第二部分 控制系统类型.

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1 第二部分 控制系统类型

2 PCS系统即基层自动化系统，主要包括以下几种控制系统：
1、DCS 2、PLC 3、PAC 4、SCADA、RTU 5、PC-based控制器、IPC ……

3 一、DCS 1、基本概念： 分散控制系统(Distributed Control System)，采用功能分级、软硬件分布配置、监控管理功能集中于中央站和有相当操作级别的终端，实时性强的控制和调节功能由分站完成，中央站停止工作不影响分站功能和设备运转，对于局部网络通信控制也不应因此而中断 。 由HONEYWELL公司在1975年首先推出的系统。即：TDC2000，它只有模拟量控制。 目前生产DCS的厂家： （1）国外： HONEYWELL公司－Expersion PKS; ABB－Industrial IT；Simenz－PCS7；日本横河的YEPARK MARKⅡ 等等。 （2）国内：浙大中控、和利时等。 2、发展历程 （1）第一个阶段---20世纪50年代前后，过程控制开始发展。这一阶段主要采用了基地式仪表和部分单元组合仪表，多数为气动式仪表。控制系统结构简单，控制参数少。（2）第二个阶段---20世纪60年代，电子技术的发展，为自动化技术工具的完善提供了条件，开始大量采用单元组合仪表，组装仪表也已使用，能够满足比较复杂的模拟和逻辑控制规律相结合的控制系统需要。计算机开始用在工业生产中，比较复杂的控制算法如串级控制、比值控制和均匀控制等开始使用。

4 2、发展历程 （3）第三个阶段----70年代以后，微型机的出现，是过程控制发展到现代过程控制的新阶段。采用了以微处理器为核心的智能单元组合仪表，仪表可靠性能提高了，适应了各种复杂的控制系统的要求。由于生产过程是一个分散的系统，为满足工业生产分散过程的需要，集散型控制系统（DCS）应运而生 。（4）现场总线的出现－FCS。 3、DCS组成 DCS由四部份组成（也可以说成三部分）：I/O板、控制器、操作站和通讯网络。 人机接口包括操作站、工程师站和历史站。控制器I/O部件和生产过程相联接，操作站和人相联系，通讯网络把这两部分联成系统。所以操作站是DCS的重要组成部分，工程师站给控制器和操作站组态，历史站记录生产过程的历史数据。最近几年开发的人机界面还有动态数据服务器。

5 4、现场总线 现场总线是20 世纪80 年代末、90 年代初国际上形成的,用于生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统,也被称为 开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。 现场总线技术以数字信号取代模拟信号，在3C（Computer计算机、Control控制、Communication通信）技术的基础上，大量现场检测与控制信息就地采集、就地处理、就地使用，许多控制功能从控制室移至现场设备。 现场总线 FCS 4.1现场总线类型 目前，国内、外的现场总线有60几种之多。 2000年1月4日通过IEC ～6标准，该标准包括了8种类型的现场总线子集，它们分别是：①基金会现场总线FF(原有的技术规范IEC 61158)；②Control Net； ③Profibus；④P—Net；⑤FF HSE；⑥Swift Net；⑦Word FIP； ⑧Interbus。 ④、⑥是用于有限领域的专用现场总线；②、③、⑦、⑧是由PLC为基础的控制系统发展而来，本质上以远程I/O总线技术为基础，通常不具备通过总线向现场设备供电和本征安全性能；①、⑤则由传统DCS控制系统发展而来，具有总线供电和本征安全功能；①、⑧属于现场设备级总线，②、⑤属于监控级现场总线；③、⑦则是包括两个层次的现场总线。

6 4.2现场总线与以太网比较 物理层比较 (2) 介质访问控制方式比较 　　现场总线介质访问控制方式： 　　现场总线的介质访问控制方式要满足工业控制网络的要求，即通信的实时性和确定性。确定性指站点每次得到网络服务间隔和时间是确定的；实时性指网络分配给站点的服务时间和间隔可以保证站点完成它确定的任务。 　　目前现场总线技术采用的介质访问控制方式主要有：令牌、主从、生产者/客户（producer/consumer）。 　　以太网介质访问控制方式： CSMA/CD(载波监听多路访问/冲突检测)是以太网（或IEEE802.3）采用的介质访问控制方式。

7 二、PLC 1、基本概念：可编程序控制器，专为在工业环境中应用而设计，采用可编程序的存储器存储操作指令，并通过数字式的或模拟式的输入输出控制机械或生产过程（IEC—1985）。 1969年美国通用公司生产第一套PLC（Programmable Logic Controller ）。 国内外许多生产PLC厂家。 2、发展历程 上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。 　　PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。 3、PLC构成 从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。

