DCS控制系统基础知识课件

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1、DCSDCS控制系统控制系统 20132013年年1212月月内容提要第一章 DCS控制系统DCS控制系统简述DCS控制系统的发展史CENTUM-CS3000控制系统的构成及字母代号DCS控制系统的特点第二章 简单控制系统概述简单控制系统的几大参数三种控制器的比较内容提要第三章 复杂控制系统概述串级控制系统前馈控制系统比值控制系统分程控制系统选择控制系统三冲量控制系统第四章 过程控制系统-控制系统的投运控制系统操作中的常见问题 DCS是分布式控制系统的英文缩写（Distributed Control System），在国内自控行业又称之为集散控制系统。 DCS是计算机技术、控制技术和网络技术高

2、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：分散控制集中管理。第一节 DCS控制系统简述 DCS大致经历了四个发展阶段，相应地有四代的基本结构:第一阶段(初创期)，1975年一1980年第二节 DCS控制系统发展史第二阶段成熟期)，1980年一1985年第二节 DCS控制系统发展史第三阶段(扩展期)，1985年一2000年 DCS向计算机网络控制扩展，将过程控制、监督控制和管理调度进一步结合起来，并且

3、加强断续系统功能，采用专家系统，制造自动化协议MAP(Manufactur Automation Protocol)标准，以及硬件上诸多新技术。这一代的典型产品中，有的是在原有基础上扩展，如美国Honeywell公司扩展后的TDCS 3000，横河电机的CENTUM-XL和UX，美国西屋公司的WDPF II等，也有的是新发展的系统，如Foxboro公司的I/A Series等。这一代产品的进一步发展就是计算机集成制造(生产)系统第二节 DCS控制系统发展史 CIM(Computer Integrated Manufacturing)，即将企业行政事务信息与工厂控制系统集成为一体的计算机系统。

4、这一代产品结构层次有了进一步发展，它自下而上一般可分为过程控制级，控制管理级，生产管理级和经营管理级这四个层次，第二节 DCS控制系统发展史第四阶段：第四代DCS系统，2000年以后 第四代DCS的体系结构主要分为四层结构:现场仪表层、控制装置单元层、工厂(车间)层和企业管理层。一般DCS厂商主要提供除企业管理层之外的三层功能，而企业管理层则通过提供开放的数据库接口，连接第三方的管理软件平台(ERP, CRM, SCM等)。所以说，当今DCS主要提供工厂(车间)级的所有控制和管理功能，并集成全企业的信息管理功能。例如以Honeywell公司最新推出的Experion PKS(过程知识系统)、E

5、merson公司的P1antWeb (Emerson ProcessManagement), Foxboro公司A2、横河公司的R3 (PRM-_-C厂资源管理系统)和ABB公司的Industrial IT系统。第二节 DCS控制系统发展史第三节第三节 CENTUM-CSCENTUM-CS控制系统的构成字母代号控制系统的构成字母代号集散控制系统基本构成图CENTUM-CS系统外观图DCSDCS组组组组成成成成结结结结构构构构 DCS DCS DCS DCS的的的的过过程控制站是一个完整的程控制站是一个完整的程控制站是一个完整的程控制站是一个完整的计计算机系算机系算机系算机系统统，主，主，主，主

6、要由要由要由要由电电源、高性能的中央源、高性能的中央源、高性能的中央源、高性能的中央处处理器（理器（理器（理器（CPUCPUCPUCPU）、网）、网）、网）、网络络接口接口接口接口组组成。成。成。成。 高性能的中央高性能的中央高性能的中央高性能的中央处处理器是理器是理器是理器是现场过现场过程控制的中心，存程控制的中心，存程控制的中心，存程控制的中心，存放并运行所有的放并运行所有的放并运行所有的放并运行所有的过过程控制程序以及程控制程序以及程控制程序以及程控制程序以及现场仪现场仪表数据和控表数据和控表数据和控表数据和控制数据。制数据。制数据。制数据。DCSDCSDCSDCS的控制决策都是由它来的

