分散式控制系統(tǒng)

1、分布式控制系統(tǒng)制作：芮正翔、董良目錄1、DCS系統(tǒng)歷史2、原理框架3、協(xié)議4、典型應(yīng)用5、心得體會一、DCS系統(tǒng)歷史第一階段1975-1980年，在這個時期集散控制系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)表現(xiàn)為： 1）采用微處理器為基礎(chǔ)的控制單元，實(shí)現(xiàn)分散控制，有各種各樣的算法，通過組態(tài)獨(dú)立完成回路控制，具有自診斷功能 2）采用帶CRT顯示器的操作站與過程單元分離，實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)視，集中操作 3）采用較先進(jìn)的冗余通信系統(tǒng)第二階段19801985.，在這個時期集散控制系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)表現(xiàn)為：1）微處理器的位數(shù)提高，CRT顯示器的分辨率提高2）強(qiáng)化的模塊化系統(tǒng)3）強(qiáng)化了系統(tǒng)信息管理，加強(qiáng)通信功能第三階段1985年以后，集散系統(tǒng)進(jìn)

2、入第三代，其技術(shù)特點(diǎn)表現(xiàn)為：1）采用開放系統(tǒng)管理2）操作站采用32位微處理器3）采用實(shí)時多用戶多任務(wù)的操作系統(tǒng)進(jìn)入九十年代以后，計(jì)算機(jī)技術(shù)突飛猛進(jìn)，更多新的技術(shù)被應(yīng)用到了DCS之中。PLC是一種針對順序邏輯控制發(fā)展起來的電子設(shè)備，它主要用于代替不靈活而且笨重的繼電器邏輯。現(xiàn)場總線技術(shù)在進(jìn)入九十年代中期以后發(fā)展十分迅猛，以至于有些人已做出預(yù)測：基于現(xiàn)場總線的FCS將取代DCS成為控制系統(tǒng)的主角。二、原理框架 一個基本的DCS應(yīng)包括至少一臺現(xiàn)場控制站、一臺操作員站、一臺工程師站（也可利用一臺操作員站兼做工程師站）、一條系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)四大組成部分： 1 、現(xiàn)場控制站 現(xiàn)場控制站是DCS的核心，系統(tǒng)主要的控

3、制功能由它來完成。系統(tǒng)的性能、可靠性等重要指標(biāo)也都要依靠現(xiàn)場控制站保證，因此對它的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及安裝都有很高的要求?，F(xiàn)場控制站的硬件一般都采用專門的工業(yè)級計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其中除了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所必需的運(yùn)算器（即主CPU）、存儲器外，還包括了現(xiàn)場測量單元、執(zhí)行單元的輸入/輸出設(shè)備，即過程量I/O或現(xiàn)場I/O。在現(xiàn)場控制站內(nèi)部，主CPU和內(nèi)存等用于數(shù)據(jù)的處理、計(jì)算和存儲的部分被稱為邏輯部分，而現(xiàn)場I/O則被稱為現(xiàn)場部分。 2 、操作員站 操作員站主要完成人機(jī)界面的功能，一般采用桌面型通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，如圖像工作站或個人計(jì)算機(jī)等。其配置與常規(guī)的桌面系統(tǒng)相同，但要求有大尺寸的顯示器（CRT或液晶屏）和性能好的圖形

4、處理器，有些系統(tǒng)還要求每臺操作員站使用多屏幕，以拓寬操作員的觀察范圍。為了提高畫面的顯示速度，一般都在操作員站上配置較大的內(nèi)存。 3 、工程師站 工程師站是DCS中的一個特殊功能站，其主要作用是對DCS進(jìn)行應(yīng)用組態(tài)。應(yīng)用組態(tài)是DCS應(yīng)用過程當(dāng)中必不可少的一個環(huán)節(jié)，應(yīng)為DCS是一個通用的控制系統(tǒng)，在其上可實(shí)現(xiàn)各種各樣的應(yīng)用，關(guān)鍵是如何定義一個具體的系統(tǒng)完成什么樣的控制，控制的輸入/輸出量是什么控制回路的算法如何，在控制計(jì)算中選取什么樣的參數(shù)，在系統(tǒng)中設(shè)置哪些人機(jī)界面來實(shí)現(xiàn)人對系統(tǒng)的管理與監(jiān)控，還有諸如報警、報表及歷史數(shù)據(jù)記錄等各個方面功能的定義，所有這些都是組態(tài)所要完成的工作，只有完成了正確的組

