1、合肥学院HEFEI UNIVERSITY集散控制系统的工程设计班 级： 10姓 名： 学 号： 10 指导 教师： 完成 时间： 1集散控制系统的工程设计现代科学技术领域中，计算机技术和自动化技术被认为是发展较快的两个分支，工业自动化根据生产过程的特点可分为过程控制和制造工业自动化及自动化测量系统。过程控制自动化是以流程工业为对象，流程工业自动化控制一般采用集散控制系统(DCS) 。一、DCS 控制系统介绍集散控制系统（Distributed control system）是以微处理器为基础的对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的集中分散控制系统，简称 DCS 系统。该系统将若干台微机
2、分散应用于过程控制，全部信息通过通信网络由上位管理计算机监控，实现最优化控制，整个装置继承了常规仪表分散控制和计算机集中控制的优点，克服了常规仪表功能单一，人机联系差以及单台微型计算机控制系统危险性高度集中的缺点，既实现了在管理、操作和显示三方面集中，又实现了在功能、负荷和危险性三方面的分散。DCS 系统在现代化生产过程控制中起着重要的作用。DCS 的工程设计主要有 12 项内容，按先后顺序排列如下：方案论证， DCS评估，DCS 询价，技术谈判，合同签订，开工会议，系统设计，组态编程，安装调试，现场投运，整理文件，工程验收。1.1 集散控制系统的组成1、现场控制级又称数据采集装置，主要是将过
3、程非控变量进行数据采集和预处理，而且对实时数据进一步加工处理，供 CRT 操作站显示和打印，从而实现开环监视，并将采集到的数据传输到监控计算机。输出装置在有上位机的情况下，能以开关量或者模拟量信号的方式，向终端元件输出计算机控制命令。 在 DCS 系统中，这一级别的功能就是服从上位机发来的命令，同时向上位机反馈执行的情况。至于它与上位机交流，就是通过模拟信号或者现场总线的数字信号。由于模拟信号在传递的过程或多或少存在一些失真或者受到干扰，所以目前流行的是通过现场总线来进行 DCS 信号的传递。 22、过程控制级又称现场控制单元或基本控制器，是 DCS 系统中的核心部分。生产工艺的调节都是靠它来
4、实现。比如阀门的开闭调节、顺序控制、连续控制等等。 它接受现场控制级传来的信号，按照工艺要求进行控制规律运算，然后将结果作为控制信号发给现场控制级的设备。这个级别不是最高的，相当于军队里的“中尉”。它也一样必须将现场的情况反馈给更高级别的“上校” 也就是下面讲的过程管理级。 3、过程管理级DCS 的人机接口装置，普遍配有高分辨率、大屏幕的色彩 CRT、操作者键盘、打印机、大容量存储器等。操作员通过操作站选择各种操作和监视生产情况， 这个级别是操作人员跟 DCS 交换信息的平台。是 DCS 的核心显示、操作跟管理装置。操作人员通过操作站来监视和控制生产过程，可以通过屏幕了解到生产运行情况，了解每
5、个过程变量的数字跟状态。它可以根据需要随时进行手动自动切换、修改设定值，调整控制信号、操纵现场设备，以实现对生产过程的控制。 4、经营管理级又称上位机，功能强、速度快、容量大。通过专门的通信接口与高速数据通路相连，综合监视系统各单元，管理全系统的所有信息。 这是全厂自动化系统的最高一层。只有大规模的集散控制系统才具备这一级。它的权限很大，可以监视各部门的运行情况，利用历史数据和实时数据预测可能发生的各种情况，从企业全局利益出发，帮助企业管理人员进行决策，帮助企业实现其计划目标。1.2 集散控制系统的特点DCS 控制系统与常规模拟仪表及集中型计算机控制系统相比，具有很显著的特点。 1.2.1 系
6、统构成灵活从总体上看，DCS 就是由各个工作站通过网络通信系统组网而成的。你可以把他现象成“因特网” 。根据生产需求，你可以随时加入或者撤去工作站。系统组态很灵活。 31.2.2 操作管理便捷DCS 的人机反馈都是通过 CRT 跟键盘、鼠标等实现的。你可以想象成在因特网冲浪一样，你可以监视生产装置乃至整个工厂的运行情况。 1.2.3 控制功能丰富原先用模拟控制回路实现的复杂运算，通过高精度的微处理器来实现。难道还有什么算法 CPU 实现不了的吗？！ 1.2.4 信息资源共享 你可以把工作站想象成因特网上的各个网站，只要你在 DCS 系统中，并且限够大，你就能了解到你要的任何参数。 1.2.5
