分布式控制系統(tǒng)(DSC)12第三章、第四章DCS課件2

1、 集散控制系統(tǒng)的PCU典型結(jié)構(gòu) （1）微型機(jī)結(jié)構(gòu)式 （2）IO卡與通用卡結(jié)構(gòu) （3）串行通信總線加模件結(jié)構(gòu) （4）節(jié)點工作站結(jié)構(gòu)上次課程內(nèi)容回顧上次課程內(nèi)容回顧第三章第三章 DCSDCS過程控制站過程控制站3.1.3 PCU3.1.3 PCU的一般功能特性的一般功能特性3.1.3 PCU3.1.3 PCU的一般功能特性的一般功能特性集散系統(tǒng)PCU的一般功能特性可概括為六點，即： （1）反饋控制功能 （2）順序控制功能 （3）批量控制功能 （4）數(shù)據(jù)收集與處理功能 （5）數(shù)據(jù)通信功能 （6）本地操作監(jiān)視功能。第三章第三章 DCSDCS過程控制站過程控制站第三章第三章 DCSDCS過程控制站過程控

2、制站 1） 輸入信號處理功能 2） 報警檢驗功能 3） 補(bǔ)償運(yùn)算和積算 4） 控制運(yùn)算功能 5） 回路連接（1 1）反饋控制功能）反饋控制功能第三章第三章 DCSDCS過程控制站過程控制站電站鍋爐恒溫控制第三章第三章 DCSDCS過程控制站過程控制站第三章第三章 DCSDCS過程控制站過程控制站1 1）輸入信號處理功能）輸入信號處理功能 線性化 脈沖量計算 數(shù)字濾波 開方運(yùn)算 折線函數(shù)變換 熱電偶測溫信號的線性化 熱電阻測溫信號的線性化 將脈沖序列信號變換成瞬時值 為排除干擾對輸入信號數(shù)字濾波處理第三章第三章 DCSDCS過程控制站過程控制站 對差壓式流量計的測量信號進(jìn)行開方運(yùn)算，使之與流量信

3、號成線性關(guān)系開放運(yùn)算線性化第三章第三章 DCSDCS過程控制站過程控制站 折線函數(shù)變換：對分折儀表檢測信號的非線性或由球型罐的液位計算容積時的非線性進(jìn)行補(bǔ)償 例如： 電導(dǎo)率mS、 pH 硅酸根、磷酸根S第三章第三章 DCSDCS過程控制站過程控制站 熱電偶測溫信號的線性化：對熱電偶的mV信號與溫度之間的非線性進(jìn)行補(bǔ)償處理。 先在存儲器中存入熱電勢和溫度的序列表(e0, t0)(e1, t1)(e2, t2)(e3, t3)(en, tn)對于任意的熱電勢e,假設(shè)通過程序可判別它在熱電勢和溫度序列中的位置為eieei+1ei+2(0in-2)則對應(yīng)的溫度t可由下式計算出溫度值。 由于在(ei,e

4、i+2)內(nèi),將信號擬合成拋物線,更接近于電勢與溫度的實際,所以擬和的精度大大的提高,同時在相同的精度下,變量序列的步長取得相對較大,這樣可大大壓縮表。第三章第三章 DCSDCS過程控制站過程控制站 熱電阻測溫信號的線性化：對熱電阻的阻值變化信號與溫度之間的非線性進(jìn)行補(bǔ)償處理 在電力、冶金等行業(yè)廣泛使用鉑電阻作為測溫元件，鉑電阻和溫度t的關(guān)系，一般表示為： Rf=R0(1+a1t+a2t2+.+antn)第三章第三章 DCSDCS過程控制站過程控制站脈沖量計算脈沖量計算 積算方式積算方式：累計脈沖總數(shù)，流量或電量積算 頻率方式：頻率方式：測量頻率 fx=N/T 周期方式：周期方式：測量周期Tx=

