DCS基礎(chǔ)課件幻燈片課件

1、海南逸盛石化有限公司 儀電部 葉理弟2022/7/221DCS集散型控制系統(tǒng)介紹內(nèi) 容一、DCS概念和作用二、DCS控制系統(tǒng)的歷史和發(fā)展三、DCS系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)四、常見過程控制回路方案介紹五、ESD介紹 DCS的作用提升產(chǎn)品品質(zhì)改善勞動條件節(jié)能降耗控制環(huán)境污染提高企業(yè)管理水平提高生產(chǎn)效率2022/7/225下圖以一個(gè)水位信號調(diào)節(jié)的例子簡單地說明DCS的應(yīng)用過程：DCS的概念2022/7/22系統(tǒng)概述及硬件產(chǎn)品6我們可以把上述過程引申如下：DCS的概念2022/7/227逸盛大化PTA裝置中央控制室2022/7/228逸盛大化PTA裝置DCS機(jī)柜室2022/7/22系統(tǒng)概述及硬件產(chǎn)品9DCS控制

2、器2022/7/22DCS工程師站10海南逸盛石化控制室布置圖2022/7/2212二、DCS控制系統(tǒng)的歷史和發(fā)展第一代（初創(chuàng)期）：1975-1980年。典型結(jié)構(gòu)：由5大部分組成：數(shù)據(jù)采集器、過程控制器、監(jiān)控計(jì)算機(jī)、 CRT操作站和高速數(shù)據(jù)公路。代表產(chǎn)品：Honeywell的TDC2000，Bailey的Network 90。第二代（成熟期-功能）：1980-1985年。典型結(jié)構(gòu)：過程控制單元、工作站和高速數(shù)據(jù)公路。代表產(chǎn)品：Honeywell的TDC3000。第三代DCS（擴(kuò)展期-管控一體化）：1985-年。典型結(jié)構(gòu)：經(jīng)營管理級、生產(chǎn)管理級、控制管理級、過程控制級代表產(chǎn)品：Foxboro的I

3、/A，Bailey的INFI 90。第四代DCS（擴(kuò)展期-網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)場總線）：1990-年。典型結(jié)構(gòu)：過程控制單元、工作站和高速數(shù)據(jù)公路。代表產(chǎn)品：Honeywell的TPS。 目前，一套使用戶滿意的DCS系統(tǒng)應(yīng)該具備以下特點(diǎn)：系統(tǒng)具備開放的體系結(jié)構(gòu)，可以提供多層的開放數(shù)據(jù)接口；系統(tǒng)應(yīng)具備強(qiáng)大的處理功能，并提供方便的組態(tài)復(fù)雜控制系統(tǒng)的能力與用戶自主開發(fā)專用高級控制算法的支持能力；系統(tǒng)應(yīng)支持多種現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)以便適應(yīng)未來的擴(kuò)充需要；系統(tǒng)應(yīng)高可靠、維修方便、工藝先進(jìn)、價(jià)格合理1、自動控制技術(shù)的發(fā)展 機(jī)械儀表時(shí)代 氣動儀表時(shí)代 1、自動控制技術(shù)的發(fā)展(續(xù))電動儀表時(shí)代1、自動控制技術(shù)的發(fā)展(續(xù))計(jì)算機(jī)控

4、制時(shí)代2、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展計(jì)算機(jī)集中控制DDC (Direct Digital Control)計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制 SCC (Supervisory Computer Control)計(jì)算機(jī)分級控制DCS (Distributed Control System)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)式控制系統(tǒng)FCS (Fieldbus Control System)DDC計(jì)算機(jī)集中控制系統(tǒng)4-20mAAIAODIDOComputerProject變送器執(zhí)行器檢測元件執(zhí)行元件SCC計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)模擬調(diào)節(jié)器模擬調(diào)節(jié)器DCS計(jì)算機(jī)分級控制系統(tǒng)DCS控制系統(tǒng)的特點(diǎn)2022/7/2220 A： DCS的基本特點(diǎn)：集中管理，分散

