高級過程控制系統(tǒng)方案

1、項目編號：DZC100913來文編號：ZCB101015、ZCB101016技 術(shù) 協(xié) 議哈爾濱君威科技有限公司2011年3月高級過程控制系統(tǒng)方案高級自動控制技術(shù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防和科學技術(shù)現(xiàn)代化中起著十分重要的作用，自動控制水平的高低也是衡量一個國家科學技術(shù)先進與否的重要標志之一。隨著國民經(jīng)濟和國防建設(shè)的發(fā)展，自動控制技術(shù)的應(yīng)用日益廣泛，其重要作用也越來越顯著。方案概述網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方案特色高級過程控制實訓設(shè)備具有如下特點：(1) 過程控制實訓設(shè)備結(jié)構(gòu)：實訓控制對象裝置、實訓控制系統(tǒng)。實訓設(shè)備總體具結(jié)構(gòu)開放性、設(shè)備真實性，實訓活動能突出工程性、實踐性、現(xiàn)場情景化、操作實際化。(2) 實訓控制對象：

2、實訓控制對象仿工業(yè)設(shè)備結(jié)構(gòu)。具有較強現(xiàn)場設(shè)備感；具有較豐富的設(shè)備種類，包括加熱爐、液位容器、換熱器、閥門與管道等；利用現(xiàn)場閥門與管路實現(xiàn)對象間的組合與分隔，單套實訓對象裝置至少能形成兩個可同時運行的獨立控制系統(tǒng)；通過閥門與管路切換，能構(gòu)造多種控制系統(tǒng)所需環(huán)節(jié)組合?，F(xiàn)場檢測與控制類設(shè)備、信號管線便于實訓裝拆訓練。(3) 現(xiàn)場儀表：具有多種流量檢測儀表；能通過電動調(diào)節(jié)法、變頻調(diào)速兩種典型方式實現(xiàn)控制任務(wù)；現(xiàn)場設(shè)備及管路上用于組建聯(lián)鎖保護系統(tǒng)的檢測與控制點不少于5點；突出現(xiàn)場儀表，能體現(xiàn)現(xiàn)場儀表、信號管線的工業(yè)安裝。(4) 控制信號管線控制信號管線敷設(shè)為可拆裝式，與現(xiàn)場裝置、控制臺（柜）接點為接線端

3、子連接；現(xiàn)場橋架引線，控制臺（站）地溝引線方式。所有引線均應(yīng)便于學生進行線路連接、敷設(shè)實訓。(5) 實訓系統(tǒng)功能要求：能完成過程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)認識、系統(tǒng)連接與組態(tài)、儀表及系統(tǒng)投運、系統(tǒng)調(diào)試與控制參數(shù)整定、系統(tǒng)運行維護與故障處理。(6) 控制系統(tǒng)類型要求：能實現(xiàn)四大熱工量的檢測與簡單控制實訓；能實現(xiàn)溫度、流量、壓力間串級控制實訓；能實現(xiàn)流量、液位間均勻控制實訓；能實現(xiàn)兩種流量間的比值控制實訓；能實現(xiàn)選擇性控制實訓；能實現(xiàn)聯(lián)鎖保護控制實訓。(7) 系統(tǒng)控制方式要求：具有智能儀表控制、PLC控制、DCS控制方式，并能進行靈活的切換。(8) 實訓設(shè)備物料：冷水、熱水（為了安全，盡量不要出現(xiàn)蒸汽）、空氣三