5、NT0 常用經(jīng)典濾波方法常用經(jīng)典濾波方法 中位值濾波法 算術(shù)平均濾波法 滑動平均濾波法 中位值平均濾波法：相當(dāng)“中位值濾波法”+“算術(shù)平均濾波法” 低通、高通、帶通、帶阻和全通等類型第三章第三章 DCSDCS過程控制站過程控制站數(shù)字濾波 現(xiàn)代濾波現(xiàn)代濾波 Kalman濾波 Wenner濾波 自適應(yīng)濾波 小波變換（wavelet）等第三章第三章 DCSDCS過程控制站過程控制站2 2）報警檢驗功能）報警檢驗功能 儀表異常檢驗 上、下限報警檢驗 變化率報警檢驗 偏差報警檢驗 當(dāng)測量信號超過測量范圍上限或下限規(guī)定值時，可以認(rèn)為檢出元件或變送器出現(xiàn)斷線等故障，發(fā)出報警信號 當(dāng)測量值或者控制輸出值的變化

6、率(一定時間間隔的變化量)超過設(shè)定值時，發(fā)出報警信號。 當(dāng)測量值或表控制輸出值超過上、下限報警設(shè)定值時，發(fā)出報警信號 當(dāng)測量值與設(shè)定值的偏差超過設(shè)定值時，發(fā)出報警信號第三章第三章 DCSDCS過程控制站過程控制站 這主要是利用水質(zhì)選擇性電極和測量氣體流量時，進(jìn)行溫壓補(bǔ)償；測量液體流量時，有時進(jìn)行密度或溫度補(bǔ)償；累積計量流量的積累運(yùn)算。第三章第三章 DCSDCS過程控制站過程控制站3 3）補(bǔ)償運(yùn)算和積算）補(bǔ)償運(yùn)算和積算 這是反饋控制功能的核心部分 主要有PID控制，開、關(guān)控制，時間比例式開關(guān)控制，信號選擇，比率設(shè)定，時間程序設(shè)定，一階滯后運(yùn)算，超前滯后運(yùn)算，純滯后補(bǔ)償，其它運(yùn)算等。第三章第三章

7、DCSDCS過程控制站過程控制站4 4）控制運(yùn)算功能）控制運(yùn)算功能 PCU中的回路連接，從功能上類似了模擬儀表的信號配線或配管。 但由于PCU的上述功能是由軟件實現(xiàn)的，尤其控制運(yùn)算功能是靠微處器的強(qiáng)功能進(jìn)行DDC（直接數(shù)字控制)控制，這些軟件或DDC算法構(gòu)成了內(nèi)部的功能塊(或稱內(nèi)部儀表)。 PCU的回路連接是通過軟件實現(xiàn)的，稱為“軟”連接，是通過“組態(tài)”進(jìn)行的。第三章第三章 DCSDCS過程控制站過程控制站5 5）回路連接）回路連接第三章第三章 DCSDCS過程控制站過程控制站第三章第三章 DCSDCS過程控制站過程控制站(2)(2)順序控制功能順序控制功能 順序控制功能的構(gòu)成有多種方式，主要

8、包括梯形圖編程、符號技術(shù)式編程、流程框圖式編程語言、邏輯代數(shù)編程語言等。(3)(3)批量控制功能批量控制功能 按工藝要求將反饋控制與順控功能相結(jié)合可構(gòu)成批量控制功能。批量控制的對象往往是一個間斷生產(chǎn)過程所得到的產(chǎn)品。第三章第三章 DCSDCS過程控制站過程控制站(4)(4)其它功能其它功能 PCU還具有對過程信息進(jìn)行收集、處理、打印、制表功能。具有數(shù)據(jù)通信功能。若帶本地操作站，則具有本地操作和顯示的功能。第三章第三章 DCSDCS過程控制站過程控制站(5)PCU(5)PCU的的DDCDDC算法及附加功能算法及附加功能 PCU的過程控制功能，是按相應(yīng)算式進(jìn)行運(yùn)算實現(xiàn)的。這些算式稱為算法，因為PC

