DCS在炉顶温度控制中的应用.docx

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DCS在炉顶温度控制中的应用在炉顶温度控制中的应用DCS在炉顶温度控制中的应用摘要HOLLiASDCS是由和利时公司基于先进自动化技术开发的集成工业自动化系统。

DCS系统通过某种通信网络将分布在工业现场附近的现场控制站和控制中心的操作员站及工程师站等连接起来，以完成对现场生产设备的分散控制和集中操作管理，因此在工业发展迅速的现代，掌握DCS控制系统对现代自动化至关重要。

本文主要通过该系统在炉顶温度控制的应用来熟悉DCS系统的操作步骤以及DCS系统组态的使用方法，利用PID控制方案和串级回路控制方案控制炉顶温度，最终达到最佳控制。

通过完成整个工程可以使我们对现今工业现场的控制系统有一定的了解。

其中以硬件组态（即数据库总控、设备组态、图形组态、报表组态、下装和历史数据查询），控制器算法为整个系统的重点。

关键词:

DCS组态温度控制IOPIDtheapplicationofDCSinthetoptemperatureabstractHOLLIASDCSisbasedonadvancedautomationtechnologydevelopmentandtheintegrationofindustrialautomationsystemsbyHOLLIAScompany.DCSsystemwillbedistributedintheindustrialfieldcontrolstationandcontrolcenternearthesceneofoperatorstationandengineerstationandsoonviaacommunicationnetwork,andcompletingthesiteproductionequipmentdistributedcontrolandconcentratedmanagementoperation,Soinmodernindustryhasdevelopedrapidly,MastertheDCScontrolsystemofmodernautomationisveryimportantThispapermainlythroughtheapplicationofthesysteminfurnacetoptemperaturecontroltobefamiliarwithDCSsystemoperationstepsandTheuseoftheDCSsystemconfiguration.ByusingPIDcontrolschemeandcascadeloopcontrolfurnacetoptemperaturecontrolscheme,Ultimatelyachieveoptimalcontrol.Bycompletingthewholeprojectwecanhasacertainunderstandingofmakingthecontrolsystemontheindustrialsitenow.Withtheconfigurationofthehardware（Databasegeneralcontrol,DeviceConfiguration,graphconfiguration,Thereportconfiguration,Bottomsandthehistoricaldataquery）,Thefocusofthecontrolleralgorithmforthewholesystem.Keywords:

DCSconfigurationtemperaturecontrolIOPID目录第一章引言5第二章DCS总体介绍52.1操作员站62.2工程师站62.3现场控制站62.4系统服务器72.5主控单元72.6I/O模块72.6.1数据库总控72.6.2设备组态72.6.3算法组态软件72.6.4报表组态82.6.5工程师站下装82.6.6历史数据查询8第三章硬件组态83.1MACSV系统介绍83.1.1MACSV系统特点81.技术的先进性82.系统的开放性93.应用的方便性104.系统的可靠性115.系统强大的处理能力116.用户的经济性123.1.2HOLLiASMACS系统的硬件特点121.核心技术122.支持现场总线的主控制器133.专为DCS设计的电源144.分布式过程I/O143.1.3HOLLiASMACS系统的软件特点141.功能强大控制组态软件142.先进丰富的人机界面组态软件163.控制层软件的组成163.1.4组态软件的特点163.2组态流程173.3组态之前准备173.4新建工程173.4.1系统结构域173.4.2工程范例18

（1）、新建工程命名newll18

（2）、给工程分组分域18（3）、完成新建工程193.5系统设备组态193.5.1简介193.5.2操作步骤203.5.3工程范例213.6系统IO组态223.6.1工程范例223.7系统图形组态233.7.1简介233.7.2工程范例243.8数据库组态263.8.1类结构编辑263.8.2数据操作263.8.3数据库组态编辑窗口263.8.4工程范例27

（1）进入数据库界面27

（2）选择点的属性27（3）导入在Excel中预先输入的点28（4）导入之后更新数据库303.9数据库基本编译303.9.1工程范例31第四章软件组态324.1设计控制方案324.1.1变量定义32

（1）类别32

（2）类型32（3）变量列表32（4）工程范例324.1.2信号处理33

（1）工程范例334.1.3PID控制方案34

（1）功能概述34

（2）功能介绍、功能详细说明34（3）运行方式35（4）工程实例374.1.4串级控制37

（1）赋值注意事项37

（2）工程范例37第五章总结38参考文献39致谢39第一章第一章引言引言DCS即集散型控制系统，又称分布式控制系统（DistributedControlSystem）。

