青海云天化复合肥配料秤DCS控制系统的设计级电气.docx

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青海云天化复合肥配料秤DCS控制系统的设计级电气

青海大学继续教育学院

毕业论文（设计）

题目青海云天化复合肥配料秤DCS控制系统的设计

姓名呼吸

班级2014级电气工程学号

专业电气工程及其自动化层次专升本

指导教师李xx

二〇一六年四月十日

复合肥配料秤DCS控制系统的设计

摘要

电子皮带秤自动化配料系统是精细化工厂生产过程中，一道非常重要的工序，配料工序的质量对整个产品的质量举足轻重。

本设计以复合肥配料系统为工业背景，针对配料称的自动控制问题，提出了一种基于DCS远程控制的皮带称自动配料系统方案。

利用ICS-DT-6称重控仪实现对模拟信号的采集、流量的计算、PID调节和对变频器、电机等设备的控制任务。

ICS-DT-6称重控制仪在远程模式自动控制时，微机按DCS给定流量值，控制调速秤的转速；同时，微机定时采集负荷传感器给出的调速秤中物料重量信号及速度信号，进行放大处理；经过高精度的A/D转换，送入微处理器进行运算，得到物料的实际流量和累计产量。

微处理器将实时流量值与给定流量值相比较，进行偏差调节，实现闭环自动控制；称重控仪通过变频器调节电机转速，使实时流量值随时趋近于DCS给定流量值，达到定量给料，并实现累计产量自动补偿详。

本设计详细讲述，复肥配料秤DCS控制系统的设计过程，以及控制思想，硬件组成和选型，还有电路设计和DCS软件组态。

关键词：

DCS,ICS-DT-6称重控制仪,变频调速,PID控制,恒流量控制

Abstract

Electronicbeltscaleautomaticbatchingsystemisaveryimportantprocessintheproductionprocessoffinechemicalplant,andthequalityofbatchingprocessisveryimportanttothequalityofthewholeproduct.Thisdesigntakesthecompoundfertilizerburdensystemastheindustrialbackground,accordingtotheautomaticcontrolofthebatchingsystem,putsforwardakindofautomaticbatchingsystembasedonDCSremotecontrol.TheuseofICS-DT-6weighingcontrollertoachievetheanalogsignalacquisition,flowcalculation,PIDcontrolandthefrequencyconverter,motorandotherequipmentcontroltasks.ICS-DT-6weighingcontrolinstrumentinautomaticmoderemotecontrol,computeraccordingtothegivenflowofdistributedcontrolsystem（DCS）value,controlthespeedofthespeedscale;atthesametime,themicrocomputertimingacquisitionloadsensorisgiventhespeedscalematerialweightsignalandspeedsignal,amplified;afterthehighprecisionA/Dconversionsenttothemicroprocessoroperations,obtainrawmaterialstheactualflowandcumulativeproduction.Microprocessorwillreal-timeflowdatawiththegivenflowvaluesforbiasadjustment,automaticclosed-loopcontrol;weighingcontrolinstrumentbyfrequencyconverterregulatingmotorspeed,enablereal-timeflowdataatanytimetendstoDCSgivenflowvalue,achievethequantitativefeeding,andtoachievecumulativeproductionofautocompensationindetail.ThedesignofadetailedaccountandcompoundfertilizerbatchingscaleDCScontrolsystemdesignprocess,andcontroltheory,hardwarecompositionandselectionandcircuitdesignandDCSconfigurationsoftware.

