DCS的应用设计课件

第七章集散系统的主要技术与应用实例7.1集散控制系统的设计7.2集散控制系统的调试、安装与验收7.3集散系统的评价与选择7.4TDC—3000系统在某初轧厂均热炉控制中的应用7.5TDC—3000系统应用于过程控制中数据点的实例第七章集散系统的主要技术与应用实例7.1集散控制系统的设17.1集散控制系统的设计集散控制系统的设计一般分四个阶段：方案论证、方案设计、工程设计

和系统文件设计。本节将介绍每一阶段应做的工作和必须达到的目的。7.1集散控制系统的设计集散控制系统的设计27.1.1方案论证DCS工程设计的第一步，是基础。方案论证阶段主要做两件事，一是制定系统功能规范，二是完成有关厂家的配置，拟定出若干配置的方案图。7.1.1方案论证DCS工程设计的第一步，是31.功能规范的确定

功能规范的主要内容是系统功能、性能指标、环境要求等。

说明：明确目标系统具体干些什么，而不是如何干。1.功能规范的确定功能规范的主要内容是系统功4包括功能概述、信号处理、显示功能、操作功能、报警功能、控制功能、打印功能、管理功能、通讯功能、冗余性能和或扩性能。

（1）系统功能包括功能概述、信号处理、显示功能、操作功能、报警5（2）系统的性能指标可参照有关评价内容制定。各项技术性能的指标是将来系统验收的依据，所以确定必须慎重。（2）系统的性能指标可参照有关评价内容制定。6（3）环境要求集散控制系统为了适应不同的现场工作环境，其结构、模件都有不同的要求，价格也相应地有所差别，因此需要在系统的功能规范中明确系统的环境要求，避免不必要的浪费。环境要求的具体内容是：温度和湿度指标，分别规定系统存放时和运行时的温度、湿度极限值；抗振动、抗冲击指标；电源电压的幅值、频率以及允许波动的范围，系统对接地方式和接地电阻的要求；电磁兼容性指标、安全指标、系统物理尺寸、防静电和防粉尘指标等。（3）环境要求集散控制系统为了适应不同的现场工作环境，其结7

选择几种集散控制系统有针对性地进行系统硬件配置，确定操作站、现场监控站、I/O卡件等的数量和规格，拟定出几种配置方案。2.系统配置2.系统配置83.评价及选型参看7.3节3.评价及选型参看7.3节97.1.2方案设计是集散控制系统设计的第二步方案设计。在这一阶段中主要是针对选定的系统，依据系统功能规范作进一步核实，考核产品是否能完全符合生产过程提出的要求，核实无误后，再作方案设计。

方案设计时根据工艺要求和厂方的技术资料，确定系统的硬件配置，包括操作站、工程师站、监控站、通信系统、打印机、拷贝机、记录仪端子柜、安全栅、UPS电源等。配置说明：配置时除要考虑一定的冗余外，还要为今后控制回路和I/O点等的扩展留出10%的余量，另外要留足三年左右维护期的备品、备件。7.1.2方案设计是集散控制系统设计的第二步方案设计。107.1.2方案设计最后制定出一张详细的订货单，与制造厂进一步进行实质性谈判，正式签订购买合同。合同中除了规定时间进度及厂商提供的技术服务、文档资料外，尤其要包含双方认可的系统的功能规范。7.1.2方案设计最后制定出一张详细的订货单，与制造厂进117.1.3工程设计是DCS设计的最后一个阶段主要完成：各类图纸设计、DCS系统的应用软件设计等。7.1.3工程设计是DCS设计的最后一个阶段121.文档建立与设计在工程设计阶段首先应设计和建立应用技术文档，需完成的图纸及文件有：⑴回路名称及说明表。⑵工艺流程图包括控制点及系统与现场仪表接口说明。⑶特殊控制回路说明书。⑷网络组态数据文件包括各单元站号，各设备和I/O卡件编号。⑸I/O地址分配表。⑹组态数据表。1.文档建立与设计在工程设计阶段首先应设计和建立13⑺联锁设计文件包括联锁表、联锁逻辑图。⑻流程图画面设计包括各流程画面布置图、图示、用色规范。⑼操作编程设计书包括操作编组、报警编组、趋势记录编组等。⑽硬件连接电缆表包括型号、规格、长度、起点、终点。⑾系统硬件和平面布置图。⑿硬件及备品件的清单。⒀系统操作手册，介绍整个系统的控制原理及结构。1.文档建立与设计⑺联锁设计文件包括联锁表、联锁逻辑图。1.文142.集散系统应用软件设计集散系统各种监测和控制功能都是通过软件来实现的，应用软件的设计是关键一步。首先要掌握生产商提供的系统软件的功能和用法，然后再结合实际生产工艺过程，进行集散系统的显示画面组态、动态流程组态、控制策略组态、报警组态、报表生成组态、网络组态等应用软件的设计。设计好的系统应用软件必须反复进行运行检查，不断修改至正确为止，最后生成正式的系统应用软件。2.集散系统应用软件设计集散系统各种监测和控制功能都是通过15（1）应用软件组态的任务应用软件组态就是在系统硬件和系统软件的基础上，将系统提供的功能块以软件组态的方式连接起来，以达到对过程进行控制的目的。如A/D卡与选定的控制算法连接应用软件组态的具体内容包括：数据点的组态、控制程序的编号、用户画面、报警画面、动态流程画面及报表生成等组态方式：填表式、图形式等（1）应用软件组态的任务应用软件组态就是在系统硬件和系统软件16一般有二种途径：一种是直接在DCS系统上，通过操作站进行组态，另一种是通过PC机进行组态。

