的集散控制系统
集散型控制系统
现场总线（Fieldbus）的概念
•现场总线是安装在生产过程区域的现场设备/仪表与控制室内的
自动控制装置/系统之间的一种串行、数字式、多点通信的数据总 线。
•现场总线是以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备
作为网络节点，用总线相连接，实现相互交换信息，共同完成自 动控制功能的网络系统与控制系统。
现场总线的分类
•基金会现场总线（FF）:主要用于过程自动化、楼宇自动化 •PROFIBUS: 有全球最多的供货厂商数；国际化、开放式、不
依赖于设备生产商的现场总线标准；ห้องสมุดไป่ตู้泛适用于各种自动化领域。
•LonWorks:是以单个分散的、数字化、智能化的测量 •CAN (Control Area Network): 低成本，高互连；特别适合
传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统
缺点：
•信息集成能力不强： 控制器获取信息量有限，大量的数据如
设备参数、故障及故障纪录等数据很难得到。底层数据不全、信 息集成能力不强，不能完全满足CIMS系统对底层数据的要求。
•系统不开放、可集成性差、专业性不强：不同厂家产品之
间缺乏互操作性、互换性，因此可集成性差。这种系统很少留出 接口，允许其它厂商将自己专长的控制技术，如控制算法、工艺 流程、配方等集成到通用系统中去。
集散型控制系统
集散控制系统的概念 集散控制系统的发展历史 集散控制系统的现状 集散控制系统的发展趋势 集散控制系统的特点 集散控制系统的组成 集散控制系统的工作原理 国产化DCS的发展目标
集散控制系统的概念
集散控制系统（Distributed Control System简 称DCS）也叫分布控制系统。它是利用计算机技术对 生产过程进行集中监测、操作、管理和分散控制的 一种新型控制技术。是由计算机技术、信号处理技 术、测量控制技术、通讯网络技术、CRT技术、图形 显示技术及人机接口技术相互渗透发展而产生的。 它是相对于集中式控制系统而言的一种新型计算机 控制系统，是在集中式控制系统的基础上发展、演 变而来的。在系统功能方 面，集散控制系统（DCS） 和集中式控制系统的区别不 大，但在系统功能的实现方 法上却完全不同。
集散控制系统
Cnet
基本 控制单元
M 常规仪表
过程控制站
通信 接口
基本 控制单元
基本 控制单元
Cnet
基本 控制单元
Fnet
现场总线仪表
数据采集站
通信 接口
数据输入 输出单元
数据输入 输出单元
Cnet
数据输入 输出单元
常规仪表
过程控制站的系统结构
过程控制站
通信 接口
基本 控制单元
基本 控制单元
Cnet
基本 控制单元
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1.3 集散控制系统的硬件结构
管理 计算机
管理 计算机
Mnet
运行员 操作站
运行员 操作站
Snet
运行员 操作站
工程师 工作站
计算站
过程控制站
通信 接口
基本 控制单元
基本 控制单元
Cnet
基本 控制单元
M 常规仪表
过程控制站
通信 接口
基本 控制单元
基本 控制单元
Cnet
基本 控制单元
Fnet
现场总线仪表
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1.1.2 控制级
控制级主要由过程控制站和数据采集站构成。一般在实际 应用中，把过程控制站和数据采集站集中安装在位于主控 室后的电子设备室中。过程控制站接收由现场设备，如传 感器、变送器来的信号，按照一定的控制策略计算出所需 的控制量，并送回到现场的执行器中去。过程控制站可以 同时完成连续控制、顺序控制或逻辑控制功能，也可能仅 完成其中的一种控制功能。
现场级设备一般位于被控生产过程的附近。典型的现场级 设备是各类传感器、变送器和执行器。它们将生产过程中 的各种物理量转换为电信号，例如将4~20mA的电信号(一 般变送器)或符合现场总线协议的数字信号(现场总线变送 器)，送往控制站或数据采集站；或者将控制站输出的控制 器信号(4~20mA的电信号或现场总线数字信号)转换成机械 位移，带动调节机构，实现对生产过程的控制。
《集散控制系统》
