DCS系统设计及调试.docx

毕业设计题 目 DCS实训装置系统设计 系 （部） 自动化工程系 专 业 生产过程自动化 指导教师 熊媛媛、雷雪梅 作 者 完成日期 2014年5月27日 摘 要CS3000型实训装置是我院所购的微型装置，主要包括水槽、水箱、锅炉、换热器等对象。它还集成了差压式流量计、涡轮流量计、液位计、热电阻等检测仪表，还集成了电动调节阀、变频泵、交流调压模块等执行器。可配调节仪表或DCS实现常规仪表控制和DCS控制。可实现的主要控制方案包括：液位单回路控制、流量单回路控制、流量液位串级控制、液位液位串级控制、前馈控制、温度单回路控制、比值控制。关键词：CS300型实训装置、DSC控制、自动控制 AbstractCS3000 training device is a miniature device in our hospital purchased, including water tank, water tank, boiler, heat exchangers and other objects. It also incorporates the differential pressure flowmeter, turbine flowmeter, level meter, thermal resistance measuring instrument, also integrates the electric control valve, pump, AC voltage regulator module and actuator. Can be equipped with adjustable instrument or DCS conventional instrument control and DCS control. Including the main control scheme can achieve: level of single loop control, flow of single loop control, flow, liquid level cascade control, liquid - liquid level cascade control, feedforward control, temperature control, single loop ratio control.Keyword：CS3000 training device、DCS control、Auto-Control目 录摘要.1引言.41.设计要求.51.1用户管理要求.51.2测点清单.51.3参考控制方案.61.4操作小组配置.62.CS3000软件组态的安装7 2.1 安装前的准备.7 2.2 软件安装.73.系统硬件组成.9 3.1机柜组成.9 3.2机笼组成.9 3.3系统电源.11 3.4 I/O机笼.144.CS3000系统组态简介.20 4.1 DCS组态控制软件.20 4.2 图形编辑FBD.22 4.3 I/O配置.235.DCS硬件设计.25 5.1信号卡件端子板统计表.25 5.2 区域设置.255.3趋势组态设置.256.DCS软件设计.26 6.1用户授权设置.266.2 工艺常规控制.27 6.3监控操作要求.327.运行调试.467.1 运行结.46总结.49参考文献.50致谢.51 引 言 国民经济的快速发展和其他行业的技术进步迫切要求信息化在工业方面得泛应用，特别是需要新技术改造的传统产业，因此工业自动化技术得以快速发展，利用工业自动化技术改造传统产业和产业结构，提高自动化、智能化、信息化水平，增强企业竞争能力，是一项非常迫切的任务。DCS是化工、炼油、发电、造纸和制糖等行业必不可少的动力设备。在现代化的石油化工企业里，DCS的设立可以使工艺生产过程中的物料和能量得到更加合理的充分利用。因此，DCS往往成为工厂不可缺少的一部分。DCS实训装置系统设计第一章 设计要求1.1用户管理要求用户名用户密码允许访问的操作小组名称角色等级角色对应功能工程师111111工程师、操作小组1、操作小组2工程师缺省操作员A222222操作小组1操作员缺省操作员B333333操作小组2操作员缺省操作员C444444操作小组3操作员缺省1.2测点清单序号位号注释信号类型量程单位趋势地址报警1TE1-2锅炉顶部温度Pt1000100 5S02-00-00-00HI：902LT1上水箱液位4-20mA不配电0500mm1S02-00-02-00HI：300L: 1003LT2中水箱液位4-20mA不配电0500mm1S02-00-02-01HI：300L: 504LT3下水箱液位4-20mA不配电0500mm1S02-00-02-02HI：300L: 505TE1-1锅炉内胆温度4-20mA不配电0100 