第六章集散控制系統(tǒng)

集散控制系統(tǒng)-----又稱分散型綜合控制系統(tǒng)（DCS）系統(tǒng)，是對生產(chǎn)過程進行集中監(jiān)視、操作、管理和分散控制的一種全新的分布式計算機控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)將若干臺微機分散應(yīng)用于過程控制，全部信息通過通信網(wǎng)絡(luò)由上位管理計算機監(jiān)控，實現(xiàn)最優(yōu)化控制，通過CRT裝置、通信總線、鍵盤、打印機等，進行集中操作、顯示和報警。整個裝置繼承了常規(guī)儀表分散控制和計算機集中控制的優(yōu)點，克服了常規(guī)儀表功能單一、人一機聯(lián)系差，以及單臺微型計算機控制系統(tǒng)危險性高度集中的缺點，既在管理、操作和顯示三方面集中，又在功能、負荷和危險性三方面分散。集散控制系統(tǒng)的定義目前一頁\總數(shù)五十二頁\編于七點一、集散控制系統(tǒng)的組成（一）拓撲結(jié)構(gòu)目前二頁\總數(shù)五十二頁\編于七點（二）功能分析目前三頁\總數(shù)五十二頁\編于七點TDC-3000系統(tǒng)目前四頁\總數(shù)五十二頁\編于七點CENTUM系統(tǒng)目前五頁\總數(shù)五十二頁\編于七點二、集散控制系統(tǒng)的特點（1）控制設(shè)備的分散（2）監(jiān)視和管理操作的集中（3）開放的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)目前六頁\總數(shù)五十二頁\編于七點三、集散控制系統(tǒng)的發(fā)展初創(chuàng)期(1975一l980年)

成熟期(1980一1985年)擴展期(1985年以后)分散控制方式：儀表間相距過遠、儀表盤尺寸過大、無法全面了解信息及佳作；集中控制方式：危險過集中，計算機出現(xiàn)故障時整個生產(chǎn)裝置癱瘓；集散控制方式：控制功能分散、操作管理集中－DCS。集散控制中危險分散的方法：將控制功能分散到多臺計算機上，采取雙重化冗余措施?，F(xiàn)場控制站危險分散的設(shè)計原則目前七頁\總數(shù)五十二頁\編于七點目前八頁\總數(shù)五十二頁\編于七點三、集散控制系統(tǒng)的發(fā)展國際著名廠商:TDC-2000TDC3000SPECTRUMI/AseriesCENTUM目前九頁\總數(shù)五十二頁\編于七點愛默生電氣公司W(wǎng)DPFPROVOX國內(nèi)著名廠商：目前十頁\總數(shù)五十二頁\編于七點DCS系統(tǒng)操作臺目前十一頁\總數(shù)五十二頁\編于七點DCS系統(tǒng)控制單元目前十二頁\總數(shù)五十二頁\編于七點DCS系統(tǒng)用戶界面目前十三頁\總數(shù)五十二頁\編于七點Distributedcontrolsystem包括：DCS控制站、DCS操作站、數(shù)據(jù)通信及網(wǎng)絡(luò)目前十四頁\總數(shù)五十二頁\編于七點集散控制系統(tǒng)的現(xiàn)場控制站DCS系統(tǒng)中，控制站繼承了DDC技術(shù)，它是一個完整的計算機，實際運行中可以在不與操作站及網(wǎng)絡(luò)相連的情況下，完成過程控制策略，保證生產(chǎn)裝置正常運行?？刂普咀鳛橐粋€完整的計算機，它的主要I/O設(shè)備為現(xiàn)場的輸入、輸出處理設(shè)備，以及過程輸入/輸出（PI/O）量，包括信號變換與信號調(diào)理，A/D、D/A轉(zhuǎn)換等。它在第二代和第三代產(chǎn)品中已陸續(xù)采用了嵌入式技術(shù)，并采用單片機等完成量程調(diào)整、遠程I/O數(shù)據(jù)傳輸、小型化及減少PI/O卡硬件規(guī)格等功能，直至連接智能化的現(xiàn)場變送器或接受采用現(xiàn)場總線提供的數(shù)字信號。目前十五頁\總數(shù)五十二頁\編于七點集散控制系統(tǒng)的現(xiàn)場控制站?主要設(shè)備：現(xiàn)場控制單元。?主要任務(wù)：進行數(shù)據(jù)采集及處理，對被控對象實施閉環(huán)反饋控制、順序控制和批量控制。?用戶可以根據(jù)不同的應(yīng)用需求，選擇配置不同的現(xiàn)場控制單元以構(gòu)成現(xiàn)場控制站?！褚悦嫦蜻B續(xù)生產(chǎn)的過程控制為主，順序邏輯控制為輔，構(gòu)成一個可以實現(xiàn)多種復(fù)雜控制方案的現(xiàn)場控制站;●

