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1、DCS控制系统原理及应用,概述分散控制系统DCS(Distributed Control System)通过操作站对整个工艺过程进行集中监视、操作、管理。通过控制站对工艺过程各部分进行分散控制。一、系统基本构成,工程师站,现场控制站,操作站,控制网络,上位计算机,）操作站：用于对工艺过程的集中监视、操作和管理。）现场控制站：通过与现场的仪表连接，实现对现场仪表的控制功能）工程站：用于组态和维护4）控制网络：用于连接系统内各部件的实时控制网。,二、系统的特点、控制功能多样化：控制站控制功能强大，内部有完善的控制功能模块，可根据控制对象的不同的要求实现许多复杂的控制、顺序控制和联锁保护。、操作简便
2、：系统的操作功能强大，给提供操作人员了许多便利的操作功能，操作人员通过操作画面方便完成各种操作功能。、系统便于扩展：系统设计结构便于增加卡件、增加机架、增加操作站和增加控制站，便于装置的扩能改造。、维护方便：系统设计按照标准设计、硬件模块化、系统配备自诊断软件，方便检测系统故障。、可靠性高：硬件制造水平高，冗余措施、自诊断技术强。、便于其他系统连接：配备了完善的通讯接口，方便与其他控制系统通讯，和上位生产工具管理连接。,三、DCS系统在我厂的应用,按生产厂商（日本横河、美国霍尼韦尔、浙江中控、和利时）、日本横河CENTUM-CS（催化）CENTUM-CS1000(氮氧站）CENTUM-CS30
3、00（联合、重整加氢、1#焦化、1#加氢制氢、排水、75吨锅炉、航煤罐区）、美国霍尼韦尔:TDC-3000（30万吨气分、10万吨聚丙烯）TPS（烷基化、MTBE、10万吨气分）、浙江中控JX-300(溶剂油）ECS-100（2#常压、2#焦化、3#加氢、2#硫磺）ECS-700（1#常压）、国产和利时 HS-2000（新球罐）SM（一、四循）,联合CENTUM-CS3000配置图,EWS,HIS163,ICS162,ICS161,ICS160,ICS159,ICS158,FCS101,FCS102,V-NET,E-NET,横河系统典型的系统结构,FCS10,烷基化-气分TPS-TDC3000
4、系统配置图,LCN,霍尼韦尔系统典型的系统结构,横河系统控制站,横河系统的内部结构,横河系统控制站控制单结构图,横河系统操作站的操作键盘,Plant Information Network,GUS人机界面,HM历史数据服务,PHD工厂数据库系统,HPM高性能过程控制器,远程 I/O,NIM实时数据服务,Engineer tools,工厂应用平台,APP/AM应用过程平台,LCN,UCN10,FSC故障安全控制器,UCN1,霍尼韦尔系统典型结构,霍尼韦尔系统集中控制结构,霍尼韦尔系统典型操作站,霍尼韦尔系统控制器结构图,霍尼韦尔系统操作键盘,浙江中控DCS系统结构图,浙江中控DCS系统集中控制结
5、构图,浙江中控DCS系统机柜图,浙江中控DCS系统控制单元图,四、DCS系统的功能介绍,1、操作和监视功能 通用功能、标准操作和监视功能、操作和监视支持功能、系统维护功能、控制状态显示功能、趋势功能。A、通用功能：1、操作屏幕方式:全屏方式、多窗口方式、10个窗口 系统信息窗口：各种系统信息。2、窗口尺寸调整：50%、80%、100%。3、画面设置：动态窗口设置、弹出窗口设置。,B、标准操作和监视功能,1）总貌画面：全装置的总貌，通过它判断装置运行是否正常,过程总貌窗口：32个信息块/窗口2）流程图画面：静态设备、机泵、管线，动态变化、变色闪烁的工 艺数据、棒图、可调出仪表面板，工艺操作的主要
