毕业设计（论文）-DCS过程计算机控制系统在磷肥厂引气车间的应用.doc

本 科 毕 业 设 计 第 26 页 共 27 页1.绪论1.1本课题的意义随着国民经济体制的改变，使国内的众多工业生产过程日益感受到国际间竞争所带来的压力和挑战。在这种大的背景下，积极开发和应用自动化控制系统和优化控制技术以提高企业经济效益，进而增强自身的竞争力是流程工业迎接挑战的重要对策。现代控制理论和人工智能几十年来的发展已经为优化控制奠定了应用理论基础，而控制计算机尤其是集散型控制系统的普及与提高，则为相关优化控制技术的应用提供了强有力的硬件和软件平台。基于DCS的优化控制技术是对那些不同于常规单回路PID控制，并且比常规PID控制更好控制效果的控制策略的统称，并非专指某种计算机控制算法，其一般用来处理那些采用常规控制效果不好，甚至无法控制的复杂工业过程控制的问题。基于DCS的优化控制技术的应用可带来显著的经济效益，此外从全厂综合自动化的角度看，基于DCS的优化控制系统恰好处在承上启下的重要位置。性能良好的自控控制是在线优化得以有效实施的前提，并进而可将企业的经营决策，生产管理和调度的有关信息及时落实到各个生产装置的实际运行中，真正实现全厂综合优化控制。1.2 国内外发展现状过程计算机控制系统的发展是与计算机技术的发展密切相关的，20世纪70年代中期以来进入以采用4C技术(计算机、通信、控制、CRT)为特征的集散型控制系统(DCS)的发展时期。从系统结构分析，DCS可分为三大基本部分：分散过程控制装置部分、集中操作和管理系统部分以及通信系统部分。据有关统计数字表明，1975年以来美国智能仪器仪表以每年35 的速度遗增， (而一般仪表则只有25)，1978年采用微处理器的仪表品种已占仪表品种总数62 ， 前苏联在同期也占到35 。智能传感器与微处理器技术相结合后， 不仅能对其非线性、环境因素进行补偿， 从而具有精度高，线性好的优点， 而且有远距离通讯接口和自诊断功能。智能控制仪表从单纯的PID反馈调节发展到目前以微处理器为基础的分散型综合控制。其特征是信息和操作管理集中化而控制分散化。同时对人机接口装置的智能化要求提高。智能测试仪器一般具有远距离通讯能力，不同程度的自诊断能力， 部分具有专家系统。仪器仪表是认识世界的工具。仪器仪表作为一种信息工具，起着不可或缺的信息源作用。仪器仪表是国家科技发展水平的标志，特别是在高新技术发展的信息化时代，器仪表完全是现代化的综合因素之一。微型计算机技术和嵌入式系统的迅速发展，引起了仪器仪表结构的根本性变革，即以微型计算机为主体，代替传统仪表的常规电子线路，成为新一代具有某种智能的灵巧仪表。这类仪表的设计重点，已经从模拟和逻辑电路的设计转向专用的微机模版或微机功能部件，接口电路和输入输出通道的设计，以及应用软件的开发。传统模拟式仪表的各种功能是用单元电路实现的，而在以单片机或嵌入式系统为主体的仪表中，则由编程软件，各种特殊而复杂的功能模块，简化的用户组态编程功能以及各种典型应用的控制策略包等模块组成的软件，来完成众多的数据处理和控制任务。这类仪表已经实现人脑的一部分功能，例如四则运算、逻辑判断、命令识别等，有的还能够进行自校正、自诊断，并具有自适应、自学习的能力，因此习惯上称之谓“智能仪表”。但“智能化”的水平高低不一，目前所见的一部分这类产品，智能化的程度还不高，需要不断改进和完善。随着科学技术的进步发展，这类仪表所具有的智能水平将会越来越高。一些新技术新器件，如32位RISC处理器、DSP、AMR、大容量存储器、嵌入式实时操作系统等的不断涌现，将对智能仪表的发展祈祷极大的推动作用。目前智能仪表的发展现状可以从对传统仪表的改进和新型仪表的出现两方面来归纳。传统的仪表引入MCU及各类半导体新器件后，不但工作速度有了跨越式提高，在测量精度、运行可靠性、稳定性、自适应、自学习等功能，使精度和可靠性进一步得到提高。智能仪表除了在传统仪表的改进方面取得了巨大的成就以外，还开辟了许多新的应用领域，出现了许多新型的仪表。20世纪80年代以来，制造业（汽车制造，VLS工制造，各种电子设备如电子计算机、电视机的制造等）的高速发展使CAM达到很高水平，它对人类生产力的提高起着巨大的推动作用。