DCS控制系统详解

LOGO控制系统DCS系统DistributedControlSystem——集散控制系统控制系统SCADA系统SupervisoryControl&DataAcquisition——数据采集与监视控制系统总结对比DCS系统DCS系统的组成1DCS系统的特点2DCS系统的基本功能3DCS系统的组成1DCS软件现场控制站操作员站工程师站系统网络DCS系统DCS系统的组成1现场控制站：DCS的核心，系统的主要控制功能由现场控制站完成保证系统的性能、可靠性硬件逻辑部分现场部分运算器(主CPU)存储器现场测量单元执行单元输入/输出设备(即过程量I/O和现场I/O)DCS系统的组成1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。要求：配有大储存的显示器（CRT或液晶屏）以及性能好的图形处理器。甚至有些系统还要求每台操作员站使用多屏幕，以拓宽操作远的观察范围。DCS系统的组成1工程师站：主要作用是对DCS进行应用组态，属于DCS中的一个特殊功能站。应用组态控制的输入输出量是什么定义一个具体的系统完成什么样的控制控制回路算法控制计算中选取什么样的参数报警、报表及历史数据记录设置哪些人机界面来实现人对系统的管理与监控DCS系统的组成1特殊功能站是执行特定功能的计算机。服务器的主要功能是完成监督控制层的工作监视整个生产装置乃至全场的运行状态及时发现生产过程各个部分出现的异常情况并作出处理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服务器的主要功能是完成监督控制，或称SCADA功能的主节点DCS系统的组成1DCS网络：高层管理网络系统网络现场总线网络系统网络是连接DCS系统各个站的桥梁将现场检测变送单元和控制执行单元数字化，是DCS成为一种全数字化系统将DCS从单纯的低层控制功能发展到了高层次的数据采集、监督控制、生产管理等全场范围的控制管理系统DCS系统的组成1DCS软件：操作员站软件现场控制站软件工程师站软件DCS软件完成对现场的直接控制人机界面DCS系统的组成1现场控制站软件现场控制站软件的主要功能是完成对现场的直接控制，包括回路控制、逻辑控制、顺序控制和混合控制等多种类型的控制。对输入的过程量进行预处理现场I/O驱动，完成过程量的输入/输出采集数据并储存控制计算通过I/O驱动，将控制量输出到现场工程量的转换统一计量单位剔除各种因现场设备和过程I/O设备引起的干扰和不良数据对输入数据进行线性化补偿及规范化处理作为原始数据参与控制计算通过计算或处理成为中间变量，参与以后的控制计算所有数据库的数据均可成为人机界面、报警、报表、历史、趋势以及综合分析等监控功能的输入数据DCS系统的组成1操作员站软件操作员站软件的主要功能是人机界面，即HMI的处理。包括：图形画面的显示、对操作员操作命令的解释与执行、对现场数据和状态的监视以及异常报警、历史数据的存档和报表处理等。操作命令处理图形处理历史数据和实时数据的趋势曲线显示报警信息的显示、事件信息的显示、记录与处理历史数据的记录与存储、转储及存档软件报表记录和打印系统运行日志的形成、显示、打印和存储记录DCS系统的组成1工程师站软件分为两个大部分：一部分，是在线运行的，主要完成对DCS系统本身运行状态的诊断和监视，发现异常时进行报警，同时通过工程师站上的CRT屏幕给出详细的异常信息，如出现异常的位置、时间、性质等。另一部分（也是最主要的部分）是离线态的组态软件。这是一组软件工具，目的是为了将一个通用的、对多个应用控制工程有普遍适应能力的系统，变成一个针对某个具体应用控制工程的专门系统。为此，系统要针对这个具体应用进行一系列定义。