Keywords:

ICS-DT-6,DCSweighingcontroller,frequencycontrol,PIDcontrol,constantflowcontrol

第一章绪论

1.1概述

近年来，国内复合肥的配料方法均采用皮带配料自动称重控制，其实就是按原料的重量来配料，采用电子皮带秤对物料进行连续计量,通过调节圆盘给料机或皮带的速度来实现定量给料，重量配料易实现自动配料,配料精度较高。

随着化肥、水泥、冶金、陶瓷等工业生产对该项技术的迫切需求，具有配料精确，快速产品的皮带配料自动称重控制系统发展越来越走向成熟。

皮带配料自动称重控制系统是指运用各种自动控制技术完成多种原料的称重、配比、混合、运送等相应工艺要求的控制系统。

稳定性、准确性是系统必备的要素。

该系统在工业生产中常以单片机控制器或者可编程控制器（PLC）来完成控制功能。

PLC控制能力虽然很强大，但是要远程控制，和整个工艺的大系统很好的融合，那就没有DCS（集散控制系统）有优势，DCS控制系统，有操作站和工程师站，操作和修改数据要方便的多，而且网络是整个系统的中枢神经，DCS系统通常采用的国际标准协议TCP/IP。

它是安全可靠双冗余的高速通讯网络，系统的拓展性与开放性更好。

而且复肥厂本就有DCS系统正在使用，可以直接将电子配料秤系统直接引入现有的DCS系统，只需购买电子配料秤，变频器等硬件就可以设计出远程自动化配料系统，可节约很多成本。

.本设计主要是复肥厂原料配料秤为研究对象进行设计，完成以电子皮带秤自动配料系统为核心，DCS远程调节、控制为目标的设计。

1.2设计背景

随着计算机技术和微电子技术的发展，配料控制系统的发展经历了人工手动控制、机械电气控制、单片机控制、工业控制计算机集中控制等几个阶段。

在第一阶段，配料设备庞大，各设备之间互不联系，或联系甚少，由现场的操作人员决定是否要调整控制器。

一个操作人员只能监视和操作一个至两个计量秤，并且手工记录配料的相关数据，在很大程度上产品的质量取决于操作员的熟练程度。

在第二阶段，随着电子管、晶体管技术的飞速发展，逐渐出现了各种小型化的配料电动组合仪表。

但电动组合仪表也存在着两大问题:

一是电噪声的问题比较严重，为克服噪声，不得不采用极为复杂的电子线路;另一个问题是由于配料系统所控对象、所处环境常常都很恶劣，电子元器件的老化严重，抗干扰的能力和可靠性不高。

单片机配料系统是在大规模集成芯片技术成熟的基础上应运而生的。

单片机配料系统较之前两种配料系统设计电路复杂程度降低，可靠性大大的提高。

而且满足了用户实用性的要求。

所以迄今为止，单片机配料系统仍然在一定程度上占据了中小型企业配料生产的主控地位。

同时随着我国经济的发展，工业生产规模的扩大，计算机技术的迅猛发展，基于STD总线或PC总线的工业控制计算机应用提上了日程，并且迅速的在中国形成热潮，主要是因为工业控制计算机可靠性高，小巧结构，组成系统功能灵活，组态方便，具有小型化、模块化、组合化、标准化的特点。

随着工业控制计算机的广泛应用，基于工控机的配料系统也出现在工业场合。

这种配料系统大多采用集中控制方式，计算机除具有工艺流程控制、工况实时显示、提供数据存储、报表打印等功能外，还要完成对各对象的直接控制和数据采集任务。

比较单片机配料系统和工控机集中式配料系统，工控机配料系统较单片机配料系统整体结构简单，人机界面更加美观，交互功能更加强大，设计和调试难度相对降低。

但是由于配料生产现场往往距控制室较远，强、弱模拟信号混杂，必须采取较完善的屏蔽抗干扰措施才能保证系统的稳定运行。

集中控制对主机及其测控电路要求较高。

应用工业控制机实现物料的自动称量与配比，不仅提高了生产效率、安全可靠、精度高、配方可调，而且，配料过程不需要人工操作，从而消除了人为因素的影响。

同时计算机能对生产过程中各种数据进行统计与分析，自动生成包括班次、操作员、日期、配方、各种物料配出量的日、月报表等，将有利于产品成本核算及质量分析等现代化管理。

并配有串、并行通信口为生产规模扩大、组成小型集散控制系统和实现远程监视与控制提供可发展空间。

九十年代以来，随着计算机技术的迅猛发展，国外引进或国内设计的大中型水泥生产线绝大多数使用了计算机控制系统。

如琉璃河、邯郸等水泥厂采用BAILEY公司的N-90系统;北京、葛洲坝等水泥厂采用了ABB公司的MASTER系统;合肥水泥设计研究院牵头完成的国家“八五”攻关项目在江西水泥厂2000t/d生产线上采用了HONEYWELL公司的M工CROTDC--3000系统;铁道部巢湖水泥厂采用了美国L-N公司的MAX1000系统。