7、安装、调试方便相比原先的模拟控制系统，那么多的飞线头，一大堆类似头发丝的电线。DCS 系统算是很方便了。 1.3 DCS 系统的硬件结构DCS 的硬件系统主要由集中操作管理装置、分散过程控制装置和通信接口设备等组成。通过通信网络将这些硬件设备连接起来，共同实现数据采集、分散控制和集中监视、操作及管理等功能。 现场控制站中的主要设备是现场控制单元。现场控制单元式 DCS 直接与生产过程进行信息交互的 IO 处理系统，它的主要任务是进行数据采集及处理，对被控对象实施闭环反馈控制、顺序控制和批量控制。用户可以根据不同的应用需求，选择配置不同的现场控制单元构成现场控制站。它可以是以面向连续生产的过程控
8、制为主，辅以顺序逻辑控制，构成的一个可以实现多种复杂控制方案的现场控制站；也可以是以顺序控制、连锁控制功能为主的现场控制站；还可以是一个对大批量过程信号进行总体信息采集的现场控制站。 现场控制站是一个可以独立运行的计算机检测控制系统。由于它是专为过程检测、控制而设计的通用型设备，所以其机柜、电源、输入输出通道和控制计算机等，与一般的计算机系统有所不同。4二、DCS 系统选型及其硬件配置说明2.1 DCS 系统选型系统选型涉及到多方面的技术问题。可以概括成以下原则：可靠性原则、实用性原则、先进性原则、经济性原则。目前国内比较有代表性的 DCS 厂家主要有浙江中控技术股份有限公司、上海新华控制技术
9、有限公司、北京和利时系统工程股份有限公司。以浙江中控的 SUPCON JX-300X 系统控制工业锅炉为例。2.2 DCS 系统 SUPCON JX-300X该 DCS 系统由工程师站、操作站、控制站、过程控制网络等组成。（1）工程师站是为专业工程技术人员设计的，内装有相应的组合平台和系统维护工具。通过系统组态平台生成适合于生产工艺要求的应用系统，具体功能包括：系统生成、数据库结构定义、操作组态、流程画面组态、报表程序编制等。而使用系统的维护工具软件实现过程控制网络调试、故障诊断、信号调校等。（2）操作站是由于工业 PC 机、CRT、键盘、鼠标、打印机等组成的人机系统，是操作人员完成过程监控管
10、理任务的环境。高性能工控机、卓越的流程图机能、多窗口画面显示功能可以方便地实现生产过程信息的集中显示、集中操作和集中管理。（3）控制站是系统中直接与现场打交道的 I/O 处理单元，完成整个工业过程的实时监控功能。控制站可冗余配置，灵活、合理。在同一系统中，任何信号均可按冗余或不冗余连接。（4）过程控制网络实现工程师站、操作站、控制站的连接，完成信息、控制命令等传输，双重化冗余设计，使得信息传输安全、高速 10 。2.3 系统整体结构JX-300X DCS 采用三层通信网络结构，如图 1。最上层为信息管理网，采用符合 TCP/IP 协议的以太网，连接了各个控制装置的网桥以及企业内部各类管理计算机
11、，用于工厂级的信息传递和管理，是实5现全厂综合管理的信息通道。中间层为过程控制网（名称为 Scnet ） ，采用了双高峰冗余工业以太网Scnet作为其过程控制网络，连接操作站、工程师站和控制站等，传输各种实时信息。底层网络为控制站内部网络（名称为 SBUS） ，采用主控制卡指挥式令牌网，存储转发通信协议，是控制站各卡件之间进行信息交换的通道。作为典型的通信系统，JX-300X 系统有如下类型的节点：1）现场过程控制设备节点、2）操作监视设备节点、3）智能设备的通信接口节点 4）工程师站、5）高级计算机站。工程师站 操作员站现场控制站现场数据采集站现场控制站SCnet 2.4 系统性能1、工作环
