DCS自動控制系統(tǒng)組態(tài)

1、DCS自動控制系統(tǒng)組態(tài)中國石油大學(xué)DCS自動控制系統(tǒng)組態(tài)實(shí)驗(yàn)報(bào)告學(xué)生姓名：學(xué) 號：系 另I：專業(yè)年級：2015年07月14日一、設(shè)計(jì)任務(wù)及要求設(shè)計(jì)任務(wù)：利用實(shí)驗(yàn)室的多容水箱及其輔助檢測設(shè)備，并采用浙大中控作為控制 器的硬件，設(shè)計(jì)一個液位控制系統(tǒng)，使液位能夠保持在設(shè)定的范圉內(nèi)。設(shè)計(jì)要求：1、熟悉工藝流程。2、熟悉使用浙大中控DCS設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的過程。3、熟悉DCS設(shè)計(jì)、運(yùn)行的基本原理。4、熟悉控制系統(tǒng)的參數(shù)調(diào)整過程。3、利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有裝置設(shè)訃一個水箱液位自動控制系統(tǒng)。1. 1 DCS 概述：DCS,全稱：DistributedControlSystem,定義：DCS 是分散控制系統(tǒng) (Distr

2、ibutedControlSystem)的簡稱，由內(nèi)一般習(xí)慣稱為集散控制系統(tǒng)。它是一 個III過程控制級和過程監(jiān)控級組成的以通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶的多級計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，綜合 了計(jì)算機(jī)(Computer)、通訊(Communication)、顯示(CRT)和控制(Control) 等4C技術(shù)，其基本思想是分散控制、集中操作、分級管理、配置靈活、組態(tài)方 便。一. 串級水箱槨制M統(tǒng)原理屁系統(tǒng)原理圖：PCT-III型過程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置原理圖V122OVAC滾計(jì)HI 愉 ZGnALU堆動譏節(jié)I0讒20M 出t玄 4*ZOMTTV6ZT 港位安凍ao_ PT3心A冷出Q-20M輯出木聚上圖為三容水箱液位控制系統(tǒng)，該

3、裝置山三容水箱主體、電動調(diào)節(jié)閥、變頻 泵、工頻泵、儲水水箱組成。該裝置包含的上水箱、中水箱、下水箱的液位構(gòu)成被控對象，對每個水箱可 以通過電動調(diào)節(jié)閥和改變變頻泵的轉(zhuǎn)速來控制其流量特性，其進(jìn)入每個水箱前的 閥阻和每個水箱下邊的擋板閥也可以通過人工調(diào)節(jié)改變水箱液位，故可以構(gòu)成不 同階次的被控對象。通過組態(tài)可以得知上水箱、中水箱、下水箱的液位和左右兩邊的流量，通過 綜合調(diào)節(jié)來時這個液位系統(tǒng)達(dá)到理想的預(yù)定值。三、液位串級控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)3.1硬件部分被控對象水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和儲水箱。上.中、下水箱采用淡藍(lán)色 優(yōu)質(zhì)有機(jī)玻璃，便于學(xué)生直接觀察液位的變化和記錄結(jié)果。水箱底部均接有擴(kuò)散 硅壓力

4、傳感器及變送器可對水箱的壓力和液位進(jìn)行檢測和變送。上、中、下水箱 可以組合成一階、二階、三階單回路液位控制系統(tǒng)和雙閉環(huán)、三閉環(huán)液位串級控 制系統(tǒng)。儲水箱由不銹鋼板制成，滿足上、中、下水箱的供水需要。檢測裝置 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(jìn)行檢測，其量程為05KP,精度為0.5級。輸出：420mADCo 流量傳感器、變送器：三個渦輪流量計(jì)分別用來對山電動調(diào)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(jìn)行檢測。輸出：420mADCo執(zhí) 行結(jié)構(gòu) 電動調(diào)節(jié)閥：采用智能直行程電動調(diào)節(jié)閥，用來對控制回路的流量進(jìn)行 調(diào)節(jié)。電源為單相220V,控制信

