（控制理论与控制工程专业论文）气体压力集散控制系统.pdf

中南大学硕士论文 摘要 ab s t r a c t t h e p a p e r h a s d i s c u s s e d e m p h a t i c a l l y t h a t d i s t r i b u t e d c o n t r o l s y s t e m h a s b e e n u s e d t o c o n t r o l t h e g a s p r e s s c o n t r o l s y s t e m , w h i c h h a s t h r e e - o r d e r m a t h e m a t i c a l m o d e l . f o r t h e o b j e c t t h a t h a s t h r e e - o r d e r m a t h e m a t i c a l m o d e l , w e u s e c l o s e d l o o p e x p e r i m e n t a t i o n t o g e t t h e s i m p l i f i e d m o d e l , w h i c h i s t h e m o d e l o f o n e - o r d e r w i t h d e l a y t i m e . w e u s e t h e d i s t r i b u t e d c o n t r o l s y s t e m t o c o n t r o l t h e g a s p r e s s c o n t r o l s y s t e m , a n d c o n n e c t t h e g a s p r e s s c o n t r o l s y s t e m w i t h t h e l o c a l c o n t r o l s t a t i o n o f t h e d i s t r i b u t e d c o n t r o l s y s t e m , m a k e t h e m b e c o m e a g a s - p r e s s d i s t r i b u t e d c o n t r o l s y s t e m . t h e n w e u s e a b u n d a n c e m o d e l s i n t h e d i s t r i b u t e d c o n t r o l s y s t e m , l i k e p i d c o n t r o l m o d e l , f u z z y c o n t r o l m o d e l a n d o t h e r m o d e l s t o c o n t r o l t h e g a s p r e s s c o n t r o l s y s t e m . k n o w n g e n e r a l i z e d o b j e c t m o d e l , w e u s e a d j u s t i n g f u n c t i o n p r e s e n t e d b y z i e g l e r a n d n i c h o l s a n d d a l i n a r i t h m e t i c t o a d j u s t t h e p a r a m e t e r s o f t h e p i d c o n t r o l l e r i n t h e d i s t r i b u t e d c o n t r o l s y s t e m . w e h a v e g o t t e n w o n d e r f u l e f f e c t , a n d a n a l y s i s t h e r e s u l t o f e x p e r i m e n t . a t l a s t w e u s e f u z z y c o n t r o l l e r t o c o n t r o l t h e p r e s s o f t h e g a s p r e s s c o n t r o l s y s t e m , a n d a n a l y s i s t h e r e s u l t o f e x p e r i m e n t . k e y w o r d : g a s c o n t r o l s y s t e m d i s t r i b u t e d s y s t e m c o n t r o l ( d c s ) m o d e l i n g p i d c o n t r o l f u z z y c o n t r o l 中 南工业大学硕士论文 第一t绪论 第一章绪论 1 . 