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《计算机控制技术》
9.2 集散控制系统的体系结构
• ③综合信息管理级
• 这一级由管理计算机、办公自动化系统、工厂自动化服务系统构 成，从而实现整个企业的综合信息管理。综合信息管理主要包括 生产管理和经营管理。
• 生产管理级可根据订货、库存和能源等情况来规划产品结构和生 产规模，并可根据市场情况重新规划和随机更改产品结构。此外， 还可对全厂状况进行观察、产品数量和质量进行监视，并能根据 与经营管理级互相传递数据、报表等。
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9.1 集散控制系统的发展过程与概念
DCS英文直译为“分散控制系统”。“集散控制系 统”是按中国人习惯理解而称谓的，集散控制系统的 主要特征是它的集中管理和分散控制。
它采用危险分散、控制分散，而操作和管理集中 的基本设计思想，多层分级、合作自治的结构形式， 同时也为正在发展的先进过程控制系统提供了必要的 工具和手段。
DCS中MIS的功能
–DCS的综合信息管理级主要由MIS来实现生 产管理和经营管理。
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9.2 集散控制系统的体系结构
• ④通信网络系统 • DCS各级之间的信息传输主要依靠通信网络系统来支持，
根据各级的不同要求，通信网络又分成低速、中速、高速 通信网络。低速网络面向分散过程控制级；中级网络面向 集中操作控制级；高速网络面向高速通信网络管理级。
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9.2 集散控制系统的体系结构
例：TDC-3000网络系统
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9.2 集散控制系统的体系结构
集散型控制系统介绍
集散型控制系统介绍什么是集散型控制系统？集散型控制系统（Distributed Control System，简称DCS）是一种用于监控和控制工业过程的自动化系统，它由多个分布在整个工厂或工业设施的控制单元组成。
每个控制单元负责特定的控制功能，并与其他单元进行通讯和协同工作。
DCS系统的主要目标是实现工业生产的高效率和高可靠性。
DCS系统的特点1.模块化设计：DCS系统由多个独立的模块组成，每个模块具有特定的功能，并可以根据需要进行添加或移除。
这种模块化设计使得DCS系统更加灵活和可扩展。
2.分布式架构：DCS系统的控制单元分布在整个工厂或设施的各个区域，通过网络进行通讯。
这种分布式架构使得系统更加稳定，并且可以更好地应对设备故障或通讯中断的情况。
3.实时监控：DCS系统可以实时监控工业过程中的各种参数和状态，包括温度、压力、流量等。
监控数据可以通过图形界面直观地展示给操作员，帮助他们进行决策和调整。
4.集中管理：DCS系统通过中央控制台进行集中管理，操作员可以通过该控制台对各个控制单元进行配置和控制。
集中管理使得系统维护和管理更加简便，并且可以提高工作效率。
5.数据记录与分析：DCS系统可以记录和存储工业过程中的各种数据，如生产数据、报警记录等。
这些数据可以用于后续的分析和决策，帮助工厂或设施提高生产效率和质量。
DCS系统的应用领域DCS系统广泛应用于各个工业领域，特别是对于那些需要高度自动化和精确控制的工艺过程来说，DCS系统是不可或缺的工具。
下面是一些常见的DCS系统应用领域：•电力行业：DCS系统被用于发电厂和电网的控制和监测，可以实现对电力设备的远程操作和维护。
•石油和化工：DCS系统在炼油、化工生产和储运过程中起到关键作用，可以提高生产效率和安全性。
•制造业：DCS系统可以应用于各种制造过程的控制和监控，如汽车制造、钢铁生产等。
•水处理：DCS系统可以用于水处理厂的运行和监测，实现对水质和水压的控制。
(完整版)DCS系统介绍
5.2 监控画面组态
5.3 工作站组态
• 用于监视控制显示画面及部分组态功能。
5.4 通讯组态
• 用于组态工作站，打印机及第三方控制器。
六、DCS的基础知识
• I/O信号 • 系统冗余 • DCS系统的特点
6.1 IO信号
