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
2、 统。 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
3、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 Ma
4、nufacturing)，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。 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
5、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)、 Emerson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 CENTUMCENTUM- -CSCS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 DCS组成结构组成结构 DCSDCS的过程控制站是一个完整的计算机系统，主的过程控制站是一个
6、完整的计算机系统，主 要由电源、高性能的中央处理器（要由电源、高性能的中央处理器（CPUCPU）、网络接口）、网络接口 组成。组成。 高性能的中央处理器是现场过程控制的中心，高性能的中央处理器是现场过程控制的中心， 存放并运行所有的过程控制程序以及现场仪表数据存放并运行所有的过程控制程序以及现场仪表数据 和控制数据。和控制数据。DCSDCS的控制决策都是由它来执行的。的控制决策都是由它来执行的。 过程控制站的网络接口是同上一级的操作员站过程控制站的网络接口是同上一级的操作员站 和工程师站的连接通道。操作员的操作控制信息和和工程师站的连接通道。操作员的操作控制信息和 工程师站的组态程序都是通过这
7、一通道发送到过程工程师站的组态程序都是通过这一通道发送到过程 控制站，过程控制站收集整理的现场数据也是通过控制站，过程控制站收集整理的现场数据也是通过 这一通道传递到操作员站上。这一通道传递到操作员站上。 过程控制站同过程控制站同I/OI/O模块之间通过现场总线连接。模块之间通过现场总线连接。 DCS组成结构组成结构 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 表的表的PCPC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 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。
8、DCS组成结构组成结构 一台用于组态过程控制软 件，诊断、监视过程控制站运 行情况，供DCS工程师开发、 测试、维护DCS系统使用的计 算机。 第三节 CENTUM-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
9、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 PH 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
10、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 安装维护方便 系统可靠性高 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 第一节 概述 简单控制系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
11、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 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 生产过程中希望借助自动控制保持恒定值生产过程中希望借助自动控制保持恒定值（或按一定规律变或按一定规律变 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 接受控制器的输出信号接受控制器的输出信号, ,直接控制能量或物料等调节介质的输直接控制能量或物料等调节介质的输 送量送量, ,达到控制温度达到控制温度、压力压力、流量流量、液位等工艺参数的目的液位等工艺参数的目的。 测量变送器测量变送器 用于检测各被控变量用于检测各被
12、控变量（如流量如流量、温度温度、压力压力、液位液位）工艺参工艺参 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工艺上所需控制的各类设备如塔、罐等罐等。 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 生产工艺的要求。生产工艺的要求。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 的预
13、定值一致。不同的控制规律适用于不同的生产过程，必的预定值一致。不同的控制规律适用于不同的生产过程，必 须合理选择相应的控制规律，否则须合理选择相应的控制规律，否则PID控制器将达不到预期控制器将达不到预期 的控制效果。的控制效果。 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器 第三节 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
14、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
15、量控制系统 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，其中一个调节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。器的输出作为另一个调节器的给定值的系统。 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
16、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
17、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。
18、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P
19、V-11701B; 50 100 %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。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 控制
20、系统的投运 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.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.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, ,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.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
21、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.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.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。 6.6.控制器参数的整定控制器参数的整定 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
22、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, ,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 度控制系统之 间相互干扰 解决方案 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,使其 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 变量的控制质量会有所降低。 从自动化角度出发,尚可设计较为复杂一些
23、的去关联控制系统,通 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。 2.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,首先要分析情况,判别其 原因,这是正常操作的前提之一。 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.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
24、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（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 20,0000 20,0000 块仪表面板块仪表面板/ /HISHIS 连贯的操作接口连贯的操作接口 每一功能块均有
25、面板显示每一功能块均有面板显示 具有用户可组态面板具有用户可组态面板 OPN CLS 100.0 80.0 60.0 40.0 20.0 0.0 CAS HI WATER FLOW T6 FIC201 WATER FLOW T6 FIC201-D STEP PAUSE CONT BU201-D DI 1 DI 2 DO 1 DO 2 MC201-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 AUT CND NR AOF OPN 100.0 CLS 0.0 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
26、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
27、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 开关阀开关阀DCSDCS画面出现闪烁画面出现闪烁 表示开关
28、阀到位信号未收到表示开关阀到位信号未收到 检查阀门是否卡死，检查阀门是否卡死， DCSDCS柜保险丝是否断等柜保险丝是否断等 同时我们可以查看开关阀控制窗口同时我们可以查看开关阀控制窗口 阀门异常时阀门异常时“阀门状态阀门状态”与与“阀门阀门 命令命令”将出现不一致，在报警状态将出现不一致，在报警状态 栏中也会出现故障提示栏中也会出现故障提示 阀门闪阀门闪 烁烁 DCS故障识别与处理 调节阀故障：调节阀故障： 阀位已打开很大，阀位已打开很大， 但流量、压力显示不正常但流量、压力显示不正常 数据没有或数值固定不动数据没有或数值固定不动 调节阀控制窗口中调节阀控制窗口中 实际阀位与回路输出显示值偏
29、差太大实际阀位与回路输出显示值偏差太大 处理：处理： 检查阀门、流量计、压力变送器等现场仪表检查阀门、流量计、压力变送器等现场仪表 检查检查DCSDCS柜各连接点、保险丝、电源及输入、输出柜各连接点、保险丝、电源及输入、输出4 4- -20mA20mA信号是否正信号是否正 常常 数据没有或数值不动表示网络传输可能有问题，检查网络线及电脑数据没有或数值不动表示网络传输可能有问题，检查网络线及电脑 DCS故障识别与处理 在流量计录窗口在流量计录窗口 出现流量波动出现流量波动 处理：处理： 检查现场仪表检查现场仪表 检查工艺设定检查工艺设定 检查检查PIDPID参数参数 电脑断电引起电脑断电引起 波型图无记录段波型图无记录段 谢谢
