第1章dcs系統(tǒng)概述及與plc的關(guān)系

第1章DCS系統(tǒng)概述及與PLC的關(guān)系?知識點(diǎn)：●了解計算機(jī)控制系統(tǒng)的基本概念及其分類●了解DCS的概念、現(xiàn)狀及發(fā)展●掌握DCS的基本組成及特點(diǎn)●理解DCS和PLC之間的關(guān)系學(xué)習(xí)目標(biāo)一.計算機(jī)控制系統(tǒng)的組成1.基本概念?計算機(jī)控制系統(tǒng)是用計算機(jī)(通常稱為工業(yè)控制計算機(jī))來實(shí)現(xiàn)工業(yè)過程自動控制的系統(tǒng)。什么是自動控制?自動控制系統(tǒng)由哪些部分組成?設(shè)定值控制器D/A執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對象A/D計算機(jī)被控變量-圖1.1計算機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖測量變送

計算機(jī)控制系統(tǒng)的工作原理可歸納為以下三個步驟：

(1)實(shí)時數(shù)據(jù)采集對測量變送裝置輸出的信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)行處理。

(2)實(shí)時控制決策

對被控變量的測量值進(jìn)行分析、運(yùn)算和處理，并按預(yù)定的控制規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算。

(3)實(shí)時控制輸出實(shí)時地輸出運(yùn)算后的控制信號，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，完成控制任務(wù)。

上述過程不斷重復(fù)，使被控變量穩(wěn)定在設(shè)定值上。什么是實(shí)時控制?生產(chǎn)過程工業(yè)控制機(jī)圖1.2計算機(jī)控制系統(tǒng)的組成框圖現(xiàn)場設(shè)備指按生產(chǎn)過程控制的特點(diǎn)和要求而設(shè)計的計算機(jī)它包括硬件和軟件兩部分。包括被控對象，測量變送、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電氣開關(guān)等裝置。2.硬件系統(tǒng)接收輸入的指令和工業(yè)對象的信息，向系統(tǒng)各部分發(fā)送命令和數(shù)據(jù)。包括顯示操作臺、屏幕顯示器(CRT)或數(shù)碼顯示器、鍵盤、打印機(jī)、記錄儀等。從被控對象采集的模擬量或數(shù)字量信號轉(zhuǎn)換為計算機(jī)能夠接收的數(shù)字量生產(chǎn)過程包括被控對象，測量變送、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電氣開關(guān)等裝置。圖1.2計算機(jī)控制系統(tǒng)的組成框圖包括磁盤、光盤、磁帶，主要用于存儲大量的程序和數(shù)據(jù)。將計算機(jī)的處理結(jié)果轉(zhuǎn)換成可以對被控對象進(jìn)行控制的信號。

工業(yè)控制機(jī)硬件：硬件是指計算機(jī)本身及外圍設(shè)備。 計算機(jī)硬件過程輸出接口計算機(jī)過程輸入接口存儲器人機(jī)接口軟件系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件是專門用來使用和管理計算機(jī)的程序，包括操作系統(tǒng)、監(jiān)控管理程序、語言處理程序和故障診斷程序等。應(yīng)用軟件是用戶根據(jù)要解決的實(shí)際問題而編寫的各種程序。3.

軟件系統(tǒng)軟件是指能完成各種功能的計算機(jī)程序的總和.計算機(jī)控制系統(tǒng)分級控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)直接數(shù)字控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)集散型控制系統(tǒng)二.計算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用類型計算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)根據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)、控制功能和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，計算機(jī)控制系統(tǒng)主要分為六種類型：計算機(jī)承擔(dān)數(shù)據(jù)的采集和處理工作。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對生產(chǎn)過程各種工藝變量進(jìn)行巡回檢測、處理、記錄以及變量的超限報警，同時對變量進(jìn)行累計和實(shí)時分析.1.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)DAS（DataAcquisitionSystem）

DAS系統(tǒng)的特點(diǎn)：1).用于數(shù)據(jù)采集﹑處理﹑實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程集中監(jiān)視；2).越限報警，以確保生產(chǎn)安全；3).計算機(jī)不直接參與控制，用于開環(huán)操作指導(dǎo)。2.直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC）（DirectDigitalControl）

是計算機(jī)通過過程輸入通道對變量作巡回檢測，根據(jù)變量，按照一定的控制規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算，其結(jié)果經(jīng)過輸出通道，作用到控制對象.直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC）DDC特點(diǎn)1).進(jìn)行數(shù)據(jù)采集﹑處理﹑報警，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程集中監(jiān)視；2).計算機(jī)直接參與控制，實(shí)現(xiàn)過程閉環(huán)控制；3).一臺計算機(jī)可以替代多臺PID模擬控制器，實(shí)現(xiàn)多回路的控制，并易引入復(fù)雜控制算法和方式，由軟件編程實(shí)現(xiàn)即可，無需增加硬件設(shè)備；4).顯示﹑控制集中，危險也集中（一旦計算機(jī)出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)將癱瘓），對系統(tǒng)的可靠性要求較高。3.計算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)(SCC)（SupervisoryComputerControl）

