分布式控制系統(tǒng)(DSC)11-第三章-DCS課件-1

1、上次課程內(nèi)容回顧上次課程內(nèi)容回顧DCS網(wǎng)絡差錯控制 （1）奇偶校驗 （2）CRC校驗工作原理 （3）CRC校驗生成過程第三章第三章 DCS DCS的過程控制站的過程控制站第三章第三章 DCSDCS過程控制站過程控制站3.1 PCU3.1 PCU的結(jié)構(gòu)原理及一般特性的結(jié)構(gòu)原理及一般特性 3.1.1 3.1.1 概述概述集散控制系統(tǒng)中分散控制的關(guān)鍵部分是分散過程控制裝置 通常稱作過程控制單元PCU 亦名現(xiàn)場控制單元FCU TDC-3000的PCU稱作基本控制器BC：Basic Controller）。分散過程控制裝置是以微處理機為基礎(chǔ)的過程控制器，可分為: 單回路 功能分離型 多回路類型廣義地講，

2、還有第三類的現(xiàn)場裝置，它專門進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，稱為數(shù)據(jù)采集裝置。現(xiàn)代的過程控制單元基本都是多功能型，因而它集連續(xù)控制、順序控制、批量控制及數(shù)據(jù)采集功能于一身。 集散控制系統(tǒng)的PCU有多種構(gòu)成方式，較典型的結(jié)構(gòu)有下列四種： （1）微型機結(jié)構(gòu)式 （2）IO卡與通用卡結(jié)構(gòu) （3）串行通信總線加模件結(jié)構(gòu) （4）節(jié)點工作站結(jié)構(gòu)3.1.2 PCU3.1.2 PCU的結(jié)構(gòu)原理的結(jié)構(gòu)原理 第三章第三章 DCSDCS過程控制站過程控制站(1)(1)微型機結(jié)構(gòu)式微型機結(jié)構(gòu)式 該類PCU與一般微型機結(jié)構(gòu)類似：內(nèi)總線連接了CPU、ROM、RAM、多路轉(zhuǎn)換AD、DA及通信裝置等部分，結(jié)構(gòu)上采用機箱插卡式。 TDC300

3、0 BC即采用此結(jié)構(gòu)，稱作文件夾，如圖中所示有九種插卡，每一塊插卡就相當于一個“文件”。第三章第三章 DCSDCS過程控制站過程控制站第三章第三章 DCSDCS過程控制站過程控制站(2)I(2)IOO卡與通用卡結(jié)構(gòu)卡與通用卡結(jié)構(gòu) 控制器由IO系列卡、通用卡和內(nèi)總線構(gòu)成。通用卡主要由CPU卡、存貯器卡、通信接口卡等組成。無論PCU配用何種IO系列卡，它們都是通用的。 I/O系列卡分為許多種類：一般有多種模擬輸入卡、模擬量輸出卡、數(shù)字量輸入輸出卡、脈沖量輸入卡、按鈕輸入卡及狀態(tài)輸入卡等。 美國西屋公司推出的WDPF系統(tǒng)，其PCU即為此種結(jié)構(gòu)。第三章第三章 DCSDCS過程控制站過程控制站第三章第三

4、章 DCSDCS過程控制站過程控制站(3)(3)串行通信總線加模件結(jié)構(gòu)串行通信總線加模件結(jié)構(gòu) 這種類型的PCU由串行通信模件總線(MB：Module Bus)及其上掛接模件的方式構(gòu)成，參見下圖。 模件一般有控制器模件,主要進行連續(xù)量控制；邏輯控制模件,主要進行順序控制；端子模件，用于與外界信號線相連；組態(tài)模件，可對PCU組態(tài)，還有進行數(shù)據(jù)采集的模擬主模件等等。 在模件總線端有接口模件，將PCU的MB與系統(tǒng)局部網(wǎng)絡連網(wǎng)。 美國Bailey控制公司NetWork-90系統(tǒng)中的PCU即采用這種結(jié)構(gòu)第三章第三章 DCSDCS過程控制站過程控制站第三章第三章 DCSDCS過程控制站過程控制站(4)(4)