（1）在操作站上进行组态应用软件在操作站上组态比较直接、方便，但是常常受生产厂交货时间的影响，如果产品交货拖延，或者施工现场条件的限制，就影响了用户在操作站上组态的时间，势必拖延开工期限。（2）应用软件的组态途径一般有二种途径：一种是直接在DCS系统上，通过操作站17（2）在PC机上组态用户在DCS尚未进场的情况下先在PC机上进行模拟组态，可为工厂调试赢得时间。模拟组态有如下几种情况：①生产厂为用户提供一整套软件和转换设备，使用户在PC机上组态的结果转换成DCS能直接接收的编码，省去了编译、调试和组态键入的过程。②有的DCS系统硬件处理器采用INTER公司的80386，这就为使用IBM/PC及其兼容机进行软件模拟组态提供了方便。③较多工厂提供的模拟组态软件仅能进行数据点的组态，且不能在PC机上进行编译和调试，借助CAD手段进行用户画面编制是一个发展方向。

（2）在PC机上组态用户在DCS尚未进场的18组态途径有两条：一条是通过万能操作站（US）和万能工作站（UWS）直接进行组态，另一条是通过Honeywell公司提供的一套能在IBMPC及其兼容机上使用的模拟组态软件——LCNWORKBOOK和转换设备进行组态。（3）TDC-3000应用软件的组态途径组态途径有两条：（3）TDC-3000应用软件的组态途径19（1）US或UWS的组态方式简介US和UWS的组态方式基本一样，通过US或UCS，用户可以完成应用软件组态的全部功能。US的显示器是触摸式屏幕，画面上的每个方框都是一个靶标，组态时只需触摸其中的某个方框就能调出相应的菜单或组态画面。（1）US或UWS的组态方式简介US和UWS的组态方式基本一20TDC-3000应用软件的组态包括：NCF组态（网络组态文件）、数据点组态、用户画面、自由格式报表和键定义组态、控制程序的编制CL/PM（CL/AM）。组态流程如图4.1（1）US或UWS的组态方式简介TDC-3000应用软件的组态包括：NCF组态（网络组态文件21TDC-3000应用软件组态流程@TDC-3000应用软件组态流程@22@@23（2）LCNWORKBOOK组态方式LCNWORKBOOK的使用环境：LCNWORKBOOK是在IBMPC及其兼容机上进行应用软件组态的辅助软件。

LCNWORKBOOK的使用方式：使用菜单选择方式进入组态画面。其组态画面与US或UWS的PED画面相仿，采用填入或选择方式进行组态，并提供帮助画面。组态完成后用户可根据需要生成组态报表打印输出，并生成EB（EXCEPTIONBUILD）文件，经转换变成TDC-3000能够接收的组态数据。LCNWORKBOOK的使用范围：LCNWORKBOOK可进行AM和CM数据点组态、区域数据库和HM的组态、HG数据点组态、UCN/NIM数据点的组态。（2）LCNWORKBOOK组态方式LCNWORKB243.集散系统的控制室设计

根据系统性能规范中关于环境的要求，仪表、电工和土建部门的设计人员应合作完成目标系统的控制室设计，应考虑DCS控制室的位置选择、房间配建筑要、照明要空调要求及供电电源及接地和安全各个方面。

1)控制室位置确定

2)控制室房间配置

3)控制室建筑要求

4)照明要求

5)空调要求

6)供电及接地要求

7)安全设施3.集散系统的控制室设计根据系统性能规范中关254．各类专业人员的分工

（1）工艺人员的职责（2）计算机人员的职责（3）仪表控制人员职责（4）电工人员的职责（5）土建人员的职责

4．各类专业人员的分工（1）工艺人员的职责265．集散控制系统的项目组织

1）工作流程图2）工作计划表5．集散控制系统的项目组织27工作流程图工作流程图28工作计划表工作计划表297.2集散控制系统的调试、安装与验收7.2.1集散控制系统的调试

为确保集散系统正常运行，必须认真细致地进行调试工作。DCS的调试分以下三个部分：工厂调试、用户现场离线调试和在线调式。

1.工厂调试

1）硬件调试；2）用户应用软件的调试

2．现场调试

1）数据点调试；2）控制程序的调试;

