DCS控制系统及典型控制方案.docx

1、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 Distributed Control system ，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” 。7

2、0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 Honeywell TDC2000 横河电机 CENTUMFoxboro SPECTRUM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Honeywell TDC3000 （LCN ）横河电机 CENTUM-A ， -B，-D

3、Rosemount RS3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Foxboro I/A-SHoneywell TDC3000X ， TPS横河电机 CENTUM-XL ，-uXL ， -CSFisher-Rosemount Delta-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

4、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

5、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

6、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

7、。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 MS Windows NT 或 2000 工作

8、站平台的 Native Window 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 DISPLY BUILDER 流程图画面代替 US的 PICTURE EDITOR 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

9、供电电缆、冗余电缆、 I/O LINK 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/O LINK 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

10、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

11、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

12、盘冗余TPS 最小系统构成图UCNA UCNBCS3000 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： Windows NT 或 Windows 2000CS3000 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

13、卡） 、电源单元、电池单元 输入输出节点单元： Node Unit 、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

14、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

15、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。

16、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

17、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

18、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

19、， 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） 、

20、 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

21、器转换成 4 20mA DC 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 15VDC 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 15VDC 的系统内部信号，控制器将 1 5VDC 信号 转换成 420mA DC 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

22、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

23、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 1

24、0um,尘埃小余 0.3mg/m35）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 V AC 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

25、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 DISPLAY BUIDER 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。

26、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：

27、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

28、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，

29、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

30、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，

31、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TIC311PV LIC311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