上發展而成的，它繼承了DCS的分布式特點，但在各功能子系統之間