DCS自动控制系统组态.docx
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DCS自动控制系统组态
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中国石油大学
DCS自动控制系统组态
实验报告
学生姓名：
学号：
系别：
专业年级：
2015年07月14日
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一、设计任务与要求
设计任务：
利用实验室的多容水箱及其辅助检测设备，并采用浙大中控作为控制器的硬件，设计一个液位控制系统，使液位能够保持在设定的范围内。
设计要求：
1、熟悉工艺流程。
2、熟悉使用浙大中控DCS设计控制系统的过程。
3、熟悉DCS设计、运行的基本原理。
4、熟悉控制系统的参数调整过程。
5、利用实验室现有装置设计一个水箱液位自动控制系统。
1.1DCS概述：
DCS，全称：
DistributedControlSystem，定义：
DCS是分散控制系统
（DistributedControlSystem）的简称，国内一般习惯称为集散控制系统。
它是一
个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机（Computer）、通讯（Communication）、显示（CRT）和控制（Control）
等4C技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、组态方便。
二、串级水箱控制系统原理
被控系统原理图：
PCT-III型过程控制系统实验装置原理图
上图为三容水箱液位控制系统，该装置由三容水箱主体、电动调节阀、变频泵、工频泵、储水水箱组成。
该装置包含的上水箱、中水箱、下水箱的液位构成被控对象，对每个水箱可以通过电动调节阀和改变变频泵的转速来控制其流量特性，其进入每个水箱前的
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阀阻和每个水箱下边的挡板阀也可以通过人工调节改变水箱液位，故可以构成不同阶次的被控对象。
通过组态可以得知上水箱、中水箱、下水箱的液位和左右两边的流量，通过综合调节来时这个液位系统达到理想的预定值。
三、液位串级控制系统组成结构
3.1硬件部分
被控对象
水箱：
包括上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。
上、中、下水箱采用淡蓝色优质有机玻璃，便于学生直接观察液位的变化和记录结果。
水箱底部均接有扩散硅压力传感器与变送器可对水箱的压力和液位进行检测和变送。
上、中、下水箱可以组合成一阶、二阶、三阶单回路液位控制系统和双闭环、三闭环液位串级控制系统。
储水箱由不锈钢板制成，满足上、中、下水箱的供水需要。
检测装置压力传感器、变送器：
三个压力传感器分别用来对上、中、下三
个水箱的液位进行检测，其量程为0～5KP，精度为0.5级。
输出：
4～20mADC。
流量传感器、变送器：
三个涡轮流量计分别用来对由电动调节阀控制的动力支路、
由变频器控制的动力支路及盘管出口处的流量进行检测。
输出：
4～20mADC。
执
行结构电动调节阀：
采用智能直行程电动调节阀，用来对控制回路的流量进行
调节。
电源为单相220V，控制信号为4～20mADC或1～5VDC，输出为4～20mADC
的阀位信号；水泵：
本装置采用两只磁力驱动泵,一只为三相380V恒压驱动，另
一只为三相变频220V输出驱动：
电磁阀：
在本装置中作为电动调节阀的旁路，
起到阶跃干扰的作用。
3.2软件部分
JX-300XP控制系统由工程师站、操作员站、控制站、过程控制网络等组成。
其中控制站和操作站在整个系统中作用有，控制站组态主要对I/O、自定义变量、常规控制方案、自定义控制方案和折线表定义等在控制站组态中，对液位设定值
（SV）、控制系统中右上水箱液位测量值、右下水箱液位测量值及调节阀开度等模拟量进行I/O组态，对系统控制程序中占用到的部分中间变量进行自定义变量组态，在自定义控制方案中确定控制站中使用SCX语言或图形化环境进行控制站编程。
3.2.1操作站硬件
1、操作站组成：
操作站的硬件基本组成包括：
