DCS基本原理和发展历程(李相建)

1LiXiangjianCTEC真诚地为用户设想DCS基本原理和发展历程李相建广利核系统工程有限公司2007.08.202真诚地为用户设想CTECLiXiangjian目录1.什么是DCS2.控制系统概述3.DCS的发展历史4.DCS控制系统的比较3LiXiangjianCTEC真诚地为用户设想一、什么是DCS4真诚地为用户设想CTECLiXiangjianDCS(DistributeControlSystem)－－－分布式控制系统主要用途：控制系统结构：分布式集中管理，分布控制5LiXiangjianCTEC真诚地为用户设想二、控制系统概述1.控制系统类型2.控制系统分类3.控制系统的基本组成4.测量方法和测量装置5.控制方法和运算处理装置6.控制的执行方法和执行装置7.控制系统各要素的关系8.控制系统人机界面6真诚地为用户设想CTECLiXiangjian1、工业过程的类型¾流程工业（ProcessIndustry）–连续生产过程–产品论“斤”卖–如：化肥¾制造业（ManufacturingIndustry）–离散制造过程–产品论“个数”卖–如：螺丝钉7真诚地为用户设想CTECLiXiangjian2、工业过程的分类•过程控制（ProcessControl）–控制流程工业的生产过程–一条生产线只生产一种产品–主要控制手段是PID–现在流行叫ProcessAutomation（过程自动化）•离散控制（DiscreteControl）–控制制造业的加工过程–主要手段是顺序与逻辑控制–现在流行叫FactoryAutomation（工厂自动化）•批量控制（BatchControl）–同一生产线上的间歇性、多品种生产过程，半连续过程。–既有顺序与逻辑控制，也有连续过程控制–每种产品有自己的“配方”–主要是食品和制药行业8真诚地为用户设想CTECLiXiangjian连续控制：流程工业9真诚地为用户设想CTECLiXiangjian离散控制：制造业10真诚地为用户设想CTECLiXiangjian批量过程：制药行业11真诚地为用户设想CTECLiXiangjian3、控制系统的基本组成控制系统人控制设备被控对象过去定义：控制系统测量计算执行现在定义：直接控制系统监督控制系统12真诚地为用户设想CTECLiXiangjian4、测量方法和测量装置¾模拟量：表达物理过程或物理设备量值的一种连续变化的量，表现为时间函数特点：连续瞬时量：温度、压力等累计量：体积、流量等¾开关量：表示物理过程或设备所处状态的量¾SOE量：(SequenceofEvent)它是一种特殊的开关量，在设备状态发生变化时，不仅要表现出设备改变后的状态，还要记录状态出现改变的准确时间，一般精确到毫秒。¾脉冲量：采用特殊方法进行测量的模拟量，是对被测物理量的时间上的累计值13真诚地为用户设想CTECLiXiangjian5、控制方法和运算处理装置¾连续过程控制；¾离散过程控制；¾批量或混合过程控制；干扰工况下无错误工作干扰工况下尽量小的偏离稳定性要求逻辑关系的正确性目标参数的控制精度控制质量各个步骤的执行和间隔时间与过程适应的控制周期时间特征逻辑公式PID等数学方程控制算法预期的状态或位置预期的允许偏差范围控制目标从开始到结束的一系列控制步骤周期性地重复控制循环运行方式离散控制连续控制控制方式相关要素14真诚地为用户设想CTECLiXiangjian6、控制的执行方法和执行装置¾模拟量控制：连续调节¾开关量控制：改变被控对象的状态或工况¾乒乓控制：脉宽调制输出的控制：010115真诚地为用户设想CTECLiXiangjian7、控制系统各要素关系人人机界面运算处理装置检测装置执行装置被控对象过程量控制动作控制指令测量值控制算法设定值控制系统16LiXiangjianCTEC真诚地为用户设想三、DCS的发展历史1.控制系统的发展历史2.仪表控制系统的基本概念3.早期的仪表控制系统－－基地式仪表4.近代仪表控制系统－－单元式组合仪表5.数字式单回路调节器SLC6.计算机控制系统7.控制系统从模拟技术向数字技术的演进8.分布式控制系统的产生及其特点9.DCS的发展历程17真诚地为用户设想CTECLiXiangjian1、控制系统的发展历史19301940195019601970198019902000继电器逻辑控制器基地式仪表气动单元组合仪表可编程逻辑控制器PLC单回路调节器SLC电动单元组合仪表计算机监督控制系统SPC计算机数据采集和监督控制系统SCADA遥测遥控系统分布式控制系统DCS计算机直接数字控制系统DDS现场总线控制系统FCS全面整合、全面数字化解决方案电子逻辑控制器机械控制器18真诚地为用户设想CTECLiXiangjian1、控制系统的发展历史¾模拟监测仪表＋手动控制（1930以前）¾模拟单回路反馈控制器（1930以后）1945年美国人Bode，奠定了控制理论的基础。¾监督控制（SCADA：SupervisoryControlandDataAquisition）计算机开始用于过程控制，主要是监视功能（1950s）¾设定值控制（SPC：SetPointControl）由计算机计算出给定值，输出给模拟调节器（1960s）¾直接数字控制（DDC：DirectDigitalControl）模拟PID电路变成了数字PID（1960s）¾可编程控制器（PLC：ProgrammableLogicController）DickMorley博士，1968年，Modicon公司，084系列¾分布式控制系统（DCS：DistributedControlSystem）分布式控制器，集中CRT监视（1975年，Honeywell：TDC2000）¾现场总线仪表（FieldbusInstrument）用数字信号仪表取代4－20mA模拟仪表（1990s）19真诚地为用户设想CTECLiXiangjian2、仪表控制系统的基本概念控制装置执行器过程检测元件，变送器设定值比较机构测量值被控变量控制器广义过程r(t)e(t)u(t)q(t)c(t)f(L)扰动＋－y(t)20真诚地为用户设想CTECLiXiangjian3、基地式仪表：控制系统（即仪表）与被控对象在机械结构上是结合在一起的，而且仪表各个部分，包括检测、计算、执行及简单的人机界面等做成一个整体，就地安装在被控对象之上。