基于DCS的温度控制系统的设计与应用说明书.doc
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浙江机电职业技术学院毕业设计说明书
毕业设计说明书
课题名称：
基于DCS的温度控制系统的设计与应用
二级学院（系）
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年月日～年月日（共周）
基于DCS的温度控制系统的设计与应用
摘要
温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关。
在科学研究和生产实践的诸多领域中温度控制占有着极为重要的地位特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足轻重的作用。
对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式，燃料，控制方案也有所不同。
关键词：
温度，控制方式.
TemperaturecontrolsystembasedonDCSdesignandApplication
Abstract
Temperatureisthecommonindustrialproductionprocessparameter,anyphysicalchangeandchemicalreactionprocesscloselyisrelatedwiththetemperature.Inscientificresearchandproductionpracticeinmanyfieldsoftemperaturecontrolintheoccupiedanextremelyimportantpositionespeciallyinthemetallurgical,chemical,buildingmaterials,food,machinery,petroleumindustry,whichplayadecisiverolerole.Fordifferentproductionconditionsandtechnologicalrequirementsoftemperaturecontrol,thewayofheating,fuel,controlschemeisalsodifferent.
Keywords:
temperature,controlmode.
目录
摘要 I
第1章绪论 1
1.1引言 1
1.2DCS的总体概念 1
1.2.1DCS的基本概念 1
1.2.2DCS的主要特点 2
1.3DCS、PLC及FCS之间的差异 3
1.3.1PLC的基本概念 3
1.3.2DCS与PLC的差异 3
1.3.3FCS的基本概念 3
1.3.4DCS与FCS的差异 3
第2章项目设计要求 6
2.1工艺设计要求 6
2.1.1系统装置 6
2.1.2系统组成 6
2.1.3实验系列 7
2.2系统设计要求 8
2.2.1系统的主要技术概念 8
2.2.2PID控制原理 9
2.2.3现场总线系统的组成 10
第3章系统设计 12
3.1组态 12
3.1.1主机设置 12
3.1.2I/O设置 13
3.1.3I/O点设置 14
3.1.4常规回路设置 15
3.1.5操作小组配置 15
3.1.6模拟量输入配置 16
3.1.7操作画面设置 16
3.1.8流程图设置 17
3.2实时监控仿真调试 18
3.2.1系统简介 18
3.2.2故障诊断 18
3.2.3PID调节 19
3.2.4流程图 19
3.2.5趋势图 20
第4章DCS系统运行调试 21
4.1调试前准备工作 21
4.2控制站硬件安装检查 21
4.3操作站硬件安装检查 21
4.4DCS系统上电 21
4.5网络调试 21
4.6组态文件的编译、下载和传输 21
4.7登录监视 21
第5章结论 22
参考文献 23
致谢 24
24
第1章绪论
1.1引言
随着计算机技术、网络通信技术、测量控制技术、信息处理技术、显示技术、大规模集成电路技术、软件技术及其他高新技术的应用和发展，集散控制系统（ DCS）和现场总线控制系统（FCS）随之也得到了飞速发展。
各种DCS及现场总线技术相继推出或更新，其应用范围遍及工业控制领域的各个行业。
不同时期、不同厂家的DCS及现场总线产品各不相同，其应用的行业和规模也各不相同，相应的应用技术也有差异。
