DCS自动控制系统演示幻灯片.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,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。,什么是,DCS,自动化控制系统？,1,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,，,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。,其次这是一种完全对现场,I/O,（输入和输出通道）,处理并实现直接数字控制（,DOS,）功能的网络节点。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。,2,DCS,存在的前提：,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,。,3,电脑控制,电脑在线监控,4,DCS,的发展历程,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。,而现在,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。,5,DCS,集散控制系统的工作原理,DCS,控制系统,(DIstributed Control System,，分散控制系统,),是随着现代大型工业生产自动化的不断兴起和过程控制要求的日益复杂应运而生的综合控制系统。,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。它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机，通信、显示和控制等,4C,技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活以及组态方便。,6,7,集散控制系统及应用,一、集散控制系统的基本概念,二、集散控制系统的基本结构,三、,DCS,的基本组成部分,四、,DCS,的特点,五、,DCS,功能设计,8,集散控制系统的基本概念,集散控制系统是以微处理为基础的集中分散控制系统，它的主要特征是集中管理和分散控制。,基本思路：（霍尼韦尔公司）,1,、把集中的计算机控制系统分解为分散的控制系统，有专门的过程分散控制装置，在过程控制级各自完成过程中的部分控制和操作。,2,、从模拟电动仪表的操作习惯出发，开发人,机间良好的操作界面，用于操作人员的监视操作。,3,、为了使操作站与过程控制装置之间建立数据的联系，建立数据的通信系统，使数据能在操作人员和生产过程间相互传递。,9,集散控制系统的基本结构,1,、分散过程控制装置,2,、操作管理装置,3,、通信系统,基本思想是,分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、组态方便。,10,DCS,的基本组成部分,1,、面向被控制现场的现场,I/O,控制站,。,2,、面向操作人员的操作员站。,3,、面向,DCS,监督管理的工程师站。,DCS,操作员站主要功能是为系统的运行操作提供人机界面，使操作员可以通过操作员站及时了解现场运行状态、各种运行参数、是否有异常情况发生。,11,DCS,操作员站,12,DCS,的特点,1,、分级阶梯结构,2,、分散控制,3,、自治和协调性,系统具备开放的体系结构，可以提供多层开放数据接口。,13,DCS,功能设计,1,、现场的数据采集功能,2,、监视报警功能,3,、日志管理服务器功能,4,、事故追忆功能,5,、时间顺序记录功能（,SOE,）,6,、二次高级计算功能,7,、,DCS,的人机界面,14,DCS,功能设计,硬件系统在恶劣的工业现场具有高度的可靠性、维修方便、工艺先进。底层汉化的软件平台具备强大的处理功能，并提供方便的组态复杂控制系统的能力与用户自主开发专用高级控制算法的支持能力；易于组态，易于使用。