I/AS集散控制系統(tǒng)

內(nèi)容簡介

《I/AS集散控制系統(tǒng)》著重介紹了美國FOXBORO公司的I／AS集散控制系統(tǒng)。全書共分六章。第一章為集散控制系統(tǒng)概論，介紹了集散控制系統(tǒng)的基本概念、I／A系統(tǒng)的簡介，并在發(fā)展展望中對現(xiàn)場總線概念與發(fā)展作了描述。第二章專門介紹I／AS系統(tǒng)中節(jié)點的概念。第三章為綜合控制軟件，分別從連續(xù)控制和順序控制兩個方面介紹。第四章介紹操作站有關(guān)知識。第五章為軟件支持系統(tǒng)，包括操作系統(tǒng)軟件和信息管理軟件，本章專門對集散系統(tǒng)在綜合自動化中的應(yīng)用進一步作了描述。第六章為I／AS系統(tǒng)的工藝人員、儀表人員參考，也可供有關(guān)高等院校師生、科研工作者參考。2100433B

集散控制系統(tǒng)以多臺微處理機分散應(yīng)用于過程控制，通過通信網(wǎng)絡(luò)、CRT顯示器、鍵盤、打印機等設(shè)備又實現(xiàn)高度集中的操作、顯示和報警管理。這種實現(xiàn)集中管理、分散控制的新型控制裝置，自1975年問世以來，發(fā)展十分迅速，已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。

集散控制系統(tǒng)（DCS，Distributed Control System）是指對生產(chǎn)過程集中操作、管理、監(jiān)視和分散控制的一種全新的分布式控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)將若干臺微機分散應(yīng)用于過程控制，全部信息通過通信網(wǎng)絡(luò)由上位管理計算機監(jiān)控，實現(xiàn)最優(yōu)化控制，通過CRT裝置、通信總線等，進行集中操作、顯示、報警。整個裝置繼承了常規(guī)儀表分散控制和計算機集中管理的優(yōu)點，克服了常規(guī)儀表功能的單一、人-機聯(lián)系差，以及單臺微型計算機控制系統(tǒng)危險性高度集中的缺點，既在管理、操作和顯示三方面集中，又在功能、負(fù)荷和危險性三方面分散。DCS是在20世紀(jì)七八十年代發(fā)展起來的，是一種新型的控制系統(tǒng)。

集散控制發(fā)展階段

集散控制系統(tǒng)推出以來，結(jié)構(gòu)和性能日益完善，其發(fā)展大體可分為三個階段：

第一階段：1975~1976年，集散系統(tǒng)的誕生時期。

第二階段：1977~1984年，集散系統(tǒng)飛速發(fā)展時期。隨著信息處理技術(shù)和計算機網(wǎng)路技術(shù)的發(fā)展，一方面更新集散系統(tǒng)的原有硬件和軟件，另一方面積極開發(fā)高一層次的信息管理系統(tǒng)。

第三階段：1985年，綜合信息管理系統(tǒng)的推出。在原有的過程控制層和過程控制管理層的基礎(chǔ)上增加了第三層，即綜合信息管理層，更多地關(guān)心高層信息的格式、傳輸、處理、存儲、共享等問題。

集散控制主要基礎(chǔ)

集散控制系統(tǒng)的主要基礎(chǔ)是4C技術(shù)，也就是計算機（Computer）、控制（Control）、通信（Conmmunication）以及CRT顯示技術(shù)，主要是在微處理器的基礎(chǔ)上對生產(chǎn)過程來進行集中監(jiān)視、操作、管理和分散控制的集中分散控制系統(tǒng)。

集散控制組成

雖然集散控制系統(tǒng)的品種繁多，但系統(tǒng)的基本組成是相似的，一般由五大部分組成。

1.過程控制單元。又可稱為基本控制器或是閉環(huán)控制站，它是集散控制系統(tǒng)的核心，主要完成算式運算功能、順序控制功能、連續(xù)控制功能、過程I/O功能、數(shù)據(jù)處理功能報警檢查功能和通信功能等。該單元在各種集散系統(tǒng)中差別較大、控制通路2~64個，固有算法7~212種，類型有PID、選擇性控制、非線性增益、位式控制、多項式系數(shù)、函數(shù)計算、史密斯預(yù)估。工作周期為0.1~2s。

