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基于d c s 的污水处理厂自动监控系统研制 摘要 合肥市东区及龙岗工业区工业企业较为集中，用水量及排污量较大。目前区 域内没有较为完善的污水管道收集系统及污水处理厂，污水污染了二十铺河流 域，降低了沿岸居民的生活质量，制约了工业和农业的发展，加重了巢湖的污染。 为了保护流域人民身体健康，改善城市环境，合肥市建设委员会在深入调查研究 的基础上，决定解决二十铺河流域的污染问题，建设合肥市朱砖井污水处理厂。 本文所研究解决的问题即为合肥市朱砖井污水处理厂建立一个d c s 自动监 控系统。文章首先介绍了d c s 集散式控制系统的组成及特点；分析了d c s 集散 式控制系统的功能；并剖析了d c s 集散式控制系统的结构。然后根据d c s 集散 式控制系统的结构，设计了一套基于d c s 集散式控制系统功能而实现的污水处 理厂自动监控系统。然后以组态王为软件开发平台，开发了污水处理厂d c s 集 散式控制系统的上位管理级；以欧姆龙p l c 构建了污水处理厂d c s 集散式控制 系统的现场管理级。文中对上位组态进行了详细的介绍，并对构建p l c 控制系 统进行了详细的分析。 本文还介绍了p l c 编程工具c x p r o g r a m m e r ，上位机组态平台组态王软件 的开发过程和通过该软件设计的人机界面。 关键词：污水处理，集散式控制系统，组态，可编程逻辑控制器 t h ed e v e l o pm e n to ft h ea u t o m a t i cm o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do n d c so fw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t a b s t r a c t t h ew a t e rc o n s u m p t i o na n dd i s c h a r g eo ft h ee a s t e r nd i s t r i c to fh e f e ic i t ya n d l o n g g a n gi n d u s t r i a ld i s t r i c ti sh u g ea n dt h e r ei sn oc o m p l e t es e w a g ea n dw a s t e w a t e r t r e a t m e n tp l a n t ，w h i c hp o l l u t e st h ee r s h i p ur i v e rv a l l e ya n dc h a ol a k e ，r e d u c e st h e l i v i n gs t a n d a r do fl o c a lr e s i d e n t sa n dr e s t r i c t st h eg r o w t ho fi n d u s t r ya n da g r i c u l t u r e t op r o t e c tt h eh e a l t ho fl o c a lp e o p l ea n dt oi m p r o v et h ec i t ye n v i r o n m e n t ，t h e c o n s t r u c t i o nc o m m i t t e eo fh e f e ic i t yd e c i d e dt ob u i l dz h u z h u a n j i n gw a s t e w a t e r t r e a t m e n tp l a n t t h ea i mo ft h i sa r t i c l ei st os o l v et h ep r o b l e mo fe q u i p p i n gad c sa u t o m a t i c m o n i t o r i n gs y s t e mf o rt h ep l a n t a f t e ri n t r o d u c i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c s ，a n a l y z i n gt h e f u n c t i o n sa n dd e s c r i b i n gt h es t r u c t u r eo fd c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) ，t h e a u t h o rd e s i g n e da na u t o m a t i cm o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nd c sa n dd e v e l o p e dt h e u p p e rm a n a g e m e n