DCS自動(dòng)控制系統(tǒng)

1、 DCS，即所謂的分布式控制系統(tǒng)，或，即所謂的分布式控制系統(tǒng)，或在有些資料中稱之為集散系統(tǒng)，是相對(duì)于在有些資料中稱之為集散系統(tǒng)，是相對(duì)于集中式控制系統(tǒng)而言的一種新型計(jì)算機(jī)控集中式控制系統(tǒng)而言的一種新型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，它是在集中式控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上制系統(tǒng)，它是在集中式控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展、演變而來(lái)的。在系統(tǒng)功能方面，發(fā)展、演變而來(lái)的。在系統(tǒng)功能方面，DCS和集中式控制系統(tǒng)的區(qū)別不大，但在系統(tǒng)和集中式控制系統(tǒng)的區(qū)別不大，但在系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)方法上卻完全不同。功能的實(shí)現(xiàn)方法上卻完全不同。什么是什么是 DCSDCS自動(dòng)化控制系統(tǒng)？自動(dòng)化控制系統(tǒng)？不同：首先，DCS的骨架系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，它是DCS的基礎(chǔ)和核心。由

2、于網(wǎng)絡(luò)對(duì)于DCS整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性和擴(kuò)充性，起著決定性的作用，它必須滿足實(shí)時(shí)性的要求，即在確定的時(shí)間限度內(nèi)完成信息的傳送。 其次，這是一種完全對(duì)現(xiàn)場(chǎng)I/O（輸入和輸出通道）處理并實(shí)現(xiàn)直接數(shù)字控制（DOS）功能的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)?？梢员苊庥捎谝粋€(gè)站點(diǎn)失效造成整個(gè)系統(tǒng)的失效，提高系統(tǒng)可靠性，也可以使各站點(diǎn)分擔(dān)數(shù)據(jù)采集和控制功能，有利于提高整個(gè)系統(tǒng)的性能。DCS存在的前提：系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)是DCS的工程師站，它是對(duì)DCS進(jìn)行離線的配置、組態(tài)工作和在線的系統(tǒng)監(jiān)督、控制、維護(hù)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，其主要功能是提供對(duì)DCS進(jìn)行組態(tài)，配置工作的工具軟件（即組態(tài)軟件），并在DCS在線運(yùn)行時(shí)實(shí)時(shí)地監(jiān)視DCS網(wǎng)絡(luò)上各個(gè)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行情況

3、，使系統(tǒng)工程師可以通過工程師站及時(shí)調(diào)整系統(tǒng)配置及一些系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定，使DCS隨時(shí)處在最佳的工作狀態(tài)之下。與集中式控制系統(tǒng)不同，所有的DCS都要求有系統(tǒng)組態(tài)功能，可以說，沒有系統(tǒng)組態(tài)功能的系統(tǒng)就不能稱其為DCS。電腦控制 電腦在線監(jiān)控 DCS的發(fā)展歷程DCS自1975年問世以來(lái)，已經(jīng)經(jīng)歷了二十多年的發(fā)展歷程。在這二十多年中，DCS雖然在系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)上沒有發(fā)生重大改變，但是經(jīng)過不斷的發(fā)展和完善，其功能和性能都得到了巨大的提高?？偟膩?lái)說，DCS正在向著更加開放，更加標(biāo)準(zhǔn)化，更加產(chǎn)品化的方向發(fā)展。作為生產(chǎn)過程自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，傳統(tǒng)的DCS僅僅是一個(gè)狹義的概念。而現(xiàn)在不僅包括過去DCS中所包