3）操作画面的调试；4）紧急联锁系统调试.7.2集散控制系统的调试、安装与验收7.2.1集散307.2.2集散控制系统的安装

DCS在完成现场开箱检验后就可以进行安装工作，但在安装之前必须具备所需的各项条件，经生产厂商确认无误时才可开始安装。安装前的准备工作包括地基、电源、接地等三方面。电源一般采用UPS电源，在接到DCS带电部分之前需向生产厂商递交一份有关电源的测试报告，以保证电压、品种准确无误。安装基础在安装之前亦需与就位设备一一对应。DCS的接地要求较高，它要求有专用的工作接地极，且要求它的入地点远离避雷入地点4m，接地体与交流电的中线及其他用电设备接地体间距离大于3m，DCS的工作地应与安全地分开。另外还要检测它的电阻，要求小于1欧姆。7.2.2集散控制系统的安装DCS在完成现场开317.2.3集散控制系统的验收

DCS的验收分工厂验收和现场验收两个阶段。工厂验收是在工厂进行，现场验收则是在系统运抵用户现场后的验收。

1．工厂验收2．现场验收1）开箱检验；2）通电检验；3）在线检验.7.2.3集散控制系统的验收DCS的327.2.4集散控制系统的管理、维护及二次开发

1．DCS的管理2．系统维护3．系统应用软件的继续开发7.2.4集散控制系统的管理、维护及二次开发337.3集散系统的评价与选择7.3.1技术性能的评价

1.技术性能评价1）现场控制站的评价;2）人机接口的评价;3）过程计算机的评价;4）通讯系统评价5）系统软件评价

2.使用性评价1）系统技术的成熟性;2)系统的技术支持3)系统的兼容能力.3.可靠性与经济性评价1)可靠性评价;2)经济性评价7.3集散系统的评价与选择7.3.1技术性能的评价347.3.2集散系统的选择

1.选择原则集散系统的选择缺乏标准化、定量化的方法，仅能提出如下一些考虑的原则:1)系统功能与生产过程要求;2)先进性与成熟性需兼顾;3)系统生命周期与技术更新的权衡;4)一次投资及多次投资的综合考虑;5)系统的性能与技术管理水平需匹配.2.评价方法：基于加权因素的评估矩阵1)评估矩阵;

评估矩阵应包括技术性能、使用性能、可靠性和经济性等各项评估指标，该矩阵如表4.2所示。2)加权值和加权因素;3)评估步骤.7.3.2集散系统的选择1.选择原则35表4.2集散控制系统评估矩阵

要求加权因素A厂家B厂家C厂家D厂家得分额值得分额值得分额值得分额值技术性能10550770880770使用性能910909819811090可靠性1088099099010100经济性8324216432216额值合计370244267283276百分比％10065.972.176.474.6供货周期（周）25272030表4.2集散控制系统评估矩阵要求加权因素A厂家B厂家C厂367.4TDC—3000系统在某初轧厂均热炉控制中的应用7.4.1某初轧厂（均热炉）生产过程概况

初轧厂均热炉共设置了30个炉坑，每个炉坑的尺寸为4x7.9x5(m)，分布如图4.3所示。某厂均热炉的主要工况条件如表4.4。图4.3初轧厂均热炉分布图7.4TDC—3000系统在某初轧厂均热炉控制中的应用7.37表4.4均热炉主要工况条件工况条件项目条件要求炉堂尺寸400╳7900╳5000（mm）单坑装入量169（T）加热时间约4（h）燃料热值2200（LC/m3）（大卡/米3）燃料种类高炉、焦炉、转炉混合煤气供风量1200（Nm3/h））标准立米/小时）空气预热温度550——600（摄氏度）最大煤气消耗量4500（Nm3/h.h）（标准立米/小时,坑）出渣方式干出渣表4.4均热炉主要工况条件工况条件项目条件要求炉堂尺寸40387.4.2初扎厂均热炉控制要求

