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1、分布式控制及现场总线技术分布式控制及现场总线技术参考书参考书：现场总线技术刘泽祥主编现场总线技术刘泽祥主编 机械工业出版社机械工业出版社 现场总线技术及其应用现场总线技术及其应用 甘永梅甘永梅 机械工业出版社机械工业出版社 集散控制系统原理及应用集散控制系统原理及应用 何衍庆主编何衍庆主编 化学工业出版社化学工业出版社 分布式计算机控制系统侯朝桢分布式计算机控制系统侯朝桢 北京理工大学出版社北京理工大学出版社 集散控制系统的设计与应用王常力集散控制系统的设计与应用王常力 清华大学出版社清华大学出版社烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，
2、请同学们想一想如何来治疗该病人课程的地位、内容和任务课程的地位、内容和任务*是自动化、电气工程及自动化专业本科生的一门专是自动化、电气工程及自动化专业本科生的一门专业课业课,是是“计算机控制技术方向计算机控制技术方向”研究生的必修课程。研究生的必修课程。*以以DCSDCS控制系统为起点，从实际应用的角度出发，详控制系统为起点，从实际应用的角度出发，详细介绍细介绍DCS DCS 的基本概念、基本原理及体系结构；重的基本概念、基本原理及体系结构；重点讲述点讲述DCSDCS的过程控制级、现场控制站、操作员站、的过程控制级、现场控制站、操作员站、工程师站的硬件组成及软件结构；结合控制网络实工程师站的硬
3、件组成及软件结构；结合控制网络实验室的配置组成，介绍验室的配置组成，介绍DCSDCS的应用实例。的应用实例。*详细介绍详细介绍FCSFCS的基本概念和基本原理，并将其与的基本概念和基本原理，并将其与DCSDCS相比较；相比较；*在几种常用的现场总线基础上，重点讲述在几种常用的现场总线基础上，重点讲述PROFIBUSPROFIBUS总线的特点、原理、通信协议、设备配置及接口实总线的特点、原理、通信协议、设备配置及接口实现，并介绍其实际操作、应用和算法实现。现，并介绍其实际操作、应用和算法实现。烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们
4、想一想如何来治疗该病人v教学目的和任务教学目的和任务：1.掌掌握握DCS的的基基本本概概念念及及体体系系结结构构、DCS的的过过程程控控制制级级、现现场场控控制制站站、操操作作员员站站、工工程程师师站站的的功功能能、硬硬件件组组成成及软件结构；及软件结构；2.对对DCS系系统统和和FCS系系统统的的特特点点及及其其它它们们之之间间的的差差异异和和联联系系有有清清晰晰的的理理解解和和认认识识；了了解解目目前前自自控控领领域域常常用用的的、有有影影响响力力的的几几种种现现场场总总线线技技术术，它它们们的的组组成成、通通信信协协议、工作原理及应用规范。议、工作原理及应用规范。3.使使学学生生重重点点
5、掌掌握握有有关关PROFIBUS总总线线的的基基本本特特性性、通通信协议、现场设备实现及其各种应用性功能。信协议、现场设备实现及其各种应用性功能。4.使使学学生生能能熟熟练练使使用用STEP7、WinCC软软件件，实实现现系系统统的的组态和编程。组态和编程。5.掌握现场总线系统的设计和开发方法。掌握现场总线系统的设计和开发方法。烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人v考核方式考核方式 平时（考勤、作业、实验）平时（考勤、作业、实验）50%期末（测验、报告）期末（测验、报告）50%烧伤病人的治疗通常是取烧伤病
6、人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人第一部分第一部分 分布式控制系统分布式控制系统烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人分布式控制系统是以微型计算机为基础的分散型综合控制系分布式控制系统是以微型计算机为基础的分散型综合控制系统。统。简称简称DCSDCS（Distributed Control SystemDistributed Control System）。）。19751975年美国霍尼年美国霍尼韦韦尔尔(HoneyWellHoneyWell)