4、含的各種內(nèi)容，還向下深入到了現(xiàn)場(chǎng)的每臺(tái)測(cè)量設(shè)備、執(zhí)行機(jī)構(gòu)，向上發(fā)展到了生產(chǎn)管理，企業(yè)經(jīng)營(yíng)的方方面面。DCS集散控制系統(tǒng)的工作原理集散控制系統(tǒng)的工作原理DCS控制系統(tǒng)(DIstributed Control System，分散控制系統(tǒng))是隨著現(xiàn)代大型工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的不斷興起和過程控制要求的日益復(fù)雜應(yīng)運(yùn)而生的綜合控制系統(tǒng)。 即所謂的分布式控制系統(tǒng)，或在有些資料中稱之為集散系統(tǒng)，是相對(duì)于集中式控制系統(tǒng)而言的一種新型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，它是在集中式控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展、演變而來(lái)的。它是一個(gè)由過程控制級(jí)和過程監(jiān)控級(jí)組成的以通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶的多級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，綜合了計(jì)算機(jī)，通信、顯示和控制等4C技術(shù)，其基本思想是

5、分散控制、集中操作、分級(jí)管理、配置靈活以及組態(tài)方便。集散控制系統(tǒng)及應(yīng)用集散控制系統(tǒng)及應(yīng)用一、集散控制系統(tǒng)的基本概念二、集散控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)三、DCS的基本組成部分四、DCS的特點(diǎn)五、DCS功能設(shè)計(jì)集散控制系統(tǒng)的基本概念 集散控制系統(tǒng)是以微處理為基礎(chǔ)的集中分散控制系統(tǒng)，它的主要特征是集中管理和分散控制?；舅悸罚海ɑ裟犴f爾公司） 1、把集中的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分解為分散的控制系統(tǒng)，有專門的過程分散控制裝置，在過程控制級(jí)各自完成過程中的部分控制和操作。 2、從模擬電動(dòng)儀表的操作習(xí)慣出發(fā)，開發(fā)人機(jī)間良好的操作界面，用于操作人員的監(jiān)視操作。 3、為了使操作站與過程控制裝置之間建立數(shù)據(jù)的聯(lián)系，建立數(shù)據(jù)的通

6、信系統(tǒng)，使數(shù)據(jù)能在操作人員和生產(chǎn)過程間相互傳遞。集散控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)1、分散過程控制裝置 2、操作管理裝置 3、通信系統(tǒng)基本思想是 分散控制、集中操作、分級(jí)管理、配置靈活、組態(tài)方便。DCS的基本組成部分1、面向被控制現(xiàn)場(chǎng)的現(xiàn)場(chǎng)I/O控制站。2、面向操作人員的操作員站。3、面向DCS監(jiān)督管理的工程師站。 DCS操作員站主要功能是為系統(tǒng)的運(yùn)行操作提供人機(jī)界面，使操作員可以通過操作員站及時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行狀態(tài)、各種運(yùn)行參數(shù)、是否有異常情況發(fā)生。DCS操作員站DCS的特點(diǎn)1、分級(jí)階梯結(jié)構(gòu) 2、分散控制 3、自治和協(xié)調(diào)性系統(tǒng)具備開放的體系結(jié)構(gòu)，可以提供多層開放數(shù)據(jù)接口。DCS功能設(shè)計(jì)1、現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集功能

7、2、監(jiān)視報(bào)警功能3、日志管理服務(wù)器功能4、事故追憶功能5、時(shí)間順序記錄功能（SOE）6、二次高級(jí)計(jì)算功能7、DCS的人機(jī)界面DCS功能設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)在惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)具有高度的可靠性、維修方便、工藝先進(jìn)。底層漢化的軟件平臺(tái)具備強(qiáng)大的處理功能，并提供方便的組態(tài)復(fù)雜控制系統(tǒng)的能力與用戶自主開發(fā)專用高級(jí)控制算法的支持能力；易于組態(tài)，易于使用。支持多種現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)以便適應(yīng)未來(lái)的擴(kuò)充需要。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用合適的冗余配置和診斷至模件級(jí)的自診斷功能，具有高度的可靠性。系統(tǒng)內(nèi)任一組件發(fā)生故障，均不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的工作。系統(tǒng)的參數(shù)、報(bào)警、自診斷及其他管理功能高度集中在CRT上顯示和在打印機(jī)上打印，控制系統(tǒng)在功能和物理

