集散控制复习提纲.docx
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集散控制复习提纲
复习提纲
第一章集散控制系统
1、在控制系统中，软件是各种程序的统称，是控制系统的灵魂。
因此，软件的优劣直接关系到控制系统的正常运行、硬件功能的充分发挥及其推广应用。
软件通常分为系统软件和应用软件两大类。
系统软件是一组支持系统开发、测试、运行和维护的工具软件，核心是操作系统，还有编程语言等辅助工具。
应用软件是系统设计人员利用编程语言或开发工具编制的可执行程序。
以下几类功能模块是必不可少的：
过程输入模块、基本运算模块、控制算法模块、报警限幅模块、过程输出模块、数据管理模块等。
2、计算机控制系统的分类：
数据采集系统（DAS）、操作指导控制系统（OGC）、直接数字控制系统（DDC）、计算机监督控制（SCC）系统、集散控制系统（DCS）、现场总线控制系统（FCS）
3、分散控制系统（DistributedControlSystem，DCS）。
DCS采用分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调的设计原则，自下而上可以分为若干级，如过程控制级、控制管理级、生产管理级和经营管理级等。
DCS又称分布式或集散式控制系统。
4、DCS是四C技术的产物；采用危险分散、控制分散，操作和管理集中的基本设计思想，通过分层、分级和合作自治的结构形式，实现的工业生产和管理的现代化。
5、DCS作一个比较完整的定义：
（1）以回路控制为主要功能的系统。
（2）除变送和执行单元外，各种控制功能及通信、人机界面均采用数字技术。
（3）以计算机的CRT、键盘、鼠标，轨迹球代替仪表盘形成系统人机界面。
（4）回路控制功能由现场控制站完成，系统可有多台现场控制站，每台控制一部分回路。
（5）人机界面由操作员站实现，系统可有多台操作员站。
（6）系统中所有的现场控制站、操作员站均通过数字通信网络实现连接。
6、集散控制系统的特点：
（1）系统构成灵活：
从总体结构上看，DCS可以分为通信网络和工作站两大部分，各工作站通过通信网络互连起来，构成一个完整的系统。
工作站采用标准化和系列化设计，硬件采用积木搭接方式进行配置，软件采用模块化设计，系统采用组态方法构成各种控制回路，很容易对方案进行修改。
用户可根据工程对象要求，灵活方便地扩大或缩小系统的规模。
（2）操作管理便捷：
DCS的集中监控管理装置无论采用专用人机接口系统还是通用PC机系统，操作人员都能通过高分辨率彩色显示器（CRTorLCD）和操作键盘及鼠标等，方便的监视生产装置乃至整个工厂的运行情况，快捷的操控各种机电设备；技术人员可按预定的控制策略组态不同的控制回路，并调整回路的某些常数；存储装置可以保存大量的过程历史信息和系统信息，打印机能打印出各种报告和报表，适应了现代化生产综合管理的要求。
（3）控制功能丰富：
DCS可以进行连续的反馈控制、间断的批量控制和顺序逻辑控制，可以完成简单控制和复杂的多变量模型优化控制，可以执行PID运算和Smith预估补偿等多种控制运算，并具有多种信号报警、安全联锁保护和自动开停车等功能。
（4）信息资源共享：
DCS采用局部区域网络（LocalAreaNetwork，LAN）把各工作站连接起来，实现数据、指令及其他信息的传输，使整个系统信息、资源共享。
系统通信采用国际标准通信协议，便于系统间的互连，提高了系统的开放性。
（5）安装调试简单：
DCS的各单元都安装在标准机柜内，模件之间采用多芯电缆、标准化接插件相连；与过程连接时采用规格化端子板，到中控室操作站只需敷设同轴电缆进行数据传递，所以布线量大为减少，便于装配和更换。
系统采用专用软件进行调试，并具有强大的自诊断功能，为故障判别提供准确的指导，维修迅速。
（6）安全可靠性高：
DCS在设计、制造时，采用了多种可靠性技术。
系统采用了多微处理机分散控制结构，某一单元失效时，不会影响其他单元的工作。
即使在全局性通信或管理站失效的情况下，局部站仍能维持工作。
系统硬件采用冗余技术，操作站、控制站和通信线路采用双重化等配置方式。
软件采用程序分段、模块化设计和容错技术。
系统各单元具有强有力的自诊断、自检查、故障报警和隔离等功能。
系统具有抗干扰能力，对测量信号和控制信号要经过隔离处理，信号电缆进行良好的屏蔽和接地。
（7）性能价格比高：
DCS技术先进、功能齐全、可靠性高、适应能力强。
规模越大，平均每个回路的投资费用越省，数据、资源的共享本身就意味着系统成本的降低。
7、DCS有一系列特点和优点，主要表现在以下六个方面：
分散性和集中性、自治性和协调性、灵活性和扩展性、先进性和继承性、可靠性和适应性、友好性和新颖性。
（1）分散性和集中性：
DCS分散性的含义是广义的，不单是分散控制，还有地域分散、设备分散、功能分散和危险分散的含义。
（2）自治性和协调性：
DCS的自治性是指系统中的各台计算机均可独立地工作.
