集散控制系統(tǒng)：第一節(jié) 導(dǎo)論

1、集散控制系統(tǒng) 第一章 導(dǎo)論第一章 導(dǎo) 論 集散型控制系統(tǒng)是以微型計算機為基礎(chǔ)的分散型綜合控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)在發(fā)展初期是以實現(xiàn)分散控制為主的，國外一直用分散控制系統(tǒng)的名稱，因此又稱為分散型或分布式控制系統(tǒng)，簡稱DCS(Distributed Control System)。美國霍尼韋爾（Honey Well）公司最早進(jìn)行了DCS研究并推出世界第一套產(chǎn)品TDCS2000。至今，DCS產(chǎn)品幾經(jīng)更新?lián)Q代，技術(shù)性能也隨著計算機技術(shù)的發(fā)展而日趨完善。第一章 導(dǎo) 論 不管是新上馬的建設(shè)或擴建項目，還是老廠的技術(shù)更新改造，DCS首當(dāng)其沖地被作為工業(yè)過程領(lǐng)域的主要設(shè)備，尤其對中大規(guī)模的企業(yè)更是如此。DCS已發(fā)展成

2、為當(dāng)今工業(yè)控制的主流系統(tǒng)。據(jù)不完全統(tǒng)計，迄今全世界數(shù)百家廠家已開發(fā)了各種類型的集散型控制系統(tǒng)已有數(shù)千種，應(yīng)用非常廣泛。 目前應(yīng)用的典型DCS產(chǎn)品有Honwy Well 公司的TDC-3000、橫河公司的Centum-XL 和 uXL、Foxboro 公司的智能自動化系統(tǒng)I/AS以及德國西門子公司的TelepermM系統(tǒng)，國產(chǎn)的SUPCON JX300X等。 第一章 導(dǎo) 論 DCS以其先進(jìn)、可靠、靈活和操作簡便及其合理的價格而得到廣大工業(yè)用戶的特殊青睞，在化工、石油、電力、冶金和造紙等工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 1.1 DCS 的概念、特點、體系結(jié)構(gòu)和功能集散型控制系統(tǒng)是計算機（Computer

3、）、通信Communication）、CRT顯示和控制Control）技術(shù)（簡稱四C技術(shù)）發(fā)展起來的產(chǎn)物。采用控制分散、危險分散，而操作和管理集中的基本設(shè)計思想，以及分層、分級和合作自治的結(jié)構(gòu)形式，適應(yīng)現(xiàn)代的工業(yè)生產(chǎn)和管理要求。常規(guī)模擬調(diào)節(jié)儀表組成的過程控制系統(tǒng)存在許多局限性，如難以實現(xiàn)多變量相關(guān)對象的控制；難以實現(xiàn)復(fù)雜的高級控制規(guī)律和參數(shù)的集中顯示與操作。由于生產(chǎn)規(guī)模的擴大和工藝過程的復(fù)雜，就要增加儀表，相應(yīng)的模擬儀表屏就要增大。 1.1 DCS 的概念、特點、體系結(jié)構(gòu)和功能計算機的集中DDC控制會導(dǎo)致危險集中。不難實現(xiàn)用一臺計算機去控制幾十個甚至上百個回路，但這樣必然會降低系統(tǒng)的安全運行性

4、能。集散型控制系統(tǒng)(DCS)吸收了模擬儀表和計算機集中控制的優(yōu)點，將多臺微機分散應(yīng)用于過程控制，全部信息經(jīng)由通信網(wǎng)絡(luò)由上級計算機監(jiān)控；通過CRT顯示裝置、通信總線、鍵盤和打印機等設(shè)備，又能高度集中地操作、顯示和報警。因此，DCS系統(tǒng)不僅具備極高的可靠性、多功能性，而且人-機聯(lián)系便利，能夠完成各類數(shù)據(jù)的采集與處理以及復(fù)雜高級控制。 1.1.1 DCS的組成及特點DCS系統(tǒng)通常由過程控制單元、過程接口單元、CRT顯示操作站、管理計算機以及高速數(shù)據(jù)通道等五個主要部分組成。如圖1.1所示。 1.1.1 DCS的組成及特點過程控制單元（PCU：Process Control Unit）又叫現(xiàn)場控制站。它

