DCS液位集散控制系统锅炉液位控制系统课程设计报告.docx
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DCS液位集散控制系统锅炉液位控制系统课程设计报告
摘要
集散控制系统(Distributedcontrolsystem)是以微处理器为基础的对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的集中分散控制系统,简称DCS系统。
该系统将若干台微机分散应用于过程控制,全部信息通过通信网络由上位管理计算机监控,实现最优化控制,整个装置继承了常规仪表分散控制和计算机集中控制的优点,克服了常规仪表功能单一,人-机联系差以及单台微型计算机控制系统危险性高度集中的缺点,既实现了在管理、操作和显示三方面集中,又实现了在功能、负荷和危险性三方面的分散。
DCS系统在现代化生产过程控制中起着重要的作用。
关键字:
集散控制系统;微处理器;最优化控制
目录
1.概述1
2.通用版及嵌入版MCGS组态软件3
2.1锅炉液位控制工程文件建立3
2.2锅炉液位控制画面设计8
3.被控对象设计12
3.1实验装置简介12
3.2被控对象特性说明(过程工艺分析)13
3.3被控对象的结构设计13
3.4被控对象工艺流程图14
4.控制系统设计14
4.1控制系统原理分析及控制方案设计14
4.2一次仪表选型设计15
4.3DCS选型设计18
5.DCS组态设计18
5.1DCS硬件组态设计18
5.2DCS软件组态设计19
5.3DCS系统闭环运行调试结果分析与说明22
5.设计总结与体会24
6.参考文献25
1.概述
集散控制系统(Distributedcontrolsystem)是以微处理器为基础的对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的集中分散控制系统,简称DCS系统。
该系统将若干台微机分散应用于过程控制,全部信息通过通信网络由上位管理计算机监控,实现最优化控制,整个装置继承了常规仪表分散控制和计算机集中控制的优点,克服了常规仪表功能单一,人-机联系差以及单台微型计算机控制系统危险性高度集中的缺点,既实现了在管理、操作和显示三方面集中,又实现了在功能、负荷和危险性三方面的分散。
DCS系统在现代化生产过程控制中起着重要的作用。
集散控制系统一般有以下四部分组成:
现场控制级
又称数据采集装置,主要是将过程非控变量进行数据采集和预处理,而且对实时数据进一步加工处理,供CRT操作站显示和打印,从而实现开环监视,并将采集到的数据传输到监控计算机。
输出装置在有上位机的情况下,能以开关量或者模拟量信号的方式,向终端元件输出计算机控制命令。
这一个级别直接面对现场,跟现场过程相连。
比如阀门、电机、各类传感器、变送器、执行机构等等。
它们都是工业现场的基础设备、同样也是DCS的基础。
在DCS系统中,这一级别的功能就是服从上位机发来的命令,同时向上位机反馈执行的情况。
拿军队来举例的话,可以形容为最底层的士兵。
它们只要能准确地服从命令,并且准确地向上级汇报情况即完成使命。
至于它与上位机交流,就是通过模拟信号或者现场总线的数字信号。
由于模拟信号在传递的过程或多或少存在一些失真或者受到干扰,所以目前流行的是通过现场总线来进行DCS信号的传递。
过程控制级
又称现场控制单元或基本控制器,是DCS系统中的核心部分。
生产工艺的调节都是靠它来实现。
比如阀门的开闭调节、顺序控制、连续控制等等。
上面说到现场控制级是“士兵”,那么给它发号施令的就是过程控制级了。
它接受现场控制级传来的信号,按照工艺要求进行控制规律运算,然后将结果作为控制信号发给现场控制级的设备。
所以,过程控制级要具备聪明的大脑,能将“士兵”反馈的军情进行分析,然后做出命令,以使“士兵”能打赢“战争”。
