第六章集散控制系統(tǒng)

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(duì)生產(chǎn)過(guò)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(tái)微機(jī)分散應(yīng)用于過(guò)程控制，全部信息通過(guò)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(guò)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(tái)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)的定義現(xiàn)在是1頁(yè)\一共有52頁(yè)\編輯于星期四一、集散控制系統(tǒng)的組成（一）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)現(xiàn)在是2頁(yè)\一共有52頁(yè)\編輯于星期四（二）功能分析現(xiàn)在是3頁(yè)\一共有52頁(yè)\編輯于星期四TDC-3000系統(tǒng)現(xiàn)在是4頁(yè)\一共有52頁(yè)\編輯于星期四CENTUM系統(tǒng)現(xiàn)在是5頁(yè)\一共有52頁(yè)\編輯于星期四二、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(kāi)放的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)現(xiàn)在是6頁(yè)\一共有52頁(yè)\編輯于星期四三、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(guò)遠(yuǎn)、儀表盤尺寸過(guò)大、無(wú)法全面了解信息及佳作；集中控制方式：危險(xiǎn)過(guò)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(tái)計(jì)算機(jī)上，采取雙重化冗余措施?，F(xiàn)場(chǎng)控制站危險(xiǎn)分散的設(shè)計(jì)原則現(xiàn)在是7頁(yè)\一共有52頁(yè)\編輯于星期四現(xiàn)在是8頁(yè)\一共有52頁(yè)\編輯于星期四三、集散控制系統(tǒng)的發(fā)展國(guó)際著名廠商:TDC-2000TDC3000SPECTRUMI/AseriesCENTUM現(xiàn)在是9頁(yè)\一共有52頁(yè)\編輯于星期四愛(ài)默生電氣公司W(wǎng)DPFPROVOX國(guó)內(nèi)著名廠商：現(xiàn)在是10頁(yè)\一共有52頁(yè)\編輯于星期四DCS系統(tǒng)操作臺(tái)現(xiàn)在是11頁(yè)\一共有52頁(yè)\編輯于星期四DCS系統(tǒng)控制單元現(xiàn)在是12頁(yè)\一共有52頁(yè)\編輯于星期四DCS系統(tǒng)用戶界面現(xiàn)在是13頁(yè)\一共有52頁(yè)\編輯于星期四Distributedcontrolsystem包括：DCS控制站、DCS操作站、數(shù)據(jù)通信及網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)在是14頁(yè)\一共有52頁(yè)\編輯于星期四集散控制系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)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(guò)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(chǎng)的輸入、輸出處理設(shè)備，以及過(guò)程輸入/輸出（PI/O）量，包括信號(hào)變換與信號(hào)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(chǎng)變送器或接受采用現(xiàn)場(chǎng)總線提供的數(shù)字信號(hào)。現(xiàn)在是15頁(yè)\一共有52頁(yè)\編輯于星期四集散控制系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)控制站?主要設(shè)備：現(xiàn)場(chǎng)控制單元。?主要任務(wù)：進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及處理，對(duì)被控對(duì)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(chǎng)控制單元以構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)控制站?！褚悦嫦蜻B續(xù)生產(chǎn)的過(guò)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(chǎng)控制站;●

以順序控制、聯(lián)鎖控制功能為主的現(xiàn)場(chǎng)控制站；●構(gòu)成對(duì)大批量過(guò)程信號(hào)進(jìn)行總體信息采集的現(xiàn)場(chǎng)控制站。現(xiàn)在是16頁(yè)\一共有52頁(yè)\編輯于星期四1.機(jī)柜現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)控制站，生產(chǎn)過(guò)程控制的安全性和可靠性都很容易得到保證現(xiàn)在是17頁(yè)\一共有52頁(yè)\編輯于星期四現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)控制站機(jī)柜現(xiàn)在是18頁(yè)\一共有52頁(yè)\編輯于星期四2.電源?電源系統(tǒng)的可靠性措施●每一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制站均采用雙電源供電，互為冗余。●采用超級(jí)隔離變壓器，將其初級(jí)、次級(jí)線圈間的屏蔽層可靠接地，以克服共模干擾的影響。●采用交流電子調(diào)壓器，快速穩(wěn)定供電電壓。●配有不間斷供電電源UPS，以保證供電的連續(xù)性。?現(xiàn)場(chǎng)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?，F(xiàn)在是19頁(yè)\一共有52頁(yè)\編輯于星期四3.控制計(jì)算機(jī)控制器電源單元I/O卡件現(xiàn)場(chǎng)總線接口卡件導(dǎo)軌控制計(jì)算機(jī)現(xiàn)在是20頁(yè)\一共有52頁(yè)\編輯于星期四?控制計(jì)算機(jī)一般是由CPU、存儲(chǔ)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(dòng)整定、預(yù)測(cè)控制、模糊控制和自適應(yīng)控制等?，F(xiàn)在是21頁(yè)\一共有52頁(yè)\編輯于星期四(2)存儲(chǔ)器

