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过程控制工程实验指导书
过程控制实验指导书
（DCS篇）
曾慧敏
自动化教研室
自动化与电子信息学院自动化教研室
2015年12月5日
前言
本实验指导书是根据求是实验室设备-和利时DCS实验装置和A3000过程控制系统的相关内容编写的，可满足《DCS与现场总线》、《过程控制》、《过程控制与仪表》、《计算机控制》、《自动化仪表》等相关课程的实验教学要求。
过程控制通常是指石油、化工、电力、冶金、轻工、建材、核能等工业生产中连续的或按一定周期程序进行的生产过程自动控制，它是自动化技术的重要组成部分。
和利时DCS实验装置根据现行教材教学的要求，设置了压力、流量、液位、温度等单回路、串级、比值及前馈等实验。
实验指导书叙述了实验装置的各个仪表的原理、工作情况，实验项目及实验原理。
并讲述了系统的一些硬件的特点和技术指标。
本书试图通过对各实验原理的认识到对实验的实践，使学生对和利时DCS实验装置和系统原理有一个较为深刻的认识。
同时学生可自行设计实验方案，进行综合性、设计性过程控制系统实验的设计、调试、分析，培养学生的独立操作、独立分析问题和解决问题的能力。
若有疏漏，恳请批评指正！
主要内容4
第一部分A3000设备简介6
第二部分基础学习9
和利时DCS的应用系统设计内容及步骤9
第三部分实验内容43
实验一水箱液位控制系统43
实验二液位和进口流量串级控制系统55
主要内容
1、实验总体目标
通过实验，巩固掌握DCS课程的讲授内容，使学生对过程控制系统的基本理论及分析方法有一个感性认识和更好地理解，使学生在分析问题与解决问题的能力及实践技能方面有所提高。
2、适用专业
自动化和电气自动化专业本科生、研究生
3、先修课程
控制装置、自动化仪表、计算机控制系统、过程控制系统及DCS与现场总线
4、实验课时分配
实验项目
学时
第一部分设备介绍
2
第二部分基础学习（和利时DCS的应用系统组态过程）
4
第三部分实验内容
实验一单容水箱液位控制实验
2
实验二液位与流量串级控制实验
2
实验环境:
和利时MACS和A3000过程控制系统
6、实验总体要求
（1）、掌握单回路控制系统原理和参数整定方法；
（2）、掌握串级控制系统原理和参数整定方法。
7、本实验的重点、难点及教学方法建议
实验通过对控制系统的基本理论和方法有一个感性认识和更好地理解。
实验的重点及难点是：
了解对象动态特性测量基本方法；单回路控制系统设计、投运和参数整定方法；串级控制系统设计、投运和参数整定方法。
第一部分A3000设备简介
A3000测试平台总体物理系统如图1-1所示：
图1-1A3000测试平台物理系统
A3000现场系统特性：
1.尺寸：
1450（毫米宽度）X700（毫米深度）X1950（毫米高度）。
全不锈钢框架。
2.电力：
三相接地四线制380V±10%，单相三线制，220V±10%，
3.能耗：
最大额定用电6kw/h。
自来水120L，可重复使用。
A3000控制系统特性：
1.尺寸：
800（宽度）X60（深度）X1950（高度）。
标准工业机柜。
2.电力：
单相三线制，220V±10%，
3.能耗：
最大额定用电1kw/h。
现场系统工艺流程图如图1-2所示：
图1-2系统工艺示意流程图
总体的测点清单如表1-1所示：
表1-1整体流程测点清单
序号
位号或代号
设备名称
用途
原始信号类型
工程量
1
TE-101
热电阻
锅炉水温
Pt100
AI
0～100℃
2
TE-102
热电阻
锅炉回水温度
Pt100
AI
0～100℃
3
TE-103
热电阻
换热器热水出口水温
Pt100
AI
0～100℃
4
TE-104
热电阻
换热器冷水出口水温
Pt100
AI
0～100℃
5
TE-105
热电阻
储水箱水温
Pt100
AI
0～100℃
6
LSL-105
液位开关
锅炉液位极低联锁
干接点
DI
NC
7
LSH-106
液位开关
锅炉液位极高联锁
干接点
DI
NC
8
XV-101
电磁阀
一支路给水切断
光电隔离
DO
NC
9
XV-102
电磁阀
二支路给水切断
光电隔离
DO
NC
10
AL-101
告警
光电隔离
DO
NC
11
FT-101
涡轮流量计
一支路给水流量
4～20mADC
AI
0～3m3/h
12
FT-102
电磁流量计
二支路给水流量
4～20mADC
AI
0～3m3/h
13
PT-101
压力变送器
给水压力
4～20mADC
AI
150kPa
14
LT-101
液位变送器
上水箱液位
4～20mADC
