Process Control & Instrumentation Technology
主要内容
过程计算机控制系统特点及构成
直接数字控制（ DDC）系统
监督控制与数据采集（ SCADA）系统
集散控制系统（ DCS）系统
现场总线技术
计算机控制系统应用举例
Process Control & Instrumentation Technology
过程计算机控制系统特点
可靠性高；
对计算机的速度和精度要求较低；
输入、输出等外部设备较完善；
实时响应性好；
中断系统比较完善；
具有比较丰富的指令系统；
有比较完善的软件系统等 。
Process Control & Instrumentation Technology
过程计算机控制系统构成
主机；
过程通道；
自动化仪表；
应用软件等。
Process Control & Instrumentation Technology
直接数字控制（ DDC）系统
最普遍的一种应用形式，采用计算机直接对生产进行自动控制。最常用的是工业 PC机（ IPC）。
IPC是在 PC机的基础上经过改进使之能适合恶劣工业环境的 PC机。
IPC配有各种过程输入 /出接口板和相应的工业应用软件，具有良好的开放性、安全性、灵活性和可联网性。
其突出优点是：非常强的计算处理能力，标准化总线，丰富的图形显示及多媒体功能，丰富操作系统支持和网络支持。
Process Control & Instrumentation Technology
IPC
目前 IPC已进入工业控制的各个层次，包括控制层、监控层、调度层、管理层和决策层。
几乎所有大型 PLC应用中都以 IPC作为操作员接口。
在大部分 DCS中,IPC用作操作员站的主机和工程师站的主机。
Process Control & Instrumentation Technology
监督控制与数据采集（ SCADA）系统
利用计算机自动调整调节器的给定值，或可调参数值，或由第二级计算机监控第一级 DDC系统。
特点：系统可靠性高，一旦计算机出故障，
仍能由调节器维持生产过程的正常运行。
Process Control & Instrumentation Technology
集散控制系统（ DCS）系统
DCS的设计思想是,控制分散、管理集中,。
与传统的集中式计算机控制系统相比，
控制系统的危险被分散，可靠性大大增加。
DCS具有良好的图形界面，方便的组态软件，丰富的控制算法和开放的联网能力等优点。
成为过程控制系统，特别是大中型流程工业企业中控制系统的主流。
Process Control & Instrumentation Technology
DCS代表厂家
80年代国内 DCS的市场几乎全被国外产品占有，
代表厂家有：
美国的 HONEYWELL；
日本的横河（ YAKOGAWA）；
德国的 SIEMENS等等。
进入 90年代，国产 DCS的市场占有率不断上升，
代表性的有：
北京和利时公司；
浙大中控公司。
Process Control & Instrumentation Technology
DCS的特点
采用分级结构：通常分为三级，第一级为过程控制，第二级为监督控制，第三级为工厂管理；
采用局部网络通信技术；
丰富的功能软件包；
强有力的人机接口功能 ；
采用高可靠性技术。
Process Control & Instrumentation Technology
PLC-SCADA系统与 DCS系统间的区别
PLC-SCADA系统和基于 DCS的过程控制系统从原理上区别不大：
起初,PLC是作为继电逻辑电子设备对数字量进行控制的； DCS系统则引入了模拟量控制。随着系统的发展，至今两者都能对数字量和模拟量进行控制。
DCS系统的设计是面向对象的，而 PLC程序的编码则更多是面向线性顺序控制的。
Process Control & Instrumentation Technology
PLC-SCADA系统与 DCS系统间的区别
一个 DCS系统是由硬件、处理器,I/O模块、运行界面和与之相匹配的应用软件组成的一个完整系统。
PLC-SCADA则将整个系统分散成不同的部分，各个部分之间需要进行组合和通讯。
DCS系统只有一个全局的数据库，一旦修改了这个数据库，它将影响整个系统的运行。 PLC-SCADA系统至少有两个不同的数据库，一个是用于 PLC的，另一个是用在 SCADA应用程序中的。任何修改都将在所有的数据库中进行。
PLC的硬件、软件和授权与 DCS系统的相比相对便宜。
Process Control & Instrumentation Technology
PLC-SCADA系统与 DCS系统间的区别
PLC能以毫秒级的速度扫描，而 DCS则只能以秒级速度扫描。
DCS只有固定的扫描速率，而 PLC的扫描速率则是由负载多少和 I/O的数量决定的。
起初的 DCS是一个很封闭的系统，换句话说，
要实现系统与其它系统接口设计是很困难的。
