分散控制系统1课件

分散控制系统自动化系华北电力大学

杰德控制工程研究中心负责人：韩璞教授/博导开发经验：济南：鲁能控制工程有限公司——LN2000山东省科技进步一等奖南京：国电南自——PAS300M分散控制系统西安：西安热工研究院——FCS165现场总线控制系统的开发开发工作：源码级华北电力大学参考教材白焰等，《分散控制系统与现场总线控制系统：基础、评选、设计和应用》，中国电力出版社，2001。王常力等，《分布式控制系统（DCS）设计与应用实例》电子工业出版社，2004。张新薇等，《集散系统及系统开放》，机械工业出版社，2005.1。王常力等，《集散型控制系统设计与应用》，1993.6。1993年被中央电视台作为“集散型控制系统”讲座的教材，王常力亲自任讲教师。华北电力大学1.2控制系统概述控制：一锤在手，万物皆钉

《人有人的用处--控制论和社会》N．维

纳

著

华北电力大学液位控制华北电力大学1.2.1控制系统的基本组成华北电力大学人的作用设定？算法？异常情况决策？作为一个整体，人必须是控制系统的一个重要组成部分。人机界面必不可少：测量值的显示、计算参数的显示、人工操作设备、算法预置等。

华北电力大学完整的控制系统华北电力大学1.2.2测量方法和测量装置运行状态是生产过程的表征可测性：一个被控对象能够被测量的难易程度。表征生产过程的量称为过程量，分为模拟量和开关量两大类。华北电力大学模拟量细分为：瞬时量--温度、压力等累积量—电能（电度）等测量：敏感元件或检测元件：传感器+变送器：符合一定标准的统一信号。华北电力大学开关量2) 开关量表示所处状态的量，也可直接称之为状态量。取值一般为两个，也可多个，如多抽头的分接头位置，多工位。有限。需要转换为标准信号。两个：0和1；多个：多个二进制数。华北电力大学测量过程在数字式控制系统中，由于要直接用数字来表达各个物理量值，为此需要进行模拟量到数字量的转换，从电流、电压等模拟信号变换成数字的测量值。华北电力大学SOE量2）SOE量SequenceofEvent特殊的开关量a. 仅在现场设备的状态发生变化时产生b. 不仅表示状态改变后的状态，还要记录出现改变的准确时间，一般要精确到毫秒。作用：事后分析故障原因时找出动作的顺序，以确定引起故障的第一原因、其后的联锁动作过程。华北电力大学1.2.3控制方法和运算处理装置1）对连续过程的控制过程控制或流程控制是一种连续调节性质的控制调节是控制的一种，特指通过反馈的方法对连续变化的对象进行连续的控制。没有明显的起点和终点华北电力大学对连续过程的控制要素：a. 受控对象对目标值的允许偏差b. 进行测量和控制的周期c. 调节控制算法，如PID、模糊控制、神经网络、专家控制等测量值、设定值运算处理装置的任务：a. 设定值变化时，调节b. 出现干扰时，调节方法：前馈、反馈、结合华北电力大学对连续过程的控制串级控制华北电力大学对连续过程的控制前馈-反馈控制华北电力大学对连续过程的控制预测控制华北电力大学对连续过程的控制专家控制华北电力大学对连续过程的控制模糊控制华北电力大学比较连续过程：模拟调节仪表和DCS离散过程：继电器和PLC批量或混合过程：结合华北电力大学其他控制对批量过程或混合过程的控制生产工况的切换平稳工况的控制过程控制与程序控制相结合华北电力大学1.2.4控制的执行方法和执行装置通过执行机构作用于被控对象的可操作部分和可调节部分执行装置或执行单元：电动阀、控制电机、继电器等运算处理装置的输出：模拟量：连续调节-阀门开度（百分比）开关量：状态改变乒乓控制：通过控制开关量处于不同状态的时间比例，达到控制模拟量的目的如电热炉华北电力大学1.3.1控制系统的发展历史华北电力大学控制系统的发展历史整个控制系统的发展沿着三条主线第一条：对离散控制系统的控制，即逻辑控制或程序控制继电器—电子控制器—PLC第二条：SCADA，早期为遥测遥控系统监督控制，如供电、供水、供热特点：远程控制对象，关键是数据采集，功能实现依赖远程通信概念扩展：以人工监督控制为主的系统华北电力大学控制系统的发展历史第三条：对连续过程的控制系统特点：控制的时间特性过程：机械控制器、基地式仪表、气动单元组合仪表、电动单元组合仪表、分布式控制系统DCS分为仪表控制系统和计算机控制系统华北电力大学1.3.2仪表控制系统的基本概念指模拟式仪表组成的控制系统最主要的功能是进行回路控制，对那种最小过程单元进行的闭环控制或调节。华北电力大学仪表控制系统的基本概念输入两个：设定值和测量值输出一个：对被控过程的控制量闭环、反馈。基本功能：根据控制算法处理测量值和设定值的偏差，并控制过程减少此偏差。实例：水位控制系统华北电力大学液位控制华北电力大学飞锤调速器1.3.3早期的仪表控制系统–基地式仪表指控制系统（即仪表）与被控对象在机械结构上是结合在一起的，而且仪表的各个部分，包括检测、计算、执行及简单的人机界面都做成了一个整体，就地安装在被控对象之上。单回路控制华北电力大学基地式仪表（50年代）缺点：仪表系统封闭，无法与外界沟通早期的仪表控制系统——基地式仪表

