DCS液位集散控制系统锅炉液位控制系统课程设计报告.docx
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DCS液位集散控制系统锅炉液位控制系统课程设计报告
摘要
集散控制系统（Distributedcontrolsystem）是以微处理器为基础的对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的集中分散控制系统，简称DCS系统。
该系统将若干台微机分散应用于过程控制，全部信息通过通信网络由上位管理计算机监控，实现最优化控制，整个装置继承了常规仪表分散控制和计算机集中控制的优点，克服了常规仪表功能单一，人-机联系差以及单台微型计算机控制系统危险性高度集中的缺点，既实现了在管理、操作和显示三方面集中，又实现了在功能、负荷和危险性三方面的分散。
DCS系统在现代化生产过程控制中起着重要的作用。
关键字：
集散控制系统；微处理器；最优化控制
目录
1.概述1
2.通用版及嵌入版MCGS组态软件3
2.1锅炉液位控制工程文件建立3
2.2锅炉液位控制画面设计8
3.被控对象设计12
3.1实验装置简介12
3.2被控对象特性说明（过程工艺分析）13
3.3被控对象的结构设计13
3.4被控对象工艺流程图14
4.控制系统设计14
4.1控制系统原理分析及控制方案设计14
4.2一次仪表选型设计15
4.3DCS选型设计18
5.DCS组态设计18
5.1DCS硬件组态设计18
5.2DCS软件组态设计19
5.3DCS系统闭环运行调试结果分析与说明22
5.设计总结与体会24
6.参考文献25
1.概述
集散控制系统（Distributedcontrolsystem）是以微处理器为基础的对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的集中分散控制系统，简称DCS系统。
该系统将若干台微机分散应用于过程控制，全部信息通过通信网络由上位管理计算机监控，实现最优化控制，整个装置继承了常规仪表分散控制和计算机集中控制的优点，克服了常规仪表功能单一，人-机联系差以及单台微型计算机控制系统危险性高度集中的缺点，既实现了在管理、操作和显示三方面集中，又实现了在功能、负荷和危险性三方面的分散。
DCS系统在现代化生产过程控制中起着重要的作用。
集散控制系统一般有以下四部分组成：
现场控制级
又称数据采集装置，主要是将过程非控变量进行数据采集和预处理，而且对实时数据进一步加工处理，供CRT操作站显示和打印，从而实现开环监视，并将采集到的数据传输到监控计算机。
输出装置在有上位机的情况下，能以开关量或者模拟量信号的方式，向终端元件输出计算机控制命令。
这一个级别直接面对现场，跟现场过程相连。
比如阀门、电机、各类传感器、变送器、执行机构等等。
它们都是工业现场的基础设备、同样也是DCS的基础。
在DCS系统中，这一级别的功能就是服从上位机发来的命令，同时向上位机反馈执行的情况。
拿军队来举例的话，可以形容为最底层的士兵。
它们只要能准确地服从命令，并且准确地向上级汇报情况即完成使命。
至于它与上位机交流，就是通过模拟信号或者现场总线的数字信号。
由于模拟信号在传递的过程或多或少存在一些失真或者受到干扰，所以目前流行的是通过现场总线来进行DCS信号的传递。
过程控制级
又称现场控制单元或基本控制器，是DCS系统中的核心部分。
生产工艺的调节都是靠它来实现。
比如阀门的开闭调节、顺序控制、连续控制等等。
上面说到现场控制级是“士兵”，那么给它发号施令的就是过程控制级了。
它接受现场控制级传来的信号，按照工艺要求进行控制规律运算，然后将结果作为控制信号发给现场控制级的设备。
所以，过程控制级要具备聪明的大脑，能将“士兵”反馈的军情进行分析，然后做出命令，以使“士兵”能打赢“战争”。
