自动控制技术发展趋势教学课件PPT 54页

'自动控制技术发展趋势浙江正泰中自控制工程有限公司浙江大学工业自动化国家工程研究中心提倡个性化设计领导自动化潮流 目录自动化技术的发展集散型控制系统特点和优点DCS发展趋势集散型系统的若干可靠性特点及应用典型DCS介绍 自动化技术的发展 自动化研究的是什么？自动化研究的是如何通过各种技术工具和系统(包括计算机)延伸人的信息获取、处理和决策控制的功能，提高生产能力、生产水平和劳动生产率，并不断提高人和机器交互作用的水平，把人从繁重的、可程序化的工作中解放出来以从事更具创造性的劳动。自动化技术主要有两个方面:用自动化机械代替人工的动力方面的自动化;在生产过程和业务处理过程中，进行测量、计算、控制等，这是信息处理方面的自动化。自动控制技术广泛应用于工业过程控制、智能建筑和家庭自动化。过程自动控制是自动化技术的一个重要分支。 自动化研究的是什么？从广义上讲，可把工业过程控制理解为从原料的投入一直到成品产出的整个生产过程。所谓过程自动化，就是利用控制仪表、计算机、通信网络等技术工具，自动获取各过程变量值的信息，并对影响过程状况变量进行自动调节和或操作，以达到提高经济效益和劳动生产率、节约能源、减少污染和安全生产等目的。工业过程自动化是通过自动化仪表、自动化技术与生产工艺及设备的有机结合来实现的。过程控制技术经历了一个由简单到复杂，从低级到高级，并日臻完善的过程。过程控制所涉及到的领域比较广泛，对新技术的发展极为敏感。对其影响最大的是计算机技术、网络技术、自动化理论与技术、自动化仪表技术。 自动控制原理（1）原始的控制方法 自动控制原理（2）反馈控制传感器（测量温度）执行机构（调节燃料）控制器设定值（控制目标） 自动控制原理（3）一个复杂的控制系统——原油蒸馏原油汽油煤油柴油重油蒸馏塔 过程控制的过去、现在和将来控制理论、计算机技术、网络通信技术等相融合应用于实际工程中,形成了“工业IT” 管控一体化以前：过程控制操作监视系统维护现在：信息管理项目管理设备管理 计算机控制技术计算机控制系统：DCS，PLC，FCS网络技术数据库技术：关系数据库、实时数据库多媒体技术 DCSDCSDCS发酵系统动力系统废水处理……计算机与网络系统 数据库系统关系数据库实时数据库集成系统集成信息离散信息实时信息 自动化技术生产过程自动控制设计、分析、整定传感器与执行器技术信号测量、自动执行机构安全生产系统报警、安全保护过程优化与模型 1960-1985单元控制单回路PID串级控制前馈控制均匀控制批量控制 1985-1997装置级最优化控制自校正控制解藕控制模糊控制　　　　　跟踪控制神经网络控制　　　最优控制预测控制　　　　　自适应控制鲁棒控制　　　　　软测量技术 1997－　　工厂综合自动化分散递阶控制静态与动态协调控制信息集成及网络化现场总线控制系统 国内外比较电动单元仪表集散控制系统现场总线控制系统国外60~70年代70~80年代90年代70~80年代90年代初90年代中后期国内10+年 集散型控制系统特点及优点 集散控制系统（DCS)特点集散型控制系统，是一种新型的过程控制系统.整个装置继承了常规模拟仪表控制系统和计算机集中控制系统的优点，并且克服了单微机控制系统危险性高度集中以及常规仪表控制功能单一，人/机联系差的缺点。 常规控制系统的弱点常规控制即70年代工业控制中采用的模拟电动仪表控制系统或计算机直接数字控制。生产过程规模不断扩大，中控仪表越来越多，操作人员对过程的监控和操作的要求也越来越多、高，模拟仪表难以胜任。仪表技术发展很快，更新换代的周期越来越短，工业技术的发展要求仪表控制系统能适应它们发展的需要。 常规控制系统的弱点如何把因计算机的故障造成的危害减少，使危险分散，成为应用计算机控制系统首要解决的问题集中和综合的操作和监督要求对全厂、各车间和工段级的控制和操作有相应的数据通信联系，不仅要求有大量的数据传送，而且要求有高速的数据传输速率。 集散控制系统（DCS)优点功能齐全集散系统可以完成从简单的单回路控制到复杂的多变量模型优化控制；可以执行从常规的PID运算到SMITH预估，三阶矩阵乘法等各种运算；可以进行连续的反馈控制，也可以进行间断的顺序控制，逻辑控制，可以实现监控，显示，打印，报警，历史数据存储等日常的全部操作要求。 集散控制系统（DCS)优点人/机联系好，实现了集中监控和管理操作人员通过CRT和操作键盘，可以监控全部生产装置以及整个工厂的生产情况，按预定的控制策略组成各种不同的控制回路，并调整回路的任一常数，而且还可以对机电设备进行各种控制，从而实现了真正的集中操作和监控管理。 集散控制系统（DCS)优点系统扩展灵活集散系统采用模块式结构，用户可根据需要方便地扩大或缩小系统的规模，或改变系统的控制级别。集散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。 