分布式控制系统(DSC)12第三章、第四章DCS课件2

1、 集散控制系统的PCU典型结构 （1）微型机结构式 （2）IO卡与通用卡结构 （3）串行通信总线加模件结构 （4）节点工作站结构上次课程内容回顾上次课程内容回顾第三章第三章 DCSDCS过程控制站过程控制站3.1.3 PCU3.1.3 PCU的一般功能特性的一般功能特性3.1.3 PCU3.1.3 PCU的一般功能特性的一般功能特性集散系统PCU的一般功能特性可概括为六点，即： （1）反馈控制功能 （2）顺序控制功能 （3）批量控制功能 （4）数据收集与处理功能 （5）数据通信功能 （6）本地操作监视功能。第三章第三章 DCSDCS过程控制站过程控制站第三章第三章 DCSDCS过程控制站过程控

2、制站 1） 输入信号处理功能 2） 报警检验功能 3） 补偿运算和积算 4） 控制运算功能 5） 回路连接（1 1）反馈控制功能）反馈控制功能第三章第三章 DCSDCS过程控制站过程控制站电站锅炉恒温控制第三章第三章 DCSDCS过程控制站过程控制站第三章第三章 DCSDCS过程控制站过程控制站1 1）输入信号处理功能）输入信号处理功能 线性化 脉冲量计算 数字滤波 开方运算 折线函数变换 热电偶测温信号的线性化 热电阻测温信号的线性化 将脉冲序列信号变换成瞬时值 为排除干扰对输入信号数字滤波处理第三章第三章 DCSDCS过程控制站过程控制站 对差压式流量计的测量信号进行开方运算，使之与流量信

3、号成线性关系开放运算线性化第三章第三章 DCSDCS过程控制站过程控制站 折线函数变换：对分折仪表检测信号的非线性或由球型罐的液位计算容积时的非线性进行补偿 例如： 电导率mS、 pH 硅酸根、磷酸根S第三章第三章 DCSDCS过程控制站过程控制站 热电偶测温信号的线性化：对热电偶的mV信号与温度之间的非线性进行补偿处理。 先在存储器中存入热电势和温度的序列表(e0, t0)(e1, t1)(e2, t2)(e3, t3)(en, tn)对于任意的热电势e,假设通过程序可判别它在热电势和温度序列中的位置为eieei+1ei+2(0in-2)则对应的温度t可由下式计算出温度值。 由于在(ei,e

4、i+2)内,将信号拟合成抛物线,更接近于电势与温度的实际,所以拟和的精度大大的提高,同时在相同的精度下,变量序列的步长取得相对较大,这样可大大压缩表。第三章第三章 DCSDCS过程控制站过程控制站 热电阻测温信号的线性化：对热电阻的阻值变化信号与温度之间的非线性进行补偿处理 在电力、冶金等行业广泛使用铂电阻作为测温元件，铂电阻和温度t的关系，一般表示为： Rf=R0(1+a1t+a2t2+.+antn)第三章第三章 DCSDCS过程控制站过程控制站脉冲量计算脉冲量计算 积算方式积算方式：累计脉冲总数，流量或电量积算 频率方式：频率方式：测量频率 fx=N/T 周期方式：周期方式：测量周期Tx=

5、NT0 常用经典滤波方法常用经典滤波方法 中位值滤波法 算术平均滤波法 滑动平均滤波法 中位值平均滤波法：相当“中位值滤波法”+“算术平均滤波法” 低通、高通、带通、带阻和全通等类型第三章第三章 DCSDCS过程控制站过程控制站数字滤波 现代滤波现代滤波 Kalman滤波 Wenner滤波 自适应滤波 小波变换（wavelet）等第三章第三章 DCSDCS过程控制站过程控制站2 2）报警检验功能）报警检验功能 仪表异常检验 上、下限报警检验 变化率报警检验 偏差报警检验 当测量信号超过测量范围上限或下限规定值时，可以认为检出元件或变送器出现断线等故障，发出报警信号 当测量值或者控制输出值的变化

6、率(一定时间间隔的变化量)超过设定值时，发出报警信号。 当测量值或表控制输出值超过上、下限报警设定值时，发出报警信号 当测量值与设定值的偏差超过设定值时，发出报警信号第三章第三章 DCSDCS过程控制站过程控制站 这主要是利用水质选择性电极和测量气体流量时，进行温压补偿；测量液体流量时，有时进行密度或温度补偿；累积计量流量的积累运算。第三章第三章 DCSDCS过程控制站过程控制站3 3）补偿运算和积算）补偿运算和积算 这是反馈控制功能的核心部分 主要有PID控制，开、关控制，时间比例式开关控制，信号选择，比率设定，时间程序设定，一阶滞后运算，超前滞后运算，纯滞后补偿，其它运算等。第三章第三章