12、境工作温度： 050存放温度： 4070湿度： 50时，5%15%2、输入与输出一般分类为模拟量输入（05VDC，420mADC，热电阻，热电偶） 、脉冲量输入（频率，幅值） 、开关量输入（触电式，位式） 、模拟量输出图 1 JX300X 系统结构图6（05VDC，420mADC） 、开关量输出（电压，电流） ，特殊输入或输出。控制站：双路供电，85264VAC，47400Hz，最大 600W，功率因数校正：操作站、工程师站和多功能站：200250VAC，50Hz，最大 500W3、接地电阻在普通场合接地电阻不大于 4，在变电所，电厂及有大型用电场合接地电阻不大于 1。4、电磁兼容性电磁兼容性
13、（EMC）是指设备在其电磁环境中正常工作且不在环境中其他事物构成不能承受的电磁干扰能力，电磁兼容干扰（EMI）和电磁敏感度（EMS）两方面。系统完全按照工业环境的通用抗干扰型标准设计，并经严格测试，使系统在抗干扰方面有很大的提高，完全能满足恶劣电磁环境下的工作要求。三、DCS 系统的抗干扰措施系统生产过程中，各种设备复杂，各种等级的电缆较多，常会出现干扰现象，产生干扰的原因主要有电磁感应，静电感应，雷击，接地电位的不同，感应负载以及输入输出信号线路传输等，由此给电源，信号线，接地线，I/O 设备以及计算机本身加上干扰，如果 DCS 系统抗干扰问题解决不好，系统就无法可靠稳定地运行。3.1 电源
14、系统的干扰及应采取的措施在供电回路中采用隔离变压器使 DCS 系统接地与动力强电系统地独立开来，由于强电接地点与 DCS 系统接地点所处的电位不一定相等，易产生共模电源干扰，所以从抗共模干扰角度来看 DCS 接地系统应为独立接地系统。采用 UPS 电源可作为 DCS 系统的备用电源，以免计算机系统数据丢失和控制系统失灵引起事故发生，而且还可以防止生产现场的纹波和尖峰干扰，以及断电影响。3.2 电磁干扰及应采取的措施电磁感应产生地磁场干扰，会造成变速器不能正常工作，也会造成显示器7画面摆动，色斑颜色纯度变化，有时甚至破坏计算机的磁盘内存存储的内容，造成 DCS 系统瘫痪不能运行。解决电磁干扰的措
15、施是：DCS 系统设备要远离产生磁场的设备，与磁场相隔离。一般 DCS 系统的输入输出转换组件、通讯组件、控制站微处理器组件等要安装在带通风装置的铁皮柜内，铁皮柜的屏蔽作用增强了控制系统抗干扰的能力。3.3 信号线的传送干扰及应采取的措施DCS 控制系统控制对象是工业生产中的温度、压力、流量等参数，这些参数的检测都是通过热电阻、热电偶、变送器等转换后进入 DCS 系统的，为了防止在线路传输过程中产生干扰，一般用屏蔽电缆，敷设时尽量不与动力电缆靠近或平行敷设，并应远离大功率变压器等感性负载。四、DCS 系统软件组态41 集散控制系统组态概念集散控制系统（Distributed Control S
16、ystemDCS） ，是一种以微处理器为基础的分散型综合控制系统。DCS 综合计算机技术、网络通讯技术、自动控制技术、冗余及自诊断技术等先进技术，目前已成为工业过程控制的主流系统。由于 DCS 的通用性，系统的许多功能及匹配参数需要根据具体要求由用户设定。系统一般具有良好的数据接口，当需要与其它系统进行数据通讯时，用户还需要将系统所采用的协议、使用的端口告诉控制系统。42 软件组态实现的功能1.实时监控功能：通过人机界面，准确及时了解工艺参数，及时提供越限报警，故障信息和历史记录，使操作员实时的进行监控。2.锅炉工段的自动控制：对于本工段的控制回路只有本工段的操作站可以对其进行操作，其它工段的
17、操作站只能监视而不可操作。43 DCS 系统基本配置组态DCS 组态工作的内容主要包括:系统组态、数据库组态、控制策略组态、流8程图组态、报表组态等。硬件部分设计完成后即可进行软件组态，首先进入系统组态软件，在总体信息下完成系统单元的组态，系统单元主要是构建控制站和操作站，针对本工段 DCS 系统而言，控制站中需要添加两个主控制卡，一个作为工作卡，另一个作为冗余卡。然后进行控制组态的设计，控制组态主要包括 I/O 组态和常规控制方案两项内容。I/O 组态首先要添加数据转发卡，添加了数据转发卡后，就要进行 I/O 卡件的设计，需要进行卡件及其通道信号的添加，输入输出卡件和信号点添加完毕后要对信号