这个级别不是最高的，相当于军队里的“中尉”。
它也一样必须将现场的情况反馈给更高级别的“上校”也就是下面讲的过程管理级。
过程管理级
DCS的人机接口装置，普遍配有高分辨率、大屏幕的色彩CRT、操作者键盘、打印机、大容量存储器等。
操作员通过操作站选择各种操作和监视生产情况、
这个级别是操作人员跟DCS交换信息的平台。
是DCS的核心显示、操作跟管理装置。
操作人员通过操作站来监视和控制生产过程，可以通过屏幕了解到生产运行情况，了解每个过程变量的数字跟状态。
这一级别在军队中算是很高的“上校”了。
它所掌握的“大权”可以根据需要随时进行手动自动切换、修改设定值，调整控制信号、操纵现场设备，以实现对生产过程的控制。
经营管理级
又称上位机，功能强、速度快、容量大。
通过专门的通信接口与高速数据通路相连，综合监视系统各单元，管理全系统的所有信息。
这是全厂自动化系统的最高一层。
只有大规模的集散控制系统才具备这一级。
相当于军队中的“元帅”，他们所面向的使用者是厂长、经理、总工程师等行政管理或运行管理人员。
它的权限很大，可以监视各部门的运行情况，利用历史数据和实时数据预测可能发生的各种情况，从企业全局利益出发，帮助企业管理人员进行决策，帮助企业实现其计划目标。
上世纪三四十年代，工业自动化装置采用的是分散性控制系统。
也就是所有设备都是独立运行，不联网控制。
操作员根据生产需求进行计算后，将独立设备的特性调节到适合的程度，然后就开始工作。
之后采用了气动、电动模拟仪表组成过程控制系统，实现了一定程度上的集中监视、操作和分散控制。
较好的适应了工业生产的需求。
可是，随着生产规模和复杂程度的不断提高，原有的控制系统显得滞后、笨重、繁冗，因为一台仪表只有一种控制规律，要实现某些复杂的控制就很困难。
另外，控制仪表数量越来越多，用原来落后的仪表盘控制的话，控制盘越来越长，看得人眼睛都会花掉。
最致命的就是老系统之间不便于实现通信，很难分级控制和综合管理。
再一个就是它的系统变更比较麻烦，只有通过更换仪表和变更仪表连线才能实现。
第三次科技革命开始后，随着计算机技术的发展，人们开始尝试将计算机用于过程控制。
试图利用计算机所具有的功能特点，来克服常规模拟仪表的局限性。
但当时采用的办法是用一台计算机控制几十甚至上百个回路，这样做的危险性很高，如果计算机出现故障，会导致很严重的后果，这就是所谓的“危险集中”。
若采用双机双工系统，虽可以提高系统的可靠性，但成本太高，如果工厂的生产规模不大，则经济性很差，用户难以接受。
直到上世纪70年代开始，随着计算机技术的日渐成熟，大规模集成电路及微处理器的诞生后，人们开始思考是否能将“危险分散”。
就是原来靠一台大计算机完成的“艰巨”任务，能否用几十台微处理来完成？
这样的话，即使某一处理器坏了，也不至于会“牵一发而动全身”，从而使危险系数大大降低。
答案是肯定的。
至此DCS就诞生了。
进入九十年代以后，计算机技术突飞猛进，更多新的技术被应用到了DCS之中。
PLC是一种针对顺序逻辑控制发展起来的电子设备，它主要用于代替不灵活而且笨重的继电器逻辑。
现场总线技术在进入九十年代中期以后发展十分迅猛，以至于有些人已做出预测：
基于现场总线的FCS将取代DCS成为控制系统的主角。
集散控制系统的特点
DCS控制系统与常规模拟仪表及集中型计算机控制系统相比，具有很显著的特点。
1、系统构成灵活。
从总体上看，DCS就是由各个工作站通过网络通信系统组网而成的。
你可以把他想象成“因特网”。
根据生产需求，你可以随时加入或者撤去工作站。
系统组态很灵活。
2、操作管理便捷。
DCS的人机反馈都是通过CRT跟键盘、鼠标等实现的。
你可以想象成在因特网冲浪一样，你可以监视生产装置乃至整个工厂的运行情况。
3、控制功能丰富。
原先用模拟控制回路实现的复杂运算，通过高精度的微处理器来实现。
4、信息资源共享。