集散控制系统（DCS)优点安全可靠性高由于采用了多微处理机的分散控制结构，危险性分散，系统中的关键设备采用双重或多重冗余，还设有无中断自动控制系统和完善的自诊断功能，使系统的平均无故障时间MTBF达到105天，平均修复时间MTTR为10-2天，整个系统的利用率达到99.999%。 集散控制系统（DCS)优点安装调试简单集散系统的各模件都安装在标准机架内，模件之间采用多芯电缆，标准化接插件连接，与过程的连接采用规格化端子板，到中控室操作站只需敷设同轴电缆进行数据传递，所以布线量大大减少，安装工作量仅为常规仪表的1/2-1/3。系统调试采用专用的调试软件，使调试时间仅为常规仪表的1/2。 集散控制系统（DCS)优点具有良好的性能价格比在性能上集散系统技术先进，功能齐全，可靠性高. 典型国外集散控制系统（DCS)由于集散系统具有众多的优越性，从1975年美国霍尼韦尔公司发表“TDC2000”系统后，国外各家公司生产的集散系统有几十种，下表列出了国外集散系统的概况。 典型国外集散控制系统（DCS) 集散控制系统分类三代DCS：1、75-80年，第一代。8位、cisc技术、常规仪表功能。2、80年代中－90年代前期，第二代。16位、risc技术、实时操作和程序编译已比较完整。3、90年代中到21世纪，第三代。16/32位、多CPU用于控制运算、冗余切换、通信等。 国内集散控制系统我国使用集散系统在七十年代末八十年代初，85年进入推广应用阶段。目前国内已出现浙大中自、和利时、新华这三个国内知名品牌。集散系统的应用，把我国过程控制推向一个新的水平，取得较为显著的经济效益，其发展前景是十分广阔的。 DCS使先进控制成为可能使用DCS不能仅仅简单取代常规仪表的功能。DCS使用应尽可能达到最优的性能价格比DCS是实现优化、先进控制的基础，是综合自动化，TIA的基础。 先进控制技术的发展常规（经典）控制技术:主要是PID控制技术目前的控制系统中仍约有90％采用的是常规PID控制技术（包括一些改进型PID控制技术）PID控制具有如下主要优点：1.不需要对象的模型。2.分析、设计和实现简单，易于被现场工程师所接受。3.具有较强的鲁棒性。 先进控制技术的主要内容1）过程变量的采集与处理2）多变量动态过程模型辨识技术3）软测量技术,工艺计算模型4）先进控制策略（预测控制）5）故障检测、预报、诊断和处理6）工程化软件及项目开发服务 流程工业——先进控制功能结构决策层管理层调度层经营决策系统监控层控制层关系数据库实时数据库管理信息系统生产调度系统过程监控系统DCS系统生产过程产品策略生产计划调度指令优化设定控制信息 综合自动化的关键技术多变量预测控制预测函数控制（PFC）模糊控制软测量其它复杂控制专用控制软件先进过程控制软件（APC） 自动化孤岛 1+1=2? “自动化孤岛”连在一起 “自动化孤岛”集成在一起 DCS发展趋势 DCS的发展分布式控制系统(DistributedControlSystem———DCS)是应用计算机技术对生产过程进行集中监测、管理和分散控制的综合性网络系统。自1975年美国HONEYWELL公司推出第一套分布式控制系统(TDC-2000)以来,DCS已经在工业过程控制领域中得到了广泛的应用。纵观其近三十年的发展历程,计算机(Computer)技术、控制(Control)技术、通信(Communication)技术以及显示技术(CRT)的不断进步与DCS的更新换代息息相关。例如,局域网络技术(LAN)的应用标志着第二代DCS的产生;开放系统(OS)则产生了第三代DCS。可以说,DCS是4C技术发展的必然产物;同时,DCS的发展也推动了相关技术的应用与发展,如可编程序控制器(PLC)技术、现场总线(Fieldbus)技术、智能控制(IntelligentControl)技术与过程控制软件等。这些高新技术将为DCS迈向大型化的计算机集成制造系统(CIMS)提供有力的支持和保障。 DCS特点DCS是分级递阶的控制系统,集中管理和分散控制是它的主要特点。采用分级递阶的体系结构,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。最简单的DCS至少在垂直方向上分为两级,即操作管理级和过程控制级。在水平方向上各个过程控制级之间是相互协调的分级,在完成现场数据上传和接受操作管理级指令的同时,各水平级间也可进行数据交换。这种分工协作的关系能够使整个系统在优化的操作条件下运行。DCS中的分散是在相互协调基础下的自治。分散的含义不仅是分散控制,还包含有人员分散、地域分散、功能分散、危险分散、设备分散以及操作分散等含义。分散的最终目的是为了有效提高设备的可利用率。基于上述特点,在局域通信网络(LAN)的支持下,一套完整的DCS一般由监控管理级、过程控制级和现场级组成。 