SCADA系统是基于 PC设计的，所以它与其它系统的接口是通用的。
Process Control & Instrumentation Technology
PLC-SCADA系统与 DCS系统间的区别
PLC-SCADA系统在 PLC和 SCADA进行通讯的时候要进行很多工作。
DCS中通讯检测、系统性能管理和系统报警都使用标准函数，而在 PLC-SCADA中这些功能都需要使用编程来实现。
PLC更适用于小工程，而 DCS系统则适用于大工程。现在，人们组合了 PLC-SCADA和 DCS两者的优点，并把它称之为小型 DCS系统，它具有典型的 DCS性能。
Process Control & Instrumentation Technology
现场总线简介
是指将现场设备（如数字传感器、变送器、仪表与执行机构等）与工业过程控制单元、现场操作站等互连而成的计算机网络。
主要用于现场的智能化仪表、控制器、执行机构,I/O模块等现场设备间的信息传递。
具有全数字化、分散、双向传输和多分支的特点，是工业控制网络向现场级发展的产物。
Process Control & Instrumentation Technology
现场总线简介
采用现场总线技术进行数字通信，而不再用模拟信号通过电线、电缆互连，信号传递方式发生了根本性变化，信号传递更加可靠、经济、各个仪表及装置之间的互连更加方便灵活。
采用现场总线技术构成的分散控制系统，
其控制功能将更加分散，系统构成将更加灵活、可靠性更高。
Process Control & Instrumentation Technology
现场总线的层次
现场级的控制网络可以分为三个层次：
Sensor Bus：面向的是简单的数字传感器和执行机构，主要传输状态信息，网上交换的数据单元是位
（ bit）；
Device Bus：面向的是模拟传感器和执行器，主要传输模拟信号的采集转换值、校正与维护信息等，
网上交换的数据单元是字节（ Byte）；
Field Bus：面向的是控制过程，除了传输数字与模拟信号的直接信息外，还可传输控制信息，即 Field
Bus上的结点可以是过程控制单元（ PCU）,Field
Bus网络交换的数据单元是帧（ Frame）。
Process Control & Instrumentation Technology
代表性的现场总线
RS-485总线
PROFIBUS
CANBUS
LONWORKS
Process Control & Instrumentation Technology
RS-485总线
电气特性：
信号负逻辑，＋ 2V～＋ 6V表示,0”,- 6V～ -
2V表示,1”
二线双端半双工差分电平发送与接收
无公共地线
能有效克服共模干扰、抑制线路噪声
传输距离 1.2km，最高数据传输速率可达
10Mbit/s。
Process Control & Instrumentation Technology
PROFIBUS总线
1987年德国工业界开始启动了 PROFIBUS联合开发项目。
由这个联合体开发的规则和标准成为德国工业标准，即 DIN E 19245[2] PROFIBUS标准。
1996年，德国的国家现场总线标准成为国际性标准，即欧洲标准 EN 50170。
2000年 3月,PROFIBUS标准被批准为国际现场总线标准 IEC61158的组成部分（ TYPEIII）。
Process Control & Instrumentation Technology
PROFIBUS总线
PROFIBUS主要由 PROFIBUS-FMS,PROFIBUS-PA
和 PROFIBUS-DP三部分组成。
PROFIBUS-DP是一种高速、经济的设备级网络，
主要用于现场控制器与分散 I/O之间的通信；
PROFIBUS-PA用 IECII58-2标准，传输速率为
31.25Kbps，提供本质安全特性，适用于安全性要求较高以及由总线供电的场合；
PROFIBUS-FMS主要解决车间级通信问题，完成中等传输速度的循环或非循环数据交换任务；
使用 PROFIBUS技术公司有 SIEMENS,E+H等。
Process Control & Instrumentation Technology
CANBUS
作为 ISO11898CAN标准的 CANBUS，是制造厂中连接现场设备（传感器、执行器、控制器等）、面向广播的串行总线系统
最初由美国通用汽车公司（ GM）开发用于汽车工业，后日渐增多地出现在制造自动化行业中。
Process Control & Instrumentation Technology
LONWORKS
LONWORKS是美国 ECHLON公司 1991年推出的现场总线技术与产品。
目前它的使用已遍及世界 56个国家和地区的工业、楼字、能源等自动化领域。
Process Control & Instrumentation Technology
基于 PROFIBUS的 PLC-SCADA系统在磨矿过程中的应用