1概述 自 本世纪3 0 年代以来，自 动化技术获得了 惊人的成就，已 在 工业生产和科学发展中起着关键的作用.自 动化装置己 成为大型设 备不可分割的重要组成部分，生产过程自 动化的程度己成为衡t工 业 企 业 现 代 化 水 平的 一 个 重 要 标 志 (6 5 0 年代以 前， 工业自 动化的理论荃础是用传递函数进行数学描 述，以 根轨迹法和频率法作为分析和综合系统基本方法的经典控制 理论，因而带有明显的依靠手工和经验进行分析和综合的色彩，. ， 一般用于单输入单输出的控制系统，其控制目 标也就只能满足于保 持生产的平稳和安全， 属于局部自 动化的范畴.(7 1 5 0 年代末， 由于生产过程迅速向着大型化、 连续化的方向发展， 工业过程的非线性、拐合性和时变性等特点十分突出，原有的简单 控制系统己 经不能满足要求， 自 动控制面临着工业生产的严重挑战. 幸运的是，为适应空间探索的需要而发展起来的现代控制理论已 经 产生并己 在某些尖端技术领域取得惊人的成就。它以 状态空间分析 方法为基础，内容包括了以 最小二乘法为 基础的系统辨识，以 极大 值原理和动态规划为主要方法的最优控制和以卡尔曼滩波理论为核 心的最佳估计等三部分.现代控制理论是人们对控制技术在认识上 的一次质的飞跃，为实现高水平的自 动化莫定了理论基础。同时， 电子数字计算机的发展与普及为现代控制理论的应用开辟了道路， 为实现工业自动化提供了十分重要的技术手段.5 0 年代也是过程计 算机控制的初创时期，这一时期的计算机只用于管理方式，给操作 员以 操作指导 和给模拟仪表以设定点控制方式川 。 在6 0 年代中期， 已出 现了 用计算机代替模拟调节器的 直接数字 控制 ( d i r e c t d i g i t a l c o n t r o l , d d c ) 和由 计 算机确定 模拟调节器 或d d c 回路最优设定值的监督控制( s u p e r v i s o r y c o m p u t e r c o n t r o l , s c c ) o i 7 0 年代中期， 由 于大规模集成电路制造的成功和微处理器的问 世，使计算机的功能丰富多彩，可靠性大为提高，而价格却大幅度 下降。工业用控制机采用了 冗余技术，软硬件的自 诊断功能等措施 后，其可靠性性提高到基本能够满足工业控制回路多的特点，为了 满足工业用计算机具有高度可靠性和灵活性的要求，出现了一种分 中南工业大学硕士论文 第一章绪论 布式控制系统( d i s t r i b u t e d c o n t r o l s y s t e m d c s ) ， 又称集散控制 系统， 它是集计算机技术、 控制技术、 通讯技术和图形显示等技术 一体的计算机系统， 从7 0 年代开始， 工业生产自 动化已 进入计算机 时代。c+ 1 国际上， 自7 0年代美国h o n e y w e l l 公司首先推出t d c - 2 0 0 0 以来，经历了四个发展时期。7 0 年代中期到8 0 年代初期是d c s 的 初创时期， 其代表的 产品 有h o n e y w e l l 公司的t d c - 2 0 0 0 ， 横河 c e n t u m等。 8 0 年代初期到8 0 年代中期是d c s 的成熟阶段， 代表 产品有h o n e y we l l 公司的t d c - 3 0 0 0 ， 横河的c e n t u m- x l 等a 国内，自8 0 年代开始技术引进与合资直到生产国产的d c s系 统， 有浙江威盛自 动化有限公司生产的f b - 2 0 0 0 集散控制系统，北 京和利时公司生产的 h s 2 0 0 0集散控制系统等.具有可靠的硬件基 础，配有高效的实时多任务操作系统和功能齐全的组态软件，系统 可方便地组成自 动检测、报普处理、自 动控制和管理功能。随着自 动控制技术和计算机技术的发展， d c s 仍然存在有一些问 题有待解 决。一是开放性问题，二是系统与现场仪表的通信问题.集散控制 系统还是目 前应用最广泛的控制系统(b 1 . 2 课题的来源 由 于扩建d c s 实验室， 购置了h s 2 0 0 0 集散控制系统设备一套， 现用于对过程控制实验室的过程控制装置进行控制。在过程控制实 验室中有三套实验装置:水箱液位控制系统、温度控制系统和气体 压力控制系统。由于过程控制在自 动化中显著地位， 集散控制系统 在工业过程控制中日 益显著的地位，采用集散控制系统对实验室中 的过程控制装置进行控制，让自 动化学生尽快的熟悉工业现场有良 好的促进作用。 h s 2 0 0 0集散控制系统是一种国 有集散控制系统装置， 它广泛 的应用于许多大型的电站和工厂， 取得了明显的控制效果。 它具有一 般集散控制系统的特点，选用它作为实验室集散控制系统，能很好 的让学生熟悉和了 解集散控制系统的结构和功能. 本文采用集散控 制系统对气体压力控制系统进行控制，利用集散控制系统丰富的组 态功能、 流程图显示、 报表等功能， 对气体压力控制系统进行控制. 在功能块图组态中，将功能模块与气体压力控制系统构成控制回 路， 对气缸的压力进行控制， 通过实验获得系统的数学模型，得出 合适的控制器整定参数，达到很好的控制效果。 