集散控制技术（通用10篇）
集散控制技术 篇1
粉煤灰是发电厂主要的工业废渣, 通常采用静电除尘的方法收集处理。传统的水出灰方式污染大、耗水量多, 造成灰资源的浪费, 因此, 改造落后的出灰控制系统成为燃眉之急。目前国内的气力出灰系统向以可编程逻辑控制器 (PLC) 为核心的集散控制系统过渡, 将模拟屏和操作台相结合。计算机通信技术和信息技术的发展, 对PLC控制系统的集成度、控制方式和控制软件等方面提出了更高要求。
1 气力出灰控制系统的硬件设计
在系统的过程管理级选用高性能工业计算机, 配备大屏幕监视器, 采用Microsoft中文Windows 98操作系统进行监控, 控制软件与鼠标、键盘配合操作。现场控制站的硬件配置包括检测点的信号统计配置和PLC各模块的选型。首先要全面深入地了解被控对象和生产过程以及PLC的工作环境, 按照控制要求确定控制输入、输出点数和性质 (模拟量或是开关量, 控制点属于集中分布还是分散分布, PLC控制系统需不需要和其他信息处理网络相连等) 。
目前市场上PLC产品主要分为整体式和模块式两种结构, 面向各种功能确定PLC中央处理单元模块、模拟量输入模块、开关量输入输出模块、电源模块、串行通讯模块等。现场控制箱体优先采用防水防尘的钢结构, 在箱体面板上安装操作按钮、信号指示灯和急停按钮;信号显示电路板要配合前面板上的灰仓模拟显示膜, 将仓泵阀门的到位开关接入信号显示电路板的相应接口, 根据阀门的开关设置信号灯的颜色;操作按钮要适应现场手动工作方式, 急停按钮要保证能切断电磁阀的供电电源, 同时返回给PLC一个重新开始的信号;设置带有屏蔽层的称重信号变换电路, 减少电压长线传输时的信号衰减现象。主控制柜的设计要实现仓泵出灰的自动控制、阀门开关状态显示、传感器测量数据显示等;利用传感器做好仓泵内飞灰和压力的测量;在主控制柜上安装两档转换开关, 实现现场手动控制和程序自动控制的切换;保证现场执行机构的可靠性。
2 气力出灰控制系统的关键技术
可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统, 专属应用于工业环境操作。PLC的十几组成与微型计算机相近, 由相辅相成的硬件和软件系统组成。PLC的硬件包括主机、I/O扩展机及外部设备, 主机和扩展机由中央处理器、存储器、输入单元、输出单元以及接口等部分组成。PLC的软件, 包括系统软件和应用程序。系统程序又分为监控程序、编译程序和诊断程序, 不由用户直接存取。用户程序根据现场控制需要, 实现各种控制要求, 由用户编程器键入PLC内存。PLC技术编程简单的特点使其使用方便、十分通用, 同时具备适应范围广、可靠性高、抗干扰能力强等诸多优点。随着PLC功能的增强, 一个PLC的控制器, 可以接受上千个I/O点, 并组建成一个DCS系统, 有利于企业管理信息系统的设计。PLC是通过采用循环扫描工作的方式, 在系统程序的管理下, 处理和判断控制要求, 并依靠执行用户程序来实现控制任务。
3 监控系统与通讯实现
在设计主控软件的功能时, 要考虑到系统状态监视、系统参数设置、故障报警、完备的故障屏蔽等, 分别达到详细反映仓泵设备的运行状况、维护生产的安全可靠、及时提示报警以及故障原因提示, 以协助维修人员迅速排除故障、利用主控机上的启用和屏蔽设施以维持紧急情况下生产需要的效果。选择软件使用换件和开发平台时, 采用Borland De lphi可视开发工具, 用户界面可采用高分辨率的CRT进行显示。主控软件界面上要显示各个系统的仓泵阀门状态、泵内料位、母管压力、灰管压力的情况, 做好对料位、最大进出料时间、管道压力控制、阀门控制的设定。气力出灰集散控制系统因其分布式的特点与计算机网络相联系, 对数据传输和通讯的快速响应能力、可靠性、对恶劣工业现场环境的适应性、分层结构都有较高要求。系统配置可通过CP的数据通讯方式, 选用两块串行通讯模块CP340, 一块作为备用。CP340通过背板总线与PLC的CPU相连, 又与支持同一协议的另一接口相连, 成为联接PLC与PLC或计算机之间进行数据交换的纽带。Modbus协议是自动化仪表行业的工业标准, 采用主从式通讯方式, 建立了主控机查询的格式。PLC回应消息也可选择由Modbus协议构成。通讯软件可选择静态引入方式, 确定PLC与工控机之间的通讯函数。通过MPI接口组成PLC网络, MPI网采用全局数据通讯方式, 实现PLC之间的数据交换。
4 系统安装与调试
4.1 系统安装
前期要做好技术准备, 熟悉PLC随机技术资料、原文资料, 在理解其性能、功能及操作要求的基础上, 制订操作规程;分析设计资料, 吃透出灰系统工艺流程;熟悉设备性能与设计方案, 对比接线图、时序图和实物, 以发现错误并及时纠正;集体讨论确定全系统的调试方案。对于PLC的现场安装调查, 设备插件要牢固, 并用螺栓紧固, 统一通信电缆的型号, 避免混用, 测量主机、I/O柜、连接电缆等的对地绝缘电阻;测量系统专用接地的接地电阻;检查供电电源, 并做好记录, 保证所有各项均符合要求后, 再给PLC上电, 然后查看每个模件的状态指示灯, 即在确认它们正常运作后方可进行下一步的调试。
4.2 系统调试
PLC输入信号调试时, 先断开调试过的I/O模件信号线, 需调试的输入出模件信号线已确认接线正确, 打开上位机编程软件里的梯形图逻辑程序, 就地短接此信号, 同时在梯形图上可以看到需测试的信号导通, 对输入信号的正确性进行确认。调试输出信号时, 在打开逻辑程序后, 逐点对PLC的输出线圈进行强置, 指示灯不亮则排除故障后继续调试, 指示灯亮, 则就地用通灯测量信号, 通灯亮则表明该输出电路一切正常。
5 结语
本文在深入电厂气力出灰工艺流程的实践中, 研究了一些出灰控制系统的设计工作, 并参与了对于PLC程序和主控程序的设计和调试, 提高了对理论知识的应用能力。将集散控制技术更好地应用于电厂出灰控制系统, 一方面满足用户提出的要求, 另一方面符合工艺的需要, 保证电厂生产的顺利进行, 增加企业的经济效益。
参考文献
[1]李培荣, 李金伴, 李捷辉.发电厂除灰控制技术[M].北京:化学工业出版社, 2006.
[2]袁仁光.集散型控制系统应用技术与实例.北京:机械工业出版社, 2003.
[3]吴晓.发电厂气力出灰PLC监控系统的设计与实现.电力系统自动化, 2002.