磨矿过程自动控制的目标,
一是控制分级溢流的矿石粒度满足工艺要求，
以利于后面的浮选作业；
二是在保证粒度满足工艺要求的前提下，尽可能提高磨机的入磨台时（即单台设备每小时的处理量），从而提高产量，降低能耗。
Process Control & Instrumentation Technology
磨矿过程控制特点
数据量大而且分散
根据低压配电室及车间信号采集点的实际布局，需设多个站点，对系统通信联网的方便性和可靠性要求很高。
受控设备多并且存在紧密的联锁关系
润滑油泵、磨机、分级机、给矿皮带、集矿皮带和摆式给矿机等设备之间是一个典型的以电机启 /停和互锁控制为主的系统，要求控制器应易于实现此类控制。
Process Control & Instrumentation Technology
磨矿过程控制特点
测量和控制参数多
要实现上述控制目标，要求实时检测矿浆粒度值、
入磨台时和多个给水点的给水量，并通过若干调节阀和变频器实现上述参数的调节与控制。
控制算法较复杂
为达到良好的粒度和入磨台时控制效果，需采用除
PID控制算法外其它先进算法，如模糊控制算法，算法的复杂性较大，这对控制器的数据处能力要求较高。
Process Control & Instrumentation Technology
控制系统网络结构设计
磨矿系统决定采用基于西门子 PLC的
SCADA控制方案。
选择 S7300系列 PLC（ 315-2DP）作为主控制器。
每个系列各设 1个主站点。
选择 ET200M模块作为远程 I/O，根据每系列的实际情况，每系列在车间设 有多 个远程 I/O站点。
Process Control & Instrumentation Technology
控制系统网络结构设计
Process Control & Instrumentation Technology
网络结构特点
一根通信线就可以实现现场 I/O信号和 CPU之间、
CPU与上位机 PC之间的连接。
采用 PLC，对系统的联锁、保护等以开关量为主的处理极为方便。
采用模块化编程，通过组织块（ OB）、功能块
（ FB）、数据块（ DB）等模块之间的调用，可以实现复杂的控制算法。
通过 局域网，车间主任、车间调度可在网上直接浏览车间的生产和底层设备的运行情况 。
Process Control & Instrumentation Technology
操作站主要功能
工艺流程和工艺数据实时显示；
查询功能；
历史曲线；
报警；
参数设置；
报表统计；
联网 等等。
主要内容
过程计算机控制系统特点及构成
直接数字控制（ DDC）系统
监督控制与数据采集（ SCADA）系统
集散控制系统（ DCS）系统
现场总线技术
计算机控制系统应用举例
Process Control & Instrumentation Technology
过程计算机控制系统特点
可靠性高；
对计算机的速度和精度要求较低；
输入、输出等外部设备较完善；
实时响应性好；
中断系统比较完善；
具有比较丰富的指令系统；
有比较完善的软件系统等 。
Process Control & Instrumentation Technology
过程计算机控制系统构成
主机；
过程通道；
自动化仪表；
应用软件等。
Process Control & Instrumentation Technology
直接数字控制（ DDC）系统
最普遍的一种应用形式，采用计算机直接对生产进行自动控制。最常用的是工业 PC机（ IPC）。
IPC是在 PC机的基础上经过改进使之能适合恶劣工业环境的 PC机。
IPC配有各种过程输入 /出接口板和相应的工业应用软件，具有良好的开放性、安全性、灵活性和可联网性。
其突出优点是：非常强的计算处理能力，标准化总线，丰富的图形显示及多媒体功能，丰富操作系统支持和网络支持。
Process Control & Instrumentation Technology
IPC
目前 IPC已进入工业控制的各个层次，包括控制层、监控层、调度层、管理层和决策层。
几乎所有大型 PLC应用中都以 IPC作为操作员接口。
在大部分 DCS中,IPC用作操作员站的主机和工程师站的主机。
Process Control & Instrumentation Technology
监督控制与数据采集（ SCADA）系统
利用计算机自动调整调节器的给定值，或可调参数值，或由第二级计算机监控第一级 DDC系统。
特点：系统可靠性高，一旦计算机出故障，
仍能由调节器维持生产过程的正常运行。
Process Control & Instrumentation Technology
集散控制系统（ DCS）系统
DCS的设计思想是,控制分散、管理集中,。
与传统的集中式计算机控制系统相比，
控制系统的危险被分散，可靠性大大增加。
DCS具有良好的图形界面，方便的组态软件，丰富的控制算法和开放的联网能力等优点。
成为过程控制系统，特别是大中型流程工业企业中控制系统的主流。