7、控制决策都是由它来的控制决策都是由它来的控制决策都是由它来执执行的。行的。行的。行的。 过过程控制站的网程控制站的网程控制站的网程控制站的网络络接口是同上一接口是同上一接口是同上一接口是同上一级级的操作的操作的操作的操作员员站和站和站和站和工程工程工程工程师师站的站的站的站的连连接通道。操作接通道。操作接通道。操作接通道。操作员员的操作控制信息和工程的操作控制信息和工程的操作控制信息和工程的操作控制信息和工程师师站的站的站的站的组态组态程序都是通程序都是通程序都是通程序都是通过这过这一通道一通道一通道一通道发发送到送到送到送到过过程控制站，程控制站，程控制站，程控制站，过过程控制站收集整理的程

8、控制站收集整理的程控制站收集整理的程控制站收集整理的现场现场数据也是通数据也是通数据也是通数据也是通过这过这一通道一通道一通道一通道传传递递到操作到操作到操作到操作员员站上。站上。站上。站上。过过程控制站同程控制站同程控制站同程控制站同I/OI/OI/OI/O模模模模块块之之之之间间通通通通过现场总线连过现场总线连接。接。接。接。DCSDCS组组组组成成成成结结结结构构构构 一台用于操作、监视、报一台用于操作、监视、报一台用于操作、监视、报一台用于操作、监视、报警、趋势显示、记录和打印报警、趋势显示、记录和打印报警、趋势显示、记录和打印报警、趋势显示、记录和打印报表的表的表的表的PCPCPCP

9、C机。操作员站通常装有机。操作员站通常装有机。操作员站通常装有机。操作员站通常装有操作软件以完成上述功能，并操作软件以完成上述功能，并操作软件以完成上述功能，并操作软件以完成上述功能，并且是通过以太网同过程控制站且是通过以太网同过程控制站且是通过以太网同过程控制站且是通过以太网同过程控制站相连。相连。相连。相连。DCSDCS组组组组成成成成结结结结构构构构 一台用于组态过程控制软一台用于组态过程控制软件，诊断、监视过程控制站运件，诊断、监视过程控制站运行情况，供行情况，供DCSDCS工程师开发、工程师开发、测试、维护测试、维护DCSDCS系统使用的计系统使用的计算机。算机。第三节 CENTUM

10、-CS控制系统的构成字母代号集散型控制系统的体系结构 操作站、工程师站和上位计算机构成集中管理部分；现场监测站、现场控制站构成分散控制部分；通信网络是连接集散系统各部分的纽带，是实现集中管理、分散控制的关键。 第三节 CENTUM-CS控制系统的构成字母代号CENTUM-CS系统构成第三节 CENTUM-CS控制系统的构成及字母代号类型字母代号意 义字母代号意 义仪表调整面板常用参数MODE仪表块方式LL下下限报警值PV测量值SVH设定点上限限位值SV设定值SVL设定点下限限位值MV阀位输出值MH阀位输出上限限位值DV偏差值ML阀位输出下限限位值SUM累计值P比例带HH上上限报警值I积分时间P

11、H上限报警值D微分时间PL下限报警值CENTUM-CS系统的字母代号第三节 CENTUM-CS3000控制系统的构成字母代号类型字母代号意 义字母代号意 义常用报警状态字IOP-输入开路NR正常OOP输出开路ANS+(ON)回讯不正常PV(MV=2)HH上上限报警ANS-(OFF)回讯不正常PV(MV=0)HI上限报警PERR两回讯均不正常LO下限报警CAL校验状态LL下下限报警IOP+输入超量程DV-负偏差报警(PV-SVVL)DV+正偏差报警(PV-SVDL)VEL-速度报警-（PV2-PV1VL)续表第四节 DCS控制系统的特点 控制功能丰富 监视操作方便 信息和数据共享 系统扩展灵活