5、是DCS的核心部分，完成對生產(chǎn)過程進(jìn)行閉環(huán)控制，可控制數(shù)個至數(shù)十個回路，還可進(jìn)行順序、邏輯和批量控制。過程接口單元（PIU：Process Interface Unit）又叫數(shù)據(jù)采集站。它是為生產(chǎn)過程中的非控制變量設(shè)置的數(shù)據(jù)采集裝置，不但可完成數(shù)據(jù)的采集和預(yù)處理，還可以對實時數(shù)據(jù)作進(jìn)一步加工處理，供CRT操作站顯示和打印，實現(xiàn)開環(huán)監(jiān)視。操作站（OPS：Operating Station）是集散系統(tǒng)的人-機接口裝置。除監(jiān)視、操作、打印報表外，系統(tǒng)的組態(tài)、編程也在操作站上進(jìn)行。1.1.1 DCS的組成及特點 操作站設(shè)有操作員鍵盤和工程師鍵盤。操作員鍵盤供操作人員用，可調(diào)出有關(guān)畫面，進(jìn)行有關(guān)操作，如

6、：修改某個回路的給定值；改變某個回路的運行狀態(tài)；對某回路進(jìn)行手工操作、確認(rèn)報警和打印報表等。 工程師鍵盤則主要供技術(shù)人員組態(tài)用，所有的監(jiān)控點、控制回路、各種畫面、報警清單和工藝報警表等均由技術(shù)人員通過工程師鍵盤進(jìn)行組態(tài)輸入。 操作站一般配有硬盤等存儲器；早期系統(tǒng)除硬盤外，還配有磁帶存儲器。硬盤主要存儲操作站的組態(tài)軟件、系統(tǒng)組態(tài)軟件、趨勢記錄、過程數(shù)據(jù)和報表等。1.1.1 DCS的組成及特點數(shù)據(jù)高速通道(DH：Data Hiway)又叫高速通信總線、大道和公路等?？傊且环N具有高速通信能力的信息傳輸總線，一般由雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維構(gòu)成。它將過程控制單元、操作站和上位機等連成一個完整的系統(tǒng)

7、，以一定的速率在各單元之間傳輸信息。 1.1.1 DCS的組成及特點管理計算機（Manager Computer）管理計算機是集散系統(tǒng)的主機，習(xí)慣上稱它為上位機。它綜合監(jiān)視系統(tǒng)的各單元，管理系統(tǒng)的所有信息，具有進(jìn)行大型復(fù)雜運算的能力以及多輸入、多輸出控制功能，以實現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)控制和全廠的優(yōu)化管理。 1.1.1 DCS的組成及特點 與常規(guī)模擬儀表相比，運用分散控制和集中顯示、操作及管理這一基本思想構(gòu)成的DCS系統(tǒng)，具有如下特點：完善的控制功能： 集散系統(tǒng)可以完成連續(xù)、離散、順序、邏輯和批量的控制功能；完成從單回路、串級、前饋-反饋復(fù)合到非線性、自適應(yīng)、多變量解耦、多變量模型優(yōu)化、多參數(shù)預(yù)估和模糊

