DCS系统培训

DCS系统入门培训浙江中控技术股份有限公司周学美目录过程控制基本原理DCS系统简介DCS系统操作及维护PID原理及整定DCS系统简介什么是DCS？现代化工厂的控制室-1现代工厂控制室集散控制系统（DistributedControlSystem）：以微处理器为基础，对生产过程进行集中监视、操作、管理和控制，简称DCS系统实现管理、操作和显示集中，功能、负荷和危险分散由PLC发展而来，1975年Honeywell公司推出了第一套DCS系统TDC2000DCS概念…………………………………………现场控制级过程控制级通讯系统操作站DCS组成现场控制如何实现?现场控制如何实现？DCS现场调节现场显示中央控制室中进行变量显示、计算以及操纵阀门电缆，可能有几百米长现场控制如何实现？Input(AnologInput、DigitalInput)Output(AnologOutput、DigitalOutput)控制器处理：线性转换、限幅、滤波、小信号切除等现场仪表：4-20mA、0-5V、Pt100、TC(mV)、开关量信号…I/O卡件：A/D转换I/O卡件：D/A转换现场调节阀、电池阀、电机等：4-20mA、DO….传感器、变送器控制器执行器DCS输入信号热电阻；热电偶；0～10mA、4～20mA电流；0～5V、1~5V电压；开关量（数字量）输入；即现场干触点或电平信号；其他信号；DCS输出信号开关量（数字量）输出；即对外提供触点，DCS通过触点的通断控制现场设备。4～20mA输出；过程控制基本原理DCS控制简单实例加热炉温度控制系统温度变送器控制器气动调节阀TC进料出料燃料TTmTspRfu方框图控制器Gc(s)执行器Gv(s)控制通道Gp(s)测量变送Gm(s)设定值ysp偏差e+_控制变量u操纵变量q被控变量y测量值ym扰动D干扰通道GD(s)++被控对象负反馈Gc(s)：控制器；Gv(s)：调节阀；Gm(s)：测量变送Gp(s)：控制通道；Gd(s)：干扰通道几个术语被控变量操作变量被控对象PV:ProcessValue/PresentValue，实时测量值SV:SetPoint(SP)/SetPointValue，目标值/设定值MV:ManipulatedValue，操作输出值TC进料出料燃料TTmTspRfu目标目标通过调节燃料流量（操纵变量），使进料温度（被控变量）保持在其设定值；安全性：确保生产过程中人身及设备安全，保护或减少生产过程对环境的影响；稳定性：确保产品质量及产品的长期稳定，抑制外部的干扰；经济性：实现效益最大化及成本最小化。过程控制系统的分类反馈控制系统-----反馈控制系统是根据系统被控量与给定位的偏差进行工作的，最后达到消除或减小偏差的目的，偏差值是控制的依据。又称闭环控制系统。是过程控制系统中最基本的一种；前馈控制系统-----直接根据扰动量的大小进行工作的，扰动是控制的依据。不构成闭合回路，故也称为开环控制系统。由于前馈控制是一种开环控制，无法检查控制的效果，所以在实际生产过程中是不能单独应用的；前馈-反馈控制系统(复合控制系统)主要优点：能针对主要扰动迅速及时克服对被控量的影响。反馈控制的主要优点：克服其他扰动，使系统在稳态时能准确地使被控量控制在给定值上。构成的前馈—反馈控制系统可以提高控制质量。最常用一般不单独使用特殊情况使用前馈与反馈几个概念正作用/反作用：当被控变量的测量值增大时，控制器的输出也增大，则该控制器为“正作用”；否则，当测量值增大时，控制器输出反而减少，则该控制器为“反作用”。气开阀/气关阀：根据故障安全来确定，故障开为气关阀(4-20mA对应0%-100%)，故障关为气开阀（4-20mA对应100%-0%）根据控制阀的“气开气关”的选择原则，应选“气开阀”（+），假设温度控制器为正作用（+），即Tm↑→u↑；则TC进料出料燃料TTmTspRfu调节阀的气开气关？