DCS系统培训.

DCS组成
操作站
……
过程控制级
通讯系统
……
现场控制级
现场控制如何实现?
现场控制如何实现？
现场 现场调节 中央控制室中进行变量显示、 计算以及操纵阀门
显示
电缆，可能有几百米长
DCS
现场控制如何实现？
现场仪表：4-20mA、0-5V、Pt100、TC(mV)、开关量信号…
传感器、变送器
I/O卡件：A/D转换
积分时间
积分作用（I）
积分作用：弱->强 与比例共同作用， 消除余差
稳定性： 好->差
比例积分微分控制器
de u K c (e edt Td ) u0 0 dt
1 Ti t
1 Gc ( s) K c (1 Td s) Ti s
微分时间Td 对系统性能的影响 微分作用的增强（即Td 增大），从理论上讲使系统的 超前作用增强，稳定性得到加强；微分作用主要适合 于一阶滞后较大的对象，如温度、成份等。
Tsp Tm 进料 T
出料 TC
u
Rf 燃料
目标
目标通过调节燃料流量（操纵变量），使进料温度（ 被控变量）保持在其设定值；
安全性：确保生产过程中人身及设备安全，保护或减 少生产过程对环境的影响； 稳定性：确保产品质量及产品的长期稳定，抑制外部 的干扰； 经济性：实现效益最大化及成本最小化。
PID整定方法
经验法 临界比例度法
响应曲线法
PID整定方法1-经验法
针对被控变量类型的不同，选择不同的PID参数初始值 ，投运后再作调整。尽管简单，但即使对于同一类型 的被控变量，如温度系统，其控制通道的动态特性差 别可能很大，因而经验法属最为“粗糙”的整定法。 温度T: P=20～60%,T=180～600s,D=3～180s。 压力P: P=30～70%,T=24～180s。 液位L: P=20～80%,T=60～300s。 流量F: P=40～100%,T=6～60s。
540 520 500 480
kPa
460 440 420 400 380
0
10
20
30 s
40
50
60
根据实际曲线的细调
在现场调节中，根据相应曲线，对PID参数进行细调 P=33.33%，Ti=10s（参考值）
PID参数调节例（1）
P=16.7%，Ti=80s
积分强度不够，比例过强
PID参数调节例（2）
PID整定方法3-响应曲线法
Tsp Tm 进料 T
出料 TC
u
Rf 燃料
PID整定方法3-响应曲线法
PV变量的单位阶跃响应（沿着拐点作切线）
增益
时间常数
纯滞后时间
PID整定方法3-响应曲线法
注：给出了PID参数的参考初始值，一般需要根据控制效果进行细调
响应曲线法例子
100 70
MV
%
50 25 0 40 600 45 50 55 60 s 65 70 75 80
过程控制系统的分类
反馈控制系统-----反馈控制系统是根据系统被控量与给定位的偏 最常用 差进行工作的，最后达到消除或减小偏差的目的，偏差值是控制 的依据。又称闭环控制系统。是过程控制系统中最基本的一种；
前馈控制系统-----直接根据扰动量的大小进行工作的，扰动是控 制的依据。不构成闭合回路，故也称为开环控制系统。由于前馈 一般不单独使用 控制是一种开环控制，无法检查控制的效果，所以在实际生产过 程中是不能单独应用的；
比例 主要功能 消除扰动
积分 消除余差
微分 改进控制性能
指标 强度关系
比例度P P越大，比例越 弱
积分时间Ti Ti越大，积分越弱
微分时间Td Td越大，微分越强
被控对象特性分类
流量：一般响应速度较快，宜用PI 压力：响应速度既有快的，也有慢的，PI
液位：一般精度要求不高，可用P
温度：典型的慢对象，控制精度要求高，建议采用 PID
Input (Anolog Input 、Digital Input)
控制器处理：线性转换、限幅、滤波、小信号切除等
控制器
Output (Anolog Output、Digital Output)
I/O卡件：D/A转换
现场调节阀、电池阀、电机等：4-20mA、DO….
