DCS集散控制系統(tǒng)

會(huì)計(jì)學(xué)1DCS集散控制系統(tǒng)第1頁/共59頁第2頁/共59頁第3頁/共59頁DCS系統(tǒng)

DCS即分布式控制系統(tǒng)（集散控制系統(tǒng)），指控制分散、風(fēng)險(xiǎn)分散、操作顯示集中、采用分布式結(jié)構(gòu)的智能網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。它是由計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、測量控制技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)相互發(fā)展?jié)B透而產(chǎn)生的，既不同于分散的儀表控制系統(tǒng)，又不同于集中式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，它是吸收了兩者的優(yōu)點(diǎn)，在它們的基礎(chǔ)上又發(fā)展起來的一門系統(tǒng)工程技術(shù)，具有顯著的優(yōu)越性。第4頁/共59頁DCS系統(tǒng)在工廠中的應(yīng)用舉例第5頁/共59頁術(shù)語定義APC－先進(jìn)過程控制

CCS－壓縮機(jī)控制系統(tǒng)CCTV－現(xiàn)場攝像監(jiān)視系統(tǒng)DCS－集散控制系統(tǒng)DLP/MPDP－大屏幕監(jiān)視系統(tǒng)EWS－DCS工程師站FAS－火災(zāi)報(bào)警監(jiān)視系統(tǒng)

FRR－本項(xiàng)目的現(xiàn)場機(jī)柜間GDS－可燃、有毒氣體報(bào)警系統(tǒng)I/O－過程輸入/輸出LCR－本項(xiàng)目現(xiàn)場控制室MMS－機(jī)組監(jiān)視系統(tǒng)OPS－DCS操作員站PAS－在線分析儀系統(tǒng)PLC－可編程序控制系統(tǒng)SAT－現(xiàn)場驗(yàn)收SIL/AK－安全度等級(jí)CCR－中央控制室FRR－現(xiàn)場機(jī)柜間LCR－現(xiàn)場機(jī)柜間SIS－安全儀表系統(tǒng)GDS－可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測的監(jiān)控系統(tǒng)GPS－時(shí)鐘同步系統(tǒng)OTS－動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)第6頁/共59頁自控術(shù)語定義聯(lián)鎖：某一參數(shù)達(dá)到規(guī)定值或某一設(shè)備啟、停或開、關(guān)時(shí)，聯(lián)動(dòng)或閉鎖對(duì)另一設(shè)備的控制。FO：故障狀態(tài)打開的閥門（氣關(guān)閥）FC：故障狀態(tài)關(guān)閉的閥門（氣開閥）調(diào)節(jié)器正反作用：當(dāng)給定值不變，被控變量測量值增加時(shí)，控制器的輸出也增加，稱為“正方向”；或者當(dāng)測量值不變，給定值減小時(shí)。控制器的輸出增加稱為“正方向”。反之稱為“反方向”。第7頁/共59頁自控術(shù)語定義AI：

