DCS高级培训讲义及案例精讲文档格式.docx

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目的是使危险分散，提高设备的利用率。

集散控制系统实质:

利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制。

通常DCS系统又称为集散控制系统。

第二节DCS架构

一、概述

DCS系统是一个复杂的结构，涉及的领域和范围很广，但总的说来，是由硬件和软件两大部分组成。

两者之间是相辅相成的，缺一不可的。

1、集散控制系统的构成方式

集散控制系统按功能分层可以分为现场控制级、过程装置控制级、车间操作管理级、全厂优化和调度管理。

2、集散控制系统基本构成

集散控制系统按系统结构则由三大部分组成，即过程控制装置、集中操作和管理系统和通信系统。

过程装置由多回路控制器、单回路、多功能、可编程序逻辑控制等组成。

下面我们主要讲解集散控制系统的系统结构。

二、传统DCS系统的硬件结构

DCS的结构是一个分布式系统。

它采用标准化、模块化和系统化设计，从整体逻辑结构上看：

是一个以通信网络为纽带的集中显示、操作、管理，过程控制相对分散，具有配置灵活、组态便捷的多级计算机控制系统。

如图所示：

一般DCS系统的硬件结构示意图

硬件结构主要可分为三大部分。

（伴随数据采集站和上位监控计算机的加入，硬件结构又加入两部分被分为五大部分，但本质上说：

DCS系统硬件结构还是分为三大部分为准确）

1、过程控制站（ProcessControlStation）

过程控制站在不同DCS中名称不同，如bailey系统为PCU、FOXBRO称为CP（过程控制CONTROLPROCESS），honeywell称为PM（PROCESSMANAGER）等。

