分散式控制系统.

分布式控制系统制作：芮正翔、董良目录1、DCS系统历史2、原理框架3、协议4、典型应用5、心得体会一、DCS系统历史第一阶段1975-1980年，在这个时期集散控制系统的技术特点表现为：•1）采用微处理器为基础的控制单元，实现分散控制，有各种各样的算法，通过组态独立完成回路控制，具有自诊断功能•2）采用带CRT显示器的操作站与过程单元分离，实现集中监视，集中操作•3）采用较先进的冗余通信系统第二阶段1980—1985.，在这个时期集散控制系统的技术特点表现为：1）微处理器的位数提高，CRT显示器的分辨率提高2）强化的模块化系统3）强化了系统信息管理，加强通信功能第三阶段1985年以后，集散系统进入第三代，其技术特点表现为：1）采用开放系统管理2）操作站采用32位微处理器3）采用实时多用户多任务的操作系统进入九十年代以后，计算机技术突飞猛进，更多新的技术被应用到了DCS之中。PLC是一种针对顺序逻辑控制发展起来的电子设备，它主要用于代替不灵活而且笨重的继电器逻辑。现场总线技术在进入九十年代中期以后发展十分迅猛，以至于有些人已做出预测：基于现场总线的FCS将取代DCS成为控制系统的主角。二、原理框架•一个基本的DCS应包括至少一台现场控制站、一台操作员站、一台工程师站（也可利用一台操作员站兼做工程师站）、一条系统网络四大组成部分：•1、现场控制站•现场控制站是DCS的核心，系统主要的控制功能由它来完成。系统的性能、可靠性等重要指标也都要依靠现场控制站保证，因此对它的设计、生产及安装都有很高的要求。现场控制站的硬件一般都采用专门的工业级计算机系统，其中除了计算机系统所必需的运算器（即主CPU）、存储器外，还包括了现场测量单元、执行单元的输入/输出设备，即过程量I/O或现场I/O。在现场控制站内部，主CPU和内存等用于数据的处理、计算和存储的部分被称为逻辑部分，而现场I/O则被称为现场部分。•2、操作员站操作员站主要完成人机界面的功能，一般采用桌面型通用计算机系统，如图像工作站或个人计算机等。其配置与常规的桌面系统相同，但要求有大尺寸的显示器（CRT或液晶屏）和性能好的图形处理器，有些系统还要求每台操作员站使用多屏幕，以拓宽操作员的观察范围。为了提高画面的显示速度，一般都在操作员站上配置较大的内存。3、工程师站工程师站是DCS中的一个特殊功能站，其主要作用是对DCS进行应用组态。应用组态是DCS应用过程当中必不可少的一个环节，应为DCS是一个通用的控制系统，在其上可实现各种各样的应用，关键是如何定义一个具体的系统完成什么样的控制，控制的输入/输出量是什么控制回路的算法如何，在控制计算中选取什么样的参数，在系统中设置哪些人机界面来实现人对系统的管理与监控，还有诸如报警、报表及历史数据记录等各个方面功能的定义，所有这些都是组态所要完成的工作，只有完成了正确的组态，一个通用的DCS才能够成为一个针对具体控制应用的可运行系统。4、特殊功能站特殊功能站是执行特定功能的计算机，如专门记录历史数据的历史站；进行高级控制运算功能的高级计算站；进行生产管理的管理站等。服务器的主要功能是完成监督控制层的工作，如整个生产装置乃至全厂的运行状态监视、对生产过程各个部分出现的异常情况的及时发现并及时处置、向更高层的生产调度和生产管理，直至企业经营等管理系统提供实时数据和执行调节控制操作等。或者简单讲，服务器就是完成监督控制，或称SCADA功能的主节点。三、DCS通信协议1.ISO/OSI与IEEE802协议标准ISO/OSI是国际标准化组织ISO（InternationalStandardsOrganization）于1981年提出的“开放系统互联参考模型OSI（OpenSystemInterconnection）”，这个模型把计算机网络通信协议分成七层：即物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。