执行器
DCS输入信号
热电阻； 热电偶；
从人工控制到自动控制
操作人员： 通过长期实践，积累阀门调节的经验 自动控制专家： 将这些经验转化为数学语言，让计算机（DCS主控卡 ）代替人脑调节阀门。 ——通过编程，使计算机具有了一定的智能
PID的角色
PID（比例、积分、微分） 定量地解决了： (1) 关多少？ (2) 持续多少时间？ (3) 关闭速度为多少？ (4) …
Tsp Tm 进料 T
出料 TC
u
Rf
温度变送器 控制器 气动调节阀
燃料
方框图
负反馈
扰动 D 干扰通道 GD (s) 偏差 e 控制器 Gc (s) 控制变量 u 操纵变量 q 执行器 Gv (s) 控制通道 Gp (s) 被控对象
设定值 ysp
+
+
被控变量 y
+
_ 测量值 ym
测量变送 Gm (s)
PID整定方法3-响应曲线法
临界比例度法的局限性：
生产过程有时不允许出现等幅振荡，或者无法产生正 常操作范围内的等幅振荡。 响应曲线法PID参数整定步骤： (1)将回路切换至手动状态（开环），保持MV在一个固 定值保持不变，等待PV值稳定。（前提是工况允许） (2)改变MV值，然后保持不变，即产生一个阶跃信号， 等待PV值稳定。 ------在控制理论中，此时PV的变化曲线就是一个阶跃 响应。 (3)朝MV相反方向做同样的阶跃测试。


0～10mA、4～20mA电流；
0～5V、1~5V电压； 开关量（数字量）输入；即现场干触点或电平信号； 其他信号；
DCS输出信号
开关量（数字量）输出；即对外提供触点，DCS通过触点 的通断控制现场设备。 4～20mA输出；
过程控制基本原理
DCS控制简单实例
加热炉温度控制系统
偏差 e(t)
液位 控制器
控制信号 u(t)
出水 控制阀
操纵变量 Qo(t)
测量值 hm(t)
液位传感 测量变送器
从人工控制到自动控制
若液位计提供了信息： (1) 当前液位比期望设定值低50cm (2) 液位还在继续走低 “人”如何调节阀门？ 需要关小出口阀，但还需考虑： (1) 关多少？ (2) 持续多少时间？ (3) 关闭速度为多少？ (4) …
PID整定方法2-临界比例度法
Tsp Tm 进料 T
出料 TC
u
Rf 燃料
PID整定方法2-临界比例度法
PID整定方法2-临界比例度法
根据等幅振荡曲线得到的振荡周期Pu 和产生等幅振荡的控制器增益Kcmax ， 对所选择的控制规律查表得到控制器参数。
控制规律 P PI PID Kcmax 0.5Kcmax 0.45Kcmax 0.6Kcmax 0.83Pu 0.5Pu 0.12Pu Ti Td
前馈-反馈控制系统(复合控制系统)主要优点：能针对主要扰动迅 速及时克服对被控量的影响。反馈控制的主要优点：克服其他扰 特殊情况使用 动，使系统在稳态时能准确地使被控量控制在给定值上。构成的 前馈—反馈控制系统可以提高控制质量。
前馈与反馈
几个概念
正作用/反作用：当被控变量的测量值增大时，控制器 的输出也增大，则该控制器为“正作用”；否则，当 测量值增大时，控制器输出反而减少，则该控制器为 “反作用”。 气开阀/气关阀：根据故障安全来确定，故障开为气关 阀(4-20mA对应0%-100%)，故障关为气开阀（4-20mA 对应100%-0%）
PID整定方法2-临界比例度法
1、先切除PID控制器中的积分与微分作用（即将积分时间
设为无穷大，微分时间取为0），并令比例度P为一个较 大值，并投入闭环运行； 2、将设定值作小幅度的阶跃变化，观察测量值的响应变化 情况； 3、逐步减小P的取值，对于每个P值重复步骤2中的过程， 直至产生等幅振荡； 4、设等幅振荡的振荡周期为Pu、产生等幅振荡的控制器增 益为Kcmax 。
PV
kPa
400 300 40
PV量程上下限：
0～1000kPa
500
45
50
55
60 s
65
70
75
80
求Kp：ΔMV=70-50=20(%) ΔPV=(525-375)/1000=15(%)
