1、中國石油大學DCS自動控制系統組態實驗報告學生姓名： 學 號： 系 別： 專業年級： 2015年07月14 日一、 設計任務與要求設計任務：利用實驗室的多容水箱及其輔助檢測設備，并采用浙大中控作為控制器的硬件，設計一個液位控制系統，使液位能夠保持在設定的范圍內。設計要求：1、熟悉工藝流程。2、熟悉使用浙大中控DCS設計控制系統的過程。3、熟悉DCS設計、運行的基本原理。4、熟悉控制系統的參數調整過程。5、利用實驗室現有裝置設計一個水箱液位自動控制系統。1.1 DCS概述：DCS，全稱：DistributedControlSystem，定義：DCS是分散控制系統（DistributedContr

2、olSystem）的簡稱，國內一般習慣稱為集散控制系統。它是一個由過程控制級和過程監控級組成的以通信網絡為紐帶的多級計算機系統，綜合了計算機（Computer）、通訊（Communication）、顯示（CRT）和控制（Control）等4C技術，其基本思想是分散控制、集中操作、分級管理、配置靈活、組態方便。二、 串級水箱控制系統原理被控系統原理圖：PCT-III型過程控制系統實驗裝置原理圖上圖為三容水箱液位控制系統，該裝置由三容水箱主體、電動調節閥、變頻泵、工頻泵、儲水水箱組成。該裝置包含的上水箱、中水箱、下水箱的液位構成被控對象，對每個水箱可以通過電動調節閥和改變變頻泵的轉速來控制其流量特

3、性，其進入每個水箱前的閥阻和每個水箱下邊的擋板閥也可以通過人工調節改變水箱液位，故可以構成不同階次的被控對象。通過組態可以得知上水箱、中水箱、下水箱的液位和左右兩邊的流量，通過綜合調節來時這個液位系統達到理想的預定值。三、 液位串級控制系統組成結構3.1硬件部分被控對象水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和儲水箱。上、中、下水箱采用淡藍色優質有機玻璃，便于學生直接觀察液位的變化和記錄結果。水箱底部均接有擴散硅壓力傳感器與變送器可對水箱的壓力和液位進行檢測和變送。上、中、下水箱可以組合成一階、二階、三階單回路液位控制系統和雙閉環、三閉環液位串級控制系統。儲水箱由不銹鋼板制成，滿足上、中、下水箱的供水

4、需要。 檢測裝置 壓力傳感器、變送器：三個壓力傳感器分別用來對上、中、下三個水箱的液位進行檢測，其量程為05KP，精度為0.5級。輸出：420mADC。 流量傳感器、變送器：三個渦輪流量計分別用來對由電動調節閥控制的動力支路、由變頻器控制的動力支路及盤管出口處的流量進行檢測。輸出：420mADC。 執行結構 電動調節閥：采用智能直行程電動調節閥，用來對控制回路的流量進行調節。電源為單相220V，控制信號為420mADC或15VDC，輸出為420mADC的閥位信號；水泵：本裝置采用兩只磁力驅動泵,一只為三相380V恒壓驅動，另一只為三相變頻220V輸出驅動：電磁閥：在本裝置中作為電動調節閥的旁路

5、，起到階躍干擾的作用。 3.2軟件部分 JX-300XP控制系統由工程師站、操作員站、控制站、過程控制網絡等組成。其中控制站和操作站在整個系統中作用有，控制站組態主要對I/O、自定義變量、常規控制方案、自定義控制方案和折線表定義等在控制站組態中，對液位設定值（SV）、控制系統中右上水箱液位測量值、右下水箱液位測量值及調節閥開度等模擬量進行I/O組態，對系統控制程序中占用到的部分中間變量進行自定義變量組態，在自定義控制方案中確定控制站中使用SCX語言或圖形化環境進行控制站編程。3.2.1操作站硬件1、操作站組成：操作站的硬件基本組成包括：工控PC機（IPC）、彩色顯示器、鼠標、鍵盤、SCnet網