为了对CAM的工作质量进行实施监督，使成品或半成品的质量得到保证，要求实现对整个加工工艺过程中各重要环节或工位的在线检测。因此在生产线上或检验室内大量应用各种CAT技术的仪表。1.3 DCS监控系统对车间的必要性及优越性建设计算机监控系统对引气车间的生产过程进行监控的必要性可以从以下几点说明。 (1)利用监控系统，实现全部或部分生产参数和设备状态的巡检，减少工人的劳动强度。 (2)监控易燃易爆的泄漏状态，以及时排除泄漏故障。 (3)监控某些工艺状态，判断工艺的稳定性，并尽早予以调控。 (4)监控事故过程，以正确判断事故的发生和发展特点，正确指挥消灭和排除事故。 (5)利用监控记录的已发事故过程，正确分析，处理事故善后工作。 采用DCS对引气车间的生产过程进行监控将带来如下一些好处。 (1)故障分散。 (2)大量缩减控制系统所需的电缆。(3)大量减少控制系统所需的备品备件种类及数量。(4)提供了控制系统构成的灵活性，具有组态便利和可扩展性。 (5)实现过程实时参数和历史数据的管理，提供性能计算，设备寿命计算功能。一点是传统的仪表控制系统所望尘莫及的。2.磷肥厂引气车间DCS监控系统的简介及控制要求2.1 工艺原理 二氧化硅在高温下的作用，几乎与强酸一样能与磷酸钙中的氧化钙化合，生成易熔的炉渣。因此作为助熔剂的存在，对磷酸盐的还原过程就有重要影响。由于二氧化硅的存在，加快了磷酸三钙盐的还原，并降低了反应混合物的熔融温度。目前，普遍认为，在助熔剂二氧化硅存在下，用碳还原磷酸三钙盐的过程可分为两个阶段进，即硅石把磷酸三钙盐中的五氧化二碘释放出来，并生成硅酸钙，五氧化二磷再在第二阶段被碳还原生成元素磷反应式为： Ca3(P04)2：十3Si023Ca0Si02十P205 第一阶段 P2O5，十5CP2十5CO 第二阶段 Ca3(P04)2十3Si02十5C3CaSi03十P2十500Q 当没有助熔剂二氧化硅存在时，磷酸三钙盐在高温下，首先分解成氧化钙(Ca0)和五氧化二磷，然后P2O5，被碳还原，反应式为： Ca3(P04)23CaO十P205 第一阶段 P2O5，十5CP2十5CO 第二阶段 Ca3(P04)2十5C3Ca0十500十P2可以看出，这两种磷酸盐被碳还原的过程基本相同。2.2 工艺流程2.2.1 电炉装置 由原料预处理装置加工合格的磷矿、硅石和焦炭，按生产工艺确定的配比，分别称重计量后混合均匀，然后将混合炉料送人电炉炉顶料仓，经下料管连续均匀地加入电炉。电网中的电能经电炉变压器、二次短网和电极输入电炉、在炉内电能以电阻电弧的形式转化成热能，加热熔融炉料，温度达到1350oC 1450oC。炉料在高温下发生还原反应，反应产物磷蒸气和氧化碳从导气管中引出。炉渣与磷铁定期或连续地从电炉渣口和铁门排出。2.2.2 除尘装置炉气中常含有粉尘约50l50g/m3，因此在进人冷凝系统之前必须净化除尘。煤气除尘，在中小型磷炉装置中曾采用过箱式除尘器，后因劳动条件差、净化效率低而被淘汰，大型装置通常采用电除尘器。 各厂所用的电除尘器形式不同，但其基本要求是相同的：必须有较高的除尘效率和良好的保温性能，以保证炉气中的磷蒸气不被冷凝下来；同时高压进线与电极振打装置要有良好的密封性。电除尘器的外壳通常为钢制，沉淀极为管状、板状或长圆管状，电晕极可用软铁棒、不锈钢丝等材料。除尘器的操作电压为4070KV。2.2.3 冷凝系统 净化后的炉气，在冷凝系统用直接喷淋方式将磷蒸气冷却凝成液态磷后回收。这在中小型装置中，通常采用三座空塔，其前面的两塔用热水喷淋，第三塔用冷水喷淋，冷凝的磷在集磷槽中收得；而在大型装置中，则采用二座冷凝塔，其第一塔为“热冷凝塔”，喷淋60oC的热水，第二塔为“冷冷凝塔”，喷淋约20oC的冷却水，在低于磷的凝固点温度下操作，以减少尾气带走的磷损失。冷凝系统收得的粗磷中含有少量泥磷的混合物，通过沉降分离或过滤即可将泥磷与产品黄磷分离,产品直接进人贮槽中贮存。2.2.4 控制点选择与安全防护黄磷生产具有易燃、易爆、有毒、高温、大电流等特点。操作人员除掌握一般的安全知识外。还必须熟悉本岗位生产过程的安全知识。黄磷遇空气会自燃。炉气中的CO与空气混合到一定比例会发生爆炸，磷是一种极毒物品，误食0.05g即能致人死命。