AI
2.5kPa
15
LT-102
液位变送器
中水箱液位
4～20mADC
AI
2.5kPa
16
LT-103
液位变送器
下水箱液位
4～20mADC
AI
2.5kPa
17
LT-104
液位变送器
锅炉/中水箱右液位
4～20mADC
AI
0～5kPa
18
FV-101
电动调节阀
阀位控制
4～20mADC
AO
0～100％
19
GZ-101
调压模块
锅炉水温控制
4～20mADC
AO
0～100％
20
U-101
变频器
频率控制
4～20mADC
AO
0～100％
注：
所列信号类型为原始信号，在控制柜中Pt100经过变送器转换成了4～20mA。
一般两线制信号在IO面板上已经连接了24V和GND，可以按照四线制方式使用。
执行机构一般为2～10V控制，控制信号经过500欧姆采样电阻，被转换成4-20毫安控制。
第二部分基础学习
和利时DCS的应用系统设计内容及步骤
一、DCS的应用系统组态
MACS系统给用户提供的是一个通用的系统组态和运行控制平台，应用系统需要通过工程师站软件组态产生，即把通用系统提供的模块化的功能单元按一定的逻辑组合起来，形成一个能完成特定要求的应用系统。
系统组态后将产生应用系统的数据库、控制运算程序、历史数据库、监控流程图以及各类生产管理报表。
应用系统组态可如图2-1所示的流程：
图2-1应用系统组态流程
1、前期准备工作
在进入系统组态前，应首先确定测点清单、控制运算方案、系统硬件配置，
包括系统的规模、各站IO单元的配置及测点的分配等，还要提出对流程图、
报表、历史数据库、追忆库等
2、建立目标工程
在正式进行应用工程的组态前，必须针对该应用工程定义一个工程名，该目标工程建立后，便建立起了该工程的数据目录。
3、数据库组态
数据库组态就是定义和编辑系统各站的点信息，这是形成整个应用系统的基础。
在MACS系统中有两类点，一类是实际的物理测点，存在于现场控制站和通信站中，点中包含了测点类型、物理地址、信号处理和显示方式等信息；一类是虚拟量点，同实际物理测点相比，差别仅在于没有与物理位置相关的信息，可在控制算法组态和图形组态中使用。
4、设备组态
应用系统的硬件配置通过系统配置组态软件完成。
采用图形方式，系统网络上连接的每一种设备都与一种基本图形对应。
在进行系统设备组态之前必须在数据库总控中创建相应的工程。
5、图形组态
图形组态包括背景图定义和动态点定义，其中动态点动态显示其实时值或历史变化情况，因而要求动态点必须同已定义点相对应。
通过把图形文件连入系统就可实现图形的显示和切换
6、算法组态编译
在完成数据库组态后就可以进行控制算法组态。
MACS系统提供了符合国际IEC61131-3标准的五种工具：
SFC、ST、FBD、LD和FM。
7、报表组态
DCS操作员站的报表打印功能通过组态软件中的报表生成部分进行组态，不同的DCS在报表打印功能方面存在较大的差异。
某些DCS具有很强的报表打印功能，但某些DCS仅仅提供基本的报表打印功能。
一般来说，DCS支持如下两类报表打印功能：
（1）周期性报表打印这种报表打印功能用来代替操作员的手工报表，打印生产过程中的操作记录和一般统计记录；
（2）触发性报表打印这类报表打印由某些特定事件触发，一旦事件发生，即打印事件发生前后的一段时间内的相关数据。
8、编译
系统联编功能连接形成系统库，成为操作员站、现场控制站上的在线运行软件运行的基础。
系统库包括实时库和参数库两个组成部分，系统把所有点中变化的数据项放在实时库中，而把所有点中不经常变化的数据项放在参数库中。
服务器中包含了所有的数据库信息，而现场控制站上只包含该站相关的点和方案页信息，这是在系统生成后由系统管理中的下装功能自动完成的。
9、下装服务器、操作员站
应用系统生成完毕后，应用系统的系统库、图形和报表文件通过网络下装到服务器和操作员站。
服务器到现场控制站的下装是在现场控制站启动时自动进行的。
现场控制站启动时如果发现本地的数据库版本号与服务器不一致，便会向服务器请求下装数据库和方案页。
说明：
系统联编功能连接形成系统库，成为操作员站、现场控制站上的在线运行软件运行的基础。
系统库包括实时库和参数库两个组成部分，系统把所有点中变化的数据项放在实时库中，而把所有点中不经常变化的数据项放在参数库中。
服务器中包含了所有的数据库信息，而现场控制站上只包含该站相关的点和方案页信息，这是在系统生成后由系统管理中的下装功能自动完成的。
二、组态步骤
利用和利时MACS系统设计控制系统的一般步骤如下：
1.新建工程（在数据库总控中）：
在正式进行应用工程的组态之前必须针对该应
用工程定义一个工程名，该目标工程新建后便新建起了该工程的数据目录；
