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海南逸盛石化有限公司仪电部叶理弟,DCS集散型控制系统介绍,1,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,2,一、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。,3,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,4,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,5,我们可以把上述过程引申如下：,DCS的概念,6,7,8,DCS控制器,9,10,海南逸盛石化控制室布置图,11,二、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,12,1、自动控制技术的发展,机械仪表时代气动仪表时代,13,1、自动控制技术的发展(续),电动仪表时代,14,1、自动控制技术的发展(续),计算机控制时代,15,2、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),16,DDC计算机集中控制系统,17,SCC计算机监督控制系统,18,DCS计算机分级控制系统,19,DCS控制系统的特点,A：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,20,FCS现场总线控制系统,21,什么是现场总线,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。,22,现场总线设备的连接方式,控制系统,23,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,24,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1,25,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,控制器,控制系统网络,现场总线带来的好处2,26,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3,27,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4,28,三、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；,29,典型DCS架构图,过程管理级,过程控制级,现场级,操作站,工程师站,30,a)现场级,1、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,31,b)过程控制级,1、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,32,c)过程管理级,1、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,33,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,34,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。,35,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。,、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，一般希望它能在：到：之间。、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。值也就是被控变量在扰动后的稳态值与给定值之差。、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。即图中的值。、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。、振荡周期被控变量相邻两个波峰之间的时间叫振荡周期。,36,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。,37,简单控制系统的设计原则,被控变量的选择原则,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。满足工艺的合理性具有尽可能大的灵敏度且线形好测量变送装置的滞后小。,38,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,39,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扰动通道放大倍数为f的大小表征了操纵变量对被控变量的影响程度f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f越小越好，控制通道放大倍数希望适当大些，以使控制通道灵敏些。