过程控制级是由控制站和相关的电源系统（AC）组成，还包括隔离防爆系统等。

控制站是直接与现场的传感器、变送器、执行器相连，完成过程参数的直接采集和控制，接收和提供与操作站通讯准备。

过程控制站一般由模块化卡件构成，它们又可分为过程控制器、通信模件、公共部件卡和I/O卡件几大部分。

1）、公共部件卡：

是指构成一套DCS系统都必需有的电源部件卡（指AC/DC转换、保护等）、公共端子、接地系统等，对过程控制站提供优良的电源品质和保护功能。

2）、控制器是DCS的核心部件，它相当于一台PC机。

有的DCS的控制器本身就是PC机。

它主要有CPU、RAM、E2PROM和ROM等芯片，还有两个接口，一个向下接收I/O总线来的信号，另一个接口是向上把信号送到网络上与人机界面相连。

ROM用来存贮完成各种运算功能的控制算法（有的DCS称为功能块库）。

在库中存功能块，如控制算法PID、带死区PID，积分分离PID，算术运算加、减、乘、除、平方、开方、函数运算一次滤波、正弦、余弦、X-Y函数发生器、超前-滞后；

比较先进的算法有史密斯预估，C语言接口、矩阵加、矩阵乘；

逻辑运算有逻辑与、逻辑或、逻辑非、逻辑与非等。

控制器在内嵌操作系统的协调下，它收集和处理来自I/O卡件的实时数据，利用控制算法，并按仪表工程师预先设计和整定的控制方案实现过程控制和管理。

为了系统安全运行，闭环控制器一定是冗余运行的，一用一备，并且是热备。

为了使冗余成功，应注意以下几点：

两个控制器的硬件、软件版本必需一致；

检查发送-接收的芯片是否完好；

冗余的芯片是否完好。

两个模件的设定是否一样、还要检查有没有带手操站等。

3）、通讯模件是通信网络的接口，负责接收来自其它控制站或操作站的操作信息和操作指令，同时也传送自身控制站发出的控制信息。

4）、I/O卡件卡：

是DCS系统与现场过程参数连接的接口，负责进行A/D、D/A转换，并具有自诊断功能。

转换包括模拟量输入输出、数字量输入输出、热电欧/热电组输入、脉冲量输入输出等。

特征：

1、能适应恶劣的工业生产过程环境；

2、分散过程控制；

3、实时性；

4、独立性。

2、操作站（CRT）和工程师站：

操作站（CRT）和工程师站由一个CRT、一个操作键盘/鼠标、一台控制计算机组成。

但多数DCS系统操作站是由两台以上的操作站相互冗余配置。

工程师站一般只有一台。

操作站（ProcessOperatorStation或者Operatorstation），又叫操作员站、操作站、WP等。

工程师站（engineerstation），主要用于对控制器进行组态。

把不同功能的模块按控制要求进行连接并下载给控制器。

操作站（CRT）和工程师站都可以进行操作、监测和管理过程控制。

它集中显示工艺过程流程画面、过程动态数据，并通过颜色变化反应工艺参数的状态，同时通过操作站或工程师进行过程参数的操作。

工程师站和操作站在硬件上并无更多区别（指现在的DCS系统），大多情况下直接用操作站来替代工程师站。

操作站和工程师站的功能，操作站具有过程显示和操作、现场数据的收集和恢复显示、数据通信、系统诊断、系统配置和组态、仿真调试等功能。

操作站具有过程显示和操作通常有：

总貌和流程画面显示、状态显示、操作组显示、趋势实时/历史显示、报警/报表显示等。

作为工程师站和操作站具有多种组态功能，包括数据库生成、历史纪录/趋势/报表/报警组创建、流程画面生成、操作组生成、控制系统回路组态、逻辑组态、硬件定义等组态。

特点：

1、显示过程和数据；

2、操作方便、简捷；

3、存储、显示数据量大；

4、报警和故障诊断处理。

3、DCS通信系统

DCS通信系统它是实现DCS集中管理和分散控制的关键，是整个DCS系统的信息传输纽带，是一种高性能的工业控制局部网络。

它实现了DCS系统中操作站（工程师站）、控制站等设备间信息、命令和数据的传输和发送以及DCS系统与外界系统的交互。

∙Baileyn.城壁，外栅；

城堡外庭consolen.控制台；

操纵台plantloop厂环infinet英飞科技

DCS通信系统具有如下特点：

1）、速实时响应能力

一般办工自动化网络响应时间是几秒钟，DCS系统工业控制局部网络响应时间是0.01~0.5秒钟（现在大多能达到50毫秒）。

2）、可靠性

DCS系统工业控制局部网络采用1:

1冗余配置。

3）、境适应性

采用信号调制技术、光电隔离技术等，能有效抗击工业环境中各种干扰。

适应恶劣的工业现场环境工况。

4）、放系统互连可操作性

现有的DCS系统不同厂家大多采用了开放系统互连标准。

4、数据采集站

数据采集站与控制站具有同一构成级，它将现场过程采集，打包、自由竞争、点对点等方式传通过数据传输公路传输给上位计算机，数据采集站是上位计算机与现场的接口。

5、上位监控计算机

上位监控计算机，它是DCS系统的主计算机（工厂调度管理计算机），它综合监视管理全工厂各DCS系统的信息。

一般都能进行大型的、复杂的计算和一些优化控制。

具有多输入/输出控制功能，实现管控一体化。

三、现场总线DCS结构

四、DCS系统的软件

DCS系统的软件由实时多任务操作系统、数据库管理系统、数据通信软件、组态软件和各种应用软件组成。

实时多任务操作系统、数据库管理系统、数据通信软件一般被统称为系统软件，组态软件和各种应用软件（仿真软件）一般被统称为过程控制软件。

固化于控制器内的微操作系统也属于DCS软件范畴。

1、DCS系统软件：

DCS操作系统主要是UNIX和WINDOWS系统。

在2000年以前主要是UNIX以及UNIX的改造版本，也有自主开发的操作系统。

2000年以后越来越多的DCS都转向WINDOWS系统，以适应WINDOWS用户。

目前也有人在尝试用LINIUX系统。

2、DCS应用软件

DCS应用软件分为组态软件和操作软件，应用软件由DCS厂商提供的，应用软件是具有支持开发、生成、测试、运行、诊断和程序维护（编辑修改）功能的工具软件。

1）、组态软件

组态软件分为控制器组态软件和操作画面生成软件。

控制器组态软件必定由DCS厂商提供，由仪表工程师根据工艺要求或实际需要，在DCS厂商提供的控制站功能模块中选取一定模块进行组合，以实现或达到控制要求的目的。

如回路调节、顺序控制、逻辑控制。

同时对连接好的组态进行查错、编译、下载。

并且能监视控制器运行状态，能在一定范围内控制控制器特定功能。

操作画面生成软件一般由DCS厂家提供，主要用于工艺流程画面、操作组画面、趋势画面、调节器画面、总貌画面等的绘制，并在画面上作动态链接。

同时也进行编译和查错处理。

2）、操作软件

操作软件是操作员在实际操作中应用的软件，软件在运行时进行必要的数据库生成、历史纪录、图形生成、报表生成,操作站的选择、控制站的配置、电源的选择（内部/外部供电方式）、相关卡件地址、通讯速率设置、冗余配置状况等。

主要用于运行已经用画面生成软件绘制好的工艺图，显示动态数据、总貌图、调节器、报表、趋势、报警信息显示等功能。

总的说来，目前的操作系统平台呈现多无化，DCS控制器组态软件一般由厂家提供。

随着OPC规范化，画面生成软件和操作监控软件已经可以由第三方软件取代，这是第四DCS开放系统的必然趋势。

具有OPC服务器功能的软件很多，如：

Intuch、IFIX等。

思考题：

1、DCS系统硬件结构主要可分为哪三大部分？

（过程控制站、操作站和工程师站、DCS通讯系统）各部分的主要功能是什么？

通讯系统主要作用是实现DCS操作站、控制站之间信息、数据和命令的传输和发送，以及DCS与外界系统的交互

2、举例三种DCS系统控制站的I/O类型

3、DCS软件由那几种组成？

DCS系统软件和DCS应用软件（组态软件和操作软件）

第三讲DCS系统软件组态

集散控制系统是具有可组态性的。

它与集散控制系统本身所具有的组态语言、高级控制算法，采用共享数据库的性能，系统程序、应用程序和运算速度等有关。

同时与组态人员有关系。

一、组态

组态（CONFIGURATION）是用集散控制系统所提供的功能模块或算法组成所需的系统结构，完成所需的功能。

操作显示组态则是用集散控制系统提供的组态编辑软件组成所需的各种显示画面。

集散控制系统的组态包括系统组态、画面组态和控制组态。

系统组态完成系统的各个设备间的连接。

画面组态完成各种画面的绘制、画面间的连接和数据动态连接。

控制组态完成各控制器、过程控制装置的控制结构连接、参数设置等。

1、功能模块或算法

1）、功能模块或算法是控制系统结构中的基本单元。

不同的集散系统有不同的名称。

包括功能模块（functionmodel）、控制算法（controlalgorithum）、内部仪表（internalinstrunment）、程序元素（programelement）。