5、態(tài)，一個通用的DCS才能夠成為一個針對具體控制應(yīng)用的可運(yùn)行系統(tǒng)。 4、特殊功能站特殊功能站是執(zhí)行特定功能的計(jì)算機(jī)，如專門記錄歷史數(shù)據(jù)的歷史站；進(jìn)行高級控制運(yùn)算功能的高級計(jì)算站；進(jìn)行生產(chǎn)管理的管理站等。服務(wù)器的主要功能是完成監(jiān)督控制層的工作，如整個生產(chǎn)裝置乃至全廠的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視、對生產(chǎn)過程各個部分出現(xiàn)的異常情況的及時發(fā)現(xiàn)并及時處置、向更高層的生產(chǎn)調(diào)度和生產(chǎn)管理，直至企業(yè)經(jīng)營等管理系統(tǒng)提供實(shí)時數(shù)據(jù)和執(zhí)行調(diào)節(jié)控制操作等。或者簡單講，服務(wù)器就是完成監(jiān)督控制，或稱SCADA功能的主節(jié)點(diǎn)。三三、DCS通信協(xié)議 1. ISO/OSI與與IEEE 802協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)ISO/OSI是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO（I

6、nternational Standards Organization）于1981年提出的“開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型OSI（Open System Interconnection）”，這個模型把計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議分成七層：即 物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會話層、表示層和應(yīng)用層。（各層的定義見書中No181 表 6-3 ）用戶通過應(yīng)用層與網(wǎng)絡(luò)建立聯(lián)系，獲取網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，其數(shù)據(jù)傳送過程如下圖所示。 應(yīng)用實(shí)體“ Y”應(yīng)用實(shí)體“ X”應(yīng)用層應(yīng)用層表示層表示層會話層會話層傳輸層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層物理層物理層物理層物理媒體(通信路徑)物理媒體(通信路徑)系統(tǒng) A系統(tǒng) B

7、中繼節(jié)點(diǎn)OSI參考模3. 令牌環(huán)網(wǎng)通信協(xié)議令牌環(huán)網(wǎng)通信協(xié)議 令牌環(huán)網(wǎng)是IBM公司于80年代中期推出的一種環(huán)形網(wǎng)，以屏蔽/非屏蔽雙絞線為介質(zhì)，傳輸速率為4 Mbps和16 Mbps。平時，有一個稱為“令牌”的特殊數(shù)據(jù)幀在網(wǎng)上順序傳送。某站點(diǎn)截獲“令牌”后，方可在一定的時間發(fā)送數(shù)據(jù)；若不發(fā)送數(shù)據(jù)，則將“令牌”順序向下傳送；若收到的不是發(fā)送給自己的數(shù)據(jù)幀時，立即轉(zhuǎn)發(fā)。令牌環(huán)網(wǎng)采用的是IEEE 802.5或Token Ring協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。由于網(wǎng)上只有一個“令牌”，并且只有截獲“令牌”的站點(diǎn)才能發(fā)送數(shù)據(jù)，因此不會發(fā)生數(shù)據(jù)碰撞。 4、典型應(yīng)用石油化工工業(yè)石油化工工業(yè)DCS應(yīng)用應(yīng)用1、概述石化工業(yè)的特點(diǎn)是連續(xù)