9、U的本質(zhì)是實現(xiàn)DDC(直接數(shù)字控制)的微機(jī)裝置，所以這些算法稱為DDC算法。DDC算法是由PCU ROM中的一定程序來實行的，這些程序塊又稱為功能塊或稱算法功能塊。 除了各種算法之外，PCU還必須具有一些附加功能才可以完成實際的過程控制。這些附加功能分為：第三章第三章 DCSDCS過程控制站過程控制站(5)PCU(5)PCU的的DDCDDC算法及附加功能算法及附加功能 控制方式PCU的DDC算法中具有下列控制方式： 回路手動(LM：Loop Manual)，由回路模擬顯示器進(jìn)行手動操作方式。 手動方式(MAN：MANUAL)，由操作站(包括本地操作站)經(jīng)由通信系統(tǒng)進(jìn)行手動操作。 自動方式(AU

10、T：AUTO)，以本回路就地設(shè)定值(LSP)為基準(zhǔn)進(jìn)行自動運(yùn)算，實現(xiàn)閉環(huán)控制方式。第三章第三章 DCSDCS過程控制站過程控制站(5)PCU(5)PCU的的DDCDDC算法及附加功能算法及附加功能 串級方式(CAS)，以另一個控制回路的輸出值作為本回路的設(shè)定值進(jìn)行自動運(yùn)算，實現(xiàn)串級控制的方式。 計算機(jī)方式(COMP)，經(jīng)由數(shù)據(jù)公路接受上位計算機(jī)的輸出數(shù)據(jù)，作為本回路設(shè)定值進(jìn)行自動運(yùn)算的控制方式(SPC)，或者直接作為輸出值的控制方式(DDC)。第三章第三章 DCSDCS過程控制站過程控制站(5)PCU(5)PCU的的DDCDDC算法及附加功能算法及附加功能 PV跟蹤 增量型和速度型PID算法必

11、須具有PV跟蹤功能，即在手動狀態(tài)時，使本回路的設(shè)定值不再保持原來的設(shè)定值，而跟蹤PV值。PV跟蹤時，從手動切換到自動時，偏差值總是零。因此，即使比例帶較小，PID輸出值也不會產(chǎn)生擾動，實現(xiàn)平滑切換。切換到自動后，再逐步把設(shè)定位調(diào)整到所要求的數(shù)值。第三章第三章 DCSDCS過程控制站過程控制站(5)PCU(5)PCU的的DDCDDC算法及附加功能算法及附加功能 輸出值跟蹤 混合型PID算法，在設(shè)置PV跟蹤的同時，還需要設(shè)置輸出值跟蹤功能，即在手動狀態(tài)時使內(nèi)存單元的數(shù)值跟蹤手操輸出值。這樣，在切換到自動時，由于內(nèi)存單元的數(shù)值與手操輸出值相等，因而實現(xiàn)無平衡無擾動切換。這功能又稱“浮動輸出”。第三章

12、第三章 DCSDCS過程控制站過程控制站(5)PCU(5)PCU的的DDCDDC算法及附加功能算法及附加功能 初始化與反算 混合型PID算法為“無定位型輸出”算法。構(gòu)成串級控制時，次級回路在處于串級斷開狀態(tài)時，把次級回路的設(shè)定值(LSP)送到主回路的輸出單元(OP)，稱為初始化。這樣，當(dāng)串級控制的主回路設(shè)置PV跟蹤，次級回路設(shè)置初始化和PV跟蹤，則串調(diào)回路從任何非串調(diào)狀態(tài)切換到串級時，都是無平衡無擾動切換。 當(dāng)串調(diào)回路在PID算法插有“定位型輸出”算法，那么此算法必須具有反算功能，即除了將次級回路的設(shè)定值(LSP)送主回路外(次級回路處于串級斷開狀態(tài))，“定位型輸出”算法塊(比如是加法功能塊)

13、必須反算出(逆運(yùn)算)一個值作為主回路輸出。第三章第三章 DCSDCS過程控制站過程控制站3.1.4 PCU3.1.4 PCU的種類的種類類型項目類型項目單回路型單回路型功能分離型功能分離型多回路型多回路型控制規(guī)模小，一個PID控制回路或一臺電機(jī)中，幾個PID控制回路，小型的邏輯控制和順序控制系統(tǒng)大，幾十個控制回路，大型的邏輯控制或順序控制系統(tǒng)控制功能連續(xù)控制和順序控制均可實現(xiàn)連續(xù)控制和順序控制分別由不同的控制器實現(xiàn)連續(xù)控制和順序控制均可實現(xiàn)適用范圍從小到大各種規(guī)模的系統(tǒng)即使小型系統(tǒng)中也常常需要用兩種類型的控制單元不適用于規(guī)模太小的系統(tǒng)硬件要求用廉價的硬件就可達(dá)到所要求的功能由于功能分離，可以合