8、上真正分散，DCS整個(gè)系統(tǒng)的可利用率至少為99.9%；系統(tǒng)平均無(wú)故障時(shí)間為10萬(wàn)小時(shí)，實(shí)現(xiàn)了核電、火電、熱電、石化、化工、冶金、建材諸多領(lǐng)域的完整監(jiān)控?！坝颉钡母拍?。把大型控制系統(tǒng)用高速實(shí)時(shí)冗余網(wǎng)絡(luò)分成若干相對(duì)獨(dú)立的分系統(tǒng)，一個(gè)分系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)域，各域共享管理和操作數(shù)據(jù)，而每個(gè)域內(nèi)又是一個(gè)功能完整的DCS系統(tǒng)，以便更好的滿足用戶的使用。CRT是一種使用陰極射線管(Cathode Ray Tube）的顯示器DCS功能設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可靠性、開放性及先進(jìn)性。在系統(tǒng)操作層，采用冗余的100Mbps以太網(wǎng)；在控制層，采用冗余的100Mbps工業(yè)以太網(wǎng)，保證系統(tǒng)的可靠性；在現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)處理層，12Mbps的PRO

9、FIBUS總線連接中央控制單元和各現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)處理模塊。標(biāo)準(zhǔn)的Client/Server結(jié)構(gòu)。有的DCS的操作層采用Client/Server結(jié)構(gòu)開放并且可靠的操作系統(tǒng)。系統(tǒng)的操作層采用WINDOWS NT操作系統(tǒng)；控制站采用成熟的嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)QNS以確?？刂葡到y(tǒng)的實(shí)時(shí)性、安全性和可靠性。標(biāo)準(zhǔn)的控制組態(tài)軟件。系統(tǒng)采用IEC611313標(biāo)準(zhǔn)的控制組態(tài)工具，可以實(shí)現(xiàn)任何監(jiān)測(cè)、控制要求?？蓴U(kuò)展性和可裁剪性，保證經(jīng)濟(jì)性。 一 模糊控制概論二 經(jīng)典PID控制三 模糊PID控制四 應(yīng)用-基于DCS 系統(tǒng)的熱水鍋爐模糊PID 控制系統(tǒng)一、模糊控制概論什么叫模糊控制？ 所謂模糊控制，就是對(duì)難以用已有規(guī)

10、律描述的復(fù)雜系統(tǒng)，采用自然語(yǔ)言（如大、中、?。┘右詳⑹?，借助定性的、不精確的及模糊的條件語(yǔ)句來(lái)表達(dá)，模糊控制是一種基于語(yǔ)言語(yǔ)言的一種智能控制 為什么采用模糊控制？ 傳統(tǒng)的自動(dòng)控制控制器的綜合設(shè)計(jì)都要建立在被控對(duì)象準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型(即傳遞函數(shù)模型或狀態(tài)空間模型)的基礎(chǔ)上，但是在實(shí)際中，很多系統(tǒng)的影響因素很多，很難找出精確的數(shù)學(xué)模型。這種情況下，模糊控制的誕生就顯得意義重大。因?yàn)槟：刂撇挥媒?shù)學(xué)模型不需要預(yù)先知道過程不需要預(yù)先知道過程精確的數(shù)學(xué)模型精確的數(shù)學(xué)模型。 工作原理 把由各種傳感器測(cè)出的精確量轉(zhuǎn)換成為適于模糊運(yùn)算的模糊量,然后將這些量在模糊控制器中加以運(yùn)算, 最后再將運(yùn)算結(jié)果中的模糊量轉(zhuǎn)

