和利时DCS液位控制系统功能组态与监控界面设计(DOC毕设论文).doc

毕业设计（论文）题 目： 液位控制系统功能组态与监控界面设计 学 院： 自动化学院 专 业： 自动化 45目录第一章 概述31.1 集散控制系统的发展历史31.2 集散控制系统介绍31.2.1 集散控制系统定义31.2.2 集散控制系统的特点41.2.3 集散控制系统的发展状态51.3 毕业设计研究内容及目标61.3.1 主要内容61.3.2 目标6第二章 系统介绍72.1 MACS系统介绍72.1.1 MACS系统组成72.1.2 MACS系统具有的功能82.1.3 I/O模块的状态指示82.1.4 I/O模块的技术特点82.2 MACS系统硬件介绍92.2.1 FM801主控单元92.2.2 FM148模拟量输入模块92.2.3 FM143八路热电阻模拟量输入模块102.2.4 FM151八路模拟量输出模块102.2.5 FM131普通端子模块102.3 MACS系统软件介绍10第三章 过程控制系统实验装置133.1 被控对象133.1.1 水箱133.1.2 模拟锅炉133.1.3 盘管133.1.4 管道及阀门133.2 检测装置143.2.1 压力传感器、变送器143.2.2 温度传感器143.2.3 流量计143.2.4 差压变送器143.2.5 液位传感器143.3 执行机构153.3.1 电动调节阀153.3.2 气动调节阀153.3.3 水泵153.3.4 电磁阀153.3.5 U型单相电加热管153.3.6 单相调压模块15第四章 MACS组态功能的实现164.1 单容水箱液位定值控制系统164.1.1 工程分析164.1.2 工程建立164.1.3 编辑数据库164.1.4 设备组态184.1.5 算法组态214.1.6 图形组态254.1.7 组态结果与装置调试294.1.8 注意事项344.2 双容水箱液位串级控制系统344.2.1 工程分析344.2.2 建立工程344.2.3 编辑数据库344.2.4 设备组态354.2.5 算法组态364.2.6 图形组态374.2.7 组态结果与装置调试404.2.8 注意事项404.3 交通灯控制系统414.3.1 工程分析414.3.2 组态过程414.3.2.1 算法组态41第一章 概述1.1 集散控制系统的发展历史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）。国内DCS主要厂家有：上海新华，鲁能控制，国电智深，浙大中控，和利时，上海华文，上海乐华，浙江中自等。国外的有 西屋（艾默生）、FOXBORO、ABB、西门子、霍尼韦尔、横河、山武霍尼韦尔公司、FISHER-ROSEMOUNT公司等。1.2 集散控制系统介绍1.2.1 集散控制系统定义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。即所谓的分布式控制系统，或在有些资料中称之为集散系统，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。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，通信、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、配置灵活以及组态方便。在系统功能方面，DCS和集中式控制系统的区别不大，但在系统功能的实现方法上却完全不同。首先，DCS的骨架系统网络，它是DCS的基础和核心。由于网络对于DCS整个系统的实时性、可靠性和扩充性，起着决定性的作用，因此各厂家都在这方面进行了精心的设计。对于DCS的系统网络来说，它必须满足实时性的要求，即在确定的时间限度内完成信息的传送。这里所说的“确定”的时间限度，是指在无论何种情况下，信息传送都能在这个时间限度内完成，而这个时间限度则是根据被控制过程的实时性要求确定的。因此，衡量系统网络性能的指标并不是网络的速率，即通常所说的每秒比特数（bps），而是系统网络的实时性，即能在多长的时间内确保所需信息的传输完成。系统网络还必须非常可靠，无论在任何情况下，网络通信都不能中断，因此多数厂家的DCS均采用双总线、环形或双重星形的网络拓扑结构。为了满足系统扩充性的要求，系统网络上可接入的最大节点数量应比实际使用的节点数量大若干倍。这样，一方面可以随时增加新的节点，另一方面也可以使系统网络运行于较轻的通信负荷状态，以确保系统的实时性和可靠性。