7、公司公司第一套产品第一套产品TDC-2000至今，至今，DCS产品几经更新换代，技术性能达到日趋完善的程产品几经更新换代，技术性能达到日趋完善的程度。度。DCS早已发展成为当今工业控制的主流系统。早已发展成为当今工业控制的主流系统。DCSDCS以其先进、可靠、灵活和操作简便及其合理的价格被广泛以其先进、可靠、灵活和操作简便及其合理的价格被广泛用于化工、石油、电力、冶金和造纸等工业领域。用于化工、石油、电力、冶金和造纸等工业领域。1.分布式控制系统及其发展概概 述述烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人1.1
8、 1.1 计算机控制（系统）的分类计算机控制（系统）的分类1.2 1.2 分布式控制系统的产生分布式控制系统的产生1.3 1.3 分布式控制系统的发展分布式控制系统的发展1.4 1.4 分布式控制系统的特点分布式控制系统的特点1.5 1.5 分布式控制系统的发展趋势分布式控制系统的发展趋势1.1 计算机控制（系统）的分类v控制算法控制算法：逻辑控制、数值控制和混合控制：逻辑控制、数值控制和混合控制v控制方式控制方式：开环控制、闭环控制和监督控制：开环控制、闭环控制和监督控制v控制对象控制对象：连续过程、离散过程和以批次为：连续过程、离散过程和以批次为 基础的过程基础的过程v控制规律控制规律：顺
9、序控制、常规控制（如：顺序控制、常规控制（如PIDPID控制）控制）、高级控制（或称先进控制：如最优控制、高级控制（或称先进控制：如最优控制、自适应控制、预测控制等）自适应控制、预测控制等）v控制功能控制功能：（1 1）操作指导控制系统）操作指导控制系统 （2 2）直接数字控制系统（）直接数字控制系统（DDCDDC）（3 3）计算机监督控制系统（）计算机监督控制系统（SCCSCC）（4 4）分布式控制系统（分布式控制系统（DCSDCS）（5 5）计算机集成控制系统）计算机集成控制系统 （6 6）现场总线控制系统（现场总线控制系统（FCSFCS）v系统结构系统结构：（1 1）集中控制系统（）集中
10、控制系统（Centralized Centralized Control SystemControl System，CCSCCS）（2 2）分散控制系统（）分散控制系统（Decentralized Decentralized Control SystemControl System，DCSDCS）（3）分布控制系统（分布控制系统（Distributed Distributed Control SystemControl System，DCSDCS）集中控制系统控制控制计算机计算机基本基本控制控制过程过程1 1基本基本控制控制过程过程2 2基本基本控制控制过程过程3 3基本基本控制控制过程过程4
11、 4基本基本控制控制过程过程5 5集中控制系统的概念v单机系统单机系统v用一台计算机对多个对象或设备进行集用一台计算机对多个对象或设备进行集中管理和集中控制，有时成为中管理和集中控制，有时成为“群控群控”。分散控制系统v多机系统多机系统v多台计算机分别控制不同的对象或设备，各自构成多台计算机分别控制不同的对象或设备，各自构成子系统。子系统。v各子系统间有通信或网络互联的关系。各子系统间有通信或网络互联的关系。v从整个系统来说，在功能上、逻辑关系上、物理上从整个系统来说，在功能上、逻辑关系上、物理上以及地理位置上都是分散的。以计算机网络为组成以及地理位置上都是分散的。以计算机网络为组成核心的控制