支持多种现场总线标准以便适应未来的扩充需要。,系统的设计采用合适的冗余配置和诊断至模件级的自诊断功能，具有高度的可靠性。系统内任一组件发生故障，均不会影响整个系统的工作。,系统的参数、报警、自诊断及其他管理功能高度集中在,CRT,上显示和在打印机上打印，控制系统在功能和物理上真正分散，,DCS,整个系统的可利用率至少为,99.9%,；系统平均无故障时间为,10,万小时，实现了核电、火电、热电、石化、化工、冶金、建材诸多领域的完整监控。,“域”的概念。把大型控制系统用高速实时冗余网络分成若干相对独立的分系统，一个分系统构成一个域，各域共享管理和操作数据，而每个域内又是一个功能完整的,DCS,系统，以便更好的满足用户的使用。,CRT,是一种使用阴极射线管,(Cathode Ray Tube,）的显示器,15,DCS,功能设计,网络结构可靠性、开放性及先进性。在系统操作层，采用冗余的,100Mbps,以太网；在控制层，采用冗余的,100Mbps,工业以太网，保证系统的可靠性；在现场信号处理层，,12Mbps,的,PROFIBUS,总线连接中央控制单元和各现场信号处理模块。,标准的,Client/Server,结构。有的,DCS,的操作层采用,Client/Server,结构,开放并且可靠的操作系统。系统的操作层采用,WINDOWS NT,操作系统；控制站采用成熟的嵌入式实时多任务操作系统,QNS,以确保控制系统的实时性、安全性和可靠性。,标准的控制组态软件。系统采用,IEC61131,3,标准的控制组态工具，可以实现任何监测、控制要求。,可扩展性和可裁剪性，保证经济性。,16,模糊,PID,一 模糊控制概论,二 经典,PID,控制,三 模糊,PID,控制,四 应用,-,基于,DCS,系统的热水锅炉模糊,PID,控制系统,17,一、模糊控制概论,什么叫模糊控制？,所谓模糊控制，就是对难以用已有规律描述的复杂系统，采用自然语言（如大、中、小）加以叙述，借助定性的、不精确的及模糊的条件语句来表达，模糊控制是一种基于,语言,的一种智能控制,18,为什么采用模糊控制？,传统的自动控制控制器的综合设计都要建立在被控对象准确的数学模型,(,即传递函数模型或状态空间模型,),的基础上，但是在实际中，很多系统的影响因素很多，,很难找出精确的数学模型。这种情况下，模糊控制的诞生就显得意义重大。因为模糊控制不用建立数学模型,不需要预先知道过程精确的数学模型,。,19,工作原理,把由各种传感器测出的,精确量,转换成为适于模糊运算的,模糊量,然后将这些量在模糊控制器中加以运算,最后再将运算结果中的模糊量转换为精确量,以便对各执行器进行具体的操作控制。,在模糊控制中,存在着一个模糊量和精确量之间相互转化的问题,20,模糊控制原理图,21,s:,系统的设定值。,x,1,x,2,:,模糊控制的输入,(,精确量,),。,X,1,X,2,:,模糊量化处理后的模糊量。,U:,经过模糊控制规则和近似推理后得出的模糊控制量。,u:,经模糊判决后得到的控制量,(,精确量,),。,y:,对象的输出。,22,工作步骤：,输入量模糊化,建立模糊规则,进行模糊推理,输出量反模糊,23,模糊控制的特点,适用于不易获得精确数学模型的被控对象,是一种,语言变量,控制器,从属于智能控制的范畴。该系统尤其适于非线性，时变，滞后系统的控制,抗干扰能力强，响应速度快，并对系统参数的变化有较强的鲁棒性,24,模糊控制规则及控制算法,模糊控制规则是人们用于描述其控制经验的语句，这种语句采用形式逻辑所采用的传统格式，但是在这些条件语句中，前件和后件都是模糊词。所以，这些条件语句就成了,模糊条件语句,。从而也较恰当地反映了人们的控制经验。用于 叙 述 人们经验的基本语句结构有三种形式,;,它们分别反映了三种基本的推理。,25,1.(A-B),结构,这种推理是一种最简单的蕴含关系，在语言表达时表示为,“,若,A,则,B,，即有,:,if A then B,2(A-B)V(A,-C),的结构,这种推理较之前一种复杂。