2.過程輸入/輸出接口。它直接與生產(chǎn)過程相連接，實現(xiàn)對過程變量進行數(shù)據(jù)采集，主要完成數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理，并對實時數(shù)據(jù)進一步加工，為操作站提供數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對過程變量和狀態(tài)監(jiān)測、打印，實現(xiàn)開環(huán)監(jiān)視，或為控制回路運算提供輔助數(shù)據(jù)和信息。

3.操作員站。它是操作人員進行過程監(jiān)視、過程控制操作的主要設(shè)備。操作員站提供良好的人機交互界面，用以實現(xiàn)集中顯示、集中操作和集中管理等功能。有的操作員站可以進行系統(tǒng)組態(tài)的部分或全部上作，兼具工程師站的功能。

4.高速數(shù)據(jù)通路。它又可稱為高速通信總線、大道、公路，是一種具有高速通信能力的信息總線，一般采用雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維構(gòu)成。為了實現(xiàn)集散控制系統(tǒng)各站之間數(shù)據(jù)的合理傳送，通信系統(tǒng)必須采用一定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并遵循一定的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。

5.管理計算機。它是集散控制系統(tǒng)的主機，習(xí)慣上稱它為上位機，它監(jiān)視全系統(tǒng)的各單位，管理全系統(tǒng)的所有信息，具有進行大型復(fù)雜運算的能力以及對輸入、多輸出控制功能，以實現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)控制和全廠的優(yōu)化管理。

集散控制特點

集散控制系統(tǒng)具有集中管理和分散控制的顯著特征，成為了當(dāng)前主流的過程工業(yè)自動化控制與管理設(shè)備，它的主要特點可以分為以下幾個方面。

1.功能分散。功能分散是指對過程參數(shù)的運算處理、檢測、控制策略的實現(xiàn)、控制信息的輸出以及過程參數(shù)的實時控制等都是在現(xiàn)場的控制單元中自動進行，從而實現(xiàn)了功能的高度分散。一方面，控制和數(shù)據(jù)采集設(shè)備可以盡可能地接近現(xiàn)場安裝，避免了模擬信號的遠(yuǎn)距離傳輸，提高了運行的可靠性；另一方面，所有的過程控制單元都由自身的計算機管理，使系統(tǒng)發(fā)生故障時影響面小，危險分散，提高了系統(tǒng)的安全性。

2.分級遞階結(jié)構(gòu)。它是從系統(tǒng)工程出發(fā)，考慮系統(tǒng)控制功能分散、提高可靠性、強化系統(tǒng)應(yīng)用靈活性、危險分散、降低投資成本、便于維修和技術(shù)更新等而得出的。分級遞階結(jié)構(gòu)通常分為四級。第一級是過程控制級，根據(jù)上層決策直接控制過程或?qū)ο蟮臓顟B(tài)；第二級是優(yōu)化控制級，根據(jù)上層給定的目標(biāo)函數(shù)或約束條件、系統(tǒng)辨識的數(shù)學(xué)模型得出優(yōu)化控制策略，對過程控制進行設(shè)定點控制；第三級為自適應(yīng)控制級，根據(jù)運行經(jīng)驗，補償工況變化對控制規(guī)律的影響，維持系統(tǒng)在最佳狀態(tài)；第四級為工廠管理級，其任務(wù)是決策、管理、計劃、調(diào)度和調(diào)節(jié)，根據(jù)系統(tǒng)總?cè)蝿?wù)或總目標(biāo)。規(guī)定各級任務(wù)并決策協(xié)調(diào)各級任務(wù)。

3.信息綜合與集中管理。集中監(jiān)視可以提供豐富的顯示手段和顯示方式，給出全局和局部的運行信息，更好地監(jiān)視和管理生產(chǎn)過程。集中管理與操作可以保證操作的一致性，改變系統(tǒng)運行條件的操作是由專門人員進行，減少了誤操作的可能。

集散控制先進控制技術(shù)

