和利时课件

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1、工业自动化与 DCS 体系结构 杭州和利时公司,集成控制,过程控制,DCS,混合控制 Hybrid Control,DCS 控制系统的渊源,1970 1980 1990 2000,低费用 紧凑型,工厂自动化,PLCs,PID回路,逻辑控制,何谓 DCS,- 分布式控制系统 - 集散型控制系统 集中管理，分布控制,电厂自动化的产生和发展 1766年波尔佐诺夫锅炉给水调节装置、1784年瓦特发明的蒸汽机离心摆调速装置，是热能动力设备最早的自动控制装置，也是整个自动化领域的早期成果。 在近百年的火力发电厂建设历史中，由于初始阶段的机组容量都很小，其生产过程的控制和一切操作几乎全部由运行人员手动工作来

2、实现。直到1920年前后，火力发电厂开始普遍采用链条炉，同时出现煤粉炉，机组容量逐渐增大到60MW左右的时候，明显体现出用人工控制火力发电厂的生产过程已是极为困难或不可能的事了。为了减轻人们的劳动强度，提高机组的安全性和运行效率，保证产品质量，火电厂陆续开始采用各种自动调节装置，实现部分生产的自动控制。火力发电厂的自动化水平日益提高和发展，就其控制方式而言，火力发电厂生产过程自动化的发展过程，大体经历了以下三个阶段：,1、就地控制阶段 在20年代至30年代期间，火力发电机组的容量还不是很大，生产过程对自动控制的要求以及当时所具备的技术条件有限，仅能对发电机组实现简单的自动自动控制，例如锅炉蒸汽

3、压力、汽包水位、汽轮机转速等的控制。所有控制系统基本上分散在各控制对象所在的车间，各控制系统间相互独立，没有任何联系。运行人员在就地设置的控制表盘上进行监视和操作，所应用的控制设备大都是尺寸较大的基地式仪表。国外40年代以前和我国50年代建设的火力发电厂基本上采用这种模式。 2、集中控制阶段 40年代初期，由于中间再热式机组出现，进一步密切了锅炉和汽轮机之间的关系，为了协调机、炉之间的运行，加强机组的操作管理和事故处理，满足负荷变化对热力设备的要求，维持运行参数的稳定等，要求对锅炉和汽机实现集中控制，即把锅炉和汽轮机的控制系统表盘相对集中地安装在一起，由运行人员同时监视和控制机、炉的运行，保证

4、机组的正常运行。当时所采用的控制设备主要是气动或电动单元组合仪表。国外40年代至50年代和我国60至70年代初期建设的火力发电厂大多采用这种控制方式局部集中控制。,进入50年代后，随着火电机组容量的增大，机、炉、电三者的关系更加密切，生产迫切需要对机、炉、电三者实现集中控制与管理。同时，由于仪表和控制设备的尺寸缩小，新型巡回检测仪表和局部程控装置的出现，使得整个机组的监视和控制表盘集中在一个控制室内的要求成为现实。此时采用的控制设备有电动单元组合仪表、组件组装式仪表，也有以微处理机为核心的数字式仪表。国外50年代至60年代及我国70至80年代建设的火力发电厂大都采用这种控制方式机组集中控制。

5、三、计算机控制阶段 随着火力发电机组向着高参数、大容量方向发展，生产设备走向大型化，生产系统日趋复杂。系统的耦合性、时变性、非线性等特点显的更加突出，生产过程需要监视的内容愈来愈多，过程控制的任务愈来愈重，机组的运行与操作要求更为严格，世界范围内的能源危机和剧烈的市场竞争，对节约能源和减少燃料消耗的要求不断提高，环境保护和文明生产的呼声日益高涨等，已反映出以往的生产自动化方式逐渐不能适应时代的发展，火力发电厂自动化面临着严重的挑战。另一方面，计算机的发展与普及、现代控制理论的产生与应用、以及二者相结合的计算机控制技术的形成与工业领域的渗透，为进一步提高工业自动化水平创造了有利条件，提供了十分重