5S02-00-02-03HI：906TE2锅炉夹套温度4-20mA不配电0100 5S02-00-02-04HI：907TE4热出温度4-20mA不配电0100 5S02-00-02-05HI：908TE5冷出温度4-20mA不配电0100 5S02-00-03-00HI：909TE6热进温度4-20mA不配电0100 5S02-00-03-01HI：9010FF1孔板流量4-20mA不配电01m3/h 1S02-00-03-0211FF2涡轮流量频率0-1300当量系数=1%1S02-00-06-0212FV1电动调节阀信号4-20mA正输出 0100%02-00-05-0013LV1变频器信号4-20mA正输出0100%02-00-05-0114TV1调压模块信号4-20mA正输出0100%02-00-05-021.3参考控制方案序号回路位号控制方案回路注释测量反馈信号调节器输出位号 1FIC1单回路孔板流量控制FF1FV1 2LIC_1单回路上水箱液位控制LT1FV1 3LIC_2单回路中水箱液位控制LT2FV1 4回路1 LIC_2回路2 LIC_1双回路上下水箱串级控制LT2LT1FV15TIC1_1单回路锅炉内胆温度控制TE1-1TV16TIC1_2单回路锅炉夹套温度控制TE2TV17回路1 TIC1_1回路2 TIC1_2双回路锅炉温度串级控制TE1-1TE2TV18TIC2单回路出口温度控制TE4TV19FIC2单回路涡轮流量控制FF2LV11.4操作小组配置操作小组3个，配置如图：操作小组名称切换等级操作员甲操作员操作员乙操作员工程师工程师第二章 CS3000系统软件安装1、安装前的确认工作在安装前执行下列步骤：(1)安装CS30000软件前重新启动PC机。(2)如果正在运行病毒保护或其他驻留内存的程序，则退出运行。2、安装软件重启动PC后，登录到管理员帐户。(1)将Key-Code软盘插入驱动器。(2)将CS3000光盘插入CD-ROM驱动器。(3)运行Windows浏览器，并在“CENTUM”目录下双击“SETUP”，“Welcom”对话框将随之出现。(4)点击“Next”按钮或按“Enter”键。(5)选择软件安装的目标路径。缺省路径为：“C:CS3000”，使用“Browse”按钮可以更改路径。(6)点击“Next”按钮或按“Enter”键。出现用户注册对话框。(7)输入用户名和组织名。(8)点击“Next”按钮或按“Enter”键。出现一个输入ID号的对话框。(9)输入系统提供的ID号。如果是系统升级，则无需ID号。(10)然后点击“Next”按钮或按“Enter”键，显示已安装的软件列表。(11)点击“Next”按钮或按“Enter”键，显示一个对话框，询问是否有另一张key code 软盘。(12)点击“No”按钮，或按“Enter”键，显示一个要安装的软件列表。(13)如果电子文档许可被添加到key code中，则会出现一个对话框，提示你更换另一张光盘（电子手册）。依照提示更换光盘，屏幕出现安装确认对话框。(14)选择“Yes”按钮，开始安装电子手册，这个过程大概需要10分钟。(15)安装完成后，出现一个对话框，询问是否还要进行CS3000的安装。(16)如果无需进行下一步安装，则点击“No” 按钮，或按“Enter”键。如果有必要，则将CS3000光盘插入CD-ROM驱动器并单击“Yes”。(17)出现一个确认对话框，询问是否需要操作键盘。如果需要，则选择“Use operation keyboard”并选择操作键盘COM口（COM1或COM2），按“Next”或“Enter”键；如果不需要，则直接按“Next”按钮或“Enter”键。该步骤进行的设置也可在HIS Utility中修改或设置。(18)出现一个系统参照数据库对话框。输入操作和监视功能使用的数据库所在的计算机名。一般情况下，该数据库在组态计算机中。(19)点击“Next”或按“Enter”键，出现一个对话框，提示安装Microsoft Excel。该对话框是在已安装了报表软件包时，或在安装报表软件前未安装Excel时出现的。(20)按“OK”键，显示安装Acrobat Reader软件提示对话框。该对话框仅在安装了“Electronic Document”（电子文档）时出现。(21)按“OK”键，显示一个对话框，通知你安装结束，并提醒你取出软盘和光盘，并重新启动。依照提示取出软盘和光盘，并点击“Finish”或按“Enter”键，安装结束。 第三章系统硬件组成3.1机柜组成为拼装结构尺寸：2100800600散热：风扇散热外部安装：焊接或螺栓固定内部安装：架装结构内含系统接地铜条机柜底部：有可调整尺寸的电缆线入口安装容量：1个电源机笼、4个I/O机笼、4个电源模块和相关的端子板、2个Switch、1个交流配图3-13.2.