第六章 集散控制系統(tǒng)

第六章集散控制系統(tǒng)西安石油大學(xué)汪躍龍2013年10月集散控制系統(tǒng)-----又稱分散型綜合控制系統(tǒng)（DCS）系統(tǒng)，是對生產(chǎn)過程進(jìn)行集中監(jiān)視、操作、管理和分散控制的一種全新的分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)將若干臺微機(jī)分散應(yīng)用于過程控制，全部信息通過通信網(wǎng)絡(luò)由上位管理計(jì)算機(jī)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化控制，通過CRT裝置、通信總線、鍵盤、打印機(jī)等，進(jìn)行集中操作、顯示和報(bào)警。整個(gè)裝置繼承了常規(guī)儀表分散控制和計(jì)算機(jī)集中控制的優(yōu)點(diǎn)，克服了常規(guī)儀表功能單一、人一機(jī)聯(lián)系差，以及單臺微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)危險(xiǎn)性高度集中的缺點(diǎn)，既在管理、操作和顯示三方面集中，又在功能、負(fù)荷和危險(xiǎn)性三方面分散。集散控制系統(tǒng)的定義一、集散控制系統(tǒng)的組成（一）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（二）功能分析TDC-3000系統(tǒng)CENTUM系統(tǒng)二、集散控制系統(tǒng)的特點(diǎn)（1）控制設(shè)備的分散（2）監(jiān)視和管理操作的集中（3）開放的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)三、集散控制系統(tǒng)的發(fā)展初創(chuàng)期(1975一l980年)

成熟期(1980一1985年)擴(kuò)展期(1985年以后)分散控制方式：儀表間相距過遠(yuǎn)、儀表盤尺寸過大、無法全面了解信息及佳作；集中控制方式：危險(xiǎn)過集中，計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)整個(gè)生產(chǎn)裝置癱瘓；集散控制方式：控制功能分散、操作管理集中－DCS。集散控制中危險(xiǎn)分散的方法：將控制功能分散到多臺計(jì)算機(jī)上，采取雙重化冗余措施?，F(xiàn)場控制站危險(xiǎn)分散的設(shè)計(jì)原則三、集散控制系統(tǒng)的發(fā)展國際著名廠商:TDC-2000TDC3000SPECTRUMI/AseriesCENTUM愛默生電氣公司W(wǎng)DPFPROVOX國內(nèi)著名廠商：DCS系統(tǒng)操作臺DCS系統(tǒng)控制單元DCS系統(tǒng)用戶界面Distributedcontrolsystem包括：DCS控制站、DCS操作站、數(shù)據(jù)通信及網(wǎng)絡(luò)集散控制系統(tǒng)的現(xiàn)場控制站DCS系統(tǒng)中，控制站繼承了DDC技術(shù)，它是一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)，實(shí)際運(yùn)行中可以在不與操作站及網(wǎng)絡(luò)相連的情況下，完成過程控制策略，保證生產(chǎn)裝置正常運(yùn)行?？刂普咀鳛橐粋€(gè)完整的計(jì)算機(jī)，它的主要I/O設(shè)備為現(xiàn)場的輸入、輸出處理設(shè)備，以及過程輸入/輸出（PI/O）量，包括信號變換與信號調(diào)理，A/D、D/A轉(zhuǎn)換等。它在第二代和第三代產(chǎn)品中已陸續(xù)采用了嵌入式技術(shù)，并采用單片機(jī)等完成量程調(diào)整、遠(yuǎn)程I/O數(shù)據(jù)傳輸、小型化及減少PI/O卡硬件規(guī)格等功能，直至連接智能化的現(xiàn)場變送器或接受采用現(xiàn)場總線提供的數(shù)字信號。集散控制系統(tǒng)的現(xiàn)場控制站?主要設(shè)備：現(xiàn)場控制單元。?主要任務(wù)：進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及處理，對被控對象實(shí)施閉環(huán)反饋控制、順序控制和批量控制。?用戶可以根據(jù)不同的應(yīng)用需求，選擇配置不同的現(xiàn)場控制單元以構(gòu)成現(xiàn)場控制站?！褚悦嫦蜻B續(xù)生產(chǎn)的過程控制為主，順序邏輯控制為輔，構(gòu)成一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)多種復(fù)雜控制方案的現(xiàn)場控制站;●

