集散控制系统工程设计

合肥学院合肥学院 HEFEI UNIVERSITY 集散控制系统的工程设计 班班 级 级 0909 自动化 自动化 1 1 班 班 姓姓 名 名 学学 号 号 09050750140905075014 指导教师 指导教师 丁丁 健健 完成时间 完成时间 2012 11 262012 11 26 1 集散控制系统的工程设计集散控制系统的工程设计 摘要 摘要 现代科学技术领域中 计算机技术和自动化技术被认为是发展较快 的两个分支 工业自动化根据生产过程的特点可分为过程控制和制造工业自动 化及自动化测量系统 过程控制自动化是以流程工业为对象 流程工业自动化 控制一般采用集散控制系统 DCS 本文首先分析了集散控制系统的组成 集散 控制系统的特点 DCS 系统的硬件结构 其次介绍 DCS 系统选型及其硬件配 置说明 DCS 系统的抗干扰措施 电源系统的干扰及应采取的措施 电磁干扰 及应采取的措施 信号线的传送干扰及应采取的措施 然后介绍了 DCS 系统软 件组态 最后进行了实例分析 关键词 关键词 DCS 控制系统 系统选型 电源系统的干扰 DCS 系统软件组态 常压系统控制 一 一 DCSDCS 控制系统介绍控制系统介绍 集散控制系统 Distributed control system 是以微处理器为基础的对生产 过程进行集中监视 操作 管理和分散控制的集中分散控制系统 简称 DCS 系 统 该系统将若干台微机分散应用于过程控制 全部信息通过通信网络由上位 管理计算机监控 实现最优化控制 整个装置继承了常规仪表分散控制和计算 机集中控制的优点 克服了常规仪表功能单一 人机联系差以及单台微型计算 机控制系统危险性高度集中的缺点 既实现了在管理 操作和显示三方面集中 又实现了在功能 负荷和危险性三方面的分散 DCS 系统在现代化生产过程控 制中起着重要的作用 1 集散控制系统的组成 现场控制级 又称数据采集装置 主要是将过程非控变量进行数据采集和预处理 而且 对实时数据进一步加工处理 供 CRT 操作站显示和打印 从而实现开环监视 并将采集到的数据传输到监控计算机 输出装置在有上位机的情况下 能以开 关量或者模拟量信号的方式 向终端元件输出计算机控制命令 这一个级别直接面对现场 跟现场过程相连 比如阀门 电机 各类传感 器 变送器 执行机构等等 它们都是工业现场的基础设备 同样也是 DCS 的 基础 在 DCS 系统中 这一级别的功能就是服从上位机发来的命令 同时向上 2 位机反馈执行的情况 至于它与上位机交流 就是通过模拟信号或者现场总线 的数字信号 由于模拟信号在传递的过程或多或少存在一些失真或者受到干扰 所以目前流行的是通过现场总线来进行 DCS 信号的传递 过程控制级 又称现场控制单元或基本控制器 是 DCS 系统中的核心部分 生产工艺的 调节都是靠它来实现 比如阀门的开闭调节 顺序控制 连续控制等等 上面说到现场控制级 那么给它发号施令的就是过程控制级了 它接受现 场控制级传来的信号 按照工艺要求进行控制规律运算 然后将结果作为控制 信号发给现场控制级的设备 所以 过程控制级要具备聪明的大脑 能将 士兵 反馈的军情进行分析 然后做出命令 以使 士兵 能打赢 战争 这个级别不是最高的 相当于军队里的 中尉 它也一样必须将现场的情 况反馈给更高级别的 上校 也就是下面讲的过程管理级 过程管理级 DCS 的人机接口装置 普遍配有高分辨率 大屏幕的色彩 CRT 操作者键 盘 打印机 大容量存储器等 操作员通过操作站选择各种操作和监视生产情 况 这个级别是操作人员跟 DCS 交换信息的平台 是 DCS 的核心显示 操作跟 管理装置 操作人员通过操作站来监视和控制生产过程 可以通过屏幕了解到 生产运行情况 了解每个过程变量的数字跟状态 