以順序控制、聯(lián)鎖控制功能為主的現(xiàn)場控制站；●構(gòu)成對大批量過程信號進行總體信息采集的現(xiàn)場控制站。目前十六頁\總數(shù)五十二頁\編于七點1.機柜現(xiàn)場控制站機柜中央控制室機柜間機柜間機柜組有了現(xiàn)場控制站，生產(chǎn)過程控制的安全性和可靠性都很容易得到保證目前十七頁\總數(shù)五十二頁\編于七點現(xiàn)場控制單元多層I/O卡件箱電源單元通信接口接線端子板機柜正面（前面）機柜背面（后面）現(xiàn)場控制站機柜目前十八頁\總數(shù)五十二頁\編于七點2.電源?電源系統(tǒng)的可靠性措施●每一個現(xiàn)場控制站均采用雙電源供電，互為冗余。●采用超級隔離變壓器，將其初級、次級線圈間的屏蔽層可靠接地，以克服共模干擾的影響?！癫捎媒涣麟娮诱{(diào)壓器，快速穩(wěn)定供電電壓?！衽溆胁婚g斷供電電源UPS，以保證供電的連續(xù)性。?現(xiàn)場控制站內(nèi)各功能模塊所需直流電源一般為±5V、±15V(或±12V)、以及+24V。目前十九頁\總數(shù)五十二頁\編于七點3.控制計算機控制器電源單元I/O卡件現(xiàn)場總線接口卡件導(dǎo)軌控制計算機目前二十頁\總數(shù)五十二頁\編于七點?控制計算機一般是由CPU、存儲器、輸入/輸出通道等基本部分組成。(1)CPU

●用以實現(xiàn)算術(shù)運算和邏輯運算?！窨梢詧?zhí)行復(fù)雜的先進控制算法，如自動整定、預(yù)測控制、模糊控制和自適應(yīng)控制等。目前二十一頁\總數(shù)五十二頁\編于七點(2)存儲器

●控制計算機的存儲器分為RAM和ROM?！裨诳刂朴嬎銠C中ROM占有較大的比例?！裼捎诳刂朴嬎銠C在正常工作時運行的是一套固定的程序，DCS中大都采用了程序固化的辦法?！裨谌哂嗫刂朴嬎銠C系統(tǒng)中，還特別設(shè)有雙端口隨機存儲器RAM，其中存放有過程輸入輸出數(shù)據(jù)、設(shè)定值和PID參數(shù)等。目前二十二頁\總數(shù)五十二頁\編于七點(3)總線

●總線是將現(xiàn)場控制站內(nèi)部各單元連接起來的通信介質(zhì)。

(4)輸入/輸出通道

●模擬量輸入/輸出(AI/AO)●開關(guān)量輸入/輸出(SI/SO)●數(shù)字量輸入/輸出(DI/DO)●脈沖量輸入通道(PI)

目前二十三頁\總數(shù)五十二頁\編于七點①模擬量輸入輸出通道(AI/AO)

●模擬量輸入通道(AI)?模擬量輸入通道(AI)將來自在線檢測儀表和變送器的連續(xù)性模擬電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，送給CPU進行處理?！衲M量輸出通道(AO)

?模擬量輸出通道(AO)一般將計算機輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為4~20mADC(或1~5VDC)的連續(xù)直流信號，用于控制各種執(zhí)行機構(gòu)。目前二十四頁\總數(shù)五十二頁\編于七點②開關(guān)量輸入/輸出通道(SI/SO)

●開關(guān)量輸入通道(SI)主要用來采集各種限位開關(guān)、繼電器或電磁閥連動觸點的開、關(guān)狀態(tài)，并輸入至計算機?！耖_關(guān)量輸出通道(SO)主要用于控制電磁閥、繼電器、指示燈、聲光報警器等只具有開、關(guān)兩種狀態(tài)的設(shè)備。③脈沖輸入通道(PI)