8、等高級控制；可以執(zhí)行常規(guī)PID運算，也可以執(zhí)行Smith預(yù)估等各種高級控制運算。 1.1.1 DCS的組成及特點豐富的監(jiān)控功能：操作人員通過CRT和操作鍵盤可以監(jiān)視生產(chǎn)裝置以及整個車間情況，將系統(tǒng)總貌、分組和單元數(shù)據(jù)及時恰當(dāng)?shù)爻尸F(xiàn)出來，實現(xiàn)全系統(tǒng)的統(tǒng)一操作。技術(shù)人員可按預(yù)定的控制策略組態(tài)不同控制回路，并調(diào)整回路的任一參數(shù)或設(shè)置工作方式，而且還可對生產(chǎn)現(xiàn)場的機電設(shè)備進(jìn)行各種控制，從而實現(xiàn)真正的集中操作和監(jiān)控管理。1.1.1 DCS的組成及特點靈活的擴展功能： 集散控制系統(tǒng)采用的是模塊結(jié)構(gòu)，用戶可根據(jù)要求方便地擴大或縮小系統(tǒng)規(guī)模，或改變系統(tǒng)的控制級別。系統(tǒng)采用組態(tài)方法構(gòu)成各種控制回路，很容易對控制

9、方案進(jìn)行修改。也可通過系列選型或系統(tǒng)生成，構(gòu)成各類系統(tǒng)。因擴展靈活，故有利于進(jìn)行分批投資，分批受益。1.1.1 DCS的組成及特點極高的可靠性： 由于采用了多臺微處理機分散控制結(jié)構(gòu)，故危險分散。系統(tǒng)中關(guān)鍵設(shè)備采用雙重或多重冗余，系統(tǒng)還設(shè)有完善的自診斷功能，使系統(tǒng)的平均無故障時間MTBF大大提高。故障出現(xiàn)時可自動報警，許多系統(tǒng)可以提供遠(yuǎn)方技術(shù)中心服務(wù)，使平均修復(fù)時間MTTR大為縮短。1.1.1 DCS的組成及特點簡便的安裝調(diào)試： 集散系統(tǒng)的各單元都安裝在標(biāo)準(zhǔn)機框內(nèi)，模件之間采用多芯電纜、標(biāo)準(zhǔn)化插件相連；與過程連接時采用規(guī)格化端子板，到中控室操作站只需敷設(shè)同軸電纜進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，所以布線量大大減少，

10、安裝工作較常規(guī)儀表大大減少。系統(tǒng)采用專用軟件進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試時間較常規(guī)儀表大大縮短。1.1.1 DCS的組成及特點良好的性能價格比： 在性能上集散系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn)，功能齊全，可靠性高，適用于多級遞階管理控制。在價格方面，據(jù)測算，對于80個控制回路的生產(chǎn)過程，采用集散控制系統(tǒng)的投資已與采用常規(guī)模擬儀表的投資相當(dāng)。而且系統(tǒng)規(guī)模越大，平均每個回路的投資費用越低。 1.1.2 DCS的分層體系 層次化是集散型控制系統(tǒng)的典型體系特征，它所體現(xiàn)的是集中操作管理、分散控制的思想。從生產(chǎn)管理角度出發(fā)，DCS大致可分為過程控制級、控制管理級、生產(chǎn)管理級和經(jīng)營管理級。其結(jié)構(gòu)模式見圖1.2。圖1.2 集散型控制系統(tǒng)四層結(jié)

11、構(gòu)模式 1.1.2 DCS的分層體系DCS各級的功能如下： 1.過程控制級 過程控制級主要是現(xiàn)場控制站、數(shù)據(jù)采集站和過程管理計算機等，是直接與生產(chǎn)過程相連的一級計算機系統(tǒng)，是集散控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。過程控制級一方面與各類現(xiàn)場設(shè)備例如變送器、執(zhí)行器相連，以實現(xiàn)對這些裝置的監(jiān)測與控制；另一方面向上與第二層計算機相連，接收上層的管理信息，向上傳遞裝置的實時數(shù)據(jù)。1.1.2 DCS的分層體系2.控制管理級 控制管理級主要有監(jiān)控計算機、操作站和工程師站等，主要是實施生產(chǎn)過程的優(yōu)化控制，根據(jù)產(chǎn)品原材料庫以及能源的使用情況，以優(yōu)化準(zhǔn)則來協(xié)調(diào)裝置間的相互關(guān)系。另外，通過獲取直接控制層的實時數(shù)據(jù)，進(jìn)行生產(chǎn)過程的監(jiān)視