編輯

DCS在控制上的最大特點是依靠各種控制、運算模塊的靈活組態(tài)，可實現(xiàn)多樣化的控制策略以滿足不同情況下的需要，使得在單元組合儀表實現(xiàn)起來相當(dāng)繁瑣與復(fù)雜的命題變得簡單。隨著企業(yè)提出的高柔性、高效益的要求，以經(jīng)典控制理論為基礎(chǔ)的控制方案已經(jīng)不能適應(yīng)，以多變量預(yù)測控制為代表的先進控制策略的提出和成功應(yīng)用之后，先進過程控制受到了過程工業(yè)界的普遍關(guān)注。需要強調(diào)的是，廣泛應(yīng)用各種先進控制與優(yōu)化技術(shù)是挖掘并提升DCS綜合性能最有效、最直接、也是最具價值的發(fā)展方向。

在實際過程控制系統(tǒng)中，基于PID控制技術(shù)的系統(tǒng)占80%以上，PID回路運用優(yōu)劣在實現(xiàn)裝置平穩(wěn)、高效、優(yōu)質(zhì)運行中起到舉足輕重的作用，各DCS廠商都以此作為搶占市場的有力競爭砝碼，開發(fā)出各自的PID自整定軟件。另外，根據(jù)DCS的控制功能，在基本的PID算法基礎(chǔ)上，可以開發(fā)各種改進算法，以滿足實際工業(yè)控制現(xiàn)場的各種需要，諸如帶死區(qū)的PID控制、積分分離的PID控制、微分先行的PID控制、不完全微分的PID控制、具有邏輯選擇功能的PID控制等等。

與傳統(tǒng)的PID控制不同，基于非參數(shù)模型的預(yù)測控制算法是通過預(yù)測模型預(yù)估系統(tǒng)的未來輸出的狀態(tài)，采用滾動優(yōu)化策略計算當(dāng)前控制器的輸出。根據(jù)實施方案的不同，有各種算法，例如，內(nèi)模控制、模型算法控制、動態(tài)矩陣控制等。實用預(yù)測控制算法已引入DCS，例如IDCOM控制算法軟件包已廣泛應(yīng)用于加氫裂化、催化裂化、常壓蒸餾、石腦油催化重整等實際工業(yè)過程。此外，還有霍尼韋爾公司的HPC，橫河公司的PREDICTROL，山武霍尼韋爾公司在TDC-3000LCN系統(tǒng)中開發(fā)的基于卡爾曼濾波器的預(yù)測控制器等等。這類預(yù)測控制器不是單純把卡爾曼濾波器置于以往預(yù)測控制之前進行噪聲濾波，而是把卡爾曼濾波器作為最優(yōu)狀態(tài)推測器，同時進行最優(yōu)狀態(tài)推測和噪聲濾波。

先進控制算法還有很多。國內(nèi)、外許多控制軟件公司和DCS廠商都在競相開發(fā)先進控制和優(yōu)化控制的工程軟件包，希望在組態(tài)軟件中嵌入先進控制和優(yōu)化控制策略。

集散控制發(fā)展趨勢

編輯

近年來，在DCS關(guān)聯(lián)領(lǐng)域有許多新進展，主要表現(xiàn)在如下一些方面。

（1）系統(tǒng)功能向開放式方向發(fā)展 傳統(tǒng)DCS的結(jié)構(gòu)是封閉式的，不同制造商的DCS之間難以兼容。而開放式的DCS將可以賦予用戶更大的系統(tǒng)集成自主權(quán)，用戶可根據(jù)實際需要選擇不同廠商的設(shè)備連同軟件資源連入控制系統(tǒng)，達到最佳的系統(tǒng)集成。這里不僅包括DCS與DCS的集成，更包括DCS與PLC、FCS及各種控制設(shè)備和軟件資源的廣義集成。

（2）儀表技術(shù)向數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展 工業(yè)控制設(shè)備的智能化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，可以促使過程控制的功能進一步分散下移，實現(xiàn)真正意義上的“全數(shù)字”、“全分散”控制。另外，由于這些智能儀表具有的精度高、重復(fù)性好、可靠性高，并具備雙向通信和自診斷功能等特點，致使系統(tǒng)的安裝、使用和維護工作更為方便。