你可以把工作站想象成因特网上的各个网站，只要你在DCS系统中，并且权限够大，你就能了解到你要的任何参数。
5、安装、调试方便。
相比原先的模拟控制系统，那么多的飞线头，一大堆类似头发丝的电线，DCS系统算是很方便了。
6、安全可靠性高。
DCS系统的硬件结构
DCS的硬件系统主要由集中操作管理装置、分散过程控制装置和通信接口设备等组成。
通过通信网络将这些硬件设备连接起来，共同实现数据采集、分散控制和集中监视、操作及管理等功能。
现场控制站
现场控制站中的主要设备是现场控制单元。
现场控制单元式DCS直接与生产过程进行信息交互的IO处理系统，它的主要任务是进行数据采集及处理，对被控对象实施闭环反馈控制、顺序控制和批量控制。
用户可以根据不同的应用需求，选择配置不同的现场控制单元构成现场控制站。
它可以是以面向连续生产的过程控制为主，辅以顺序逻辑控制，构成的一个可以实现多种复杂控制方案的现场控制站；也可以是以顺序控制、连锁控制功能为主的现场控制站；还可以是一个对大批量过程信号进行总体信息采集的现场控制站。
现场控制站是一个可以独立运行的计算机检测控制系统。
由于它是专为过程检测、控制而设计的通用型设备，所以其机柜、电源、输入输出通道和控制计算机等，与一般的计算机系统有所不同。
2.通用版及嵌入版MCGS组态软件
目标：
应用通用版及嵌入版MCGS组态软件基本功能进行简单项目设计、仿真运行。
2.1锅炉液位控制工程文件建立
终极目标：
能建立MCGS新工程。
促成目标：
1）掌握MCGS组态软件的安装与运行方法。
2）能进行工程分析，建立工程文件。
2.1.1工作任务
建立水位控制系统工程文件。
2.1.2能力训练
MCGS（MonitorandControlGeneratedSystem，通用监控系统）是一套用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件，充分利用了Windows图形功能完备、界面一致性好、易学易用的特点，比以往使用专用机开发的工业控制系统更具有通用性，在自动化领域有着更广泛的应用。
MCGS的安装
1）启动Windows。
2）在相应的驱动器中插入光盘。
插入光盘后会自动弹出MCGS安装程序窗口（如没有窗口弹出，则从Windows的“开始”菜单中，选择“运行...”命令，运行光盘中AutoRun.exe文件），MCGS安装程序窗口如图2-2所示：
3）在安装程序窗口中选择“安装MCGS组态软件通用版”，启动安装程序开始安装。
安装程序将提示指定安装目录，用户不指定时，系统缺省安装到D:
\MCGS目录下，如图2-1所示：
图2-1安装程序
安装过程大约要持续数分钟，MCGS系统文件安装完成后，安装程序要建立象标群组和安装数据库引擎，这一过程可能持续几分钟，请耐心等待。
4）安装完成后，安装程序将弹出“设置完成”对话框，上面有两个复选框，“是，我现在要重新启动计算机”和“不，我将梢后重新启动计算机”。
一般在计算机上初次安装时需要选择重新启动计算机，如图2-2，按下“结束”按钮，操作系统重新启动，完成安装。
如果选择“不，我将梢后重新启动计算机”，点击“结束”，系统将弹出警告提示，提醒“请重新启动计算机后再运行MCGS组态软件”。
图2-2安装完成对话窗口
5）安装完成后，Windows操作系统的桌面上添加了如图所示的两个图标，分别用于启动。
MCGS组态环境和运行环境：
图2-3MCGS桌面图标
同时，Windows开始菜单中也添加了相应的MCGS程序组，如图2-4所示。
MCGS程序组包括五项：
MCGS组态环境、MCGS运行环境、MCGS电子文档、MCGS自述文件以及卸载MCGS组态软件。
运行环境和组态环境为软件的主体程序，自述文件描述了软件发行时的最后信息，MCGS电子文档则包含了有关MCGS最新的帮助信息。
图2-4MCGS程序组
MCGS的运行方式