1.均热炉工艺要求

为了是初扎厂开坯产品高质、低耗，均热炉必须满足下列工艺要求：1)必须保证实现一个良好的加热过程。2)空气与燃料必须有一定的比例关系。3)均热炉炉压必须保持一定,略高于零压,炉压控制在1mmH2O.4)出渣少，装钢易，保证操作简便，以延长炉子寿命。5)均热炉加热过程中必须进行热回收，设置热交换器。6)要控制废气。7)各炉坑之间的加热，出钢锭必须彼此协调，整个生产要有节奏且高效率运行。8)保证生产安全。7.4.2初扎厂均热炉控制要求1.均热炉工艺要求392．均热炉控制要求为了满足上述要求，必须对均热炉生产过程的参数进行控制(参见图4.4):1)炉温控制：保证炉温达到要求值。2)炉膛压力控制：保证炉膛压力稳定在+1mmH2O。3)料流量控制、空气流量控制及空燃比控制。要求空燃比达一定值，并保护炉温要求。4)能耗控制。采用各种换热器降低热耗。5)换热器保护控制。6)废气含氧控制。这是使燃料充分燃烧，提高燃料效力，降低能耗的控制要求。7)能耗计量控制。8)生产过程动力装置，设备顺序动作控制等。如炉盖的开启等.2．均热炉控制要求40图4.4初轧厂均热炉控制流程图图4.4初轧厂均热炉控制流程图417.4.3初轧厂TDC——3000系统对均热炉的控制1.TDC——3000系统在均热炉控制中的总体安排初轧厂均热炉30个炉坑要完成年处理三百万吨的任务，采用了当时TDCS——3000系统作为自动化仪表控制系统。系统的总体安排如图4.7所示.7.4.3初轧厂TDC——3000系统对均热炉的控制42控制系统将30个炉坑分为10个组（Battery），每组3个炉坑（hole）。每二组又构成一个单元（Block）。全系统为5个单元。一般单元的组成如图4.5所示。控制系统将30个炉坑分为10个组（Batte43有三个炉坑采用了含氧量控制（最佳空燃比控制），其单元构成如图4.6所示。图4.6含氧控制单元结构。有三个炉坑采用了含氧量控制（最佳空燃比控制），其单元442.系统的控制回路构成原理均热炉TDC—3000控制系统可以将全系统分为数个子系统来分析，有的子系统包括了几个简单回路。1）炉内温度控制子系统(1)炉内温度控制系统TIC;(2)最大流量限制(3)燃料流量控制;(4)空燃比控制;(5)空气流量控制.2.炉膛压力控制炉膛压力按控制要求必须控制在1mmH2O，为此主要测量换热器出口处的压力，并控制阐门板来进行控制。炉内压力调节器也采用带有外部复位反馈功能的PI运算，占控制器的一个槽路.3.预热空气温度控制预热空气温度控制回路是为了保护换热器而必须设置的。换热器的温度不宜过高，否则将被烧坏。2.系统的控制回路构成原理457.4.4TDC－3000实现最佳空燃比控制1.废气含氧量控制的特点1）废气含氧量控制中的静态增益随负荷变化;2）初期空燃比;3）氧量的自动设定。2.TDC－3000实现含氧量控制方法含氧量控制提出了上述三方面的控制要求，用常规仪表是难于达到要求的。但采用TDC－3000的控制器来实现却是很容易的。初轧厂对三个炉坑进行了含氧量控制，其控制方框图如图4.12所示。7.4.4TDC－3000实现最佳空燃比控制146图4.12TDC－3000含氧量控制槽路组成图4.12TDC－3000含氧量控制槽路组成477.5TDC-3000系统应用于过程控制中数据点的实例

7.5.1算法

TDC—3000系统提供了标准编程的子程序，称作为算法，用来处理一定范围的调节控制情况，详见表4.5。表4.5可使用的算法功能算法CBECMCPMAMPID√√√√√算术运算加√√√√√乘√√√√√除√√√√√选择器√√√√√纯滞后√√√超前/滞后√√√√√流量补偿√√√开关√√√√√逻辑√√√√表示特征√√√自动-手动√√√√√数据采集√√√√√比率√√√√√7.5TDC-3000系统应用于过程控制中数据点的实例48图4.13具有标准控制算法的连续控制在一过程连接装置中，图4.13表示了仅仅使用具有标准算法的数据点：1.进料温度前馈控制；2.一个圆筒炉的燃料/空气比值控制。图4.13具有标准控制算法的连续控制在一过491．前馈控制在图中：Cf=过程物料比热Fg=废气的质量流量Ff=进料质量流量Hg=废气热值K1=废气的热值常数K2=燃料油的热值常数K3=出口温度常数K4=所需热量常数Ti=物料入口温度To=物料出口温度X=温度控制器输出1．前馈控制502．空气/燃料比控制B=空气流量偏置Fg=废气质量流量Fo=燃料油质量流量K1=废气热值常数K2=燃料油热值常数R=空气/燃料比空气流量控制：Y=K1Fg+K2FoK1和K2由操作员输入空气流量给定值：SP=RY+BB和R由操作员输入选用合适的R和B值，则在整个操作范围内，烟道气中O2含量可以保持在接近常数。2．空气/燃料比控制B=空气流量偏置517.5.2控制语言TDC3000系统所提供的标准算法，几乎涉及所有的控制情况。但是，也有一些控制方案，要求用户计算或处理有关子程序。对于这种情况，TDC3000系统提供了一套高级的控制语言（CL）。CL是一适于过程的语言，它是为过程和应用工程师特定设计的，用来实现特殊的控制策略。若人们熟悉多功能控制器，可以认为CL是扩展了SOPL——即Honeywell顺序步骤语言。有了CL后，即便工程师不是一位有经验的编程员，所遇到的过程问题也能很容易的解决。换句话说，由编程经验的工程师将会发现，CL足以完成各种十分复杂的控制策略。除了算术功能（+、—、×、/）和运算（如\、ex、log(x)等）以外，CL编程语言提供了一般的适于过程的语句，用在连续和不连续的环境控制（见表4.6）。7.5.2控制语言TDC3000系统所提供的52表4.6控制语言语句语句类型用途存取语句readwrite用来存取或变量值的更换setchangestate控制语句ifthen用来指向或重复指向一CL程序的执行流向elseloopgotorepeat延迟语句pausewait在特定时间停止CL程序的执行通信语句callsend允许一CL程序与子程、其它CL程序或操作员通信failinitiaterestart终止语句resumeabort指令一CL程序或子程结束exitend表4.6控制语言语句语句类型用途存取语句用来存取或变量值的更537.6浙大中控JX-300XDCS在杭钢1#高炉TRT装置中的应用高炉煤气余压发电的原理是利用透平膨胀机将原来损耗在减压阀组上高炉煤气的压力能和一部分潜热能转换为机械能，再通过发电机将机械能变为电能输送给电网。高炉煤气余压发电不仅回收了高炉煤气一部分能量，减少了噪音，同时改善了高炉顶压的调节品质，更利于高炉的生产。高炉煤气余压透平发电（TRT）是冶金行业中公认的节能手段，回收的能量约占高炉风机所需能量的30%。7.6浙大中控JX-300XDCS在杭钢1#高炉TRT541#高炉采用干法除尘，煤气压力和温度相对较高，这些都是应用TRT的有利条件。1#高炉采用干法除尘，煤气压力和温度相对较高，这些都55工艺流程