以順序控制、聯(lián)鎖控制功能為主的現(xiàn)場控制站；●構(gòu)成對大批量過程信號進(jìn)行總體信息采集的現(xiàn)場控制站。1.機(jī)柜現(xiàn)場控制站機(jī)柜中央控制室機(jī)柜間機(jī)柜間機(jī)柜組有了現(xiàn)場控制站，生產(chǎn)過程控制的安全性和可靠性都很容易得到保證現(xiàn)場控制單元多層I/O卡件箱電源單元通信接口接線端子板機(jī)柜正面（前面）機(jī)柜背面（后面）現(xiàn)場控制站機(jī)柜2.電源?電源系統(tǒng)的可靠性措施●每一個(gè)現(xiàn)場控制站均采用雙電源供電，互為冗余?！癫捎贸壐綦x變壓器，將其初級、次級線圈間的屏蔽層可靠接地，以克服共模干擾的影響?！癫捎媒涣麟娮诱{(diào)壓器，快速穩(wěn)定供電電壓?！衽溆胁婚g斷供電電源UPS，以保證供電的連續(xù)性。?現(xiàn)場控制站內(nèi)各功能模塊所需直流電源一般為±5V、±15V(或±12V)、以及+24V。3.控制計(jì)算機(jī)控制器電源單元I/O卡件現(xiàn)場總線接口卡件導(dǎo)軌控制計(jì)算機(jī)?控制計(jì)算機(jī)一般是由CPU、存儲器、輸入/輸出通道等基本部分組成。(1)CPU

●用以實(shí)現(xiàn)算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算?！窨梢詧?zhí)行復(fù)雜的先進(jìn)控制算法，如自動整定、預(yù)測控制、模糊控制和自適應(yīng)控制等。(2)存儲器

●控制計(jì)算機(jī)的存儲器分為RAM和ROM?！裨诳刂朴?jì)算機(jī)中ROM占有較大的比例?！裼捎诳刂朴?jì)算機(jī)在正常工作時(shí)運(yùn)行的是一套固定的程序，DCS中大都采用了程序固化的辦法?！裨谌哂嗫刂朴?jì)算機(jī)系統(tǒng)中，還特別設(shè)有雙端口隨機(jī)存儲器RAM，其中存放有過程輸入輸出數(shù)據(jù)、設(shè)定值和PID參數(shù)等。(3)總線

●總線是將現(xiàn)場控制站內(nèi)部各單元連接起來的通信介質(zhì)。

(4)輸入/輸出通道

●模擬量輸入/輸出(AI/AO)●開關(guān)量輸入/輸出(SI/SO)●數(shù)字量輸入/輸出(DI/DO)●脈沖量輸入通道(PI)

①模擬量輸入輸出通道(AI/AO)

●模擬量輸入通道(AI)?模擬量輸入通道(AI)將來自在線檢測儀表和變送器的連續(xù)性模擬電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，送給CPU進(jìn)行處理?！衲M量輸出通道(AO)

?模擬量輸出通道(AO)一般將計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為4~20mADC(或1~5VDC)的連續(xù)直流信號，用于控制各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)。②開關(guān)量輸入/輸出通道(SI/SO)

●開關(guān)量輸入通道(SI)主要用來采集各種限位開關(guān)、繼電器或電磁閥連動觸點(diǎn)的開、關(guān)狀態(tài)，并輸入至計(jì)算機(jī)?！耖_關(guān)量輸出通道(SO)主要用于控制電磁閥、繼電器、指示燈、聲光報(bào)警器等只具有開、關(guān)兩種狀態(tài)的設(shè)備。③脈沖輸入通道(PI)

脈沖輸入通道(PI)將現(xiàn)場儀表（如渦輪流量計(jì)等）輸出的為脈沖信號處理后送入計(jì)算機(jī)。1.反饋控制2.4.1現(xiàn)場控制站的基本功能反饋控制輸入處理控制運(yùn)算回路組態(tài)輸出處理報(bào)警處理反饋控制功能分布圖(1)輸入信號處理?模擬輸入信號處理●合理性檢驗(yàn)●零偏修正●規(guī)格化●工程量變換●非線性處理●開方運(yùn)算●補(bǔ)償運(yùn)算●脈沖序列的瞬時(shí)值變換及累計(jì)?對于數(shù)字信號●狀態(tài)報(bào)警及輸出方式處理。?對于脈沖序列●瞬時(shí)值變換及累積計(jì)算。①報(bào)警類型②報(bào)警限值③報(bào)警優(yōu)先級