CO是一种无色无臭无味的有毒气体，易发生人身中毒事故。熔融炉渣出炉时温度高达13501500，极易喷溅伤人。熔融磷铁直接遇水会发生爆炸。电炉变压器二次侧电流高达数千至数万伏，极易发生触电事故。所以我们须对工艺过程进行严格控制。在工艺过程中冷凝塔中要求电喷头喷出的5060摄氏度热水，水温过高磷蒸汽不会充分冷凝造成浪费，过低则对磷不能充分吸收。所以需要对水温进行控制即对热水槽水温进行控制。热水槽的液位不宜过高，过高影响受磷槽废液排出，过低会造成对冷凝塔的供水不利，所以热水槽液位需要控制。对于1#水封和洗气塔，液位过高会影响废气排出，过低会则造成尾气泄漏，形成安全隐患，所以需要对1#水封和洗气塔的液位进行控制。尾气在送往烘干工段或净化工段作为草酸生产的原料时需要对其流量进行累计从而了解其产量，并根据产量制定生产计划。23控制参数在工段的流程中主要参数有：温度、压力、液位、流量。压力：除尘器出入口压力，冷凝塔出入口压力，水封压力和水环泵出入口压力。液位：水封液位，热水槽液位和洗气塔液位。温度：电炉气体出口和热水槽温度。流量：水环泵流量。黄磷生产具有易燃、易爆、有毒、高温、大电流等特点。操作人员除掌握一般的安全知识外。还必须熟悉本岗位生产过程的安全知识。黄磷遇空气会自燃。炉气中的CO与空气混合到一定比例会发生爆炸，磷是一种极毒物品，误食0.05g即能致人死命。CO是一种无色无臭无味的有毒气体，易发生人身中毒事故。熔融炉渣出炉时温度高达13501500，极易喷溅伤人。熔融磷铁直接遇水会发生爆炸。电炉变压器二次侧电流高达数千至数万伏，极易发生触电事故。所以我们须对工艺过程进行严格控制。在工艺过程中冷凝塔中要求电喷头喷出的5060摄氏度热水，水温过高磷蒸汽不会充分冷凝造成浪费，过低则对磷不能充分吸收。所以需要对水温进行控制即对热水槽水温进行控制。热水槽的液位不宜过高，过高影响受磷槽废液排出，过低会造成对冷凝塔的供水不利，所以热水槽液位需要控制。对于1#水封和洗气塔，液位过高会影响废气排出，过低会则造成尾气泄漏，形成安全隐患，所以需要对1#水封和洗气塔的液位进行控制。3. 控制方案的设计热水温度热水液位（1）在工艺过程中冷凝塔中要求电喷头喷出的5060摄氏度热水，水温过高磷蒸汽不会充分冷凝造成浪费，过低则对磷不能充分吸收。所以需要对水温进行控制即对热水槽水温进行控制。热水槽的液位不宜过高，过高影响受磷槽废液排出，过低会造成对冷凝塔的供水不利，所以热水槽液位需要控制。如图3.1所示：偏差给定热水槽热水槽控制阀液位控制 器+温度控制 器+ 液位变送器温度变送器 图3.1 LRC-201热水槽温度液位串级回路控制控制对象：管道。主控制变量为温度，副控制变量为液位。 传感器检测管道内的热水液位，用给定值与测量值相减得到偏差信号，液位变送器输出信号控制阀的开闭来控制管道内热水流量，最终控制管内热水液位。传感器检测管道内的热水温度，用给定值与测量值相减得到偏差信号，温度变送器输出信号控制阀的开闭来控制管道内冷却水流量，最终控制管内热水温度。（2）对于1#水封和洗气塔，液位过高会影响废气排出，过低会则造成尾气泄漏，形成安全隐患，所以需要对1#水封和洗气塔的液位进行控制。LRC-502水封液位控制,如图3.2所示：+图3.2 LRC-502水封液位控制给定控制阀流量控制器管道流量变送器偏差干扰尾气流量 控制对象：管道。控制变量：热水液位。被控变量：尾气流量 传感器检测管道内的热水液位，用给定值与测量值相减得到偏差信号，流量变送器输出信号控制阀的开闭来控制管道内热水流量，最终控制管内尾气流量。4. 控制系统仪表选型本课题主要使用的仪表类型为： 热电阻，温度计，差压变送器，物位测量仪，压力表，减压阀，阀门定位器，气动薄膜调节阀，电气阀门定位器，差压变送器，操作端安全栅，检测安全栅。4.1 温度测量仪表根据测量范围，温度测量使用铂热电阻或热电偶。现在测温元件的性能及精度完全能够满足工艺的使用要求，关键在于保护套管的选用及安装方式。保护套管需根据介质工况选用耐腐蚀或耐磨材料，且要求利于维护和更换。设置于焙烧炉和焚硫炉内的热电偶需要采用不锈钢套管，还要在套管装高铬铸铁套管保护。在转化器、换热器等气态氛围中使用的测温元件，选择不锈钢套管完全可以满足要求。