8 三、PAC 1、基本概念：PAC 这个概念的提出是针对PLC 的概念而来，作为一种快速和可靠的解决方案，由自动化研究机构 (ARC) 提出的，它表示可编程自动化控制器，用于描述结合了PLC和PC功能的新一代工业控制器。传统的PLC厂商使用PAC的概念来描述他们的高端系统，而PC控制厂商则用来描述他们的工业化控制平台。采用现有的商业计算机技术，所以具有更优异的效能，并具有可伸缩性。透过商业化大量生产的平台，所以易于维护和具有较低的发生故障时间等特性。 目前生产PAC的厂家如罗克维尔、研华、贝加莱等。 2、PAC发展前景及趋势 PAC技术是一种新型的控制技术，与PLC相比，具有开放的体系结构和优秀的互操作性、灵活性；与PC相比，又具有更高的稳定性和更好的实时性，因此能更好地满足现代工业自动化的要求，是目前工业自动化领域研究的热点之一。

9 四、SCADA、RTU 1、SCADA： （1） SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition)系统，即数据采集与监视控制系统。SCADA系统的应用领域很广，它可以应用于电力系统、给水系统、石油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。在电力系统以及电气化铁道上又称远动系统。SCADA系统是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统。它可以对现场的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能。 （2）SCADA系统发展到今天已经经历了三代。第一代是基于专用计算机和专用操作系统的SCADA系统。这一阶段是从计算机运用到SCADA系统时开始到70年代。 第二代是80年代基于通用计算机的SCADA系统，在第二代中，广泛采用VAX等其它计算机以及其它通用工作站，操作系统一般是通用的UNIX操作系统。在这一阶段，SCADA系统在电网调度自动化中与经济运行分析，自动发电控制（AGC）以及网络分析结合到一起构成了EMS系统（能量管理系统）。第一代与第二代SCADA系统的共同特点是基于集中式计算机系统，并且系统不具有开放性，因而系统维护，升级以及与其它联网构成很大困难。 90年代按照开放的原则，基于分布式计算机网络以及关系数据库技术的能够实现大范围联网的EMS/SCADA系统称为第三代。这一阶段是我国SCADA/EMS系统发展最快的阶段，各种最新的计算机技术都汇集进SCADA/EMS系统中。这一阶段也是我国对电力系统自动化以及电网建设投资最大的时期。 第四代SCADA/EMS系统的基础条件已经或即将具备。该系统的主要特征是采用Internet技术、面向对象技术、神经网络技术以及JAVA技术等技术，继续扩大SCADA/EMS系统与其它系统的集成，综合安全经济运行以及商业化运营的需要。

10 四、SCADA、RTU 2、RTU： （1）RTU（远程测控终端），英文全称 Remote Terminal Unit，中文全称为远程终端控制系统，负责对现场信号、工业设备的监测和控制。其中包括：开关量输入单元、开关量输出单元、模拟量输入单元、模拟量输出单元、脉冲量输入单元、脉冲量输出单元、数字量输入单元。 PLC 一般主要用于工厂车间流水线的控制，而RTU 在国外主要用于室外应用，恶劣环境中，比如在一些无人值守的站点。 （2）　RTU是构成企业综合自动化系统的核心装置，通常由信号输入/出模块、微处理器、有线/无线通讯设备、电源及外壳等组成，由微处理器控制，并支持网络系统。它通过自身的软件(或智能软件)系统，可理想地实现企业中央监控与调度系统对生产现场一次仪表的遥测、遥控、遥信和遥调等功能。 　　 　　RTU是一种耐用的现场智能处理器，它支持SCADA控制中心与现场器件间的通讯。它是一个独立的数据获取与控制单元。它的作用是在远端控制控制现场设备，获得设备数据，并将数据传给SCADA系统的调度中心。 （3）RTU的发展历程是与“三遥”工程技术相联系。 “三遥”系统工程是多学科、多专业的高新技术系统工程，涉及计算机、机械、无线电、自动控制等技术，还涉及传感器技术、仪器仪表技术、非电量测量技术、软件工程、条码技术、无线电通讯技术、数据通讯技术、网络技术、信息处理技术等高新技术。因此，完全可以断言，RTU的发展将必然会随着“三遥”工程技术的发展而发展。