●

報(bào)警優(yōu)先級參數(shù)●

報(bào)警鏈中斷參數(shù)●

最高報(bào)警選擇參數(shù)(2)報(bào)警處理(3)控制運(yùn)算●常規(guī)PID●微分先行PID●積分分離●開關(guān)控制●時(shí)間比例式開關(guān)控制●信號選擇●比率設(shè)定常用算法●時(shí)間程序設(shè)定●Smith預(yù)估控制●多變量解耦控制●一階滯后運(yùn)算●超前-滯后運(yùn)算●其他運(yùn)算等(4)控制回路組態(tài)?根據(jù)控制策略的需要，將一些功能模塊通過軟件連接起來，構(gòu)成檢測回路或控制回路。溫度與壓力串級控制系統(tǒng)回路組態(tài)圖(5)輸出信號處理●輸出開路檢驗(yàn)●輸出上下限檢驗(yàn)●輸出變化率限幅●模擬輸出●開關(guān)輸出●脈沖寬度輸出2.邏輯控制?根據(jù)輸入變量的狀態(tài)，按邏輯關(guān)系進(jìn)行的控制。?在DCS中，由邏輯功能模塊實(shí)現(xiàn)邏輯控制功能。邏輯控制功能●與(AND)●或(OR)●非(NO)●異或(XOR)●連接(LINK)●進(jìn)行延時(shí)(ONDELAY)●停止延時(shí)(OFFDELAY)●觸發(fā)器(FLIP-FLOP)●脈沖(PULSE)3.順序控制?順序控制：按預(yù)定的動作順序或邏輯，依次執(zhí)行各階段動作程序。?順序控制中可以兼用反饋控制、邏輯控制和輸入/輸出監(jiān)視等功能。?實(shí)現(xiàn)順序控制的常用方法●順序表法●程序語言方式●梯形圖法?順序表法●將控制順序按邏輯關(guān)系和時(shí)間關(guān)系預(yù)先編成順序記錄，存儲于管理文件中，然后逐項(xiàng)執(zhí)行。?程序語言方式●通過語言編程來實(shí)現(xiàn)順序控制。?梯形圖法（梯形邏輯控制語言）●由繼電器邏輯電路圖演變而來的一種解釋執(zhí)行程序的設(shè)計(jì)語言。?隨著DCS的發(fā)展，已出現(xiàn)了梯形邏輯與連續(xù)控制算法相結(jié)合的復(fù)合控制功能。4.批量控制?根據(jù)工藝要求，將反饋控制與邏輯、順序控制結(jié)合起來，使一個(gè)間歇式生產(chǎn)過程得到合格產(chǎn)品的控制?！穹答伩刂频膱?bào)警信號●回路狀態(tài)信號●模擬信號的比較、判斷、運(yùn)算結(jié)果順序控制的條件信號●回路的切換●參數(shù)的變更●設(shè)定值的調(diào)整●控制算法的變更●控制方案的變更由順序控制轉(zhuǎn)換為反饋控制的條件5.輔助功能(1)控制方式選擇●手動(MAN)●自動(AUT)●串級(CAS)●計(jì)算機(jī)(COMP)(2)測量值跟蹤?在手動方式時(shí)，使本回路的設(shè)定值不再保持原來的值，而跟蹤測量值。(3)輸出值跟蹤?在手動方式時(shí)，使內(nèi)存單元中PID輸出值跟蹤手操輸出值。?從手動切換到自動時(shí)，內(nèi)存單元中的自動輸出數(shù)值與手操輸出值相等，切換是無擾動的。?在自動方式時(shí)，手操器的輸出值是始終跟蹤控制器的自動輸出值的。?從自動切換到手動時(shí)，手操器的輸出值與PID的輸出值相等，切換是無擾動的。

DCS操作站具有操作員功能、工程師功能、通信功能和高級語言功能等，其中工程師功能中包括系統(tǒng)組態(tài)、系統(tǒng)維護(hù)、系統(tǒng)通用（Utility）功能。

