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DCS集散控制系统 简介 主讲人 江小龙 DCS系统 DCS即分布式控制系统 集散控制系统 指控制分散 风险分散 操作显示集中 采用分布式结构的智能网络控制系统 它是由计算机技术 信号处理技术 测量控制技术 通信网络技术 人机接口技术相互发展渗透而产生的 既不同于分散的仪表控制系统 又不同于集中式计算机控制系统 它是吸收了两者的优点 在它们的基础上又发展起来的一门系统工程技术 具有显著的优越性 DCS系统在工厂中的应用举例 术语定义 APC 先进过程控制CCS 压缩机控制系统CCTV 现场摄像监视系统DCS 集散控制系统DLP MPDP 大屏幕监视系统EWS DCS工程师站FAS 火灾报警监视系统FRR 本项目的现场机柜间GDS 可燃 有毒气体报警系统I O 过程输入 输出LCR 本项目现场控制室MMS 机组监视系统OPS DCS操作员站PAS 在线分析仪系统PLC 可编程序控制系统SAT 现场验收SIL AK 安全度等级CCR 中央控制室FRR 现场机柜间LCR 现场机柜间SIS 安全仪表系统GDS 可燃气体和有毒气体检测的监控系统GPS 时钟同步系统OTS 动态仿真系统 自控术语定义 联锁 某一参数达到规定值或某一设备启 停或开 关时 联动或闭锁对另一设备的控制 FO 故障状态打开的阀门 气关阀 FC 故障状态关闭的阀门 气开阀 调节器正反作用 当给定值不变 被控变量测量值增加时 控制器的输出也增加 称为 正方向 或者当测量值不变 给定值减小时 控制器的输出增加称为 正方向 反之称为 反方向 自控术语定义 AI 模拟量输入analoginputAO 模拟量输出analogoutputDI 数字 开关 量输入digitinputDO 数字 开关 量输出digitoutput两线制三线制四线制 两线制是指现场变送器与控制室仪表联系仅用两根导线 这两根线既是电源线 又是信号线 四线制是指现场变送器与控制室仪表联系有两根电源线和两根信号线 三线制是指一根电源线一根信号线一根共用线 自控术语定义 有源 信号源本身可以输出信号 不需要负载电源 可直接驱动阻性负载 例如 四线制的仪表 两线为电源线 两线为信号线 信号回路不能再接电源 信号回路需要接电源 否则信号源将无信号输出 例如 两线制变送器 需要在信号回路中接入电源 无源 信号回路需要接电源 否则信号源将无信号输出 例如 两线制变送器 需要在信号回路中接入电源 针对模拟量 自控术语定义 干接点和湿接点干接点 针对开关量在工业控制领域中 是一个标准的名词 继电器的干触点 表示触点回路的供电由外部电路供应 继电器仅仅提供一个 结点 接点 接通一下电路而已 其他一概不管 而湿触点则与干触点相对应 除了提供接通回路的触点之外 还提供触点回路上所需要的电流 DCS在大美煤炭深加工项目中的应用 甲醇制烯烃 I O点4919个 聚乙烯 I O点1637个 聚丙烯 I O点3037个 公用工程 I O点2824个 中央控制室 DCS在大美尾气综合利用项目中的应用 甲醇制烯烃现场控制室 聚乙烯现场控制室 聚丙烯现场控制室 回用水现场控制室 烯烃循环水现场控制室 空分现场控制室 锅炉装置现场控制室 罐区现场控制室 系统构成例 工程师站 操作员站 交换机 控制器 I O卡件 现场仪表 DCS控制系统简图 DCS特点介绍 DCS是分布式控制系统 DistributedControlSystem 的简称 国内一般习惯称为集散控制系统 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Computer 通讯 Communication 显示 CRT 和控制 Control 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 组态方便 DCS特点如下 高可靠性 由于DCS将系统控制功能分散在各台计算机上实现 系统结构采用容错设计 因此某一台计算机出现的故障不会导致系统其它功能的丧失 此外 由于系统中各台计算机所承担的任务比较单一 可以针对需要实现的功能采用具有特定结构和软件的专用计算机 从而使系统中每台计算机的可靠性也得到提高 开放性 DCS采用开放式 标准化 模块化和系列化设计 