DCS自动控制系统.ppt

DCS 即所谓的分布式控制系统 或在有些资料中称之为集散系统 是相对于集中式控制系统而言的一种新型计算机控制系统 它是在集中式控制系统的基础上发展 演变而来的 在系统功能方面 DCS和集中式控制系统的区别不大 但在系统功能的实现方法上却完全不同 什么是DCS自动化控制系统 不同 首先 DCS的骨架 系统网络 它是DCS的基础和核心 由于网络对于DCS整个系统的实时性 可靠性和扩充性 起着决定性的作用 它必须满足实时性的要求 即在确定的时间限度内完成信息的传送 其次 这是一种完全对现场I O 输入和输出通道 处理并实现直接数字控制 DOS 功能的网络节点 可以避免由于一个站点失效造成整个系统的失效 提高系统可靠性 也可以使各站点分担数据采集和控制功能 有利于提高整个系统的性能 DCS存在的前提 系统网络是DCS的工程师站 它是对DCS进行离线的配置 组态工作和在线的系统监督 控制 维护的网络节点 其主要功能是提供对DCS进行组态 配置工作的工具软件 即组态软件 并在DCS在线运行时实时地监视DCS网络上各个节点的运行情况 使系统工程师可以通过工程师站及时调整系统配置及一些系统参数的设定 使DCS随时处在最佳的工作状态之下 与集中式控制系统不同 所有的DCS都要求有系统组态功能 可以说 没有系统组态功能的系统就不能称其为DCS 电脑控制 电脑在线监控 DCS的发展历程 DCS自1975年问世以来 已经经历了二十多年的发展历程 在这二十多年中 DCS虽然在系统的体系结构上没有发生重大改变 但是经过不断的发展和完善 其功能和性能都得到了巨大的提高 总的来说 DCS正在向着更加开放 更加标准化 更加产品化的方向发展 作为生产过程自动化领域的计算机控制系统 传统的DCS仅仅是一个狭义的概念 而现在不仅包括过去DCS中所包含的各种内容 还向下深入到了现场的每台测量设备 执行机构 向上发展到了生产管理 企业经营的方方面面 DCS 集散控制系统的工作原理 DCS控制系统 DIstributedControlSystem 分散控制系统 是随着现代大型工业生产自动化的不断兴起和过程控制要求的日益复杂应运而生的综合控制系统 即所谓的分布式控制系统 或在有些资料中称之为集散系统 是相对于集中式控制系统而言的一种新型计算机控制系统 它是在集中式控制系统的基础上发展 演变而来的 它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统 综合了计算机 通信 显示和控制等4C技术 其基本思想是分散控制 集中操作 分级管理 配置灵活以及组态方便 集散控制系统及应用 一 集散控制系统的基本概念二 集散控制系统的基本结构三 DCS的基本组成部分四 DCS的特点五 DCS功能设计 集散控制系统的基本概念 集散控制系统是以微处理为基础的集中分散控制系统 它的主要特征是集中管理和分散控制 基本思路 霍尼韦尔公司 1 把集中的计算机控制系统分解为分散的控制系统 有专门的过程分散控制装置 在过程控制级各自完成过程中的部分控制和操作 2 从模拟电动仪表的操作习惯出发 开发人 机间良好的操作界面 用于操作人员的监视操作 3 为了使操作站与过程控制装置之间建立数据的联系 建立数据的通信系统 使数据能在操作人员和生产过程间相互传递 集散控制系统的基本结构 1 分散过程控制装置2 操作管理装置3 通信系统 基本思想是分散控制 集中操作 分级管理 配置灵活 组态方便 DCS的基本组成部分 1 面向被控制现场的现场I O控制站 2 面向操作人员的操作员站 3 面向DCS监督管理的工程师站 DCS操作员站主要功能是为系统的运行操作提供人机界面 使操作员可以通过操作员站及时了解现场运行状态 各种运行参数 是否有异常情况发生 DCS操作员站 DCS的特点 1 分级阶梯结构2 分散控制3 自治和协调性 系统具备开放的体系结构 可以提供多层开放数据接口 DCS功能设计 1 现场的数据采集功能2 监视报警功能3 日志管理服务器功能4 事故追忆功能5 时间顺序记录功能 SOE 6 二次高级计算功能7 DCS的人机界面 DCS功能设计 硬件系统在恶劣的工业现场具有高度的可靠性 维修方便 工艺先进 底层汉化的软件平台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 易于组态 易于使用 支持多种现场总线标准以便适应未来的扩充需要 系统的设计采用合适的冗余配置和诊断至模件级的自诊断功能 具有高度的可靠性 系统内任一组件发生故障 