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海南逸盛石化有限公司仪电部叶理弟2020/2/61DCS集散型控制系统介绍内容一、DCS概念和作用二、DCS控制系统的历史和发展三、DCS系统的基本结构四、常见过程控制回路方案介绍五、ESD介绍2020/2/63一、DCS的概念DCS即集散型控制系统，又称分布式控制系统（DistributedControlSystem）。它的主要基础是4C技术，即计算机－Computer、控制－Control、通信－Communication和CRT显示技术。DCS系统通过某种通信网络将分布在工业现场附近的现场控制站和控制中心的操作员站及工程师站等连接起来，以完成对现场生产设备的分散控制和集中操作管理。DCS自1975年问世以来已经历了近三十年的时间，其可靠性、实用性不断提高，功能日益增强。如控制器的处理能力、网络通讯能力、控制算法、画面显示及综合管理能力等。DCS系统过去只应用在少数大型企业的控制系统中，但随着4C技术及软件技术的迅猛发展，到目前已经在电力、石油、化工、制药、冶金、建材等众多行业得到了广泛的应用，特别是电力、石化这样的行业。DCS的作用提升产品品质改善劳动条件节能降耗控制环境污染提高企业管理水平提高生产效率2020/2/65下图以一个水位信号调节的例子简单地说明DCS的应用过程：DCS的概念2020/2/6系统概述及硬件产品6过程对象数据转换、控制运算、传送数据和诊断结果到上层网络控制指令输出单元输入信号采集单元人机界面监视/控制操作DCS系统现场过程对象主控单元IO输出模块IO输入模块操作员站以太网连接DCS系统现场现场总线连接仪表/变送器阀门/执行机构阀门/执行机构仪表/变送器我们可以把上述过程引申如下：DCS的概念2020/2/67逸盛大化PTA装置中央控制室2020/2/68逸盛大化PTA装置DCS机柜室2020/2/6系统概述及硬件产品9DCS控制器2020/2/6DCS工程师站10海南逸盛石化控制室布置图2020/2/612二、DCS控制系统的历史和发展第一代（初创期）：1975-1980年。典型结构：由5大部分组成：数据采集器、过程控制器、监控计算机、CRT操作站和高速数据公路。代表产品：Honeywell的TDC2000，Bailey的Network90。第二代（成熟期-功能）：1980-1985年。典型结构：过程控制单元、工作站和高速数据公路。代表产品：Honeywell的TDC3000。第三代DCS（扩展期-管控一体化）：1985-年。典型结构：经营管理级、生产管理级、控制管理级、过程控制级代表产品：Foxboro的I/A，Bailey的INFI90。第四代DCS（扩展期-网络，现场总线）：1990-年。典型结构：过程控制单元、工作站和高速数据公路。代表产品：Honeywell的TPS。目前，一套使用户满意的DCS系统应该具备以下特点：系统具备开放的体系结构，可以提供多层的开放数据接口；系统应具备强大的处理功能，并提供方便的组态复杂控制系统的能力与用户自主开发专用高级控制算法的支持能力；系统应支持多种现场总线标准以便适应未来的扩充需要；系统应高可靠、维修方便、工艺先进、价格合理1、自动控制技术的发展机械仪表时代气动仪表时代1、自动控制技术的发展(续)电动仪表时代1、自动控制技术的发展(续)计算机控制时代2、计算机控制系统的发展•计算机集中控制DDC(DirectDigitalControl)•计算机监督控制SCC(SupervisoryComputerControl)•计算机分级控制DCS(DistributedControlSystem)•计算机网络式控制系统FCS(FieldbusControlSystem)DDC计算机集中控制系统4-20mAAIAODIDOComputerProject变送器执行器检测元件执行元件SCC计算机监督控制系统模拟调节器模拟调节器DCS计算机分级控制系统DCS控制系统的特点2020/2/620A：DCS的基本特点：集中管理，分散控制B：与模拟仪表相比较的特点：连接方便，容易更改，显示方式灵活，内容多样，数据存储量大。