压力集散控制系统设计Word格式.docx
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本科毕业设计(论文)
学院(部):
电气与信息工程学院
学号
职称
20年月
摘 要
集散控制系统是以微处理器为基础的集中分散型综合控制系统的简称,它在电力、机械、石油、化工等领域应用来越广泛,随着现代大型生产系统自动化水平的不断进步和过监控要求的日益复杂而产生的综合控制系统。
在该系统中配以成熟工控组态软件,是目前控制领域发展的一个重要方向。
它可以编辑任意流程画面,并实现动态显示;
还可以今昔功能常规算法组态,生成的文件可以下装到集散控制系统的现场制站。
本文以其控制一套压力控制系统为例,介绍了DCS集散控制系统的硬件配置,软件组态过程及方法。
系统利用数据采集卡同时对3个压力传感器进行控制和数据传输,并应用计算机进行处理,通过每个容器的压力不同从而带动调节阀调节,实现对气压的实时监控。
该系统具有数据采集监视功能,自动化程度高,同时采用先进的PID控制算法,结合控制网络和组态软件,实现了压力的分布控制,控制精度高,保障锅炉及辅机系统运行安全。
关键词:
集散控制系统,压力控制系统,软件组态,PID控制
ABSTRACT
Distributedcontrolsystem(DCS)basedonmicroprocessor-basedintegratedcontrolsystemfocusedondistributedshort,itisinpower,machinery,petroleumandchemicalindustryapplicationstothemoreextensive,asthelevelofautomationofmodernlarge-scaleproductionsystemoverthecontinuousprogressandmonitorincreasinglycomplexrequirementsarisingfromtheintegratedcontrolsystem.Inthissystem,accompaniedbysophisticatedcontrolconfigurationsoftware,isthecontrolofanimportantdirectionofdevelopmentofthefield.Itcaneditanyprocessimages,anddynamicdisplay;
pastandpresentcapabilitiesofconventionalalgorithmscanalsobeconfiguredtogeneratethefilecanbedownloadedon-sitesystemDCSstation.
Thispaperfocusesoncontrolofapressurecontrolsystemforexample,introducedtheDCSDistributedControlSystemhardwareconfiguration,softwareconfigurationprocessandmethods.Systemusingadataacquisit-ioncardthesametime,threepressuresensorstocontrolanddatatransfer,andapplicationofcomputerprocessingofeachcontainerbythepressureregulatingvalveregulatingdifferenttodrive,toachievereal-timemonitoringofthepressure.Thesystemhasdatacollectionandmonitoringfunctions,highdegreeofautomation,whileusingadvancedPIDcontrolalgorithm,combinedwithcontrolofthenetworkandconfigurationsoftw-aretorealizethepressuredistributioncontrol,highcontrolprecision,protectionofthesafeoperationofboilersandauxiliarysystems.
KEYWORD:
Distributedcontrolsystem(DCS),PressureControlSystem,SoftwareConfiguration,PIDcontrol
第1章绪论
1.1论文的选题背景
上世纪30年代到40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?