杭钢1#高炉TRT工艺流程如图1所示。高炉煤气经过除尘装置后，经入口电动碟阀、入口插板阀、快速切断阀后，进入透平机，然后经出口插板阀、出口电动碟阀到煤气管网，在入口插板阀之前，透平出口之后并联着旁通快开阀组，旁通阀组在正常停机和紧急停机时，进行高炉顶压控制。工艺流程杭钢1#高炉TRT工艺流程如图1所示。高炉煤气经过56图1杭钢1#高炉TRT工艺流程示意图图1杭钢1#高炉TRT工艺流程示意图57系统配置

为保证TRT机组长期安全、稳定地运行，杭州钢铁集团公司1#高炉TRT控制系统采用浙大中控的JX-300XDCS系统。项目由一个工程师站、一个操作员站、一个控制站组成，系统结构拓扑见图2。其中通讯网络和主控制卡、数据转发卡及重要的模拟量输入、输出通道采用冗余配置，保证系统安全高效运行。系统配置为保证TRT机组长期安全、稳定地运行，杭州钢铁集团58系统配置清单如下：系统配置清单如下：59控制要求与实现主要包括启动联锁、自动升速控制、正常调顶压、正常停机控制、紧急停机控制等，而各过程中保持高炉顶压的稳定是装置实现自动化的关键。控制要求与实现主要包括启动联锁、自动升速控制、正常调顶压、60化学水处理分散控制系统网络配置化学水处理分散控制系统网络配置61第七章集散系统的主要技术与应用实例7.1集散控制系统的设计7.2集散控制系统的调试、安装与验收7.3集散系统的评价与选择7.4TDC—3000系统在某初轧厂均热炉控制中的应用7.5TDC—3000系统应用于过程控制中数据点的实例第七章集散系统的主要技术与应用实例7.1集散控制系统的设627.1集散控制系统的设计集散控制系统的设计一般分四个阶段：方案论证、方案设计、工程设计

和系统文件设计。本节将介绍每一阶段应做的工作和必须达到的目的。7.1集散控制系统的设计集散控制系统的设计637.1.1方案论证DCS工程设计的第一步，是基础。方案论证阶段主要做两件事，一是制定系统功能规范，二是完成有关厂家的配置，拟定出若干配置的方案图。7.1.1方案论证DCS工程设计的第一步，是641.功能规范的确定

功能规范的主要内容是系统功能、性能指标、环境要求等。

说明：明确目标系统具体干些什么，而不是如何干。1.功能规范的确定功能规范的主要内容是系统功65包括功能概述、信号处理、显示功能、操作功能、报警功能、控制功能、打印功能、管理功能、通讯功能、冗余性能和或扩性能。

（1）系统功能包括功能概述、信号处理、显示功能、操作功能、报警66（2）系统的性能指标可参照有关评价内容制定。各项技术性能的指标是将来系统验收的依据，所以确定必须慎重。（2）系统的性能指标可参照有关评价内容制定。67（3）环境要求集散控制系统为了适应不同的现场工作环境，其结构、模件都有不同的要求，价格也相应地有所差别，因此需要在系统的功能规范中明确系统的环境要求，避免不必要的浪费。环境要求的具体内容是：温度和湿度指标，分别规定系统存放时和运行时的温度、湿度极限值；抗振动、抗冲击指标；电源电压的幅值、频率以及允许波动的范围，系统对接地方式和接地电阻的要求；电磁兼容性指标、安全指标、系统物理尺寸、防静电和防粉尘指标等。（3）环境要求集散控制系统为了适应不同的现场工作环境，其结68

选择几种集散控制系统有针对性地进行系统硬件配置，确定操作站、现场监控站、I/O卡件等的数量和规格，拟定出几种配置方案。2.系统配置2.系统配置693.评价及选型参看7.3节3.评价及选型参看7.3节707.1.2方案设计是集散控制系统设计的第二步方案设计。在这一阶段中主要是针对选定的系统，依据系统功能规范作进一步核实，考核产品是否能完全符合生产过程提出的要求，核实无误后，再作方案设计。