12、系统都是分散式系统。核心的控制系统都是分散式系统。分布式控制系统v以满足现代化工业生产和日益复杂的控制对象的要以满足现代化工业生产和日益复杂的控制对象的要求为前提，从生产综合自动化的角度出发，将微处求为前提，从生产综合自动化的角度出发，将微处理器作为核心的集中分散控制系统。理器作为核心的集中分散控制系统。v是利用控制技术（是利用控制技术（ControlControl）、计算机技术）、计算机技术（ComputerComputer）、通信技术（）、通信技术（CommunicationCommunication）和阴极）和阴极射线管（射线管（CRTCRT）显示技术）显示技术 4C 4C技术，对生产过
13、程进技术，对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的新型控制系行集中监视、操作、管理和分散控制的新型控制系统。又称集散控制系统（统。又称集散控制系统（Total Distributed Control Total Distributed Control SystemSystem，TDCSTDCS）。v主要特点：集中管理、分散控制主要特点：集中管理、分散控制。转转1.31.3分布控制系统典型结构1.2 分布式控制系统的产生v现代化工业飞速发展，工业生产过程的控制规模不断扩大，现代化工业飞速发展，工业生产过程的控制规模不断扩大，复杂程度不断提高，工艺过程不断强化，对过程控制和生产复杂程度不断提
14、高，工艺过程不断强化，对过程控制和生产管理系统提出越来越高的要求。管理系统提出越来越高的要求。v劳动力密集型劳动力密集型设备密集型设备密集型信息密集型信息密集型知识密集型。知识密集型。v以计算机为基础而构成的控制、管理、决策系统的重要作用。以计算机为基础而构成的控制、管理、决策系统的重要作用。v分布式控制系统是继直接作用式气动仪表、气动单元组合仪分布式控制系统是继直接作用式气动仪表、气动单元组合仪表、电动单元组合仪表和组件组装式仪表之后的新一代控制表、电动单元组合仪表和组件组装式仪表之后的新一代控制系统。系统。v v按照年代讲解分布式控制系统的产生按照年代讲解分布式控制系统的产生v在概念上注意
15、：在概念上注意：v（1 1）理解）理解“分散分散集中集中分散分散”的发展过程（螺旋的发展过程（螺旋上升式发展进程）上升式发展进程）v（2 2）其中穿插系统控制功能方面的分类）其中穿插系统控制功能方面的分类过程控制系统的发展史1.301.30年代初期：分散控制方式年代初期：分散控制方式v直接作用式气动控制器；直接作用式气动控制器；v控制装置安装在被控过程附近，每个回路有单独控制器；控制装置安装在被控过程附近，每个回路有单独控制器；v运行人员分布在全厂各处；运行人员分布在全厂各处；v适用于规模不太大、工艺过程不太复杂的企业。适用于规模不太大、工艺过程不太复杂的企业。v典型的连续控制闭环控制系统框图
16、2.302.30年代末期：集中控制年代末期：集中控制v中央控制室，信息远距离传输问题；中央控制室，信息远距离传输问题；v变送器、执行器和控制器分离：变送器、执行器安变送器、执行器和控制器分离：变送器、执行器安装在现场，控制器在中央控制室；装在现场，控制器在中央控制室；v优点：运行人员可获得整个的生产信息，便于协调优点：运行人员可获得整个的生产信息，便于协调控制；控制；v注意：控制仪表和运行人员地理上的集中，控制器注意：控制仪表和运行人员地理上的集中，控制器分别完成各控制任务，故障影响不大分别完成各控制任务，故障影响不大运行管理运行管理的集中，仍然分散控制；的集中，仍然分散控制；v采用采用气动单
17、元组合仪表、电动单元组合仪表和组件气动单元组合仪表、电动单元组合仪表和组件组装式仪表。组装式仪表。过程控制系统的发展史过程控制系统的发展史过程控制系统的发展史3.503.50年代末年代末6060年代初：集中控制方式年代初：集中控制方式v5050年代末，计算机进入过程控制领域，按照年代末，计算机进入过程控制领域，按照计算机的功能分为以下几个阶段：计算机的功能分为以下几个阶段：（1 1）操作指导控制系统）操作指导控制系统 （2 2）直接数字控制系统（）直接数字控制系统（DDCDDC）（3 3）计算机监督控制系统（）计算机监督控制系统（SCCSCC）（4 4）分布式控制系统（分布式控制系统（DCSD