答案是肯定的。
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。
至此DCS就诞生了。
1975年,美国霍尼韦尔(HoneyWell)公司成功地推出了世界第一套集散控制系统TDC-2000,从而揭开了自动控制崭新一页。
接着,美国西布罗公司泰勒过程分布(SybronComp.TaylerProcessControl)的CENTUM-XL系统都相继发表。
同一时期,美国、日本、德国、英国也发表了大批集散控制系统,从此集散控制系统在世界各国得到了广泛的应用和发展。
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。
集散控制系统又名分布控制系统(DCS),它是随着现代大型工业生产自动化的不断兴起和过程控制要求的日益复杂应用而产生的综合控制系统,它融合了计算机技术、通讯技术和自动控制技术,是一种把危险分散,控制集中优化的新型控制系统,由集中管理、分散控制和通信网络三大部分组成。
工程师站和操作员站进行集中管理,控制站实施分散控制,站间以通信网络为框架实现互联。
由于采用了分散的机构和冗余等技术,使系统的可靠性极高,再加上硬件方面的开放式框架和软件方面的模块化形式,使得它组态、扩展极为方便,还有众多的控制算法,较好的人机界面和鼓掌检测报告功能。
因此,自七十年代问世以来,集散控制系统就受到了广大用户的青睐,在工业控制领域得到了广泛的应用和长足的发展。
以PC机为基础的集散控制系统,配以成熟的工控组态软件,将成为目前控制领域的一个重要发展方向。
在我国对DCS的研究开发起步较晚,国内许多中小企业设备落后,仍然采用半自动甚至手动控制的现象还非常普遍,在激烈的市场竞争中难以立足。
为了发展社会主义市场经济,提高国际市场的竞争能力,对许多传统工艺需要采用现代科学技术加以改进。
对于国外先进的成套集散控制系统,由于其价格昂贵,许多中小企业根本无法拿出足够的资金加以引进。
在此情况下,研究开发我们自己的集散控制系统的需求越来越迫切。
而任何一个系统要正常运行不但需要各种各样的硬件设备,还应有一套完整的控制和管理软件。
事实上,每做一个实际的控制项目,由于所选用的硬件配置不同,工艺流程不同,相应的软件就不同。
如果就每一个系统都各自开发一套控制和管理软件,尽管代码可能较小,但由于大量的重复开发,浪费人力物力。
因此,开发通用的集散控制系统组态软件,在我国加强集散控制系统的推广和应用,使很大一部分人了解和学习集散控制系统就变得十分重要。
1.2论文的主要内容
该装置由三个互相串联的不同大小的压力容器和针型阀、压力等相关的检测、变送、执行仪表、计算机、模入/模出接口板和模拟信号端子板等组成。
压缩空气分两路进入压力容器,支路1主输入为控制通道,压力空气经减压阀调整为200KPa,通过调节阀的流量可由玻璃转子流量计显示,经1#罐和针阀R1(可调气阻)、2#罐和针阀R2、3#罐和针阀R3最后排放入大气。
支路2为扰动通道,压缩空气经减压阀调整为60KPa,通过调节阀的流量也可由玻璃转子流量计指示,进入1#罐、2#罐或者3#罐的通道由截止阀F1、F2及F3控制,相当于扰动的加入位置可以选择。
压力罐中的压力经压力变送器检测到后变为4~20mA的电流反馈信号,送到调节器中,与给定值相比较,得到偏差信号,调节器根据偏差信号,进行PID运算后,输出给调节阀,通过改变调节阀的阀门开度来调节进入压力罐的空气流量,以自动控制3个压力罐的压力。
本课题研究的主要内容有:
1.设计以计算机为核心的控制系统的硬件结构;
2.设计将3个罐压力作为整体对象进行控制,流量作为压力扰动按一定要求变化,控制罐压力。
3.用DCS对系统进行组态和设计系统,进行I/O模块的选取,画流程图,功能图;
4.通过调节PID各参数来实现仿真。
第2章压力集散控制系统的技术要求
2.1集散控制系统简介
集散控制系统又名分布式控制系统。
集散控制系统基本思想是“控制分散,管理集中”。