系统中各台计算机采用局域网方式通信 实现信息传输 当需要改变或扩充系统功能时 可将新增计算机方便地连入系统通信网络或从网络中卸下 几乎不影响系统其他计算机的工作 灵活性 通过组态软件根据不同的流程应用对象进行软硬件组态 即确定测量与控制信号及相互间连接关系 从控制算法库选择适用的控制规律以及从图形库调用基本图形组成所需的各种监控和报警画面 从而方便地构成所需的控制系统 易于维护 功能单一的小型或微型专用计算机 具有维护简单 方便的特点 当某一局部或某个计算机出现故障时 可以在不影响整个系统运行的情况下在线更换 迅速排除故障 协调性 各工作站之间通过通信网络传送各种数据 整个系统信息共享 协调工作 以完成控制系统的总体功能和优化处理 控制功能齐全 控制算法丰富 集连续控制 顺序控制和批处理控制于一体 可实现串级 前馈 解耦 自适应和预测控制等先进控制 并可方便地加入所需的特殊控制算法 DCS的构成方式十分灵活 可由专用的管理计算机站 操作员站 工程师站 记录站 现场控制站和数据采集站等组成 也可由通用的服务器 工业控制计算机和可编程控制器构成 处于底层的过程控制级一般由分散的现场控制站 数据采集站等就地实现数据采集和控制 并通过数据通信网络传送到生产监控级计算机 生产监控级对来自过程控制级的数据进行集中操作管理 如各种优化计算 统计报表 故障诊断 显示报警等 随着计算机技术的发展 DCS可以按照需要与更高性能的计算机设备通过网络连接来实现更高级的集中管理功能 如计划调度 仓储管理 能源管理等 DCS内部主要硬件介绍 接线端子 接线端子就是用于实现电气连接的一种配件产品 工业上划分为连接器的范畴 安全栅 安全栅 safetybarrier 接在本质安全电路和非本质安全电路之间 将供给本质安全电路的电压或电流限制在一定安全范围内的装置 安全栅又称安全限能器 是本安系统中的重要组成部分 安全栅主要有齐纳式安全栅和隔离式安全栅两大类 齐纳式安全栅的核心元件为齐纳二极管 限流电阻及快速熔断丝 隔离式安全栅不但有限能的功能 还有隔离功能 它主要由回路限能单元 信号和电源隔离单元 信号处理单元组成 安全栅的主要功能为限流限压 保证现场仪表可得到的能量在安全范围内 继电器 继电器是一种电控制器件 是当输入量 激励量 的变化达到规定要求时 在电气输出电路中使被控量发生预定的阶跃变化的一种电器 它具有控制系统 又称输入回路 和被控制系统 又称输出回路 之间的互动关系 通常应用于自动化的控制电路中 它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种 自动开关 故在电路中起着自动调节 安全保护 转换电路等作用 I O卡件 AI卡件 模拟量输入卡件 AO卡件 模拟量输出卡件 DI卡件 开关量输入卡件DO卡件 开关量输出卡件 PI卡件 脉冲输入卡件温度卡件 温度输入卡件 控制器 机柜 工程师站 系统维护系统生成测试 组态画面 操作员站 操作和监视功能过程报告功能报警和信息输出功能趋势功能开放式数据接口功能 仪表控制面板 工位标记回路方式报警状态操作标记输出点 工位号工位注释测量值设定值输出值量程上限高高限高限设定点低限低低限量程下限 方式选择钥匙 其它键 操作员键盘防尘防水平面触摸键 9针RS232接口或USB接口 可发出7种电子报警音响 辅助操作台 通过硬接线来显示和操作DCS或SIS系统 中央控制室 DCS结构 从结构上划分 DCS包括过程级 操作级和管理级 过程级主要由过程控制站 I O单元和现场仪表组成 是系统控制功能的主要实施部分 操作级包括 操作员站和工程师站 完成系统的操作和组态 管理级主要是指工厂管理信息系统 MES系统 作为DCS更高层次的应用 目前国内行业应用到这一层的系统较少 DCS的控制程序 DCS的控制决策是由过程控制站完成的 所以控制程序是由过程控制站执行的 过程控制站的组成 DCS的过程控制站是一个完整的计算机系统 主要由电源 CPU 中央处理器 网络接口和I O组成I O 控制系统需要建立信号的输入和输出通道 这就是I O DCS中的I O一般是模块化的 一个I O模块上有一个或多个I O通道 用来连接传感器和执行器 调节阀 I O单元 通常 一个过程控制站是有几个机架组成 每个机架可以摆放一定数量的模块 CPU所在的机架被称为CPU单元 同一个过程站中只能有一个CPU单元 