集散控制系统课程设计

目录

1. 摘要 2

2. 目的 3

3. 内容 3

4. 原理 3

5. 思想 6

6. 平台 8

7. 心得 11

摘要

集散控制系统（Distributed control system），是以多个微处理机为基础利用现代网络技术、现代控制技术、图形显示技术和冗余技术等实现对分散控制对象的调节、监视管理的控制技术。其特点是以分散的控制适应分散的控制对象，以集中的监视和操作达到掌握全局的目的。系统具有较高的稳定性、可靠性和可扩展性。该系统将若干台微机分散应用于过程控制，全部信息通过通信网络由上位管理计算机监控，实现最优化控制，整个装置继承了常规仪表分散控制和计算机集中控制的优点，克服了常规仪表功能单一，人-机联系差以及单台微型计算机控制系统危险性高度集中的缺点，既实现了在管理、操作和显示三方面集中，又实现了在功能、负荷和危险性三方面的分散。DCS系统在现代化生产过程控制中起着重要的作用。

集散控制系统一般有以下四部分组成：现场控制级、过程控制级、过程管理级、经营管理级。

首先，DCS的骨架——系统网络，它是DCS的基础和核心。由于网络对于DCS整个系统的实时性、可靠性和扩充性，起着决定性的作用，因此各厂家都在这方面进行了精心的设计。对于DCS的系统网络来说，它必须满足实时性的要求，即在确定的时间限度内完成信息的传送。这里所说的“确定”的时间限度，是指在无论何种情况下，信息传送都能在这个时间限度内完成，而这个时间限度则是根据被控制过程的实时性要求确定的。因此，衡量系统网络性能的指标并不是网络的速率，即通常所说的每秒比特数（bps），而是系统网络的实时性，即能在多长的时间内确保所需信息的传输完成。系统网络还必须非常可靠，无论在任何情况下，网络通信都不能中断，因此多数厂家的DCS均采用双总线、环形或双重星形的网络拓扑结构。为了满足系统扩充性的要求，系统网络上可接入的最大节点数量应比实际使用的节点数量大若干倍。这样，一方面可以随时增加新的节点，另一方面也可以使系统网络运行于较轻的通信负荷状态，以确保系统的实时性和可靠性。在系统实际运行过程中，各个节点的上网和下网是随时可能发生的，特别是操作员站，这样，网络重构会经常进行，而这种操作绝对不能影响系统的正常运行，因此，系统网络应该具有很强在线网络重构功能。

其次，这是一种完全对现场I/O处理并实现直接数字控制（DOS）功能的网络节点。一般一套DCS中要设置现场I/O控制站，用以分担整个系统的I/O和控制功能。这样既可以避免由于一个站点失效造成整个系统的失效，提高系统可靠性，也可以使各站点分担数据采集和控制功能，有利于提高整个系统的性能。DCS的操作员站是处理一切与运行操作有关的人机界面（HMI-Human Machine Interface或operator interface）功能的网络节点。

系统网络是DCS的工程师站，它是对DCS进行离线的配置、组态工作和在线的系统监督、控制、维护的网络节点，其主要功能是提供对DCS进行组态，配置工作的工具软件（即组态软件），并在DCS在线运行时实时地监视DCS网络上各个节点的运行情况，使系统工程师可以通过工程师站及时调整系统配置及一些系统参数的设定，使DCS随时处在最佳的工作状态之下。与集中式控制

系统不同，所有的DCS都要求有系统组态功能，可以说，没有系统组态功能的系统就不能称其为DCS。总的来说，DCS正在向着更加开放，更加标准化，更加产品化的方向发展。

一.目的

1.通过工业数据通信与控制网络课程设计的学习，了解工业数据通信与控制网 络的技术貌。

2. 从介绍的基础知识入手，较深入的了解多种现场总线各自的技术特点、规范、通信控制芯片、接口电路以及控制网络的设计与应用，熟悉工控组态软件下的组态设计，并能进行较复杂的工业控制系统设计分析。

二.内容

集散型控制(Distributed Control System)是解决现代大型系统控制的有效方法，它的实质是利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的一种新型控制技术，具有通用性强、系统组态灵活、控制功能完善、数据处理方便、显示操作集中、人机界面友好、安装简单规范化、调试方便、运行安全可靠等特点。在相关的工控组态软件下进行模拟设计多点传感器数据传输控制组态设计，要求界面设计合理规范，数据传输控制动作设计合理。