7、DCSDCS过程控制站过程控制站4 4）控制运算功能）控制运算功能 PCU中的回路连接，从功能上类似了模拟仪表的信号配线或配管。 但由于PCU的上述功能是由软件实现的，尤其控制运算功能是靠微处器的强功能进行DDC（直接数字控制)控制，这些软件或DDC算法构成了内部的功能块(或称内部仪表)。 PCU的回路连接是通过软件实现的，称为“软”连接，是通过“组态”进行的。第三章第三章 DCSDCS过程控制站过程控制站5 5）回路连接）回路连接第三章第三章 DCSDCS过程控制站过程控制站第三章第三章 DCSDCS过程控制站过程控制站(2)(2)顺序控制功能顺序控制功能 顺序控制功能的构成有多种方式，主要

8、包括梯形图编程、符号技术式编程、流程框图式编程语言、逻辑代数编程语言等。(3)(3)批量控制功能批量控制功能 按工艺要求将反馈控制与顺控功能相结合可构成批量控制功能。批量控制的对象往往是一个间断生产过程所得到的产品。第三章第三章 DCSDCS过程控制站过程控制站(4)(4)其它功能其它功能 PCU还具有对过程信息进行收集、处理、打印、制表功能。具有数据通信功能。若带本地操作站，则具有本地操作和显示的功能。第三章第三章 DCSDCS过程控制站过程控制站(5)PCU(5)PCU的的DDCDDC算法及附加功能算法及附加功能 PCU的过程控制功能，是按相应算式进行运算实现的。这些算式称为算法，因为PC

9、U的本质是实现DDC(直接数字控制)的微机装置，所以这些算法称为DDC算法。DDC算法是由PCU ROM中的一定程序来实行的，这些程序块又称为功能块或称算法功能块。 除了各种算法之外，PCU还必须具有一些附加功能才可以完成实际的过程控制。这些附加功能分为：第三章第三章 DCSDCS过程控制站过程控制站(5)PCU(5)PCU的的DDCDDC算法及附加功能算法及附加功能 控制方式PCU的DDC算法中具有下列控制方式： 回路手动(LM：Loop Manual)，由回路模拟显示器进行手动操作方式。 手动方式(MAN：MANUAL)，由操作站(包括本地操作站)经由通信系统进行手动操作。 自动方式(AU

10、T：AUTO)，以本回路就地设定值(LSP)为基准进行自动运算，实现闭环控制方式。第三章第三章 DCSDCS过程控制站过程控制站(5)PCU(5)PCU的的DDCDDC算法及附加功能算法及附加功能 串级方式(CAS)，以另一个控制回路的输出值作为本回路的设定值进行自动运算，实现串级控制的方式。 计算机方式(COMP)，经由数据公路接受上位计算机的输出数据，作为本回路设定值进行自动运算的控制方式(SPC)，或者直接作为输出值的控制方式(DDC)。第三章第三章 DCSDCS过程控制站过程控制站(5)PCU(5)PCU的的DDCDDC算法及附加功能算法及附加功能 PV跟踪 增量型和速度型PID算法必

11、须具有PV跟踪功能，即在手动状态时，使本回路的设定值不再保持原来的设定值，而跟踪PV值。PV跟踪时，从手动切换到自动时，偏差值总是零。因此，即使比例带较小，PID输出值也不会产生扰动，实现平滑切换。切换到自动后，再逐步把设定位调整到所要求的数值。第三章第三章 DCSDCS过程控制站过程控制站(5)PCU(5)PCU的的DDCDDC算法及附加功能算法及附加功能 输出值跟踪 混合型PID算法，在设置PV跟踪的同时，还需要设置输出值跟踪功能，即在手动状态时使内存单元的数值跟踪手操输出值。这样，在切换到自动时，由于内存单元的数值与手操输出值相等，因而实现无平衡无扰动切换。这功能又称“浮动输出”。第三章

12、第三章 DCSDCS过程控制站过程控制站(5)PCU(5)PCU的的DDCDDC算法及附加功能算法及附加功能 初始化与反算 混合型PID算法为“无定位型输出”算法。构成串级控制时，次级回路在处于串级断开状态时，把次级回路的设定值(LSP)送到主回路的输出单元(OP)，称为初始化。这样，当串级控制的主回路设置PV跟踪，次级回路设置初始化和PV跟踪，则串调回路从任何非串调状态切换到串级时，都是无平衡无扰动切换。 当串调回路在PID算法插有“定位型输出”算法，那么此算法必须具有反算功能，即除了将次级回路的设定值(LSP)送主回路外(次级回路处于串级断开状态)，“定位型输出”算法块(比如是加法功能块)