华北电力大学1.3.4近代仪表控制系统–单元式组合仪表20世纪60年代后期将测量、控制计算、执行及显示、设定及显示、记录等功能分别由不同的单元实现，互相之间采用某种标准的物理信号实现连接，并根据控制功能的需求进行灵活的组合。华北电力大学单元式组合仪表两大类：1）气动单元组合仪表：以经过干燥净化的压缩空气作为动力并以气压传递现场信号，其规范为20—100kPa。压缩空气提供的动力可以直接驱动气动阀门等现场设备。很强的抗干扰性。主要有七种单元。变送、调节、显示、计算、给定值、辅助、转换华北电力大学单元式组合仪表2） 电动单元组合仪表：由直流电源提供动力并以直流电信号（电流或电压）传递现场信号的值。信号规范：0-10mA：DDZII4-20mA：DDZIII真正的控制系统是从单元式组合仪表出现后才逐步形成。不仅单回路，还可以串级、复合、几个回路互动。华北电力大学电动单元组合仪表（60～70年代）缺点：构成复杂控制系统困难，故障率高无法进行数字通信华北电力大学组装式电子综合控制仪表

（70年代末）缺点：与电动单元组合仪表没有本质上的改变华北电力大学数字式单回路调节器SLC在20世纪80年代前后，随着大规模集成电路和微处理器的发展，在仪表控制系统中出现了一类新的产品，这就是以数字技术为主的单回路调节器SLC，即SingleLoopController。这种产品以微处理器为核心，主要完成控制计算的功能。其最主要的用途是代替单元式组合仪表的计算、显示及给定值等单元，而检测、执行等功能仍然由常规的单元完成，以这种方式组成的系统是另一种模拟式和数字式混合模式的系统。华北电力大学数字式单回路调节器SLCSingleLoopController以微处理器为核心，主要完成控制计算的功能，代替单元式组合仪表的计算、显示及给定值等单元。数字显示。多回路调节器。复杂功能：硬接线或通信方式。缺：资源共享华北电力大学单回路调节器缺点：结构复杂，使用不便价格昂贵不容易构成复杂控制系统华北电力大学回路调节器华北电力大学回路调节器插板式控制器的外观华北电力大学1.3.5计算机控制系统20世纪40年代诞生，直到1958年才开始进入控制领域。计算机可靠性对计算机控制系统的推进

华北电力大学计算机可靠性对计算机控制系统的推进电子数字计算机是20世纪40年代诞生的，但直到1958年才开始进入控制领域。其在控制系统中的发展历程与计算机的可靠性有很着密切的联系。计算机控制系统在电厂中的应用深度显示了其于可靠性之间的关系。华北电力大学数据采集系统DAS缺点：功能单一，只能实现监测，没有构成闭环控制1958年9月在美国路易斯安娜州的一座发电厂内安装了第一台用于现场状态监视的计算机。严格地说，DAS不属于计算机控制的范畴，其输出并不直接控制生产过程