功能模块由结构参数、设置参数、可调参数构成。

结构参数包括功能参数和连接参数。

设置参数包括系统设置参数和用户设置参数。

可调参数分为工程师可调和操作员可调参数。

功能模块的输入方法有

（1）、功能表格或功能图；

（2）、编制程序法；

（3）两种同时使用。

2）、功能模块先进性

集散控制系统功能模块的先进与否，反应自动化水平。

除常规PID算法外，目前有智能PID、Smith预估算法、自适应算法等。

在控制器中盲目使用过多或不必要的算法会影响控制的运算速度和负荷。

3）、功能模块的完善性

功能的控制算法包含常规控制、顺序控制、批量控制等所具有的功能。

如PID控制就有手自动切换、跟踪、远程设定等。

功能模块种类按功能分为输入与输出类、控制算法类、运算类、信号性器类、转换类、信号选择及状态显示类。

2、显示画面

过程显示画面是操作站的显示屏显示的画面。

包括系统画面、过程画面等。

系统画面用于系统维护，通常由系统结构、通信网络、各硬件组成设备运行状态等信息组成。

过程操作画面包括用户过程画面、概貌画面、仪表面板画面等。

过程画面组态应考虑如下方面：

1）、标准化

采用国标规定的颜色、图形格式、管理样式等。

2）、协调性

设置比例协调，设备位置适当。

尺寸和颜色分配、数据显示刷新速率等内容协调。

3）、操作灵活性

如安排快捷键等。

4）、直观性

如用棒图显示液位、物位等。

用颜色变化显示电机启停等。

二、组态语言

集散控制系统为了为用户接受和方便使用，通常采用功能块语言、面向过程语言和高级语言组态。

1、功能块语言

功能块内包含了众多算法，通过修改参数来适应组态需要。

它对组态人员要求低，基本上只需填写连接参数。

但是所需内存较多，加大控制器负荷。

应保证CPU负荷在总负荷的60－80%。

2、向过程语言（problemorientedlanguage）

面向过程语言是制造厂家在集散控制系统软件中设计了一系列问题，用户根据生产过程的要求，对这些问题进行回答，并完成组态工作的语言。

由于用户需要完成较多组态工作，并且随控制方案的复杂程度增加而增大。

填表式语言属于面向过程语言。

3、高级语言

主要用于集散控制系统提供的组态语言不能实施某些功能的场合。

如bailey与S5间的数据通信，用VC语言编写。

有BASIC、FORTRAN、PASCAL、C语言等。

1、过程画面组态需要考虑那三个方面？

标准化、协调行。

操作灵活行。

直观性

2、模块按功能可以分为几类？

功能模块、控制算法、内部仪表、程序元素

第四讲　常用的控制方案复杂控制系统

定义:

所谓复杂控制系统，是相对于简单而言，即凡是多参数，具有两个以上变送器、两个以上调节器或两个以上调节阀组成多回路的自动控制系统。

一、串级控制系统

所谓串级调节系统是指一个自动调节系统由两个串联调节器通过两个测量元件构成两个调节回路，并且一个调节的输出作为另一调节的给定。

1、串级控制系统的应用场合

1）、用于克服变化剧烈的和幅值大的干扰——设计时把变化剧烈和幅值大的干扰包含在副回路中，并把副控制器的增益整定得比较大，就会使扰动在影响主被控变量之前由副控制器予以校正，从而把干扰对主被控变量的影响减小到最低的程度。

