分布式控制系统DSC12 第三章第四章 DCS课件 2

1、? 集散控制系统的PCU典型结构 ? （1）微型机结构式 ? （2）IO卡与通用卡结构 ? （3）串行通信总线加模件结构 ? （4）节点工作站结构 上次课程内容回顾上次课程内容回顾 第三章 DCS过程控制站 3.1.3 PCU的一般功能特性 3.1.3 PCU的一般功能特性的一般功能特性 集散系统PCU的一般功能特性可概括为六点，即： ? （1）反馈控制功能 ? （2）顺序控制功能 ? （3）批量控制功能 ? （4）数据收集与处理功能 ? （5）数据通信功能 ? （6）本地操作监视功能。 第三章 DCS过程控制站 第三章 DCS过程控制站 ? 1） 输入信号处理功能 ? 2） 报警检验功能 ?

2、 3） 补偿运算和积算 ? 4） 控制运算功能 ? 5） 回路连接 （1）反馈控制功能 第三章 DCS过程控制站 电站锅炉恒温控制 4-20mA 直流 报警画面 顺控 A/D A/D A/D A/D A/D 记数/变化 D/A 继电器 线性 开方 热偶 线性化 热阻 线性化 折线 函数 脉冲序 列输入 处理 补偿运 算积算 数字 滤波 报警 检验 指示器 控制器 手动操 作器 开关控 制器 时 间 比 例 开 关 控制器 定量设 定器 比率设 定器 信号选 择器 开关 单元 各种演 算单元 信号输 出器 设定器 信号器 1-5V 直流 4-20mA 直流 热电偶 mV 热电阻 分析仪 脉冲 信

3、号 开关 信号 图 3-6 PCU 反馈控制功能的构成及信号系统 第三章 DCS过程控制站 第三章 DCS过程控制站 1）输入信号处理功能 ? 线性化 ? 脉冲量计算 ? 数字滤波 ? 开方运算 ? 折线函数变换 ? 热电偶测温信号的线性化 ? 热电阻测温信号的线性化 ? 将脉冲序列信号变换成瞬时值 ? 为排除干扰对输入信号数字滤波处理 第三章 DCS过程控制站 ? 对差压式流量计的测量信号进行开方运算，使之与 流量信号成线性关系 开放运算 线性化 第三章 DCS过程控制站 ? 折线函数变换：对分折仪表检测信号的非线性或由 球型罐的液位计算容积时的非线性进行补偿 例如： 电导率mS、 pH 硅

4、酸根、磷酸根 S? 第三章 DCS过程控制站 热电偶测温信号的线性化：对热电偶的 mV信号 与温度之间的非线性进行补偿处理。 先在存储器中存入热电势和温度的序列表(e0, t0)(e1, t1)(e2, t2)(e3, t3)(en, tn)对于任意的热电势e,假设通过程序可判别它在热电势 和温度序列中的位置为eieei+1ei+2(0in-2)则对应的温度t 可由下式计算出温度值。 由于在(ei,ei+2)内,将信号拟合成抛物线,更接近于电势与温度的实际, 所以拟和的精度大大的提高,同时在相同的精度下,变量序列的步长取 得相对较大,这样可大大压缩表。 第三章 DCS过程控制站 热电阻测温信号

5、的线性化：对热电阻的阻值变化 信号与温度之间的非线性进行补偿处理 在电力、冶金等行业广泛使用铂电阻作为测温 元件，铂电阻和温度t的关系，一般表示为： R f=R0(1+a1t+a2t2+.+antn) 第三章 DCS过程控制站 脉冲量计算 ? 积算方式积算方式：累计脉冲总数，流量或电量积算 ? 频率方式：频率方式：测量频率 fx=N/T ? 周期方式：周期方式：测量周期Tx=NT0 ? 常用经典滤波方法常用经典滤波方法 ? 中位值滤波法 ? 算术平均滤波法 ? 滑动平均滤波法 ? 中位值平均滤波法：相当“中位值滤波法”+“算术平均滤波法” ? 低通、高通、带通、带阻和全通等类型 第三章第三章

6、DCS过程控制站过程控制站 数字滤波 ? 现代滤波现代滤波 ? Kalman滤波 ? Wenner滤波 ? 自适应滤波 ? 小波变换（wavelet）等 第三章 DCS过程控制站过程控制站 2）报警检验功能 ? 仪表异常检验 ? 上、下限报警检验 ? 变化率报警检验 ? 偏差报警检验 当测量信号超过测量范围上限或下限规 定值时，可以认为检出元件或变送器 出现断线等故障，发出报警信号 当测量值或者控制输出值的变化 率(一定时间间隔的变化量)超过 设定值时，发出报警信号。 当测量值或表控制输出值超 过上、下限报警设定值时， 发出报警信号 当测量值与设定值的偏差超过设 定值时，发出报警信号 第三章