（各层的定义见书中No181表6-3）用户通过应用层与网络建立联系，获取网络服务，其数据传送过程如下图所示。应用实体“Y”应用实体“X”应用层应用层表示层表示层会话层会话层传输层传输层网络层网络层网络层数据链路层数据链路层数据链路层物理层物理层物理层物理媒体(通信路径)物理媒体(通信路径)系统A系统B中继节点OSI参考模3.令牌环网通信协议令牌环网是IBM公司于80年代中期推出的一种环形网，以屏蔽/非屏蔽双绞线为介质，传输速率为4Mbps和16Mbps。平时，有一个称为“令牌”的特殊数据帧在网上顺序传送。某站点截获“令牌”后，方可在一定的时间发送数据；若不发送数据，则将“令牌”顺序向下传送；若收到的不是发送给自己的数据帧时，立即转发。令牌环网采用的是IEEE802.5或TokenRing协议标准。由于网上只有一个“令牌”，并且只有截获“令牌”的站点才能发送数据，因此不会发生数据碰撞。4、典型应用石油化工工业DCS应用1、概述•石化工业的特点是连续大生产，特别强调安全、稳定、长期、满负荷、优化的运行。随着生产装置的大型化、复杂化，过程控制在生产上占有的地位日趋重要。多年来，我国石化工业也努力采用先进的电子技术改造传统生产方法，积极开发投资少、见效快、经济效益好的微机控制项目。例如催化裂化监控系统、常减压控制系统、加热炉低氧燃烧控制、油品调和的离线调优等。同时在一些工艺复杂、效益较高、管理有一定基础的重要关键生产装置上采用DCS。•截止到1990年，中国石油化工总公司范围内用于过程控制的大小不同规模的DCS共122套，其中已投用的90套，在建的32套。除4套为国产外，其余均为国外引进产品。•石化总公司的122套DCS，用于炼油专业的27套，化工专业的47套，化纤专业的18套，化肥专业的13套，公用工程、三剂生产等系统14套，另有3套用于中试装置。除此3套外，其余119套DCS分别用在25个企业的71个生产厂。2.DCS应用情况•纵观一头用的90套DCS，绝大部分都取得了较好的经济效益，对工业生产起了促进作用，具有常规仪表无法代替的优点，充分显示了DCS安全可靠性高、控制算法丰富、组态灵活、调节品质高、人机界面友好、操作方便、易于扩展、信息管理集中等特点。•例如高桥石化公司炼油厂1#常减压装置采用SPECTRUM系统与FOX-300上位机，除对全装置实现常规控制外，开发了常压塔计算机集成优化系统，实现了基于动态内回流的常压塔测线产品质量的在线计算、多测线产品质量及收率的智能化协调控制与最佳回流取热分配控制，并利用人工智能方法构造上级协调系统，开发了常压塔整体智能决策与优化专家系统。该项目突破传统思维模式，代之以信息流、物料流和能量流为主干分解方法，充分发挥了DCS信息采集功能、通信功能和运算功能强的优势，并以此为依托，开发和实施了高质量的数学模型和优化控制软件。该系统在现场长时间投用以来，性能可靠，提高轻油收率。集散型控制系统在炼油厂中的具体应用催化裂化装置是炼油处理中一个很重要的装置，它主要有反应—再生、分馏、吸收稳定、气压机、主风机系统组成。而且，此过程反应快，控制复杂，所以很多炼油厂都采用DCS来对此装置进行数据采集和控制。下面简单介绍某一催化裂化装置采用友力—2000DCS系统实现控制的情况•一、友力-2000系统硬件结构•1.系统结构•友力-2000系统由两个控制站、一个检测站、四台操作站构成，各站由以太网连成一个两级集散型控制系统。•2．操作站•操作站由Compaq386/16主机，19in大屏幕显示器，专用、通用键盘，声光报警装置及打印机组成。•3.监测站•监测站具有对生产过程的各种参数的采集、处理、并传送到操作站显示、储存的功能。监测站由主机、S1板、PI板、双机切换电路、监测站机柜电源等部件构成。•4.控制站•控制站可采集、处理最多64路模拟量输入信号及32路开关信号，可输入最多40路4~20mA控制信号及16路开关信号，根据用户组态可构成多种PID闭环控制回路、前馈等复杂控制回路，并可实现顺序控制。控制站由主机、信号输入通道。