在系统实际运行过程中，各个节点的上网和下网是随时可能发生的，特别是操作员站，这样，网络重构会经常进行，而这种操作绝对不能影响系统的正常运行，因此，系统网络应该具有很强在线网络重构功能。其次，这是一种完全对现场IO处理并实现直接数字控制（DDC）功能的网络节点。一般一套DCS中要设置现场IO控制站，用以分担整个系统的IO和控制功能。这样既可以避免由于一个站点失效造成整个系统的失效，提高系统可靠性，也可以使各站点分担数据采集和控制功能，有利于提高整个系统的性能。DCS的操作员站是处理一切与运行操作有关的人机界面（HMI-Human Machine Interface或operator interface）功能的网络节点。工程师站是对DCS进行离线的配置、组态工作和在线的系统监督、控制、维护的网络节点，其主要功能是提供对DCS进行组态，配置工作的工具软件（即组态软件），并在DCS在线运行时实时地监视DCS网络上各个节点的运行情况，使系统工程师可以通过工程师站及时调整系统配置及一些系统参数的设定，使DCS随时处在最佳的工作状态之下。与集中式控制系统不同，所有的DCS都要求有系统组态功能，可以说，没有系统组态功能的系统就不能称其为DCS。1.2.2 集散控制系统的特点DCS自1975年问世以来，已经经历了二十多年的发展历程。在这二十多年中，DCS虽然在系统的体系结构上没有发生重大改变，但是经过不断的发展和完善，其功能和性能都得到了巨大的提高。总的来说，DCS正在向着更加开放，更加标准化，更加产品化的方向发展。作为生产过程自动化领域的计算机控制系统，传统的DCS仅仅是一个狭义的概念。如果以为DCS只是生产过程的自动化系统，那就会引出错误的结论，因为现在的计算机控制系统的含义已被大大扩展了，它不仅包括过去DCS中所包含的各种内容，还向下深入到了现场的每台测量设备、执行机构，向上发展到了生产管理，企业经营的方方面面。传统意义上的DCS现在仅仅是指生产过程控制这一部分的自动化，而工业自动化系统的概念，则应定位到企业全面解决方案，即total solution 的层次。只有从这个角度上提出问题并解决问题，才能使计算机自动化真正起到其应有的作用。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担的任务比较单一，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，集连续控制、顺序控制和批处理控制于一体，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级计算机。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。 1.2.3 集散控制系统的发展状态1975 年美国最大的仪表控制公司Honeyw ell 首次向世界推出了它的综合分散控制系统TDC2000 ( Toal D ist ribu ted Con t ro l -2000) , 这一系统的发表, 立即引起美国工业控制界高度评价, 称之为“最鼓舞人心的事件”。世界各国的各大公司也纷纷仿效, 推出了一个又一个集散系统, 从此过程控制进入了集散系统的新时期。在此期间有日本横河公司推出的CEN TUM , 美国泰勒仪表公司的MO SË , 费雪尔公司的DCÉ 400, 贝利公司的N 90, 福克斯波罗公司的Cpect rum 和德国西门子公司的Telepermm。随着计算机特别是微型计算机与网络技术的飞速发展, 加上各制造商的激烈竞争, 使DCS 很快从70 年代的第一代发展到90 年代初的第三代DCS。尽管在这之前的集散系统的技术水平已经很高, 但其中存在着一个最主要的弊病是 各大公司推出的几十种型号的系统, 几乎都是本公司的专利产品, 每个公司为了保护自身的利益, 采用的都是专利网络, 这就为全厂、全企业的管理带来问题。随着计算机的发展与网络开发使各控制厂商更多地采用商业计算机的技术, 80年代末许多公司推出新一代的集散系统, 其主要特征是新系统的局部网络采用MA P 协议; 引用智能变送器与现场总线结构; 在控制软件上引入PLC 的顺序控制与批量控制, 使DCS 也具有PLC 的功能。至90 年代初各国知名的DCS 有3000, Bailey 的IN F I90,Ro semoun t 的RS3, W est Hoo se 的WDPF, L eeds &Non th rup 的MAX1000,Foxbo ro 的IöA S,日本横河的CEN TUM。