均不会影响整个系统的工作 系统的参数 报警 自诊断及其他管理功能高度集中在CRT上显示和在打印机上打印 控制系统在功能和物理上真正分散 DCS 整个系统的可利用率至少为99 9 系统平均无故障时间为10万小时 实现了核电 火电 热电 石化 化工 冶金 建材诸多领域的完整监控 域 的概念 把大型控制系统用高速实时冗余网络分成若干相对独立的分系统 一个分系统构成一个域 各域共享管理和操作数据 而每个域内又是一个功能完整的DCS系统 以便更好的满足用户的使用 CRT是一种使用阴极射线管 CathodeRayTube 的显示器 DCS功能设计 网络结构可靠性 开放性及先进性 在系统操作层 采用冗余的100Mbps以太网 在控制层 采用冗余的100Mbps工业以太网 保证系统的可靠性 在现场信号处理层 12Mbps的PROFIBUS总线连接中央控制单元和各现场信号处理模块 标准的Client Server结构 有的DCS的操作层采用Client Server结构 开放并且可靠的操作系统 系统的操作层采用WINDOWSNT操作系统 控制站采用成熟的嵌入式实时多任务操作系统QNS以确保控制系统的实时性 安全性和可靠性 标准的控制组态软件 系统采用IEC61131 3标准的控制组态工具 可以实现任何监测 控制要求 可扩展性和可裁剪性 保证经济性 模糊PID 一模糊控制概论二经典PID控制三模糊PID控制四应用 基于DCS系统的热水锅炉模糊PID控制系统 一 模糊控制概论 什么叫模糊控制 所谓模糊控制 就是对难以用已有规律描述的复杂系统 采用自然语言 如大 中 小 加以叙述 借助定性的 不精确的及模糊的条件语句来表达 模糊控制是一种基于语言的一种智能控制 为什么采用模糊控制 传统的自动控制控制器的综合设计都要建立在被控对象准确的数学模型 即传递函数模型或状态空间模型 的基础上 但是在实际中 很多系统的影响因素很多 很难找出精确的数学模型 这种情况下 模糊控制的诞生就显得意义重大 因为模糊控制不用建立数学模型不需要预先知道过程精确的数学模型 工作原理 把由各种传感器测出的精确量转换成为适于模糊运算的模糊量 然后将这些量在模糊控制器中加以运算 最后再将运算结果中的模糊量转换为精确量 以便对各执行器进行具体的操作控制 在模糊控制中 存在着一个模糊量和精确量之间相互转化的问题 模糊控制原理图 s 系统的设定值 x1 x2 模糊控制的输入 精确量 X1 X2 模糊量化处理后的模糊量 U 经过模糊控制规则和近似推理后得出的模糊控制量 u 经模糊判决后得到的控制量 精确量 y 对象的输出 工作步骤 输入量模糊化建立模糊规则进行模糊推理输出量反模糊 模糊控制的特点 适用于不易获得精确数学模型的被控对象是一种语言变量控制器从属于智能控制的范畴 该系统尤其适于非线性 时变 滞后系统的控制抗干扰能力强 响应速度快 并对系统参数的变化有较强的鲁棒性 模糊控制规则及控制算法 模糊控制规则是人们用于描述其控制经验的语句 这种语句采用形式逻辑所采用的传统格式 但是在这些条件语句中 前件和后件都是模糊词 所以 这些条件语句就成了模糊条件语句 从而也较恰当地反映了人们的控制经验 用于叙述人们经验的基本语句结构有三种形式 它们分别反映了三种基本的推理 1 A B 结构这种推理是一种最简单的蕴含关系 在语言表达时表示为 若A则B 即有 ifAthenB2 A B V A C 的结构这种推理较之前一种复杂 这种蕴含关系在用语言表达时叙述为 若A则B 否则C 即有 ifAthenBelseC3 A B C 结构这种推理的前件有两个零件 这种蕴含关系在语言表达时叙述为 若A且B 则C 即有 ifAandBelseC 模糊控制规则的生成 模糊控制规则是对系统控制经验总结 这些经验用模糊条件语句来表述 模糊控制规则的生成有四种方法 如下 1 模拟专家经验或过程控制知识生成控制规则 2 根据过程的模糊模型生成控制规则 3 根据对手工控制操作的观察和测量生成控制规则 4 根据学习算法生成控制规则 因为这种方法较为简单 应用较广 行之有效专家经验是以语言描述一个控制过程的 例如对于一个空调制冷控制系统 专家经验可表示为下列模糊规则 如果温度过高 则马达置于快速档上 如果温度较高 则马达置于较快速档上 如果温度恰当 则马达置于中速档上 如果温度凉 则马达置于低速档上 这种语言的控制经验很容易用 if then 这种条件语句夹表示 结论 实行模糊控制要进行三个方面的工作 精确量的模糊化 把语言变量的语言值化为某适当论域上的模糊子集 模糊控制算法和设计 