8、大生產(chǎn)，特別強(qiáng)調(diào)安全、穩(wěn)定、長期、滿負(fù)荷、優(yōu)化的運(yùn)行。隨著生產(chǎn)裝置的大型化、復(fù)雜化，過程控制在生產(chǎn)上占有的地位日趨重要。多年來，我國石化工業(yè)也努力采用先進(jìn)的電子技術(shù)改造傳統(tǒng)生產(chǎn)方法，積極開發(fā)投資少、見效快、經(jīng)濟(jì)效益好的微機(jī)控制項(xiàng)目。例如催化裂化監(jiān)控系統(tǒng)、常減壓控制系統(tǒng)、加熱爐低氧燃燒控制、油品調(diào)和的離線調(diào)優(yōu)等。同時在一些工藝復(fù)雜、效益較高、管理有一定基礎(chǔ)的重要關(guān)鍵生產(chǎn)裝置上采用DCS。截止到1990年，中國石油化工總公司范圍內(nèi)用于過程控制的大小不同規(guī)模的DCS共122套，其中已投用的90 套，在建的32套。除4套為國產(chǎn)外，其余均為國外引進(jìn)產(chǎn)品。石化總公司的122套DCS，用于煉油專業(yè)的27套，

9、化工專業(yè)的47套，化纖專業(yè)的18套，化肥專業(yè)的13套，公用工程、三劑生產(chǎn)等系統(tǒng)14套，另有3套用于中試裝置。除此3套外，其余119套DCS分別用在25個企業(yè)的71個生產(chǎn)廠。2.DCS應(yīng)用情況縱觀一頭用的90套DCS，絕大部分都取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益，對工業(yè)生產(chǎn)起了促進(jìn)作用，具有常規(guī)儀表無法代替的優(yōu)點(diǎn)，充分顯示了DCS安全可靠性高、控制算法豐富、組態(tài)靈活、調(diào)節(jié)品質(zhì)高、人機(jī)界面友好、操作方便、易于擴(kuò)展、信息管理集中等特點(diǎn)。 例如高橋石化公司煉油廠1#常減壓裝置采用SPECTRUM 系統(tǒng)與FOX-300 上位機(jī)，除對全裝置實(shí)現(xiàn)常規(guī)控制外，開發(fā)了常壓塔計(jì)算機(jī)集成優(yōu)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了基于動態(tài)內(nèi)回流的常壓塔測線

10、產(chǎn)品質(zhì)量的在線計(jì)算、多測線產(chǎn)品質(zhì)量及收率的智能化協(xié)調(diào)控制與最佳回流取熱分配控制，并利用人工智能方法構(gòu)造上級協(xié)調(diào)系統(tǒng)，開發(fā)了常壓塔整體智能決策與優(yōu)化專家系統(tǒng)。該項(xiàng)目突破傳統(tǒng)思維模式，代之以信息流、物料流和能量流為主干分解方法，充分發(fā)揮了DCS信息采集功能、通信功能和運(yùn)算功能強(qiáng)的優(yōu)勢，并以此為依托，開發(fā)和實(shí)施了高質(zhì)量的數(shù)學(xué)模型和優(yōu)化控制軟件。該系統(tǒng)在現(xiàn)場長時間投用以來，性能可靠，提高輕油收率。集散型控制系統(tǒng)在煉油廠中的具體應(yīng)用催化裂化裝置是煉油處理中一個很重要的裝置，它主要有反應(yīng)再生、分餾、吸收穩(wěn)定、氣壓機(jī)、主風(fēng)機(jī)系統(tǒng)組成。而且，此過程反應(yīng)快，控制復(fù)雜，所以很多煉油廠都采用DCS來對此裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)

11、采集和控制。下面簡單介紹某一催化裂化裝置采用友力2000 DCS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制的情況一、友力一、友力-2000系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)友力-2000系統(tǒng)由兩個控制站、一個檢測站、四臺操作站構(gòu)成，各站由以太網(wǎng)連成一個兩級集散型控制系統(tǒng)。2操作站操作站 操作站由Compaq 386/16主機(jī)，19in大屏幕顯示器，專用、通用鍵盤，聲光報警裝置及打印機(jī)組成。3.監(jiān)測站監(jiān)測站監(jiān)測站具有對生產(chǎn)過程的各種參數(shù)的采集、處理、并傳送到操作站顯示、儲存的功能。監(jiān)測站由主機(jī)、S1板、PI板、雙機(jī)切換電路、監(jiān)測站機(jī)柜電源等部件構(gòu)成。4.控制站控制站控制站可采集、處理最多64路模擬量輸入信號及32路