九十年代是我国水泥行业计算机控制系统应用走向成熟的阶段。

近些年来，随着电工电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，电气传动技术面临着一场历史革命，即采用交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术己成为发展趋势。

电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。

变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。

本设计会用ICS-DT-6称重控制器与电机交流变频调速技术配合，结合DCS集散控制系统来很好优化，实现远程监控，实时原料跟踪，准确操作和控制。

第二章配料秤自动称重系统

2.1设计总体介绍

一个完整的皮带配料自动称重系统主要由电子皮带配料秤、仪表控制柜、变频器控制柜、DCS或PLC等几部分组成，本设计基于DCS远程控制。

下面逐个介绍，下图是自动皮带配料系统，现场（本地）的最主要结构图。

图2.1现场控制系统结构图

1）配料电子皮带秤

配料电子皮带秤自动配料系统可以按照设定配比和流量控制各输入物料的瞬时流量，从而达到控制各种产品的质量和产量的目的，是实现生产过程自动化和智能化、企业的科学管理、安全稳定生产和节能降耗的重要技术手段。

控制主要称重控制仪完成，控制器不断检测秤架上物料的流量与仪表内的设定值之间的偏差值，经过仪表内软件一系列复杂的计算与判断，输出PID电流信号到变频调速执行设备，从而调节皮带的速度，改变下料或出料量的大小，使之与设定值趋于一致。

由图2.1可以更直观的理解。

其主要构成以及功能下面慢慢介绍：

1皮带秤自动配料机的作用主要就是把落在皮带上的物料快速传输到其目的地。

图2.2皮带秤自动配料机

2称重传感器位于皮带下方，其作用主要是检测出皮带上物料的重量，并将它转化标准成标准的毫伏信号（mv）反馈给控制系统。

图2.3称重传感器

3测速传感器位于圆盘电机上，其作用是检测电机转速，以脉冲信号的方式将速度信号反馈给控制系统。

图2.4速度测控示意图

2）仪表控制柜

仪表控制柜主要设备是称重控制仪（皮带秤控制器）。

 称量段上的物料重量通过皮带秤量拖辊载台作用于称重传感器， 称重传感器将重量转换成电信号（ｍＶ级）送入称重控制器，经过放大、滤波、Ａ／Ｄ转换成数字信号。

装在从动轮上的测速传感器把皮带运行的速度信号转换成脉冲信号，送入控制器，经过一系列运算转换成数字信号。

控制器根据输入的信号进行运算， 从而得出物料的瞬时流量和累计质量值， 并输送到上层控制系统 ＤＣＳ中显示。

同时，控制器根据接收到的DCS控制系统设定的流量信号， 控制电机的速度实现物料流量的稳定控制。

这是电子皮带秤的一般工作原理，其中控制器是保证电子皮带秤正常工作的核心部件，负责信号的处理、物料流量的计算、物料流量的控制等主要功能。

出称重控制仪外，还有给称重控制仪提供电压的控制变压器和抗干扰滤波器、断路器、接线端子等。

图2.5称重控制仪

3）现场变频器控制柜

现场变频器控制柜是动力部分的中央控制部件，安装有变频器、电流表、控制按钮、指示灯，电机保护电路，用于监控现场皮带机电流。

变频器接受来自变频器控制柜的开关信号控制上级给料电机的启停，同时亦接受来自称重控制器的4～20毫安调节信号，来改变输出动力电源的频率，从而控制现场给料机的转速。

如果变频器功率较大，则必须在柜体中配置散热风扇，以保证变频器能正常工作。

当然柜子缺少不了，断路器、交流接触器、热继电器、熔断器等，

4）DCS控制柜，操作站以及工程师站

可以用工艺原有的DCS系统，将我们配料秤控制器的瞬时流量信号、启停信号、调节信号等引入到DCS系统。

将自动配料系统和DCS系统相结合，形成远程控制配料系统。

需要DCS的I/O模件接口中AI、AO、DO、DI通道，来和现场皮带控制仪通信互联；用操作站来进行远程监控和操作；用工程师站来进行组态，将所有硬件组态为一个系统。