,40,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f，纯滞后为f,对扰动通道特性的影响,f,f,41,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o，纯滞后时间为o,时间常数O小，反映灵敏，控制及时，有利于克服干扰的影响,时间常数O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0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。,42,简单控制系统的设计原则,操纵变量的选择原则要构成的控制系统，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。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。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。,43,调节器的正反作用,44,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PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。,45,比例（P）控制比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-stateerror）。式中u调节器输出；u0偏差为零时的调节器的输出，即工作点；Kp调节器的放大倍数；e偏差，给定值与测量值之差。,Kp增大,46,积分（I）控制在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（SystemwithSteady-stateError）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。式中u调节器输出；u0偏差为零时的调节器的输出，即工作点；Kp调节器的放大倍数；e偏差，给定值与测量值之差。,47,Ti为积分时间.下图是偏差e作阶跃变化时,比例积分调节器输出的响应曲线,当T=Ti时,积分作用的输出mi与比例作用的输出mp相等。,48,微分（D）控制在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+积分+微分(PID)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。,49,PID参数对调节过程品质的影响,比例作用Kp增大，系统振荡增强，稳定性下降Kp增大，系统静差减小，但不能消除静差Kp无延时环节，快速性好，响应快积分作用Ti减小，积分作用增强，可消除静差Ti减小，系统振荡增强，稳定性下降有延时环节，快速性下降微分作用Td增大，系统振荡减弱，稳定性增强Td增大，调节时间减小，快速性增强不能消除系统余差,50,PID控制器的参数整定PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。二是工程整定方法。PID控制器参数的工程整定,只能先大致设定一个经验值，然后根据调节效果修改，各种调节系统中P.I.D参数经验数据以下可参照：温度系统：P（%）20-60，I（分）3-10，D（分）0.5-3流量系统：P（%）40100，I（分）0.1-1压力系统：P（%）30-70，I（分）0.4-3液位系统：P（%）20-80，I（分）1-5,51,常用复杂控制系统,1、串级控制系统（系统的基本概念、特点、系统的设计、系统的应用场合及应用中的问题）2、比值控制系统（系统的基本概念、常用的比值控制方案及系统的设计）3、前馈控制系统（前馈控制系统的基本概念、系统的几种结构形式及系统的应用场合）4、均匀控制系统（系统的概念、控制方案）5、分程控制系统（系统的基本概念、系统的应用中的几个问题）6、选择性控制系统（基本概念、系统的应用、积分饱和及其防止）,52,1、串级控制系统,基本原理及结构在多回路控制系统中，有两个被控过程、两套测量变送装置、两台控制器和一个控制阀构成的系统称为串级控制系统。,53,串级控制系统工作过程,扰动作用副回路,扰动作用主回路,气开,反,反,54,串级控制系统的特点,在系统特性上，串级控制系统由于副回路的引入，改善了对象特征，使控制过程加快，具有超前控制的作用。,单回路控制系统,串级控制系统,55,在系统结构上，串级控制系统有两个闭合回路：主回路和副回路；有两个控制器：主控制器和副控制器；有两个测量变送器。,串级控制系统的特点,定值控制系统,随动控制系统,56,串级控制系统的设计,串级控制系统副参数的选择及副回路的设计,主副变量间应有一定的内在联系系统的主要干扰应包围在副回路中在可能的情况下，应使副环包围更多的次要干扰副变量的选择应考虑主副对象时间常数的匹配，防止共振的发生当对象具有较大的纯滞后而影响控制质量时，在选择副变量时应使副环尽量少包含纯滞后或不包含纯滞后,57,串级控制系统适应场合,被控对象的控制通道纯滞后时间较长，用单回路控制系统不能满足质量指标,对象容量滞后比较大，用单回路控制系统不能满足质量指标,控制系统内存在变化激烈且幅值很大的干扰,被控对象具有较大的非线性，而负荷变化又较大,58,2、比值控制系统,比值控制系统-实现两个或两个机上参数符合一定比例关系的控制系统,主物料-处于主导地位的物料表征该物料的参数为主动量F1（主流量）从物料-随主物料的变化呈比例的变化的另一种物料表征该物料的参数从动量F2（副流量）,流量比值,副流量,主流量,59,比值控制系统的类型,单闭环比值控制系统,特点-两种物料流量之比较为精确，系统结构简单，实施方便。