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什么是集散系统,集散系统 distributed control system，简称dcs 集散系统的含义是，利用微处理机或微型计算机技术对生产过程进行集中管理和分散控制的系统 技术基础 微型计算机 应用对象 生产过程 技术特点 集中操作、管理和分散控制,集散控制系统的定义,1995年国际标准化组织（iso）为dcs系统作了如下定义： dcs系统是一类满足大型工业生产和日益复杂的过程控制要求，从综合自动化角度出发，按功能分散、管理集中的原则构思，具有高可靠性指标，将微处理机技术、数字通讯技术、人机接口技术、i/o接口技术相结合，用于数据采集、过程控制和生产管理的综合控制系统。,dcs的产生,50年代前，过程控制主要使用气动仪表 50年代后期，出现电动单元组合仪表 一次表 留在现场的变送器和执行机构 二次表 集中在中控室的调节与显示表 60年代，开始使用直接数字控制（ddc），由一台过程控制计算机对数百个回路进行控制，在带来很多优点的同时，出现了“危险集中”。 70年代中期，出现集散系统。操作更方便，集中管理，功能分散、任务分散的同时，危险也分散,dcs发展历程（一）,1975年至1980年，初创期，代表产品有 honeywell tdc2000 横河电机 centum foxboro spectrum 技术特征： 带显示器的操作站与过程控制单元分离，实现了集中操作、分散控制 在硬件制造和软件设计上采用了冗余技术 引入了网络通信技术，以数据传输通道连接各组成部分，实现了系统内的资源共享,dcs发展历程（二）,1980年至1985年，成熟期，代表产品有 honeywell tdc3000（lcn） 横河电机 centum-a，-b，-d rosemount rs3 技术特征： 引入了局域网技术，通信范围扩大，数据传送速率大大提高，但各厂家网络通信机制各不相同。 主要采用16位cpu，控制功能增强。 操作站开始兼有简单的管理功能 采用上位机以完成一些复杂运算和较强的管理功能,dcs发展历程（三）,1985年以后，扩展期，代表产品有 foxboro i/a-s honeywell tdc3000x，tps 横河电机 centum-xl，-uxl，-cs fisher-rosemount delta-v 技术特征： 系统开始走向开放，不同制造厂的产品可以相互连接、相互通信和进行数据交换。 普遍采用32位cpu，控制功能更加强大，标准算法中开始包括自适应、自整定的复杂控制算法，先进控制技术与过程优化技术得到推广应用。 采用高分辨率显示器、触摸屏、鼠标器以及窗口技术，人机界面更加友好，操作更简单 ；,dcs发展历程（四）,全数字化、双向、串行的多站通讯网络 现场总线（fieldbus）控制系统 技术特征： 现场与中控室采用数字通信，取代420ma模拟信号通信，实现双向通通讯 数字通信信号传送误差小，传送精度高 。 开放性、互操作性/互换性增强 控制功能完全下放到现场，实现完全分散控制 硬件和软件尚待研究和开发。,dcs如何构成,dcs系统,硬件,软件,操作管理系统 、 过程控制站 、通信系统,诊断程序 应用程序 组态程序 标准画面 等,系统软件,用户软件,组态结果,运行数据 过程历史数据,操作管理系统,负责操作、管理的设备：操作站、上位机、通讯站、打印机等。 操作站（工程师站）是dcs的人-机接口，它有丰富的外设和友好的人-机界面。 操作站功能：操作员功能、工程师功能、通讯功能和高级语言编程功能等。 操作站组成：计算机主机、显示器、键盘（专用或pc标准键盘）、网卡、打印机等组成。第四代dcs操作站普遍采用pc机来取代专用的操作站，操作系统采用windows系统。 鼠标或触屏操作,过程控制站,控制站是dcs的核心部分，集多种计算机技术于一体的计算机，实现对过程的控制。 功能：常规控制（pid）、逻辑、顺控和批量控制及通讯功能。控制站通过采集现场信号和通过操作站发出的指令进行各种运算，并将计算结果送到现场进行控制。 组成：电源、cpu卡、通讯卡和各种信号输入/输出卡（即i/o卡）及其端子板、连接电缆等组成 。,通讯总线,作用：实现各个设备的数据交换，它将控制站、操作站等dcs的计算机设备连接成一个完整的系统 。 组成：局域网通信总线、控制通信总线、远程i/o总线等。 通信介质 ：同轴电缆（50欧姆 、75欧姆）、光纤或双绞线。 