18、CS）（5 5）计算机集成控制系统）计算机集成控制系统 （6 6）现场总线控制系统（现场总线控制系统（FCSFCS）（1 1）操作指导控制系统）操作指导控制系统 v计算机的输出不直接控制生产对象，只对系统计算机的输出不直接控制生产对象，只对系统过程参数进行收集、加工处理，然后输出数据；过程参数进行收集、加工处理，然后输出数据；操作人员根据这些数据进行设定值的改变或必操作人员根据这些数据进行设定值的改变或必要的操作。要的操作。操作指导控制系统原理图返回本节计算机控制系统基本框图把控制器用数字调节器来代替，就可以构成微型计算机把控制器用数字调节器来代替，就可以构成微型计算机控制系统控制系统（2 2
19、）直接数字控制系统（）直接数字控制系统（DDCDDC）vDDC(Direct DDC(Direct Digital Digital Control)Control)控控制制是是用用一一台台微微型型机机对对多多个个被被测测参参数数进进行行巡巡回回检检测测，检检测测结结果果与与设设定定值值比比较较，再再按按照照PIDPID规规律律或或直直接接数数字字控控制制运运算算进进行行控控制制运运算算，然然后后输输出出到到执执行行机机构构，对对生生产产过过程程进进行行控控制制，使使被被控控参参数数稳稳定定在在给给定值上。定值上。DDC数字控制系统原理图v6060年代初，计算机用于生产过程直接数字控制，造年代初
20、，计算机用于生产过程直接数字控制，造价高，一台计算机控制全厂的生产过程，整个系统价高，一台计算机控制全厂的生产过程，整个系统控制任务的集中。控制任务的集中。v特点：控制集中、管理集中特点：控制集中、管理集中v缺点：受硬件水平限制，计算机可靠性低，一旦发缺点：受硬件水平限制，计算机可靠性低，一旦发生故障，全厂生产瘫痪。生故障，全厂生产瘫痪。返回本节烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人（3 3）计算机监督控制系统）计算机监督控制系统（SCCSCC）SCCSCC由二级计算机组成由二级计算机组成第第一一级级计计算
21、算机机与与生生产产过过程程连连接接，并并承承担担测测量量和和控控制制任任务务，即即完完成成DDCDDC控控制。制。第第二二级级计计算算机机是是按按照照生生产产过过程程工工况况，操操作作条条件件的的变变更更信信息息和和数数学学模模型型进进行行必必要要的的转转换换，给给第第一一级级计计算算机机提提供供最最佳佳给给定定值值和和最最优优控控制制量量等等各各种种控制信息。控制信息。第第一一级级计计算算机机和和第第二二级级计计算算机机间间的的数数据据通通信信，一一般般采采用用串串行行数数据据链链路路规程，传送速率都比较低。规程，传送速率都比较低。返回本节4.4.分布控制方式分布控制方式v分析集中控制的失败
22、，提出了分布控制系统分析集中控制的失败，提出了分布控制系统的概念；的概念；v把控制功能分散在不同的计算机中完成，采把控制功能分散在不同的计算机中完成，采用通信技术实现各部分之间的联系和协调用通信技术实现各部分之间的联系和协调;v特点：控制分散、管理集中特点：控制分散、管理集中烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人总结总结：v 控制系统的发展历史经历了由控制分散、控制系统的发展历史经历了由控制分散、管理分散管理分散控制分散、管理集中控制分散、管理集中控制集中、控制集中、管理集中管理集中控制分散、管理集中的过程
23、。控制分散、管理集中的过程。v 今天的分布控制系统已经不是过去的模拟控今天的分布控制系统已经不是过去的模拟控制系统，而是计算机技术的数字控制系统；制系统，而是计算机技术的数字控制系统；今天的集中手段不仅依靠指示仪表、记录仪今天的集中手段不仅依靠指示仪表、记录仪表和操作开关，而是采用先进的表和操作开关，而是采用先进的CRTCRT显示设显示设备、打印机和键盘。备、打印机和键盘。1.3 分布式控制系统的发展（四个历史阶段）1.1.第一阶段（初创期）（第一阶段（初创期）（1975198019751980年）年）v19751975年首先由美国年首先由美国HoneywellHoneywell公司推出的。公