7、DCS过程控制站 ? 这主要是利用水质选择性电极和测量气体流量时 ，进行温压补偿；测量液体流量时，有时进行密 度或温度补偿；累积计量流量的积累运算。 第三章 DCS过程控制站 3）补偿运算和积算）补偿运算和积算 ? 这是反馈控制功能的核心部分 ? 主要有PID控制，开、关控制，时间比例式 开关控制，信号选择，比率设定，时间程 序设定，一阶滞后运算，超前滞后运算 ，纯滞后补偿，其它运算等。 第三章 DCS过程控制站 4）控制运算功能 ? PCU中的回路连接，从功能上类似了模拟仪表 的信号配线或配管。 ? 但由于PCU的上述功能是由软件实现的，尤其 控制运算功能是靠微处器的强功能进行 DDC（直接

8、 数字控制)控制，这些软件或DDC算法构成了内部 的功能块(或称内部仪表)。 ? PCU的回路连接是通过软件实现的，称为“软 ”连接，是通过“组态”进行的。 第三章 DCS过程控制站过程控制站 5）回路连接）回路连接 第三章 DCS过程控制站 第三章 DCS过程控制站 (2)顺序控制功能 ? 顺序控制功能的构成有多种方式，主要包括梯形 图编程、符号技术式编程、流程框图式编程语言、 逻辑代数编程语言等。 (3)批量控制功能 ? 按工艺要求将反馈控制与顺控功能相结合可构成 批量控制功能。批量控制的对象往往是一个间断生 产过程所得到的产品。 第三章 DCS过程控制站过程控制站 (4)其它功能 ? P

9、CU还具有对过程信息进行收集、处理、打印、 制表功能。具有数据通信功能。若带本地操作站， 则具有本地操作和显示的功能。 第三章 DCS过程控制站 (5)PCU的DDC算法及附加功能 ? PCU的过程控制功能，是按相应算式进行运算实现的 。这些算式称为算法，因为 PCU的本质是实现DDC( 直接数字控制)的微机装置，所以这些算法称为 DDC 算法。DDC算法是由PCU ROM中的一定程序来实行 的，这些程序块又称为功能块或称算法功能块。 ? 除了各种算法之外，PCU还必须具有一些附加 功能才可以完成实际的过程控制。这些附加功 能分为： 第三章 DCS过程控制站 (5)PCU的DDC算法及附加功能

10、 ? 控制方式 PCU的DDC算法中具有下列控制方式： 回路手动(LM：Loop Manual)，由回路模拟显 示器进行手动操作方式。 手动方式(MAN：MANUAL)，由操作站(包括本 地操作站)经由通信系统进行手动操作。 自动方式(AUT：AUTO)，以本回路就地设定值 (LSP)为基准进行自动运算，实现闭环控制方式。 第三章 DCS过程控制站 (5)PCU的DDC算法及附加功能 串级方式(CAS)，以另一个控制回路的输出值 作为本回路的设定值进行自动运算，实现串级控 制的方式。 计算机方式(COMP)，经由数据公路接受上位 计算机的输出数据，作为本回路设定值进行自动 运算的控制方式(SP

11、C)，或者直接作为输出值的控 制方式(DDC)。 第三章 DCS过程控制站 (5)PCU的DDC算法及附加功能 ? PV跟踪 增量型和速度型PID算法必须具有PV跟踪功能，即 在手动状态时，使本回路的设定值不再保持原来的 设定值，而跟踪PV值。PV跟踪时，从手动切换到 自动时，偏差值总是零。因此，即使比例带较小， PID输出值也不会产生扰动，实现平滑切换。切换 到自动后，再逐步把设定位调整到所要求的数值。 第三章 DCS过程控制站过程控制站 (5)PCU的DDC算法及附加功能 ? 输出值跟踪 混合型PID算法，在设置PV跟踪的同时，还需要 设置输出值跟踪功能，即在手动状态时使内存单元 的数值跟

12、踪手操输出值。这样，在切换到自动时， 由于内存单元的数值与手操输出值相等，因而实现 无平衡无扰动切换。这功能又称“浮动输出”。 第三章 DCS过程控制站 (5)PCU的DDC算法及附加功能 ? 初始化与反算 混合型PID算法为“无定位型输出”算法。构成串级控制时，次级回路在 处于串级断开状态时，把次级回路的设定值(LSP)送到主回路的输出单元 (OP)，称为初始化。这样，当串级控制的主回路设置PV跟踪，次级回路 设置初始化和PV跟踪，则串调回路从任何非串调状态切换到串级时，都 是无平衡无扰动切换。 当串调回路在PID算法插有“定位型输出”算法，那么此算法必须具有 反算功能，即除了将次级回路的设