• I/O：控制系统需要建立信号的输入和输出通道，这就是 I/O。DCS中的I/O一般是模块化的，一个I/O模块上有一 个或多个I/O通道，用来连接传感器和执行器。
2.2 1940~1970年
• 第三次科技革命开始后，随着计算机技术的发展，人们开 始尝试将计算机用于过程控制。但当时采用的办法是用一 台计算机控制几十甚至上百个回路，这样做的危险性很高， 如果计算机出现故障，会导致很严重的后果，这造成了危 险集中。
2.3 1970~1990年
• 直到上世纪70年代，随着计算机技术的日渐成熟，人们才 开始将危险分散。就是原来靠一台大计算机完成的任务， 现在用几十台微处理器来完成，从而大大降低了危险系数。 至此DCS就诞生了。
• 3.2管理级别分类：现场控制级、过程控制级、过程管理 级、经营管理级
• 3.3网络结构分类：一级网络、二级网络、三级网络
3.1硬件组成
3.2.1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。
3.2.2过程控制级
集散控制系统
集散控制系统集散控制系统（Distributed control system）是以微处理器为基础的对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的集中分散控制系统，简称DCS 系统。
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：1）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。
2）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。
集散控制系统名词解释
集散控制系统名词解释
集散控制系统：
集散控制系统是一种复杂的控制系统，主要应用于有关的反馈控制和数据采集，是一系列用于自动控制的技术的总和。
它由一系列控制设备、软件和系统组成，可以实现综合管理和控制，以确保机器和系统的良好运行。
它可以实现电力设备、信息技术设备和设备的多种组合，以实现集中控制和数据采集的功能。
集散控制系统的控制模型可以分为两种：集中控制和分散控制。
集中控制是将所有设备和系统集中控制在一起，将控制和监控设备联系在一起，使它们有效地运行。
集中控制的优势在于控制设备的效率高，在短时间内可以改变设备的配置，即便在遥控控制时也能有效的实现控制。
分散控制的模型指的是将控制和监控系统分布在网络的各处，通过通讯技术进行数据的采集和分析，以实现集中控制的效果。
分散控制的优势在于，设备分布在各地，操作更加方便，数据传递更加快速，有利于实现更高效地工作环境。
- 1 -。
集散控制系统
集散控制系统（Distributed control system）是以微处理器为基础的对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的集中分散控制系统，简称DCS系统。
是相对于集中式控制系统而言的一种新型的计算机控制系统，它是在集中式控制系统的基础上发展、演变而来的。
它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机（Computer）、通信（communication）、显示（CRT）和控制（Control）等4C技术，其设计原则是分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调，大大提高了系统的可靠性。
DCS由上而下形成多级控制结构，即过程控制级、集中监控级和生产管理级，采用网络方式实现各级间的信息传递。
DCS既不同于分散的常规仪表控制系统，又不同于集中式计算机控制系统，而是吸收了两者的优点，在它们的基础上发展起来的一门系统工程技术，具有很强的生命力和显著地优越性。
1975年12月，美国霍尼韦尔（HoneyWell）公司推出TDC-2000集散控制系统，成为最早提出集散控制系统设计思想的开发商。
从而开始了DCS的初创阶段（1975-1980）这个时期的系统的特点是：比较注重控制功能的实现，系统的设计重点是现场控制站；系统的人机界面功能则相对较弱，在实际中只用CRT操作站进行现场工况的监视，使得提供的信息也有一定的局限；在功能上更接近仪表控制系统；各个厂家的系统均由专有产品构成，包括高速数据通道、现场控制站、人机界面工作站及各类功能性的工作站等，不仅系统的购买价格高，系统的维护运行成本也高。