这里所提到的均为大型的DCS, 为了适应市场的需要各厂商也开发了不少中小型的DCS 系统如S9000,MAX2, LXL ,A 2 PACS 等等。目前国内DCS主要有：新华XDPS，鲁能的LN2000，国电智深DCS，中控DCS，和利时DCS，南京科远DCS，浙江中自等。国外的有 西屋（艾默生）ovation、FOXBORO、ABB、西门子PCS7、霍尼韦尔、横河DCS等。 1.3 毕业设计研究内容及目标1.3.1 主要内容 集散控制系统由多重网络组成。可以实现数据采集、控制运算、报警监视、历史数据管理等。实现历史数据及实时数据趋势图显示以及报警界面显示等。记录控制曲线。利用集散控制系统设计工艺流程画面以及监控管理大量实时数据。设计集散控制系统多种控制方案，深入研究组组态方法。实现对液位控制。进行操作站组态、控制站组态、流程图组态、监控系统的设计。实现开关量输入。实现报警与输入点亮灯等，实现复杂控制算法。 1.3.2 目标研究集散控制系统多种组态方案，进行系统结构，利用功能模块，针对液位控制系统实现复杂控制算法。编写程序，定义I/O设备连接，实现开关量输入与开关量输出。实现温度、液位和流量显示，实现前馈与反馈控制。第二章 系统介绍2.1 MACS系统介绍2.1.1 MACS系统组成MACS是和利时公司集多年的开发、工程经验设计的大型综合控制系统。该系统采用了目前世界上先进的现场总线技术(ProfiBus-DP总线)，对控制系统实现计算机监控，具有可靠性高，适用性强等优点，是一个完善、经济、可靠的控制系统。MACS系统的体系结构如图2.1所示。MACS系统的网络由上到下分为监控网络、系统网络和控制网络三个层次，监控网络实现工程师站、操作员站、高级计算站与系统服务器的互连，系统网络实现现场控制站与系统服务器的互连，控制网络实现现场控制站与过程I/O单元的通讯。一个大型系统可由多组服务器组成，由此将系统划分成多个域，每个域可由独立的服务器、系统网络SNET和多个现场控制站组成，完成相对独立的采集和控制功能。域有域名，域内数据单独组态和管理，域间数据可以重名。各个域可以共享监控网络和工程师站。而操作员站和高级计算站等可通过域名登录到不同的域进行操作。数据按域独立组态，域间数据可以由域间引用或域间通信组态进行定义，并通过监控网络相互引用。2.1.2 MACS系统具有的功能数据采集、控制运算、闭环控制输出、设备和状态监视、报警监视、远程通信、实时数据处理和显示、历史数据管理、日志记录、事件顺序记录、事故追忆、图形显示、控制调节、报表打印、高级计算、组态、调试、打印、下装、诊断。工程师站(ENS)：由高档微机组成，具有以下功能：系统数据库组态、设备组态、图形组态、控制语言组态、报表组态、事故库组态、离线查询、调试、下装。操作员站(OPS)：由高档微机或工业微机组成，具有以下功能：流程图显示与操作、报警监视及确认、日志查询、趋势显示，参数列表显示控制调节、在线参数修改、报表打印。现场控制站(FCS)：由专用控制柜和专用控制软件组成，控制柜中包括电源、主控单元、过程I/O单元、通信单元及控制网络等组件。可根据组态的数据库和算法完成：数据采集与处理、控制和联锁运算、控制输出。系统服务器(SVR)：由高档微机或服务器构成，完成实时数据库管理和存取、历史数据库管理和存取、文件存取服务、数据处理、系统装载等功能的计算机。系统服务器可双冗余配置。2.1.3 I/O模块的状态指示每个I/O模块的前面板都有运行灯（标为RDY）和通讯指示灯（标为COM）。RDY亮表示本模块的CPU工作正常，COM亮表示本模块的通讯芯片工作正常，RDY和COM的各种状态组合，对应着本模块的各种状态，如表2.1所示。RDYCOM含义闪灭CPU工作正常，等待初始化或未得到正确的初始化数据，通讯未建立。灭灭未上电或CPU坏。亮亮一切正常。亮灭通讯线路故障闪亮通讯已建立,模块未得到正确的初始化数据(FM181模块专用状态)闪亮通讯已建立,模块为从状态,闪动速度为1-2秒/次(FM151R模块专用状态)间隔亮通讯正常,并且模块为主模块状态,而且通道输出或有故障或电流输出为开路。亮3次(每次0.5秒),灭2次。如此反复重复(FM151R模块专用状态)表2.1面板指示灯RDY和COM的组合及含义2.1.4 I/O模块的技术特点采用ProfiBus-DP现场总线通讯协议，通讯速率达到1.5Mbps。支持实时的状态显示。可实时显示本模块的运行状态和通讯状态。支持带电插拔。