DCS基础课件幻灯片课件.ppt
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- DCS 基础 课件 幻灯片
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1、海南逸盛石化有限公司 仪电部 叶理弟2022-7-291DCS集散型控制系统介绍集散型控制系统介绍内 容一、DCS概念和作用二、DCS控制系统的历史和发展三、DCS系统的基本结构四、常见过程控制回路方案介绍五、ESD介绍 DCS的作用的作用 提升产品品质 改善劳动条件 节能降耗 控制环境污染 提高企业管理水平 提高生产效率2022-7-295下图以一个水位信号调节的例子简单地说明DCS的应用过程:DCSDCS的概念的概念2022-7-29系统概述及硬件产品6我们可以把上述过程引申如下:DCSDCS的概念的概念2022-7-297逸盛大化PTA装置中央控制室2022-7-298逸盛大化PTA装置
2、DCS机柜室2022-7-29系统概述及硬件产品9DCS控制器2022-7-29DCS工程师站10海南逸盛石化控制室布置图海南逸盛石化控制室布置图2022-7-2912二、DCS控制系统的历史和发展第一代(初创期):第一代(初创期):1975-1980年。年。典型结构:由5大部分组成:数据采集器、过程控制器、监控计算机、CRT操作站和高速数据公路。代表产品:Honeywell的TDC2000,Bailey的Network 90。第二代(成熟期第二代(成熟期-功能):功能):1980-1985年。年。典型结构:过程控制单元、工作站和高速数据公路。代表产品:Honeywell的TDC3000。第三
3、代第三代DCS(扩展期(扩展期-管控一体化):管控一体化):1985-年。年。典型结构:经营管理级、生产管理级、控制管理级、过程控制级代表产品:Foxboro的I/A,Bailey的INFI 90。第四代第四代DCS(扩展期(扩展期-网络,现场总线):网络,现场总线):1990-年。年。典型结构:过程控制单元、工作站和高速数据公路。代表产品:Honeywell的TPS。目前,一套使用户满意的目前,一套使用户满意的DCSDCS系统应该具备以下特点:系统应该具备以下特点:系统具备开放的体系结构,可以提供多层的开放数据接口;系统应具备强大的处理功能,并提供方便的组态复杂控制系统的能力与用户自主开发专
4、用高级控制算法的支持能力;系统应支持多种现场总线标准以便适应未来的扩充需要;系统应高可靠、维修方便、工艺先进、价格合理1、自动控制技术的发展、自动控制技术的发展 机械仪表时代机械仪表时代 气动仪表时代气动仪表时代 1、自动控制技术的发展、自动控制技术的发展(续续)电动仪表时代电动仪表时代1、自动控制技术的发展、自动控制技术的发展(续续)计算机控制时代计算机控制时代2、计算机控制系统的发展计算机集中控制DDC(Direct Digital Control)计算机监督控制 SCC(Supervisory Computer Control)计算机分级控制DCS(Distributed Control
5、 System)计算机网络式控制系统FCS(Fieldbus Control System)DDC计算机集中控制系统计算机集中控制系统4-20mAAIAODIDOComputerProject变送器执行器检测元件执行元件SCC计算机监督控制系统计算机监督控制系统模拟调节器模拟调节器DCS计算机分级控制系统计算机分级控制系统 DCSDCS控制系统的特点控制系统的特点2022-7-2920 A A:DCS的基本特点:集中管理,分散控制 B B:与模拟仪表相比较的特点:连接方便,容易更改,显示方式灵活,内容多样,数据存储量大。C C:与DDC比较:具有操作监督方便,危险分散,功能分散等优点结构上又是
6、递阶分级的FCS现场总线控制系统什么是现场总线什么是现场总线 定义:现场总线(Fieldbus)是用于现场仪表与控制系统之间的一种全分散、全数字化、智能、双向互联、多变量、多点、多站的通信网络系统。现场总线控制系统FCS(Fieldbus Control System)是基于现场总线技术的新一代控制系统。特点:具有可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、通信速率快,系统安全,造价低廉,维护成本低等特点。2022-7-2922现场总线设备的连接方式控制系统现场总线设备在总线上并联连接,所有设备通过总线接收、发送数字信号现场总线设备可以向网络上其它设备提供任意多信息总线具有循环冗余检错的(CRC)功能,
7、可以保证接收设备获得正确数据多节点现场总线无需点对点的布线4-20mAP.S.现场总线P.S.减少连线和安装传统的 4-20 mA 连线每台设备需要一个安全栅和一对连线现场总线连线多台设备共用一个安全栅和一根总线控制器控制系统网络现场总线4-20 mA输入/输出子系统I.S.I.S.I.S.I.S.控制器控制系统网络现场总线带来的好处1提高控制功能的分散性传统型现场总线型有些控制和 I/O 功能可以转移到现场仪表。控制器控制系统网络现场总线4-20 mA输入/输出子系统PIDPIDAI AIAOAO控制器控制系统网络现场总线带来的好处2增加信息的交互量传统 4-20 mA单变量单向现场总线多变