结论：该控制器的作用方向不能为正作用，而应为反作用（-）.如何构成负反馈温度控制器(?)Tspe(t)+-Tm(t)++温度测量变送(+)燃料控制阀(+)T(t)u(t)Rf(t)加热炉控制通道(+)D(t)回路判别法的要点：（1）反馈回路中负增益环节（包括比较器）数为奇数；（2）对控制器而言，“正作用”是指Tm↑→u↑。TC进料出料燃料TTmTspRfuPID概念及整定几个含义u(t)：控制器输出e(t)：控制器输入与设定值偏差Kc：比例增益P：比例度，1/KcTi：积分时间Td：微分时间（一）PID控制原理水箱液位的自动控制LChhspQiQo测量器：液位计+人眼控制器：大脑执行机构：手+手动阀测量器：差压变送器控制器：电动调节器执行机构：自动调节阀流程图和控制结构框图LChhspQiQo液位控制器设定值hsp偏差e(t)+_测量值hm(t)干扰通道++液位传感测量变送器出水控制阀被控变量h(t)控制信号u(t)操纵变量Qo(t)控制通道扰动Qi(t)液体贮罐从人工控制到自动控制若液位计提供了信息：(1)当前液位比期望设定值低50cm(2)液位还在继续走低“人”如何调节阀门？需要关小出口阀，但还需考虑：(1)关多少？(2)持续多少时间？(3)关闭速度为多少？(4)…从人工控制到自动控制操作人员：通过长期实践，积累阀门调节的经验自动控制专家：将这些经验转化为数学语言，让计算机（DCS主控卡）代替人脑调节阀门。——通过编程，使计算机具有了一定的智能PID的角色PID（比例、积分、微分）定量地解决了：(1)关多少？(2)持续多少时间？(3)关闭速度为多少？(4)…PID控制器P：Propotional,比例控制器I：Intergral,积分控制器D：Derivative,微分控制器是负反馈控制系统的一种算法，将设定值和测量值的偏差做为输入，通过PID算法，计算出输出值PID控制器比例控制器0)()(uteKtuc%100*1cK()CCGsK比例增益比例度比例增益对控制性能的影响比例作用：弱-强调节速度：超调量：余差：稳定性：慢-快小-大大-小好-差纯比例作用下，会有余差！比例积分控制器)11()(sTKsGicc00)1(uedtTeKutic积分时间积分作用（I）积分作用：弱-强与比例共同作用，消除余差稳定性：好-差比例积分微分控制器微分时间Td对系统性能的影响微分作用的增强（即Td增大），从理论上讲使系统的超前作用增强，稳定性得到加强；微分作用主要适合于一阶滞后较大的对象，如温度、成份等。)11()(sTsTKsGdicc001)(udtdeTedteKudtTci微分作用（D）原理：根据将来趋势调节提高稳定性，使比例和积分强度可以增加，提高控制性能。虽然理论上很完美，但受搞频噪声影响严重，实际中除了惯性大的对象（温度）以外，用得较少控制器增益Kc或比例度PB增益增大(即Kc增大或比例度PB下降)，调节作用增强，但稳定性下降；积分时间Ti积分作用增强（即Ti下降），使系统消除余差的能力加强，但控制系统的稳定性下降；微分时间Td微分作用增强（即Td增大），可使系统的超前作用增强，稳定性得到加强，主要适合于特性滞后较大的广义对象，如温度对象等。PID对控制性能影响比例积分微分主要功能消除扰动消除余差改进控制性能指标比例度P积分时间Ti微分时间Td强度关系P越大，比例越弱Ti越大，积分越弱Td越大，微分越强被控对象特性分类流量：一般响应速度较快，宜用PI压力：响应速度既有快的，也有慢的，PI液位：一般精度要求不高，可用P温度：典型的慢对象，控制精度要求高，建议采用PIDPID整定方法经验法临界比例度法响应曲线法PID整定方法1-经验法针对被控变量类型的不同，选择不同的PID参数初始值，投运后再作调整。尽管简单，但即使对于同一类型的被控变量，如温度系统，其控制通道的动态特性差别可能很大，因而经验法属最为“粗糙”的整定法。