C:与DDC比较：具有操作监督方便，危险分散，功能分散等优点结构上又是递阶分级的FCS现场总线控制系统什么是现场总线•定义：现场总线（Fieldbus）是用于现场仪表与控制系统之间的一种全分散、全数字化、智能、双向互联、多变量、多点、多站的通信网络系统。现场总线控制系统FCS（FieldbusControlSystem）是基于现场总线技术的新一代控制系统。•特点：具有可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、通信速率快，系统安全，造价低廉，维护成本低等特点。2020/2/622现场总线设备的连接方式控制系统现场总线与4-20mA系统的区别？–现场总线设备在总线上并联连接，所有设备通过总线接收、发送数字信号–现场总线设备可以向网络上其它设备提供任意多信息–总线具有循环冗余检错的(CRC)功能，可以保证接收设备获得正确数据–多节点现场总线无需点对点的布线4-20mAP.S.现场总线P.S.减少连线和安装传统的4-20mA连线每台设备需要一个安全栅和一对连线现场总线连线多台设备共用一个安全栅和一根总线控制器控制系统网络现场总线4-20mA输入/输出子系统I.S.I.S.I.S.I.S.控制器控制系统网络现场总线带来的好处1提高控制功能的分散性传统型现场总线型有些控制和I/O功能可以转移到现场仪表。控制器控制系统网络现场总线4-20mA输入/输出子系统PIDPIDAIAIAOAO控制器控制系统网络现场总线带来的好处2增加信息的交互量传统4-20mA单变量单向现场总线多变量双向控制器控制系统网络现场总线输入/输出子系统控制器控制系统网络现场总线带来的好处3扩大了操作视野传统4-20mA只能看到I/O子系统现场总线视野可以扩展到现场仪表控制器控制系统网络现场总线远程输入/输出子系统控制器控制系统网络现场总线带来的好处4三、DCS系统的基本结构e)经营管理级：完成公司级经营管理功能。实现管控一体化。d)生产管理级：完成厂级生产管理功能，并向上连接构成企业网。c)过程管理级：工程师工作站、操作员工作站；b)过程控制级：完成数据采集和实时监测和控制功能；a)现场级：检测仪表，执行器，现场操作台；经营管理级生产管理级过程管理级过程控制级现场级典型DCS架构图30过程管理级过程控制级现场级操作站工程师站a)现场级311、采集过程数据，对数据进行转换2、输出过程操纵命令3、进行直接数字控制4、完成与过程控制级的数据通信5、对现场控制级的设备进行检测与诊断b)过程控制级321、采集过程数据，进行数据转换与处理2、数据的监视与存储3、实施连续、批量、逻辑或顺序控制的运算和输出控制作用4、数据和设备的自诊断5、数据通信c)过程管理级331、数据显示和记录2、过程操作（含组态操作和维护操作）3、数据存储和压缩归档4、报警、事件的诊断和处理5、系统组态、维护和优化处理6、数据通信7、报表打印和画面硬拷贝2020/2/634控制系统组成单回路反馈控制系统由四个基本环节组成，即被控对象（简称对象）、测量变送装置、控制器和执行器组成（如下图）。自动控制系统的组成四、过程控制回路方案2020/2/635下面结合右图精馏塔压控制系统的例子来说明控制系统应用的几个术语：被控对象或过程：也称调节对象，系要求实现自动控制的设备或生产过程，如右图中的精馏塔就是控制对象。被控参数：在控制对象中要求按预定规律变化的物理量，即被控制的物理量，也称被调参数。如右图中的精馏塔压力。控制量：也称调节量，是调节器输出，它通过执行器改变进出被控对象的物料量或能量，从而对被控对象实现控制。