它的主要基础是4C技术，即计算机Computer、控制Control、通信Communication和CRT显示技术。

DCS系统通过某种通信网络将分布在工业现场附近的现场控制站和控制中心的操作员站及工程师站等连接起来，以完成对现场生产设备的分散控制和集中操作管理。

DCS自1975年问世以来已经历了近三十年的时间，其可靠性、实用性不断提高，功能日益增强。

如控制器的处理能力、网络通讯能力、控制算法、画面显示及综合管理能力等。

经历了二十几年的发展，DCS有了很大的变化。

这种变化来自两方面的动力：

用户需求的不断提高和电子与信息技术的快速发展。

用户的需求已经不再满足于应用DCS代替常规的仪表控制和简单的数据检测，同时随着电子与信息技术的进步使得DCS应用的构成元件（电子元器件、处理器、软件、网络等）性能大大提高且价格大幅度下降，特别是各种板级OEM部件和HMI软件的发展进一步简化了DCS的开发难度并降低了开发成本。

目前，一套使用户满意的DCS系统应该具备以下特点：

1.系统具备开放的体系结构，可以提供多层的开放数据接口；2.系统应具备强大的处理功能，并提供方便的组态复杂控制系统的能力与用户自主开发专用高级控制算法的支持能力；3.系统应支持多种现场总线标准以便适应未来的扩充需要；4.系统应高可靠、维修方便、工艺先进、价格合理。

DCS系统过去只应用在少数大型企业的控制系统中，但随着4C技术及软件技术的迅猛发展，到目前已经在电力、石油、化工、制药、冶金、建材等众多行业得到了广泛的应用，特别是电力、石化这样的行业。

正文第二章第二章DCS总体介绍总体介绍MACS是集成在HOLLiAS中的分布式控制系统。

MACS采用Client/Server（客户端/服务器）结构的软件架构，Client/Server体系中的服务器向客户机提供各种网络服务（如历史数据服务、打印服务等），而客户机通过访问服务器获取信息。

在这种体系结构下，服务器并不知道有什么样的客户，而且不需要实现规定为哪个客户提供什么样的数据，而是通过客户机的请求来建立连接提供服务，具有很好的灵活性和功能的可扩充性。

MACS支持OPC协议和ModBus协议，来与第三方系统连接。

上位机（这里指担任一定服务功能的计算机）通过和利时自主开发的工业以太网协议HSIE与下位机（这里指主控单元）传递数据。

下位机通讯采用Profibus-DP总线，同时支持HART总线。

MACSV5.2.4具有强大而多样的功能，包括：

数据采集、控制调节、报警、趋势、总貌图、模拟流程图、数据一览、日志管理、表格管理、事件顺序记录（SOE）、报表和数据统计、显示管理、人机对话、打印管理、系统故障诊断及故障监视、系统组态、操作员在线参数设定、存档数据的离线查询、控制分组、控制回路等。

MACSV5.2.4系统中的各个硬件设备负责数据采集和传输、控制命令收发等，主要包括以下节点：

2.1操作员站操作员站在系统运行时，供操作员使用的人机接口设备。

操作员通过它提供的人机界面对系统运行状况进行监视、控制。

这种类型的计算机也可被组态为通信站，一些通信软件（例如OPC、ModBus等）在其上运行，实现与其它系统或设备的数据交换。

2.2工程师站工程师站用来进行系统组态的计算机，系统管理员可通过它将编译好的工程下装到各个操作员站、服务器和现场控制站。

2.3现场控制站现场控制站现场控制站由主控单元、智能IO单元、电源单元、现场总线和专用机柜等部分组成，采用分布式结构设计，扩展性强。

其中主控单元是一台特殊设计的专用控制器，运行工程师站所下装的控制程序，进行工程单位变换、控制运算，并通过监控网络与工程师站和操作员站进行通讯，完成数据交换；智能IO单元完成现场内的数据采集和控制输出；电源单元为主控单元、智能IO单元提供稳定的工作的电源；现场总线为主控单元与智能IO单元之间进行数据交换提供通讯链路。

