1过程控制及集散控制系统概述
集散控制系统原理及应用
集散控制系统原理及应用集散控制系统（Distribution Control System，简称DCS）是一种基于计算机网络的自动化控制系统，用于集中控制和监视复杂的工业过程。
它由许多分布在整个工厂或工艺中的控制单元组成，这些控制单元通过网络互连，在一起协同工作，以实现对整个过程的控制。
集散控制系统的原理是通过采集和传递数据，实现对过程的实时监测和控制。
它主要包括以下几个组成部分：1. 传感器和执行器：用于采集过程变量和控制信号。
传感器将过程中的物理量转换成电信号，例如温度、压力、流量等。
执行器根据控制信号执行一定的操作，例如开关、调节阀等。
2. 控制单元：集散控制系统中最核心的部分，由计算机硬件和软件组成。
控制单元负责采集、处理和分析传感器采集的数据，在此基础上生成控制信号，并通过执行器将其发送给控制对象。
3. 通信网络：用于连接不同的控制单元，实现数据的传输和共享。
通信网络可以是以太网、现场总线等。
通过网络连接，各个控制单元之间可以实现数据的共享和协同工作。
4. 人机界面：提供人机交互的界面，使操作人员能够直观地监视过程状态、进行操作和维护。
人机界面通常采用图形化显示，包括监视画面、报警提示、操作按钮等。
集散控制系统的应用非常广泛。
它可以用于石油化工、电力、水处理、冶金等工业领域的各种生产过程的控制和监测。
具体应用包括：1. 石油化工：集散控制系统可以用于炼油、化工生产等领域。
通过实时监测和控制温度、压力、流量等参数，可以保证工艺过程的稳定运行。
2. 电力系统：集散控制系统可以用于电力发电和配电系统的监控和控制。
通过集中管理各个发电单元、调度用电负荷，可以实现电力系统的高效运行。
3. 水处理：集散控制系统可以用于水处理过程中的污水处理、给水处理、制水等。
通过实时监测和控制水质、水流等参数，可以提高水处理的效率和质量。
4. 冶金：集散控制系统可以用于冶金工业中的钢铁生产、铸造等过程的控制。
通过实时监测和控制温度、压力、流量等参数，可以保证冶金过程的稳定性和产品质量。
第一章过程控制系统概述
11
第1章 过程控制系统概述
图为室温自动控制系统，自动化仪表代替了人。 恒温室
3 TC
回 风
1
送风
过程控制系统的定义：
4
M
为实现对某个工艺参数的自 动控制，由相互联系、制约 的一些仪表、装置及工艺对 象、设备构成的 一个整体。
过程控制系统的主要任务 热水 是：对生产过程中的重要参数 回水 （温度、压力、流量、物位、 图2 室温自动控制系统示意图 1—热水加热器；3—控制器； 成分、湿度等）进行控制，使 2—传感变送器；4—执行器 其保持恒定或按一定规律变化。
2．控制方案丰富
生产工业的特点、被控过程的多样性决定控制方案的多样性。系统硬件和控 制算法、软件设计。
3．控制对象大多属于慢过程
连续工业过程大惯性和大滞后的特点决定了被控过程为慢过程。
4．大多数工艺要求定值控制
被控参数的设定值为一个定值，减小或消除外界干扰，使被控量尽量保持接 近或等于设定值。
5．大多使用标准化的检测、控制仪表及装置
兰州理工大学电信学院
10:12:42
8
第1章 过程控制系统概述
1.开环控制系统 开环控制系统(open-loop control system)是指被控对象的输出(被控 制量)对控制器(controller)的输出没有影响。在这种控制系统中，不依赖 将被控量反送回来以形成任何闭环回路。 2.闭环控制系统 闭环控制系统(closed-loop control system)的特点是系统被控对象的 输出(被控制量)会反送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环。闭环 控制系统有正反馈和负反馈，若反馈信号与系统给定值信号相反，则称为负 反馈( Negative Feedback)，若极性相同，则称为正反馈，一般闭环控制系 统均采用负反馈，又称负反馈控制系统。error)描述，它表示系统输出稳态 值与期望值之差﹔快是指控制系统响应的快速性，通常用上升时间来定量描 述。 闭环控制系统的例子很多。比如人就是一个具有负反馈的闭环控制系 统，眼睛便是传感器，充当反馈，人体系统能通过不断的修正最后作出各种 正确的动作。如果没有眼睛，就没有了反馈回路，也就成了一个开环控制系 统。 3 .阶跃响应 阶跃响应是指将一个阶跃输入（step function）加到系统上时，系统 的输出。稳态误差是指系统的响应进入稳态后﹐系统的期望输出与实际输出 之差。控制系统的性能可以用稳、准、快三个字来描述。稳是指系统的稳定 性(stability)，一个系统要能正常工作，首先必须是稳定的，从阶跃响应 上看应该是收敛的﹔准是指控制系统的准确性、控制精度，通常用稳态误差 来(Steady-state)
集散控制系统