4、種介質(zhì)。(9) 可以很方便的實現(xiàn)以多變量預(yù)測控制技術(shù)為基礎(chǔ)的先進控制實驗。(10) 能夠?qū)崿F(xiàn)壓力報警、連鎖及自動停車等實驗。對象系統(tǒng)工藝流程高級過程控制實驗平臺對象以反應(yīng)罐和電加熱罐、換熱器為核心，同時還配置了溫度大滯后單元，以進行特殊控制算法研究。裝置配備循環(huán)水泵（分別通過變頻器和調(diào)節(jié)閥控制流量）、壓力連鎖裝置、自動停車系統(tǒng)、供水水槽和手動、自動切換閥組成的供排水系統(tǒng)。對象中采用了工業(yè)生產(chǎn)中實際使用的各類檢測、變送儀表和執(zhí)行機構(gòu)。此外，高級過程控制實驗裝置還提供了一套可視的具有可變純延遲的純滯后對象。該純滯后對象由一個電加熱罐、換熱器和一個溫度純滯后管組成，該對象由一個可控硅控制的電加熱管提

5、供熱源，通過調(diào)節(jié)電加熱管功率或待加熱水量以達到控制電加熱罐出水溫度的目的。借助于該純滯后對象，可方便地實現(xiàn)SMITH補償、內(nèi)模控制等純滯后及先進控制實驗方案對象系統(tǒng)優(yōu)勢我們對現(xiàn)場系統(tǒng)進行了很大的改進，提供全開放式、模塊化設(shè)計。對象系統(tǒng)比較優(yōu)勢如下所示：(1) 更符合工業(yè)現(xiàn)場提供圓罐非線性容器。圓罐容器具有很好的耐壓特性，所以化工等行業(yè)使用很多。同行基本都是簡單的線性容積水箱。提供現(xiàn)場電力供配電，而和控制系統(tǒng)之間的連接只有控制器所支持的標準信號。變頻器和調(diào)壓模塊封裝在現(xiàn)場配電柜，使得電力線與信號線分離，減少干擾。符合工業(yè)現(xiàn)場的真實情況，更加具有安全性。提供方便的PCB端子排連接，方便可靠連接、檢

6、查、調(diào)試。同行一般使用航空插頭，不好維護，也不好檢測，更難以方便地擴展。(2) 更具有安全性和控制系統(tǒng)沒有任何強電連接，在控制柜中，面板上只使用24V直流電。可以更加安全地讓學生對控制器進行各種帶電操作。同行產(chǎn)品控制柜提供強電設(shè)備，并且通過連接線連接到現(xiàn)場系統(tǒng)上，不安全。加熱容器提供了一個護套，避免燙傷。(3) 可維護性和擴展性好全部采用端子到點的接線方式，方便檢測、維護、更改各個端子。所有的接線部分不用拆任何螺釘，就可以打開，并方便地維修。打開現(xiàn)場控制箱和控制柜的各個門，全部設(shè)備都露在用戶面前，沒有任何見不到的、隱蔽的設(shè)備。提供了接線電路板，大大減少了連線。任何故障，可以通過簡單的替換芯片，

7、或者更換板子就可以解決。(4) 設(shè)計更具有合理性模塊化設(shè)計，用戶可以隨時增加儀器儀表，或者智能設(shè)備。同行不具有這樣方便的擴展能力。盡可能使管道更粗，更符合真實工業(yè)現(xiàn)場。截面積非常大的水箱系統(tǒng)。加熱容器具有兩個液位開關(guān)，一個聯(lián)鎖保護系統(tǒng)，以及用戶可編程的聯(lián)鎖保護和緊急停車系統(tǒng)。提供經(jīng)典的管道壓力和流量耦合實驗。靜態(tài)單位矩陣法解偶，兩輸入兩輸出，非常典型，而且與溫度、時間無關(guān)，可以快速地容易地重復(fù)。(5) 配電系統(tǒng)特點：孔屏。完全符合工業(yè)立盤設(shè)計，自由接線，方便維護。全部接線直接連接到孔屏。包括所有變頻器，調(diào)壓模塊，電壓表，調(diào)節(jié)閥供電，電磁流量計供電，繼電器驅(qū)動等等設(shè)備安裝到孔屏上。學生方便拆裝，