三.原理 集散系统实质上是一种分散型自动化系统，又称做以微处理机为基础的分散综合自动化系统。集散系统具有分散监控和集中综合管理两方面的特征，而更将"集 "字放在首位，更注重于全系统信息的综合管理。80年代以来，集散系统逐渐取代常规仪表，成为工业自动化的主流。工业自动化不仅体现在工业现场，也体现在 企业事务行政管理上。集散系统的发展及工业自动化的需求，导致了一个更庞大、更完善的计算机集成制造系统CIMS（Computer Integrated

Manufacturing System）的诞生。

集散系统一般分为三级：过程级、监控级和管理信息级。集散系统是将分散于现场的以微机为基础的过程监测单元、过程控制单元、图文操作站及主机（上位 机）集成在一起的系统。它采用了局域网技术，将多个过程监控、操作站和上位机互连在一起，使通信功能增强，信息传输速度加快，吞吐量加大，为信息的综合管 理提供了基础。因为CIMS具有提高生产率、缩短生产周期等一系列极

具吸引力的优点，所以已经成为未来工厂自动化的方向。

1.集散控制系统的组成

(1)分散过程控制级(DDC)

(2)计算机监督控制级(SCC)

(3)生产管理机

如上图，分散过程控制级是DCS的基础，用于直接控制生产过程。它由各工作站组成，每一个工作站分别完成数据采集、顺序控制或某一被控制量的闭环控制等。分散过程控制级收集的数据供监控级调用，各工作站接受监控级发送的信息，并依次而工作，因此局部的故障不会影响整个系统的工作，从而避免了集中控制系统中“危险集中”缺点。

监控级的任务是对生产过程进行监视与操作。监控级根据生产管理机的技术要求，确定分散过程控制级的最优给定量。监控级能全面地反映各工作站的情况，提供充分的信息，因管理机则是整个系统的中枢，它根据监控级提供的信息及生产任务的要求，编制全面反映整个系统工作情况的报表，审核控制方案，选择数据模型，定制最优控制策略，并对下一级下达命令。

2.集散控制系统的基本组成

现场控制级 又称数据采集装置，主要是将过程非控变量进行数据采集和预处理，而且对实时数据进一步加工处理，供CRT操作站显示和打印，从而实现开环监视，并将采集到的数据传输到监控计算机。输出装置在有上位机的情况下，能以开关量或者模拟量信号的方式，向终端元件输出计算机控制命令。

这一个级别直接面对现场，跟现场过程相连。比如阀门、电机、各类传感器、变送器、执行机构等等。它们都是工业现场的基础设备、同样也是DCS的基础。在DCS系统中，这一级别的功能就是服从上位机发来的命令，同时向上位机反馈执行的情况。拿军队来举例的话，可以形容为最底层的士兵。它们只要能准确地服从命令，并且准确地向上级汇报情况即完成使命。至于它与上位机交流，就是通过模拟信号或者现场总线的数字信号。由于模拟信号在传递的过程或多或少存在一些失真或者受到干扰，所以目前流行的是通过现场总线来进行DCS信号的传递。

过程控制级 又称现场控制单元或基本控制器，是DCS系统中的核心部分。生产工艺的调节都是靠它来实现。比如阀门的开闭调节、顺序控制、连续控制等等。

上面说到现场控制级是“士兵”，那么给它发号施令的就是过程控制级了。它接受现场控制级传来的信号，按照工艺要求进行控制规律运算，然后将结果作为控制信号发给现场控制级的设备。所以，过程控制级要具备聪明的大脑，能将“士兵”反馈的军情进行分析，然后做出命令，以使“士兵”能打赢“战争”。

这个级别不是最高的，相当于军队里的“中尉”。它也一样必须将现场的情况反馈给更高级别的“上校”也就是下面讲的过程管理级。

过程管理级

DCS的人机接口装置，普遍配有高分辨率、大屏幕的色彩CRT、操作者键盘、打印机、大容量存储器等。操作员通过操作站选择各种操作和监视生产情况、

这个级别是操作人员跟DCS交换信息的平台。是DCS的核心显示、操作跟管理装置。操作人员通过操作站来监视和控制生产过程，可以通过屏幕了解到生产运行情况，了解每个过程变量的数字跟状态。这一级别在军队中算是很高的“上校”了。它所掌握的“大权”可以根据需要随时进行手动自动切换、修改设定值，调整控制信号、操纵现场设备，以实现对生产过程的控制。

经营管理级

又称上位机，功能强、速度快、容量大。通过专门的通信接口与高速数据通路相连，综合监视系统各单元，管理全系统的所有信息。

这是全厂自动化系统的最高一层。只有大规模的集散控制系统才具备这一级。相当于军队中的“元帅”，他们所面向的使用者是厂长、经理、总工程师等行政管理或运行管理人员。

它的权限很大，可以监视各部门的运行情况，利用历史数据和实时数据预测可能发生的各种情况，从企业全局利益出发，帮助企业管理人员进行决策，帮助企业实现其计划目标。

3.集散控制系统的硬件结构

DCS的硬件系统主要由集中操作管理装置、分散过程控制装置和通信接口设备等组成。通过通信网络将这些硬件设备连接起来，共同实现数据采集、分散控制和集中监视、操作及管理等功能。

