DCS控制系統(tǒng)基礎(chǔ)知識課件(PPT 59頁)

1、DCS控制系統(tǒng) 2013年12月第1頁，共59頁。內(nèi)容提要第一章 DCS控制系統(tǒng)DCS控制系統(tǒng)簡述DCS控制系統(tǒng)的發(fā)展史CENTUM-CS3000控制系統(tǒng)的構(gòu)成及字母代號DCS控制系統(tǒng)的特點第二章 簡單控制系統(tǒng)概述簡單控制系統(tǒng)的幾大參數(shù)三種控制器的比較第2頁，共59頁。內(nèi)容提要第三章 復(fù)雜控制系統(tǒng)概述串級控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng)分程控制系統(tǒng)選擇控制系統(tǒng)三沖量控制系統(tǒng)第四章 過程控制系統(tǒng)-控制系統(tǒng)的投運控制系統(tǒng)操作中的常見問題第3頁，共59頁。 DCS是分布式控制系統(tǒng)的英文縮寫（Distributed Control System），在國內(nèi)自控行業(yè)又稱之為集散控制系統(tǒng)。 DCS是計算機技

2、術(shù)、控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)高度結(jié)合的產(chǎn)物。DCS通常采用若干個控制器（過程站）對一個生產(chǎn)過程中的眾多控制點進行控制，各控制器間通過網(wǎng)絡(luò)連接并可進行數(shù)據(jù)交換。操作采用計算機操作站，通過網(wǎng)絡(luò)與控制器連接，收集生產(chǎn)數(shù)據(jù)，傳達操作指令。因此，DCS的主要特點歸結(jié)為一句話就是：分散控制集中管理。第一節(jié) DCS控制系統(tǒng)簡述第4頁，共59頁。 DCS大致經(jīng)歷了四個發(fā)展階段，相應(yīng)地有四代的基本結(jié)構(gòu):第一階段(初創(chuàng)期)，1975年一1980年第二節(jié) DCS控制系統(tǒng)發(fā)展史第5頁，共59頁。第二階段成熟期)，1980年一1985年第二節(jié) DCS控制系統(tǒng)發(fā)展史第6頁，共59頁。第三階段(擴展期)，1985年一2000年

3、DCS向計算機網(wǎng)絡(luò)控制擴展，將過程控制、監(jiān)督控制和管理調(diào)度進一步結(jié)合起來，并且加強斷續(xù)系統(tǒng)功能，采用專家系統(tǒng)，制造自動化協(xié)議MAP(Manufactur Automation Protocol)標準，以及硬件上諸多新技術(shù)。這一代的典型產(chǎn)品中，有的是在原有基礎(chǔ)上擴展，如美國Honeywell公司擴展后的TDCS 3000，橫河電機的CENTUM-XL和UX，美國西屋公司的WDPF II等，也有的是新發(fā)展的系統(tǒng)，如Foxboro公司的I/A Series等。這一代產(chǎn)品的進一步發(fā)展就是計算機集成制造(生產(chǎn))系統(tǒng)第二節(jié) DCS控制系統(tǒng)發(fā)展史第7頁，共59頁。 CIM(Computer Integrat

4、ed Manufacturing)，即將企業(yè)行政事務(wù)信息與工廠控制系統(tǒng)集成為一體的計算機系統(tǒng)。 這一代產(chǎn)品結(jié)構(gòu)層次有了進一步發(fā)展，它自下而上一般可分為過程控制級，控制管理級，生產(chǎn)管理級和經(jīng)營管理級這四個層次，第二節(jié) DCS控制系統(tǒng)發(fā)展史第8頁，共59頁。第四階段：第四代DCS系統(tǒng)，2000年以后 第四代DCS的體系結(jié)構(gòu)主要分為四層結(jié)構(gòu):現(xiàn)場儀表層、控制裝置單元層、工廠(車間)層和企業(yè)管理層。一般DCS廠商主要提供除企業(yè)管理層之外的三層功能，而企業(yè)管理層則通過提供開放的數(shù)據(jù)庫接口，連接第三方的管理軟件平臺(ERP, CRM, SCM等)。所以說，當今DCS主要提供工廠(車間)級的所有控制和管理功