这一级别在军队中算是很高 的 上校 了 它所掌握的 大权 可以根据需要随时进行手动自动切换 修改设 定值 调整控制信号 操纵现场设备 以实现对生产过程的控制 经营管理级 又称上位机 功能强 速度快 容量大 通过专门的通信接口与高速数据 通路相连 综合监视系统各单元 管理全系统的所有信息 这是全厂自动化系统的最高一层 只有大规模的集散控制系统才具备这一 级 相当于军队中的 元帅 他们所面向的使用者是厂长 经理 总工程师等 行政管理或运行管理人员 它的权限很大 可以监视各部门的运行情况 利用历史数据和实时数据预 测可能发生的各种情况 从企业全局利益出发 帮助企业管理人员进行决策 帮助企业实现其计划目标 2 集散控制系统的特点 DCS 控制系统与常规模拟仪表及集中型计算机控制系统相比 具有很显著 的特点 1 系统构成灵活 从总体上看 DCS 就是由各个工作站通过网络通信系统 组网而成的 你可以把他现象成 因特网 根据生产需求 你可以随时加入或 者撤去工作站 系统组态很灵活 3 2 操作管理便捷 DCS 的人机反馈都是通过 CRT 跟键盘 鼠标等实现的 你可以想象成在因特网冲浪一样 你可以监视生产装置乃至整个工厂的运行情 况 3 控制功能丰富 原先用模拟控制回路实现的复杂运算 通过高精度的微 处理器来实现 难道还有什么算法 CPU 实现不了的吗 4 信息资源共享 你可以把工作站想象成因特网上的各个网站 只要你在 DCS 系统中 并且限够大 你就能了解到你要的任何参数 5 安装 调试方便 相比原先的模拟控制系统 那么多的飞线头 一大堆 类似头发丝的电线 DCS 系统算是很方便了 3 DCS 系统的硬件结构 DCS 的硬件系统主要由集中操作管理装置 分散过程控制装置和通信接口 设备等组成 通过通信网络将这些硬件设备连接起来 共同实现数据采集 分 散控制和集中监视 操作及管理等功能 现场控制站 现场控制站中的主要设备是现场控制单元 现场控制单元式 DCS 直接与生 产过程进行信息交互的 IO 处理系统 它的主要任务是进行数据采集及处理 对 被控对象实施闭环反馈控制 顺序控制和批量控制 用户可以根据不同的应用 需求 选择配置不同的现场控制单元构成现场控制站 它可以是以面向连续生 产的过程控制为主 辅以顺序逻辑控制 构成的一个可以实现多种复杂控制方 案的现场控制站 也可以是以顺序控制 连锁控制功能为主的现场控制站 还 可以是一个对大批量过程信号进行总体信息采集的现场控制站 现场控制站是一个可以独立运行的计算机检测控制系统 由于它是专为过 程检测 控制而设计的通用型设备 所以其机柜 电源 输入输出通道和控制 计算机等 与一般的计算机系统有所不同 二 二 DCS 系统选型及其硬件配置说明系统选型及其硬件配置说明 1 DCS 系统选型 系统选型涉及到多方面的技术问题 可以概括成以下原则 可靠性原则 实用性原则 先进性原则 经济性原则 目前国内比较有代表性的 DCS 厂家主 要有浙江中控技术股份有限公司 上海新华控制技术有限公司 北京和利时系 统工程股份有限公司 以浙江中控的 SUPCON JX 300X 系统控制工业锅炉为例 2 DCS 系统 SUPCON JX 300X 该 DCS 系统由工程师站 操作站 控制站 过程控制网络等组成 4 1 工程师站是为专业工程技术人员设计的 内装有相应的组合平台和系 统维护工具 通过系统组态平台生成适合于生产工艺要求的应用系统 具体功 能包括 系统生成 数据库结构定义 操作组态 流程画面组态 报表程序编 制等 而使用系统的维护工具软件实现过程控制网络调试 故障诊断 信号调 校等 2 操作站是由于工业 PC 机 CRT 键盘 鼠标 打印机等组成的人机系 统 是操作人员完成过程监控管理任务的环境 高性能工控机 卓越的流程图 机能 