分布式控制系统(DSC)11-第三章-DCS课件-1

1、上次课程内容回顾上次课程内容回顾DCS网络差错控制 （1）奇偶校验 （2）CRC校验工作原理 （3）CRC校验生成过程第三章第三章 DCS DCS的过程控制站的过程控制站第三章第三章 DCSDCS过程控制站过程控制站3.1 PCU3.1 PCU的结构原理及一般特性的结构原理及一般特性 3.1.1 3.1.1 概述概述集散控制系统中分散控制的关键部分是分散过程控制装置 通常称作过程控制单元PCU 亦名现场控制单元FCU TDC-3000的PCU称作基本控制器BC：Basic Controller）。分散过程控制装置是以微处理机为基础的过程控制器，可分为: 单回路 功能分离型 多回路类型广义地讲，

2、还有第三类的现场装置，它专门进行现场数据采集，称为数据采集装置。现代的过程控制单元基本都是多功能型，因而它集连续控制、顺序控制、批量控制及数据采集功能于一身。 集散控制系统的PCU有多种构成方式，较典型的结构有下列四种： （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3.1.2 PCU3.1.2 PCU的结构原理的结构原理 第三章第三章 DCSDCS过程控制站过程控制站(1)(1)微型机结构式微型机结构式 该类PCU与一般微型机结构类似：内总线连接了CPU、ROM、RAM、多路转换AD、DA及通信装置等部分，结构上采用机箱插卡式。 TDC300

3、0 BC即采用此结构，称作文件夹，如图中所示有九种插卡，每一块插卡就相当于一个“文件”。第三章第三章 DCSDCS过程控制站过程控制站第三章第三章 DCSDCS过程控制站过程控制站(2)I(2)IOO卡与通用卡结构卡与通用卡结构 控制器由IO系列卡、通用卡和内总线构成。通用卡主要由CPU卡、存贮器卡、通信接口卡等组成。无论PCU配用何种IO系列卡，它们都是通用的。 I/O系列卡分为许多种类：一般有多种模拟输入卡、模拟量输出卡、数字量输入输出卡、脉冲量输入卡、按钮输入卡及状态输入卡等。 美国西屋公司推出的WDPF系统，其PCU即为此种结构。第三章第三章 DCSDCS过程控制站过程控制站第三章第三

4、章 DCSDCS过程控制站过程控制站(3)(3)串行通信总线加模件结构串行通信总线加模件结构 这种类型的PCU由串行通信模件总线(MB：Module Bus)及其上挂接模件的方式构成，参见下图。 模件一般有控制器模件,主要进行连续量控制；逻辑控制模件,主要进行顺序控制；端子模件，用于与外界信号线相连；组态模件，可对PCU组态，还有进行数据采集的模拟主模件等等。 在模件总线端有接口模件，将PCU的MB与系统局部网络连网。 美国Bailey控制公司NetWork-90系统中的PCU即采用这种结构第三章第三章 DCSDCS过程控制站过程控制站第三章第三章 DCSDCS过程控制站过程控制站(4)(4)

5、节点工作站结构节点工作站结构 现代集散系统的PCU大多采取了“节点”结构。因为现代集散系统以局部网络为基础，所以分散过程控制装置实质是伸向现场或过程的节点工作站。 这种节点工作站往往采用节点总线将各种控制器以及与其它单元的接口连接起来。 从某种意义上讲，这样的节点工作站不仅是分散控制装置，而且是分散控制系统了。第三章第三章 DCSDCS过程控制站过程控制站第三章第三章 DCSDCS过程控制站过程控制站第三章第三章 DCSDCS过程控制站过程控制站 图3-4是福克斯波罗公司IAS系统的过程节点的框图。它采用节点总线挂接各种处理机的结构。 节点工作站中挂接了六类处理机或接口。其中应用处理机实质上是