8、調(diào)節(jié)和維護。(6) 先進控制實驗本實驗平臺提供了2個先進控制實驗方案，可以讓實驗者很方便的從理解先進控制的原理到實際動手設(shè)計先進控制器。同時以實驗平臺為基礎(chǔ)，還可以自行開發(fā)出更多的先進控制實驗方案，非常適合需要進行高級過程控制實驗的碩士、博士等高端研究人才的實驗需求。儀表控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)提供兩種安裝模式：機柜中孔屏安裝，包括轉(zhuǎn)接電路板，配電系統(tǒng)。系統(tǒng)更加工業(yè)化，模塊安裝自由，維護操作方便。IO連接板把現(xiàn)場的PCB端子排連接到控制系統(tǒng)，并使用實驗專用連接端子連接。除了與現(xiàn)場IO一一對應(yīng)的接口之外，也為兩線制變送器、數(shù)字量干接點提供了自由的電源連接。為PT100提供可選的溫度變送器連接。并提供硬件

9、比值器，可調(diào)電流源，數(shù)字電流表。方便了某些系統(tǒng)的連接。艾默生DCS基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：圖1 DeltaV系統(tǒng)結(jié)構(gòu)DeltaV系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由工作站、控制器和I/O子系統(tǒng)組成，各工作站及各控制器之間用以太網(wǎng)方式連接?，F(xiàn)場智能設(shè)備或常規(guī)設(shè)備的信號將接入DeltaV卡件，具備HART、FUNDATIONTM現(xiàn)場總線、Profibus DP總線，AS-i總線，DeviceNet總線及RS485串口通訊的設(shè)備也將連接到DeltaV的各總線卡件上。DeltaV的工作站包含主工程師站、工程師站、操作站、應(yīng)用站等，其中應(yīng)用站具備OPC Server功能并可通過第三塊網(wǎng)卡以以太網(wǎng)的方式連接到其它系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)間的實時數(shù)據(jù)交

10、換等功能。根據(jù)系統(tǒng)配置功能的需要，應(yīng)用站也可以用作批量管理站、Web Server站等?？刂破骷癐/O子系統(tǒng)包含控制器、供電模塊和各類卡件，卡件負責現(xiàn)場信號采集及處理，由控制器執(zhí)行控制策略。DeltaV系統(tǒng)支持將控制策略下裝到現(xiàn)場總線設(shè)備中執(zhí)行，使控制風險更加分散并提高回路的集成度。DeltaV系統(tǒng)可根據(jù)應(yīng)用場合的需要采用冗余系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)、冗余控制器、冗余電源、冗余卡件等冗余措施?？刂破骱涂惭b在底板上，各類卡件可根據(jù)需要隨意安裝在底板上，無需特定的卡件安裝特定的位置上。DeltaV控制網(wǎng)絡(luò)DeltaV系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)是以100M以太網(wǎng)為基礎(chǔ)的，局域網(wǎng)（LAN）網(wǎng)速可達到100M/1000M

11、。DeltaV系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)可以是冗余的或單網(wǎng)，上圖是典型的冗余控制網(wǎng)絡(luò)。在DeltaV系統(tǒng)中，控制網(wǎng)絡(luò)采用的設(shè)備包括交換機、以太網(wǎng)線及光纜。DeltaV系統(tǒng)的節(jié)點包括工作站和控制器，各節(jié)點到交換機的距離小于100m時，用以太網(wǎng)線連接各節(jié)點到交換機上，不需要增加任何額外的中間設(shè)備；各節(jié)點到交換機的距離大于100m時，需要用光纜進行擴展。DeltaV系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)考慮到通訊的完整性，往往采用冗余的方式，并建立兩條完全獨立的控制網(wǎng)絡(luò)，即主副控制網(wǎng)絡(luò)。主副控制網(wǎng)絡(luò)中的交換機、以太網(wǎng)線及工作站和控制器的網(wǎng)絡(luò)接口也完全是獨立的。每個DeltaV控制器都有主副2個網(wǎng)絡(luò)接口，在采用冗余控制器的配置時，每對控