DCS系统的组成1组态定义：系统硬件配置定义：包括系统中各类站的数量、每个站的网络参数、各个现场I/O站的的I/O量配置（如各种I/O模块的数量、是否冗余、与主控单元的连接方式等）及各个站的功能定义等；实时数据库的定义：包括现现场屋里I/O点的定义（该点对应的物理I/O位置、工程量转换的参数、对该点所进行的数字滤波、不良点剔除及死区等处理）以及中间变量点的定义；历史数据库的定义：包括要进入历史数据库的实时数据、历史数据存储的周期、各个数据在历史数据库中保存的时间以及对历史库进行转储（即将数据转存到磁带、光盘等可移动介质上）的周期；历史数据和实时数据的趋势显示、列表以及打印输出等定义；DCS系统的组成1控制算法的定义：包括确定控制目标、控制方法、控制周期及定义与控制相关的控制变量、控制参数等；人机界面的定义：包括操作功能定义（操作员可以进行哪些操作、如何进行操作等）、现场模拟图的显示定义（包括北京画面和实时刷新的动态数据）及各类运行数据的显示定义等；报警定义：包括报警产生的条件定义、报警方式的定义、报警处理的定义（如对报警信息的保存、报警的确认、报警的清除等操作）及报警列表的种类与尺寸定义等；系统运行日志的定义：包括各种现场实践的认定、记录方式及各种操作的记录等；报表定义：包括报表的种类、数量、报表格式、报表的数据来源级在报表中各个数据项的运算处理等；事件顺序记录和事故追忆等特殊报告的定义。DCS系统DCS系统的组成1DCS系统的特点2DCS系统的基本功能3DCS系统的特点2系统特点分散性和集中性自治行和协调性灵活性和扩展性分散性：控制分散、地域分散、设备分散、功能分散、危险分散。分散的主要目是为了使危险分散，进而提高系统的可靠性和安全性。集中性：集中监视、集中操作和集中管理。自治性：各台计算机均可独立工作。过程控制站能自主进行信号输入、运算、控制和输出；操作员站能自主实习案件时、操作和管理；工程师站可以在线组态也可离线组态。协调性：各台计算机用通信网络互联在一起，相互传递信息，相互协调工作，以实现系统的总体功能。灵活性：采用模块式结构，提供各类功能模块，克灵活地组态构成简单或复杂的各类控制系统。扩展性：可根据生产工艺和流程的改变，随时修改控制方案，在容量允许范围内通过组态就可以构成新的控制方案。DCS系统DCS系统的组成1DCS系统的特点2DCS系统的基本功能3DCS系统的基本功能3通信功能控制功能输出处理输入数据处理1234人机接口功能5DCS系统的基本功能——输入数据处理31.数据的采样速率2.增益最佳化3.模拟量信号的规格化4.合理性检查5.零偏校正6.工程量变换7.报警功能8.数据平滑处理9.温度、压力矫正DCS系统的基本功能——输入数据处理31.数据的采样速率：香浓定理规定，采样不失真的条件是采样频率不低于信号中所含最高频率的2倍。据此确定的经验数据是流量、压力、液位信号的采样周期分别为1~5s、3~10s、5~8s，温度、成分信号的采样周期为15~20s。通常采样频率以各路信号中可能出现的最高采样频率为依据，再乘以模拟信号的路数（n）及安全系数（一般为5~10），即maxfmax)10~5(nffsDCS系统的基本功能——输入数据处理32.增益最佳化：模拟量信号在A/D转换之前要进行前置放大，以使被转换量落在A/D转换线性范围之内（通常在50%~100%满度范围之内），提高通道的相对测量准确度。因此，要选择合适的增益，增益最佳化即能自动挑选最佳增益。DCS系统的基本功能——输入数据处理33.模拟量信号的规格化：模拟量信号的规格化，是指1~5V的模拟信号经A/D转换电路变成鬼各户的数字量，其计算公式为：———规格化数值——满度规格化值——零点规格化值———模拟信号。00)(41xxxVxmVxxxm0DCS系统的基本功能——输入数据处理34.合理性检查：加入A/D转换超出规定时间，或接到指令后根本未进行转换，则“A/D卡故障”置位，给出不合理标志。如果是A/D过载（读数超量程）或欠量程（读数小于下限值），该数将不做进一步处理，给出“读书不合理”标志。5.