在浓酸、稀酸以及液态硫磺等介质中使用的测温元件，应选用外套F4保护管的不锈钢套管，以防腐蚀。目前的测温元件如果套管选择恰当，使用寿命很长。4.1.1热电偶热电偶是温度测量仪表中常用的测温元件,是由两种不同成分的导体两端接合成回路时，当两接合点 热电偶温度不同时，就会在回路内产生热电流。如果热电偶的工作端与参比端存有温差时，显示仪表将会指示出热电偶产生的热电势所对应的温度值。其测量范围大，一般为2001300,特殊情况下2702800。煅烧过程中最高温度可达1300，所以选择部分热电偶。4.1.2热电阻热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热电阻的测量精确度是最高的，它广泛应用于工业测温，因少量温度不超过600，所以用热电阻。4.2 压力测量仪表就地压力测量通常采用弹簧压力表、膜盒压力表和u形管，其价格低廉，性能可靠。对于远传压力，则选择稳定性好、可靠性高的智能压力变送器。与普通型压力变送器相比，智能压力变送器带软件补偿，稳定性好、可靠性高，而且价格也可以接受。熔硫工段液硫过滤机的压力测量，应选用带蒸汽夹套的哈氏合金膜盒压力表，以避免硫磺固化堵塞仪表。浓酸和稀酸的压力测量，则应选用膜盒变送器，膜盒的材质以哈氏合金为好。压力测量的关键在于取压和引压。取压和引压不当，易发生堵塞和泄漏。腐蚀性气体的取压采用由法兰、不锈钢球阀和不锈钢弯头制作的取压管，取压管的弯头朝上，以利于冷凝物回流到设备管道。取压管采用新型铝塑管，可避免常用塑料管或增强型聚乙烯管不耐腐蚀和因强度低而易折易堵的问题。铝塑管的两头使用不锈钢铝塑管接头，一头与取样头相连，另一头与压力变送器相连。需要注意的是，两端的螺纹要一致。4.2.1压力表以弹性元件为敏感元件，测量并指示高于环境压力的仪表。在工业过程控制与技术测量过程中，由于机械式压力表的弹性敏感元件具有很高的机械强度以及生产方便等特性，使得机械式压力表得到越来越广泛的应用。4.2.2隔膜压力表用隔离膜片将被测介质与敏感元件分开的压力表。用于测量强腐蚀、高温、高粘度、易结晶、易凝固、有固体浮游物的介质压力以及必须避免测量介质直接进入通用型压力仪表和防止沉淀物积聚且易清洗的场合。因在测量过程中不可避免地会有少量煅烧残渣，所以部分压力测量用隔膜压力表。4.2.3差压变送器差压变送器是引进国外先进技术和设备生产的新型变送器，关键原材料，元器件和零部件均源自进口，整机经过严格组装和测试，该产品具有设计原理先进、品种规格齐全、无机械可动部件、维修量少等特点。4.3 流量测量仪表流量测量受管道直径、所测介质及其流量的影响，需根据不同的情况选用适宜的流量计。可供选用的有孔板流量计、电磁流量计及阿纽巴流量计等。标准孔板是使用最广泛的流量计，但对于浓酸、稀酸等腐蚀性介质，最好选用电磁流量计。只要安装符合要求，对现场干扰做好防护措施，电磁流量计的使用是相当方便的，基本不需要维护。阿纽巴流量计一般用于风机气体流量的测量。固体流量可采用放射性同位素测量，目前只有少数厂家使用。4.3.1电磁流量计根据电磁感应定律，在非磁性管道中，利用测量导电流体平均速度而显示流量的流量计。流量计由一次装置和二次装置组成，按一次装置和二次装置的组合形式流量计可分为分体型和一体型；流量计主要用于测量导电液体的体积流量。电磁流量计简单说是由流量传感器变送器组成的。流量传感器是把流过管道内的导电液体的体积流量转换为线性电信号。其转换原理就是著名的法拉第电磁感应定律，即导体通过磁场，切割电磁线，产生电动势。4.4 液位测量仪表磷酸生产的液位测量仪表种类比较多。锅炉汽包使用双室平衡容器加差压变送器测量，一般还要再配上电接点液位计，以严密监控汽包工作状态，防止假液位的产生。水箱使用沉人杆式液位计，酸槽使用的液位计有应变式YBL耐腐蚀液位计、雷达料位计、超声波液位计、磁翻柱液位计和吹气式差压液位计等近10种，其中南化集团研究院研制的应变式YBL耐腐液位计价廉物美，使用最广泛。发烟硫酸循环槽以磁翻柱液位计的使用效果最好，其它几种液位计在酸槽上多少都有一些局限性，维护量也较大。带远传的磁翻柱液位计以其安装简单、现场控制室能显示、价格适中等优点，将会得到广泛应用。