DCS课程设计-水箱液位串级控制解读文档格式.doc

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5系统软件设计 12

5.1组态画面的设计 13

5.2通讯设置 13

6系统仿真调试 14

7结论 16

参考文献 17

1题目背景与意义

1.1题目背景

集散控制系统（Distributed 

control 

system），是以多个微处理机为基础利用现代网络技术、现代控制技术、图形显示技术和冗余技术等实现对分散控制对象的调节、监视管理的控制技术。

其特点是以分散的控制适应分散的控制对象，以集中的监视和操作达到掌握全局的目的。

系统具有较高的稳定性、可靠性和可扩展性。

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。

随着工业自动化水平的不断提高，计算机的广泛运用，人们对工业自动化的要求也越来越高。

而DCS又有延续性和可扩充性，易学易用性和通用性，使得DCS得到长足的发展。

DCS，分散控制系统，采用控制功能分散，显示操作集中，兼顾分散而自治的集散控制系统。

并随着科学技术发展迅猛，在工控自动化领域发展中也得到很快的提高。

1.2课题意义

集散控制系统是当前先进工业控制系统主要的结构形式，在高校，集散控制系统是最接近实际生产过程的一门专业课。

通过此方向的课程设计，能够联系学生几年来学习的网络知识，计算机知识，仪表传感器知识，控制系统知识，培养学生的控制工程设计能力。

主要要求锻炼学生以下两种能力：

1.通过工业数据通信与控制网络课程设计的学习，了解工业数据通信与控制网络的技术貌。

2.从介绍的基础知识入手，较深入的了解多种现场总线各自的技术特点、规范、通信控制芯片、接口电路以及控制网络的设计与应用，熟悉工控组态软件下的组态设计，并能进行较复杂的工业控制系统设计分析。

2设计题目介绍

2.1设计内容和要求

根据所提供的双容水箱工艺对象，通过分析其对象动态特性，设计和实施完整的控制方案，具体完成：

①根据提供的工艺对象，实验室的和利时公司集散控制系统，完成系统的网络配置，硬件系统配置。

数据库的录入。

②基础控制系统的设计，包括温度，液位控制、流量控制、被控变量、操纵变量、控制规律、阀门特性等的选择。

并说明理由；

③设计相关的控制方案，进行控制算法组态，完成工程师在线下装；

④仪表选型与仪表连接，包括控制器、测量变送装置、执行机构的选择，并表达出各单元之间的信号连接；

⑤在MACSV或PCS7上完成DCS应用组态，包括控制算法组态和监控画面组态；

2.2集散控制系统基本组成

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。

图1集散控制系统分布图

2.3设计原理及分析

集散系统实质上是一种分散型自动化系统，又称做以微处理机为基础的分散综合自动化系统。

集散系统具有分散监控和集中综合管理两方面的特征，而更将"

集 

"

字放在首位，更注重于全系统信息的综合管理。

工业自动化不仅体现在工业现场，也体现在 

企业事务行政管理上。

集散系统的发展及工业自动化的需求，导致了一个更庞大、更完善的计算机集成制造系统CIMS的诞生。

集散系统一般分为三级：

过程级、监控级和管理信息级。

集散系统是将分散于现场的以微机为基础的过程监测单元、过程控制单元、图文操作站及主机（上位 

机）集成在一起的系统。

它采用了局域网技术，将多个过程监控、操作站和上位机互连在一起，使通信功能增强，信息传输速度加快，吞吐量加大，为信息的综合管 

理提供了基础。

因为CIMS具有提高生产率、缩短生产周期等一系列极具吸引力的优点，所以已经成为未来工厂自动化的方向。

而集散控制系统的组成主要分为：

（1）分散过程控制级（DDC） 

（2）计算机监督控制级（SCC） 

（3）生产管理机

如下图，分散过程控制级是DCS的基础，用于直接控制生产过程。

它由各工作站组成，每一个工作站分别完成数据采集、顺序控制或某一被控制量的闭环控制等。

分散过程控制级收集的数据供监控级调用，各工作站接受监控级发送的信息，并依次而工作，因此局部的故障不会影响整个系统的工作，从而避免了集中控制系统中“危险集中”缺点。