这个级别不是最高的,相当于军队里的“中尉”。
它也一样必须将现场的情况反馈给更高级别的“上校”也就是下面讲的过程管理级。
过程管理级
DCS的人机接口装置,普遍配有高分辨率、大屏幕的色彩CRT、操作者键盘、打印机、大容量存储器等。
操作员通过操作站选择各种操作和监视生产情况、
这个级别是操作人员跟DCS交换信息的平台。
是DCS的核心显示、操作跟管理装置。
操作人员通过操作站来监视和控制生产过程,可以通过屏幕了解到生产运行情况,了解每个过程变量的数字跟状态。
这一级别在军队中算是很高的“上校”了。
它所掌握的“大权”可以根据需要随时进行手动自动切换、修改设定值,调整控制信号、操纵现场设备,以实现对生产过程的控制。
经营管理级
又称上位机,功能强、速度快、容量大。
通过专门的通信接口与高速数据通路相连,综合监视系统各单元,管理全系统的所有信息。
这是全厂自动化系统的最高一层。
只有大规模的集散控制系统才具备这一级。
相当于军队中的“元帅”,他们所面向的使用者是厂长、经理、总工程师等行政管理或运行管理人员。
它的权限很大,可以监视各部门的运行情况,利用历史数据和实时数据预测可能发生的各种情况,从企业全局利益出发,帮助企业管理人员进行决策,帮助企业实现其计划目标。
上世纪三四十年代,工业自动化装置采用的是分散性控制系统。
也就是所有设备都是独立运行,不联网控制。
操作员根据生产需求进行计算后,将独立设备的特性调节到适合的程度,然后就开始工作。
之后采用了气动、电动模拟仪表组成过程控制系统,实现了一定程度上的集中监视、操作和分散控制。
较好的适应了工业生产的需求。
可是,随着生产规模和复杂程度的不断提高,原有的控制系统显得滞后、笨重、繁冗,因为一台仪表只有一种控制规律,要实现某些复杂的控制就很困难。
另外,控制仪表数量越来越多,用原来落后的仪表盘控制的话,控制盘越来越长,看得人眼睛都会花掉。
最致命的就是老系统之间不便于实现通信,很难分级控制和综合管理。
再一个就是它的系统变更比较麻烦,只有通过更换仪表和变更仪表连线才能实现。
第三次科技革命开始后,随着计算机技术的发展,人们开始尝试将计算机用于过程控制。
试图利用计算机所具有的功能特点,来克服常规模拟仪表的局限性。
但当时采用的办法是用一台计算机控制几十甚至上百个回路,这样做的危险性很高,如果计算机出现故障,会导致很严重的后果,这就是所谓的“危险集中”。
若采用双机双工系统,虽可以提高系统的可靠性,但成本太高,如果工厂的生产规模不大,则经济性很差,用户难以接受。
直到上世纪70年代开始,随着计算机技术的日渐成熟,大规模集成电路及微处理器的诞生后,人们开始思考是否能将“危险分散”。
就是原来靠一台大计算机完成的“艰巨”任务,能否用几十台微处理来完成?
这样的话,即使某一处理器坏了,也不至于会“牵一发而动全身”,从而使危险系数大大降低。
答案是肯定的。
至此DCS就诞生了。
进入九十年代以后,计算机技术突飞猛进,更多新的技术被应用到了DCS之中。
PLC是一种针对顺序逻辑控制发展起来的电子设备,它主要用于代替不灵活而且笨重的继电器逻辑。
现场总线技术在进入九十年代中期以后发展十分迅猛,以至于有些人已做出预测:
基于现场总线的FCS将取代DCS成为控制系统的主角。
集散控制系统的特点
DCS控制系统与常规模拟仪表及集中型计算机控制系统相比,具有很显著的特点。
1、系统构成灵活。
从总体上看,DCS就是由各个工作站通过网络通信系统组网而成的。
你可以把他想象成“因特网”。
根据生产需求,你可以随时加入或者撤去工作站。
系统组态很灵活。
2、操作管理便捷。
DCS的人机反馈都是通过CRT跟键盘、鼠标等实现的。
你可以想象成在因特网冲浪一样,你可以监视生产装置乃至整个工厂的运行情况。
3、控制功能丰富。
原先用模拟控制回路实现的复杂运算,通过高精度的微处理器来实现。
4、信息资源共享。