2.硬件配置（在设备组态中）：
在工程中定义应用系统的硬件配；
3.数据库定义（在数据库总控）：
定义和编辑系统各站的点信息，这是形成整个
应用系统的基础；
4.工程基本编译（在数据库总控）：
在设备组态编译成功的基础上，数据库编辑
完成后可以进行基本编译；
5.工程完全编译 （数据库总控）：
生成控制器算法工程；
6.控制器控制算法组态 （控制器算法组态）：
是用来编制控制器算法程序及下
装控制器的；
7.绘制图形（图形组态）：
用来绘制工艺流程图的；
8.制作报表（报表组态）：
用来制作反映现场工艺数据的报表；
9.工程完全编译 （数据库总控）:
生成下装文件；
10.登录控制器，将工程下装到主控单元（控制器算法组态）；
11.下装服务器、操作员站（工程师在线下装）；
12.运行程序并在线调试。
三、举例
利用MACS实现双容水箱液位串级控制设计，对象-双容水箱为A3000过程控制系统中的下水箱和中水箱，其工艺如图2-2所示：
（一）工艺简介：
双容水箱液位装置如图1-2所示,贮水箱里水经手动阀F1-1通过磁力泵加压，经电动调节阀和手动阀F1-7到中水箱，中水箱里的水经手动阀F1-10流到下水箱；下水箱里的水经手动阀F1-11最终又回流到贮水箱。
一般要求：
阀F1-10的开度稍大于阀F1-11的开度；启动泵时，应打开相应的水路（打开阀F1-1、F1-2、F1-7）；当中水箱和下水箱液位超过警戒液位时，通过溢流管回流到贮水箱。
控制要求：
下水箱液位尽可能稳定,调节时间短。
图2-2双容水箱工艺
（二）系统控制方案
分析：
下水箱液位受中水箱出水量的影响，而出水量又受中水箱液位的影响，当中水箱液位波动较大且频繁时，由于下水箱滞后较大，采用单回路控制既不能及早发现扰动，又不能及时反映调节效果，为此而设计如图2-3所示的串级控制系统工艺流程图。
把下水箱液位控制器的输出，作为中水箱液位控制器的设定值，使中水箱液位控制器随着下水箱液位控制器的需要而动作。
图2-3串级控制系统工艺流程图
串级控制系统的方块图如图2-4所示：
图2-4串级控制系统的方框图
（三）系统组态
1.工程分析
水箱液位串级控制系统需要两个模拟量输入信号端子和一个模拟量输出端子，因此选用FM148A模拟量输入模块和FM151模拟量输出模块。
FM148A的2通道采集一阶液位，FM148A的3通道采集二阶液位，调节输出信号由模拟量输出模块FM151的1通道送出，去控制电动调节阀的开度。
2.建立工程图（打开数据库组态工具）
（1）打开数据库组态工具如图2-5所示，进入数据库组态界面如图2-6所示：
图2-5打开数据库组态工具
图2-6数据库组态界面
（2）在数据库总控组态界面下工具栏下单击新建工程按钮，弹出如图2-7所示添加工程的对话框，添入工程名，单击确定。
然后在空白处选择“Cascade”工程，如图2-8所示，显示当前域号为65535等信息。
图2-7添加工程
图2-8自定义域组号
选择“编辑>域组号组态”，选择组号为1，域号为0，出现图2-9所示：
图2-9域组号信息
可以选择“全部排序”或“全部重设”来修改组号和域号。
点击“确定”按钮出现图2-10所示窗口：
图2-10域组号信息
3.编辑数据库
（1）选择编辑→编辑数据库，进入数据库编辑界面，在弹出的对话框中输入用户名和密码如图2-11所示，单击确定，进入数据库编辑界面。
图2-11进入数据库编辑界面
（2）选择系统→数据操作，单击确定弹出如图2-12（a）、（b）所示窗口。
图2-12数据库编辑（a）
图2-12数据库编辑（b）
点击“全选A”按钮。
将右侧的选择项名选中如图2-13（a），点击“确定”按钮出现图2-13（b）所示界面：
图2-13编辑数据界面（a）
图2-13编辑数据界面（b）
因为水箱液位串级控制控制系统用到两个模块，三个通道，所以只需要编辑三个点号，如图2-14（a）（b）所示：
设备号即设备地址，输入通道为2（FM148），输出通道为4（FM143），单击更新数据库按钮即可保存。
图2-14（a）模拟量输入项
图2-14（a）模拟量输出项
（3）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。
★★★★★
4.系统设备组态
（1）按“开始→程序→MACS→MACS-ENG→设备组态”工具的顺序打
开设备组态工具定义系统设备。
（2）选择打开新建的工程（Cascade）。
（3）选择“编辑→系统设备”，打开系统设备生成对话框，如图2-15、图2-16所示：
图2-15系统设备组态
说明：
在该向导中点击下一步可持续添加所需要的现场控制站、操作员站、