12、安装维护方便 系统可靠性高 第二章 简单控制系统n 概述n 简单控制系统的几大参数n 三种控制器的比较第一节 概述 简简单单控控制制系系统统通常是指由一个测量元件、变送器、一个控制器、一个控制阀和一个对象所构成的单闭环控制系统。 液位控制系统 温度控制系统图简单控制系统的方块图第二节 简单控制系统的几大参数从上图中可知从上图中可知 简单控制系统由四个基本环节组成，即被控对象、测量变送装置、控制器和执行器。 被控变量被控变量 生生产产过过程程中中希希望望借借助助自自动动控控制制保保持持恒恒定定值值（或或按按一一定定规规律律变变化化）的变量称为被控变量。的变量称为被控变量。执行器执行器 接接受受控

13、控制制器器的的输输出出信信号号, ,直直接接控控制制能能量量或或物物料料等等调调节节介介质质的的输输送量送量, ,达到控制温度、压力、流量、液位等工艺参数的目的。达到控制温度、压力、流量、液位等工艺参数的目的。测量变送器测量变送器 用用于于检检测测各各被被控控变变量量（如如流流量量、温温度度、压压力力、液液位位）工工艺艺参参数各类仪表。数各类仪表。对象对象 工艺上所需控制的各类设备如塔、罐等。工艺上所需控制的各类设备如塔、罐等。控制器控制器 对于生产装置的温度、压力、流量、液位等工艺变量常常对于生产装置的温度、压力、流量、液位等工艺变量常常要求维持在一定的数值上，或按一定的规律变化，以满足生要

14、求维持在一定的数值上，或按一定的规律变化，以满足生产工艺的要求。产工艺的要求。PID控制器是根据控制器是根据PID控制原理对整个控制控制原理对整个控制系统进行偏差调节，从而使被控变量的实际值与工艺要求的系统进行偏差调节，从而使被控变量的实际值与工艺要求的预定值一致。不同的控制规律适用于不同的生产过程，必须预定值一致。不同的控制规律适用于不同的生产过程，必须合理选择相应的控制规律，否则合理选择相应的控制规律，否则PID控制器将达不到预期的控制器将达不到预期的控制效果。控制效果。 控制器有三种：控制器有三种：比例控制器、比例积分控制器、比例积分比例控制器、比例积分控制器、比例积分微分控制器微分控制

15、器 第三节 三种控制器性能比较表三种控制器性能比较表特点特点适用于适用于比例控比例控制器制器控制器的输出与偏差成比例,阀门位置与偏差之间有一一对应关系。当负荷变化时,比例控制器克服干扰能力强,过渡过程时间短。纯比例控制器在过渡过程终了时存在余差。 调节通道滞后较小、负荷变化不大、工艺上没有提出无差要求的系统。 比例积比例积分控制分控制器器积分作用使控制器输出与偏差的积分成比例, 过渡过程结束时无余差。但使稳定性降低。 调节通道滞后较小、负荷变化不大、工艺参数不允许有余差的系统。 比例积比例积分微分分微分控制器控制器微分作用使控制器的输出与偏差变化速度成比例。它对克服容量滞后有显著效果。在比例的

16、基础上加上微分作用能提高稳定性,再加上积分作用可以消除余差。 容量滞后较大、负荷变化大、控制质量要求较高的系统 第四章 过程控制系统概述串级控制系统前馈控制系统比值控制系统分程控制系统选择控制系统三冲量控制系统根据根据系统的结构和所担负的任务根据根据系统的结构和所担负的任务复杂控制系统串级控制系统 均匀控制系统比值控制系统分程控制系统 前馈控制系统 选择控制系统 三冲量控制系统 第一节第一节 概述概述第二节 串级控制系统串级控制系统串级控制系统-两只调节器串联起来工作，其中一个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。调节器的输出作为另一个调节器的给定值的系统

17、。串级控制系统的结构和方框图串级控制系统的结构和方框图 第四节 串级控制系统例：联合尾气焚烧炉炉温控制第二节 串级控制系统串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀。前一个调节器称为主调节器，它所检测和控制的变量称主变量（主被控参数），即工艺控制指标；后一个调节器称为副调节器，它所检测和控制的变量称副变量（副被控参数），是为了稳定主变量而引入的辅助变量。整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。一次