2.2DCS（集散控制系统）简单介绍

2.2.1概述

DCS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，通信、显示和控制等4C技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活以及组态方便。

典型的DCS体系结构分为三层，第一层为分散过程控制级；第二层为集中操作监控级；第三层为综合信息管理级。

层间由高速数据通路HW和局域网络LAN两级通信线路相连，级内各装置之间由本级的通信网络进行通信联系。

图2.6DCS系统硬件结构图

第一层为分散过程控制级的主要装置有：

现场控制站，可编程控制器，智能调节器及其它测控装置。

分散过程控制级是DCS的基础层,它向下直接面向工业对象，其输入信号来自于生产过程现场的传感器（如热电偶、热电阻等）、变送器（如温度、压力、液位、流量等）及电气开关（输入触点）等，其输出去驱动执行器（如调节阀、电磁阀、电机等），完成生产过程的数据采集、闭环调节控制、顺序控制等功能；其向上与集中操作监控级进行数据通信，接收操作站下传加载的参数和操作命令，以及将现场工作情况信息整理后向操作站报告。

图2.7DCS组成结构示意图

第二层集中操作监控级，集中操作监控级是面向现场操作员和系统工程师的，这一级配有技术手段先进，功能强大的计算机系统及各类外部装置，通常采用较大屏幕、较高分辨率的图形显示器和工业键盘，计算机系统配有较大存储容量的硬盘或软盘，另外还有功能强大的软件支持，确保工程师和操作员对系统进行组态、监视和操作，对生产过程实行高级控制策略、故障诊断、质量评估等。

集中操作监控级以操作监视为主要任务：

把过程参数的信息集中化，对各个现场控制站的数据进行收集，并通过简单的操作，进行工程量的显示、各种工艺流程图的显示、趋势曲线的显示以及改变过程参数（如设定值、控制参数、报警状态等信息）；另一个任务是兼有部分管理功能：

进行控制系统的组态与生成。

三、第三层综合信息管理级，这一级主要由高档微机或小型机担当的管理计算机构成，DCS的综合信息管理级实际上是一个管理信息系统（ManagementlnformationSystem，简称MIS），由计算机硬件、软件、数据库、各种规程和人共同组成的工厂自动化综合服务体系和办公自动化系统。

2.2.2工作原理

复合肥由N、P、K等多种元素，所以生产的原料比较多，有液体的也有固体的，液体的用调节阀、流量计、变频泵等计量、控制，固体的一般是粉料，就由皮带秤来计量，如图1所示，称重传感器将重量转换成电信号（ｍＶ级）送入称重控制器，经过放大、滤波、Ａ／Ｄ转换成数字信号。