通信网络结构：总线型、环型、树型和星型 ，如honeywell和yokogawa的dcs采用总线型 。 通讯协议：ieee802通讯协议（ ieee802.2、ieee802.4） dcs以令牌传输方式按设备地址进行巡回通讯。,dcs的特点,dcs系统都是由操作管理系统、过程控制站、数据通信总线等构成。 dcs系统都采用分级递阶分布式结构，控制、危险分散，操作、管理集中。 集散系统的处理器、内部总线、电源、控制用输入/输出卡件等采用冗余配置，从根本上提高了系统长期连续运行的能力和抗故障能力。 系统的硬件和软件均具备自诊断功能和自修正功能。,dcs组态,由系统软件生成用户软件的过程叫做“组态” 在线组态:整个系统硬件已构建完成，操作站、控制站及各节点间的通讯都能正常工作。 离线组态：系统未构建好，在脱离系统的pc机上进行的组态。 dcs组态内容： 系统组织结构组态：整个项目有多少台操作站、控制站，及各站的地址，控制站有哪些卡件组成等等 控制策略组态：建点，建立点的连接 流程图绘制 数据库组态：历史组、控制组等,dcs的下装,下装（download)：组态工作完成后，将组态内容写进设备，以更新相应设备的内存数据，使组态内容起作用需执行下装操作。 在线下装:在处理器运行时进行的下装，用户软件的修改可在线下装。 离线下装：在处理器停止运行时才能进行的下装，项目初始下装、增减系统硬设备等需离线下装。,dcs报警功能（1）,系统报警：由于dcs本身的故障产生的报警，控制系统卡件故障、通讯错误等报警。不需组态，有标准的故障代码、故障提示符。 过程报警：工艺参数越限报警。如pv高、高高、低、低低报警、偏差报警、变化率等的报警。需专门定义。,dcs报警功能（2）,报警级别：low、high、emergency、jounal、noaction 报警死区:通过工程单位量程的百分数的调整使报警恢复正常，防止频繁的报警循环 。某温度点的测量范围是0200,它的pvhitp=150,超过150就报警。若pvaldb=1%,则正常值只有回到148才会消除报警。,dcs历史趋势,历史趋势：系统采集的过程点的历史数 据，用于故障的查找和分析判断，dcs系 统中多根据需要保存模拟量过程点的pv、 sp、op值。,dcs历史趋势（1）,honeywell历史趋势： 由工程师组态历史组（趋势组）后生成，保存于历史模件(hm)中。 honeywell历史组个数按单元在ncf组态时已分配好，如各历史组已用完，只有在hm容量充足的情况下，重新修改ncf组态。一个历史组20个点。 保存于hm中，根据hm容量、采集时间的长短保存的时间有限。 分类：（1）实时趋势：1分钟和2分钟趋势，（2）历史趋势：20分钟以上的数据一定是来自hm 。 5分钟、10分钟、20分钟该点的数据可以来自hm，也可以来自rt 当在线修改历史组时最好将hm的历史采集停止后在下装，否则可能引起hm出错甚至损坏。,dcs历史趋势（2）,cs3000 历史趋势： 保存于操作站硬盘，由工程师组态，操作员可调整趋势窗口中各趋势组的点的分配。 一台his最多可组态20个本地站趋势块，30个其它站趋势块，一个趋势块含16个组，一个组8个点。 类型：（1）趋势画面：根据设置的采集周期不同而时间长短不同，（2）长趋势：当操作站安装有长趋势软件包时，可组态长趋势，在设置的保存时间（月、年）内，按星期打包，可根据日期查看。,dcs控制组,honeywell控制组: (1)工程师组态控制组：保存于hm（honeywell)或操作站硬盘(cs3000)。 (2)操作员组态的临时控制组，在变更区域或重新启机后会消失。 （3）一个控制组有8个点参数。 cs3000控制组:可有工程师站组态后下装的操作站，也可在操作站进行组态定义，保存在操作站硬盘上。,dcs过程点,过程点是控制系统组态中的最小单元 ，其主要因素包括点位号id、参数、功能 点类型： 硬点:来自现场或送到现场去的有硬接线的点,包括: ai(模拟量输入点)、ao（模拟量输出点）、di（开关量输入点）、do（开关量输出点）、pi(脉冲量输入点）等 软点：在dcs中连接输入/输出以实现某种控制功能的中间点,包括:rpv（常规pv处理点）、rc（常规控制点）、dc（数字组合点）、logic（逻辑点）、array（数组点）、pm（cl程序点）、flag（标志量寄存器点）、numeric（数值寄存器点）、timer（定时器点）,dcs回路,一组点及点之间的信号联系构成回路。 