主控单元采用冗余配置，通过现场总线（Profibus-DP）与各个智能I/O单元进行连接。

在主控单元和智能IO单元上，分别固化了相应的板级程序。

主控单元的板级程序固化在半导体存储器中，而将实时数据存储在带掉电保护的SRAM中，完全可以满足控制系统可靠性、安全性、实时性要求。

而智能IO单元的板级程序同样固化在半导体存储器中。

2.4系统服务器系统服务器用于提供历史数据库、实时数据库、报表打印、报警和I/O服务的计算机。

一般冗余配置，用KVM（多电脑切换器）在两台机器间进行切换。

2.5主控单元主控单元是控制模块，也称下位机。

它按照预先下装到其内存中的算法处理采集到的现场数据，并将结果传递给服务器或将相应命令传递给执行器，以控制实际过程。

2.6I/O模块模块是一种硬件模块，用来在控制器和现场仪表/执行器间转换和传递数据/命令。

HOLLiASMACS是一个具有可扩展性的开发平台，支持脚本编辑和远程调试，还支持二次应用开发。

本手册重点介绍的是工程师站的离线组态软件，主要包含以下几个部分的组件：

2.6.1数据库总控数据库总控整个工程的主控界面，用来部署和管理整个工程，如创建工程、为工程进行组和域的分配、提供进入数据库组态窗口的接口、进行工程的编译操作等。

只有创建工程后，才能进入数据库组态窗口进行工程的数据库编辑操作。

而且在工程的组态完成后，需要到数据库总控窗口中进行工程编译，生成下装文件。

2.6.2设备组态设备组态该组件用于组态工程的硬件设备，包括监控网络和系统网络中的网络设备，以及控制网中的现场控制站和I/O单元。

图形编辑器：

用户可通过该工具生成在线操作的流程图和界面模板。

该软件针对不同行业提供了丰富的图形库，以方便用户绘制美观实用的界面。

它还支持用户自定义图形库。

2.6.3算法组态软件算法组态软件算法组态软件用于组态控制器的算法以实现控制策略。

它集成了控制器算法的编辑、管理、仿真、在线调试以及硬件配置功能，支持IEC61131-3中规定的全部6种编程语言。

2.6.4报表组态报表组态该组件用于根据现场的过程数据进行报表编辑，即报表定义和动态点信息的添加。

2.6.5工程师站下装工程师站下装该组件用于将工程信息下装到服务器和操作员站。

2.6.6历史数据查询历史数据查询系统历史数据按照日期进行存储，该软件提供了对于这些数据的查询功能，以便分析现场的运行状况，协调问题的解决。

第三章第三章硬件组态硬件组态3.1MACSV系统介绍系统介绍3.1.1MACSV系统特点系统特点1.技术的先进性技术的先进性

（1）在统一的系统平台上提供管控一体化解决方案企业信息化是将信息技术、自动化技术、现代管理技术与制造技术相结合，带动产品设计方法和工具的创新，企业管理模式的创新，企业间协作关系的创新，实现产品设计制造和企业管理的信息化，生产过程控制的智能化，制造装备的数控化，咨询服务的网络化，全面提升企业的市场竞争力。

MACS是一个可与企业管理信息系统实现无缝连接的过程控制系统,为用户提供整套的RealMIS系统，安装在企业管理网上，通过OPC从MACS上接收实时数据，提供生产数据的实时显示、报表打印、趋势统计功能。

可直接连入HollySysERP系统,通过服务器和客户机，采用MES系统与美国Wonderware公司的合作。

软件的配置实行模块化方式，可根据实际需要配置各种软件，方便用户使用。

（2）标准的Client/Server结构为了保持操作数据（特别是历史数据）的一致性和保持系统数据的安全性与大容量的要求，MACS系统的操作层采用Client/Server结构。

双冗余的系统服务器将用来存储系统所有的实时数据、历史数据、操作记录、事件记录、日志记录等。

而各种功能的单元如操作站、工程师站、先进控制计算站、分析站、现场控制站等构成不同功能的客户机，真正实现了功能分散，危险分散，集中管理。

这种结构，节省了网络资源，使数据传输更为便捷，每一个客户端都可以通过服务器获得实时数据。

2.系统的开放性系统的开放性

（1）开放的网络系统在企业级管理层采用了冗余的100Mbps以太网（TCP/IP协议），可与上级系统通过专网或无线相连;在系统管理层采用了冗余的100Mbps以太网（TCP/IP协议），向下通过服务器与控制级网（10/10MBPS的以太网，TCP/IP协议）相连，并具备OPC标准接口，通过网关与管理信息系统MIS相连，向上可与企业网（100MBPS以太网）相连;在控制层，采用冗余的10/100Mbps以太网向下通过交换器/集线器与现场控制站主控单元相连，可与其它DCS系统/计算机系统通讯;在现场总线层，采用12MBPS的PROFIBUS-DP现场总线与I/O模件、FOPLC、893相连。