模擬量輸入analoginputAO：

模擬量輸出analogoutputDI：

數(shù)字（開關(guān)）量輸入digitinputDO：數(shù)字（開關(guān)）量輸出digitoutput兩線制三線制四線制：兩線制是指現(xiàn)場變送器與控制室儀表聯(lián)系僅用兩根導(dǎo)線，這兩根線既是電源線，又是信號(hào)線。四線制是指現(xiàn)場變送器與控制室儀表聯(lián)系有兩根電源線和兩根信號(hào)線，三線制是指一根電源線一根信號(hào)線一根共用線。第8頁/共59頁自控術(shù)語定義有源：信號(hào)源本身可以輸出信號(hào)，不需要負(fù)載電源，可直接驅(qū)動(dòng)阻性負(fù)載，例如，四線制的儀表，兩線為電源線，兩線為信號(hào)線，信號(hào)回路不能再接電源。信號(hào)回路需要接電源，否則信號(hào)源將無信號(hào)輸出，例如，兩線制變送器，需要在信號(hào)回路中接入電源。無源：信號(hào)回路需要接電源，否則信號(hào)源將無信號(hào)輸出，例如，兩線制變送器，需要在信號(hào)回路中接入電源。（針對(duì)模擬量）第9頁/共59頁自控術(shù)語定義干接點(diǎn)和濕接點(diǎn)干接點(diǎn)：針對(duì)開關(guān)量在工業(yè)控制領(lǐng)域中，是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的名詞。繼電器的干觸點(diǎn)，表示觸點(diǎn)回路的供電由外部電路供應(yīng)，繼電器僅僅提供一個(gè)“結(jié)點(diǎn)（接點(diǎn)）”接通一下電路而已，“其他一概不管”；而濕觸點(diǎn)則與干觸點(diǎn)相對(duì)應(yīng)：除了提供接通回路的觸點(diǎn)之外，還提供觸點(diǎn)回路上所需要的電流。第10頁/共59頁DCS在大美煤炭深加工項(xiàng)目中的應(yīng)用甲醇制烯烴（I/O點(diǎn)4919個(gè)）聚乙烯（I/O點(diǎn)1637個(gè)）聚丙烯（I/O點(diǎn)3037個(gè)）公用工程（I/O點(diǎn)2824個(gè)）第11頁/共59頁中央控制室DCS在大美尾氣綜合利用項(xiàng)目中的應(yīng)用甲醇制烯烴現(xiàn)場控制室聚乙烯現(xiàn)場控制室聚丙烯現(xiàn)場控制室回用水現(xiàn)場控制室烯烴循環(huán)水現(xiàn)場控制室空分現(xiàn)場控制室鍋爐裝置現(xiàn)場控制室罐區(qū)現(xiàn)場控制室第12頁/共59頁系統(tǒng)構(gòu)成例第13頁/共59頁工程師站操作員站交換機(jī)控制器I/O卡件現(xiàn)場儀表DCS控制系統(tǒng)簡圖第14頁/共59頁DCS特點(diǎn)介紹DCS是分布式控制系統(tǒng)(DistributedControlSystem)的簡稱，國內(nèi)一般習(xí)慣稱為集散控制系統(tǒng)。它是一個(gè)由過程控制級(jí)和過程監(jiān)控級(jí)組成的以通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶的多級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，綜合了計(jì)算機(jī)Computer)、通訊(Communication)、顯示(CRT)和控制(Control)等4C技術(shù)，其基本思想是分散控制、集中操作、分級(jí)管理、配置靈活、組態(tài)方便，DCS特點(diǎn)如下。第15頁/共59頁高可靠性

由于DCS將系統(tǒng)控制功能分散在各臺(tái)計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用容錯(cuò)設(shè)計(jì)，因此某一臺(tái)計(jì)算機(jī)出現(xiàn)的故障不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)其它功能的喪失。此外，由于系統(tǒng)中各臺(tái)計(jì)算機(jī)所承擔(dān)的任務(wù)比較單一，可以針對(duì)需要實(shí)現(xiàn)的功能采用具有特定結(jié)構(gòu)和軟件的專用計(jì)算機(jī)，從而使系統(tǒng)中每臺(tái)計(jì)算機(jī)的可靠性也得到提高。第16頁/共59頁開放性

DCS采用開放式、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和系列化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)中各臺(tái)計(jì)算機(jī)采用局域網(wǎng)方式通信，實(shí)現(xiàn)信息傳輸，當(dāng)需要改變或擴(kuò)充系統(tǒng)功能時(shí)，可將新增計(jì)算機(jī)方便地連入系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)或從網(wǎng)絡(luò)中卸下，幾乎不影響系統(tǒng)其他計(jì)算機(jī)的工作。第17頁/共59頁靈活性通過組態(tài)軟件根據(jù)不同的流程應(yīng)用對(duì)象進(jìn)行軟硬件組態(tài)，即確定測量與控制信號(hào)及相互間連接關(guān)系、從控制算法庫選擇適用的控制規(guī)律以及從圖形庫調(diào)用基本圖形組成所需的各種監(jiān)控和報(bào)警畫面，從而方便地構(gòu)成所需的控制系統(tǒng)。第18頁/共59頁易于維護(hù)