tl a y e rb a s e do nk i n g v i e wa sw e l la st h ef i e l dm a n a g e m e n tl a y e r b a s e do no m r o np l c t h i sa r t i c l ee x p l a i n su p p e rc o n f i g u r a t i o na n da n a l y z i n gt h e c o n s t r u c t i o no fp l ci nd e t a i l t h i sa r t i c l ea l s oi n t r o d u c e sc x p r o g r a m m e r , t h ep r o g r a m m i n gt o o lf o rp l c ，t h e d e v e l o p m e n ta n dh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c eo fk i n g v i e w , t h es o f t w a r ef o ru p p e r c o n f i g u r a t i o np l a t f o r i l l k e yw o r d s ：w a s t e w a t e rt r e a t m e n t ，d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，c o n f i g u r a t i o n ， p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r 插图清单 图1 1 循环式活性污泥法的工艺流程3 图2 一l 集散式控制系统基本结构图7 图3 1 合肥朱砖井污水处理厂监控系统构成示意图1 8 图3 2 信息系统功能模型及层次结构图2 0 图4 1 组态软件的数据处理流程3 l 图4 2 组态王工程浏览器3 2 图4 3 组态王开发系统3 3 图4 4 主窗口界面3 5 图4 5 粗格栅与提升泵站监控界面3 5 图4 6 细格栅及沉砂池监控界面3 6 图4 7 生物池俯视界面3 8 图4 8 生物池侧视图及鼓风机房监控界面3 8 图4 9 贮泥池及污泥浓缩脱水机房监控界面3 9 图4 1 0 进水水质历史曲线显示界面4 0 图4 一1 1 报警窗口界面4 0 图4 1 2 供电系统监测界面4 1 图5 1c x p r o g r a m m e r 编程软件5 4 图5 2 新建项目5 5 图5 3 编写梯形图5 5 图5 4 编译输出显示5 5 图5 - - 5 超声波液位计工作原理5 8 图5 - - 6 差分电极测量原理5 9 图5 7s c l o o t ml d o t m 溶解氧在线分析仪工作原理6 0 图5 8 探头工作原理6 1 图5 9 超声波外夹式流量传感器工作原理6 2 图5 1 0 超声波气体流量计测量原理6 2 表格清单 表卜1合肥市污水处理厂建设情况1 表卜2合肥市规划污水处理厂2 表2 一l生物池循环过程表2 5 表5 1p l c l 站的输入输出点数统计5 0 表5 - 2p l c l 站的模块配置选型5 0 表5 - 3p l c 2 站的输入输出点数统计5 0 表5 4p l c 2 站的模块配置选型5 0 独创性声明 本人申明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金旦巴王些太堂或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料，与我一同工作过的同志所做的任何贡献已 经在论文中做了说明并表示谢意。 i 、 一 学位论文作者签名：巧她签字日期：p 年j 。月二 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金月里王些太堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查 阅和借阅。本人授权金旦巴王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后使用本授权书) 学位论文作者签名，抛 签字日期：叼年i 月衫日 学位论文作者毕业后去向： 导师签名： 签字日期： 涵 2 - e i 致谢 对于本论文的各项工作，我的导师尹志强教授给予了热情的关怀和悉心指 导，课题实施过程中得到了中科大国祯信息科技有限责任公司的大力协助，得到 了陈波、殷春华、杨鹏宇、周丽娜、伍红梅几位同学的大力支持，在此表示深深 的谢意。 最后向在百忙中评审本论文的各位专家、教授致以诚挚的谢意! 第一章绪论 1 1 项目来源 项目来源：本课题源自合肥市朱砖井污水处理厂d c s 自动监控系统项目。 1 1 1 合肥市污水处理情况 改革开放以来，随着国民经济的不断增长和城市建设迅猛发展，合肥市政 府对城建基础设施的建设非常重视，逐年加大排水设施的建设力度，逐步完善 城市排水系统。 