5、節(jié)點工作站結(jié)構(gòu)節(jié)點工作站結(jié)構(gòu) 現(xiàn)代集散系統(tǒng)的PCU大多采取了“節(jié)點”結(jié)構(gòu)。因為現(xiàn)代集散系統(tǒng)以局部網(wǎng)絡為基礎(chǔ)，所以分散過程控制裝置實質(zhì)是伸向現(xiàn)場或過程的節(jié)點工作站。 這種節(jié)點工作站往往采用節(jié)點總線將各種控制器以及與其它單元的接口連接起來。 從某種意義上講，這樣的節(jié)點工作站不僅是分散控制裝置，而且是分散控制系統(tǒng)了。第三章第三章 DCSDCS過程控制站過程控制站第三章第三章 DCSDCS過程控制站過程控制站第三章第三章 DCSDCS過程控制站過程控制站 圖3-4是?？怂共_公司IAS系統(tǒng)的過程節(jié)點的框圖。它采用節(jié)點總線掛接各種處理機的結(jié)構(gòu)。 節(jié)點工作站中掛接了六類處理機或接口。其中應用處理機實質(zhì)上是

6、一種與大容量存貯器相連接的接口裝置，執(zhí)行系統(tǒng)管理功能，支持系統(tǒng)軟件。 1）通信處理機是節(jié)點與RS-232C設(shè)備的通信接口。 2）網(wǎng)間連接器是節(jié)點與子通信網(wǎng)相連的接口。 3）載波帶接口是節(jié)點掛接到系統(tǒng)網(wǎng)絡上的通信接口。 4）操作站處理機則是節(jié)點與所帶的本地操作站主機及附屬的外圍設(shè)備的接口。 5）控制處理機是執(zhí)行分散控制功能的主控制器。例如，IAS的控制處理機可以進行連續(xù)控制、順序控制、批量控制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的多功能多回路控制?？刂铺幚砥魍ㄟ^現(xiàn)場總線、傳感器與執(zhí)行器等現(xiàn)場組件相連。第三章第三章 DCSDCS過程控制站過程控制站 集散控制系統(tǒng)的PCU典型結(jié)構(gòu) （1）微型機結(jié)構(gòu)式 （2）IO卡與通用卡

7、結(jié)構(gòu) （3）串行通信總線加模件結(jié)構(gòu) （4）節(jié)點工作站結(jié)構(gòu)上次課程內(nèi)容回顧上次課程內(nèi)容回顧第三章第三章 DCSDCS過程控制站過程控制站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統(tǒng)PCU的一般功能特性可概括為六點，即： （1）反饋控制功能 （2）順序控制功能 （3）批量控制功能 （4）數(shù)據(jù)收集與處理功能 （5）數(shù)據(jù)通信功能 （6）本地操作監(jiān)視功能。第三章第三章 DCSDCS過程控制站過程控制站第三章第三章 DCSDCS過程控制站過程控制站 1） 輸入信號處理功能 2） 報警檢驗功能 3） 補償運算和積算

8、4） 控制運算功能 5） 回路連接（1 1）反饋控制功能）反饋控制功能第三章第三章 DCSDCS過程控制站過程控制站電站鍋爐恒溫控制第三章第三章 DCSDCS過程控制站過程控制站第三章第三章 DCSDCS過程控制站過程控制站1 1）輸入信號處理功能）輸入信號處理功能 線性化 脈沖量計算 數(shù)字濾波 開方運算 折線函數(shù)變換 熱電偶測溫信號的線性化 熱電阻測溫信號的線性化 將脈沖序列信號變換成瞬時值 為排除干擾對輸入信號數(shù)字濾波處理第三章第三章 DCSDCS過程控制站過程控制站 對差壓式流量計的測量信號進行開方運算，使之與流量信號成線性關(guān)系開放運算線性化第三章第三章 DCSDCS過程控制站過程控制站

9、 折線函數(shù)變換：對分折儀表檢測信號的非線性或由球型罐的液位計算容積時的非線性進行補償 例如： 電導率mS、 pH 硅酸根、磷酸根S第三章第三章 DCSDCS過程控制站過程控制站 熱電偶測溫信號的線性化：對熱電偶的mV信號與溫度之間的非線性進行補償處理。 先在存儲器中存入熱電勢和溫度的序列表(e0, t0)(e1, t1)(e2, t2)(e3, t3)(en, tn)對于任意的熱電勢e,假設(shè)通過程序可判別它在熱電勢和溫度序列中的位置為eieei+1ei+2(0in-2)則對應的溫度t可由下式計算出溫度值。 由于在(ei,ei+2)內(nèi),將信號擬合成拋物線,更接近于電勢與溫度的實際,所以擬和的精度

10、大大的提高,同時在相同的精度下,變量序列的步長取得相對較大,這樣可大大壓縮表。第三章第三章 DCSDCS過程控制站過程控制站 熱電阻測溫信號的線性化：對熱電阻的阻值變化信號與溫度之間的非線性進行補償處理 在電力、冶金等行業(yè)廣泛使用鉑電阻作為測溫元件，鉑電阻和溫度t的關(guān)系，一般表示為： Rf=R0(1+a1t+a2t2+.+antn)第三章第三章 DCSDCS過程控制站過程控制站脈沖量計算脈沖量計算 積算方式積算方式：累計脈沖總數(shù)，流量或電量積算 頻率方式：頻率方式：測量頻率 fx=N/T 周期方式：周期方式：測量周期Tx=NT0 常用經(jīng)典濾波方法常用經(jīng)典濾波方法 中位值濾波法 算術(shù)平均濾波法