功能單一的小型或微型專用計(jì)算機(jī)，具有維護(hù)簡單、方便的特點(diǎn)，當(dāng)某一局部或某個(gè)計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，可以在不影響整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的情況下在線更換，迅速排除故障。第19頁/共59頁協(xié)調(diào)性

各工作站之間通過通信網(wǎng)絡(luò)傳送各種數(shù)據(jù)，整個(gè)系統(tǒng)信息共享，協(xié)調(diào)工作，以完成控制系統(tǒng)的總體功能和優(yōu)化處理。第20頁/共59頁控制功能齊全控制算法豐富，集連續(xù)控制、順序控制和批處理控制于一體，可實(shí)現(xiàn)串級(jí)、前饋、解耦、自適應(yīng)和預(yù)測控制等先進(jìn)控制，并可方便地加入所需的特殊控制算法。DCS的構(gòu)成方式十分靈活，可由專用的管理計(jì)算機(jī)站、操作員站、工程師站、記錄站、現(xiàn)場控制站和數(shù)據(jù)采集站等組成，也可由通用的服務(wù)器、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和可編程控制器構(gòu)成。處于底層的過程控制級(jí)一般由分散的現(xiàn)場控制站、數(shù)據(jù)采集站等就地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和控制，并通過數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)傳送到生產(chǎn)監(jiān)控級(jí)計(jì)算機(jī)。生產(chǎn)監(jiān)控級(jí)對(duì)來自過程控制級(jí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行集中操作管理，如各種優(yōu)化計(jì)算、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、故障診斷、顯示報(bào)警等。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，DCS可以按照需要與更高性能的計(jì)算機(jī)設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)連接來實(shí)現(xiàn)更高級(jí)的集中管理功能，如計(jì)劃調(diào)度、倉儲(chǔ)管理、能源管理等。第21頁/共59頁DCS內(nèi)部主要硬件介紹接線端子：接線端子就是用于實(shí)現(xiàn)電氣連接的一種配件產(chǎn)品，工業(yè)上劃分為連接器的范疇。第22頁/共59頁安全柵：安全柵（safetybarrier），接在本質(zhì)安全電路和非本質(zhì)安全電路之間。將供給本質(zhì)安全電路的電壓或電流限制在一定安全范圍內(nèi)的裝置。安全柵又稱安全限能器，是本安系統(tǒng)中的重要組成部分。安全柵主要有齊納式安全柵和隔離式安全柵兩大類。齊納式安全柵的核心元件為齊納二極管，限流電阻及快速熔斷絲。隔離式安全柵不但有限能的功能，還有隔離功能，它主要由回路限能單元，信號(hào)和電源隔離單元、信號(hào)處理單元組成。安全柵的主要功能為限流限壓，保證現(xiàn)場儀表可得到的能量在安全范圍內(nèi)。第23頁/共59頁繼電器：繼電器是一種電控制器件，是當(dāng)輸入量（激勵(lì)量）的變化達(dá)到規(guī)定要求時(shí)，在電氣輸出電路中使被控量發(fā)生預(yù)定的階躍變化的一種電器。它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路）之間的互動(dòng)關(guān)系。通常應(yīng)用于自動(dòng)化的控制電路中，它實(shí)際上是用小電流去控制大電流運(yùn)作的一種“自動(dòng)開關(guān)”。故在電路中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。第24頁/共59頁I/O卡件：第25頁/共59頁AI卡件：模擬量輸入卡件第26頁/共59頁AO卡件：模擬量輸出卡件