6、手段,2500个窗口/HIS，400数据/窗口，200色变/窗口，8个条件/色变。3）控制组画面：八个工艺相关联的仪表面板可单独操作，8个或16个仪表面板/窗口4）趋势画面：八个工艺参数趋势记录，系统规定了每个参数的总点数，记录的时间长短与采样时间间隔有关，通过它可调出点趋势图，用于工艺分析，8笔/窗口，800个窗口/HIS（50个趋势模块/HIS）5）调整画面：每个控制功能模块的详细调整，PID参数设定、上下限报警输出、输出限幅、1个回路/窗口，100000个窗口/HIS6）过程报警画面：100个点的报警一览表。18个报警/窗口，200个报警/HIS7)控制方案图窗口：显示控制方案图的数值和
7、报警状态。,DCS系统窗口调用功能键,DCS系统流程图,DCS系统控制分组画面,DCS系统调整画面,DCS系统过程报警画面,C、操作和监视支持功能1）过程报警功能：过程报警优先分（高、中、低、记录）报警方式（系统信息、闪烁、流程图闪烁、颜色变化、操作键盘、蜂鸣器、存入文件、打印）2）安全功能：操作员、班长、工程师级别。3）过程历史报告：记录DCS历史记录。4）报表功能：班报、日报、月报，定时打印、随时打印。D、系统维护功能 1）系统状态画面：操作站、控制站、通讯网络状态汇总。2）系统报警画面：系统报警一览表、报警方式（系统信息、闪烁、流程图闪烁、颜色变化、操作键盘、蜂鸣器、存入文件、打印）。3
8、）操作站状态画面：CPU、电源卡、通讯卡的状态。4）控制站状态画面：CPU、电源卡、通讯卡、通讯总线、I/O卡的状态。,横河控制站FCS维护画面 选中FCS后，双击鼠标或使用操作员键盘的光标和画面进入键，可以进入FCS维护画面，显示的内容有：FCS的类型、站号、版本号；FCS的CPU的状态、插件箱的类型、插卡的类型；前后机柜柜门的温度、风扇的状态等。在运行状态下，还可以在线下载IOM，启动/停止FCS的CPU，进行FCS的参数存储。,操作站HIS维护画面 操作站的维护画面主要有以下的几个内容：站的类型、打印机的指定、报警声音的定义、窗口显示的类型、报警、画面预设菜单、数据库等值化、32个一触式
9、功能键、操作标记、长时趋势、外设记录等。通过改变一些参数，可以改变HIS的性能及更方便的进行操作。,E、控制状态显示功能1）控制图：仪表内部控制图实际的状态，各功能块的参 数。2）逻辑图：仪表逻辑控制图的运行状态，与或非、计时器、计数器等状态。3）顺控图：顺控表的条件、动作的状态。F）开放数据功能WIN操作系统、支持DDE、OPC方式 与其它上位机通讯,2、控制站控制功能,A、标准控制功能连续控制：将系统内部强大的丰富的控制模块通过各种 方式连接实现各种简单和复杂的控制回路，如 串级，比值、前馈、选择等。顺序控制：开关、逻辑控制（顺控表、逻辑图）计算功能：工艺计算B、子系统通讯：RS-232/
10、422/485与其他子系统连接、如PLC、分析仪表。C、批量控制：流水线生产。,3、工程组态功能,A、项目组态：操作站组态、控制站组态B、模拟测试：两种方式（脱开控制站、带控制站脱开现场仪表）模拟输入信号通过控制运算得出结果。C、组态文件打印。4、DCS的可靠性、冗余技术：CPU单元、电源单元、通讯总线单元、通讯总线、控制I/O卡均采用双重化。、自检技术：DCS不断自检给出故障信息以便处理。,横河CS-3000系统中FCS冗余结构,五、PLC系统 PLC（Programmable Logic Controller)可编程序控制器最早取代传统的继电器控制装置，实现逻辑计算、计时、计数和顺序控制，