服务站数量及起始地址，如图2-16所示（或选中MACS设备组态，击鼠标右键选择添加节点），系统组态结果如图2-17所示：
图2-16该系统的设备组态信息
图2-17系统设备组态结果
（4）操作员站50以太网卡属性设置：
击鼠标右键以太网卡选择属性，将A网IP地址设置为128.0.0.50；
B网设置为129.0.0.50如图2-18所示：
图2-18系统设备组态设置
（5）同样办法设置服务站0以太网卡属性：
将A网IP地址分别改为128.0.0.0；
B网设置为129.0.0.0。
5.I/O设备组态
（1）按“开始→程序→MACS→MACS-ENG→设备组态”工具的顺序打开设备组态工具定义I/O设备。
（2）选择编辑→I/O设备，打开I/O设备组态对话框,如图2-19（a）:
图2-19（a）I/O设备图2-19（b）I/O设备
（3）在DP链路下添加新的设备，如图2-19（b）出现“添加I/O板”对话框，在此添加所需用的设备FM148A、FM151，如图2-19（c）所示：
图2-19（c）添加I/O设备
（4）选中FM148，更改属性将地址设置为2；同样设置FM151，地址设置为4，
如图2-19（d）：
图2-19（d）I/O设备组态
该系统I/O设备组态结果如图2-19（e）所示：
图2-19（e）系统I/O设备组态
（5）点击
按钮，显示编译成功如图2-19（f）所示。
图2-19（f）I/O设备组态
（6）将组态数据保存到数据库，设备组态完毕。
6.控制器算法组态
在完成了工程的数据库组态和设备组态并且进行了编译之后我们可以进行控制器算法的组态。
但是在控制器算法组态之前必须先要在数据库组态工具中进行编译，才能进行控制器算法组态及其它操作。
编译步骤为：
单击任务栏开始/程序中的MACS/MACS-ENG,选择“数据库总控”进入数据库组态画面。
打开所要编译的工程后点击编译/完全编译，在弹出的提示框中选择“是”，系统将自动进行编译。
编译结果显示在编译信息栏中。
编译成功后自动生成控制器工程文件。
编译成功才能进行控制器算法组态操作！
！
如2-20图所示：
图2-20数据库总控组态软件
每一个现场控制站对应一个控制器算法工程，自动生成的控制器算法工程已完成了
目标设置、任务配置、硬件配置、数据库定义、创建主程序（MACS-PRO）等。
我们主要来做添加POU（程序组织单元）来编写控制算法。
控制器算法组态步骤：
（1）“开始→程序→MACS→MACS-ENG→控制器算法组态”弹出“选择工程”
对话框
（2）选择新建的工程文件Cascade。
如图2-21（a）所示：
选择新建的工程文件Cascade后将弹出FCSEditor窗口，选择10号控制站（如图2-21（b）所示）
将启动CODESYS软件，如图2-21（c）所示：
图2-21（a）选择工程
图2-21（b）选择控制站
图2-21（c）选择主程序
（3）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2-22所示：
图2-22选择控制器类型
具体设置可参照MACSV组态手册，点击“确认”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。
如图2-23所示：
图2-23任务配置
双击“MACS配置”，弹出“MACS配置”对话框，如图2-24所示：
图2-24MACS配置窗口
双击“库管理器”。
在库管理器左上角点击右键“添加库”，如图2-25所示：
图2-25添加库
（4）在工具栏中选择增加块，可根据需要选择不同的功能块，关于功能块的说明可参考帮助。
如图2-26（a）所示，选中AND将其修改为需要的功能块名称，这里选HSPID，系统自动调出该功能块，如图2-26（b）所示：
图2-26（a）添加功能块
图2-26（b）添加PID
（5）同理添加所需的功能模块，选择相应输入输出端子并连接到PID模块的各个端子。
如图2-27（a）所示:
图2-27（a）添加PID2功能块
说明：
对功能模块的“必须要赋值”变量在程序中必须声明如:
PID模块的TI、TD、KP、
输入/出量程上下限、输出方式（位置/增量型）工作方式（手/自动）、正反
作用等等如图2-27（b）所示：
图2-27（b）PID的各变量
（6）控制方案总图如图2-28所示：
图2-28控制系统的算法
（7）单击编译→当前方案，编译成功后再单击编译→基本编译，退出算法组态。
7.图形组态
（1）按“开始→程序→MACS→MACS-ENG→图形组态”的顺序打开图形组态
界面及“工程信息窗口”，在此窗口选择工程名称Cascade.