集散控制技术 篇2
学院名称：
电气学院
专业班级：
学生姓名：
学生学号：
2013年
月
集散控制系统学习心得
通过本课程的学习，让我对集散控制系统有了初步的了解下面就本学期的学习对本课程做介绍。
一、集散控制系统(DCS)简介
DCS，即所谓的分布式控制系统，或在有些资料中称之为集散系统，是相对于集中式控制系统而言的一种新型计算机控制系统，它是在集中式控制系统的基础上发展、演变而来的。在系统功能方面，DCS和集中式控制系统的区别不大，但在系统功能的实现方法上却完全不同。
首先，DCS的骨架——系统网络，它是DCS的基础和核心。由于网络对于DCS整个系统的实时性、可靠性和扩充性，起着决定性的作用，因此各厂家都在这方面进行了精心的设计。对于DCS的系统网络来说，它必须满足实时性的要求，即在确定的时间限度内完成信息的传送。这里所说的“确定”的时间限度，是指在无论何种情况下，信息传送都能在这个时间限度内完成，而这个时间限度则是根据被控制过程的实时性要求确定的。因此，衡量系统网络性能的指标并不是网络的速率，即通常所说的每秒比特数（bps），而是系统网络的实时性，即能在多长的时间内确保所需信息的传输完成。系统网络还必须非常可靠，无论在任何情况下，网络通信都不能中断，因此多数厂家的DCS均采用双总线、环形或双重星形的网络拓扑结构。为了满足系统扩充性的要求，系统网络上可接入的最大节点数量应比实际使用的节点数量大若干倍。这样，一方面可以随时增加新的节点，另一方面也可以使系统网络运行于较轻的通信负荷状态，以确保系统的实时性和可靠性。在系统实际运行过程中，各个节点的上网和下网是随时可能发生的，特别是操作员站，这样，网络重构会经常进行，而这种操作绝对不能影响系统的正常运行，因此，系统网络应该具有很强在线网络重构功能。
其次，这是一种完全对现场I/O处理并实现直接数字控制（DOS）功能的网络节点。一般一套DCS中要设置现场I/O控制站，用以分担整个系统的I/O和控制功能。这样既可以避免由于一个站点失效造成整个系统的失效，提高系统可靠性，也可以使各站点分担数据采集和控制功能，有利于提高整个系统的性能。DCS的操作员站是处理一切与运行操作有关的人机界面（HMI-Human Machine Interface或operator interface）功能的网络节点。
系统网络是DCS的工程师站，它是对DCS进行离线的配置、组态工作和在线的系统监督、控制、维护的网络节点，其主要功能是提供对DCS进行组态，配置工作的工具软件（即组态软件），并在DCS在线运行时实时地监视DCS网络上各个节点的运行情况，使系统工程师可以通过工程师站及时调整系统配置及一些系统参数的设定，使DCS随时处在最佳的工作状态之下。与集中式控制系统不同，所有的DCS都要求有系统组态功能，可以说，没有系统组态功能的系统就不能称其为DCS。
DCS自1975年问世以来，已经经历了二十多年的发展历程。在这二十多年中，DCS虽然在系统的体系结构上没有发生重大改变，但是经过不断的发展和完善，其功能和性能都得到了巨大的提高。总的来说，DCS正在向着更加开放，更加标准化，更加产品化的方向发展。
作为生产过程自动化领域的计算机控制系统，传统的DCS仅仅是一个狭义的概念。如果以为DCS只是生产过程的自动化系统，那就会引出错误的结论，因为现在的计算机控制系统的含义已被大大扩展了，它不仅包括过去DCS中所包含的各种内容，还向下深入到了现场的每台测量设备、执行机构，向上发展到了生产管理，企业经营的方方面面。传统意义上的DCS现在仅仅是指生产过程控制这一部分的自动化，而工业自动化系统的概念，则应定位到企业全面解决方案，即total solution 的层次。只有从这个角度上提出问题并解决问题，才能使计算机自动化真正起到其应有的作用。
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、集散系统的特点
分散型综合控制系统（简称集散系统），是一种新型的过程控制系统。这个系统以多台微型计算机分散应用与过程控制，全部信息通过通信网络由上位计算机监控，实现最佳化控制；通过CRT装置，通信总线键盘，打印机等又能高度集中地操作，显示和报警。整个装置继承了常规模拟仪表控制系统和计算机集中控制系统的优点，并且克服了单微机控制系统危险性高度集中以及常规仪表控制功能单一，人/机联系差的缺点，它的主要特点是： 1）功能齐全
集散系统可以完成从简单的单回路控制到复杂的多变量模型优化控制； 可以执行从常规的PID运算到SMITH预估，三阶矩阵乘法等各种运算； 可以进行连续的反馈控制，也可以进行间断的顺序控制，逻辑控制，可以实现监控，显示，打印，报警，历史数据存储等日常的全部操作要求。
2）人/机联系好，实现了集中监控和管理
操作人员通过CRT和操作键盘，可以监控全部生产装置以及整个工厂的生产情况，按预定的控制策略组成各种不同的控制回路，并调整回路的任一常数，而且还可以对机电设备进行各种控制，从而实现了真正的集中操作和监控管理。3）系统扩展灵活
集散系统采用模块式结构，用户可根据需要方便地扩大或缩小系统的规模，或改变系统的控制级别。集散系统采用组态方法构成各种控制回路，很容易对方案进行修改。4）安全可靠性高
由于采用了多微处理机的分散控制结构，危险性分散，系统中的关键设备采用双重或多重冗余，还设有无中断自动控制系统和完善的自诊断功能，使系统的平均无故障时间MTBF达到105天，平均修复时间MTTR为 10-2天，整个系统的利用率A达到99。9999%。5）安装调试简单
集散系统的各模件都安装在标准机架内，模件之间采用多芯电缆，标准化接插件连接，与过程的连接采用规格化端子板，到中控室操作站只需敷设同轴电缆进行数据传递，所以布线量大大减少，安装工作量仅为常规仪表的1/2-1/3。系统调试采用专用的调试软件，使调试时间仅为常规仪表的1/2。6）具有良好的性能价格比
在性能上集散系统技术先进，功能齐全，可靠性高，适用于多级递阶管理控制。在价格方面，目前在国外80个控制回路的生产过程采用集散系统的投资已与采用常规仪表相当。规模越大，单位回路投资将更低。
由于集散系统具有众多的优越性，从1975年美国霍尼韦尔公司发表“TDC2000”系统后，国外各家公司生产的集散系统有几十种，下表列出了国外集散系统的概况。
厂 商产 品 名发表日期美国霍尼韦尔公司TDC-200075.11日本横河CENTUM75.6美国福克斯波罗公司SPECTRUM79.4美国贝克曼公司MV500079.3美国贝利公司NETWORK-9080.10美国非歇尔公司PROVOX82.8美国西屋公司WDPF82.10美国罗斯蒙特公司S383.10美国霍尼韦尔公司TDC-300083.10日本横河YEWPACK-MIRX284.12美国泰勒公司MOD-30085美国福克斯波罗公司I/A SERIES87.4可以这样认为：1975-1976年是集散系统发展的第一个高潮，即集散系统的诞生时期，1976年以后，随着各种高技术的飞速发展，特别是信息处理技术和计算机网络技术的发展，这段时期集散系统的研制工作，一方面对原有系统硬件和软件采取更新措施，另一方面积极开发高一层次的信息管理系统。新系统在原有的过程控制管理层的基础上增加了第三层-综合信息管理层，更多地关心高层信息的格式，传输，处理，存贮，共享等问题。预计综合信息管理层还会向高层发展，它将以企业网的形式加入区域计算机网或远程计算机网中。
我国使用集散系统在七十年代末八十年代初，85年进入推广应用阶段。集散系统的应用，把我国过程控制推向一个新的水平，取得较为显著的经济效益，其发展前景是十分广阔的。三。、集散系统的基本结构
集散系统的各种功能不同的控制站以满足不同的控制对象的需要，而操作站则对整个生产过程进行显示，操作和管理。各个控制站和操作站，通过高速数据通道连成网络，形成整个集散系统。所以集散系统主要由控制站，操作站，高速数据通道三大部分组成，其基本结构如图1所示。
作为自动化专业的学生，在初步学习了现场总线控制技术后，我对以后工作中可能会运用到的一些知识以及信息作了收集和整理，如下：
现场总线技术是在80年代后期发展起来的一种先进的现场工业控制技术。它集数字通信、智能仪表、微机技术、网络技术于一身，从根本上突破了传统的“点对点”式的模拟信号或数字－模拟信号控制的局限性，为真正的“分散式控制，集中式管理”提供了技术保证。现场设备互连、良好的互操作性、分散的功能模块、开放式互连网络等特点，不仅可以保证目前工业控制对数字通信的要求，而且使它与Intranet或Internet 互连构成多层次的复杂网络成为可能。1）现场总线的特点
现场总线通讯协议的结构是根据国际标准化组织提供的ISO/OSI模型来制定的。标准ISO/OSI模型有七层框架，但根据工业控制的特点，多数数据总线协议都是采用了其中的物理层、通信层和应用层。这样可以保证实时通信，并在此基础上已经发展起来了FF、CAN、Profibus、LONworks、ControlNet等总线协议。2）现场总线的应用