但是，DCS及现场总线的基本概念、构成方法、功能和应用技术具有一定的同一性。
1.2DCS的总体概念
集散计算机控制系统也称分布式计算机控制系统，简称集散控制系统（DCS）。
管理的集中性和控制的分散性这一实际需要是推动计算机集散控制系统发展的根本原因。
其实质是利用计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、通信网络技术和人机接口技术等对生产过程进行分散控制，集中监视、操作和管理的一种流行控制概念及系统工程技术。
1.2.1DCS的基本概念
DCS是由多个以维处理器为核心的过程控制采集站，分别分散地对各部分工艺流程进行数据采集和控制，并通过数据通信系统与中央控制室各监控操作站联网，对生产过程进行集中监视和操作的控制系统。
DCS为4C技术相融合的产物。
4C技术是指控制（control）技术、计算机（computer）技术、通信（communication）技术、CRT（cathode-ray-tube）显示技术。
DCS是以大型工业生产过程及其相互关系日益复杂的控制对象为前提，从生产过程综合自动化的角度出发，按照系统工程中分解与协调的原则研制开发出来的。
它是一微处理机为核心，结合了控制技术、通信技术和CRT显示技术的新型控制系统。
DCS软件由实时多任务操作系统、数据库管理系统、数据通信软件、组态软件和各种应用软件组成。
通过使用组态软件这一软件工具，可生成用户所要求的实际应用系统。
DCS具有通用性强、系统组态灵活、控制功能完善、数据处理方便、显示操作集中、人机界面友好、安装简单规范、调试方便、运行安全可靠的特点。
它能够适应工业生产过程的各种需要，进一步提高生产自动化水平和管理水平，提高劳动生产率，保证生产安全，从而使企业取得较好的经济效益和社会效益。
1.2.2DCS的主要特点
1.自治性
DCS的自治性是指DCS的组成部分均可独立地工作，各个控制站独立自主地完成分配给自己的规定任务。
它的控制功能齐全，控制算法丰富，可以完成连续控制、顺序控制和批量控制，还可实现预测、解耦和自适应等先进控制策略。
操作站能自主地实现监视和管理功能。
2.协调性
DCS各工作站间通过通信网络传送各种信息并协调工作，以完成控制系统的总体功能和优化处理。
采用实时性的、安全可靠的工业控制局部网络，提高了信息的畅通性，使整个系统信息共享。
采用OPC等通信技术，DCS可与上层的信息管理系统进行交互和协调。
3.灵活性
DCS硬件和软件均采用开放式、标准化和模块化设计。
系统为积木式结构，根据不同用户需要可以灵活配置系统。
当需要改变生产工艺及控制流程时，通过组态软件及操作可改变系统的控制结构。
DCS提供的组态软件包括组态、控制组态、画面组态、报表组态等。
组态设计是DCS关键的应用设计，使用组态软件可以生成相应的实用系统，易于用户设计系统，便于系统的灵活扩充。
4.分散性
DCS的分散含义是广义的，不单是分散控制，还有地域分散、设备分散、功能分散、电源分散和危险分散等含义。
分散的最终目的是为了将危险分散，进而提高系统的可靠性和安全性。
DCS硬件积木化和软件模块化是分散性的具体体现。
5.便捷性
DCS操作方便、显示直观。
其简洁的人机对话系统、CRT交互显示技术、复合窗口技术，使操作画面日趋丰富。
DCS提供的总貌、控制、调整、趋势、流程、回路、报警、报表、操作指导等画面都具有实用性和便捷性。
6.可靠性
高可靠性、高效率和高可用性是DCS的生命力所在。
DCS制造厂商采用了可靠性保证技术进行可靠性设计，其高可靠性体现以下6个方面。
（1）系统结构采用容错设计。
DCS在结构上是一个多处理机系统，分散的子系统自治性强，各个微处理机都可以自己的局部操作系统，使得系统在任一单元失效的情况下，仍能保持其完整性。
即使全局性通信或管理站失效，局部站仍能维持工作。
（2）系统的所有硬件采用冗余设计。
无论操作站、控制站、还是通信链路都可以采用双备份。
（3）软件的容错设计。
程序采用积木式结构、分段与模块化设计，以及程序卷回（即指令复执）措施，提高软件的容错能力。
（4）“电磁兼容性”设计。
所谓“电磁兼容性”指抗干扰能力与系统内外的干扰相适应，并留有充分的余地，以保证系统的可靠性。
（5）结构、组装工艺的可靠性设计。
严格挑选元器件，加强质量控制，尽可能地减少器件故障出现的概率。