显示回路：只进行现场信号的显示，不进行控制，只有输入点及软点，无输出点，如温度、压力等工艺参数的显示，调节阀、泵、电机运行状态的显示。 控制回路：（1）模拟控制回路：即能进行现场信号的显示又能进行参数控制调节，是由输入点、中间软点、输出点构成，通过定义点的输入、输出连接参数来形成信号连接回路，（2）联锁控制回路：现场设备的启、停，阀的开、关等由数字量控制的回路，多由逻辑执行控制。,dcs回路构成图,dcs信号的转换(1),模拟输入(ai)信号: 温度(t)、压力(p)、流量(f)、物位(l)等工艺参数经变送器转换成420ma dc信号接入dcs系统卡件后，转换成15vdc的系统内部信号，根据设置的表（点）的测量范围，控制器再将15vdc信号转换成相应的工程量数值进行显示。,dcs信号的转换(2),模拟输出(ao)信号: 0-100%的控制信号（op)对应15vdc的系统内部信号，控制器将15vdc信号转换成420ma dc信号后送往现场,控制调节阀的开度、变频电机的转速等。,dcs信号的转换(3),开关量输入(di)信号: 现场来开关量信号接入dcs系统卡件后，当开关量信号发生状态改变，由断开到闭合时，使得卡件内的电路接通，控制器检测到电路接通后将对应该回路的点置为on(1),反之则置为off(0)，用于报警、联锁 或状态显示。,dcs信号的转换（4）,开关量输出(do)信号: 控制器发出的开关量控制信号发生状态改变，由off到on时， 使dcs系统卡件内的电路接通，使得外回路接通（有的卡件直接相外回路供24vdc信号，有的卡件只给出一干触点信号），实现泵、电机的启动和阀的打开，反之则使外回路断开实现泵、电机的停止和阀的关闭。,dcs实现无扰动切换的方法,实现无扰动切换的方法 设置pv跟踪：在man方式下时，sp自动地跟踪等于pv，没有任何的偏差 。根据实际需要组态控制器是否需要pv跟踪功能。,dcs实现无扰动切换的方法,初始化功能：当组态控制器把它的输出推给它的输出点，而输出点又不能接受该值时就会产生初始化。初始化的功能就是当输出点变成可以接收控制器输出的时候，控制器的输出要强行与输出点的数值一样。 在串级控制中当副控制器置出串级方式时发生初始化，使主控制器的输出自动跟踪副控制器的设定值，当副控制器投回串级时实现无扰动切换。,dcs使用环境,1）相对湿度：40%-60%（无凝露） 。 2）环境温度：10-28 ，温度的变化率要在10/小时以内 。 3）无电磁干扰，不准在机柜间使用报话机和手机 。 4）要求清洁无尘，要求过滤网孔径小余10um,尘埃小余0.3mg/m3 5）防静电 6）防小动物进入,dcs供电电源,稳压市电、ups电同时供电 电压：22010v ac 频率：50hz 1hz 谐波（波形）失真率 5 电源瞬间断电时间应小于用电设备的允许电源瞬间断电时间。 瞬时电压降小于20% 采取防雷、ep谐波吸收装置保护措施，防止过电压对控制仪表电源系统的危害,dcs故障,硬件故障:电源故障、通讯电缆损坏、dcs通讯/控制卡故障、iop卡/fta卡故障等，由设备故障所引起的dcs不能正常工作的故障。 软件故障:又分系统软件故障和用户软件故障，系统软件故障是dcs厂家设计dcs系统软件时存在缺陷而造成的；用户软件组态复杂、工作量大，在运行时出现错误。 操作/使用不当造成的故障：因操作人员快速、频繁调用画面而使操作站画面不能更新、数据不能更新等操作站死机故障,dcs故障的判断与查找,判断与查找的途径： 系统状态监视画面。 系统报警信息。 各卡件状态指示灯亮、灭，颜色的变化 专门的诊断软件,操作站故障,死机:操作站不响应操作员的操作 ，重新启动。 黑屏：显示屏无信号输入，主机无法重启，内存条故障或主板故障，更换新备件。 操作员键盘无响应，重新插拔，或更换操作员键盘。 honeywell 的 display buider 流程画面上的点参数出现?号，无法监视过程点，重新注销用户或重启。,控制站故障,故障类型： 冗余输入、输出卡件同步故障。 输入、输出卡件出现nr(无响应）故障。 fta端子板损坏。 连接电缆接触不良、出现破皮绝缘不良。 通讯/控制卡故障。 故障危害: 不同的硬件，发生故障时的影响大小不同 fta端子板损坏,则此卡件上的点都无法监视控制。 冗余配置的卡件有一块卡件故障时，不影响控制，如冗余卡件都故障或非冗余卡件故障，则此卡件上的点都无法监视控制。,控制站故障处理,故障处理： 冗余配置的卡件，在确定主卡工作正常的情况下，重新插拔，如软故障则可消除，如为硬故障则无法消除，需更换同型号的卡件 非冗余的卡件在确认其上的点的用途后，直接重新插拔或更换新备件。 