DCS水位串级控制系统的设计与组态毕业设计.docx

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DCS水位串级控制系统的设计与组态毕业设计

毕业论文（设计）任务书

班级：

姓名：

论文（设计）题目：

DCS水位串级控制系统的设计与组态

专题：

要求完成的内容：

（1）查阅文献资料，熟悉控制系统的设计方法；

（2）学习掌握JX-300XP的硬件组成及组态；

（3）完成串级控制系统的设计；

（4）用AdvanTrol-Pro完成串级控制系统组态；

（5）完成DCS水位串级控制系统调试、运行；

（6）撰写论文；

（7）翻译3000字的专业外文文献资料。

发题日期：

2013年12月10日完成日期：

2014年5月31日

实习实训单位：

地点：

论文页数：

39页；图纸张数：

0

指导教师：

教研室主任：

院长：

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

注意事项

1.设计（论文）的内容包括：

1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）

2）原创性声明

3）中文摘要（300字左右）、关键词

4）外文摘要、关键词

5）目次页（附件不统一编入）

6）论文主体部分：

引言（或绪论）、正文、结论

7）参考文献

8）致谢

9）附录（对论文支持必要时）

2.论文字数要求：

理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括：

任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。

4.文字、图表要求：

1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写

2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。

图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画

3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印

4）图表应绘制于无格子的页面上

5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档

5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：

按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

指导教师评阅书

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程

1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神

□优□良□中□及格□不及格

2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度

□优□良□中□及格□不及格

3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力

□优□良□中□及格□不及格

4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性

□优□良□中□及格□不及格

5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

指导教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

评阅教师评阅书

评阅教师评价：

一、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

评阅教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价：

一、答辩过程

1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况

□优□良□中□及格□不及格

2、对答辩问题的反应、理解、表达情况

□优□良□中□及格□不及格

3、学生答辩过程中的精神状态

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

评定成绩：

□优□良□中□及格□不及格

教研室主任（或答辩小组组长）：

（签名）

年月日

教学系意见：

系主任：

（签名）

年月日

摘要

本论文的目的是设计双容水箱液位串级控制系统。

在设计中充分利用自动化仪表技术，计算机技术，通讯技术和自动控制技术，以实现对水箱液位的串级控制。

首先对被控对象的模型进行分析，并采用实验建模法求取模型的传递函数。

其次，根据被控对象模型和被控过程特性设计串级控制系统，采用动态仿真技术对控制系统的性能进行分析。

然后，设计并组建仪表过程控制系统，通过智能调节仪表实现对液位的串级PID控制。

最后，借助数据采集模块﹑Advantrol-Pro组态软件和数字控制器，设计并组建远程计算机过程控制系统，完成控制系统实验和结果分析。

关键词：

液位；模型；PID控制；仪表控制；计算机控制

Abstract

Thepurposeofthisthesisistodesigntheliquidlevel'sconcatenationcontrolsystemofthedoublecapacitywatertank.Thisdesignmakesfulluseoftheautomaticindicatortechnique﹑thecomputertechnique﹑thecommunicationtechniqueandtheautomaticcontroltechniqueinordertorealizeconcatenationcontrolofwatertank'sliquid.First,Icarryouttheanalysisofthecontrolledobjects'model,andusetheexperimentalmethodtocalculatethetransferfunctionofthemodel.Next,IDesigntheconcatenationcontrolsystemandusethedynamicsimulationtechniquetoanalyzethecapabilityofcontrolsystem.Afterwards,Idesignandsetuptheindicatorprocesscontrolsystem,realizePIDcontroloftheliquidlevelwithintelligenceindicator.Finally,Idesignandsetupthelongdistancecomputercontrolsysteminvirtueofthedatacollectionmodule﹑Advantrol-ProsoftanddigitalPIDcontroller，accomplishcontrolsystemexperimentandanalyzetheoutcome.

Keywords:

liquidlevel；model；PIDcontrol；indicatorcontrol；computercontrol.