12、開關(guān)信號，可輸入最多40路420mA控制信號及16路開關(guān)信號，根據(jù)用戶組態(tài)可構(gòu)成多種PID閉環(huán)控制回路、前饋等復(fù)雜控制回路，并可實(shí)現(xiàn)順序控制?？刂普居芍鳈C(jī)、信號輸入通道?？刂菩盘柾ǖ馈㈦p機(jī)切換通道、控制站機(jī)柜電源組成。5.信號調(diào)節(jié)器信號調(diào)節(jié)器信號調(diào)節(jié)器將現(xiàn)場輸入的各種檢測信號（420mA,050mV）統(tǒng)一變換成05V的標(biāo)準(zhǔn)信號送到監(jiān)測站、控制站。對于送到控制站的信號，信號調(diào)節(jié)器采用隔離放大器實(shí)現(xiàn)了信號的主機(jī)及信號各路之間的隔離。并且信號調(diào)節(jié)器內(nèi)設(shè)有溫度測量電路，供進(jìn)行熱偶補(bǔ)償計(jì)算用。6.手操臺手操臺手操臺最多可安裝14臺I系列手操器，串聯(lián)在控制站D/A輸出通道上，兩控制站各連接5臺用于最重要的

13、控制回路。當(dāng)控制站一旦發(fā)生重大故障時，可自動無擾動地切換至手操器操作，從而為整個裝置的安全運(yùn)行提供一套備份手操控方式。手操臺裝有一套用于系統(tǒng)自保的繼電保護(hù)，通過操作臺的手動按鈕可直接將反應(yīng)進(jìn)料，主風(fēng)，滑閥等重要控制閥門設(shè)置為安全狀態(tài)。7.報警燈報警燈友力-2000系統(tǒng)安裝有28個面板燈，由用戶定義來指示相應(yīng)工位的報警，還可以安裝可燃?xì)怏w報警燈。8.安全柵柜安全柵柜安全柵柜供安裝齊納型安全柵，將來自防爆區(qū)的檢測信號經(jīng)安全柵接入控制系統(tǒng)，系統(tǒng)送出的電源及控制信號亦經(jīng)安全柵再送入防爆區(qū)內(nèi)。采用安全柵限制了進(jìn)入防爆區(qū)電信號的最大功率，保證了系統(tǒng)的無火花安全防爆性能。友力友力-2000系統(tǒng)在催化裂化裝置

14、應(yīng)用中的控制流程系統(tǒng)在催化裂化裝置應(yīng)用中的控制流程1.反應(yīng)溫度控制反應(yīng)溫度控制反應(yīng)溫度是影響催化裂化產(chǎn)品分布和回收率的關(guān)鍵參數(shù)之一，又是反應(yīng)-再生系統(tǒng)熱平衡控制、物料平衡控制各變量中最活躍和最難以控制的變量。這里采用了調(diào)節(jié)再生催化劑流量和原料預(yù)熱溫度來穩(wěn)定反應(yīng)溫度的控制方式。反應(yīng)溫度一般控制在490510。TICA104反應(yīng)溫度控制回路模塊連接圖如圖-2所示。模塊連接圖中，T104ZNM、T104INU、T104ALC、T104DCP、T104OUT構(gòu)成了控制回路的主體，完成采樣、輸入處理、報警、PID控制與輸出。H102ZNM1、H102ZNM2、H102INU、H102CAC、H102SS