5、控制 B： 與模擬儀表相比較的特點(diǎn)：連接方便，容易更改，顯示方式靈活，內(nèi)容多樣，數(shù)據(jù)存儲量大。 C:與DDC比較：具有操作監(jiān)督方便，危險(xiǎn)分散，功能分散等優(yōu)點(diǎn)結(jié)構(gòu)上又是遞階分級的FCS現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)什么是現(xiàn)場總線定義：現(xiàn)場總線（Fieldbus）是用于現(xiàn)場儀表與控制系統(tǒng)之間的一種全分散、全數(shù)字化、智能、雙向互聯(lián)、多變量、多點(diǎn)、多站的通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS（Fieldbus Control System）是基于現(xiàn)場總線技術(shù)的新一代控制系統(tǒng)。特點(diǎn)：具有可靠性高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)、通信速率快，系統(tǒng)安全，造價(jià)低廉，維護(hù)成本低等特點(diǎn)。2022/7/2222現(xiàn)場總線設(shè)備的連接方式控制系

6、統(tǒng)現(xiàn)場總線與4-20mA系統(tǒng)的區(qū)別？現(xiàn)場總線設(shè)備在總線上并聯(lián)連接 ，所有設(shè)備通過總線接收、發(fā)送數(shù)字信號現(xiàn)場總線設(shè)備可以向網(wǎng)絡(luò)上其它設(shè)備提供任意多信息總線具有循環(huán)冗余檢錯的(CRC)功能 ，可以保證接收設(shè)備獲得正確數(shù)據(jù)多節(jié)點(diǎn)現(xiàn)場總線無需點(diǎn)對點(diǎn)的布線4-20mAP.S.現(xiàn)場總線P.S.減少連線和安裝傳統(tǒng)的 4-20 mA 連線每臺設(shè)備需要一個(gè)安全柵和一對連線現(xiàn)場總線連線多臺設(shè)備共用一個(gè)安全柵和一根總線控制器控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場總線4-20 mA輸入/輸出子系統(tǒng)I.S.I.S.I.S.I.S.控制器控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場總線帶來的好處1提高控制功能的分散性傳統(tǒng)型現(xiàn)場總線型有些控制和 I/O 功能可以轉(zhuǎn)移到現(xiàn)場

7、儀表。控制器控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場總線4-20 mA輸入/輸出子系統(tǒng)PIDPIDAI AIAOAO控制器控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場總線帶來的好處2增加信息的交互量傳統(tǒng) 4-20 mA單變量單向現(xiàn)場總線多變量雙向控制器控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場總線輸入/輸出子系統(tǒng)控制器控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場總線帶來的好處3擴(kuò)大了操作視野傳統(tǒng) 4-20 mA只能看到 I/O 子系統(tǒng)現(xiàn)場總線視野可以擴(kuò)展到現(xiàn)場儀表控制器控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場總線遠(yuǎn)程輸入/輸出子系統(tǒng)控制器控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場總線帶來的好處4三、DCS系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)e)經(jīng)營管理級：完成公司級經(jīng)營管理功能。實(shí)現(xiàn)管控一體化。d)生產(chǎn)管理級：完成廠級生產(chǎn)管理功能，并向上連接構(gòu)成企業(yè)網(wǎng)。c)過程管理級

8、：工程師工作站、操作員工作站；b)過程控制級：完成數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制功能；a)現(xiàn)場級：檢測儀表，執(zhí)行器，現(xiàn)場操作臺；經(jīng)營管理級生產(chǎn)管理級過程管理級過程控制級現(xiàn)場級典型DCS架構(gòu)圖30過程管理級過程控制級現(xiàn)場級操作站工程師站a)現(xiàn)場級311、采集過程數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換2、輸出過程操縱命令3、進(jìn)行直接數(shù)字控制4、完成與過程控制級的數(shù)據(jù)通信5、對現(xiàn)場控制級的設(shè)備進(jìn)行檢測與診斷b)過程控制級321、采集過程數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與處理2、數(shù)據(jù)的監(jiān)視與存儲3、實(shí)施連續(xù)、批量、邏輯或順序控制的運(yùn)算 和輸出控制作用4、數(shù)據(jù)和設(shè)備的自診斷5、數(shù)據(jù)通信c)過程管理級331、數(shù)據(jù)顯示和記錄2、過程操作（含組態(tài)