2）、用于时滞较大的对象——可在离控制阀较近、时滞较小的地方，选择一个辅助参数作为副参数，构成一个副回路。

当扰动作用于副回路时，在它通过时滞较大的主对象去影响主参数之前，有副回路实现对主要扰动的控制，从而克服时滞的影响。

副回路时滞小，控制及时，可以大大减小扰动对主参数的影响。

3）、用于容量滞后较大的对象——在工业生产中，许多以温度或质量参数作为被控变量的控制对象，其容量滞后往往比较大。

可选择一个滞后较小的辅助参数组成副回路，使等效副对象的时间常数减小，以提高系统的工作频率，加快响应速度。

缩短控制稳定时间，从而获得较好的控制质量。

4）、用于克服对象的非线性——一般工业对象的静特性都有一定的非线形。

当负荷比较稳定时，可使用简单控制系统。

但当负荷变化较大且频繁时，可将具有较大非线性的部分对象包括在副回路中，构成串级控制系统。

2、基本原理和结构

3、特点

串从总体角度来看，它实际上是一个定值_调节系统，最终目的是保护主参数的恒定

1）、对进入副回路的扰动具有较快、较强的克服能力

2）、可以改善主调节器的广义对象的特性，提高工作频率

3）、可以消除调节阀等非线性特性的影响，更精确地控制操纵变量

4）、具有一定的自适应能力，实现更灵活的控制方式

4、串级控制系统调节器作用方向的判别

对于副调节器作用方向的判别方法与简单控制系统相同，对于主调节器，先判定副调节器的正反作用，将其作为主环的一个环节，其符号参与主调节器作用方向的判定，然后对主环中的各环节符号的乘积进行检查，主调节器作用的选择要使主环中各环节符号乘积为正。

方框图

包括：

主参数，副参数，主对象，副对象，主调节器，副调节器，主变送器，副变送器，主回路，副回路。

5、主、副调节器的参数整定方法

串级控制系统的参数整定——即通过改变主、副控制器的参数，来改善控制系统的静、动态特性，以求得最佳的控制过程。

1）、串级控制系统从主回路看是一个定值控制系统，因而其控制质量指标和简单定值控制系统相似。

从副回路看，它是一个随动系统，一般来说，对它的控制质量要求不高，只要能准确、快速地跟随主控制器的输出而变化就行了。

2）、常用的工程整定方法：

1）逐步逼近法

2）两步整定法

3）一步整定法

两步整定法:

“先副后主”

先整定副调节器参数，后整定主调节器参数：

即先将副环投入自动后再投主回路。

①稳定工况，主、副调节器都在纯比例作用下运行，将主调节器的比例度固定在100%上，逐渐减小副调节器的比例度，求取副回路在4：

1或10：

1的衰减过渡过程的比例度δ2S和操作周期T2s

②在副调节器比例度等于δ2S的条件下，逐渐减小主调节器的比例度，直至也得到4：

1的衰减比下过渡曲线，记下此时主调节器的比例度δ1S和操作周期T1s

③按衰减曲线法算表算出主、副调节器的比例度、积分时间和微分时间

④按“先副后主”、“先比例后积分再加微分”的规律，将计算出的调节器参数加到调节器上

⑤观察被控变量的过程曲线，适当调整，直到获得满意的过渡过程

一步整定法:

将主调节器直接投运，投运时要求和简单控制系统相同，每一步操作为无扰动切换。

副调节器的参数按经验直接放置，主调节器的参数按单回路控制系统进行整定

①在生产正常、系统为纯比例运行的条件下，按照经验数值，把副调节器的比例度调到某一适当数值上

②利用简单控制系统的任一种参数整定方法，整定主调节器的参数

③如果出现“共振”现象，可加大主调节器或减小副调节器的整定参数值，一般即能消除

5、投运

原则:

先“副”后“主”