DCS的协调性是指系统中的各台计算机用通信网络互联在一起，相互传送信息，相互协调工作，以实现系统的总体功能。
DCS的分散和集中、自治和协调不是互相对立，而是互相补充。
DCS的分散是相互协调的分散，各台分散的自主设备是在统一集中管理和协调下各自分散独立地工作，构成统一的有机整体。
正因为有了这种分散和集中的设计思想，自治和协调的设计原则，才使DCS获得进一步发展，并得到广泛地应用
（3）灵活性和扩展性：
DCS硬件采用积木式结构，类似儿童搭积木那样，可灵活地配置成小、中、大各类系统。
另外，还可根据企业的财力或生产要求，逐步扩展系统，改变系统的配置。
DCS软件采用模块式结构，提供各类功能模块，可灵活地组态构成简单、复杂各类控制系统。
另外，还可根据生产工艺和流程的改变，随时修改控制方案，在系统容量允许范围内，只需通过组态就可以构成新的控制方案，而不需要改变硬件配置。
（4）DCS综合了“4C”（计算机、控制、通信和屏幕显示）技术，随着这“4C”技术的发展而发展。
也就是说，DCS硬件上采用先进的计算机、通信网络和屏幕显示；软件上采用先进的操作系统、数据库、网络管理和算法语言；算法上采用自适应、预测、推理、优化等先进控制算法，建立生产过程数学模型和专家系统。
DCS自问世以来，更新换代比较快。
当出现新型DCS时，老DCS作为新DCS的一个子系统继续工作，新、老DCS之间还可互相传递信息。
这种DCS的继承性，给用户消除了后顾之忧，不会因为新、老DCS之间的不兼容，给用户带来经济上的损失。
（5）可靠性和适应性：
DCS的分散性带来系统的危险分散，提高了系统的可靠性。
DCS采用了一系列冗余技术，如控制站主机、I/O板、通信网络和电源等均可双重化，而且采用热备份工作方式，自动检查故障，一旦出现故障立即自动切换。
DCS安装了一系列故障诊断与维护软件，实时检查系统的硬件和软件故障，并采用故障屏蔽技术，使故障影响尽可能地小。
DCS采用高性能的电子元器件、先进的生产工艺和各项抗干扰技术，可使DCS能够适应恶劣的工作环境。
DCS设备的安装位置可适应生产装置的地理位置，尽可能满足生产的需要。
DCS的各项功能可适应现代化大生产的控制和管理需求。
（6）友好性和新颖性：
DCS为操作人员提供了友好的人机界面（MMI）。
操作员站采用彩色CRT和交互式图形画面，常用的画面有总貌、组、点、趋势、报警、操作指导和流程图画面等。
由于采用图形窗口、专用键盘、鼠标或球标器等，使得操作简便。
DCS的新颖性主要表现在人机界面，采用动态画面、工业电视、合成语音等多媒体技术，图文并茂，形象直观，使操作人员有如身临其境之感。
8、集散控制系统体系结构的特征：
纵向分层、横向分散、设备分级、网络分层
9、按照功能，集散控制系统设备分为四级：
现场控制级、过程控制级、过程管理级、经营管理级
10、与四级设备对应的四层网络：
现场网络、控制网络、监控网络、管理网络
11、无论从何角度去认识分散控制系统的结构，它所体现的是控制分散、功能分散、负荷分散、危险分散、监视集中、操作集中、综合管理集中的思想。
12、集散控制系统分层结构：
13：
DCS的基本功能：
输入数据处理：
输出处理、控制功能、人-机接口功能、通信功能、自诊断功能、冗余技术
14、输出值跟踪：
在手动方式时，使内存单元中PID输出值跟踪手操输出值。
•从手动切换到自动时，内存单元中的自动输出数值与手操输出值相等，切换是无扰动的。
•在自动方式时，手操器的输出值是始终跟踪控制器的自动输出值的。
•从自动切换到手动时，手操器的输出值与PID的输出值相等，切换是无扰动的。
15、操作站主要功能：