9、操作和維護(hù)操作）3、數(shù)據(jù)存儲和壓縮歸檔4、報(bào)警、事件的診斷和處理5、系統(tǒng)組態(tài)、維護(hù)和優(yōu)化處理6、數(shù)據(jù)通信7、報(bào)表打印和畫面硬拷貝2022/7/2234控制系統(tǒng)組成單回路反饋控制系統(tǒng)由四個(gè)基本環(huán)節(jié)組成，即被控對象（簡稱對象）、測量變送裝置、控制器和執(zhí)行器組成（如下圖）。自動控制系統(tǒng)的組成四、過程控制回路方案2022/7/2235下面結(jié)合右圖精餾塔壓控制系統(tǒng)的例子來說明控制系統(tǒng)應(yīng)用的幾個(gè)術(shù)語：被控對象或過程：也稱調(diào)節(jié)對象，系要求實(shí)現(xiàn)自動控制的設(shè)備或生產(chǎn)過程，如右圖中的精餾塔就是控制對象。被控參數(shù)：在控制對象中要求按預(yù)定規(guī)律變化的物理量，即被控制的物理量，也稱被調(diào)參數(shù)。如右圖中的精餾塔壓力?？刂屏浚?/p>

10、也稱調(diào)節(jié)量，是調(diào)節(jié)器輸出，它通過執(zhí)行器改變進(jìn)出被控對象的物料量或能量，從而對被控對象實(shí)現(xiàn)控制。精餾塔壓力控制系統(tǒng)擾動（干擾）：在控制系統(tǒng)中，除控制量以外引起被控參數(shù)變化的所有作用因素都可以稱為干擾。設(shè)定值：與被控參數(shù)工藝規(guī)定值相對應(yīng)的信號值，也稱控制目標(biāo)值，是控制系統(tǒng)的輸入變量。偏差值：設(shè)定值與被控參數(shù)測量值之差。2022/7/2236控制系統(tǒng)過渡過程控制系統(tǒng)過渡過程品質(zhì)指標(biāo)一個(gè)合格、穩(wěn)定的控制系統(tǒng)當(dāng)受到外界干擾或設(shè)定值發(fā)生變化時(shí)，被控變量應(yīng)該是一條衰減的曲線。右圖表示了一個(gè)控制系統(tǒng)受到外界干擾后的響應(yīng)曲線，對此曲線，用過渡過程的品質(zhì)指標(biāo)來衡量控制系統(tǒng)的好壞。、衰減比它表征系統(tǒng)受到干擾后被控變

11、量衰減程度的指標(biāo)，其值為前兩個(gè)相鄰波峰這比，即圖中的，一般希望它能在：到：之間。、余差它是指控制系統(tǒng)受到干擾后，過渡過程終了時(shí)被控變量的殘余偏差。即圖中的。值也就是被控變量在擾動后的穩(wěn)態(tài)值與給定值之差。、最大偏差它表示被控變量偏離給定值的最大程度。對于一個(gè)衰減的過程，最大偏差就是第一個(gè)波的峰值。即圖中的值。、過渡過程時(shí)間它表示從干擾產(chǎn)生時(shí)刻起，直到被控變量又建立起穩(wěn)態(tài)為止的這一段時(shí)間。、振蕩周期被控變量相鄰兩個(gè)波峰之間的時(shí)間叫振蕩周期。2022/7/2237簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則被控變量的選擇 方法一：選擇能直接反映生產(chǎn)過程中產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量又易于 測量的參數(shù)作為被控變量，稱為直接參數(shù)法。例如

12、溫度、壓力、液位、流量反映等生產(chǎn)工藝狀態(tài)的參 數(shù)。方法二：選擇那些能間接反映產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量又與直接參數(shù) 有單值對應(yīng)關(guān)系、易于測量的參數(shù)作為被控變量， 稱為間接參數(shù)法。例如組分（某物質(zhì)含量）、轉(zhuǎn)化 率等。2022/7/2238簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則被控變量的選擇原則 選擇對產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量、安全生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和環(huán)境 保護(hù) 具有決定性作用的、可直接測量的工藝參數(shù)為被控變量。2. 當(dāng)不能用直接參數(shù)作為被控變量時(shí)，可選擇一個(gè)與直接參數(shù)有 單值函數(shù)關(guān)系并滿足如下條件的間接參數(shù)為被控變量。 滿足工藝的合理性 具有盡可能大的靈敏度且線形好 測量變送裝置的滯后小。2022/7/2239簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則操

