第六章集散控制系统

集散控制系统-----又称分散型综合控制系统（DCS）系统，是对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的一种全新的分布式计算机控制系统。该系统将若干台微机分散应用于过程控制，全部信息通过通信网络由上位管理计算机监控，实现最优化控制，通过CRT装置、通信总线、键盘、打印机等，进行集中操作、显示和报警。整个装置继承了常规仪表分散控制和计算机集中控制的优点，克服了常规仪表功能单一、人一机联系差，以及单台微型计算机控制系统危险性高度集中的缺点，既在管理、操作和显示三方面集中，又在功能、负荷和危险性三方面分散。集散控制系统的定义现在是1页\一共有52页\编辑于星期四一、集散控制系统的组成（一）拓扑结构现在是2页\一共有52页\编辑于星期四（二）功能分析现在是3页\一共有52页\编辑于星期四TDC-3000系统现在是4页\一共有52页\编辑于星期四CENTUM系统现在是5页\一共有52页\编辑于星期四二、集散控制系统的特点（1）控制设备的分散（2）监视和管理操作的集中（3）开放的系统结构现在是6页\一共有52页\编辑于星期四三、集散控制系统的发展初创期(1975一l980年)

成熟期(1980一1985年)扩展期(1985年以后)分散控制方式：仪表间相距过远、仪表盘尺寸过大、无法全面了解信息及佳作；集中控制方式：危险过集中，计算机出现故障时整个生产装置瘫痪；集散控制方式：控制功能分散、操作管理集中－DCS。集散控制中危险分散的方法：将控制功能分散到多台计算机上，采取双重化冗余措施。现场控制站危险分散的设计原则现在是7页\一共有52页\编辑于星期四现在是8页\一共有52页\编辑于星期四三、集散控制系统的发展国际著名厂商:TDC-2000TDC3000SPECTRUMI/AseriesCENTUM现在是9页\一共有52页\编辑于星期四爱默生电气公司WDPFPROVOX国内著名厂商：现在是10页\一共有52页\编辑于星期四DCS系统操作台现在是11页\一共有52页\编辑于星期四DCS系统控制单元现在是12页\一共有52页\编辑于星期四DCS系统用户界面现在是13页\一共有52页\编辑于星期四Distributedcontrolsystem包括：DCS控制站、DCS操作站、数据通信及网络现在是14页\一共有52页\编辑于星期四集散控制系统的现场控制站DCS系统中，控制站继承了DDC技术，它是一个完整的计算机，实际运行中可以在不与操作站及网络相连的情况下，完成过程控制策略，保证生产装置正常运行。控制站作为一个完整的计算机，它的主要I/O设备为现场的输入、输出处理设备，以及过程输入/输出（PI/O）量，包括信号变换与信号调理，A/D、D/A转换等。它在第二代和第三代产品中已陆续采用了嵌入式技术，并采用单片机等完成量程调整、远程I/O数据传输、小型化及减少PI/O卡硬件规格等功能，直至连接智能化的现场变送器或接受采用现场总线提供的数字信号。现在是15页\一共有52页\编辑于星期四集散控制系统的现场控制站☞主要设备：现场控制单元。☞主要任务：进行数据采集及处理，对被控对象实施闭环反馈控制、顺序控制和批量控制。☞用户可以根据不同的应用需求，选择配置不同的现场控制单元以构成现场控制站。●以面向连续生产的过程控制为主，顺序逻辑控制为辅，构成一个可以实现多种复杂控制方案的现场控制站;●

以顺序控制、联锁控制功能为主的现场控制站；●构成对大批量过程信号进行总体信息采集的现场控制站。现在是16页\一共有52页\编辑于星期四1.机柜现场控制站机柜中央控制室机柜间机柜间机柜组有了现场控制站，生产过程控制的安全性和可靠性都很容易得到保证现在是17页\一共有52页\编辑于星期四现场控制单元多层I/O卡件箱电源单元通信接口接线端子板机柜正面（前面）机柜背面（后面）现场控制站机柜现在是18页\一共有52页\编辑于星期四2.电源➢电源系统的可靠性措施●每一个现场控制站均采用双电源供电，互为冗余。●采用超级隔离变压器，将其初级、次级线圈间的屏蔽层可靠接地，以克服共模干扰的影响。●采用交流电子调压器，快速稳定供电电压。●配有不间断供电电源UPS，以保证供电的连续性。➢现场控制站内各功能模块所需直流电源一般为±5V、±15V(或±12V)、以及+24V。现在是19页\一共有52页\编辑于星期四3.控制计算机控制器电源单元I/O卡件现场总线接口卡件导轨控制计算机现在是20页\一共有52页\编辑于星期四➢控制计算机一般是由CPU、存储器、输入/输出通道等基本部分组成。(1)CPU

