DCS課程設計水箱液位串級控制解析

1、目 錄1 題目背景與意義11.1 題目背景11.2 課題意義12 設計題目介紹12.1設計內容和要求12.2 集散控制系統基本組成22.3 設計原理及分析33 系統設計方案63.1雙容水箱控制63.2串級控制74 系統硬件設計84.1數據采集模塊84.1.1 模擬量輸入模塊84.1.2 模擬量輸出模塊94.2儀表和執(zhí)行機構選型114.3系統連線114.3.1 模擬量輸入模塊FM148A接線11模擬量輸出模塊FM151A接線125 系統軟件設計125.1組態(tài)畫面的設計135.2通訊設置136 系統仿真調試147 結論16參考文獻171 題目背景與意義1.1 題目背景集散控制系統（Distribu

2、ted control system），是以多個微處理機為基礎利用現代網絡技術、現代控制技術、圖形顯示技術和冗余技術等實現對分散控制對象的調節(jié)、監(jiān)視管理的控制技術。其特點是以分散的控制適應分散的控制對象，以集中的監(jiān)視和操作達到掌握全局的目的。系統具有較高的穩(wěn)定性、可靠性和可擴展性。該系統將若干臺微機分散應用于過程控制，全部信息通過通信網絡由上位管理計算機監(jiān)控，實現最優(yōu)化控制，整個裝置繼承了常規(guī)儀表分散控制和計算機集中控制的優(yōu)點，克服了常規(guī)儀表功能單一，人-機聯系差以及單臺微型計算機控制系統危險性高度集中的缺點，既實現了在管理、操作和顯示三方面集中，又實現了在功能、負荷和危險

3、性三方面的分散。DCS系統在現代化生產過程控制中起著重要的作用。隨著工業(yè)自動化水平的不斷提高，計算機的廣泛運用，人們對工業(yè)自動化的要求也越來越高。而DCS又有延續(xù)性和可擴充性，易學易用性和通用性，使得DCS得到長足的發(fā)展。DCS，分散控制系統，采用控制功能分散，顯示操作集中，兼顧分散而自治的集散控制系統。并隨著科學技術發(fā)展迅猛，在工控自動化領域發(fā)展中也得到很快的提高。1.2 課題意義集散控制系統是當前先進工業(yè)控制系統主要的結構形式，在高校，集散控制系統是最接近實際生產過程的一門專業(yè)課。通過此方向的課程設計，能夠聯系學生幾年來學習的網絡知識，計算機知識，儀表傳感器知識，控制系統知識，培養(yǎng)學生的控

4、制工程設計能力。主要要求鍛煉學生以下兩種能力：1.通過工業(yè)數據通信與控制網絡課程設計的學習，了解工業(yè)數據通信與控制網絡的技術貌。  2.從介紹的基礎知識入手，較深入的了解多種現場總線各自的技術特點、規(guī)范、通信控制芯片、接口電路以及控制網絡的設計與應用，熟悉工控組態(tài)軟件下的組態(tài)設計，并能進行較復雜的工業(yè)控制系統設計分析。2 設計題目介紹2.1設計內容和要求根據所提供的雙容水箱工藝對象，通過分析其對象動態(tài)特性，設計和實施完整的控制方案，具體完成： 根據提供的工藝對象，實驗室的和利時公司集散控制系統，完成系統的網絡配置，硬件系統配置。數據庫的錄入。 基礎控制系統的設計，包括溫度，液位控制、

5、流量控制、被控變量、操縱變量、控制規(guī)律、閥門特性等的選擇。并說明理由； 設計相關的控制方案，進行控制算法組態(tài)，完成工程師在線下裝； 儀表選型與儀表連接，包括控制器、測量變送裝置、執(zhí)行機構的選擇，并表達出各單元之間的信號連接； 在MACSV或PCS7上完成DCS應用組態(tài)，包括控制算法組態(tài)和監(jiān)控畫面組態(tài)；2.2 集散控制系統基本組成現場控制級 又稱數據采集裝置，主要是將過程非控變量進行數據采集和預處理，而且對實時數據進一步加工處理，供CRT操作站顯示和打印，從而實現開環(huán)監(jiān)視，并將采集到的數據傳輸到監(jiān)控計算機。輸出裝置在有上位機的情況下，能以開關量或者模擬量信號的方式，向終端元件輸出計算機