控制信号通道、双机切换通道、控制站机柜电源组成。•5.信号调节器•信号调节器将现场输入的各种检测信号（4~20mA,0~50mV）统一变换成0~5V的标准信号送到监测站、控制站。对于送到控制站的信号，信号调节器采用隔离放大器实现了信号的主机及信号各路之间的隔离。并且信号调节器内设有温度测量电路，供进行热偶补偿计算用。•6.手操台•手操台最多可安装14台I系列手操器，串联在控制站D/A输出通道上，两控制站各连接5台用于最重要的控制回路。当控制站一旦发生重大故障时，可自动无扰动地切换至手操器操作，从而为整个装置的安全运行提供一套备份手操控方式。•手操台装有一套用于系统自保的继电保护，通过操作台的手动按钮可直接将反应进料，主风，滑阀等重要控制阀门设置为安全状态。•7.报警灯•友力-2000系统安装有28个面板灯，由用户定义来指示相应工位的报警，还可以安装可燃气体报警灯。•8.安全栅柜•安全栅柜供安装齐纳型安全栅，将来自防爆区的检测信号经安全栅接入控制系统，系统送出的电源及控制信号亦经安全栅再送入防爆区内。采用安全栅限制了进入防爆区电信号的最大功率，保证了系统的无火花安全防爆性能。•友力-2000系统在催化裂化装置应用中的控制流程•1.反应温度控制•反应温度是影响催化裂化产品分布和回收率的关键参数之一，又是反应-再生系统热平衡控制、物料平衡控制各变量中最活跃和最难以控制的变量。这里采用了调节再生催化剂流量和原料预热温度来稳定反应温度的控制方式。反应温度一般控制在490~510℃。TICA104反应温度控制回路模块连接图如图-2所示。•模块连接图中，T104ZNM、T104INU、T104ALC、T104DCP、T104OUT构成了控制回路的主体，完成采样、输入处理、报警、PID控制与输出。H102ZNM1、H102ZNM2、H102INU、H102CAC、H102SSU构成了控制回路和外部手操器的跟踪功能，当外部手操器处于DDC状态时，回路输入自动调节信号。工位H102SSU用于实现上述跟踪的切换。当控制站故障时，DDC后备手操作器处于保持状态，此功能有硬件完成。•回路的热电偶毫伏信号到对应温度的切换，利用输入处理模块的补偿输入与折线化处理功能完成。TICA104设置了上、下限报警，当反应温度或反应温度急速下降时进行报警，提醒操作人员注意，以防催化剂在提升管中“和泥”，破坏催化剂循环，造成事故。•2.反应压力控制•正常生产中，反应压力靠调节离心式富气压缩机负荷来改变其入口压力，进而稳定反应压力。回路模块连接图如图-3所示，图中P302DC2、P302OUT2将入口压力报警信号远传至主风机、气压机控制室，还设置了富气压缩机反喘振随动控制回路，•3.再生器压力-两器差压切换控制•再生器压力控制或两器差压控制是反应-再生系统的关键控制回路且影响控制的因素较多。一般的控制方案有三种：再生气压力定值控制、两器差压控制、再生气压力和两器差压自动选择控制。现采用了以再生气压力定值调节为主，辅以两器差压控制的人工切换控制方案。该回路设置了DDC后备手操器，模块连接如图-4所示，图中P105ZNM、P105INU、P105ALC、P105DCP、P105TST构成两器差压控制主体。P105SSU用于两种控制方案的切换，其他模块用于控制输出与后备手操器的跟踪处理。再生器压力控制，当P105SSU-SU=1时，实行在生气定值压控，即用再生气压力直接控制双动滑阀。此种方案有利于主风流量的稳定和主风机组的平稳运行，能有效地排除反应压力波动对主风流量的影响，易操作。但不利于克服反应波动对催化剂循环量的影响。由于提升管催化裂化操作弹性较大，这种方案在实际操作中得到普遍接受。•两器差压控制，当P105SSU-SU=2时，实际两器差压控制即用反应器和再生器之间的差压控制双动滑阀，使再生器压力反应器压力浮动，以保证两器差压的恒定。此外方案有利于两器的压力平衡，可排除反应压力波动对催化剂循环量的干扰。这种方案供操作人员依生产需要加以选择。•