11 实际上控制系统是以上几种系统组成的混合控制系统（HCS）。 目前煤矿自动化中应用主要为PLC、SCADA、RTU等，DCS也有小部分应用。
五、PC－based控制器、IPC 1、PC-based控制器从外观到可靠性也都开始可以与PLC相近。PC-based是一种基于PC技术的控制系统。最早的PC-based控制系统是以工控机为核心，通过扩展带PCI接口的专用板卡组成。PC-based借助于IT技术的发展，在运算、存储、组网和软件开放性方面具有优势。在编程方面，由于IEC 编程语言标准的推出和广泛采用，为PC-based控制器的高速发展铺平了道路。这样，PC-based控制器不仅具有PC的优势，也具有传统PLC的优势。它可无缝地融合到网络时代的信息系统中。 2、IPC—工控机控制系统。 实际上控制系统是以上几种系统组成的混合控制系统（HCS）。 目前煤矿自动化中应用主要为PLC、SCADA、RTU等，DCS也有小部分应用。

12 PLC与DCS比较，PLC与PAC比较 PLC与PC－based比较

13 自动化控制器演化进程

14 一、PLC&DCS 1、发展背景不同：PLC由传统继电器控制发展而来，早期以数字量逻辑控制为主；DCS由模拟仪表控制系统发展而来，以模拟量回路控制为主。 2、性能指标比较： PLC DCS （1）高速顺序控制 强 较强 （2）复杂过程控制 较强 强 （3）硬件可靠性 强 强 （4）联网和通讯功能 弱 强 （5）管理能力 弱 强 （6）系统诊断和报警 弱 强 3、应用范围 DCS：过程控制，面向工艺变量。 PLC：机械制造和工厂自动化，面向操作人员。

15 一、PLC&DCS 4、发展趋势 由于计算机和网络技术不断发展，DCS和PLC两者功能不断相互渗透。这两类在控制领域各司一方的控制系统，不断吸纳对方优点以充实自己。 DCS 加强PLC逻辑控制、联锁控制、顺序控制和梯形图语言编程功能，甚至一些新DCS也采用国际标准所规定的PLC编程语言规范。DCS在开关量控制速度方面，已有长足进展，像开关量输入响应速度已达到毫秒级；而PLC则增加DCS的闭环控制、记录仪表、CRT显示和网络通信功能。DCS和PLC正在走向统一。

16 二、PLC&PAC 1、从外形看，PLC、PAC相似，实质，PAC系统的性能却广泛得多。作为一种多功能的控制平台，用户可以根据系统的需要，组合和搭配相关的技术和产品以实现功能的侧重，因为基于同一发展平台进行开发，所以采用PAC系统保证了控制系统各功能模块具有统一性，而不仅是一个完全无关的部件拼凑成的集合体。 2、工业领域传统的控制类型包括离散控制、过程控制与运动控制, 以前往往分别采用独立、专用的控制器，彼此之间通讯时，需要编制大量的工程化软件，工作量大且复杂。所以这部份的需求使得PLC开始演化成开放式架构，统一的开发软件，覆盖了多种控制类型，完成了控制平台的横向集成，在系统设计、项目实施、运行维护、培训、系统集成、备件等环节上，都大大减少了用户成本。（PAC产生）

17 三、PLC&PC－based PLC和PC-based两者在技术特点上存在明显区别。PLC具有体积小、功耗低、抗干扰能力强；具有很高的可靠性，其平均无故障率时间间隔（MTBF）可达50万、甚至100万个小时；具有简单直观的编程模式(如梯形图)；具有内部实时时钟。而PC-based具有大运算能力；具有开放标准的系统平台和PCI接口；精美且低成本的显示技术；丰富的组网能力。但系统的可靠性略差，如性能较好的IPC的平均无故障时间间隔约5万小时。此外，PC-based虽然具有很强的CPU，但其多任务操作系统是非实时的，所以程序的循环周期反而没有高性能的PLC快。     PLC更适合于设备控制，而PC-based更多地用于设备运行状态的监视。相对于PC-based而言，PLC具有配置灵活、体积小、适应恶劣环境、抗干扰性强、可靠性高等优点，但在软件功能及系统开放性等方面比PC-based稍差。当然，随着计算机技术和控制技术的不断发展，PLC和PC-based都在吸收对方的优点，以适应更多的应用现场。例如，PLC在包装设备中的应用远远多于PC-based在包装设备中的应用。     随着PC-BASED的工业计算机（简称工业PC，与普通的计算机相比，它具有防尘、防振、抗电磁、耐高低温等优点）的发展，以工业PC、I/O及监控装置、控制网络组成的PC-BASED的自动化系统逐渐成为工业自动化的另一种实现方式。PC-BASED自动化系统源于PC，可完全融入到网络时代的信息系统中，具有高性能、低价格、系统开放、丰富的人才和应用基础等优势。

18 结语 具体选用那种控制系统，根据生产工艺过程、控制复杂程度、生产环境及行业背景等确定。

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