12、、故障檢測和數(shù)據(jù)存檔管理。 1.1.2 DCS的分層體系3.生產(chǎn)管理級 生產(chǎn)管理級又稱產(chǎn)品管理級。這一級采用管理用計算機，主要是規(guī)劃產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和規(guī)模。根據(jù)用戶訂貨情況、庫存情況和能源情況來修訂生產(chǎn)計劃和改變產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。有了產(chǎn)品重新組織和柔性制造的功能，就可應(yīng)付由于用戶訂貨變化所造成的各種損失。此外，對工廠生產(chǎn)和產(chǎn)品的監(jiān)視，以及產(chǎn)品報告也都在這一級實現(xiàn)。1.1.2 DCS的分層體系4.經(jīng)營管理級 這一級管理用計算機叫中央計算機，是工廠自動化系統(tǒng)的最高一層。它管理的范圍除了工程技術(shù)方面之外，還應(yīng)包括經(jīng)濟、商業(yè)事物、人事組織以及其它方面的功能。把這些功能都集成到軟件系統(tǒng)中，并與經(jīng)理部、市場部、計劃部以

13、及人事部等辦公自動化系統(tǒng)相連接，運用優(yōu)化策略來實現(xiàn)整個制造系統(tǒng)的最優(yōu)化。經(jīng)營管理級的功能是市場用戶分析、訂貨，以及銷售統(tǒng)計、銷售計劃、產(chǎn)品制造協(xié)調(diào)、合同事宜、期限監(jiān)測和財政報告等。 1.1.2 DCS的分層體系對于某一具體應(yīng)用的集散系統(tǒng)，并非都有四層功能體系。中小規(guī)模的控制系統(tǒng)只有一、二層，少數(shù)使用到第三層；在大規(guī)模的控制系統(tǒng)中才應(yīng)用到四層模式。 1.1.3 DCS的基本功能集散型控制系統(tǒng)內(nèi)含豐富的功能，以下是必備的基本功能： 1.輸入數(shù)據(jù)處理功能 對模擬量來說，一般要進(jìn)行采樣、增益最佳化、A/D轉(zhuǎn)換、規(guī)格化、合理性檢查、零偏校正、熱電偶冷端補償、線性化處理、超限判斷、工程量變換、數(shù)字濾波、溫

14、度和壓力校正、開方處理及上、下限報警等處理，對脈沖序列進(jìn)行瞬時值變換及累積計算。 數(shù)據(jù)的采樣速率： 按系統(tǒng)不同的需要，組態(tài)選擇不同的掃描采樣頻率。流量、壓力、液位、溫度與成分的采樣頻率 F 的經(jīng)驗數(shù)據(jù)分別是1/51Hz、1/101/3Hz、1/81/5Hz和1/201/15Hz。1.1.3 DCS的基本功能 增益最佳化： 模擬量信號在A/D轉(zhuǎn)換之前要進(jìn)行前置放大，以使被轉(zhuǎn)換量落在A/D轉(zhuǎn)換線性范圍之內(nèi)（通常在50%-100%滿度范圍內(nèi)），以便提高通道的相對測量精度。因此要選擇合適的量程，增益最佳化即能自動挑選最佳增益。 模擬量信號的規(guī)格化： 模擬量信號的規(guī)格化是指15V的模擬信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電

15、路變成規(guī)格化的數(shù)字量。 合理性檢查： 如果A/D變換超出限定時間或接到指令后根本未進(jìn)行變換，則“A/D卡故障”置位；如果是A/D超量程或欠量程（小于下限值），則該數(shù)將進(jìn)一步處理，并給出讀數(shù)不合理標(biāo)志。1.1.3 DCS的基本功能 零偏校正： 由溫度、電源等環(huán)境因素變化引起的放大器零點漂移，可通過軟件進(jìn)行校正。通常是把輸入短路時采集的放大器零漂碼取平均值存入內(nèi)存，然后在當(dāng)前測量結(jié)果中扣除此零漂值。這種方法常用于零漂不超過通道模擬輸出動態(tài)范圍1/10的場合。零漂嚴(yán)重時可能使系統(tǒng)發(fā)生飽和，因此在零偏校正時常設(shè)定一漂移限值，超過該碼，則狀態(tài)字中“零偏超出故障”置位，并發(fā)出報警。 工程量變換： 當(dāng)上位機

