集散控制系統(tǒng)：第一節(jié) 導(dǎo)論

1、集散控制系統(tǒng) 第一章 導(dǎo)論第一章 導(dǎo) 論 集散型控制系統(tǒng)是以微型計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的分散型綜合控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)在發(fā)展初期是以實(shí)現(xiàn)分散控制為主的，國(guó)外一直用分散控制系統(tǒng)的名稱，因此又稱為分散型或分布式控制系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱DCS(Distributed Control System)。美國(guó)霍尼韋爾（Honey Well）公司最早進(jìn)行了DCS研究并推出世界第一套產(chǎn)品TDCS2000。至今，DCS產(chǎn)品幾經(jīng)更新?lián)Q代，技術(shù)性能也隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而日趨完善。第一章 導(dǎo) 論 不管是新上馬的建設(shè)或擴(kuò)建項(xiàng)目，還是老廠的技術(shù)更新改造，DCS首當(dāng)其沖地被作為工業(yè)過(guò)程領(lǐng)域的主要設(shè)備，尤其對(duì)中大規(guī)模的企業(yè)更是如此。DCS已發(fā)展成

2、為當(dāng)今工業(yè)控制的主流系統(tǒng)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，迄今全世界數(shù)百家廠家已開(kāi)發(fā)了各種類型的集散型控制系統(tǒng)已有數(shù)千種，應(yīng)用非常廣泛。 目前應(yīng)用的典型DCS產(chǎn)品有Honwy Well 公司的TDC-3000、橫河公司的Centum-XL 和 uXL、Foxboro 公司的智能自動(dòng)化系統(tǒng)I/AS以及德國(guó)西門(mén)子公司的TelepermM系統(tǒng)，國(guó)產(chǎn)的SUPCON JX300X等。 第一章 導(dǎo) 論 DCS以其先進(jìn)、可靠、靈活和操作簡(jiǎn)便及其合理的價(jià)格而得到廣大工業(yè)用戶的特殊青睞，在化工、石油、電力、冶金和造紙等工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 1.1 DCS 的概念、特點(diǎn)、體系結(jié)構(gòu)和功能集散型控制系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)（Computer

3、）、通信Communication）、CRT顯示和控制Control）技術(shù)（簡(jiǎn)稱四C技術(shù)）發(fā)展起來(lái)的產(chǎn)物。采用控制分散、危險(xiǎn)分散，而操作和管理集中的基本設(shè)計(jì)思想，以及分層、分級(jí)和合作自治的結(jié)構(gòu)形式，適應(yīng)現(xiàn)代的工業(yè)生產(chǎn)和管理要求。常規(guī)模擬調(diào)節(jié)儀表組成的過(guò)程控制系統(tǒng)存在許多局限性，如難以實(shí)現(xiàn)多變量相關(guān)對(duì)象的控制；難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的高級(jí)控制規(guī)律和參數(shù)的集中顯示與操作。由于生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大和工藝過(guò)程的復(fù)雜，就要增加儀表，相應(yīng)的模擬儀表屏就要增大。 1.1 DCS 的概念、特點(diǎn)、體系結(jié)構(gòu)和功能計(jì)算機(jī)的集中DDC控制會(huì)導(dǎo)致危險(xiǎn)集中。不難實(shí)現(xiàn)用一臺(tái)計(jì)算機(jī)去控制幾十個(gè)甚至上百個(gè)回路，但這樣必然會(huì)降低系統(tǒng)的安全運(yùn)行性

4、能。集散型控制系統(tǒng)(DCS)吸收了模擬儀表和計(jì)算機(jī)集中控制的優(yōu)點(diǎn)，將多臺(tái)微機(jī)分散應(yīng)用于過(guò)程控制，全部信息經(jīng)由通信網(wǎng)絡(luò)由上級(jí)計(jì)算機(jī)監(jiān)控；通過(guò)CRT顯示裝置、通信總線、鍵盤(pán)和打印機(jī)等設(shè)備，又能高度集中地操作、顯示和報(bào)警。因此，DCS系統(tǒng)不僅具備極高的可靠性、多功能性，而且人-機(jī)聯(lián)系便利，能夠完成各類數(shù)據(jù)的采集與處理以及復(fù)雜高級(jí)控制。 1.1.1 DCS的組成及特點(diǎn)DCS系統(tǒng)通常由過(guò)程控制單元、過(guò)程接口單元、CRT顯示操作站、管理計(jì)算機(jī)以及高速數(shù)據(jù)通道等五個(gè)主要部分組成。如圖1.1所示。 1.1.1 DCS的組成及特點(diǎn)過(guò)程控制單元（PCU：Process Control Unit）又叫現(xiàn)場(chǎng)控制站。它

