高级过程控制系统方案.docx

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高级过程控制系统方案

项目名称：

东北石油大学验室设备及用品采购

项目编号：

DZC100913

来文编号：

ZCB101015、ZCB101016

技术协议

哈尔滨君威科技有限公司

2011年3月

高级过程控制系统方案

高级自动控制技术在工业、农业、国防和科学技术现代化中起着十分重要的作用，自动控制水平的高低也是衡量一个国家科学技术先进与否的重要标志之一。

随着国民经济和国防建设的发展，自动控制技术的应用日益广泛，其重要作用也越来越显著。

方案概述

网络架构

方案特色

高级过程控制实训设备具有如下特点：

（1）过程控制实训设备结构：

实训控制对象装置、实训控制系统。

实训设备总体具结构开放性、设备真实性，实训活动能突出工程性、实践性、现场情景化、操作实际化。

（2）实训控制对象：

实训控制对象仿工业设备结构。

具有较强现场设备感；具有较丰富的设备种类，包括加热炉、液位容器、换热器、阀门与管道等；利用现场阀门与管路实现对象间的组合与分隔，单套实训对象装置至少能形成两个可同时运行的独立控制系统；通过阀门与管路切换，能构造多种控制系统所需环节组合。

现场检测与控制类设备、信号管线便于实训装拆训练。

（3）现场仪表：

具有多种流量检测仪表；能通过电动调节法、变频调速两种典型方式实现控制任务；现场设备及管路上用于组建联锁保护系统的检测与控制点不少于5点；突出现场仪表，能体现现场仪表、信号管线的工业安装。

（4）控制信号管线

控制信号管线敷设为可拆装式，与现场装置、控制台（柜）接点为接线端子连接；现场桥架引线，控制台（站）地沟引线方式。

所有引线均应便于学生进行线路连接、敷设实训。

（5）实训系统功能要求：

能完成过程控制系统结构认识、系统连接与组态、仪表及系统投运、系统调试与控制参数整定、系统运行维护与故障处理。

（6）控制系统类型要求：

能实现四大热工量的检测与简单控制实训；能实现温度、流量、压力间串级控制实训；能实现流量、液位间均匀控制实训；能实现两种流量间的比值控制实训；能实现选择性控制实训；能实现联锁保护控制实训。

（7）系统控制方式要求：

具有智能仪表控制、PLC控制、DCS控制方式，并能进行灵活的切换。

（8）实训设备物料：

冷水、热水（为了安全，尽量不要出现蒸汽）、空气三种介质。

（9）可以很方便的实现以多变量预测控制技术为基础的先进控制实验。

（10）能够实现压力报警、连锁及自动停车等实验。

对象系统

工艺流程

高级过程控制实验平台对象以反应罐和电加热罐、换热器为核心，同时还配置了温度大滞后单元，以进行特殊控制算法研究。

装置配备循环水泵（分别通过变频器和调节阀控制流量）、压力连锁装置、自动停车系统、供水水槽和手动、自动切换阀组成的供排水系统。

对象中采用了工业生产中实际使用的各类检测、变送仪表和执行机构。

此外，高级过程控制实验装置还提供了一套可视的具有可变纯延迟的纯滞后对象。

该纯滞后对象由一个电加热罐、换热器和一个温度纯滞后管组成，该对象由一个可控硅控制的电加热管提供热源，通过调节电加热管功率或待加热水量以达到控制电加热罐出水温度的目的。