Process Control & Instrumentation Technology
DCS代表厂家
80年代国内 DCS的市场几乎全被国外产品占有，
代表厂家有：
美国的 HONEYWELL；
日本的横河（ YAKOGAWA）；
德国的 SIEMENS等等。
进入 90年代，国产 DCS的市场占有率不断上升，
代表性的有：
北京和利时公司；
浙大中控公司。
Process Control & Instrumentation Technology
DCS的特点
采用分级结构：通常分为三级，第一级为过程控制，第二级为监督控制，第三级为工厂管理；
采用局部网络通信技术；
丰富的功能软件包；
强有力的人机接口功能 ；
采用高可靠性技术。
Process Control & Instrumentation Technology
PLC-SCADA系统与 DCS系统间的区别
PLC-SCADA系统和基于 DCS的过程控制系统从原理上区别不大：
起初,PLC是作为继电逻辑电子设备对数字量进行控制的； DCS系统则引入了模拟量控制。随着系统的发展，至今两者都能对数字量和模拟量进行控制。
DCS系统的设计是面向对象的，而 PLC程序的编码则更多是面向线性顺序控制的。
Process Control & Instrumentation Technology
PLC-SCADA系统与 DCS系统间的区别
一个 DCS系统是由硬件、处理器,I/O模块、运行界面和与之相匹配的应用软件组成的一个完整系统。
PLC-SCADA则将整个系统分散成不同的部分，各个部分之间需要进行组合和通讯。
DCS系统只有一个全局的数据库，一旦修改了这个数据库，它将影响整个系统的运行。 PLC-SCADA系统至少有两个不同的数据库，一个是用于 PLC的，另一个是用在 SCADA应用程序中的。任何修改都将在所有的数据库中进行。
PLC的硬件、软件和授权与 DCS系统的相比相对便宜。
Process Control & Instrumentation Technology
PLC-SCADA系统与 DCS系统间的区别
PLC能以毫秒级的速度扫描，而 DCS则只能以秒级速度扫描。
DCS只有固定的扫描速率，而 PLC的扫描速率则是由负载多少和 I/O的数量决定的。
起初的 DCS是一个很封闭的系统，换句话说，
要实现系统与其它系统接口设计是很困难的。
SCADA系统是基于 PC设计的，所以它与其它系统的接口是通用的。
Process Control & Instrumentation Technology
PLC-SCADA系统与 DCS系统间的区别
PLC-SCADA系统在 PLC和 SCADA进行通讯的时候要进行很多工作。
DCS中通讯检测、系统性能管理和系统报警都使用标准函数，而在 PLC-SCADA中这些功能都需要使用编程来实现。
PLC更适用于小工程，而 DCS系统则适用于大工程。现在，人们组合了 PLC-SCADA和 DCS两者的优点，并把它称之为小型 DCS系统，它具有典型的 DCS性能。
Process Control & Instrumentation Technology
现场总线简介
是指将现场设备（如数字传感器、变送器、仪表与执行机构等）与工业过程控制单元、现场操作站等互连而成的计算机网络。
主要用于现场的智能化仪表、控制器、执行机构,I/O模块等现场设备间的信息传递。
具有全数字化、分散、双向传输和多分支的特点，是工业控制网络向现场级发展的产物。
Process Control & Instrumentation Technology
现场总线简介
采用现场总线技术进行数字通信，而不再用模拟信号通过电线、电缆互连，信号传递方式发生了根本性变化，信号传递更加可靠、经济、各个仪表及装置之间的互连更加方便灵活。
采用现场总线技术构成的分散控制系统，
其控制功能将更加分散，系统构成将更加灵活、可靠性更高。
Process Control & Instrumentation Technology
现场总线的层次
现场级的控制网络可以分为三个层次：
Sensor Bus：面向的是简单的数字传感器和执行机构，主要传输状态信息，网上交换的数据单元是位
（ bit）；
Device Bus：面向的是模拟传感器和执行器，主要传输模拟信号的采集转换值、校正与维护信息等，
网上交换的数据单元是字节（ Byte）；
Field Bus：面向的是控制过程，除了传输数字与模拟信号的直接信息外，还可传输控制信息，即 Field
Bus上的结点可以是过程控制单元（ PCU）,Field
Bus网络交换的数据单元是帧（ Frame）。
Process Control & Instrumentation Technology
代表性的现场总线
RS-485总线
PROFIBUS
CANBUS
LONWORKS
Process Control & Instrumentation Technology
RS-485总线