5、是DCS的核心部分，完成對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行閉環(huán)控制，可控制數(shù)個(gè)至數(shù)十個(gè)回路，還可進(jìn)行順序、邏輯和批量控制。過(guò)程接口單元（PIU：Process Interface Unit）又叫數(shù)據(jù)采集站。它是為生產(chǎn)過(guò)程中的非控制變量設(shè)置的數(shù)據(jù)采集裝置，不但可完成數(shù)據(jù)的采集和預(yù)處理，還可以對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)作進(jìn)一步加工處理，供CRT操作站顯示和打印，實(shí)現(xiàn)開(kāi)環(huán)監(jiān)視。操作站（OPS：Operating Station）是集散系統(tǒng)的人-機(jī)接口裝置。除監(jiān)視、操作、打印報(bào)表外，系統(tǒng)的組態(tài)、編程也在操作站上進(jìn)行。1.1.1 DCS的組成及特點(diǎn) 操作站設(shè)有操作員鍵盤(pán)和工程師鍵盤(pán)。操作員鍵盤(pán)供操作人員用，可調(diào)出有關(guān)畫(huà)面，進(jìn)行有關(guān)操作，如

6、：修改某個(gè)回路的給定值；改變某個(gè)回路的運(yùn)行狀態(tài)；對(duì)某回路進(jìn)行手工操作、確認(rèn)報(bào)警和打印報(bào)表等。 工程師鍵盤(pán)則主要供技術(shù)人員組態(tài)用，所有的監(jiān)控點(diǎn)、控制回路、各種畫(huà)面、報(bào)警清單和工藝報(bào)警表等均由技術(shù)人員通過(guò)工程師鍵盤(pán)進(jìn)行組態(tài)輸入。 操作站一般配有硬盤(pán)等存儲(chǔ)器；早期系統(tǒng)除硬盤(pán)外，還配有磁帶存儲(chǔ)器。硬盤(pán)主要存儲(chǔ)操作站的組態(tài)軟件、系統(tǒng)組態(tài)軟件、趨勢(shì)記錄、過(guò)程數(shù)據(jù)和報(bào)表等。1.1.1 DCS的組成及特點(diǎn)數(shù)據(jù)高速通道(DH：Data Hiway)又叫高速通信總線、大道和公路等?？傊且环N具有高速通信能力的信息傳輸總線，一般由雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維構(gòu)成。它將過(guò)程控制單元、操作站和上位機(jī)等連成一個(gè)完整的系統(tǒng)

7、，以一定的速率在各單元之間傳輸信息。 1.1.1 DCS的組成及特點(diǎn)管理計(jì)算機(jī)（Manager Computer）管理計(jì)算機(jī)是集散系統(tǒng)的主機(jī)，習(xí)慣上稱它為上位機(jī)。它綜合監(jiān)視系統(tǒng)的各單元，管理系統(tǒng)的所有信息，具有進(jìn)行大型復(fù)雜運(yùn)算的能力以及多輸入、多輸出控制功能，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)控制和全廠的優(yōu)化管理。 1.1.1 DCS的組成及特點(diǎn) 與常規(guī)模擬儀表相比，運(yùn)用分散控制和集中顯示、操作及管理這一基本思想構(gòu)成的DCS系統(tǒng)，具有如下特點(diǎn)：完善的控制功能： 集散系統(tǒng)可以完成連續(xù)、離散、順序、邏輯和批量的控制功能；完成從單回路、串級(jí)、前饋-反饋復(fù)合到非線性、自適應(yīng)、多變量解耦、多變量模型優(yōu)化、多參數(shù)預(yù)估和模糊

8、等高級(jí)控制；可以執(zhí)行常規(guī)PID運(yùn)算，也可以執(zhí)行Smith預(yù)估等各種高級(jí)控制運(yùn)算。 1.1.1 DCS的組成及特點(diǎn)豐富的監(jiān)控功能：操作人員通過(guò)CRT和操作鍵盤(pán)可以監(jiān)視生產(chǎn)裝置以及整個(gè)車間情況，將系統(tǒng)總貌、分組和單元數(shù)據(jù)及時(shí)恰當(dāng)?shù)爻尸F(xiàn)出來(lái)，實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)的統(tǒng)一操作。技術(shù)人員可按預(yù)定的控制策略組態(tài)不同控制回路，并調(diào)整回路的任一參數(shù)或設(shè)置工作方式，而且還可對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的機(jī)電設(shè)備進(jìn)行各種控制，從而實(shí)現(xiàn)真正的集中操作和監(jiān)控管理。1.1.1 DCS的組成及特點(diǎn)靈活的擴(kuò)展功能： 集散控制系統(tǒng)采用的是模塊結(jié)構(gòu)，用戶可根據(jù)要求方便地?cái)U(kuò)大或縮小系統(tǒng)規(guī)模，或改變系統(tǒng)的控制級(jí)別。系統(tǒng)采用組態(tài)方法構(gòu)成各種控制回路，很容易對(duì)控制