在系统加电的情况下插拔本模块，不会影响系统的正常运行，也不会损坏本模块。周期性的故障检测。定期检测模块自身CPU的工作状态。一旦CPU出现故障，在保证安全的前提下，WATCHDOG电路可使模块复位。具备较完备的保护功能。这些保护功能包括：通道电流过载保护、DC24V反压保护、通讯线钳压保护、通道过压保护。2.2 MACS系统硬件介绍2.2.1 FM801主控单元（1）原理FM801 MACS 主控单元为单元式模块化结构，它具备较强的数据处理能力和网络通信能力，是MACS系统现场控制站的核心单元。FM801能够支持冗余的双网结构(以太网)。通过以太网与MACS系统的服务器相连， FM801还有ProfiBus-DP现场总线接口，与MACS系统的I/O模块通信，主控单元自身为冗余设计，以提高系统的可靠性。（2）结构FM801 MACS 主控单元主要由以下几部分组成：机架、底板、CPU模块、电源模块。结构图如图2.2所示：图2.2 主控单元结构图（3）特点1） 先进、可靠、高效的控制站软件和智能I/O处理2） 主控单元低功耗，无需风扇3） 小型机架安装，每机架可冗余配置2块主控制器，可以配置46块均流冗余电源，供主控和I/O使用4） 每个机架可以分散安装5） 低功耗嵌入式主控芯片6） 1MB带电池保护SRAM7） 微内核高可靠实时操作系统8） 支持IEC61131-3五种标准组态语言9） 支持Profibus-DP现场总线10）支持热插拔2.2.2 FM148模拟量输入模块该模块是8路模拟大信号输入单元，是MACS现场控制站的通用I/O模块中的一种。它采用智能的模块化结构，可以对8路模拟信号高精度转换，并通过通信接口(ProfiBus-DP)与主控单元交换数据。FM148的输入每一通道可接入电压型或电流型信号，8路输入均有输入过压保护。FM148还为现场两线制仪表提供电源输入。2.2.3 FM143八路热电阻模拟量输入模块该模块是8路模拟热电阻信号输入单元，是MACS现场控制站的通用I/O模块中的一种。它采用智能的模块化结构，可以对8路Cu50型及Pt100型热电阻模拟信号高精度转换，并通过通信接口(ProfiBus-DP)与主控单元交换数据。2.2.4 FM151八路模拟量输出模块FM151模块是8路4-20mA/0-20mA/0-24mA/0-5V模拟信号输出单元，是构成MACS现场总线控制系统的多种过程I/O单元中的一种基本型号。本模块通过现场总线(ProfiBus-DP）与主控单元相连。由模块内的CPU对其进行处理,然后通过现场总线(ProfiBus-DP)与主控单元通信。2.2.5 FM131普通端子模块 安装灵活。可装于35mm DIN导轨，也可用螺钉固定于任意平面上。通用性好。能适应MACS系统所有I/O模块。地址设置方便。具有较高的防错能力。设有防混销，能有效地防止与其它模块的错误连接。支持多个模块的级联。2.3 MACS系统软件介绍MACS系统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的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。图2.3 系统组态流程图应用系统组态推荐采用图2.3所示的流程。事实上，各子系统在编辑时是可以并行进行的，无明确的先后顺序。前期准备工作：前期准备工作是指在进入系统组态前，应首先确定测点清单、控制运算方案、系统硬件配置包括系统的规模、各站IO单元的配置及测点的分配等，还要提出对流程图、报表、历史库、追忆库等的设计要求。建立目标工程：在正式进行应用工程的组态前，必须针对该应用工程定义一个工程名，该目标工程建立后，便建立起了该工程的数据目录。系统设备组态:应用系统的硬件配置通过系统配置组态软件完成。采用图形方式，系统网络上连接的每一种设备都与一种基本图形对应。在进行系统设备组态之前必须在数据库总控中创建相应的工程。数据库组态：数据库组态就是定义和编辑系统各站的点信息，这是形成整个应用系统的基础。在MACS系统中有两类点，一类是实际的物理测点，存在于现场控制站和通信站中，点中包含了测点类型、物理地址、信号处理和显示方式等信息；一类是虚拟量点，同实际物理测点相比，差别仅在于没有与物理位置相关的信息，可在控制算法组态和图形组态中使用。数据库组态编辑功能包括数据结构编辑和数据编辑两个部分。结构编辑，为了体现数据库组态方案的灵活性，数据库组态软件允许对数据库结构进行组态，包括添加自定义结构（对应数据库中的表），添加数据项（对应数据库中的字段），删除结构，删除项操作。