其他只用来摆放I O模块的机架就是I O单元 HART协议 HART 可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议 是美国ROSEMOUNT公司于1985年推出的一种用于现场智能仪表和控制室设备之间的通信协议 HART装置提供具有相对低的带宽 适度响应时间的通信 经过10多年的发展 HART技术在国外已经十分成熟 并已成为全球智能仪表的工业标准 Modbus通讯协议 Modbus是由莫迪康 Modicon 现为施耐德电气公司的一个品牌 在1979年发明的 是全球第一个真正用于工业现场的总线协议 Modbus具有以下几个特点 1 标准 开放 用户可以免费 放心地使用Modbus协议 不需要交纳许可证费 也不会侵犯知识产权 目前 支持Modbus的厂家超过400家 支持Modbus的产品超过600种 2 Modbus可以支持多种电气接口 如RS 232 RS 485等 还可以在各种介质上传送 如双绞线 光纤 无线等 3 Modbus的帧格式简单 紧凑 通俗易懂 用户使用容易 厂商开发简单 PROFIBUS PROFIBUS 是一种国际化 开放式 不依赖于设备生产商的现场总线标准 PROFIBUS传送速度可在9 6kbaud 12Mbaud范围内选择且当总线系统启动时 所有连接到总线上的装置应该被设成相同的速度 广泛适用于制造业自动化 流程工业自动化和楼宇 交通电力等其他领域自动化 PROFIBUS是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术 可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络 从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案 OPC OPC是一个工业标准 管理这个标准国际组织是OPC基金会 OPC基金会现有会员已超过220家 遍布全球 包括世界上所有主要的自动化控制系统 仪器仪表及过程控制系统的公司 基于微软的OLE 现在的ActiveX COM 部件对象模型 和DCOM 分布式部件对象模型 技术 OPC包括一整套接口 属性和方法的标准集 用于过程控制和制造业自动化系统 PID控制 当今的自动控制技术都是基于反馈的概念 反馈理论的要素包括三个部分 测量 比较和执行 测量关心的变量 与期望值相比较 用这个偏差纠正调节控制系统的响应 在过程控制中 按偏差的比例 P 积分 I 和微分 D 进行控制的PID控制器 亦称PID调节器 是应用最为广泛的一种自动控制器 它具有原理简单 易于实现 适用面广 控制参数相互独立 参数的选定比较简单等优点 PID控制器是一种最优控制 PID调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法 它的参数整定方式简便 结构改变灵活 PI PD 单回路控制 是指由一个测量元件 变送器 一个控制器 一个控制阀 一个被控对象所构成的单闭环控制系统 或执行器 或调节器 或被控对象 测量变送装置 常见的闭环控制回路 串级控制 两只调节器串联起来工作 其中一个调节器的输出作为另一个调节器的给定值的系统 三冲量控制 三冲量控制系统从结构上来说 是一个带有前馈信号的串级控制系统 分程控制 将控制器输出信号全程分割成若干个信号段 每个信号段控制一个控制阀 比值控制 实现两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统 称为比值控制系统 顺序控制 所谓顺序控制就是针对顺序控制系统 按照生产工艺预先规定的顺序 在各个输入信号的作用下 根据内部状态和时间的顺序 在生产过程中各个执行机构自动地有秩序地进行操作 相关问答 1 什么是DCS DCS是分布式控制系统的英文缩写 DistributedControlSystem 在国内自控行业又称之为集散控制系统 2 DCS有什么特点 DCS是计算机技术 控制技术和网络技术高度结合的产物 DCS通常采用若干个控制器 过程站 对一个生产过程中的众多控制点进行控制 各控制器间通过网络连接并可进行数据交换 操作采用计算机操作站 通过网络与控制器连接 收集生产数据 传达操作指令 因此 DCS的主要特点归结为一句话就是 分散控