5、號為420mADC或15VDC,輸出為420mADC 的閥位信號；水泵：本裝置釆用兩只磁力驅(qū)動泵，一只為三相380V恒壓驅(qū)動，另 一只為三相變頻220V輸岀驅(qū)動：電磁閥：在本裝置中作為電動調(diào)節(jié)閥的旁路， 起到階躍干擾的作用。3. 2軟件部分JX-300XP控制系統(tǒng)由工程師站.操作員站、控制站.過程控制網(wǎng)絡(luò)等組成。其中控制站和操作站在整個系統(tǒng)中作用有，控制站組態(tài)主要對I/O、自定義變量、 常規(guī)控制方案、自定義控制方案和折線表定義等在控制站組態(tài)中，對液位設(shè)定值 （SV）、控制系統(tǒng)中右上水箱液位測量值、右下水箱液位測量值及調(diào)節(jié)閥開度等 模擬量進(jìn)行O組態(tài)，對系統(tǒng)控制程序中占用到的部分中間變量進(jìn)行自定義

6、變量 組態(tài)，在自定義控制方案中確定控制站中使用SCX語言或圖形化環(huán)境進(jìn)行控制 站編程。3. 2. 1操作站硬件1、操作站組成：操作站的硬件基本組成包括：工控戸（：機(jī)（IPC）、彩色顯示器、鼠標(biāo)、鍵盤、 SCnetll網(wǎng)卡、操作臺、專用操作員鍵盤、打印機(jī)等，工程師站硬件配置及操作 站硬件配置基本一致，無特殊要求，它們的區(qū)別僅在于系統(tǒng)軟件的配置不同，工 程師站除了安裝有操作、見識等基本功能的軟件外，還裝有相應(yīng)的系統(tǒng)組態(tài)、系 統(tǒng)維護(hù)等應(yīng)用工具軟件。2. 機(jī)柜兼容19吋國際標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械結(jié) 構(gòu)，滿足各種應(yīng)用環(huán)境；控制站機(jī)柜依照通風(fēng)散熱、防 濕、防腐蝕及安全保護(hù)等原則 專門設(shè)計(jì)制造；外殼采用優(yōu)質(zhì)冷軋鋼板，保

7、證 完善的電磁屏蔽；系統(tǒng)采用“等電位接地欄原則3. 2. 2控制站硬件1. XP243主控卡主控卡（乂稱主控制卡）是控制站軟硬件的核心，協(xié)調(diào)控制站內(nèi)軟硬件關(guān)系 和各項(xiàng)控制任務(wù)。他是一個智能化的獨(dú)立運(yùn)行的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，可以自動完成數(shù)據(jù) 采集、信息處理、控制運(yùn)算等各項(xiàng)功能。通過過程控制的網(wǎng)絡(luò)及過程控制級（操 作站、工程師站）相連，接受上層的管理信息，并向上傳遞工藝裝置的特性數(shù)據(jù) 和采集到的實(shí)時數(shù)據(jù)；向下通過SBUS和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡的程控交換及智能I/O卡件 實(shí)時通信，實(shí)現(xiàn)及I/O卡件的信息交換（現(xiàn)場信號的輸入釆樣和輸岀控制）oXP243 采用雙微處理器結(jié)構(gòu)，協(xié)同處理控制站的任務(wù)，功能更強(qiáng)，速度更快。如圖

8、3.1 為本次實(shí)驗(yàn)用的主控卡。注釋IP周 期類型型號通訊冗余網(wǎng) 線冷端運(yùn) 行保 持閥位設(shè)左 值跟蹤A3000 控制 站128.128.1.20.5采集站XP243UDP冗 余就 地實(shí)時否是表3. 12. XP233數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡XP233是I/O機(jī)籠的核心單元，是主控卡聯(lián)接I/O卡件的中間環(huán)節(jié)，它一方 面驅(qū)動SBUS總線，另一方面管理本機(jī)籠的I/O卡件。通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡，一塊中 控卡（XP243）可擴(kuò)展1到8個I/O機(jī)籠，即可以擴(kuò)展1到128塊不同功能的I/O 卡件。表3.2為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡參數(shù)表轉(zhuǎn)發(fā)卡型號地址說明XP23300模擬疑輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡XP23302模擬量輸出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡表3.23. XP31

9、3電流信號輸入卡XP313電流信號輸入卡可測量6路電流信號（II型或III型），并可為6路變 送器提供+24V隔離配電電源，它是一塊帶CPU的智能型卡件，對模擬量電流輸 入信號進(jìn)行調(diào)理、測量的同時，還具備卡件自檢及主控制卡通訊的功能。XP313卡的6路信號調(diào)理分為二組，其中1,2,3通道為第一組，4,5,6通 道為第二組，同一組內(nèi)的信號調(diào)理釆用同一個隔離電源供電，兩組間的電源及信 號互相隔離，并且都及控制站的電源隔離。表33電流信號輸入卡說明卡件名稱卡件地址備注XP313 （I） （6路電流信號輸入卡）()()1#裝宜信號輸入表3. 34. XP322電流信號輸出卡XP322模擬信號輸出卡為4

