DCS控制系统基础知识

DCS控制系统12021/5/9内容提要第一章DCS控制系统DCS控制系统简述DCS控制系统的发展史CENTUM-CS3000控制系统的构成及字母代号DCS控制系统的特点第二章简单控制系统概述简单控制系统的几大参数三种控制器的比较22021/5/9内容提要第三章复杂控制系统概述串级控制系统前馈控制系统比值控制系统分程控制系统选择控制系统三冲量控制系统第四章过程控制系统-控制系统的投运控制系统操作中的常见问题32021/5/9

DCS是分布式控制系统的英文缩写（DistributedControlSystem），在国内自控行业又称之为集散控制系统。DCS是计算机技术、控制技术和网络技术高度结合的产物。DCS通常采用若干个控制器（过程站）对一个生产过程中的众多控制点进行控制，各控制器间通过网络连接并可进行数据交换。操作采用计算机操作站，通过网络与控制器连接，收集生产数据，传达操作指令。因此，DCS的主要特点归结为一句话就是：分散控制集中管理。第一节DCS控制系统简述42021/5/9

DCS大致经历了四个发展阶段，相应地有四代的基本结构:第一阶段(初创期)，1975年一1980年第二节DCS控制系统发展史52021/5/9第二阶段〔成熟期)，1980年一1985年第二节DCS控制系统发展史62021/5/9第三阶段(扩展期)，1985年一2000年

DCS向计算机网络控制扩展，将过程控制、监督控制和管理调度进一步结合起来，并且加强断续系统功能，采用专家系统，制造自动化协议MAP(ManufacturAutomationProtocol)标准，以及硬件上诸多新技术。这一代的典型产品中，有的是在原有基础上扩展，如美国Honeywell公司扩展后的TDCS3000，横河电机的CENTUM-XL和UX[，美国西屋公司的WDPFII等，也有的是新发展的系统，如Foxboro公司的I/ASeries等。这一代产品的进一步发展就是计算机集成制造(生产)系统第二节DCS控制系统发展史72021/5/9CIM(ComputerIntegratedManufacturing)，即将企业行政事务信息与工厂控制系统集成为一体的计算机系统。这一代产品结构层次有了进一步发展，它自下而上一般可分为过程控制级，控制管理级，生产管理级和经营管理级这四个层次，第二节DCS控制系统发展史82021/5/9第四阶段：第四代DCS系统，2000年以后第四代DCS的体系结构主要分为四层结构:现场仪表层、控制装置单元层、工厂(车间)层和企业管理层。一般DCS厂商主要提供除企业管理层之外的三层功能，而企业管理层则通过提供开放的数据库接口，连接第三方的管理软件平台(ERP,CRM,SCM等)。所以说，当今DCS主要提供工厂(车间)级的所有控制和管理功能，并集成全企业的信息管理功能。例如以Honeywell公司最新推出的ExperionPKS(过程知识系统)、Emerson公司的P1antWeb(EmersonProcessManagement),Foxboro公司A2、横河公司的R3(PRM-_-C厂资源管理系统)和ABB公司的IndustrialIT系统。第二节DCS控制系统发展史92021/5/9第三节CENTUM-CS控制系统的构成字母代号集散控制系统基本构成图CENTUM-CS系统外观图DCS组成结构DCS的过程控制站是一个完整的计算机系统，主要由电源、高性能的中央处理器（CPU）、网络接口组成。高性能的中央处理器是现场过程控制的中心，存放并运行所有的过程控制程序以及现场仪表数据和控制数据。DCS的控制决策都是由它来执行的。过程控制站的网络接口是同上一级的操作员站和工程师站的连接通道。操作员的操作控制信息和工程师站的组态程序都是通过这一通道发送到过程控制站，过程控制站收集整理的现场数据也是通过这一通道传递到操作员站上。过程控制站同I/O模块之间通过现场总线连接。DCS组成结构

