（电工理论与新技术专业论文）串并联螺杆压缩机组控制系统的研究与实现.pdf

r e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o no fs e r i e s p a r a l l e lc o n n e c t i o n -l l o l u b r i c a t e ds c r e wc o r n d r e s s o r sc o n t r o ls y s t e m a b s t r a c t e x p e r i m e n t a la d v a n c e ds u p e r c o n d u c t i n gt o k a m a k ( e a s t ) i st h ef i r s to p e r a t i n gf u l l y s u p e r c o n d u c t i n gd e v i c ef o rn u c l e a rf u s i o ne x p e r i m e n t si nt h ew o r l d t h ec r y o g e n i cs y s t e m s u p p l i e sac r y o g e n i ce n v i r o n m e n tt ok e 印t h es u p e r c o n d u c t i n gm a g n e t si nt h es t e a d ya n d r e l i a b l eo p e r a t i o n c r y o g e n i cs y s t e mc o m p r i s e sac o m p r e s s o rs t a t i o n , ah e l i u mr e f r i g e r a t o r s u b s y s t e m , ah e l i u md i s t r i b u t i o ns y s t e m s c r e wc o m p r e s s o r si sa ni m p o r t a n tp a r to ft h e c r y o g e n i cs y s t e m t or e a l i z ea u t o m a t i cc o n t r o lo fc o m p r e s s o r sh a sag r e a ts i g n i f i c a n c et o e c o n o m i z ee n e r g y , i n c r e a s ee f f i c i e n c yo ft h er e f r i g e r a t o ra n de n s u r et h en u c l e a rf u s i o n e x p e r i m e n to p e r a t en o r m a l l y d u et ov a r i a b l e sc o u p l i n g ，d i f f i c u l t - t o m o d e l ，u n c e r t a i n t ya n dt i m el a go fs l i d ev a l v e ， t h ep a p e rp r e s e n t san o v e lc o n t r o li d e aw h i c hc o m b i n ee x p e r tc o n t r o la n dr e g u l a r p r o p o r t i o n a l - i n t e g r a l - d e r i v a t i v e ( p i d ) c o n t r 0 1 t h e3s t a g ep r e s s u r ec o n t r o ll o o p sa r e e x p m i m e dd e t a i l e d l y s i m u l a t i o nr e s e a r c hi sc a r r i e do u tb a s e do ns y s t e mi d e n t i f i c a t i o no f p r e s s u r ec o n t r o ll o o p s a l s oa c t u a lr u n n i n ge f f e c t sa r ep r e s e n t e d t h ep a p e ra n a l y z e st h e a u t o m a t i cs t a r ts c h e m e ，a u t o m