零偏校正：由于温度、电源灯环境因素变化引起放大器零点漂移，可通过软件进行校正。通常是把输入短路时采集的放大器零漂值，取平均数存入内存，再在当前测量结果中扣除此零漂值。这种方法常用于零漂不超过通道模拟输出动态范围的1/10场合。零漂严重时，可能使系统发生饱和，因此在零漂校正时，常设定一漂移限值，超过该值，状态字中“零偏超出故障”置位，并发出警报。但这个零偏读书仍用来进行零点校正。DCS系统的基本功能——输入数据处理36.工程量变换：上位机或操作站需显示或打印时，还应将规格化的数据转换成工程量单位值y，即。M——用工程量单位表示的量程B——用工程量单位表示的零点。BxxxxMym00)(DCS系统的基本功能——输入数据处理37.报警功能：报警功能报警类型报警优先级报警限值报警优先级参数报警链中断参数最高报警选择参数绝对值报警、偏差报警、速率报警、累计报警实现预报警，设置多重报警限，如：如上限、上上限、下限、下下限等三者共同决定报警信息的重要程度、轻重缓急危险级高级低级报表级不需要报警报警信号在所有的报警总貌画面中显示报警信号在区域报警画面和单元报警画面中显示报警信号只在单元报警画面中显示报警信号只在报表中记录，并不送往操作站用于给出主要报警源。当某一关键参数报警而引发出一系列报警时，为了使操作管理人员能及时找准报警元，做出正确处理，报警链中断参数及时切断一系列次要的报警信号，位操作管理人员提供准确的关键报警信息(e.g.)当某个数据点的几个报警参数同时处于报警状态时，最高报警选择参数会确定最危险的哪一个报警参数，在报警画面中系显示DCS系统的基本功能——输入数据处理38.数据平滑处理：数据平滑处理就是进行数字滤波，目的是克服随机干扰引入的误差。常用的数字滤波算法有程序判断滤波算法，递推平均滤波算法和加权递推平均滤波算法，一阶惯性滤波算法。（1）程序判断滤波算法：程序判断滤波算法又称先付滤波算法或限速滤波算法，其基本方法是通过比较两个相邻采样值，如果两者差值超过最大允许范围a，则认为有尖脉冲引入输入端，应予剔除。其公式为：——参数允许最大变化值——采样周期nyTvayyyyyayyyyayynnnnnnnnnnnmax21111-2,||,||或TvmaxDCS系统的基本功能——输入数据处理3（2）递推平均滤波算法和加权递推平均滤波算法对于算数平均滤波算法，没计算一次需采样N次，这对采样速率不搞的系统耗时较长，甚至无法实时运算。加权递推平均滤波算法每次只需要采集一个数据，而把n个周期采得的数据进行平均，它的计算公式为：——未经滤波的第n-1次采样值——递推平均项数1011NinnyNyNyn1DCS系统的基本功能——输入数据处理3（2）递推平均滤波算法和加权递推平均滤波算法上述算法每次采样值在结果中的比重均是1/N，这对时变信号会引入滞后。为增加当前采样值在结果中所占的比重，提高系统对本次采样的灵敏度，可采用加权递推平均滤波算法，即——加权系数1011NininycNyiNNccccccccc011211210DCS系统的基本功能——输入数据处理3（3）一阶惯性滤波算法一阶惯性滤波算法对周期性干扰具有良好的抑制作用，使用与波动频繁的参数滤波。计算公式为其中——采样周期——滤波时间常数这种算法的缺点在于具有相位滞后，越大，滞后越大。它不能滤去高于1/2采样频率以上的干扰信号。例如，采样频率为100Hz，则不能滤去50~100Hz的干扰。fnnnTTTayaayy1)1(fTTfTDCS系统的基本功能——输入数据处理39.温度、压力校正：当用孔板测量气体或蒸汽流量时，因差压值测量时的环境偏离孔板设计时的标准温标准压力，计算将有误差，因此需将此值校正到标准条件下的，其计算公式为——标准压力——实际压力——标准温度下的压差——实际温度下的压差——标准压力下的压差——实际压力下的压差p103.0103.0273273nrrpnprnrtntppppttpprpnprtntrnppppppDCS系统的