11、主要用于开关量控制，随着技术和需求的发展，PLC也可完成模拟量的控制。、的特点）应用灵活：为标准的积木式硬件结构，现场安装方便，各种控制功能通过软件编程完成。）功能完善：系统开关量、模拟量均能控制，具备许多功能模块满足不同的控制要求。）操作方便、维护简单：采用梯形图编程，易懂易学，编程和修改程序方便，硬件故障检查和处理方便。）节点利用率高：节点在程序中的使用不受限制。）安全可靠：硬件制造技术保证了可靠性。）适用范围广：中、小规模系统，开关量处理方便、逻辑功能强、适应大量的顺序控制、逻辑控制。,、系统基本组成,下位机,上位机,上位机,1)下位机：执行PLC的控制程序，完成控制功能，一般采用专用的
12、PLC厂商提供的专用的PLC程序，西门子PLC的STEP7，GE公司PLC的LM90-70,莫迪康PLC的CONCEPT。2)上位机：为人机界面，完成监视操作功能，一般采用工控软件如 IUTCH、FIX、WINCC等，功能类似DCS的监视和控制功能。3)通讯网络：上位机和下位机的通讯采用各种方式，通用的、专用的，工控软件可支持各种厂商的PLC的通讯。、,通讯网络,、我厂PLC系统的状况1)西门子PLC S7-300（老球罐、芳烃罐区、汽油罐区、供水净化池、火炬、排水污水回用、三污、聚二PK804、PK902、2#焦化高压水泵）S7-400（余热电站、原重油罐区、聚二EX801）2)GE公司PL
13、C VersaMax（聚一二工段）GE90-70（联合气压机、焦化3#压缩机、10万吨聚丙烯ESD）GE90-30（加氢压缩机）GMR(联合1#主风机)3）TRICON TS3000（重整加氢K302、催化三机组、3#加氢循环氢压缩机）TRIDENT（2#焦化压缩机）4)莫迪康PLC QUANTUM系统（锅炉水处理）,六、安全仪表系统,1、安全仪表系统(Safety Instrumented System-SIS)概念:在生产装置的开车、停车阶段，运行扰动以及维护操作期间，对人员健康、装置设备及环境提供安全保护。无论是生产装置本身出现的故障危险，还是人为因素导致的危险以及一些不可抗拒因素引发的
14、危险，SIS系统都应立即作出正确反应并给出相应的逻辑信号，使生产装置安全联锁或停车，阻止危险的发生和事故的扩散，使危害减少到最小。仪表系统用于实现1个或多个安全仪表功能.安全仪表系统包括传感器（SENSOR）、逻辑运算器（Logic solver)和最终执行元件(Final element）SIS系统应具备高的可靠性（Reliability)、可用性（Availability）和可维护性（Maintainability）。当SIS系统本身出现故障时还能保证提供安全保护功能。,2、安全仪表系统配置方案：按项目的重要性、危险性、复杂性、资金、用户使用经验和管理水平选择适宜的系统。1)、继电器组件
15、2)、单PLC类 3)、冗余PLC（双重化）二选二 4)、容错PLC（三重化）、三选二,、系统与系统的区别DCS用于生产过程的连续测量、常规控制（连续、顺序、间歇等）、操作控制管理，保证生产装置的平稳运行；SIS用于监视生产装置的运行状况，对出现异常工况迅速进行处理，使危害降到最低，使人员和生产装置处于安全状态；DCS是“动态”系统，它始终对过程变量连续进行检测、运算和控制，对生产过程进行动态控制，确保产品的质量和产量；SIS是“静态”系统，正常工况时，它始终监视生产装置的运行，系统输出不变，对生产过程不产生影响，非正常工况下时，它将按照预先的设计进行逻辑运算，使生产装置安全联锁或停车；SIS
