分散控制系統(tǒng)1課件

分散控制系統(tǒng)自動化系華北電力大學

杰德控制工程研究中心負責人：韓璞教授/博導開發(fā)經驗：濟南：魯能控制工程有限公司——LN2000山東省科技進步一等獎南京：國電南自——PAS300M分散控制系統(tǒng)西安：西安熱工研究院——FCS165現場總線控制系統(tǒng)的開發(fā)開發(fā)工作：源碼級華北電力大學參考教材白焰等，《分散控制系統(tǒng)與現場總線控制系統(tǒng)：基礎、評選、設計和應用》，中國電力出版社，2001。王常力等，《分布式控制系統(tǒng)（DCS）設計與應用實例》電子工業(yè)出版社，2004。張新薇等，《集散系統(tǒng)及系統(tǒng)開放》，機械工業(yè)出版社，2005.1。王常力等，《集散型控制系統(tǒng)設計與應用》，1993.6。1993年被中央電視臺作為“集散型控制系統(tǒng)”講座的教材，王常力親自任講教師。華北電力大學1.2控制系統(tǒng)概述控制：一錘在手，萬物皆釘

《人有人的用處--控制論和社會》N．維

納

著

華北電力大學液位控制華北電力大學1.2.1控制系統(tǒng)的基本組成華北電力大學人的作用設定？算法？異常情況決策？作為一個整體，人必須是控制系統(tǒng)的一個重要組成部分。人機界面必不可少：測量值的顯示、計算參數的顯示、人工操作設備、算法預置等。

華北電力大學完整的控制系統(tǒng)華北電力大學1.2.2測量方法和測量裝置運行狀態(tài)是生產過程的表征可測性：一個被控對象能夠被測量的難易程度。表征生產過程的量稱為過程量，分為模擬量和開關量兩大類。華北電力大學模擬量細分為：瞬時量--溫度、壓力等累積量—電能（電度）等測量：敏感元件或檢測元件：傳感器+變送器：符合一定標準的統(tǒng)一信號。華北電力大學開關量2) 開關量表示所處狀態(tài)的量，也可直接稱之為狀態(tài)量。取值一般為兩個，也可多個，如多抽頭的分接頭位置，多工位。有限。需要轉換為標準信號。兩個：0和1；多個：多個二進制數。華北電力大學測量過程在數字式控制系統(tǒng)中，由于要直接用數字來表達各個物理量值，為此需要進行模擬量到數字量的轉換，從電流、電壓等模擬信號變換成數字的測量值。華北電力大學SOE量2）SOE量SequenceofEvent特殊的開關量a. 僅在現場設備的狀態(tài)發(fā)生變化時產生b. 不僅表示狀態(tài)改變后的狀態(tài)，還要記錄出現改變的準確時間，一般要精確到毫秒。作用：事后分析故障原因時找出動作的順序，以確定引起故障的第一原因、其后的聯鎖動作過程。華北電力大學1.2.3控制方法和運算處理裝置1）對連續(xù)過程的控制過程控制或流程控制是一種連續(xù)調節(jié)性質的控制調節(jié)是控制的一種，特指通過反饋的方法對連續(xù)變化的對象進行連續(xù)的控制。沒有明顯的起點和終點華北電力大學對連續(xù)過程的控制要素：a. 受控對象對目標值的允許偏差b. 進行測量和控制的周期c. 調節(jié)控制算法，如PID、模糊控制、神經網絡、專家控制等測量值、設定值運算處理裝置的任務：a. 設定值變化時，調節(jié)b. 出現干擾時，調節(jié)方法：前饋、反饋、結合華北電力大學對連續(xù)過程的控制串級控制華北電力大學對連續(xù)過程的控制前饋-反饋控制華北電力大學對連續(xù)過程的控制預測控制華北電力大學對連續(xù)過程的控制專家控制華北電力大學對連續(xù)過程的控制模糊控制華北電力大學比較連續(xù)過程：模擬調節(jié)儀表和DCS離散過程：繼電器和PLC批量或混合過程：結合華北電力大學其他控制對批量過程或混合過程的控制生產工況的切換平穩(wěn)工況的控制過程控制與程序控制相結合華北電力大學1.2.4控制的執(zhí)行方法和執(zhí)行裝置通過執(zhí)行機構作用于被控對象的可操作部分和可調節(jié)部分執(zhí)行裝置或執(zhí)行單元：電動閥、控制電機、繼電器等運算處理裝置的輸出：模擬量：連續(xù)調節(jié)-閥門開度（百分比）開關量：狀態(tài)改變乒乓控制：通過控制開關量處于不同狀態(tài)的時間比例，達到控制模擬量的目的如電熱爐華北電力大學1.3.1控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史華北電力大學控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史整個控制系統(tǒng)的發(fā)展沿著三條主線第一條：對離散控制系統(tǒng)的控制，即邏輯控制或程序控制繼電器—電子控制器—PLC第二條：SCADA，早期為遙測遙控系統(tǒng)監(jiān)督控制，如供電、供水、供熱特點：遠程控制對象，關鍵是數據采集，功能實現依賴遠程通信概念擴展：以人工監(jiān)督控制為主的系統(tǒng)華北電力大學控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史第三條：對連續(xù)過程的控制系統(tǒng)特點：控制的時間特性過程：機械控制器、基地式儀表、氣動單元組合儀表、電動單元組合儀表、分布式控制系統(tǒng)DCS分為儀表控制系統(tǒng)和計算機控制系統(tǒng)華北電力大學1.3.2儀表控制系統(tǒng)的基本概念指模擬式儀表組成的控制系統(tǒng)最主要的功能是進行回路控制，對那種最小過程單元進行的閉環(huán)控制或調節(jié)。華北電力大學儀表控制系統(tǒng)的基本概念輸入兩個：設定值和測量值輸出一個：對被控過程的控制量閉環(huán)、反饋?；竟δ埽焊鶕刂扑惴ㄌ幚頊y量值和設定值的偏差，并控制過程減少此偏差。實例：水位控制系統(tǒng)華北電力大學液位控制華北電力大學飛錘調速器1.3.3早期的儀表控制系統(tǒng)–基地式儀表指控制系統(tǒng)（即儀表）與被控對象在機械結構上是結合在一起的，而且儀表的各個部分，包括檢測、計算、執(zhí)行及簡單的人機界面都做成了一個整體，就地安裝在被控對象之上。單回路控制華北電力大學基地式儀表（50年代）缺點：儀表系統(tǒng)封閉，無法與外界溝通早期的儀表控制系統(tǒng)——基地式儀表