18、扰动：作用在主被控过程上的，而不包括在副回路范围内的扰动。二次扰动：作用在副被控过程上的，即包括在副回路范围内的扰动。 第三节 前馈控制系统前馈控制原理前馈控制是按照扰动作用的大小进行控制。当扰动一出现，就能根据扰动的测量信号来控制操纵变量，及时补偿扰动对被控变量的影响，所以控制是及时的，如果补偿作用完善，可以使被控变量不产生偏差，其方框图如下图所示。它是一个开环控制系统。在很多场合下都是将前馈控制与反馈控制结合在一起组成前馈反馈控制系统，称之为复合控制系统。这些系统即使在大而频繁的扰动下，仍能获得优良的控制品质。 第四节 比值控制系统比值控制系统-使两种或多种物料流量自动维持一定比值关系的过

19、程控制系统。 常用的比值控制系统主要有以下几种结构形式： 1 单闭环比值控制系统在开环比值控制的基础上，设计了一个副物料流量闭环控制回路。 第四节 比值控制系统第四节 比值控制系统脱水单元比值控制第四节 比值控制系统2 双闭环比值控制系统由一个定值控制的主流量回路和一个跟随主流量变化的副流量控制回路组成。主流量控制回路能克服主流量扰动，实现其定值控制。副流量控制回路能抑制作用于副回路中的扰动。当扰动消除后，主、副流量都回复到原设定值上，其比值不变。第五节 分程控制系统分程控制系统分程控制系统-在某些工业生产中，根据工艺要求，一个调节器的输出信号分段，分别控制两个或两个以上的调节阀工作，即每个调

20、节阀在调节器输出的某段信号范围内作全行程动作。例：PV-11701A/B 当PY-11701输出为050 %时开PV-11701B; 50100 %时开PV-11701A第六节 选择控制系统选择性控制选择性控制-是把工业生产过程中的限制条件所构成的逻辑关系，叠加到正常的自动控制系统上去的一种组合控制方法。即在一个过程控制系统中，设有两个调节器(或两个以上的变送器)，通过高、低值选择器选出能适应生产安全状况的控制信号，实现对生产过程的自动控制。称为自动保护系统或称为软保护系统。第六节 选择控制系统第七节 三冲量控制系统图 三冲量控制系统 该系统除了液位、蒸汽流量信号外,再增加一个给水流量的信号。

21、它有助于及时克服由于供水压力波动而引起的汽包液位的变化。第四章 复杂控制系统n 控制系统的投运n 控制系统操作中的常见问题第一节、控制系统的投运第一节、控制系统的投运1.1.1.1.准备工作准备工作准备工作准备工作 对于工艺人员与仪表人员来说对于工艺人员与仪表人员来说 对于仪表人员来说对于仪表人员来说 2. 2. 2. 2.仪表检查仪表检查仪表检查仪表检查 投运前要在现场校验仪表一次投运前要在现场校验仪表一次, , 确认正常后可考虑投运。确认正常后可考虑投运。 对于对于控制记录仪表控制记录仪表控制记录仪表控制记录仪表, ,除了要观察测量指示是否正常外除了要观察测量指示是否正常外, ,还特别要还

22、特别要 对控制器控制点进行复校。对控制器控制点进行复校。 3. 3.检查控制器的正、反作用及控制阀的气开、气关型式检查控制器的正、反作用及控制阀的气开、气关型式 控制好控制器的正、反作用，是确保整个自动控制系统成为负反馈闭环系统的重要一环。正作用？反作用？ 控制器正、反作用开关示意图 4. 4.控制阀的投运控制阀的投运 控制阀安装示意图1上游阀；2下游阀；3旁路阀；4控制阀 5. 5.控制器的手动和自动的切换控制器的手动和自动的切换 通过手动遥控控制阀,使工况趋于稳定以后,控制器就可以由手动切换到自动,实现自动操作。 要求：平稳、迅速，实现无扰动切换。要求：平稳、迅速，实现无扰动切换。 6.