机笼组成机笼分为电源箱机笼和I/O机笼；图3-2 3.3系统电源 双路AC输入冗余设计单个电源模块150W5VDC/24VDC输出内置低通AC滤波器和因素校正；导轨式的插接方式安装3.3.1供电原理 220V交流电经电源转换，引入机笼上的电源端子。3.3.2 AC配电图3-4图3-4 A B a b 图3-53.3.3 DC配电图3-6 图3-73.3.4 操作站供电早期设计为单路供电：部分操作站使用UPS、部分操作站使用市电；全UPS供电。（存在的问题：供电可靠性不高）解决方案：操作站增加交流电源切换装置，实现双路交流给操作站供电。切换装置工作原理如下：3.4 I/O 机笼盛放卡件的笼子机笼框架内部固定有20条导轨，用于固定卡件；每个槽位有具体的分工。 通过母板上的欧式接插件和母板（印刷电路板）上的电气联接实现对卡件的供电和卡件之间的总线通讯图3-83.4.1 机笼结构图图3-9 图3-10图3-113.4.2 机笼的连线方式图3-123.4.3 常用接线端子板图3-13非冗余端子 冗余端子板 端子板反面XP520 XP520R图3-14第四章CS3000系统软件组态简介4.1 DCS组态控制软件4.1.1 SCKey.exe组态软件，应用于对DCS硬件和软件的组态。如图所示：图4-1在组态好以后需要下载在不同的控制站中，需选择不同的控制站。如图所示：图4-2上图所表示的是128.128.1.2控制站的组态工程师站IP地址130，计算机名为“ES130”；普通操作站IP地址131、132、133 ，计算机名为“OS131”、“OS132”、“OS133”图4-34.1.2 AdvanTrol.exe监控软件实验运行软件，运行界面如图所示：图4-44.2图形编辑FBD4.3 I/O设置4.3.1数据转发卡配置先选择控制站，然后点击“增加”，输入注释并设置地址图4-5 4.3.2 I/O卡件组态点击“I/O卡件”标签，使之跳到屏幕最前。点击增加，选择相应的卡件类型。图4-64.3.3 I/O信号点组态点击“I/0点”设置，使之跳到屏幕最前，图4-7第五章 DCS硬件设计5.1信号卡件端子板统计表信号类型卡件型号卡件类型点数卡件数目配套端子板型号端子板数目模拟量信号电流信号Xp313AI102电压信号Xp314AI热电阻Xp316RTD11模拟量输出信号Xp322AO31开关量信号统计1445.2区域设置液位流量数据组温度数据组液位数据区锅炉温度数据区流量数据去夹套温度数据区5.3趋势组态设置工程师FIC1.MVLIC_1.MVLIC_2.MVLC_103.MVTIC1_1.MVTIC1_2.MVTIC1_3.MVTIC1_4.MVTIC2.MVFIC2.MC操作小组1FIC1.MVFIC2.MC操作小组2LIC_1.MVLIC_2.MVLC_103.MV操作小组3TIC1_1.MVTIC1_2.MVTIC1_3.MVTIC141.MV第六章 DCS软件设计6.1 用户授权设置6.2工艺常规控制6.2.1 I/O卡件 点击“I/O卡件”标签，使之跳到屏幕最前。点击增加，选择相应的卡件类型。6.2.2 测点清单6.2.3参考控制方案6.2.4控制站及操作站配置控制系统由一个控制站、一个工程师站、两个操作站。要求主控卡、电源、数据转发卡、网络均冗余配置。两个操作站分别监控水箱和换热器的过程参数和画面工程师站要求可同时产看水箱和换热器的所有过程参数和和面6.2.4.1操作小组配置工程师小组下可操作所有的实验并且添加光字牌和主要动态参数6.2.4.2操作小组1设置6.2.4.3操作小组2设置6.2.4.4操作小组3设置6.3监控操作要求6.3.1分组画面6.3.2可浏览一览画面：6.3.3可浏览流程图画面： （1）孔板流量控制流量单回路控制系统图6-1 （2）上水箱液位控制液位给定上 水 箱电动调节阀PID控制器+液位变送器图5-2、实验原理图图6-2为单回路上水箱液位控制系统。单回路调节系统一般指在一个调节对象上用一个调节器来保持一个参数的恒定，而调节器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。本系统所要保持的参数是液位的给定高度，即控制的任务是控制上水箱液位等于给定值所要求的高度。根据控制框图，这是一个闭环反馈单回路液位控制，采用DCS系统控制。当调节方案确定之后，接下来就是整定调节器的参数，一个单回路系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏与控制器参数选择有着很大的关系。合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。反之，控制器参数选择得不合适，则会使控制质量变坏，达不到预期效果。一个控制系统设计好以后，系统的投运和参数整定是十分重要的工作。