●用以实现算术运算和逻辑运算。●可以执行复杂的先进控制算法，如自动整定、预测控制、模糊控制和自适应控制等。现在是21页\一共有52页\编辑于星期四(2)存储器

●控制计算机的存储器分为RAM和ROM。●在控制计算机中ROM占有较大的比例。●由于控制计算机在正常工作时运行的是一套固定的程序，DCS中大都采用了程序固化的办法。●在冗余控制计算机系统中，还特别设有双端口随机存储器RAM，其中存放有过程输入输出数据、设定值和PID参数等。现在是22页\一共有52页\编辑于星期四(3)总线

●总线是将现场控制站内部各单元连接起来的通信介质。

(4)输入/输出通道

●模拟量输入/输出(AI/AO)●开关量输入/输出(SI/SO)●数字量输入/输出(DI/DO)●脉冲量输入通道(PI)

现在是23页\一共有52页\编辑于星期四①模拟量输入输出通道(AI/AO)

●模拟量输入通道(AI)➢模拟量输入通道(AI)将来自在线检测仪表和变送器的连续性模拟电信号转换成数字信号，送给CPU进行处理。●模拟量输出通道(AO)

➢模拟量输出通道(AO)一般将计算机输出的数字信号转换为4~20mADC(或1~5VDC)的连续直流信号，用于控制各种执行机构。现在是24页\一共有52页\编辑于星期四②开关量输入/输出通道(SI/SO)

●开关量输入通道(SI)主要用来采集各种限位开关、继电器或电磁阀连动触点的开、关状态，并输入至计算机。●开关量输出通道(SO)主要用于控制电磁阀、继电器、指示灯、声光报警器等只具有开、关两种状态的设备。③脉冲输入通道(PI)

脉冲输入通道(PI)将现场仪表（如涡轮流量计等）输出的为脉冲信号处理后送入计算机。现在是25页\一共有52页\编辑于星期四1.反馈控制2.4.1现场控制站的基本功能反馈控制输入处理控制运算回路组态输出处理报警处理反馈控制功能分布图现在是26页\一共有52页\编辑于星期四(1)输入信号处理➢模拟输入信号处理●合理性检验●零偏修正●规格化●工程量变换●非线性处理●开方运算●补偿运算●脉冲序列的瞬时值变换及累计现在是27页\一共有52页\编辑于星期四➢对于数字信号●状态报警及输出方式处理。➢对于脉冲序列●瞬时值变换及累积计算。现在是28页\一共有52页\编辑于星期四①报警类型②报警限值③报警优先级

