DCS流量定值控制的组态及实验开发Word格式.docx
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分别检测上水箱、中水箱、下水箱液位；
涡轮流量计三只：
分别检测两条动力支路及盘管出水口的流量；
Pt100热电阻温度传感器六只：
分别用来检测锅炉内胆、锅炉夹套、盘管（三只）及上水箱出水口水温；
控制模块：
包括电磁阀、电动调节阀各一个；
三相380V不锈钢磁力驱动泵、三相220V不锈钢磁力驱动泵；
1.1.2对象系统主要特点
（1）被调参数囊括了流量、压力、液位、温度四大热工参数；
（2）执行器中既有电动调节阀仪表类执行机构，又有变频器等电力拖动类执行器；
（3）系统除了能改变调节器的设定值作阶跃扰动外，还可在对象中通过电磁阀和手操作阀制造各种扰动；
（4）一个被调参数可用不同的动力源、不同的执行器和不同的工艺线路下可演变成多种调节回路，以利于讨论、比较各种调节方案的优劣；
（5）能进行多变量控制系统及特定的过程控制系统实验。
1.2DCS分布式过程控制系统
DCS分布式过程控制系统机笼内安装有主控单元、I/O单元、电源模块、S500变频器等。
1.2.1主控单元
主控单元置于主控机笼内部的冗余主控模块，是整个FM系列硬件系统的控制单元，采用双冗余配置，内部具有硬件构成的冗余切换电路和故障自检电路，是实施各种控制策略的平台，也是系统网络和控制网络之间的枢纽，支持带电插拔功能。
1.2.2I/O单元
I/O单元由置于主控机笼和扩展机笼内部的I/O模块及对应端子模块共同构成，I/O模块与对应端子模块通过预置电缆连接，用于完成现场数据的采集、处理与驱动，实现现场数据的数字化。
每个I/O单元通过PROFIBUS-DP现场总线与主控单元建立通讯，I/O模块支持带电插拔功能。
1.2.3电源模块
电源模块是一种开关电源，体积小、重量轻、变频效率高，它为MACS系统现场控制站的I/O模块提供+24V电源。
模块具有完善的保护电路。
输入部分模块采用可熔断保险丝进行过电保护，当输入端电流大于3A且持续时间较长（毫秒级）时，保险丝熔断，以保护后级电路及器件。
模块还采用防雷击保护管进行过电压保护。
使用防雷击器件进行瞬间过电压保护，主要防止雷电等瞬间高电压的引入损坏电路。
输出部分使用自恢复保险丝防止输出过流损坏输出级器件，使用压敏电阻进行输出过压保护。
1.2.4S500变频器
S500变频器主要用于调整三相磁力泵的转速，在启动时防止启动电流过大，保护电机的安全，延长电机使用寿命，变频器可以在电机不需要全速运转的时候自动降低频率把转速降下来，维持很小的能源消耗。
1.3工程师站
工程师站是配有系统组态软件的计算机，工程师站对应用系统进行功能组态，包括操作员站组态和控制器组态，并进行在线下装和在线调试，是工程师对工程实施各种控制策略和人机交互方式的工作平台。
1.4操作员站
操作员站是配有实施监控软件和各种可配置的人机接口设备的计算机，完成对生产过程和现场参数的实时监视与操作。
操作员站可全面完成对现场工艺状况的显示、报警、打印、历史数据记录和在线及报表功能。
1.5服务器
服务器对系统数据库进行管理，为各站的数据请求提供服务，还提供数据存档功能。
本实验的服务器为工程师站的主机。
1.6网络
MACS网络由上到下分为监控网络、系统网络和控制网络三个层次，中央节点为服务器。
1.6.1MACS系统网络的特点
传输速率100Mbps；
通讯介质采用双绞线或光纤；
最大距离与选用的介质有关，光纤每段最大距离为2公里，双绞线每段最大距离为100米。
1.6.2监控网络
监控网络（MNET）由100M高速冗余以太网络构成，用于系统服务器与工程师站、操作员站、通讯站、高级计算站的连接，完成工程师站的数据下装，操作员站、高级计算站的在线数据通讯。
1.6.3系统网络