14、理地使用硬件由于控制功能很強(qiáng)，對硬件要求很高通信要求實現(xiàn)復(fù)雜控制需要的控制信號通信量大，人機(jī)接口通信量小功能分離造成不同類型控制單元之間的通信量較大控制單元之間的通信量小，人機(jī)接口通信量大安全措施每個單元只控制一個回路，手動后備即可滿足要求在可靠性要求較高的的情況下，要采取冗余措施由于控制規(guī)模很大，在大多數(shù)情況下均須采取冗余措施第三章第三章 DCSDCS過程控制站過程控制站3.1.5 3.1.5 電廠用電廠用PCUPCU的結(jié)構(gòu)選擇的結(jié)構(gòu)選擇 （1）電廠控制回路的特點 1）系統(tǒng)復(fù)雜度高：不宜采用單回路型的PCU； 2）多變量耦合程度高：如鍋爐系統(tǒng)，本身很難劃分出一些不相干的 獨立回路，即使強(qiáng)行分

15、開往往因聯(lián)絡(luò)信號過多而超過單回路控制所能允許的數(shù)量或系統(tǒng)可靠性下降； 3）邏輯關(guān)系復(fù)雜； 4）開關(guān)量與模擬量控制系統(tǒng)關(guān)系密切：大量的連鎖、保護(hù)、啟停等邏輯控制關(guān)系與連續(xù)控制系統(tǒng)相互制約，相互影響； 5）可靠性要求高。3.1.5 3.1.5 電廠用電廠用PCUPCU的結(jié)構(gòu)選擇的結(jié)構(gòu)選擇 （2）電廠PCU的應(yīng)具備的特點 能夠在一個基本控制單元內(nèi)完成比較復(fù)雜的控制能力和連續(xù)、順序控制功能；必須采用冗余措施。 （3）推薦意見 對于復(fù)雜度較高的系統(tǒng)，如鍋爐控制系統(tǒng)，多回路型更為合適； 電廠主系統(tǒng)的控制必宜采用功能分離型； 老廠改造、中小規(guī)模電廠可考慮單回路型。第三章第三章 DCSDCS過程控制站過程控制

16、站3.2 3.2 過程控制站的模件種類過程控制站的模件種類 微處理器主模件：PCU內(nèi)的核心模件，完成用戶控制策略； 模擬量輸入模件：量程及零點調(diào)整、放大、隔離、多路轉(zhuǎn)換、A/D轉(zhuǎn)換； 模擬量輸出模件：D/A轉(zhuǎn)換、驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)； 開關(guān)量輸入模件：隔離、電平轉(zhuǎn)換； 開關(guān)量輸出模件：狀態(tài)寄存、輸出驅(qū)動、控制現(xiàn)場開關(guān)設(shè)備; 脈沖量輸入模件：累積脈沖、測量頻率、計算周期； 液壓伺服模件：控制現(xiàn)場液壓伺服機(jī)構(gòu)； 現(xiàn)場總線模件：現(xiàn)場總線儀表的數(shù)字通道； 通信接口模件：網(wǎng)絡(luò)接口。第三章第三章 DCSDCS過程控制站過程控制站 反饋控制功能反饋控制功能 輸入信號處理功能 報警檢驗功能 回路連接 作業(yè)：簡述DCS

17、反饋控制中輸入信號處理功能掌握重點掌握重點第四章第四章 DCSDCS人機(jī)接口站人機(jī)接口站第四章第四章 DCSDCS人機(jī)接口站人機(jī)接口站4.1 4.1 概述概述 人-機(jī)聯(lián)系又稱人-機(jī)接口，嚴(yán)格講人-機(jī)聯(lián)系應(yīng)該是人與過程之間的聯(lián)系，而人-機(jī)接口是指人與控制系統(tǒng)交互作用的輸入輸出設(shè)備，如電傳打字機(jī)、鍵盤、CRT等。 在生產(chǎn)過程高度自動化的今天，還必須有運(yùn)行人員(操作人員)的目視識別、推理判斷和某種干預(yù)，特別是在生產(chǎn)過程中發(fā)生故障時更是如此。所以在各種生產(chǎn)過程中總是要根據(jù)其特點配備相應(yīng)的輸入、輸出設(shè)備，以便加強(qiáng)人-機(jī)聯(lián)系，使運(yùn)行人員能夠監(jiān)視生產(chǎn)過程情況又可以通過輸入設(shè)備將控制信息施加于過程，這樣的信息