借助于该纯滞后对象，可方便地实现SMITH补偿、内模控制等纯滞后及先进控制实验方案

对象系统优势

我们对现场系统进行了很大的改进，提供全开放式、模块化设计。

对象系统比较优势如下所示：

（1）更符合工业现场

提供圆罐非线性容器。

圆罐容器具有很好的耐压特性，所以化工等行业使用很多。

同行基本都是简单的线性容积水箱。

提供现场电力供配电，而和控制系统之间的连接只有控制器所支持的标准信号。

变频器和调压模块封装在现场配电柜，使得电力线与信号线分离，减少干扰。

符合工业现场的真实情况，更加具有安全性。

提供方便的PCB端子排连接，方便可靠连接、检查、调试。

同行一般使用航空插头，不好维护，也不好检测，更难以方便地扩展。

（2）更具有安全性

和控制系统没有任何强电连接，在控制柜中，面板上只使用24V直流电。

可以更加安全地让学生对控制器进行各种带电操作。

同行产品控制柜提供强电设备，并且通过连接线连接到现场系统上，不安全。

加热容器提供了一个护套，避免烫伤。

（3）可维护性和扩展性好

全部采用端子到点的接线方式，方便检测、维护、更改各个端子。

所有的接线部分不用拆任何螺钉，就可以打开，并方便地维修。

打开现场控制箱和控制柜的各个门，全部设备都露在用户面前，没有任何见不到的、隐蔽的设备。

提供了接线电路板，大大减少了连线。

任何故障，可以通过简单的替换芯片，或者更换板子就可以解决。

（4）设计更具有合理性

模块化设计，用户可以随时增加仪器仪表，或者智能设备。

同行不具有这样方便的扩展能力。

尽可能使管道更粗，更符合真实工业现场。

截面积非常大的水箱系统。

加热容器具有两个液位开关，一个联锁保护系统，以及用户可编程的联锁保护和紧急停车系统。

提供经典的管道压力和流量耦合实验。

静态单位矩阵法解偶，两输入两输出，非常典型，而且与温度、时间无关，可以快速地容易地重复。

（5）配电系统

特点：

孔屏。

完全符合工业立盘设计，自由接线，方便维护。

全部接线直接连接到孔屏。

包括所有变频器，调压模块，电压表，调节阀供电，电磁流量计供电，继电器驱动等等设备安装到孔屏上。

学生方便拆装，调节和维护。

（6）先进控制实验

本实验平台提供了2个先进控制实验方案，可以让实验者很方便的从理解先进控制的原理到实际动手设计先进控制器。

同时以实验平台为基础，还可以自行开发出更多的先进控制实验方案，非常适合需要进行高级过程控制实验的硕士、博士等高端研究人才的实验需求。

仪表控制系统

控制系统提供两种安装模式：

机柜中孔屏安装，包括转接电路板，配电系统。

系统更加工业化，模块安装自由，维护操作方便。

IO连接板把现场的PCB端子排连接到控制系统，并使用实验专用连接端子连接。

除了与现场IO一一对应的接口之外，也为两线制变送器、数字量干接点提供了自由的电源连接。

为PT100提供可选的温度变送器连接。

并提供硬件比值器，可调电流源，数字电流表。

方便了某些系统的连接。

艾默生DCS

基本网络结构：

图1DeltaV系统结构

DeltaV系统结构由工作站、控制器和I/O子系统组成，各工作站及各控制器之间用以太网方式连接。

现场智能设备或常规设备的信号将接入DeltaV卡件，具备HART、FUNDATIONTM现场总线、ProfibusDP总线，AS-i总线，DeviceNet总线及RS485串口通讯的设备也将连接到DeltaV的各总线卡件上。

DeltaV的工作站包含主工程师站、工程师站、操作站、应用站等，其中应用站具备OPCServer功能并可通过第三块网卡以以太网的方式连接到其它系统，实现系统间的实时数据交换等功能。

根据系统配置功能的需要，应用站也可以用作批量管理站、WebServer站等。

控制器及I/O子系统包含控制器、供电模块和各类卡件，卡件负责现场信号采集及处理，由控制器执行控制策略。

DeltaV系统支持将控制策略下装到现场总线设备中执行，使控制风险更加分散并提高回路的集成度。

DeltaV系统可根据应用场合的需要采用冗余系统控制网络、冗余控制器、冗余电源、冗余卡件等冗余措施。

控制器和卡件将安装在底板上，各类卡件可根据需要随意安装在底板上，无需特定的卡件安装特定的位置上。

DeltaV控制网络

DeltaV系统的控制网络是以100M以太网为基础的，局域网（LAN）网速可达到100M/1000M。

DeltaV系统的控制网络可以是冗余的或单网，上图是典型的冗余控制网络。

在DeltaV系统中，控制网络采用的设备包括交换机、以太网线及光缆。

DeltaV系统的节点包括工作站和控制器，各节点到交换机的距离小于100m时，用以太网线连接各节点到交换机上，不需要增加任何额外的中间设备；各节点到交换机的距离大于100m时，需要用光缆进行扩展。