24、司推出的。v以以分分散散的的控控制制设设备备来来适适应应分分散散的的过过程程对对象象，并并将将它它们们通通过过数数据据高高速速公公路路与与基基于于CRTCRT的的操操作作站站相相连连接接，互互相相协协调调，一一起起实实施施实实时时工工业业过过程程的的控控制制和和监视，达到掌握全局的目的。监视，达到掌握全局的目的。v实实现现了了控控制制系系统统的的功功能能分分散散、负负荷荷分分散散，从从而而危危险也分散。险也分散。烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人五大部分组成五大部分组成:v11现场控制站现场控制站(过程
25、控制单元过程控制单元)v22现场监测站现场监测站(数据采集装置数据采集装置)v33CRTCRT操作站操作站v44数据公路数据公路v55监控计算机监控计算机2.第二阶段（成熟期）（第二阶段（成熟期）（19801985年）年）v系统硬件和软件技术的不断更新，体现在：系统功能系统硬件和软件技术的不断更新，体现在：系统功能得到扩大或增强；操作管理及监督范围的扩大，提高得到扩大或增强；操作管理及监督范围的扩大，提高了综合管理信息的能力；显示屏分辨率及色彩的提高；了综合管理信息的能力；显示屏分辨率及色彩的提高；多个处理器技术和冗余技术应用发展。特别是在数据多个处理器技术和冗余技术应用发展。特别是在数据通信
26、方面采用了局域网。通信方面采用了局域网。v基基本本结结构构由由六六部部分分组组成成：局局部部网网络络、多多功功能能现现场场控控制制站站、增增强强型型操操作作站站、主主计计算算机机、网网间间连连接接器器(网网关关)和和系统管理站等。系统管理站等。v功功能能：过过程程控控制制、数数据据采采集集、顺顺序序控控制制和和批批量量控控制制等等 。3.3.第三阶段（扩展期）（第三阶段（扩展期）（19851985年以后）年以后）v开放开放系统是第三代系统的主要特征。系统是第三代系统的主要特征。v系统的通信功能增强，通信标准符合系统的通信功能增强，通信标准符合ISOISO的的OSIOSI开放系开放系统互连的参考
27、模型，各不同制造厂家的产品可以进行统互连的参考模型，各不同制造厂家的产品可以进行数据通信。数据通信。v向上能与向上能与MAPMAP（Manufacture Automation ProtocolManufacture Automation Protocol）和和EthernetEthernet接口，或通过网间连接器与其他网络联系。接口，或通过网间连接器与其他网络联系。v向向下下支支持持现现场场总总线线，使使过过程程控控制制或或车车间间的的智智能能变变送送器器、执行器和本地控制器间实现可靠的实时数字数据通信。执行器和本地控制器间实现可靠的实时数字数据通信。v此外，系统的软件和控制功能也有所增强。
28、此外，系统的软件和控制功能也有所增强。v美国美国FoxboroFoxboro公司在公司在19871987年推出的年推出的I/ASI/AS系统标志着集散系统标志着集散控制系统进入了第三代。控制系统进入了第三代。4.第四阶段（网络开放期）（第四阶段（网络开放期）（1990年以后）年以后）v管控一体化，硬件上采用了开放式的工作站，采管控一体化，硬件上采用了开放式的工作站，采用了客户机用了客户机/服务器的结构；服务器的结构；v开放性、可操作性、互相联系、共享资源及运行开放性、可操作性、互相联系、共享资源及运行第三方软件等已成为各制造厂家生产集散控制系第三方软件等已成为各制造厂家生产集散控制系统的标准；
29、统的标准；v软件上则采用软件上则采用UNIXUNIX系统和系统和X-WindowsX-Windows的图形界面，的图形界面，系统的软件更丰富。系统的软件更丰富。1.4 分布式控制系统的特点v先进的计算机控制技术和分级分散的体系结先进的计算机控制技术和分级分散的体系结构构 1.1.适应性和扩展性适应性和扩展性 2.2.控制能力控制能力 3.3.人机联系手段人机联系手段 4.4.可靠性高可靠性高 5.5.可维修性可维修性 6.6.安装费用安装费用（1）适应性和扩展性v分布式控制系统在结构上采用了常规系统的分布式控制系统在结构上采用了常规系统的模块模块化化设计方法。设计方法。v硬件、软件都可根据需要