13、縱變量的選擇被控變量（輸出量） 擾動變量（輸入量）操縱變量（輸入量） 從諸多影響被控變量的輸入?yún)?shù)中選擇一個(gè)對被控變量影響顯著而且可控性良好的輸入?yún)?shù)2022/7/2240簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則對象靜態(tài)特性對控制質(zhì)量的影響設(shè)：控制通道放大倍數(shù)為 擾動通道放大倍數(shù)為f 的大小表征了操縱變量對被控變量的影響程度 f的大小表征了擾動對被控變量的影響程度小結(jié)：選擇操縱變量構(gòu)成控制系統(tǒng)時(shí)，從靜態(tài)角度考慮，在工藝合理性的前提下，擾動通道的放大倍數(shù)f越小越好，控制通道放大倍數(shù)希望適當(dāng)大些，以使控制通道靈敏些。2022/7/2241簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則對象動態(tài)特性對控制質(zhì)量的影響（一）設(shè): 擾動通道時(shí)間常數(shù)

14、為f，純滯后為f 對擾動通道特性的影響 ft0yft0(1)(2)Tf1Tf2ff2022/7/2242簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則對象動態(tài)特性對控制質(zhì)量的影響（二）設(shè)：控制通道的時(shí)間常數(shù)為o，純滯后時(shí)間為o時(shí)間常數(shù)O小，反映靈敏，控制及時(shí)，有利于克服干擾的影響時(shí)間常數(shù)O過大，造成控制作用遲緩，使被控變量的超調(diào)量加大，過渡時(shí)間增長純滯后時(shí)間0使操縱變量對被控變量的作用推遲了一段時(shí)間，由于控制作用的推遲，不但使被控變量的超調(diào)量加大，還使過渡過程振蕩加劇，過渡時(shí)間增長，控制質(zhì)量變壞。2022/7/2243簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則操縱變量的選擇原則 要構(gòu)成的控制系統(tǒng)，其控制通道特性應(yīng)具有足夠大的 放大系數(shù)、

15、比較小的時(shí)間常數(shù)及盡可能小的純滯后時(shí) 間。 系統(tǒng)主要擾動通道特性應(yīng)該具有盡可能大的時(shí)間常數(shù) 和盡可能小的放大系數(shù)。 考慮工藝上的合理性。如生產(chǎn)負(fù)荷直接關(guān)系到產(chǎn)品的 質(zhì)量，就不宜選為操縱變量。2022/7/2244調(diào)節(jié)器的正反作用2022/7/2245調(diào)節(jié)器控制規(guī)律PID控制的原理和特點(diǎn) 在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器

16、的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對象或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，實(shí)際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。2022/7/2246比例（P）控制 比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-stateerror）。 式中 u 調(diào)節(jié)器輸出； u0偏差為零時(shí)的調(diào)節(jié)器的輸出，即工作點(diǎn)； Kp調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)； e 偏差，給定值與測量值之差。K

17、p增大2022/7/2247積分（I）控制在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。對一個(gè)自動控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（SystemwithSteady-stateError）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會隨著時(shí)間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。 式中 u 調(diào)節(jié)器輸出； u0偏差為零時(shí)的調(diào)節(jié)器的輸出，即工作點(diǎn)

18、； Kp調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)； e 偏差，給定值與測量值之差。2022/7/2248Ti為積分時(shí)間.下圖是偏差e作階躍變化時(shí),比例積分調(diào)節(jié)器輸出的響應(yīng)曲線,當(dāng)T=Ti時(shí),積分作用的輸出mi與比例作用的輸出mp相等。2022/7/2249微分（D）控制在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器