6、要的物质、理论基础和技术手段。,1.集中型计算机控制 计算机控制技术在电厂的应用，始于50年代末、60年代初。1958年9月，美国斯特林（Sterling）电厂安装了第一个计算机安全监测系统。1962年，美国小吉普赛电厂进行了第一次电厂计算机控制的尝试，从那天起，火力发电厂开始步入了计算机应用的发展阶段。 火力发电厂计算机控制技术应用的初级阶段，普遍采用的是集中型控制方式，即用一台计算机实现几十甚至几百个控制回路和若干过程变量的控制、显示及操作、管理等。与常规的模拟仪表控制系统相比，集中型计算机控制的优越性体现在以下几个方面： （1）功能齐全，而且可以实现先进的、复杂的控制和联锁功能； （2）

7、可通过软件增删控制回路、改变控制方案、调整系统参数，应用灵活； （3）信息的集中管理，便于分析和综合，为实现整个生产系统的优化控制创造了条件； （4）CRT显示替代了大量的模拟仪表，改善了人机接口，缩小了监视面。,但是，集中型计算机控制也存在着严重的不足，反映在： （1）由于当时的计算机硬件可靠性还不够高，而由一台计算机承担所有的控制和监视任务，使得危险高度集中，一旦计算机发生故障，将导致生产过程全面瞬间瘫痪，危及设备安全； （2）软件庞大、复杂，开发的难度大、周期长； （3）一台计算机所承受的工作负荷过大，在计算机速度和容量有限的情况下，影响系统工作的实时性与正确性。若采用多台计算机，不仅要

8、解决数据和控制信息的交换问题，而且将大大增加投资和维护费用，这是当时存在的较大的实际困难。 除此之外，由于生产过程内部机理复杂，最优控制所必需的有关数学模型难以建立，性能指标不易确定，控制策略尚不完整等，使的现代控制理论一时难以适应于技术机过程控制。历史条件的限制和集中型计算机控制存在的缺陷，促使计算机控制向分散化发展。,2.分散型计算机控制 70年代初，大规模集成电路的制造成功和微处理器的问世，使得计算机的可靠性和运算速度大大提高，计算功能增强、体积缩小，而价格大幅度下降。计算机技术的发展与日益成熟的分散型计算机控制思想相结合，促使火力发电厂自动化技术进入了分散型计算机控制的新时代。 所谓分

9、散型计算机控制，是指控制过程所采用的系统，是一种控制功能分散、操作管理集中、兼顾复杂生产过程的局部自治与整体协调的新型分布式计算机控制系统（又称分散控制系统）。 自1975年以来，美国霍尼威尔（Honeyell）公司首先向市场推出了以微处理器为基础的TDC-2000分散控制系统，世界各国的一些主要仪表厂家也相继研制出各具特色的各种分散控制系统。分散控制系统以其功能强、可靠性高、灵活性好、维护和使用方便、良好的性能价格比等优点，深受工业界的青睐。 80年代中期，我国开始在火电机组上应用分散控制系统。据不完全统计，仅“七.五”期间，我国引进约30套分散控制系统应用于电厂自动化。如今几乎所有新建火电

10、机组都采用了分散控制系统。由于常规仪表的维护费用愈来愈大，有的仪表厂家已放弃对原来的常规仪表提供备件和服务，故100MW以上的老厂的技术改造也几乎全采用了分散控制系统。,90年代以来我国国产的分散控制系统，也有了长足的进步，正以其优良的性能价格比、良好的过程服务，赢得愈来愈多的用户的信任。 分散控制系统的应用及其自身的不断完善与发展，加速了火力发电厂自动化的进程。目前，分散控制系统的应用方兴未艾，在此基础上，火力发电厂正向着更加完善、更高层次的综合自动化方向发展。 3.综合自动化 综合自动化是一种集控制、管理、决策为一体的全自动化模式。它是对各局部生产过程实现自动化控制的基础上，从全局最优的观

11、点出发，把火电厂的运作体系视为一个整体，在新的管理模式和工艺指导下，综合运用现代科学技术与手段，将各自独立的局部自动化子系统有机地综合成一个较完整的大系统，对生产过程的物质流、管理过程的信息流、决策过程的决策流等进行有效的控制和协调，实现生产系统的全局自动化，以适应生产和管理过程在社会发展的新形势下提出的高质量、高速度、高效率、高性能、高灵活性和低成本的综合要求。 开放型分散控制系统的应用，为综合自动化的实现奠定了良好的基础。目前，综合自动化的研究和应用正向着纵深发展，已成为火力发电厂自动化的重要发展方向。,分散控制系统（DCS）的结构与特点,一、分散控制系统的名称 “分散控制系统”一词，是人