8、量双向控制器控制系统网络现场总线输入/输出子系统控制器控制系统网络现场总线带来的好处3扩大了操作视野传统 4-20 mA只能看到 I/O 子系统现场总线视野可以扩展到现场仪表控制器控制系统网络现场总线远程输入/输出子系统控制器控制系统网络现场总线带来的好处4三、DCS系统的基本结构e)经营管理级经营管理级:完成公司级经营管理功能。实现管控一体化。d)生产管理级生产管理级:完成厂级生产管理功能,并向上连接构成企业网。c)过程管理级过程管理级:工程师工作站、操作员工作站;b)过程控制级过程控制级:完成数据采集和实时监测和控制功能;a)现场级现场级:检测仪表,执行器,现场操作台;经营管理级经营管理级
9、生产管理级生产管理级过程管理级过程管理级过程控制级过程控制级现场级现场级典型DCS架构图30过程管理级过程管理级过程控制级过程控制级现场级现场级操作站操作站工程师站工程师站a)现场级现场级311、采集过程数据,对数据进行转换2、输出过程操纵命令3、进行直接数字控制4、完成与过程控制级的数据通信5、对现场控制级的设备进行检测与诊断b)过程控制级过程控制级321、采集过程数据,进行数据转换与处理2、数据的监视与存储3、实施连续、批量、逻辑或顺序控制的运算 和输出控制作用4、数据和设备的自诊断5、数据通信c)过程管理级过程管理级331、数据显示和记录2、过程操作(含组态操作和维护操作)3、数据存储和
10、压缩归档4、报警、事件的诊断和处理5、系统组态、维护和优化处理6、数据通信7、报表打印和画面硬拷贝2022-7-2934控制系统组成单回路反馈控制系统由四个基本环节组成,即被控对象(简称对象)、测量变送装置、控制器和执行器组成(如下图)。四、过程控制回路方案2022-7-2935下面结合右图精馏塔压控制系统的例子来说明控制系统应用的几个术语:被控对象或过程:也称调节对象,系要求实现自动控制的设备或生产过程,如右图中的精馏塔就是控制对象。被控参数:在控制对象中要求按预定规律变化的物理量,即被控制的物理量,也称被调参数。如右图中的精馏塔压力。控制量:也称调节量,是调节器输出,它通过执行器改变进出被
11、控对象的物料量或能量,从而对被控对象实现控制。精馏塔压力控制系统扰动(干扰):在控制系统中,除控制量以外引起被控参数变化的所有作用因素都可以称为干扰。设定值:与被控参数工艺规定值相对应的信号值,也称控制目标值,是控制系统的输入变量。偏差值:设定值与被控参数测量值之差。2022-7-2936控制系统过渡过程控制系统过渡过程品质指标一个合格、稳定的控制系统当受到外界干扰或设定值发生变化时,被控变量应该是一条衰减的曲线。右图表示了一个控制系统受到外界干扰后的响应曲线,对此曲线,用过渡过程的品质指标来衡量控制系统的好坏。、衰减比它表征系统受到干扰后被控变量衰减程度的指标,其值为前两个相邻波峰这比,即图
12、中的,一般希望它能在:到:之间。、余差它是指控制系统受到干扰后,过渡过程终了时被控变量的残余偏差。即图中的。值也就是被控变量在扰动后的稳态值与给定值之差。、最大偏差它表示被控变量偏离给定值的最大程度。对于一个衰减的过程,最大偏差就是第一个波的峰值。即图中的值。、过渡过程时间它表示从干扰产生时刻起,直到被控变量又建立起稳态为止的这一段时间。、振荡周期被控变量相邻两个波峰之间的时间叫振荡周期。2022-7-2937简单控制系统的设计原则被被控控变变量量的的选选择择 方法一:选择能直接反映生产过程中产品产量和质量又易于 测量的参数作为被控变量,称为直接参数法。例如 温度、压力、液位、流量反映等生产工
13、艺状态的参 数。方法二:选择那些能间接反映产品产量和质量又与直接参数 有单值对应关系、易于测量的参数作为被控变量,称为间接参数法。例如组分(某物质含量)、转化 率等。2022-7-2938简单控制系统的设计原则被控变量的选择原则被控变量的选择原则 选择对产品的产量和质量、安全生产、经济运行和环境 保护 具有决定性作用的、可直接测量的工艺参数为被控变量。2.当不能用直接参数作为被控变量时,可选择一个与直接参数有 单值函数关系并满足如下条件的间接参数为被控变量。满足工艺的合理性 具有尽可能大的灵敏度且线形好 测量变送装置的滞后小。2022-7-2939简单控制系统的设计原则操纵变量的选择操纵变量的
14、选择被控变量(输出量)扰动变量(输入量)操纵变量(输入量)从诸多影响被控变量的输入参数中选择一个对被控变量影响显著而且可控性良好的输入参数2022-7-2940简单控制系统的设计原则对象静态特性对控制质量的影响对象静态特性对控制质量的影响设:控制通道放大倍数为 扰动通道放大倍数为f 的大小表征了操纵变量对被控变量的影响程度 f的大小表征了扰动对被控变量的影响程度小结:选择操纵变量构成控制系统时,从静态角度考虑,在工艺合理性的前提下,扰动通道的放大倍数f越小越好,控制通道放大倍数希望适当大些,以使控制通道灵敏些。2022-7-2941简单控制系统的设计原则对象动态特性对控制质量的影响(一)对象动