装在从动轮上的测速传感器把皮带运行的速度信号转换成脉冲信号，送入控制器，经过一系列运算转换成数字信号。

控制器根据输入的信号进行运算， 从而得出物料的瞬时流量和累计质量值， 并输送到上层控制系统 ＤＣＳ中显示。

同时，控制器根据接收到的上层控制系统设定的流量信号， 控制电机的速度实现物料流量的稳定控制。

这是电子皮带秤的一般工作原理，其中控制器是保证电子皮带秤正常工作的核心部件，负责信号的处理、物料流量的计算、物料流量的控制等主要功能。

从实际使用情况看，可以省去电子皮带秤的现场控制器，完全通过ＤＣＳ实现电子皮带秤控制器的所有功能，既节约了企业的投资，又达到了比较好的控制效果。

图2.8皮带秤控制示意图

2.3恒流量控制介绍

2.3.1概述

采用PID调节方法实现流量的恒定调节，并且可以保证流量控制响应快，无超调。

在知道瞬时流量，并且读取了流量设定值的情况下，要实现流量的恒定，因采用在实际控制中工业控制中应用最为广泛的PID算法，即比例、微分、积分法。

在过程控制中，按偏差的比例、积分、微分进行控制，简称为PID控制。

它是模拟调节系统中技术最成熟、应用最广泛的一种调节方式。

2.3.2PID调节原理

PID控制就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的，PID控制结构图如图2.2所示。

图2.2PID调节系统框图

控制器输入和输出（误差）之间的关系在时域中可用给定公式（2.1）表示如下：

（2.1）

公式中E（t）表示误差、u（t）表示控制器的输出，

为比例系数，Td微分时间常数，Ti积分时间常数。

1.比例（P）控制

比例控制是一种最简单的控制方式。

其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。

当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。

之所以这样是因为只有当偏差信号e不为零时，调节器才会有输出；如果e为零，此时将失去调节作用。

或者说，比例调节器是利用偏差实现控制的，它只能使系统输出近似跟踪给定值。

比例调节系统的稳态误差随比例系数的增大而减小，所以要减小误差就要增大比例增益Kc。

但这样做往往会使系统的稳定性下降。

2.积分（I）控制

在积分调节中，调节的输出信号u与输入偏差信号e的积分成正比关系，即

（2.2）

式中

称为积分速度。

由式可见只要有偏差e存在，调节器的输出会不断地随时间的增大而增大，只有当偏差为零时，调节器才会停止积分，此时调节器的输出就会维持在一个数值上不变，这就说明，当被控系统在负载扰动下的过程结束后，系统的静差虽然已经不存在，但输出到执行器的信号将保持不变，这与P调节时，当e为零时调节器输出为零是不同的。

当采用积分调节时，系统的开环增益与积分速度

成正比。

增大积分速度会增强积分效果，使系统的开环增益增大，从而导致系统稳定性降低。

在工程实际应用中，一般将比例和积分结合起来组成PI调节器，将比例调节的快速反应与积分调节的消除稳态误差相结合，从而能收到比较好的控制效果。

3.微分（D）控制

在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。

自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。

其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（delay）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。

解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。

这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。

所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。

微分时间的选择对系统质量的影响具有两面性。

当微分时间较小时，增大微分时间可以减小偏差，缩短响应时间，减小震荡程度，从而能改善系统的质量；但当微分时间较大时，一方面有可能将测量噪声放大，另一方面也可能使系统响应产生震荡。

对于滞后较小的系统一般不采用微分控制。

2.4变频器简介

2.4.1概述

变频器（frequencychanger/frequencyconverter）是一种用来改变交流电频率的电气设备。

此外，它还具有改变交流电电压的辅助功能。

变频调速技术是现代电力传动技术的重要发展方向，而作为变频调速系统的核心—变频器的性能也越来越成为调速性能优劣的决定因素，除了变频器本身制造工艺的“先天”条件外，对变频器采用什么样的控制方式也是非常重要的。

过去，变频器一般被包含在电动发电机、旋转转换器等电气设备中。

随着半导体电子设备的出现，人们已经可以生产完全独立的变频器。

2.4.2变频器的基本结构

变频器是把工频电源（50Hz或60Hz）变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备，主要是由主电路、控制电路组成。

主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类：

电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。

电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。

它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。

控制电路是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。

其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电。

对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。

2.4.3变频器的分类

变频器的分类方法有多种，按照主电路工作方式分类，可以分为电压型变频器和电流型变频器；按照开关方式分类，可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器；按照工作原理分类，可以分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等；按照用途分类，可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。

2.4.4变频器中常用的控制方式

非智能控制方式

在交流变频器中使用的非智能控制方式有V/f协调控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制等。

智能控制方式

智能控制方式主要有神经网络控制、模糊控制、专家系统、学习控制等。

在变频器的控制中采用智能控制方式在具体应用中有一些成功的范例。

2.5