（3）工控軟件正向先進控制方向發(fā)展 廣泛應(yīng)用各種先進控制與優(yōu)化技術(shù)是挖掘并提升DCS綜合性能最有效、最直接、也是最具價值的發(fā)展方向，主要包括先進控制、過程優(yōu)化、信息集成、系統(tǒng)集成等軟件的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。在未來，工業(yè)控制軟件也將繼續(xù)向標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和開放性發(fā)展方向。

（4）系統(tǒng)架構(gòu)向FCS方向發(fā)展 單純從技術(shù)而言，現(xiàn)階段現(xiàn)場總線集成于DCS可以有三種方式：① 現(xiàn)場總線于DCS系統(tǒng)I/O總線上的集成――通過一個現(xiàn)場總線接口卡掛在DCS的I/O總線上，使得在DCS控制器所看到的現(xiàn)場總線來的信息就如同來自一個傳統(tǒng)的DCS設(shè)備卡一樣。例如Fisher-Rosemount公司推出的DeltaV系統(tǒng)采用的就是此種集成方案。② 現(xiàn)場總線于DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層的集成――就是在DCS更高一層網(wǎng)絡(luò)上集成現(xiàn)場總線系統(tǒng)，這種集成方式不需要對DCS控制站進行改動，對原有系統(tǒng)影響較小。如Smar公司的302系列現(xiàn)場總線產(chǎn)品可以實現(xiàn)在DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層集成其現(xiàn)場總線功能。③ 現(xiàn)場總線通過網(wǎng)關(guān)與DCS系統(tǒng)并行集成――現(xiàn)場總線和DCS還可以通過網(wǎng)關(guān)橋接實現(xiàn)并行集成。如SUPCON的現(xiàn)場總線系統(tǒng)，利用HART協(xié)議網(wǎng)橋連接系統(tǒng)操作站和現(xiàn)場儀表，從而實現(xiàn)現(xiàn)場總線設(shè)備管理系統(tǒng)操作站與HART協(xié)議現(xiàn)場儀表之間的通信功能。

一直以來DCS的重點在于控制，它以“分散”作為關(guān)鍵字。但現(xiàn)代發(fā)展更著重于全系統(tǒng)信息綜合管理，今后“綜合”又將成為其關(guān)鍵字，向?qū)崿F(xiàn)控制體系、運行體系、計劃體系、管理體系的綜合自動化方向發(fā)展，實施從最底層的實時控制、優(yōu)化控制上升到生產(chǎn)調(diào)度、經(jīng)營管理，以至最高層的戰(zhàn)略決策，形成一個具有柔性、高度自動化的管控一體化系統(tǒng)。2100433B

學(xué)習(xí)情境1 JX-300X集散控制系統(tǒng)及其應(yīng)用

【學(xué)習(xí)目標(biāo)】 1

任務(wù)1.1 集散控制系統(tǒng)認(rèn)知 2

【任務(wù)描述】 2

【知識鏈接】 2

1．集散控制系統(tǒng)概述 2

2．集散控制系統(tǒng)現(xiàn)場控制站 6

3．集散控制系統(tǒng)操作站 10

4．集散控制系統(tǒng)組態(tài)軟件 12

5．?dāng)?shù)據(jù)通信技術(shù) 14

6．JX-300X集散控制系統(tǒng)概述 20

【任務(wù)實施】 搜集、整理集散控制系統(tǒng)產(chǎn)品及應(yīng)用等相關(guān)信息 25

【學(xué)習(xí)評價】 25

任務(wù)1.2 JX-300X集散控制系統(tǒng)的安裝與硬件認(rèn)識 25

【任務(wù)描述】 25

……

集散控制系統(tǒng)原理及應(yīng)用一書討論集散控制系統(tǒng)的有關(guān)工程應(yīng)用問題，介紹了五種典型集散控制系統(tǒng)產(chǎn)品及其在工業(yè)生產(chǎn)過程中的實際應(yīng)用實例，主要涉及集散控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢、系統(tǒng)構(gòu)成、控制算法、系統(tǒng)選型和評估、數(shù)據(jù)通信、人機界面的工程設(shè)計、組態(tài)、安裝和維護等內(nèi)容。