5、能，并集成全企業(yè)的信息管理功能。例如以Honeywell公司最新推出的Experion PKS(過程知識系統(tǒng))、Emerson公司的P1antWeb (Emerson ProcessManagement), Foxboro公司A2、橫河公司的R3 (PRM-_-C廠資源管理系統(tǒng))和ABB公司的Industrial IT系統(tǒng)。第二節(jié) DCS控制系統(tǒng)發(fā)展史第9頁，共59頁。第三節(jié) CENTUM-CS控制系統(tǒng)的構(gòu)成字母代號集散控制系統(tǒng)基本構(gòu)成圖CENTUM-CS系統(tǒng)外觀圖第10頁，共59頁。DCS組成結(jié)構(gòu) DCS的過程控制站是一個完整的計算機系統(tǒng)，主要由電源、高性能的中央處理器（CPU）、網(wǎng)絡(luò)接口組

6、成。 高性能的中央處理器是現(xiàn)場過程控制的中心，存放并運行所有的過程控制程序以及現(xiàn)場儀表數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)。DCS的控制決策都是由它來執(zhí)行的。 過程控制站的網(wǎng)絡(luò)接口是同上一級的操作員站和工程師站的連接通道。操作員的操作控制信息和工程師站的組態(tài)程序都是通過這一通道發(fā)送到過程控制站，過程控制站收集整理的現(xiàn)場數(shù)據(jù)也是通過這一通道傳遞到操作員站上。過程控制站同I/O模塊之間通過現(xiàn)場總線連接。第11頁，共59頁。DCS組成結(jié)構(gòu) 一臺用于操作、監(jiān)視、報警、趨勢顯示、記錄和打印報表的PC機。操作員站通常裝有操作軟件以完成上述功能，并且是通過以太網(wǎng)同過程控制站相連。第12頁，共59頁。DCS組成結(jié)構(gòu) 一臺用于組態(tài)過

7、程控制軟件，診斷、監(jiān)視過程控制站運行情況，供DCS工程師開發(fā)、測試、維護DCS系統(tǒng)使用的計算機。第13頁，共59頁。第三節(jié) CENTUM-CS控制系統(tǒng)的構(gòu)成字母代號集散型控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu) 操作站、工程師站和上位計算機構(gòu)成集中管理部分；現(xiàn)場監(jiān)測站、現(xiàn)場控制站構(gòu)成分散控制部分；通信網(wǎng)絡(luò)是連接集散系統(tǒng)各部分的紐帶，是實現(xiàn)集中管理、分散控制的關(guān)鍵。 第14頁，共59頁。第三節(jié) CENTUM-CS控制系統(tǒng)的構(gòu)成字母代號CENTUM-CS系統(tǒng)構(gòu)成第15頁，共59頁。第三節(jié) CENTUM-CS控制系統(tǒng)的構(gòu)成及字母代號類型字母代號意 義字母代號意 義儀表調(diào)整面板常用參數(shù)MODE儀表塊方式LL下下限報警值PV

8、測量值SVH設(shè)定點上限限位值SV設(shè)定值SVL設(shè)定點下限限位值MV閥位輸出值MH閥位輸出上限限位值DV偏差值ML閥位輸出下限限位值SUM累計值P比例帶HH上上限報警值I積分時間PH上限報警值D微分時間PL下限報警值CENTUM-CS系統(tǒng)的字母代號第16頁，共59頁。第三節(jié) CENTUM-CS3000控制系統(tǒng)的構(gòu)成字母代號類型字母代號意 義字母代號意 義常用報警狀態(tài)字IOP-輸入開路NR正常OOP輸出開路ANS+(ON)回訊不正常PV(MV=2)HH上上限報警ANS-(OFF)回訊不正常PV(MV=0)HI上限報警PERR兩回訊均不正常LO下限報警CAL校驗狀態(tài)LL下下限報警IOP+輸入超量程DV

9、-負偏差報警(PV-SVVL)DV+正偏差報警(PV-SVDL)VEL-速度報警-（PV2-PV1VL)續(xù)表第17頁，共59頁。第四節(jié) DCS控制系統(tǒng)的特點 控制功能豐富 監(jiān)視操作方便 信息和數(shù)據(jù)共享 系統(tǒng)擴展靈活 安裝維護方便 系統(tǒng)可靠性高 第18頁，共59頁。第二章 簡單控制系統(tǒng) 概述 簡單控制系統(tǒng)的幾大參數(shù) 三種控制器的比較第19頁，共59頁。第一節(jié) 概述 簡單控制系統(tǒng)通常是指由一個測量元件、變送器、一個控制器、一個控制閥和一個對象所構(gòu)成的單閉環(huán)控制系統(tǒng)。 液位控制系統(tǒng) 溫度控制系統(tǒng)第20頁，共59頁。圖簡單控制系統(tǒng)的方塊圖第二節(jié) 簡單控制系統(tǒng)的幾大參數(shù)從上圖中可知 簡單控制系統(tǒng)由四個基