目前，CAN总线、Profibus以及LONworks在世界范围都有着非常广泛的应用。CAN总线以其可靠性、实时性等特点在工业控制场合得到广泛应用，如国际上的几大汽车生产厂商多使用该总线。但是，随着新型现场总线的性能不断改进，CAN在传输速度和传输距离方面，特别是在远程通信方面，慢慢暴露出了它的不足。但是由于它推出的较早（是进入中国市场最早的总线之一），所以在工控方面仍然占据了很大的市场。
Profibus是目前极为成熟的一种现场总线。由于它以西门子的PLC系统为控制核心，具有强大的控制功能和可靠性，所以很多大型项目都青睐Profibus。Profibus在欧洲市场占有主导地位，其三个子标准DP，FMS和PA分别在分布式控制系统的高速数据传输方面、楼宇自动化和电气传动方面、过程自动化方面具有绝对的市场。在中国，Profibus在离散控制和过程控制方面，特别是在一些重大项目中（如近期中标的三峡大坝闸门控制系统），均有广泛的应用。
LONworks具有比其他总线更显著的智能性，所以在智能楼宇、家庭自动化方面有得天独厚的优势。在我国，LONworks主要占据了这个方面的市场。
“集散控制系统”教学改革和实践 篇3
关键词：集散控制系统；实践教学；自动化专业
集散控制系统是利用计算机技术对生产过程进行集中监测、操作、管理和分散控制的一种新型控制技术。[1]近年来随着工业生产规模的不断扩大，对产品质量的要求不断提高，在过程控制领域例如造纸、石化、电力行业中，集散控制系统得到非常广泛的应用，并取得了良好的社会经济效果。同时，社会也需要大量的懂原理、能操作、会组态的相关人才。为了适应社会对人才的需求开设了“集散控制系统”课程，该课程为自动化专业的一门核心专业课程，内容涉及知识面广，实践性非常强。笔者通过不断摸索，对教学内容、教学手段及考核方式上进行了教学改革，是把单一的教学过程与工程实践相结合，让学生将所学理论知识应用到工程实际中。在课堂中引入案例教学，让学生积极参与教学，分组设计，相互讨论，共同进步。根据课程特点，改进了考核方式，增加实验的考核以及课外设计题目的考核，经过两学期的试验，取得了良好的教学效果。
一、教学内容改革
1.保持教学内容的前沿性
集散控制系统是控制理论与方法、网络通信技术、检测技术等多门技术和理论为基础的综合控制系统，其系统复杂，功能强大。随着科学技术不断发展，集散控制系统的技术进步速度很快，系统更新换代周期短，新知识新应用新技术层出不穷。为了适应社会的发展需求，在教学中应该不断关注新型的集散控制系统的特点及优势，同时比较各个厂家产品的差异与特点，与厂家保持联系更新教师的知识体系，使教学内容保持前沿性和时代感。对集散控系统来说，虽然新旧系统原理可能相似，但是实现方法和设计理念却千差万别，因此在掌握原理基础上更应该站在时代前列。在教学中力图以主流公司的主流产品给大家介绍，并相互比较各自优劣，使学生融会贯通。教学中以和利时的集散控制系统为例详细介绍了软硬件组态过程以及算法和界面的组态，对其公司的几代产品都有介绍，使学生对集散控制系统的发展历程有所了解，同时对其他公司系统也作了对比，让学生对整个行业有所认识。教学内容方面针对用户界面的组态及显示方法，不仅介绍了其工作原理以及系统中的组态方法，也介绍了其他的专业界面组态软件，开阔了学生视野。在通信部分，着重介绍了各种现场总线工作原理、工业以太网的原理以及各种总线节点的设计。算法部分除了传统的内容之外，还增加了先进控制算法并介绍了行业的优化算法，同时与北京和利时公司积极沟通，建立良好关系，以便及时学习新知识和技术。
2.注重实践环节，锻炼学生动手能力
由于“集散控制系统”是一门实践性很强的课程，因此，实践是重中之重。有些课本内容简单地介绍原理后把时间留给同学去实际操作，这样学生更容易掌握。例如集散控制系统的显示部分，讲授一节课不如让学生实践20分钟的效果好。因此，只有把DCS课程的教学活动和具体的工程设计相结合，才能将单一课程的教学变为相关专业知识的综合运用和训练，才能真正培养学生自主学习的能力。为了让学生对集散控制系统有感性认识，学校要与多个企业建立良好的关系，带领学生去参观现场，并让工厂系统维护工程师给大家讲解系统的构成情况及运行情况。这既让学生对整个系统有感性认识，又激发了学生的学习热情。为了让学生有充足实践机会，除实验时间之外，课程期间每周下午实验室都会开放，供学生实践或完成课堂布置的设计任务，并帮助实验室老师维护设备，这既减轻了实验老师的负担，又增加的学生实践的时间。学生在去实验室之前，要完成软件仿真以及其他资料的准备，然后再去实验室实际运行测试。课程结束前，会安排一个综合实验，让学生分组协调完成。每个小组根据系统控制要求，从方案选择、硬件组态、界面组图、算法设计、软件编程一直到最后的调试通过，实现整个设计的全过程，最后小组成员参加答辩，成绩计入考试总成绩，这样既锻炼了同学的动手能力，有增加了小组团队的协作能力。
二、教学方式的改革
课堂教学是整个教学最重要的环节，因此探讨有效的教学方法，充分调动学生的积极性和创造性保证课堂教学质量是教育教学的关键。大学期间传授扎实的基础知识是必不可少的，但学生独立学习的能力和创造性的培养也是非常重要的。[2]在课堂中，采用引导方式教学，遵循提出问题、思考问题和解决问题的思路，并让学生提出解决方案或者有些部分让学生来讲解，充分使学生参与到教学活动中。老师的积极鼓励，增强了学生信心，培养了学生的求知欲望。虽然每次只能让几个学生参与讨论，但是他们的方案和问题却具有共性，通过老师的讲解和点评，其他学生有则改之，无则加冕。课后作业以小组为单位来完成，在课堂上每个小组推举一个演讲者，留出几分钟让其中一个小组介绍自己的方案，并要求小组之间相互评价。经过大家讨论最终得到系统的最佳设计方案，使系统在先进性、可靠性、经济性、实用性等指标达到最佳，从而达到共同学习的目的。这种方式让学生真正参与的教学中，变被动学习为主动学习，对所学的知识牢固掌握。
为了避免课堂上空洞的讲解以及保证实验的实用性，让授课内容和工程相融合非常有必要。可以把学生将来参加实际生产工作要培训的部分内容放到学校的课程中完成，让教学更贴近实践应用。案例教学法也是经常采用的方式，和集散控制厂家联系，让对方提供一些实际采用的案例，这些案例来自实践更具有真实性，因此非常宝贵。通过分析案例，取其精华，让学生更加了解实际的需求以及工程设计的注意事项，找出自己案例设计的不足，使理论和实践相结合，使设计尽量达到能实际应用的目的。在课堂详细介绍系统工作原理，再根据企业的需求提出问题和设计指标，让学生思考并设计系统的硬件软件组成，包括硬件选择的模块、各部分的组成及控制算法的选择、操作员界面的组态等。
三、考核方式的改革
考核的目的是全面考查学生对知识的掌握情况。由于集散控制系统应用性、实践性强，与生产实际联系密切，因此仅仅凭借卷面成绩很难反映学生对知识的掌握情况，也不能反映学生解决问题的能力。[3]因此考核的最后成绩包括理论考试成绩、实验成绩以及最后的设计论文成绩。理论考试按照考核大纲闭卷100分钟，主要考查概念和基本原理性；实验成绩参考平时实验课得到，主要考查学生的动手能力；最后的设计论文成绩主要是课程结束的时候，结合实际生产给出的设计题目，以小组为单位完成，要求完成整个系统的软硬件设计，考查学生的综合设计能力。考核方式的改革，让学生既注重理论，又注重实践，达到了理论和实践相结合的目的，取得了良好的效果。
四、教学效果
通过正确引导，学生认识到集散控制系统在工厂自动化中的重要位置以及社会对这种人才的需求，调动了学习积极性。同学们不再依赖于考前的突击复习，课堂上也积极主动地思考和回答问题。由于很多设计和课下作业以小组为单位，组员之间也积极讨论，并分工完成任务，培养了同学之间的协作精神。从最后提交的设计报告来看，改革后的学生系统设计质量一届比一届高。对毕业学生的回访中发现，学生能很快适应集散控制系统相关的工作。本门课程先通过基础理论的学习，然后部分系统的设计，直到整个应用系统的设计，同学们逐渐掌握了集散控制系统的设计方法，在学习过程中充分发挥了主观能动性，提高了综合分析能力和创新能力。
五、结束语
“集散控制系统”课程知识涉及多个学科，并且实践性很强，所以让学生短时间内掌握集散控制系统的原理和使用非常困难。教学改革力求使学生能掌握基本的操作和设计知识，以便学生以后能尽快适应，这就达到了教学的目的。
参考文献：
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[3]马乐，罗军，翁智生.计算机组成技术课程考核方式改革探究[J].河南教育学院学报（自然科学版），2009，（2）：62-64.