6、控制命令。這一個級別直接面對現場，跟現場過程相連。比如閥門、電機、各類傳感器、變送器、執(zhí)行機構等等。它們都是工業(yè)現場的基礎設備、同樣也是DCS的基礎。在DCS系統中，這一級別的功能就是服從上位機發(fā)來的命令，同時向上位機反饋執(zhí)行的情況。拿軍隊來舉例的話，可以形容為最底層的士兵。它們只要能準確地服從命令，并且準確地向上級匯報情況即完成使命。至于它與上位機交流，就是通過模擬信號或者現場總線的數字信號。由于模擬信號在傳遞的過程或多或少存在一些失真或者受到干擾，所以目前流行的是通過現場總線來進行DCS信號的傳遞。過程控制級 又稱現場控制單元或基本控制器，是DCS系統中的核心部分。生產工藝的調節(jié)

7、都是靠它來實現。比如閥門的開閉調節(jié)、順序控制、連續(xù)控制等等。 上面說到現場控制級是“士兵”，那么給它發(fā)號施令的就是過程控制級了。它接受現場控制級傳來的信號，按照工藝要求進行控制規(guī)律運算，然后將結果作為控制信號發(fā)給現場控制級的設備。所以，過程控制級要具備聰明的大腦，能將“士兵”反饋的軍情進行分析，然后做出命令，以使“士兵”能打贏“戰(zhàn)爭”。這個級別不是最高的，相當于軍隊里的“中尉”。它也一樣必須將現場的情況反饋給更高級別的“上?！币簿褪窍旅嬷v的過程管理級。過程管理級 DCS的人機接口裝置，普遍配有高分辨率、大屏幕的色彩CRT、操作者鍵盤、打印機、大容量存儲器等。操作員通過操作站

8、選擇各種操作和監(jiān)視生產情況、 這個級別是操作人員跟DCS交換信息的平臺。是DCS的核心顯示、操作跟管理裝置。操作人員通過操作站來監(jiān)視和控制生產過程，可以通過屏幕了解到生產運行情況，了解每個過程變量的數字跟狀態(tài)。這一級別在軍隊中算是很高的“上校”了。它所掌握的“大權”可以根據需要隨時進行手動自動切換、修改設定值，調整控制信號、操縱現場設備，以實現對生產過程的控制。 經營管理級 又稱上位機，功能強、速度快、容量大。通過專門的通信接口與高速數據通路相連，綜合監(jiān)視系統各單元，管理全系統的所有信息。 這是全廠自動化系統的最高一層。只有大規(guī)模的集散控制系統才具備這一

9、級。相當于軍隊中的“元帥”，他們所面向的使用者是廠長、經理、總工程師等行政管理或運行管理人員。 它的權限很大，可以監(jiān)視各部門的運行情況，利用歷史數據和實時數據預測可能發(fā)生的各種情況，從企業(yè)全局利益出發(fā)，幫助企業(yè)管理人員進行決策，幫助企業(yè)實現其計劃目標。 圖1 集散控制系統分布圖2.3 設計原理及分析集散系統實質上是一種分散型自動化系統，又稱做以微處理機為基礎的分散綜合自動化系統。集散系統具有分散監(jiān)控和集中綜合管理兩方面的特征，而更將"集 "字放在首位，更注重于全系統信息的綜合管理。工業(yè)自動化不僅體現在工業(yè)現場，也體現在 企業(yè)事務行政管

10、理上。集散系統的發(fā)展及工業(yè)自動化的需求，導致了一個更龐大、更完善的計算機集成制造系統CIMS的誕生。集散系統一般分為三級：過程級、監(jiān)控級和管理信息級。集散系統是將分散于現場的以微機為基礎的過程監(jiān)測單元、過程控制單元、圖文操作站及主機（上位 機）集成在一起的系統。它采用了局域網技術，將多個過程監(jiān)控、操作站和上位機互連在一起，使通信功能增強，信息傳輸速度加快，吞吐量加大，為信息的綜合管 理提供了基礎。因為CIMS具有提高生產率、縮短生產周期等一系列極具吸引力的優(yōu)點，所以已經成為未來工廠自動化的方向。 而集散控制系統的組成主要分為： (1) 分散過程控制級(D