DCS采用专用集成电路和表面安装技术，大大提高了硬件结构的紧凑性和可靠性。
（6）在线快速排除故障的设计。
采用硬件自诊断和故障部件的自动隔离、自动恢复与热机插拔的技术；系统内若发生异常，通过硬件自诊断发现后，汇总的操作站，将故障信息及时通知操作员；由于具有事故报警、双重化措施、在线故障处理、备份等手段，提高了系统的可靠性和安全性。
1.3DCS、PLC及FCS之间的差异
1.3.1PLC的基本概念
可编程逻辑控制器（programmablelogiccontroller，PLC）是一种执行数字运算操作的电子系统，是专为工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各类型的机械或生产过程。
1.3.2DCS与PLC的差异
PLC系统与DCS系统的结构差异不大，只是在功能的着重点上有所不同。
DCS着重与闭环控制及数据处理；PLC着重与逻辑控制及开关量的控制，但也可实现模拟量控制。
现对于PLC系统，DCS的明显特点如下。
（1）控制功能强。
可实现复杂的控制规律，如串级、前馈、解耦、自适应、最优和非线性控制等。
也可实现顺序控制。
（2）系统可靠性高。
（3）采用CRT操作站有良好的人机界面。
（4）软硬件采用模拟化积木式机构。
（5）系统容易开发，采用组态软件，编程简单、操作方便。
（6）有良好的性价比。
1.3.3FCS的基本概念
计数机和网络技术的飞速发展，引起了自动控制系统结构的变革，一种世界上最新型的控制系统即现场总线控制系统（fiedbuscontrolsystem,FCS）在20世纪90年代走向实用化，并正以迅猛的势头快速发展。
现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字、串行、多点通信的数据总线。
现场总线是一种工业数据总线，是自动化领域中底层数据通信网络。
简单来讲，现场总线就是以数字通信代替了传统4~20mA模拟信号及普通开关量信号的传输。
它是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统，主要解决工业现场的智能仪器仪表、控制器、执行机构扽现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。
1.3.4DCS与FCS的差异
FCS可以说是新一代过程控制系统，是由DCS发展而来的。
FCS与DCS之间有千丝万缕的联系，但又存在着本质的差异。
（1）DCS系统是个大系统，其控制器功能强大，而且在系统中的作用十分重要，数据公路更是系统的关键。
所以，必须整体投资一步到位，其后的扩容难度较大。
而FCS功能下放较彻底，信息处理现场化，由于数字智能现场设备的广泛采用，使得控制器功能及重要性相对减弱。
因此，FCS系统投资起点低，可以边用、边扩、边投运。
（2）DCS系统是封闭式系统，各公司产品基本不兼容。
而FCS系统是开放式系统，不同厂商、不同品牌的各种产品基本能同事连入同一现场总线，打到最佳的系统集成。
（3）DCS系统的现场控制单元中I/O外围的信息全部是模拟信号形成的，必须通过A/D或D/A转换。
而FCS系统将D/A与A/D转换在现场仪表中完成，实现了全数字化通信，使精度得到很大提高。
而且，FCS系统可以将PID闭环控制功能装入现场设备中，缩短了控制周期，提高了运算速度，从而改善调节性能。
（4）DCS可以控制和监视工艺全过程，对自身进行诊断、维护和组态。
但是，由于自身的致命弱点，其I/O信号采用传统的模拟量信号，因此，它无法在DCS工程师站上对现场仪表（含变送器、执行器等）进行远方诊断、维护和组态。
FCS采用全数字化技术，数字智能现场装置可发送多变量信息，并且，具备检测信息差错的功能。
FCS采用的是双向数字通信现场总线信号制。
因此，它可以对现场装置（含变送器、执行机构等）进行远方诊断、维护和组态。
（5）由于信息处理现场化，FCS与DCS相比可以省去大量的隔离器、端子柜、I/O终端、I/O卡件、I/O文件及I/O柜，从而也节省了I/O装置及装置室的空间与占地面积。
同时，FCS可以减少大量电缆与敷设电缆用的桥架等，因此，节省了设计、安装和维护费用。
（6）FCS相对与DCS来说组态简单，由于机构性能标准化，因而便于安装、运行和维护。
第2章项目设计要求
2.1工艺设计要求
2.1.1系统装置
图2.1.1CS4000过程控制实验装置