12、制器會有2個網(wǎng)絡(luò)接口連接到主交換機上，另2個網(wǎng)絡(luò)接口連接到副交換機上。DeltaV系統(tǒng)的各工作站都配有3塊以上的網(wǎng)卡，其中2塊用于建立控制網(wǎng)絡(luò)，另1塊用于備用或連接其它系統(tǒng)如工廠網(wǎng)絡(luò)等。DeltaV系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)采用TCP/IP的通訊協(xié)議，系統(tǒng)自動分配各節(jié)點的IP地址。每套DeltaV可支持最多120個節(jié)點，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活，規(guī)?？勺?，易于擴展。控制器DeltaV系統(tǒng)的控制器用于管理所有在線I/O 子系統(tǒng)、控制策略的執(zhí)行及通訊網(wǎng)絡(luò)的維護。同時時間標簽和報警趨勢記錄也是由控制器管理的?？刂破鲝妮斎胪ǖ雷x取數(shù)據(jù)，然后執(zhí)行控制策略，到最后送到輸出通道的整個過程會在100ms中完成?？刂破髦黝l為266MH

13、z，內(nèi)存為48M。對于冗余配置的控制器，在工作時會有一個處于激活狀態(tài)，而另一個待機狀態(tài)的控制器會擁有相同的設(shè)置，并會映射在線控制器的所有操作。一旦，在線控制器發(fā)生故障，待機狀態(tài)的控制器將會自動切換到激活狀態(tài)。并且，系統(tǒng)可以在故障控制器被替換后自動執(zhí)行初始化，使系統(tǒng)恢復(fù)冗余配置。當網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障的時候，控制器會保留最后收到的有效數(shù)據(jù)。圖4 DeltaV系統(tǒng)控制器與I/O卡件控制器的特點包括：· 自動分配地址每個控制器作為一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點對于整個DeltaV 系統(tǒng)具有唯一性，一旦上電，系統(tǒng)會自動分配網(wǎng)絡(luò)地址，無需撥動開關(guān)或做另外的設(shè)置。· 自動I/O檢測控制器能夠檢測到所有安裝在子系

14、統(tǒng)上的I/O接口通道。一插入IO卡件，控制器就能精確地知道I/O卡件所連接的現(xiàn)場設(shè)備的常用屬性。這就減少了組態(tài)有關(guān)的無價值工作量，大大提高工作效率。· 數(shù)據(jù)保護將數(shù)據(jù)下裝到控制器時，DeltaV系統(tǒng)會保存下裝信息。同樣，用戶在線改變控制器組態(tài)時，系統(tǒng)也保存這些組態(tài)更改。這樣，系統(tǒng)將保存所有下裝到控制器的數(shù)據(jù)的完整記錄及所有曾做過的在線更改；· 冷啟動當系統(tǒng)因故障斷電時，控制器可以在一定時間內(nèi)保存在線數(shù)據(jù)和所有組態(tài)設(shè)置，使得在重新上電后無需初始化就可直接啟動正常工作。· 數(shù)據(jù)通道控制器可以將智能HART信息從現(xiàn)場設(shè)備傳送到控制網(wǎng)絡(luò)中的任何節(jié)點。即通過運行先進的設(shè)備管