其实质是利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的一种新型控制技术,它是由计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、通信网络技术和人机接口技术相互发展、相互渗透产生的。
集散控制系统概括起来由控制系统部分,操作、监测部分和通信部分组成。
集中管理部又分为工程师站、操作站和管理计算机。
工程师站用于组态和维护,操作站用于监视和操作,管理计算机用于全系统的信息管理。
分散控制监测部分按功能分为控制站、监测站或现场控制站,它用于控制和监测。
通信部分连接于集散控制系统的各个分布部分,完成控制数据指令及其它信息的传递。
集散控制系统软件是由实时多任务操作系统、数据库管理系统、数据通信软件、组态软件和各种应用软件所组成。
2.1.1集散控制系统的发展过程
(一)、开创期(70年代中期)
1975年Honeywell公司推出TDC2000集散控制系统是一个具有许多微处理器的分级控制系统,以分散的设备来适应分散的对象,实现了控制系统的功能分散、负荷分散,克服集中型计算机控制系统的一个弱点,在此期间,世界各国也相继推出了自己的第一代集散型控制系统。
(二)、成长与完善期(80年代后期)
第二代产品在原来产品的基础上,进一步提高了可靠性,扩展功能、采用标准化和模块化设计,新开发多功能过程控制站,控制站、光纤通信。
而第三代产品,使用开放式的系统通信,向上能与WAP和Etherent接口,构成综合管理系统;
向下支持现场总线,使得过程控制,智能变送器,执行器之间实现可靠的数据通信。
控制站使用32位微处理器,采用专用集成电路和表面安装技术。
操作站采用32位计算机,图形显示采用多窗口技术和触摸屏调出画面,画面响应速度快。
过程控制组态采用绘图方法,更直观方便。
(三)、发展趋势(90年代)
1.DCS向综合化、开放化发展,DCS厂商竞先将自己专用网络改造符合国际标准,使之更能为上位计算机进行数据交换,实现生产管理的信息化。
2.大型DCS进一步完善和提高的同时,发展小型集散控制系统把PLC和DCS的功能融合到一起,增加了DCS的适应性,以满足小型工厂和装置的应用。
3.采用人工智能。
人工智能在过程控制的应用包括:
自整定和自适应控制器,实时数据采集,故障诊断,生产计划和调度,过程优化,控制系统的计算机辅助设计,仿真培训和在线维修在DCS的各级实现。
2.1.2集散控制系统的特点
1.层次化的设计充分体现了“控制分散、管理集中”的思想,成为DCS的重要特点。
根据DCS的规模可以将功能体系分为以下2-4层。
图2.1DCS功能体系分层图
<
1>
过程控制级:
直接与现场各类设备(如变送器、执行机构等)相连对现场设备实施监测、控制、诊断和保护,同时通过总线与过程管理交换信息。
2>
过程管理级:
包括监控计算机及工程师工作站。
它综合监视过程各点的所有信息,集中显示操作,进行控制回路组态和参数修改。
3>
生产管理级:
管理计算机完成比系统控制模式更宽的操作和逻辑分析功能,协调各单元级的参数设计,实施协调策略等。
4>
工厂经营管理级,居于工厂自动化系统的最高层,它的管理范围很广,包括工程技术、经济、商务等方面的功能。
对于某一具体集散控制系统的应用来说,并非一定具有四层功能不可,大多数电厂DCS只应用1-2层,在少数电厂使用第三层的功能,在大规模的控制系统中才应用完全的四层模式。
2.集中监视操作,便于科学管理
操作人员能在操作室中通过操作直观、迅速、方便的监控整个机组的运行工况,控制机组的启动、停运和故障处理。
同时,利用计算机站实时共享整个系统的资源和计算能力强的功能,对整个机组综合的进行各种性能计算、分析和优化处理,提高机组的运行管理水平。
3.采用图像显示,完善人机联系
在控制室中的多个操作站的CRT,能直观监视整个机组的运行工况,如机组的全貌显示、成组显示、测点的详细显示、用户定义的棒图显示、趋势显示及报警显示等。
操作人员通过CRT操作实施对生产过程的操作、控制。
4.控制范围可扩展,能在线进行系统组态和修改参数
集散控制系统采用标准的硬件模块、标准I/O卡件、标准的接插件,因而系统的可扩性好,既适用于中小型机组,又适用于大型机组。