●控制計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)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。●在冗余控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，還特別設(shè)有雙端口隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM，其中存放有過(guò)程輸入輸出數(shù)據(jù)、設(shè)定值和PID參數(shù)等。現(xiàn)在是22頁(yè)\一共有52頁(yè)\編輯于星期四(3)總線

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

(4)輸入/輸出通道

●模擬量輸入/輸出(AI/AO)●開(kāi)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)

現(xiàn)在是23頁(yè)\一共有52頁(yè)\編輯于星期四①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(lái)自在線檢測(cè)儀表和變送器的連續(xù)性模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，送給CPU進(jìn)行處理。●模擬量輸出通道(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(hào)轉(zhuǎn)換為4~20mADC(或1~5VDC)的連續(xù)直流信號(hào)，用于控制各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)?，F(xiàn)在是24頁(yè)\一共有52頁(yè)\編輯于星期四②開(kāi)關(guān)量輸入/輸出通道(SI/SO)

●開(kāi)關(guān)量輸入通道(SI)主要用來(lái)采集各種限位開(kāi)關(guān)、繼電器或電磁閥連動(dòng)觸點(diǎn)的開(kāi)、關(guān)狀態(tài)，并輸入至計(jì)算機(jī)?！耖_(kāi)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(kāi)、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(chǎng)儀表（如渦輪流量計(jì)等）輸出的為脈沖信號(hào)處理后送入計(jì)算機(jī)。現(xiàn)在是25頁(yè)\一共有52頁(yè)\編輯于星期四1.反饋控制2.4.1現(xiàn)場(chǎng)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現(xiàn)在是26頁(yè)\一共有52頁(yè)\編輯于星期四(1)輸入信號(hào)處理?模擬輸入信號(hào)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(kāi)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)現(xiàn)在是27頁(yè)\一共有52頁(yè)\編輯于星期四?對(duì)于數(shù)字信號(hào)●狀態(tài)報(bào)警及輸出方式處理。?對(duì)于脈沖序列●瞬時(shí)值變換及累積計(jì)算?，F(xiàn)在是28頁(yè)\一共有52頁(yè)\編輯于星期四①報(bào)警類型②報(bào)警限值③報(bào)警優(yōu)先級(jí)