求τ和Tp： τ=3s Tp=6s
Kp= ΔPV/ ΔMV=0.75
响应曲线法例子
标准式下的PI参数： 比例：P=100×Kp×τ/(0.9×Tp)=41.67(%) 积分：Ti=3.3τ=9.9(s)
（一）PID控制原理
水箱液位的自动控制
Qi
h
LC
hsp Qo
测量器：液位计+人眼 控制器：大脑 执行机构：手+手动阀
Biblioteka Baidu
测量器：差压变送器 控制器：电动调节器 执行机构：自动调节阀
流程图和控制结构框图
Qi
h
LC
hsp Qo
扰动 Qi(t)
液体贮罐 干扰 通道 控制 通道 + + 被控变量 h(t)
设定值 hsp + _
Gc(s)：控制器；Gv(s)：调节阀； Gm(s)：测量变送 Gp(s)：控制通道；Gd(s)：干扰通道
几个术语
被控变量 操作变量 被控对象 PV: Process Value /Present Value ，实时测量值 SV:SetPoint (SP)/SetPoint Value，目标值/设定值 MV:Manipulated Value，操 作输出值
u(t)
u
燃料 控制阀 (+)
Rf (t)
加热炉 控制通道 (+)
+
+
T(t)
Rf 燃料
Tm(t)
温度测量变送 (+)
回路判别法的要点： （1）反馈回路中负增益环节（包括比较器）数为奇数； （2）对控制器而言，“正作用”是指Tm↑→ u↑。
PID概念及整定
几个含义
u(t)：控制器输出 e(t)：控制器输入与设定值偏差 Kc：比例增益 P：比例度，1/Kc Ti：积分时间 Td：微分时间
微分作用（D）
原理：根据将来趋势调节 提高稳定性， 使比例和积分强度可以 增加，提高控制性能。 虽然理论上很完美， 但受搞频噪声影响严重， 实际中除了惯性大的 对象（温度）以外， 用得较少
PID对控制性能影响
控制器增益 Kc或比例度PB 增益增大(即Kc 增大或比例度PB下降)，调节作用增强，但稳定性下降； 积分时间Ti 积分作用增强（即Ti 下降），使系统消除余差的能力加强，但控制系统的稳定性 下降； 微分时间Td 微分作用增强（即Td 增大），可使系统的超前作用增强，稳定性得到加强，主要 适合于特性滞后较大的广义对象，如温度对象等。
比例增益
GC (s) KC
1 *100% Kc
比例度
比例增益对控制性能的影响
比例作用： 弱->强 调节速度： 慢->快 超调量： 余差： 稳定性：
小->大 大->小
好->差
纯比例作用下，会有余差！
比例积分控制器
1 u K c (e Ti
edt) u
0
t
0
1 Gc ( s) K c (1 ) Ti s
PID控制器
P：Propotional ,比例控制器 I：Intergral,积分控制器 D：Derivative,微分控制器
是负反馈控制系统的一种算法，将设定值和测量值的 偏差做为输入，通过PID算法，计算出输出值
PID控制器
比例控制器
u(t ) Kce(t ) u0
DCS系统入门培训
浙江中控技术股份有限公司 周学美
目录
DCS系统简介
过程控制基本原理
PID原理及整定
DCS系统操作及维护
DCS系统简介
什么是DCS？
现代化工厂的控制室-1
现代工厂控制室
DCS概念
集散控制系统（Distributed Control System）：以微 处理器为基础，对生产过程进行集中监视、操作、管 理和控制，简称DCS系统 实现管理、操作和显示集中，功能、负荷和危险分散 由PLC发展而来，1975 年Honeywell公司推出了第一 套DCS系统TDC2000
Tsp Tm 进料 T
出料 TC
根据控制阀的“气开气关”的选 择原则，应选“气开阀” 调节阀的气开气关？ （+）， 假设温度控制器为正作用（+），
u
即Tm↑→ u↑；则
Rf 燃料
结论：该控制器的作用方向不能为正作用，而应为反作用 （-）.
如何构成负反馈
Tsp Tm 进料 T
出料 TC
D(t) Tsp e(t) + 温度 控制器 (?)