DCS自動(dòng)控制系統(tǒng)組態(tài)

1、中國(guó)石油大學(xué)DCS自動(dòng)控制系統(tǒng)組態(tài)實(shí)驗(yàn)報(bào)告學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 系 別： 專業(yè)年級(jí)： 2015年07月14 日一、 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求設(shè)計(jì)任務(wù)：利用實(shí)驗(yàn)室的多容水箱及其輔助檢測(cè)設(shè)備，并采用浙大中控作為控制器的硬件，設(shè)計(jì)一個(gè)液位控制系統(tǒng)，使液位能夠保持在設(shè)定的范圍內(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。5、利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有裝置設(shè)計(jì)一個(gè)水箱液位自動(dòng)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)（DistributedContr

2、olSystem）的簡(jiǎn)稱，國(guó)內(nèi)一般習(xí)慣稱為集散控制系統(tǒng)。它是一個(gè)由過程控制級(jí)和過程監(jiān)控級(jí)組成的以通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶的多級(jí)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(jí)管理、配置靈活、組態(tài)方便。二、 串級(jí)水箱控制系統(tǒng)原理被控系統(tǒng)原理圖：PCT-III型過程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置原理圖上圖為三容水箱液位控制系統(tǒng)，該裝置由三容水箱主體、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、變頻泵、工頻泵、儲(chǔ)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(duì)象，對(duì)每個(gè)水箱可以通過電動(dòng)調(diào)節(jié)閥和改變變頻泵的轉(zhuǎn)速來控制其流量特

3、性，其進(jìn)入每個(gè)水箱前的閥阻和每個(gè)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(duì)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(shí)這個(gè)液位系統(tǒng)達(dá)到理想的預(yù)定值。三、 液位串級(jí)控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)3.1硬件部分被控對(duì)象水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和儲(chǔ)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)散硅壓力傳感器與變送器可對(duì)水箱的壓力和液位進(jìn)行檢測(cè)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(jí)控制系統(tǒng)。儲(chǔ)水箱由不銹鋼板制成，滿足上、中、下水箱的供水

4、需要。 檢測(cè)裝置 壓力傳感器、變送器：三個(gè)壓力傳感器分別用來對(duì)上、中、下三個(gè)水箱的液位進(jìn)行檢測(cè)，其量程為05KP，精度為0.5級(jí)。輸出：420mADC。 流量傳感器、變送器：三個(gè)渦輪流量計(jì)分別用來對(duì)由電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制的動(dòng)力支路、由變頻器控制的動(dòng)力支路及盤管出口處的流量進(jìn)行檢測(cè)。輸出：420mADC。 執(zhí)行結(jié)構(gòu) 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥：采用智能直行程電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，用來對(duì)控制回路的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。電源為單相220V，控制信號(hào)為420mADC或15VDC，輸出為420mADC的閥位信號(hào)；水泵：本裝置采用兩只磁力驅(qū)動(dòng)泵,一只為三相380V恒壓驅(qū)動(dòng)，另一只為三相變頻220V輸出驅(qū)動(dòng)：電磁閥：在本裝置中作為電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的旁路

5、，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(gè)系統(tǒng)中作用有，控制站組態(tài)主要對(duì)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(duì)液位設(shè)定值（SV）、控制系統(tǒng)中右上水箱液位測(cè)量值、右下水箱液位測(cè)量值及調(diào)節(jié)閥開度等模擬量進(jìn)行I/O組態(tài)，對(duì)系統(tǒng)控制程序中占用到的部分中間變量進(jìn)行自定義變量組態(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PC機(jī)（IPC）、彩色顯示器、鼠標(biāo)、鍵盤、SCnet網(wǎng)

6、卡、操作臺(tái)、專用操作員鍵盤、打印機(jī)等，工程師站硬件配置與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(shí)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 3.2.2 控制站硬件1. XP243主控卡主控卡（又稱主控制卡）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(gè)智能化的獨(dú)立運(yùn)行的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，可以自動(dòng)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)與過程控制級(jí)（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(shí)數(shù)據(jù)；向下通過SBUS和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡

7、的程控交換與智能I/O卡件實(shí)時(shí)通信，實(shí)現(xiàn)與I/O卡件的信息交換（現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的輸入采樣和輸出控制）。XP243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3.1為本次實(shí)驗(yàn)用的主控卡。注釋IP周期類型型號(hào)通訊冗余網(wǎng)線冷端運(yùn)行保持閥位設(shè)定值跟蹤A3000控制站128.128.1.20.5采集站XP243UDP冗余就地實(shí)時(shí)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(dòng)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(gè)I/O機(jī)籠，即可以擴(kuò)展1到128塊不同功能的I