4.5 调节阀和调节系统制酸系统要实现自动化，调节阀的选用非常重要。10年前，由调节阀组成的调节回路大量采用调节器、伺服放大器、ZAZP系列电动执行机构，代表了当时的先进技术，满足了当时的生产需要，但也存在调节品质不好、可靠性不高的问题，大多数厂家的调节系统最终因为调节阀的问题而改手动操作。近几年，调节系统主要采用电子一体式调节阀，其可靠性高，能与DCS系统很好地配合使用，解决了调节品质差的问题。梅山和邵武两套装置都使用了调节蝶阀、哈氏合金耐腐蚀调节阀和铸钢调节阀这3种电子一体式调节阀。调节蝶阀用于转化各段的温度调节，哈氏合金耐腐蚀调节阀用于串酸调节和产酸控制，铸钢调节阀用于非腐蚀性液体的调节控制。使用证明，电子一体式调节阀的调节品质令人满意。4.5.1气动蝶阀气动蝶阀是由气动执行器和蝶阀组成。气动蝶阀是用随阀柑转动的圆形蝶板做启闭性,以实现启用动作的气动阀门主要做截断阀使用,亦可设计成具有调节或段阀兼调节的功能。4.5.2气动薄膜调节阀 HLC气动薄膜调节阀 HLC的主要特点：HLC 笼式单座调节阀是一各高性能的调节阀，适用于液体压差超过 3Mpa 的高压差场合 流体通道呈S流线型，设有导流翼，压降损失小，范围大配用多弹簧式薄膜执行机构，结构紧凑，输出力大坚固的阀芯导向和套筒可防止液体发生闪蒸和空化 。所以选择气动薄膜调节阀 HLC。5. 集散控制系统的发展和特点5.1 集散控制系统的发展DCS是分布式控制系统的英文缩写（Distributed Control System），在国内自控行业又称之为集散控制系统。 它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机(Computer)、通讯(Communication)、显示(CRT)和控制(Control)等4C技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、组态方便。）它的发展大体分为三个阶段：第一阶段：1975-1980年，在这个时期集散控制系统的技术特点表现为：1）采用微处理器为基础的控制单元，实现分散控制，有各种各样的算法，通过组态独立完成回路控制，具有自诊断功能2）采用带CRT显示器的操作站与过程单元分离，实现集中监视，集中操作3）采用较先进的冗余通信系统第二阶段：19801985.，在这个时期集散控制系统的技术特点表现为：1）微处理器的位数提高，CRT显示器的分辨率提高2）强化的模块化系统3）强化了系统信息管理，加强通信功能第三阶段，1985年以后，集散系统进入第三代，其技术特点表现为：1）采用开放系统管理2）操作站采用32位微处理器3）采用实时多用户多任务的操作系统进入九十年代以后，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。 DCS是 Data Communication Subsystem （数据通信子系统）的简称。以轨道交通行业为例，DCS是一个纯透明的非安全性系统，他是控制中心和列车之间发送报文的载体。DCS第二层涵义：Dorsal Column Stimulator医脊柱刺激器在特殊控制领域，如核电站控制系统，DCS的含义为数字化控制系统（Digital control system）。5.2集散控制系统的特点它是一个由过程控制级和工程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合可计算机、通讯、显示、和控制等4C技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、组态方便。DCS具有以下特点：1）高可靠性 由于DCS将系统控制功能分散在各台计算机上实现，系统结构采用容错设计，因此某一台计算机出现的故障不会导致系统其他功能的丧失。此外，由于系统中各台计算机所承当的任务比较单一，可以针对需要实现的功能采用具有特定结构和软件的专用计算机，从而使系统中每台计算机的可靠性也得到提高。2）开放性 DCS采用开放式、标准化、模块化和系列化设计，系统中各台计算机采用局域网方式通信，实现信息传输，当需要改变或扩充系统功能时，可将新增计算机方便地连入系统通信网络或从网络中卸下，几乎不影响系统其他计算机的工作。