工控PC机（IPC）、彩色显示器、鼠标、键盘、SCnetⅡ网卡、操作台、专用操作员键盘、打印机等，工程师站硬件配置与操作
站硬件配置基本一致，无特殊要求，它们的区别仅在于系统软件的配置不同，工程师站除了安装有操作、见识等基本功能的软件外，还装有相应的系统组态、系统维护等应用工具软件。
2.机柜
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3.2.2控制站硬件
1.XP243主控卡
主控卡（又称主控制卡）是控制站软硬件的核心，协调控制站内软硬件关系和各项控制任务。
他是一个智能化的独立运行的计算机系统，可以自动完成数据采集、信息处理、控制运算等各项功能。
通过过程控制的网络与过程控制级（操作站、工程师站）相连，接受上层的管理信息，并向上传递工艺装置的特性数据
和采集到的实时数据；向下通过SBUS和数据转发卡的程控交换与智能I/O卡件实时通信，实现与I/O卡件的信息交换（现场信号的输入采样和输出控制）。
XP243
采用双微处理器结构，协同处理控制站的任务，功能更强，速度更快。
如图3.1为本次实验用的主控卡。
注释
IP
周
类型
型号
通讯
冗
网
冷
运
保
阀位设定
期
余
线
端
行
持
值跟踪
A3000
128.128.1
0.5
采集站
XP24
UDP
冗
就
实
否
是
控
制
.2
3
余
地
时
站
表3.1
2.XP233数据转发卡
XP233是I/O机笼的核心单元，是主控卡联接I/O卡件的中间环节，它一方面驱动SBUS总线，另一方面管理本机笼的I/O卡件。
通过数据转发卡，一块中控卡（XP243）可扩展1到8个I/O机笼，即可以扩展1到128块不同功能的I/O卡件。
表3.2为数据转发卡参数表
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转发卡型号
地址
说明
XP233
00
模拟量输入数据转发卡
XP233
02
模拟量输出数据转发卡
表3.2
3.XP313电流信号输入卡
XP313电流信号输入卡可测量6路电流信号（Ⅱ型或Ⅲ型），并可为6路变送器提供+24V隔离配电电源，它是一块带CPU的智能型卡件，对模拟量电流输入信号进行调理、测量的同时，还具备卡件自检及主控制卡通讯的功能。
XP313卡的6路信号调理分为二组，其中1,2,3通道为第一组，4,5,6通道为第二组，同一组内的信号调理采用同一个隔离电源供电，两组间的电源及信号互相隔离，并且都与控制站的电源隔离。
表3.3电流信号输入卡说明
卡件名称
卡件地址
备注
XP313（I）（6路电流信号输入卡）
00
1#装置信号输入
表3.3
4.XP322电流信号输出卡
XP322模拟信号输出卡为4路点点隔离型电流（Ⅱ型或Ⅲ型）信号输出卡。
作为带CPU的高精度智能化卡件，具有实时检测输出信号的功能，它允许主控卡检测输出电流。
表3.4电流信号输出卡说明
卡件名称地址备注
XP322（4路模拟信号输出卡）051#装置控制信号
表3.4
5.XP211机笼母板
XP211是JX-300XP系统的机笼母板，提供20个卡件插槽：
2个主控卡插槽、2个转发卡插槽和16个I/O卡插槽，以及8个系统扩展端子、4个DB9针型插座
盒1个电源接线端子，DB9针型插座用于SBUS互连，即机笼之间的互连；电源端子给机笼中所有的卡件提供5V和24V直流电源；I/O端子接口配合可插拔端子吧I/O信号引至相应的卡件上。
6.I/O卡件
I/O卡件是和现场直接相连的设备，现场信号通过电缆到达I/O卡件，I/O卡件处理后将数据送给数据转发卡，数据转发卡再送到主控制站进行运算。
而主控制卡就算出来的控制结果则通过数据转发卡到达I/O卡件，通过I/O卡件送到现场执行机构，每个I/O卡件必须隶属于某个数据转发卡，而每个数据转发卡可以转发多个I/O卡件的数据。
I/O点组态：
I/O点组态是对现场信号的具体通道进行登记，如现场信号是通过哪个I/O卡件的哪个端子输入的。
控制信号是通过哪个I/O卡件的哪个端子输出的。
I/O点的命名规则如表3.5和表3.6。
以＃1装置为例：
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位号
注释
I/O卡件地址
I/O点地址
参数
LI1001
#1上水箱液位
00
0～100%
LI1002
#1下水箱液位
00
01
0～100%
FI1001