23、6. 6. 6.控制器参数的整定控制器参数的整定控制器参数的整定控制器参数的整定整定方法：整定方法：整定方法：整定方法：临界比例度法、衰减曲线法、经验凑试法临界比例度法、衰减曲线法、经验凑试法 不管采用哪种方法进行整定不管采用哪种方法进行整定, ,所得到的自动控制所得到的自动控制系统系统, ,在正常工况下在正常工况下, ,由于经常受到各种扰动由于经常受到各种扰动, ,被控变被控变量不可能总是稳定在一个数值上长期不变。量不可能总是稳定在一个数值上长期不变。 如果出现记录曲线是一条直线或一个圆如果出现记录曲线是一条直线或一个圆, ,就要检就要检查一下测量记录仪表有否故障查一下测量记录仪表有否故障,

24、 ,灵敏度是否足够等。灵敏度是否足够等。 第二节 控制系统操作中的常见问题精馏塔控制系统之间的干扰精馏塔两个温精馏塔两个温度控制系统之度控制系统之间相互干扰间相互干扰解决方案解决方案 可以通过控制器参数整定可以通过控制器参数整定, ,将两个控制系统的动态联系削弱将两个控制系统的动态联系削弱, ,使其使其能正常工作。采取这种措施后能正常工作。采取这种措施后, ,保证了主要被控变量的稳定，而次要保证了主要被控变量的稳定，而次要变量的控制质量会有所降低。变量的控制质量会有所降低。 从自动化角度出发从自动化角度出发, ,尚可设计较为复杂一些的去关联控制系统尚可设计较为复杂一些的去关联控制系统, ,通通

25、过引入一些特殊的去关联环节来消除相互间的影响。过引入一些特殊的去关联环节来消除相互间的影响。 从工艺上消除关联也是一个极为有效的措施。从工艺上消除关联也是一个极为有效的措施。 2. 2.测量系统的故障及判别方法测量系统的故障及判别方法 发现工艺参数的记录曲线出现异常情况时发现工艺参数的记录曲线出现异常情况时, ,首先要分析情况首先要分析情况, ,判别其判别其原因原因, ,这是正常操作的前提之一。这是正常操作的前提之一。判别的方法：判别的方法：记录曲线突变。记录曲线突然大幅度变化。记录曲线出现不规则变化。记录曲线出现等幅振荡。记录曲线不变化,呈直线状 (或圆状)。 3.3.控制系统运行中的常见问

26、题控制系统运行中的常见问题 出现问题时，除了要考虑前面所讲的测量系统可能出现的故障以外,特别要注意被控对象特性的变化以及控制阀特性变化的可能性,要结合仪表和工艺两个方面去找原因。 针对适应对象特性的变化,一般可以通过重新整定控制器参数,以获得较好的控制质量。 HIS人机接口站功能 HIS 人机接口站的功能 报警容量报警容量 ：1818个报警个报警/ /窗口，窗口，200200个报警个报警/ /HISHIS 报警信息报警信息 ：序号，标记，日期，时间，仪表说明，报警状态，：序号，标记，日期，时间，仪表说明，报警状态， 测量值，是否恢复正常测量值，是否恢复正常 优先级别优先级别 ：五级（高：五级（

27、高/ /中中/ /低低/ /记录记录/ /参考参考）过程报警窗口 HIS 人机接口站的功能w20,0000 20,0000 块仪表面板块仪表面板/ /HISHISw连贯的操作接口连贯的操作接口w每一功能块均有面板显示每一功能块均有面板显示w具有用户可组态面板具有用户可组态面板OPNCLS100.080.060.040.020.00.0CASHIWATERFLOW T6 FIC201WATERFLOW T6FIC201-DSTEPPAUSECONTBU201-DDI 1DI 2DO 1DO 2MC201-D模拟量显示趋势显示批量显示顺控显示丰富的面板显示HIS 人机接口站的功能AUTCNDNRA