锅炉集散控制系统 篇4
关键词：PLC,锅炉控制系统,WINCC
1. 引言
集散控制的基本思想是集中管理, 分散控制。即将自动控制过程与操作管理人员对自动控制过程的管理过程相对分散;自动控制过程由各控制站相对独立地自动完成, 而操作人员对自动控制过程的管理则由中央控制室的操作站来完成。中央操作站与各现场控制站既各自相对独立地运行, 从而将各种故障限制在局部范围内;又相互进行实时数据通讯和信息交换, 实现了操作人员在中央控制室的操作站对整个自动控制过程进行管理和调整。
本系统由一套PLC和两台上位机组成。PLC对现场的数据进行采集判断, 对风机、泵和电动调节阀等进行控制, 同时将现场数据通过通讯传送到上位机显示监控。
2. 系统概述
每台锅炉采用一套PLC作为现场控制站及一台工控机作为操作员站, 并且各操作员站之间通过工业以太网相互连接, 各操作员站之间可作为相互备用, PLC控制站对整个锅炉和辅机所有工业参数进行采集、数据处理和控制。
3. 硬件组成
PLC控制系统由工艺过程监控系统、通讯系统、可编程序控制器及检测仪表组成。PLC选用的是SIEMENSS7-300可编程序控制器, 它具有模拟量、开关量的采集处理和计算功能以及逻辑控制、计时比较等顺序控制功能, 并且具有集成的批处理功能和高速数据通讯网, 以满足连锁控制的快速响应的要求。
监控级应用软件为WINCC监控软件。它具有实时数据库、趋势和实时图表、模拟画面、报警管理、数据库巡航等功能, 采用全汉化界面, 设计有工艺流程图、各工艺单元流程图、趋势图、报警、各种设备的操作和参数设定画面。
操作站以高性能的研华工业控制计算机为核心, 具有超大容量的内部存储器和外部存储器, 同时配置了两个冗余的网路适配器, 实现与过程控制网连接。
4. 锅炉控制
4.1 控制思想
由于水温和汽化压力存在一定对应关系, 因此为保证锅炉在运行中不发生汽化, 必须维持一定的压力。锅炉的调节依据出锅炉的热水的温度来调节燃烧系统中的风与煤。锅炉送风、引风、给煤通常采用变频调节实现。由于锅炉的回水量会有损失, 因此在锅炉的回水管道上需向锅炉系统补水, 通过回水压力决定补水量的大小。
4.2 控制回路
PLC对锅炉的循环水流量、补水流量、炉膛负压、出水温度进行控制。
4.2.1 燃烧调节 (锅炉出水温度、给煤、送风调节)
锅炉燃烧控制依据供热负荷的不同, 通过调节给煤量、送风量, 保证锅炉出口热水温度维持在需要的值上。燃烧给煤、送风调节依据出水/回水温差、热水流量与温差变化进行调节。煤量和风量依据比例函数予以配比, 从而维持一个合适的风煤比例关系。
4.2.2 炉膛负压调节
为使炉膛压力维持在一定负压范围内, 实现鼓风及引风的平衡, 保证安全、合理燃烧。炉膛负压调节采用单回路+前馈调节方式实现。框图如下:
4.2.3 补水控制
采用常规PID控制。补水泵作用: (1) 补充水量; (2) 维持锅炉入口水压。
4.2.4 联锁停炉控制
联锁停炉按先停送风机, 后停引风机的程序执行。
5. 操作显示画面
本系统具有强大的显示功能和丰富的显示画面, 机组运行人员可以通过操作站上显示的各种画面实现对机组运行过程的操作和监视。运行人员可对画面中任何被控装置进行手动控制和手动切换等。对顺控过程, 模拟图能反映出运行设备的最新状态, 用文字显示出自动程序目前进行至哪一步。若自动程序失败, 画面将用文字显示当前步。同时该文字背景颜色发生改变, 发出故障报警声。
5.1 模拟图
用二维或三维的图形形象的表示锅炉、辅机、用电等子系统的工艺流程, 活参数每秒进行刷新。活参数包括模拟量数据、开关量状态、液位、竖棒等。流程图上工艺设备的颜色由当时该设备的开入状态决定, 状态变化时相应的设备的颜色也随之变化。模拟图上的所有设备均可直接操作, 如泵、风机、阀门、开关等的投切或开关。
5.2 相关画面
由几个主要参数及若干与其相关的参数组成, 以便对主要参数的综合监视与分析。当主要参数越限或开关量调变时, 可自动推出相关画面。
5.3 各种一览画面
其中包括模入一览、开入一览、计算一览、追忆一览、成组一览、模入报警一览、开入跳变一览等。一览画面为运行人员提供了检索系统数据库的手段。
5.4 启停曲线
在机组启动或停机阶段, 将机组主要参数如主汽温度、主汽压力等组成一幅随时间变化的曲线图, 它们具有共同的时间坐标及各自的量程坐标, 并可以在组态时用虚线给出各自的设定曲线, 以指导机组启停操作。
5.5 历史曲线
操作员站可以用曲线的形式向运行人员提供历史数据记录。历史曲线的量程坐标及步长可变, 光标所在位置对应时间的参数值显示在屏幕上方。
5.6 趋势曲线
显示当前参数运行曲线, 向运行人员提供所监视参数的变化情况和趋势。
5.7 经济计算及效率监控画面
向运行人员提供实时经济计算及偏差分析结果, 以三分钟均值、时均值、班均值分页显示, 指导运行人员最佳经济运行操作。
5.8 棒图
棒图以三维立体竖棒的长短表示模拟量的数值变化。
5.9 控制成组画面
每个控制回路为一个三维立体单回路调节器面板, 其中定值用数值及箭头表示, 过程值、输出值用数值及条形图表示, 阀位用数值及滑块表示, 控制回路运行方式用字符和模拟键表示。
5.1 0 控制回路画面
控制回路画面中除了表示该回路的单回路调节器面板外, 还包括定值、过程值、输出值、自选量的趋势曲线;控制回路内部参数表;显示量程;自选量的名称、数据等。画面上的曲线可用时标增大和时标减小键改变时间标度。
6. 结束语
该锅炉控制系统具有以下特点:
(1) 具有集散系统的安全性、冗余功能、网络扩展功能、集成的用户界面及信息存取功能。
集散控制技术 篇5
【关键词】集散控制系统 中央空调 建筑能耗
【中图分类号】G71 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2015）05-0240-02
二十世纪七十年代集散控制系统问世以来受到了广大用户的青睐，使其在工业控制领域得到了广泛的使用，并获得了长足发展。以PC机为基础的集散控制系统，配合成熟的工控组态软件将成为控制领域中的重要发展方向。
一、集散控制系统
1.1集散控制系统的概念
集散控制系统是对生产过程中进行分散控制与集中管理的计算机系统。是随着现代化大型工业生产自动化水平的进步和控制要求日渐复杂的衍生产物，集散控制系统是将网络技术、计算机技术、自动控制技术、通讯技术融于一身的系统控制技术，它可以实现控制集中优化、危险分散。
1.2集散控制系统的组成
集散控制系统的组成部分较为复杂，但通常都由过程控制单元、过程输出/输入接口单元、CRT显示操作站、管理计算机、高速数据通路等五大主要部分组成的。
1.3集散控制系统的特点
1）人机交互能力
集散控制系统组态软件提供有良好的用户接口，方便在使用过程中操作人员及时获取生产过程中详细的报警显示、趋势画面、流程画面等信息。此外，操作人员还能在线修改参数与指令操作，有效干预运行过程。
2）可靠性较高
集散系统结构上的分散性使得系统危险也得到分散，在一定程度上提高了系统的可靠性。集散系统采用的容错技术也为系统工作提高可靠性与抗干扰能力。
3）控制功能分散、管理集中
在整个生产过程中的管理信息全部集中储存在数据库中，生产过程中采用分散结构控制，再利用网络通信设备或者信息高速公路传输至相关设备。
4）具有高度灵活性和可扩展性
集散控制系统中的硬件设备包含了多种不同功能与类型的插卡，在使用过程中选取不同的插卡组成不同的硬件环境使得集散控制系统变得灵活性较大，可扩展性较高。
二、中央空调变频控制系统
2.1中央空调系统的组成
中央空调系统主要是由主机制冷系统、冷却水循环系统、冷冻水循环系统组成的。主机制冷系统是重要空调系统的中心，它是由冷冻主机、冷凝器、压缩机、蒸发器构成的。
2.2中央空调系统的原理
蒸发器中的制冷剂与冷冻水之间发生热量交换，使冷冻水降温制冷，使得制冷剂吸收热量再蒸发;冷凝器中蒸发后的制冷剂与冷却水之间发生热量交换，制冷剂释放出的热量由冷却水带走。当室内温度过低时，中央空调系统将循环热水流入风机盘管，将室外低温空气循环通过风机盘管，低温空气与风机盘管的铝片进行热交换，使得风机盘管铝片将热量传递给低温空气，将加热后的低温空气送入房间内，使得房间内温度升高。同理，当室内温度较高时，中央空调系统利用水泵将制冷主机提供的冷冻水循环流入风机盘管，当盘管内的铝片与循环进入的室外高温空气向接触时进行热交换后的冷空气送入室内，达到降温的目的。
中央空调的工作过程就是不断的以水为媒介进行热量交互的过程，借由冷冻水与冷却水的循环系统来实现能量传递交换。中央空调结构原理图如下：
图1 中央空调结构原理图
三、集散控制系统在楼宇中央空调中的应用
空调系统设计是以提高系统的可靠性、使用率、满足控制指标为主要目标，其次，为相应国家号召尽可能的减少能源消耗。集散控制方式设计的空调系统可以达到以节约能源消耗为目的。
3.1 降低成本
根据相关技术资料统计，一台中央空调从安装到使用到淘汰，最初的安装费用占据总成本的10%左右，而运行、维修、包养费用占据了90%左右。随着近些年我国电价的普遍上涨，中央空调的运行费用也在不断上升。离散控制系统应用到楼宇中央空调中，能够从根本上优化中央空调的运行方式，且能够有效降低中央空调的维修与保养次数，从而降低成本。
3.2 智能化系统
跟传统的电气控制比较，离散控制系统的可靠性较高，且具有相当强的抗干扰能力，采用离散系统可以将传统的复杂工作智能化，实现离散功能，从而能够有效降低运行中风机与水泵的电能消耗。
中央空调系统的能耗将是我国未来能源消费的主要增长点，采用集散控制系统技术来实现建筑节能将对我国未来能源消费产生深远影响。
参考文献：
[1]贺贺，羊彦.广义离散系统保D-稳定的动态输出反馈H∞控制器设计[J].系统工程理论与实践，2013，33（7）：1852-1858.