脈沖輸入通道(PI)將現(xiàn)場儀表（如渦輪流量計等）輸出的為脈沖信號處理后送入計算機。目前二十五頁\總數(shù)五十二頁\編于七點1.反饋控制2.4.1現(xiàn)場控制站的基本功能反饋控制輸入處理控制運算回路組態(tài)輸出處理報警處理反饋控制功能分布圖目前二十六頁\總數(shù)五十二頁\編于七點(1)輸入信號處理?模擬輸入信號處理●合理性檢驗●零偏修正●規(guī)格化●工程量變換●非線性處理●開方運算●補償運算●脈沖序列的瞬時值變換及累計目前二十七頁\總數(shù)五十二頁\編于七點?對于數(shù)字信號●狀態(tài)報警及輸出方式處理。?對于脈沖序列●瞬時值變換及累積計算。目前二十八頁\總數(shù)五十二頁\編于七點①報警類型②報警限值③報警優(yōu)先級

●

報警優(yōu)先級參數(shù)●

報警鏈中斷參數(shù)●

最高報警選擇參數(shù)(2)報警處理目前二十九頁\總數(shù)五十二頁\編于七點(3)控制運算●常規(guī)PID●微分先行PID●積分分離●開關(guān)控制●時間比例式開關(guān)控制●信號選擇●比率設(shè)定常用算法●時間程序設(shè)定●Smith預(yù)估控制●多變量解耦控制●一階滯后運算●超前-滯后運算●其他運算等目前三十頁\總數(shù)五十二頁\編于七點(4)控制回路組態(tài)?根據(jù)控制策略的需要，將一些功能模塊通過軟件連接起來，構(gòu)成檢測回路或控制回路。溫度與壓力串級控制系統(tǒng)回路組態(tài)圖目前三十一頁\總數(shù)五十二頁\編于七點(5)輸出信號處理●輸出開路檢驗●輸出上下限檢驗●輸出變化率限幅●模擬輸出●開關(guān)輸出●脈沖寬度輸出目前三十二頁\總數(shù)五十二頁\編于七點2.邏輯控制?根據(jù)輸入變量的狀態(tài)，按邏輯關(guān)系進行的控制。?在DCS中，由邏輯功能模塊實現(xiàn)邏輯控制功能。邏輯控制功能●與(AND)●或(OR)●非(NO)●異或(XOR)●連接(LINK)●進行延時(ONDELAY)●停止延時(OFFDELAY)●觸發(fā)器(FLIP-FLOP)●脈沖(PULSE)目前三十三頁\總數(shù)五十二頁\編于七點3.順序控制?順序控制：按預(yù)定的動作順序或邏輯，依次執(zhí)行各階段動作程序。?順序控制中可以兼用反饋控制、邏輯控制和輸入/輸出監(jiān)視等功能。?實現(xiàn)順序控制的常用方法●順序表法●程序語言方式●梯形圖法目前三十四頁\總數(shù)五十二頁\編于七點?順序表法●將控制順序按邏輯關(guān)系和時間關(guān)系預(yù)先編成順序記錄，存儲于管理文件中，然后逐項執(zhí)行。?程序語言方式●通過語言編程來實現(xiàn)順序控制。?梯形圖法（梯形邏輯控制語言）●由繼電器邏輯電路圖演變而來的一種解釋執(zhí)行程序的設(shè)計語言。?隨著DCS的發(fā)展，已出現(xiàn)了梯形邏輯與連續(xù)控制算法相結(jié)合的復(fù)合控制功能。目前三十五頁\總數(shù)五十二頁\編于七點4.批量控制?根據(jù)工藝要求，將反饋控制與邏輯、順序控制結(jié)合起來，使一個間歇式生產(chǎn)過程得到合格產(chǎn)品的控制?！穹答伩刂频膱缶盘枴窕芈窢顟B(tài)信號●模擬信號的比較、判斷、運算結(jié)果順序控制的條件信號目前三十六頁\總數(shù)五十二頁\編于七點●回路的切換●參數(shù)的變更●設(shè)定值的調(diào)整●控制算法的變更●控制方案的變更由順序控制轉(zhuǎn)換為反饋控制的條件目前三十七頁\總數(shù)五十二頁\編于七點5.輔助功能(1)控制方式選擇●手動(MAN)●自動(AUT)●串級(CAS)●計算機(COMP)(2)測量值跟蹤?在手動方式時，使本回路的設(shè)定值不再保持原來的值，而跟蹤測量值。目前三十八頁\總數(shù)五十二頁\編于七點(3)輸出值跟蹤?在手動方式時，使內(nèi)存單元中PID輸出值跟蹤手操輸出值。?從手動切換到自動時，內(nèi)存單元中的自動輸出數(shù)值與手操輸出值相等，切換是無擾動的。?在自動方式時，手操器的輸出值是始終跟蹤控制器的自動輸出值的。?從自動切換到手動時，手操器的輸出值與PID的輸出值相等，切換是無擾動的。目前三十九頁\總數(shù)五十二頁\編于七點目前四十頁\總數(shù)五十二頁\編于七點目前四十一頁\總數(shù)五十二頁\編于七點