现场控制站

现场控制站中的主要设备是现场控制单元。现场控制单元式DCS直接与生产过程进行信息交互的IO处理系统，它的主要任务是进行数据采集及处理，对被控对象实施闭环反馈控制、顺序控制和批量控制。用户可以根据不同的应用需求，选择配置不同的现场控制单元构成现场控制站。它可以是以面向连续生产的过程控制为主，辅以顺序逻辑控制，构成的一个可以实现多种复杂控制方案的现场控制站；也可以是以顺序控制、连锁控制功能为主的现场控制站；还可以是一个对大批量过程信号进行总体信息采集的现场控制站。

现场控制站是一个可以独立运行的计算机检测控制系统。由于它是专为过程检测、控制而设计的通用型设备，所以其机柜、电源、输入输出通道和控制计算机等，与一般的计算机系统有所不同。

操作站 运行在PC硬件平台、NT操作系统下的通用操作站的出现，给DCS用户带来了许多方便。由于通用操作站的适用面广，相对生产量大，成本下降，因而可以节省用户的经费，维护费用也比较少。

为了实现监视和管理等功能，操作站必须配置以下设备：1、操作台，也就是高档电脑桌；2、微处理机系统，就是高档电脑；3、外部存储设备，简单说就是大容量硬盘；4、图形显示设备，就是电脑显示器；5、操作键盘跟鼠标；6打印输出设备。

图为集散控制系统的分布图

操作员

四.思想

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；

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；

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。

三.分散过程控制装置部分

适应恶劣是生产环境；

分散控制；

实时性；

独立性。

四.集散系统的构成要素

1.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

递阶控制结构： 多层结构、多级结构和多重结构

五.多层结构（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，使模型和实际过程一致

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

六.集散控制系统的结构分类

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+工业级微机

七.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。

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（集散控制系统）。

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集散控制系统的结构，尤其适用于有大量逻辑顺序控制的过程。

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。

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；用于小型集散控制系统。

五.平台

组态”的概念来自英文configuration。使用软件工具对计算机及软件的各种资源进行配置，达到使计算机或软件按照预先设置，自动执行待定任务，满足使用者要求的目的。通过软件采用非编程的操作方式，进行参数填写、图形连接和文件生成等，使得软件乃至整个系统具有某种指定的功能。

1.分布式控制系统的组态：

系统组态：组成系统的各设备间的连接

画面组态：操作站的各种画面、画面间连接

控制组态：完成各控制器、过程控制装置结构连接、参数设置等

功能块或算法

功能块或算法：控制系统结构中的基本单元。

（1）组成：

功能块是由分布式系统制造商提供的系统应用程序，由不同需功能的子程序组成，主要包括结构参数、设置参数和可调整参数。

从可组态性的要求出发，功能块的参数应具有易设置、易调整的特点。 结构参数：

功能参数——子功能、不同数据类型、多输入信号；充分利用内存、减少消耗。

连接参数——功能参数与外部的连接；软连接

设置参数：系统设置参数和用户设置参数

可调整参数：运行元可调参数和工程师可调参数

（2）信息的输入方法：

功能表格：机器码、助记符、菜单

功能图法：填表法、建立数据库

编制程序法：（高级）编程语言、计算模块

（3）根据可组态性判断功能块的质量：

灵活性：

功能块代替仪表的部分功能

满足过程控制的要求，专用功能块，功能参数的设置，灵活组合成各种功能。

实施功能块组态方便：提示信息、参数默认值、自动建立连接参数。

维修和调试：软接线方式、检查模块运行情况

先进性:

采用分布式控制系统的目的就是提高系统的自动化水平。

对于先进的控制算法、采用仪表时投资较大的计算指标的控制算法，功能块能否实现。

完善性：

适应常规控制、顺序控制、批量控制的要求

设置专用功能模块、扩大功能，简化组态操作。

（4）功能块按功能划分：

输入与输出类模块：

按信号的类型：模拟量、数字量、脉冲量

输入功能块：预处理（数字滤波、线性化、开方处理、工程单位转换、报警界限比较、超限报警、事故报警信号故障报警）

输出功能块：自动切换、手动信号输出、控制方式选择、输出信号限值比较、超限报警及手自动切换时的跟踪处理

控制算法类功能模块:

常规控制算法和高级控制算法

P、I、D及其组合、改进

超前滞后控制算法

开关控制算法

自整定PID控制算法

纯滞后的Smith预估控制算法

预测控制算法

运算类：

数学运算和逻辑运算(顺序功能模块、比较模块)

信号发生类：

阶跃、斜波、正弦、方波、非线性

转换类

整形、延时

脉冲记数、方波信号用于信号翻转、数据集（data set）的传送

2. 过程显示画面

过程显示画面是操作站显示屏所显示的画面，包括系统画面和过程操作画面。 系统画面：用于系统维护，通常由系统的结构、通信网络和各组成设备及运行状态等信息组成。

过程操作画面：用户过程画面、概貌画面、仪表面板画面、检测和控制点画面、趋势画面和各种画面一览表、报警与事件一览表等。

显示画面的组态：

用户过程画面的分页

静态和动态画面的绘制及合成

各画面间的连接等

从可组态性的观点来看，分页少有利于减少组态工作量，但从可操作性看，过多的设备和变量显示集中在一幅画面，容易造成操作的失误。

用户过程画面的组态:

用过程显示图形符号和数据显示组合的工作，是操作员与计算机联系的界面。 标准化：图形标准化、图库

协调性：排列位置、尺寸大小、颜色分配、数据显示刷新速率等内容的协调。 操作灵活性：动、静态画面绘制合成、画面编辑、画面调用

直观性：颜色填充、棒图升降等直观显示变化趋势的方法

3.集散控制系统的操作方式

一、仪表盘操作方式

集散控制系统的仪表盘操作指过程控制站的部分操作在仪表盘进行，它通常包括盘装的 单回路、多回路控制器、可编程逻辑控制器、模拟仪表后备和简易型操作终端的操作。

二、CRT操作方式

集散控制系统中的CRT操作方式：

通过操作站的CRT、触摸屏幕、鼠标或球标、键盘等设备或者语音等输入设备对生产过程进行操作以及系统、控制组态和维护的操作。

三. 组态操作

集散控制系统的组态操作包括分散过程控制装置和操作站的组态，可引申到现场智能变送器、一体化安装的带控制器的执行机构的组态和上位管理站的组态。 组态操作包括系统组态、控制组态、画面组态和操作组态等。

（1）系统组态

根据己有的集散控制系统，确定各设备的可寻址的标志号、各设备之间的

连接关系 所包含的软件环境以及相应操作系统。

硬件和软件操作

软件的组态工作包括对有关设备送入相应

的操作系统和软件、用软件的方式描述各设备之间的连接关系和安装位置

等。

（2）控制组态

确定各分散过程控制装置的输入输出通道特性、建立数据库，确定控制方

案和实施手段等。

采用内部仪表 (功能模块)的软连接来实现。

可以用图形或文字的方式表示它们的连接关系，各模块的内部参数可以直

接输入或填表输入。

（3）画面组态

画面组态包括操作站、简易型操作终端、画面的组织、画面的生成、数据点的确定、调用画面的手段等。

操作站、管理站、工程师站以及简易型操作终端的画面组态。

（4）操作组态

操作组态用于对多台操作站的分工、外部打印机的分工及管理等的组织工

作。

操作台冗余：通常多台CRT并行显示和操作。

有些工艺过程，因开、停车时操作较复杂，需有多名操作人员操。

六.心得

经过此次课程设计，我认识到实践的重要性,实践是检验真理的唯一标准。工业数据通信与控制网络这门课程使我们对现代的工业数据通信与控制网络发展有所启示。从中明白了工业数据通信与控制网络发展速度之快。

从理论学习到实践，只有自己亲自去动手才能真正的体验到实践的重要性。工业数据通信与控制网络这门课程在理论上对我们来说具有一定的挑战性，工业数据通信与控制网络实际上是一门对动手能力要求较高的课程，如果只是一味的去学习理论那是学不好的。其实工业数据通信与控制网络是一门专业性特别强的课程，那不是一两天就能学好的。工业数据通信与控制网络对我们来说，其要求也不是掌握一点点理论知识就行了，我们必须要掌握其实际运用的动手能力，从而能够彻底的掌握他。工业数据通信与控制网络其实也是一门考验我们耐心和细致的过程。众所周知，现在工业数据通信与控制网络这个行业涉及范围极广，所应用的知识种类繁多，对于从事这方面的人来说细致和耐心是不可少的。所以在学习过程中，我们一定要养成严谨的科学态度。虽然通过此课程学习后学到了不少东西，但还有好多东西还没学完的。学习是一种长期的积累的过程，只有不断地去学习才能提高自己.

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