华北电力大学数据采集系统对于控制系统来讲，尤其是对于控制生产过程这种系统，安全性是首要条件，这就要求新的系统不能影响系统的安全运行。

因此最先得到应用的计算机系统是可靠性要求最低的数据采集系统，即DAS（DataAcquisitionSystem）。华北电力大学监督控制系统SCC到1959年3月，在美国得克萨斯州Texaco的一个炼油厂投运了另一套计算机系统，该系统不仅可以显示现场仪表的检测数据，而且可以设定或改变现场控制仪表的给定值，然而真正实施控制（即根据给定值及实际检测值的偏差计算出控制量，并实际输出以使实际值回到给定值的工作）仍然由控制仪表完成。这套系统应该是世界上最早的设定值控制（SPC，SetPointControl）或称为监督控制系统（SCC，SupervisoryComputerControl）。

华北电力大学监督控制系统随着DAS的成功应用，并且显示出了计算机系统在计算、显示和记录等方面的优越性，工程人员对其产生了浓厚的兴趣。并且随着可靠性的提高，工程人员的信心也逐步增强，试图进一步拓展其应用范围，增加其应用功能，产生了监督控制系统。华北电力大学直接数字控制系统而1960年4月在肯塔基州的一个化工厂投运的另一套计算机系统，除了完成现场检测数据的监视和设定值的功能外，还可以实际完成控制计算并实际输出控制量。这就是第一个直接数字控制（DDC，DirectDigitalControl）系统。这时侯工程人员对计算机的控制能力充满信心，并将其付诸实际。

华北电力大学直接数字控制系统DDC的应用，是控制技术、计算机技术、CRT技术相结合的产物，是计算机控制系统在生产过程中的实现，并且取得了很好的效果。随着计算机可靠性的提高和DDC的成功应用，人们对于计算机赋予了更高的期望，希望它能承担更多的控制任务，更好的发挥其计算能力。在DDC应用的体系结构方面和控制能力方面又进行了不断的尝试。

华北电力大学集中型计算机控制系统华北电力大学缺点：可靠性差，故障率高，没有在实际中得以应用现代控制系统现代控制系统的主要特点：回路控制部分、人机界面、信号电缆三部分。一次仪表、二次仪表，之间通过信号电缆实现信号的传输。华北电力大学信号传输的变化从控制装置到控制系统，引起根本质变的因素是：信号传输的变化。信号传输标准的发展和演变就成为仪表控制系统的划代标志：气动：20—100kPa信号传输标准II型电动组合仪表：0-10mAIII型电动组合仪表：4-20mA现场总线标准：由模拟技术演进到数字技术后的新一代信号传输标准。华北电力大学模拟控制方式利用电容、电感、电阻等元件的电气规律模拟实现。1）计算精度不高，随时间变化2）动态特性受限。转向数字控制系统华北电力大学两个基本结构图模拟仪表控制系统计算机控制系统华北电力大学1.3.6网络技术的发展4C技术：DCS是“4C”技术的产物，即计算机技术（computer）、控制技术(control)、通信技术(communication)、CRT显示技术而其中对DCS产生和实现影响最强的是通信技术。在DCS之前，控制技术和计算机技术已经使直接控制技术付诸实现，可编程调节器和可编程控制器在现场得以应用。CRT的诞生也使图形显示成为现实。华北电力大学网络技术的发展与此同时，以数字式单回路调节器（SLC）和可编程序逻辑控制器（PLC）为代表的独立DDC控制单元得到了比较广泛的应用，在一些电厂控制系统改造中发挥了计算机控制系统的作用。这些技术促成了以直接控制计算机为中心的集中式控制系统的产生。华北电力大学可编程逻辑控制器PLC

