集散型控制系统的设计与应用.ppt
第七章 DCS的设计应用,1,第7章 集散型控制系统的设计与应用,7.1 集散型控制系统的设计7.2 集散型控制系统的评价准则与选择原则 7.3 集散型控制系统的调试、安装与验收 7.4 集散型控制系统的应用实例,第七章 DCS的设计应用,2,7.1 集散型控制系统的设计,DCS是综合性很强的控制系统，它采用诸多复杂的计算机技术、各种类型的通信技术、电子与电气技术以及控制系统技术。DCS所控制的往往都是大范围的对象，涉及各种类型的控制、监视和保护功能。DCS在应用过程中有各种技术人员和管理人员参与。DCS是针对某一工艺系统的设计。本章将从工程设计程序的角度来说明这些问题。通常把工程设计分成以下几个阶段：总体设计初步设计详细设计,第七章 DCS的设计应用,3,7.1.1 总体设计,在工程设计的开始阶段，要对DCS所应完成的基本任务做出设计，这时的设计实际上是对DCS的功能提出要求，这些功能通常是由用户提出。1.DCS的控制范围 设备的形式、作用、复杂程度决定了该设备是否适合采用DCS控制。2.DCS的控制深度 几乎任何一台主要设备都不是完全受DCS控制，只是部分受DCS控制。3.DCS的控制方式 即DCS的运行方式，要确定以下内容：人机接口的数量，辅助设备的数量，DCS的分散程度。在设计的过程中要经常权衡性能与价格两方面的因素，设计的级别越高，需要权衡的问题就越多，从经济方面来说，总体设计的意义重大就在于此。,第七章 DCS的设计应用,4,7.1.2 初步设计,初步设计是介于总体设计与详细设计之间的设计，其基本任务是在总体设计的基础上，为DCS的每一个部分做出典型的设计，为DCS所控制的每一个工艺环节提出基本的控制方案。1.初步设计的主要内容硬件初步设计的内容 满足已基本确定的工程对DCS硬件的要求，及DCS对相关接口的要求。即确定系统I/O点，确定 DCS硬件。软件初步设计的内容 设计的结果应使工程师可以在此基础上设计组态图。人机接口设计的内容 决定了今后工程设计的风格。,第七章 DCS的设计应用,5,2.初步设计过程中应注意的问题 初步设计是在总体设计的原则下进行的，而不是对总体设计的调整。设计过程中的一个重要原则是要进行一种设计或决策必须掌握与之相应的信息，而且要有与之相对应的目的、方法。初步设计以说明问题为目标，所有初步设计的结果以统一的形式表示当然很好，但是由于设计对象类型的不同，做到这点往往是不可能的也是没有必要的。通常，连续控制部分用SAMA图表示，顺序控制部分用顺序框图表示，联锁保护或典型控制用逻辑框图和文字说明表示，过程监视和人机接口设计用表格的形式表示。,初步设计(续),第七章 DCS的设计应用,6,7.1.3 详细设计,详细设计是初步设计在DCS上的具体实现。详细设计具有下面的特点：(1)详细设计更针对DCS，而不是工艺过程。(2)详细设计与初步设计是相互联系。(3)详细设计从DCS设备出发。(4)与其他的设计不同，DCS详细设计的结果有两个：一是设计的组态结果，二是对设计的说明，而后者往往容易被忽视。,第七章 DCS的设计应用,7,7.2 集散型控制系统的评价准则与选择原则,评价一个集散型控制系统的准则有以下几条：1)系统运行不受故障影响；2)系统不易发生故障；3)能够迅速排除故障；4)系统的性能价格比较高。集散型控制系统的评价涉及诸多因素，是一项其复杂的事情。所以，归纳为对系统的技术性能、使用性能、可靠性和经济性等方面的评价，评价的目的是为了使用户能正确选择所需要的集散型控制系统。,第七章 DCS的设计应用,8,7.2.1 技术性能评价,1.现场控制站的评价 涉及到以下几个方面的评价：(1)结构分散性 评价各种DCS中的现场控制站属于哪种，性能如何。(2)现场适应性(3)I/O结构(4)信号处理功能 具体表现为：系统信号处理精度，信号的隔离，抗干扰指标，信号采样周期以及输出信号的实时性能等。(7)控制功能 包括连续控制功能、顺序控制功能和批量控制功能。(6)冗余与自诊断,第七章 DCS的设计应用,9,2.人机接口的评价 指对操作员站和工程师站进行评价。(1)操作员站 对操作员站的操作可归纳为如下几方面：操作员站的自主性操作员站的硬件配置操作站的性能(2)工程师站 工程师站除应具有操作站的所有功能外，还应评价它是否能进行离线/在线组态；是否有专家系统、优化控制；系统能否在PC机上进行系统组态等。,技术性能评价(2),第七章 DCS的设计应用,10,3.