8、/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(hào)地址說明XP23300模擬量輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡XP23302模擬量輸出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡表3.2 3. XP313電流信號(hào)輸入卡 XP313電流信號(hào)輸入卡可測(cè)量6路電流信號(hào)（型或型），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(duì)模擬量電流輸入信號(hào)進(jìn)行調(diào)理、測(cè)量的同時(shí)，還具備卡件自檢及主控制卡通訊的功能。 XP313卡的6路信號(hào)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(hào)調(diào)理采用同一個(gè)隔離電源供電，兩組間的電源及信號(hào)互相隔離，并且都與控制站的電源隔離。表3.3電流信號(hào)輸入卡說明卡件名稱卡件地址備

9、注XP313（I）（6路電流信號(hào)輸入卡）001#裝置信號(hào)輸入表3.34.XP322電流信號(hào)輸出卡XP322模擬信號(hào)輸出卡為4路點(diǎn)點(diǎn)隔離型電流（型或型）信號(hào)輸出卡。作為帶CPU的高精度智能化卡件，具有實(shí)時(shí)檢測(cè)輸出信號(hào)的功能，它允許主控卡檢測(cè)輸出電流。表3.4電流信號(hào)輸出卡說明卡件名稱地址備注XP322（4路模擬信號(hào)輸出卡）051#裝置控制信號(hào)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(gè)卡件插槽：2個(gè)主控卡插槽、2個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)卡插槽和16個(gè)I/O卡插槽，以及8個(gè)系統(tǒng)擴(kuò)展端子、4個(gè)DB9針型插座盒1個(gè)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

10、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(hào)引至相應(yīng)的卡件上。6.I/O卡件I/O卡件是和現(xiàn)場(chǎng)直接相連的設(shè)備，現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)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(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，每個(gè)I/O卡件必須隸屬于某個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡，而每個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡可以轉(zhuǎn)發(fā)多個(gè)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的具體通道進(jìn)行登記，如現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)是通過哪個(gè)I/O卡件的哪個(gè)端子輸入的。控制信號(hào)是通過哪個(gè)I/O卡件的哪個(gè)端子輸出的。I/O點(diǎn)的

11、命名規(guī)則如表3.5和表3.6。以1裝置為例：位號(hào)注釋 I/O卡件地址 I/O點(diǎn)地址 參數(shù) LI1001 #1 上水箱液位0000 0100% LI1002 #1 下水箱液位01 0100% FI1001 #1 變頻電泵支路流量 03 0100% FI1002 #1 工頻電泵支路流量 04 0100% 表3.5下面給出了1裝置輸出模擬量的地址信息No. 位號(hào) I/O卡件地址 I/O點(diǎn)地址 FV1002 #1 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥 0500 正輸出 型 FV1001 #1 變頻器 02 正輸出 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(jí)控制系統(tǒng)框圖的設(shè)計(jì)水箱液位控制系統(tǒng)由于控制過程特性呈現(xiàn)大滯后

12、、外界環(huán)境的擾動(dòng)較大，要保持上水箱下水箱液位最后都保持設(shè)定值，用簡(jiǎn)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(jí)閉環(huán)反饋系統(tǒng)。 控制框圖如圖4.1所示。這里的擾動(dòng)主要是水箱的出水閥的擾動(dòng)，有時(shí)是認(rèn)為的因素，有時(shí)是機(jī)械的因素，擾動(dòng)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(dòng)。圖4.14.1.2串級(jí)水箱控制系統(tǒng)流程圖流程圖是一個(gè)控制系統(tǒng)的重要部分，操作員監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)的工藝流程，同時(shí)要做到畫面美觀、形象、操作方便。所用符號(hào)符合工業(yè)規(guī)范。要有動(dòng)態(tài)顯示的數(shù)據(jù)和圖形。如圖所示是水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)，它是由主控、副控兩回路組成，主控回路的

13、調(diào)節(jié)器稱主調(diào)節(jié)器，控制對(duì)象為下水箱，下水箱的液位為系統(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(duì)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(dòng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，從而達(dá)到控制水箱液位的目的；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(gè)水箱，然后通過第二個(gè)水箱流出，與一個(gè)水箱相比，由于增加了一個(gè)水箱，使得被控量的響應(yīng)在時(shí)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(jí)控制是改善調(diào)節(jié)過程動(dòng)態(tài)性能的有效方法，由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(duì)整定過程及液位的平衡過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，直至達(dá)