9、方案進(jìn)行修改。也可通過(guò)系列選型或系統(tǒng)生成，構(gòu)成各類系統(tǒng)。因擴(kuò)展靈活，故有利于進(jìn)行分批投資，分批受益。1.1.1 DCS的組成及特點(diǎn)極高的可靠性： 由于采用了多臺(tái)微處理機(jī)分散控制結(jié)構(gòu)，故危險(xiǎn)分散。系統(tǒng)中關(guān)鍵設(shè)備采用雙重或多重冗余，系統(tǒng)還設(shè)有完善的自診斷功能，使系統(tǒng)的平均無(wú)故障時(shí)間MTBF大大提高。故障出現(xiàn)時(shí)可自動(dòng)報(bào)警，許多系統(tǒng)可以提供遠(yuǎn)方技術(shù)中心服務(wù)，使平均修復(fù)時(shí)間MTTR大為縮短。1.1.1 DCS的組成及特點(diǎn)簡(jiǎn)便的安裝調(diào)試： 集散系統(tǒng)的各單元都安裝在標(biāo)準(zhǔn)機(jī)框內(nèi)，模件之間采用多芯電纜、標(biāo)準(zhǔn)化插件相連；與過(guò)程連接時(shí)采用規(guī)格化端子板，到中控室操作站只需敷設(shè)同軸電纜進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，所以布線量大大減少，

10、安裝工作較常規(guī)儀表大大減少。系統(tǒng)采用專用軟件進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試時(shí)間較常規(guī)儀表大大縮短。1.1.1 DCS的組成及特點(diǎn)良好的性能價(jià)格比： 在性能上集散系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn)，功能齊全，可靠性高，適用于多級(jí)遞階管理控制。在價(jià)格方面，據(jù)測(cè)算，對(duì)于80個(gè)控制回路的生產(chǎn)過(guò)程，采用集散控制系統(tǒng)的投資已與采用常規(guī)模擬儀表的投資相當(dāng)。而且系統(tǒng)規(guī)模越大，平均每個(gè)回路的投資費(fèi)用越低。 1.1.2 DCS的分層體系 層次化是集散型控制系統(tǒng)的典型體系特征，它所體現(xiàn)的是集中操作管理、分散控制的思想。從生產(chǎn)管理角度出發(fā)，DCS大致可分為過(guò)程控制級(jí)、控制管理級(jí)、生產(chǎn)管理級(jí)和經(jīng)營(yíng)管理級(jí)。其結(jié)構(gòu)模式見(jiàn)圖1.2。圖1.2 集散型控制系統(tǒng)四層結(jié)

11、構(gòu)模式 1.1.2 DCS的分層體系DCS各級(jí)的功能如下： 1.過(guò)程控制級(jí) 過(guò)程控制級(jí)主要是現(xiàn)場(chǎng)控制站、數(shù)據(jù)采集站和過(guò)程管理計(jì)算機(jī)等，是直接與生產(chǎn)過(guò)程相連的一級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，是集散控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。過(guò)程控制級(jí)一方面與各類現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備例如變送器、執(zhí)行器相連，以實(shí)現(xiàn)對(duì)這些裝置的監(jiān)測(cè)與控制；另一方面向上與第二層計(jì)算機(jī)相連，接收上層的管理信息，向上傳遞裝置的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。1.1.2 DCS的分層體系2.控制管理級(jí) 控制管理級(jí)主要有監(jiān)控計(jì)算機(jī)、操作站和工程師站等，主要是實(shí)施生產(chǎn)過(guò)程的優(yōu)化控制，根據(jù)產(chǎn)品原材料庫(kù)以及能源的使用情況，以優(yōu)化準(zhǔn)則來(lái)協(xié)調(diào)裝置間的相互關(guān)系。另外，通過(guò)獲取直接控制層的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，進(jìn)行生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)視