[2]陈爱武，贾建芳，吴俊清等.基于自适应观测器的线性离散系统故障诊断[J].南京理工大学学报（自然科学版），2011，35（3）：334-337.
电厂集散控制系统应用分析 篇6
关键词：电厂,集散控制系统,应用
0 引言
近年来, DCS在电力生产中得到了广泛的应用, 尤其300MW及以上容量机组的热工控制已全面采用DCS控制系统, 逐步形成了数据采集DAS、模拟量控制MCS、顺序控制SCS、燃烧器管理BMS四大系统, 在汽机、锅炉等热力设备的顺序控制、数据采集以及炉膛安全监控等方面取得了成功的经验, 提高了电厂自动化水平和机组运行的安全性、经济性。
1 电厂自动控制及其系统
汽包水位自动调节系统一般采用典型的三冲量系统或串级系统, 在大型单元机组中一般设计有全程调节, 因此有单冲量, 三冲量之间的切换逻辑, 一般依据负荷来切换。采用启动电泵和汽泵的系统之间的切换, 也依据负荷来切换。大型机组的水位控制一般直接控制电泵或汽泵的转速, 给水调门全开以节约能源。
燃烧调节系统中的送风系统通常采用风煤比加氧量校正, 炉膛负压系统与送风系统之间采用动态联系, 通常设计有加负荷时先加风再加煤减负荷时先减煤后减风逻辑以及过燃烧逻辑。主汽压力调节系统通常为串级调节系统。
另外, 由于机组的自动化水平的不断提高, 对机组的运行参数的测量也提出了更高的要求, 控制用的参数测量与监视用的参数测量一般都要求有各自的测量元件, 控制用的测量参数还需要经过数据保险的有关逻辑以提高控制系统的可靠性。
开环控制包括了联锁保护、顺序控制、选线控制等控制内容。火电厂单元机组中主辅机设备都有联锁保护, 如停机停炉的大联锁, 一些重要辅机的保护跳闸, 备用泵的自启动, 成组设备的顺序启停等。这些联锁保护现在一般都能投入运行而且必须投入运行。顺控方面一般的泵或风机的子组启停控制也都能投入运行, 但锅炉风烟系统大顺控这样的成组控制因为牵涉的设备比较多而很少有经常投运的。
2 电厂DCS功能分析
目前大机组的仪控系统大多选用DCS系统。
DCS系统在火电厂发电机组控制中的应用已有多年的历史了, 而且正在越来越多地得到应用。DCS系统是相对于计算机集中控制系统而言的计算机控制系统, 它是在对计算机局域网的研究基础上发展起来的, 是过程控制专家们借用计算机局域网研究成果, 把局域网变成一个实时性, 可靠性要求很高的网络型控制系统, 运用于过程控制领域。这样的控制系统给我们带来以下一些好处:
(1) 故障分散是推出DCS系统的最大理由, DCS系统就是要解决集中控制系统致命的弱点—故障集中。故障分散的理由是DCS系统采用了大量的微处理器, 各个微处理器承担一个范围较小的控制任务, 某个微处理器故障不会影响整个系统的正常工作。
(2) 缩小控制室尺寸或控制表盘的长度。
(3) 大量缩减控制系统所需的电缆。
(4) 大量减少控制系统所需的备品备件种类及数量。
(5) 减少工艺生产的运行对仪表控制设备厂商的依赖, 减少仪控人员培训所需的费用。
(6) 提供了控制系统构成的灵活性, 具有组态便利和可扩展性。
(7) 实现过程实时参数和历史数据的管理, 提供性能计算, 设备寿命计算等功能。这是传统的仪表控制系统所望尘莫及的。
DCS系统是否确实给我们带来了这些好处呢?
以一些在火电厂单元机组控制系统中应用的DCS系统来考察, 综合分析如下:
(1) 关于故障分散。大多数DCS生产厂商现阶段所提供的系统在实际应用中并非象我们想象的那么故障分散。由DCS系统控制的火电厂单元发电机组, 因为DCS系统的某些故障而被迫停运的事情时有发生。这与传统的仪表控制系统相比后者似乎要优于前者。所以DCS系统的构成越接近传统的仪表控制系统, 即微处理器或多功能控制器所承担的控制任务从地域上越分散, 越能做到故障分散。
(2) 关于控制室的尺寸和表盘长度。这一点所有的DCS系统都能做到大大缩小。不过与传统的仪表控制系统相比, 电子室的尺寸和设备相对增加了。
(3) 关于节约电缆。由于DCS系统所采用的设备器件在现阶段来说仍然是比较娇贵, 需要防尘和空调, REMOTEI/O还不能大量使用, 因此, DCS系统的主要设备都需要安置在条件比较好的电子室, 大量的现场信号仍然需用电缆接到电子室。与传统的仪表控制系统相比, 电缆有所缩减, 但效益有限。
(4) 关于减少备品备件的种类和数量。备品备件的种类和数量有所减少, 并且需要与之打交道的仪表控制设备制造厂商也有所减少。
(5) 关于减少机组运行对仪表控制设备制造厂商的依赖。由于DCS系统在应用技术方面还不能尽如人意, 因此, 在机组运行时, 尤其在机组试行期间, DCS生产厂家的专家服务似乎成了必不可少。使得培训所需花费也有所增加。
(6) 关于控制系统构成的灵活性, 组态的便捷性和系统的可扩展性。大多数DCS系统的组态也是比较方便的。不过多数系统在在线组态功能方面尚有许多工作可做, 好多系统为离线组态, 在工程师站编程, 然后编译, 再下载。有些系统这一过程比较费时, 在调试期间这一问题尤其突出。
(7) 关于DCS系统提供的一些独特的控制功能。由于DCS系统可提供历史数据和实时数据的管理, 性能计算等功能, 把过程控制推向一个新的更高层次的领域。
3 小结
锅炉集散控制系统的应用设计 篇7
锅炉采用的集散控制系统大多由两级组成, 一是过程控制级, 而二是监控级, 两级控制便于实现对各台锅炉的分散控制, 方便集中管理。过程控制级主要负责对各台锅炉的数据进行采集、控制输出及自动控制、实时网络监测与通信。最近几年以来, 芯片技术迅猛发展, 目前市场上性价比高, 可靠灵活且控制能力强的处理器已悄然兴起, 正逐步取代传统工控机对锅炉控制的地位[1]。
1 集散控制系统要求
1.1 检测自动化
对元件及仪表进行检测, 将锅炉的各项数据发送给系统, 进行实时数据监测和显示, 并及时提供自动调节的检测信号。
1.2 对程序进行控制
编制相应的程序, 实现锅炉自动化操作, 满足锅炉正常的启动、停止。例如针对燃煤锅炉, 按照启动的先后顺序进行设置, 先启动引风机, 再启动鼓风机等。
1.3 安全保护
如锅炉非正常运行, 其运行参数将超过标准值, 会进行声光报警, 提醒工作人员及时注意同时采取有效安全措施, 以保证锅炉安全运行。例如水位及蒸汽压力出现异常都应采取声光报警及停炉等系列安全保护措施。
1.4 自动调节
锅炉正常运行参数具有自动调节功能, 便于适应外界负荷与标准参数要求, 并且保证锅炉在运行中节省成本、产生的经济效益最大。
2 集散控制系统设计
2.1 建立人机界面操作平台
人机界面操作平台由操作员站与工程师站联合组成, 配备工业控制计算机, 整个平台的操作员站与工程师站是互相配合协调工作的, 联网操作使得一方工控机在发生故障时可以让他们替代对方, 为系统正常运行提供保障。在控制室的操作台中安装操作员站的主机及其相关外围设备, 负责对现场控制站采集的有关参数及设备工作情况进行记录、数据处理以及指示等。工程师站则主要负责编制应用程及系统组态, 同时具有操作员站的相关功能[2]。
2.2 设计控制系统软件