1 9 9 0 年前合肥市共敷设q 3 0 0 p 1 5 0 0 雨水管道及箱涵9 2 k m 。1 9 9 0 年以后， 敷设雨水干管和箱涵9 1 k m ，同时翻新了一些旧有的排水管道。为了解决环城水 体污染问题和西南郊污水对十五里河的污染问题。合肥市修建了p 3 0 0 p 1 2 0 0 污水截流管4 2 k m ，q 1 0 0 0 p 2 0 0 0 合流排水管2 5 k m 及西南郊西水东调污水干 管1 0 2 k m 。合肥市王小郢污水处理厂一期工程配套污水管道为5 9 k m 。截止到 1 9 9 9 年，合肥市共修建污水管道总长度1 3 7 k m ，建成了姚南污水泵站，庙北污 水泵站，江淮污水泵站和老城区逍遥津污水泵站、东区的双河村泵站、矿机泵 站、池郢泵站等提升泵站。 至2 0 0 4 年，合肥市的城市污水处理厂有琥珀山庄污水处理厂、王小郢污水 处理厂和望塘污水处理厂。合肥市污水处理厂建设情况见表卜1 表卜1 合肥市污水处理厂建设情况 序号名称规模( m 3 d ) 阶段 1 琥珀山庄污水处理厂 4 0 0 0 已运行 2王小郢污水处理厂一期工程 1 5 1 0 4 已运行 3 王小郢污水处理厂二期丁程 1 5 1 0 4已运行 4 望塘污水处理厂 8 1 0 4 已运行 这些城市污水处理厂的投入运行较大地减轻了城市的环境污染，减少了巢 湖的污染物排入量。 根据合肥市排水规划，老城区采用截流式合流制排水体系，老城区以外的 新建城区采用分流制排水体系。规划合肥市共设有六个污水系统，2 0 1 0 年污水 总量达13 2 4 x10 4 m 3 d ，其中工业污水量为7 4 6 10 4 m 3 d ，生活污水量为5 7 8 10 4 m 3 d ，服务范围9 4 5 3 k m 2 ，服务人口16 9 2 万人。六个污水系统共需敷设污 水管道全长4 5 5 6 8 k m ，共需建设污水泵站1 4 座。根据这六个污水系统，将城市 分为六片污水收集区，每片建设一座污水处理厂集中处理该片的工业、生活污 水( 均为二级处理) 。此外，电厂和董铺岛因其所处位置距城区较远，各自单独 设污水处理厂。合肥市规划污水处理厂见表卜2 。 表1 - 2 合肥市规划污水处理厂 处理规模 服务面积服务人口 污水系统 名称 ( 1 0 4 1 1 1 3 d )( k m 2 )( 万人) 王小郢污水系统千小郢污水厂 6 3 64 6 68 8 4 朱砖井污水系统朱砖井污水厂 1 1 18 91 6 6 合钢合化污水系统陆小郢污水厂 1 1 86 1 55 0 望塘污水系统望塘污水厂 1 6 41 4 73 0 4 蔡田埠污水系统蔡田埠污水厂 1 06 17 7 经济开发污水系统韦郢污水厂 1 3 29 51 5 6 董铺岛污水系统董铺岛污水厂 0 91 1 5 3 0 电厂污水系统电厂污水厂 5 o0 6 50 5 琥珀小区琥珀山庄琥珀山庄 0 4o 7 82 0 合计 9 库1 3 2 49 4 5 31 6 9 2 1 1 2 合肥市朱砖井污水处理厂处理工艺 合肥市朱砖井污水处理厂采用循环式活性污泥法工艺。循环式活性污泥法 是s b r 工艺的一种变形，该工艺将可变容积活性污泥法过程和生物选择器原理 进行有机结合。s b r ( s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ) 即为序批式活性污泥法。序批 式活性污泥法在1 9 1 4 年开始开发，7 0 年代初出现于美国。随后曝气器设备、自 控设备的不断更新和技术水平的提高，s b r 工艺广泛地应用，并且在传统的序 批式活性污泥法的基础上，发展出多种变形工艺，循环式活性污泥法即为其中 一种。n 1 1 循环式活性污泥法工艺是在一个或多个平行运行、且反应容积可变的池子 中，完全生物降解和泥水分离过程。因此在该工艺中无需设置单独的沉淀池。 在这一系统中，活性污泥法按照“曝气一非曝气”阶段不断重复进行。在曝气阶 段主要完成生物降解过程，在非曝气阶段虽然也有部分生物作用，但主要是完 成泥水分离过程。因此，循环式活性污泥法系统无需设置二沉池，可以省去传 统活性污泥法中曝气池和二沉池之间的连接管道。完成泥水分离后，利用滗水 器排出每一操作循环中的处理出水。根据活性污泥实际增殖情况，在每一处理 循环的最后阶段( 滗水阶段) 自动排出剩余污泥。循环式活性污泥法工艺可以 深度去除有机物( b o d ，c o d ) 、通过同时硝化反硝化过程去除大量的氮，同 时完成生物除磷过程。n 7 1 循环式活性污泥法工艺每一操作循环由下列四个阶段组成： ( 1 ) 进水曝气 ( 2 ) 沉淀 ( 3 ) 滗水 2 ( 4 ) 闲置( 视具体运行条件而定) 上述各个阶段组成一个循环，并不断重复。循环开始时，由于充水，池子 中的水位由某一最低水位开始上升，经过一定时间的曝气和混合后，停止曝气， 以使活性污泥进行絮凝并在一个静止的环境中沉淀，在完成沉淀阶段后，由一 个移动式滗水器排出已处理的上清液，使水位下降至池子所设定的最低水位。 完成上述操作阶段后，系统进入下一循环过程，重复以上操作。