显示、数据处理和存储、报警处理、画面处理、表格处理、系统组态、系统维护
16、自诊断功能：
在系统投运前，用离线诊断程序检查各部分的工作状态。
系统运行中，各设备不断执行在线自诊断程序。
一旦发现错误，立即切换到备用设备；
同时经过通信网络在显示器上显示出故障代码，等待及时处理；
故障代码可以定位到卡件板，用户只需及时更换卡件。
17、冗余技术：
为了提高系统的可靠性，集散控制系统重要设备、对全局系统有影响的公共设备上常采用冗余结构。
经常采用的冗余方式有：
同步运转方式；待机运转方式；后退运转方式；多级操作方式。
•同步运转方式：
让两台或两台以上的装置以相同的方式同步运转，输入相同的信号，进行相同的处理，然后对输出进行比较，如果输出保持一致则系统是正常运行的。
双重冗余、“三中取二”（连锁）
应用于可靠性要求极高的场合
•待机运转方式：
采用N台同类设备，采用一台后备设备，平时后备设备处于准备状态，一旦N台设备中某一台设备发生故障，能启动后备设备使其运转。
1：
1备用系统、N：
1备用系统、热后备系统，指挥装置
•后退运转方式：
正常时，N台设备各自分担各自功能进行运转，当其中一台设备损坏时，其余设备放弃部分不重要的功能，以此来完成损害设备的功能。
典型：
CRT和操作站（第一台监视、第二台操作、第三台报警）
•多级操作方式：
纵向冗余的方法。
正常操作是从上一层进行的，如该层故障则由下一层完成，这样逐步向下形成对最终元件执行器的控制。
例如：
功能模块设有手动、自动切换开关
第一章组态与操作站
1、组态:
集散控制系统实际应用于生产过程控制时，需要根据设计要求，预先将硬件设备和各种软件功能模块组织起来，以使系统按特定的状态运行。
集散控制系统所提供的功能模块、组态编辑软件以及组态语言，组成所需的系统结构和操作画面，完成所需的功能。
集散控制系统的组态包括系统组态、画面组态和控制组态。
2、组态软件主要解决的问题：
（1）如何与控制设备之间进行数据交换，将来自设备的数据与计算机图形画面上的各元素关联起来。
（2）处理数据报警和系统报警。
（3）存储历史数据和支持历史数据的查询。
（4）各类报表的生成和打印输出。
（5）具有与第三方程序的接口，方便数据共享。
（6）为用户提供灵活多变的组态工具。
3、基于组态软件的工业控制系统的一般组建过程：
（1）组态软件的安装。
（2）工程项目系统分析。
（3）设计用户操作菜单。
（4）画面设计与编辑。
（5）编写程序进行调试。
（6）综合调试。
4、DCS操作站一般分为操作员站和工程师站两种。
5、操作站的功能体系：
操作站的功能有四类，即与系统有关的功能、操作员功能、操作员应用功能以及系统维护保养功能。
•与系统有关的功能包括：
命名系统、报警系统、安全系统、操作台组合及超级窗口。
为提高系统安全性，除了采用硬件密钥外还对操作监视进行分级。
•操作员功能包括：
操作、监视功能、记录功能以及基本功能。
系统采用了窗口技术，可以在需要的情况下，把需要的信息显示在一定的位置，便于操作和监视。
窗口的调用采用触摸屏幕上的动态键或者动态变量。
•操作员工程应用功能：
操作员应用功能：
目录画面、概貌画面的分配、控制分组画面的分配、趋势图中过程变量的分配和趋势记录的保存、操作标志的分配和定义、功能键定义、操作顺序定义、辅助指导信息的定义以及向外部输出记录点的分配等。
6、趋势记录画面：
使用灵活的趋势图组态工具，用户只需简单地从数据库中选择点名和相应的参数就可以在线组态趋势图画面。
任何的历史数据采集间隔均可作为趋势数据的采样间隔。
趋势显示功能包括实时趋势显示和历史趋势显示两种，都是用曲线方式反映过程变量的变化状态。