能在线进行系统组态,修改程序或非常方便的设定参数。
5.采用数据通信及分块控制,减少现场配线
各个控制单元操作站、工作站等都平等地分别挂接在数据总线上,使各个站之间的数据传递既达到了高速,又保证其安全可靠。
由于对整个控制系统的全部I/O信号做了统盘考虑,避免了相同测点的重复引入,从而减少了一次元件、变送器和信号电缆,减少现场配线。
6.应用自诊断技术及冗余结构,提高控制系统可靠性
集散控制系统具有完备的在线自诊断功能,当系统的主要硬件发生故障时,可在CRT上和模件LED上显示故障的部件及位置,并自动退出故障控制器。
对重要的设备,如电源、通信总线、控制器等均采用冗余结构(设备的双重化或多重化备用),从而提高系统的可靠性。
7.采用面向控制的语言,操作组态简单方便
集散控制系统一般采用面向控制的语言,较流行的是使用功能块语言,工程师需从标准功能块库中选择合适的功能块,并将其连接起来,输入相应的参数,当控制器投入运行时,就能实现预想的控制要求。
因而对用户而言十分方便,无需懂得专业编程语言,就能实现自己的控制要求。
综上所述,先进的集散控制系统不仅功能齐全、组态灵活,而且比常规的模拟控制仪表系统具有更好的操作性和安全性。
我国大型火电机组都配置了先进的集散控制系统,提高了系统的自动化水平。
集散控制系统(DCS)综合了计算机技术(computer)、控制技术(control)、通信技术(communication)和图象显示技术(CRT),是工业过程控制发展史上的一个里程碑。
传统的过程控制,如常规仪表控制系统和计算机集中控制系统,它们在控制性能方面,对多变量相关过程的控制与复杂控制规律的实现较困难;
在操作监视方面,当系统所需的仪表较多时,由于仪表盘长,实现集中显示和操作较难,各系统间的通信也不便,若采用双机系统或计算机与仪表共存于一个系统,则投资费用昂贵等。
集散控制系统(DCS)继承和发展了它们的优点,并弥补了它们的不足,它扩展方便,安全可靠性高,实时响应能力快,具有良好的性能价格比,能适应恶劣的工作环境等,从世界范围看,DCS已成为过程控制系统发展的主流。
2.2几种计算机控制系统与DCS的比较
目前,与DCS并存于市场上的计算机控制系统包括由PLC构成的控制系统监督控制系统、SCADA系统及以个人计算机(PCBased)为核心构成的小型监督/控制系统等。
这些系统在应用目标上、系统功能上、体系结构上、产品形态和实现方法上等多个方面与DCS有较大的区别,但也有相当多的共同之处。
下面对各种系统的异同点作简要的比较。
2.2.1以PLC构成的控制系统监督控制系统
功能和应用目标
PLC的控制功能在早期以逻辑控制和顺序控制为主,近年来在回路控制方面的功能不断加强,已具备了离散控制、连续控制和批量控制等综合控制能力。
但是,PLC由于其软件处理方式的不同,与DCS相比,在连续控制方面的效率比较低而成本则比较高,因此,其主要应用领域仍以离散控制为主。
体系结构
PLC是一种产品形态的、可独立运行的控制器,其主体由主控模块、I/O模块、电源模块和网络通信模块构成,这些模块通过一个总线背板连接在一起,并用金属机架实现机械固定。
PLC设备本身没有人机界面,只有指示灯或小尺寸液晶屏,以进行状态显示或简单的运行参数显示。
PLC执行直接控制功能,它运行期间无需人工干预。
因此,在以PLC构成的控制系统中可不配人机界面设备。
最小型的PLC是一个没有机架的单体模块,其I/O点数量很少。
因此,只能够完成小规模或较简单的控制。
中型的PLC由一个机架构成或一个主机架(含有主控模块)加若干扩展机架(只包含I/O模块)构成,其I/O点数一般在500点以内。
大型PLC系统由若干台PLC构成,各个PLC之间通过数据高速公路或局域网实现连接,这样的控制系统可实现几千个I/O点的控制。
在PLC的现场安装和实际运行之前,必须对PLC进行编程,也就是在DCS中常说的组态。
与DCS不同的是,PLC的组态工具与其运行系统是分离的,可以用同一套组态工具对多个PLC控制系统进行组态,在完成组态、编译并下装,形成了可以独立运行的目标系统后,PLC就可以脱离组态工具,完全自主地完成控制功能。
