DCS与FCS及其实现

第7章DCS与FCS及其实现习题与思考题1．常规仪表控制系统、计算机集中控制系统与集散控制系统相比较有哪些缺点？2．集散控制系统的发展经历了哪几个阶段？3．集散控制系统的发展趋势是什么？4．集散控制系统中的软件技术有哪些？5．通过上网，查询基于网络的计算机控制技术的发展动态。

6．现场总线控制系统与集散控制系统相比较有何优势？7．现场总线控制系统有哪些的优点？8．查阅文献资料，分析目前现场总线技术发展中存在的问题。

9．现场总线的发展趋势是什么？10．CAN总线的主要应用领域有哪些？11．试描述基于CAN总线应用系统的前景。

解答（部分）1．常规仪表控制系统、计算机集中控制系统与集散控制系统相比较有哪些优缺点？为了说明集散控制系统的特点及其先进性，我们将对常规仪表控制系统、计算机集中控制系统及集散控制系统作一些比较。

1）常规仪表控制系统常规仪表控制系统，经历了基地式调节器、单元组合式仪表及组件组装式控制器三个发展阶段，控制功能不断完善。

目前有气动仪表、模拟仪表、数字仪表三种形式。

由于常规仪表系统具有技术成熟、成本低、性能／价格比高、可靠性可维护性好等优点，在工业控制中应用很普遍。

但随着生产规模的不断扩大，仪表控制系统日益暴露出了它的局限性．1)在控制性能上仪表系统一般只能实现单参数的PID调节和简单的串级、前馈控制，无法实现复杂的控制形式，如自适应控制、最优化控制．或者说仪表系统只是一个自动控制系统，但不是最优控制系统。

并且大多数的仪表是模拟式的，依靠模拟元件进行数值运算，控制精度受到一定的限制。

各个系统不便进行通信联系，难于实现分级控制系统。

2)在人机联系上，仪表系统通过安装在中央控制室仪表屏上的表盘实现人一机一过程的联系．生产规模的扩大，使仪表屏越来越长，难于实现集中监视和集中操作。

3)在系统组成上，中央控制室式的结构给监视操作带来一定方便，同时也带来如下一些副作用：①系统一旦组成，要加以扩展很不方便，②改变系统的控制方案意味着重新接线，使这种改变极为困难，⑧现场和控制室的电缆加长，不但增加工程费用，延长施工周期，而且给信号带来更多的干扰，降低信号的可信性。

控制回路的加长，延长了系统的反应时间。

这些，都削弱了控制品质，④中央控制室在系统中的地位加重，增大了它发生故障时产生的危害性．2）计算机集中控制系统在生产过程自动化领域中，集中式控制系统是指那种将过程数据输入输出、实时数据库的管理、实时数据的处理与保存、历史数据库的管理、历史数据处理与保存、人机界面的处理、报警与日志记录、报表直至系统本身的监督管理等所有功能集中在一台计算机中的那种系统。

集中式控制系统的优点是结构简单、清晰，集中式的数据库很容易管理，并容易保证数据的一致性。

这种控制系统有如下几个特点：（1)具有比仪表系统优越的控制功能，具体表现在：①不但能实现简单的PID控制，而且能实现复杂的控制运算，如多变量解耦控制、最优控制、自适应控制等，②具有快速反应和高精度运算的优点，提高了控制的品质；③具有记忆、判断功能，因而计算机控制系统不但能对过程进行连续控制，同时还能实现逻辑控制功能；④有些过程(如大纯滞后、各参数相互关联紧密的对象、被控参数需经计算才能得出的间接指标的对象)，用仪表系统往往得不到理想的结果，而计算机系统则效果比较好，计算机控制系统的DDC控制，要求得到比较精确的对象模型，对于大规模工业过程这是非常困难的，加之，大规模工业过程对计算机的容量和计算速度要求也较高。

（2)具有比仪表系统更好的人机联系功能。

计算机所控制的过程信息可以在一台或多台CRT屏幕上显示出来，并可以通过控制台键盘进行操作，因而简化了操作手段。

另外，屏幕上还可以显示控制过程的模拟图。

（3)从系统的组成上看有某些弱点：①各种功能集中在一台计算机中，使得软件系统相当庞大，各种功能要由很多实时任务去完成，而任务数量的增加导致系统运行效率下降；②由于集中式的系统需要庞大而复杂的软件体系，使得系统的软件可靠性下降，实际运行情况表明，集中式系统在现场运行时出现的故障有70％以上是由于设计不良或存在缺陷的软件造成的，因此尽管很多集中式系统为了保证硬件可靠性而精心设计了双重冗余与备份，但仍然避免不了故障的出现；③系统的可扩性差，限于计算机硬件的配置与能力，一个系统在建立时基本上就已经确定了其最终能力，如果能预见到其规模的扩充，只有预留计算机的处理能力，这将造成很大的投资-上的浪费；④集中式的系统将所有的功能、所有的处理集中在一台计算机上，大大增加了计算机失效或故障对整个系统造成的危害性，所有实时信息、历史数据和处理功能集于一身，一旦出现问题，造成的后果都是全局性的。

⑤完成控制任务的计算机，在系统中占有极为重要的地位，它的失效将会导致整个过程瘫痪，甚至导致破坏性的事故。

因而对计算机的可靠性要求非常苛刻，实用上都用双工系统或整套仪表系统作为冗余设备，使得系统投资成倍增长，⑥由于目前的过程变送器和执行器都是模拟式的，因而采用计算机控制需要有输入、输出通道，增加了设备的复杂性，⑦扩展现有的系统，不但要增加过程通道，还要增加控制程序，并且修改控制方案，也要修改程序。