集散控制系统一个典型的DCS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：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。
集散型控制系统的介绍
集散型控制系统的介绍Whut 笔记集散型控制系统（DCS）也就是所说的分布式控制系统，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。
DCS是在集中式控制系统的基础上发展、演变而来的，我们根据现有的，应用比较广泛的若干种DCS的结构的总结，来说明、分析和比较DCS的结构。
一、“三点一线”式结构DCS自70年代问世以来，很多公司推出了多种不同设计、风格各异的DCS，即是同一厂家，早期的产品与近期的产品也有不少的差异，但是仅管种种DCS千差万别，其核心结构却基本上一致，可将其归纳为“三点一线”式结构。
“一线”是指DCS的骨架计算机网络；“三点”是指联接在网络上的三种不同的类型的节点，分别是：面向被控过程现场的现场I/O控制站；面向操作人员的操作站；面向DCS监督管理人员的工程师站。
一般情况下，一个DCS只需配备一个工程师站，而现场I/O控制站和操作员站的数目则需根据实际需要配置，这三种节点通过系统网络进行联接并互相交换信息，协调各方面的工作，共同完成DCS 的整体功能。
DCS的计算机网络在很多方面的要求实时性网络。
网络需要根据现场通讯实时性的要求，在确定的时限内完成信息的传送。
“确定的时限”是指无论在何种情况下，信息传送度能在这个时限内完成，而这个时限则是根据被空过程的实时性要求确定的。
系统的拓扑结构。
大致可分为星型，总线型和环型三种。
目前应用最广泛的是环网和总线网。
二、DCS的系统网络SNET各种网络解决碰撞的技术:一种是TOKEN RING（对于环型网）或TOKEN PASSING（对于总线型网）方式;另一种解决碰撞的技术是载波侦听与碰撞检测技术，即CSMA/CD 方式.DCS的基础硬件:DCS由三种节点组成：现场I/O控制站、操作员站、和工程师站，通过局域网络互联在一起形成一个系统。
对于局域网来说，所有的节点都没有什么本质的和原则的区别，它们都是具有自己特定的网络地址，都可以通过局域网接收和发送数据。
简述集散控制系统的体系结构及各层次的主要功能
一、简述集散控制系统的体系结构及各层次的主要功能（画出通用结构图、各部分硬件组成和实现的功能）答：按照DCS各组成部分的功能分布，所有设备分别处于四个不同的层次，自下而上分别是：现场控制级、过程控制级、过程管理级和经营管理级。
与这四层结构相对应的四层局部网络分别是现场网络、控制网络、监控网络和管理网络。
1）现场控制级设备的任务主要完成过程数据采集与处理；直接输出操作命令、实现分散控制；完成与上级设备的数据通信，实现网络数据库共享；完成对现场控制级智能设备的监测、诊断和组态等。
2）过程控制级的主要功能是采集过程数据，进行数据转换与处理；对生产过程进行监测和控制，输出控制信号，实现反馈控制、逻辑控制、顺序控制和批量控制功能；现场设备及I/O 卡件的自诊断；与过程操作管理级进行数据通信。
3）过程管理级的主要设备有操作站、工程师站和监控计算机等。
操作站是操作人员与DCS相互交换信息的人机接口设备，是DCS的核心显示、操作和管理装置。
工程师站是为了控制工程师对DCS进行配置、组态、调试、维护所设置的工作站。
工程师站的另一个作用是对各种设计文件进行归类和管理，形成各种设计、组态文件，如各种图样、表格等。
监控计算机的主要任务是实现对生产过程的监督控制，如机组运行优化和性能计算，先进控制策略的实现等。
根据产品、原材料库存以及能源的使用情况，以优化准则来协调装置间的相互关系，以实现全企业的优化管理。
4）经营管理级是全厂自动化系统的最高一层。
主要功能是监视企业各部门的运行情况，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。
它从系统观念出发，从原料进厂到产品的销售，市场和用户分析、定货、库存到交货，生产计划等进行一系列的优化协调，从而降低成本，增加产量，保证质量，提高经济效益。
（集散控制系统的体系结构图）集散控制系统的硬件结构控制站，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。
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
11
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
3
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。
集散控制系统及技术
集散控制系统及技术【摘要】本文介绍了集散控制系统DCS的基本概念、分层结构和特点，以及现场总线技术对DCS发展的影响，论证了DCS在工业控制中的重要地位。