你可以把工作站想象成因特网上的各个网站,只要你在DCS系统中,并且权限够大,你就能了解到你要的任何参数。
5、安装、调试方便。
相比原先的模拟控制系统,那么多的飞线头,一大堆类似头发丝的电线,DCS系统算是很方便了。
6、安全可靠性高。
DCS系统的硬件结构
DCS的硬件系统主要由集中操作管理装置、分散过程控制装置和通信接口设备等组成。
通过通信网络将这些硬件设备连接起来,共同实现数据采集、分散控制和集中监视、操作及管理等功能。
现场控制站
现场控制站中的主要设备是现场控制单元。
现场控制单元式DCS直接与生产过程进行信息交互的IO处理系统,它的主要任务是进行数据采集及处理,对被控对象实施闭环反馈控制、顺序控制和批量控制。
用户可以根据不同的应用需求,选择配置不同的现场控制单元构成现场控制站。
它可以是以面向连续生产的过程控制为主,辅以顺序逻辑控制,构成的一个可以实现多种复杂控制方案的现场控制站;也可以是以顺序控制、连锁控制功能为主的现场控制站;还可以是一个对大批量过程信号进行总体信息采集的现场控制站。
现场控制站是一个可以独立运行的计算机检测控制系统。
由于它是专为过程检测、控制而设计的通用型设备,所以其机柜、电源、输入输出通道和控制计算机等,与一般的计算机系统有所不同。
2.通用版及嵌入版MCGS组态软件
目标:
应用通用版及嵌入版MCGS组态软件基本功能进行简单项目设计、仿真运行。
2.1锅炉液位控制工程文件建立
终极目标:
能建立MCGS新工程。
促成目标:
1)掌握MCGS组态软件的安装与运行方法。
2)能进行工程分析,建立工程文件。
2.1.1工作任务
建立水位控制系统工程文件。
2.1.2能力训练
MCGS(MonitorandControlGeneratedSystem,通用监控系统)是一套用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件,充分利用了Windows图形功能完备、界面一致性好、易学易用的特点,比以往使用专用机开发的工业控制系统更具有通用性,在自动化领域有着更广泛的应用。
MCGS的安装
1)启动Windows。
2)在相应的驱动器中插入光盘。
插入光盘后会自动弹出MCGS安装程序窗口(如没有窗口弹出,则从Windows的“开始”菜单中,选择“运行...”命令,运行光盘中AutoRun.exe文件),MCGS安装程序窗口如图2-2所示:
3)在安装程序窗口中选择“安装MCGS组态软件通用版”,启动安装程序开始安装。
安装程序将提示指定安装目录,用户不指定时,系统缺省安装到D:
\MCGS目录下,如图2-1所示:
图2-1安装程序
安装过程大约要持续数分钟,MCGS系统文件安装完成后,安装程序要建立象标群组和安装数据库引擎,这一过程可能持续几分钟,请耐心等待。
4)安装完成后,安装程序将弹出“设置完成”对话框,上面有两个复选框,“是,我现在要重新启动计算机”和“不,我将梢后重新启动计算机”。
一般在计算机上初次安装时需要选择重新启动计算机,如图2-2,按下“结束”按钮,操作系统重新启动,完成安装。
如果选择“不,我将梢后重新启动计算机”,点击“结束”,系统将弹出警告提示,提醒“请重新启动计算机后再运行MCGS组态软件”。
图2-2安装完成对话窗口
5)安装完成后,Windows操作系统的桌面上添加了如图所示的两个图标,分别用于启动。
MCGS组态环境和运行环境:
图2-3MCGS桌面图标
同时,Windows开始菜单中也添加了相应的MCGS程序组,如图2-4所示。
MCGS程序组包括五项:
MCGS组态环境、MCGS运行环境、MCGS电子文档、MCGS自述文件以及卸载MCGS组态软件。
运行环境和组态环境为软件的主体程序,自述文件描述了软件发行时的最后信息,MCGS电子文档则包含了有关MCGS最新的帮助信息。
图2-4MCGS程序组
MCGS的运行方式
1)MCGS系统分为组态环境和运行环境两个部分。
