DCS控制系统及典型控制方案.docx

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DCS控制系统及典型控制方案

DCS控制系统及典型控制方案

常洪娟

集散系统DistributedControlsystem，简称DCS集散系统的含义是，利用微处理机或微型计算机技术对生产过程进行集中管理和分散控制的系统

技术基础微型计算机

应用对象生产过程

技术特点集中操作、管理和分散控制

DCS的产生

50年代前，过程控制主要使用气动仪表

50年代后期，出现电动单元组合仪表一次表留在现场的变送器和执行机构二次表集中在中控室的调节与显示表

60年代，开始使用直接数字控制（DDC），由一台过程控制计算机对数百个回路进行控制，在带来很多优点的同时，出现了“危险集中”。

70年代中期，出现集散系统。

操作更方便，集中管理，功能分散、任务分散的同时，危险也分散

DCS发展历程

（一）

1975年至1980年，初创期，代表产品有HoneywellTDC2000横河电机CENTUM

FoxboroSPECTRUM

技术特征：

带显示器的操作站与过程控制单元分离，实现了集中操作、分散控制在硬件制造和软件设计上采用了冗余技术

引入了网络通信技术，以数据传输通道连接各组成部分，实现了系统内的资源共享

DCS发展历程

（二）

1980年至1985年，成熟期，代表产品有

HoneywellTDC3000（LCN）

横河电机CENTUM-A，-B，-DRosemountRS3

技术特征：

引入了局域网技术，通信范围扩大，数据传送速率大大提高，但各厂家网络通信机制各不相同。

主要采用16位CPU，控制功能增强。

操作站开始兼有简单的管理功能采用上位机以完成一些复杂运算和较强的管理功能

DCS发展历程（三）

1985年以后，扩展期，代表产品有

FoxboroI/A-S

HoneywellTDC3000X，TPS

横河电机CENTUM-XL，-uXL，-CS

Fisher-RosemountDelta-V

技术特征：

系统开始走向开放，不同制造厂的产品可以相互连接、相互通信和进行数据交换。

普遍采用32位CPU，控制功能更加强大，标准算法中开始包括自适应、自整定的复杂控制算法，先进控制技术与过程优化技术得到推广应用。

采用高分辨率显示器、触摸屏、鼠标器以及窗口技术，人机界面更加友好，操作更简单；

DCS发展历程（四）

全数字化、双向、串行的多站通讯网络

现场总线（Fieldbus）控制系统

技术特征：

现场与中控室采用数字通信，取代4～20mA模拟信号通信，实现双向通通

讯

数字通信信号传送误差小，传送精度高。

开放性、互操作性/互换性增强控制功能完全下放到现场，实现完全分散控制硬件和软件尚待研究和开发。

现场总线控制系统构成

DCS如何构成

软件

操作管理系统、过程控制站、

通信系统

诊断程序应用程序

系统软件

组态程序标准画面等

用户软件组态结果

运行数据过程历史数据

操作管理系统负责操作、管理的设备：

操作站、上位机、通讯站、打印机等。

操作站（工程师站）是DCS的人-机接口，它有丰富的外设和友好的人-机界面。

操作站功能：

操作员功能、工程师功能、通讯功能和高级语言编程功能等。

操作站组成：

计算机主机、显示器、键盘（专用或PC标准键盘）、网卡、打印机等组成。

第四代DCS操作站普遍采用PC机来取代专用的操作站，操作系统采用Windows系统。

鼠标或触屏操作

过程控制站

控制站是DCS的核心部分，集多种计算机技术于一体的计算机，实现对过程的控制。

功能：

常规控制（PID）、逻辑、顺控和批量控制及通讯功能。

控制站通过采集现场信号和通过操作站发出的指令进行各种运算，并将计算结果送到现场进行控制。

组成：

电源、CPU卡、通讯卡和各种信号输入/输出卡（即I/O卡）及其端子板、连接电缆等组成。

通讯总线作用：

实现各个设备的数据交换，它将控制站、操作站等DCS的计算机设备连接成一个完整的系统。

组成：

局域网通信总线、控制通信总线、远程I/O总线等。

通信介质：

同轴电缆（50欧姆、75欧姆）、光纤或双绞线。

通信网络结构：

总线型、环型、树型和星型，如Honeywell和Yokogawa的DCS采用总线型。

通讯协议：

IEEE802通讯协议（IEEE802.2、IEEE802.4）DCS以令牌传输方式按设备地址进行巡回通讯。