通过一组模糊条件语句构成模糊控制规则 并计算模糊控制规则决定的模糊关系 输出信息的模糊判决 并完成由模糊量到精确量的转化 四应用 基于DCS系统的热水锅炉模糊PID控制系统 基于DCS系统的热水锅炉模糊PID控制系统 在某热力公司46MW热水锅炉的燃烧控制改造工作中 在原有DCS系统中采用了复合模糊PID控制器进行锅炉出水温度的控制 解决了外界气温变化与锅炉燃烧实时调节的矛盾 并在工程中实际应用 取得了较好的控制效果 原有集中供热自控系统存在的问题 此集中供热中心始建于1997年 有5台设计总容量为275T H的热水锅炉 其中3台65T H 2台40T H 新增1台90T H 控制系统以出水温度信号为被调量 通过单台热水锅炉的燃烧控制系统的炉排给煤控制 送风控制和负压控制系统 以及补水定压控制系统 达到出水温度的控制 使用至今 已不能满足供热的要求 特别是温度控制系统温控精度低 消耗煤炭量大 根据锅炉运行的控制要求 在原有DCS系统SUPMAX 500集散控制系统中实现锅炉燃烧的智能控制 在炉排转速控制中结合模糊控制与PID控制的优点 采用模糊PID算法实现锅炉出水温度的控制 设计思路 根据锅炉运行的控制要求 在原有DCS系统SUPMAX 500集散控制系统中进行改造 将原来的PID控制改进为模糊PID复合控制 采用模糊PID切换控制策略 在误差大于最大误差量程的7 时 采用模糊控制算法 误差小于7 时 采用PID控制算法 这样既克服了传统PID控制响应慢的缺点 又克服了模糊控制不精确的缺点 使系统稳定可靠 提高了系统的整体性能 锅炉出水温度控制的方法和要求 热用户生活舒适的需求就是对室内温度恒定的需求 由供水温度TG决定 室外温度为 10 4 时 在一定供热面积情况下对热网供水温度进行调节 随着室外温度的降低 逐渐提高供水温度至130 经过公司多年热力运行的数据得出供水温度TG与室外温度Tw之间有如下关系 TG 90 4TW 1 为了在不同的室外温度TW下 供水温度TG满足上式 通过调节炉排转速 鼓引风配比等因素控制锅炉燃烧来实现 模糊控制算法及其实现 1 确定模糊控制结构 在每个燃烧周期 根据出水口温度测量值和由式1计算出的设定温度TG对比 求出温度偏差e以及每个周期的温度偏差的变化ec作为模糊控制的2个输入量 炉排转速的百分比 MV 作为输出量 形成双输入单输出模糊控制结构 2 确定各变量的模糊集 误差E的模糊量取7个 即PB PM PS Z0 NS NM NB 分别表示正大 正中 正小 零 负小 负中 负大 量化到整数论域为 E 3 2 1 0 1 2 3 由于温度变化缓慢 由观察所得 确定温度变化率 E取0 2 E的模糊量取7个 即PB PM PS 0 NS NM NB 分别表示正大 正中 正小 零 负小 负中 负大 量化到整数论域为 EC 3 2 1 0 0 1 2 3 输出炉排速度U的模糊量取7个 即PB PM PS 0 NS NM NB 分别表示正大 正中 正小 零 负小 负中 负大 量化到整数论域为 U 7 6 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 6 7 在设定温度上下分别取6个偏离值将温度模糊分割为7个区域 形成出水口温度的模糊集 T LL T LM T LH T NM T HL T HM T HH 然后再依据燃烧周期把每个周期温度变化在0值左右分别取6个偏离值 以便将温度变化率模糊分割为温度变化模糊集 BT LL BT LM BT LH BT NM BT HL BT HM BT HH 3 确定各变量的论域 根据该锅炉具体情况 温度的论域换算百分数 差值设置为 3 2 1 0 1 2 3 温度变化的论域设置为 0 06 0 01 0 005 0 0 005 0 01 0 06 炉排转速调节炉排转速增量的论域 设置为 2 1 0 5 0 0 5 1 2 4 建立模糊控制规则 模糊推理依据模糊语言规则进行 根据当前出水口温度和温度变化通过模糊条件语句确定模糊控制规则 5 模糊变量赋值 根据隶属度函数确定出水口温度 温度变化与炉排转速变化的隶属度赋值表 6 建立控制规则表 根据模糊控制规则以及最大隶属度方法 将控制量由模糊量变为精确量 即炉排转速变化的百分值 锅炉控制规则见表1 7 在每个燃烧周期 根据当前出水温度设定值 通过查表的方法确定炉排转速的增量 使用组态语句可以实现炉排转速的模糊控制 设 PC为误差 CPC为误差变化率 BSC 0 MV为炉排1转速的阀度 BSC 99 MV为中间值表示转速阀度