方案设计时根据工艺要求和厂方的技术资料，确定系统的硬件配置，包括操作站、工程师站、监控站、通信系统、打印机、拷贝机、记录仪端子柜、安全栅、UPS电源等。配置说明：配置时除要考虑一定的冗余外，还要为今后控制回路和I/O点等的扩展留出10%的余量，另外要留足三年左右维护期的备品、备件。7.1.2方案设计是集散控制系统设计的第二步方案设计。717.1.2方案设计最后制定出一张详细的订货单，与制造厂进一步进行实质性谈判，正式签订购买合同。合同中除了规定时间进度及厂商提供的技术服务、文档资料外，尤其要包含双方认可的系统的功能规范。7.1.2方案设计最后制定出一张详细的订货单，与制造厂进727.1.3工程设计是DCS设计的最后一个阶段主要完成：各类图纸设计、DCS系统的应用软件设计等。7.1.3工程设计是DCS设计的最后一个阶段731.文档建立与设计在工程设计阶段首先应设计和建立应用技术文档，需完成的图纸及文件有：⑴回路名称及说明表。⑵工艺流程图包括控制点及系统与现场仪表接口说明。⑶特殊控制回路说明书。⑷网络组态数据文件包括各单元站号，各设备和I/O卡件编号。⑸I/O地址分配表。⑹组态数据表。1.文档建立与设计在工程设计阶段首先应设计和建立74⑺联锁设计文件包括联锁表、联锁逻辑图。⑻流程图画面设计包括各流程画面布置图、图示、用色规范。⑼操作编程设计书包括操作编组、报警编组、趋势记录编组等。⑽硬件连接电缆表包括型号、规格、长度、起点、终点。⑾系统硬件和平面布置图。⑿硬件及备品件的清单。⒀系统操作手册，介绍整个系统的控制原理及结构。1.文档建立与设计⑺联锁设计文件包括联锁表、联锁逻辑图。1.文752.集散系统应用软件设计集散系统各种监测和控制功能都是通过软件来实现的，应用软件的设计是关键一步。首先要掌握生产商提供的系统软件的功能和用法，然后再结合实际生产工艺过程，进行集散系统的显示画面组态、动态流程组态、控制策略组态、报警组态、报表生成组态、网络组态等应用软件的设计。设计好的系统应用软件必须反复进行运行检查，不断修改至正确为止，最后生成正式的系统应用软件。2.集散系统应用软件设计集散系统各种监测和控制功能都是通过76（1）应用软件组态的任务应用软件组态就是在系统硬件和系统软件的基础上，将系统提供的功能块以软件组态的方式连接起来，以达到对过程进行控制的目的。如A/D卡与选定的控制算法连接应用软件组态的具体内容包括：数据点的组态、控制程序的编号、用户画面、报警画面、动态流程画面及报表生成等组态方式：填表式、图形式等（1）应用软件组态的任务应用软件组态就是在系统硬件和系统软件77一般有二种途径：一种是直接在DCS系统上，通过操作站进行组态，另一种是通过PC机进行组态。

（1）在操作站上进行组态应用软件在操作站上组态比较直接、方便，但是常常受生产厂交货时间的影响，如果产品交货拖延，或者施工现场条件的限制，就影响了用户在操作站上组态的时间，势必拖延开工期限。（2）应用软件的组态途径一般有二种途径：一种是直接在DCS系统上，通过操作站78（2）在PC机上组态用户在DCS尚未进场的情况下先在PC机上进行模拟组态，可为工厂调试赢得时间。模拟组态有如下几种情况：①生产厂为用户提供一整套软件和转换设备，使用户在PC机上组态的结果转换成DCS能直接接收的编码，省去了编译、调试和组态键入的过程。②有的DCS系统硬件处理器采用INTER公司的80386，这就为使用IBM/PC及其兼容机进行软件模拟组态提供了方便。③较多工厂提供的模拟组态软件仅能进行数据点的组态，且不能在PC机上进行编译和调试，借助CAD手段进行用户画面编制是一个发展方向。

（2）在PC机上组态用户在DCS尚未进场的79组态途径有两条：一条是通过万能操作站（US）和万能工作站（UWS）直接进行组态，另一条是通过Honeywell公司提供的一套能在IBMPC及其兼容机上使用的模拟组态软件——LCNWORKBOOK和转换设备进行组态。（3）TDC-3000应用软件的组态途径组态途径有两条：（3）TDC-3000应用软件的组态途径80（1）US或UWS的组态方式简介US和UWS的组态方式基本一样，通过US或UCS，用户可以完成应用软件组态的全部功能。US的显示器是触摸式屏幕，画面上的每个方框都是一个靶标，组态时只需触摸其中的某个方框就能调出相应的菜单或组态画面。（1）US或UWS的组态方式简介US和UWS的组态方式基本一81TDC-3000应用软件的组态包括：NCF组态（网络组态文件）、数据点组态、用户画面、自由格式报表和键定义组态、控制程序的编制CL/PM（CL/AM）。组态流程如图4.1（1）US或UWS的组态方式简介TDC-3000应用软件的组态包括：NCF组态（网络组态文件82TDC-3000应用软件组态流程@TDC-3000应用软件组态流程@83@@84（2）LCNWORKBOOK组态方式LCNWORKBOOK的使用环境：LCNWORKBOOK是在IBMPC及其兼容机上进行应用软件组态的辅助软件。