13、定值(LSP)送主回路外(次级回路处于串 级断开状态)，“定位型输出”算法块(比如是加法功能块)必须反算出(逆 运算)一个值作为主回路输出。 第三章第三章 DCS过程控制站过程控制站 3.1.4 PCU的种类的种类 类型项目 单回路型 功能分离型 多回路型 控制规模 小，一个PID控制回路或一台电 机 中，几个PID控制回路，小型的逻辑控 制和顺序控制系统 大，几十个控制回路，大型的逻辑 控制或顺序控制系统 控制功能 连续控制和顺序控制均可实现 连续控制和顺序控制分别由不同的控 制器实现 连续控制和顺序控制均可实现 适用范围 从小到大各种规模的系统 即使小型系统中也常常需要用两种类 型的控制单

14、元 不适用于规模太小的系统 硬件要求 用廉价的硬件就可达到所要求 的功能 由于功能分离，可以合理地使用硬件 由于控制功能很强，对硬件要求很 高 通信要求 实现复杂控制需要的控制信号 通信量大，人机接口通信量小 功能分离造成不同类型控制单元之间 的通信量较大 控制单元之间的通信量小，人机接 口通信量大 安全措施 每个单元只控制一个回路，手 动后备即可满足要求 在可靠性要求较高的的情况下，要采 取冗余措施 由于控制规模很大，在大多数情况 下均须采取冗余措施 第三章 DCS过程控制站 3.1.5 电厂用PCU的结构选择 ? （1）电厂控制回路的特点 1）系统复杂度高：不宜采用单回路型的PCU； 2）

15、多变量耦合程度高：如锅炉系统，本身很难划分出一些不相干的 独立回路，即使强行分开往往因联络信号过多而超过单回路控制所能允 许的数量或系统可靠性下降； 3）逻辑关系复杂； 4）开关量与模拟量控制系统关系密切：大量的连锁、保护、启停等逻 辑控制关系与连续控制系统相互制约，相互影响； 5）可靠性要求高。 3.1.5 电厂用PCU的结构选择 ? （2）电厂PCU的应具备的特点 能够在一个基本控制单元内完成比较复杂的控制能 力和连续、顺序控制功能；必须采用冗余措施。 ? （3）推荐意见 对于复杂度较高的系统，如锅炉控制系统，多回路 型更为合适； 电厂主系统的控制必宜采用功能分离型； 老厂改造、中小规模电

16、厂可考虑单回路型。 第三章 DCS过程控制站 3.2 过程控制站的模件种类 ? 微处理器主模件：PCU内的核心模件，完成用户控制策略； ? 模拟量输入模件：量程及零点调整、放大、隔离、多路转换 、A/D转换； ? 模拟量输出模件：D/A转换、驱动执行机构； ? 开关量输入模件：隔离、电平转换； ? 开关量输出模件：状态寄存、输出驱动、控制现场开关设备; ? 脉冲量输入模件：累积脉冲、测量频率、计算周期； ? 液压伺服模件：控制现场液压伺服机构； ? 现场总线模件：现场总线仪表的数字通道； ? 通信接口模件：网络接口。 第三章 DCS过程控制站 ? 反馈控制功能反馈控制功能 ? 输入信号处理功能

17、 ? 报警检验功能 ? 回路连接 ? 作业：简述DCS反馈控制中输入信号处理功能 掌握重点掌握重点 第四章 DCS人机接口站 第四章 DCS人机接口站人机接口站 4.1 概述 ? 人-机联系又称人-机接口，严格讲人-机联系应该是人与 过程之间的联系，而人-机接口是指人与控制系统交互作用 的输入输出设备，如电传打字机、键盘、CRT等。 ? 在生产过程高度自动化的今天，还必须有运行人员(操作 人员)的目视识别、推理判断和某种干预，特别是在生产过 程中发生故障时更是如此。所以在各种生产过程中总是要 根据其特点配备相应的输入、输出设备，以便加强人-机联 系，使运行人员能够监视生产过程情况又可以通过输入

18、设 备将控制信息施加于过程，这样的信息传递称为人和过程 的通信，又称人-机通信，其装置就是人-机接口。 第四章 DCS人机接口站人机接口站 ? 在电动模拟仪表阶段，由模拟仪表盘形成了操作 站，仪表盘上的指示、调节、记录仪表以及操作器 等实现人-机联系。 ? 分散控制系统的出现伴随着新型的人 -机接口， 传统的仪表盘台逐渐被以 CRT为基础的操作台所代 替。集散系统中人-机接口采用CRT操作站。操作 站中采用CRT集中显示和键控操作方式。 第四章第四章 DCS DCS人机接口站人机接口站 4.2人-机通信分析 ? 在发电厂机组运行期间，中央控制室的运行人员(操作人 员)与过程之间要进行大量的信息