11、滑動平均濾波法 中位值平均濾波法：相當“中位值濾波法”+“算術(shù)平均濾波法” 低通、高通、帶通、帶阻和全通等類型第三章第三章 DCSDCS過程控制站過程控制站數(shù)字濾波 現(xiàn)代濾波現(xiàn)代濾波 Kalman濾波 Wenner濾波 自適應濾波 小波變換（wavelet）等第三章第三章 DCSDCS過程控制站過程控制站2 2）報警檢驗功能）報警檢驗功能 儀表異常檢驗 上、下限報警檢驗 變化率報警檢驗 偏差報警檢驗 當測量信號超過測量范圍上限或下限規(guī)定值時，可以認為檢出元件或變送器出現(xiàn)斷線等故障，發(fā)出報警信號 當測量值或者控制輸出值的變化率(一定時間間隔的變化量)超過設(shè)定值時，發(fā)出報警信號。 當測量值或表控制

12、輸出值超過上、下限報警設(shè)定值時，發(fā)出報警信號 當測量值與設(shè)定值的偏差超過設(shè)定值時，發(fā)出報警信號第三章第三章 DCSDCS過程控制站過程控制站 這主要是利用水質(zhì)選擇性電極和測量氣體流量時，進行溫壓補償；測量液體流量時，有時進行密度或溫度補償；累積計量流量的積累運算。第三章第三章 DCSDCS過程控制站過程控制站3 3）補償運算和積算）補償運算和積算 它是反饋控制功能的核心部分 主要有PID控制，開、關(guān)控制，時間比例式開關(guān)控制，信號選擇，比率設(shè)定，時間程序設(shè)定，一階滯后運算，超前滯后運算，純滯后補償，其它運算等。第三章第三章 DCSDCS過程控制站過程控制站4 4）控制運算功能）控制運算功能 PC

13、U中的回路連接，從功能上類似了模擬儀表的信號配線或配管。 但由于PCU的上述功能是由軟件實現(xiàn)的，尤其控制運算功能是靠微處器的強功能進行DDC（直接數(shù)字控制)控制，這些軟件或DDC算法構(gòu)成了內(nèi)部的功能塊(或稱內(nèi)部儀表)。 PCU的回路連接是通過軟件實現(xiàn)的，稱為“軟”連接，是通過“組態(tài)”進行的。第三章第三章 DCSDCS過程控制站過程控制站5 5）回路連接）回路連接第三章第三章 DCSDCS過程控制站過程控制站反饋控制功能反饋控制功能 輸入信號處理功能 報警檢驗功能 回路連接作業(yè)：簡述DCS反饋控制中輸入信號處理功能第三章第三章 DCSDCS過程控制站過程控制站掌握重點掌握重點第三章第三章 DCS

14、DCS過程控制站過程控制站(2)(2)順序控制功能順序控制功能 順序控制功能的構(gòu)成有多種方式，主要包括梯形圖編程、符號技術(shù)式編程、流程框圖式編程語言、邏輯代數(shù)編程語言等。(3)(3)批量控制功能批量控制功能 按工藝要求將反饋控制與順控功能相結(jié)合可構(gòu)成批量控制功能。批量控制的對象往往是一個間斷生產(chǎn)過程所得到的產(chǎn)品。第三章第三章 DCSDCS過程控制站過程控制站(4)(4)其它功能其它功能 PCU還具有對過程信息進行收集、處理、打印、制表功能。具有數(shù)據(jù)通信功能。若帶本地操作站，則具有本地操作和顯示的功能。第三章第三章 DCSDCS過程控制站過程控制站(5)PCU(5)PCU的的DDCDDC算法及附

15、加功能算法及附加功能 PCU的過程控制功能，是按相應算式進行運算實現(xiàn)的。這些算式稱為算法，因為PCU的本質(zhì)是實現(xiàn)DDC(直接數(shù)字控制)的微機裝置，所以這些算法稱為DDC算法。DDC算法是由PCU ROM中的一定程序來實行的，這些程序塊又稱為功能塊或稱算法功能塊。 除了各種算法之外，PCU還必須具有一些附加功能才可以完成實際的過程控制。這些附加功能分為：第三章第三章 DCSDCS過程控制站過程控制站(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： 回路手動(LM：Loop Manual)，由回路模擬顯示器進行手動操作方式。 手動