28、OFOPN100.0CLS0.0 调整中调整中FIC1001A位号位号.阀门开关说明阀门开关说明操作输出值操作输出值操作输出限制值操作输出限制值提示指针提示指针报警状态报警状态回路状态回路状态位号标记位号标记操作标记说明操作标记说明操作标记操作标记计算机标记计算机标记串级标记串级标记回路子状态回路子状态报警子状态报警子状态仪表刻度仪表刻度上上限报警设定值（红）上上限报警设定值（红）上限报警设定值（绿）上限报警设定值（绿） 设定值设定值测定值测定值下下限报警设定值（红）下下限报警设定值（红）下限报警设定值（绿）下限报警设定值（绿）模拟量显示HIS 人机接口站的功能控制分组窗口面板数量 ： 8个或

29、16个仪表面板/窗口 (大小面板可混合在一个窗口中）* 当使用8个仪表面板分组时可配合使用操作员键盘直接进行操作。HIS 人机接口站的功能调整回路窗口 显示数量 ：1个回路/窗口，200,000窗口/HIS 显示内容 ：仪表面板，调整趋势，仪表参数HIS 人机接口站的功能趋势组窗口 显示数量 ：8笔/窗口，800窗口/HIS（可以是其它HIS，共12800点） 适用参数 ：PV，SV，MV，FV 等 采样周期 ：1秒，10秒，1分，2分，5分，10分 记录时间 ：48分，8小时，2天，4天，10天，20天* 当选用长时趋势软件包时，记录时间可根据硬盘容量由用户自定义。DCS故障识别与处理开关开

30、关开关开关阀阀DCSDCSDCSDCS画面出画面出画面出画面出现闪烁现闪烁表示开关表示开关表示开关表示开关阀阀到位信号未收到到位信号未收到到位信号未收到到位信号未收到检查阀门检查阀门是否卡死，是否卡死，是否卡死，是否卡死，DCSDCSDCSDCS柜保柜保柜保柜保险丝险丝是否断等是否断等是否断等是否断等同同同同时时我我我我们们可以可以可以可以查查看开关看开关看开关看开关阀阀控制窗口控制窗口控制窗口控制窗口阀门阀门异常异常异常异常时时“阀门阀门状状状状态态”与与与与“阀门阀门命令命令命令命令”将出将出将出将出现现不一致，在不一致，在不一致，在不一致，在报报警状警状警状警状态栏态栏中也中也中也中也会

31、出会出会出会出现现故障提示故障提示故障提示故障提示阀门闪阀门闪烁烁DCS故障识别与处理调节阀调节阀故障：故障：故障：故障：阀阀位已打开很大，位已打开很大，位已打开很大，位已打开很大，但流量、但流量、但流量、但流量、压压力力力力显显示不正常示不正常示不正常示不正常数据没有或数数据没有或数数据没有或数数据没有或数值值固定不固定不固定不固定不动动调节阀调节阀控制窗口中控制窗口中控制窗口中控制窗口中实际阀实际阀位与回路位与回路位与回路位与回路输输出出出出显显示示示示值值偏差太大偏差太大偏差太大偏差太大处处理：理：理：理：检查阀门检查阀门、流量、流量、流量、流量计计、压压力力力力变变送器等送器等送器等送

32、器等现场仪现场仪表表表表检查检查DCSDCSDCSDCS柜各柜各柜各柜各连连接点、保接点、保接点、保接点、保险丝险丝、电电源及源及源及源及输输入、入、入、入、输输出出出出4-20mA4-20mA4-20mA4-20mA信号是否正常信号是否正常信号是否正常信号是否正常数据没有或数数据没有或数数据没有或数数据没有或数值值不不不不动动表示网表示网表示网表示网络传输络传输可能有可能有可能有可能有问题问题，检查检查网网网网络线络线及及及及电脑电脑DCS故障识别与处理在流量在流量在流量在流量计录计录窗口窗口窗口窗口出出出出现现流量波流量波流量波流量波动动处处理：理：理：理：检查现场仪检查现场仪表表表表检查检查工工工工艺设艺设定定定定检查检查PIDPIDPIDPID参数参数参数参数电脑电脑断断断断电电引起引起引起引起波型波型波型波型图图无无无无记录记录段段段段 谢谢