華北電力大學1.3.4近代儀表控制系統(tǒng)–單元式組合儀表20世紀60年代后期將測量、控制計算、執(zhí)行及顯示、設定及顯示、記錄等功能分別由不同的單元實現，互相之間采用某種標準的物理信號實現連接，并根據控制功能的需求進行靈活的組合。華北電力大學單元式組合儀表兩大類：1）氣動單元組合儀表：以經過干燥凈化的壓縮空氣作為動力并以氣壓傳遞現場信號，其規(guī)范為20—100kPa。壓縮空氣提供的動力可以直接驅動氣動閥門等現場設備。很強的抗干擾性。主要有七種單元。變送、調節(jié)、顯示、計算、給定值、輔助、轉換華北電力大學單元式組合儀表2） 電動單元組合儀表：由直流電源提供動力并以直流電信號（電流或電壓）傳遞現場信號的值。信號規(guī)范：0-10mA：DDZII4-20mA：DDZIII真正的控制系統(tǒng)是從單元式組合儀表出現后才逐步形成。不僅單回路，還可以串級、復合、幾個回路互動。華北電力大學電動單元組合儀表（60～70年代）缺點：構成復雜控制系統(tǒng)困難，故障率高無法進行數字通信華北電力大學組裝式電子綜合控制儀表

（70年代末）缺點：與電動單元組合儀表沒有本質上的改變華北電力大學數字式單回路調節(jié)器SLC在20世紀80年代前后，隨著大規(guī)模集成電路和微處理器的發(fā)展，在儀表控制系統(tǒng)中出現了一類新的產品，這就是以數字技術為主的單回路調節(jié)器SLC，即SingleLoopController。這種產品以微處理器為核心，主要完成控制計算的功能。其最主要的用途是代替單元式組合儀表的計算、顯示及給定值等單元，而檢測、執(zhí)行等功能仍然由常規(guī)的單元完成，以這種方式組成的系統(tǒng)是另一種模擬式和數字式混合模式的系統(tǒng)。華北電力大學數字式單回路調節(jié)器SLCSingleLoopController以微處理器為核心，主要完成控制計算的功能，代替單元式組合儀表的計算、顯示及給定值等單元。數字顯示。多回路調節(jié)器。復雜功能：硬接線或通信方式。缺：資源共享華北電力大學單回路調節(jié)器缺點：結構復雜，使用不便價格昂貴不容易構成復雜控制系統(tǒng)華北電力大學回路調節(jié)器華北電力大學回路調節(jié)器插板式控制器的外觀華北電力大學1.3.5計算機控制系統(tǒng)20世紀40年代誕生，直到1958年才開始進入控制領域。計算機可靠性對計算機控制系統(tǒng)的推進