a t i c s t o ps c h e m ea n di n t e r l o c kp r o t e c t i o no fs c r e w c o m p r e s s o r s t h ep a p e rl u c u b r a t e so nt h ee n g i n e e r i n gt u n em e t h o d so fp i dc o n t r o l l e r s t h e a p p l i c a t i o no fl i m i tl o o pa u t o m a t i ct u n ea l g o r i t h mb a s e do nr e l a yo s c i l l a t i o np r i n c i p l ei s e m p h a t i ce x p o u n d e d a i m a ta c t u a ll o o p so ft h ec o m p r e s s o r sc o n t r o ls y s t e m a tp r e s e n tt h ec o m p r e s s o r sc o n t r o ls y s t e mh a sb e e na l r e a d ye x a m i n e dt h r o u g ht h r e e t u r nc o o ld o w ne x p e r i m e n t ，w h o s em o v e m e n tw a sg o o dc o n d i t i o n k e y w o r d s ： c r y o g e n i cc o n t r o ls y s t e m ，d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，e x p e r tc o n t r o l ， p r o p o r t i o n a l i n t e g r a l d e r i v a t i v ec o n t r o l ，s p l i t t e rc o n t r o l ，s e q u e n t i a lc o n t r o l ，p a r a m e t e r t u n i n g ，l i m i tl o o pa u t o m a t i ct u l l e ，i n t e r l o c ka n dp r o t e c t i o n v 表格清单 表2 1 低温控制系统控制网络配置表1 0 表2 2p 1 2 2 2 3 模块a i 功能块参数设置1 1 表2 3p i c l l 0 4 模块a 1 1 p i d l a 0 1 功能块主要参数设置1 4 表3 1 螺杆压缩机的主要参数1 8 表4 1 压缩机报警联锁保护参数表4 2 表5 1 i | 缶界振荡整定计算公式5 2 表5 2 阻尼振荡整定计算公式。5 3 表5 3 阻尼振荡整定计算公式5 4 表5 4 自衡过程的整定计算公式( 、i ，= o 7 5 ，p 为自平衡率) 5 5 表6 1 分程控制功能块参数设置7 1 插图清单 图2 1d e l t av 系统结构简图4 图2 2e a s t 低温控制系统结构图8 图2 3 使用控制工作室设置功能块p 1 2 2 2 3 属性1 l 图2 4d i 功能块组态1 2 图2 5d o 功能块组态13 图2 6 单变量控制回路的组态1 3 图3 1 单台螺杆压缩机组流程图1 6 图3 2 压缩机站简图18 图3 4 压缩机站杂质去除流程图2 0 图3 5 三组低温纯化器简图2 l 图3 6 螺杆压缩机的滑阀调节2 2 图3 7 螺杆式制冷压缩机排气量和滑阀位置关系曲线2 2 图4 1 单序列、选择序列与并行序列2 6 图4 2 转换的同步实现2 7 图4 3 压缩机组自动启动流程c o m p ss t a r t 3 0 图4 4c 110 0 的启动流程3l 图4 5c 11 0 0 的停机流程3 2 图4 6 第二台低压机自动启动流程3 3 图4 7 第二台低压机自动停机流程3 4 图4 8 第二台高压机自动启动流程3 5 图4 9 第二台高压机自动停机流程3 6 图4 1 0l # 压缩机故障停机流程。3 6 图4 1 1 中间冷却器后压力超高位停机流程3 7 图4 1 2 后冷却器后压力超高位停机流程3 7 图4 1 3 冷却水压力超低位停机流程3 8 图4 1 4 压缩机组停机流程3 9 图4 1 5 顺序功能图的结构4 0 图4 1 6 压缩机互锁组态4 3 图5 1 模拟p i d 控制系统原理框图4 4 图5 2 位置式p i d 控制系统。