【关键词】集散控制系统;现场总线控制系统0.概述随着现代工业的飞速发展，计算机控制已经渗透到工业生产的各个方面，而且所需控制的量越来越多，于是应运而生出现了集散型控制系统(DCS，Distributed Control System)。
集散控制系统的出现是工业控制的一个里程碑，广泛的应用于工业过程控制，并延伸到实验室自动化和大型研究试验以及离散制造业。
其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，由计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、通信网络技术和人机接口技术相互发展、渗透而产生的，集“4C” 技术即计算机技术、控制技术、通讯技术、图形显示技术于一体，既不同于分散的仪表控制系统，也不同于集中式的计算机控制技术，具有很强的生命力和显著的优越性。
DCS系统的特点是集中管理，分散控制，而结构上的分散不仅使系统风险分散，消除了全局性的故障节点，增加了系统的可靠性，而且可以灵活方便地实现各种新型控制规律和算法，便于系统的分批调试和投运，为生产过程自动化的发展带来深远的影响。
1.DCS的分层结构与特点1.1 DCS的分层结构DCS是分级递阶的控制系统，该结构主要是从系统工程的角度出发，通过功能分层、危险分散来提高系统的可靠性和应用的灵活性。
对系统按功能进行纵向分解，可得到系统的四层递阶结构[1]。
1.1.1过程控制级这一级是现场装置管理层次的直接控制级，主要由现场控制站、数据采集站和过程管理计算机等构成，是直接与生产过程相联系的一级计算机系统，是集散控制系统的基础。
过程控制级一方面和各类现场设备如变送器、执行器、记录仪表等相连，以实现对所连接的装置实施监测、控制；另一方面还和第二级的计算机相连，接收上层的管理信息，并向上传递装置的特性数据和采集到的实时数据。
dcs与过程控制介绍
工厂 管理级
ERP（企 业资源计 划系统） 来实现的， 是一个为 企业决策 层及员工 提供决策 运行手段 的管理平 台
过程 管理级
过程 控制级
现场 控制级
更多的由MES （制造 执行系统）来 实现，它是通 过信息传递对 从订单下达到 产品完成的整 个生产过程进 行优化管理。
而DCS主要肩 负着过程控制 系统（Process ControlSystem， PCS）的任务， 对应着你说的 过程控制级和 现场控制级
2.DCS理论知识简述
DCS就是集散控制系统的简称
概念
集散控制系统是以微处理器为基础的 对生产进行集中监视、操作、管理和 集散控制的综合性控制系统
4C技术，即计算机—Computer、控 主要基础 制—Control、通信— Communication和 CRT显示技术。
5
DCS的ห้องสมุดไป่ตู้本结构及各部分的功能
现场控制级 是直接和工 业现场设备 （小锅身上 那些测量变 送器、执行 器）打交道 的。
DCS硬件体系结构与功能
2.DCS理论知识简述
无论何种品牌的 DCS ，其硬件的核 心构成部分都是： • 现场控制级：分 散的过程控制装置 （现场控制站） • 过程控制级：操 作管理装置（包括 工程师站、操作员 站、服务器、打印 机等） 现场控制级和过 程控制级之间的数 据通信系统
DCS组态
2.DCS理论知识简述
DCS组态三部曲
准备工作：建立项目工程
第一步：硬件组态
实现现场设备和现场控制级的通信
第二步：控制算法组态
实现现场控制级的控制任务
第三步：监控画面组态
实现对整个控制系统的监控
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
程序控制系统
其设定值也是变化的，但它根据需要按一定时间 程序变化。
程序控制机床，冶金工业中退火炉的温度控制
1.2 单回路过程控制系统的组成
设定值
- 控制器
执行机构 被控变量
传感变送
被控对象、传感器和变送器、控制器（调节器）、执行器和控制阀
PLC主要生产厂商
Siemens(西门子)公司 Allen-Bradley(A-B)公司（Rockwell） Schneider(施耐德)公司 Mitsubishi(三菱)公司 Omrom(欧姆龙)公司
DCS系统
Distributed Control System 控制站CS 操作员站OS、工程师站ES （人机接口） 控制网络
3. 被控过程多属慢过程，控制目标多为过程参数
生产过程的物料大多是流体状的，因此能量的交换与传递过 程在时间上往往有比较大的滞后
控制目标间有较强的耦合（关联）
4. 给定值控制是主要的控制形式
控制系统分类－按设定值的不同情况
恒值（定值）控制系统
恒温箱的温度控制 稳压电源的电压稳定控制
随动控制系统
重 相 过量的碳酸钠
夹套温度：130-140 釜内温度：80-90
中和过量乙酸， 溶解乙醇
中和反应产生 乙酸钠、和乙
反应时间：2-3小时
醇
乙酸乙酯生产过程
萃取剂 乙二醇
轻 相 乙酸乙酯、
微量的乙醇、水