30、硬件、软件都可根据需要灵活组合灵活组合，以适应生产，以适应生产规模的大小。规模的大小。v随生产过程的发展，随生产过程的发展，扩充扩充硬件和软件。硬件和软件。v特征：递进性和整体性。特征：递进性和整体性。（2 2）控制能力控制能力v控制功能由控制功能由软件软件来实现，具有高度的灵活性和完来实现，具有高度的灵活性和完善的控制能力。善的控制能力。v实现常规算法、复杂的优化控制算法、逻辑推理实现常规算法、复杂的优化控制算法、逻辑推理和逻辑判断。和逻辑判断。v保持数字控制的全部优点，解决了集中控制可靠保持数字控制的全部优点，解决了集中控制可靠性低的问题。性低的问题。（3 3）人机联系手段人机联系手段v人
31、机联系信息流向：人机联系信息流向：“人人过程过程”联系和联系和“过程过程人人”联系联系v更先进的人机联系手段：更先进的人机联系手段：CRTCRT图形显示和键盘操图形显示和键盘操作作v “过程过程人人”：信息直接显示在：信息直接显示在CRTCRT屏幕屏幕v “人人过程过程”：通过键盘输入各种操作指令：通过键盘输入各种操作指令v人机联系手段双向集中：一致性，防止误操作人机联系手段双向集中：一致性，防止误操作常规控制系统的人机联系常规控制系统的人机联系v“人人过程过程”：操作器、定值器、开关、按钮；：操作器、定值器、开关、按钮；运行人员通过这些设备调整和控制生产过程。运行人员通过这些设备调整和控制生
32、产过程。v“过程过程人人”：各种显示仪表、记录仪表、报警：各种显示仪表、记录仪表、报警装置、信号等设备；运行人员通过它们了解生产装置、信号等设备；运行人员通过它们了解生产过程的运行情况。过程的运行情况。v人机联系设备安装在控制盘或操作台上，迅速准人机联系设备安装在控制盘或操作台上，迅速准确地找到需要操作和监视的对象比较困难，容易确地找到需要操作和监视的对象比较困难，容易出错。出错。（4 4）可靠性高可靠性高v 器件高度集成，可靠性高；模块化结构，每个器件高度集成，可靠性高；模块化结构，每个过程控制站只控制少数几路控制回路，个别回路过程控制站只控制少数几路控制回路，个别回路或单元故障不影响全局。
33、或单元故障不影响全局。v 在电源、通信、过程控制站等处广泛采用冗余在电源、通信、过程控制站等处广泛采用冗余技术，为可靠性创造条件。技术，为可靠性创造条件。v 软件模块化组态方法形成各种控制方案，取消软件模块化组态方法形成各种控制方案，取消常规系统中模件之间的连线，减少故障。常规系统中模件之间的连线，减少故障。（5 5）可维修性可维修性v可维修性反映系统发生故障后对其进行维修的难易程度。可维修性反映系统发生故障后对其进行维修的难易程度。v常规系统常规系统可维修性差：部件种类繁多、稳定性较差、缺少必可维修性差：部件种类繁多、稳定性较差、缺少必要自诊断功能。要自诊断功能。v集中式计算机控制系统集中式
34、计算机控制系统可维修性要好些，但系统庞大、关联可维修性要好些，但系统庞大、关联密切的硬、软件系统需要较高技术水平的维修人员。密切的硬、软件系统需要较高技术水平的维修人员。v分布式控制系统分布式控制系统的可维修性有明显优势：的可维修性有明显优势：少数统一设计的标准模件，硬件简单；少数统一设计的标准模件，硬件简单；控制任务由多个处理器分别完成，只担负少量控制任务，控制任务由多个处理器分别完成，只担负少量控制任务，分散故障风险；分散故障风险；较完善的在线诊断技术，故障定位准确；较完善的在线诊断技术，故障定位准确；通过各种人机接口设备，运行员和工程师能迅速发现系统通过各种人机接口设备，运行员和工程师能