11、DC) (2) 計算機監(jiān)督控制級(SCC) (3) 生產管理機如下圖，分散過程控制級是DCS的基礎，用于直接控制生產過程。它由各工作站組成，每一個工作站分別完成數據采集、順序控制或某一被控制量的閉環(huán)控制等。分散過程控制級收集的數據供監(jiān)控級調用，各工作站接受監(jiān)控級發(fā)送的信息，并依次而工作，因此局部的故障不會影響整個系統的工作，從而避免了集中控制系統中“危險集中”缺點。 監(jiān)控級的任務是對生產過程進行監(jiān)視與操作。監(jiān)控級根據生產管理機的技術要求，確定分散過程控制級的最優(yōu)給定量。監(jiān)控級能全面地反映各工作站的情況，提供充分的信息，因管理機則是整個系統的中樞，它根據監(jiān)控級提供的

12、信息及生產任務的要求，編制全面反映整個系統工作情況的報表，審核控制方案，選擇數據模型，定制最優(yōu)控制策略，并對下一級下達命令。圖2 集散控制系統基本構成此次課程設計從溫度、液位、流量，三個被控量中選擇一個。并根據被控量的特性設計控制回路，即完成單回路控制系統和串級回路控制系統的設計。根據自己對知識的了解，以及對以前知識的回顧。決定此次課程設計的被控量為：液位。設備的被控對象有 ： 水箱：包括上水箱、儲水箱。上水箱采用淡藍色優(yōu)質有機玻璃，不但堅實耐用，而且透明度高，便于學生直接觀察液位的變化和記錄結果。上水箱尺寸為：D=25cm，H=20cm；水箱結構獨特，由三個槽組成，分別為緩沖槽、工作槽和出水

13、槽，進水時水管的水先流入緩沖槽，出水時工作槽的水經過帶燕尾槽的隔板流入出水槽，這樣經過緩沖和線性化的處理，工作槽的液位較為穩(wěn)定，便于觀察。 管道及閥門：整個系統管道由敷塑不銹鋼管連接而成，所有的手動閥門均采用優(yōu)質球閥，徹底避免了管道系統生銹的可能性。有效提高了實驗裝置的使用年限。其中儲水箱底部有一個出水閥，當水箱需要更換水時，把球閥打開將水直接排出。設備的變送器有：壓力傳感器、變送器：三個壓力傳感器分別用來對上、中、下三個水箱的液位進行檢測，其量程為05KP，精度為0.5級。采用工業(yè)用的擴散硅壓力變送器，帶不銹鋼隔離膜片，同時采用信號隔離技術，對傳感器溫度漂移跟隨補償。采用標準二線制傳輸方式，

14、工作時需提供24V直流電源，輸出：420mADC。流量傳感器、變送器：三個渦輪流量計分別用來對由電動調節(jié)閥控制的動力支路、由變頻器控制的動力支路及盤管出口處的流量進行檢測。它的優(yōu)點是測量精度高，反應快。采用標準二線制傳輸方式，工作時需提供24V直流電源。流量范圍：01.2m3/h；精度：1.0%；輸出：420mADC。設備的執(zhí)行機構有：電動調節(jié)閥：采用智能直行程電動調節(jié)閥，用來對控制回路的流量進行調節(jié)。電動調節(jié)閥型號為：QSTP-16K。具有精度高、技術先進、體積小、重量輕、推動力大、功能強、控制單元與電動執(zhí)行機構一體化、可靠性高、操作方便等優(yōu)點，電源為單相220V，控制信號為420mADC或

15、15VDC，輸出為420mADC的閥位信號，使用和校正非常方便。水泵：本裝置采用磁力驅動泵，型號為16CQ-8P，進口直徑：16，出口直徑：12，溫度:<=100，流量為30升/分，揚程為8米，功率為180W。泵體完全采用不銹鋼材料，以防止生銹，使用壽命長。本裝置采用兩只磁力驅動泵,一只為三相380V恒壓驅動，另一只為三相變頻220V輸出驅動。電磁閥：在本裝置中作為電動調節(jié)閥的旁路，起到階躍干擾的作用。電磁閥型號為：2W-160-25 ；工作壓力：最小壓力為0Kg/2，最大壓力為7Kg/2 ；工作溫度：580；工作電壓：24VDC。如下圖所示實驗設備的總圖。圖3 實驗設備總圖3 系統設計