13、必须反算出(逆运算)一个值作为主回路输出。第三章第三章 DCSDCS过程控制站过程控制站3.1.4 PCU3.1.4 PCU的种类的种类类型项目类型项目单回路型单回路型功能分离型功能分离型多回路型多回路型控制规模小，一个PID控制回路或一台电机中，几个PID控制回路，小型的逻辑控制和顺序控制系统大，几十个控制回路，大型的逻辑控制或顺序控制系统控制功能连续控制和顺序控制均可实现连续控制和顺序控制分别由不同的控制器实现连续控制和顺序控制均可实现适用范围从小到大各种规模的系统即使小型系统中也常常需要用两种类型的控制单元不适用于规模太小的系统硬件要求用廉价的硬件就可达到所要求的功能由于功能分离，可以合

14、理地使用硬件由于控制功能很强，对硬件要求很高通信要求实现复杂控制需要的控制信号通信量大，人机接口通信量小功能分离造成不同类型控制单元之间的通信量较大控制单元之间的通信量小，人机接口通信量大安全措施每个单元只控制一个回路，手动后备即可满足要求在可靠性要求较高的的情况下，要采取冗余措施由于控制规模很大，在大多数情况下均须采取冗余措施第三章第三章 DCSDCS过程控制站过程控制站3.1.5 3.1.5 电厂用电厂用PCUPCU的结构选择的结构选择 （1）电厂控制回路的特点 1）系统复杂度高：不宜采用单回路型的PCU； 2）多变量耦合程度高：如锅炉系统，本身很难划分出一些不相干的 独立回路，即使强行分

15、开往往因联络信号过多而超过单回路控制所能允许的数量或系统可靠性下降； 3）逻辑关系复杂； 4）开关量与模拟量控制系统关系密切：大量的连锁、保护、启停等逻辑控制关系与连续控制系统相互制约，相互影响； 5）可靠性要求高。3.1.5 3.1.5 电厂用电厂用PCUPCU的结构选择的结构选择 （2）电厂PCU的应具备的特点 能够在一个基本控制单元内完成比较复杂的控制能力和连续、顺序控制功能；必须采用冗余措施。 （3）推荐意见 对于复杂度较高的系统，如锅炉控制系统，多回路型更为合适； 电厂主系统的控制必宜采用功能分离型； 老厂改造、中小规模电厂可考虑单回路型。第三章第三章 DCSDCS过程控制站过程控制

16、站3.2 3.2 过程控制站的模件种类过程控制站的模件种类 微处理器主模件：PCU内的核心模件，完成用户控制策略； 模拟量输入模件：量程及零点调整、放大、隔离、多路转换、A/D转换； 模拟量输出模件：D/A转换、驱动执行机构； 开关量输入模件：隔离、电平转换； 开关量输出模件：状态寄存、输出驱动、控制现场开关设备; 脉冲量输入模件：累积脉冲、测量频率、计算周期； 液压伺服模件：控制现场液压伺服机构； 现场总线模件：现场总线仪表的数字通道； 通信接口模件：网络接口。第三章第三章 DCSDCS过程控制站过程控制站 反馈控制功能反馈控制功能 输入信号处理功能 报警检验功能 回路连接 作业：简述DCS

17、反馈控制中输入信号处理功能掌握重点掌握重点第四章第四章 DCSDCS人机接口站人机接口站第四章第四章 DCSDCS人机接口站人机接口站4.1 4.1 概述概述 人-机联系又称人-机接口，严格讲人-机联系应该是人与过程之间的联系，而人-机接口是指人与控制系统交互作用的输入输出设备，如电传打字机、键盘、CRT等。 在生产过程高度自动化的今天，还必须有运行人员(操作人员)的目视识别、推理判断和某种干预，特别是在生产过程中发生故障时更是如此。所以在各种生产过程中总是要根据其特点配备相应的输入、输出设备，以便加强人-机联系，使运行人员能够监视生产过程情况又可以通过输入设备将控制信息施加于过程，这样的信息

18、传递称为人和过程的通信，又称人-机通信，其装置就是人-机接口。第四章第四章 DCSDCS人机接口站人机接口站 在电动模拟仪表阶段，由模拟仪表盘形成了操作站，仪表盘上的指示、调节、记录仪表以及操作器等实现人-机联系。 分散控制系统的出现伴随着新型的人-机接口，传统的仪表盘台逐渐被以CRT为基础的操作台所代替。集散系统中人-机接口采用CRT操作站。操作站中采用CRT集中显示和键控操作方式。第四章第四章 DCSDCS人机接口站人机接口站4.24.2人人- -机通信分析机通信分析 在发电厂机组运行期间，中央控制室的运行人员(操作人员)与过程之间要进行大量的信息交换，其主要任务是监视和操作。 运行人员的