6、一种与大容量存贮器相连接的接口装置，执行系统管理功能，支持系统软件。 1）通信处理机是节点与RS-232C设备的通信接口。 2）网间连接器是节点与子通信网相连的接口。 3）载波带接口是节点挂接到系统网络上的通信接口。 4）操作站处理机则是节点与所带的本地操作站主机及附属的外围设备的接口。 5）控制处理机是执行分散控制功能的主控制器。例如，IAS的控制处理机可以进行连续控制、顺序控制、批量控制，实现数据采集的多功能多回路控制。控制处理器通过现场总线、传感器与执行器等现场组件相连。第三章第三章 DCSDCS过程控制站过程控制站 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

7、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第三章 DCSDCS过程控制站过程控制站3.1.3 PCU3.1.3 PCU的一般功能特性的一般功能特性3.1.3 PCU3.1.3 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。第三章第三章 DCSDCS过程控制站过程控制站第三章第三章 DCSDCS过程控制站过程控制站 1） 输入信号处理功能 2） 报警检验功能 3） 补偿运算和积算

8、4） 控制运算功能 5） 回路连接（1 1）反馈控制功能）反馈控制功能第三章第三章 DCSDCS过程控制站过程控制站电站锅炉恒温控制第三章第三章 DCSDCS过程控制站过程控制站第三章第三章 DCSDCS过程控制站过程控制站1 1）输入信号处理功能）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第三章 DCSDCS过程控制站过程控制站 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第三章 DCSDCS过程控制站过程控制站

9、 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 硅酸根、磷酸根S第三章第三章 DCSDCS过程控制站过程控制站 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

10、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。第三章第三章 DCSDCS过程控制站过程控制站 热电阻测温信号的线性化：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： Rf=R0(1+a1t+a2t2+.+antn)第三章第三章 DCSDCS过程控制站过程控制站脉冲量计算脉冲量计算 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

11、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 DCSDCS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）等第三章第三章 DCSDCS过程控制站过程控制站2 2）报警检验功能）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

12、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第三章 DCSDCS过程控制站过程控制站 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。第三章第三章 DCSDCS过程控制站过程控制站3 3）补偿运算和积算）补偿运算和积算 它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。第三章第三章 DCSDCS过程控制站过程控制站4 4）控制运算功能）控制运算功能 PC

13、U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。第三章第三章 DCSDCS过程控制站过程控制站5 5）回路连接）回路连接第三章第三章 DCSDCS过程控制站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 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第三章第三章 DCSDCS过程控制站过程控制站掌握重点掌握重点第三章第三章 DCS

14、DCS过程控制站过程控制站(2)(2)顺序控制功能顺序控制功能 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)(3)批量控制功能批量控制功能 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。第三章第三章 DCSDCS过程控制站过程控制站(4)(4)其它功能其它功能 PCU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。第三章第三章 DCSDCS过程控制站过程控制站(5)PCU(5)PCU的的DDCDDC算法及附

15、加功能算法及附加功能 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：第三章第三章 DCSDCS过程控制站过程控制站(5)PCU(5)PCU的的DDCDDC算法及附加功能算法及附加功能 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

16、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。第三章第三章 DCSDCS过程控制站过程控制站(5)PCU(5)PCU的的DDCDDC算法及附加功能算法及附加功能 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(SPC)，或者直接作为输出值的控制方式(DDC)。第三章第三章 DCSDCS过程控制站过程控制站(5)P

17、CU(5)PCU的的DDCDDC算法及附加功能算法及附加功能 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。第三章第三章 DCSDCS过程控制站过程控制站(5)PCU(5)PCU的的DDCDDC算法及附加功能算法及附加功能 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踪手操输出值。这样，在切换到自

18、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”。第三章第三章 DCSDCS过程控制站过程控制站(5)PCU(5)PCU的的DDCDDC算法及附加功能算法及附加功能 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

19、的设定值(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 DCSDCS过程控制站过程控制站3.1.4 PCU3.1.4 PCU的种类的种类类型项目类型项目单回路型单回路型功能分离型功能分离型多回路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第三章 DCSDCS过程控制站过程控制站3.1.5 3.1