12、、故障檢測(cè)和數(shù)據(jù)存檔管理。 1.1.2 DCS的分層體系3.生產(chǎn)管理級(jí) 生產(chǎn)管理級(jí)又稱產(chǎn)品管理級(jí)。這一級(jí)采用管理用計(jì)算機(jī)，主要是規(guī)劃產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和規(guī)模。根據(jù)用戶訂貨情況、庫(kù)存情況和能源情況來(lái)修訂生產(chǎn)計(jì)劃和改變產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。有了產(chǎn)品重新組織和柔性制造的功能，就可應(yīng)付由于用戶訂貨變化所造成的各種損失。此外，對(duì)工廠生產(chǎn)和產(chǎn)品的監(jiān)視，以及產(chǎn)品報(bào)告也都在這一級(jí)實(shí)現(xiàn)。1.1.2 DCS的分層體系4.經(jīng)營(yíng)管理級(jí) 這一級(jí)管理用計(jì)算機(jī)叫中央計(jì)算機(jī)，是工廠自動(dòng)化系統(tǒng)的最高一層。它管理的范圍除了工程技術(shù)方面之外，還應(yīng)包括經(jīng)濟(jì)、商業(yè)事物、人事組織以及其它方面的功能。把這些功能都集成到軟件系統(tǒng)中，并與經(jīng)理部、市場(chǎng)部、計(jì)劃部以

13、及人事部等辦公自動(dòng)化系統(tǒng)相連接，運(yùn)用優(yōu)化策略來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)制造系統(tǒng)的最優(yōu)化。經(jīng)營(yíng)管理級(jí)的功能是市場(chǎng)用戶分析、訂貨，以及銷售統(tǒng)計(jì)、銷售計(jì)劃、產(chǎn)品制造協(xié)調(diào)、合同事宜、期限監(jiān)測(cè)和財(cái)政報(bào)告等。 1.1.2 DCS的分層體系對(duì)于某一具體應(yīng)用的集散系統(tǒng)，并非都有四層功能體系。中小規(guī)模的控制系統(tǒng)只有一、二層，少數(shù)使用到第三層；在大規(guī)模的控制系統(tǒng)中才應(yīng)用到四層模式。 1.1.3 DCS的基本功能集散型控制系統(tǒng)內(nèi)含豐富的功能，以下是必備的基本功能： 1.輸入數(shù)據(jù)處理功能 對(duì)模擬量來(lái)說(shuō)，一般要進(jìn)行采樣、增益最佳化、A/D轉(zhuǎn)換、規(guī)格化、合理性檢查、零偏校正、熱電偶冷端補(bǔ)償、線性化處理、超限判斷、工程量變換、數(shù)字濾波、溫

14、度和壓力校正、開(kāi)方處理及上、下限報(bào)警等處理，對(duì)脈沖序列進(jìn)行瞬時(shí)值變換及累積計(jì)算。 數(shù)據(jù)的采樣速率： 按系統(tǒng)不同的需要，組態(tài)選擇不同的掃描采樣頻率。流量、壓力、液位、溫度與成分的采樣頻率 F 的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別是1/51Hz、1/101/3Hz、1/81/5Hz和1/201/15Hz。1.1.3 DCS的基本功能 增益最佳化： 模擬量信號(hào)在A/D轉(zhuǎn)換之前要進(jìn)行前置放大，以使被轉(zhuǎn)換量落在A/D轉(zhuǎn)換線性范圍之內(nèi)（通常在50%-100%滿度范圍內(nèi)），以便提高通道的相對(duì)測(cè)量精度。因此要選擇合適的量程，增益最佳化即能自動(dòng)挑選最佳增益。 模擬量信號(hào)的規(guī)格化： 模擬量信號(hào)的規(guī)格化是指15V的模擬信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電

15、路變成規(guī)格化的數(shù)字量。 合理性檢查： 如果A/D變換超出限定時(shí)間或接到指令后根本未進(jìn)行變換，則“A/D卡故障”置位；如果是A/D超量程或欠量程（小于下限值），則該數(shù)將進(jìn)一步處理，并給出讀數(shù)不合理標(biāo)志。1.1.3 DCS的基本功能 零偏校正： 由溫度、電源等環(huán)境因素變化引起的放大器零點(diǎn)漂移，可通過(guò)軟件進(jìn)行校正。通常是把輸入短路時(shí)采集的放大器零漂碼取平均值存入內(nèi)存，然后在當(dāng)前測(cè)量結(jié)果中扣除此零漂值。這種方法常用于零漂不超過(guò)通道模擬輸出動(dòng)態(tài)范圍1/10的場(chǎng)合。零漂嚴(yán)重時(shí)可能使系統(tǒng)發(fā)生飽和，因此在零偏校正時(shí)常設(shè)定一漂移限值，超過(guò)該碼，則狀態(tài)字中“零偏超出故障”置位，并發(fā)出報(bào)警。 工程量變換： 當(dāng)上位機(jī)