多窗口画面显示功能可以方便地实现生产过程信息的集中显示 集中操 作和集中管理 3 控制站是系统中直接与现场打交道的 I O 处理单元 完成整个工业过 程的实时监控功能 控制站可冗余配置 灵活 合理 在同一系统中 任何信 号均可按冗余或不冗余连接 详见卡件描述 对于系统中重要的公用部件 建 议采用 100 冗余 如主控卡件 数据转发卡和电源箱 4 过程控制网络实现工程师站 操作站 控制站的连接 完成信息 控 制命令等传输 双重化冗余设计 使得信息传输安全 高速 10 3 系统整体结构 JX 300X DCS 采用三层通信网络结构 如图 1 示 最上层为信息管理网 采用符合 TCP IP 协议的以太网 连接了各个控制装 置的网桥以及企业内部各类管理计算机 用于工厂级的信息传递和管理 是实 现全厂综合管理的信息通道 中间层为过程控制网 名称为 Scnet 采用了双高峰冗余工业以太网 Scnet 作为其过程控制网络 连接操作站 工程师站和控制站等 传输各种实 时信息 底层网络为控制站内部网络 名称为 SBUS 采用主控制卡指挥式令牌网 存储转发通信协议 是控制站各卡件之间进行信息交换的通道 作为典型的通信系统 JX 300X 系统有如下类型的节点 现场过程控制设备节点 操作监视设备节点 智能设备的通信接口节点 工程师站 高级计算机站 5 工程师站操作员站 现场控制站现场数据 采集站 现场控制站 SCnet 图 1 JX300X 系统结构图 4 系统性能 4 1 工作环境 工作温度 0 50 存放温度 40 70 湿度 50 时 5 15 4 2 电源性能 控制站 双路供电 85 264VAC 47 400Hz 最大 600W 功率因数校正 操作站 工程师站和多功能站 200 250VAC 50Hz 最大 500W 4 3 接地电阻 在普通场合接地电阻不大于 4 在变电所 电厂及有大型用电场合接地 电阻不大于 1 4 4 电磁兼容性 电磁兼容性 EMC 是指设备在其电磁环境中正常工作且不在环境中其他事 物构成不能承受的电磁干扰能力 电磁兼容干扰 EMI 和电磁敏感度 EMS 两方面 系统完全按照工业环境的通用抗干扰型标准设计 并经严格测试 使系统 在抗干扰方面有很大的提高 完全能满足恶劣电磁环境下的工作要求 6 三 三 DCS 系统的抗干扰措施系统的抗干扰措施 系统生产过程中 各种设备复杂 各种等级的电缆较多 常会出现干扰现 象 产生干扰的原因主要有电磁感应 静电感应 雷击 接地电位的不同 感 应负载以及输入输出信号线路传输等 由此给电源 信号线 接地线 I O 设 备以及计算机本身加上干扰 如果 DCS 系统抗干扰问题解决不好 系统就无法 可靠稳定地运行 1 电源系统的干扰及应采取的措施 在供电回路中采用隔离变压器使 DCS 系统接地与动力强电系统地独立开来 由于强电接地点与 DCS 系统接地点所处的电位不一定相等 易产生共模电源干 扰 所以从抗共模干扰角度来看 DCS 接地系统应为独立接地系统 采用 UPS 电 源可作为 DCS 系统的备用电源 以免计算机系统数据丢失和控制系统失灵引起 事故发生 而且还可以防止生产现场的纹波和尖峰干扰 以及断电影响 2 电磁干扰及应采取的措施 电磁感应产生地磁场干扰 会造成变速器不能正常工作 也会造成显示器 画面摆动 色斑颜色纯度变化 有时甚至破坏计算机的磁盘内存存储的内容 造成 DCS 系统瘫痪不能运行 解决电磁干扰的措施是 DCS 系统设备要远离产生磁场的设备 与磁场相 隔离 一般 DCS 系统的输入输出转换组件 通讯组件 控制站微处理器组件等 要安装在带通风装置的铁皮柜内 铁皮柜的屏蔽作用增强了控制系统抗干扰的 能力 3 信号线的传送干扰及应采取的措施 DCS 控制系统控制对象是工业生产中的温度 压力 流量等参数 