可执行文件McgsSet.exe对应于MCGS系统的组态环境,可执行文件McgsRun.exe对应于MCGS系统的运行环境。
2)MCGS系统安装完成后,在用户指定的目录(或系统缺省目录D:
\MCGS)下创建有三个子目录:
Program、Samples和Work。
组态环境和运行环境对应的两个执行文件以及MCGS中用到的设备驱动、动画构件及策略构件存放在子目录Program中,样例工程文件存放在Samples目录下,Work子目录则是用户的缺省工作目录。
3)分别运行执行程序McgsSet.exe和McgsRun.exe,就能进入MCGS的组态环境和运行环境。
安装完毕后,运行环境能自动加载并运行样例工程。
用户可根据需要创建和运行自己的新工程。
工程建立
1)用鼠标单击文件菜单中“新建工程”选项,如果MCGS安装在D:
盘根目录下,则会在D:
\MCGS\WORK\下自动生成新建工程,默认的工程名为:
“新建工程X.MCG”(X表示新建工程的顺序号,如:
0、1、2等)。
2)选择文件菜单中的“工程另存为”菜单项,弹出文件保存窗口。
3)在文件名一栏内输入“锅炉液位控制系统+班级+学号”,单击“保存”按钮,工程创建完毕。
注意:
文件名中不能包含空格,否则MCGS拒绝运行。
2.1.3拓展知识
(1)常用组态软件有哪些
国内的有MCGS、组态王、力控、瑞尔等,国外的有西门子Wincc、INTOUCH等。
从结构上说,组态王和MCGS一样,前台动画和后台集成在一起,在运行模式下一起运行。
而力控、瑞尔却由后台驱动、实时数据库和前台三部分组成。
目前国产软件整体性能与国外软件相比虽有些差距,但在一般的工程中,国产软件和国外软件已没有任何差别,在某些项目上,国产软件的性能比国外软件还要好。
(2)MCGS组态软件常用术语
1)工程:
用户应用系统的简称。
引入工程的概念,是使复杂的计算机专业技术更贴近于普通工程用户。
在MCGS组态环境中生成的文件称为工程文件,后缀为.mcg,存放于MCGS目录的WORK子目录中。
如:
“D:
\MCGS\WORK\水位控制系统.mcg”。
2)对象:
操作目标与操作环境的统称。
如窗口、构件、数据、图形等皆称为对象。
3)选中对象:
鼠标点击窗口或对象,使其处于可操作状态,称此操作为选中对象,被选中的对象(包括窗口),也叫当前对象。
4)组态:
在MCGS组态软件开发平台中对五大部分进行对象的定义、制作和编辑,并设定其状态特征(属性)参数,将此项工作称为组态。
5)属性:
对象的名称、类型、状态、性能及用法等特征的统称。
6)菜单:
是执行某种功能的命令集合。
如系统菜单中的“文件”菜单命令,是用来处理与工程文件有关的执行命令。
位于窗口顶端菜单条内的菜单命令称为顶层菜单,一般分为独立的菜单项和下拉菜单两种形式,下拉菜单还可分成多级,每一级称为次级子菜单。
7)构件:
具备某种特定功能的程序模块,可以用VB,VC等程序设计语言编写,通过编译,生成DLL、OCX等文件。
用户对构件设置一定的属性,并与定义的数据变量相连接,即可在运行中实现相应的功能。
8)策略:
是指对系统运行流程进行有效控制的措施和方法。
9)启动策略:
在进入运行环境后首先运行的策略,只运行一次,一般完成系统初始化的处理。
该策略由MCGS自动生成,具体处理的内容由用户充填。
10)循环策略:
按照用户指定的周期时间,循环执行策略块内的内容,通常用来完成流程控制任务。
11)退出策略:
退出运行环境时执行的策略。
该策略由MCGS自动生成,自动调用,一般由该策略模块完成系统结束运行前的善后处理任务。
12)用户策略:
由用户定义,用来完成特定的功能。
用户策略一般由按钮、菜单、其他策略来调用执行。
13)事件策略:
当开关型变量发生跳变时(1到0,或0到1),执行的策略,只运行一次。
14)热键策略:
当用户按下定义的组合热键(如:
Ctrl+D)时执行的策略,只运行一次。
15)可见度:
指对象在窗口内的显现状态,即可见与不可见。
16)变量类型:
MCGS定义的变量有五种类型:
数值型、开关型、字符型、事件型和组对象。
17)事件对象:
用来记录和标识某种事件的产生或状态的改变。
如开关量的状态发生变化。
18)组对象:
用来存储具有相同存盘属性的多个变量的集合,内部成员可包含多个其他类型的变量。
组对象只是对有关联的某一类数据对象的整体表示方法,而实际的操作则均针对每个成员进行。
19)动画刷新周期:
动画更新速度,即颜色变换、物体运动、液面升降的快慢等,单位为ms。
20)父设备:
本身没有特定功能,但可以和其他设备一起与计算机进行数据交换的硬件设备。
如:
串口通讯父设备。
21)子设备:
必须通过一种父设备与计算机进行通讯的设备。
如:
浙大中控JL-26无纸记录仪、研华4017模块等。
22)模拟设备:
在对工程文件测试时,提供可变化的数据的内部设备,可提供多种变化方式,如正弦波、三角波等。
23)数据库存盘文件:
MCGS工程文件在硬盘中存储时的文件,类型为MDB文件,一般以工程文件的文件名+“D”进行命名,存储在MCGS目录下WORK子目录中,如D:
\MCGS\WORK\水位控制系统D.MDB。
2.2锅炉液位控制画面设计
2.2.1教学目标
终极目标:
掌握MCGS画面设计方法。
促成目标:
1)掌握绘图工具箱的使用。
2)掌握实时数据库的创建方法。
3)能实现图形的动画控制效果。
2.2.2工作任务
完成水位控制系统的画面制作,实现动画控制效果。
2.2.3能力训练
MCGS生成的用户应用系统,其结构由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成,如图2-5所示。
图2-5用户应用系统
图2-6MCGS组态平台
1.建立新画面
(1)新建窗口在图2-6所示的MCGS组态平台上,单击“用户窗口”,在“用户窗口”中单击“新建窗口”按钮,则产生新建的“窗口0”。
选中“窗口0”,单击“窗口属性”,进入图2-7所示的“用户窗口属性设置”对话框,将“窗口名称”改为“水位控制”;将“窗口标题”改为“水位控制”;在“窗口位置是、”中选中“最大化显示”,其他不变,单击“确认”按钮。
图2-7用户窗口属性设置
选中“水位控制”,单击“动画组态”,进入图2-8所示的“动画制作”窗口。
图2-8“动画制作”窗口
(2)工具箱使用单击工具条中的工具箱按钮,则打开动画工具箱,如图2-9所示。
a)b)
图2-9动画工具箱及系统图符对象
图标
对应于选择器,用于在图形时选取用户窗口中指定的图形对象;图标
用于打开和关闭系统图符工具箱,常用图符工具箱包括27种常用的图符对象。
图形对象放置在用户窗口中,是构成用户应用系统图形界面的最小单元,MCGS中的图形对象包括图元对象、图符对象和动画构件3种类型,不同类型的图形对象有不同的属性,所能完成的功能也各不相同。
MCGS的图元是以向量图形的格式存在的,根据需要可随意移动图元的位置和改变图元的大小,在工具箱中提供了8种图元。
为了快速构图和组态,MCGS系统内部提供了27种常用的图符对象,称为系统图符对象。
如图2-9b所示。
(3)制作文字框图用鼠标单击图2-9a所示的“标签”按钮
,鼠标的光标变为“十”字形,在窗口任何位置拖拽鼠标,拉出一个一定大小的矩形。
建立矩形框后,光标在其内闪烁,可直接输入文字“水位控制系统演示工程”,按回车键或在窗口任意位置用鼠标单击一下,文字输入过程结束。
如果用户想改变矩形内的文字,先选中文字标签,按回车键或空格键,光标显示在文字起始位置,即可进行文字的修改。
(4)设置框图颜色设置框图颜色如图2-10所示。
1)设定文字框颜色:
选中文字框,按“填充色”按钮
,设定文字框的背景颜色(本例设为无填充色);按“线色”按钮
改变文字框的边线颜色(本例设为没有边线)。