●

報(bào)警優(yōu)先級(jí)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)警處理現(xiàn)在是29頁(yè)\一共有52頁(yè)\編輯于星期四(3)控制運(yùn)算●常規(guī)PID●微分先行PID●積分分離●開(kāi)關(guān)控制●時(shí)間比例式開(kāi)關(guān)控制●信號(hào)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)算等現(xiàn)在是30頁(yè)\一共有52頁(yè)\編輯于星期四(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(guò)軟件連接起來(lái)，構(gòu)成檢測(cè)回路或控制回路。溫度與壓力串級(jí)控制系統(tǒng)回路組態(tài)圖現(xiàn)在是31頁(yè)\一共有52頁(yè)\編輯于星期四(5)輸出信號(hào)處理●輸出開(kāi)路檢驗(yàn)●輸出上下限檢驗(yàn)●輸出變化率限幅●模擬輸出●開(kāi)關(guān)輸出●脈沖寬度輸出現(xiàn)在是32頁(yè)\一共有52頁(yè)\編輯于星期四2.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)現(xiàn)在是33頁(yè)\一共有52頁(yè)\編輯于星期四3.順序控制?順序控制：按預(yù)定的動(dòng)作順序或邏輯，依次執(zhí)行各階段動(dòng)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(yǔ)言方式●梯形圖法現(xiàn)在是34頁(yè)\一共有52頁(yè)\編輯于星期四?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(chǔ)于管理文件中，然后逐項(xiàng)執(zhí)行。?程序語(yǔ)言方式●通過(guò)語(yǔ)言編程來(lái)實(shí)現(xiàn)順序控制。?梯形圖法（梯形邏輯控制語(yǔ)言）●由繼電器邏輯電路圖演變而來(lái)的一種解釋執(zhí)行程序的設(shè)計(jì)語(yǔ)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?，F(xiàn)在是35頁(yè)\一共有52頁(yè)\編輯于星期四4.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(lái)，使一個(gè)間歇式生產(chǎn)過(guò)程得到合格產(chǎn)品的控制。●反饋控制的報(bào)警信號(hào)●回路狀態(tài)信號(hào)●模擬信號(hào)的比較、判斷、運(yùn)算結(jié)果順序控制的條件信號(hào)現(xiàn)在是36頁(yè)\一共有52頁(yè)\編輯于星期四●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現(xiàn)在是37頁(yè)\一共有52頁(yè)\編輯于星期四5.輔助功能(1)控制方式選擇●手動(dòng)(MAN)●自動(dòng)(AUT)●串級(jí)(CAS)●計(jì)算機(jī)(COMP)(2)測(cè)量值跟蹤?在手動(dòng)方式時(shí)，使本回路的設(shè)定值不再保持原來(lái)的值，而跟蹤測(cè)量值。現(xiàn)在是38頁(yè)\一共有52頁(yè)\編輯于星期四(3)輸出值跟蹤?在手動(dòng)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(dòng)切換到自動(dòng)時(shí)，內(nèi)存單元中的自動(dòng)輸出數(shù)值與手操輸出值相等，切換是無(wú)擾動(dòng)的。?在自動(dòng)方式時(shí)，手操器的輸出值是始終跟蹤控制器的自動(dòng)輸出值的。?從自動(dòng)切換到手動(dòng)時(shí)，手操器的輸出值與PID的輸出值相等，切換是無(wú)擾動(dòng)的?，F(xiàn)在是39頁(yè)\一共有52頁(yè)\編輯于星期四現(xiàn)在是40頁(yè)\一共有52頁(yè)\編輯于星期四現(xiàn)在是41頁(yè)\一共有52頁(yè)\編輯于星期四

DCS操作站具有操作員功能、工程師功能、通信功能和高級(jí)語(yǔ)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現(xiàn)在是42頁(yè)\一共有52頁(yè)\編輯于星期四實(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(chǔ)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(kāi)，也有公司將操作站的歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)用硬盤（歷史模件）和高級(jí)語(yǔ)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(kù)儲(chǔ)存性能逐漸完善；在人機(jī)界面方面，逐漸過(guò)渡為以GUI圖形用戶界面為平臺(tái)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。現(xiàn)在是43頁(yè)\一共有52頁(yè)\編輯于星期四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(cè)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(chǎng)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(guò)程總體狀況。（2）分組畫面－對(duì)應(yīng)顯示各內(nèi)部?jī)x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(shì)分組畫面（6）流程子畫面現(xiàn)在是44頁(yè)\一共有52頁(yè)\編輯于星期四2.2.2操作站嵌入型臺(tái)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(tái)中央控制室設(shè)備現(xiàn)在是45頁(yè)\一共有52頁(yè)\編輯于星期四?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(duì)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視。●工程師站為用戶提供了一個(gè)靈活的、功能齊全的工作平臺(tái)，通過(guò)組態(tài)軟件來(lái)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?，F(xiàn)在是46頁(yè)\一共有52頁(yè)\編輯于星期四

●操作臺(tái)

●微處理機(jī)系統(tǒng)

●外部存儲(chǔ)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)備現(xiàn)在是47頁(yè)\一共有52頁(yè)\編輯于星期四2.2.3冗余技術(shù)1.冗余方式冗余技術(shù)多重化自動(dòng)備用簡(jiǎn)易的手動(dòng)備用后退運(yùn)轉(zhuǎn)同步運(yùn)轉(zhuǎn)待機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)現(xiàn)在是48頁(yè)\一共有52頁(yè)\編輯于星期四2.4.2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現(xiàn)在是49頁(yè)\一共有52頁(yè)\編輯于星期四2.4.3自診斷功能?在系統(tǒng)投運(yùn)前