这些参 数的检测都是通过热电阻 热电偶 变送器等转换后进入 DCS 系统的 为了防 止在线路传输过程中产生干扰 一般用屏蔽电缆 敷设时尽量不与动力电缆靠 近或平行敷设 并应远离大功率变压器等感性负载 四 四 DCS 系统软件组态系统软件组态 1 集散控制系统组态概念 集散控制系统 Distributed Control System DCS 是一种以微处理器 为基础的分散型综合控制系统 DCS 综合计算机技术 网络通讯技术 自动控 制技术 冗余及自诊断技术等先进技术 目前已成为工业过程控制的主流系统 7 由于 DCS 的通用性 系统的许多功能及匹配参数需要根据具体要求由用户 设定 例如 系统采集什么样的信号 采用何种控制方案 怎样控制 操作时 需要显示什么样的数据 如何操作等等 另外 为适应各种特定的需要 集散 控制系统备有丰富的 I O 卡件 各种控制模块及多种操作平台 用户一般根据 自身的要求选择硬件设备 有关系统的硬件设备的配置情况也需要用户提供系 统 系统一般具有良好的数据接口 当需要与其它系统进行数据通讯时 用户 还需要将系统所采用的协议 使用的端口告诉控制系统 以上需要用户为系统 设定各项操作即所谓的 系统组态操作 2 软件组态实现的功能 1 实时监控功能 通过人机界面 准确及时了解工艺参数 及时提供越限 报警 故障信息和历史记录 使操作员实时的进行监控 2 锅炉工段的自动控制 对于本工段的控制回路只有本工段的操作站可以 对其进行操作 其它工段的操作站只能监视而不可操作 3 DCS 系统基本配置组态 DCS 组态工作的内容主要包括 系统组态 数据库组态 控制策略组态 流程图组态 报表组态等 硬件部分设计完成后即可进行软件组态 首先进入系统组态软件 在总体 信息下完成系统单元的组态 系统单元主要是构建控制站和操作站 针对本工 段 DCS 系统而言 控制站中需要添加两个主控制卡 一个作为工作卡 另一个 作为冗余卡 然后进行控制组态的设计 控制组态主要包括 I O 组态和常规控制方案两 项内容 I O 组态首先要添加数据转发卡 添加了数据转发卡后 就要进行 I O 卡件的设计 需要进行卡件及其通道信号的添加 输入输出卡件和信号点添加 完毕后要对信号点进行设置 包括该检测参数的量程 工程单位 信号类型等 信息 而输出信号则要注明该信号的信号制和阀特性 常规控制方案即是对控制回路进行设置 包括控制方案 输入输出信号 串级控制系统还需要分别对主回路和副回路的输入信号进行设置 操作组态的主要内容有标准画面和流程图 其中标准画面又包括系统总貌 趋势曲线 控制分组和数据一览 系统总貌 操作组态是为了更好的服务于操 作员对生产过程的监控和调节 系统总貌画面是监控操作画面的总目录 主要 用于显示重要的过程信息 或作为索引画面用 在完成标准设置后 我们还需要绘制流程图 它是我们对整个组态系统的 真实反映 在流程图上的仿真 使很大程度上的的数据和控制过程都可以呈现 8 在我们面前 我们也可以更加方便 直观的了解反应情况 从而更加完善组态 系统 流程图主要包括静态图形 和动态参数 静态图形类似于设备连接等 动 态参数是真实反应的数据 通过在流程图上的观察与判断 我们可以判断合成 过程是否和预计的一样 提高了反应的安全系数的同时 降低了出现错误的可 能 完成软硬件的设计后还要考虑整个系统的安全性 主要包括电源和接地 DCS 系统的供电要求电压稳定 频率稳定 不间断 无干扰供电 因此 在从 外部提供两路独立的供电输入的同时 还应设置不间断电源供电系统 UPS 当 电源失电时 UPS 将向系统供电 除了电源 接地也是 DCS 系统的一项必不可 少的环节 要求系统安全接地以及信号接地 五 集散控制系统在常减压装置中的应用五 集散控制系统在常减压装置中的应用 5 1 