1）MCGS系统分为组态环境和运行环境两个部分。
可执行文件McgsSet.exe对应于MCGS系统的组态环境，可执行文件McgsRun.exe对应于MCGS系统的运行环境。
2）MCGS系统安装完成后，在用户指定的目录（或系统缺省目录D:
\MCGS）下创建有三个子目录：
Program、Samples和Work。
组态环境和运行环境对应的两个执行文件以及MCGS中用到的设备驱动、动画构件及策略构件存放在子目录Program中，样例工程文件存放在Samples目录下，Work子目录则是用户的缺省工作目录。
3）分别运行执行程序McgsSet.exe和McgsRun.exe，就能进入MCGS的组态环境和运行环境。
安装完毕后，运行环境能自动加载并运行样例工程。
用户可根据需要创建和运行自己的新工程。
工程建立
1）用鼠标单击文件菜单中“新建工程”选项，如果MCGS安装在D：
盘根目录下，则会在D：
\MCGS\WORK\下自动生成新建工程，默认的工程名为：
“新建工程X.MCG”（X表示新建工程的顺序号，如：
0、1、2等）。
2）选择文件菜单中的“工程另存为”菜单项，弹出文件保存窗口。
3）在文件名一栏内输入“锅炉液位控制系统+班级+学号”，单击“保存”按钮，工程创建完毕。
注意：
文件名中不能包含空格，否则MCGS拒绝运行。
2.1.3拓展知识
（1）常用组态软件有哪些
国内的有MCGS、组态王、力控、瑞尔等，国外的有西门子Wincc、INTOUCH等。
从结构上说，组态王和MCGS一样，前台动画和后台集成在一起，在运行模式下一起运行。
而力控、瑞尔却由后台驱动、实时数据库和前台三部分组成。
目前国产软件整体性能与国外软件相比虽有些差距，但在一般的工程中，国产软件和国外软件已没有任何差别，在某些项目上，国产软件的性能比国外软件还要好。
（2）MCGS组态软件常用术语
1）工程：
用户应用系统的简称。
引入工程的概念，是使复杂的计算机专业技术更贴近于普通工程用户。
在MCGS组态环境中生成的文件称为工程文件，后缀为.mcg，存放于MCGS目录的WORK子目录中。
如：
“D:
\MCGS\WORK\水位控制系统.mcg”。
2）对象：
操作目标与操作环境的统称。
如窗口、构件、数据、图形等皆称为对象。
3）选中对象：
鼠标点击窗口或对象，使其处于可操作状态，称此操作为选中对象，被选中的对象（包括窗口），也叫当前对象。
4）组态：
在MCGS组态软件开发平台中对五大部分进行对象的定义、制作和编辑，并设定其状态特征（属性）参数，将此项工作称为组态。
5）属性：
对象的名称、类型、状态、性能及用法等特征的统称。
6）菜单：
是执行某种功能的命令集合。
如系统菜单中的“文件”菜单命令，是用来处理与工程文件有关的执行命令。
位于窗口顶端菜单条内的菜单命令称为顶层菜单，一般分为独立的菜单项和下拉菜单两种形式，下拉菜单还可分成多级，每一级称为次级子菜单。
7）构件：
具备某种特定功能的程序模块，可以用VB，VC等程序设计语言编写，通过编译，生成DLL、OCX等文件。
用户对构件设置一定的属性，并与定义的数据变量相连接，即可在运行中实现相应的功能。
8）策略：
是指对系统运行流程进行有效控制的措施和方法。
9）启动策略：
在进入运行环境后首先运行的策略，只运行一次，一般完成系统初始化的处理。
该策略由MCGS自动生成，具体处理的内容由用户充填。
10）循环策略：
按照用户指定的周期时间，循环执行策略块内的内容，通常用来完成流程控制任务。
11）退出策略：
退出运行环境时执行的策略。
该策略由MCGS自动生成，自动调用，一般由该策略模块完成系统结束运行前的善后处理任务。
12）用户策略：
由用户定义，用来完成特定的功能。
用户策略一般由按钮、菜单、其他策略来调用执行。
13）事件策略：
当开关型变量发生跳变时（1到0，或0到1），执行的策略，只运行一次。