3）灵活性 通过组态软件根据不同的流程应用对象进行软硬件组态，即确定测量与控制信号及相互间连接关系、从控制算法库选择适用的控制规律以及从图形库调用基本图形组成所需的各种监控和报警画面，从而方便地构成所需的控制系统。4）易于维护 功能单一的小型或微型专用计算机，具有维护简单、方便的特点，当某一局部或某个计算机出现故障时，可以在不影响整个系统运行的情况下在线更换，迅速排除故障。5）协调性 各工作站之间通过通信网络传送各种数据，整个系统信息共享，协调工作，以完成控制系统的总体功能和优化处理。6） 控制功能齐全 控制算法丰富，集连续空置、顺序控制和批处理控制与一体，可实现串级、前馈。解耦。自适应和预测控制等先进控制，并可方便地加入所需的特殊控制算法。DCS的构成方式十分灵活，可由专用的管理计算机站、操作员站、工程师站、记录站、现场控制站和数据采集站等组成，也可由通用的服务器、工业控制计算机和可编程控制器构成。处于底层的过程控制级一般由分散的现场控制站、数据采集站等就地实现数据采集和控制，并通过数据通信网络传送到生产监控及计算机。生产监控级对来自过程控制级的数据进行集中操作管理，如各种优化计算、统计报表、故障诊断、显示报警等。随着计算机技术的发展，DCS可以按照需要与更高性能的计算机设备通过网络连接来实现更高级的集中管理功能，如计划调度、仓储管理、能源管理等。6. 介绍具体应用DCS系统浙大中控的原理及特点6.1浙大中控JX-300X控制系统简介监控系统的现场仪表主要包括显示仪表和控制仪表，完成的功能包括参数检测，信号传输，重要巡检参数显示，重要报警参数，操作控制等。JX-300X DCS 由工程师站、操作站、控制站、过程控制网络等组成。工程师站是为专业工程技术人员设计的，内装有相应的组态平台和系统维护工具。通过系统组态平台生成适合于生产工艺要求的应用系统，具体功能包括：系统生成、数据库结构定义、操作组态、流程图画面组态、报表程序编制等。而使用系统的维护工具软件实现过程控制网络调试、故障诊断、信号调校等。 操作站是由工业PC 机、CRT、键盘、鼠标、打印机等组成的人机系统，是操作人员完成过程监控管理任务的环境。高性能工控机、卓越的流程图机能、多窗口画面显示功能可以方便地实现生产过程信息的集中显示、集中操作和集中管理。控制站是系统中直接与现场打交道的I/O 处理单元，完成整个工业过程的实时监控功能。控制站可冗余配置，灵活、合理。在同一系统中，任何信号均可按冗余或不冗余连接，详见卡件描述。对于系统中重要的公用部件，建议采用100%冗余，如主控制卡、数据转发卡和电源箱。过程控制网络实现工程师站、操作站、控制站的连接，完成信息、控制命令等传输，双重化冗余设计，使得信息传输安全、高速。6.2 系统整体结构JX-300X DCS 采用三层通信网络结构。最上层为信息管理网，采用符合TCP/IP 协议的以太网，连接了各个控制装置的网桥以及企业内各类管理计算机，用于工厂级的信息传送和管理，是实现全厂综合管理的信息通道。中间层为过程控制网（名称为SCnet ），采用了双高速冗余工业以太网SCnet 作为其过程控制网络，连接操作站、工程师站与控制站等，传输各种实时信息。底层网络为控制站内部网络（名称为SBUS），采用主控制卡指挥式令牌网，存储转发通信协议，是控制站各卡件之间进行信息交换的通道。6.3 通信网络JX-300X DCS 的通信网络分三层。 第一层网络是信息管理网：信息管理网采用以太网络，用于工厂级的信息传送和管理，是实现全厂综合管理的信息通道。该网络通过在多功能站（MFS）上安装双重网络接口转接的方法，实现企业信息管理网与SCnet 过程控制网络之间的网间桥接，以获取JX-300X 集散控制系统中过程参数和系统的运行信息，同时也向下传送上层管理计算机的调度指令和生产指导信息。管理网采用大型网络数据库，实现信息共享，并可将各个装置的控制系统连入企业信息管理网，实现工厂级的综合管理、调度、统计、决策等。