11、換為精確量, 以便對(duì)各執(zhí)行器進(jìn)行具體的操作控制。在模糊控制中, 存在著一個(gè)模糊量和精確量之間相互轉(zhuǎn)化的問題 模糊控制原理圖s:系統(tǒng)的設(shè)定值。x1, x2:模糊控制的輸入(精確量)。X1 , X2:模糊量化處理后的模糊量。U:經(jīng)過模糊控制規(guī)則和近似推理后得出的模糊控制量。u:經(jīng)模糊判決后得到的控制量(精確量)。y:對(duì)象的輸出。 工作步驟：輸入量模糊化建立模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理輸出量反模糊 模糊控制的特點(diǎn) 適用于不易獲得精確數(shù)學(xué)模型的被控對(duì)象是一種語(yǔ)言變量控制器 從屬于智能控制的范疇。該系統(tǒng)尤其適于非線性，時(shí)變，滯后系統(tǒng)的控制抗干擾能力強(qiáng)，響應(yīng)速度快，并對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的變化有較強(qiáng)的魯棒性 模糊控制規(guī)則及

12、控制算法 模糊控制規(guī)則是人們用于描述其控制經(jīng)驗(yàn)的語(yǔ)句，這種語(yǔ)句采用形式邏輯所采用的傳統(tǒng)格式，但是在這些條件語(yǔ)句中，前件和后件都是模糊詞。所以，這些條件語(yǔ)句就成了模糊條件語(yǔ)句。從而也較恰當(dāng)?shù)胤从沉巳藗兊目刂平?jīng)驗(yàn)。用于 敘 述 人們經(jīng)驗(yàn)的基本語(yǔ)句結(jié)構(gòu)有三種形式;它們分別反映了三種基本的推理。 1. (A-B)結(jié)構(gòu) 這種推理是一種最簡(jiǎn)單的蘊(yùn)含關(guān)系，在語(yǔ)言表達(dá)時(shí)表示為“若A則B，即有: if A then B2 (A-B) V (A- C)的結(jié)構(gòu) 這種推理較之前一種復(fù)雜。這種蘊(yùn)含關(guān)系在用語(yǔ)言表達(dá)時(shí)敘述為“若A則B，否則C, 即有: if A then B else C3. ( AB-C)結(jié)構(gòu) 這種推理

13、的前件有兩個(gè)零件，這種蘊(yùn)含關(guān)系在語(yǔ)言表達(dá)時(shí)敘述為:“若A且B，則C , 即有: if A and B else C 模糊控制規(guī)則的生成 模糊控制規(guī)則是對(duì)系統(tǒng)控制經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，這些經(jīng)驗(yàn)用模糊條件語(yǔ)句來(lái)表述。模糊控制規(guī)則的生成有四種方法，如下:(1 )模擬專家經(jīng)驗(yàn)或過程控制知識(shí)生成控制規(guī)則。(2 )根據(jù)過程的模糊模型生成控制規(guī)則。(3) 根據(jù)對(duì)手工控制操作的觀察和測(cè)量生成控制規(guī)則。(4) 根據(jù)學(xué)習(xí)算法生成控制規(guī)則。 因?yàn)檫@種方法較為簡(jiǎn)單，應(yīng)用較廣，行之有效專家經(jīng)驗(yàn)是以語(yǔ)言描述一個(gè)控制過程的。例如對(duì)于一個(gè)空調(diào)制冷控制系統(tǒng)，專家經(jīng)驗(yàn)可表示為下列模糊規(guī)則:如果 溫 度 過高，則馬達(dá)置于快速檔上;如 果溫 度