但无论何种操作都不能破坏数据库中的数据，即保持数据的完整性。修改表结构后，不需更改源程序就可动态的重组用户界面，增强数据库组态程序的通用性。此项功能面向应用开发人员，不对用户开放。数据编辑，数据编辑为工程技术人员提供了一种可编辑数据库中数据的手段。数据库编辑按应用设计习惯，采用按信号类型和工艺系统统一编辑的方法，而不需要按站编辑。编辑功能在提供数据输入手段的同时，还提供数据的修改、查找、打印等功能。此项功能面向最终用户。算法组态：在完成数据库组态后就可以进行控制算法组态。MACS系统提供了符合国际IEC1131-3标准的五种工具：SFC、ST、FBD、LD和FM。下面作以简要介绍。变量定义在算法组态要定义的变量如下：在功能块中定义的算法块的名字；计算公式中的公式名（主要用于计算公式的引用）；各方案页定义的局部变量（如浮点型、整型、布尔型等）；各站全局变量。其中功能块名和公式名命名规则同数据库点一致且必须唯一，在定义的同时连同相关的数据进行定义，详见MACS速查手册中“数据库点项名列表”和“算法点项名列表”。在同一站中不能有同名的站全局变量；站内同名的全局变量和局部变量，除特别指明外，当作局部变量处理。变量的使用在算法组态中，变量使用的方法如下：对于数据库点，用点名.项名表示，项名由两个字母或数字组成，如果使用的是数据库点的实时值项，“.项名”部分（如.AV，.DV）可以省略。对于ST、FM要在“点名”前加“_”，（如：_点名.项名）。站全局变量可以在本站内直接使用，而其他站不能使用。变量名为12个字符。站局部变量仅在定义该点的方案页中使用，变量可以在站变量定义表中添加，变量名为12个字符。该变量的初始值由各方案页维护。方案页定义的局部变量的名字可以和数据库点或功能块重名，在使用上不冲突。常数定义，根据功能块输入端所需的数据类型直接定义。编制控制运算程序变量定义后，就可编制控制运算程序，相关的规则见MACS手册。图形、报表组态：图形组态包括背景图定义和动态点定义，其中动态点动态显示其实时值或历史变化情况，因而要求动态点必须同已定义点相对应。通过把图形文件连入系统，就可实现图形的显示和切换。图形组态时不需编译，相应点名的合法性不作检查，在线运行软件将忽略无定义的动态点。报表组态包括表格定义和动态点定义。报表中大量使用的是历史动态点，编辑后要进行合法性检查，因此这些点必须在简化历史库中有定义，这也规定了报表组态应在简化历史库生成后进行。编译生成：系统联编功能连接形成系统库，成为操作员站、现场控制站上的在线运行软件运行的基础。简化历史库、图形、追忆库和报表等软件涉及到的点只能是系统库中的点。系统库包括实时库和参数库两个组成部分，系统把所有点中变化的数据项放在实时库中，而把所有点中不经常变化的数据项放在参数库中。服务器中包含了所有的数据库信息，而现场控制站上只包含该站相关的点和方案页信息，这是在系统生成后由系统管理中的下装功能自动完成的。系统下装：应用系统生成完毕后，应用系统的系统库、图形和报表文件通过网络下装到服务器和操作员站。组态产生的文件也可以通过其他方式装到操作员站，这要求操作人员正确了解每个文件的用途。服务器到现场控制站的下装是在现场控制站启动时自动进行的。现场控制站启动时如果发现本地的数据库版本号与服务器不一致，便会向服务器请求下装数据库和方案页。在实际应用中为保证系统库的数据一致性，使用时必须注意以下事项：数据库完全下装时服务器和操作员站的启停顺序：停操作员站、停服务器、启服务器、启操作员站。数据库增量下装中不能增加站间引用，不能修改设备信息。第三章 过程控制系统实验装置3.1 被控对象由不锈钢储水箱、有机玻璃水箱、单相电加热模拟锅炉(由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭式锅炉夹套构成)、盘管、管道、阀门等组成。3.1.1 水箱包括上水箱、下水箱和储水箱。上、下水箱采用淡蓝色优质有机玻璃，不但坚实耐用，而且透明度高，便于学生直接观察液位的变化和记录结果。有机玻璃水箱尺寸：长宽高=350380300（mm）。上水箱可以分为两个小水箱共五个槽组成，分别为小水箱缓冲槽、小水箱工作槽、大水箱缓冲槽、大水箱工作槽和溢流槽组成，进水时水管的水先流入缓冲槽，然后才流入工作槽，这样经过缓冲和线性化的处理，工作槽的液位较为稳定，便于观察。两个小水箱底部均设置有采压口、出水口以及并连水箱连通口。下水箱与上水箱不同，共有四个槽组成，分别为左进水缓冲槽、溢流槽、右进水缓冲槽和工作槽，水箱底部设置有采压口，出水口。