19、每次监视都是以搜索为起始点，寻找发生异常的日标，然后进步识别目标是什么。 每个监视和操作任务的完成可分为五个子过程，即搜索搜索、识别、比较、检验、计数，、识别、比较、检验、计数，搜索和识别两个子过程的根本目的都在于把运行人员的注意力引向正确的目标，只有成功地完成这两个子过程，才能进行下面三个子过程，最后作出决策。因此，搜索和识别的最佳化设计是非常重要的。第四章第四章 DCSDCS人机接口站人机接口站控制室内运行人员的一般工作控制室内运行人员的一般工作类类 别别工工 作作 内内 容容过程的监视 重要被调量的监视； 控制系统、控制没备、被控制设备的运行状况及动作； 报警的辨织及状况的掌握； 给现场

20、值班人员的指示及联络。过程的操作 目标值、给定值的设定与变更； 控制方式的切换； 手动输出的调节； 远方操作设备的启停或通断第四章第四章 DCSDCS人机接口站人机接口站4.34.3基本功能基本功能 （1）仪表盘台操作 仪表盘台的运转是利用装在盘台上的调节器、记录仪、指示计、运转指示灯以及报警器等进行的，这就是盘台操作方式。 运行人员站在这种仪表盘台前的操作如下：掌握过程的全貌；报警点的辨识；控制回路操作、调节器参数整定。第四章第四章 DCSDCS人机接口站人机接口站4.34.3基本功能基本功能 （2）CRT操作 在CRT操作中，将需要显示的信息进行有层次的集中，并使各种画面系统化，即大量信息

21、浓缩在个很小面积的CRT屏幕上，用多幅画面串行显示，运行人员可以用键盘调出各种画面，以获得需要的信息。 CRT操作与常规仪表盘台操作不同的是，运行人员不需要前后左右地走动就能取得信息并进行操作，在这里，是信息“走”向人，而不是人“走”向信息。第四章第四章 DCSDCS人机接口站人机接口站4.44.4集散控制系统的操作站集散控制系统的操作站 DCS操作站中，从功能上看又划分为运行人员操作站和工程师用操作站（工程师站）。 运行人员操作台主要完成各种设备的启动、停止或操作开关增减操作以及生产过程的监视等； 工程师用操作台主要完成系统组态，软件开发和生成。第四章第四章 DCSDCS人机接口站人机接口站

22、4.3.14.3.1集散系统人集散系统人- -机接口的功能特点机接口的功能特点 (1) (1)显示功能显示功能 集散系统的操作站用彩色CRT、LCD等作显示器具有极强的显示功能。主要包括： 过程点显示过程点显示 集散系统的最小控制回路可以看作为一个过程点。操作站以模拟方式(棒图)、数字方式及趋势曲线方式实时显示过程点所包括的测量值(PV)、设定值(SV)及控制输出值(MV)。所有过程点都有标记名称，出现于总貌画面中。各个过程点所代表的各个回路又可以详尽地显示于组画面中。第四章第四章 DCSDCS人机接口站人机接口站 检测点显示检测点显示 非控制过程变量的实时测量值以及经处理后的输出值都可以模拟

23、方式及数字方式显示于CRT、LCD屏幕中。 状态点显示状态点显示 操作站以字符方式、模拟方式、图形及颜色等多种方式显示工艺设备、控制设备的开关状态运行、停止及故障状态。也可以字符方式、模拟方式、图形及颜色显示回路的操作状态(手动、自动、串级)，显示顺序控制、批量控制的执行状态等。 丰富的画面显示丰富的画面显示 除了上述三类点显示及有关的回路显示外，操作站还具有极强的画面生成、转换及协调能力，因而可以显示其它的画面，例如，系统控制流程画面，维护检修画面等等。第四章第四章 DCSDCS人机接口站人机接口站第四章第四章 DCSDCS人机接口站人机接口站(2)(2)报警功能报警功能 操作站具有综合的多

24、方式报警功能，它以画面方式、色彩方式、数字方式及模拟方式对各种参数的越限进行报警显示，并伴以声响报警信号，也可以对设备异常状态进行报警。(3)(3)操作功能操作功能 操作站可对全系统各控制回路(反馈控制回路、顺控批控回路)进行操作，对设定值、输出值、控制回路常数值、顺控条件值及操作值进行调整操作。对控制中各类操作状态，如手动自动计算机顺序手动等等进行切换。对报警限值、顺控定时器及计数器的设定值进行修改和重设定。还包括为系统安全而采取紧急操作处理。操作站可以提供操作指导。第四章第四章 DCSDCS人机接口站人机接口站第四章第四章 DCSDCS人机接口站人机接口站(4)(4)报告生成功能报告生成功能 操作站具有极强的报告生成功能，配合生产管理可以打印各种班报表、日报表、操作日记及历史记录等