華北電力大學計算機可靠性對計算機控制系統(tǒng)的推進電子數字計算機是20世紀40年代誕生的，但直到1958年才開始進入控制領域。其在控制系統(tǒng)中的發(fā)展歷程與計算機的可靠性有很著密切的聯系。計算機控制系統(tǒng)在電廠中的應用深度顯示了其于可靠性之間的關系。華北電力大學數據采集系統(tǒng)DAS缺點：功能單一，只能實現監(jiān)測，沒有構成閉環(huán)控制1958年9月在美國路易斯安娜州的一座發(fā)電廠內安裝了第一臺用于現場狀態(tài)監(jiān)視的計算機。嚴格地說，DAS不屬于計算機控制的范疇，其輸出并不直接控制生產過程

華北電力大學數據采集系統(tǒng)對于控制系統(tǒng)來講，尤其是對于控制生產過程這種系統(tǒng)，安全性是首要條件，這就要求新的系統(tǒng)不能影響系統(tǒng)的安全運行。

因此最先得到應用的計算機系統(tǒng)是可靠性要求最低的數據采集系統(tǒng)，即DAS（DataAcquisitionSystem）。華北電力大學監(jiān)督控制系統(tǒng)SCC到1959年3月，在美國得克薩斯州Texaco的一個煉油廠投運了另一套計算機系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅可以顯示現場儀表的檢測數據，而且可以設定或改變現場控制儀表的給定值，然而真正實施控制（即根據給定值及實際檢測值的偏差計算出控制量，并實際輸出以使實際值回到給定值的工作）仍然由控制儀表完成。這套系統(tǒng)應該是世界上最早的設定值控制（SPC，SetPointControl）或稱為監(jiān)督控制系統(tǒng)（SCC，SupervisoryComputerControl）。

華北電力大學監(jiān)督控制系統(tǒng)隨著DAS的成功應用，并且顯示出了計算機系統(tǒng)在計算、顯示和記錄等方面的優(yōu)越性，工程人員對其產生了濃厚的興趣。并且隨著可靠性的提高，工程人員的信心也逐步增強，試圖進一步拓展其應用范圍，增加其應用功能，產生了監(jiān)督控制系統(tǒng)。華北電力大學直接數字控制系統(tǒng)而1960年4月在肯塔基州的一個化工廠投運的另一套計算機系統(tǒng)，除了完成現場檢測數據的監(jiān)視和設定值的功能外，還可以實際完成控制計算并實際輸出控制量。這就是第一個直接數字控制（DDC，DirectDigitalControl）系統(tǒng)。這時侯工程人員對計算機的控制能力充滿信心，并將其付諸實際。

華北電力大學直接數字控制系統(tǒng)DDC的應用，是控制技術、計算機技術、CRT技術相結合的產物，是計算機控制系統(tǒng)在生產過程中的實現，并且取得了很好的效果。隨著計算機可靠性的提高和DDC的成功應用，人們對于計算機賦予了更高的期望，希望它能承擔更多的控制任務，更好的發(fā)揮其計算能力。在DDC應用的體系結構方面和控制能力方面又進行了不斷的嘗試。

華北電力大學集中型計算機控制系統(tǒng)華北電力大學缺點：可靠性差，故障率高，沒有在實際中得以應用現代控制系統(tǒng)現代控制系統(tǒng)的主要特點：回路控制部分、人機界面、信號電纜三部分。一次儀表、二次儀表，之間通過信號電纜實現信號的傳輸。華北電力大學信號傳輸的變化從控制裝置到控制系統(tǒng)，引起根本質變的因素是：信號傳輸的變化。信號傳輸標準的發(fā)展和演變就成為儀表控制系統(tǒng)的劃代標志：氣動：20—100kPa信號傳輸標準II型電動組合儀表：0-10mAIII型電動組合儀表：4-20mA現場總線標準：由模擬技術演進到數字技術后的新一代信號傳輸標準。華北電力大學模擬控制方式利用電容、電感、電阻等元件的電氣規(guī)律模擬實現。1）計算精度不高，隨時間變化2）動態(tài)特性受限。轉向數字控制系統(tǒng)華北電力大學兩個基本結構圖模擬儀表控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)華北電力大學1.3.6網絡技術的發(fā)展4C技術：DCS是“4C”技術的產物，即計算機技術（computer）、控制技術(control)、通信技術(communication)、CRT顯示技術而其中對DCS產生和實現影響最強的是通信技術。在DCS之前，控制技術和計算機技術已經使直接控制技術付諸實現，可編程調節(jié)器和可編程控制器在現場得以應用。CRT的誕生也使圖形顯示成為現實。華北電力大學網絡技術的發(fā)展與此同時，以數字式單回路調節(jié)器（SLC）和可編程序邏輯控制器（PLC）為代表的獨立DDC控制單元得到了比較廣泛的應用，在一些電廠控制系統(tǒng)改造中發(fā)揮了計算機控制系統(tǒng)的作用。這些技術促成了以直接控制計算機為中心的集中式控制系統(tǒng)的產生。華北電力大學可編程邏輯控制器PLC