采用专业编程工具进行硬件组态、程序编制, 以及参数的设置、调试等。应尽量采用程序编写便捷、且程序通用性高的系统进行程序编写, 能确保各功能块实现对锅炉准确有效控制。锅炉在启用单动模式下, 将直接由上位机设置有关器械如鼓风、水泵等的转速, 再通过专业通信手段发送至变频器。锅炉在联动模式下, 可使用控制系统在线查询理想的风煤比例以确定鼓风机、水泵及炉排电机等器械的变频器频率, 确保锅炉内汽包水位稳定、燃烧充分;某一功能块完成锅炉汽包水位与燃烧系统中电机的所有操作, 如启动、暂停, 远程、就地切换;某一功能块负责搜集有关模拟量转化为有量纲的参数;某一功能块可负责计算锅炉各类能源的消耗量以及对热效率参数等进行等统计;其余功能块则负责完成水处理及综合上煤系列公共设备中的启动、暂停操作和参数设置;最后一功能块负责通信处理, 设定变频器的频率, 采集变频器各项有关数据[3]。
2.3 上位机监控软件设计
对于监控软件的选择, 操作员站与工程师站配备的上位机监控软件应选用兼容性强且开放性良好、具有深度扩展功能、易于联网通信的软件。
在人机界面的设计上, 锅炉的主监控界面应能直观准确显示出锅炉各项参数的变化情况, 在非主监控界面中, 可以采用手动调节输入, 以方便操作人员的管理操作为原则。
为提高系统工作的可靠性, 在监控软件的设计过程中制定数据报表必不可少。对所需资料进行储存, 根据需要打印报表数据。数据报表包含着查询分析、统计结果, 综合记录着监控对象的状态。报表主要分为实时报表与历史报表, 可根据实际情况调出规定时间内的报表数据。
3 集散控制系统的应用
集散控制系统通常具备数据采集、顺序控制及模拟量控制这三项主要功能。
3.1 数据采集应用
数据采集系统可不间断采集和快速处理与锅炉相关设备的状态信号, 及时为工作人员提供可靠有效的运行信息, 保障锅炉实现经济安全运行。数据采集系统的显示功能操作方便, 查询方式简单灵活;满足系统操作人员不同的报表需求, 也可对报表格式进行自定义设计。除此之外, 操作员站应具有屏幕拷贝功能, 能够直接打印屏幕显示的流程图或者曲线图等;能够根据工作需要进行操作权设置, 操作软件的权限保护应保持在五级以上。
3.2 顺序控制应用
顺序控制功能主要在启动或停用锅炉时发挥作用, 尤其在进行联锁停炉操作时需严格按锅炉操作规定进行。
3.3 模拟量控制应用
通过运算器处理后, 自动调节回路的模拟量会输出控制信号, 送至变频器或者执行机构达到闭环控制目的。若在调节回路中变送器出现故障或者运行发生模块故障时, 相关自动调节回路将无法实现自动调节, 此时需工作人员人工进行手动操作。模拟量控制系统可通过对水位 (汽包水位、给水流量大小) 的控制、燃烧 (烟气含氧量等) 及除氧系统的控制对控制回路进行调节[4]。
4 结论
目前实际生产中采用的锅炉集散控制系统, 摒弃了传统的信号传递方式, 不再使用模拟信号, 将电缆与电线进行互连。转而使用现场总线技术建立的控制系统, 其控制功能更为强大细致, 系统组成灵活可靠、准确性大为提高。通过其他技术与集散控制系统相结合, 也有效解决了基础操作自动化与管理控制之间的问题。已有大量实践证明, 锅炉集散控制系统在很大程度上能有效降低工人劳动强度, 同时为生产设备的经济运行提供可靠保障;锅炉系统安全运行效率得到有效提高, 事故发生明显率降低, 最终使系统在安全节能状态下运行。
摘要：为提高实际生产过程中自动化控制水平, 目前在锅炉上安装集散控制系统的情况已十分普遍。对于锅炉集散控制系统的设计要求设计人员按照实际需要, 使用合适的配件, 进行编程、运用合理的方式进行调节。通过长期实践证明, 集散控制系统具有强大而且精确的控制功能, 在实际生产中得到广泛应用。
关键词：锅炉,集散控制,设计与应用
参考文献
[1]杨虎.集散控制系统在工厂的应用[J].山西冶金, 2009 (6) :28-32
[2]王整风.集散控制系统在大中型选煤厂中的应用[J].微计算机信息, 2009 (31) :16-19.
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流体输送系统中集散控制的应用 篇8
参考文献
[1]西门子S7-300 PLC.机械工业出版社.
[2]西门子人机界面 (触摸屏) 组态与应用技术.机械工业出版社.
集散控制技术 篇9
集散控制系统(DCS)由集中管理部分、分散控制监测部分和通信三部分组成,具有通用性强、系统组态灵活、控制功能完善、数据处理方便、显示操作集中、人机界面友好、调试方便、运行安全可靠等特点。目前在电力、冶金、石油、化工、制药等行业,集散控制系统得到了广泛的应用,在控制品质、系统安全可靠性等方面较传统的控制系统有明显的优势,显示了强大的生命力。随着计算机技术的发展及其在工业控制系统中的应用,DCS表现出十分优越的性能,将工业过程自动化提高到一个新的水平[1]。
2 系统简介[2]
CENTUM CS3000系统是横河(YOKOGAWA)公司最新推出的一个大规模的集散控制系统。该DCS系统可以使用普通的个人PC机作为其人机接口站(Human Interface Station),其运行的操作系统软件为Windows。CENTUM CS3000系统自从90年代后期推出后,因其控制系统的高可靠性、良好的通用性、友好的组态及操作环境和界面、易于系统升级,以及因操作站的个人计算机化而带来的低廉的投入等优点而得到了广泛的应用。江苏沙钢集团宏发焦化厂化产车间三期项目选用的是YOKOGAWA公司的CENTUM CS3000集散控制系统,用于监控工艺流程,完成数据采集、过程控制、逻辑控制和快速连锁控制等功能,其控制系统构成可分为以下几个部分。
1)HIS:(Human Interface Station)人机接口站,也就是我们常说的操作站,采用基于Windows XP的通用PC机。运行操作人员通过操作员站实现对过程参数、设备状态和控制系统的在线监视和操作。
2)WS:工程师站,采用基于Windows XP操作系统的高性能计算机,进行系统组态、生成、软件调试、系统仿真等工作。
3)FCS:(Field Control Station)现场控制站,用于过程I/0信号处理,完成模拟量调节、顺序控制等实时控制运算功能。
4)BCV:(Bus Converter)总线转换器,用于连接CENTUM CS3000与CS1000、CS、uXL或CS3000的另一个域。也称ABC单元。
5)CGW:(Communication Gateway)通讯接口单元,用于与上位计算机进行通讯。用户可以通过上位机对FCS站进行数据采集和设定。
3 系统的硬件配置
在CENTUM CS3000系统中,各个操作站和控制站以及系统中的其它站点在通信系统中的地位都相同,即:不分主站、从站,通讯过程中的指挥权是顺序传递的。这种做法可以避免只有一个主站时,万一主站发生故障引起全线瘫痪的危险。
3.1 控制站部分
控制站的主要作用是进行数据采集及处理,根据控制程序来实现对过程量(如温度、压力、流量、转速、阀位、液位等)的控制。本系统根据焦化化产车间的工艺要求设有1个控制站FCS0105,该控制站带有5个node(节点),安装于1个控制柜和2个扩展柜中,每个节点带10个Unit(卡件箱),卡件分连接型和端子型两种。控制站FCS机柜为独特的微正压机柜,所有的模块都采用集成度高、散热量低的固态电路以及表面封装技术,防尘、抗干扰能力强,适合各种恶劣的运行环境。模块的编址不受插槽位置的影响,在机柜的任何插槽位置上均执行其功能。模块带电插拔不会引起本模件故障,也不会影响其它模块的正常工作。模块通用性强,种类规格少,有效地减少了备品备件的费用支出。