LCNWORKBOOK的使用方式：使用菜单选择方式进入组态画面。其组态画面与US或UWS的PED画面相仿，采用填入或选择方式进行组态，并提供帮助画面。组态完成后用户可根据需要生成组态报表打印输出，并生成EB（EXCEPTIONBUILD）文件，经转换变成TDC-3000能够接收的组态数据。LCNWORKBOOK的使用范围：LCNWORKBOOK可进行AM和CM数据点组态、区域数据库和HM的组态、HG数据点组态、UCN/NIM数据点的组态。（2）LCNWORKBOOK组态方式LCNWORKB853.集散系统的控制室设计

根据系统性能规范中关于环境的要求，仪表、电工和土建部门的设计人员应合作完成目标系统的控制室设计，应考虑DCS控制室的位置选择、房间配建筑要、照明要空调要求及供电电源及接地和安全各个方面。

1)控制室位置确定

2)控制室房间配置

3)控制室建筑要求

4)照明要求

5)空调要求

6)供电及接地要求

7)安全设施3.集散系统的控制室设计根据系统性能规范中关864．各类专业人员的分工

（1）工艺人员的职责（2）计算机人员的职责（3）仪表控制人员职责（4）电工人员的职责（5）土建人员的职责

4．各类专业人员的分工（1）工艺人员的职责875．集散控制系统的项目组织

1）工作流程图2）工作计划表5．集散控制系统的项目组织88工作流程图工作流程图89工作计划表工作计划表907.2集散控制系统的调试、安装与验收7.2.1集散控制系统的调试

为确保集散系统正常运行，必须认真细致地进行调试工作。DCS的调试分以下三个部分：工厂调试、用户现场离线调试和在线调式。

1.工厂调试

1）硬件调试；2）用户应用软件的调试

2．现场调试

1）数据点调试；2）控制程序的调试;

3）操作画面的调试；4）紧急联锁系统调试.7.2集散控制系统的调试、安装与验收7.2.1集散917.2.2集散控制系统的安装

DCS在完成现场开箱检验后就可以进行安装工作，但在安装之前必须具备所需的各项条件，经生产厂商确认无误时才可开始安装。安装前的准备工作包括地基、电源、接地等三方面。电源一般采用UPS电源，在接到DCS带电部分之前需向生产厂商递交一份有关电源的测试报告，以保证电压、品种准确无误。安装基础在安装之前亦需与就位设备一一对应。DCS的接地要求较高，它要求有专用的工作接地极，且要求它的入地点远离避雷入地点4m，接地体与交流电的中线及其他用电设备接地体间距离大于3m，DCS的工作地应与安全地分开。另外还要检测它的电阻，要求小于1欧姆。7.2.2集散控制系统的安装DCS在完成现场开927.2.3集散控制系统的验收

DCS的验收分工厂验收和现场验收两个阶段。工厂验收是在工厂进行，现场验收则是在系统运抵用户现场后的验收。

1．工厂验收2．现场验收1）开箱检验；2）通电检验；3）在线检验.7.2.3集散控制系统的验收DCS的937.2.4集散控制系统的管理、维护及二次开发

1．DCS的管理2．系统维护3．系统应用软件的继续开发7.2.4集散控制系统的管理、维护及二次开发947.3集散系统的评价与选择7.3.1技术性能的评价

1.技术性能评价1）现场控制站的评价;2）人机接口的评价;3）过程计算机的评价;4）通讯系统评价5）系统软件评价

2.使用性评价1）系统技术的成熟性;2)系统的技术支持3)系统的兼容能力.3.可靠性与经济性评价1)可靠性评价;2)经济性评价7.3集散系统的评价与选择7.3.1技术性能的评价957.3.2集散系统的选择

1.选择原则集散系统的选择缺乏标准化、定量化的方法，仅能提出如下一些考虑的原则:1)系统功能与生产过程要求;2)先进性与成熟性需兼顾;3)系统生命周期与技术更新的权衡;4)一次投资及多次投资的综合考虑;5)系统的性能与技术管理水平需匹配.2.评价方法：基于加权因素的评估矩阵1)评估矩阵;

评估矩阵应包括技术性能、使用性能、可靠性和经济性等各项评估指标，该矩阵如表4.2所示。2)加权值和加权因素;3)评估步骤.7.3.2集散系统的选择1.选择原则96表4.2集散控制系统评估矩阵

要求加权因素A厂家B厂家C厂家D厂家得分额值得分额值得分额值得分额值技术性能10550770880770使用性能910909819811090可靠性1088099099010100经济性8324216432216额值合计370244267283276百分比％10065.972.176.474.6供货周期（周）25272030表4.2集散控制系统评估矩阵要求加权因素A厂家B厂家C厂977.4TDC—3000系统在某初轧厂均热炉控制中的应用7.4.1某初轧厂（均热炉）生产过程概况