储水箱由不锈钢板制成，尺寸为：长宽高=900m520430（mm），完全能满足有机玻璃水箱以及加热锅炉的实验供水需要。储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩，以防杂物进入水泵和管道。3.1.2 模拟锅炉利用电加热管加热的常压锅炉，包括加热层（锅炉内胆）和冷却层（锅炉夹套），均由不锈钢精制而成，可利用它进行温度实验。做温度实验时，冷却层的循环水可以使加热层的热量快速散发，使加热层的温度快速下降。冷却层和加热层都装有温度传感器检测其温度，可完成温度的定值控制、串级控制，前馈-反馈控制，解耦控制等实验。3.1.3 盘管模拟工业现场的管道输送和滞后环节，长21米（24圈），在盘管上有三个不同的温度检测点，它们的滞后时间常数不同，在实验过程中可根据不同的实验需要选择不同的温度检测点。盘管的出水通过软管连接既可以流入锅炉内胆，也可以经过涡轮流量计流回储水箱。它可用来完成温度的滞后和流量纯滞后控制实验。3.1.4 管道及阀门整个系统固定不动的管道由敷塑不锈钢管连接而成，所有的手动阀门均采用优质球阀，彻底避免了管道系统生锈的可能性。有效提高了实验装置的使用年限。实验用管道采用软管连接，软管连接部分均采用快速软管接头，方便软管插拔，不同的实验需要连接不同的管路，完全开放，老师学生可以随意组合控制系统，培养学生创新能力，使设备更具研究价值。3.2 检测装置3.2.1 压力传感器、变送器五个DDZ-III型压力传感器，用来对上小、上大、下水箱的液位以及常规仪表侧管道压力进行检测，精度为0.5级。采用工业用的扩散硅压力变送器，带不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。采用标准二线制传输方式，工作时需提供24V直流电源，输出：420mADC。其中检测管道压力的压力变送器量程为0-200KPa，其余用于检测液位的四个变送器量程均为0-5KPa。压力变送器用来对现象总线侧下水箱液位进行检测，数量1套。测量偏差小于0.1。采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯接口的压力传感器，SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯协议的压力传感器通过总线供电，不需要另外接工作电源。3.2.2 温度传感器装置中采用了五个Pt100铂热电阻温度传感器和一个K型热电偶传感器，五个热电阻传感器分别用来检测锅炉内胆、锅炉夹套、盘管（有3个测试点）的水温。Pt100测温范围：-200+420。经过调节器的温度变送器，可将温度信号转换成420mA直流电流信号。Pt100传感器精度高，热补偿性较好。K型热电偶传感器用来检测锅炉内胆水温，测温范围：0-1100。3.2.3 流量计 一个模拟转换器（涡轮流量计）挂接在网孔板上，两端接有快速接头，用来连接软管测量流量。它的优点是测量精度高，反应快。采用标准二线制传输方式，工作时需提供24V直流电源。流量范围：01.2m3/h；精度：1.0%；输出：420mADC。一个孔板流量计（需要配合差压变送器），刻度流量01.5m3/h，最大差压60KPa。一个电磁流量计，公称直径15mm，测量精度0.5。与流量转换器配合使用。基于微处理器的变送器，带有数字显示，可连接多种传感器，采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯接口电磁式流量计。3.2.4 差压变送器配合孔板流量计测量管道流量，采用电容式差压变送器，4-20mA信号输出，0.25级测量精度。3.2.5 液位传感器由三个电接触点组成，分别对低、中、高水位进行检测，配合液位控制器，可以对水位起到监视作用，本实验装置中共用了两个液位传感器，分别用来检测锅炉内胆水位和储水箱水位。3.3 执行机构3.3.1 电动调节阀采用智能直行程电动调节阀，用来对控制回路的流量进行调节。电动调节阀型号为：QSTP-16K。具有精度高、技术先进、体积小、重量轻、推动力大、功能强、控制单元与电动执行机构一体化、可靠性高、操作方便等优点，电源为单相220V，控制信号为420mADC或15VDC，输出为420mADC的阀位信号，使用和校正非常方便。3.3.2 气动调节阀额定流量0.3T/h，等百分比特性。由智能电气阀门定位器控制的气动调节阀，带有PROFIBUS-PA通讯功能。