DCS操作員站和工程師站實(shí)際的DCS操作站是典型的計(jì)算機(jī)，它與控制站不同，有著豐富的外圍設(shè)備和人機(jī)界面。70年代中期，CRT顯示器技術(shù)已成熟，以外部存儲器為特征，第二代DCS操作站還具有如下特點(diǎn)：操作站和工程師站（或稱工作站）分開，也有公司將操作站的歷史數(shù)據(jù)存儲用硬盤（歷史模件）和高級語言應(yīng)用站（應(yīng)用模件）分別獨(dú)立掛在通信網(wǎng)絡(luò)上；操作系統(tǒng)除采用DOS系統(tǒng)以外，有的產(chǎn)品采用Unix等操作系統(tǒng)；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫儲存性能逐漸完善；在人機(jī)界面方面，逐漸過渡為以GUI圖形用戶界面為平臺并采用鼠標(biāo)、組態(tài)時(shí)制作流程圖和控制回路圖等方法，采用菜單、窗口、CAD等技術(shù)，使人機(jī)界面友好。DCS操作站的功能（三大功能）工程功能－完成系統(tǒng)生成、系統(tǒng)維護(hù)、系統(tǒng)測試和系統(tǒng)管理；操作功能－監(jiān)視、記錄、運(yùn)行；通信功能－完成現(xiàn)場控制站于上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換。主要介紹操作功能－操作運(yùn)行中的操作畫面（1）總貌畫面－反映生產(chǎn)過程總體狀況。（2）分組畫面－對應(yīng)顯示各內(nèi)部儀表狀態(tài)，操作中觀察其它回路中的關(guān)聯(lián)變化。（3）回路調(diào)整畫面（4）報(bào)警畫面（5）趨勢分組畫面（6）流程子畫面2.2.2操作站嵌入型臺式操作站桌面型操作站信息報(bào)警站工程師站控制站顯示器標(biāo)準(zhǔn)鍵盤主機(jī)操作站主機(jī)柜工作臺中央控制室設(shè)備?DCS操作站一般分為操作員站和工程師站兩種?！窆こ處熣局饕羌夹g(shù)人員與控制系統(tǒng)的人機(jī)接口，可以對應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視?！窆こ處熣緸橛脩籼峁┝艘粋€(gè)靈活的、功能齊全的工作平臺，通過組態(tài)軟件來實(shí)現(xiàn)用戶所要求的各種控制策略?！裼行┬⌒虳CS的工程師站可以用一個(gè)操作員站代替。

●操作臺

●微處理機(jī)系統(tǒng)

●外部存儲設(shè)備

●圖形顯示設(shè)備

●操作鍵盤和鼠標(biāo)

●打印輸出設(shè)備DCS操作站主要設(shè)備操作站設(shè)備2.2.3冗余技術(shù)1.冗余方式冗余技術(shù)多重化自動備用簡易的手動備用后退運(yùn)轉(zhuǎn)同步運(yùn)轉(zhuǎn)待機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)2.4.2操作站的基本功能操作站的基本功能顯示報(bào)警系統(tǒng)維護(hù)報(bào)告生成操作系統(tǒng)組態(tài)操作站的基本功能分布圖2.4.3自診斷功能?在系統(tǒng)投運(yùn)前，用離線診斷程序檢查各部分的工作狀態(tài)。?系統(tǒng)運(yùn)行中，各設(shè)備不斷執(zhí)行在線自診斷程序?！褚坏┌l(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，立即切換到備用設(shè)備；●同時(shí)經(jīng)過通信網(wǎng)絡(luò)在顯示器上顯示出故障代碼，等待及時(shí)處理；●故障代碼可以定位到卡件板，用戶只需及時(shí)更換卡件。

數(shù)據(jù)通信及網(wǎng)絡(luò)在DCS系統(tǒng)誕生時(shí)，主要解決一個(gè)生產(chǎn)裝置中幾個(gè)控制站和一個(gè)或幾個(gè)操作站之間的數(shù)據(jù)通信問題；第二代DCS則解決多個(gè)裝置的DCS互聯(lián)問題；第三代DCS則解決一個(gè)工廠的多個(gè)車間互聯(lián)及與全廠計(jì)算機(jī)管理網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的問題，這是總的設(shè)計(jì)思想。在實(shí)際應(yīng)用中，如石化行業(yè)，DCS一直多用在一個(gè)生產(chǎn)裝置范圍內(nèi)的多機(jī)通信系統(tǒng)中，而且控制站和操作站均集中放置在控制室內(nèi)。在DCS中采用數(shù)字通信技術(shù)，還有在控制站內(nèi)采用站內(nèi)通信總線及遠(yuǎn)程I/O總線，以及在第三代DCS的控制站內(nèi)增加了連接PLC、分析儀和現(xiàn)場智能儀表的接口卡，使DCS與現(xiàn)場儀表之間的接線減少，并對現(xiàn)場儀表進(jìn)行設(shè)備管理，這為DCS向下兼容并與現(xiàn)場總線通信技術(shù)融合打下基礎(chǔ)。集散控制系統(tǒng)的工程化設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的含義：了解有代表性的集散系統(tǒng)，依據(jù)工程要求，即系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)規(guī)模、軟硬件要求、投資經(jīng)費(fèi)等，進(jìn)行評價(jià)并選擇，然后對被選系統(tǒng)進(jìn)行性能技術(shù)指標(biāo)評價(jià)，即對先進(jìn)性、適應(yīng)性、可靠性、可操作性、可維護(hù)性、經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)服務(wù)、交貨期等進(jìn)行評價(jià)，最后確定該系統(tǒng)。1、工程設(shè)計(jì)步驟（1）方案論證：c)系