一般言之，用比例（P）调节器的系统是一个有差系统，比例度的大小不仅会影响到余差的大小，而且也与系统的动态性能密切相关。比例积分（PI）调节器，由于积分的作用，不仅能实现系统无余差，而且只要参数，Ti调节合理，也能使系统具有良好的动态性能。比例积分微分（PID）调节器是在PI调节器的基础上再引入微分D的作用，从而使系统既无余差存在，又能改善系统的动态性能（快速性、稳定性等）。但是，并不是所有单回路控制系统在加入微分作用后都能改善系统品质，对于容量滞后不大，微分作用的效果并不明显，而对噪声敏感的流量系统，加入微分作用后，反而使流量品质变坏。对于我们的实验系统，在单位阶跃作用下，P、PI、PID调节系统的阶跃响应分别如图6-2中的曲线、所示。 （3）中水箱液位控制中 水 箱电动调节阀PID控制器+液位变送器图6-3实验原理图（4）上下水箱串级控制图6-4上水箱下水箱液位串级控制框图1、串级控制系统的组成6-4为液位串级控制系统。这种系统具有2个调节器、2 个闭合回路和两个执行对象。2个调节器分别设置在主、副回路中，设在主回路的调节器称主调节器，设在副回路的调节器称为副调节器。两个调节器串联连接，主调节器的输出作为副回路的给定量，主、副调节器的输出分别去控制二个执行元件。主对象的输出为系统的被控制量锅炉夹套温度，副对象的输出是一个辅助控制变量。2、串级系统的抗干扰能力串级系统由于增加了副回路，对于进入副环内的干扰具有很强的抑制作用，因此作用于副环的干扰对主被控量的影响就比较小。系统的主回路是定值控制，而副回环是一个随动控制。在设计串级控制系统时，要求系统副对象的时间常数要远小于主对象。此外，为了指示系统的控制精度，一般主调节器设计成PI或PID调节器，而副调节器一般设计为比例P控制，以提高副回路的快速响应。在搭实验线路时，要注意到两个调节器的极性（目的是保证主、副回路都是负反馈控制）。 3、串级控制系统与单回路的控制系统相比 串级控制系统由于副回路的存在，改善了对象的特性，使等效对象的时间常数减小，系统的工作频率提高，改善了系统的动态性能，使系统的响应加快，控制及时。同时，由于串级系统具有主副两只控制器，总放大倍数增大，系统的扰干扰能力增强。因此，它的控制质量要比单回路控制系统高。4、串级控制系统的投运和整定有一步整定法，也有两步整定法，即先整定副回路，后整定主回路。 （5）锅炉夹套温度控制图6-5温度控制系统图6-5为一个闭环单回路的锅炉内胆温度控制系统的结构框图，锅炉内胆为动态循环水，变频器、齿轮泵、锅炉内胆组成循环供水系统。实验之前，变频器、齿轮泵供水系统在通过阀11将锅炉内胆和夹套的水装至适当高度，阀15关闭。实验投入运行以后，变频器再以固定的频率使锅炉内胆的水处于循环状态。静态闭环单回路的锅炉夹套温度控制，没有循环水加以快速热交换，而单相电加热管功率为1.5KW，加热过程相对快速，散热过程相对比较缓慢，调节的效果受对象特性和环境的限制，在精确度和稳定性上存在一定的误差。增加了循环水系统后，便于热交换及加速了散热能力，相比于静态温度控制实验，在控制的精度性，快速性上有了很大的提高。 （6）锅炉内胆温度控制图6-6温度控制系统原理图本系统所要保持的恒定参数是锅炉内胆温度给定值，即控制的任务是控制锅炉内胆温度等于给定值。根据控制框图，采用DCS控制系统。如图位式控制系统的方框图所示，温度给定值在智能仪表上通过设定获得。被控对象为锅炉内胆，被控制量为内胆水温。它由铂电阻PT100测定，输入到智能调节仪上。根据给定值加上dF与测量的温度相比较向继电器线圈发出控制信号，从而达到控制内胆温度的目的。由过程控制原理可知，双位控制系统的输出是一个断续控制作用下的等幅振荡过程，如图6-7所示。因此不能用连续控制作用下的衰减振荡过程的温度品质指标来衡量，而用振幅和周期作为品质指标。一般要求振幅小，周期长，然而对同一双位控制系统来说，若要振幅小，则周期必然短；若要周期长，则振幅必然大。因此通过合理选择中间区以使振幅在限定范围内，而又尽可能获得较长的周期。 图6_7 （7）锅炉温度串级控制图6-8锅炉温度串级控制原理图（8）涡轮流量控制流量单回路控制系统图6-9流量控制系统（9）出口温度控制锅炉内胆温度控制、泵2的出口流量控制，换热器出口流体温度控制，以换热器出口温度控制系统为例。本次设计是通过操纵进入换热器的热水的流量来控制换热器出口温度，因此采用一个简单控制系统即可达到要求。图6-10 换热器出口温度控制方框图第七章 运行调试7.1 运行结果7.1.1 调试结果图7.1 调试结果7.1.2数据一览画面图7.2数据一览画面7.1.3 常规回路监控画面图7.3常规回路监控画面7.1.4 趋势图监控画面图7.4趋势图监控画面总 结CS3000型实训装置发展趋势是将现场过程控制与信息处理技术更紧密的结合。CS3000型实训装置产品是在不断满足用户需求基础上发展的，因此要不断提升其功能、实时性、可