对于大型控制系统来说，应用程序比较复杂，修改起来比较繁难；⑧计算机控制系统的维护性，不如仪表系统好。

3）集散控制系统集散控制系统既有计算机控制系统控制算式先进、精度高、响应速度快的优点仪表控制系统安全可靠、维护方便的优点，其主要特点是：1)采用分级分布式控制以微处理器为核心的基本控制器，不但能代替模拟仪表完成常规的过程控制，并且能进行复杂算式运算和顺序控制。

这种基本控制器，采用固化的应用软件，在现场对输入、输出数据进行处理，减少了信息传输量，降低了对上级计算机的要求，使系统的应用程序较为简单，2)采用物理上分散的结构，实现了真正的分散控制在现场就地安装的基本控制器，不但节省了电缆，同时减少了传输线路对信号的干扰，并且缩短了控制回路，加快了反应速度。

以微型机为核心的基本控制器的可靠性，一般要比小、中型工业控制机高，并且每台基本控制器只控制少量的回路，即使发生故障，影响的面也比较小，因而从根本上改善了系统的可靠性。

3)备有计算机一计算机之间的通信系统数据高速通道提高了现代分时通信的技术，实现了综合控制。

通过高速数据通道，能将基本控制器和其它一些接上通信接口的设备(如数据采集器、模拟调节器、逻辑控制箱等)与监控计算机联系起来，进行协调控制。

并且，利用监控计算机的运算能力，完成高级控制算式的运算，以实现整体的最优化运行控制。

采用数据高速通道作为通信系统，不但大大减少了系统布线，节省工程费用，而且使系统扩展容易，便于用户分期投资、逐步扩建。

4)备有多功能CRT操作台作为集中型的人一机接口，在CRT操作台上，可以存取并能以多种画面显示全部过程变量、控制变量及其它参数，以及直接操作远程基本控制器，实现了集中监视和集中操作。

5)管理计算机通过高速数据通道，直接与过程相联结，完成生产计划、管理、决策的最优化，从而实现了整个生产过程的最优化自动控制。

2．集散控制系统的发展经历了哪几个阶段？自美国的Honeywell公司于1975年成功地推出了第一个集散控制系统--TDC2000型计算机集散控制系统以来，经历了20多年的时间，集散控制系统已经走向成熟并获得广泛应用。

其发展历程也是不断地由小到大规模的过程，从最初的小规模控制系统发展到综合控制管理系统，从而使生产控制系统进入了信息管理与综合控制的时代。

集散控制系统的发展具体经历了四个阶段。

1．集散控制系统发展的第一阶段(70年代中期)第一代集散控制系统大多是具有许多微处理器的分级控制系统，它主要由过程控制装置、数据采集装置、CRT操作站、监控计算机和数据高速公路五部分组成。

这个阶段的主要技术特点是将集中的计算机控制系统分解为分散的控制系统，即以分散的过程控制装置来适应分散的过程对象，从而使危险分散；引人数据通信系统，通过数据高速公路将分散控制设备与基于CRT的操作站相连接，互相协调，一起实施实时生产过程的控制和监测，实现了集中管理，分散控制。

虽然，这一时期的产品只是DES的雏形，但是，系统已经包括了DES的三大组成部分，即分散过程控制装置、操作管理装置和数据通信系统。

并具有了DCS的基本特点，即集中管理，分散控制。

这一时期的代表产品有美国Honeywell公司的TDC—2000，Foxboro公司的Specmnn，Bailey公司的Network—90，Taylor公司的MOD3，日本横河公司的CENTUM，德国Siemens公司的TelepermM，英国Kent公司的P4000等。

2．集散控制系统发展的第二阶段(80年代中前期)第二代产品在原来产品的基础上，进一步向高精度、高可靠性、标准化、小型化、模板模块化、单元结构化、智能化方向发展，使之具有更强适应性和可扩充性。

开发出的多功能过程控制器、增强型操作站、光纤通信等使得DES更趋完善。

第二代DCS产品主要由七部分组成，即局域网络(LAN)、多功能现场控制器(MC)、增强型操作站(EOS)、通用操作站(US)、主计算机(HC)、网间连接器(GW)和系统管理模块(SMM)。

其主要特点是系统的功能扩大或者增强，例如，控制算法的扩充；常规控制与逻辑控制、批量控制相结合；过程操作管理范围的扩大，功能的增添；显示屏分辨率的提高；色彩的增加；多微处理器技术的应用等。

另一个主要特点是数据通信系统的发展，从主从式的星形网络通信转变为对等式的总线网络通信或环网通信。

第二代DCS产品，由于各制造厂采用各自的网络通信系统，相互封闭，不同制造厂集散控制系统间不能互为通信，给用户使用、扩展和改造系统带来诸多不便。

这一时期的代表产品有：Honeywell公司的TDC—3000，Taylor公司的MOD300，Bailey公司的NETWORK—90，WesfingHouse公司的WDPF，ABB 公司的MASTER，横河公司的CENTUMA，B，C等。

3．集散控制系统发展的第三阶段(80年代中后期)第三代产品开发了高一层次的信息管理系统和符合国际标准组织ISO的OSI开放系统互联参考模型的局域网络。

开放系统是其主要特征，在符合开放系统的制造厂产品间可以相互连接、相互通信和进行数据交换，克服了第二代DCS在应用过程中出现的自动化孤岛；系统网络通信功能的增强，使系统向上能与MAP(ManufactureAutomationProtoc01)和Ethernet接口，或者通过网间连接器与其他网络联系，构成综合管理系统；向下支持现场总线，它使得过程控制或车间的智能变送器、执行器和本地控制器之间实现可靠的实时数据通信。

开放系统也使得第三方的应用软件能在系统中应用，增强了系统的管理和控制功能。