14）热键策略：
当用户按下定义的组合热键（如：
Ctrl+D）时执行的策略，只运行一次。
15）可见度：
指对象在窗口内的显现状态，即可见与不可见。
16）变量类型：
MCGS定义的变量有五种类型：
数值型、开关型、字符型、事件型和组对象。
17）事件对象：
用来记录和标识某种事件的产生或状态的改变。
如开关量的状态发生变化。
18）组对象:
用来存储具有相同存盘属性的多个变量的集合，内部成员可包含多个其他类型的变量。
组对象只是对有关联的某一类数据对象的整体表示方法，而实际的操作则均针对每个成员进行。
19）动画刷新周期：
动画更新速度，即颜色变换、物体运动、液面升降的快慢等，单位为ms。
20）父设备：
本身没有特定功能，但可以和其他设备一起与计算机进行数据交换的硬件设备。
如：
串口通讯父设备。
21）子设备：
必须通过一种父设备与计算机进行通讯的设备。
如：
浙大中控JL-26无纸记录仪、研华4017模块等。
22）模拟设备：
在对工程文件测试时，提供可变化的数据的内部设备，可提供多种变化方式，如正弦波、三角波等。
23）数据库存盘文件：
MCGS工程文件在硬盘中存储时的文件，类型为MDB文件，一般以工程文件的文件名+“D”进行命名，存储在MCGS目录下WORK子目录中，如D:
\MCGS\WORK\水位控制系统D.MDB。
2.2锅炉液位控制画面设计
2.2.1教学目标
终极目标：
掌握MCGS画面设计方法。
促成目标：
1）掌握绘图工具箱的使用。
2）掌握实时数据库的创建方法。
3）能实现图形的动画控制效果。
2.2.2工作任务
完成水位控制系统的画面制作，实现动画控制效果。
2.2.3能力训练
MCGS生成的用户应用系统，其结构由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成，如图2-5所示。
图2-5用户应用系统
图2-6MCGS组态平台
1.建立新画面
（1）新建窗口在图2-6所示的MCGS组态平台上，单击“用户窗口”，在“用户窗口”中单击“新建窗口”按钮，则产生新建的“窗口0”。
选中“窗口0”，单击“窗口属性”，进入图2-7所示的“用户窗口属性设置”对话框，将“窗口名称”改为“水位控制”；将“窗口标题”改为“水位控制”；在“窗口位置是、”中选中“最大化显示”，其他不变，单击“确认”按钮。
图2-7用户窗口属性设置
选中“水位控制”，单击“动画组态”，进入图2-8所示的“动画制作”窗口。
图2-8“动画制作”窗口
（2）工具箱使用单击工具条中的工具箱按钮，则打开动画工具箱，如图2-9所示。
a）b）
图2-9动画工具箱及系统图符对象
图标
对应于选择器，用于在图形时选取用户窗口中指定的图形对象；图标
用于打开和关闭系统图符工具箱，常用图符工具箱包括27种常用的图符对象。
图形对象放置在用户窗口中，是构成用户应用系统图形界面的最小单元，MCGS中的图形对象包括图元对象、图符对象和动画构件3种类型，不同类型的图形对象有不同的属性，所能完成的功能也各不相同。
MCGS的图元是以向量图形的格式存在的，根据需要可随意移动图元的位置和改变图元的大小，在工具箱中提供了8种图元。
为了快速构图和组态，MCGS系统内部提供了27种常用的图符对象，称为系统图符对象。
如图2-9b所示。
（3）制作文字框图用鼠标单击图2-9a所示的“标签”按钮
，鼠标的光标变为“十”字形，在窗口任何位置拖拽鼠标，拉出一个一定大小的矩形。
建立矩形框后，光标在其内闪烁，可直接输入文字“水位控制系统演示工程”，按回车键或在窗口任意位置用鼠标单击一下，文字输入过程结束。
如果用户想改变矩形内的文字，先选中文字标签，按回车键或空格键，光标显示在文字起始位置，即可进行文字的修改。
（4）设置框图颜色设置框图颜色如图2-10所示。
1）设定文字框颜色：
选中文字框，按“填充色”按钮