3.3.3 水泵 本装置采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P，流量为30升/分，扬程为8米，功率为180W。泵体完全采用不锈钢材料，以防止生锈，使用寿命长。本装置采用两只磁力驱动泵,一只为三相380V恒压驱动，另一只为三相变频220V输出驱动。3.3.4 电磁阀在本装置中作为电动调节阀、气动调节阀的旁路，起到阶跃干扰的作用。3.3.5 U型单相电加热管一根1KW U型电加热管用来对锅炉内胆内的水进行加温。 3.3.6 单相调压模块单相调压模块安装在控制屏内部，它为单相交流220V输入，输出为单相交流220V平滑可调，控制信号为DC 420mA，利用智能调节仪的输出信号可控制调压模块的输出电压，从而使加热介质水最终稳定在某一数值，实现温度的自动控制。第四章 MACS组态功能的实现MACS组态主要包括数据库组态、设备组态、算法组态和画面组态。组态完成后与装置连接进行系统统调。4.1 单容水箱液位定值控制系统4.1.1 工程分析 单容水箱液位定值控制系统需要一个输入测量信号，一个输出控制信号。因此需要一个模拟量输入模块FM148A和一个模拟量输出模块FM151。采集上水箱液位信号（LT1）控制电动控制阀的开度。4.1.2 工程建立打开数据库组态工具，进入数据库组态界面。在数据库总控组态界面工具栏下单击新建工程按钮，弹出如图4.1所示添加工程的对话框，填入工程名456，单击确定。工程建立之后可以在的D：MACSV_ENG文件下看到一个以新建的以工程名456命名的文件夹。图4.14.1.3 编辑数据库（1）选择编辑编辑数据库，弹出对话框如图4.2所示，输入用户名hollymacs和密码macs后单击确定，进入数据库编辑界面。 图4.2（2）选择系统数据操作，单击确定后弹出窗口，参照图4.3所示。因为单容水箱液位定值控制系统用到两个模块，两个通道，所以需要编辑两个点号。图4.3（3）单击数据操作后，选择模拟量输入，在右边选择项名列表框中选择需要设置的项目名称，见表4.1，单击确定并添加记录。表4.1 模拟量输入项记录号通道号采集周期标度变换类型设备号量程下限量程上限输出格式点名信号范围站号111标度变换20200XXXXXXLt11-5V11（4）选择AO模拟量输出，参照表4.2选择项名，单击确定并添加记录。表4.2 模拟量输出项当前值通道号采集周期标度变换设备号量程下限量程上限输出格式点名站号0114-20mA/1-5V40100XXXXXXO111（5）设备号即设备地址，输入通道为2（FM148），输出通道为4（FM143），单击更新数据库按钮即可保存。（6）单击数据库编译基本编译，若显示数据库编译成功，则数据库组态完毕，关闭数据库总控组态软件界面。4.1.4 设备组态 按照“开始程序MACS组态软件设备组态工具”的顺序打开设备组态工具，定义系统设备和I/O设备。1、设置系统设备（1）选择打开新建的456工程。（2）选择编辑系统设备，打开系统设备组态对话框。选中MACS设备组态，弹出系统设备生成对话框，参考图4.4所示，首先上层网络设置，网段A设置为128，网段B设置为129，然后下一步选择服务器配置，下一步选择IO控制站数量，下一步选择操作员站数量，最后点击开始。图4.4也可以将刚弹出的对话框取消，选中MACS设备组态，右击鼠标选择添加节点，在“现场控制站、操作员站、服务器”中选择现场控制站。选中现场控制站，右击鼠标选择添加设备，分别添加主控单元、以太网卡。重复前三个步骤，分别添加操作员站、服务器。操作员站以太网卡属性设置，右击以太网卡选择属性，将其IP地址改为128.0.0.51。服务器以太网卡属性设置，右击以太网卡选择属性，将其IP地址分别改为128.0.0.1和129.0.0.1。至此，系统设备设置完毕，单击按钮,显示编译完成，如图4.5所示。 图4.52、设置I/O设备（1）选择编辑I/O设备，打开I/O设备组态对话框。（2）选择菜单“查看/自定义设备”在DP链路下添加新的设备，引入所用的设备，FM148选用FM148A，FM143A选用FM143A，FM151选用FM151。（3）选择“现场控制站”，右键添加DP链路，设备默认DP链路。 （4）选择DP，参照图4.6，右键添加新的设备FM148A，FM143A，FM151。图4.6（5）选中FM148A，右键更改属性为地址1，选用通道的信号量程为0 5V。FM143A右键更改属性地址为2，选用通道的信号量程为16（-200 200）。