#1变频电泵支路流量
03
0～100%
FI1002
#1工频电泵支路流量
04
0～100%
表3.5
下面给出了＃1装置输出模拟量的地址信息
No.位号
I/O卡件地址
I/O点地址
FV1002
#1电动调节阀
05
00
正输出Ⅲ型
FV1001
#1变频器
02
正输出Ⅲ型
表3.6
四、控制系统设计方案
4.1.1水箱液位串级控制系统框图的设计
水箱液位控制系统由于控制过程特性呈现大滞后、外界环境的扰动较大，要保持上水箱下水箱液位最后都保持设定值，用简单的单闭环反馈控制不能实现很好的控制效果，所以采用串级闭环反馈系统。
控制框图如图4.1所示。
这里的扰动主要是水箱的出水阀的扰动，有时是认为的因素，有时是机械的因素，扰动总是不可避免的。
主回路和副回路结合有效地抑制环境的扰动。
图4.1
4.1.2串级水箱控制系统流程图
流程图是一个控制系统的重要部分，操作员监控现场情况大多是通过流程图界面完成的，流程图要能够准确反映现场的工艺流程，同时要做到画面美观、形象、操作方便。
所用符号符合工业规范。
要有动态显示的数据和图形。
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如图所示是水箱液位串级控制系统，它是由主控、副控两回路组成，主控回路的调节器称主调节器，控制对象为下水箱，下水箱的液位为系统的主控制量，
副控制回路中的调节器称副调节器，控制对象为上水箱，中水箱的液位为副控制量，主调节器的输出作为副调节器的给定，副调节器的输出直接驱动电动调节阀，从而达到控制水箱液位的目的；在串联双容水箱水位的控制中，进水首先进人第一个水箱，然后通过第二个水箱流出，与一个水箱相比，由于增加了一个水箱，使得被控量的响应在时间上更落后一步，即存在容积延迟，从而导致该过程的难以控制。
串级控制是改善调节过程动态性能的有效方法，由于其超前的控制作用，可以大大克服系统的容积延迟。
采用一步整定法，通过浙大中控组态软件对整定过程及液位的平衡过程进行实时监控，直至达到主、副回路的最佳整定参数。
4.1.2硬件部分
硬件部分主要有变频器、电动调节阀、流量计、中水箱、下水箱、各种传感器、以及数据采集、转换装置；系统硬件的设计包括检测单元、执行单元和控制单元的设计，他们互相联系，组成一个完整的系统。
4.2控制系统的控制要求
水箱液位和流量串级控制系统主要由水箱、管道、水泵、异步电动机、电机控制电器、水压传感器、变频器、电动调节阀、系统中由电位器设置液位给定值，水压力传感器检测液位，采用PID算法得出流量给定值。
涡轮流量计测流量，电动调节阀控制流量，采用PID算法得出电动调节阀度控制值，实现流量的控制。
流量控制是内环，液位控制是外环。
根据工艺要求，为了保证控制精度，系统以低位水箱液位为主调节参数，高位水箱液位为副调节参数，构成串联双容水箱串级控制系统。
低位水箱的液位传
感器检测的液位信号与给定液位值进行比较后送人主调节器，经PID运算后，其输出作为副调节器的给定值，与高位水箱的液位传感器检测到的液位信号进行
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比较后送人副调节器，经PID运算后，其输出控制电动调节阀的开度，控制进水流量的大小，从而控制水箱的液位口。
4.3控制系统的PID参数整定
主回路是一个定值控制系统。
对于主参数的选择，基本上可以按照单回路控制系统的设计原则进行。
凡直接或间接与生产过程运行性能密切相关并可直接测量的工艺参数均可选择作主参数。
另外，对于选用的主参数必须具有足够的灵敏度，并符合工艺过程的合理性；串级控制系统副回路具有调节速度快、抑制扰动能力强的特点，因而在选择副参数进行副回路设计时，必须注意主、副过程时间常数的匹配问题，以尽量减少对主参数的影响，提高主参数的控制质量。
如果副过程的时间常数比主过程小得多，这时副回路反应灵敏，控制作用快，但此时副回路包含的扰动少，对于过程特性的改善也就少了；相反，如果副过程的时间常数大于或接近于主过程的时间常数，这时副回路对于改善过程特性的效果较明显。
但是，副回路反应较迟钝，不能及时有效地克服扰动，并将明显地影
响参数。
如果主、副过程的时间常数较接近，这时主副回路间的动态联系十分密切，当一个参数发生振荡时，会使另一个参数也发生振荡，这就是所谓的“共振”，它不利于生产的正常进行。