16、或操作站需顯示或打印時(shí)，還應(yīng)將規(guī)格化的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成工程量單位值。1.1.3 DCS的基本功能 超限判斷： 當(dāng)參數(shù)超限時(shí)，一般均需進(jìn)行報(bào)警。通常分為絕對(duì)值報(bào)警、偏差報(bào)警、速度報(bào)警以及累計(jì)值報(bào)警。 熱電偶冷端補(bǔ)償： 對(duì)于安裝在現(xiàn)場(chǎng)多路切換箱中的熱電偶，其冷端溫度自動(dòng)補(bǔ)償是通過(guò)一支專用的冷端溫度檢測(cè)熱電偶來(lái)消除外線路影響。 非線性校正： 對(duì)于溫度與熱電勢(shì)mV數(shù)值或熱電阻數(shù)值間的非線性關(guān)系，可通過(guò)折線近似或曲線擬合的方法加以校正。采用曲線擬合法時(shí)，多采用高次方程。 開(kāi)方處理：對(duì)于平方特性的數(shù)據(jù)（例如節(jié)流式流量計(jì)的差壓信號(hào)與流量成平方關(guān)系）需進(jìn)行開(kāi)方處理，才能使信號(hào)與流量成線性關(guān)系。這實(shí)際是非線性補(bǔ)償?shù)囊?/p>

17、種特例。 1.1.3 DCS的基本功能熱電偶開(kāi)路檢查： 測(cè)點(diǎn)在被切入之前，用一小電流流過(guò)模擬信號(hào)線，多路切換電路和變換器。假如通過(guò)外電路的壓降超過(guò)正常值，就表明熱電偶已經(jīng)開(kāi)路。數(shù)字濾波： 數(shù)字濾波就是為克服隨機(jī)干擾引入的誤差而進(jìn)行的數(shù)據(jù)平滑處理。常用的數(shù)字濾波算法有程序判斷法、中位值法、算術(shù)平均濾波法、遞推平均濾波法、加權(quán)平均濾波法、一階慣性濾波法和復(fù)合濾波法等。溫度、壓力校正： 當(dāng)用孔板測(cè)量氣體或蒸汽流量時(shí)，因測(cè)得的差壓值偏離孔板設(shè)計(jì)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)溫度、標(biāo)準(zhǔn)壓力，計(jì)算將有誤差，因此需要將此值校正到標(biāo)準(zhǔn)條件下的差壓。 1.1.3 DCS的基本功能2.輸出處理 集散系統(tǒng)的輸出一般分模擬量輸出和開(kāi)關(guān)量輸

18、出。模擬量輸出時(shí)，CPU算出的數(shù)字結(jié)果經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換成模擬電壓或420mA電流信號(hào)送端子板輸出。在輸出信號(hào)需限幅時(shí)可做限幅處理，即在D/A轉(zhuǎn)換之前，數(shù)據(jù)先與限幅信號(hào)作比較，正常時(shí)將輸出送D/A，反之將限幅值送D/A。 在開(kāi)關(guān)量輸出時(shí)，由主機(jī)電路送出數(shù)字信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行功率放大，去控制現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通過(guò)組態(tài)，數(shù)字輸出可有三種不同形式： 瞬時(shí)輸出式：信號(hào)一消失，觸點(diǎn)就斷開(kāi)。 延時(shí)輸出式：信號(hào)消失，延時(shí)一段時(shí)間后觸點(diǎn)才斷開(kāi)。 鎖定輸出式：觸點(diǎn)閉合后，待下次信號(hào)來(lái)時(shí)才斷開(kāi)。 1.1.3 DCS的基本功能 即使是模擬輸出信號(hào)，也是以數(shù)字信號(hào)形式給出，再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后才形成的。正確的數(shù)據(jù)輸出后，外部干擾有可能使輸出裝置得到錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)。這種錯(cuò)誤的輸出結(jié)果有時(shí)會(huì)造成重大惡果，必須采取得力措施進(jìn)行補(bǔ)救。對(duì)輸出產(chǎn)生干擾的主要因素有： 輸出裝置與CPU的距離。距離越遠(yuǎn)，連線就越長(zhǎng)，受干擾的機(jī)會(huì)就越多。 輸出設(shè)備的慣性（響應(yīng)速度）。慣性小的輸出設(shè)備（如通信口、顯示設(shè)備等