这种蕴含关系在用语言表达时叙述为,“,若,A,则,B,，否则,C,即有,:,if A then B else C,3.(A,B-C),结构,这种推理的前件有两个零件，这种蕴含关系在语言表达时叙述为,:,“,若,A,且,B,，则,C,即有,:,if A and B else C,26,模糊控制规则的生成,模糊控制规则是对系统控制经验总结这些经验用模糊条件语句来表述。模糊控制规则的生成有四种方法，如下,:,(1),模拟专家经验或过程控制知识生成控制规则。,(2),根据过程的模糊模型生成控制规则。,(3),根据对手工控制操作的观察和测量生成控制规则。,(4),根据学习算法生成控制规则。,27,因为这种方法较为简单，应用较广，行之有效专家经验是以语言描述一个控制过程的。例如对于一个空调制冷控制系统，专家经验可表示为下列模糊规则,:,如果 温 度 过高，则马达置于快速档上,;,如 果温 度 较高，则马达置于较快速档上,:,如果 温 度 恰当，则马达置于中速档上,;,如 果 温 度 凉，则马达置于低速档上。,这种 语 言 的控制经验很容易用,“,if-then,”,这种条件语句夹表示。,28,结论：,实行模糊控制要进行三个方面的工作,:,精确量的模糊化,把语言变量的语言值化为某适当论域上的模糊子集,;,模糊控制算法和设计,通过一组模糊条件语句构成模糊控制规则,并计算模糊控制规则决定的模糊关系,;,输出信息的模糊判决,并完成由模糊量到精确量的转化,29,四 应用,基于,DCS,系统的热水锅炉模糊,PID,控制系统,30,基于,DCS,系统的热水锅炉模糊,PID,控制系统,在某热力公司,46MW,热水锅炉的燃烧控制改造工作中,在原有,DCS,系统中采用了复合模糊,PID,控制器进行锅炉出水温度的控制,解决了外界气温变化与锅炉燃烧实时调节的矛盾,并在工程中实际应用,取得了较好的控制效果。,31,原有集中供热自控系统存在的问题,此集中供热中心始建于,1997,年,有,5,台设计总容量为,275T/H,的热水锅炉,其中,3,台,65T/H,2,台,40T/H,新增,1,台,90T/H,。控制系统以出水温度信号为被调量,通过单台热水锅炉的燃烧控制系统的炉排给煤控制、送风控制和负压控制系统,以及补水定压控制系统,达到出水温度的控制。使用至今,已不能满足供热的要求,特别是温度控制系统温控精度低,消耗煤炭量大。,根据锅炉运行的控制要求,在原有,DCS,系统,SUPMAX-500,集散控制系统中实现锅炉燃烧的智能控制,在炉排转速控制中结合模糊控制与,PID,控制的优点,采用模糊,PID,算法实现锅炉出水温度的控制。,32,设计思路,根据锅炉运行的控制要求,在原有,DCS,系统,SUPMAX-500,集散控制系统中进行改造,将原来的,PID,控制改进为模糊,PID,复合控制,采用模糊,PID,切换控制策略,在误差大于最大误差量程的,7%,时,采用模糊控制算法,误差小于,7%,时,采用,PID,控制算法。,这样既克服了传统,PID,控制响应慢的缺点,又克服了模糊控制不精确的缺点,使系统稳定可靠,提高了系统的整体性能。,33,锅炉出水温度控制的方法和要求,热用户生活舒适的需求就是对室内温度恒定的需求,由供水温度,TG,决定室外温度为,-10,4,时,在一定供热面积情况下对热网供水温度进行调节。随着室外温度的降低,逐渐提高供水温度至,130,。经过公司多年热力运行的数据得出供水温度,TG,与室外温度,Tw,之间有如下关系,:,TG=90-4TW(1),为了在不同的室外温度,TW,下,供水温度,TG,满足上式,通过调节炉排转速、鼓引风配比等因素控制锅炉燃烧来实现。,34,模糊控制算法及其实现,1),确定模糊控制结构。在每个燃烧周期,根据出水口温度测量值和由式,1,计算出的设定温度,TG,对比,求出温度偏差,e,以及每个周期的温度偏差的变化,ec,作为模糊控制的,2,个输入量,炉排转速的百分比,(MV),作为输出量形成双输入单输出模糊控制结构。,2),确定各变量的模糊集。误差,E,的模糊量取,7,个,:,即,PB,、,PM,、,PS,、,Z0,、,NS,、,NM,、,NB,分别表示正大、正中、正小、零、负小、负中、负大。