18、点进行设置，包括该检测参数的量程，工程单位，信号类型等信息，而输出信号则要注明该信号的信号制和阀特性。常规控制方案即是对控制回路进行设置，包括控制方案，输入输出信号，串级控制系统还需要分别对主回路和副回路的输入信号进行设置。操作组态的主要内容有标准画面和流程图，其中标准画面又包括系统总貌，趋势曲线，控制分组和数据一览。操作组态是为了更好的服务于操作员对生产过程的监控和调节，系统总貌画面是监控操作画面的总目录。主要用于显示重要的过程信息，或作为索引画面用。在完成标准设置后，绘制流程图，流程图主要包括静态图形，和动态参数。静态图形类似于设备连接等，动态参数是真实反应的数据，通过在流程图上的观察与判
19、断，我们可以判断合成过程是否和预计的一样，提高了反应的安全系数的同时，降低了出现错误的可能。完成软硬件的设计后还要考虑整个系统的安全性，主要包括电源和接地，DCS 系统的供电要求电压稳定，频率稳定，不间断，无干扰供电。因此，在从外部提供两路独立的供电输入的同时，还应设置不间断电源供电系统 UPS，当电源失电时，UPS 将向系统供电。并且要求系统安全接地以及信号接地。五、招标文件的编制和选型5.1 招标文件的编制（1）技术先进性， （2）性能指标的定量性， （3）竞争的公正性， （4）语言的精练性和确定性。5.2 集散控制系统的评估9（1）偏离表法， （2）矩阵表法：注意事项a)确定需评估项目
20、、b)确定项目的评估权重系数、c)专家评估5.3 选用现场总线进行设备连接优点（1）通信系统的接线需要设置终端器实现线路阻抗匹配。（2）一般模拟仪表系统的接线电缆可根据实际的电流或传送距离等条件选用各种类型的电缆；现场总线的电缆有一定的类型规定，对导线线径、特征阻抗等都有严格要求。（3）一般模拟仪表系统采用标准电流（或电压）信号，一些仪表之间采用串联连接；而现场总线控制系统中的仪表是并联连接到现场总线的。5.4 施工图设计的基本程序（1）施工图开工报告、 （2）设计联络、 （3）施工图设计 a）DCS 设计文件目录、b）DCS 技术规格书、c）DCS-I/O 表、d）联锁系统逻辑图、e）仪表回
21、路图、f）DCS 监控数据表、g）DCS 系统配置图、h）控制室布置图、i）端子柜布置图、j）工艺流程显示图、k）DCS 操作组分配表、l）DCS 趋势组分配表、m）DCS 生产报表、n）电缆布置图、o）仪表接地系统图、p）操作说明书、q）控制功能图、r）通信网络设备规格表。六、集散控制系统在常减压装置中的应用原油由原油罐输出，经过常压一线、常压二线和常压中段回流，经过换热器，把原油加热，然后经过混合阀注水进入一级电脱盐罐，再经过二号混合阀注水，进入二级电脱盐罐，使原油脱盐脱水，有利于产品质量的调节，便于以后的加工程序操作。常压的控制要分馏出合格的侧线油(常一线，常二线) 还要取出常压塔的多余
22、热量，这就要求侧线的馏出量和中段回量要有合适的比例: 中段量太大，取热过多，侧线馏出量减少，降低了轻油的收率; 中段量过小，取热少，侧线油质量重，不合格。侧线馏出的轻油成分还要经过汽提塔汽提， 同时还要控制常底油外甩的量， 以控制常底的液位， 但是也不可以过多的减少常底的外甩量， 那样将影响后路的控制(减压塔 )，控制难度大，要求使用串级控制。减压的流程类似于常压， 但控制比常压简单。6.1 常减压装置控制回路101、常压系统典型回路控制常压系统主要有塔顶温度调节系统、侧线抽出量调节系统、塔底液位调节系统等，还有侧线产品质量调节系统、中段回流取热系统等。常压塔对产品质量有较高的要求，塔顶要求分