（ProgrammableLogicController）缺點：結構復雜，價格昂貴構成復雜控制系統(tǒng)困難

華北電力大學網絡技術的發(fā)展但是由于當時計算機的可靠性低，導致集中控制系統(tǒng)存在危險性高的致命缺陷，從而使之不能在實際中得以廣泛推廣和應用。這時分散控制集中管理的思想已經行成，也就是已經具有了分散控制系統(tǒng)的設計思路。其主要技術瓶頸在于如何解決通信問題，使現場中用于分散控制的站點之間進行數據通信，以及將現場控制站中的數據傳遞給上位CRT顯示。沒有找到合適的解決方案來實現DCS的思想。華北電力大學網絡技術的發(fā)展在DDC發(fā)展的過程中，因為網絡技術尚未完善，人們使用一些其他方法來解決不同控制器之間的信息傳遞問題。如對于串級控制、復合控制等較復雜的控制功能，常規(guī)的組合式單元儀表的做法是采用硬接線將所需信號引到儀表的計算單元，并參與控制計算。也可以通過微處理器之間的通信獲取所需信號，被稱為“引用”。通常是通過RS-232或RS-485串行通信來進行的。華北電力大學1.3.7數字技術的演進革命性的變化數字化，算法軟件實現復雜控制功能容易實現人機界面：儀表盤或模擬盤；面積大、難修改弱點：1） 容錯性：抗干擾性差2） 軟件實現：a.串行單向b.時間延遲技術問題：解決可靠性和實時性是關鍵其他優(yōu)勢：網絡技術：編碼、總線、共線華北電力大學1.3.8分布式控制系統(tǒng)的產生及其特點1975年DCS產生解決了兩個問題DDC的數字技術和單元式組合儀表的分布式體系結構是DCS的核心，之所以能夠形成并達到實用的程度，有賴于計算機網絡的產生。20世紀60年代中后期，DDC時已經提出了分散控制系統(tǒng)的思想，但是無法實現。華北電力大學分散型計算機控制系統(tǒng)華北電力大學分散控制系統(tǒng)DCS（DistributedControlSystem）華北電力大學分散控制系統(tǒng)的定義以回路控制為主要功能的系統(tǒng)除變送和執(zhí)行單元外，控制、通訊、監(jiān)視采用數字技術。以計算機的CRT、鍵盤、鼠標代替儀表盤形成人機界面?；芈房刂朴涩F場控制站完成，多個。人機界面由操作員站實現，多個。系統(tǒng)中所有的現場控制站、操作員都通過數字網絡實現連接。DCS,PLC,FCSDCS基本要點4C技術（3CI技術）從上到下的樹狀拓撲大系統(tǒng)，其中通信是關鍵PID在中繼站中，中繼站連接監(jiān)控計算機與現場儀器儀表及控制裝置在樹狀拓撲和并行連線的鏈路結構中，有大量的電纜從中繼站并行到現場儀表一臺儀表一對線接到I/O，由控制站掛到局域網上分散控制系統(tǒng)是控制、操作、現場儀表三級結構缺點是成本高，各個公司不能互換，不能互操作用于大規(guī)模的連續(xù)過程控制，電力，石化制造商：Bailey(美)、Westinghouse(美)、HITACH(日)、Siemens(德)、ABB(瑞士)、Honeywell(美)PLC的基本要點從開關量控制發(fā)展到順序控制，是從下往上的可用一臺PC機為主站，多臺同型PLC為從站也可一臺PLC為主站，多臺同型PLC為從站，構成PLC網絡。PLC網絡可以作為獨立的DCS，也可作為DCS的子系統(tǒng)。主要用于工業(yè)過程中的順序控制，新型PLC也兼有閉環(huán)控制功能。制造商：AB(美)、GE(美)、MITSUBISHI(日)、Siemens(德)、OMRON(日)等FCS的基本要點基本目標：本質安全，危險區(qū)域，易變過程，用于難于應付的非常環(huán)境全數字化、智能、多功能取代模擬式單功能儀表、控制裝置用總線連接分散的現場儀器儀表、控制裝置、控制中心。取代每臺儀器兩根線總線上PID與儀器，儀表，控制裝置都是平等的多變量，多節(jié)點，串行，數字通信系統(tǒng)取代單變量，單點，并行，模擬系統(tǒng)信息傳輸用互聯的，雙向的，開放的取代單向的，封閉的方式分散的虛擬控制站取代集中的控制站改變傳統(tǒng)的信號標準、通信標準和系統(tǒng)標準，進入企業(yè)管理網制造商：HONEYWELL，SMAR，AB/ROCKWELL，BALLEY，FOXBORO，YOKOGAWA，SIEMENS，SCHNEIDER，ABB差異（技術性比較）DCS的關鍵是