19、中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+積分+微分(PID)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。 2022/7/2250PID參數(shù)對調(diào)節(jié)過程品質(zhì)的影響比例作用Kp增大，系統(tǒng)振蕩增強(qiáng)，穩(wěn)定性下降Kp增大，系統(tǒng)靜差減小，但不能消除靜差Kp無延時(shí)環(huán)節(jié)，快速性好，響應(yīng)快積分作用Ti減小，積分作用增強(qiáng)，可消除靜差Ti減小，系統(tǒng)振蕩增強(qiáng)，穩(wěn)定性下降有延時(shí)環(huán)節(jié)，快速性下降微分作用T

20、d增大，系統(tǒng)振蕩減弱，穩(wěn)定性增強(qiáng)Td增大，調(diào)節(jié)時(shí)間減小，快速性增強(qiáng)不能消除系統(tǒng)余差2022/7/2251PID控制器的參數(shù)整定PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計(jì)算整定法。二是工程整定方法。PID控制器參數(shù)的工程整定,只能先大致設(shè)定一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值，然后根據(jù)調(diào)節(jié)效果修改，各種調(diào)節(jié)系統(tǒng)中P.I.D參數(shù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)以下可參照：溫度系統(tǒng)：P（%）20-60，I（分）3-10，D（分）0.5-3流量系統(tǒng)：P（%）40100，I（分）0.1-1壓力系統(tǒng)：P（%）30-

21、70，I（分）0.4-3液位系統(tǒng)：P（%）20-80，I（分）1-52022/7/2252常用復(fù)雜控制系統(tǒng)1、串級控制系統(tǒng)（系統(tǒng)的基本概念、 特點(diǎn)、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、系 統(tǒng)的應(yīng)用場合及應(yīng)用中的問題）2、比值控制系統(tǒng)（系統(tǒng)的基本概念、常用的比值控制方案及 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)）3、前饋控制系統(tǒng)（前饋控制系統(tǒng)的基本概念、系統(tǒng)的幾種結(jié)構(gòu)形式及 系統(tǒng)的應(yīng)用場合）4、均勻控制系統(tǒng)（系統(tǒng)的概念、控制方案）5、分程控制系統(tǒng)（系統(tǒng)的基本概念、系統(tǒng)的應(yīng)用中的幾個(gè)問題）6、選擇性控制系統(tǒng)（基本概念、系統(tǒng)的應(yīng)用、積分飽和及其防止）2022/7/22531、串級控制系統(tǒng)基本原理及結(jié)構(gòu) 在多回路控制系統(tǒng)中，有兩個(gè)被控過程、兩套測量變送

22、裝置、兩臺控制器和一個(gè)控制閥構(gòu)成的系統(tǒng)稱為串級控制系統(tǒng)。 串級控制系統(tǒng)方塊圖2022/7/2254串級控制系統(tǒng)工作過程設(shè)定值控制閥流 量控制器測量變送溫 度控制器溫度對象測量變送釜溫流量對象擾動作用副回路擾動作用主回路氣開反反蒸汽進(jìn)料精餾塔FCTC2022/7/2255串級控制系統(tǒng)的特點(diǎn)在系統(tǒng)特性上，串級控制系統(tǒng)由于副回路的引入，改善了對象特征，使控制過程加快，具有超前控制的作用。Y對象2控制閥副控制器測量變送2對象1測量變送1主控制器F2F1XcbaY對象2X控制閥調(diào)節(jié)器對象1F2F1測量變送abc 單回路控制系統(tǒng) 串級控制系統(tǒng)2022/7/2256在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，串級控制系統(tǒng)有兩個(gè)閉合回路：

23、主回路和副回路；有兩個(gè)控制器：主控制器和副控制器；有兩個(gè)測量變送器。串級控制系統(tǒng)的特點(diǎn)設(shè)定值控制閥流 量控制器干擾測量變送溫 度控制器溫度對象干擾測量變送釜溫流量對象定值控制系統(tǒng)隨動控制系統(tǒng)2022/7/2257串級控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)串級控制系統(tǒng)副參數(shù)的選擇及副回路的設(shè)計(jì)主副變量間應(yīng)有一定的內(nèi)在聯(lián)系系統(tǒng)的主要干擾應(yīng)包圍在副回路中在可能的情況下，應(yīng)使副環(huán)包圍更多的次要干擾副變量的選擇應(yīng)考慮主副對象時(shí)間常數(shù)的匹配，防止共振的發(fā)生當(dāng)對象具有較大的純滯后而影響控制質(zhì)量時(shí)，在選擇副變量時(shí)應(yīng)使副環(huán) 盡量少包含純滯后或不包含純滯后2022/7/2258串級控制系統(tǒng)適應(yīng)場合被控對象的控制通道純滯后時(shí)間較長，用單回