量化到整数论域为,:E=-3,-2,-1,0,1,2,3,。,35,由于温度变化缓慢,由观察所得,确定温度变化率,E,取,0.2,E,的模糊量取,7,个,:,即,PB,、,PM,、,PS,、,0,、,NS,、,NM,、,NB,分别表示正大、正中、正小、零、负小、负中、负大。量化到整数论域为,:EC=-3,-2,-1,-0,、,+0,、,1,、,2,、,3,。,输出炉排速度,U,的模糊量取,7,个,:,即,PB,、,PM,、,PS,、,0,、,NS,、,NM,、,NB,分别表示正大、正中、正小、零、负小、负中、负大。量化到整数论域为,:U=-7,-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6,7,。,36,在设定温度上下分别取,6,个偏离值将温度模糊分割为,7,个区域,形成出水口温度的模糊集,(T-LL,T-LM,T-LH,T-NM,T-HL,T-HM,T-HH),然后再依据燃烧周期把每个周期温度变化在,0,值左右分别取,6,个偏离值,以便将温度变化率模糊分割为温度变化模糊集,(BT-LL,BT-LM,BT-LH,BT-NM,BT-HL,BT-HM,BT-HH),。,37,3),确定各变量的论域。根据该锅炉具体情况,温度的论域换算百分数,差值设置为,(-3,-2,-1,0,1,2,3),。温度变化的论域设置为,(-0.06,、,-0.01,、,-0.005,、,-0,、,0.005,、,0.01,、,0.06),炉排转速调节炉排转速增量的论域,(%),设置为,(-2,-1,-0.5,0,0.5,1,2),。,4),建立模糊控制规则。模糊推理依据模糊语言规则进行,根据当前出水口温度和温度变化通过模糊条件语句确定模糊控制规则。,38,5),模糊变量赋值。根据隶属度函数确定出水口温度、温度变化与炉排转速变化的隶属度赋值表。,6),建立控制规则表。根据模糊控制规则以及最大隶属度方法,将控制量由模糊量变为精确量。即炉排转速变化的百分值,锅炉控制规则见表,1,。,39,40,7),在每个燃烧周期,根据当前出水温度设定值,通过查表的方法确定炉排转速的增量。,使用组态语句可以实现炉排转速的模糊控制。,设,:PC,为误差,;CPC,为误差变化率,;BSC(0).MV,为炉排,1,转速的阀度,;BSC(99).MV,为中间值表示转速阀度的增量,;(,如,BSC(0).MV=50,表示炉排,1,的转速为最高转速的,50%),。,锅炉炉排的实际转速计算为,:BSC(0).MV=BSC(0).MV+BSC(99).MV,规则表参数中炉排转速变化值对应于每个燃烧周期炉排转速的变化量。,41,炉排转速的调节与限幅,炉排转速控制给煤量,是保证锅炉经济、安全运行的重要控制对象。根据现场操作经验,电机转速不大于,1400rpm,即,70%,当电机转速达到上限后,执行器不再执行转速上升的指令。因此,必须对炉排转速设置合理的上限以防燃烧不充分,造成能源的浪费和环境污染。,为保证燃烧的经济性和安全性,鼓风转速与炉排转速之间应互相协调,保证合适的风煤比。这个比例与实际现场的煤质、炉况、变频器转速相关。引风转速与鼓风转速应互相适应,以维持炉膛负压在一定范围内,实际测量显示,温度控制偏差小于,2%,达到控制要求。,42,投运效果,(1),典型房间连续,24,小时室内温度与室外温度变化的比较室内测温平均值为,18.38,室外温度平均为,0.6625,室外温度最大差值为,8.4,室内温度最大差值仅为,.2,表明室内温度昼夜波动较小满足供热要求。,43,(2),供水温度与其设定值静差的测定实测表明,供水温度与温度设定值的跟踪情况良好,其静差平均值为,0.7125,最大静差为,1.9,最小静差为,0.2;,满足供热工艺要求。,44,结论,锅炉控制系统原有,DCS,系统中采用了模糊,PID,算法控制锅炉的燃烧,改善了锅炉燃烧状况,提高了锅炉热效率,并实现按需供热,节约了能源降低了消耗,为公司节约了大量的资金,取得了较好的经济效益。,45,