则设定的结果是,不显示框图,只显示文字。
a)文字框颜色设定b)文字的颜色设定
图2-10设置框图颜色
2)设定文字的颜色:
按“字符字体”按钮
改变文字字体和大小。
按“字符颜色”按钮
,改变文字颜色(本例设为蓝色)。
(5)对象元件库管理单击“工具”菜单,选中“对象元件库管理”打开动画工具箱,工具箱中的图标
用于从对象元件库中读取存盘的图形对象;图标
用于把当前用户窗口中选中的图形对象存入对象元件库中。
图2-11对象元件库管理
从图2-11所示“对象元件库管理”中的“储藏罐”中选取中意的罐,按“确定”按钮,则所选中的罐出现在桌面的左上角,可以改变其大小及位置,如“罐17”、“罐53”。
(6)流动块构件制作流动的水是用图2-9a所示“动画工具箱”中的“流动块”构件制作。
选中工具箱内的“流动块”动画构件
。
移动鼠标至窗口的预定位置,(鼠标的光标变为“十”字形),按下鼠标左键,移动鼠标,在鼠标光标后形成一道虚线,拖动一定距离后,单击鼠标,生成一段流动块。
再拖动鼠标(可沿原来方向,也可垂直于原来方向),生成下一段流动块。
当用户想结束绘制时,双击鼠标即可;当用户想修改流动块时,先选中流动块(流动块周围出现选中标志:
白色小方块),鼠标指针指向小方块,按住左键不放,拖动鼠标,调整形状。
3.被控对象设计
3.1实验装置简介
该系统的实验装置包括水箱、水槽、锅炉各一个,各种变送仪表共计八块,以及各种管道阀门若干。
由本系统的各实验装置可构成锅炉进水流量定值调节,并联管路压力定值调节,锅炉液位定值调节等系统典型生产工艺流程。
实验装置清单如下:
水槽一个
水箱一个
锅炉一个
水泵一个
电磁流量传感器两个(FE1,FE2)
LD2—4B型电磁流量转换器两个(FIT1,FIT2)
DYBG压力变送器两个(LT1,LT2)
QS智能型电动调节阀两块(M1,M2)
管线和阀门若干
表3.1实验装置清单
3.2被控对象特性说明(过程工艺分析)
本系统中被控对象是锅炉,因锅炉是用于加热的容器,所以存在上下限制值,而且由于加热效率等问题,就期望锅炉液位可以稳定在某一给定值上,所以以锅炉液位作为被控变量,进水发门开度为控制变量。
以锅炉液位为反馈变量构成单回路控制系统,并采用PID算法进行控制,通过改变阀门开度,实现锅炉水位稳定在给定值附近的目的。
3.3被控对象的结构设计
为实现上述的对象特性,完成对被控对象的控制,需将管路中的阀门按下表设置。
阀门标号
状态
阀门标号
状态
阀门标号
状态
V25
开
V35
开
V40
开
V21
开
V51
开
V30
开
V33
开
V39
开
V38
开
V42
开
V43
开
V27
开
3.4被控对象工艺流程图
图3.1被控对象工艺流程图
4.控制系统设计
4.1控制系统原理分析及控制方案设计
(1)根据所组态的被控生产流程(被控对象)的工艺要求,确定控制系统的控制方案为单回路控制系统,要求控制系统原理框图如下:
(2)根据被控对象的生产流程和控制要求,确定调节阀为气开形式,控制器为反作用空控制。
图4.1系统原理方框图
(3)工艺管道流程图
图4.2工艺管道流程图
4.2一次仪表选型设计
根据被控对象组态设计,确定“EFPT过程控制实验装置”中一次仪表的使用情况,查阅一次仪表型号、量程等参数。
(1)编制一次仪表位号如表4.1
表4.1次仪表位号
仪表型号
仪表位号
功能
QS智能型电动调节阀QSVP-16K
M1
调节进水阀位
M2
调节出水阀位
电磁流量传感器
LDG——10S
FE1
测量进水流量
FE2
测量出水流量
LD2-4B型电磁流量转换器
FIT1
显示进水流量
FIT2
显示出水流量
DYBG压力变送器
LT1
水箱液位
LT2
锅炉液位
(2)列出一次仪表选型表。
仪表
型
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