3.2 操作站部分
操作站(MOPS/MOPL)显示并记录来自各控制单元的过程数据,是人与生产过程的操作接口。通过操作人机接口,实现适当的信息处理和生产过程操作的集中化。本系统为方便操作和监控,共设置2个操作员站,用来监控和调节生产工艺流程。操作站分为主站和从站,主站连在DCS网络上,通过DCS网络接口,直接从DCS网络上读取控制器数据库中的数据,主站的数量是由接口的数量决定的。从站则与主站相连,它没有数据库,在显示流程图画面时,由主站显示完整的工艺画面,而从站就显示主站的工艺画面,从站的数量是不限的。不论是主站,还是从站,都用后门网络连接起来,有了后门网络,系统维护时,各操作站之间可进行文本拷贝。系统运行时,即使其中一台主操作站发生故障,它的从站可作为另一台主站的从站。网络中连接了打印服务器,服务器有许多通道,几台操作站共用一台或几台打印机。还设置了一个工程师站,通过装入软件,用来开发编制操作员站的工程应用软件。
3.3 通讯网络
通讯网络是连接分散过程控制装置以及集中操作和管理系统等进行信息交换和数据共享的计算机通讯网络,是DCS的中枢。它具有实时性好、动态响应快、可靠性高、适应性强等特点,对通讯系统的要求除了传输速率和传输距离外,还具有开放性[3]。在CENTUM CS3000系统中有两种网络同时运行,一种是V网,另一种是以太网。V网是一种实时控制系统总线,用于连接站点如FCS、HIS、BCV、ACG等,其连接周期为100ms,连接速度为10Mbps,它可以是双重化冗余结构的,采用总线型的连接方式。横河的连接电缆有YCB111(粗缆,最大传送距离为500m)和YCB141(细缆,最大传送距离为185m)两种,通过V网在每个域中最多可连接64个站点。以太网是用于HIS之间的通讯,它也用作HIS数据等值化,以及向管理计算机传送数据文件。它采用的是TCP/IP和FTP传送协议,连接电缆一般为双绞线,通讯速度为10/100Mbps[2]。江苏沙钢集团宏发焦化厂化产车间使用的CENTUM CS3000系统具有三级分层网络结构:1)V-Net,用于进行操作监视及信息交换的双重化实时控制网络;2)Ethernet网,用于操作站、工程师站以及上位机之间信息数据传输,数据及外设资源共享;3)RIO总线,用于控制站内部中央控制器FCU同远程I/O节点之间的过程数据传输的双重化实时通讯总线。将过程实时数据、运行操作监视数据信息同非实时信息及共享资源信息分开,分别使用不同的网络,有效地提高了通讯的效率,降低了通讯负荷。
4 系统的软件组成
DCS的系统软件为用户提供高可靠性实时运行环境和功能强大的开发软件。DCS为用户提供相当丰富的功能软件模块和功能软件包,控制工程师利用DCS提供的组态软件,将各种功能软件进行适当的“组装连接”(即组态),极为方便地生成满足控制要求的各种应用软件,大大减少了用户的开发工作量[1]。CENTUM CS3000系统采用标准Windows XP操作系统,能够提供完整的、满足要求的程序软件包,包括实时操作系统、应用程序等。系统组态、生成、应用软件编辑均通过图形界面交互式菜单会话方式,方便快捷。工程师站(WS)提供标准组态方式。模拟控制回路组态采用Control Drawing图方式,顺序控制采用逻辑图(IBD)、顺控表(STB)等方式,所有设计和组态工作可同步进行,简化了工作流程。丰富的用户自定义宏功能,使组态更加容易、高效,组态文件以图形方式打印输出。组态文件可以在线修改下装,而不用停止控制站CPU的运行。利用工程师站的测试功能可进行软件调试,以降低工程费用。工程师站设置有软件保护密码,以防止一般人员擅自改变控制方案、应用程序和系统数据库。所有控制算法、系统参数都贮存在存储器内,执行时无需重新装载。
5 监控画面[2]
通过DCS系统的画面组态功能,可在操作站上监控以下画面。
1)流程图画面:用于显示一个装置或系统的流程,并可在流程图中以用户定义的格式来显示过程数据,可实现真正的工艺流程,表现实际设备的状态。
2)总貌画面:具有32个颜色块,通过颜色变化和闪烁来代表设备的操作状态,简单地操作颜色块就可显示相应的窗口。在总貌画面上有32个独立的显示按钮,可用于显示过程状态列表、检测报警状态或调用相关的窗口。当有报警发生时,相应的操作键盘上总貌画面按键灯也会闪烁以提示操作者。总貌画面上的操作很简单,就像操作一个按钮一样,只需用鼠标左键点击总貌画面上的按钮,就可以直接调用相关的窗口或画面。总貌画面上每个按钮功能的设置是在组态时给出的,操作者无需理会。
3)控制画面:用于显示8或16个工位的仪表面板,它允许操作人员操作和监控功能块的设定值,手动输入值和功能块的工作方式(MODE)。通过软件的功能块组态成仪表面板图,显示设定值、操作输出值和状态信息。
4)调整画面:显示单个仪表的详细状态信息,包括参数清单、仪表图。用于显示某个单元的功能块或元素的仪表画面板和所有参数等详细信息。
5)趋势窗口画面:显示某个工位参数的趋势记录。
6)过程报警画面:用于显示最近发生的过程报警和信号器信息。每幅过程报警画面上最多可显示18条报警信息。而每台HIS最多可显示200条报警信息。
7)操作员指导信息画面:用于调用操作指导窗口
6 系统实现的功能
江苏沙钢集团宏发焦化厂化产车间的生产流程复杂,复杂的工艺过程对自动化控制系统提出更高的要求,通过CENTUM CS3000系统的组态功能,能够实现复杂的连续控制和顺序控制,以保证车间生产的稳定性和连续性。下面就列举一个控制回路做简单介绍,如电捕焦油器中高压瓷瓶箱的温度控制。
根据生产工艺流程的要求,希望电捕焦油器中的高压瓷瓶箱温度控制在90℃-100℃之间的恒温状态,如果温度过高,则会造成瓷瓶炸裂、高压电缆损坏、油箱密封性下降。如果温度过低,在户外温度偏低的情况下,高压瓷瓶箱便会出现结露,造成瓷瓶绝缘下降导致瓷瓶击穿破裂。通过安装在高压瓷瓶箱中的温度传感器进行在线检测,当检测到的温度过高或过低时,通过温度变送器将温度信号转换成4~20mA DC的标准电流信号经模拟量输入模块反馈给DCS系统,经DCS系统处理后通过模拟量输出模块输出一个电流信号控制电加热系统的加热量即可达到稳定高压瓷瓶箱的温度目的,控制原理如图1所示。
7 系统的保护
为保证控制系统运行的可靠性及操作、观察的方便性,监控装置配置两个监控站(或称操作站),现场控制站采用双重化配置,DCS系统的控制单元、网络总线、电源和通讯模板等均进行双重化配置,其系统配置如图2所示。
8 结束语
CENTUM CS3000系统具有良好的开放性、可靠性、灵活性、人机交互的友好性、网络通信的方便性等优点,实际证明它满足了化产车间生产工艺对DCS系统功能的可靠性提出的要求。其投入使用后运行良好,没有发生故障,说明CENTUM CS3000系统在工业环境中的控制具有相当的优势,值得推广。
摘要：集散控制系统是一种用于工业生产自动化控制的设备,本文在概述CENTUMCS3000系统的基础上,结合具体情况,阐述了集散控制系统在某焦化厂化产车间的实际应用,并简要介绍了对系统采取相应的保护措施的方法。
关键词：集散控制,系统,组态
参考文献
[1]周泽魁.控制仪表与计算机控制装置[M].北京:化学工业出版社,2002.
[2]HIS操作用户手册[Z].横河电机公司.