10、路點(diǎn)點(diǎn)隔離型電流（II型或III型）信號輸出卡。 作為帶CPU的高精度智能化卡件，具有實(shí)時檢測輸出信號的功能，它允許主控卡 檢測輸出電流。表3. 4電流信號輸出卡說明卡件名稱地址備注XP322（4路模擬信號輸岀卡）051#裝置控制信號表3. 45. XP211機(jī)籠母板XP211是JX-300XP系統(tǒng)的機(jī)籠母板，提供20個卡件插槽：2個主控卡插槽、 2個轉(zhuǎn)發(fā)卡插槽和16個I/O卡插槽，以及8個系統(tǒng)擴(kuò)展端子、4個DB9針型插座 盒1個電源接線端子，DB9針型插座用于SBUS互連，即機(jī)籠之間的互連；電源 端子給機(jī)籠中所有的卡件提供5V和24V直流電源；I/O端子接口配合可插拔端 子吧I/O信號引至相

11、應(yīng)的卡件上。6. I/O卡件I/O卡件是和現(xiàn)場直接相連的設(shè)備，現(xiàn)場信號通過電纜到達(dá)I/O卡件，I/O卡 件處理后將數(shù)據(jù)送給數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡再送到主控制站進(jìn)行運(yùn)算。而主控 制卡就算出來的控制結(jié)果則通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡到達(dá)I/O卡件，通過I/O卡件送到現(xiàn) 場執(zhí)行機(jī)構(gòu)，每個I/O卡件必須隸屬于某個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡，而每個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡可以 轉(zhuǎn)發(fā)多個I/O卡件的數(shù)據(jù)。I/O點(diǎn)組態(tài)：I/O點(diǎn)組態(tài)是對現(xiàn)場信號的具體通道進(jìn)行登記，如現(xiàn)場信號是 通過哪個I/O卡件的哪個端子輸入的。控制信號是通過哪個I/O卡件的哪個端子 輸出的。I/O點(diǎn)的命名規(guī)則如表3. 5和表3. 6。以#1裝置為例：位號注釋I/O卡件地址I/O點(diǎn)地

12、址參數(shù)LI1001#1上水箱液位)00100%LI1002#1下水箱液位00)10-100%FI1001#1變頻電泵支路流量)30100%FI1002#1工頻電泵支路流量)40100%表3.5下面給出了 #1裝宜輸出模擬雖:的地址信息No.位號I/O卡件地址I/O點(diǎn)地址FV1002#1電動調(diào)節(jié)閥0500正輸出III型FV1001#1變頻器02正輸岀III型表3. 6四. 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案4. 1. 1水箱液位串級控制系統(tǒng)框圖的設(shè)計(jì)水箱液位控制系統(tǒng)山于控制過程特性呈現(xiàn)大滯后、外界環(huán)境的擾動較大，要 保持上水箱下水箱液位最后都保持設(shè)定值，用簡單的單閉環(huán)反饋控制不能實(shí)現(xiàn)很 好的控制效果，所以采用串級

13、閉環(huán)反饋系統(tǒng)。控制框圖如圖4.1所示。這里的擾動主要是水箱的出水閥的擾動，有時是認(rèn) 為的因素，有時是機(jī)械的因素，擾動總是不可避免的。主回路和副回路結(jié)合有效 地抑制環(huán)境的擾動。擾戒擾動-X_ V“凹略丄M斑籾立件直乞2圖4.14. 1. 2串級水箱控制系統(tǒng)流程圖流程圖是一個控制系統(tǒng)的重要部分，操作員監(jiān)控現(xiàn)場情況大多是通過流程圖 界面完成的，流程圖要能夠準(zhǔn)確反映現(xiàn)場的工藝流程，同時要做到畫面美觀、形 象、操作方便。所用符號符合工業(yè)規(guī)范。要有動態(tài)顯示的數(shù)據(jù)和圖形。0241旺-砌水箱如圖所示是水箱液位串級控制系統(tǒng)，它是山主控、副控兩回路組成，主控回 路的調(diào)節(jié)器稱主調(diào)節(jié)器，控制對象為下水箱，下水箱的液位