系统网络（SNET）由100M高速冗余以太网构成，用于系统服务器与现场控制站、通信控制站的连接，完成现场控制站、通信控制站的数据下装，服务器与现场控制站、通信控制站之间的实时数据通讯。
1.6.4控制网络
控制网络（CNET）由PROFIBUS-DP总线构成，用来实现过程I/O模块与现场控制站主控单元的通信，完成实时输入、输出数据的传送。
2控制方案设计
2.1控制原理简介
图2.1-1单回路流量控制系统示意图
单回路调节系统一般指在一个调节对象上用一个调节器来保持一个参数的恒定，而调节器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。
本系统所要保持的参数是流量的给定值，即控制的任务是控制管道流量等于给定值所要求的流量。
根据控制框图，这是一个闭环反馈单回路流量定值控制，采用DCS流量定值控制。
当调节方案确定之后，接下来就是整定调节器的参数，一个单回路系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏与控制器参数选择有着很大的关系。
合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。
反之，控制器参数选择得不合适，则会使控制质量变坏，达不到预期效果。
一个控制系统设计好以后，系统的投运和参数整定是十分重要的工作。
一般言之，用比例（P）调节器的系统是一个有差系统，比例度PB的大小不仅会影响到余差的大小，而且也与系统的动态性能密切相关。
比例积分（PI）调节器，由于积分的作用，不仅能实现系统无余差，而且只要参数PB，Ti调节合理，也能使系统具有良好的动态性能。
比例积分微分（PID）调节器是在PI调节器的基础上再引入微分D的作用，从而使系统既无余差存在，又能改善系统的动态性能（快速性、稳定性等）。
但是，并不是所有单回路控制系统在加入微分作用后都能改善系统品质，对于流量滞后不大，微分作用的效果并不明显，而对噪声敏感的流量系统，加入微分作用后，反而使流量品质变坏。
对于流量的控制没有滞后，比例积分控制就可以满足，一般不加微分。
2.2硬件设计
2.2.1被控对象的选择
被控对象包括：
涡轮流量计、电动调节阀、三相磁力泵、水箱、管道等，
涡轮流量计主要用于测量管道流量的测量，并将测量值变换为标准电压电流信号传至FM148（A）模拟量输入模块。
电动调节阀为执行机构，用于接收FM158模拟量输出模块输出的标准电压电流信号，并通过改变阀门的开度来改变管道流量的大小。
三相磁力泵用于提供水流动所需的动力和克服水流于管道、阀门、弯头之间的摩擦力。
图2.2-1被控对象结构图
2.2.2控制信号的传递
FM148（A）模拟量输入模块接收到涡轮流量计所测得的流量值，将其传至FM801主控单元，主控单元将测量值与设定值进行比对，计算出输出值，经FM158模拟量输出模块将计算出的输出值输出至电动调节阀。
2.2.3人机交互界面的实现
操作员站为人机交互界面的窗口，在操作员站可以进行控制器参数的整定，通过改变PID参数来改变控制器的控制效果，改变给定值控制管道流量。
通过控制画面和综合趋势图可以很直观的看到当前的控制状态。
2.3DCS控制系统的组态
2.3.1工程建立
（1）打开：
开始→程序→macsv组态软件→数据库总控。
（2）点击按钮或选择工程|新建工程，新建工程，输入工程名字：
LLDZ。
如图2.3.1-1：
图2.3.1-1添加工程
（3）点击“确定”按钮，然后在空白处选择这个工程，此时会显示当前域号为65535等信息。
（4）选择“编辑>
域组号组态”，选择组号为1，将刚创建的工程从“未分组的域”移动到右边“该组所包括的域”里，点“确定”按钮。
出现当前域号：
0等信息。
如图2.3.1-2：
图2.3.1-2域组号组态图
（5）在数据库总控组态中添加变量。
选择菜单栏，编辑→编辑数据库，弹出窗口，输入用户名和口令hollymacs/macs。