16、或操作站需顯示或打印時，還應(yīng)將規(guī)格化的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成工程量單位值。1.1.3 DCS的基本功能 超限判斷： 當(dāng)參數(shù)超限時，一般均需進(jìn)行報警。通常分為絕對值報警、偏差報警、速度報警以及累計值報警。 熱電偶冷端補償： 對于安裝在現(xiàn)場多路切換箱中的熱電偶，其冷端溫度自動補償是通過一支專用的冷端溫度檢測熱電偶來消除外線路影響。 非線性校正： 對于溫度與熱電勢mV數(shù)值或熱電阻數(shù)值間的非線性關(guān)系，可通過折線近似或曲線擬合的方法加以校正。采用曲線擬合法時，多采用高次方程。 開方處理：對于平方特性的數(shù)據(jù)（例如節(jié)流式流量計的差壓信號與流量成平方關(guān)系）需進(jìn)行開方處理，才能使信號與流量成線性關(guān)系。這實際是非線性補償?shù)囊?/p>

17、種特例。 1.1.3 DCS的基本功能熱電偶開路檢查： 測點在被切入之前，用一小電流流過模擬信號線，多路切換電路和變換器。假如通過外電路的壓降超過正常值，就表明熱電偶已經(jīng)開路。數(shù)字濾波： 數(shù)字濾波就是為克服隨機干擾引入的誤差而進(jìn)行的數(shù)據(jù)平滑處理。常用的數(shù)字濾波算法有程序判斷法、中位值法、算術(shù)平均濾波法、遞推平均濾波法、加權(quán)平均濾波法、一階慣性濾波法和復(fù)合濾波法等。溫度、壓力校正： 當(dāng)用孔板測量氣體或蒸汽流量時，因測得的差壓值偏離孔板設(shè)計時的標(biāo)準(zhǔn)溫度、標(biāo)準(zhǔn)壓力，計算將有誤差，因此需要將此值校正到標(biāo)準(zhǔn)條件下的差壓。 1.1.3 DCS的基本功能2.輸出處理 集散系統(tǒng)的輸出一般分模擬量輸出和開關(guān)量輸

18、出。模擬量輸出時，CPU算出的數(shù)字結(jié)果經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換成模擬電壓或420mA電流信號送端子板輸出。在輸出信號需限幅時可做限幅處理，即在D/A轉(zhuǎn)換之前，數(shù)據(jù)先與限幅信號作比較，正常時將輸出送D/A，反之將限幅值送D/A。 在開關(guān)量輸出時，由主機電路送出數(shù)字信號，經(jīng)驅(qū)動電路進(jìn)行功率放大，去控制現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)。通過組態(tài)，數(shù)字輸出可有三種不同形式： 瞬時輸出式：信號一消失，觸點就斷開。 延時輸出式：信號消失，延時一段時間后觸點才斷開。 鎖定輸出式：觸點閉合后，待下次信號來時才斷開。 1.1.3 DCS的基本功能 即使是模擬輸出信號，也是以數(shù)字信號形式給出，再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后才形成的。正確的數(shù)據(jù)輸出后，外部干擾有可能使輸出裝置得到錯誤的數(shù)據(jù)。這種錯誤的輸出結(jié)果有時會造成重大惡果，必須采取得力措施進(jìn)行補救。對輸出產(chǎn)生干擾的主要因素有： 輸出裝置與CPU的距離。距離越遠(yuǎn)，連線就越長，受干擾的機會就越多。 輸出設(shè)備的慣性（響應(yīng)速度）。慣性小的輸出設(shè)備（如通信口、顯示設(shè)備等