为保持池子中 有一个合适的污泥浓度，需要根据产生的污泥量排出相应的剩余污泥。排除剩 余污泥一般在沉淀结束后进行。循环式活性污泥法的工艺流程见图1 1 。 固固 加加 药氯 图1 - - 1 循环式活性污泥法的工艺流程 1 1 3 合肥市朱砖井污水处理厂监控系统 合肥市朱砖井污水处理厂监控系统采用二级分布式( 集散型) 计算机监控 系统方案。采用这种结构可使生产过程中的信息能够集中管理，以实现整体操 作、管理；同时，也可使生产过程中的控制危险分散，提高系统的可靠性。整 个系统分为两个管理级，即由中央控制室操作站o p s 和上层管理计算机组成的 上位管理级，和由现场各分控制室及现场在线测量仪表组成的现场管理级。现 场各种数据通过p l c 采集，并通过现场高速数据总线( 工业以钛网) 传送到中 心控制室操作站o p s 集中监视和管理。同样，中央控制室主机的控制命令也可 通过上述高速总线传达到现场p l c 的测控终端，实施各单元的分散控制。另外 中央控制室的数据服务器和上层管理计算机、化验室计算机构成一个局域网， 将完成全厂的数据库管理工作和模拟屏、投影仪的驱动工作。 整个监控系统分为三个组成部分，由数据服务器和上层管理计算机、化验 室计算机构成一个上层局域网进行数据管理，由通讯系统和监控计算机组成中 央控制系统( 中央控制室操作站) 对全厂实施集中监控，由可编程序控制器p l c 及现场仪表组成现场检测控制系统( 分控站) 对污水处理厂各个过程进行分散 3 控制。各分控站与中央控制室之间由高速总线( 工业以太网) 连接进行数据通 讯。 1 2 课题的任务 本课题的主要任务是设计并完成一套满足合肥市朱砖井污水处理厂处理工 艺要求的二级分布式( 集散型) 计算机监控系统。 1 2 1 监控系统要求 该二级分布式( 集散型) 计算机监控系统的主要要求： 1 上位管理级 在中央控制室设置两套监控管理计算机操作站，一套上层管理计算机，一 套数据服务器，一套不间断电源，通讯装置及一块大型马赛克模拟屏。两套监 控管理计算机可以分别侧重监控或管理功能，故障时互为备用， 在化验室内设一台计算机与数据服务器相连网，每天向中控室输入各项化 验数据。管理计算机可通过局域网及时了解全厂的生产管理数据和水质情况。 上位管理级可实现如下功能： ( 1 ) 采集全厂各工段的工艺参数值，电气参数值及生产设备的运行状态信 息。 ( 2 ) 根据采集到的信息，建立各类信息数据库并对各类工艺参数值做出趋 势曲线( 历史数据) ，供调度员分析比较，以便找出污水处理厂的最佳运行规律， 分析事故原因，改进管理方法，保证出水水质，提高经济效益。 ( 3 ) 操作站以“人一机对话方式指导操作，自动状态下，可用键盘或鼠 标器对有关设备进行手动操作( 如开停机操作) 。 ( 4 ) 操作站彩色显示屏幕( c r t ) 可显示全厂平面及几十幅工艺流程中的 剖面图，剖面图上有动态的实时参数值显示，机泵运行状态显示和事故报警显 示等信息。 ( 5 ) 自控系统生成的生产报表( 班日月) 内容包括运行参数、水质分析、 工艺分析、技术经济分析等。其资料来源为：设备运行记录；在线仪表实测数 据；化验数据等。供生产管理用，机内存储六个月的信息量。 ( 6 ) 过程检测或运转设备出现越限或故障时，流程图上相应的图例红光闪 动，并发出报警声响加以提示。报警的笛声可以通过键盘或触摸屏解除，闪动 的红光继续保持，直至该故障消除，闪动才停止。报警对象、内容、时间应列 表记录打印。计算机系统可在线诊断各类故障，查找故障部位并报警。 ( 7 ) 仪表测量值以棒状图形式动态显示，应有上下设定值，设定值应是可 修改的。 ( 8 ) 设不间断电源，保证在发生停电故障时该系统仍能安全可靠地运行。 ( 9 ) 为了直观显示全厂工艺过程全貌，方便管理和培训，在中心控制室设 4 立大型模拟屏，显示全厂工艺流程图和主要参数及设备运行状态，大型马赛克 模拟屏( m 蹦i c ) 的显示过程由管理计算机通过总线方式驱动显示。 2 现场管理级 根据全厂工艺流程和总平面布置，以就近采集和单元控制为划分区域的原 则，全厂设两座分控站：总变配电室分控站( 控制范围：粗格栅、进水泵房、 细格栅、曝气沉砂池、s b r 生物池、鼓风机房) 和进水泵房控制室分控站( 控 制范围：贮泥池、脱水机房、接触池、加氯间，回用水池) 。两个分控站分别对 所辖工段内的工艺过程进行控制，采集工艺参数、电气参数、电气设备运行状 态。每座分控站内分别配置一套可编程序逻辑控制器( p l c ) 、一套可编程终端 p t ( 触摸屏) 、一套隔离装置及一套不间断电源( u p s ) 及过电压保护装置。 1 2 2 现场检测仪表要求 现场仪表作为计算机监控系统的检测单元，其性能的优劣直接影响到整个 计算机监控系统的好坏。在仪表选型中应遵循以下原则： 1 可靠性 由于现场仪表检测的介质成分比较复杂，仪表安装的环境比较恶劣。为了 保证污水处理过程的安全、可靠的进行，在选择仪表时选用符合工业级标准的 成熟定型的，且经过现场使用并证明是成功的产品。