筛板塔 轻组分 乙酸乙酯
萃取精馏 重组分 乙二醇、
（提纯乙酸乙酯）
乙醇和微量的水
填料塔 轻组分 乙醇和水 精馏 重组分 乙二醇
流程工业（Flow industry）
也叫过程工业（Process Industry） 通常指化工、石化、炼油、钢铁、冶金、造纸、
制药、食品、电力等连续生产行业 在整个制造业中所占比重大
占全国工业总产值的70％以上 91年以来流程工业的产品销售额前10名中占80-
90%, 利润前20名中占70%
✓原料性质变化需要生产同样的产品 ✓同样的原料又需要生产不同的产品
生产过程的一定限度内的柔性是靠改变各装置间物流的分 配和装置运行的工作点（即工艺操作参数）来实现的
1.1.2 过程工业控制的特点
1. 被控过程具有多样性
化工、冶金、电力、污水处理等。
2. 控制方案具有多样性
反馈、前馈、复合控制 单回路、串级、比值、解耦控制、先进控制等
约束条件控制
通过控制 塔压差来 实现。
液泛限：塔内气相速度过高，液相从下面塔板倒流到 上面塔板。 漏液限：塔内气相速度过低，塔板漏液，板效率下降 压力限：塔的最大操作压力限 临界温差限：再沸器两侧的温差不能低于临界温差
过程工业生产过程的特点
生产过程的工艺流程基本不变，物料流是连续的；在装置 内存在着物理的和化学的变化，并伴随着物质的和能量的 转换与传递。
（回收乙二醇）
循环使用
沸点不同
图片
以温度、压力、流量、液位和成分等工艺参数 作为被控变量的自动控制。
典型过程装置：精馏塔控制
精馏过程---将组分 复杂的混合物通过 传热分离成纯度相 对较高的单一化工 产品的过程
原理-----利用混合物 中各组分相对挥发度 不同，在一定的温度、 压力下通过蒸发与冷 凝，使液相中的轻组 分和气相中的重组分 互相转移，从而实现 分离。
ES
操
作
员
OS
站
UPS
控
配电箱
制
站
CS
控制站硬件总貌
控制站CS
机柜
电源
电源
机笼 主控卡
机笼
数据转发卡 I/O卡
机笼
集线器Hub 接b2
接线端子板
机柜
质量管理
仓库管理
系统结构（示意图）
操作站
操作站 过程控制网
SCnetⅡ
财务管理
Ethernet
工程师站 网 桥
市场竞争对流程工业的压力不断增大
典型工业生产过程举例-乙酸乙酯生产过程
原料：乙酸、乙醇 产品：乙酸乙酯 工艺：
1.酯化反应 2.中和 3.萃取精馏 4.萃取剂回收
乙酸乙酯生产过程
乙酸
催化剂 磷钼酸
反应釜 乙酸
碳酸钠 饱和溶液
轻 相
乙酸乙酯、
中和釜
微量的乙醇、水
乙醇
（酯化反应） 乙醇 乙酸乙酯
1.1 什么是过程控制系统？
过程自动化—过程控制，过程控制系统 电气自动化—电气控制，电力拖动控制系统 控制对象不同：
过程控制：工业生产过程中的物理量 以温度、压力、流量、液位和成分等工艺参数
作为被控变量的自动控制。 电气控制：电动机（直流、交流）
典型流程工业生产过程
化工单元过程 炼油生产过程 火电生产过程控制 制浆造纸过程控制 啤酒及中药生产 水处理过程控制等
控制什么? –对象 如何控制？-算法 用什么控制？-控制平台
1.3 控制平台的类型
控制平台的几种类型
单片机 工控机 PLC DCS FCS
对象规模和要求不同
PLC：可编程控制器
S7-200
PLC：Simatic S7-300
PLC的主要应用场合
PLC用于开关量逻辑控制
取代传统的继电器电路,实现逻辑控制、顺序控制,既可用于单台设备 的控制,也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书 机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。
换热器
回流罐
再沸器
精馏塔
精馏过程控制
精馏过程的控制要求
产品质量控制 塔顶或塔底产品之一合乎规定的纯度，另一端产品 维持在规定的范围内。
物料平衡控制 塔顶、塔底采出量和进料量相平衡，维持塔的平稳 操作。 以控制回流罐与塔釜液位介于规定的上下限为目标。
精馏过程控制
精馏过程的控制要求
能量平衡控制 通过控制塔内的操作压力稳定来保证。
现场控制单元
通 接信 口卡SP244
通信 接口卡
SP244
RS485/RS232
PLC 智能仪表
集散控制系统的发展
PLC用于运动控制
PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。一般使用专用的运动控 制模块,如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块,广泛 用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。
PLC用于工业过程控制
在工业生产过程当中,存在一些如温度、压力、流量、液位和速度等 连续变化的量(即模拟量),PLC采用相应的A/D和D/A转换模块及各种各 样的控制算法程序来处理模拟量,完成闭环控制。