1绪论

1.1研究背景

随着工业生产的飞速发展，人们对控制系统的控制精度、响应速度、系统稳定性与适应能力的要求越来越高。

而实际工业生产过程中的被控对象往往具有非线性、时线性、时延对象的先进控制策略，提高系统的控制水平，具有重要的实际意义。

每一个先进实用的控制算法的出现都对工业生产具有巨大的推动作用。

然而，当前的学术研究成果与实际生产应用技术水平并不是同步的，甚至相差几十年。

在我国，越是高深的、先进的控制理论，其研究越是局限于少数科研院所的狭小范围内，也越是远离了国民生产这个应用基地。

最近几年，国内一些控制领域已接近甚或超越了国际水平，然而，就先进理论应用于工业生产等领域的状况来讲，与发达国家相比却存在较大差距。

其原因固然是多方面的。

但是，一个很明显的原因就是在于理论研究尚缺乏实际背景的支持，理论的算法一旦应用于现场就会遇到各种各样的实际问题，制约了其应用前景。

在目前尚不具有在实验室中复现真实工业过程条件的今天，开发经济实用的具有典型对象特性的实验装置无疑是一条探索将理论成果转化为应用技术的捷径。

自本世纪30年代以来，伴随着自动控制理论的日趋成熟，自动化技术不断地发展并获得了惊人的成就，在工业生产和科学发展中起着关键性的作用。

过程控制技术是自动化技术的重要组成部分，普遍运用于石油，化工，电力，冶金，轻工，纺织，建材等工业部门。

初期的过程控制系统采用基地式仪表和部分单元组合仪表，过程控制系统结构大多是单输入，单输出系统，过程控制理论是以频率法和根轨迹法为主体的经典控制理论，以保持被控参数温度，液位，压力，流量的稳定和消除主要扰动为控制目的过程。

其后，串级控制，比值控制和前馈控制等复杂过程控制系统逐步应用于工业生产中，气动和电动单元组合仪表也开始大量采用，同时电子技术和计算机技术开始应用于过程控制领域，实现了直接数字控制（DDC）和设定值控制（SPC）。

之后，以最小二乘法为基础的系统辨识，以极大值和动态规划为主要方法的最优控制和以卡尔曼滤波理论为核心的最佳估计所组成的现代控制理论，开始应用于解决过程控制生产中的非线性，耦合性和时变性等问题，使得工业过程控制有了更好的理论基础。

同时新型的分布式控制系统（DCS）集计算机技术、控制技术、通讯技术、故障诊断技术和图形显示技术为一体，使工业自动化进入控制管理一体化的新模式。

现今工业自动化己进入计算机集成过程系统（CIPS）时代，并依托人工智能，控制理论和运筹学相结合的智能控制技术向工厂综合自动化的方向发展。

现代化过程工业向着大型化和连续化的方向发展，生产过程也随之日趋复杂，而对生产质量、经济效益的要求，对生产的安全、可靠性要求以及对生态环境保护的要求却越来越高。

不仅如此，生产的安全性和可靠性，生产企业的经济效益都成为衡量当今自动控制水平的重要指标。

因此继续采用常规的调节仪表（模拟式与数字式）已经不能满足对现代化过程工业的控制要求。

由于计算机具有运算速度快、精度高、存储量大、编程灵活以及具有很强的通信能力等特点，目前以微处理器、单片微处理器为核心的工业控制几与数字调节器—过程计算机设备，正逐步取代模拟调节器，在过程控制中得到十分广泛的作用。

在控制系统中引入计算机，可以充分利用计算机的运算、逻辑判断和记忆等功能完成多种控制任务和实现复杂控制规律。

在系统中，由于计算机只能处理数字信号，因而给定值和反馈量要先经过A/D转换器将其转换为数字量，才能输入计算机。

当计算机接受了给定值和反馈量后，依照偏差值，按某种控制规律（PID）进行运算，计算结果再经D/A转换器，将数字信号转换成模拟信号输出到执行机构，从而完成对系统的控制作用。

1.2国内外研究现状

随着人们生活质量的提高和环境的变化，“水”已经成为人们关注的对象！

不管是生活用水，是工业用水，这都牵扯水的过程控制问题。

将PID算法运用到水位控制系统中，不仅可以解决水塔的自动化给水问题而且还可以合理、安全、节约地使用水资源，进而使居民安居乐业，使我国工业自动化不断的向前发展！

1.2.1国外研究现状

德国Amira自动化公司研制的水箱系统是著名的智能实验设备之一，在国外很多大学和实验室都已得到了广泛的应用，国内也有包括清华大学、浙江大学、吉林大学等高校引进了Amira公司研制的水箱过程控制实验装置。