中南工业大学硕士论文 第一章绪论 1 . 3本课魔研究的内 容和愈义 由于集散控制系统在工业过程中的 广泛应用，为了让自 动化的 学生尽快地熟悉d c s 系统和过程控制实 验装置， 学校扩建了 过程控 制实验室， 并建立了d c s 实 验室， 购里了h s 2 0 0 0 集散控制系统设 备一套，对过程控制实验室中的实验装置水箱液位控制系统、温度 控制系统和气体压力控制系统进行控制。 这三套装置属于典型工业 过程控制系统装置，除了 采用模拟仪表 进行控制和计算 机控制3 3 外，也可采用集散控制系统对过程控制装置进行控制。 本课题主要是利用 d c s对过程控制实验室的过程控制装置进 行控制，主要是对过程控制实验室的压力控制系统，利用 h s 2 0 0 0 集散控制系统对气体压力控制系统的压力进行控制。 h s 2 0 0 0控制 系统和计算机构成集散控制系统的三个主要组成部分，即集散控制 系统的现场控制站、工程师站和操作员站。在工程师站利用系统组 态软件对系统进行离线组态，操作员站进行监控，通过现场控制站 与过程控制系统的过程量与控制t直接相连，利用集散控制系统丰 富的功能模块， 采用p i d和模糊控制以 及其它的功能模块对气体压 力控制系统中的气缸压力进行控制，并在流程图中显示出来。 中南大学硕士论文 第二章压力控制系统 第二章气体压力控制系统 2 . 1 气体压力控制系统工艺流程 气体压力控制系统为一种典型的过程工业控制对象，作为过程 控制实验装置，它具有现场工业过程控制的特点.其工艺流程图如 图2 -1 所示， 该系统由 三个互相串联的不同大小的压力容器和针型 阀、压力及流t等检侧变送仪表组成。 图2 -1 气体压力控制系统工艺流程图 该控制系统的由两条支路组成，支路1 为控制回路，支路2 为 扰动回路，由图2 -1 ，压缩空气由这两路进入压力容器，支路1 中 的压缩空气经减压调整为2 0 o k p a ， 通过调节阀的流量可由玻璃转子 流量计指示，经 1 #雄和针阀r i . 2 #皓和针型阀r 2 . 3 #罐，最后 经过针型阀凡放入大气. 支路2 中的压缩空气经减压调整为6 0 k p a , 通过调节阀的流量也可由 玻璃转子流量计指示， 进入1 #雄、2 #雄 或3 #皓的 通路， 分别由 截止阀f , . f 2 及f 3 控制， 这样扰动的 位置 可以自 行选择，达到模仿较为复杂的工业过程。 其中，三个气缸的压力分别由压力计检测，并转换为 4 - 2 0 m a 的标准信号p t i , p t 2 和p t 3 。系统中存在二个控制量， 调节阀v l i 和v l 2 ， 流it计中的流量读数为wl 和w2 。并且针型阀r , , r 2 , r 3 及截止阀f f 2 , f ， 均为气阻可调的手动阀门。 2 . 2 墓本概念 中南大学硕士论文 第二章压力 控侧系统 2 . 2 . 1气阻19 1 气阻与电子线路中的电阻相似，它可以改变气体的流t，而在 它的两端产生压力降。在流层体呈层流状态时，气阻的大小与两端 的 压降 成 正比 ， 与 流 过的 流 f 成 反比 ， 可表 示 阅: ( 2 -1 ) 式中: r 一 气阻;a p 一气阻 两端的 压降;q 一气 体的 质量流 量。 2 . 2 . 2 气容19 1 在电子线路中， 电容的大小由使用它两端升高单位电压所需要增 加的电 量来表示。气容是具有一定容积的气室，它在气路中的作用 与电容在电路中的作用相似，其值由升高单位气压所需增加的气体 量表示，即 c 一 二或 c _ d m o p d p ( 2 - 2 ) 式中 :m 一气 体 质量:峨一气 室中 的 压 力 增 量;c 一气 容 量. 对容积不变的固定气缸的气容.根据气体状态方程式 p v=mr t ( 2 -3 ) 式中 p 气室中的绝对压力;v 气室体积; m 气体质量:r -气体常数;t 气体绝对温度，k e 若将气容的充气与放气的过程视为等温过程，则由式 ( 2 -3 ) 可得v d p=r t d m。 c = d m = 二 d p r t ( 2 - 4 ) 由上式可见，其中r为气体常数，当温度t 不变时，气容量c 与气室的容积 v 成正比，由于固定气室的容积恒定，因此固定气室 的气容量为一恒值. 中南大学硕士论文 第二幸 压力 控制系统 2 . 2 . 3 压力134 1 在工程中常用的压力，实际上就是物理学中习 惯采用的压强， 它在物理学中已 有了严格的定义.在工程中统称为介质 ( 气体) 垂 直修在单位面积的力即为压力。这种压力是由于分子和重t和分子 运动对器壁撞击的结果。因此它们均匀地作用在受压表面。压力是 反映物质状态的一个很重要的参量。 由 定义 可 知， 压力p 可 用下式表 示 (2 6 其中f表示为 垂直均匀作用在面积 s 上的力。 压力的大小常用两种表示方法，即绝对压力和表压力.所谓绝 对压力是从绝对真空算起的、 作用在物体单位面积上的总压力， 而 表压力是表示物体受到超出大气压力的压力大小. 在物理学研究中， 一律都采用绝对压力为计算单位，即 物质实际所承受的全部压力. 