6、卡、操作臺、專用操作員鍵盤、打印機等，工程師站硬件配置與操作站硬件配置基本一致，無特殊要求，它們的區別僅在于系統軟件的配置不同，工程師站除了安裝有操作、見識等基本功能的軟件外，還裝有相應的系統組態、系統維護等應用工具軟件。2.機柜 控制站硬件1. XP243主控卡主控卡（又稱主控制卡）是控制站軟硬件的核心，協調控制站內軟硬件關系和各項控制任務。他是一個智能化的獨立運行的計算機系統，可以自動完成數據采集、信息處理、控制運算等各項功能。通過過程控制的網絡與過程控制級（操作站、工程師站）相連，接受上層的管理信息，并向上傳遞工藝裝置的特性數據和采集到的實時數據；向下通過SBUS和數據轉發卡的程控交換與

7、智能I/O卡件實時通信，實現與I/O卡件的信息交換（現場信號的輸入采樣和輸出控制）。XP243采用雙微處理器結構，協同處理控制站的任務，功能更強，速度更快。如圖3.1為本次實驗用的主控卡。注釋IP周期類型型號通訊冗余網線冷端運行保持閥位設定值跟蹤A3000控制站0.5采集站XP243UDP冗余就地實時否是表3.12. XP233數據轉發卡XP233是I/O機籠的核心單元，是主控卡聯接I/O卡件的中間環節，它一方面驅動SBUS總線，另一方面管理本機籠的I/O卡件。通過數據轉發卡，一塊中控卡（XP243）可擴展1到8個I/O機籠，即可以擴展1到128塊不同功能的I/O卡件。表3.2 為數據轉發卡參

8、數表轉發卡型號地址說明XP23300模擬量輸入數據轉發卡XP23302模擬量輸出數據轉發卡表3.2 3. XP313電流信號輸入卡 XP313電流信號輸入卡可測量6路電流信號（型或型），并可為6路變送器提供+24V隔離配電電源，它是一塊帶CPU的智能型卡件，對模擬量電流輸入信號進行調理、測量的同時，還具備卡件自檢及主控制卡通訊的功能。 XP313卡的6路信號調理分為二組，其中1,2,3通道為第一組，4,5,6通道為第二組，同一組內的信號調理采用同一個隔離電源供電，兩組間的電源及信號互相隔離，并且都與控制站的電源隔離。表3.3電流信號輸入卡說明卡件名稱卡件地址備注XP313（I）（6路電流信號輸

9、入卡）001#裝置信號輸入表3.34.XP322電流信號輸出卡XP322模擬信號輸出卡為4路點點隔離型電流（型或型）信號輸出卡。作為帶CPU的高精度智能化卡件，具有實時檢測輸出信號的功能，它允許主控卡檢測輸出電流。表3.4電流信號輸出卡說明卡件名稱地址備注XP322（4路模擬信號輸出卡）051#裝置控制信號表3.45.XP211機籠母板XP211是JX-300XP系統的機籠母板，提供20個卡件插槽：2個主控卡插槽、2個轉發卡插槽和16個I/O卡插槽，以及8個系統擴展端子、4個DB9針型插座盒1個電源接線端子，DB9針型插座用于SBUS互連，即機籠之間的互連；電源端子給機籠中所有的卡件提供5V和

10、24V直流電源；I/O端子接口配合可插拔端子吧I/O信號引至相應的卡件上。6.I/O卡件I/O卡件是和現場直接相連的設備，現場信號通過電纜到達I/O卡件，I/O卡件處理后將數據送給數據轉發卡，數據轉發卡再送到主控制站進行運算。而主控制卡就算出來的控制結果則通過數據轉發卡到達I/O卡件，通過I/O卡件送到現場執行機構，每個I/O卡件必須隸屬于某個數據轉發卡，而每個數據轉發卡可以轉發多個I/O卡件的數據。I/O點組態：I/O點組態是對現場信號的具體通道進行登記，如現場信號是通過哪個I/O卡件的哪個端子輸入的。控制信號是通過哪個I/O卡件的哪個端子輸出的。I/O點的命名規則如表3.5和表3.6。以1