不足-两种物料的总量（F1F）不固定。,60,比值控制系统的类型,单闭环比值控制系统与串级控制系统比较,副对象,设定值,干扰,测量变送,副控制器,主对象,干扰,测量变送,设定值,主变量,61,双闭环比值控制系统,比值控制系统的类型,特点-两种物料流量之比精确，其总量（F1F）基本保持不变。不足-系统结构比较复杂，使用的仪表较多，投资较大，系统调整比较复杂。使用场合-主流量干扰频繁，工艺不允许有较大波动或工艺上经常需要提升负荷的场合。,62,变比值比值控制系统,比值控制系统的类型,T,F2,F1,特点-两种物料流量的比值能灵活地随第三变量的需要而变化。,63,比值控制系统的设计,主、从动量的确定,控制方案的选择,比值系数的计算,生产过程中主要物料的流量为主动量，次要物料的流量为从动量。两物料中有一个物料的量为可测但不可控为主动量，可控的物料为从动量。,根据各控制方案的特点及工艺的具体情况而确定。,流量比值,信号比值,非线性关系,线性关系,64,3、前馈控制系统,前馈控制系统与反馈控制比较,前馈控制比反馈控制及时有效前馈控制属于开环控制系统，反馈控制是闭环控制系统前馈控制使用的实施对象特性而定的专用控制器，反馈控制采用通用PID控制器一种前馈作用之能克服一种干扰，反馈控制只用一个控制器就可克服多个干扰,65,前馈控制系统的应用场合,系统中存在着可测但不可控的变化幅度大，且频繁的干扰，这些干扰对被控参数影响显著，反馈控制达不到质量要求时。,当控制系统的控制通道滞后时间较长，由于反馈控制不及时影响控制质量时，可采用前馈或前馈反馈控制系统。,66,4、均匀控制系统,均匀控制系统的基本概念,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。,67,均匀控制系统,小结：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。,构成均匀控制系统，液位和流量两个参数的变化应满足如下要求：,1.两个参数在控制过程中都应该是变化的，且变化是缓慢的。,2.两个参数必须在允许的范围内变化，均匀控制要求在最大干扰作用下，液位在塔釜的上下限内波动，而流量应在一定的范围内平稳渐变，避免对后段工序产生较大的干扰。,68,均匀控制系统,简单均匀控制系统,特点-结构与单回路液位控制系统相同控制规律采用纯比例控制参数整定比例度大于100%,69,均匀控制系统,串级均匀控制系统,特点：结构与串级控制系统完全相同副环流量控制与串级副环相同副环参数整定与串级对副环的要求相同主控制器与简单均匀控制要求相同主、副控制器一般都采用纯比例控制规律,70,5、分程控制系统,由一个控制器的输出信号分段分别去控制两个或两个以上控制阀动作的系统称为分程控制系统,71,分程控制系统,分程控制方案中，阀的开闭形式，可分同向和异向两种,气开,气闭,72,分程控制系统的应用,用于扩大控制阀的可调范围,例1,可调比：阀所能控制的最大流量与最小流量之比,若忽略大阀的泄露则其最小流通量为：,最大流通能力为：,+,所以两个阀组合在一起的可调范围扩大到：,73,分程控制系统的应用,用于控制满足工艺上操作的特殊要求,例2,间歇式反应器的温度分程控制,气开,气关,反,74,分程控制系统的应用,例3,用于控制满足工艺上操作的特殊要求,75,6、选择性控制系统,选择性控制系统-当生产操作趋向限制条件时，一个用于控制不安全工况的控制方案将取代正常情况下的控制方案，直到生产操作重新回到安全范围以内恢复原控制方案为止。选择性控制系统设有两个控制器（或多个变送器）由选择器选择出能适应生产安全状况的控制信号，实现对生产过程的自动控制。,76,选择性控制系统的应用,液氨蒸发器（利用液氨的汽化需要吸收大量热量来冷却流管内物料）,例1,77,积分饱和及其防止,一个具有积分作用的控制器，当其处于开环工作状态时，如果偏差输入信号一直存在，那么由于积分作用的结果，将使控制器的输出不断增加或不断减小，一直达到输出的极限值并保持在此极限值上，而控制器暂时丧失了控制功能的现象，称为“积分饱和”现象。,产生积分饱和的原因,1、控制系统中控制器具有积分控制规律；2、控制器输入偏差长期存在得不到补偿。,78,防止积分饱和方法,1、限幅法通过专门的技术措施对积分反馈信号加以限制（电动型仪表、电动型仪表中有专门设计的限幅控制器2、外反馈法在控制器处于开环状态时，借用其它相应信号对控制器进行积分外反馈来限制积分的作用3、积分切除法在控制器处于开环工作状态时，就将控制器的积分作用切除掉,79,五、ESD介绍,第一节ESD简介,一、什么是ESD？为什么要用ESD?ESD是英文EmergencyShutdownDevice紧急停车系统的缩写。这种专用的安全保护系统。是90年代发展起来的，以它的高可靠性和灵活性而受到一致好评。ESD紧急停车系统按照安全独立原则要求，独立于DCS集散控制系统，其安全级别高于DCS。在正常情况下，ESD系统是处于静态的，不需要人为干预。作为安全保护系统，凌驾于生产过程控制之上，实时在线监测装置的安全性。只有当生产装置出现紧急情况时，不需要经过DCS系统，而直接由ESD发出保护联锁信号，对现场设备进行安全保护，避免危险扩散造成巨大损失。据有关资料显示，当人在危险时刻的判断和操作往往是滞后的、不可靠的，当操作人员面临生命危险时，要在60s内做出反应，错误决策的概率高达99.9%。