23、馏出合格汽油馏分，通常都在塔顶设置塔顶温度回流量串级调节系统，以克服回流方面的干扰。常用的控制规律有:比例控制，积分控制，比例积分控制，比例微分控制，比例积分微分控制。因为侧线质量要求高，要求对系统抗干扰能力强，在出现扰动时可以迅速恢复，单独采用比例控制、积分控制、微分控制已经不能满足要求，这里采用比例、积分、微分的组合控制。 PID 控制器在控制开始时，微分先起作用，使输出信号发生突然的大幅变化，同时比例也起作用进行控制，使偏差幅度减小，接着积分起作用，慢慢地消除静差。6.2 比例、积分、微分控制规律1）特性具有比例( P) 、积分( I) 、微分(D) 三种控制规律的控制器，简称 PID
24、控制器。其控制规律的数学表达式为:P=Pp+Pi+Pd=K ( e+1 /T edt+TDde /dt)2）传递函数PID 控制器的传递函数 Wpid ( S) 如下:当 K 很大时Wpid ( S) =( 1/)( Tds+Tds /T1s+1+1 /T1s)图为控制原理框图。113）控制规律对过程控制系统的影响 比例控制作用比例控制作用可表示为:Pp+Kpe=1 /e Kp 为比例放大倍数或比例控制器的增益，即:Kp=1 /=Pp /e由于比例控制器的比例运算没有动态元件，比例控制器的输入输出仅仅是一种比例放大关系，因此，使用比例控制器所产生的相移为- 180，这个固有的- 180相移是负
25、反馈控制产生的，不是控制器本身产生的， 比例控制器本身产生的相移为 0。比例控制器的增益决定于比例带 的大小， 增益的大小也决定了反馈的强弱。比例增益可以改善控制特性， 但若使用不当，也可能导致系统不稳定，并且可能产生振荡。 积分控制作用积分控制作用可以表示为:dp /dt=e /T1 积分作用产生了一个 90的相滞后，也即积分输出也落后输入 90。积分控制增益等于积分输出与输入幅值之比。由于使用积分控制作用，产生了一个控制系统的相滞后，使系统稳定性降低。当积分时间短，积分作用强，积分增益也大时，也会使系统稳定性降低。 微分控制作用微分控制作用可以表示为: p=Tde /dt 微分作用产生一个
26、超前的 90相移，即输出超前了 90。由于微分的控制作用，使得整个系统相滞后减小了，从而增加了系统的稳定性。如果微分时间短，微分作用弱，则对系统影响不显著。如果微分时间过长，虽然微分作用强，超前的角度有利于系统的稳定性，但是增益也变大，增益过大，反而会降低系统的稳定性。126.3 PID 参数的整定方法为了使系统不仅静态特性好，而且要稳定性好，过程过渡短，正确的整定PID 参数数字控制器的参数 Kp、T1、Td 是非常重要的。在连续控制系统中，模拟控制器的参数整定方法非常多，工程整定法就是其中之一，它由经典频率法化简而来，优点是整定参数时不必依赖控制对象的数学模型，简单易行。6.4 控制回路说
27、明为了保持常底液位在一定范围内波动，又要保证减压塔进料稳定， 一般采取液面与流量组成的串级调节系统，在此系统中， 允许液面在一定范围内变化，而保持流量相对不变。减压塔的控制方案设置是根据装置产品方案是燃料型还是润滑油型来决定，产品为燃料型产品的侧线抽出均以减压塔中集油箱中液位为控制对象，集油箱抽出的另一物流返塔作为回流，减压塔的塔顶冷回流流量是由减压塔顶温度控制。而中段回流一般采用流量调节系统，产品为润滑油型时，由于侧线产品质量要求比较严格，其方案类似常压塔控制方案。减压塔底介质黏度大、温度高，要求停留时间短，又是抽真空系统，容易造成塔底泵抽空，一般采用浮球或差压式液位调节器来控制塔底抽出量，
28、采用塔底液位渣油外甩串级调节系统，保证塔底液位在一定范围内波动。七、总结通过对集散控制系统工程设计的详细介绍与分析，让我的理论学习有了一个完善的总结，对集散控制工程设计有了更深入的理解与掌握。通过课外的总结性学习，在拓宽知识面的同时还可以更好的了解该领域的最新发展动态，让我们的学习跟上技术的更新。参考文献1 刘国庆等，集散控制与现场总线M. 机械工业出版社 20062 何衍庆，俞金寿，集散控制系统原理及应用M. 化学工业出版社 20023 王晓刚，集散控制系统的发展D. 贵州化工 20014 张春龙，DCS 控制系统的安装与调试D. 中国新技术新产品 20105 黄海峰，集散控制系统可靠性性能在线预测D.江苏大学 2004