DCS的特点

DCS系统都是由操作管理系统、过程控制站、数据通信总线等构成。

DCS系统都采用分级递阶分布式结构，控制、危险分散，操作、管理集中。

集散系统的处理器、内部总线、电源、控制用输入/输出卡件等采用冗余配置，从根本上提高了系统长期连续运行的能力和抗故障能力。

系统的硬件和软件均具备自诊断功能和自修正功能。

HONEYWELL操作站

TPS系统操作站一般有US、UWS和GUS。

GUS是基于MSWindowsNT或2000工作站平台的NativeWindow窗口，构成：

主机：

通用PC显示器：

单或双15吋或17吋CRT，键盘：

普通键盘，操作员键盘网卡：

Ethernet卡，可外接PIN网配置LCNP4属性板，通过MAU与LCN连接新的DISPLYBUILDER流程图画面代替US的PICTUREEDITOR流程图画面，支持多幅流程图。

HONEYWELL控制站

APM控制站组成：

电源模件先进过程管理模件APMM（MODEM调制解调器卡、高级通讯处理器、高级I/O接口处理器、高级控制处理器、空白卡）

IOP卡、卡笼、FTA卡供电电缆、冗余电缆、I/OLINK电缆、FTA电缆HONEYWELL控制站

HPM控制站组成：

电源模件HPMM（通讯/控制处理器卡、I/O链接处理器卡、）UCN接口模件IOP卡、卡笼、FTA卡

UCN电缆、供电电缆、冗余电缆、I/OLINK电缆、FTA电缆

TPS通讯总线

LCN网络通讯总线：

LCNA、LCNB作用：

在LCN网络上各模件之间传送信息，还传送一个连续的5Mbit/s的系统时钟同步信号，保持各模件的时间同步。

通讯介质：

（1）75欧姆同轴电缆≤300米（挂40个节点）。

（2）用光缆和LCNE卡扩展，一段光缆最大长度为2km，一条LCN网络最长可扩展到

4.9km，最多可挂64个节点,（3）每个节点通过T型头与LCN网连接，每条通信电缆的两终端必须有终端电阻。

通讯协议：

IEEE802.4令牌总线网介质存取控制协议

TPS通讯总线

UCN网络通讯总线：

UCNA、UCNB作用：

在UCN网络上各模件之间传送信息，通讯介质：

（1）同轴电缆（75欧姆）：

主电缆和分支电缆。

（2）TAP接头，（3）终端电阻通讯协议：

采用IEEE802.4和ISO标准通信协议，支持点对点通讯（peer-to-peer）通讯速率：

5MBIT/S可挂32对冗余节点

一条LCN网最多挂20条UCN网

TPS网络接口模件（NIM）

功能：

通讯功能：

是LCN与UCN之间的接口模件，提供LCN和UCN之间的连接。

实现LCN上和UCN上的通讯技术及通讯协议的转换。

时间同步功能：

LCN网络的时间和UCN网络的时间由NIM进行同步处理。

TPS历史模件（HM）

功能：

保存各个节点的操作属性文件及系统文件。

保存历史数据，用于报表及历史趋势的打印，保存杂记（JOURNAL）：

系统杂记、过程杂记。

保存用户文件：

流程图，报表，用户程序。

容量:

875M、1.8G。

配置：

单盘、单盘冗余、双盘、双盘冗余

TPS最小系统构成图

UCNAUCNB

CS3000操作站

种类：

台式与桌面式

台式：

封闭显示器式（CRT）与开放显示器式（LCD）构成：

主机：

通用PC显示器：

单或双CRT，键盘：

普通键盘，操作员键盘网卡：

VF701与Ethernet卡，支持多幅流程图。

操作系统：

WindowsNT或Windows2000

CS3000控制站

类型：

用于本地IO的现场控制站：

KFCS用于远程IO的现场控制站：

LFCS紧凑型现场控制站：

SFCS

构成：

现场控制单元（FCU）：

CPU（有的FCU带两个CPU）、通信卡（Vnet卡和内部总线卡）、电源单元、电池单元输入输出节点单元：

NodeUnit、节点卡

输入输出模块：

IOM内部总线：

ESB，ER，RIO及连接器电源：

100-120VAC或200-240VAC、备用电源

CS3000通讯网络（V网）

CS3000通讯网络（V网）

V网，即Vnet控制网，是连接FCS，HIS，BCV和CGW站的实时控制总线，通信速率为10Mbps，冗余配置；

一个网络可定义16个域，每个域64个站；

通信介质为同轴电缆

（1）粗缆，最长500米；

（2）细缆，最长185米；两种电缆间用转换器转接，扩展:

使用总线中继器和光纤中继器可扩展到20公里。

但中继器不能超过4对，

每条同轴电缆的两终端必须有终端电阻

通信协议：

IEEE802.4令牌总线网介质存取控制协议。

CS3000通讯网络（以太网）

以太网用途

连接HIS、ENG和上位机，

信息和趋势数据共享，等值化HIS数据库，

减轻Vnet负担，一般情况下以太网是需要的，但是若系统只有一个HIS，

且此HIS上安装有工程师功能，可以不要以太网，

DCS组态由系统软件生成用户软件的过程叫做“组态”在线组态:

整个系统硬件已构建完成，操作站、控制站及各节点间的通讯都能正常工作。

离线组态：

系统未构建好，在脱离系统的PC机上进行的组态。

DCS组态内容：

系统组织结构组态：

整个项目有多少台操作站、控制站，及各站的地址，控制站有哪些卡件组成等等

控制策略组态：

建点，建立点的连接

流程图绘制

数据库组态：

历史组、控制组等

DCS的下装

下装（Download）：

组态工作完成后，将组态内容写进设备，以更新相应设备的内存数据，使组态内容起作用需执行下装操作。

在线下装:

在处理器运行时进行的下装，用户软件的修改可在线下装。

离线下装：

在处理器停止运行时才能进行的下装，项目初始下装、增减系统硬设备等需离线下装。

DCS报警功能

（1）

系统报警：

由于DCS本身的故障产生的报警，控制系统卡件故障、通讯错误等报警。

不需组态，有标准的故障代码、故障提示符。

过程报警：

工艺参数越限报警。

如PV高、高高、低、低低报警、偏差报警、变化率等的报警。

需专门定义。

DCS报警功能

（2）

报警级别：

LOW、HIGH、EMERGENCY、JOUNAL、NOACTION（HONEYWELL）,不同的报警级别报警声不同，恢复正常后所需的确认方式不同。

设定报警值，允许报警才能发生声光报警。

报警死区:

通过工程单位量程的百分数的调整使报警恢复正常，防止频繁的报警循环。

某温度点的测量范围是0～200℃,它的PVHITP=150,超过150℃就报警。

若PVALDB=1%,则正常值只有回到148℃才会消除报警。

DCS历史趋势

历史趋势：

系统采集的过程点的历史数据，用于故障的查找和分析判断，DCS系统中多根据需要保存模拟量过程点的PV、

SP、OP值。

DCS历史趋势

（1）

HONEYWELL历史趋势：

由工程师组态历史组（趋势组）后生成，保存于历史模件（HM）中。

HONEYWELL历史组个数按单元在NCF组态时已分配好，如各历史组已用完，只有在HM容量充足的情况下，重新修改NCF组态。

一个历史组20个点。

保存于HM中，根据HM容量、采集时间的长短保存的时间有限。

。

分类：

（1）实时趋势：

1分钟和2分钟趋势，

（2）历史趋势：

20分钟以上的数据一定是来自HM。

5分钟、10分钟、20分钟该点的数据可以来自HM，也可以来自RT

当在线修改历史组时最好将HM的历史采集停止后在下装，否则可能引起HM出错甚至损坏。

DCS历史趋势

（2）

CS3000历史趋势：

保存于操作站硬盘，由工程师组态，操作员可调整趋势窗口中各趋势组的点的分配。

一台HIS最多可组态20个本地站趋势块，30个其它站趋势块，一个趋势块含16个组，一个组8个点。

类型：

（1）趋势画面：

根据设置的采集周期不同而时间长短不同，

（2）长趋势：

当

操作站安装有长趋势软件包时，可组态长趋势，在设置的保存时间（月、年）内，按星期打包，可根据日期查看。

DCS过程点

过程点是控制系统组态中的最小单元，其主要因素包括点位号ID、参数、功能点类型：

硬点:

来自现场或送到现场去的有硬接线的点,包括:

AI（模拟量输入点）、AO

（模拟量输出点）、DI（开关量输入点）、DO（开关量输出点）、PI（脉冲量输入点）等

软点：

在DCS中连接输入/输出以实现某种控制功能的中间点,包括:

RPV（常

规PV处理点）、RC（常规控制点）、DC（数字组合点）、Logic（逻辑点）、Array（数组点）、PM（CL程序点）、FLAG（标志量寄存器点）、Numeric（数值寄存器点）、Timer（定时器点）