4 6 图5 3 增量式p i d 控制系统框图。4 6 图5 4 不完全微分p i d 控制算法结构图4 9 图5 5 微分先行p i d 控制结构图4 9 图5 6 带死区的p i d 控制系统框图5 0 图5 7 等幅振荡过程。5 l 图5 84 ：l 衰减曲线。5 2 图5 91 0 ：1 衰减曲线5 3 图5 1 0 广义过程阶跃响应曲线示意图。5 4 图5 1 1 自衡过程的阶跃响应曲线5 5 图5 1 2 采用继电器替代控制器的闭环系统5 6 图5 1 3 继电器型自整定原理框图5 6 图5 1 4 高压级压缩机吸气压力控制框图。5 7 图5 1 5 高压级压缩机吸气压力控制组态图( p i c l1 0 4 ) 5 7 图5 1 6 极限环自整定法整定过程5 8 图5 1 7p m 参数自整定图5 8 图5 18 阶跃响应曲线5 9 图5 1 9 设置死区的控制效果6 0 图6 1 螺杆压缩机组简化控制模型6 2 图6 2 分程控制框图6 4 图6 3调节阀同向动作6 5 图6 4 调节阀异向动作6 5 图6 5 选择性控制系统1 6 6 图6 6 选择性控制系统2 6 7 图6 7 选择性控制系统3 6 7 图6 8 专家控制系统的结构框图6 8 图6 9 专家控制系统的类型6 9 图6 1 0 低压级压缩机吸气压力的分程控制框图7 0 图6 1 1 分程控制组态框图7 1 图6 1 2 调节阀同向动作7 1 图6 13l p 实际运行曲线7 2 图6 17m p 实际运行曲线。7 3 图6 18 压缩机总排气压力控制框图7 4 图6 1 9 调节阀异向动作7 5 图6 2 0 补气阀v 1810 的组态图7 5 图6 2 l 收气阀v 1 8 4 0 的组态图7 6 图6 2 2 收气阀v 1 8 4 2 控制组态图( p i c l 7 6 0v 1 8 4 2 ) 7 6 图6 2 3 收气阀v 1 8 4 2 的阀门组态图( h v l 8 4 2 ) 7 7 图6 2 4 低压级压缩机吸气压力控制框图7 7 图6 2 5 高压级压缩机吸气压力控制框图7 7 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得 金胆工业太堂 或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：缈白互 签字日期：j 。口占年月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金起王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权金a 巴王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：够臼乏 导师签名： 柱世饯 签字e l 期：p 口占年月日签字日期： d 萝年6 月j 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 致谢 本论文是在杜世俊教授和庄明高工两位导师指导下完成的，从论文的选题、 课题的展开到最后撰写论文的每一个环节，无不倾注了两位导师的心血。杜老 师严谨的治学态度、勤恳的工作作风、渊博的学识和宽厚待人的处事态度让我 受益匪浅。庄老师严谨求实的工作作风和乐观的生活态度使我在学习和工作上 取得很大的进步。两位导师无论在学业、工作和生活上都给予我亲切的关怀和 热心的指导，在此我向两位导师表示衷心的感谢! 感谢低温中心主任白红宇研究员在学习和生活上给予真诚的帮助，在我工 作期间，白红宇研究员给予了很大的帮助和指导。同时感谢中科院等离子所八 室的其他老师、同事和同学们，感谢袁春燕博士、金毅彬博士、冯汉升博士、 刘小明、付豹、丁小东、黄晖、周芷伟、胡良兵、张欣慰等同学对我工作、学 习和生活上的帮助。 感谢合肥工业大学电机教研室的老师和同学对我学习上的帮助。在我多年 的求学岁月中，我的家人付出了巨大的心血，对他们一如既往的支持与深深的 关爱表示我由衷的感谢! 最后，感谢所有关心与帮助过我的老师和同学! 作者：姚自立 2 0 0 8 年4 月2 8 日 第一章引言 1 1 课题背景 众所周知，能源是人类社会生存和发展所必须的。目前广泛使用的能源主 要是煤、石油和天然气，但是这些燃料的储量十分有限，人类发展面临能源危 机，开发利用新能源已是迫在眉睫的任务了。 关于新能源的开发，目前除太阳能之外，最有发展前途的当属核能。核能 的开发有两条途径：重核的裂变和轻核的聚变“羽。核裂变燃料是有限的，同时 也存在放射污染问题。