24、路控制系統(tǒng)不能滿足質(zhì)量指標(biāo)對象容量滯后比較大，用單回路控制系統(tǒng)不能滿足質(zhì)量指標(biāo)控制系統(tǒng)內(nèi)存在變化激烈且幅值很大的干擾 被控對象具有較大的非線性，而負(fù)荷變化又較大 2022/7/22592、比值控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng)-實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或兩個(gè)機(jī)上參數(shù)符合 一定比例 關(guān)系的控制系統(tǒng) 主物料-處于主導(dǎo)地位的物料 表征該物料的參數(shù)為主動量F1（主流量）從物料-隨主物料的變化呈比例的變化的另一種物料 表征該物料的參數(shù)從動量F2 （副流量）流量比值副流量主流量2022/7/2260比值控制系統(tǒng)的類型單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)F1CF2CF1F2F2執(zhí)行器控制器F2C比值器對 象F1副測量變送主測量變送特點(diǎn)-兩種物料流量之比較

25、為精確，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)施方便。不足-兩種物料的總量（F1F）不固定。 2022/7/2261比值控制系統(tǒng)的類型單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)與串級控制系統(tǒng)比較F2執(zhí)行器控制器F2C比值器對 象F1副測量變送主測量變送副對象設(shè)定值控制閥主控制器干擾測量變送副控制器主對象干擾測量變送設(shè)定值主變量2022/7/2262雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng)的類型F1執(zhí)行器給定主流量控制器主流量對象主測量、變送副測量、變送K副流量控制器副流量對象執(zhí)行器F2KF1CF2CF1F2特點(diǎn)-兩種物料流量之比精確，其總量（F1F）基本保持不變。不足-系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，使用的儀表較多，投資較大，系統(tǒng)調(diào)整比較復(fù)雜。使用場合-主流量干

26、擾頻繁，工藝不允許有較大波動或工藝上經(jīng)常需要提升負(fù) 荷的場合。2022/7/2263變比值比值控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng)的類型TF2F1TTTCFCFT1FT2比值控制器主控制器控制閥流量對象主對象測量變送器F2Y干擾除法器測量變送器測量變送器F1特點(diǎn)-兩種物料流量的比值能靈活地隨第三變量的需要而變化。2022/7/2264比值控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主、從動量的確定控制方案的選擇比值系數(shù)的計(jì)算生產(chǎn)過程中主要物料的流量為主動量，次要物料的流量為從動量。兩物料中有一個(gè)物料的量為可測但不可控為主動量，可控的物料為從動量。根據(jù)各控制方案的特點(diǎn)及工藝的具體情況而確定。 (或) 流量比值信號比值非線性關(guān)系線性關(guān)系202

27、2/7/22653、前饋控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)與反饋控制比較干擾設(shè)定測量變送反饋控制器執(zhí)行器被控變量對象 前饋控制比反饋控制及時(shí)有效 前饋控制屬于開環(huán)控制系統(tǒng)，反饋控制是閉環(huán)控制系統(tǒng) 前饋控制使用的實(shí)施對象特性而定的專用控制器，反饋控制采用通用 PID控制器 一種前饋?zhàn)饔弥芸朔环N干擾，反饋控制只用一個(gè)控制器就可克服多 個(gè)干擾對象被控變量干擾前饋控制器測量變送執(zhí)行器2022/7/2266前饋控制系統(tǒng)的應(yīng)用場合 系統(tǒng)中存在著可測但不可控的變化幅度大，且頻繁的干擾，這些干擾對被控參數(shù)影響顯著，反饋控制達(dá)不到質(zhì)量要求時(shí)。 當(dāng)控制系統(tǒng)的控制通道滯后時(shí)間較長，由于反饋控制不及時(shí)影響控制質(zhì)量時(shí)，可采用前饋