15、态特性对控制质量的影响(一)设:扰动通道时间常数为f,纯滞后为f 对扰动通道特性的影响 ft0yft0(1)(2)Tf1Tf2ff2022-7-2942简单控制系统的设计原则对象动态特性对控制质量的影响(二)对象动态特性对控制质量的影响(二)设:控制通道的时间常数为o,纯滞后时间为o时间常数O小,反映灵敏,控制及时,有利于克服干扰的影响时间常数O过大,造成控制作用迟缓,使被控变量的超调量加大,过渡时间增长纯滞后时间0使操纵变量对被控变量的作用推迟了一段时间,由于控制作用的推迟,不但使被控变量的超调量加大,还使过渡过程振荡加剧,过渡时间增长,控制质量变坏。2022-7-2943简单控制系统的设计
16、原则操纵变量的选择原则 要构成的控制系统,其控制通道特性应具有足够大的 放大系数、比较小的时间常数及尽可能小的纯滞后时 间。系统主要扰动通道特性应该具有尽可能大的时间常数 和尽可能小的放大系数。考虑工艺上的合理性。如生产负荷直接关系到产品的 质量,就不宜选为操纵变量。2022-7-2944调节器的正反作用2022-7-2945调节器控制规律PID控制的原理和特点 在工程实际中,应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制,简称PID控制,又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史,它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不
17、能完全掌握,或得不到精确的数学模型时,控制理论的其它技术难以采用时,系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定,这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时,最适合用PID控制技术。PID控制,实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差,利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。2022-7-2946比例(P)控制 比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差(Steady-state error)。式中 u 调节器输出;u0偏差为零时的调节器
18、的输出,即工作点;Kp调节器的放大倍数;e 偏差,给定值与测量值之差。0ueKupKp增大2022-7-2947积分(I)控制 在积分控制中,控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统,如果在进入稳态后存在稳态误差,则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统(System with Steady-state Error)。为了消除稳态误差,在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分,随着时间的增加,积分项会增大。这样,即便误差很小,积分项也会随着时间的增加而加大,它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小,直到等于零。因此,比例+积分(PI)控制器,可以使
19、系统在进入稳态后无稳态误差。式中 u 调节器输出;u0偏差为零时的调节器的输出,即工作点;Kp调节器的放大倍数;e 偏差,给定值与测量值之差。tipuedtTeKu00)1(2022-7-2948Ti为积分时间.下图是偏差e作阶跃变化时,比例积分调节器输出的响应曲线,当T=Ti时,积分作用的输出mi与比例作用的输出mp相等。输出响应曲线积分项输出)比例项输出)积分时间越长,积分作用愈弱2022-7-2949微分(D)控制在微分控制中,控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率)成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件(环节)或有
20、滞后(delay)组件,具有抑制误差的作用,其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”,即在误差接近零时,抑制误差的作用就应该是零。这就是说,在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的,比例项的作用仅是放大误差的幅值,而目前需要增加的是“微分项”,它能预测误差变化的趋势,这样,具有比例+微分的控制器,就能够提前使抑制误差的控制作用等于零,甚至为负值,从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象,比例+积分+微分(PID)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。tdipudtdeTedtTeKu00)1(2022-7-2950PID参数对调节过程品质的影响
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