在工程上很多情况与大气压的压力值有关，例如，对于一个工 程来说，只有内 部压力超出大气压才认为是处于受压，除非特殊指 明，一般所指压力，即为压力表测得的压力，均属表压力，因此实 际上常把表压力简单称为压力，表压力与压力的关系为: p 绝 =p砚 +p大 气 由 上式可见，表压力除决定于介质的实际全部压力外，还受当 地大气压的影响。 在本系统中所说的压力，就是压力表的压力，故对于大气压力 p a = 0 _ 5 0 %时，对象为非线性;在 输入值为 0 - 5 0 % 时，对象近似为线性。对输入值为 0 - 5 0 %，对对象 的输入输出进行一阶线性拟合13 5 -3 6 1如下图2 -4 所示。 中南大学硕士论文 第二t压力控制系统 图 2 -2中，虚线为对象的实际输入输出曲线，实线为拟合后 的一阶线性输入输出特征曲线。为了检验拟合曲线的质t，用拟合 后一阶线性输出值与己知的输出值进行比较得到最大绝对误差约为 5 . 5 %， 故当对象的输入值为0 - 5 0 % 时， 对象的输入输出特性为线性， 即广义对象是线性的.且拟合后的直线的斜率分别为4 2 , 3 4 和2 5 , 即分别为三个不同 对象的静态放大倍数k o 解、1侧 p，p 广从广卜 黔辛a). |人卜 3s匀 25zo 卜p 5门仙5 口1.门. 。 。馨 气 颧彝$1咫 % ) 7 0 g0 9 0。 。 图2 -4系统输入输出特性 2 . 7 实脸法求数学模型 2 . 7 . 1 闭 环试验法 由于原始的模型非常复杂，需要简化后才作为控制用的数学 模型. 式 ( 2 -1 9 ) 一 ( 2 -2 1 ) 均为 三阶系 统， 而且 模型的 系 数太多， 如果对这样的一个模型，通过实验法来求取其相应的参数是非常困 难的，即便能通过实验法求取数学模型， 从工程的角度，对一个三 阶系统进行控制也是非常困难的1 2 1 ，故将三阶系统数学模型转化为 简化的模型再来进行控制，这种简化的模型可以 采用闭环试验法得 到模型的形式 8 采用闭环试验法的系统调节框图下图 2 -5所示。采用闭环试 中南大学硕士论文 第二章 压力控侧系统 验方法的主要特点是:试验前不要求系统工作在平衡工况， 试验随 时都可进行，闭 环系统的 被控参数不会偏离给定值太大， 所得的数 学模型真实性好. 气体压力控制系统为三阶系统，能够产生振荡， 所以采用闭环试验法比较适应。 k , 对象 图2 -5比 例调节控制系统结构框图 首 先， 将 1 # 气 缸的 压 力p : 作 为 被 控 对 象， 系 统置 于开 环 状 态，即把调节器置于手动状态， 给调节器施加一个阶跃信号，记录 从施加阶跃信号到被控参数开始响应的时间，即为广义对象滞后时 间r 。 然后使系统置于纯比 例的自 动状态 ( 积分时间常数t , = o o 微分时间常数几= 0 ) , 然后改变比 例度s 的 大小， 使过程控制系 统 处 于 等 幅 振荡 状态. 记 录 产 生 等 幅 振荡 的比 例 度8 , 及 两 个 波峰 或 波谷的 周期t , 。 经实 验得到上 述的 滞后时间: 和等幅振荡周期兀， 实验曲线如下图2 -6 所示。 以2 # 气 缸的 压力p : 作为 被 控 对 象， 重 复 上 述 步 骤， 得到 实 验曲 线如下图2 -7 所 示; 最后，以3 # 气缸 压力几作为 被 控对象， 重复前面的实验，得到实验曲 线如图2 -8 所示。 2 . 7 . 2 实验结果 己 知 滞 后 时 间t 和 等 幅振 荡 周 期界 ， 根 据表2 - 2可以 估 算出 对象的数学模型( n 1 ， 表中k为对象静态放大 倍数，r 为对象延迟时 间，t为惯性时间常数。 中南大学硕士论文 第二章 压力控侧系统 表2 - 2滞 后 时间: 和 等 幅 振 荡 周 期t , 与 数 学 模型 之间 的 关 系 t/ z 2k e - a 2 礴止 竺。 一 t s +l 4二 一 t s 4 .二k e -0 。 一 ，. k e 共。 一 或 更 高 ( l l s +1 入 1 2 s +i ) s k i 2 s +1 ) 根 据 闭 环 测 试 实 验 图 2 - 6 -2 - 8 得 到 : 2 5 丫5 4 ， 所 以 可 以 将气体压力控制系统广义的三阶系统数学模型用如下一阶时滞环 节来近似: g ( s ) = k。 一 t s +1 表2 -3 一阶数学模型计算表 k七 一 。 t s +1 t t tg (1 8 0 0 乙才 根据表 2 -3的计算公式可以 求得对象的传递函 数中的 惯性时 间 常 数 t . 其中 a = 不/ r ， 根据图2 -5 - - 2 -7 得到 滞后时间: 和 等 幅振荡周期兀， 以 及 振荡时的 临界比 例s , ， 根据 2 -3表的 计算得 到如下表2 -4 所示的数学模型的系数值.根据2 . 6节的分析可知， 对象的静态放大倍数k分别为:4 2 , 3 4 和2 5 0 : = 乒 tg (1 8 0 厅 一 3 6 0 0 ) = 云tg ( 1 8 0 一 6 0 生 ) = 2 0/ 5 . 