常减压系统流程介绍 原油由原油罐输出 经过常压一线 常压二线和常压中段回流 经过换热 器 把原油加热 然后经过混合阀注水进入一级电脱盐罐 再经过二号混合阀 注水 进入二级电脱盐罐 使原油脱盐脱水 有利于产品质量的调节 便于以 后的加工程序操作 从脱盐罐出来的原油与二次常底油换热进入闪蒸塔 除去 原油里面的剩余水分 分馏出原油里面的轻油组分 闪顶油气通过闪顶油气 线进入常压塔塔盘 闪蒸塔底油经过闪底油泵抽出 与一次常底油换热后进入 加热炉 把原油加热到合适的温度 360 365 进入常压塔 常压的控制要分 馏出合格的侧线油 常一线 常二线 还要取出常压塔的多余热量 这就要求侧 线的馏出量和中段回量要有合适的比例 中段量太大 取热过多 侧线馏出量 减少 降低了轻油的收率 中段量过小 取热少 侧线油质量重 不合格 侧 线馏出的轻油成分还要经过汽提塔汽提 同时还要控制常底油外甩的量 以 控制常底的液位 但是也不可以过多的减少常底的外甩量 那样将影响后路 的控制 减压塔 控制难度大 要求使用串级控制 减压的流程类似于常压 但控制比常压简单 5 2 常减压装置控制回路及控制规律 5 2 1 常压系统典型回路控制 常压系统主要有塔顶温度调节系统 侧线抽出量调节系统 塔底液位调节 系统等 还有侧线产品质量调节系统 中段回流取热系统等 常压塔对产品质 量有较高的要求 塔顶要求分馏出合格汽油馏分 通常都在塔顶设置塔顶温度 9 回流量串级调节系统 以克服回流方面的干扰 常用的控制规律有 比例控 制 积分控制 比例积分控制 比例微分控制 比 例积分微分控制 因为侧线质量要求高 要求对系统抗干扰能力强 在出 现扰动时可以迅速恢复 单独采用比例控制 积分控制 微分控制已经不能满 足要求 这里采用比例 积分 微分的组合控制 PID 控制器在控制开始时 微分先起作用 使输出信号 发生突然的大幅变化 同时比例也起作用进行控制 使偏差幅度减小 接着积 分起作用 慢慢地消除静差 5 2 2 比例 积分 微分控制规律 1 特性 具有比例 P 积分 I 微分 D 三种控制规律的控制器 简称 PID 控制 器 其控制规律的数学表达式为 P Pp Pi Pd K e 1 T edt TDd e dt 2 传递函数 PID 控制器的传递函数 Wpid S 如下 当 K 很大时 Wpid S 1 Tds Tds T1s 1 1 T1s 图为控制原理框图 3 控制规律对过程控制系统的影响 比例控制作用 比例控制作用可表示为 Pp Kp e 1 e Kp 为比例放大倍数或比例控 制器的增益 即 Kp 1 Pp e 10 由于比例控制器的比例运算没有动态元件 比例控制器的输入输出仅仅是 一种比例放大关系 因此 使用比例控制器所产生的相移为 180 这个固有 的 180 相移是负反馈控制产生的 不是控制器本身产生的 比例控制器本身 产生的相移为 0 比例控制器的增益决定于比例带 的大小 增益的大小也 决定了反馈的强弱 比例增益可以改善控制特性 但若使用不当 也可能导致 系统不稳定 并且可能产生振荡 积分控制作用 积分控制作用可以表示为 d p dt e T1 积分作用产生了一个 90 的 相滞后 也即积分输出也落后输入 90 积分控制增益等于积分输出与输入幅 值之比 由于使用积分控制作用 产生了一个控制系统的相滞后 使系统稳定性降 低 当积分时间短 积分作用强 积分增益也大时 也会使系统稳定性降低 微分控制作用 微分控制作用可以表示为 p Td e dt 微分作用产生一个超前的 90 相移 即输出超前了 90 由于微分的控制作用 使得整个系统相滞后减小了 从而增加了系统的稳 定性 如果微分时间短 微分作用弱 则对系统影响不显著 如果微分时间过 长 虽然微分作用强 超前的角度有利于系统的稳定性 但是增益