12、们根据外国公司的产品名称意译而得的。由于产品厂家众多，对产品的命名也不尽相同。常见的名称有： 分散控制系统（Distributed Control System，简称DCS）； 集散控制系统（Total Distributed Control System，简称TDCS或TDC）； 分布式计算机控制系统（Distributed Computer Control System，简称DCCS）； 名称不同，其系统本质基本相同。我国电力行业习惯称其为分散控制系统。 二、分散控制系统的含义 分散控制系统的含义着重体现在“分散”上，“分散”有两方面的意思在里面：一是各种被控的生产设备的地理位置是分散的，

13、系统相应的控制设备也在地理位置上分散布置（横向分块）；二是指控制系统所具有的功能是分散的，即计算机控制系统的数据采集、过程控制、运行显示、监视操作等功能进行分散（纵向分级），这种功能上的分散同时意味着整个系统的危险分散。功能分散是分散控制系统的主要内涵。分散控制系统又把操作和管理集中在一起，即操作管理集中，所以它又被称为集散控制系统。 分散控制系统可以定义为是利用计算机技术对生产过程进行集中监测、操作、管理和分散控制的一种控制技术。,三、分散控制系统的产生 分散控制系统是在现代化大型工业生产复杂的过程控制需求推动下，和“4C”技术相结合的一个产物。所谓的“4C”技术即是计算机Computer、

14、控制Control、通信Communication，以及阴极射线管Cathode-Ray Tube技术。它产生在70中期，第一台DCS是美国霍尼威尔（Honeywell）公司于1975年研制的TDC2000。相继，许多自动化公司纷纷推出了自己的DCS产品。 四、分散控制系统的发展 自1975年美国的（Honeywell）公司的TDC2000问世以来，分散控制系统以惊人的速度发展，其发展过程大致分为四个阶段。 第一阶段（1975-1980年）DCS的初创期： 功能：具有数据采集的功能和模拟量控制的功能； 硬件：8 位控制器 CPU ；I/O 板为“傻板” ；操作站专用 软件：专用操作系统；非图形

15、界面； 网络：采用系统专用的通讯协议； 第二阶段（19801985年）DCS的成熟期： 功能：控制功能更加丰富，可完成数据采集、顺序控制、批量控制等； 硬件：16 位控制器 CPU ；I/O 板开始出现智能板 ；操作站为工作站 软件：Unix 操作系统；X windows 图形界面；图形组态 网络：采用了局域网络，提高了网络速度和可靠性,第三代（1985年以后）DCS的扩展期 功能： 1）系统除了以前的控制功能外，又引入了专家系统人工智能，实现自 整定、自诊断； 2）操作员站的功能进一步加强，引入了三维图形显示技术、多窗口显示技术、触摸屏技术、多媒体技术； 3）为了适应信息社会发展的需要，系统

16、加强了信息管理的功能，提供和MIS或SIS的接口； 硬件：32 位控制器 CPU；全为智能 I/O 板（模件）；表面贴安装技术用于硬件设计中；PC 机；现场总线； 软件：Microsoft Windows 操作系统；LD、FBD、专用编程语言；开放接口； 网络：标准化； DCS一直在发展着，现在硬件方面又朝着智能化、小型化、现场化发展；软件方面信息化、集成化、 支持IEC61131-3 控制组态；OPC或ODBC ；INTERNET等。,1993年 国际标准化组织IEC（国际电工技术委员会）的 SC65BWG7（其前身为SC65AWG6）工作组制定发布IEC 1131-3 标准，是控制软件第一种国际标准 工作组由来自不同的PLC厂商、控制编程软件公司和用户代表组成，这样制定的标准可以伟大多数的厂商和用户接受，是双方获利,IEC 1131-3,IEC 1131 IEC 61131,IEC （International Electrotechnical Commission）国际电工委