16、方式(MAN：MANUAL)，由操作站(包括本地操作站)經(jīng)由通信系統(tǒng)進行手動操作。 自動方式(AUT：AUTO)，以本回路就地設(shè)定值(LSP)為基準進行自動運算，實現(xiàn)閉環(huán)控制方式。第三章第三章 DCSDCS過程控制站過程控制站(5)PCU(5)PCU的的DDCDDC算法及附加功能算法及附加功能 串級方式(CAS)，以另一個控制回路的輸出值作為本回路的設(shè)定值進行自動運算，實現(xiàn)串級控制的方式。 計算機方式(COMP)，經(jīng)由數(shù)據(jù)公路接受上位計算機的輸出數(shù)據(jù)，作為本回路設(shè)定值進行自動運算的控制方式(SPC)，或者直接作為輸出值的控制方式(DDC)。第三章第三章 DCSDCS過程控制站過程控制站(5)P

17、CU(5)PCU的的DDCDDC算法及附加功能算法及附加功能 PV跟蹤 增量型和速度型PID算法必須具有PV跟蹤功能，即在手動狀態(tài)時，使本回路的設(shè)定值不再保持原來的設(shè)定值，而跟蹤PV值。PV跟蹤時，從手動切換到自動時，偏差值總是零。因此，即使比例帶較小，PID輸出值也不會產(chǎn)生擾動，實現(xiàn)平滑切換。切換到自動后，再逐步把設(shè)定位調(diào)整到所要求的數(shù)值。第三章第三章 DCSDCS過程控制站過程控制站(5)PCU(5)PCU的的DDCDDC算法及附加功能算法及附加功能 輸出值跟蹤 混合型PID算法，在設(shè)置PV跟蹤的同時，還需要設(shè)置輸出值跟蹤功能，即在手動狀態(tài)時使內(nèi)存單元的數(shù)值跟蹤手操輸出值。這樣，在切換到自

18、動時，由于內(nèi)存單元的數(shù)值與手操輸出值相等，因而實現(xiàn)無平衡無擾動切換。這功能又稱“浮動輸出”。第三章第三章 DCSDCS過程控制站過程控制站(5)PCU(5)PCU的的DDCDDC算法及附加功能算法及附加功能 初始化與反算 混合型PID算法為“無定位型輸出”算法。構(gòu)成串級控制時，次級回路在處于串級斷開狀態(tài)時，把次級回路的設(shè)定值(LSP)送到主回路的輸出單元(OP)，稱為初始化。這樣，當串級控制的主回路設(shè)置PV跟蹤，次級回路設(shè)置初始化和PV跟蹤，則串調(diào)回路從任何非串調(diào)狀態(tài)切換到串級時，都是無平衡無擾動切換。 當串調(diào)回路在PID算法插有“定位型輸出”算法，那么此算法必須具有反算功能，即除了將次級回路

19、的設(shè)定值(LSP)送主回路外(次級回路處于串級斷開狀態(tài))，“定位型輸出”算法塊(比如是加法功能塊)必須反算出(逆運算)一個值作為主回路輸出。第三章第三章 DCSDCS過程控制站過程控制站3.1.4 PCU3.1.4 PCU的種類的種類類型項目類型項目單回路型單回路型功能分離型功能分離型多回路型多回路型控制規(guī)模小，一個PID控制回路或一臺電機中，幾個PID控制回路，小型的邏輯控制和順序控制系統(tǒng)大，幾十個控制回路，大型的邏輯控制或順序控制系統(tǒng)控制功能連續(xù)控制和順序控制均可實現(xiàn)連續(xù)控制和順序控制分別由不同的控制器實現(xiàn)連續(xù)控制和順序控制均可實現(xiàn)適用范圍從小到大各種規(guī)模的系統(tǒng)即使小型系統(tǒng)中也常常需要用兩種類型的控制單元不適用于規(guī)模太小的系統(tǒng)硬件要求用廉價的硬件就可達到所要求的功能由于功能分離，可以合理地使用硬件由于控制功能很強，對硬件要求很高通信要求實現(xiàn)復雜控制需要的控制信號通信量大，人機接口通信量小功能分離造成不同類型控制單元之間的通信量較大控制單元之間的通信量小，人機接口通信量大安全措施每個單元只控制一個回路，手動后備即可滿足要求在可靠性要求較高的的情況下，要采取冗余措施由于控制規(guī)模很大，在大多數(shù)情況下均須采取冗余措施第三章第三章 DCSDCS過程控制站過程控制站3.1.5 3.1