14、為系統(tǒng)的主控制量， 副控制回路中的調(diào)節(jié)器稱副調(diào)節(jié)器，控制對象為上水箱，中水箱的液位為副控制 量，主調(diào)節(jié)器的輸出作為副調(diào)節(jié)器的給定，副調(diào)節(jié)器的輸出直接驅(qū)動電動調(diào)節(jié)閥, 從而達(dá)到控制水箱液位的L1的；在串聯(lián)雙容水箱水位的控制中，進(jìn)水首先進(jìn)人第 一個水箱，然后通過第二個水箱流出，及一個水箱相比，曲于增加了一個水箱， 使得被控量的響應(yīng)在時間上更落后一步，即存在容積延遲，從而導(dǎo)致該過程的難 以控制。串級控制是改善調(diào)節(jié)過程動態(tài)性能的有效方法，山于其超前的控制作用, 可以大大克服系統(tǒng)的容積延遲。采用一步整定法，通過浙大中控組態(tài)軟件對整定 過程及液位的平衡過程進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，直至達(dá)到主、副回路的最佳整定參數(shù)。4

15、. 1.2硬件部分硬件部分主要有變頻器、電動調(diào)節(jié)閥、流量計(jì)、中水箱、下水箱、各種傳感 器、以及數(shù)據(jù)釆集、轉(zhuǎn)換裝置：系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)包括檢測單元、執(zhí)行單元和控制 單元的設(shè)計(jì)，他們互相聯(lián)系，組成一個完整的系統(tǒng)。4. 2控制系統(tǒng)的控制要求水箱液位和流量串級控制系統(tǒng)主要由水箱、管道、水泵、異步電動機(jī)、電機(jī) 控制電器、水壓傳感器、變頻器、電動調(diào)節(jié)閥、系統(tǒng)中山電位器設(shè)置液位給定值, 水丿玉力傳感器檢測液位，釆用PID算法得出流量給定值。渦輪流量訃測流量，電 動調(diào)節(jié)閥控制流量，采用FID算法得出電動調(diào)節(jié)閥度控制值，實(shí)現(xiàn)流量的控制。 流量控制是內(nèi)環(huán)，液位控制是外環(huán)。根據(jù)工藝要求，為了保證控制精度，系統(tǒng)以低位水箱

16、液位為主調(diào)節(jié)參數(shù)，高 位水箱液位為副調(diào)節(jié)參數(shù)，構(gòu)成串聯(lián)雙容水箱串級控制系統(tǒng)。低位水箱的液位傳 感器檢測的液位信號及給定液位值進(jìn)行比較后送人主調(diào)節(jié)器，經(jīng)PID運(yùn)算后， 其輸出作為副調(diào)節(jié)器的給定值，及高位水箱的液位傳感器檢測到的液位信號進(jìn)行 比較后送人副調(diào)節(jié)器，經(jīng)PID運(yùn)算后，其輸出控制電動調(diào)節(jié)閥的開度，控制進(jìn) 水流量的大小，從而控制水箱的液位口。4. 3控制系統(tǒng)的PID參數(shù)整定主回路是一個定值控制系統(tǒng)。對于主參數(shù)的選擇，基本上可以按照單回路控 制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則進(jìn)行。凡直接或間接及生產(chǎn)過程運(yùn)行性能密切相關(guān)并可直接測 量的丄藝參數(shù)均可選擇作主參數(shù)。另外，對于選用的主參數(shù)必須具有足夠的靈敬 度，并符合

17、工藝過程的合理性；串級控制系統(tǒng)副回路具有調(diào)節(jié)速度快、抑制擾動 能力強(qiáng)的特點(diǎn)，因而在選擇副參數(shù)進(jìn)行副回路設(shè)計(jì)時，必須注意主、副過程時間 常數(shù)的匹配問題，以盡量減少對主參數(shù)的影響，提高主參數(shù)的控制質(zhì)量。如果副過程的時間常數(shù)比主過程小得多，這時副回路反應(yīng)靈敬,控制作用快, 但此時副回路包含的擾動少，對于過程特性的改善也就少了相反，如果副過程 的時間常數(shù)大于或接近于主過程的時間常數(shù)，這時副回路對于改善過程特性的效 果較明顯。但是，副回路反應(yīng)較遲鈍，不能及時有效地克服擾動，并將明顯地影 響參數(shù)。如果主.副過程的時間常數(shù)較接近，這時主副回路間的動態(tài)聯(lián)系十分密 切，當(dāng)一個參數(shù)發(fā)生振蕩時，會使另一個參數(shù)也發(fā)生