2.1.2系统组成
实验装置在对象系统上与CS4000完全一致。
在控制系统上采用浙大中控的JX-300XPDCS进行控制，可组建网络化的过程控制实验室。
1.检测传感器
（1）常规扩散硅压力液位变送器
（2）涡轮流量计
（3）电磁流量计
（4）Pt100热电阻温度测量变送器
2.执行机构
（1）单相可控硅调压装置：
用于调节电加热管的加热功率；
（2）电动调节阀：
用于调节一路供水的流量；
（3）变频器：
通过调节离心泵的转速以控制另一路供水的流量。
3.控制系统
（1）学生实验控制柜
（2）DCS控制系统
4.软件系统
（1）DCS系统的组态软件与实验软件
（2）AdvanTrol编程软件
（3）AdvanTrol组态软件
5.设备其他指标
（1）供电电源：
交流电，单相三线220V
（2）最大功耗：
3.0KW
（3）设备尺寸：
1460×850×1950
2.1.3实验系列
基于多变量先进控制实验装置CS4000可完成一系列的控制实验，除完成常规过程控制实验装置外，还包括以下富有特色的复杂控制实验：
1.四容水箱液位的特性测试与多变量控制
（1）下部两水箱液位多回路对象特性的获取
（2）下部两水箱液位的多回路控制
（3）下部水箱液位的前馈反馈控制
（4）下部两水箱液位的选择控制
（5）四容水箱液位的解耦控制
（6）四容水箱液位的约束控制
（7）四容水箱液位的多变量预测控制
2.纯滞后对象的特性测试与闭环控制
（1）短纯滞后环节温度的特性测试与单回路PID控制
（2）长纯滞后环节温度的特性测试与单回路PID控制
（3）纯滞后对象出口温度与加热装置出口温度的串级控制
（4）纯滞后对象出口温度的前馈反馈控制
（5）纯滞后对象出口温度的SMITH补偿控制
（6）纯滞后对象出口温度与加热装置出口温度的串级SMITH补偿控制
（7）纯滞后对象出口温度的内模控制
（8）纯滞后对象出口温度与加热装置出口温度的串级内模控制
2.2系统设计要求
2.2.1系统的主要技术概述
系统主要有现场控制站（I/O站）、数据通讯系统、人机接口单元（操作员站OPS、工程师站ENS）、机柜、电源等组成。
系统具备开放的体系结构，可以提供多层开放数据接口。
硬件系统在恶劣的工业现场具有高度的可靠性、维修方便、工艺先进。
底层汉化的软件平台具备强大的处理功能，并提供方便的组态复杂控制系统的能力与用户自主开发专用高级控制算法的支持能力；易于组态，易于使用。
支持多种现场总线标准以便适应未来的扩充需要。
系统的设计采用合适的冗余配置和诊断至模件级的自诊断功能，具有高度的可靠性。
系统内任一组件发生故障，均不会影响整个系统的工作。
系统的参数、报警、自诊断及其他管理功能高度集中在CRT上显示和在打印机上打印，控制系统在功能和物理上真正分散。
整个系统的可利用率至少为99.9%；系统平均无故障时间为10万小时，实现了核电、火电、热电、石化、化工、冶金、建材诸多领域的完整监控。
“域”的概念。
把大型控制系统用高速实时冗余网络分成若干相对独立的分系统，一个分系统构成一个域，各域共享管理和操作数据，而每个域内又是一个功能完整的DCS系统，以便更好的满足用户的使用。
网络结构可靠性、开放性及先进性。
在系统操作层，采用冗余的100Mbps以太网；在控制层，采用冗余的100Mbps工业以太网，保证系统的可靠性；在现场信号处理层，12Mbps的PROFIBUS总线连接中央控制单元和各现场信号处理模块。
标准的Client/Server结构。
MACS系统的操作层采用Client/Server结构。
开放并且可靠的操作系统。
系统的操作层采用WINDOWSNT操作系统；控制站采用成熟的嵌入式实时多任务操作系统QNS以确保控制系统的实时性、安全性和可靠性。
标准的控制组态软件。
可以实现任何监测、控制要求。
可扩展性和可裁剪性。
保证经济性。
2.2.2PID控制原理
目前在控制领域中，虽然逐步采用了电子计算机这个先进技术工具，特别是石油化工企业普遍采用了分散控制系统（DCS）。
但就其控制策略而言，占统治地位的仍旧是常规的PID控制。
PID结构简朴、稳定性好、工作可靠、使用中不必弄清系统的数学模型。
PID的使用已经有60多年了，有人称赞它是控制领域的常青树。
PID（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有50多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。
PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。
数字PID控制在生产过程中是一种最普遍采用的控制方法，在冶金、机械、化工等行业中活的广泛应用。
在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是PID控制。
系统由模拟PID控制器和被控对象组成。
PID控制器是一种现行控制器，它根据给定值r（t）与实际输出值c（t）构成控制偏差，将偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID控制器。
比例环节即时成比例地反映控制系统的偏差型号e（t）,偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。
积分环节主要用于消除静差，提高系哦他能够的无差度。
积分作用的强弱取决于积分时间常数T1，T1越大，积分作用越弱，反之越强。
微分环节能反映偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早起修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。
PID应用范围广。
虽然很多工业过程是非线性或时变的，但通过对其简化可以变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统，这样PID就可控制了。
其次，PID参数较易整定。
也就是，PID参数Kp，Ki和Kd可以根据过程的动态特性及时整定。
如果过程的动态特性变化，例如可能由负载的变化引起系统动态特性变化，PID参数就可以重新整定。
2.2.3现场总线系统的组成
现场总线控制系统由测量系统、控制系统、管理系统三个部分组成，而通信部分的硬、软件是它最有特色的部分。
（1）现场总线控制系统：
它的软件是系统的重要组成部分，控制系统的软件有组态软件、维护软件、仿真软件、设备软件和监控软件等。
首先选择开发组态软件、控制操作人机接口软件MMI。
通过组态软件，完成功能块之间的连接，选定功能块参数，进行网络组态。
在网络运行过程中对系统实时采集数据、进行数据处理、计算。
优化控制及逻辑控制报警、监视、显示、报表等。
（2）现场总线的测量系统：
其特点为多变量高性能的测量，使测量仪表具有计算能力等更多功能，由于采用数字信号，具有高分辨率，准确性高、抗干扰、抗畸变能力强，同时还具有仪表设备的状态信息，可以对处理过程进行调整。
（3）设备管理系统：
可以提供设备自身及过程的诊断信息、管理信息、设备运行状态信息（包括智能仪表）、厂商提供的设备制造信息。
例如Fisher—Rosemoune公司，推出AMS管理系统，它安装在主计算机内，由它完成管理功能，可以构成一个现场设备的综合管理系统信息库，在此基础上实现设备的可靠性分析以及预测性维护。
将被动的管理模式改变为可预测性的管理维护模式AMS软件是以现场服务器为平台的T型结构，在现场服务器上支撑模块化，功能丰富的应用软件为用户提供一个图形化界面。
（4）总线系统计算机服务模式：
以客户机/服务器模式是目前较为流行的网络计算机服务模式。
服务器表示数据源（提供者），应用客户机则表示数据使用者，它从数据源获取数据，并进一步进行处理。
客房机运行在PC机或工作站上。
服务器运行在小型机或大型机上，它使用双方的智能、资源、数据来完成任务。
（5）数据库：
它能有组织的、动态的存储大量有关数据与应用程序，实现数据的充分共享、交叉访问，具有高度独立性。
工业设备在运行过程中参数连续变化，数据量大，操作与控制的实时性要求很高。
因此就形成了一个可以互访操作的分布关系及实时性的数据库系统，市面上成熟的供选用的如关系数据库中的Orad，sybas，Informix，SQLServer；实时数据库中的Infoplus，PI，ONSPEC等。
（6）网络系统的硬件与软件：
网络系统硬件有：
系统管理主机、服务器、网关、协议变换器、集线器，用户计算机等及底层智能化仪表。
网络系统软件有网络操作软件如：
NetWarc，LANMangger，Vines，服务器操作软件如Lenix，os/2，WindowNT。
应用软件数据库、通信协议、网络管理协议等。
目前的
升级会员 