10、本環(huán)節(jié)組成，即被控對象、測量變送裝置、控制器和執(zhí)行器。 第21頁，共59頁。被控變量 生產(chǎn)過程中希望借助自動控制保持恒定值（或按一定規(guī)律變化）的變量稱為被控變量。執(zhí)行器 接受控制器的輸出信號,直接控制能量或物料等調(diào)節(jié)介質(zhì)的輸送量,達到控制溫度、壓力、流量、液位等工藝參數(shù)的目的。測量變送器 用于檢測各被控變量（如流量、溫度、壓力、液位）工藝參數(shù)各類儀表。對象 工藝上所需控制的各類設(shè)備如塔、罐等。第22頁，共59頁?？刂破?對于生產(chǎn)裝置的溫度、壓力、流量、液位等工藝變量常常要求維持在一定的數(shù)值上，或按一定的規(guī)律變化，以滿足生產(chǎn)工藝的要求。PID控制器是根據(jù)PID控制原理對整個控制系統(tǒng)進行偏差調(diào)節(jié)，

11、從而使被控變量的實際值與工藝要求的預(yù)定值一致。不同的控制規(guī)律適用于不同的生產(chǎn)過程，必須合理選擇相應(yīng)的控制規(guī)律，否則PID控制器將達不到預(yù)期的控制效果。 控制器有三種：比例控制器、比例積分控制器、比例積分微分控制器 第23頁，共59頁。第三節(jié) 三種控制器性能比較表特點適用于比例控制器控制器的輸出與偏差成比例,閥門位置與偏差之間有一一對應(yīng)關(guān)系。當負荷變化時,比例控制器克服干擾能力強,過渡過程時間短。純比例控制器在過渡過程終了時存在余差。 調(diào)節(jié)通道滯后較小、負荷變化不大、工藝上沒有提出無差要求的系統(tǒng)。 比例積分控制器積分作用使控制器輸出與偏差的積分成比例, 過渡過程結(jié)束時無余差。但使穩(wěn)定性降低。 調(diào)

12、節(jié)通道滯后較小、負荷變化不大、工藝參數(shù)不允許有余差的系統(tǒng)。 比例積分微分控制器微分作用使控制器的輸出與偏差變化速度成比例。它對克服容量滯后有顯著效果。在比例的基礎(chǔ)上加上微分作用能提高穩(wěn)定性,再加上積分作用可以消除余差。 容量滯后較大、負荷變化大、控制質(zhì)量要求較高的系統(tǒng) 第24頁，共59頁。第四章 過程控制系統(tǒng)概述串級控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng)分程控制系統(tǒng)選擇控制系統(tǒng)三沖量控制系統(tǒng)第25頁，共59頁。根據(jù)根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和所擔(dān)負的任務(wù)復(fù)雜控制系統(tǒng)串級控制系統(tǒng) 均勻控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng)分程控制系統(tǒng) 前饋控制系統(tǒng) 選擇控制系統(tǒng) 三沖量控制系統(tǒng) 第一節(jié) 概述第26頁，共59頁。第二節(jié) 串級控制系統(tǒng)

13、串級控制系統(tǒng)-兩只調(diào)節(jié)器串聯(lián)起來工作，其中一個調(diào)節(jié)器的輸出作為另一個調(diào)節(jié)器的給定值的系統(tǒng)。串級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和方框圖 第27頁，共59頁。第四節(jié) 串級控制系統(tǒng)例：聯(lián)合尾氣焚燒爐爐溫控制第28頁，共59頁。第二節(jié) 串級控制系統(tǒng)串級控制系統(tǒng)采用兩套檢測變送器和兩個調(diào)節(jié)器，前一個調(diào)節(jié)器的輸出作為后一個調(diào)節(jié)器的設(shè)定，后一個調(diào)節(jié)器的輸出送往調(diào)節(jié)閥。前一個調(diào)節(jié)器稱為主調(diào)節(jié)器，它所檢測和控制的變量稱主變量（主被控參數(shù)），即工藝控制指標；后一個調(diào)節(jié)器稱為副調(diào)節(jié)器，它所檢測和控制的變量稱副變量（副被控參數(shù)），是為了穩(wěn)定主變量而引入的輔助變量。整個系統(tǒng)包括兩個控制回路，主回路和副回路。副回路由副變量檢測變送、副調(diào)