信息管理网的基本特性：拓扑规范：总线形（无根树）结构，或星形结构；传输方式：曼彻斯特编码方式；通讯控制：符合IEEE802.3 标准协议和TCP/IP 标准协议；通讯速率：10Mbps、100Mbps、1Gbps 等；网上站数：最大1024 个；通讯介质：双绞线（星形连接），50细同轴电缆、50粗同轴电缆（总线形连接，带终端匹配器），光纤等；通讯距离：最大10km。第二层网络是过程控制网，称为SCnet ：JX-300X 系统采用了双高速冗余工业以太网SCnet 作为其过程控制网络。它直接连接了系统的控制站、操作站、工程师站、通讯接口单元等，是传送过程控制实时信息的通道，具有很高的实时性和可靠性，通过挂接网桥，SCnet 可以与上层的信息管理网或其它厂家设备连接。过程控制网络SCnet 是在10base Ethernet 基础上开发的网络系统，各节点的通讯接口均采用了专用的以太网控制器，数据传输遵循TCP/IP 和UDP/IP 协议。第三层网络是控制站内部I/O 控制总线，称为SBUS：SBUS 总线是控制站内部I/O 控制总线，主控制卡、数据转发卡、I/O 卡通过SBUS进行信息交换。SBUS 总线分为两层：第一层为为双重化总线SBUS-S2。SBUS-S2 总线是系统的现场总线，物理上位于控制站所管辖的I/O 机笼之间，连接了主控制卡和数据转发卡，用于主控制卡与数据转发卡间的信息交换。第二层为SBUS-S1 网络。物理上位于各I/O 机笼内，连接了数据转发卡和各块I/O卡件，用于数据转发卡与各块I/O 卡件间的信息交换。SBUS-S1 和SBUS-S2 合起来称为JX-300X DCS 的SBUS 总线，主控制卡通过它们来管理分散于各个机笼内的I/O 卡件。SBUS-S2 级和SBUS-S1 级之间为数据存储转发关系， 按 SBUS 总线的S2 级和S1 级进行分层寻址。7. 系统卡件7.1卡件选型 本次设计采用了主控卡SP243X（CPU卡），数据转发卡SP233，电流信号输入卡SP313，电压信号输入卡SP314，热电阻信号输入卡SP316，模拟信号输出卡SP322，晶体管触点开关量输出卡SP362，触点型开关量输入卡SP363以及空卡SP000。控制站卡件位于控制站卡件机笼内，主要由主控制卡、数据转发卡和I/O 卡（即信号输入/输出卡）组成。卡件的基本功能就是A/D转换和信号处理，其选型原则需要对信号类型、程序控制冗余都有要求，并且要隔离相互有干扰的I/O点。主控制卡必须插在机笼最左端的两个槽位。主控制卡是控制站的核心，可以余配置，保证实时过程控制的完整性。数据转发卡槽位可配置互为冗余的两块数据转发卡。 主控制卡可以冗余配置，也可以非冗余配置，数据转发卡可以冗余配置，也可以非冗余配置。 在磷肥生产中温度控制信号有9路，温度控制卡件选用卡件SP316（热电阻信号输入卡），卡件SP316是两路温度信号输入，所以需要5个卡件SP316，另外还需要5片作为冗余备用，所以共需选用10片卡件。在磷肥生产中输入电流信号有22路，控制电流的卡件选用SP313（电流输入卡），卡件SP313是四路电流信号输入，所以需要6片卡件，另外需要6片作为冗余备用，所以共需选用12片卡件。输出电流信号有6路，选用卡件SP322(模拟信号输出卡件)，每片4路输出信号，所以需要4片卡件，其中2片作为冗余备用。输出电压信号有3路，每片4路输出信号，所以需要2片卡件，其中1片作为冗余备用。在磷肥生产中共有9个控制回路，其中有四个是温度控制回路和五个压力控制回路。温度控制需选用4片卡件SP316，两片用于4路电流输入两片用于冗余备用。压力控制需选用4片卡件SP314，2片用于4路电压输入，2片用于冗余备用。选用的主控卡是SP243X。选用的数据转发卡件是SP233。综上所述，共选用了卡件SP316十四片，选用了卡件SP314四片，选用了卡件SP313十二片，选用卡件SP322六片，选用主控卡SP243X两片，还需两片与其相互冗余，所以共需四片。要选用数据转发卡SP244两片，其中一片作为冗余。7.1.1主控卡SP243X技术特点1） 主从CPU设计，工业级嵌入式芯片，协同完成各项任务。2） 具有双重冗余的10M以太网通讯接口，和上位机通讯；同时通过1M的SBUS总线管理I/O卡件。3） 灵活支持冗余（1：1热备用）和不冗余的工作模式，冗余卡件的无扰动切换时间小于1ms。