19、交换，其主要任务是监视 和操作。 ? 运行人员的每次监视都是以搜索为起始点，寻找发生异 常的日标，然后进步识别目标是什么。 ? 每个监视和操作任务的完成可分为五个子过程，即搜索 、识别、比较、检验、计数，搜索和识别两个子过程的根 本目的都在于把运行人员的注意力引向正确的目标，只有 成功地完成这两个子过程，才能进行下面三个子过程，最 后作出决策。因此，搜索和识别的最佳化设计是非常重要 的。 第四章第四章 DCS人机接口站人机接口站 控制室内运行人员的一般工作控制室内运行人员的一般工作 类 别 工 作 内 容 过程的监视 重要被调量的监视； 控制系统、控制没备、被控制设备的运行状况 及动作； 报警

20、的辨织及状况的掌握； 给现场值班人员的指示及联络。 过程的操作 目标值、给定值的设定与变更； 控制方式的切换； 手动输出的调节； 远方操作设备的启停或通断 第四章 DCS人机接口站 4.34.3基本功能 （1）仪表盘台操作 ? 仪表盘台的运转是利用装在盘台上的调节器、记录仪、指 示计、运转指示灯以及报警器等进行的，这就是盘台操作方 式。 ? 运行人员站在这种仪表盘台前的操作如下：掌握过程的全 貌；报警点的辨识；控制回路操作、调节器参数整定。 第四章 DCS人机接口站 4.3基本功能 （2）CRT操作 ? 在CRT操作中，将需要显示的信息进行有层次的集中，并 使各种画面系统化，即大量信息浓缩在个

21、很小面积的CRT 屏幕上，用多幅画面串行显示，运行人员可以用键盘调出各 种画面，以获得需要的信息。 ? CRT操作与常规仪表盘台操作不同的是，运行人员不需要 前后左右地走动就能取得信息并进行操作，在这里，是信息 “走”向人，而不是人“走”向信息。 第四章 DCS人机接口站人机接口站 4.4集散控制系统的操作站 DCS操作站中，从功能上看又划分为运行人员操作 站和工程师用操作站（工程师站）。 运行人员操作台主要完成各种设备的启动、停止或 操作开关增减操作以及生产过程的监视等； 工程师用操作台主要完成系统组态，软件开发和生 成。 第四章 DCS人机接口站人机接口站 4.3.1集散系统人-机接口的功

22、能特点 (1)显示功能 集散系统的操作站用彩色CRT、LCD等作显示器具有极强 的显示功能。主要包括： ? 过程点显示 集散系统的最小控制回路可以看作为一个过程点。操作站 以模拟方式(棒图)、数字方式及趋势曲线方式实时显示过程 点所包括的测量值(PV)、设定值(SV)及控制输出值(MV)。所 有过程点都有标记名称，出现于总貌画面中。各个过程点所 代表的各个回路又可以详尽地显示于组画面中。 第四章 DCS人机接口站 ? 检测点显示 非控制过程变量的实时测量值以及经处理后的输出值都可 以模拟方式及数字方式显示于CRT、LCD屏幕中。 ? 状态点显示 操作站以字符方式、模拟方式、图形及颜色等多种方式

23、显 示工艺设备、控制设备的开关状态运行、停止及故障状态。 也可以字符方式、模拟方式、图形及颜色显示回路的操作状 态(手动、自动、串级)，显示顺序控制、批量控制的执行状 态等。 ? 丰富的画面显示 除了上述三类点显示及有关的回路显示外，操作站还具有 极强的画面生成、转换及协调能力，因而可以显示其它的画 面，例如，系统控制流程画面，维护检修画面等等。 第四章 DCS人机接口站 第四章 DCS人机接口站人机接口站 (2)报警功能 操作站具有综合的多方式报警功能，它以画面方式、色彩 方式、数字方式及模拟方式对各种参数的越限进行报警显示 ，并伴以声响报警信号，也可以对设备异常状态进行报警。 (3)操作功能 操作站可对全系统各控制回路(反馈控制回路、顺控批控 回路)进行操作，对设定值、输出值、控制回路常数值、顺控 条件值及操作值进行调整操作。对控制中各类操作状态，如 手动自动计算机顺序手动等等进行切换。对报警限值 、顺控定时器及计数器的设定值进行修改和重设定。还包括 为系统安全而采取紧急操作处理。操作站可以