DCS回路

一组点及点之间的信号联系构成回路。

显示回路：

只进行现场信号的显示，不进行控制，只有输入点及软点，无输出点，如温度、压力等工艺参数的显示，调节阀、泵、电机运行状态的显示。

控制回路：

（1）模拟控制回路：

即能进行现场信号的显示又能进行参数控制调节，是由输入点、中间软点、输出点构成，通过定义点的输入、输出连接参数来形成信号连接回路，

（2）联锁控制回路：

现场设备的启、停，阀的开、关等由数字量控制的回路，多由逻辑执行控制。

DCS回路构成图

DCS信号的转换

（1）

模拟输入（AI）信号:

温度（T）、压力（P）、流量（F）、物位（L）等工艺参数经变送器转换成4～20mADC信号接入DCS系统卡件后，转换成1～5VDC的系统内部信号，根据设置的表（点）的测量范围，控制器再将1～5VDC信号转换成相应的工程量数值进行显示。

DCS信号的转换

（2）

模拟输出（AO）信号:

0-100%的控制信号（OP）对应1～5VDC的系统内部信号，控制器将1～5VDC信号转换成4～20mADC信号后送往现场,控制调节阀的开度、变频电机的转速等。

DCS信号的转换（3）开关量输入（DI）信号:

现场来开关量信号接入DCS系统卡件后，当开关量信号发生状态改变，由断开到闭合时，使得卡件内的电路接通，控制器检测到电路接通后将对应该回路的点置为ON

（1）,反之

则置为OFF（0），用于报警、联锁或状态显示。

DCS信号的转换（4）开关量输出（DO）信号:

控制器发出的开关量控制信号发生状态改变，由OFF到ON时，使DCS系统卡件内的电路接通，使得外回路接通（有的卡件直接相外回路供24VDC信号，有的卡件只给出一干触点信号），实现泵、电机的启动和阀的打开，反之则使外回路断开实现泵、电机的停止和阀的关闭。

DCS实现无扰动切换的方法实现无扰动切换的方法设置PV跟踪：

在MAN方式下时，SP自动地跟踪等于PV，没有任何的偏差。

根据实际需要组态控制器是否需要PV跟踪功能。

DCS实现无扰动切换的方法初始化功能：

当组态控制器把它的输出推给它的输出点，而输出点又不能接受该值时就会产生初始化。

初始化的功能就是当输出点变成可以接收控制器输出的时候，控制器的输出要强行与输出点的数值一样。

在串级控制中当副控制器置出串级方式时发生初始化，使主控制器的输出自动跟踪副控制器的设定值，当副控制器投回串级时实现无扰动切换。

DCS使用环境

1）相对湿度：

40%-60%（无凝露）。

2）环境温度：

10-28℃，温度的变化率要在10℃/小时以内。

3）无电磁干扰，不准在机柜间使用报话机和手机。

4）要求清洁无尘，要求过滤网孔径小余10um,尘埃小余0.3mg/m3

5）防静电

6）防小动物进入

DCS供电电源稳压市电、UPS电同时供电电压：

220±10％VAC频率：

50HZ±1HZ谐波（波形）失真率＜5％电源瞬间断电时间应小于用电设备的允许电源瞬间断电时间。

瞬时电压降小于20%采取防雷、EP谐波吸收装置保护措施，防止过电压对控制仪表电源系统的危害

DCS故障

硬件故障:

电源故障、通讯电缆损坏、DCS通讯/控制卡故障、IOP卡/FTA卡故障等，由设备故障所引起的DCS不能正常工作的故障。

软件故障:

又分系统软件故障和用户软件故障，系统软件故障是DCS厂家设计DCS系统软件时存在缺陷而造成的；用户软件组态复杂、工作量大，在运行时出现错误。

操作/使用不当造成的故障：

因操作人员快速、频繁调用画面而使操作站画面不能更新、数据不能更新等操作站死机故障

DCS故障的判断与查找

判断与查找的途径：

系统状态监视画面。

系统报警信息。

各卡件状态指示灯亮、灭，颜色的变化

专门的诊断软件

操作站故障

死机:

操作站不响应操作员的操作，重新启动。

黑屏：

显示屏无信号输入，主机无法重启，内存条故障或主板故障，更换新备件。

操作员键盘无响应，重新插拔，或更换操作员键盘。

HONEYWELL的DISPLAYBUIDER流程画面上的点参数出现?