4） 128个控制回路（64个常规+64个自定义），采样控制速率100ms5s可选。5） 主控卡可实现手操、单回路、串级、比值、前馈等多种常规控制，还可以用SCX语言编程实现优化、专家控制、模糊控制等先进控制及特殊要求的控制。6） 综合诊断I/O卡件和I/O通道，具有灵活的报警处理和信号质量码功能。7） 后备锂电池，断电情况下，保证卡件内SRAM中的数据3年不丢失。7.1.2数据转发卡SP233是系统I/O机笼的核心单元，是主控制卡联接I/O卡件的中间环节。功能:I/O机笼的核心单元，管理I/O卡件，驱动SBUS总线，联接主控卡和I/O卡件。技术特点 上电时地址冲突检测，I/O通道自检功能，SBUS总线故障检测功能，具有WDT看门狗复位功能。7.1.3电流信号输入卡SP313电流信号输入卡是一块智能型的、带有模拟量信号调理的四路信号采集卡，每一路分别可接收II型、III型标准电流信号，可为四路变送器提供+24V隔离电源。7.1.4电压信号输入卡SP314是一块智能型的、带有模拟量信号调理的四路信号采集卡，每一路分别可接收II型、III型标准电压信号、毫伏信号、以及各种型号的热电偶信号，当其处理热电偶信号时，具有冷端补偿功能。7.1.5热电阻信号输入卡SP316热电阻信号输入卡是一块专用于测量热电阻信号的、点点隔离的、可冗余的2路A/D转换卡;每一路分别可接收Pt100、Cu50两种热电阻信号，将其调理后转换成数字信号送给主控制卡SP243X。7.1.6模拟信号输出卡SP322为4路点点隔离型电流（型或型）信号输出卡。作为带CPU的高精度智能化卡件，具有实时检测输出状况功能，自检包括输出开路自检和卡件故障自检，它允许主控制卡监控正常的输出电流。当SCnet 网络通信中断时，卡件接受主控制卡的数据命令，维持正常工作，当卡件与主控制器通讯中断时，保持原输出状态。7.1.7晶体管触点开关量输出卡SP362SP362是智能型7路或8路无源晶体管开关触点输出卡，该卡件可通过中间继电器驱动电动控制装置。本卡件采用光电隔离。隔离通道部分的工作电源通过DC-DC电路转化而来，不提供中间继电器的工作电源。本卡件具有输出自检功能。7.1.8触点型开关量输入卡SP363SP363卡是7路或8路数字量信号输入卡，该卡件能够快速响应干触点输入，实现数字信号的准确采集。7/8路的数字信号采用光电隔离的方式本卡为智能型卡件，具有卡件内部软硬件（如CPU）运行状况在线检测功能（包括对数字量输入通道工作是否正常进行自检）。8. DCS中央控制室的设计说明中央控制室设计一般要考虑如下几个方面：（1） 控制室的位置选择。（2）控制室的面积，控制室的建筑要求。（3）控制室的采光、照明，控制室的空调和采暖。（4）控制室的进线方式及电缆、管缆敷设。（5）控制室的供电及安全保护等。控制室位置应位于安全区域内，选择在接近现场和方便操作的位置。这里所说的安全区主要是指易燃、易爆有毒、腐蚀环境之外的区域。对易燃易爆和有毒及腐蚀性介质的生产装置，控制室应在主导风向的上风侧，或选在全年下风侧概率最小的一侧。8.1位置、布局及面积要求中央控制室的布局房间布置的位置应符合下列要求：（1）操作室与机柜室、计算机室、工程师站室应相邻设置，并应有门直接相通。（2）机柜室、计算机室、工程师站室与辅助用房间毗邻时，不得有门相通。（3）UPS电源室单独设置时，若在中央控制室区域布置，宜与机柜室相邻。（4）单独设置的空调机室不得与操作室、机柜室直接相通。如相邻时必须采用减振和隔音措施。中央控制室的面积操作室面积确定可作这样的估算，两个操作站的操作室，其建筑面积宜为40-50，每增加一个操作台再曾加6-108.2室内工作环境要求8.2.1温度湿度要求DCS温度：213（冬季），243（夏季）温度变化率：3h相对湿度：50%10%，相对湿度变化率：6%h计算机温度：221，温度变化率：2h相对湿度：40%50%，相对湿度变化率：6%h8.2.2空气净化要求尘埃200ugm3(粒径10um)，H2S10PPb,SO250PPb,Cl21PPb8.2.3振动要求机械振动频率在14Hz以下时，振幅在0.5mm以下，操作状态振动频率在14Hz以上时，加速度在0.2g以下。8.2.4防静电措施及其他措施控制室应该考虑