考虑到水质及现场环境的 条件，为防止探头结垢，尽量选用非接触式、无阻塞隔膜式、白清洗式的传感 器，且户外安装的仪表变送器保护等级应达到i p 6 5 ，浸没在水下的仪表传感器 保护等级应达到i p 6 8 。为了保证仪表在冬季百年一遇的寒冷天气下能够正常工 作，室外现场仪表应带有可自控温的仪表保护箱。 2 先进性 在系统可靠性的前提下，先进性也至关重要，因为科学技术在发展，所选 择的仪表，代表着当今的科技水平。产品的先进性主要表现在：仪表全部采用 智能型测量仪表；便于计算机系统连接和维护管理的方便，具有自动补偿功能、 带现场总线接口、具有兼容性通讯协议、具有自诊断、信号保持、故障报警等 功能。 1 2 3 监控系统供电要求 为了保证整个控制系统在紧急停电情况下还能正常运行，在中控室和分控 室中都应配置不问断供电电源u p s 。u p s 是静态整流器逆变器型，并有储能电 池，要求输出为正弦波，并应对指定的设备提供不问断电源。 在正常状态，电源应通过整流器充电器向储能电池供电并向逆变器供电。 通常由送变器向荷载供电。在主电源有故障时，应由电池通过逆变器向荷载供 电。当电源恢复正常，荷载供电应恢复到正常，电池应自动充电。在任何情况 下，向荷载供电应保持不断。 1 2 4 通讯网络要求 中央控制室与现场站p l c 之间可用工业级光纤环型控制网相连，要求： 硬件采用光缆( 6 2 5 1 2 5 ) 连接，保证通讯的可靠性；能够通过d a t al i i l k ( 数 据共享) 功能实现p l c 与p l c 之间的高速、大容量的数据交换，而无需p l c 编写任何程序；通讯速率2 m b p s ，网络数据交换量6 2 0 0 0 字；通讯距离为3 0 k m ； 最大可连接网络节点数为6 2 个；通过m e s s a g es e r v i c e 功能实现控制网络与其他 网络的互联；自带r a s 功能，对网络故障具有时间监测、记录、显示及诊断功 能；网络故障能够通过r a m 或e e p r o m 进行保存，并通过m e s s a g es e r v i c e 功能进行读取；网络发生故障时具有节点旁路功能，从而整个网络不会因为一 个节点故障崩溃；通过光纤环网使得整个网络的数据传输路径具有冗余功能， 提供网络的可靠性；具有断线监测功能：网络连接状态可任意读取。 1 2 5 软件系统要求 软件的基本功能应包括：完善的i n t e r n e t 功能；采用标准的w i n d o w sn t 平 台；包括支持世界主要硬件厂商的各种网络驱动程序，支持工业控制网络 ( c o n t r o l l e rl i n k ) 、e t h e r n e t 、实时r s 2 3 2 或r s 4 2 2 监控( h o s tl i n k ) ；有系 统员和操作员安全保密功能；支持1 6 0 0 x 1 2 0 0 高分辨率彩色图形显示器；支持 各种w i n d o w s 标准打印机及外围设备；支持多种用户s d k 开发工具包和支持 v b 、v c 的开发接口；为用户提供丰富方便的图形组态、系统组态功能，易于 构成各种服务器、图形工作站；丰富的报警功能、分析报表功能，在线编辑功 能、打印功能。实时数据、历史数据分析、综合功能，数据记录保存功能；易 于实现多用户、多任务、多终端；冗余功能、在线、离线切换功能，自动手动 切换功能。 中央控制室应能随时监视整个污水厂的运行状态、显示各种检测值及参数， 从图形、表格形式显示现行及历史值、给因各种临界提示及错误、越限报警、 显示及打印分板报表并通过i n t e m e t ，将结果、效益分析等发往有关部门。 6 第二章集散式控制系统 2 1 集散式控制系统的组成及特点 集散式控制系统以数台、数十台甚至数百台微型计算机分散应用于过程控 制，全部信息经通讯网络由上位计算机监控，对生产过程实现最佳控制。通过 c r t 装置、通讯总线、键盘、打印机等对生产过程高度集中地操作、显示和报 警。整个装置继承了常规模拟仪表分散控制和计算机集中控制的优点，并且克 服了单台微机控制系统危险性高度集中以及常规仪表控制功能单一、人机界面 差的缺点。集散式控制系统通常由过程控制单元、过程接口单元、c r t 显示， 操作站、管理计算机以及高速数据通路等五个主要部分组成。其基本结构如图 2 1 所示。2 0 3 图2 1 集散式控制系统基本结构图 过程控制单元( p c u ：p r o c e s sc o n t r o lu n i t ) 亦称现场控制单元( f c u ：f i e l d c o n t r o lu n i t ) 或基本控制器( b c ：b a s i cc o n t r o l l e r ) ，它可以控制一个或多个回路， 具有较强的运算控制能力。 过程接口单元( p i u ：p r o c e s si n t e r f a c eu n i t ) 亦称数据采集装置( d a u ：d a t a a c q u s i t i o nu n i t ) ，它的主要作用是采集非控制变量，进行数据处理。 操作站( o p s ：o p e r a t i n gs t a t i o n ) 是集散系统的人机接口装置。