通信系统评价 应考虑以下几方面：1)线路成本与通信介质和通信距离的关系；2)通信系统的网络结构；3)网络的控制方法；4)节点之间允许的最大长度；7)通信系统的容量；6)数据校验方式，对通信规约有无明确要求；7)通信网络的传输速率；8)实时性、冗余性和可靠性；9)全系统的网络布局；10)信息传递协议等。,技术性能评价(3),第七章 DCS的设计应用,11,4.系统软件评价 评价集散型控制系统的软件包括：(1)多任务实时操作系统(2)组态及控制软件(3)作图软件(4)数据库管理软件(7)报表生成软件(6)系统维护软件 对这些软件应从成熟程度、更新情况、软件升级的方便程度、软件使用中出现的问题及如何解决等方面加以评价。,技术性能评价(4),第七章 DCS的设计应用,12,7.2.2 使用性能评价,评价集散型控制系统的使用性能应考虑以下几方面：1.系统技术的成熟性 2.系统的技术支持 维护能力 备件供应能力 厂家的售后服务 技术培训能力 可维护性能 3.系统的兼容性,第七章 DCS的设计应用,13,7.2.3 可靠性与经济性评价,1.可靠性评价 一般包括以下几方面：1)系统的平均无故障间隔时间MTBF，MTBF越大，DCS的可靠性越高；2)系统的平均故障修理时间MTTR；3)冗余、容错能力；4)安全性，其内容包括系统的操作控制级别设定，安全措施是否严密等。,第七章 DCS的设计应用,14,2.经济性评价 评价一个集散型控制系统的经济性有两种类型:在购置和使用系统之前和在系统投入运行一段时期之后。第一种经济评价着重考虑系统的性能价格比；第二种经济评价侧重考虑系统费用和经济效益，包括以下几方面：初始费用 运行费用 年总经济效益 净经济收益 投资回收率年限,可靠性与经济性评价,第七章 DCS的设计应用,15,7.2.4 DCS的选择原则,集散型控制系统的选择是系统设计的一个重要内容，它包括确定系统类型及其子系统和单元两方面内容。只有这两方面选择都符合控制要求且经济，系统才有最高的性能价格比。1技术原则 2经济原则 3售后服务原则,第七章 DCS的设计应用,16,7.3 集散型控制系统的调试、安装与验收7.3.1 集散型控制系统的调试,调试工作包括集散型控制系统出厂前的调试和在用户现场的调试。出厂前的调试是在厂家有关技术人员的指导下，用户与厂家技术人员对系统的硬件、软件进行的调试。用户现场调试是在出厂前调试的基础上进行的真正意义上的实际在线调试。现场调试需要工艺、电气和设备等相关专业的配合，做好调试前各方面准备。,第七章 DCS的设计应用,17,7.3.2 集散型控制系统的安装,集散型控制系统在完成现场开箱检验后就可以进行安装工作，但在安装前必须考虑系统就位时所需要的各项条件，因此需经厂家确认后才能开始安装。安装工作一定要在厂家技术人员的指导下，按照DCS随机资料中的安装手册进行。安装前应将包括控制室、电源和接地等方面的工作准 备好。在准备工作结束后，即可开始安装集散型控制系统。此外，在系统安装时应注意库房到控制室之间的温度变化是否符合系统的要求。,第七章 DCS的设计应用,18,7.3.3 集散型控制系统的验收,集散型控制系统的验收包括DCS出厂前的验收和DCS运抵用户现场后的验收。出厂前的验收主要指对DCS的硬件、软件的性能进行验收，清点供货清单上的所有设备是否齐全、是否满足用户要求，最后由双方签字认可。DCS抵达用户现场的验收主要包括开箱检验、通电检测和在线测试。在产品保证期内，用户应得到厂家的技术支持，只要不是由用户造成的损失，都应给予修复或更换。,第七章 DCS的设计应用,19,7.4 集散型控制系统的应用实例,目前，DCS作为一种工业自动化过程控制系统，已经在炼油、石油、化工、冶金等领域中广泛应用。如何充分利用集散型控制系统的优势，研究和实施复杂控制策略，提高集散型控制系统的应用水平，一直是工业自动控制领域所关注的问题。下面就以几个DCS的应用实例来阐述DCS的控制功能。,第七章 DCS的设计应用,20,典型集散型控制系统TDC3000,第七章 DCS的设计应用,21,1.通用站(Universal Station，US)通用站是TDC3000的主要人机接口。它的控制台内集合了一个可灵活组态的系统，一般每个控制台配备三台通用站，一台用于总貌显示，一台用于单元细目显示，另一台则用于报警显示。如果其中一台用于过程编程或维修，另两台就可以取代它的全部功能。按操作任务划分，通用站功能可分为工程师功能、操作员功能和维护人员功能。