7、工程师站是承担从系统开发到系统保养等工程技术工作的多功能站，工程师站由服务器及工程师组态软件构成。
它主要完成系统的配置、控制回路组态及下装目标运行系统到操作员站和现场控制站的功能。
工程师站中装载了操作员站软件后也可以作为操作员站使用。
第二章集散控制系统DCS的通信网络和系统特性
1、通信介质（传输介质、信道）是通信网络的物质基础。
常见传输介质：
双绞线、同轴电缆、光缆
2、同轴电缆由内导体（中心导体）、中间绝缘层、外屏蔽导体和外绝缘层构成。
信号通过内导体和外导体传输。
外导体一般是接地的，起屏蔽作用。
同轴电缆分：
基带同轴电缆（如50Ω同轴电缆）用于基带传输。
宽带同轴电缆（如75Ω电视天线电缆）用于宽带传输。
同轴电缆的数据传输速率、传输距离、可支持的节点数、抗干扰等性能优于双绞线，成本也高于双绞线，但低于光纤。
3、计算机网络：
把分布在不同地点且具有独立功能的多个计算机系统通过通信设备和介质连接起来，在功能完善的网络软件和协议的管理下，以实现网络中的资源共享。
4、网络拓扑结构：
网络节点互连的方法。
网络拓扑结构类型：
星型、环型、总线型、树型、菊花链
5、网络控制方法：
在通信网络中，使信息从发送装置迅速而正确地传递到接收装置的管理机制。
常用的方法：
查询、令牌传送、自由竞争、存储转发
6、存储转发式信息传送过程：
•●源节点发送信息，到达它的相邻节点；
•●相邻节点将信息存储起来，等到自己的信息发送完，再转发这个信息，直到把此信息送到目的节点；
•●目的节点加上确认信息（正确）或否认信息（出错），向下发送直至源站；
•●源节点根据返回信息决定下一步动作，如取消信息或重新发送。
7、误码率是指通信系统所传输的总码元数中发生差错的码元数所占的比重（取统计平均值），即Pe=pw/pt
•式中Pe——误码率；
•Pw——出错的码元数；
pt——传输的总码元数。
8、反馈重发纠错方式（ARQ）：
在发送端，首先要对所发送的数据进行某种运算，产生能检测错误的帧校验序列，然后把校验序列与数据一起发往对方。
•在接收端，根据事先约定的编码运算规则及校验序列，检查数据在传输过程中是否有出错，并通过反馈信道把判决结果发回发送端。
•发送端收到反馈信号若标明传送有错，则发送端重发数据，直到接收端返回信号标明接收正确为止。
➢ARQ方式中，必须有一个反馈信道，并且只用于点对点的通信方式。
•检错编码的方法很多，常用的有奇偶校验码和循环冗余校验码CRC。
9、网络通信功能包括两大部分，即数据传输和通信控制。
在通信过程中，信息从开始发送到结束发送可分为若干个阶段，相应的通信控制功能也分成一组组操作。
一组组通信控制功能应当遵守通信双方共同约定的规则，并受这些规则的约束。
通信协议：
对数据传输过程进行管理的规则。
10、开放系统互连参考模型（OSI）将开放系统的通信功能分为七层，描述了分层的意义及各层的命名和功能。
ISO/OSI模型由七层组成，从下至上分别为物理层、链路层、网络层、传送层、会话层、表示层及应用层。
第三章集散控制系统的算法
1、选择性控制系统-------当生产操作趋向限制条件时，一个用于控制不安全工况的控制方案将取代正常情况下的控制方案，直到生产操作重新回到安全范围以内恢复原控制方案为止。
选择性控制系统设有两个控制器（或多个变送器）由选择器选择出能适应生产安全状况的控制信号，实现对生产过程的自动控制。
2、前馈控制系统与反馈控制比较：
•前馈控制比反馈控制及时有效
•前馈控制属于开环控制系统，反馈控制是闭环控制系统
•前馈控制使用的实施对象特性而定的专用控制器，反馈控制采用通用PID控制器