4- 2 5 2 : 一 李 tg ( 1 8 0 - l厂 3 6 0 0 住 ) 二井tg ( 1 8 0 - l才 3 6 0 0 2 8 / 7 . 6 ) = 3 5 . 3 中南大学硕士论文 第二章 压力 控侧系统 压力毛已 1 0 占吸时间( 分 钟) 图2 -5 p 1 的振荡曲 线 八八八八八 甘 压力已25 图2 -6 p 2 的振荡曲线 八八八八 甘 25压力冤巴 3时间 ( 分钟) 图2 -7 p 3 的振荡曲线 中南大学硕 l 论文 第二章 压力控制系统 t g ( 1 8 0 3 6 0 a = 4 0 tg (1 8 0 艺厂 =5 4 .2 表2 -4 系统振荡时各参数值表 t ( s )s ,k ot s kt p , 振荡 5 . 41 . 50 . 6 72 0 s4 22 5 . 2 p , 振荡 7 . 61 . 60 . 6 32 8 s3 43 5 . 3 p , 振荡 1 1 . 91 . 90 . 5 34 4 s2 55 4 . 2 2 . 7 . 3对象数学模型 从而可以得到系统的传递函数的简化模型如下: g , (s ) 一 p , (s ) _ u( s ) ke - t s +1= 一 4 2。 一 5 ， ， 2 5 .2 s + 1 2 - 3 8 ) g 2 ( s ) =p a ( s 2 = k e 二 u ( s ) t s +l _ 一3 4 一 e _ z .65 3 5 . 3 s + 1 2 - 3 9 ) g , ( s ) =p , ( s ) = u ( s ) ke 一 t s +1 = 2 5 - e _ .9 , 5 4 . 2 s + 1 ( 2 - 4 0 ) 根据对象数学模型，可以对气体压力控制系统进行适当的控 制。 同样，由系统的组成可知，系统存在三个不固定阻值的针型阀 r , , r 2 和r , ， 将三个针型阀的 位置改 变， 将得到不同的数学模型， 所以 式( 4 -3 8 ) 一( 4 -4 0 ) 的数学 模型 只是其中的 数学模型之一。当 对象中针型阀的阻值固定，可以用上式的数学模型进行控制。 中南大学硕士论文 第三章集散控创系统 第三章 h s 2 0 0 0 集散控制系统 3 .i 集散控制系统的发展及展望 7 0 年代中期开始， 针对工业生产规模大、过程参数和控制回 路多的特点， 为了满足工业用计算机应具有高度可靠性和灵活性的 要求，出 现了 一种分布式控制系统( d i s t ri b u t e d c o n t ro l s y s t e m , d c s ) ， 又 称集散 控制系 统4 集散控制系统是相对于集中式控制系统而言的一种新型计算 机控制系统， 它是在集中 式控制系统的 基础上发展、 演变而来的. 在生产过程自 动化领域中， 集中式控制系统是指能将过程数据输入 输出 ( p i o ) 、实时界面的处理 ( m mi ) ， 报替与日 志、 报表直至系 统本身的监督管理等所有的功能集中在一台计算机中的系统。 集中 式控制系统的 优点是结构简单、 清晰， 集中式的数据库很容易管理， 并容易保证数据的一致性. 但各种功能集中 在一台 计算机中， 使得 软件系统相当庞大， 各种功能要由很多实时的任务去完成， 而任务 数量的增加导致系统开销增大， 计算机运行效率下降; 由于集中式 的系统需要庞大而复杂的软件体系， 使得系统软件可靠性下降， 实 际运行情况表明， 集中式系统在现场运行时出现的故障有7 0 %以上 是由于设计不良或存在缺陷的软件造成的;而且系统的可扩展性 差， 限于计算机硬件的配置与能力， 一个系统在建立时基本上就已 经确定了其最终能力。 集中式的系统将所有的功能、 所有的处理集 中在一台计算机上， 大大增加计算失效或故障对整个系统造成的危 害性， 所有实时信息、 历史数据和处理功能集于一身， 一旦出现问 题，造成的后果是全局性的。 鉴于集中式控制系统存在的种种问题， 产生了集散控制系统， 集散控制系统又名分布式计算机控制系统， 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t控制技术、 通信 网络技术和人机接口 技术相互发展渗透而产生的. 国际上， 自 7 0年代美国 h o n e y w e l l公司首先推出 t d c - 2 0 0 0 以 来， 经历了四个发展时期。 7 0 年代中期到8 0 年代初 期是 d c s的初创时期，其代表的产品有 h o n e y we l l公司的 t d c - 2 0 0 0 ， 横河c e n t u m等。 8 0 年代初期到8 0 年代中期是d c s 的成熟阶段， 代表产品有h o n e y w e l l公司的t d c - 3 0 0 0 ，横河 的c e n t u m- x l等.随着计算机技术和通信技术的发展，9 0 年代 中南大学硕士论文 第三章 集散控栩系统 中 后期为d c s 的 通用 集 成期， 这一时 期d c s 特点为 ( 5 1 : 1 、开放式的系统通信，向上能与e t h e rn e t 接口，或通过网间 连接器与其它网络联系。 