温度T:P=20～60%,T=180～600s,D=3～180s。压力P:P=30～70%,T=24～180s。液位L:P=20～80%,T=60～300s。流量F:P=40～100%,T=6～60s。PID整定方法2-临界比例度法1、先切除PID控制器中的积分与微分作用（即将积分时间设为无穷大，微分时间取为0），并令比例度P为一个较大值，并投入闭环运行；2、将设定值作小幅度的阶跃变化，观察测量值的响应变化情况；3、逐步减小P的取值，对于每个P值重复步骤2中的过程，直至产生等幅振荡；4、设等幅振荡的振荡周期为Pu、产生等幅振荡的控制器增益为Kcmax。TC进料出料燃料TTmTspRfuPID整定方法2-临界比例度法PID整定方法2-临界比例度法根据等幅振荡曲线得到的振荡周期Pu和产生等幅振荡的控制器增益Kcmax，对所选择的控制规律查表得到控制器参数。控制规律KcmaxTiTdP0.5KcmaxPI0.45Kcmax0.83PuPID0.6Kcmax0.5Pu0.12PuPID整定方法2-临界比例度法临界比例度法的局限性：生产过程有时不允许出现等幅振荡，或者无法产生正常操作范围内的等幅振荡。响应曲线法PID参数整定步骤：(1)将回路切换至手动状态（开环），保持MV在一个固定值保持不变，等待PV值稳定。（前提是工况允许）(2)改变MV值，然后保持不变，即产生一个阶跃信号，等待PV值稳定。------在控制理论中，此时PV的变化曲线就是一个阶跃响应。(3)朝MV相反方向做同样的阶跃测试。PID整定方法3-响应曲线法TC进料出料燃料TTmTspRfuPID整定方法3-响应曲线法PV变量的单位阶跃响应（沿着拐点作切线）增益时间常数纯滞后时间PID整定方法3-响应曲线法PID整定方法3-响应曲线法注：给出了PID参数的参考初始值，一般需要根据控制效果进行细调响应曲线法例子求Kp：ΔMV=70-50=20(%)ΔPV=(525-375)/1000=15(%)Kp=ΔPV/ΔMV=0.75求τ和Tp：τ=3sTp=6sPV量程上下限：0～1000kPa4045505560657075800501002570s%404550556065707580300400500600skPaPVMV响应曲线法例子标准式下的PI参数：比例：P=100×Kp×τ/(0.9×Tp)=41.67(%)积分：Ti=3.3τ=9.9(s)0102030405060380400420440460480500520540skPa根据实际曲线的细调在现场调节中，根据相应曲线，对PID参数进行细调P=33.33%，Ti=10s（参考值）PID参数调节例（1）P=16.7%，Ti=80s积分强度不够，比例过强PID参数调节例（2）P=33.33%，Ti=30s积分强度不够PID参数调节例（3）P=100%，Ti=20s积分强度不够，比例太弱PID参数调节例（4）积分或比例太强，看具体MV的变化PID参数调节例（4）P=25%，Ti=4.5sMV变化与PV基本同步，比例太强PID参数调节例（4）P=333.3%，Ti=0.6sMV变化滞后于PV变化，积分太强PID参数调节例（5）积分足够，比例太弱P=166.7%，Ti=5sPID参数调节例（6）增加微分作用抵消比例、积分增强的不利影响，改善控制性能P=14.3%，Ti=40sPID参数调节例（6）P=14.3%，Ti=40s,Td=7.5sPID并非万能影响控制性能的因素：测量仪表精度、速度调节阀精度、速度控制器的数据处理精度被控对象、扰动的特性PID参数。。。多角度分析，查找主因位置式输出VS增量式输出位置式输出当前计算得到的增量dMV加到前一次输出的计算值之上，作为当前的MV输出。存在积分饱和问题,不利于手自动切换，对工艺影响较大。增量式输出当前计算得到的增量dMV加到前一次输出的反馈值之上，作为当前