•一种前馈作用之能克服一种干扰，反馈控制只用一个控制器就可克服多个干扰
3、位置式PID和增量式PID算法两者的区别
（１）而位置式PID每次输出与整个过去状态有关，容易产生较大的累积计算误差，增量式PID算法只需保持现时以前三个时刻的误差，计算增量，计算误差对控制量的计算影响较小；
（２）控制从手动切换到自动时，增量式PID比位置式PID更易于实现无冲击切换
4、饱和效应：
在实际的控制系统中，控制变量的实际输出值往往受到执行机构性能的约束，而被限制在有限的范围内，即
。
如果微机输出的控制变量超出此工作范围，则实际执行的控制量就不再是计算值，由此将引起不期望的效应，称为饱和效应。
5、积分饱和：
如果由于负载突变等原因，引起误差的阶跃，若根据PID算法公式计算出的控制量u超出了控制范围，例如，u>umax，那么实际上控制变量u就只能取上界值umax，而不是计算值，此时系统变量Y输出值虽在不断上升，但由于控制量受到限制，其增长要比没有受限制时慢，误差e将比正常情况下持续更长的时间保持在正值，而使公式中的积分项有较大的累积值，当过程变量输出值Y超出给定值后，开始出现负差，但由于积分项的累积值很大，还要经过一段时间t后，控制变量u才脱离饱和区，这样就使系统出现明显的超调，这种饱和
作用是由积分项引起的，故称为积分饱和。
6、克服积分饱和的方法：
遇限制削弱积分法、积分分离法
7、控制度。
所谓控制度，就是以模拟调节器为基准，将DDC的控制效果与模拟调节器的控制效果相比较。
控制效果的评价函数通常采用（最小的误差平方积分）表示。
•控制度
•实际应用中并不需要计算出两个误差的平方积分，控制度仅表示控制效果的物理概念。
例如，当控制度为1.05时，就是指DDC控制与模拟控制效果基本相同；控制度为2.0时，是指DDC控制比模拟控制效果差。
7、前馈-反馈控制系统：
前馈控制的思路：
被调量除了跟随给定量变化而应该变化外，扰动引起也能使被调量还会产生偏差，倘若在扰动出现时就能立即进行控制，而不是等到有偏差后再进行控制，这样就可以有效地消除扰动对系统被调量的影响。
特点：
吸收前馈与反馈控制的优点，即前馈控制作用及时的优点及反馈控制能克服多个扰动和具有对被控参数进行反馈检测的长处。
8、一个集散控制系统工程设计可分为3个阶段：
方案论证、方案设计、工程设计
第四章集散控制系统的主要技术与应用实例
1、方案论证也就是可行性研究设计（或简称可研设计）的主要任务：
（1）功能规范的确定、
（2）系统配置、（3）系统评价及选型
2、DCS的控制范围：
•DCS是通过对各主要设备的控制来控制工艺过程。
设备的形式、作用、复杂程度，决定了该设备是否适合于用DCS去控制。
，以下设备宜采用DCS控制。
•
（1）工作规律性强的设备。
•
（2）重复性大的设备。
•（3）在主生产线上的设备。
•（4）属于机组工艺系统中的设备，包括公用系统。
•DCS通过对这些设备的控制实现对工艺过程的总体控制。
除此以外，工艺线上的很多独立的阀门、电动机等设备也往往是DCS的控制对象。
3、DCS的控制深度
•几乎任何一台主要设备是部分地由DCS控制。
DCS有时可以控制这些设备的起停和运行过程中的调节，但不能控制一些间歇性的辅助操作。
而对有的设备，DCS只能监视其运行状态，不能控制，这些就是DCS的控制深度问题。
DCS的控制深度越深，就要求设备的机械与电气化程度越高，从而设备的造价越高。
在总体设计中，要决定DCS控制与监视的深度，使后续设计是可实现的。
4、DCS的控制方式
•这里的控制方式是指运行DCS的方式，要确定以下内容。
•
（1）人机接口的数量，根据工艺过程的复杂程度和自动化水平决定人机接口的数量。