DDC級微機(jī)完成生產(chǎn)過程的直接數(shù)字控制；SCC級微機(jī)進(jìn)行優(yōu)化分析計算，產(chǎn)生最優(yōu)化設(shè)定值。用數(shù)字控制儀器代替，再配以輸入采樣器、A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器、輸出掃描器，便是SCC加數(shù)字控制器的SCC系統(tǒng)。當(dāng)SCC計算機(jī)出現(xiàn)故障時，由數(shù)字控制器獨(dú)立完成控制任務(wù)，比較安全可靠。SCC特點(diǎn)1）DDC直接與過程相連，實(shí)現(xiàn)過程直接數(shù)字控制，要求DDC級實(shí)時性好﹑可靠性高﹑環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)；2）SCC級計算機(jī)也稱上位機(jī)，它根據(jù)DDC級提供的生產(chǎn)過程狀況和已定的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行優(yōu)化分析﹑計算，輸出最優(yōu)設(shè)定值SP，交與DDC級執(zhí)行。SCC計算機(jī)承擔(dān)高級控制和管理任務(wù)，要求數(shù)據(jù)處理功能強(qiáng)﹑存儲量大﹑運(yùn)行速度快。3）SCC為兩級控制，系統(tǒng)的可靠性較DDC高。即一旦SCC計算機(jī)出現(xiàn)故障，DDC計算機(jī)仍能獨(dú)立完成任務(wù)；而DDC計算機(jī)出現(xiàn)故障，則由SCC計算機(jī)替代DDC計算機(jī)完成控制任務(wù)。集散控制系統(tǒng)是分布式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了地理上和功能上分散的控制，將各個分散的信息集中起來，進(jìn)行集中的監(jiān)視和操作。4.集散控制系統(tǒng)監(jiān)控計算機(jī)協(xié)調(diào)各控制站的工作，達(dá)到過程的動態(tài)最優(yōu)化。操作臺是人機(jī)接口裝置，完成操作、顯示和監(jiān)視任務(wù)?？刂普就瓿蛇^程的現(xiàn)場控制任務(wù)。數(shù)據(jù)采集站采集非控制信息。DCS特點(diǎn)：1）.采用分散控制﹑集中操作﹑分級管理﹑分而自治和綜合協(xié)調(diào)的設(shè)計原則，大大提高了系統(tǒng)的可靠性；2）.采用了4C技術(shù)：Computer﹑Control﹑Communication及CRT；3）.由下而上形成多級控制結(jié)構(gòu)：過程控制級﹑集中監(jiān)控級﹑生產(chǎn)管理級；4）.采用網(wǎng)絡(luò)方式實(shí)現(xiàn)各級間的信息傳遞。5.現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS(FieldBusControlSystem)

FCS系統(tǒng)特點(diǎn)：1）采用一對N的設(shè)備連接方式﹑成本低。2）實(shí)現(xiàn)了徹底的分散控制。3）開放性與互操作性簡化了系統(tǒng)的集成。4）信息綜合，組態(tài)靈活。三.集散控制系統(tǒng)的發(fā)展概況集散控制系統(tǒng)（DCS）(DistributedControlSystem)

實(shí)質(zhì)是利用計算機(jī)技術(shù)對生產(chǎn)過程進(jìn)行集中監(jiān)控、操作、管理和分散控制的一種新型的控制技術(shù)，是由計算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和顯示技術(shù)互相發(fā)展和滲透而產(chǎn)生的。集散型控制系統(tǒng)適用于發(fā)電、電力、化工、石油、造紙等流程工業(yè)，也適用于冶金、食品、玻璃、半導(dǎo)體、紡織等間隙過程工業(yè)。自從1975年第一套DCS誕生到現(xiàn)在，DCS經(jīng)歷了3個大的發(fā)展階段：第一階段（初創(chuàng)期）(1975-1980)

CRT操作站

監(jiān)控計算機(jī)

數(shù)據(jù)高速公路HW現(xiàn)場監(jiān)測站

現(xiàn)場控制站圖1-1第一代DCS基本結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：重點(diǎn)在現(xiàn)場控制，人機(jī)界面功能較弱，信息量少，功能上接近儀表控制系統(tǒng),各個廠家的系統(tǒng)均由專有產(chǎn)品構(gòu)成（現(xiàn)場控制站，人機(jī)界面工作站，各類功能站及軟件）,各個廠家的系統(tǒng)沒有形成數(shù)據(jù)通信的標(biāo)準(zhǔn)。DCS成本高，應(yīng)用范圍受到一定限制。第二階段（成熟期）(1980-1985)

……局部網(wǎng)絡(luò)LAN網(wǎng)關(guān)多功能控制器網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)管理模塊通用操作站主計算機(jī)增強(qiáng)型操作站其他網(wǎng)絡(luò)DHW……特點(diǎn)：引入局域網(wǎng)，按照網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成系統(tǒng)，人機(jī)界面功能豐富，信息量大，系統(tǒng)規(guī)模容量進(jìn)一步增加，功能上擺脫儀表控制系統(tǒng)的影響，逐步靠近計算機(jī)系統(tǒng)，由于系統(tǒng)技術(shù)的不斷成熟，DCS價格下降，應(yīng)用更廣泛，但在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議方面仍各自為政，不同廠家的系統(tǒng)不能進(jìn)行數(shù)據(jù)交換第三階段（擴(kuò)展期）1985至今特點(diǎn)：增加了上層網(wǎng)絡(luò)，功能增加生產(chǎn)的管理功能，網(wǎng)絡(luò)方面采用了標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，系統(tǒng)組成除現(xiàn)場控制站外是DCS廠家的專有產(chǎn)品，人機(jī)界面工作站，服務(wù)器和各種功能站的硬件和基礎(chǔ)軟件都是市場上的產(chǎn)品，使得系統(tǒng)成本降低，應(yīng)用更加廣泛。

第四代DCS的體系結(jié)構(gòu)主要分為四層結(jié)構(gòu)：過程控制級、集中監(jiān)控級、生產(chǎn)管理級和綜合管理級。一般DCS廠商主要提供除綜合管理級之外的三