向下支持现场总线， 使过程控制或车间的 智能变送器、执行器和本地控制器之间实现可靠的数字数据通信。 2 、控制站使用了3 2位微处理器，能方便使用先进算法.工 程师站和操作员站使用3 2 位计算机， 能在wi n d o ws 平台上进行 组态和监控。能与主计算机相连，构成信息管理系统. 国内， 自8 0 年代开始技术引进与合资直到生产国产的d c s系 统， 有浙江威盛自 动化有限公司生产的f b - 2 0 0 0 集散控制系统， 北 京和利时公司生产的h s 2 0 0 0 集散控制系统等。 具有可靠的硬件基 础， 配有高效的实时多任务操作系统和功能齐全的组态软件， 系统 可方便地组成自 动检测、 报普处理、自 动控制和管理功能。 随着自 动控制技术和计算机技术的发展，d c s仍然存在有一些问题有待 解决。 一是开放性问题， 二是系统与现场仪表的通信问题. 集散控 制系统还是目 前应用最广泛的控制系统. 集散控制的出 现是工业控制和一个里程碑。 d c s已 广泛用于 工业过程控制， 其核心思 想是集中管理、 分散控制， 即 管理与控制 相分离， 上位操作员站用于集中监视管理功能， 若干台下控制站下 放分散到各子控制室实现准分布式控制， 各上下位工作站之间用控 制通讯网 络互连以 实现相互之间的 信号传输。 体系结构为“ 操作员 站一控制站一现场仪表设备” 三层结构模式， 这各三层结构模式 的控制系统体系结构在一定上克服了集中式数字控制系统对控制 器处理能力和可靠性要求高的缺陷。然而，d c s控制功能的分散 化仍不够彻底， 各控制站没有彻底下放分散到现场，且不同 d c s 厂家为达到垄断经营的目 的而对d c s的控制通讯网络采用各自 专 用的封闭形式，不同厂家的 d c s系统之间以及 d c s与上层 i n t e rn e t . i n t r a n e t 信息网 络之间 难以 实现网 络互连和信息共享。因 此集散控制系统实质是一种封闭专用的、 不具有可互操作性的分布 式网络控制环境。 随着工业过程的复杂化，对控制系统的要求不断上升，现场 总线网、智能化设备仪表的发展，也影响了d c s的体系结构，使 d c s进一步分散化，从当前的发展趋势上看，利用现场总线网和 智能化设备、智能化仪表，加上工业微机组成的小型的 d c s系统 向传统的d c s 系统提出了挑战. 这使得传统的d c s 只有在i / 0控 制站进一步分散化采用现场总线网技术， 形成以现场总线网为基础 的、以智能v o模块构成的分布式v 0控制站。 也就是将过去d c s 中南大学硕士论文第三章 集徽控制系统 中 集中的v 0控制站变成分布式的u o控制站， 在传统的d c s 网 络的下一层再引入一层现场网络，形成控制网络( 以现场总线网为 基 础 ) 、 系 统网 络和管理网 络应管理 控 制一体 化要求的c i m s / c i p s 上层网的三层网络结构，来满足不断提高的应用需求。 3 . 2 h s 2 0 0 0 集散控制系统的体系结构 集散控制系统也称为分布式计算机控制系统，是以微处理器 为基础， 综合4 c技术 ( 即测量控制技术、 计算机技术、网络通信 技术、 c r t图 像显示技术) 的成果， 对工业过程进行集中 监视管 理和分散控制的综合计算机控制系统. h s 2 0 0 0 是一套分层分布式 的大型综合控制系统， 系统以网络为基础， 配以各种不同的设备挂 接在网络上， 实现各部分共享和协调工作， 共同完全各种控制及管 理功能。 土 介 绍. 几 工 称 姑 图3 -1 h s 2 0 0 0 集散控制系统体系结构 h s 2 0 0 0 系统为三层网 络结构， 不同的网络适应不同层次和规 中南大学硕士论文 第三章集做控侧系统 模的控制和管理任务. 这种结构大大提高了系统的整体可靠性和效 率， 使系统配置更为灵活， 适应于各种规模的控制和管理场合。 系 统的体系结构图如图3 -1 所示3 9 h s 2 0 0 0系统最大的特点是现场总线技术的采用，系统设计 时， 将传统的d c s中 主控模块和i / o模块之间的并行总线连接变 为串 行的现场总线连接， 选用可靠性高、 搞干扰能力强、 通信速率 快的c a n总线，即控制局域网 ( c o n t r o l a r e a n e t w o r k )作为控制 网络。 将现场控制级的设备进一步分散化， 现场信号的隔离更加彻 底，大大提高了系统的可靠性和可维修性。 3 . 3 h s 2 0 0 0 集散控制系统的组成， . 目 前实验室使用的为一种小型的h s 2 0 0 0 集散控制系统， 其体 系结构如图3 -2 中的操作员级和现场管理级， 它主要由系统网络、 现场阳 控制站、 操作员站和工程师站组成14 0 1 现场级 . -一，-一，-一，-一-.，- 图3 -2 h s 2 0 0 0 集散控制系统结构 系 统网 络 v i 系统网络 ( s n e t ) 是h s 2 0 0 0 系统连接工程师站、操作员站 和现场控制站等节点的实时节点的实时通讯网络， 其功能有: 由u o 现场控制站向操作员站传输数据; 各现场1 / o 控制站间的数据传递， 以 满足大范围协调控制的需要: 操作员站和工程师站向现场1 / o控 制站传递数据或控制指令信号的操作员站之间数据的一致性。 