28、或前饋反饋控制系統(tǒng) 。2022/7/22674、均勻控制系統(tǒng)均勻控制系統(tǒng)的基本概念均勻控制是在連續(xù)生產(chǎn)過程中各種設(shè)備前后緊密聯(lián)系的情況下提出來的一種特殊的液位（或氣壓）流量控制。其目的在于使液位保持在一個(gè)允許的變化范圍，而流量保持平穩(wěn)。LCFC1塔1塔222022/7/2268均勻控制系統(tǒng)小 結(jié)：均勻控制系統(tǒng)，是指兩個(gè)工藝參數(shù)在規(guī)定范圍內(nèi)能緩慢地、均勻地變化，使前后設(shè)備在物料供求上相互兼顧，均勻協(xié)調(diào)的系統(tǒng)。構(gòu)成均勻控制系統(tǒng)，液位和流量兩個(gè)參數(shù)的變化應(yīng)滿足如下要求：1. 兩個(gè)參數(shù)在控制過程中都應(yīng)該是變化的，且變化是緩慢的。 2. 兩個(gè)參數(shù)必須在允許的范圍內(nèi)變化，均勻控制要求在最大干擾作用下，液位

29、在塔釜的上下限內(nèi)波動，而流量應(yīng)在一定的范圍內(nèi)平穩(wěn)漸變，避免對后段工序產(chǎn)生較大的干擾。2022/7/2269均勻控制系統(tǒng)簡單均勻控制系統(tǒng)LC特點(diǎn)-結(jié)構(gòu)與單回路液位控制系統(tǒng)相同 控制規(guī)律采用純比例控制 參數(shù)整定比例度大于100%2022/7/2270均勻控制系統(tǒng)串級均勻控制系統(tǒng)FCLC 特點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)與串級控制系統(tǒng)完全相同 副環(huán)流量控制與串級副環(huán)相同 副環(huán)參數(shù)整定與串級對副環(huán)的要求相同 主控制器與簡單均勻控制要求相同 主、副控制器一般都采用純比例控制規(guī)律2022/7/22715、分程控制系統(tǒng)變送器控制器電氣20100KPaAB60100 KPa2060 KPa20100KPa由一個(gè)控制器的輸出信號分

30、段分別去控制兩個(gè)或兩個(gè)以上控制閥動作的系統(tǒng)稱為分程控制系統(tǒng) 2022/7/2272分程控制系統(tǒng)10020601000閥壓/kPa閥開度(%)20601000閥壓/kPaB閥閥開度(%)100B閥A閥A閥10020601000閥壓/kPa閥閥閥開度(%)BA20601000閥壓/kPaA閥B閥閥開度(%)100分程控制方案中，閥的開閉形式，可分同向和異向兩種 氣開氣閉2022/7/2273分程控制系統(tǒng)的應(yīng)用 用于擴(kuò)大控制閥的可調(diào)范圍例 1可調(diào)比：閥所能控制的最大流量與最小流量之比控制器AB 設(shè)：分程控制中使用的大小兩只控制閥的最大流通能力分別為：且兩個(gè)閥的可調(diào)范圍相等： RA=RB=30若忽略大

31、閥的泄露則其最小流通量為：最大流通能力為：+所以兩個(gè)閥組合在一起的可調(diào)范圍擴(kuò)大到： 2022/7/2274分程控制系統(tǒng)的應(yīng)用 用于控制滿足工藝上操作的特殊要求例 2間歇式反應(yīng)器的溫度分程控制冷水TC蒸汽“B”氣開閥“A”氣關(guān)閥1000.020.060.1“B”“A”0MPa氣關(guān)閥氣開閥閥開度(%)氣開氣關(guān)反2022/7/2275分程控制系統(tǒng)的應(yīng)用例 3 用于控制滿足工藝上操作的特殊要求PC排空氣關(guān)閥“B”“A”氣開閥N2N21000.020.060.1“B”“A”0MPa氣關(guān)閥氣開閥閥開度(%)2022/7/22766、選擇性控制系統(tǒng)非正常工況一般采取的處理方法有兩種：連鎖保護(hù)緊急性停車自動切