18、傳遞稱為人和過程的通信，又稱人-機(jī)通信，其裝置就是人-機(jī)接口。第四章第四章 DCSDCS人機(jī)接口站人機(jī)接口站 在電動模擬儀表階段，由模擬儀表盤形成了操作站，儀表盤上的指示、調(diào)節(jié)、記錄儀表以及操作器等實現(xiàn)人-機(jī)聯(lián)系。 分散控制系統(tǒng)的出現(xiàn)伴隨著新型的人-機(jī)接口，傳統(tǒng)的儀表盤臺逐漸被以CRT為基礎(chǔ)的操作臺所代替。集散系統(tǒng)中人-機(jī)接口采用CRT操作站。操作站中采用CRT集中顯示和鍵控操作方式。第四章第四章 DCSDCS人機(jī)接口站人機(jī)接口站4.24.2人人- -機(jī)通信分析機(jī)通信分析 在發(fā)電廠機(jī)組運(yùn)行期間，中央控制室的運(yùn)行人員(操作人員)與過程之間要進(jìn)行大量的信息交換，其主要任務(wù)是監(jiān)視和操作。 運(yùn)行人員的

19、每次監(jiān)視都是以搜索為起始點，尋找發(fā)生異常的日標(biāo)，然后進(jìn)步識別目標(biāo)是什么。 每個監(jiān)視和操作任務(wù)的完成可分為五個子過程，即搜索搜索、識別、比較、檢驗、計數(shù)，、識別、比較、檢驗、計數(shù)，搜索和識別兩個子過程的根本目的都在于把運(yùn)行人員的注意力引向正確的目標(biāo)，只有成功地完成這兩個子過程，才能進(jìn)行下面三個子過程，最后作出決策。因此，搜索和識別的最佳化設(shè)計是非常重要的。第四章第四章 DCSDCS人機(jī)接口站人機(jī)接口站控制室內(nèi)運(yùn)行人員的一般工作控制室內(nèi)運(yùn)行人員的一般工作類類 別別工工 作作 內(nèi)內(nèi) 容容過程的監(jiān)視 重要被調(diào)量的監(jiān)視； 控制系統(tǒng)、控制沒備、被控制設(shè)備的運(yùn)行狀況及動作； 報警的辨織及狀況的掌握； 給現(xiàn)場

20、值班人員的指示及聯(lián)絡(luò)。過程的操作 目標(biāo)值、給定值的設(shè)定與變更； 控制方式的切換； 手動輸出的調(diào)節(jié)； 遠(yuǎn)方操作設(shè)備的啟?；蛲〝嗟谒恼碌谒恼?DCSDCS人機(jī)接口站人機(jī)接口站4.34.3基本功能基本功能 （1）儀表盤臺操作 儀表盤臺的運(yùn)轉(zhuǎn)是利用裝在盤臺上的調(diào)節(jié)器、記錄儀、指示計、運(yùn)轉(zhuǎn)指示燈以及報警器等進(jìn)行的，這就是盤臺操作方式。 運(yùn)行人員站在這種儀表盤臺前的操作如下：掌握過程的全貌；報警點的辨識；控制回路操作、調(diào)節(jié)器參數(shù)整定。第四章第四章 DCSDCS人機(jī)接口站人機(jī)接口站4.34.3基本功能基本功能 （2）CRT操作 在CRT操作中，將需要顯示的信息進(jìn)行有層次的集中，并使各種畫面系統(tǒng)化，即大量信息