一般配有高分 辨率大屏幕的彩色c r t 、操作者键盘、工程师键盘、打印机、硬拷贝机和大容量 存储器。操作站除了执行对过程的监控操作外，系统的组态、编程工作也在操 作站上进行。操作站还可完成部分的生产管理工作，如打印班、日报表等。 管理计算机是集散系统的主机，习惯上称它为上位机。它综合监视全系统 的各单元，管理全系统的所有信息，具有进行大型复杂运算的能力以及多输入、 多输出控制功能，以实现全系统的最优控制和全厂的优化管理。 通讯系统亦称数据高速公路( d h ：d a t ah i g h w a y ) ，它将过程控制单元、操 作站、上位机等连成一个完整的系统，以一定的速率在各单元之间传输信息。 7 运用分散控制和集中显示、操作、管理这一基本思想构成的d c s 系统，归 纳起来有如下特点： ( 1 ) 控制功能完善集散系统可以完成从简单的单回路控制到复杂的多变 量模型优化控制：可以执行从常规p i d 运算至u s m i t h 预估补偿、三阶矩阵乘法等各 种运算：可以进行连续的反馈控制，也可以进行间断的批量控制、逻辑控制；可 以实现监控、显示、打印、报警、历史数据存储等日常全部操作要求。 ( 2 ) 完善的人机界面和集中监控功能操作人员通过c r t 和操作盘，可以监 视生产装置以至整个工厂的生产情况，按预定的控制策略组态不同的控制回路， 并调整回路的任一常数，而且还可对机电设备进行各种控制，从而实现了真正 的集中操作和监控管理。 ( 3 ) 系统扩展灵活集散系统采用模块结构，用户可根据要求方便地扩大或 缩小系统的规模，或改变系统的控制级别。系统采用组态方法构成各种控制回 路，很容易对方案进行修改。因扩展灵活，有利于分批投资，分批受益。 ( 4 ) 安全可靠性高由于采用了多台微处理机分散控制结构，危险分散，系 统中关键设备采用双重或多重冗余，还设有无中断自动控制系统( 即自动备用系 统) 和完善的自诊断功能。 ( 5 ) 安装调试简单集散系统的各单元都安装在标准机框内，模件之问采用 多芯电缆、标准化接插件相连：与过程连接时采用规格化端子板，到中央控制室、 操作站，只需敷设同轴电缆进行数据传递，所以布线量大大减少，安装工作量 仅为常规仪表的1 2 至u 1 3 。系统采用专用软件进行调试，调试时间仅为常规仪 表的1 2 。 ( 6 ) 具有良好的性能价格比在性能上集散系统技术先进，功能齐全，可靠 性高，适用于多级递阶管理控制，在价格方面，目前在国外，8 0 个控制回路的 生产过程采用集散系统的投资，己与采用常规模拟仪表相当。规模越大，平均 每个回路的投资费用越低。 2 2 集散式控制系统的基本功能 当今国际市场上不同厂商的集散系统已达千余种，尽管它们在结构形式上 各有千秋，功能上也有强有弱，但以下这些基本功能是必须具备的。 1 输入数据处埋 对模拟量来说，一般要进行采样、增益最佳化、a d 转换、规格化、合理性 检查、零偏校正、热电偶冷端补偿、线性化处埋、超限判断、工程量变换、数 字滤波、温度和压力校正、开方处理、上下限报警等处理。数字信号则进行状 态报警及输出方式处理。对脉冲序列需进行瞬时值变换及累积计算。 ( 1 ) 数据的采样速率按系统不同的要求需要组态不同的扫描采样频率。 从控制工程的角度，采样不失真的条件是采样频率不低于信号中所含最高频率 的2 倍。据此确定的经验数据是：流量、压力、液位信号的采样周期分别为1 5 s ， 3 1 0 s ，5 8 s ，温度、成分的采样周期为1 5 2 0 s 。在集散系统中需采集处理大量数据， 其采样频率就需根据采样点数及信号性质通盘考虑。通常应以各路信号中可能 出现的最高新率分量为依据，再乘以模拟信号的路数( n ) 及安全系数( 一般为 5 1 0 ) ，得到数据采集系统的采样频率。 ( 2 ) 增益最佳化模拟量信号在a d 转换之前要进行前置放大，以便被转 换量落在a d 转换线性范围之内( 通常在5 0 1 0 0 满度范围之内) ，提高通道的 相对测量精度。因此要选择合适的量程，增益最佳化即能自动挑选最佳增益。 假设某系统输入范围为0 1 0 0 m v ，放大器增益为1 0 0 ：o 1 v 输入，放大器增益为 1 0 。对于5 0 m v 输入信号，如果选0 1 v 量程，其放大后电压仅为满度值l o v 的5 ， 则偏低：应选0 1 0 0 m v 量程，则放大后的信号恰好在5 0 满度区域内，即增益应自 动由1 0 调整到1 0 0 。 ( 3 ) 模拟信号的规格化模拟量信号的规格化是指1 - 5 v 的模拟信号经a d 转换电路变成规格化的数字量。计算公式如式1 1 所示： x = ( v 一三) ( 叉砌一爿- d ) 4 + 义r d ( 2 - - 1 ) 式中x 规格化数值； x m 满度规格化值； x o 零点规格化值； 矿模拟信号。 该规格化数值直接参与机器的运算过程。 ( 4 ) 合理陛检查假如d 变换超出规定时间或接到指令后根本未进行变 换则“a d 卡故障 置位，而给出不合理标志：如果是a d 过载( 读数超量程) 或 欠量程( 读数小于下限值) ，该数将不作进一步处理，给出“读数不合理标志。 ( 5 ) 零偏校正由温度、电源等环境因素变化引起放大器零点漂移，可通 过软件进行校正。通常是把输入短路时采集的放大器零漂码取平均值存入内存， 再在当前测量结果中扣除此零漂值。这种方法常用于零漂不超过通道模拟输出 动态范围1 1 0 的场合。零漂严重时可能使系统发生饱和，因此在零偏校正时常 设定一漂移限值，超过该值，状态字中“零偏超出故障”置位，并发出报警。 但这个零偏读数仍用来进行零点校正。 ( 6 ) 工程量变换上位机或操作站需显示或打印时还应将规格化的数据转 换成工程量单位值y ，它按式1 2 进行计算： x = ( x x o ) l ( x m 一叉r d ) + b ( 2 - - 2 ) 式中曰工程单位表示的零点。 ( 7 ) 超限判断参数超限时，一般均需进行报警，通常分为绝对值报警、 偏差报警、速率报警以及累计值报警。 1 ) 绝对值报警参数直接与规定的工程量上、下限幅值进行比较，高于 9 上限或低于下限，即进行报警； 2 ) 偏差报等按参数与目标值的偏差大小进行报警； 3 ) 速率报警为了反映过程变化的平稳情况，设置了“显著变化限报警 每次测量结果与前次值相比，变化超过此限即报警； 4 ) 累计值报警对要求累加的输入脉冲信号进行当前值累计，并每次与 累计值报警设定相比较，超限即报警。 ( 8 ) 热电偶冷端补偿对于安装在现场多路切换箱中的热电偶，其冷端温 度自动补偿是通过一支专用的冷端温度检测热电偶进行的。输入处理时先接通 一次，测量工作电势，再短路一次，测量短路电势，两者相减即可消除外线路 影响。 ( 9 ) 非线性校正对于温度与热电势m v 数或热电阻。数值间的非线性关系 可通过折线近似或曲线拟合的方法加以校正。集散系统中采用折线处理时，通 常采用i o 段或更多的折线来逼近非线性曲线，用户只需根据需要正确设定组态 数据。采用曲线拟合法时，多采用高次方程。 ( 1 0 ) 开方处理对于平方特性的数据，例如节流式流量计的差压信号与 流量成平方关系，需进行开方处理，才能使信号与流量成线性关系。计算公式 如下： 尺= i o o x s q r t ( v 一1 ) 4 】 ( 2 3 ) 式中尺开方结果； 矿输入电压。 当输入信号低于1 以下时，进行零点切除。 ( 1 1 ) 热电偶开路检查测点在被切人之前，用一小电流流过模拟信号线、 多路切换电路和变换器，假如通过外电路的压降超过正常值，就表明热电偶己 经开路。 ( 1 2 ) 数据平滑处理数据平滑处理就是进行数字滤波，目的是克服随机 干扰引人的误差，常用的数字滤波算法有程序判断法、中位值法、算术平均滤 波、递推平均滤波、加权平均滤波、一阶惯性滤波和复合滤波等。 ( 13 ) 脉冲序列的瞬时值变换及累计对脉冲信号按计数速率大小线性转 换成瞬时值。脉冲累计是通过计数器实现的。数据采集单元每次扫描时从计数 器存储单元读取累积值，叠加到数据库的累加器中，进行总量累加，并执行累 加极限检查。计数器被“读 后即复位，从零开始计数。 2 输出处理 集散系统的输出一般分模拟量输出和开关量输出。模拟量输出时，c p u 算 出的数字结果再经d a 转换成4 2 0 m a 信号送端子板输出，在输出需限幅时可经 限幅处理。在d a 转换之前数据先与限幅信号作比较，正常时将输出送d a ，反 之将限幅值送d a 。在开关量输出时，由主机电路送出的数字信号，先存输出锁 l o 存器，再经驱动电路进行功率放大，去控制现场执行机构。通过组态，数字输 出可有三种不同的形式： ( 1 ) 瞬时输出式信号一消失，触点就断开。 ( 2 ) 延时输出式信号消失，延时一段时间后触点才断开。 ( 3 ) 锁定式输出触点闭合后，待下次信号来时才断开。 3 控制功能 控制部分是集散系统的核心。带微处理机的控制器按所具回路数的多少， 可分为单回路、双回路和多回路。多回路的控制器一般为1 6 、3 2 或6 4 个回路， 最多达至l j 4 0 0 个回路。按控制算法的数目从2 8 种、3 0 种到上百种，随着微机技术 和控制理论的发展，控制算法己达1 0 0 0 种以上，运算功能越来越强。控制方式 从早期只有连续控制功能的状况，己发展到普遍具有逻辑控制、顺序控制和批 量控制的功能。 ( 1 ) 连续控制严格说来，计算机控制全部是离散控制，但为区别于顺序 控制和逻辑控制，还是称它为连续控制。连续就是调节器的输出不断按输入信 号的变化进行p i e ) 等不同规律的控制，不间断地在修正输出值的大小。连续控制 算法一般有常规p i d 、微分先行p i d 、积分分离选择性控制、采样控制、自适应 控制、非线性控制、s m i t h 预估控制、多变量解祸控制等常规及高级控制算法， 此外还有模糊控制和p i d 自整定算法等智能控制算法。 ( 2 ) 逻辑控制根据输入变量的状态，按逻辑关系进行的控制制称为逻辑 控制。在集散系统中由逻辑块实现逻辑控制功能。逻辑辑运算包括a n d ( 与) 、 o r ( 或) 、x o r ( 异或) 、l i n k ( 连接) ，o f f d e l a y ( 停止延时) 、o nd e l a y ( 进 行延时) 、f l i p f l o p ( 触发器) 、p u l s e ( 脉冲) 等。