初轧厂均热炉共设置了30个炉坑，每个炉坑的尺寸为4x7.9x5(m)，分布如图4.3所示。某厂均热炉的主要工况条件如表4.4。图4.3初轧厂均热炉分布图7.4TDC—3000系统在某初轧厂均热炉控制中的应用7.98表4.4均热炉主要工况条件工况条件项目条件要求炉堂尺寸400╳7900╳5000（mm）单坑装入量169（T）加热时间约4（h）燃料热值2200（LC/m3）（大卡/米3）燃料种类高炉、焦炉、转炉混合煤气供风量1200（Nm3/h））标准立米/小时）空气预热温度550——600（摄氏度）最大煤气消耗量4500（Nm3/h.h）（标准立米/小时,坑）出渣方式干出渣表4.4均热炉主要工况条件工况条件项目条件要求炉堂尺寸40997.4.2初扎厂均热炉控制要求

1.均热炉工艺要求

为了是初扎厂开坯产品高质、低耗，均热炉必须满足下列工艺要求：1)必须保证实现一个良好的加热过程。2)空气与燃料必须有一定的比例关系。3)均热炉炉压必须保持一定,略高于零压,炉压控制在1mmH2O.4)出渣少，装钢易，保证操作简便，以延长炉子寿命。5)均热炉加热过程中必须进行热回收，设置热交换器。6)要控制废气。7)各炉坑之间的加热，出钢锭必须彼此协调，整个生产要有节奏且高效率运行。8)保证生产安全。7.4.2初扎厂均热炉控制要求1.均热炉工艺要求1002．均热炉控制要求为了满足上述要求，必须对均热炉生产过程的参数进行控制(参见图4.4):1)炉温控制：保证炉温达到要求值。2)炉膛压力控制：保证炉膛压力稳定在+1mmH2O。3)料流量控制、空气流量控制及空燃比控制。要求空燃比达一定值，并保护炉温要求。4)能耗控制。采用各种换热器降低热耗。5)换热器保护控制。6)废气含氧控制。这是使燃料充分燃烧，提高燃料效力，降低能耗的控制要求。7)能耗计量控制。8)生产过程动力装置，设备顺序动作控制等。如炉盖的开启等.2．均热炉控制要求101图4.4初轧厂均热炉控制流程图图4.4初轧厂均热炉控制流程图1027.4.3初轧厂TDC——3000系统对均热炉的控制1.TDC——3000系统在均热炉控制中的总体安排初轧厂均热炉30个炉坑要完成年处理三百万吨的任务，采用了当时TDCS——3000系统作为自动化仪表控制系统。系统的总体安排如图4.7所示.7.4.3初轧厂TDC——3000系统对均热炉的控制103控制系统将30个炉坑分为10个组（Battery），每组3个炉坑（hole）。每二组又构成一个单元（Block）。全系统为5个单元。一般单元的组成如图4.5所示。控制系统将30个炉坑分为10个组（Batte104有三个炉坑采用了含氧量控制（最佳空燃比控制），其单元构成如图4.6所示。图4.6含氧控制单元结构。有三个炉坑采用了含氧量控制（最佳空燃比控制），其单元1052.系统的控制回路构成原理均热炉TDC—3000控制系统可以将全系统分为数个子系统来分析，有的子系统包括了几个简单回路。1）炉内温度控制子系统(1)炉内温度控制系统TIC;(2)最大流量限制(3)燃料流量控制;(4)空燃比控制;(5)空气流量控制.2.炉膛压力控制炉膛压力按控制要求必须控制在1mmH2O，为此主要测量换热器出口处的压力，并控制阐门板来进行控制。炉内压力调节器也采用带有外部复位反馈功能的PI运算，占控制器的一个槽路.3.预热空气温度控制预热空气温度控制回路是为了保护换热器而必须设置的。换热器的温度不宜过高，否则将被烧坏。2.系统的控制回路构成原理1067.4.4TDC－3000实现最佳空燃比控制1.废气含氧量控制的特点1）废气含氧量控制中的静态增益随负荷变化;2）初期空燃比;3）氧量的自动设定。2.TDC－3000实现含氧量控制方法含氧量控制提出了上述三方面的控制要求，用常规仪表是难于达到要求的。但采用TDC－3000的控制器来实现却是很容易的。初轧厂对三个炉坑进行了含氧量控制，其控制方框图如图4.12所示。7.4.4TDC－3000实现最佳空燃比控制1107图4.12TDC－3000含氧量控制槽路组成图4.12TDC－3000含氧量控制槽路组成1087.5TDC-3000系统应用于过程控制中数据点的实例

7.5.1算法

TDC—3000系统提供了标准编程的子程序，称作为算法，用来处理一定范围的调节控制情况，详见表4.5。表4.5可使用的算法功能算法CBECMCPMAMPID√√√√√算术运算加√√√√√乘√√√√√除√√√√√选择器√√√√√纯滞后√√√超前/滞后√√√√√流量补偿√√√开关√√√√√逻辑√√√√表示特征√√√自动-手