轻核聚变能为人类社会提供大量的洁净能源，但作为稳 定的、能广泛使用的能源，核聚变反应必须是稳态可控的，由此导致了一个研 究领域的诞生：受控热核聚变。该领域的目标是：在实验室中产生可控的核聚 变，并最终建立具有商业价值的聚变能电站，使人类的能源问题得到彻底解 决使人类的可持续发展得到根本保证。 1 9 6 8 年，前苏联在环形磁约束装置t 3 托卡马克( t o k a m a k ) 上开发聚变能 取得了突破性进展，从此，托卡马克成为受控核聚变研究的主要实验装置。 中国的核聚变发展己具备很好的基础，3 0 多年来建成了一批以h t - 7 超导托卡 马克和h l i m 托卡马克为代表的中小型实验装置，h t - 7 物理实验连续取得了 重大进展，2 0 0 5 年冬季实验的长脉冲运行的持续时间最长为3 0 2 秒，创历史新 高。e a s t ( e x p e r i m e n t a la d v a n c e ds u p e r c o n d u c t i v et o k a m a k 全超导托卡马 克) 是中科院等离子体物理研究所承担的国家“九五”大科学工程，2 0 0 5 年底完 成了主机总装以及各分系统的研制和安装工作，2 0 0 6 年初成功进行了首次工程 调试。并于2 0 0 6 年9 月2 8 日在进行首轮物理放电实验的过程中，成功获得电 流大于2 0 0 千安，时间接近3 秒的高温等离子体放电。这标志着世界上新一代 超导托卡马克核聚变实验装置已在中国首先建成并正式投入运行，该装置的主 要科学目标是探索稳态的先进运行模式，为发展经济、可靠的聚变堆奠定物理 和工程技术基础。 由强磁场来约束高温等离子体被认为是实现可控核聚变最有前途的方法， 这种方法由于磁体的大型化，使用超导技术则是未来聚变堆的唯一选择。现在 建造的较大的磁约束核聚变装置无一不采用超导磁体，e a s t 装置也不例外。 大型超导磁体的超导材料主要采用低温超导材料，如n b t i 和n b 3 s n 。要使超导 体工作于超导态，应将其温度降至临界温度以下，对于n b t i 和n b a s n 只能用 氦作为制冷剂来制冷。根据超导磁体系统冷却的要求不同，制冷机可提供不同 温区的制冷量，或同时制冷和液化。所有这些制冷或液化过程都是在封闭的系 统中由氦制冷机完成，制冷机的容量大小选择则是由磁体系统的各种热负荷决 定的。e a s t 低温系统由压缩机站、制冷机系统和低温分配系统三个部分组成， 压缩机站是e a s t 低温系统的关键子系统之一，它除了要提供所需要的高压氦 气之外，还要满足以下几点： 一是高可靠性。e a s t 一次实验运行往往持续几个月，如果压缩机站出了 故障，不能提供制冷机所需的高压氦气，实验将不得不立即终止。 二是高效率，以减少运行费用。对于e a s t 低温系统的压缩机站，这点尤 其重要。 三是高适应性。根据超导磁体实验的不同阶段的不同需要，制冷机的负载 有各种不同的运行模式，因而对制冷量的要求也会不一样。这就需要制冷机在 各种不同模式下都能满足负载的需要，并且当运行模式偏离基本模式时还要有 较高的效率，对一般突变的负荷波动有自适应能力。 四是自动化。压缩机站有7 台压缩机，其中4 台为低压机，3 台为高压机。 压缩机的启动和压力的控制较复杂，为简化压缩机的控制操作，以利于压缩机 站长期稳定运行，需提高压缩机的自动化程度，实现压缩机站的自动化控制。 1 2 论文的意义及其主要内容 e a s t 低温系统负责给超导磁体的运行提供一个稳定、可靠的低温环境， 是e a s t 全超导托卡马克装置能否成功、稳定运行的关键外围子系统之一。 e a s t 低温系统主要由压缩机站、制冷机系统和分配系统三个部分组成，这三 部分的地理位置比较分散，既相互独立又相互关联。e a s t 低温系统的制冷机 对压缩机站提供的高压氦气有很高的可靠性、稳定性和实时性要求，依靠手动 或者半自动的操作显得力不从心。为了实现压缩机站的安全可靠操作，压缩机 站的自动控制应运而生。本文着重研究并实现低温系统的压缩机站自动控制， 这对于e a s t 试验的正常运行、降低工人劳动强度是非常必要和具有重大意义 的。 本文以压缩机站控制系统的设计、研究和实现为目标，主要从压缩机站控 制系统的软硬件结构、主要的复杂控制回路如压缩机进排气压力自动控制回路、 压缩机启动升压控制的设计及实现和p i d 回路的工程整定方法等方面，研究压 缩机的自动控制技术。 2 第二章d e l t a v 集散控制系统及其应用 2 1 集散控制系统 集散控制系统u ( d c s ) 是2 0 世纪7 0 年代中期发展起来的以微处理器为 基础的分散型计算机控制系统，它是控制技术、计算机技术、通讯技术、阴极 射线管图形显示技术和网络技术相结合的产物。