第27頁/共59頁DI卡件：開關(guān)量輸入卡件

DO卡件：開關(guān)量輸出卡件

第28頁/共59頁P(yáng)I卡件：脈沖輸入卡件

溫度卡件：溫度輸入卡件第29頁/共59頁控制器：第30頁/共59頁機(jī)柜：第31頁/共59頁工程師站系統(tǒng)維護(hù)系統(tǒng)生成測試第32頁/共59頁組態(tài)畫面第33頁/共59頁第34頁/共59頁第35頁/共59頁操作員站操作和監(jiān)視功能過程報(bào)告功能報(bào)警和信息輸出功能趨勢功能開放式數(shù)據(jù)接口功能第36頁/共59頁第37頁/共59頁第38頁/共59頁第39頁/共59頁第40頁/共59頁儀表控制面板工位標(biāo)記回路方式報(bào)警狀態(tài)操作標(biāo)記輸出點(diǎn)工位號(hào)工位注釋測量值設(shè)定值輸出值量程上限高高限高限設(shè)定點(diǎn)低限低低限量程下限第41頁/共59頁第42頁/共59頁方式選擇鑰匙功能鍵窗口調(diào)用鍵操作控制鍵數(shù)據(jù)鍵入鍵其它鍵操作員鍵盤防塵防水平面觸摸鍵，9針RS232接口或USB接口，可發(fā)出7種電子報(bào)警音響。第43頁/共59頁輔助操作臺(tái)通過硬接線來顯示和操作DCS或SIS系統(tǒng)。第44頁/共59頁中央控制室第45頁/共59頁DCS結(jié)構(gòu)從結(jié)構(gòu)上劃分，DCS包括過程級(jí)、操作級(jí)和管理級(jí)。過程級(jí)主要由過程控制站、I/O單元和現(xiàn)場儀表組成，是系統(tǒng)控制功能的主要實(shí)施部分。操作級(jí)包括：操作員站和工程師站，完成系統(tǒng)的操作和組態(tài)。管理級(jí)主要是指工廠管理信息系統(tǒng)（MES系統(tǒng)），作為DCS更高層次的應(yīng)用，目前國內(nèi)行業(yè)應(yīng)用到這一層的系統(tǒng)較少。DCS的控制程序：DCS的控制決策是由過程控制站完成的，所以控制程序是由過程控制站執(zhí)行的。過程控制站的組成：DCS的過程控制站是一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，主要由電源、CPU（中央處理器）、網(wǎng)絡(luò)接口和I/O組成I/O：控制系統(tǒng)需要建立信號(hào)的輸入和輸出通道，這就是I/O。DCS中的I/O一般是模塊化的，一個(gè)I/O模塊上有一個(gè)或多個(gè)I/O通道，用來連接傳感器和執(zhí)行器（調(diào)節(jié)閥）。I/O單元：通常，一個(gè)過程控制站是有幾個(gè)機(jī)架組成，每個(gè)機(jī)架可以擺放一定數(shù)量的模塊。CPU所在的機(jī)架被稱為CPU單元，同一個(gè)過程站中只能有一個(gè)CPU單元，其他只用來擺放I/O模塊的機(jī)架就是I/O單元。第46頁/共59頁HART協(xié)議

HART，可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道的開放通信協(xié)議，是美國ROSEMOUNT公司于1985年推出的一種用于現(xiàn)場智能儀表和控制室設(shè)備之間的通信協(xié)議。HART裝置提供具有相對(duì)低的帶寬，適度響應(yīng)時(shí)間的通信，經(jīng)過10多年的發(fā)展，HART技術(shù)在國外已經(jīng)十分成熟，并已成為全球智能儀表的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。第47頁/共59頁Modbus通訊協(xié)議

Modbus是由莫迪康（Modicon）（現(xiàn)為施耐德電氣公司的一個(gè)品牌）在1979年發(fā)明的，是全球第一個(gè)真正用于工業(yè)現(xiàn)場的總線協(xié)議。Modbus具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）標(biāo)準(zhǔn)、開放，用戶可以免費(fèi)、放心地使用Modbus協(xié)議，不需要交納許可證費(fèi)，也不會(huì)侵犯知識(shí)產(chǎn)權(quán)。目前，支持Modbus的廠家超過400家，支持Modbus的產(chǎn)品超過600種。（2）Modbus可以支持多種電氣接口，如RS-232、RS-485等，還可以在各種介質(zhì)上傳送，如雙絞線、光纖、無線等。（3）Modbus的幀格式簡單、緊湊，通俗易懂。用戶使用容易，廠商開發(fā)簡單。第48頁/共59頁P(yáng)ROFIBUS

