第六章集散控制系統西安石油大學汪躍龍2013年10月集散控制系統-----又稱分散型綜合控制系統（DCS）系統，是對生產過程進行集中監視、操作、管理和分散控制的一種全新的分布式計算機控制系統。該系統將若干臺微機分散應用于過程控制，全部信息通過通信網絡由上位管理計算機監控，實現最優化控制，通過CRT裝置、通信總線、鍵盤、打印機等，進行集中操作、顯示和報警。整個裝置繼承了常規儀表分散控制和計算機集中控制的優點，克服了常規儀表功能單一、人一機聯系差，以及單臺微型計算機控制系統危險性高度集中的缺點，既在管理、操作和顯示三方面集中，又在功能、負荷和危險性三方面分散。集散控制系統的定義一、集散控制系統的組成（一）拓撲結構（二）功能分析TDC-3000系統CENTUM系統二、集散控制系統的特點（1）控制設備的分散（2）監視和管理操作的集中（3）開放的系統結構三、集散控制系統的發展初創期(1975一l980年)

成熟期(1980一1985年)擴展期(1985年以后)分散控制方式：儀表間相距過遠、儀表盤尺寸過大、無法全面了解信息及佳作；集中控制方式：危險過集中，計算機出現故障時整個生產裝置癱瘓；集散控制方式：控制功能分散、操作管理集中－DCS。集散控制中危險分散的方法：將控制功能分散到多臺計算機上，采取雙重化冗余措施?，F場控制站危險分散的設計原則三、集散控制系統的發展國際著名廠商:TDC-2000TDC3000SPECTRUMI/AseriesCENTUM愛默生電氣公司WDPFPROVOX國內著名廠商：DCS系統操作臺DCS系統控制單元DCS系統用戶界面Distributedcontrolsystem包括：DCS控制站、DCS操作站、數據通信及網絡集散控制系統的現場控制站DCS系統中，控制站繼承了DDC技術，它是一個完整的計算機，實際運行中可以在不與操作站及網絡相連的情況下，完成過程控制策略，保證生產裝置正常運行?？刂普咀鳛橐粋€完整的計算機，它的主要I/O設備為現場的輸入、輸出處理設備，以及過程輸入/輸出（PI/O）量，包括信號變換與信號調理，A/D、D/A轉換等。它在第二代和第三代產品中已陸續采用了嵌入式技術，并采用單片機等完成量程調整、遠程I/O數據傳輸、小型化及減少PI/O卡硬件規格等功能，直至連接智能化的現場變送器或接受采用現場總線提供的數字信號。集散控制系統的現場控制站?主要設備：現場控制單元。?主要任務：進行數據采集及處理，對被控對象實施閉環反饋控制、順序控制和批量控制。?用戶可以根據不同的應用需求，選擇配置不同的現場控制單元以構成現場控制站?！褚悦嫦蜻B續生產的過程控制為主，順序邏輯控制為輔，構成一個可以實現多種復雜控制方案的現場控制站;●

以順序控制、聯鎖控制功能為主的現場控制站；●構成對大批量過程信號進行總體信息采集的現場控制站。1.機柜現場控制站機柜中央控制室機柜間機柜間機柜組有了現場控制站，生產過程控制的安全性和可靠性都很容易得到保證現場控制單元多層I/O卡件箱電源單元通信接口接線端子板機柜正面（前面）機柜背面（后面）現場控制站機柜2.電源?電源系統的可靠性措施●每一個現場控制站均采用雙電源供電，互為冗余。●采用超級隔離變壓器，將其初級、次級線圈間的屏蔽層可靠接地，以克服共模干擾的影響?！癫捎媒涣麟娮诱{壓器，快速穩定供電電壓?！衽溆胁婚g斷供電電源UPS，以保證供電的連續性。?現場控制站內各功能模塊所需直流電源一般為±5V、±15V(或±12V)、以及+24V。3.控制計算機控制器電源單元I/O卡件現場總線接口卡件導軌控制計算機?控制計算機一般是由CPU、存儲器、輸入/輸出通道等基本部分組成。(1)CPU

●用以實現算術運算和邏輯運算?！窨梢詧绦袕碗s的先進控制算法，如自動整定、預測控制、模糊控制和自適應控制等。(2)存儲器

●控制計算機的存儲器分為RAM和ROM。●在控制計算機中ROM占有較大的比例?！裼捎诳刂朴嬎銠C在正常工作時運行的是一套固定的程序，DCS中大都采用了程序固化的辦法。●在冗余控制計算機系統中，還特別設有雙端口隨機存儲器RAM，其中存放有過程輸入輸出數據、設定值和PID參數等。(3)總線

