集散系统
一、集散系统定义
集散系统实质上是一种分散型自动化系统，又称做以微处理机为基础的分散综合自动化系统。

集散系统具有分散监控和集中综合管理两方面的特征，而更将"集"字放在首位，更注重于全系统信息的综合管理。

80年代以来，集散系统逐渐取代常规仪表，成为工业自动化的主流。

工业自动化不仅体现在工业现场，也体现在企业事务行政管理上。

集散系统的发展及工业自动化的需求，导致了一个更庞大、更完善的计算机集成制造系统CIMS（Computer Integrated Manufacturing System）的诞生。

集散系统一般分为三级：过程级、监控级和管理信息级。

集散系统是将分散于现场的以微机为基础的过程监测单元、过程控制单元、图文操作站及主机（上位机）集成在一起的系统。

它采用了局域网技术，将多个过程监控、操作站和上位机互连在一起，使通信功能增强，信息传输速度加快，吞吐量加大，为信息的综合管理提供了基础。

因为CIMS具有提高生产率、缩短生产周期等一系列极具吸引力的优点，所以已经成为未来工厂自动化的方向。

二、集散系统特点
（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。

三、TDC3000集散控制系统在氨合成系统中的应用
1.合成塔床层温度的主要干扰
1.1 合成塔进口氨含量
在分离能力一定的情况下，塔进口氨含量主要决定于氨蒸发器出口循环气温度。

根据有关资料和实际经验，经动态测试氨蒸发器出口循环气温度每变化 1 ℃时，塔内触媒温度最大变化，敏点变化8 ℃，热点变化 5 ℃，而且测量滞后。

如果分离不净，将导致合成塔垮温。

1.2 氢氮比
它是仅次于负荷变化的一项主要干扰。

测量存在严重纯滞后，纯滞后时间长达20 min 以上，而且具有累积特性。

本工段无法控制。

1.3 加减负荷
对于氨合成的生产，加减量机会多，干扰的阶跃特征非常明显，干扰影响非常大。

它是系统的主要干扰，它对系统的干扰比气质大。

负荷增加，温度上升；负荷减少，温度下降。

而且负荷变化，影响升降温速率。

1.4 循环量
循环量一般把它当成一种调节手段，而非一种干扰。

但是人为改变循环量，则会对系统造成干扰。

循环量改变空速，空速大，则移出的热量多，温度下降。

反之，温度上升。

一般情况下，通过调节近路阀来改变循环量大小。

1.5 有害气体
CO+CO2进入工段前不得大于50 PPM。

超过指标将导致触媒中毒，如切气则造成负荷大幅度波动。

CH4和Ar 具有累积特性，必须适时放空。

1.6 催化剂活性
随着触媒的使用，其活性逐渐下降，热点位置下降。

不同的触媒，不同的使用条件，下降的规律不同。

2. TDC3000 系统构成
根据氨合成系统的设备及工艺情况，结合TDC3000系统特点，系统配置如下：两个操作站US01，US02，其中US01 组态时为工程师站，退出工程师站后作为操作站；US02作为操作站；LCN 网冗余配置；UCN 网冗余配置；一块历史模块HM；两个网络接口NIM01 和NIM02；一个高性能过程管理站HPM。

Ｉ/０卡件配置如下：高电平输入卡件，8 个卡件，其中 4 个卡件是1∶1 冗余；低 4 个电平输入卡件，模拟输出卡，4 个卡件，1∶1 冗余数字输入卡，1 个卡件；数字输出卡，1 个卡件。

3.重要控制方案
3.1 合成塔温度控制
被控变量的选择，氨合成塔的触媒随着时间会慢慢老化，温度热点也会变化，我们采用多选一模件自动选择热点作为被控变量。

操纵量的选择，合成氨温度调节一般有四种手段：(1)调节透平机进路。

(2)调节合成塔副线。

(3)调节合成塔主线。

(4)系统近路阀。

采用（氨冷温度作为前馈调节+氨合成塔温度调节+CL 程序控制）组成合成塔温度复杂控制系统。

3.2 H2/N2控制
控制合成没有办法控制，造气车间是通过加减氮操作来控制氢氮比的，一般采用改变上下吹加氮时间和吹风回收时间调节加氮量。

上下吹加氮工艺上限制较强，且调节作用弱。

故采用改变吹风段回收时间作为调节手段。

被控变量的选择，合成氨工艺流程长，滞后时间大，经实际测量，滞后时间长达25~45 min，系统响应慢，干扰因素多，采用常规控制方案难以控制，故采用串级调节方案，且主环采用采样调节策略，副环采用新鲜氢控制，克服干扰能力强，大大减小广义对象滞后时间常数。

3.3 氨蒸发器高压气体出口温度超驰调节
这个方案在采用立式氨蒸发器时较好，换热管的排列方式决定了液位能够在大范围内升降，大幅度的改变换热面积能够有效的控制循环气温度，从而控制好合成塔进口氨含量，从而为合成氨温度控制创造良好条件。

在正常情况下，由氨蒸发器高压气体出口温度控制加氨阀；当氨蒸发器液位达到高限时切换到氨蒸发器液位调节系统，以防氨蒸发器气体中带液氨；当氨蒸发器气氨温度过低时，氨蒸发器气体中带液氨可能，切换到氨蒸发器液位调节系统；这样既保证氨蒸发器高压气体出口温度尽可能低，同时又保证氨蒸发器不带液氨。

程序切换通过编制CL 程序来实现。

四、总结
从收集的集散系统资料可以看出，集散系统是一个集分散控制与集中管理于一身的控制方式，其中Honwy Well公司的TDC-3000在集散控制系统这个方面处于领先地位。

而且，随着时代的发展，渐渐形成了以数字信号为基础的先进工业控制技术—现场总线，使集散控制技术进入了一个新的高度。

由于集散控制系统不仅具有很好的可靠性，多功能性，而且人机联系方便，能够完成各类数据的采集与处理以及高级控制，因此将成为现在以及未来自动化的发展方向。

在本篇文章中还列举了TDC3000集散控制系统在氨合成系统中的应用，更加显示了集散控制系统的重要性。

首先，在设计一个集散控制系统时，必须对所要控制的量做一个深入了解，找出可能造成影响的干扰因素，并想出对每一个可能对系统造成的干扰量的减小或消除的方式，并考虑是否要对被控量引入反馈控制调节。

如在氨合成系统中就首先列举了可能对合成塔床层温度造成的干扰因素，通过对干扰因素的了解与分析，才能更好的设计相应的集散控制系统，给出最优方案，便于今后的控制调试与实施。

其次，就是要根据对干扰因素的分析结果以及系统因满足的要求选择合理的集散系统配置方式，实现最优控制，如在氨合成系统中，就是根据了系统的要求以及TDC3000的特点合理的配置了TDC3000集散系统。

最后，也是最关键的一点，就是给出可行的系统控制方案，这一步的关键就在于画出系统的控制关系图，表示出系统的每一步应该经过哪些位置，采用何种技术工序，在氨合成控制系统中就采用了PID调节控制，并引入了反馈环。

而描绘控制流程图正是设计控制系统的关键，通过拟定出相应的控制流程图，能让所有的控制对象经过的站点以及采用的控制技术变得清晰，也是为更好的拟定控制方案做准备。

同时也为今后的系统分析与修改提供了便利。

通过从扰动量分析到最后给出控制方案并实施的过程的了解，使我渐渐懂得一个集散控制系统分析与设计的过程，也让我增长了许多关于集散系统的知识，为今后集散系统的分析与学习奠定了良好的基础。