14、到主、副回路的最佳整定參數(shù)。4.1.2硬件部分硬件部分主要有變頻器、電動(dòng)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)采集、轉(zhuǎn)換裝置；系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)包括檢測(cè)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(gè)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(jí)控制系統(tǒng)主要由水箱、管道、水泵、異步電動(dòng)機(jī)、電機(jī)控制電器、水壓傳感器、變頻器、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、系統(tǒng)中由電位器設(shè)置液位給定值，水壓力傳感器檢測(cè)液位，采用PID算法得出流量給定值。渦輪流量計(jì)測(cè)流量，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制流量，采用PID算法得出電動(dòng)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

15、統(tǒng)以低位水箱液位為主調(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(jí)控制系統(tǒng)。低位水箱的液位傳感器檢測(cè)的液位信號(hào)與給定液位值進(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，與高位水箱的液位傳感器檢測(cè)到的液位信號(hào)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(dòng)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(gè)定值控制系統(tǒng)。對(duì)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。凡直接或間接與生產(chǎn)過程運(yùn)行性能密切相關(guān)并可直接測(cè)量的工藝參數(shù)均可選擇作主參數(shù)。另外，對(duì)于選用的主參數(shù)必須具有足夠的靈敏度，并符合工藝過

16、程的合理性；串級(jí)控制系統(tǒng)副回路具有調(diào)節(jié)速度快、抑制擾動(dòng)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(shí)，必須注意主、副過程時(shí)間常數(shù)的匹配問題，以盡量減少對(duì)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(shí)間常數(shù)比主過程小得多，這時(shí)副回路反應(yīng)靈敏，控制作用快，但此時(shí)副回路包含的擾動(dòng)少，對(duì)于過程特性的改善也就少了；相反，如果副過程的時(shí)間常數(shù)大于或接近于主過程的時(shí)間常數(shù)，這時(shí)副回路對(duì)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(shí)有效地克服擾動(dòng)，并將明顯地影響參數(shù)。如果主、副過程的時(shí)間常數(shù)較接近，這時(shí)主副回路間的動(dòng)態(tài)聯(lián)系十分密切，當(dāng)一個(gè)參數(shù)發(fā)生振蕩時(shí)，會(huì)使另一個(gè)參數(shù)也發(fā)生振蕩，這就是所謂的

17、“共振”，它不利于生產(chǎn)的正常進(jìn)行。串級(jí)控制系統(tǒng)主、副過程時(shí)間常數(shù)的匹配是一個(gè)比較復(fù)雜的問題。原則上，主副過程時(shí)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(jí)控制系統(tǒng)主要是利用副回路能迅速克服主要擾動(dòng)，所以副回路的時(shí)間常數(shù)以小一點(diǎn)為好，只要將主要擾動(dòng)包括在副回路中即可。針對(duì)本次的液位串級(jí)控制系統(tǒng)可用以下步驟對(duì)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?qǐng)D3.4）；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)，使主變量控制質(zhì)量最好；4）若

18、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(shí)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)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(shì)曲線、流程圖畫面、數(shù)據(jù)一覽畫面等的索引，主要是為了操作方便。如圖5.1為系統(tǒng)總貌：圖5.1分組畫面組態(tài)：分組畫面組態(tài)是對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)控狀態(tài)下分組畫面里的儀表盤的位號(hào)進(jìn)行設(shè)置。運(yùn)行時(shí)，一個(gè)分組的信息顯示在一頁中，并以儀表盤的方式顯示。調(diào)整畫面圖：趨勢(shì)畫面仿真圖：趨勢(shì)畫面組態(tài)用于完成實(shí)時(shí)監(jiān)控趨勢(shì)畫面的設(shè)置，即哪些位號(hào)需要以曲線的方式實(shí)時(shí)顯示。和單回路控制系統(tǒng)相比較，串級(jí)控制系統(tǒng)有以下特點(diǎn)：1）改善了

19、對(duì)象的特性在串級(jí)控制系統(tǒng)中，如把副回路視為一等效副對(duì)象，那么，它的時(shí)間常數(shù)和放大系數(shù)都比原副對(duì)象的小。對(duì)象時(shí)間常數(shù)減小，系統(tǒng)的響應(yīng)速度將加快，這對(duì)及時(shí)克服干擾，提高控制質(zhì)量是有利的；2）提高了系統(tǒng)的工作頻率在串級(jí)控制系統(tǒng)中，由于等效副對(duì)象時(shí)間常數(shù)比原副對(duì)象的小。因此，在采用串級(jí)控制時(shí)系統(tǒng)的工作頻率就比采用單回路控制時(shí)為高（在相同衰減比下）。這對(duì)及時(shí)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)的抗干擾能力和單回路控制系統(tǒng)相比，串級(jí)控制系統(tǒng)中有兩臺(tái)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(shí)，由于響應(yīng)快、控制及時(shí)，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾能力；4）具有一定的自適應(yīng)能力在串級(jí)控制系統(tǒng)中，主回路是一個(gè)定