所以说，一个US可以由操作员、工程师或维护人员分别操作，用以完成不同的任务。2.通用工作站(Universal WorkStation，UWS)通用工作站是TDC3000的又一个人机接口，具有US的全部功能。它主要是为工厂办公室管理设计的，用来做模块标准控制台或专门用户控制台，对生产过程进行集中监视、操作和管理，具有“触摸屏幕”和“开窗口”功能。,TDC3000的LCN网上挂接的模块(1),第七章 DCS的设计应用,22,3.应用模块(Application Module，AM)它是用控制语言(Control Language，CL)来完成UCN和HW网络上所连接的模块不能实现的高级控制功能、复杂及多变量运算功能等，并可提高过程控制及管理水平。4.历史模块(History Module：HM)历史模块是TDC3000的存储单元，可以用来存储过程报警、操作员状态改变、操作员信息、系统状态改变、系统维护及提示信息、连续过程历史数据等。它是AM和US的数据源。,TDC3000的LCN网上挂接的模块(2),第七章 DCS的设计应用,23,5.计算模块(Calculating Module，CM)计算模块可以通过使用高级编程语言编程来实现更高水平的控制。它可以与其他计算机进行通信，使用预先编好的软件包，也可以为用户提供开发、调试和实施诸如执行过程优化、生产规划和工厂管理等程序的开发环境。6.接口模块(1)网络接口模块(Network Interface Module，NIM)(2)高速通道接口(Highway Gateway，HG)(3)计算机接口(Computer Gateway，CG)(4)可编程控制器接口(PLC Gateway，PLCG)(5)工厂信息网络接口(Plant Information Network Module，PINM),TDC3000的LCN网上挂接的模块(3),第七章 DCS的设计应用,24,1.逻辑控制站(Logic Manager，LM)LM是用于逻辑控制的现场控制站。它具有PLC控制的特点，同时在UCN网络上可方便地与系统中各模块进行通信，使DCS与PLC更有机地结合。LM能使其数据集中显示、操作和管理，LM提供逻辑处理、提醒逻辑编程和逻辑程序执行等操作，能与LCN和UCN网中的模块进行通信，并利用控制网络设计特点，把快速逻辑控制和TDC3000过程管理功能有机地结合起来。,TDC3000的UCN网上挂接的模块(1),2.过程管理站(Process Manager，PM)PM集多功能控制器和过程接口单元两者功能于一体，并在速度、容量和功能方面有更大改进和提高。PM由过程管理模块PMM和I/O系统两部分组成，其中PMM由通讯处理器和调制解调器、I/O链接口处理器、控制处理器等三部分组成；I/O系统由一个冗余的I/O链和最多40个I/O处理器组成。,第七章 DCS的设计应用,25,3.增强型过程管理站(Advanced Process Manager，APM)APM是过程管理站(PM)的发展，它为用户提供一个可靠的输入/输出及控制技术，除了具有PM的相同功能外，APM还可以提供更密集的连续控制和离散控制以及某一装置的子系统信息。PM和APM具有相同的结构，使用相同的FTA、同样的供电机柜，并且可以进行完全的点对点通讯。PM和APM是TDC3000的关键部分。,TDC3000的UCN网上挂接的模块(2),第七章 DCS的设计应用,26,7.4.1 TDC3000在大型炼油厂的应用,某大型炼油厂采用TDC3000集散型控制系统进行控制。该厂第一操作站操作和控制的生产装置是常减压蒸馏装置、气体脱硫化装置和催化脱硫醇装置。这里仅介绍DCS在常减压蒸馏装置上的应用。常减压蒸馏装置是根据不同的原油种类和加工的要求，对原油进行馏分的切割，得到汽油、石脑油、柴油、蜡油和渣油等不同的油品。由于常减压蒸馏装置是一种应用较普遍、设计较成熟的装置，因此，控制方案已基本定型。常减压蒸馏装置的主要设备是电脱盐罐、初馏塔、常压分馏塔、常压侧线汽提塔、减压分馏塔、常压进料加热炉和减压进料加热炉等。,第七章 DCS的设计应用,27,1.硬件配置 TDC3000集散型控制系统采用了LCN和UCN的网络通信系统，在分散过程控制级采用了PM过程控制管理站和LM逻辑管理站。图7-1所示为常减压蒸馏装置和其他两个装置上使用的第一操作站区的硬件配置图。为了满足工艺过程操作和控制的要求，在该操作站区设置了4个通用站US和相应的操作键盘，为了便于组态和维修，配置了一个工程师键盘。