DCS操作站具有操作員功能、工程師功能、通信功能和高級語言功能等，其中工程師功能中包括系統(tǒng)組態(tài)、系統(tǒng)維護、系統(tǒng)通用（Utility）功能。

DCS操作員站和工程師站目前四十二頁\總數(shù)五十二頁\編于七點實際的DCS操作站是典型的計算機，它與控制站不同，有著豐富的外圍設(shè)備和人機界面。70年代中期，CRT顯示器技術(shù)已成熟，以外部存儲器為特征，第二代DCS操作站還具有如下特點：操作站和工程師站（或稱工作站）分開，也有公司將操作站的歷史數(shù)據(jù)存儲用硬盤（歷史模件）和高級語言應(yīng)用站（應(yīng)用模件）分別獨立掛在通信網(wǎng)絡(luò)上；操作系統(tǒng)除采用DOS系統(tǒng)以外，有的產(chǎn)品采用Unix等操作系統(tǒng)；實時數(shù)據(jù)庫儲存性能逐漸完善；在人機界面方面，逐漸過渡為以GUI圖形用戶界面為平臺并采用鼠標(biāo)、組態(tài)時制作流程圖和控制回路圖等方法，采用菜單、窗口、CAD等技術(shù)，使人機界面友好。目前四十三頁\總數(shù)五十二頁\編于七點DCS操作站的功能（三大功能）工程功能－完成系統(tǒng)生成、系統(tǒng)維護、系統(tǒng)測試和系統(tǒng)管理；操作功能－監(jiān)視、記錄、運行；通信功能－完成現(xiàn)場控制站于上位機之間的數(shù)據(jù)交換。主要介紹操作功能－操作運行中的操作畫面（1）總貌畫面－反映生產(chǎn)過程總體狀況。（2）分組畫面－對應(yīng)顯示各內(nèi)部儀表狀態(tài)，操作中觀察其它回路中的關(guān)聯(lián)變化。（3）回路調(diào)整畫面（4）報警畫面（5）趨勢分組畫面（6）流程子畫面目前四十四頁\總數(shù)五十二頁\編于七點2.2.2操作站嵌入型臺式操作站桌面型操作站信息報警站工程師站控制站顯示器標(biāo)準(zhǔn)鍵盤主機操作站主機柜工作臺中央控制室設(shè)備目前四十五頁\總數(shù)五十二頁\編于七點?DCS操作站一般分為操作員站和工程師站兩種?！窆こ處熣局饕羌夹g(shù)人員與控制系統(tǒng)的人機接口，可以對應(yīng)用系統(tǒng)進行監(jiān)視?！窆こ處熣緸橛脩籼峁┝艘粋€靈活的、功能齊全的工作平臺，通過組態(tài)軟件來實現(xiàn)用戶所要求的各種控制策略。●有些小型DCS的工程師站可以用一個操作員站代替。目前四十六頁\總數(shù)五十二頁\編于七點

●操作臺

●微處理機系統(tǒng)

●外部存儲設(shè)備

●圖形顯示設(shè)備

●操作鍵盤和鼠標(biāo)

●打印輸出設(shè)備DCS操作站主要設(shè)備操作站設(shè)備目前四十七頁\總數(shù)五十二頁\編于七點2.2.3冗余技術(shù)1.冗余方式冗余技術(shù)多重化自動備用簡易的手動備用后退運轉(zhuǎn)同步運轉(zhuǎn)待機運轉(zhuǎn)目前四十八頁\總數(shù)五十二頁\編于七點2.4.2操作站的基本功能操作站的基本功能顯示報警系統(tǒng)維護報告生成操作系統(tǒng)組態(tài)操作站的基本功能分布圖目前四十九頁\總數(shù)五十二頁\編于七點2.4.3自診斷功能?在系統(tǒng)投運前，用離線