●總線是將現場控制站內部各單元連接起來的通信介質。

(4)輸入/輸出通道

●模擬量輸入/輸出(AI/AO)●開關量輸入/輸出(SI/SO)●數字量輸入/輸出(DI/DO)●脈沖量輸入通道(PI)

①模擬量輸入輸出通道(AI/AO)

●模擬量輸入通道(AI)?模擬量輸入通道(AI)將來自在線檢測儀表和變送器的連續性模擬電信號轉換成數字信號，送給CPU進行處理。●模擬量輸出通道(AO)

?模擬量輸出通道(AO)一般將計算機輸出的數字信號轉換為4~20mADC(或1~5VDC)的連續直流信號，用于控制各種執行機構。②開關量輸入/輸出通道(SI/SO)

●開關量輸入通道(SI)主要用來采集各種限位開關、繼電器或電磁閥連動觸點的開、關狀態，并輸入至計算機?！耖_關量輸出通道(SO)主要用于控制電磁閥、繼電器、指示燈、聲光報警器等只具有開、關兩種狀態的設備。③脈沖輸入通道(PI)

脈沖輸入通道(PI)將現場儀表（如渦輪流量計等）輸出的為脈沖信號處理后送入計算機。1.反饋控制2.4.1現場控制站的基本功能反饋控制輸入處理控制運算回路組態輸出處理報警處理反饋控制功能分布圖(1)輸入信號處理?模擬輸入信號處理●合理性檢驗●零偏修正●規格化●工程量變換●非線性處理●開方運算●補償運算●脈沖序列的瞬時值變換及累計?對于數字信號●狀態報警及輸出方式處理。?對于脈沖序列●瞬時值變換及累積計算。①報警類型②報警限值③報警優先級

●

報警優先級參數●

報警鏈中斷參數●

最高報警選擇參數(2)報警處理(3)控制運算●常規PID●微分先行PID●積分分離●開關控制●時間比例式開關控制●信號選擇●比率設定常用算法●時間程序設定●Smith預估控制●多變量解耦控制●一階滯后運算●超前-滯后運算●其他運算等(4)控制回路組態?根據控制策略的需要，將一些功能模塊通過軟件連接起來，構成檢測回路或控制回路。溫度與壓力串級控制系統回路組態圖(5)輸出信號處理●輸出開路檢驗●輸出上下限檢驗●輸出變化率限幅●模擬輸出●開關輸出●脈沖寬度輸出2.邏輯控制?根據輸入變量的狀態，按邏輯關系進行的控制。?在DCS中，由邏輯功能模塊實現邏輯控制功能。邏輯控制功能●與(AND)●或(OR)●非(NO)●異或(XOR)●連接(LINK)●進行延時(ONDELAY)●停止延時(OFFDELAY)●觸發器(FLIP-FLOP)●脈沖(PULSE)3.順序控制?順序控制：按預定的動作順序或邏輯，依次執行各階段動作程序。?順序控制中可以兼用反饋控制、邏輯控制和輸入/輸出監視等功能。?實現順序控制的常用方法●順序表法●程序語言方式●梯形圖法?順序表法●將控制順序按邏輯關系和時間關系預先編成順序記錄，存儲于管理文件中，然后逐項執行。?程序語言方式●通過語言編程來實現順序控制。?梯形圖法（梯形邏輯控制語言）●由繼電器邏輯電路圖演變而來的一種解釋執行程序的設計語言。?隨著DCS的發展，已出現了梯形邏輯與連續控制算法相結合的復合控制功能。4.批量控制?根據工藝要求，將反饋控制與邏輯、順序控制結合起來，使一個間歇式生產過程得到合格產品的控制。●反饋控制的報警信號●回路狀態信號●模擬信號的比較、判斷、運算結果順序控制的條件信號●回路的切換●參數的變更●設定值的調整●控制算法的變更●控制方案的變更由順序控制轉換為反饋控制的條件5.輔助功能(1)控制方式選擇●手動(MAN)●自動(AUT)●串級(CAS)●計算機(COMP)(2)測量值跟蹤?在手動方式時，使本回路的設定值不再保持原來的值，而跟蹤測量值。(3)輸出值跟蹤?在手動方式時，使內存單元中PID輸出值跟蹤手操輸出值。?從手動切換到自動時，內存單元中的自動輸出數值與手操輸出值相等，切換是無擾動的。?在自動方式時，手操器的輸出值是始終跟蹤控制器的自動輸出值的。?從自動切換到手動時，手操器的輸出值與PID的輸出值相等，切換是無擾動的。