15、U構(gòu)成了控制回路和外部手操器的跟蹤功能，當(dāng)外部手操器處于DDC狀態(tài)時，回路輸入自動調(diào)節(jié)信號。工位H102SSU用于實(shí)現(xiàn)上述跟蹤的切換。當(dāng)控制站故障時，DDC后備手操作器處于保持狀態(tài)，此功能有硬件完成?；芈返臒犭娕己练盘柕綄?yīng)溫度的切換，利用輸入處理模塊的補(bǔ)償輸入與折線化處理功能完成。TICA104設(shè)置了上、下限報警，當(dāng)反應(yīng)溫度或反應(yīng)溫度急速下降時進(jìn)行報警，提醒操作人員注意，以防催化劑在提升管中“和泥”，破壞催化劑循環(huán)，造成事故。2.反應(yīng)壓力控制反應(yīng)壓力控制正常生產(chǎn)中，反應(yīng)壓力靠調(diào)節(jié)離心式富氣壓縮機(jī)負(fù)荷來改變其入口壓力，進(jìn)而穩(wěn)定反應(yīng)壓力?；芈纺K連接圖如圖-3所示，圖中P302DC2、P302

16、OUT2將入口壓力報警信號遠(yuǎn)傳至主風(fēng)機(jī)、氣壓機(jī)控制室，還設(shè)置了富氣壓縮機(jī)反喘振隨動控制回路，3.再生器壓力再生器壓力-兩器差壓切換控制兩器差壓切換控制再生器壓力控制或兩器差壓控制是反應(yīng)-再生系統(tǒng)的關(guān)鍵控制回路且影響控制的因素較多。一般的控制方案有三種：再生氣壓力定值控制、兩器差壓控制、再生氣壓力和兩器差壓自動選擇控制?，F(xiàn)采用了以再生氣壓力定值調(diào)節(jié)為主，輔以兩器差壓控制的人工切換控制方案。該回路設(shè)置了DDC后備手操器，模塊連接如圖-4所示，圖中P105ZNM、P105INU、P105ALC、P105DCP、P105TST構(gòu)成兩器差壓控制主體。P105SSU用于兩種控制方案的切換，其他模塊用于控制

17、輸出與后備手操器的跟蹤處理。再生器壓力控制，當(dāng)P105SSU-SU=1時，實(shí)行在生氣定值壓控，即用再生氣壓力直接控制雙動滑閥。此種方案有利于主風(fēng)流量的穩(wěn)定和主風(fēng)機(jī)組的平穩(wěn)運(yùn)行，能有效地排除反應(yīng)壓力波動對主風(fēng)流量的影響，易操作。但不利于克服反應(yīng)波動對催化劑循環(huán)量的影響。由于提升管催化裂化操作彈性較大，這種方案在實(shí)際操作中得到普遍接受。兩器差壓控制，當(dāng)P105SSU-SU=2時，實(shí)際兩器差壓控制即用反應(yīng)器和再生器之間的差壓控制雙動滑閥，使再生器壓力反應(yīng)器壓力浮動，以保證兩器差壓的恒定。此外方案有利于兩器的壓力平衡，可排除反應(yīng)壓力波動對催化劑循環(huán)量的干擾。這種方案供操作人員依生產(chǎn)需要加以選擇。4.自

18、保系統(tǒng)自保系統(tǒng)自保系統(tǒng)對催化裂化裝置的安全運(yùn)行十分重要，它用于對破壞系統(tǒng)壓力平衡和催化劑循環(huán)異常等事故的緊急處理。利用友力-2000集散型控制系統(tǒng)提供的順控表可構(gòu)成相應(yīng)的自保系統(tǒng)。如果利用獨(dú)立的外部保護(hù)裝置，其保護(hù)動作速度會更快些，因此，系統(tǒng)中采用了由高可靠繼電器構(gòu)成的外部自保裝置處理緊急情況。自保項(xiàng)目有：進(jìn)料流量低限自保、再生/待生單動滑閥壓降低限自保、主風(fēng)流量低限自保、提升流量低限自保。5分流塔頂溫度控制分流塔頂溫度控制分流塔頂溫度的高低基本上決定了塔頂產(chǎn)品的質(zhì)量，采用塔頂溫度和塔頂回流量串級的控制方案。主環(huán)TICA223的輸出跟蹤FIC206的給定值，可以實(shí)現(xiàn)無擾動串級投入和切除。模塊連接圖如圖-5所示，圖中T223ZNM、T223INU、T223ALC、T223DCP構(gòu)成了控制回路的主環(huán)，F(xiàn)206ZNM、F206INU/、F206DCP、F20