（2）新建一个串级液位的图形文件，利用绘图工具绘制图形如图2-29所示:
图2-29双容液位的工艺流程图
（3）点击中水箱液位的文字特性xxx.x，右击鼠标选择动态特性如
图2-30所示:
图2-30中水箱液位文字动态特性设置
（4）点击中水箱液位的文字特性xxx.x，击鼠标右键选择交互动态特性如图2-31所示:
图2-31中水箱液位文字交互特性设置
同理：
可设置下水箱液位、电动阀开度的动态特性及交互式特性
（5）保存文件，图形组态完毕。
8、操作员站在线配置
选择“开始》MACSV操作员站软件》操作员站配置工具，如图2-32（a）、（b）所示：
图2-32（a）OPS配置
设置操作员站在线启动时的初始界面，如图2-32（b）所示：
图2-32（b）设置OPS的初始界面
9、报表组态
在MACS系统中报表生成软件和EXCEL报表工具共同为用户提供了强大的报表组态系统，组态过程采用“所见即为所得”的方式。
用户在报表生成系统中，可利用WINDOWSNT提供的各种输入方式，在既定的单元格中录入说明性文字、定义需打印动态数据的点，再根据需要修改表格格式，即完成了一幅报表的编辑。
报表生成系统与数据库生成系统有关，在进入报表编辑之前必须完成系统库的生成，报表中定义的动态点必须在相应系统库中定义过。
另一方面，它又与控制方案生成系统有关，定时打印报表需要用功能块来驱动。
报表生成过程是指用户进入报表生成系统，编辑、组态报表，再进行编译生成报表文件的过程。
用户可根据需要将报表文件下装到各打印站。
开始/程序/MACS/MACS-ENG/报表组态：
出现“请选择数据库”窗口，鼠标双击所需的工程名称进入报表编辑画面，右上方有一“控制菜单栏”，如图2-33所示：
图2-33报表编辑窗口
说明：
动态点：
项名（模拟量av数字量dv）
10.编译下载
系统组态完毕之后，必须通过编译命令将组态保存信息转换为现场控制站和操作员站能识别的信息，再通过下载命令将组态送到控制站执行。
下装包含下装控制器、下装服务器、下装操作员站三部分。
下装控制器是在控制器算法软件中完成的（参看控制器算法组态），下装服务器和操作员站是在工程师在线下装软件中完成。
工程师在线下装软件：
开始/程序/MACS/MACS-ENG/工程师站下装，弹出选择工程对话框中选择工程，点击OK弹出登录窗口如图2-34所示：
图2-34登录窗口
以系统缺省的工程师用户登录（用户名：
hollymacs密码：
macs），打开下装窗口如下页图2-35所示：
图2-35程序下装窗口
说明：
A、下装操作员站：
在“下装类型”窗口选中“操作员”，再到右边的操作员站列表中选择要下装的操作员站（缺省域中所有操作员站被选中），点击“下装”按钮即可将下装文件中的图形和报表内容下装至操作员站的Start目录。
B、下装服务器站
在“下装类型”窗口选中“一台服务器”，如A机，右边会显示所选服务器的当前IP地址，检查一下IP地址及相关的现场控制站列表，下方窗口缺省选中所有下装文件，点击“下装”按钮即可将下装文件下装至服务器。
第三部分实验内容
实验一水箱液位控制系统
一、实验目的
1、了解简单过程控制系统的构成。
2、掌握简单过程控制的原理。
3、掌握简单控制系统的PID参数调整及参数对被控对象的影响。
二、实验类型
综合型
三、实验装置
1、A3000过程控制实验装置（其中使用：
电动调节阀/变频器、增压泵、水箱及液位变送器等），液位变送器的量程与零点一般在出厂之前已调试好。
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