该装置是利用计算机技术对生 产过程进行集中监控、操作、管理和分散控制的一种分布式计算机控制系统。 d c s 不仅具有连续控制和逻辑控制功能，而且具有顺序控制和批量控制的 功能。因此，d c s 既可用于连续过程工业，也可用于连续和离散混合的间隙过 程工业。总之，d c s 已经在过程控制领域得到了广泛的应用，不仅用于分散控 制，而且向着集成管理的方向发展。在计算机集成制造系统或计算机集成过程 系统中，d c s 是基础，通过其开放式网络与上层管理网络相连，实现控制与管 理的信息集成，进而实现企业的生产、控制和管理的集成，以求得企业的全局 优化。 d c s 自问世以来，随着计算机、控制、通讯和屏幕显示技术的发展，其一 直处于上升发展状态，广泛地应用于工业控制的各个领域。究其原因是d c s 有 一系列特点和优点乜们，主要表现在以下6 个方面：分散性和集中性，自治性和 协调性，灵活性和扩展性，先进性和继承性，可靠性和适应性，友好性和新颖 性。 现在国内外有多种d c s 的产品，其中d e l t a v 控制系统就是一种集散控制 系统，我们先介绍d e l t a v 控制系统。 2 2d e l t a v 集散控制系统 2 2 1d e l t a v 系统概述 d e l t a v 控制系统n 5 1 是e m e r s o n 公司在传统d c s 基础上，并结合2 0 世纪9 0 年代的新技术于1 9 9 6 年推出的一种新型的全数字化的、规模可变的过程控制系 统，结合了智能型现场设备和数字化通信。d e l t a v 系统集d c s 的众多优势， 如系统的安全性、冗余功能、用户界面集成、信息集成等。该系统克服了传统 d c s 的不足，具有结构简单、性能可靠、组态方便、兼容性强和灵活可变等特 点，在全球范围内得到了广泛应用。 2 2 2d e l t a v 系统的结构 d e l t a v 系统一般由工作站( w o r k s t a t i o n ) 、集线器( h u b ) 、控制器( c o n t r o l l e r ) 及i o 子系统组成。每套d e l t a v 系统的最大节点数可达1 2 0 个，可以有6 0 个 工作站，1 0 0 个控制器( 包括冗余控制器) 。d e l t a v 系统的结构图如图2 1 所示。 操作员站 操作员站 图2 1d e l t a v 系统结构简图 图2 1 中，实线表示的为主控制网络，虚线表示的为副控制网络，也就是 冗余控制网络。其中，控制器是d e l t a v 控制系统的核心，执行数据处理和设备 控制等任务。各个设备的控制策略都装在控制器中，即使操作站断开，控制器 照常执行控制任务。控制器卡上有两个接口分别接到主机的两个网卡上，支持 冗余。控制器的电源由与它相邻的电源卡来提供。操作站提供了一系列软件， 可以通过操作员界面来实现人机对话、系统组态、画面监控及报警提示、 系统自诊断、打印报表等功能。 操作站与控制器之间的通信通过集线器( h u b ) 来完成，为了确保系统可 靠运行，采用两个集线器，用冗余结构将控制器和工作站连接起来。i o 卡执 行a d 转换和数据通信的任务，现场仪表的模拟信号和数字信号通过i o 卡进 入控制器处理。 2 2 3d e l t a v 系统的技术特点 d e l t a v 控制系统与其他的d c s 相比，具有以下技术特点。 1 基金会现场总线标准的数据结构 系统的数据结构完全符合基金会现场总线( f f ) 标准，可支持f f 功能的 现场总线设备。该系统可以接收目前4 - 2 0 m a 信号、h a r t 智能信号、开关量 信号的同时接收f f 信号，而不需要增加或改变任何系统软件或应用软件。 2 开放的网络结构与o p c 技术 可采用o p c 技术将d e l t a v 系统与工厂管理网络连接，避免了在建立工厂 管理网络时进行二次接口的开发。实现各工段、车间及全厂信息与数据的共享， 提高生产效率，改变管理质量。 3 模块化结构设计 4 d e l t a v 控制系统的硬件、软件均采用模块化设计，系统的安装、组态及维 护非常简单，且与其他系统集成容易，具有很好的开放性。它运用先进的控制 技术、通信技术、计算机技术和图形显示技术对生产过程进行监控与操作，同 时对生产过程信息进行监控与操作，并对收集到的信息进行处理，形成管理所 需的各种画面和报表。模块化的结构设计使得系统的设计变得简单，不同的工 艺、装置只需要对不同的模块进行组态就可以满足要求，使得系统规模灵活可 变，可以更好、更灵活地满足企业生产中对生产规模不断扩大的需求。 4 组态简单、即插即用 控制方案的组态采用标准功能块连接的方式组成，不需填表格，鼠标拖放 式组态使得组态非常简单。