14、節(jié)器、調(diào)節(jié)閥和副過程構(gòu)成；主回路由主變量檢測變送、主調(diào)節(jié)器、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥、副過程和主過程構(gòu)成。一次擾動：作用在主被控過程上的，而不包括在副回路范圍內(nèi)的擾動。二次擾動：作用在副被控過程上的，即包括在副回路范圍內(nèi)的擾動。 第29頁，共59頁。第三節(jié) 前饋控制系統(tǒng)前饋控制原理前饋控制是按照擾動作用的大小進行控制。當擾動一出現(xiàn)，就能根據(jù)擾動的測量信號來控制操縱變量，及時補償擾動對被控變量的影響，所以控制是及時的，如果補償作用完善，可以使被控變量不產(chǎn)生偏差，其方框圖如下圖所示。它是一個開環(huán)控制系統(tǒng)。在很多場合下都是將前饋控制與反饋控制結(jié)合在一起組成前饋反饋控制系統(tǒng)，稱之為復(fù)合控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)即使在

15、大而頻繁的擾動下，仍能獲得優(yōu)良的控制品質(zhì)。 第30頁，共59頁。第四節(jié) 比值控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng)-使兩種或多種物料流量自動維持一定比值關(guān)系的過程控制系統(tǒng)。 常用的比值控制系統(tǒng)主要有以下幾種結(jié)構(gòu)形式： 1 單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)在開環(huán)比值控制的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一個副物料流量閉環(huán)控制回路。 第31頁，共59頁。第四節(jié) 比值控制系統(tǒng)第32頁，共59頁。第四節(jié) 比值控制系統(tǒng)脫水單元比值控制第33頁，共59頁。第四節(jié) 比值控制系統(tǒng)2 雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)由一個定值控制的主流量回路和一個跟隨主流量變化的副流量控制回路組成。主流量控制回路能克服主流量擾動，實現(xiàn)其定值控制。副流量控制回路能抑制作用于副回路中的擾動。當

16、擾動消除后，主、副流量都回復(fù)到原設(shè)定值上，其比值不變。第34頁，共59頁。第五節(jié) 分程控制系統(tǒng)分程控制系統(tǒng)-在某些工業(yè)生產(chǎn)中，根據(jù)工藝要求，一個調(diào)節(jié)器的輸出信號分段，分別控制兩個或兩個以上的調(diào)節(jié)閥工作，即每個調(diào)節(jié)閥在調(diào)節(jié)器輸出的某段信號范圍內(nèi)作全行程動作。例：PV-11701A/B 當PY-11701輸出為050 %時開PV-11701B; 50100 %時開PV-11701A第35頁，共59頁。第六節(jié) 選擇控制系統(tǒng)選擇性控制-是把工業(yè)生產(chǎn)過程中的限制條件所構(gòu)成的邏輯關(guān)系，疊加到正常的自動控制系統(tǒng)上去的一種組合控制方法。即在一個過程控制系統(tǒng)中，設(shè)有兩個調(diào)節(jié)器(或兩個以上的變送器)，通過高、低值

17、選擇器選出能適應(yīng)生產(chǎn)安全狀況的控制信號，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的自動控制。稱為自動保護系統(tǒng)或稱為軟保護系統(tǒng)。第36頁，共59頁。第六節(jié) 選擇控制系統(tǒng)第37頁，共59頁。第七節(jié) 三沖量控制系統(tǒng)圖 三沖量控制系統(tǒng) 該系統(tǒng)除了液位、蒸汽流量信號外,再增加一個給水流量的信號。它有助于及時克服由于供水壓力波動而引起的汽包液位的變化。第38頁，共59頁。第四章 復(fù)雜控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)的投運 控制系統(tǒng)操作中的常見問題第39頁，共59頁。第一節(jié)、控制系統(tǒng)的投運1.準備工作 對于工藝人員與儀表人員來說 對于儀表人員來說 2.儀表檢查 投運前要在現(xiàn)場校驗儀表一次, 確認正常后可考慮投運。 對于控制記錄儀表,除了要觀察測量