精馏塔压力控制系统扰动（干扰）：在控制系统中，除控制量以外引起被控参数变化的所有作用因素都可以称为干扰。设定值：与被控参数工艺规定值相对应的信号值，也称控制目标值，是控制系统的输入变量。偏差值：设定值与被控参数测量值之差。2020/2/636控制系统过渡过程控制系统过渡过程品质指标一个合格、稳定的控制系统当受到外界干扰或设定值发生变化时，被控变量应该是一条衰减的曲线。右图表示了一个控制系统受到外界干扰后的响应曲线，对此曲线，用过渡过程的品质指标来衡量控制系统的好坏。１、衰减比它表征系统受到干扰后被控变量衰减程度的指标，其值为前两个相邻波峰这比，即图中的Ｂ１／Ｂ２，一般希望它能在４：１到１０：１之间。２、余差它是指控制系统受到干扰后，过渡过程终了时被控变量的残余偏差。即图中的Ｃ。Ｃ值也就是被控变量在扰动后的稳态值与给定值之差。３、最大偏差它表示被控变量偏离给定值的最大程度。对于一个衰减的过程，最大偏差就是第一个波的峰值。即图中的Ａ值。４、过渡过程时间它表示从干扰产生时刻起，直到被控变量又建立起稳态为止的这一段时间。５、振荡周期被控变量相邻两个波峰之间的时间叫振荡周期。2020/2/637简单控制系统的设计原则被控变量的选择方法一：选择能直接反映生产过程中产品产量和质量又易于测量的参数作为被控变量，称为直接参数法。例如温度、压力、液位、流量反映等生产工艺状态的参数。方法二：选择那些能间接反映产品产量和质量又与直接参数有单值对应关系、易于测量的参数作为被控变量，称为间接参数法。例如组分（某物质含量）、转化率等。2020/2/638简单控制系统的设计原则被控变量的选择原则1.选择对产品的产量和质量、安全生产、经济运行和环境保护具有决定性作用的、可直接测量的工艺参数为被控变量。2.当不能用直接参数作为被控变量时，可选择一个与直接参数有单值函数关系并满足如下条件的间接参数为被控变量。⑴满足工艺的合理性⑵具有尽可能大的灵敏度且线形好⑶测量变送装置的滞后小。2020/2/639简单控制系统的设计原则操纵变量的选择被控变量（输出量）扰动变量（输入量）操纵变量（输入量）从诸多影响被控变量的输入参数中选择一个对被控变量影响显著而且可控性良好的输入参数2020/2/640简单控制系统的设计原则对象静态特性对控制质量的影响设：控制通道放大倍数为ＫＯ扰动通道放大倍数为ＫfＫＯ的大小表征了操纵变量对被控变量的影响程度Ｋf的大小表征了扰动对被控变量的影响程度小结：选择操纵变量构成控制系统时，从静态角度考虑，在工艺合理性的前提下，扰动通道的放大倍数Ｋf越小越好，控制通道放大倍数ＫＯ希望适当大些，以使控制通道灵敏些。2020/2/641简单控制系统的设计原则对象动态特性对控制质量的影响（一）设:扰动通道时间常数为Ｔf，纯滞后为τf对扰动通道特性的影响ft0yft0(1)(2)Tf1Tf2Ｔfτf2020/2/642简单控制系统的设计原则对象动态特性对控制质量的影响（二）设：控制通道的时间常数为Ｔo，纯滞后时间为τo时间常数ＴO小，反映灵敏，控制及时，有利于克服干扰的影响时间常数ＴO过大，造成控制作用迟缓，使被控变量的超调量加大，过渡时间增长纯滞后时间τ0使操纵变量对被控变量的作用推迟了一段时间，由于控制作用的推迟，不但使被控变量的超调量加大，还使过渡过程振荡加剧，过渡时间增长，控制质量变坏。2020/2/643简单控制系统的设计原则操纵变量的选择原则⑴要构成的控制系统，其控制通道特性应具有足够大的放大系数、比较小的时间常数及尽可能小的纯滞后时间。⑵系统主要扰动通道特性应该具有尽可能大的时间常数和尽可能小的放大系数。⑶考虑工艺上的合理性。如生产负荷直接关系到产品的质量，就不宜选为操纵变量。2020/2/644调节器的正反作用2020/2/645调节器控制规律PID控制的原理和特点在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用P