号，无法监视过程点，重新注销用户或重启。

控制站故障

故障类型：

冗余输入、输出卡件同步故障。

输入、输出卡件出现NR（无响应）故障。

FTA端子板损坏。

连接电缆接触不良、出现破皮绝缘不良。

通讯/控制卡故障。

故障危害:

不同的硬件，发生故障时的影响大小不同

FTA端子板损坏,则此卡件上的点都无法监视控制。

冗余配置的卡件有一块卡件故障时，不影响控制，如冗余卡件都故障或非冗余卡件故障，则此卡件上的点都无法监视控制。

控制站故障处理

故障处理：

冗余配置的卡件，在确定主卡工作正常的情况下，重新插拔，如软故障则可消除，如为硬故障则无法消除，需更换同型号的卡件非冗余的卡件在确认其上的点的用途后，直接重新插拔或更换新备件。

故障处理注意事项：

首先进行故障分析、风险评估，制定处理方案。

如要处理AO/DO卡件时，可能影响到其上的调节阀、联锁设备动作，一定要与工艺人员协商制定预案，采取手动（手轮）控制等。

通讯总线故障

故障类型：

电磁干扰造成通讯出错。

终端电阻、各连接头松动。

接口卡件损坏、存在软故障。

通讯电缆破皮、被老鼠咬断。

故障危害:

无法传输数据，不能监控。

通讯总线故障处理

故障处理：

进行消磁消噪声处理。

更换接口卡件。

检查终端电阻、各连接头紧固情况，重新紧固。

检查通讯总线完好情况，必要时更换新电缆。

故障处理注意事项：

要在工艺过程平稳期间进行；要在冗余电缆工作正常的情况下进行；预备好卡件、电缆备件；工艺人员尽量避免频繁操作；

单控制回路

单控制回路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

现场变送器、调节阀接线连接好

DCS组态：

首先组态硬点LT111（AI）、LV111（AO）,在组态PID控制点LIC111,定义其输入参数为LT111.PV，输出参数为LV111.OP

串级控制回路

串级控制由主、副两个调节器串接而工作,主调节器的输出作为副调节器的给定值，副调节

器的输出去控制调节阀，从而实现对主变量的定值控制。

应用于对象的滞后和时间常数很大、干扰作用强而频繁、负荷变化大、对控制质量要求较高的场合。

现场温度、流量变送器、调节阀接线连接正确，

DCS组态：

首先组态硬点TT211（AI）、FT211（AI）FV211（AO）,再组态PID控制点FIC111,定义其输入参数为FT211.PV，输出参数为FV211.OP；PID控制点TIC111,定义其输入参数为TT211.PV，输出参数为FIC211.OP

超驰控制回路

超驰控制也叫选择性控制、高/低选控制，超驰控制一般有两个调节器，它们的输出通过一个选择器后送到执行器。

主要特点：

超驰控制有两个控制回路，但在任何情况下仅有一个控制回路在工作，而另一个控制回路处于开环状态，此时该回路中的调节器的输出被选择器切断，不能送到调节阀，可通过快速的自动选择消除生产中的不安全因素。

超驰控制示例

超驰控制示例

在乙烯分离过程中，裂解气经压缩后其温度已达到88℃。

为了进行低温分离，必须

将它的温度降下来。

为此，工艺上采用了液丙烯低温下蒸发吸热原理，用它与裂解气换热，达到降低裂解气温度的目的。

超驰控制示例

正常工况时：

由冷却器出口裂解气温度来控制调节阀，通过进入冷却器的液丙烯的多少来稳定裂解气温度。

非正常工况时：

当裂解气温度过高或负荷过大时，控制阀已被大幅开大，并且冷却器中所有的列管都已被淹没时，裂解气温度仍降不下来，则不能再使控制阀开度继续开大了，因为一来换热面积已无法再增加，二来丙烯液位的继续上升，会使冷却器中的丙烯蒸发空间缩小，使气丙烯出现带液现象，给压缩机带来损害，此时通过选择器自动选择由冷却器液位控制器来控制进入冷却器的液丙烯的多少，从而控制冷却器液位在安全范围内。

超驰控制回路的实现超驰控制回路的实现超驰控制回路的实现超驰控制回路的实现

TIC311

PVLIC311

现场

调节阀

现场温度、流量变送器、调节阀接线连接正确，

DCS组态：

首先组态硬点LT311（AI）、TT311（AI）、TV311（AO）,再组态：

选择开关LS311,定义其输出输出参数为TV311.OP；PID控制点LIC311,定义其输入参数为LT311.PV，输出参数为LS311.X1；PID控制点TIC311,定义其输入参数为TT311.PV，输出参数为LS311.X2

分程控制回路

分程控制就是一个调节器同时控制两个或两个以上的调节阀，每一个调节阀根据工艺的需要在调节器输出整个范围的某段信号内动作，即多阀而分程。

设置分程控制目的：

是为了满足工艺上扩大可调比的要求、满足特殊调