系统设置了两台打印机，一台用于报警事件的打印，另一台用于报表的打印。,TDC3000在大型炼油厂的应用(续),第七章 DCS的设计应用,28,图7-1 TDC3000的硬件配置框图,TDC3000在大型炼油厂的应用(续),第七章 DCS的设计应用,29,2.系统的软件配置(1)系统软件 该控制系统的系统软件版本为Release300，其增强了PM的控制功能。(2)优化应用软件 主要应用了以下优化应用软件。回路自整定软件包 前景预测控制软件包 实时质量控制软件包 过程模型和优化软件包,TDC3000在大型炼油厂的应用(续),第七章 DCS的设计应用,30,3.控制系统分析(1)常压塔塔顶温度和塔顶回流量、塔顶循环回流量的串级控制系统 为了节能，在操作过程中将塔顶回流量相对减少，因此，为满足塔顶温度的控制要求，在生产负荷正常时，采用塔顶温度和塔顶回流量的串级控制系统；在负荷增大时，自动切入塔顶温度和塔顶循环回流量的串级控制方案。主回路输出通过两个设定值分配器按不同的比率送到两个流量副回路，作为它们的设定。设定值分配器的分配系数可由操作人员在现场设置或调整。控制系统的框图如图7-2所示。,TDC3000在大型炼油厂的应用(续),第七章 DCS的设计应用,31,图7-2 常压塔塔顶温度串级控制系统框图,TDC3000在大型炼油厂的应用(续),第七章 DCS的设计应用,32,(2)原油换热系统的节能控制系统 原油的两级换热系统中，为了节能，先计算出各换热支路汇合前的温差，经加权运算后给出各支路流量的修正系数，从而减少了因换热汇合处的温差造成的热量损失。(3)加热炉热能量控制系统 在常压炉和减压炉都设置了加热炉烟道气氧含量分析程序和热效率的计算程序，并实现热负荷控制、加热炉炉管均衡控制、燃料控制等，从而使加热炉在优化的操作条件下运行。,TDC3000在大型炼油厂的应用(续),第七章 DCS的设计应用,33,7.4.3 某火力发电厂200MW发电机组热工系统的DCS控制,某火力发电厂200MW发电机组热工系统的控制采用HS2000DCS系统。该单元发电机组(锅炉-气轮机-发电机)热工自动控制系统的控制回路总数为76个，采集的数据点数为：模拟量输入为317点，模拟量输出为104点；开关量输入为107点，开关量输出为170点。由于HS2000系统可以通过多层数据网络将不同设备挂在一起，实现各部分的数据共享和协调工作，从而完成如下控制功能。锅炉燃烧控制 送风与引风控制 主蒸汽温度控制,第七章 DCS的设计应用,34,1.系统的硬件结构 该发电机组热工系统采用HS2000 DCS的三层网络结构，分为管理级、操作级和现场级。其硬件结构如图7-3所示。(1)系统的网络结构主要有以下几种形式：网络协调网(MNET)、系统网络(SNET)、控制网络(CNET)。(2)现场控制站。(3)操作员站。(4)工程师站。,200MW发电机组热工系统的DCS控制(续),第七章 DCS的设计应用,35,图7-3 200MW单元发电机组热工自动控制系统的硬件结构图,第七章 DCS的设计应用,36,2.系统的软件配置 该200MW发电机组热工系统的软件分为工程师站软件、操作员站实时监控软件和现场控制站实时控制软件三大部分，这三部分软件分别运行在系统不同层次的硬件平台上，并通过系统网络及网络通讯软件，彼此配合、互为协调，交换各种数据及管理、控制信息，实现整个集散控制系统的各种功能。系统的组态软件包括系统管理组态、数据库组态、控制算法组态、引用组态、图形组态、历史库组态、报表组态等功能。实时监控软件主要具有图形显示与会话，报警管理与显示，报表管理，各种控制运算，数据库管理，历史库管理和系统运行状态监视等功能。,200MW发电机组热工系统的DCS控制(续),第七章 DCS的设计应用,37,本章小结,本章首先讨论了设计集散型控制系统的三个阶段：总体设计：设计开始阶段，是根据设计的DCS要求进行论证，提出一个全面的、科学的设计方案；初步设计：介于总体设计与详细设计之间的设计，是在总体设计的基础之上对DCS的每一个环节进行典型设计，它主要考虑如何满足DCS工艺要求。详细设计：在初步设计的基础之上对DCS进一步完善的设计，它主要考虑如何实现DCS的控制功能。其次，研究了DCS评价准则与选择原则。其核心就是通过评价DCS的使用性能、可靠性和经济性，来帮助用户选择所需要的DCS。最后，介绍了DCS调试、安装与验收的一般过程。并介绍了几个典型DCS产品在实际工程中的应用实例。,