一台用于操作、监视、报警、趋势显示、记录和打印报表的PC机。操作员站通常装有操作软件以完成上述功能，并且是通过以太网同过程控制站相连。DCS组成结构

一台用于组态过程控制软件，诊断、监视过程控制站运行情况，供DCS工程师开发、测试、维护DCS系统使用的计算机。第三节CENTUM-CS控制系统的构成字母代号集散型控制系统的体系结构

操作站、工程师站和上位计算机构成集中管理部分；现场监测站、现场控制站构成分散控制部分；通信网络是连接集散系统各部分的纽带，是实现集中管理、分散控制的关键。142021/5/9第三节CENTUM-CS控制系统的构成字母代号CENTUM-CS系统构成152021/5/9第三节CENTUM-CS控制系统的构成及字母代号类型字母代号意义字母代号意义仪表调整面板常用参数MODE仪表块方式LL下下限报警值PV测量值SVH设定点上限限位值SV设定值SVL设定点下限限位值MV阀位输出值MH阀位输出上限限位值DV偏差值ML阀位输出下限限位值SUM累计值P比例带HH上上限报警值I积分时间PH上限报警值D微分时间PL下限报警值CENTUM-CS系统的字母代号162021/5/9第三节CENTUM-CS3000控制系统的构成字母代号

类型字母代号意义字母代号意义常用报警状态字IOP-输入开路NR正常OOP输出开路ANS+(ON)回讯不正常PV≠(MV=2)HH上上限报警ANS-(OFF)回讯不正常PV≠(MV=0)HI上限报警PERR两回讯均不正常LO下限报警CAL校验状态LL下下限报警IOP+输入超量程DV-负偏差报警(PV-SV<DL)VEL+速度报警+（PV2-PV1>VL)DV+正偏差报警(PV-SV>DL)VEL-速度报警-（PV2-PV1<VL)续表172021/5/9第四节DCS控制系统的特点①控制功能丰富②监视操作方便③信息和数据共享④系统扩展灵活⑤安装维护方便⑥系统可靠性高182021/5/9第二章简单控制系统概述简单控制系统的几大参数三种控制器的比较192021/5/9第一节概述

简单控制系统通常是指由一个测量元件、变送器、一个控制器、一个控制阀和一个对象所构成的单闭环控制系统。液位控制系统

温度控制系统202021/5/9图简单控制系统的方块图第二节简单控制系统的几大参数从上图中可知

简单控制系统由四个基本环节组成，即被控对象、测量变送装置、控制器和执行器。212021/5/9被控变量

生产过程中希望借助自动控制保持恒定值（或按一定规律变化）的变量称为被控变量。执行器接受控制器的输出信号,直接控制能量或物料等调节介质的输送量,达到控制温度、压力、流量、液位等工艺参数的目的。测量变送器

用于检测各被控变量（如流量、温度、压力、液位）工艺参数各类仪表。对象

工艺上所需控制的各类设备如塔、罐等。222021/5/9控制器对于生产装置的温度、压力、流量、液位等工艺变量常常要求维持在一定的数值上，或按一定的规律变化，以满足生产工艺的要求。PID控制器是根据PID控制原理对整个控制系统进行偏差调节，从而使被控变量的实际值与工艺要求的预定值一致。不同的控制规律适用于不同的生产过程，必须合理选择相应的控制规律，否则PID控制器将达不到预期的控制效果。

控制器有三种：比例控制器、比例积分控制器、比例积分微分控制器

232021/5/9第三节三种控制器性能比较表特点适用于比例控制器控制器的输出与偏差成比例,阀门位置与偏差之间有一一对应关系。当负荷变化时,比例控制器克服干扰能力强,过渡过程时间短。纯比例控制器在过渡过程终了时存在余差。