监控级的任务是对生产过程进行监视与操作。

监控级根据生产管理机的技术要求，确定分散过程控制级的最优给定量。

监控级能全面地反映各工作站的情况，提供充分的信息，因管理机则是整个系统的中枢，它根据监控级提供的信息及生产任务的要求，编制全面反映整个系统工作情况的报表，审核控制方案，选择数据模型，定制最优控制策略，并对下一级下达命令。

图2集散控制系统基本构成

此次课程设计从温度、液位、流量，三个被控量中选择一个。

并根据被控量的特性设计控制回路，即完成单回路控制系统和串级回路控制系统的设计。

根据自己对知识的了解，以及对以前知识的回顾。

决定此次课程设计的被控量为：

液位。

设备的被控对象有：

①水箱：

包括上水箱、储水箱。

上水箱采用淡蓝色优质有机玻璃，不但坚实耐用，而且透明度高，便于学生直接观察液位的变化和记录结果。

上水箱尺寸为：

D=25cm，H=20cm；

水箱结构独特，由三个槽组成，分别为缓冲槽、工作槽和出水槽，进水时水管的水先流入缓冲槽，出水时工作槽的水经过带燕尾槽的隔板流入出水槽，这样经过缓冲和线性化的处理，工作槽的液位较为稳定，便于观察。

②管道及阀门：

整个系统管道由敷塑不锈钢管连接而成，所有的手动阀门均采用优质球阀，彻底避免了管道系统生锈的可能性。

有效提高了实验装置的使用年限。

其中储水箱底部有一个出水阀，当水箱需要更换水时，把球阀打开将水直接排出。

设备的变送器有：

①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。

采用工业用的扩散硅压力变送器，带不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。

采用标准二线制传输方式，工作时需提供24V直流电源，输出：

4～20mADC。

②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。

它的优点是测量精度高，反应快。

采用标准二线制传输方式，工作时需提供24V直流电源。

流量范围：

0～1.2m3/h；

精度：

1.0%；

输出：

设备的执行机构有：

①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。

电动调节阀型号为：

QSTP-16K。

具有精度高、技术先进、体积小、重量轻、推动力大、功能强、控制单元与电动执行机构一体化、可靠性高、操作方便等优点，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，使用和校正非常方便。

②水泵：

本装置采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P，进口直径：

16㎜，出口直径：

12㎜，温度:

<

=100℃，流量为30升/分，扬程为8米，功率为180W。

泵体完全采用不锈钢材料，以防止生锈，使用寿命长。

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。

③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。

电磁阀型号为：

2W-160-25；

工作压力：

最小压力为0Kg/㎝2，最大压力为7Kg/㎝2；

工作温度：

－5～80℃；

工作电压：

24VDC。

如下图所示实验设备的总图。

图3实验设备总图

3系统设计方案

当今的自动控制技术绝大多数部分是基于反馈。

反馈理论包括三个基本要素：

测量、比较和执行。

测量关心的是变量，并与期望值相比较，以此偏差来纠正和调节控制系统的响应。

反馈理论及其在自动控制的应用的关键是：

作出正确的测量与比较后，如何将偏差用于系统的纠正和调节。

图4双容水箱系统控制方框图

3.1双容水箱控制

此次课程设计选择水箱液位的控制。

本实验系统结构图和方框图如图3-2所示。

被控量为电动调节阀支路的流量，实验要求水箱1水位稳定至给定值。

将水箱1的液位测量变送器检测到的液位信号作为反馈信号，并与给定量比较，其差值通过调节器控制电动调节阀的开度，以达到控制水箱液位的目的。

为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的调节器应为PI控制。

图5双容水箱控制图

3.2串级控制

本实验为水箱液位的串级控制系统，它是由主控、副控两个回路组成。