点击“确定”按钮。
如图2.3.1-3：
图2.3.1-3进入数据库编辑系统窗口
（6）选择系统→数据操作，出现下面对话框，点击“确定”。
如图2.3.1-4：
图2.3.1-4提示图
（7）因为流量定值控制系统用到一个模块，两个通道，所以需要编辑两个点号。
点击“AI模拟量输入”选项出现下图。
如图2.3.1-5：
图2.3.1-5
（8）将右侧的选择项名选中，点击“确定”按钮。
（9）选择后确定进入编辑数据界面。
（10）数据库编辑，注意：
设置它的参数，根据实际情况，设置设备号（即设备地址），通道号，量程上限下限，点名（注意：
点名不能重复使用）。
其他的可以不用设置。
按照上面的步骤设置所有的变量，包括模拟量的输入和输出。
如图2.3.1-6：
图2.3.1-6
（11）添加好变量后，选择
图标更新数据库。
（12）用同样的方法来定义模拟量输出AO。
如图2.3.1-7：
图2.3.1-7
（13）单击数据库编译→基本编译，若显示数据库编译成功，则数据库组态完毕。
2.3.2设备组态
（1）打开“设备组态工具”
打开“开始→程序→macsv组态软件→设备组态工具”，定义系统设备和I/O设备。
（2）选择打开新建的工程“LLDZ”后点击“确定”按钮。
（3）设置系统设备。
选择菜单栏编辑→系统设备。
打开系统设备组态对话框，设置上层的以太网网络。
点击“下一步”。
（4）出现MACS设备组态，如图2.3.2-1:
图2.3.2-1设备组态图
（5）双击操作员50下面的以太网卡，设置A网IP地址，将130.0.0.50改为128.0.0.50
设置B网IP地址：
131.0.0.50改为129.0.0.50
（6）设置服务器以太网卡地址：
双击服务0/以太网卡，同时将A往IP地址改为:
128.0.0.1,B网IP地址改为：
129.0.0.1。
关闭当前窗口。
至此，系统设备设置完毕。
单击下装控制，弹出“检查类型”对话框，选择“单以太网结构”，单击确定。
（7）设置I/O设备—现场控制站DP:
选择菜单栏编辑→I/O设备。
设置下层的DP网络。
右键，添加备份，添加使用到得备份。
出现图2.3.2-2和图2.3.2-3：
分别选择FM148A、FM151加入。
图2.3.2-2添加I/O设备图
图2.3.2-3
右键单击FM151,选择设备属性，将设备地址改为2，同样的方法，将FM148A的设备地址改为1.完毕后，单击下装按键，显示编译成功，保存I/O设备关闭窗口。
2.3.3服务器算法组态
（1）打开服务器算法组态，在菜单栏中选择文件→新建文件，选择刚才新建的工程。
如图2.3.3-1:
图2.3.3-1服务器算法组态选择工程图
（2）选择文件→新建站，获点击
按钮新建站，在新建的工程下新建为服务器和控制站10，新建站保存到默认的安装目录下。
点击“保存”按钮。
（3）选中“服务器”，点击工具栏中的
按钮，新建服务器算法方案，如图所示，请选择“FM”类型方案建立服务器算法方案。
如图2.3.3-2:
图2.3.3-2语言类型图
保存方案，默认路径。
（4）此时需要在“P1-1”右侧的空白框中键入“getsysper（_FUHE00）”几个字符，添加完毕，请保存方案页。
如图2.3.3-3:
图2.3.3-3
（5）点击菜单栏“编译”中的“当前方案”实现本方案页编译，此时系统出现错误提示“FUHE00”数据库点类型未定义。
（6）打开“数据库总控”，选择“LLDZ”工程，在“数据库编辑”下的“AM”项名，全选后确定。
（7）类型数据库里添加“FUHE00”中间量点，更新数据库。
如图2.3.3-4:
图2.3.3-4
（8）中间量点添加完毕，点击菜单栏“编辑”中的“当前方案”，会发现错误提示消失，点击工具栏中保存，再次保存方案页。
在左边一栏选择“工程”。
如图2.3.3-5:
图2.3.3-5编辑完成图