此外，系统还提供标准的RS-485、RS-232、ModBUS通信协议以便同其它智能单元如PLC、智能仪表等连接;MACSSmartPro还支持FF、CAN、HART等国际标准。

（2）开放的操作系统系统的控制层采用WINDOWSNT/2000操作系统，并提供ODBC和OPC接口，保证系统软件的开放性和高性能的人机界面要求;系统的控制站采用成熟的实时多任务操作系统以确保控制系统的实时性、安全性和可靠性。

RASC主控单元的软件固化在半导体盘中，而实时数据存储在带掉电保护的SRAM中，满足控制系统可靠、安全、实时性要求;（3）Internet接入Internet技术的迅猛发展为全球范围的信息交流提供了基础和企业数据交换的标准平台。

HOLLiAS-MACS具有WebServer功能，控制系统可提供Internet访问和远程浏览工厂生产过程的功能，如：

远程生产报警；远程故障诊断。

WebServer功能另客户可以随时随地占有信息，掌握生产情况。

（4）开放的硬件结构体系通过GSD文件，我们可以方便的将不同厂商的卡件挂接于MACS主控制器所在的现场总线网络中，实现不同厂商卡件共同使用。

该文件中定义了某一卡件的通讯参数和特征，功组态使用和识别该设备，该GSD文件有设备制造厂商提供。

GSD文件使各厂家的卡件实现即插即用，3.应用的方便性应用的方便性

（1）标准的组态软件功能SmartPro系统以其开放的系统体系和处理强大的硬件处理能力、以及丰富的软件功能，几乎可以满足所有用户的要求。

系统采用IEC61131-3国际标准的控制组态工具，可为用户提供SFC（顺序流程图）、FBD（功能块图）、LD（梯形图）、ST（结构文本）IL（指令语言）和CFC（控制功能模块）等方式进行控制组态。

系统还提供方便的用户自定义函数功能块UDFB功能，用户可以根据自己需要采用以上六种面向问题式语言编制自己特殊需要的复杂控制模块并嵌入系统，同时支持用户进行二次开发功能。

功能强大的控制组态可实现各种批处理流程、PID回路、复杂回路、逻辑回路、混合回路以及先进控制算法和特殊的配方控制等；丰富的全汉字图形组态，可以实现复杂漂亮的图形界面，支持用户自定义图库和复杂动画技术、各种数据、曲线、棒图、各种仪表盘等的实时显示；报表组态与Excel相互转换，可以支持各种报表和图形打印功能；丰富的历史记录分析和处理、日志记录处理、报警记录的统计报告、事故追忆的统计分析报告等；强大的系统逐级自诊断功能与故障报警功能；

（2）控制软件提供方便的系统仿真、无扰下装和数据回读功能在许多控制现场生产工艺过程都是相当危险和需要高可靠控制的，所以这就要求DCS厂家提供的控制系统软件在现场调试的过程中具有强大的功能和可靠，如果在真正带现场设备调试之前就可以进行模拟仿真调试，就可以在实验阶段检查和修改组态中的错误，将动态调试的危险降到最低。

HOLLiASMACS系统提供离线仿真功能，它可以模拟现场情况，程序可脱离控制器单独运行，调试中可设置断点、监视变量、单步执行、单循环执行、跳入执行、调出执行、查看调用栈、显示流控制、强制输出等。

HOLLiASMACS系统提供无扰增量下装功能，数据库以“点”为单位进行下装，控制方案以“页”为单位进行下装，全数据库全部下载到控制器。

（3）系统安装的方便性MACS系统采用国际最新的计算机芯片技术，采用德国西门子的SMT表面贴装工艺和多层板结构，实现I/O模块的微型化,所有模块采用阻燃塑料外壳，工艺美观。

同时：

模块信号处理和I/O接线由两个分离部件组成，更换模块无需动信号线部件；现场模块供电和网络线在底板上，模块对接即可连接；模块底座部件应用标准导轨卡装，安装极为方便。