调节通道滞后较小、负荷变化不大、工艺上没有提出无差要求的系统。

比例积分控制器积分作用使控制器输出与偏差的积分成比例,过渡过程结束时无余差。但使稳定性降低。

调节通道滞后较小、负荷变化不大、工艺参数不允许有余差的系统。

比例积分微分控制器微分作用使控制器的输出与偏差变化速度成比例。它对克服容量滞后有显著效果。在比例的基础上加上微分作用能提高稳定性,再加上积分作用可以消除余差。

容量滞后较大、负荷变化大、控制质量要求较高的系统

242021/5/9第四章过程控制系统概述串级控制系统前馈控制系统比值控制系统分程控制系统选择控制系统三冲量控制系统252021/5/9根据根据系统的结构和所担负的任务复杂控制系统串级控制系统

均匀控制系统比值控制系统分程控制系统

前馈控制系统选择控制系统

三冲量控制系统第一节概述262021/5/9第二节串级控制系统

串级控制系统-----两只调节器串联起来工作，其中一个调节器的输出作为另一个调节器的给定值的系统。串级控制系统的结构和方框图

272021/5/9第四节串级控制系统

例：联合尾气焚烧炉炉温控制282021/5/9第二节串级控制系统

串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀。前一个调节器称为主调节器，它所检测和控制的变量称主变量（主被控参数），即工艺控制指标；后一个调节器称为副调节器，它所检测和控制的变量称副变量（副被控参数），是为了稳定主变量而引入的辅助变量。整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。一次扰动：作用在主被控过程上的，而不包括在副回路范围内的扰动。二次扰动：作用在副被控过程上的，即包括在副回路范围内的扰动。292021/5/9第三节前馈控制系统

前馈控制原理前馈控制是按照扰动作用的大小进行控制。当扰动一出现，就能根据扰动的测量信号来控制操纵变量，及时补偿扰动对被控变量的影响，所以控制是及时的，如果补偿作用完善，可以使被控变量不产生偏差，其方框图如下图所示。它是一个开环控制系统。在很多场合下都是将前馈控制与反馈控制结合在一起组成前馈—反馈控制系统，称之为复合控制系统。这些系统即使在大而频繁的扰动下，仍能获得优良的控制品质。302021/5/9第四节比值控制系统

比值控制系统----使两种或多种物料流量自动维持一定比值关系的过程控制系统。常用的比值控制系统主要有以下几种结构形式：

1

单闭环比值控制系统在开环比值控制的基础上，设计了一个副物料流量闭环控制回路。312021/5/9第四节比值控制系统322021/5/9第四节比值控制系统脱水单元比值控制332021/5/9第四节比值控制系统2双闭环比值控制系统由一个定值控制的主流量回路和一个跟随主流量变化的副流量控制回路组成。主流量控制回路能克服主流量扰动，实现其定值控制。副流量控制回路能抑制作用于副回路中的扰动。当扰动消除后，主、副流量都回复到原设定值上，其比值不变。342021/5/9第五节分程控制系统分程控制系统-----在某些工业生产中，根据工艺要求，一个调节器的输出信号分段，分别控制两个或两个以上的调节阀工作，即每个调节阀在调节器输出的某段信号范围内作全行程动作。例：PV-11701A/B当PY-11701输出为0—50

%时开PV-11701B;50—100

%时开PV-11701A352021/5/9第六节选择控制系统选择性控制------是把工业生产过程中的限制条件所构成的逻辑关系，叠加到正常的自动控制系统上去的一种组合控制方法。即在一个过程控制系统中，设有两个调节器(或两个以上的变送器)，通过高、低值选择器选出能适应生产安全状况的控制信号，实现对生产过程的自动控制。称为自动保护系统或称为软保护系统。362021/5/9第六节选择控制系统372021/5/9第七节三冲量控制系统图