2 . 现场控制站2 现场控制站是一个可独立运行的计算机监测与控制系统，是 d c s 完成测控的重要站点。 现场控制站是h s 2 0 0 0 系统直接与现场 中南大学硕士论文 第三章 集胜控侧系统 打交道的 设备， 是一 个大 规 模的1 / 0处理系 统。 h s 2 0 0 0 系 统的 现 场控制站的内部结构如图3 -2 中的虚线框所示， 主要由主控模块、 智能u o模块、 电 源模块和专用机柜构成。 主控模块通过控制网络 ( c n e t )与各个智能u o模块实现连接. 控制网 络 ( c n e t ) 是 现场控 制站内 部 使用的网 络， 实 现 现场控 制站内的各个智能 1 / 0模块和主控模块之间的互连和信息传递。 h s 2 0 0 0 系 统， 控 制网 络采 用c a n ( c o n t r o l a r e a n e t w o r k ) 现 场总 线网， 是一种安优先级抢先占式的总线网络， 它可以与各种微处理 器连接， 并提供优先级控制， 实时性强， 支持点对点发送和广播发 送功能。 h s 2 0 0 0 的 现场控制站内 部采用了 分布式的结构， 与系统网 络 相连接的是现场控制站的主控模块， 可冗余配置。 其中主控模块由 c p u板和系统网 络接口 等组成。 在主控模块和智能u o模块上， 分 别固化了实时控制软件和v 0板级软件。 固化在现场控制站主控模块上的实时控制软件运行在一个嵌 入式的多任务处理系统中， 主要完成以下功能: 信号 转换与处理 以功能模块采集上来的数据进行线性或非线性化转换、报普处理、 输出处理等。 控制运算 以组态规定的周期完成连续控制运算、 梯形逻辑和计算公式运算。 系统提供了多种时间基准值， 有5 o m s , 1 0 o m s , 2 0 0 m s , 2 5 0 m s , 5 o 0 m s 和l o o o m s 几种， 控制周期是基准 值的任意整数倍。通信 首先是通过系统网络与上位机通信，一 方面接收工程师站或操作员站的下装数据和操作员站修改的数据， 另一方面将该站所有的实时数据以 每秒两次的频率上网 广播; 其次 通过控制网 络向u o 模板传送初始化数据和控制输出数 据并接收模 板采集的数据和报告的状态。 其它 具有自 诊断、主从切换时保 持数据一致等功能，保证系统持久运行。 u o板级软件固化在h s 2 0 0 0 系统的输入输出 ( u o) 模板中。 1 / 0模板加电自 检后， 在模板上运行的各软件将直接向主控模块请 求组态生成的初始化数据， 用以 初始化v 0模板的工作方式， 然后 进入预定的处理程序。 板级软件一般完成较低层次的功能， 如h s 2 f 4 0 a输入模板程 序只负责将模入通道采集来的二进制码做滤波处理。 另外， 板级软 件还有通信功能， 一面接收由主控模块传来的控制输出和初始化数 据， 一方面向主控模块传送数据和模板的自 检信息. 实验室中的购 买的h s 2 0 0 0 集散控制系统中1 / 0模块如表3 -1 所示。 3 .操作员站3 中南大学硕士论文 第三常 集做控侧系统 操作员站由高可靠工业徽机以及外围设备组成， 在操作员站 上运行的软件是h s 2 0 0 0 系统专用的实时监控软件， 运行在抢占式 的实时多任务操作系统中. 该软件包含的任务主要有图形显示与会 话、 报普管理与显示、 报表打印、 各种控制运算、 系统库管理、 历 史库管理、 追忆库管理等， 它们在操作系统的调度下运行。 操作员 站监控软件是d c s 最直接和最重要的人机交互界面，支持专用工 业键盘、轨迹球或触摸屏等外部设备。 表3 -1 h s 2 0 0 0 系统配置 名称功能板 调理板端子板 模拟t输入 hs 2 f 4 0 ahs 2 t 4 2 hs 2 t 3 5 a 模拟t输出 hs 2 f 4 5hs 2 t 4 5 hs 2 t 3 0 数字t输入 hs 2 f 6 0hs 2 t 6 0hs 2 t 3 6 数字t输出 hs 2 f 6 1hs 2 t 6 1 hs 2 t 3 6 脉冲量输入 hs 2 f 6 1hs 2 t 6 2hs 2 t 3 0 切换到各个画面， 画面的切换时间和刷新时间为0 . 5 秒; 在一幅流 程图上可显示立体图 形和简单的动画， 可重盛开窗口， 并实现会话 操作;可滚动显示大幅面流程图等。 控制调节 可进入各种回路 调节窗口， 修改设定值、 切换控制方式和整定回路参数等。 趋势 显示 包括模拟量和开关量和实时趋势显示两种，系统可容纳上千 条曲线。 一幅趋势画面可显示多条曲线， 曲 线可纵向 放大， 曲 线上 每一点的 值可列出。 报普管理和显示 通过强制和列表方式显示 报替信息， 在流程图上， 以闪烁、 变色、 箭头等显示有报替的对象; 报普确认后， 以回顾方式列表显示报普信息。 所有的报普列表都可 打印。 报表管理和打印 报表可通过精确定时、 事件驱动或触发 方式打印， 报表数据可存储， 以 支持历史报表和备份报表。 