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

2、. 工業自動化的任務,工業自動化發展概況,第一階段（50年代） 控制理論：以傳遞函數作為模型描述方法，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。,單元組合儀表構成的調節系統,自動化儀表的基本概念,敏感元件（又稱“一次儀表”）： “獨立”于被測系統之外，直接與工藝介質相接觸，并以參數方式對被測物理量作出“敏感”響應的物理實體。這里，“獨立”是指被測物理量不應因敏感元件的設置而受到影響。 傳感器： 是將敏感元件參數響應變量轉換成便于應用和傳送的信號裝置。因此，其是由敏感元件和相應線路所組成的物理系統。 變送器：是輸出

3、信號符合標準化要求的傳感器。,電動單元組合式儀表發展概況,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，采用微處理器的數字調節器,工業自動化發展概況,第二階段（ 60 70年代中期） 控制理論：以狀態空間分析方法為基礎，其核心包括：以最小二乘法為基礎的系統辨識方法，以極大值原理和動態規劃為主的最優控制理論，和以卡爾曼濾波器為代表的估計技術； 控制方法：最優控制方法在航空航天領域取得了成功，但尚未能很好地應用于過程工業； 控制設備：單元組合儀表計算機集中控制方式（如DDC

4、，SPC等）,計算機集中控制系統,工業自動化發展概況,第三階段（ 70年代末 90年代） 控制設備：商品化的分布式計算機控制系統（ DCS）與可編程控制器（Programmable Logic Controllers, PLC）的出現與工業應用； 控制方法：以模型預測控制為代表的適合于工業過程的先進控制（Adavanced Process Control, APC）方法形成，商品化APC 軟件產品出現； 控制對象：受約束的 MIMO（多輸入多輸出）系統，控制目標考慮操作條件的最優化。,集散控制系統（DCS）,工業自動化發展概況,第四階段（ 90年代 ） 控制對象：操作單元生產全過程供應鏈（Su

5、pply Chain），廣義的“控制”概念。 控制設備：商品化現場總線控制系統（Fieldbus Computer Systems, FCS）逐步替代DCS系統；網絡技術的高度發展。 控制方法：結合最優化技術、計算機網絡與數據信息處理技術的現代集成制造系統（CIMS）的形成與應用。,現場總線控制系統（FCS）,生產制造管理信息系統MMS,工業自動化的任務,典型的流程工業企業,被控過程（或對象）舉例,工業自動化的任務,廠級生產計劃與調度： 通過合理安排各裝置的生產任務（處理量、生產方案等），實現全廠生產效益的最大化； 裝置操作的最優化： 在完成廠級生產任務、保證裝置安全的前提下，以裝置效益的最優

6、化為目標，制定各單元重要參數的操作指標（即設定值）； 基本單元的平穩控制： 跟蹤重要參數的操作指標，實現基本單元的平穩操作、安全操作與質量控制。,過程控制的目標,從生產過程的角度看，過程控制實現的目標： 安全性：確保生產過程中人身與設備的安全，主要措施包括：對重要參數設置定值控制、采取參數超限報警與事故報警、設置自動聯鎖保護系統等； 經濟性：即實現經濟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化技術； 穩定性：即要求系統具有抑制外部干擾，保持生產過程長期穩定運行的能力。常用方法：結合工業對象特性與控制理論對系統進行穩定性與魯棒性分析。,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展 自動化裝置的五個發展階段 “基地式”儀表； 單元組合式儀表； 計算機集中控制系統； 集散控制系統（DCS）； 現場總線控制系統（FCS). 工業自動化的任務,02：信號傳輸標準,電壓制信號傳輸標準：（參考教材：0.2節）,電壓傳輸：信號源內阻小（零）、負載電阻大，因而對外界擾動敏感，且受傳輸導線電阻的影響大。故不適合于信號的遠距離傳輸。,信號傳輸標準,電流制信號傳輸標準：,電流傳輸：信號源內阻大（無限大）、負載電阻小，因而對外界擾動不敏感，且不受傳輸導線電阻的影響。故非常適合于信號的遠距離傳輸。,信號傳輸標準,國際電工委員會（IEC）于1973年4月通過信號傳輸的國際標準

8、： 現場傳輸信號： 直流 420mA； 控制室內儀表間的聯絡信號： 直流 15V. 適用范圍： DDZ- 型、數字儀表、DCS系統等,信號傳輸標準,DDZ-型、 DDZ-型儀表采用的信號傳輸標準為： 010mA DC ，或 05V DC 兩種標準的比較： 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”。,信號傳輸標準,“活零點”的優點： 有利于識別斷電、斷線等故障，且為實現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，一共只用兩根導線。使用兩線制變送器不僅節省電纜，布線方便，且大大有利于安全防爆，因為減少一根通

9、往危險現場的導線，就減少了一個竄進危險火花的門戶。,信號傳輸標準,兩線制變送器,兩線制變送器,信號傳輸標準,另外，采用直流信號傳輸的優點： 傳輸過程中易于和交流感應干擾相區別，且不存在相移問題，可不受傳輸線中電感、電容和負載性質的限制。 其它信號傳輸標準： RS485數字信號傳輸、Smart傳輸技術、現場總線技術等等。,本課程的講授內容,鑒于基金會現場總線與其它現場總線最大的不同點之一就是其擁有用戶層，換句話說，FF現場總線不僅僅是一個總線標準，更成為一個現代過程控制系統的體系結構。因此一定要講解或補充PID控制與過程控制的知識，這樣才能理解FF現場總線，也才能用好FF現場總線技術。,本課程的

10、講授內容,第一部分：數字控制算法及過程控制系統 設計 第二部分：數字調節器及分布式控制系統 第三部分：現場總線控制系統,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），電子工業出版社，2003年3月 Jonas Berge著，陳小楓等譯：過程控制現場總線工程、運行與維護，清華大學出版社，2003年7月 Johnson,C.D.（美）：過程控制儀表技術（影印版）科學出版社，2002年6月 Karl J.Astrom Bjorn Wittenmark著，周兆英等譯：計算機控制系統原理與設計（第三版），電子工業出版社，2001年4月 陽憲惠主編：現場總線技術及其應用，清華大學出版社，1999年6月,答疑與考試安排,考前答疑： 地點：自動控制研究所，東2樓163