15、理軟件應(yīng)用，如艾默生過程控制公司的設(shè)備管理系統(tǒng)（AMS）實現(xiàn)現(xiàn)場HART設(shè)備或基金會現(xiàn)場總線設(shè)備的智能信息的遠程管理。· 安裝即插即用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)使系統(tǒng)可以從一個控制器逐步擴大，還可以遠程安裝在Class 1 Div 2環(huán)境中。I/O 子系統(tǒng)DeltaV系統(tǒng)的所有I/O卡件均為模塊化設(shè)計，可即插即用、自動識別、帶電插拔。系統(tǒng)可以要提供二大類I/O卡件：一類是傳統(tǒng)I/O卡件，另一類是現(xiàn)場總線接口卡件。這二大類卡件可任意混合使用。傳統(tǒng)IO卡件傳統(tǒng)IO卡件是模塊化的子系統(tǒng)，安裝靈活。它可安裝在離物理設(shè)備很近的現(xiàn)場。傳統(tǒng)I/O配備了功能和現(xiàn)場接線保護鍵，以確保I/O卡能正確地插入到對應(yīng)接線板上

16、。傳統(tǒng)I/O子系統(tǒng)包括：· I/O卡件底板（安裝在DIN導軌上），所有與I/O有關(guān)的部件都安裝在該底板上。· 可給現(xiàn)場設(shè)備供電（24VDC, 420mA或220VAC）。· 包括I/O卡件和I/O接線板的I/O接口卡。· 各種模擬和開關(guān)量I/O卡，外觀和體積相同，便于插入I/O卡件底板中。· 各種安裝在I/O卡件底板上的I/O接線板，這些底板可在安裝I/O卡前先完成接線。傳統(tǒng)IO卡件的功能特點：· 整個系統(tǒng)模塊化傳統(tǒng)I/O所有部件完全模塊化設(shè)計并都可以帶電安裝。當系統(tǒng)規(guī)模擴大時，可以在線加入擴展的 I/O卡件。· 自動識別系

17、統(tǒng)將自動識別所有在線卡件的類別及通道狀態(tài)，并作為記錄保存在組態(tài)數(shù)據(jù)庫中。· 減少系統(tǒng)占地面積DeltaV對I/O卡件的設(shè)計明顯減少設(shè)備占地面積并增加控制室的可用空間。并且可將I/O卡件底板安裝到現(xiàn)場。· 保護鍵傳統(tǒng)I/O卡和接線板都設(shè)置有I/O功能保護鍵。這些保護鍵能夠保證I/O卡都插到相應(yīng)接線板中。這種安全設(shè)計使傳統(tǒng)I/O最初的安裝變得非常快捷有效。需要更換I/O卡時，功能保護鍵可以確保安裝正確。模擬I/O卡4到20 mA，HART AI卡說明通道數(shù)目8標稱的信號范圍（滿量程）4-20mA滿信號范圍1mA到，有超限檢測現(xiàn)場回路供電，每塊卡在24VDC（±10%）

18、時最大為300mA溫度范圍下的精度滿量程的0.1%分辨率16 bits重復(fù)性誤差滿量程的0.05%通訊支持HART pass-through 要求/響應(yīng)HART變量報告現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)報告4到20 mA，HART AO卡通道數(shù)8額定的信號范圍（滿量程）4-20mA滿信號范圍1mA到23mA超出溫度范圍的精度滿量程的0.25%分辯率14 bit輸出允許通訊支持HART pass-through 要求/響應(yīng)HART變量報告現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)報告數(shù)字I/O卡32通道，24VDC，干觸點，DI卡說明通道數(shù)32On時測到的值>2mAOff時測到的值輸出阻抗5k（近似）現(xiàn)場電路電源，每塊卡24VDC時為150mA32通道，24VDC，高位DO卡說明通道數(shù)32輸出范圍24VDC輸出額定值Off狀態(tài)下的泄漏現(xiàn)場電路電源，每塊卡數(shù)字總線接口卡件串口通訊卡DeltaV系統(tǒng)配置有Serial Interface卡（串口通訊卡）可支持Modbus 及DH+通訊協(xié)議，其預(yù)裝為Modbus RTU及Modbus ASCII協(xié)議，最高的通訊速率為115kb/s。串口通訊卡可插在I/O底板的任何一個空槽上，用于與第三方進行通訊。每塊串口通訊卡有兩個通訊接口，支持RS232、RS422/