而且，该系统还可通过网关设置远程工作站进行组 态和控制，可通过互联网远程监视和故障诊断，并且可离线组态和仿真。 具有即插即用、自动识别系统硬件的功能，大大降低了系统安装、组态及 维护的工作量。所有卡件均可带电插拔，操作维护时不必停车。另外，系统还 可实现在线扩展。 5 控制器冗余设计 控制器具有在线完全冗余功能，只需要将冗余控制器用标准插口与运行的 控制器插接起来，系统就可自动完成控制器冗余，不需任何组态、停车和额外 接线，对系统不会造成任何影响。i o 卡件的冗余也不需任何组态，由系统自 动识别完成。 6 智能性 控制器、卡件均具有智能性，并且内置有智能设备管理系统，可以对现场 智能设备进行远程维护、诊断，减少企业因仪表、阀门等故障引起的非计划停 车，增加连续生产周期，保证生产的平稳性。 2 2 4 分散过程控制装置 1 d e l t a v 控制器 控制器实现现场信号与控制网络其它节点如工程师站间的通讯和执行工程 师站下载的控制策略，它的传输速率可达1 0 0 m b s ，高传输速率可带来c p u 占 用率低、控制策略容量大等优点。单回路控制中可以在l o o m s 内完成从接收现 场信号、完成控制策略到将输出信号送至执行机构的过程，对于工业过程的控 制系统而言，在控制速度上完全达到要求。为了提高低温控制系统的可靠度， 控制器均为冗余配置。 2 d e l t a vi o 卡件 d e l t a v 系统的所有i o 卡件均为模块化设计，而且具有即插即用、自动识 别、带电插拔功能。d e l t a v 系统提供的i o 卡件有两大类：一类是传统i o 卡 件，另一类是现场总线接口卡件( f f h i ) 。 5 2 2 5 集中操作管理装置 d e l t a v 的集中操作管理装置就是d e l t a v 的系统工作站，它是d e l t a v 系统 的人机界面，通过该装置，操作人员、工程管理人员及管理人员可以随时了解、 管理并控制整个企业的生产及计划。d e l t a v 的集中操作管理装置分为三种，即 工程师站、操作员工作站和应用工作站。 1 程师站 每个d e l t a v 系统都需要有并且只有一个工程师站，该工作站包含d e l t a v 系统的全部数据库，系统的所有位号和控制策略被映象到d e l t a v 系统的每个节 点设备。工程师站配置系统组态、控制及维护的所有工具：i e c l l 3 1 图形标准 的组态环境到o p c 、图形和历史组态工具。用户管理工作也在这里完成，比如 设置系统许可和安全口令。另外，一旦工程师站出现故障，d e l t a v 系统的其它 工作站可升级为工程师站，而不影响整个系统的正常运行。同时，工程师站还 可用作操作员工作站。 2 操作员工作站 d e l t a v 的操作员工作站，运行过程控制系统的操作管理功能：操作员站可 提供友好的用户界面、实时和历史趋势、由用户规定的过程报警优先级和整个 系统安全保证等功能，可使用标准的操作员界面，也可以根据用户的操作需求 和流程特点组态系统操作界面，通过单击操作就可调出图形、目录和其他应用 界面。另外d e l t a v 操作站还具有管理和诊断等功能。 3 应用工作站 d e l t a v 系统的应用工作站用于支持该系统与其他网络的通信，如工厂管理 局域网( l a n ) 之间的连接。应用工作站可运行第三方应用软件包，并将第三 方应用软件的数据链接到d e l t a v 系统中。该工作站也具有操作方便、位号组态 唯一的特点。另外它具有o p c 服务器，可将过程信息与其他应用软件集成， o p c 可支持每秒6 万多个过程数据的通信，因此d e l t a v 系统的应用工作站可 以提供迅速、可靠的信息集成。 2 2 6d e l t a v 系统软件 d e l t a v 系统软件包括组态软件、控制软件、操作软件及诊断软件等。 2 2 6 1 组态软件 d e l t a v 组态软件需要m i c r o s o f tw i n d o w sn t 操作系统支持，利用w i n d o w s n t 提供的友好界面可以快速、简便地完成控制系统的组态。d e l t a v 组态工作 室软件具有标准的预组态模块，还可以根据需要自行设置自定义模块，利用这 些模块可以方便地进行系统组态。组态工作室配备有图形化控制模块库、标准 图形符号库和操作员界面。 d e l t a v 组态软件可以提供功能强大的组态工具，主要有以下几方面。 6 1 图形工作室 d e l t a v 系统的图形工作室，利用图形、文字、数据和动画制作工具为操作 人员组态实时的、高分辨率的过程流程图，系统操作人员可以通过操作员界面 进行过程监控。