PROFIBUS，是一種國際化．開放式．不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。PROFIBUS傳送速度可在9.6kbaud~12Mbaud范圍內(nèi)選擇且當(dāng)總線系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，所有連接到總線上的裝置應(yīng)該被設(shè)成相同的速度。廣泛適用于制造業(yè)自動(dòng)化、流程工業(yè)自動(dòng)化和樓宇、交通電力等其他領(lǐng)域自動(dòng)化。PROFIBUS是一種用于工廠自動(dòng)化車間級(jí)監(jiān)控和現(xiàn)場設(shè)備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場總線技術(shù)?？蓪?shí)現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備層到車間級(jí)監(jiān)控的分散式數(shù)字控制和現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)，從而為實(shí)現(xiàn)工廠綜合自動(dòng)化和現(xiàn)場設(shè)備智能化提供了可行的解決方案。第49頁/共59頁OPCOPC是一個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，管理這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)國際組織是OPC基金會(huì)，OPC基金會(huì)現(xiàn)有會(huì)員已超過220家。遍布全球，包括世界上所有主要的自動(dòng)化控制系統(tǒng)、儀器儀表及過程控制系統(tǒng)的公司?；谖④浀腛LE(現(xiàn)在的ActiveX)、COM（部件對(duì)象模型）和DCOM（分布式部件對(duì)象模型）技術(shù)。OPC包括一整套接口、屬性和方法的標(biāo)準(zhǔn)集，用于過程控制和制造業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)。第50頁/共59頁P(yáng)ID控制

當(dāng)今的自動(dòng)控制技術(shù)都是基于反饋的概念。反饋理論的要素包括三個(gè)部分：測量、比較和執(zhí)行。測量關(guān)心的變量，與期望值相比較，用這個(gè)偏差糾正調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的響應(yīng)。在過程控制中，按偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）進(jìn)行控制的PID控制器（亦稱PID調(diào)節(jié)器）是應(yīng)用最為廣泛的一種自動(dòng)控制器。它具有原理簡單，易于實(shí)現(xiàn)，適用面廣，控制參數(shù)相互獨(dú)立，參數(shù)的選定比較簡單等優(yōu)點(diǎn)；PID控制器是一種最優(yōu)控制。PID調(diào)節(jié)規(guī)律是連續(xù)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)校正的一種有效方法，它的參數(shù)整定方式簡便，結(jié)構(gòu)改變靈活（PI、PD、…）。第51頁/共59頁單回路控制：是指由一個(gè)測量元件、變送器、一個(gè)控制器、一個(gè)控制閥、一個(gè)被控對(duì)象所構(gòu)成的單閉環(huán)控制系統(tǒng)?；驁?zhí)行器或調(diào)節(jié)器或被控對(duì)象測量變送裝置常見的閉環(huán)控制回路：第52頁/共59頁串級(jí)控制：兩只調(diào)節(jié)器串聯(lián)起來工作，其中一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出作為另一個(gè)調(diào)節(jié)器的給定值的系統(tǒng)。第53頁/共59頁三沖量控制：三沖量控制系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上來說，是一個(gè)帶有前饋信號(hào)的串級(jí)控制系統(tǒng)。第54頁/共59頁分程控制：將控制器輸出信號(hào)全程分割成若干個(gè)信號(hào)段，每個(gè)信號(hào)段控制一個(gè)控制閥。第55頁/共59頁比值控制：實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或兩個(gè)以上參數(shù)符合一定比例關(guān)系的控制系統(tǒng)，稱為比值控制系統(tǒng)。