32、換至手動選擇性控制系統(tǒng)-當(dāng)生產(chǎn)操作趨向限制條件時(shí)，一個(gè)用于控制不安全工況的控制方案將取代正常情況下的控制方案，直到生產(chǎn)操作重新回到安全范圍以內(nèi)恢復(fù)原控制方案為止。 選擇性控制系統(tǒng)設(shè)有兩個(gè)控制器（或多個(gè)變送器）由選擇器選擇出能適應(yīng)生產(chǎn)安全狀況的控制信號，實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的自動控制。2022/7/2277選擇性控制系統(tǒng)的應(yīng)用氣開閥液氨TC氣氨TC氣開閥液氨RTC氣氨HCLS氣開閥液氨液氨蒸發(fā)器（利用液氨的汽化需要吸收大量熱量來冷卻流管內(nèi)物料）例 1 2022/7/2278 積分飽和及其防止 一個(gè)具有積分作用的控制器，當(dāng)其處于開環(huán)工作狀態(tài)時(shí)，如果偏差輸入信號一直存在，那么由于積分作用的結(jié)果，將使控制器

33、的輸出不斷增加或不斷減小，一直達(dá)到輸出的極限值并保持在此極限值上，而控制器暫時(shí)喪失了控制功能的現(xiàn)象，稱為“積分飽和”現(xiàn)象。 產(chǎn)生積分飽和的原因1、控制系統(tǒng)中控制器具有積分控制規(guī)律；2、控制器輸入偏差長期存在得不到補(bǔ)償。 2022/7/2279防止積分飽和方法1、限幅法 通過專門的技術(shù)措施對積分反饋信號加以限制（電動 型儀表、電動 型儀表中有專門設(shè)計(jì)的限幅控制器 2、外反饋法 在控制器處于開環(huán)狀態(tài)時(shí)，借用其它相應(yīng)信號對控制器進(jìn)行積分外反饋來限制積分的作用 3、積分切除法 在控制器處于開環(huán)工作狀態(tài)時(shí)，就將控制器的積分作用切除掉 2022/7/2280五、ESD介紹第一節(jié) ESD簡介一、什么是ESD

34、？為什么要用ESD?ESD是英文Emergency Shutdown Device緊急停車系統(tǒng)的縮寫。這種專用的安全保護(hù)系統(tǒng)。是90年代發(fā)展起來的，以它的高可靠性和靈活性而受到一致好評。ESD緊急停車系統(tǒng)按照安全獨(dú)立原則要求，獨(dú)立于DCS集散控制系統(tǒng)，其安全級別高于DCS。在正常情況下，ESD系統(tǒng)是處于靜態(tài)的，不需要人為干預(yù)。作為安全保護(hù)系統(tǒng)，凌駕于生產(chǎn)過程控制之上，實(shí)時(shí)在線監(jiān)測裝置的安全性。只有當(dāng)生產(chǎn)裝置出現(xiàn)緊急情況時(shí)，不需要經(jīng)過DCS系統(tǒng)，而直接由ESD發(fā)出保護(hù)聯(lián)鎖信號，對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行安全保護(hù)，避免危險(xiǎn)擴(kuò)散造成巨大損失。據(jù)有關(guān)資料顯示，當(dāng)人在危險(xiǎn)時(shí)刻的判斷和操作往往是滯后的、不可靠的，當(dāng)操作人員面臨生命危險(xiǎn)時(shí)，要在60s內(nèi)做出反應(yīng)，錯誤決策的概率高達(dá)99.9%。因此設(shè)置獨(dú)立于控制系統(tǒng)的安全聯(lián)鎖是十分有必要的，這是作好安全生產(chǎn)的重要準(zhǔn)則。該動則動，不該動則不動，這是ESD系統(tǒng)的一個(gè)顯著特點(diǎn)。2022/7/22系統(tǒng)概述及硬件產(chǎn)品81（1）降低控制功能和安全功能同時(shí)失效的概率，當(dāng)維護(hù)DCS部分故障時(shí)也 不會危及安全保護(hù)系統(tǒng); （2）對于大型裝