4.系统的可靠性系统的可靠性

（1）系统硬件可靠性除在电路设计、器件的选择、单元级冗余设计、网络冗余等方面继承了HS2000系统的所有可靠性措施外，MACS系统还具备：

主控单元具有低功耗、无需风扇、小型机架安装、采用微内核高可靠实时操作系统、支持IEC611313五种标准组态语言、支持Profibus-DP现场总线、可热插拔、支持双路100Mbps以太网等特点在I/O处理单元上采用小模块结构（模拟量8点，开关量16点），在A/D处理上采用每路一个A/D转换器，使危险进一步分散；增加了一种控制回路模块，包含4路AI，2路AO，6路DI，2路DO，可实现两路PID控制，串级控制，补偿控制、快速动作回路等；每路信号在接口处都增加了多重过压和过流保护措施，使得各板在大信号干扰下不损坏；每个模块都可以带电拔插，更换方便；模块和底座之间采用欧式针型连接器，保证连接可靠；小模块结构和工业化设计，适应0C45C的工业环境;专为DCS设计的高可靠电源；

（2）系统软件可靠性MACS系统采取了大量的措施确保软件可靠性，包括：

操作站等采用Windows2000Professional操作系统，控制站则采用QNX以确保控制站的可靠性和实时性；系统提供丰富的自诊断显示信息；网络通信协议和接口驱动程序采用国际标准协议，如TCP/IP，Profibus等；支持Internet。

系统的冗余设计保证了系统的高可靠型冗余操作员站；冗余100M以太网；冗余主控制器；冗余I/O模件；冗余电源；（3）系统的故障监视和转移能力系统能查看到DCS设备故障和冗余模件的主从切换及网络的故障状态。

其中任何一个故障事件的发生和恢复，都会有报警日志记录。

系统在各个层次上实现了冗余，包括中央服务器、管理网络、系统网络、现场控制站主控单元、I/O单元等，与此相适应，在主控单元、各I/O模块上都配置了相应的设备诊断功能，以保障故障诊断、无扰切换、故障恢复等动作的正常进行。

一旦主机出现故障系统能自动切换至从机5.系统强大的处理能力系统强大的处理能力

（1）高速的网络体系网络速率为10M/100Mbps现场信号处理：

Profibus-DP速率可达12Mbps实时响应能力系统响应时间从输入变化到显示该变化时间采集周期+1S；从操作键入到相应输出变化时间手动自动/串级。

工作方式切换：

该画面支持的操作功能有：

工作方式的切换、改变设定值、改变输出值及切换画面等。

所有操作都是通过按键来实现的。

由于操作受到各种条件的限制，当按键呈灰色时，表示此键不可操作。

在工作切换示意图中，各圆内的文字为工作方式，横线上方的文字说明了切换条件和切换时所要做的操作，箭头所指的方式表示切换后的运行方式。

如果在参数整定对话框中设定了手动允许或自动允许，则单击“手动”或“自动”键，或按动专用键盘上的“手动”或“自动”键，可以把PID调节器的工作方式切换到手动或自动状态。

若组态时定义了串级允许（是否有输入信号来决定），则可单击“串级”键或按动专用键盘上的“串级”键，可将调节器的运行方式切换为串级方式。

跟踪：

跟踪工作方式时，PID单元停止演算，其值随被跟踪量而变化。

按进入该状态的方式，跟踪分为两种方式，一种为手动跟踪（RM=3），通过直接改变RM值为3来实现，此时，RM值可被改为其它有效值；一种为自动跟踪（RM=4），这只有在跟踪开关（TS）为1时自动进入，当跟踪开关变为“0”时，退回到上一次的工作状态。

自动跟踪时，对RM的其他赋值均无效。

跟踪开关和跟踪量点的不同组态结果决定了跟踪的方式；如果跟踪量点为空，则PID没有跟踪运行方式。

跟踪开关、跟踪量点与跟踪方式的关系如下表所示：

手动：

当跟踪条件不满足时（TS=0），可通过改变工作方式RM=0使PID功能块进入手动方式，当输出方式为增量式（OM=1）时，根据手动输出方式（MM）的值，决定本周期PID功能块的输出值（MI、-MI、MS或-MS）。

当输出方式为位置式（OM=0）时，根据手动输出方式（MM）的值，在上次PID模块输出值的基础上，加上本次输出增量（MI、-MI、MS或-MS）做为本周期PID功能块的输出值。

自动：

当跟踪条件不满足时（TS=0），可通过改变工作方式RM=1使PID功能块进入自动方式。

在自动方式下