d e l t a v 系统的图形工作室已经预先安装了一些预定义功能，如 控制面板、显示目录和报警简报等。用户可以将精力集中于制作合适的显示图 形画面，而不是整个操作员界面的设计和布局。当在图形显示中使用模块信息 时，用户不需要知道模块的物理位置，也不需要执行任何数据库映象操作，只 需要知道模块名称就可以从系统中浏览该模块。 2 控制工作室 控制工作室以图形方式组态和修改控制策略的功能块。控制工作室将每个 模块视为单独的实体，允许只对控制器中的某一模块进行操作而不影响同一控 制器中运行的其他模块。d e l t a v 系统的控制工作室为用户提供多种组态语言， 即功能块图和顺序功能图，用户可以根据需要选择适当的控制语言对系统进行 组态。当用户使用图形方式组态控制模块时，只要将所需的控制功能模块从模 块库中拖放到模块图里，然后用连线组合模块算法即可。d e l t a v 系统的所有通 信都是基于模块位号进行的，控制器间模块与模块的通信对组态是完全透明的。 由于控制语言是图形化的，所以组态中看到的控制策略图就是系统真正执行的 控制策略，不需要另外再进行编辑。 3 d e l t a v 用户管理器 d e l t a v 系统包括了功能强大、使用灵活的系统安全结构，安全性高。该系 统可以为每个参数定义系统范围内的安全性。所有对d e l t a v 系统的操作都要进 行安全检查，以保证每个用户的每项操作都有正确的权限。 d e l t a v 系统的用户密码是作为n t 安全性的一部分来进行维护的。d e l t a v 系统通过用户管理器来对不同的用户定义不同的操作权限，比如：操作员与管 理人员具有不同的操作权限。操作员允许修改他操作工段范围内的操作参数， 而工艺主任或仪表工程师用户可修改操作参数外，还可以修改所选的整定参数。 2 2 6 2 控制软件 d e l t a v 系统的控制软件，在d e l t a v 系统控制器中提供完整的模拟、数字和 顺序控制功能。它可以管理从简单的监视到复杂的控制过程数据。控制软件包 括显示、趋势、报警和历史数据的能力，这些数据通过d e l t a v 系统的i o 子系 统送到控制器。控制软件还包括数字控制功能和顺序功能图表。 d e l t a v 使用功能块图来连续执行计算、过程监视和控制策略。d e l t a v 功能 块符合基金会现场总线标准，同时又增加和扩展了一些功能块以满足控制策略 设计更灵活的要求。基金会现场总线标准的功能块，可以在系统控制器中执行， 也可在基金会现场总线标准的现场设备中执行。 2 2 6 3 操作管理软件 7 d e l t a v 系统的操作员界面软件组有一整套高性能的工具满足操作需要。这 些工具包括操作员图形、报警管理和报警简报、实时趋势和在线上下文相关帮 助。强大的安全性确保了只有那些有权限的操作员可以修改过程参数或访问特 殊信息。 2 2 6 4 诊断软件 d e l t a v 系统提供了覆盖整个系统及现场设备的诊断，不论是用于检查网络 通信、验证控制器冗余，还是检查智能现场设备的状态信息，d e l t a v 系统的诊 断功能都可以简便地获取诊断信息。 2 2 7 先进的控制软件( a d v a n c e dc o n t r o ls o f t w a r e ) 先进的控制软件有d e l t a vt u n e 软件、d e l t a vf u z z yl o g i c 软件、d e l t a vp r e d i c t 软件、d e l t a v 神经网络软件和d e l t a v 仿真软件等。 2 3e a s t 低温控制系统的硬件结构设计 在分析和研究低温控制系统的基础上，结合e a s t 低温系统的特点和数据 采集控制要求，对国内外多家公司的d c s 和p l c 产品进行了调研、分析和比 较，最终选择美国e m e r s o n 公司的d e l t a v 集散控制系统，设计出以d e l t a v 控 制系统为主的e a s t 低温控制系统，其结构图如图2 2 所示。 h 。盯川i ! 可甲一l l 一”i 【 t 一甲了 。i 。l 艨洳l( l熬语变换l njf总拽 妇j 同 1 上 1 l l 热| r e d u a d 2 n tm 。| lr 笔裂叫 期。蝣删氆数据纂茂限 。k 。j 。黟 了“ 嚣o 。弧：薹缨髦鍪g 燃曼： l 熬撂杀集表i熊据系荣本l 落攫io 卡 。 