18、振蕩，這就是所謂的共振S 它不利于生產(chǎn)的正常進(jìn)行。串級控制系統(tǒng)主.副過程時間常數(shù)的匹配是一個比較 復(fù)雜的問題。原則上，主副過程時間常數(shù)之比應(yīng)是3到10范圍內(nèi)。本次液位控制系統(tǒng)中設(shè)置串級控制系統(tǒng)主要是利用副回路能迅速克服主要 擾動，所以副回路的時間常數(shù)以小一點(diǎn)為好，只要將主要擾動包括在副回路中即 可。針對本次的液位串級控制系統(tǒng)可用以下步驟對PID參數(shù)整定：1）根據(jù)副變量的類型，按經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)選擇好副控制器的比例度（可參照圖 3.4）；2）將副控制器參數(shù)置于經(jīng)驗(yàn)值，然后按單回路控制系統(tǒng)中任一整定方法整 定主控制器參數(shù)；3）觀察控制過程，根據(jù)主、副控制器放大系數(shù)匹配的原理，適當(dāng)調(diào)整主. 副控制器的參數(shù)，

19、使主變量控制質(zhì)量最好；4）若出現(xiàn)振蕩，可加大主（或副）控制器的比例度，即可消除。如出現(xiàn)劇 烈振蕩，可先轉(zhuǎn)入遙控，待產(chǎn)生穩(wěn)定之后，重新投運(yùn)和整定。五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析利用實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)對流程圖進(jìn)行仿真：總貌畫面組態(tài)總貌畫面可以作為分組畫面、趨勢曲線、流程圖畫而、數(shù)據(jù)一覽畫而等的索引，主要是 為了操作方便。如圖5.1為系統(tǒng)總貌：a 5.i分組畫面組態(tài)：分組畫面組態(tài)是對實(shí)時監(jiān)控狀態(tài)下分組畫面里的儀表盤的位號進(jìn)行設(shè)置。運(yùn)行 時，一個分組的信息顯示在一頁中，并以儀表盤的方式顯示。14 / 12調(diào)整畫而圖:握U畑：LL0跖狀態(tài)：手動執(zhí)行機(jī)籾氣開閩設(shè)上段：100.0H100M悔士上泵二500.0Ma ir hi=

20、tTm=J03.IMft LO=e_Me比W P =itt-io %14.9SMM色分I二*0分廣正存用fiiWtrz=61.死區(qū)血Mtt黴分D二*0秒“處用釜薩 -n.m1M1M0FV:3.150sv；14.946IV:61.3?S02 丄OOPW:3.15057:61.92 Hnr oii|ll開 1). OX)關(guān) O.OX)串級內(nèi)環(huán)noon趨勢畫而仿真圖：趨勢畫面組態(tài)用于完成實(shí)時監(jiān)控趨勢畫而的設(shè)置，即哪些位號需要以曲線的方式實(shí)時顯zjs O勿血11to CBC1. 1(* Jjft f Ir JfJ1II II 1j f11 1 J1 f1 11 f fxI*0.(/12 93I 0憶&

21、1 1 / JIya和單回路控制系統(tǒng)相比較，串級控制系統(tǒng)有以下特點(diǎn)：1）改善了對象的特性一在吊級控制系統(tǒng)中，如把副回路視為一等效副對象, 那么，它的時間常數(shù)和放大系數(shù)都比原副對象的小。對象時間常數(shù)減小，系統(tǒng)的 響應(yīng)速度將加快，這對及時克服干擾，提高控制質(zhì)量是有利的；2）提高了系統(tǒng)的工作頻率一在串級控制系統(tǒng)中，由于等效副對象時間常數(shù) 比原副對象的小。因此，在采用串級控制時系統(tǒng)的工作頻率就比采用單回路控制 時為高（在相同衰減比下）。這對及時克服干擾、消除偏差、提高控制質(zhì)量是有 利的；3）提高了系統(tǒng)的抗干擾能力一和單回路控制系統(tǒng)相比，串級控制系統(tǒng)中有 兩臺控制器，這就提高了控制器的總放大系數(shù)，系統(tǒng)中控制器的放大系數(shù)越大， 克服干擾就越有力，特別當(dāng)干擾落在副回路內(nèi)時