但是，由于德国Amira自动化公司研制的双容水箱系统价格太高，给购置这个实验设备带来很多困难。

也正是受其高价格的限制，目前，国内只是少数高校的部分实验室引进了这个设备，给基于双容水箱系统的算法研究和仿真带来了困难。

液位控制系统一般指工业生产过程中自动控制系统的被控变量为液位的系统。

在生产过程中，对液位的相关参数进行控制，使其保持为一定值或按一定规律变化，以保证质量和生产安全，使生产自动进行下去。

液位过程参数的变化不但受到过程内部条件的影响，也受外界条件的影响，而且影响生产过程的参数一般不止一个，在过程中的作用也不同，这就增加了对过程参数进行控制的复杂性，或者控制起来相当困难，因此形成了过程控制的下列特点：

（1）对象存在滞后热工生产大多是在庞大的生产设备内进行，对象的储存能力大，惯性也较大，设备内介质的流动或热量传递都存在一定的阻力，并且往往具有自动转向平衡的趋势。

因此，当流入（流出）对象的质量或能量发生变化时，由于存在容量、惯性、阻力，被控参数不可能立即产生响应，这种现象叫做滞后。

（2）对象特性的非线性对象特性大多是随负荷变化而变化，当负荷改变时，动态特性有明显的不同。

大多数生产过程都具有非线性，弄清非线性产生的原因及非线性的实质是极为重要的。

（3）控制系统较复杂从生产安全方面考虑，生产设备的设计制造都力求生产过程进行平稳，参数变化不超出极限范围，也不会产生振荡，作为被控对象就具有非振荡环节的特性。

过程的稳定被破坏后，往往具有自动趋向平衡的能力，即被控量发生变化时，对象本身能使被控量逐渐稳定下来，这就具有惯性环节的特性。

也有不能趋向平衡，被控量一直变化而不能稳定下来的，这就是具有积分的对象。

任何生产过程被控制的参数都不是一个，这些参数又各具有不同的特性，因此要针

对这些不同的特性设计相应不同的控制系统。

1.2.2国内研究现状

国内也有一些厂家研制了水箱液位系统。

GWT系列水箱液位控制实验装置由固高科技有限公司协同香港城市大学联合研制开发而成，并经过香港城市大学多年的实践检验，充分证明了其教学、实验和研究价值。

用户既可通过经典的PID控制器设计与调试，完成经典控制教学实验，也可通过模糊逻辑控制器的设计与调试，进行智能控制教学实验与研究。

各种控制器的控制效果既通过水位的变化直观地反映出来，同时通过液位传感器对水位的精确检测，方便地获得瞬态响应指标，准确评估控制性能。

开放的控制器平台，便于用户进行自己的控制器设计，满足创新研究的需要。

CS4000实验装置由浙江中控研制开发，它的出现为各大专院校，科研院所从事自动控制理论学习、研究及控制模型和算法探索的教师，科研人员及高年级本科生和研究生提供了一个具体的控制对象。

液位控制系统在国内各行各业的应用已经十分广泛，但从国内生产的液位控制器来讲，同国外的日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有差距。

目前，我国液位控制主要以常规的PID控制器为主，它只能适应一般系统控制，难于控制滞后、复杂、时变温度系统控制。

而适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。

由于工业过程控制的需要，特别是在微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外液位控制系统发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果，在这方面，以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的液位控制器及仪器仪表，并在各行业广泛应用。

1.3液位串级控制系统介绍

在工业实际生产中，液位是过程控制系统的重要被控量，在石油﹑化工﹑环保﹑水处理﹑冶金等行业尤为重要。

在工业生产过程自动化中，常常需要对某些设备和容器的液位进行测量和控制。

通过液位的检测与控制，了解容器中的原料﹑半成品或成品的数量，以便调节容器内的输入输出物料的平衡，保证生产过程中各环节的物料搭配得当。

通过控制计算机可以不断监控生产的运行过程，即时地监视或控制容器液位，保证产品的质量和数量。

如果控制系统设计欠妥，会造成生产中对液位控制的不合理，导致原料的浪费﹑产品的不合格，甚至造成生产事故，所以设计一个良好的液位控制系统在工业生产中有着重要的实际意义。