集散控制技术 篇10
1.1 集散控制系统的概念
集散控制系统DCS(Distributed Control System)又称分布式控制系统,是对生产过程进行集中管理和分散控制的计算机系统,是随着现代大型工业生产自动化水平的不断进步和过程控制要求日益复杂应运而生的综合控制系统,它融合了计算机技术、通讯技术、网络技术和自动控制技术,是一种把危险分散,控制集中优化的新型控制系统,由集中管理、分散控制和通信网络三大部分组成。
1.2 集散控制系统的工作过程
根据实际过程控制的要求,利用组态软件对硬件以及程序模块进行组态,包括控制回路组态,控制方案的选择,趋势画面的生成等。组态完毕后,生成一系列组态信息文件。在系统运行前,根据文件属性的不同,将这些组态信息文件下装到过程控制单元与操作员站,过程控制单元根据该组态信息文件的内容,从固化在EPROM(Erasable Programmable Read Only Memory)中的功能模块库中找到相应的控制算法并且执行。最后通过驱动装置将结果送往执行机构,完成控制目的。同时操作员站根据组态提供的内容,实现对系统生产状况的监控。
2 集散控制系统的特点
2.1 分级递阶控制
集散控制系统是分级递阶控制系统,它的规模越大,系统垂直和水平分级的范围也越广。最简单的集散控制系统至少在垂直方向分为操作管理级和过程控制级,水平方向各过程控制级之间相互协调,向垂直方向送数据,接受指令,各水平级间也进行数据交换。
2.2 分散控制
分散的含义不单是分散控制,还包括人员地域的分散、功能分散、设备分散、负荷分散、危险分散。目的是危险分散,提高设备使用率。
2.3 完善的控制功能和窗口功能
集散系统可完成简单回路调节、还可以完成复杂多变量多回路模型优化控制。可以执行PID控制运算、前馈一反馈复合调节、史密斯预估、预测控制等各种运算。利用专家系统,可实现自适应控制。可进行反馈控制,也可进行间断顺序控制、批量控制、逻辑控制、数据采集,可实现监控、显示、打印、输出、报警、历史趋势贮存等各种操作要求。操作站采用高分辨率彩色显示器和复合窗口技术,画面非常丰富,各种资料、信息及时恰当地呈现在操作人员面前。平面封闭式操作键盘、各种软键、触摸式屏幕、鼠标、跟踪球标操作器等,使操作更为灵活、可靠、方便。操作站所配备的拷贝机和打印机,适应了现代化生产管理对画面和报表的要求。
2.4 易操作性
集散控制系统根据对宜人学的研究,结合系统组态、结构方向的知识,为操作工提供了一个非常好的操作环境。为操作员提供的资料、状态等信息易于辨认,报警或事件发生的信息能引起操作员的注意,长时间工作不易疲劳,操作方便、快捷。
2.5 安全可靠性高
系统硬件采用冗余技术,硬件上包括操作站、控制站、通讯线路等都采用双重化配置,使得在某一个单元发生故障的情况下,仍然保持系统的完整性,即使全局性通信或管理失效,局部站仍能维持工作。从软件上采用分段与模块化设计,积木式结构,采用容错设计,使系统安全稳定。系统具有抗干扰能力,对测量信号和控制信号要经过隔离处理,信号电缆进行良好的接地和屏蔽。采用不问断供电设备,用带屏蔽的专用电缆供电。考虑到交流电源停电事故,采用镍镉电池、铅钙电池及干电池的掉电保护措施。采用危险分散、连续监视、故障报警、横向联锁、分级操作等措施,保护系统安全可靠地进行。
2.6 采用局部网络通信技术和标准化通信协议
采用局部网络把各工作站连接起来,实现资料、指令及其它信息的传输。局部网络实行无主站的n:n平等通信,信息传输速率高,误码率低,实时性好,安全可靠,分布式数据库资源共享,便于信息的综合管理、集中显示和操作,便于控制功能的分散。集散控制系统的开放使各不同制造厂的应用软件有了可移植性,系统间可以进行数据通信,为用户提供广阔的应用场所。
2.7 系统构成灵活方便,存储容量大
集散系统采用局部网络,使系统扩展十分方便。系统用组态方法构成各种控制回路,当变更控制方案时,只要变更程序,无需增添设备或更换接地线就能修改控制方案,对生产工艺及流程的改变具有较强的适应性。信息存储容量大,有极强的管理能力,可实现生产过程自动化,工厂自动化等目标。
2.8 适用于生产控制
用于各种生产控制,有良好的性能价格比,不但其硬件适应生产控制,而且软件的适应性也稳定,随着系统开放第三方的应用软件也可方便应用。
3 系统的设计方法及应用
3.1 设计思想
围绕模拟锅炉、管式电阻炉及水箱等对象,以锅炉、管式炉的温度及水箱的液位或压力作为被控参数,分别选择热电阻、热电偶及压力变送器作为测量元件,再配备相关变送器和执行部件,采用AI-808智能仪表或KMM可编程调节器作为控制器,设计的温度控制系统或水箱液位控制系统,进行参数整定后系统能稳定运行,且控制精度较高,各项性能指标均满足要求,应用结果令人满意。但是,运行或试验过程中的各种仪表操作及各类试验数据的记录与统计仍需要操作人员的反复参与,各种数据报表只能由人工完成。为进一步提高装置的自动化水平,对各项功能指标实现集中管理,在原仪表控制系统基础上进行改进,通过引入尽可能少的设备,设计实现以计算机为上位机,以多个智能控制器为现场控制级的集散控制系统。通过对上位机的软件开发,达到对多个被控对象完成不同性能指标要求的控制,同时进行监控及操作,使均满足各自性能要求为目的,实现集中管理,分散控制。如图1为集散控制系统的组成原理图。
3.2 系统组成及工作原理
DCS是以模拟锅炉、管式电阻炉和水箱为被控对象,分别提出不同控制要求,通过选择不同控制算法,由下位机或计算机直接实现其自动控制,下位机可通过上位机进行监督、调度及管理。其控制方式有仪表控制和直接数字控制(DDC)。其中DDC足以远程数据采集板卡(完成A/D和D/A转换)和计算机相连实施控制,其它回路用智能仪表进行自动调节;数据采集板卡和智能仪表均通过RS-485通信经RS-485/232转换和计算机串口相连实现数据交换,实现分散控制和集中管理与监督。在图1所示原理图中,作为监督与管理功能的PC机通过RS-485通信方式与多个AI仪表相连接,可多达到一百台,实现不同现场级的过程控制。以图1中的(虚线内)每个过程现场级为例,基本组成仍是简单过程控制系统,其结构框图如图2所示。图2中的被控对象可以是模拟锅炉、管式电阻炉及水箱;控制器选用具有通信功能的AI仪表或采用PC实现DDC控制;测量变送器选择对应被控对象的热电阻温度变送器、热电偶温度变送器及压力变送器。执行装置分别选择三相可控硅调压装置、固态开关触发器及双向可控硅凋压装置和电动调节阀。如图2,以水箱液位控制系统为例,通过智能仪表或上位监控机设置液化的给定值SP。用压力变送器测量水箱的液位高度,并把测量信号(PV)送智能仪表。智能仪表接收到PV和SP形成偏差,一方面根据控制规律进行运算并发出控制命令来改变调节阀门的开度大小,实现水箱液位定值控制。另一方面经RS-485通信把智能仪表的各种信号送上位机(PC)进行显示和记录,以便实施统一管理。
3.3 具体实现
(1)硬件部分。硬件部分是在原仪表控制的基础上进行改进而来,其基础控制回路不变,主要是实现下位机和上位机的连接。连接方式是各仪表间采用RS-485通信。再经RS-485/232转换器和PC机相连。每台仪表被赋予各自的地址编码,用以识别身份,实现一对多通信。这样汁算机经过串行通信便能通过通信线对挂在下面的所有仪表进行控制操作。(2)软件部分。采用工控组态软件(MCGS)来开发系统的应用软件,能够解决实际工程问题,完成设备、数据库及用户窗口的管理;具有方便友好的人机交互界面,能实现数据采集、实时和历史数据、报警安全机制、工艺流程控制、动画显示,实时和历史曲线及报表输出等功能。(3)系统调试与运行。系统调试首先对各个现场级回路进行,保证各现场级能正常工作。然后完成智能仪表和PC机间的凋试,主要是对仪表的正确设置及保证通信畅通,通过设备窗口完成设置与调试。
设备调试在“设备调试”属性页中进行,以检查和测试模块是否正常工作。在进行调试前,要先接好模块电源和串行通讯线,把模块地址、波特率和各种参数设置正确、Addr参数必须和模块地址一致,串口号、波特率、数据位位数、停止位位数、校验方式必须和父设备的设置一致。打开主机即可调试。调试正确后,使系统运行,先使各现场级在智能仪表控制下手动运行,启动所开发的应用软件,观察PC机和各下位机的通信情况、PC机正确采集到智能仪表的相关信息、参数及系统运行状况。
4 集散控制系统的发展趋势
随着科技的发展和人们的要求,DCS在系统的功能、可靠性、通信速率、兼容性、方便用户运用及可维护性方面必将有很大的提高和发展。(1)未来的集散型过程控制系统将更加开放,即改变过去DCS各厂家自成体系的封闭结构,组成一个连接规则标准化的开放系统网络,如采用开放式的具有层次结构模块化的体系结构,使不同厂家的设备能够灵活地相互组合、进行通讯。(2)微型化及结构分散化。系统采用分级结构,一机一回路是发展趋势,这样,使得危险更加分散,但同时带来的问题是成本将增加。(3)丰富的软件功能。标准模块化的系统应用软件将具备调节控制、约束控制和优化控制功能、专家系统,模糊控制理论机神经网络将应用于DCS。(4)通讯网络光缆化。采用光导纤维实现通讯,统一通讯规则是今后的方向。(5)与PLC相互渗透。PLC与DCS系统相互融合,是控制领域的趋势。此外,随着系统的灵活性、扩展性、可靠性和性能价格比的不断提高,DCS系统将完全取代常规控制系统,其应用和发展必将跃上一个新台阶。
随着控制技术、计算机技术、网络通信技术、人工智能、智能仪表、集成技术等高新技术的发展和各种理论的完善,集散控制系统己向更广更深层次发展,如CIMS系统、CIPS系统和FCS系统等。
总之,未来的集散控制系统将随着计算机的发展而发展,高级智能化的判断、策略及控制规律的出现,新技术成果的不断丰富,将使集散控制系统发生再一次飞跃,并赋予新的概念、新的内容,站立在新技术革命工业生产发展的前沿。
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