16、比DCS在可靠性、可用性上要求更严格，IEC61508、IEC61511、ISA S84.01、SH/T3018强烈推荐SIS与DCS硬件独立设置。,、系统在我厂的应用,1）装置：ICS公司TRUSTED系统：联合催化主风系统（三重化、三选二）、GE90-70（双机热备）：10万吨聚丙烯工艺联锁 FSC系统:（催化主风系统、重整加氢工艺联锁、焦化加热炉、加氢制氢工艺联锁、2#硫磺工艺联锁）TRIDENT:（2#焦化）2）大机组：TRICON TS3000系统：（催化三机组、重整加氢循环氢压缩机、3#加氢循环氢压缩机）GE90-70：（联合气压机、焦化3#压缩机、10万吨聚丙烯ESD）,PS 8
17、312,PS 8312,MP3006,MP3006,MP3006,NCM4329,AI13700A,AI23700A,AI33700A,AO13805E,AO23805E,EICM4119,PS 8312,PS 8312,DI13503E,PI3511,操作站,SOE站,DCS,DI23503E,DO13604E,重整加氢循环氢压缩机TS3000系统配置图,TS3000系统三重化结构,10万吨聚丙烯装置ESD系统GE90-70HSR,故障安全管理系统（FSC）的结构,七、仪表系统发展的方向,1、现场总线1）现场总线的概念：现场的温度、压力、流量、液位信号变送器已数字化智能化，内部有计算机芯片，
18、可处理现场信号，就地闭环控制，取消控制站，可对信号进行远距离的通讯，采用串联方式接入操作室的操作站。2）现场总线的结构3）现场总线的优点节省布线、减少室内设备、控制室的大小等,现场总线,现场总线,控制器1,控制器2,现场,操作站,控制室,2、先进控制技术（APC）1）先进控制技术:对用单回路无法控制好复杂的控制对象，用多输入多输出先进控制器，把控制对象（如塔、炉、反应器）进行多参数整体控制，从而提高整个装置的平稳性，为卡边操作、挖掘装置效益创造条件。2）先进控制技术实施形式,APC工作站（运行APC软件、改变DCS的设定值）,DCS,控制对象,3）多变量预估控制技术,多变量预估控制技术已经商品
19、化，主要产品有Honeywell公司的RMPCT、和ASPENTECH公司的DMCplus,而目前在石化企业中使用最广泛和技术最成熟的是Honeywell公司的RMPCT。RMPCT为多输入多输出系统，首先确定控制目标，选择PV、MV、SV等，建立控制算法，根据多输入变量，结合装置生产对象的内部机理建立的模型，通过RMPCT运算多输出，改变DCS系统中各控制参数的设定值，从而达到控制目标。DMCplus 动态矩阵控制是基于阶跃响应模型的一种带约束的多变量预测控制算法，采用阶跃响应模型，算法简单、鲁棒性强、适用于纯滞后等过程。4）我厂APC的应用 10万吨聚丙烯、联合催化、1#气分,3、DCS的
20、发展方向,1）开放化，采用XP系统，大量采用WONDOWS 的技术，与其他系统通讯方便，采用网络通讯、控制。2）操作站采用普通PC（DELL），维护维修方便，降低成本。4、仪表的智能化1）从变送器、调节器、调节阀各种仪表大量采用智能化，设定参数多、方便、准确，采用手持编程器。2）采用HART协议，在4-20MA的基础上叠加数字信号。5、全厂管控一体化1）“全厂管控一体化”，即全厂管理和控制功能有机地结合在一起，各类生产和管理信息从下而上层层处理，共享信息资源，控制指令从上而下逐级指挥，直到生产装置的控制回路。2）DCS采用XP操作系统，可以与其他控制网络、管理网络连接，形成公用的开放的系统,世界各大DCS厂商分分与软件公司合作，推出全厂管控一体化系统各自全厂管控一体化系统，其中包括生产控制、生产调度、油品调和、销售、财务。,