特点：对单一运行参数实施控制，控制功能单一，称为单回路控制。4、单元式组合仪表：将测量、控制计算、执行及显示、设定、记录等功能分别由不同的单元实现，相互之间采用某种标准的物理信号实现连接。分为两类：气动单元组合仪表－优点：防爆、抗干扰、方便可靠缺点：成本高。电动单元组合仪表－优点：灵活、功能全。缺点：抗干扰性差、不防爆。5、数字式单回路调节器(SingleLoopController):计算、显示及给定单元是数字式的；检测、执行是模拟的；优点：计算功能强大。缺点：操作和参数设置繁琐，不直观。21真诚地为用户设想CTECLiXiangjian6、计算机控制系统:优点：计算功能强大、控制回路多、宜显示操作。缺点：缺少安全保证、性能不可靠。7、模拟技术向数字技术转变:A/D转换器和D/A转换器优点：控制算法灵活、人机界面直观缺点：速度慢，系统复杂、容错性能差、抗干扰性差。8、DCS:具有数字通信能力的仪表控制系统优点：具有通讯功能、控制回路之间协调性好、灵活性高。缺点：集中式控制安全性、可靠性要求高。22真诚地为用户设想CTECLiXiangjian9、DCS的发展历程¾DCS的发展体现以下几个方面：1、系统的功能从低层（现场控制）逐步向高层（监督控制、生产调度管理）扩展2、系统的控制功能由单一的回路控制逐步发展到综合了逻辑控制、顺序控制、程序控制、批量控制、配方控制等混合控制功能。3、构成系统的各个部分由DCS厂家专有的产品逐步改变为开放的市场采购的产品。4、开放的趋势使得DCS厂家越来越重视采用公开标准，这使得第三方产品更加容易集成到系统中来。5、开放性带来的系统趋同化迫使DCS厂家向高层的、与生产工艺结合紧密的高级控制功能发展，以求得与其他同类厂家的差异化。6、数字化的发展越来越向现场延伸，这使得现场控制功能和系统体系结构发生了重大变化，将发展成为更加智能化、更加分散化的新一代控制系统。23真诚地为用户设想CTECLiXiangjian9、DCS的发展历程¾第一代DCS（初创期）第一代DCS是指从其诞生的1975－1980年间所出现的第一批系统，因为这是有史以来第一批DCS，因此控制界称这个时期为初创期或开创期。这个时期的代表是率先推出DCS的Honeywell公司的TDC-2000系统，同期的还有Yokogawa（即横河）公司的Yawpark系统、Foxboro公司的Spectrum系统、Bailey公司的Network90系统、Kent公司的P4000系统、Siemens公司的TelepermM系统、东芝公司的TOSDIC系统等。特点：注重控制功能的实现，分散控制，集中监视；缺点：人机界面功能弱、通讯能力差、互换性差、成本高；组成：过程控制单元、数据采集单元、CRT操作站、上位管理计算机以及连接各个单元和计算机的高速数据通道24真诚地为用户设想CTECLiXiangjian9、DCS的发展历程¾第二代DCS（成熟期）第二代DCS是在1980到1985年前后推出的各种系统，其中包括Honeywell公司的TDC-3000、Fisher公司的PROVOX、Taylor公司的MOD300、Westinghouse公司的WDPF等系统。特点：引入了局域网（LAN）作为系统骨干，按照网络节点的概念组织过程控制站、中央操作站、系统管理站、网关（GateWay，用于兼容早期产品）¾第三代DCS（扩展期）第三代DCS以1987年FOXBORO公司推出的I/ASeries为代表，该系统采用了ISO标准MAP（制造自动化规约）网络。这一时期的系统除I/ASeries外，还有Honeywell公司的TDC3000UCN、Yokogawa公司的Centum-XL和µXL、Bailey公司的INFI-90、Westinghouse公司的WDPFII、Leeds&Northrup公司的MAX1000、日立公司的HIACS系列等。¾第四代DCS（数字化、信息化和集成化）（第二天讲）25LiXiangjianCTEC真诚地为用户设想四、DCS控制系统的比较26真诚地为用户设想CTECLiXiangjianInvensys/Foxboro:I/ASeriesArchitecture27真诚地为用户设想CTECLiXiangjianInvensys/Foxboro:I/ASeriesArchitecture28真诚地为用户设想CTECLiXiangjianInvensys/Foxboro:I/ASeriesHardware29真诚地为用户设想CTECLiXiangjianInvensys/Foxboro:I/ASeriesHardware30真诚地为用户设想CTECLiXiangjianInvensys/Foxboro:A2Hardware硬件来自EUROTHERM（欧禄）2500系列IO。欧禄在1998年收购ActionInstruments后随即并入Invensys.31真诚地为用户设想CTECLiXiangjianInvensys/Foxboro:A2ControllerT940联网模块主控A主控BA主控HUBB主控HUBCPU:AMD486DX5-133SRAM:1MBFlash:4MB整体尺寸:402*180*(24+186)mm每控制器支持的网络(RJ45座)：2口10Base-T以太网，星型HUB2口Arcnet,2.5Mbps,总线型1进1出2口Modbus从站,38.4kbps,总线型1进1出2口Modbus主站,38.4kbps,总线型1进1出2口Profibus-DP主站,12Mbps,总线型1进1出T9403