，设定文字框的背景颜色（本例设为无填充色）；按“线色”按钮
改变文字框的边线颜色（本例设为没有边线）。
则设定的结果是，不显示框图，只显示文字。
a）文字框颜色设定b）文字的颜色设定
图2-10设置框图颜色
2）设定文字的颜色：
按“字符字体”按钮
改变文字字体和大小。
按“字符颜色”按钮
，改变文字颜色（本例设为蓝色）。
（5）对象元件库管理单击“工具”菜单，选中“对象元件库管理”打开动画工具箱，工具箱中的图标
用于从对象元件库中读取存盘的图形对象；图标
用于把当前用户窗口中选中的图形对象存入对象元件库中。
图2-11对象元件库管理
从图2-11所示“对象元件库管理”中的“储藏罐”中选取中意的罐，按“确定”按钮，则所选中的罐出现在桌面的左上角，可以改变其大小及位置，如“罐17”、“罐53”。
（6）流动块构件制作流动的水是用图2-9a所示“动画工具箱”中的“流动块”构件制作。
选中工具箱内的“流动块”动画构件
。
移动鼠标至窗口的预定位置，（鼠标的光标变为“十”字形），按下鼠标左键，移动鼠标，在鼠标光标后形成一道虚线，拖动一定距离后，单击鼠标，生成一段流动块。
再拖动鼠标（可沿原来方向，也可垂直于原来方向），生成下一段流动块。
当用户想结束绘制时，双击鼠标即可；当用户想修改流动块时，先选中流动块（流动块周围出现选中标志：
白色小方块），鼠标指针指向小方块，按住左键不放，拖动鼠标,调整形状。
3.被控对象设计
3.1实验装置简介
该系统的实验装置包括水箱、水槽、锅炉各一个，各种变送仪表共计八块，以及各种管道阀门若干。
由本系统的各实验装置可构成锅炉进水流量定值调节，并联管路压力定值调节，锅炉液位定值调节等系统典型生产工艺流程。
实验装置清单如下：
水槽一个
水箱一个
锅炉一个
水泵一个
电磁流量传感器两个（FE1，FE2）
LD2—4B型电磁流量转换器两个（FIT1，FIT2）
DYBG压力变送器两个（LT1，LT2）
QS智能型电动调节阀两块（M1，M2）
管线和阀门若干
表3.1实验装置清单
3.2被控对象特性说明（过程工艺分析）
本系统中被控对象是锅炉，因锅炉是用于加热的容器，所以存在上下限制值，而且由于加热效率等问题，就期望锅炉液位可以稳定在某一给定值上，所以以锅炉液位作为被控变量，进水发门开度为控制变量。
以锅炉液位为反馈变量构成单回路控制系统，并采用PID算法进行控制，通过改变阀门开度，实现锅炉水位稳定在给定值附近的目的。
3.3被控对象的结构设计
为实现上述的对象特性，完成对被控对象的控制，需将管路中的阀门按下表设置。
阀门标号
状态
阀门标号
状态
阀门标号
状态
V25
开
V35
开
V40
开
V21
开
V51
开
V30
开
V33
开
V39
开
V38
开
V42
开
V43
开
V27
开
3.4被控对象工艺流程图
图3.1被控对象工艺流程图
4.控制系统设计
4.1控制系统原理分析及控制方案设计
（1）根据所组态的被控生产流程（被控对象）的工艺要求，确定控制系统的控制方案为单回路控制系统，要求控制系统原理框图如下：
（2）根据被控对象的生产流程和控制要求，确定调节阀为气开形式，控制器为反作用空控制。
图4.1系统原理方框图
（3）工艺管道流程图
图4.2工艺管道流程图
4.2一次仪表选型设计
根据被控对象组态设计，确定“EFPT过程控制实验装置”中一次仪表的使用情况，查阅一次仪表型号、量程等参数。
（1）编制一次仪表位号如表4.1
表4.1次仪表位号
仪表型号
仪表位号
功能
QS智能型电动调节阀QSVP-16K
M1
调节进水阀位
M2
调节出水阀位
电磁流量传感器
LDG——10S
FE1
测量进水流量
FE2
测量出水流量
LD2-4B型电磁流量转换器
FIT1
显示进水流量
FIT2
显示出水流量
DYBG压力变送器
LT1
水箱液位
LT2
锅炉液位
（2）列出一次仪表选型表。
仪表
型
升级会员 