16、方案當今的自動控制技術絕大多數部分是基于反饋。反饋理論包括三個基本要素：測量、比較和執(zhí)行。測量關心的是變量，并與期望值相比較，以此偏差來糾正和調節(jié)控制系統的響應。反饋理論及其在自動控制的應用的關鍵是：作出正確的測量與比較后，如何將偏差用于系統的糾正和調節(jié)。 圖4 雙容水箱系統控制方框圖3.1雙容水箱控制此次課程設計選擇水箱液位的控制。本實驗系統結構圖和方框圖如圖3-2所示。被控量為電動調節(jié)閥支路的流量，實驗要求水箱1水位穩(wěn)定至給定值。將水箱1的液位測量變送器檢測到的液位信號作為反饋信號，并與給定量比較，其差值通過調節(jié)器控制電動調節(jié)閥的開度，以達到控制水箱液位的目的。為了實現系統在階躍

17、給定和階躍擾動作用下的無靜差控制，系統的調節(jié)器應為PI控制。圖5 雙容水箱控制圖3.2串級控制本實驗為水箱液位的串級控制系統，它是由主控、副控兩個回路組成。主控回路中的調節(jié)器稱主調節(jié)器，控制對象為上水箱，其液位為系統的主控制量。副控回路中的調節(jié)器稱副調節(jié)器，控制對象為流量，又稱副對象，其流量為系統的副控制量。主調節(jié)器的輸出作為副調節(jié)器的給定，因而副控回路是一個隨動控制系統。副調節(jié)器的的輸出直接驅動電動調節(jié)閥，從而達到控制液位的目的。為了實現系統在階躍給定和階躍擾動作用下的無靜差控制，系統的主調節(jié)器應為PI或PID控制。由于副控回路的輸出要求能快速、準確地復現主調節(jié)器輸出信號的變化規(guī)律，對副參數

18、的動態(tài)性能和余差無特殊的要求，因而副調節(jié)器可采用P調節(jié)器。（1） 比例（P）調節(jié)作用 是按比例反應系統的偏差，系統一旦出現了偏差，比例調節(jié)立即產生調節(jié)作用用以減少偏差。比例作用大，可以加快調節(jié)，減少誤差，但是過大的比例，使系統的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統的不穩(wěn)定。  （2） 積分（I）調節(jié)作用 是使系統消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度。因為有誤差，積分調節(jié)就進行，直至無差，積分調節(jié)停止，積分調節(jié)輸出一常值。積分作用的強弱取決與積分時間常數Ti，Ti越小，積分作用就越強。反之Ti大則積分作用弱，加入積分調節(jié)可使系統穩(wěn)定性下降，動態(tài)響應變慢。積分作用常與另兩種調節(jié)規(guī)律

19、結合，組成PI調節(jié)器或PID調節(jié)器。  （3） 微分（D）調節(jié)作用 微分作用反映系統偏差信號的變化率，具有預見性，能預見偏差變化的趨勢，因此能產生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，已被微分調節(jié)作用消除。微分作用對噪聲干擾有放大作用，因此過強的加微分調節(jié)，對系統抗干擾不利。本實驗系統結構圖和方框圖如圖所示：圖6 串級回路控制系統方框圖4 系統硬件設計4.1數據采集模塊4.1.1 模擬量輸入模塊 FM143型模塊是智能型8路熱電阻模擬量輸入模塊，是HollySys公司采用目前世界上先進的現場總線技術(ProfiBus-DP總線)而新開發(fā)的熱電阻模擬量輸入模塊。通過

20、與配套的底座FM131A連接，用于處理從現場來的熱電阻輸入信號。FM143與Cu50、Cu100、Pt10、Pt100等類型電阻測溫元件相連，可處理工業(yè)現場的溫度信號。通過組態(tài)，該模塊可對在50383.02歐姆范圍內的電阻信號采樣處理。FM143模塊體積小，重量輕，安裝靈活；具備帶電插拔功能?？稍谙到y加電的情況下直接插拔本模塊，不會影響本模塊及系統的正常運行；具有看門狗定時器電路，可使模塊在異常情況下自動復位；提供了DC24V反向保護、通訊線箝壓保護，信號輸入通道過壓保護。另外 FM143A可對在0147.15歐姆范圍內的電阻信號采樣處理，即可進行低溫測量。其它方面與FM143類似。如下圖所示

21、。圖7 FM148A模塊FM148A型模塊是智能型8路大信號模擬量輸入模塊，通過與配套的端子底座FM131A連接，用于處理從現場來的010V范圍內的電壓信號和020mA范圍內的電流信號。它適用范圍廣，可以接受二線制電流設備的電流信號，也能夠接受四線制電流設備的電流信號，還能夠接受電壓信號。當所采集的模擬量信號的類型發(fā)生變化，不需要在FM148A模塊內部進行任何設置，只改變信號線在端子底座FM131A的上的接法即可。FM148A 模塊體積小，重量輕，安裝靈活。具備帶電插拔功能?？稍谙到y加電的情況下直接插拔本模塊，不會影響本模塊及系統的正常運行。能夠定期檢測CPU 工作狀態(tài)情況。具有看門狗定時器電