（ProgrammableLogicController）缺点：结构复杂，价格昂贵构成复杂控制系统困难

华北电力大学网络技术的发展但是由于当时计算机的可靠性低，导致集中控制系统存在危险性高的致命缺陷，从而使之不能在实际中得以广泛推广和应用。这时分散控制集中管理的思想已经行成，也就是已经具有了分散控制系统的设计思路。其主要技术瓶颈在于如何解决通信问题，使现场中用于分散控制的站点之间进行数据通信，以及将现场控制站中的数据传递给上位CRT显示。没有找到合适的解决方案来实现DCS的思想。华北电力大学网络技术的发展在DDC发展的过程中，因为网络技术尚未完善，人们使用一些其他方法来解决不同控制器之间的信息传递问题。如对于串级控制、复合控制等较复杂的控制功能，常规的组合式单元仪表的做法是采用硬接线将所需信号引到仪表的计算单元，并参与控制计算。也可以通过微处理器之间的通信获取所需信号，被称为“引用”。通常是通过RS-232或RS-485串行通信来进行的。华北电力大学1.3.7数字技术的演进革命性的变化数字化，算法软件实现复杂控制功能容易实现人机界面：仪表盘或模拟盘；面积大、难修改弱点：1） 容错性：抗干扰性差2） 软件实现：a.串行单向b.时间延迟技术问题：解决可靠性和实时性是关键其他优势：网络技术：编码、总线、共线华北电力大学1.3.8分布式控制系统的产生及其特点1975年DCS产生解决了两个问题DDC的数字技术和单元式组合仪表的分布式体系结构是DCS的核心，之所以能够形成并达到实用的程度，有赖于计算机网络的产生。20世纪60年代中后期，DDC时已经提出了分散控制系统的思想，但是无法实现。华北电力大学分散型计算机控制系统华北电力大学分散控制系统DCS（DistributedControlSystem）华北电力大学分散控制系统的定义以回路控制为主要功能的系统除变送和执行单元外，控制、通讯、监视采用数字技术。以计算机的CRT、键盘、鼠标代替仪表盘形成人机界面。回路控制由现场控制站完成，多个。人机界面由操作员站实现，多个。系统中所有的现场控制站、操作员都通过数字网络实现连接。DCS,PLC,FCSDCS基本要点4C技术（3CI技术）从上到下的树状拓扑大系统，其中通信是关键PID在中继站中，中继站连接监控计算机与现场仪器仪表及控制装置在树状拓扑和并行连线的链路结构中，有大量的电缆从中继站并行到现场仪表一台仪表一对线接到I/O，由控制站挂到局域网上分散控制系统是控制、操作、现场仪表三级结构缺点是成本高，各个公司不能互换，不能互操作用于大规模的连续过程控制，电力，石化制造商：Bailey(美)、Westinghouse(美)、HITACH(日)、Siemens(德)、ABB(瑞士)、Honeywell(美)PLC的基本要点从开关量控制发展到顺序控制，是从下往上的可用一台PC机为主站，多台同型PLC为从站也可一台PLC为主站，多台同型PLC为从站，构成PLC网络。PLC网络可以作为独立的DCS，也可作为DCS的子系统。主要用于工业过程中的顺序控制，新型PLC也兼有闭环控制功能。制造商：AB(美)、GE(美)、MITSUBISHI(日)、Siemens(德)、OMRON(日)等FCS的基本要点基本目标：本质安全，危险区域，易变过程，用于难于应付的非常环境全数字化、智能、多功能取代模拟式单功能仪表、控制装置用总线连接分散的现场仪器仪表、控制装置、控制中心。取代每台仪器两根线总线上PID与仪器，仪表，控制装置都是平等的多变量，多节点，串行，数字通信系统取代单变量，单点，并行，模拟系统信息传输用互联的，双向的，开放的取代单向的，封闭的方式分散的虚拟控制站取代集中的控制站改变传统的信号标准、通信标准和系统标准，进入企业管理网制造商：HONEYWELL，SMAR，AB/ROCKWELL，BALLEY，FOXBORO，YOKOGAWA，SIEMENS，SCHNEIDER，ABB差异（技术性比较）DCS的关键是