21、濃縮在個很小面積的CRT屏幕上，用多幅畫面串行顯示，運(yùn)行人員可以用鍵盤調(diào)出各種畫面，以獲得需要的信息。 CRT操作與常規(guī)儀表盤臺操作不同的是，運(yùn)行人員不需要前后左右地走動就能取得信息并進(jìn)行操作，在這里，是信息“走”向人，而不是人“走”向信息。第四章第四章 DCSDCS人機(jī)接口站人機(jī)接口站4.44.4集散控制系統(tǒng)的操作站集散控制系統(tǒng)的操作站 DCS操作站中，從功能上看又劃分為運(yùn)行人員操作站和工程師用操作站（工程師站）。 運(yùn)行人員操作臺主要完成各種設(shè)備的啟動、停止或操作開關(guān)增減操作以及生產(chǎn)過程的監(jiān)視等； 工程師用操作臺主要完成系統(tǒng)組態(tài)，軟件開發(fā)和生成。第四章第四章 DCSDCS人機(jī)接口站人機(jī)接口站

22、4.3.14.3.1集散系統(tǒng)人集散系統(tǒng)人- -機(jī)接口的功能特點機(jī)接口的功能特點 (1) (1)顯示功能顯示功能 集散系統(tǒng)的操作站用彩色CRT、LCD等作顯示器具有極強(qiáng)的顯示功能。主要包括： 過程點顯示過程點顯示 集散系統(tǒng)的最小控制回路可以看作為一個過程點。操作站以模擬方式(棒圖)、數(shù)字方式及趨勢曲線方式實時顯示過程點所包括的測量值(PV)、設(shè)定值(SV)及控制輸出值(MV)。所有過程點都有標(biāo)記名稱，出現(xiàn)于總貌畫面中。各個過程點所代表的各個回路又可以詳盡地顯示于組畫面中。第四章第四章 DCSDCS人機(jī)接口站人機(jī)接口站 檢測點顯示檢測點顯示 非控制過程變量的實時測量值以及經(jīng)處理后的輸出值都可以模擬

23、方式及數(shù)字方式顯示于CRT、LCD屏幕中。 狀態(tài)點顯示狀態(tài)點顯示 操作站以字符方式、模擬方式、圖形及顏色等多種方式顯示工藝設(shè)備、控制設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)運(yùn)行、停止及故障狀態(tài)。也可以字符方式、模擬方式、圖形及顏色顯示回路的操作狀態(tài)(手動、自動、串級)，顯示順序控制、批量控制的執(zhí)行狀態(tài)等。 豐富的畫面顯示豐富的畫面顯示 除了上述三類點顯示及有關(guān)的回路顯示外，操作站還具有極強(qiáng)的畫面生成、轉(zhuǎn)換及協(xié)調(diào)能力，因而可以顯示其它的畫面，例如，系統(tǒng)控制流程畫面，維護(hù)檢修畫面等等。第四章第四章 DCSDCS人機(jī)接口站人機(jī)接口站第四章第四章 DCSDCS人機(jī)接口站人機(jī)接口站(2)(2)報警功能報警功能 操作站具有綜合的多

24、方式報警功能，它以畫面方式、色彩方式、數(shù)字方式及模擬方式對各種參數(shù)的越限進(jìn)行報警顯示，并伴以聲響報警信號，也可以對設(shè)備異常狀態(tài)進(jìn)行報警。(3)(3)操作功能操作功能 操作站可對全系統(tǒng)各控制回路(反饋控制回路、順控批控回路)進(jìn)行操作，對設(shè)定值、輸出值、控制回路常數(shù)值、順控條件值及操作值進(jìn)行調(diào)整操作。對控制中各類操作狀態(tài)，如手動自動計算機(jī)順序手動等等進(jìn)行切換。對報警限值、順控定時器及計數(shù)器的設(shè)定值進(jìn)行修改和重設(shè)定。還包括為系統(tǒng)安全而采取緊急操作處理。操作站可以提供操作指導(dǎo)。第四章第四章 DCSDCS人機(jī)接口站人機(jī)接口站第四章第四章 DCSDCS人機(jī)接口站人機(jī)接口站(4)(4)報告生成功能報告生成功能 操作站具有極強(qiáng)的報告生成功能，配合生產(chǎn)管理可以打印各種班報表、日報表、操作日記及歷史記錄等