●

报警优先级参数●

报警链中断参数●

最高报警选择参数(2)报警处理现在是29页\一共有52页\编辑于星期四(3)控制运算●常规PID●微分先行PID●积分分离●开关控制●时间比例式开关控制●信号选择●比率设定常用算法●时间程序设定●Smith预估控制●多变量解耦控制●一阶滞后运算●超前-滞后运算●其他运算等现在是30页\一共有52页\编辑于星期四(4)控制回路组态➢根据控制策略的需要，将一些功能模块通过软件连接起来，构成检测回路或控制回路。温度与压力串级控制系统回路组态图现在是31页\一共有52页\编辑于星期四(5)输出信号处理●输出开路检验●输出上下限检验●输出变化率限幅●模拟输出●开关输出●脉冲宽度输出现在是32页\一共有52页\编辑于星期四2.逻辑控制➢根据输入变量的状态，按逻辑关系进行的控制。➢在DCS中，由逻辑功能模块实现逻辑控制功能。逻辑控制功能●与(AND)●或(OR)●非(NO)●异或(XOR)●连接(LINK)●进行延时(ONDELAY)●停止延时(OFFDELAY)●触发器(FLIP-FLOP)●脉冲(PULSE)现在是33页\一共有52页\编辑于星期四3.顺序控制➢顺序控制：按预定的动作顺序或逻辑，依次执行各阶段动作程序。➢顺序控制中可以兼用反馈控制、逻辑控制和输入/输出监视等功能。➢实现顺序控制的常用方法●顺序表法●程序语言方式●梯形图法现在是34页\一共有52页\编辑于星期四➢顺序表法●将控制顺序按逻辑关系和时间关系预先编成顺序记录，存储于管理文件中，然后逐项执行。➢程序语言方式●通过语言编程来实现顺序控制。➢梯形图法（梯形逻辑控制语言）●由继电器逻辑电路图演变而来的一种解释执行程序的设计语言。➢随着DCS的发展，已出现了梯形逻辑与连续控制算法相结合的复合控制功能。现在是35页\一共有52页\编辑于星期四4.批量控制➢根据工艺要求，将反馈控制与逻辑、顺序控制结合起来，使一个间歇式生产过程得到合格产品的控制。●反馈控制的报警信号●回路状态信号●模拟信号的比较、判断、运算结果顺序控制的条件信号现在是36页\一共有52页\编辑于星期四●回路的切换●参数的变更●设定值的调整●控制算法的变更●控制方案的变更由顺序控制转换为反馈控制的条件现在是37页\一共有52页\编辑于星期四5.辅助功能(1)控制方式选择●手动(MAN)●自动(AUT)●串级(CAS)●计算机(COMP)(2)测量值跟踪➢在手动方式时，使本回路的设定值不再保持原来的值，而跟踪测量值。现在是38页\一共有52页\编辑于星期四(3)输出值跟踪➢在手动方式时，使内存单元中PID输出值跟踪手操输出值。➢从手动切换到自动时，内存单元中的自动输出数值与手操输出值相等，切换是无扰动的。➢在自动方式时，手操器的输出值是始终跟踪控制器的自动输出值的。➢从自动切换到手动时，手操器的输出值与PID的输出值相等，切换是无扰动的。现在是39页\一共有52页\编辑于星期四现在是40页\一共有52页\编辑于星期四现在是41页\一共有52页\编辑于星期四

DCS操作站具有操作员功能、工程师功能、通信功能和高级语言功能等，其中工程师功能中包括系统组态、系统维护、系统通用（Utility）功能。

DCS操作员站和工程师站现在是42页\一共有52页\编辑于星期四实际的DCS操作站是典型的计算机，它与控制站不同，有着丰富的外围设备和人机界面。70年代中期，CRT显示器技术已成熟，以外部存储器为特征，第二代DCS操作站还具有如下特点：操作站和工程师站（或称工作站）分开，也有公司将操作站的历史数据存储用硬盘（历史模件）和高级语言应用站（应用模件）分别独立挂在通信网络上；操作系统除采用DOS系统以外，有的产品采用Unix等操作系统；实时数据库储存性能逐渐完善；在人机界面方面，逐渐过渡为以GUI图形用户界面为平台并采用鼠标、组态时制作流程图和控制回路图等方法，采用菜单、窗口、CAD等技术，使人机界面友好。现在是43页\一共有52页\编辑于星期四DCS操作站的功能（三大功能）工程功能－完成系统生成、系统维护、系统测试和系统管理；操作功能－监视、记录、运行；通信功能－完成现场控制站于上位机之间的数据交换。主要介绍操作功能－操作运行中的操作画面（1）总貌画面－反映生产过程总体状况。（2）分组画面－对应显示各内部仪表状态，操作中观察其它回路中的关联变化。（3）回路调整画面（4）报警画面（5）趋势分组画面（6）流程子画面现在是44页\一共有52页\编辑于星期四2.2.2操作站嵌入型台式操作站桌面型操作站信息报警站工程师站控制站显示器标准键盘主机操作站主机柜工作台中央控制室设备现在是45页\一共有52页\编辑于星期四☞DCS操作站一般分为操作员站和工程师站两种。●工程师站主要是技术人员与控制系统的人机接口，可以对应用系统进行监视。●工程师站为用户提供了一个灵活的、功能齐全的工作平台，通过组态软件来实现用户所要求的各种控制策略。●有些小型DCS的工程师站可以用一个操作员站代替。现在是46页\一共有52页\编辑于星期四

●操作台

●微处理机系统

●外部存储设备

●图形显示设备

●操作键盘和鼠标

●打印输出设备DCS操作站主要设备操作站设备现在是47页\一共有52页\编辑于星期四2.2.3冗余技术1.冗余方式冗余技术多重化自动备用简易的手动备用后退运转同步运转待机运转现在是48页\一共有52页\编辑于星期四2.4.2操作站的基本功能操作站的基本功能显示报警系统维护报告生成操作系统组态操作站的基本功能分布图现在是49页\一共有52页\编辑于星期四2.4.3自诊断功能☞在系统投运前