（9）选中“服务器”点击鼠标右键，编译“服务器”站，选择“全部重编”，最终出现“站编译成功”。
（10）选中工程“LLDZ”点击右键，选择编译，出现提示窗口，选择“是”。
（11）最终出现“工程编译成功”。
（12）工程编译成功后，保存工程；
点击菜单栏“文件”中“退出”项。
（13）完全编译工程：
打开数据库总控，选择工程LLDZ，并且保证当前的域号为0。
选择工具栏里“完全编译”。
直到编译成功，生成下装文件成功，关闭数据库。
2.3.4控制器算法组态
（1）单击桌面上的“开始”→“程序”→“MACSV组态软件”→“控制器算法组态”，弹出工程选择窗口：
（2）选中工程后，点击“选择”按钮；
弹出控制器站选择窗口，选择“10站”进行算法组态的控制站。
（3）选中控制站后点击“确定”按钮，控制其算法软件即被启动（注意此前一定要先进行目标安装，安装后在C盘根目录下会生成有TARGET文件夹）。
（4）单击左下角“资源”按钮后，双击选择“目标设置”，“控制器类型”选择“HollysysCoDeSysSPforQNX”。
如图2.3.4-1:
图2.3.4-1目标设置图
（5）具体设置可参照MACSV组态手册，点击“确定”按钮双击“任务配置”，可弹出“任务配置”窗口，在这里可以设置程序运行类型及程序循环周期，默认值为250ms。
（6）双击“MACS配置”，弹出“MACS配置”对话框，如图2.3.4-2:
图2.3.4-2MACS配置图
（7）双击“库管理器”。
在库管理器左上角出右键“添加库”。
（8）选择“hsac”文件，打开
（9）设备组态里定义的设备信息可以在“MACS配置”窗口里看到。
在菜单栏里选择“工程”下的“全部在编译”.
（10）在下方信息栏窗口可以看到编译信息，如果系统不需要SOE报警，可以在主程序中将“SOE”语句删除。
删除后再选择“工程”→“全部再编译”，系统无错误提示。
2.3.5控制器程序编写
（1）如下图所示，在对象组织器中，选中POUs，可以新建一个文件夹，重命名为“THJ-3”,选中文件夹，单击鼠标右键，选中“增加对象”，弹出创建POU窗口，命名新的POU。
重命名为SY1，如图2.3.5-1:
图2.3.5-1增加对象图
（2）在资源→全局变量中，声明变量。
（3）在主程序中编写程序。
（4）编写子程序
首先，在工具栏中选择增加块，并根据实验要求增加输入、输出端子。
如图2.3.5-2:
图2.3.5-2PID控制块图
编写好程序后选择“工程→全部再编译”，检查是否有错误。
保存工程。
2.3.6图形组态
（1）打开“开始→程序→macsv组态软件→图形组态工具”。
选择工程，新建一个画面。
根据实际需要组态画面内容。
如图2.3.6-1:
图2.3.6-1图形组态画面图
（2）设置显示变量FT其动态特性和交互特性。
如图2.3.6-2、图2.3.6-3:
图2.3.6-2FT动态特性定义图
图2.3.6-3FT交互特性定义图
设置OP动态特性，如图2.3.6-4:
图2.3.6-4OP动态特性定义图
2.3.7工程师在线下装
（1）在操作员站打开工程师在线下装
用户登陆，如图2.3.7-1、图2.3.7-2、图2.3.7-3:
图2.3.7-1工程师在线下装登陆图
图2.3.7-2选择工程图
图2.3.7-3工程师管理界面图
（2）选择菜单中的系统命令→下装，对服务器进行下装，步骤如图2.3.7-4、图2.3.7-5、图2.3.7-6、图2.3.7-7:
图2.3.7-4服务器下装
图2.3.7-5服务器下装选择站号
图2.3.7-6设置IP地址
图2.3.7-7下装完成
（3）选择菜单中的系统命令→下装，选择操作员下装。
如图2.3.7-8、图2.3.7-9、图2.3.7-10:
图2.3.7-8操作员站下装
图2.3.7-9选择操作员站IP地址
图2.3.7-10操作员站下装成功
（4）关闭工程师在线下装，在服务器端重新启动服务器。