•
（2）辅助设备的数量，包括工程师站、打印机等。
•（3）DCS的分散程度，它对今后DCS的选择有重要的意义。
5、一个DCS项目从开始到结束可以分成：
招标前准备、选型与合同、系统工程化设计与生成、现场安装与调试、运行与维护五个阶段。
6、DCS系统工程化设计与生成阶段要完成的工作
•
（1）进行联络会，确定项目进度及交换技术资料，提供设计依据和要求，形成《系统设计》、《系统出厂测试与验收大纲》、《用户培训计划》。
•
（2）用户培训。
•（3）系统硬件装配和应用软件组态。
•（4）软件下装、联调与考机。
•（5）出厂测试与检验。
•（6）系统包装、发货与运输。
7、DCS现场安装与调试阶段要完成的工作
•
（1）开箱验货和检查。
•
（2）设备就位、安装。
•（3）现场接线。
•（4）现场加电、调试。
•（5）现场考机。
•（6）现场测试与验收。
•（7）整理各种有关的技术文档。
（8）现场操作工上岗培训。
8、《系统硬件配置说明书》设计。
该项设计包括下面三项内容的设计。
•①系统配置图在此部分详细地画出DCS的结构框图和系统状态图，详细描述系统的基本结构，说明系统主要设备的布置方式和连接方式。
•②各站详细配置表。
包括工程师站、操作员站、网关及服务器等站配置表。
•③工期要求。
工期要求明确标明项目的工期计划，特别是硬件成套完成日期。
有了各站的《硬件配置表》和《硬件配置图》，DCS厂家装配部门就可以根据硬件配置表进行硬件成套工作。
9、安装前的检查工作
•在DCS安装就位之前，先要做下列检查：
•
（1）DCS室位置是否合适，空间是否充足，地面是否结实，能否承担机器设备的质量，安装固定装置与DCS设备是否配套，走线槽是否合理。
•
（2）电源供电系统是否符合要求。
•（3）接地措施是否符合要求。
•（4）控制室环境是否符合要求。
10、DCS系统应该完成如下主要的现场调试调试工作。
•
（1）检查操作员站、工程师站、I/O控制站的地址设置。
•
（2）将系统设备逐一上电，确认无误。
不能不确认就一起将所有电源开关合上。
•（3）检查设备运行状况，有无异常。
如有不正常，要检查和分析原因，并排除。
•（4）对计算机进行设置，直到在操作员站上看见每个设备都运行正常。
•（5）静态调试，校对信号，检查算法，根据用户现场提出的要求修改算法、检查和修改流程画面及操作画面。
•（6）在静态调试的基础上，进行动态调试，发现不正确的情况进行及时修改并记录。
•（7）运行相对稳定后，对自动控制系统进行PID参数整定，将各回路投入自动运行，达到系统的自动控制要求。
•（8）对系统进行收尾完善工作。
11、可靠性：
机器、零件或系统在规定的工作条件下，在规定的时间内具有正常工作性能的能力。
13、平均故障时间（MTBF）：
可以边修理边使用的机器、零件或系统，相临故障时间的正常时间的平均值。
14、到发生故障的平均时间（MTTF）：
不能修理的机器、零件或系统，至发生故障为止的工作时间的平均值。
15、故障率：
通常指瞬时故障率，能工作到某个时间的机器、零件或系统，在连续单位时间内发生故障的比率，又称失效率或风险率。
第五、六章现场总线技术
1、现场总线控制系统（FieldbusControlSystem,FCS）是由现场总线和现场设备组成的控制系统，这是继电式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散控制系统DCS后的新一代控制系统
2、FC
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