电气特性：
信号负逻辑，＋ 2V～＋ 6V表示,0”,- 6V～ -
2V表示,1”
二线双端半双工差分电平发送与接收
无公共地线
能有效克服共模干扰、抑制线路噪声
传输距离 1.2km，最高数据传输速率可达
10Mbit/s。
Process Control & Instrumentation Technology
PROFIBUS总线
1987年德国工业界开始启动了 PROFIBUS联合开发项目。
由这个联合体开发的规则和标准成为德国工业标准，即 DIN E 19245[2] PROFIBUS标准。
1996年，德国的国家现场总线标准成为国际性标准，即欧洲标准 EN 50170。
2000年 3月,PROFIBUS标准被批准为国际现场总线标准 IEC61158的组成部分（ TYPEIII）。
Process Control & Instrumentation Technology
PROFIBUS总线
PROFIBUS主要由 PROFIBUS-FMS,PROFIBUS-PA
和 PROFIBUS-DP三部分组成。
PROFIBUS-DP是一种高速、经济的设备级网络，
主要用于现场控制器与分散 I/O之间的通信；
PROFIBUS-PA用 IECII58-2标准，传输速率为
31.25Kbps，提供本质安全特性，适用于安全性要求较高以及由总线供电的场合；
PROFIBUS-FMS主要解决车间级通信问题，完成中等传输速度的循环或非循环数据交换任务；
使用 PROFIBUS技术公司有 SIEMENS,E+H等。
Process Control & Instrumentation Technology
CANBUS
作为 ISO11898CAN标准的 CANBUS，是制造厂中连接现场设备（传感器、执行器、控制器等）、面向广播的串行总线系统
最初由美国通用汽车公司（ GM）开发用于汽车工业，后日渐增多地出现在制造自动化行业中。
Process Control & Instrumentation Technology
LONWORKS
LONWORKS是美国 ECHLON公司 1991年推出的现场总线技术与产品。
目前它的使用已遍及世界 56个国家和地区的工业、楼字、能源等自动化领域。
Process Control & Instrumentation Technology
基于 PROFIBUS的 PLC-SCADA系统在磨矿过程中的应用
磨矿过程自动控制的目标,
一是控制分级溢流的矿石粒度满足工艺要求，
以利于后面的浮选作业；
二是在保证粒度满足工艺要求的前提下，尽可能提高磨机的入磨台时（即单台设备每小时的处理量），从而提高产量，降低能耗。
Process Control & Instrumentation Technology
磨矿过程控制特点
数据量大而且分散
根据低压配电室及车间信号采集点的实际布局，需设多个站点，对系统通信联网的方便性和可靠性要求很高。
受控设备多并且存在紧密的联锁关系
润滑油泵、磨机、分级机、给矿皮带、集矿皮带和摆式给矿机等设备之间是一个典型的以电机启 /停和互锁控制为主的系统，要求控制器应易于实现此类控制。
Process Control & Instrumentation Technology
磨矿过程控制特点
测量和控制参数多
要实现上述控制目标，要求实时检测矿浆粒度值、
入磨台时和多个给水点的给水量，并通过若干调节阀和变频器实现上述参数的调节与控制。
控制算法较复杂
为达到良好的粒度和入磨台时控制效果，需采用除
PID控制算法外其它先进算法，如模糊控制算法，算法的复杂性较大，这对控制器的数据处能力要求较高。
Process Control & Instrumentation Technology
控制系统网络结构设计
磨矿系统决定采用基于西门子 PLC的
SCADA控制方案。
选择 S7300系列 PLC（ 315-2DP）作为主控制器。
每个系列各设 1个主站点。
选择 ET200M模块作为远程 I/O，根据每系列的实际情况，每系列在车间设 有多 个远程 I/O站点。
Process Control & Instrumentation Technology
控制系统网络结构设计
Process Control & Instrumentation Technology
网络结构特点
一根通信线就可以实现现场 I/O信号和 CPU之间、
CPU与上位机 PC之间的连接。
采用 PLC，对系统的联锁、保护等以开关量为主的处理极为方便。
采用模块化编程，通过组织块（ OB）、功能块
（ FB）、数据块（ DB）等模块之间的调用，可以实现复杂的控制算法。
通过 局域网，车间主任、车间调度可在网上直接浏览车间的生产和底层设备的运行情况 。
Process Control & Instrumentation Technology
操作站主要功能
工艺流程和工艺数据实时显示；
查询功能；
历史曲线；
报警；
参数设置；
报表统计；
联网 等等。