①主、副调节器都放在手动位置，主调节器采用内给定方式，副调节器采用外给定方式。

先用副调节器手动控制

②把主调节器的手动输出调整为合适的数值。

当工况比较平稳后，把副调节器切入自动

③通过主调节器的手动遥控，当测量值接近给定值并比较平稳后，把主调节器切入自动

二、均匀调节系统

1、均匀控制的概念

是指两个工艺参数在规定范围内能缓慢地、均匀地变化，其目的是为了使前后设备在物料供求上相互_兼顾、均匀协调。

均匀并不是平均照顾，是根据两个工艺参数各自的重要性确定兼顾主次。

均匀控制是在连续生产过程中各种设备前后紧密联系的情况下提出来的一种特殊的液位（或气压）—流量控制。

其目的在于使液位保持在一个允许的变化范围，而流量保持平稳。

均匀控制系统是指控制方案所起的作用而言，从结构上看，它可以是简单控制系统，可以是串级控制系统，也可以是其它控制系统。

因此，所谓均匀控制系统，是指两个工艺参数在规定范围内能缓慢地、均匀地变化，使前后设备在物料供求上相互兼顾，均匀协调的系统。

均匀控制系统的特点

（1）、表征前后供求矛盾的两个参数都应该是变化的，且变化是缓慢的。

这种变化应是局限在一定范围内的。

（2）、前后相互联系又相互矛盾的两个参数应保持在所允许的范围波动。

3、基本原理和结构

1）、仍采用液位调节器，但比例度放得大一些，如引入积分作用，则积分时间整定得长一些。

此时液位虽会漂移，然而变动不会太剧烈，同时，调节器输出的变化也很和缓，阀位变化不多，这时如无阀前阀后压力的扰动，流量的波动也相当小。

这样就实现了均匀控制的要求。

2）、当有其他扰动因素影响流量时，可组成一个流量副回路，而采用液位对流量串级控制的方式。

当液位调节器比例度较大，积分时间较长时，两个被控变量都比较平稳。

3）、把液位和流量两个信号之差（或之和）作为被控变量，并取一个合适的数值作为给定值，结构上仍是简单控制系统

综上所述，均匀控制是兼顾两个被控变量。

若扰动因素平稳，液位接近给定值，流量也保持平稳。

在扰动出现后，这两个被控变量都会变化，但比较和缓。

4、调节器参数整定

1）、理论计算法

2）、经验整定法

3）、停留时间法

液位调节器的参数设置是决定均匀控制系统过渡过程的关键因素。

若采用串级控制系统结构，作为副调节器的流量调节器可按照一般串级控制系统的整定方法同样处理。

若采用经验方法，液位调节器的比例度应先放得大些，如150%～200%，有必要则适当减小。

在采用单纯比例作用时，若调节阀装在出口管线，应使偏差在上下限值时通过阀门的流量超出进料流量的上下限，以保证容器内的液体不会溢出或枯竭。

如调节阀装在进口管线，也有类似要求。

适当引入积分作用，可使液位（方案1和2）最终达到给定值。

积分时间应当长一些。

下列的经验数据可供参考。

液位调节器的比例度δ和积分时间Ti都是按停留时间tc确定的。

式中：

Q是正常工况下的体积流量，V是容器的有效容积（指相应于液位变送器测量范围的容积）

三、比值调节系统

所谓比值调节系统，是指用来实现两个变量为一定比例关系的调节系统。

其中一个处于主导地位，称为主动物料，另外一随主参数变化而变化，称为副参数或从动量。

1、开环比值调节系统

2、单闭环比值调节系统

3、双闭环比例调节系统

4、变比值调节系统

四、前馈调节系统

定义：

实际上是一种按扰动进行调节的开环控制系统。

其特点是当扰动产生后，被控变量还未显示出变化以前，根据扰动大小进行调节，以补偿扰动作用对被控变量的影响。

前馈控制是按扰动而控制的。

常用的前馈控制系统：

1）单纯的前馈控制系统

2）前馈与反馈控制相结合的系统，前馈控制作用与反馈控制作用相乘

3）前馈与反馈控制相结合的系统，前馈控制作用与反馈控制作用相加（代数和）

五、选择性系统

控制系统根据需要，预先设计两种或丙种以上不同的控制方案，以适应特殊情况。

当某种控制条件变化时自动或手动切换到另一种控制方案，这样的控制系统称为选择控制系统或超弛控制系统，也有人称为取代系统。

这种控制系统扩大了自动化应用范围，使生产更加安全。

1、选择执行机构。

2、分程控制。

3、测量信号选择。

可以选择最高或最低甚至平均值等。

4、选取可靠值。

5、按预先规定的原则（调节方案）。

六、顺序控制

1、定义：

顺序控制是按照预先规定（设计）的顺序（逻辑关系），逐步对各阶段进行信息处理的控制方法，且每个阶段的执行必需满足一定条件。

顺序控制以逻辑关系为前提，运算过程以逻辑运算为主，输出信息也是二进制的开、关或者通断等逻辑值。

因此顺序控制又称为逻辑控制。

顺序控制系统分为时