18、指示是否正常外,還特別要 對控制器控制點進行復(fù)校。 第40頁，共59頁。 3.檢查控制器的正、反作用及控制閥的氣開、氣關(guān)型式 控制好控制器的正、反作用，是確保整個自動控制系統(tǒng)成為負反饋閉環(huán)系統(tǒng)的重要一環(huán)。正作用？反作用？ 控制器正、反作用開關(guān)示意圖第41頁，共59頁。 4.控制閥的投運 控制閥安裝示意圖1上游閥；2下游閥；3旁路閥；4控制閥第42頁，共59頁。 5.控制器的手動和自動的切換 通過手動遙控控制閥,使工況趨于穩(wěn)定以后,控制器就可以由手動切換到自動,實現(xiàn)自動操作。 要求：平穩(wěn)、迅速，實現(xiàn)無擾動切換。第43頁，共59頁。 6.控制器參數(shù)的整定整定方法：臨界比例度法、衰減曲線法、經(jīng)驗湊試

19、法 不管采用哪種方法進行整定,所得到的自動控制系統(tǒng),在正常工況下,由于經(jīng)常受到各種擾動,被控變量不可能總是穩(wěn)定在一個數(shù)值上長期不變。 如果出現(xiàn)記錄曲線是一條直線或一個圓,就要檢查一下測量記錄儀表有否故障,靈敏度是否足夠等。 第44頁，共59頁。第二節(jié) 控制系統(tǒng)操作中的常見問題精餾塔控制系統(tǒng)之間的干擾精餾塔兩個溫度控制系統(tǒng)之間相互干擾第45頁，共59頁。解決方案 可以通過控制器參數(shù)整定,將兩個控制系統(tǒng)的動態(tài)聯(lián)系削弱,使其能正常工作。采取這種措施后,保證了主要被控變量的穩(wěn)定，而次要變量的控制質(zhì)量會有所降低。 從自動化角度出發(fā),尚可設(shè)計較為復(fù)雜一些的去關(guān)聯(lián)控制系統(tǒng),通過引入一些特殊的去關(guān)聯(lián)環(huán)節(jié)來消除

20、相互間的影響。 從工藝上消除關(guān)聯(lián)也是一個極為有效的措施。第46頁，共59頁。 2.測量系統(tǒng)的故障及判別方法 發(fā)現(xiàn)工藝參數(shù)的記錄曲線出現(xiàn)異常情況時,首先要分析情況,判別其原因,這是正常操作的前提之一。判別的方法：記錄曲線突變。記錄曲線突然大幅度變化。記錄曲線出現(xiàn)不規(guī)則變化。記錄曲線出現(xiàn)等幅振蕩。記錄曲線不變化,呈直線狀 (或圓狀)。第47頁，共59頁。 3.控制系統(tǒng)運行中的常見問題 出現(xiàn)問題時，除了要考慮前面所講的測量系統(tǒng)可能出現(xiàn)的故障以外,特別要注意被控對象特性的變化以及控制閥特性變化的可能性,要結(jié)合儀表和工藝兩個方面去找原因。 針對適應(yīng)對象特性的變化,一般可以通過重新整定控制器參數(shù),以獲得較

21、好的控制質(zhì)量。 第48頁，共59頁。 HIS人機接口站功能第49頁，共59頁。 HIS 人機接口站的功能 報警容量 ：18個報警/窗口，200個報警/HIS 報警信息 ：序號，標記，日期，時間，儀表說明，報警狀態(tài)， 測量值，是否恢復(fù)正常 優(yōu)先級別 ：五級（高/中/低/記錄/參考）過程報警窗口第50頁，共59頁。 HIS 人機接口站的功能20,0000 塊儀表面板/HIS連貫的操作接口每一功能塊均有面板顯示具有用戶可組態(tài)面板OPNCLS100.080.060.040.020.00.0CASHIWATERFLOW T6 FIC201WATERFLOW T6FIC201-DSTEPPAUSECONTBU201-DDI 1DI 2DO 1DO 2MC201-D模擬量顯示趨勢顯示批量顯示順控顯示豐富的面板顯示第51頁，共59頁。HIS 人機接口站的功能AUTCNDNRAOFOPN100.0CLS0.0 調(diào)整中FIC1001A位號.閥門開關(guān)說明操作輸出值操作輸出限制值提示指針報警狀態(tài)回路狀態(tài)位號標記操作標記說明操作標記計算機標記串級標記回路子狀態(tài)報警子狀態(tài)儀表刻度上上限報警設(shè)定值（紅）上限報警設(shè)定值（綠） 設(shè)定值測定值下下限報警設(shè)定值（紅）下限報警設(shè)定值（綠）模擬量顯