d c s l0 卡 l 压缩机站拇键 l低甚j 嚆三系垮l 碳电阻溢鏖计ile 点田裘嚣舒件诲腰l 图2 2e a s t 低温控制系统结构图 由图2 2 所示，e a s t 低温控制系统有一台工程师站( d v i n s t ) ，一台应 用工作站( a p p ) ，四台操作站( o p l 、o p 2 、o p 3 ，o p 3 ) ，两对冗余m d 控制 器及其电源、d e l t a v 系统的i o 卡件及m - s y s t e m 提供的r e m o t ei o 卡件、两 台网络交换机( h u b ) 等组成。 臣 2 3 1 控制器( c o n t r o l l e r ) 配置两对冗余的m d 控制器卡分别作为低温系统中制冷机系统和装置分配 系统的控制单元，其中1 # 控制柜中冗余的m d 控制器还负责压缩机站数据的 处理。m d 控制器采用m o t o r o l a 公司主频为1 3 3 m h z 、内存为3 2 m b 的p o w e r 8 6 0 4 0 芯片，其功能是实现现场信号与控制网络其它节点如工程师站间的通讯 和执行工程师站下载的控制策略。传输速率可达1 0 0 m b s ，高传输速率可带来 c p u 占用率低、控制策略容量大等优点。单回路控制中可以在l o o m s 内完成从 接收现场信号、完成控制策略到将输出信号送至执行机构的过程，对于类似于 工业过程系统的e a s t 低温系统而言，在控制速度上完全达到要求。为了提高 低温控制系统的可靠度，控制器均为冗余配置，这样当主控制器故障时，备用 控制器立刻取代主控制器执行控制策略，避免了对低温系统的影响。 2 3 2 控制柜 e a s t 低温系统主要由压缩机站系统、制冷机系统和低温分配系统三个部 分组成，压缩机站配置3 # 机柜，制冷机系统和分配系统分别配置了控制机柜， 控制机柜中安装冗余控制器卡、冗余电源卡、信号采集( i o ) 卡、通讯卡和交 换机等。1 # 控制机柜主要负责制冷机系统和压缩机站参与控制的参数，2 # 控 制机柜主要负责分配系统，l # 和2 # 控制机柜以及工程师站、操作员站均位于 低温控制室。 压缩机站现场与低温控制室相隔近1 0 0 m ，我们在压缩机现场配置3 # 机柜， 选用m s y s t e m 公司的r 5 系列远程数据采集卡( r e m o t ei o ) 对压缩机站仅需 监视的信号进行采集，通过串口通讯卡和m o d b u s 协议将压缩机站数据以数据 包格式发送给1 # 控制机柜的主控系统通讯卡，从而将压缩机站数据集成到 d c s 中。我们将压缩机站参与控制的1 8 路信号直接从压缩机现场接入l # 控制 机柜。这样设计的优点是既降低了成本，又不影响压缩机站中重要回路的控制 效果。 2 3 3i o 卡 压缩机站的信号采集( i o ) 卡有a i ( 模拟量输入) 、a o ( 模拟量输出) 、 r t d ( 温度信号采集) 、d i ( 数字输入) 和d o ( 数字输出) 卡。 a i 为模拟量输入信号采集卡：选用d e l t a v 传统的a i 卡均为4 2 0 m a 输 入、8 通道卡，2 线制和4 线制的区别在于现场信号变送器是否需要单独供电： 选用r 5 的a i 卡均为2 通道卡，可采集4 - - 。2 0 m a 输入和1 5 v 输入信号。 a o 为模拟量输出卡：选用d e l t a v 传统的a o 卡为4 2 0 m a 输出、8 通道 卡，系统中的大部分a o 信号为气动调节阀输出。 d i 为数字量输入采集卡：d o 为数字量输出卡。选用d e l t a v 传统的d i 、 9 d o 卡为3 2 通道卡；选用r 5 的d i 、d o 卡为1 6 通道卡，d i 卡均为干节点信 号，d o 卡均为高端输出。 r t d 为常规温度计信号采集卡：可接收p t l 0 0 、p t 2 0 0 、n i l 2 0 等温度传感 器信号，d e l t a v 传统的r t d 卡还可接收电阻输入，再利用拟合公式计算出温 度值。选用d e l t a v 传统的r t d 卡为8 通道卡，而选用r 5 的r t d 卡为2 通道 卡。低温系统的常规温度计均为p t l 0 0 。 各种信号采集卡的数量主要是根据压缩机站的点位数来确定，同时为了系 统扩展的需要，压缩机站点位要有一定的冗余。 2 3 4 控制网络 低温控制系统的控制网络以冗余以太网为基础，将t c p i p 协议、o p c 协 议、m o d b u s 协议和r s 2 3 2 4 8 5 协议相结合n 们，分别发挥了这些网络通讯协议 的优点，设计了低温系统的网络拓扑结构，满足了数据采集的要求。系统的所 有节点( 操作站和控制器) 均直接连接到控制网络上，不需要增加任何额外的 中间接口设备。简单灵活的网络结构可支持就地和远程操作站及控制设备，低 温控制系统控制网络的配置如表2 1 所示。 表2 1 低温控制系统控制网络配置表 站点节点