11、裝置為例：位號注釋 I/O卡件地址 I/O點地址 參數 LI1001 #1 上水箱液位0000 0100% LI1002 #1 下水箱液位01 0100% FI1001 #1 變頻電泵支路流量 03 0100% FI1002 #1 工頻電泵支路流量 04 0100% 表3.5下面給出了1裝置輸出模擬量的地址信息No. 位號 I/O卡件地址 I/O點地址 FV1002 #1 電動調節閥 0500 正輸出 型 FV1001 #1 變頻器 02 正輸出 型 表3.6四、控制系統設計方案水箱液位串級控制系統框圖的設計水箱液位控制系統由于控制過程特性呈現大滯后、外界環境的擾動較大，要保持上水箱下水箱液位

12、最后都保持設定值，用簡單的單閉環反饋控制不能實現很好的控制效果，所以采用串級閉環反饋系統。 控制框圖如圖4.1所示。這里的擾動主要是水箱的出水閥的擾動，有時是認為的因素，有時是機械的因素，擾動總是不可避免的。主回路和副回路結合有效地抑制環境的擾動。圖4.14.1.2串級水箱控制系統流程圖流程圖是一個控制系統的重要部分，操作員監控現場情況大多是通過流程圖界面完成的，流程圖要能夠準確反映現場的工藝流程，同時要做到畫面美觀、形象、操作方便。所用符號符合工業規范。要有動態顯示的數據和圖形。如圖所示是水箱液位串級控制系統，它是由主控、副控兩回路組成，主控回路的調節器稱主調節器，控制對象為下水箱，下水箱的

13、液位為系統的主控制量，副控制回路中的調節器稱副調節器，控制對象為上水箱，中水箱的液位為副控制量，主調節器的輸出作為副調節器的給定，副調節器的輸出直接驅動電動調節閥，從而達到控制水箱液位的目的；在串聯雙容水箱水位的控制中，進水首先進人第一個水箱，然后通過第二個水箱流出，與一個水箱相比，由于增加了一個水箱，使得被控量的響應在時間上更落后一步，即存在容積延遲，從而導致該過程的難以控制。串級控制是改善調節過程動態性能的有效方法，由于其超前的控制作用，可以大大克服系統的容積延遲。采用一步整定法，通過浙大中控組態軟件對整定過程及液位的平衡過程進行實時監控，直至達到主、副回路的最佳整定參數。4.1.2硬件部

14、分硬件部分主要有變頻器、電動調節閥、流量計、中水箱、下水箱、各種傳感器、以及數據采集、轉換裝置；系統硬件的設計包括檢測單元、執行單元和控制單元的設計，他們互相聯系，組成一個完整的系統。4.2控制系統的控制要求水箱液位和流量串級控制系統主要由水箱、管道、水泵、異步電動機、電機控制電器、水壓傳感器、變頻器、電動調節閥、系統中由電位器設置液位給定值，水壓力傳感器檢測液位，采用PID算法得出流量給定值。渦輪流量計測流量，電動調節閥控制流量，采用PID算法得出電動調節閥度控制值，實現流量的控制。流量控制是內環，液位控制是外環。根據工藝要求，為了保證控制精度，系統以低位水箱液位為主調節參數，高位水箱液位為