可以说，DCS的这个时期是超利润时期，其应用范围也受到一定的限制。
第二阶段（1980-1985）是DCS的成熟期。
这一时期的DCS系统最大的特点是引入了局域网作为系统骨干，按照网络节点的概念组织过程控制站、中央操作站、系统管理站及网关，使得系统的规模、容量进一步增加，系统的扩充有更大的余地，也更加方便在功能上，这个时期的DCS逐步走向完善，除回路控制外，还增加了顺序控制、逻辑控制等功能，加强了系统管理站的功能，可实现一些优化控制和生产管理。
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基于LabView RT 的集散控制系统
作者：苏海龙骆宗安张殿华
职务：高工讲师教授博士生导师
公司：东北大学国家重点实验室
应用领域：工业自动化
挑战：利用PXI嵌入式控制器、LabVIEW RT 开发出完成高速、高精度、多实时闭环控制任务，数据采集，逻辑控制等的多功能测控平台。
应用方案：使用National Instruments公司的RT系列的PXI嵌入式控制器、E系列多功能数采卡、LabVIEW RT 、labVIEW RT控制工具包以及执行程序生成器来开发一个集多任务实时控制、数据采集、数据分析为一体的集散测控系统。
使用的产品：PXI 8186 RT ;LabVIEW RT;PXI-6052E;PXI-6527
介绍
近年来，随着我国经济的迅猛发展，测控技术，尤其是基于LabVIEW快速开发的测控系统也在各行各业得到了较好地应用。
我们根据科研项目的要求开发了一个可以对多个被控对象进行高速、高精度的控制，同时对多个变量进行数据采集和分析的多功能测控平台，它对新开发实验设备控制系统的优化和改进，生产线上关键仪器仪表的测控及性能评估都具有重要的意义。
序言
我们开发的应用在冶金实验领域的实验设备，如多功能材料实验机、热镀锌实验机等，其被控对象都比较相似，对控制效果的要求也相似，即都具有液压站、高精度的位移传感器、高速伺服阀、温度控制、数据采集等，都要求闭环控制周期尽可能的短，通常位移闭环为1ms，温度闭环为10ms。
根据上述情况，我们开发了一个具有通用性的测控系统，即基于LabVIEW RT的测控平台。
这个测控平台在硬件连接上采用便于安装和易于拓展的结构，在软件上采用了模块化结构，便于程序的调试、优化。
对于不同的被控对象，只需要对硬件和软件做少量的修改，而总体结构不变，就可以完成对不同设备的控制，从而充分发挥了虚拟仪器的灵活性和高效率。
工艺原理简介
多功能材料实验机的工作原理是利用直接焊在试样（柱状或板状）轴心处的热电偶测量温度，采用直接电阻加热，即使试样中通过低电压，大电流的方式加热，然后通过液压缸控制锤头打击试样，使其快速变形。
要求记录试样变形过程的所有相关参数。
热镀锌实验机的原理也是利用直接焊在试样（片状）上的热电偶测量温度，通过红外辐射管使试样快速升温，然后通过控制液压缸将试样快速移动到事先熔化好的锌液中浸一下，再快速返回。
要求记录浸镀过程的所有工艺参数。
加热试样的操作箱或石英玻璃罩内都可以抽真空或充以惰性气体，以防止试样被氧化。
控制系统构成
上述实验设备中有许多模拟量控制闭环，在多功能材料实验机中的被控对象有两个液压缸控制闭环，即一个Ⅰ轴锤头打击控制和一个Ⅱ轴的试样变形量定位控制，试样温度控制、扭转控制、淬火水流量控制。
在热镀锌实验机中有两个温度控制闭环，即锌液熔化炉的温度控制、试样温度控制，两个液压缸闭环控制，即锌液炉的水平移动的位置控制和被加热的试样浸镀垂直方向移动的位置控制，冷却水流量控制。
由于控制闭环多且控制周期差异较大，因此采用了集散控制系统的方式，将控制周期短的闭环与控制周期长的闭环分别用两个控制器来完成，这样做能充分发挥控制器的性能且编程及调试方便。
硬件配置见图1。
由于控制系统中的开关量被控制点很多且分布比较分散，同时为了节省PXI嵌入式控制器CPU的时间，而采用西门子的S7-300系列的PLC，即CPU315-2DP及ET200M够成PROFIBUS
现场总线的控制结构。
1．控制任务的分配
根据对被控对象控制周期的长短将控制任务分为两部分，其中液压缸和液压马达的控制周期为1mS；而温度、水流量的控制周期为10mS，因此分别在两个控制器完成，这样做使得程序的结构清晰，调试方便。