故障处理注意事项： 首先进行故障分析、风险评估，制定处理方案。 如要处理ao/do卡件时，可能影响到其上的调节阀、联锁设备动作，一定要与工艺人员协商制定预案，采取手动（手轮）控制等。,通讯总线故障,故障类型： 电磁干扰造成通讯出错 。 终端电阻、各连接头松动。 接口卡件损坏、存在软故障。 通讯电缆破皮、被老鼠咬断。 故障危害: 无法传输数据，不能监控 。,通讯总线故障处理,故障处理： 进行消磁消噪声处理 。 更换接口卡件。 检查终端电阻、各连接头紧固情况，重新紧固。 检查通讯总线完好情况，必要时更换新电缆。 故障处理注意事项： 要在工艺过程平稳期间进行； 要在冗余电缆工作正常的情况下进行； 预备好卡件、电缆备件； 工艺人员尽量避免频繁操作；,单控制回路,单控制回路通常是指由一个测量元件、变送器、一个控制器、一个控制阀和一个对象所构成的单闭环控制系统,单控制回路实现,现场变送器、调节阀接线连接好 dcs组态：首先组态硬点lt111(ai)、lv111(ao),在组态pid控制点lic111,定义其输入参数为lt111.pv，输出参数为lv111.op,串级控制回路,串级控制由主、副两个调节器串接而工作,主调节器的输出作为副调节器的给定值，副调节器的输出去控制调节阀，从而实现对主变量的定值控制。应用于对象的滞后和时间常数很大、干扰作用强而频繁、负荷变化大、对控制质量要求较高的场合。,串级控制回路的实现,现场温度、流量变送器、调节阀接线连接正确， dcs组态：首先组态硬点tt211(ai)、 ft211(ai) fv211(ao),再组态pid控制点fic111,定义其输入参数为ft211.pv，输出参数为fv211.op； pid控制点tic111,定义其输入参数为tt211.pv，输出参数为fic211.op,超驰控制回路,超驰控制也叫选择性控制、高/低选控制，超驰控制一般有两个调节器，它们的输出通过一个选择器后送到执行器。 主要特点：超驰控制有两个控制回路，但在任何情况下仅有一个控制回路在工作，而另一个控制回路处于开环状态，此时该回路中的调节器的输出被选择器切断，不能送到调节阀，可通过快速的自动选择消除生产中的不安全因素。,超驰控制示例,在乙烯分离过程中，裂解气经压缩后其温度已达到88。为了进行低温分离，必须将它的温度降下来。为此，工艺上采用了液丙烯低温下蒸发吸热原理，用它与裂解气换热，达到降低裂解气温度的目的。,超驰控制示例,正常工况时： 由冷却器出口裂解气温度来控制调节阀，通过进入冷却器的液丙烯的多少来稳定裂解气温度。 非正常工况时： 当裂解气温度过高或负荷过大时，控制阀已被大幅开大，并且冷却器中所有的列管都有已被淹没时，裂解气温度仍降不下来，则不能再使控制阀开度继续开大了，因为一来换热面积已无法再增加，二来丙烯液位的继续上升，会使冷却器中的丙烯蒸发空间缩小，使气丙烯出现带液现象，给压缩机带来损害，此时通过选择器自动选择由冷却器液位控制器来控制进入冷却器的液丙烯的多少，从而控制冷却器液位在安全范围内。,超驰控制回路的实现,现场温度、流量变送器、调节阀接线连接正确， dcs组态：首先组态硬点lt311(ai)、 tt311(ai) 、tv311(ao),再组态：选择开关ls311,定义其输出输出参数为tv311.op ；pid控制点lic311,定义其输入参数为lt311.pv，输出参数为ls311.x1； pid控制点tic311,定义其输入参数为tt311.pv，输出参数为ls311.x2,分程控制回路,分程控制就是一个调节器同时控制两个或两个以上的调节阀，每一个调节阀根据工艺的需要在调节器输出整个范围的某段信号内动作，即多阀而分程 。 设置分程控制目的：是为了满足工艺上扩大可调比的要求、满足特殊调节系统的需求。,调节阀分程动作形式示意图,分程控制实现方法一,现场并联分程：是通过每个控制阀上的阀门定位器实现，现场通过一个电/气转换器后，转换成的气动控制信号并联送到两个或多个阀门上的气/气阀门定位器。通过调整阀门上的定位器动作点来实现分程曲线,分程控制实现方法二,现场串联分程：通过调节阀门定位器实现a阀在4-12ma范围动作， b阀在12-20ma范围动作,分程控制实现方法三,通过dcs软件实现，通过在dcs内部的ao点组态中，分别根据分程曲线区域数据，填写pv411a/b的折线数据。 如：050%; 50100的分程曲线， 则在pv411