逻辑块的输入变量包括数字 输人输出状态、逻辑块状态、计数器状态、计时器状态、局部故障状态、连续 控常i j s l o t 的操作方式和上位机的计数溢出状态。它可直接用于过程控制进行工 艺联锁，也可作为顺序控制中的功能模块，进行条件判断、状态变换等。 ( 3 ) 顺序控制顺序控制是根据预定顺序或逻辑，逐步进进行各阶段信息 处理的控制方法。在顺序控制中兼有连续控制、逻辑控制和输入输出监控的功 能。实现顺序控制的常用方法有顺序表法、程序语言方式和梯形图法等三种。 顺序表法是将控制顺序按逻辑关系和时间关系预先编成顺序记录，存储于管理 文件中，然后逐项执行。程序语言方式是通过语言编程来实现顺序控制的，所 采用的语言不是常用的f o r t r a n ，b a s i c 等高级语言，而是一种面向现场、面 向过模的简单直观的控制语言，例女h s t e p 3 0 0 中采用的是s t l 语言。梯形图法又 称梯形逻辑控制语言，它是由继电器逻辑电路图演变而来的一种解释执行程序 设计语言。它的书写方式易被控制工程师理解和接受，实现起来更方便，越来 超多地被采用。随着d c s 的发展已出现了梯形逻辑与连续控制算法相结合的复合 控制功能。 ( 4 ) 批量控制批量控制就是利用顺序程序，控制一个间断的过程以得到 规定的产品。例如配制生产一种催化剂溶液，需经投料、加放定量溶剂、搅拌、 加热控制到一定温度、保温规定时间，然后过滤排放。每步操作都不是连续的， 但有规定的要求，每一步的转移又都必须满足一定的条件。这里除了要进行常 规的温度，流量调节外，还需要执行打开阀门，启动搅拌等开关控制及计时判 断，因此要用顺序程序把这些操作按次序连接起来，定义每步操作的具体条件 和要求，直接指挥有关的现场控制设备，以得到满意的产品，因此可以认为， 批量控制是顺序控制的一种应用。 4 通讯功能 通讯功能是集散系统的重要支柱，执行分散控制的各单元以及各级人机接 口要靠通讯系统连成一体。这种在局部区域内使用各种数据通讯设备互连的通 讯网络称为局域网( l ：l o c a la r e an e t w o r k ) 。它是一个高通讯速率、低误码 率、决速响应的局部网络，具有组织灵活、易于扩展、资源共享的特点。然而 集散系统完成的是工业控制，因此它与一般的办公室用局部网路有所不同，应 具有如下恃点： ( 1 ) 具有快速的实时响应能力一般办公室自动化计算机局部网络响应时 间为2 6 s ，而它要求0 0 1 0 5 s 。 ( 2 ) 具有极高的可靠性必须连续，准确运行，数据传送误码率低于 1 0 1 0 一，系统利用率在9 9 9 9 9 以上。 ( 3 ) 适合于恶劣环境下工作：能抗电源干扰，雷击干扰，电磁干扰和地电 位差的干扰。 ( 4 ) 分层结构：为适应集散系统的分层结构，其通讯网络也必须具有分层 结构。例如分为现场总线，车间级网络系统，工厂级网络系统等不同层次。 集散系统中参加网络通讯的最小单位为结点，发送信号的源结点把信息进 行编码，然后送到传输介质( 通讯电缆) ，最后被接收这一信息的目的点接收。 而要保证众多结点之间数据合理传送，还须将通讯系统构成一定网络，并且遵 循一定的网络控制方法才能实现。 5 人机接口功能 按照现场控制器的连接方式，集散系统的人机接口可分为现场简易接口和 c r t 操作站两种：前者直接与现场控制器相连，后者是经过通讯网络和现场控制 器相连。简易操作接口使现场工作人员能对系统进行操作、监视和设定。c r t 操作站不是为某个现场控制器所专用，而是好几个控制器共享。c r t 将系统信 息集中地反映在屏幕上，并自动地对信息进行分析、判断和综合。操作站的主 要功能归纳起来有以下几个方面： ( 1 ) 极强的显示功能操作站除了对控制点、检测点以及状态点作详尽的 测量值、设定值、控制输出值、趋势曲线、开关状态、故障状态、手自动状态、 1 2 批量执行状态等的显示外，还具有流程图画面、维护检修画面、报警画面、故 障诊断画面等画面生成能力。流程图上还可调出多种窗口显示，大大方便了操 作。 ( 2 ) 报警功能操作站以画面方式、色彩( 或闪光) 方式、数字方式、模拟 方式或声光信号方式对各种参数越限或设备状态异常进行报警。 ( 3 ) 组态、操作功能操作站按设计要求对系统结点进行组态、编程，对 系统操作参数进行调整，对操作状态进行切换以及危急时的紧急处理。 ( 4 ) 报告生成功能根据生产管理需要，打印各种班、日、月报表及操作 日记、历史数据。 ( 5 ) 系统维护功能操作站在系统发生故障时可进行维修及排除故障提 示，乃至提供远方技术中心服务。 6 自诊断功能 为了提高集散系统的可靠性，延长系统的平均故障间隔时间( m t b f ) 和缩短 平均故障修复时间( m t ) ，集散系统的各装置具有较强的自诊断功能。系统 投运前用离线诊断程序检查各部分工作状态，系统投运中各设备不断执行在线 自诊断程序，一旦发现错误，即刻切换到备用设备：同时经过通讯网络在c l o t 上 显示出故障代码，等待及时处理。通常故障代码可以定位到插件板，用户只需 及时更换插卡即可解决常见故障。 7