在液位串级控制系统的设计中将以CS4000高级过程控制实验系统为基础，展开设计控制系统及工程实现的工作。

虽然是采用传统的串级PID控制的方法，但是将利用智能调节仪表﹑数据采集模块和计算机控制来实现控制系统的组建，努力使系统具有良好的静态性能，改善系统的动态性能。

在设计控制系统的过程中，将利用到Advantrol-Pro软件。

以下将对它们的主要内容进行说明。

1.4AdvanTrol-Pro软件包简介

AdvanTrol-Pro软件包是基于Windows操作系统的自动控制应用软件平台，在JX-300XP系统中完成系统组态、数据服务和实时监控等功能。

1.4.1软件功能特点

（1）采用多任务、多线程，32位代码；

（2）良好的开放性能；

（3）系统组态结构清晰，界面操作方便；

（4）控制算法组态采用国际标准，实现图形组态与语言组态结合，功能强大；

（5）流程图功能强大，使用方便；

（6）报表功能灵活，应用简捷，并具有二次计算能力；

（7）采用大容量、高吞吐量的实时数据库和两级分层（分组分区）的数据结构；

（8）操作节点数据更新周期1秒，动态参数刷新周期1秒；

（9）按键响应时间≤0.2秒；

（10）流程图完整显示时间≤2秒，其余画面≤1秒；

（11）命令响应时间≤0.5秒；

（12）实时和历史趋势操作灵活，支持历史数据离线浏览；

（13）强大的报警管理功能，可以分区分级设置报警，支持语音报警；

（14）提供基于API接口的多种数据访问接口；

（15）系统安全、可靠，长期运行稳定；

（16）支持ModBus、ProfiBus数据连接和OPC数据通信；

（17）在网络策略和数据分组的基础上实现了具有对等C/S模式特征的过程信息网络服务；

（18）支持在线下载功能；

（19）支持多人组态服务。

1.4.2过程信息服务功能

AdvanTrol-Pro使JX-300XP系统在网络策略和数据分组的基础上实现了具有对等C/S特征的过程信息网（也称为操作网），在该过程信息网上可实现操作节点之间包括实时数据，实时报警，历史趋势，历史报警，操作日志等的实时数据通信和历史数据查询。

（1）实时数据服务 

服务器向客户端发送数据：

对于某一个数据组而言，客户端发现有主服务器存在，则向主服务器申请位号，主服务器定时发送数据给客户端，当客户端不需要这些数据时，主服务器在继续发送一段时间后停止发送。

客户端向服务器发送数据（数据回写）：

客户端利用流程图等工具通过过程信息网向主服务器发送数据。

注意，如果本站为客户端，则通过任务的置值动作无效。

（2）实时报警服务 

对于某一个数据组而言，主服务器主动判断是否有客户端，并进行实时报警的发送。

冗余服务器也是接收来自主服务器的报警。

报警中有产生时间和确认时间。

实时报警的主服务器、冗余服务器和客户端所进行的报警确认是通过过程信息网传送到其他的实时报警的主服务器、冗余服务器和客户端。

实时报警为本地的操作节点所进行的报警确认只有本操作节点有效。

（3）历史趋势服务 

趋势查询时，如果本站的某一数据组策略设置为服务器或者本地连接，则查询本站记录的趋势，如果本站是客户端，则查询趋势主服务器记录的趋势。

（4）历史报警服务 

报警查询时，如果本站的某一数据组策略设置为服务器或者本地连接，则查询本站记录的报警，如果本站是客户端，则查询报警主服务器记录的报警。

（5）操作日志服务 

操作日志是针对操作节点而言的。

设置为本地连接或者服务器的操作节点，记录在本站产生的操作记录，设置为客户端的操作节点，发送操作记录到主服务器和冗余服务器。

在查询操作日志时，如果本站是主（冗余）服务器或者本地连接，则查询本站记录的操作日志，如果本站是客户端，则查询操作记录主服务器记录的操作日志。

（6）时间同步功能 

系统可接入GPS时钟源信号，并通过SNTP协议实现整个控制系统的时间同步。

亦可在控制系统中设置时间同步服务器，以该服务器时间为基准，实现系统的时间同步。

1.4.3系统软件构成介绍

AdvanTrol-Pro软件包可分成两大部分，一部分为系统组态软件，包括：

用户组态