DeltaV系统的控制网络考虑到通讯的完整性，往往采用冗余的方式，并建立两条完全独立的控制网络，即主副控制网络。

主副控制网络中的交换机、以太网线及工作站和控制器的网络接口也完全是独立的。

每个DeltaV控制器都有主副2个网络接口，在采用冗余控制器的配置时，每对控制器会有2个网络接口连接到主交换机上，另2个网络接口连接到副交换机上。

DeltaV系统的各工作站都配有3块以上的网卡，其中2块用于建立控制网络，另1块用于备用或连接其它系统如工厂网络等。

DeltaV系统的控制网络采用TCP/IP的通讯协议，系统自动分配各节点的IP地址。

每套DeltaV可支持最多120个节点，系统结构灵活，规模可变，易于扩展。

控制器

DeltaV系统的控制器用于管理所有在线I/O子系统、控制策略的执行及通讯网络的维护。

同时时间标签和报警趋势记录也是由控制器管理的。

控制器从输入通道读取数据，然后执行控制策略，到最后送到输出通道的整个过程会在100ms中完成。

控制器主频为266MHz，内存为48M。

对于冗余配置的控制器，在工作时会有一个处于激活状态，而另一个待机状态的控制器会拥有相同的设置，并会映射在线控制器的所有操作。

一旦，在线控制器发生故障，待机状态的控制器将会自动切换到激活状态。

并且，系统可以在故障控制器被替换后自动执行初始化，使系统恢复冗余配置。

当网络发生故障的时候，控制器会保留最后收到的有效数据。

图4DeltaV系统控制器与I/O卡件

控制器的特点包括：

∙自动分配地址－每个控制器作为一个网络节点对于整个DeltaV系统具有唯一性，一旦上电，系统会自动分配网络地址，无需拨动开关或做另外的设置。

∙自动I/O检测－控制器能够检测到所有安装在子系统上的I/O接口通道。

一插入IO卡件，控制器就能精确地知道I/O卡件所连接的现场设备的常用属性。

这就减少了组态有关的无价值工作量，大大提高工作效率。

∙数据保护－将数据下装到控制器时，DeltaV系统会保存下装信息。

同样，用户在线改变控制器组态时，系统也保存这些组态更改。

这样，系统将保存所有下装到控制器的数据的完整记录及所有曾做过的在线更改；

∙冷启动－当系统因故障断电时，控制器可以在一定时间内保存在线数据和所有组态设置，使得在重新上电后无需初始化就可直接启动正常工作。

∙数据通道－控制器可以将智能HART信息从现场设备传送到控制网络中的任何节点。

即通过运行先进的设备管理软件应用，如艾默生过程控制公司的设备管理系统（AMS）实现现场HART设备或基金会现场总线设备的智能信息的远程管理。

∙安装－即插即用的系统结构使系统可以从一个控制器逐步扩大，还可以远程安装在Class1Div2环境中。

I/O子系统

DeltaV系统的所有I/O卡件均为模块化设计，可即插即用、自动识别、带电插拔。

系统可以要提供二大类I/O卡件：

一类是传统I/O卡件，另一类是现场总线接口卡件。

这二大类卡件可任意混合使用。

传统IO卡件

传统IO卡件是模块化的子系统，安装灵活。

它可安装在离物理设备很近的现场。

传统I/O配备了功能和现场接线保护键，以确保I/O卡能正确地插入到对应接线板上。

传统I/O子系统包括：

∙I/O卡件底板（安装在DIN导轨上），所有与I/O有关的部件都安装在该底板上。

∙可给现场设备供电（24VDC,4~20mA或220VAC）。

∙包括I/O卡件和I/O接线板的I/O接口卡。

∙各种模拟和开关量I/O卡，外观和体积相同，便于插入I/O卡件底板中。

∙各种安装在I/O卡件底板上的I/O接线板，这些底板可在安装I/O卡前先完成接线。

传统IO卡件的功能特点：

∙整个系统模块化－传统I/O所有部件完全模块化设计并都可以带电安装。

当系统规模扩大时，可以在线加入扩展的I/O卡件。

∙自动识别－系统将自动识别所有在线卡件的类别及通道状态，并作为记录保存在组态数据库中。

∙减少系统占地面积－DeltaV对I/O卡件的设计明显减少设备占地面积并增加控制室的可用空间。

并且可将I/O卡件底板安装到现场。

∙保护键－传统I/O卡和接线板都设置有I/O功能保护键。

这些保护键能够保证I/O卡都插到相应接线板中。

这种安全设计使传统I/O最初的安装变得非常快捷有效。

需要更换I/O卡时，功能保护键可以确保安装正确。

模拟I/O卡