事故 追忆 事故发生时， 把追忆数据保存在硬盘中， 以备打印。 其它 如 通过状态图显示系统的自 诊断信息、 在线个性组态数据、 操作记录 和保护、文件转储、系统时钟个性数据库点列表、硬拷贝等。 4 .工程师站 工程师站主要是对d c s 进行离线的配置、 组态和在线的系统 监督、控制、维护网络节点.工程师站配有h s 2 0 0 0 组态软件包， 运行在中文wi n d o ws 3 .2 下。软件包中有 1 0个汉字的工具软件 或子系统， 具有方便一致的人机界面， 供用户实现应用系统的组态。 工程师站组态软件包中包含的子系统的主要功能如下: 中南大学硕士 论文 第三章 集胜 控侧系统 系统管理完成系统配置、 系统生成、 系统下装三部分功能. 系统配置即指应用系统的构成及各站的类型、 站号、 站处理能力等 情况: 系统生成是把各子系统组态生成的数据连接起来， 形成在线 的软件赖以 运行的目 标数据; 系统下装则把目 标数据通过系统网络 下装到现场控制站和操作员站. 数据库生成系统 数据库组态系统是在工程师站上通过定 义应用系统中各个站的所有配置信息来建立应用系统数据库。 则对 于h s 2 0 0 0 系统中的 现场控制站， 存在一条通信线路， 线路的 类型 为c a n，使用设备的数i为5 ，现场控制站设备的配置如表3 -2 所示。设备地址为对应 1 / o模块在现场控制站中插槽的位置，如 h s 2 f 4 0 a插在2 号插槽。 表3 -2 h s 2 0 0 0 现场控制设备配置表 设备名称设备地址相关设备工作方式 冗余状态 hs 2 f 4 0 a 2hs 2 t 4 2极性量程无 hs 2 f 4 5 3hs 2 t 4 5极性量程无 hs 2 f 6 0 4hs 2 t 6 0极性量程无 hs 2 f 6 0 5hs 2 t 6 1无 hs 2 f 6 1 6hs 2 t 6 2无 同时，在数据库组态中需要完成所有点的定义。 功能块图生成系统h s 2 0 0 0系统中的连续功能是由系统 内部定义的功能模块来完成的， 这些功能模块需要经过一个组态过 程， 即把它们按照具体要求的处理逻辑组合起来构成功能块图， 才 能成功被系统调用并执行。 利用功能块图可以完成回路控制、 报替 处理、 连续量的累加与运算， 分立逻辑等运算。 功能块图生成系统 是供用户组态生成功能块图的工具软件， 在该软件的支持下， 程序 的编制转化成为功能块图的绘制过程，只要从功能块库中选定模 块， 再按规定的数据加工流程把这些模块用信号连线连接起来。 功 能块图经过系统管理软件链接成系统库， 并下装到各站， 才能供各 在线任务访问并执行相应的运算与显示功能。 梯形图生成系统 梯形图生成系统用梯形图来表示逻辑量 之间的运算关系。 计算公式生成系统 计算公式是结构化语言( s t r u c t e d t e x t l a n g u a g e ) 的一部分，是一种表达式， 主要用于批量控制和复杂数 学计算的场合，是功能块图和梯形图的补充。 中南大学硕士论文 第三幸 集散控制系统 历史库生成系统软件是 h s 2 0 0 0用来定义应用系统历史库 的工具。 历史库中了一个记录应用系统在整个运行过程中有保存意 义的数据， 通过离线生成设置所有点的存储要求， 再由在线运行的 历史库管理任务完成历史数据的采集和保存。 追忆库生成系统 是h s 2 0 0 0 系统用来组态应用系统追忆数 据库的工具软件。 图形生成系统是 h s 2 0 0 0系统用来生成应用所需的种种流 程图的工具软件.它提供了 方便的绘图工具和丰富的动态点类型， 可高效地生成高质19 的画面， 满足过程在监控方面的要求。 报表生成系统是 h s 2 0 0 0系统为用户提供了图形化的报表 生成软件， 组态过程中， 由用户在报表编辑窗口内任意绘制所需的 表格。 引用生成系统完成对引用点及类型进行说明。 3 . 4集散控制系统组态原理 h s 2 0 0 0给用户提供的是一个通用的系统组态和运行控制平 台， 应用系统需要通过工程师站软件组态产生， 即把通用系统提供 的模块化功能单元按一定的逻辑组合起来， 形成一个完成特定要求 的应用系统. 系统组态后将产生应用于系统的数据库、 控制运算程 序、历史数据库、 监控流程图以及各类生产管理报表。 1 .系统配置及数据库组态 h s 2 0 0 0 集散控制系统由 工程师站， 操作员站和现场控制站构 成， 其中 现场控制站中包括有模拟量输入、 输出 模块、 数字量输入、 输出模块和脉冲量输入模块与现场信号相连。 对应的信号在数据库 中定义，组态过程中的中间量和时间量也应该在数据库中定义。 2 .编程控制运算程序 编程的主要步骤是编辑与编译。编辑即用户功能块图、梯形 图、 公式、 引用点的输入过程， 产生各种源文件进行语法检查， 并 把它们转换成中间文件， 引用生成、 功能块图、 梯形图生成和计算 公式的编辑可以同时交互着进行， 但它们的编译顺序要严格按以下 规定 进行(3 9 1 . 引用数据库 功能块图 计算公式 梯形图 中南大学硕士论文 第三章集欣控制系统 只有在引用组态中定义过的 且编译通过了 的点，在