15、副調節參數，構成串聯雙容水箱串級控制系統。低位水箱的液位傳感器檢測的液位信號與給定液位值進行比較后送人主調節器，經PID運算后，其輸出作為副調節器的給定值，與高位水箱的液位傳感器檢測到的液位信號進行比較后送人副調節器，經PID運算后，其輸出控制電動調節閥的開度，控制進水流量的大小，從而控制水箱的液位口。4.3控制系統的PID參數整定主回路是一個定值控制系統。對于主參數的選擇，基本上可以按照單回路控制系統的設計原則進行。凡直接或間接與生產過程運行性能密切相關并可直接測量的工藝參數均可選擇作主參數。另外，對于選用的主參數必須具有足夠的靈敏度，并符合工藝過程的合理性；串級控制系統副回路具有調節速度快

16、、抑制擾動能力強的特點，因而在選擇副參數進行副回路設計時，必須注意主、副過程時間常數的匹配問題，以盡量減少對主參數的影響，提高主參數的控制質量。如果副過程的時間常數比主過程小得多，這時副回路反應靈敏，控制作用快，但此時副回路包含的擾動少，對于過程特性的改善也就少了；相反，如果副過程的時間常數大于或接近于主過程的時間常數，這時副回路對于改善過程特性的效果較明顯。但是，副回路反應較遲鈍，不能及時有效地克服擾動，并將明顯地影響參數。如果主、副過程的時間常數較接近，這時主副回路間的動態聯系十分密切，當一個參數發生振蕩時，會使另一個參數也發生振蕩，這就是所謂的“共振”，它不利于生產的正常進行。串級控制系

17、統主、副過程時間常數的匹配是一個比較復雜的問題。原則上，主副過程時間常數之比應是3到10范圍內。本次液位控制系統中設置串級控制系統主要是利用副回路能迅速克服主要擾動，所以副回路的時間常數以小一點為好，只要將主要擾動包括在副回路中即可。針對本次的液位串級控制系統可用以下步驟對PID參數整定：1）根據副變量的類型，按經驗數據選擇好副控制器的比例度（可參照圖3.4）；2）將副控制器參數置于經驗值，然后按單回路控制系統中任一整定方法整定主控制器參數；3）觀察控制過程，根據主、副控制器放大系數匹配的原理，適當調整主、副控制器的參數，使主變量控制質量最好；4）若出現振蕩，可加大主（或副）控制器的比例度，即

18、可消除。如出現劇烈振蕩，可先轉入遙控，待產生穩定之后，重新投運和整定。 五、實驗結果分析利用實時監控系統對流程圖進行仿真：總貌畫面組態總貌畫面可以作為分組畫面、趨勢曲線、流程圖畫面、數據一覽畫面等的索引，主要是為了操作方便。如圖5.1為系統總貌：圖5.1分組畫面組態：分組畫面組態是對實時監控狀態下分組畫面里的儀表盤的位號進行設置。運行時，一個分組的信息顯示在一頁中，并以儀表盤的方式顯示。調整畫面圖：趨勢畫面仿真圖：趨勢畫面組態用于完成實時監控趨勢畫面的設置，即哪些位號需要以曲線的方式實時顯示。和單回路控制系統相比較，串級控制系統有以下特點：1）改善了對象的特性在串級控制系統中，如把副回路視為一

19、等效副對象，那么，它的時間常數和放大系數都比原副對象的小。對象時間常數減小，系統的響應速度將加快，這對及時克服干擾，提高控制質量是有利的；2）提高了系統的工作頻率在串級控制系統中，由于等效副對象時間常數比原副對象的小。因此，在采用串級控制時系統的工作頻率就比采用單回路控制時為高（在相同衰減比下）。這對及時克服干擾、消除偏差、提高控制質量是有利的；3）提高了系統的抗干擾能力和單回路控制系統相比，串級控制系統中有兩臺控制器，這就提高了控制器的總放大系數，系統中控制器的放大系數越大，克服干擾就越有力，特別當干擾落在副回路內時，由于響應快、控制及時，大大提高了系統的抗干擾能力；4）具有一定的自適應能力在串級控制系統中，主回路是一個定值系