14、 較高，則馬達(dá)置于較快速檔上:如果 溫 度 恰當(dāng)，則馬達(dá)置于中速檔上;如 果 溫 度 涼 ，則馬達(dá)置于低速檔上。這種 語(yǔ) 言 的控制經(jīng)驗(yàn)很容易用“if- -then”這種條件語(yǔ)句夾表示。結(jié)論：實(shí)行模糊控制要進(jìn)行三個(gè)方面的工作: 精確量的模糊化,把語(yǔ)言變量的語(yǔ)言值化為某適當(dāng)論域上的模糊子集; 模糊控制算法和設(shè)計(jì),通過一組模糊條件語(yǔ)句構(gòu)成模糊控制規(guī)則,并計(jì)算模糊控制規(guī)則決定的模糊關(guān)系;輸出信息的模糊判決,并完成由模糊量到精確量的轉(zhuǎn)化 四 應(yīng)用基于DCS 系統(tǒng)的熱水鍋爐模糊PID 控制系統(tǒng)基于DCS 系統(tǒng)的熱水鍋爐模糊PID 控制系統(tǒng)在某熱力公司46MW熱水鍋爐的燃燒控制改造工作中, 在原有DCS

15、系統(tǒng)中采用了復(fù)合模糊PID 控制器進(jìn)行鍋爐出水溫度的控制, 解決了外界氣溫變化與鍋爐燃燒實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的矛盾, 并在工程中實(shí)際應(yīng)用, 取得了較好的控制效果。原有集中供熱自控系統(tǒng)存在的問題此集中供熱中心始建于1997 年, 有5 臺(tái)設(shè)計(jì)總?cè)萘繛?75T/H 的熱水鍋爐, 其中3 臺(tái)65T/H, 2 臺(tái)40T/H, 新增1 臺(tái)90T/H?？刂葡到y(tǒng)以出水溫度信號(hào)為被調(diào)量, 通過單臺(tái)熱水鍋爐的燃燒控制系統(tǒng)的爐排給煤控制、送風(fēng)控制和負(fù)壓控制系統(tǒng), 以及補(bǔ)水定壓控制系統(tǒng), 達(dá)到出水溫度的控制。使用至今, 已不能滿足供熱的要求, 特別是溫度控制系統(tǒng)溫控精度低, 消耗煤炭量大。根據(jù)鍋爐運(yùn)行的控制要求, 在原有DCS

16、 系統(tǒng)SUPMAX-500 集散控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)鍋爐燃燒的智能控制, 在爐排轉(zhuǎn)速控制中結(jié)合模糊控制與PID 控制的優(yōu)點(diǎn), 采用模糊PID 算法實(shí)現(xiàn)鍋爐出水溫度的控制。設(shè)計(jì)思路 根據(jù)鍋爐運(yùn)行的控制要求, 在原有DCS 系統(tǒng)SUPMAX- 500集散控制系統(tǒng)中進(jìn)行改造, 將原來(lái)的PID 控制改進(jìn)為模糊PID 復(fù)合控制, 采用模糊PID 切換控制策略, 在誤差大于最大誤差量程的7%時(shí), 采用模糊控制算法, 誤差小于7%時(shí), 采用PID 控制算法。這樣既克服了傳統(tǒng)PID 控制響應(yīng)慢的缺點(diǎn), 又克服了模糊控制不精確的缺點(diǎn), 使系統(tǒng)穩(wěn)定可靠, 提高了系統(tǒng)的整體性能。鍋爐出水溫度控制的方法和要求熱用戶生活舒適

17、的需求就是對(duì)室內(nèi)溫度恒定的需求, 由供水溫度TG 決定, 室外溫度為- 104時(shí), 在一定供熱面積情況下對(duì)熱網(wǎng)供水溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。隨著室外溫度的降低, 逐漸提高供水溫度至130。經(jīng)過公司多年熱力運(yùn)行的數(shù)據(jù)得出供水溫度TG 與室外溫度Tw 之間有如下關(guān)系:TG=90- 4TW ( 1)為了在不同的室外溫度TW 下, 供水溫度TG 滿足上式, 通過調(diào)節(jié)爐排轉(zhuǎn)速、鼓引風(fēng)配比等因素控制鍋爐燃燒來(lái)實(shí)現(xiàn)。模糊控制算法及其實(shí)現(xiàn)1) 確定模糊控制結(jié)構(gòu)。在每個(gè)燃燒周期, 根據(jù)出水口溫度測(cè)量值和由式1 計(jì)算出的設(shè)定溫度TG 對(duì)比, 求出溫度偏差e 以及每個(gè)周期的溫度偏差的變化ec 作為模糊控制的2 個(gè)輸入量, 爐排