35、迅速发现系统故障的性质和地点。故障的性质和地点。（6 6）安装费用安装费用v安装费用：电缆、导线的安装敷设费用和控制室、安装费用：电缆、导线的安装敷设费用和控制室、电子设备室的建筑费用。电子设备室的建筑费用。v常规控制系统常规控制系统安装费用比较高：安装费用比较高：*由变送器、传感器和执行器到控制系统机柜之间需由变送器、传感器和执行器到控制系统机柜之间需要很长的电缆；要很长的电缆；*各种模件之间通过导线连接组成不同的控制方案；各种模件之间通过导线连接组成不同的控制方案；*各种机柜和控制盘、台占相当大的建筑空间。各种机柜和控制盘、台占相当大的建筑空间。v分布式控制系统分布式控制系统安装费用少：安
36、装费用少：*控制方案主要靠软件功能块实现；控制方案主要靠软件功能块实现；*过程控制站分散在被控过程附近，大大减少变送器、过程控制站分散在被控过程附近，大大减少变送器、传感器和执行器到控制系统机柜之间的连接电缆，传感器和执行器到控制系统机柜之间的连接电缆，减少中央控制室的占地面积。减少中央控制室的占地面积。*工作量：工作量：30%-50%30%-50%；控制室面积：；控制室面积：60%60%1.5 1.5 分布式控制系统的分布式控制系统的发发展展趋势趋势 v分布式控制系统将向分布式控制系统将向两个方向两个方向发展：发展：v一个方向是向上发展，即向一个方向是向上发展，即向CIMSCIMS计算机集成
37、计算机集成制造系统、制造系统、CIPSCIPS计算机集成过程系统发展；计算机集成过程系统发展；v另一个方向是向下发展，即向另一个方向是向下发展，即向FCSFCS（Fieldbus Fieldbus Control SystemControl System）现场总线控制系统发展。）现场总线控制系统发展。（1 1）CIMSCIMS的概念及由来的概念及由来v CIMSCIMS即计算机集成制造系统，是基于即计算机集成制造系统，是基于19731973年美年美国国Joseph HarringtonJoseph Harrington博士在其博士论文博士在其博士论文Computer Intergrated M
38、anufacturingComputer Intergrated Manufacturing中首中首次提出的次提出的CIMCIM（Computer Intergrated Computer Intergrated ManufacturingManufacturing计算机集成制造）的概念而计算机集成制造）的概念而构成的一种现代制造系统。构成的一种现代制造系统。vCIMCIM概念包括两个基本观点概念包括两个基本观点：*企业生产的各个环节，即从市场分析、产品设企业生产的各个环节，即从市场分析、产品设计、加工制造、经营管理到售后服务的全部生产计、加工制造、经营管理到售后服务的全部生产活动，彼此是紧密
39、联系的，是一个不可分割的整活动，彼此是紧密联系的，是一个不可分割的整体，应该在企业整体框架下统一考虑各环节的生体，应该在企业整体框架下统一考虑各环节的生产活动；产活动；*整个生产过程实质上是一个数据采集、传递和整个生产过程实质上是一个数据采集、传递和加工处理的过程，最终形成的产品可以看作是加工处理的过程，最终形成的产品可以看作是“数据数据”的物质表现。的物质表现。v这一概念具有很强的超前意识，正确地指出了在这一概念具有很强的超前意识，正确地指出了在未来的计算机时代企业运行管理的最佳模式。未来的计算机时代企业运行管理的最佳模式。vCIMSCIMS：以计算机系统为基础，综合生产过程中信息流、以计算
40、机系统为基础，综合生产过程中信息流、资金流和物资流的运动，集市场研究、生产决策、经资金流和物资流的运动，集市场研究、生产决策、经营管理、设计制造与销售服务等功能为一体，使企业营管理、设计制造与销售服务等功能为一体，使企业走向高度集成化、自动化和智能化的生产技术与组织走向高度集成化、自动化和智能化的生产技术与组织方式。它将方式。它将CAD/CAMCAD/CAM、PDMPDM、ERP/MISERP/MIS等企业所涉及到等企业所涉及到的设计、生产、管理业务融为一体，组成企业先进的的设计、生产、管理业务融为一体，组成企业先进的生产和管理模式。生产和管理模式。v在国内，原国家科委组织了一些高校等机构专门