FM151右键更改属性地址为3，选用通道的信号量程为420mA。组态结果如图4.7所示。图4.7单击按钮，显示编译成功。 （6）将组态数据保存到数据库，至此，设备组态完毕，关闭设备组态工具界面。 4.1.5 算法组态算法组态分为服务器算法组态和控制算法组态。（1）按照“开始程序MACS组态软件服务器算法组态”的顺序打开服务器算法组态界面。选择文件打开工程，打开新建的工程文件。（2）选择文件新建站，在新建的工程下新建站为服务器、控制站10和控制站11。如图4.8所示。图4.8（3）选中控制站11，右击鼠标选择输入方案，在弹出的对话框中输入方案的名称456，如图4.9所示。图4.9（4）选择FBD的编程方式，保存方案如图4.10所示。图4.10（5）选择功能模块控制算法PID调节，点击图弹出输入参数对话框，设置PID属性如图4.11（a）、（b）、（c）所示。图4.11（a）图4.11（b）图4.11（c）（6）参照图4.12，将PID功能模块放在合适的位置上。图4.12（7）参照图4.13，选择输入输出端子输入端子，将其连接到PID模块的PV端。图4.13（8）参照图4.14，选择输入输出端子输出端子，将其连接到PID模块的AV端。 图4.14图4.15所示，输入输出端均连接好。图4.15（9）单击编译当前方案，编译成功后退出算法组态。4.1.6 图形组态（1）按开始程序MACS组态软件MACS图形组态工具的顺序打开图形组态界面。选择文件打开项目，打开新建的456工程文件。（2）选择文件打开文件，如图4.16所示。在工具栏中单击打开文件夹的按钮，系统有一个自带的图形文件$main，打开系统自带的图形，选择图形，在右键中选择交互特性，将会发现有切换底图的特性，切换为“菜单.hsg”的图形，将Tip显示选择有TIP显示特性，在显示固定字符串下写“点击左键 进入实验菜单”。图4.16（3）新建一个单容水箱的图形文件，利用绘图工具绘制如图4.17所示图形。图4.17（4）参照图4.18，单击上水箱液位的文字特性xxx.x mm，右击鼠标选择动态特性。图4.18（5）参照图4.19，单击上水箱液位的文字特性xxx.x mm，右击鼠标选择交互动态特性。图4.19（6）参照图4.20，单击电动控制阀开度的文字特性xxx.x ，右击鼠标选择动态特性，在文字标签中选择文字特性，点名为DD，域号为0，项名为AV，其他选择默认。图4.20（7）保存文件，图形组态完毕。4.1.7 组态结果与装置调试（1）打开计算机，打开和关闭相应的阀门。按照顺序打开DCS控制柜总电源、三相开关、单相开关，再打开控制站，最后，打开DCS主控开关按钮。（2）在计算机上打开数据库总控组态窗口，在空白的菜单下选择刚新建的456工程，参照图4.21，选择编辑域组号组态选择新建的工程，移到右边，单击确认。图4.21（3）参照图4.22，选择要做的工程。图4.22（4）选择工具栏中的“完全编译”，稍后显示编译成功如图4.23所示。图4.23（5）关闭数据库组态,然后启动服务器，如图4.24所示。图4.24（6）打开工程师在线下装，输入用户名和密码macsv/macsv，如图4.25所示。 图4.25（7）参照图4.26，单击工具栏中的456，选择新建的工程。图4.26（8）如图4.27（a）、（b）所示选择菜单中的系统命令下装，选择服务器下装，选择IO站11，移到右边，点击确定，双击128.0.0.1.下一步，直到下装成功。图4.27（a）图4.27（b）（9）选择菜单中的系统命令下装，选择操作员下装，双击128.0.0.51，选择下一步，直到下装成功。（10）关闭工程师在线下装，重新启动服务器，然后打开操作员站在线软件，在工程师功能中选择登陆，输入用户名superman和口令macsv，参考图4.28。服务器启动成功后，就可以用新组态的工程做实验了。图4.284.1.8 注意事项（1）各项组态完毕必须编译通过。（2）组态一定要按步骤进行。（3）组态结果与装置调试时，一定要按步骤进行，编译成功后要启动服务器,否则下装不会成功。 4.2 双容水箱液位串级控制系统4.2.1 工程分析 水箱液位串级控制系统需要两个输入信号端子和一个输出端子，因此选用一个模拟量输入模块（FM148A）和一个模拟量输出模块（FM151）。FM148A的通道2采集上水箱液位数据，FM148A的通道3采集中水箱液位数据，控制输出信号由模拟量输出模块（FM151）的通道1送出，去操纵电动控制阀的开度。4.2.2 建立工程 （1）打开数据库组态工具，进入