DCS结构 传统分散控制系统结构概述分散控制系统DCS指的是控制与危险分散、地域安装分散，管理和显示集中。20世纪70年代中期以完成模拟量控制的DCS推向市场，代替原来以实现PID功能为主的模拟仪表控制。首先提出DCS这种思想的是原制造仪表的厂商，当时主要应用于化工行业，后又有计算机行业从事DCS的开发。 分散系统的组成后有人提出把控制和显示分开。一类计算机完成控制任务，另一类计算机完成显示任务。另外，一个工厂的工艺过程可以分为几个相对独立的部分，作为被控对象可能需要显示和控制的点很多，控制部分也可分为几个部分。其中有一些还需要闭环控制或逻辑运算，再把在计算机控制系统中独立工序上需显示和控制的输入、输出点分配到数台计算机中去，建立过程控制站，在网络上称为一个节点。把原来由一台小型机完成的运算任务由几台或几十台计算机(控制器和人机界面)去完成，其中一台机器坏了不影响全局。所谓“群狼代替老虎”的战术，达到危险分散；并在地域上，控制器按工艺过程分开安装，以减少连接电缆，并达到地理分散的目的。这就是另一层分散的意思，把显示、操作、打印等管理功能集中在一起，用网络把上述完成控制和显示的两部分连成一个系统。这种网络是专用的。从以上叙述，分散系统分成3部分：过程控制器、人机界面和通信网络。 通信网络进入工业控制系统以通信网络作为纽带，网络结构可分为总线式、环型式和星型式从横向来看，连在网络上的过程控制站和人机界面通称为网络节点。节点是参加网络通信的最小单位。操作站中的软件、硬件都是专用的。连在网络上的节点有操作站、现场控制单元和计算机接口单元。除星型结构外，环型和总线式结构逻辑相同。早期DCS的操作站和网络的接口都是厂家自己开发的，操作站与网络连接时，有一个专用接口，后来因为操作站主机也采用个人微机或小型机，所以操作站和计算机的接口相同。对于中小型系统，系统都是由用户或工程公司集成，采用星型结构比较多。一台人机界面与多台控制器相连，控制器之间没有直接联系。人机界面起着信息交换的作用。如需增加人机界面，增加辅站。如人机界面有故障，则影响整个网络的通信，辅站也不能工作。大中型系统由分散型系统制造厂商提供，采用总线或环型结构。 从现场应用情况看，除传统DCS和PLC外，还有现场总线系统，如基金会总线系统FF，其特点是变送器、控制阀都数字化，如PID一些算法存在变送器、控制阀中，数据调用通过网络进行。把传统控制器去掉，人机界面直接连在网络上。另外一种系统仍保留控制器，通过现场总线把I/O信号送到控制器，现场总线只是解决现场信号的远程传输问题。通信网络进入工业控制系统 系统集成未来10～15年发展方向和主要潮流虽然新系统不断涌现，传统DCS和PLC不会嘎然停止，还会延续很长时间，现场总线也会和DCS、PLC联合使用，在相当长时间内，现场总线和DCS、PLC不是相互替代，而是相互融合和集成，今后现场总线更多将以技术面目而非系统面目出现在实际应用中。如Modbus协议，已成为DCS、PLC和现场仪表连接的纽带，以太网全面进入工业控制领域，不仅管理层运用以太网，底层也可采用以太网，促使DCS技术本身得到很大发展。小型系统也可采用回路控制器和计算机数字直接控制，前者是把现场信号直接连到回路控制器端子上，后者是把现场信号通过I/O卡连到计算机，算法在计算机内，计算完后再送到现场执行机构。计算机既作控制，又要完成人机界面的任务。 DCS发展方向传统分散系统的缺点传统分散系统控制器和人机界面的软硬件都是专用的，不开放，各家DCS开发商都创造了一种计算机“方言”，比如INFI90、TDC3000、CS1000、CS3000、Teleperm等方言，彼此无法互操作，也不能与第三方通信。如PI公司的优化控制软件，iFIX，InTouch等监控软件与这些DCS通信都必须开发专用驱动软件。这些驱动软件的开发都是很昂贵的，建立工厂MIS系统投入很大，需开发连接软件。 DCS的替代操作站解决传统DCS封闭的缺陷，最有效的办法就是采用替代操作站或系统移植(Migrate)。Emerson公司在这方面做了很大努力，替代操作站是采用FIX和InTouch监控软件，他们开发了许多DCS的驱动软件及OPC服务器。但目前OPC服务器开发最成功的是美国ICON公司的GENESIS，GENESIS支持VBA，现在美国市场销售势头很旺。替代操作站在许多系统上的改造和移植都很成功。DCS发展方向 目前工业自动化领域，存在几种情况：(1)传统DCS、PLC继续占主流地位；(2)部分领域采用现场总线，CAN和Profibus总线以其价格优势，和回路控制器一样占有一席之地；(3)系统开放主要有3种途径：动态数据交换(DDE)、嵌入式过程控制(OPC)和ArchestrA信息技术；(4)以太网全面进入工业控制领域。系统集成是工业控制的发展方向，是不同厂家产品、技术的优化组合，由一两家产品唱独角戏的时代已经结束了。 休息时间Havearest'