在操作员站打开操作员站在线软件，在工程师功能中选择登陆。
（5）通讯参数设置，如图2.3.7-11:
图2.3.7-11通讯参数设置界面图
3流量定值控制系统的调试
3.1调试步骤
1.按要求连接实验系统，并将对象相应的水路打开（打开阀F1-1、F1-2、F1-8、F1-11，其余阀门均关闭）。
2.用电缆线将对象和DCS控制柜连接起来。
3.合上DCS控制屏电源，启动服务器和主控单元。
4.启动操作员站，选择运行界面中的“DCS实现流量定值控制”实验，进入实验流程图。
5.启动对象总电源，打开总电源开关、三相电源开关、单相开关，并同时打开三相磁力泵电源开关、电动调节阀电源开关、控制站电源开关。
6.在流程图的流量测量值上点击左键，弹出PID窗口，进行相应参数的设置。
如图3.1-1：
图3.1-1PID参数整定图
7.设置好流量的给定值，先把调节器输出设为手动，通过电动调节阀给下水箱打水，待管道流量趋于给定值且不变后，把手动切换为自动，使系统进入自动运行状态。
8.当系统稳定运行后，突加阶跃扰动（将给定量增/减5%～15%），观察系统的输出响应曲线。
9.在实验过程中对比例度P、积分时间I的值进行多次调整，得出P在140到160、I在4到6时通过查看实时曲线发现控制效果较明显。
10.为进一步精确PI参数，将比例度P设为150，流量设定值由130ml/s变化到110ml/s时，随着积分时间I的变化，综合趋势图曲线变化如下：
（1）I=4时，如图3.1-3
图3.1-3综合趋势图
（2）I=5时，如图3.1-4
图3.1-4综合趋势图
（3）I=6时，如图3.1-5
图3.1-5综合趋势图
11.将积分时间I设为5，流量设定值由130ml/s变化到110ml/s，随着比例度P的变化，综合趋势图曲线变化如下图所示：
（1）P=140时，如图3.1-6
图3.1-6综合趋势图
（2）P=150时，如图3.1-7
图3.1-7综合趋势图
（3）P=160时，如图3.1-8
图3.1-8综合趋势图
注：
以上六个控制曲线图中蓝线代表设定值，红线代表测量值，绿线代表输出值。
3.2调试结果分析
图5.4-1、5.4-2、5.4-3为比例度P=150，积分时间I分别为4、5、6时的综合趋势图，当给予阶跃响应，使流量设定值由130ml/s变为110ml/s,当I=4时，由图5.4-1得出调节时间约为7秒钟，控制作用强，流量波动较大，控制作用不稳定；
当I=5时，由图5.4-2得出调节时间约为8秒钟，控制作用较稳定，可以满足流量控制要求；
当I=6时，由图5.4-3得出调节时间约为9秒钟，控制作用最稳定，满足流量控制要求，但调节时间比I=5时要长；
综合考虑最优积分时间I为5。
图5.4-4、5.4-5、5.4-6为积分时间I=5，比例度P分别为140、150、160时的综合趋势图，当给予阶跃响应，使流量设定值由130ml/s变为110ml/s，当P=140时，由图5.4-4得出调节时间约为6秒钟，控制作用较强，曲线波动较大，控制作用极不稳定；
当P=150时，由图5.4-5得出调节时间约为8秒钟，控制作用较稳定，可以满足流量控制要求；
当P=160时，由图5.4-6得调节时间约为10秒钟，控制作用较弱，调节时间较长；
综合考虑最优比例度P为150。
经试验和分析得出最佳比例度和积分时间分别为150和5。
以上实验与理论知识相吻合，保持比例度不变，积分时间增加，控制作用减弱；
保持积分时间不变，比例度增加，控制作用减弱。
单独使用比例控制会产生较大余差，积分作用能够消除余差。
积分控制很少单独使用，因为积分作用比较慢，两者相互配合，使控制系统达到最优控制效果。
4总结
在本次毕业设计的过程中，我了解了DCS软件的特点、组成和使用方法，组态的过程和控制原
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