DCS操作站具有操作員功能、工程師功能、通信功能和高級語言功能等，其中工程師功能中包括系統組態、系統維護、系統通用（Utility）功能。

DCS操作員站和工程師站實際的DCS操作站是典型的計算機，它與控制站不同，有著豐富的外圍設備和人機界面。70年代中期，CRT顯示器技術已成熟，以外部存儲器為特征，第二代DCS操作站還具有如下特點：操作站和工程師站（或稱工作站）分開，也有公司將操作站的歷史數據存儲用硬盤（歷史模件）和高級語言應用站（應用模件）分別獨立掛在通信網絡上；操作系統除采用DOS系統以外，有的產品采用Unix等操作系統；實時數據庫儲存性能逐漸完善；在人機界面方面，逐漸過渡為以GUI圖形用戶界面為平臺并采用鼠標、組態時制作流程圖和控制回路圖等方法，采用菜單、窗口、CAD等技術，使人機界面友好。DCS操作站的功能（三大功能）工程功能－完成系統生成、系統維護、系統測試和系統管理；操作功能－監視、記錄、運行；通信功能－完成現場控制站于上位機之間的數據交換。主要介紹操作功能－操作運行中的操作畫面（1）總貌畫面－反映生產過程總體狀況。（2）分組畫面－對應顯示各內部儀表狀態，操作中觀察其它回路中的關聯變化。（3）回路調整畫面（4）報警畫面（5）趨勢分組畫面（6）流程子畫面2.2.2操作站嵌入型臺式操作站桌面型操作站信息報警站工程師站控制站顯示器標準鍵盤主機操作站主機柜工作臺中央控制室設備?DCS操作站一般分為操作員站和工程師站兩種。●工程師站主要是技術人員與控制系統的人機接口，可以對應用系統進行監視。●工程師站為用戶提供了一個靈活的、功能齊全的工作平臺，通過組態軟件來實現用戶所要求的各種控制策略?！裼行┬⌒虳CS的工程師站可以用一個操作員站代替。

●操作臺

●微處理機系統

●外部存儲設備

●圖形顯示設備

●操作鍵盤和鼠標

●打印輸出設備DCS操作站主要設備操作站設備2.2.3冗余技術1.冗余方式冗余技術多重化自動備用簡易的手動備用后退運轉同步運轉待機運轉2.4.2操作站的基本功能操作站的基本功能顯示報警系統維護報告生成操作系統組態操作站的基本功能分布圖2.4.3自診斷功能?在系統投運前，用離線診斷程序檢查各部分的工作狀態。?系統運行中，各設備不斷執行在線自診斷程序。●一旦發現錯誤，立即切換到備用設備；●同時經過通信網絡在顯示器上顯示出故障代碼，等待及時處理；●故障代碼可以定位到卡件板，用戶只需及時更換卡件。

數據通信及網絡在DCS系統誕生時，主要解決一個生產裝置中幾個控制站和一個或幾個操作站之間的數據通信問題；第二代DCS則解決多個裝置的DCS互聯問題；第三代DCS則解決一個工廠的多個車間互聯及與全廠計算機管理網絡互聯的問題，這是總的設計思想。在實際應用中，如石化行業，DCS一直多用在一個生產裝置范圍內的多機通信系統中，而且控制站和操作站均集中放置在控制室內。在DCS中采用數字通信技術，還有在控制站內采用站內通信總線及遠程I/O總線，以及在第三代DCS的控制站內增加了連接PLC、分析儀和現場智能儀表的接口卡，使DCS與現場儀表之間的接線減少，并對現場儀表進行設備管理，這為DCS向下兼容并與現場總線通信技術融合打下基礎。集散控制系統的工程化設計設計的含義：了解有代表性的集散系統，依據工程要求，即系統功能結構、系統規模、軟硬件要求、投資經費等，進行評價并選擇，然后對被選系統進行性能技術指標評價，即對先進性、適應性、可靠性、可操作性、可維護性、經濟性、技術服務、交貨期等進行評價，最后確定該系統。1、工程設計步驟（1）方案論證：c)系