22、路，可使模塊在異常情況下自動復位。提供了模塊電流過載保護、DC24V 反向保護、通訊線箝壓保護。 支持實時的狀態(tài)顯示?？蓪崟r顯示本模塊的運行狀態(tài)和通信狀態(tài)。 本模塊加電時，其面板上的狀態(tài)指示燈（RDY 燈 上 和COM 燈 下）顯示當前的工作和通訊狀態(tài)。表1 指示燈的意義 4.1.2 模擬量輸出模塊此次課程設計模擬量輸出模塊采用的是FM151A ，如下圖所示。FM151A型模塊是智能型8路420mA模擬量輸出模塊，是HollySys公司采用目前世界上先進的現場總線技術(ProfiBus-DP總線)而新開發(fā)的模擬量輸出模塊。通過與配套的端子底座FM131A連接，輸出8路420mA的電流信號。 F

23、M151A模塊體積小，重量輕，安裝靈活。具備帶電插拔功能?？稍谙到y加電的情況下直接插拔本模塊，不會影響本模塊及系統的正常運行。能夠定期檢測CPU工作狀態(tài)情況。具有看門狗定時器電路，可使模塊在異常情況下自動復位。提供了模塊電流過載保護、通訊線箝壓保護。支持實時的狀態(tài)顯示?？蓪崟r顯示本模塊的運行狀態(tài)和通信狀態(tài)。具有帶電復位自保持功能。FM151如下圖所示。圖 8 FM151模塊本模塊加電時，其面板上的狀態(tài)指示燈（RDY 燈 上 和COM 燈 下）顯示當前的工作和通訊狀態(tài)。表2 FM151指示燈意義常用的I/O模塊有：表3 常用的I/O模塊4.2儀表和執(zhí)行機構選型根據題目要求：實現水箱液位的控制。選

24、擇實驗所涉及的執(zhí)行機構有上水箱的液位測量變送器、智能調節(jié)閥和流量變送器。液位測量變送器：主要通過對壓力進行測量并將壓力轉化為液位。智能調節(jié)閥：型號為QSL智能型直行程執(zhí)行機構，輸入信號為：4-20mADC/4-12mA/12-20mA/0-5VDC/1-5VDC,輸出信號：420mADC。流量測量變送器：即為模擬轉換器。4.3系統連線4.3.1 模擬量輸入模塊FM148A接線 模擬量輸入模塊主要采用的是二線制電流信號的接線 ，接線圖如下所示：圖8 FM148A內部接線圖 FM148A 端子信號的接線要求每路信號采用兩根導線+24V （屏蔽電纜）接到FM131A 的端子上。針對不同類型的信號和供

25、電情況的不同，有三種端子接線方式：二線制電流信號的接線、四線制電流信號的接線、電壓信號的接線。特別強調：在DCS 系統的運用中，為防止多點接地引起信號測量不正常，有二線制電流信號輸入的模塊，嚴禁接入其它類型（ 四線制電流或電壓型） 的AI 信號。對于其它有源設備來的AI 信號， 同一處設備來的信號盡量集中在一個。 4.3.2模擬量輸出模塊FM151A接線 模擬量輸出模塊FM151A內部接線如下圖所示：圖9 FM151內部接線圖FM151A 模塊與 FM131A 底座之間依靠 64 針歐式連接器連接，從而構成完整的 I/O 單元。傳給現場的模擬量信號直接連接到 FM131A 側邊的雙層端子上。FM151A 端子信號的接線要求每路信號采用兩根導線（屏蔽電纜）接到FM131A 的端子上。5 系統軟件設計HOLLiAS- MACS系統的軟件主要包括:組態(tài)軟件、操作員站軟件、服務器軟件和控制站軟件。 組態(tài)軟件是安裝在工程師站上的，它包括：數據庫總控、設備組態(tài)、服務器算法組態(tài)、控制器算法組態(tài)、報表組態(tài)、圖形組態(tài)、工程師在線下裝等組成部分。完成用戶對于測點、控制方案、人機界面等的組態(tài)。操作員站軟件是安裝在操