三冲量控制系统

该系统除了液位、蒸汽流量信号外,再增加一个给水流量的信号。它有助于及时克服由于供水压力波动而引起的汽包液位的变化。382021/5/9第四章复杂控制系统控制系统的投运控制系统操作中的常见问题392021/5/9第一节、控制系统的投运1.准备工作对于工艺人员与仪表人员来说……

对于仪表人员来说……2.仪表检查投运前要在现场校验仪表一次,确认正常后可考虑投运。对于控制记录仪表,除了要观察测量指示是否正常外,还特别要对控制器控制点进行复校。402021/5/93.检查控制器的正、反作用及控制阀的气开、气关型式

控制好控制器的正、反作用，是确保整个自动控制系统成为负反馈闭环系统的重要一环。正作用？反作用？

控制器正、反作用开关示意图412021/5/94.控制阀的投运

控制阀安装示意图1—上游阀；2—下游阀；3—旁路阀；4—控制阀422021/5/95.控制器的手动和自动的切换

通过手动遥控控制阀,使工况趋于稳定以后,控制器就可以由手动切换到自动,实现自动操作。要求：平稳、迅速，实现无扰动切换。432021/5/96.控制器参数的整定整定方法：临界比例度法、衰减曲线法、经验凑试法不管采用哪种方法进行整定,所得到的自动控制系统,在正常工况下,由于经常受到各种扰动,被控变量不可能总是稳定在一个数值上长期不变。如果出现记录曲线是一条直线或一个圆,就要检查一下测量记录仪表有否故障,灵敏度是否足够等。442021/5/9第二节控制系统操作中的常见问题精馏塔控制系统之间的干扰精馏塔两个温度控制系统之间相互干扰452021/5/9解决方案

可以通过控制器参数整定,将两个控制系统的动态联系削弱,使其能正常工作。采取这种措施后,保证了主要被控变量的稳定，而次要变量的控制质量会有所降低。从自动化角度出发,尚可设计较为复杂一些的去关联控制系统,通过引入一些特殊的去关联环节来消除相互间的影响。从工艺上消除关联也是一个极为有效的措施。462021/5/92.测量系统的故障及判别方法

发现工艺参数的记录曲线出现异常情况时,首先要分析情况,判别其原因,这是正常操作的前提之一。判别的方法：①记录曲线突变。②记录曲线突然大幅度变化。③记录曲线出现不规则变化。④记录曲线出现等幅振荡。⑤记录曲线不变化,呈直线状(或圆状)。472021/5/9

3.控制系统运行中的常见问题

出现问题时，除了要考虑前面所讲的测量系统可能出现的故障以外,特别要注意被控对象特性的变化以及控制阀特性变化的可能性,要结合仪表和工艺两个方面去找原因。针对适应对象特性的变化,一般可以通过重新整定控制器参数,以获得较好的控制质量。482021/5/9

HIS人机接口站功能492021/5/9

HIS人机接口站的功能

报警容量：18个报警/窗口，200个报警/HIS

报警信息：序号，标记，日期，时间，仪表说明，报警状态， 测量值，是否恢复正常优先级别：五级（高/中/低/记录/参考）过程报警窗口502021/5/9

HIS人机接口站的功能20,0000块仪表面板/HIS连贯的操作接口每一功能块均有面板显示具有用户可组态面板OPNCLS100.080.060.040.020.00.0CASHIWATERFLOWT6

FIC201WATERFLOWT6FIC201-DSTEPPAUSECONTBU201-DDI1DI2DO1DO2MC201-D模拟量显示趋势显示批量显示顺控显示丰富的面板显示512021/5/9HIS人机接口站的功能AUTCNDNRAOFOPN100.0CLS0.0调整中FIC1001A位号.阀门开关说明操作输出值操作输出限制值提示指针报警状态回路状态位号标记操作标记说明操作标记计算机标记串级标记回路子状态报警子状态仪表刻度上上限报警设定值（红）上限报警设定值（绿）设定值测定值下下限报警设定值（红）下限报警设定值（绿）模拟量显示522