模拟量的控制及数据采集都是通过PXI-6052E完成的，因为该数采卡可以硬件精确定时，可以通过PFI7针使PID的输出与数据采集为相同的时钟，因此控制更加精确。
PXI嵌入式控制器与PLC控制系统之间是通过PXI-6527直接以点对点的方式进行通讯的，因为二者间需要交换的信息量很小。
2．传感器执行器的选择
PXI-8186RT 控制器的运行速度很快，且能保证实时控制的确定性。
为此，就要求控制系统中的DAQ卡、传感器和执行器与控制器的性能相适应，才能真正完成一个控制周期短的闭环控制。
否则虽然控制器的速度快，而传感器和执行器的速度慢，尽管控制器计算了几次PID，但采集的数据没有变化，输出了几次后的数据才起作用。
因此我们选择的执行器如三级伺服阀（MOOG阀），开口度从0到最大的时间小于6ms，定做的温度变送器的响应时间小于10ms。
3．系统的抗干扰措施
上述两台实验设备都属于精密仪器，无论对控制实时性还是对数据采集的精度和速度方面都要比实际生产上要求高得多，因此必须采取措施，确保整个系统的精度要求。
1.为了更好地滤掉干扰信号，将被采集的信号通过带有低通滤波的信号调理模块，同时所有的被测信号均采用差分输入的接线方式以减小共模干扰；2.整个控制系统做一个标准的接地线，并保证接地电阻小于2Ω；3.模拟量信号的屏蔽层在靠近传感器端一点接地；4.所有的线圈电压为220VAC的接触器、电磁阀的线圈两端都并联了阻容吸收模块、所有的线圈电压为24VDC继电器的线圈两端反并联一个二极管，以减少其对控制系统的干扰；5.为传感器、放大器、PLC输入节点供电的开关电源输入端并联电源滤波器。
6.采用了交流电源净化器来减少由于电网波动和来自其他大负载的干扰，同时利用UPS电源来避免由于突然停电而不能正常关机，及液压站不能迅速卸油而造成人身和设备的损伤事故。
系统软件
1．软件的总体结构及功能
控制系统的软件分为管理和控制两部分，管理部分的软件运行在WINDOWS平台下，完成人机界面（HMI），数据分析、处理、报表等功能。
控制部分的软件为Real-time控制程序，运行在实时操作系统下，完成实时控制任务、通讯、数据存储等功能。
管理部分软件通过TCP/IP协议分别与两个控制器通讯，传送控制参数及接收数据。
其任务分配见图2。
2．调度程序的结构
在管理和控制程序的每个部分都有一个中心调度程序，其结构为LabVIEW提供的状态机，它由While Loop内部的一个Case结构和位移寄存器中所携带的Case选择器组成，这种Case结构的每个框架都可以向下一个迭带中的其他框架传输控制或直接终止While Loop。
但此结构中如果触发的事件特别多时，就会使用较多嵌套的Case，过多使用Case将导致程序运行速度急剧下降。
为此采用了多个Select函数和两个Case结构就可以对原来的状态机进行优化，这样做省去了多个嵌套的Case，极大地提高了程序的运行效率。
具体结构见图3。
当然在LabVIEW6.1以后的版本中，也可以选择Event来响应触发事件。
管理部分的不同程序是由主界面上的按钮来触发运行的，而不同的控制是由人机界面通过通讯发送到PXI控制器的不同编码来触发运行的。
优化后的状态机结构见图5。
3．控制程序间的切换问题
由于工艺过程的复杂性和结构化编程思想的要求，使得一个程序不可能完成所有的控制任务，必须由多个控制程序相互协调配合才能完成，因此就存在控制程序间的切换问题。
如在多功能材料实验机中，当PXI开机后就运行一个接收控制编码及控制液压马达保持二轴原位不动的子程序，当接收到某种控制编码后就转到相应的控制程序中，由于每个程序开始运行时都要Confige，结束时要Clear，因此在上一个程序结束到下一个程序开始之间，有一瞬间失控状态，因此要保持上一个程序结束时PID输出电压值，直到下一个程序开始为止。
而在LabVIEW7.0以后的版本中，由于DAQ底层驱动程序速度的提高，程序的切换问题迎刃而解。
结束语
本测控平台的控制精度高，实时性好，结构灵活，可以随时增减被控对象。
随着LabVIEW不断地升级，极大地减少了编程量，同时由于使用LabVIEW次数的增多，编程速度和调试技巧都有了较大的提高，因此大大地缩短了整个系统应用软件的开发时间。
该测控平台得到了国家985科技创新平台项目经费的支持，对提高实验室综合测控水平，更好地为生产实践和工艺性新实验的开发提供强大的技术支撑。