18、轉(zhuǎn)速的百分比(MV) 作為輸出量, 形成雙輸入單輸出模糊控制結(jié)構(gòu)。2) 確定各變量的模糊集。誤差E 的模糊量取7 個(gè): 即PB、PM、PS、Z0、NS、NM、NB, 分別表示正大、正中、正小、零、負(fù)小、負(fù)中、負(fù)大。量化到整數(shù)論域?yàn)? E=- 3, - 2, - 1, 0, 1, 2, 3。由于溫度變化緩慢, 由觀察所得, 確定溫度變化率E 取0.2,E 的模糊量取7 個(gè): 即PB、PM、PS、0、NS、NM、NB, 分別表示正大、正中、正小、零、負(fù)小、負(fù)中、負(fù)大。量化到整數(shù)論域?yàn)? EC=- 3, - 2, - 1, - 0、+0、1、2、3。輸出爐排速度U 的模糊量取7 個(gè): 即PB、PM、

19、PS、0、NS、NM、NB, 分別表示正大、正中、正小、零、負(fù)小、負(fù)中、負(fù)大。量化到整數(shù)論域?yàn)? U=- 7, - 6, - 5, - 4, - 3, - 2, - 1, 0, 1, 2, 3, 4, 5,6, 7。在設(shè)定溫度上下分別取6 個(gè)偏離值將溫度模糊分割為7 個(gè)區(qū)域, 形成出水口溫度的模糊集( T- LL, T- LM, T- LH, T- NM,T- HL, T- HM, T- HH) , 然后再依據(jù)燃燒周期把每個(gè)周期溫度變化在0 值左右分別取6 個(gè)偏離值, 以便將溫度變化率模糊分割為溫度變化模糊集(BT- LL, BT- LM, BT- LH, BT- NM, BT- HL,BT-

20、 HM, BT- HH) 。3) 確定各變量的論域。根據(jù)該鍋爐具體情況, 溫度的論域換算百分?jǐn)?shù), 差值設(shè)置為( - 3, - 2, - 1, 0, 1, 2, 3) 。溫度變化的論域設(shè)置為( - 0.06、 - 0.01、- 0.005、- 0、0.005、0.01、0.06) , 爐排轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)爐排轉(zhuǎn)速增量的論域(%) 設(shè)置為( - 2, - 1, - 0.5, 0, 0.5, 1, 2) 。4) 建立模糊控制規(guī)則。模糊推理依據(jù)模糊語(yǔ)言規(guī)則進(jìn)行, 根據(jù)當(dāng)前出水口溫度和溫度變化通過模糊條件語(yǔ)句確定模糊控制規(guī)則。5) 模糊變量賦值。根據(jù)隸屬度函數(shù)確定出水口溫度、溫度變化與爐排轉(zhuǎn)速變化的隸屬度賦值表。6) 建立控制規(guī)則表。根據(jù)模糊控制規(guī)則以及最大隸屬度方法, 將控制量由模糊量變?yōu)榫_量。即爐排轉(zhuǎn)速變化的百分值,鍋爐控制規(guī)則見表1。7) 在每個(gè)燃燒周期, 根據(jù)當(dāng)前出水溫度設(shè)定值, 通過查表的方法確定爐排轉(zhuǎn)速的增量。使用組態(tài)語(yǔ)句可以實(shí)現(xiàn)爐排轉(zhuǎn)速的模糊控制。設(shè): PC 為誤差; CPC 為誤差變化率; BSC (0).MV 為爐排1轉(zhuǎn)速的閥度; BSC (99).MV 為中間值表示轉(zhuǎn)速閥度的增量