41、对在国内，原国家科委组织了一些高校等机构专门对CIMSCIMS进行研究和推广，成立了国家进行研究和推广，成立了国家863/CIMS863/CIMS主题专家主题专家组，还有相应的一个庞大的系统组织配合专家组的工组，还有相应的一个庞大的系统组织配合专家组的工作。在过去的十多年里，该主题取得了较为显著的成作。在过去的十多年里，该主题取得了较为显著的成绩，并且提出了绩，并且提出了 现代集成制造系统现代集成制造系统 的概念。的概念。（2 2）CIPSCIPS的概念的概念 vCIPSCIPS（Computer Integrated Producing SystemComputer Integrated P
42、roducing System，计算机集成生产系统计算机集成生产系统）：是企业在当前实施的）：是企业在当前实施的人工集成信息的生产系统。人工集成信息的生产系统。CIPSCIPS属于一种类型的属于一种类型的控制论系统，即工业生产控制论系统。控制论系统，即工业生产控制论系统。v主要硬件系统除原生产系统中的基础自控装置，主要硬件系统除原生产系统中的基础自控装置，如如DCSDCS，PLCPLC等外，还有计算机网络构架及服务器，等外，还有计算机网络构架及服务器，网络交换机等。网络交换机等。v软件系统除各相关的系统软件及数据库系统外，软件系统除各相关的系统软件及数据库系统外，应用软件开发是应用软件开发是C
43、IPSCIPS的主体，它包括三大类：的主体，它包括三大类：1 1）管理信息系统类：生产计划管理，营销合同）管理信息系统类：生产计划管理，营销合同管理，生产调度管理，物资及库存管理，产品质管理，生产调度管理，物资及库存管理，产品质量保证体系，厂务管理、人事财务管理等等；量保证体系，厂务管理、人事财务管理等等；2 2）信息存贮、综合统计类：市场信息管理，包）信息存贮、综合统计类：市场信息管理，包括原、材、燃料，产品的国内外价格信息，工程括原、材、燃料，产品的国内外价格信息，工程数据库，生产过程数据库，质量数据库；数据库，生产过程数据库，质量数据库；3 3）生产过程优化及管理决策类：企业系统物料）生
44、产过程优化及管理决策类：企业系统物料平衡模型，企业能量平衡模型，企业投入产出动平衡模型，企业能量平衡模型，企业投入产出动态经济模型，企业生产运行和管理优化系统。态经济模型，企业生产运行和管理优化系统。（3 3）现场总线的概念现场总线的概念v现场总线现场总线(IEC)(IEC)定义：安装在制造或过程区域定义：安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的的数字式、串行、多点通信的数据总线数字式、串行、多点通信的数据总线。v现场总线控制系统现场总线控制系统（Fieldbus Control Fieldbus Control SystemSyste
45、m：FCSFCS）是采用现场总线作为通信系统是采用现场总线作为通信系统的分布式控制系统。的分布式控制系统。现场总线控制系统实现了真正的分散控制现场总线控制系统实现了真正的分散控制 v现场总线控制系统使控制得到最终的分散。现场总线控制系统使控制得到最终的分散。v在在FCSFCS中各种现场设备有足够的自主性，它们彼中各种现场设备有足够的自主性，它们彼此之间互相通信，完全可以把各种控制功能分散此之间互相通信，完全可以把各种控制功能分散到各种现场设备中，实现真正的分散控制。到各种现场设备中，实现真正的分散控制。vDCSDCS系统中原有的操作管理站发挥上位机的功能，系统中原有的操作管理站发挥上位机的功能，执行对整个系统的优化、信息管理和调度工作。执行对整个系统的优化、信息管理和调度工作。第第1章章 习习 题题1.分布式控制系统是如何产生的分布式控制系统是如何产生的?2.2.分布式控制系统的四个发展阶段是什么分布式控制系统的四个发展阶段是什么?各有什么特点各有什么特点?3.3.分布式控制系统的特点是什么分布式控制系统的特点是什么?如何理解如何理解？4.4.分布式控制系统的发展方向是什么分布式控制系统的发展方向是什么?如何如何理解理解?