另外,PLC控制系统也可增加人机界面功能,特别是在大中型的系统中。
这样,有底层的PLC完成直接控制功能,配合第三方人机界面和组态软件,就可以形成一个完整的监督控制系统。
现场设备
PLC控制系统的现场设备就是其本身,小型PLC一般可安装在现场的电气柜中,可以与低压电气设备,如小型断路器等安装在一起,安装方式同样采用标准导轨。
对于中大型PLC或使用PLC组成的控制系统,可采用独立的系统机柜进行安装。
PLC一般做成一体化的结构,其I/O模块和现场信号端子是一体的,并不单独配置端子板或端子排,这是由它的产品形态决定的。
相应的,PLC在现场信号的处理方面也比较简的.这是由于PLC要符合大多数应用的需求,因此,对于一些不是广泛应用的功能需求尽量简化,在具体应用中由系统集成商根据需要进行配置。
系统特点
PLC系统的特点是其构成部分的完全产品化,这其中包括PLC产品、组态工具软件产品、人机界面和监督控制软件产品、网络产品等。
这类系统一般由用户自行购买各类产品并自行组成系统,当系统规模较大、功能较复杂时,也可由专业的系统集成商来实现系统的工程实施。
目前各个厂家的PLC基本上都支持以太网,与PLC配套的组态工具软件、人机界面和监督控制软件也基本上采用了PC的硬件环境和Windows的操作系统环境,即所谓的Wjntel架构,因此其开放性很好。
但由于各个厂家的网络通信规约不同,内部数据文件的结构也不相同,虽然各种PLC的组态工具基本上都支持IEC61131—3标准,也无法实现设备的互换。
如果所采用的多种PLC设备都支持某种开放标准的通信规约,如Modbus,那么可以实现不同种类PLC间的互操作。
2.2.2监督控制和数据采集系统
监督控制和数据采集(SCADA)系统的功能主要是监督控制功能,一般用在对生产过程进行全面监视,使运行人员全面掌握生产情况的场合。
如在一个化工厂中,生产装置一般都用DCS实现生产过程的控制,但与生产过程有关的还有很多方面,如原料的储存输送、成品的储存输送、电力供应、热力供应、水的供应及燃气供应,等等。
只有这些方面都是正常的,生产才能够正常进行,而这些方面的正常运行,主要依靠监督控制系统的保证。
SCADA系统的主要功能是监督控制,因此其软件主要由两个部分组成:
—部分是界面软件,另一部分是数据采集软件。
系统的硬件也同样分成两个大的部分:
人机界面设备和数据采集设备。
在这两大部分之间,通过数据通信系统实现连接。
对于一些规模较小的SCADA系统,现场数据经过数据采集设备集中后直接送到人机界面计算机中,由该计算机进行数据的存储、处理和显示等操作。
在一些规模较大,系统功能比较复杂的系统中,还应该有专门的数据服务器来进行全系统实时数据的存储、处理和访问查询服务。
人机界面设备主要是操作员工作站(即人机界面计算机),由CRT显示、通用或专用键盘、光标控制设备(如鼠标、轨迹球、光笔及触摸屏等)等硬件组成。
数据采集设备是安装在现场的远程终端单元(即RTU),这是一种没有直接控制功能的,只有现场I/O、数字化及打包传送功能的现场设备。
RTU只将现场的原始数据(俗称“生数据”)送到人机界面计算机或服务器上,其本身没有本地数据库,因此也无法进行任何本地的处理和控制。
早期的SCADA系统是针对远程的测量和监督控制的(即以往所说的遥测、遥控等),因此数据通信系统都是远程通信,一般是利用MODEM和电话线路,物理介质有电话电线、微波、无线、载波及光缆等。
由于在一些地域分布较广的系统中,远程通信的处理量很大,因此配有通信处理前置机,以减轻中心服务器的负荷。
近年来随着网络技术的不断发展,越来越多的SCADA系统开始使用广域网甚至互联网作为系统的通信手段。
另外,现在也不将SCADA系统局限于远程的遥测、遥控,而是泛指以监督控制功能为主的各种计算机系统。
SCADA系统的现场设备就是RTU和用于远程通信的设备,这些设备的设计力要求简单,但要有极高的可靠性,因为这些设备一般都是分散
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