串级控制系统主、副过程时间常数的匹配是一个比较复杂的问题。
原则上，主副过程时间常数之比应是3到10范围内。
本次液位控制系统中设置串级控制系统主要是利用副回路能迅速克服主要
扰动，所以副回路的时间常数以小一点为好，只要将主要扰动包括在副回路中即
可。
针对本次的液位串级控制系统可用以下步骤对PID参数整定：
1）根据副变量的类型，按经验数据选择好副控制器的比例度（可参照图
3.4）；
2）将副控制器参数置于经验值，然后按单回路控制系统中任一整定方法整定主控制器参数；
3）观察控制过程，根据主、副控制器放大系数匹配的原理，适当调整主、副控制器的参数，使主变量控制质量最好；
4）若出现振荡，可加大主（或副）控制器的比例度，即可消除。
如出现剧烈振荡，可先转入遥控，待产生稳定之后，重新投运和整定。
五、实验结果分析
利用实时监控系统对流程图进行仿真：
总貌画面组态
总貌画面可以作为分组画面、趋势曲线、流程图画面、数据一览画面等的索引，主要是为了操作方便。
如图5.1为系统总貌：
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图5.1
分组画面组态：
分组画面组态是对实时监控状态下分组画面里的仪表盘的位号进行设置。
运行时，一个分组的信息显示在一页中，并以仪表盘的方式显示。
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调整画面图：
趋势画面仿真图：
趋势画面组态用于完成实时监控趋势画面的设置，即哪些位号需要以曲线的方式实时显
示。
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和单回路控制系统相比较，串级控制系统有以下特点：
1）改善了对象的特性—在串级控制系统中，如把副回路视为一等效副对象，那么，它的时间常数和放大系数都比原副对象的小。
对象时间常数减小，系统的响应速度将加快，这对及时克服干扰，提高控制质量是有利的；
2）提高了系统的工作频率—在串级控制系统中，由于等效副对象时间常数比原副对象的小。
因此，在采用串级控制时系统的工作频率就比采用单回路控制时为高（在相同衰减比下）。
这对及时克服干扰、消除偏差、提高控制质量是有利的；
3）提高了系统的抗干扰能力—和单回路控制系统相比，串级控制系统中有两台控制器，这就提高了控制器的总放大系数，系统中控制器的放大系数越大，克服干扰就越有力，特别当干扰落在副回路内时，由于响应快、控制及时，大大提高了系统的抗干扰能力；
4）具有一定的自适应能力—在串级控制系统中，主回路是一个定值系统，
副回路却是一个随动系统，它的给定值是随主控制器的输出而变化的。
主控制器可以根据操作条件和负荷的变化，不断地调整副控制器的给定值，从而保证在负荷和操作条件变化时，控制系统仍然具有较好的品质，这就提高了系统对负荷和
操作条件变化的适应能力。
由于本实验各组分别独立进行组态（共分为10组，所以有10个工程），而
在DCS实际运行时只能有一个工程运行。
所以，需要对10组的工程进行整合，
将10个工程整合为一个工程，在整合过程中，各组在本组工程设计完毕、检查无误后，可以根据教师指导进行工程整合。
六、实验结论
1通过本次水箱液位串级控制系统的设计不难看出所采用的串级控制方案
很好地克服了双容对象的容量延迟对液位控制的不利影响，取得了较好的控制效果。
通过上位机监控组态界面的设计，使整个系统的运行和控制状态更直观。
目前，控制系统通过调试运行，系统运行情况良好。
2我们还可以明确单回路控制技术并非适用一切，对于时间常数较大、存
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在时间滞后、系统有较大干扰的情况，单回路控制系统的调节质量难于保证。
必须改进控制方式，而串级控制系统能较大的解决这一问题，串级控制系统由于副回路的存在，改善了对象的特性，使等效对象的时间常数减小，系统的工作频率提高，改善了系统的动态性能，使系统的响应加快，控制及时。
同时，由于串级
系统具有主副两只控制器，总放大倍数增大，系统的扰干扰能力增强。
因此，它的控制质量要比单回路控制系统高。
七、参考文献
【1】XX文库
【2】过程控制课件
【3】浙大中控培训资料
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