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毕业设计报告 论文 报告 论文 题目 基于和利时 DCS 的 电厂除氧系统控制 作者所在系部 电子工程系 作者所在专业 自动化 作者所在班级 B08222 作 者 姓 名 赵骥 作 者 学 号 20044022206 指导教师姓名 李叶紫 完 成 时 间 2012 年 6 月 20 日 北华航天工业学院教务处制 北华航天工业学院北华航天工业学院 毕业设计 论文 任务书 理工类 毕业设计 论文 任务书 理工类 学生姓名 赵骥 专 业 自动化 班 级 B08222 学 号 20044022206 指导教师 李叶紫 职 称 教授 完成时间 2012 6 毕业设计 论文 题目 基于和利时 DCS 的电厂除氧系统控制 纵向课题 理论研究 教师科研 课 题横向课题 应用研究 教师自拟课题 应用设计 题目来源 学生自拟课题 题目类型 其 他 注 请直 接在所属 项目括号 内打 总体设计要求及技术要点 应用 DCS 设计电厂除氧系统 要求如下 1 了解和利时 DCS 系统工作原理 2 建立电厂除氧系统模型 3 完成控制回路设计 4 实现过程参数 PID 调节 5 组态控制设计 6 参数调节 7 分析运行结果 工作环境及技术条件 联网计算机一台 DCS MACS 相关软件 有关的技术手册 以及电厂除氧相关 资料 工作内容及最终成果 以和利时 DCS 装置为基础 采用 PID 调节的过程控制系统工程设计的方法 进行 系统方案论证并进行仿真实验 完成的控制回路进行设计 完成 PID 的控制功能 构成 电厂除氧控制系统 在 DCS 组态软件 HOLLiAS MACS 中实现控制逻辑和控制 HMI 组态 利用 DCS 软件提供的数学模型 进行电厂除氧控制系统调试 整定各环节参 数 记录实验结果 分析实验结果 时间进度安排 1 第七学期第 6 周 第 15 周 查阅资料 完成开题报告 文献综述 外文文献 翻译 2 第七学期第 16 周 第 17 周 开题报告审阅 答辩 3 第八学期第 1 周 第 4 周 分析所用控制阀的控制要求 画出总体流程图和 不同种类阀门的分流程图以及 PID 控制流程图 4 第八学期第 5 周 第 7 周 进行下位系统的组态和单元整定 分配下位 PLC 资源 确定控制 采集用标签 5 第八学期第 8 周 第 14 周 完成控制程序的编制 6 第八学期第 15 周 第 17 周 做出使用说明书 完成毕业设计论文 指导教师签字 年 月 日 教研室主任意见 教研室主任签字 年 月 日 北华航天工业学院 本科生毕业设计 论文 原创性及知识产权声明 本人郑重声明 所呈交的毕业设计 论文 基于和利时 DCS 的电厂除氧系统控制 是本人在指导教师的指导下 独立进行研究工作取得的成果 除文中已经注明引用的内 容外 本设计 论文 不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果 对本 设计 论文 的研究做出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 因本毕 业设计 论文 引起的法律结果完全由本人承担 本毕业设计 论文 成果归北华航天工业学院所有 本人遵循北华航天工业学院有 关毕业设计 论文 的相关规定 提交毕业设计 论文 的印刷本和电子版本 本人同 意北华航天工业学院有权保存毕业设计 论文 的印刷本和电子版 并提供目录检索与 阅览服务 可以采用影印 缩印 数字化或其它复制手段保存论文 在不以营利为目的 的前提下 可以公布非涉密毕业设计 论文 的部分或全部内容 特此声明 毕业设计 论文 作者 指导教师 年 月 日 年 月 日 北华航天工业学院毕业论文 摘 要 论文的研究工作是以某电厂除氧系统设计为背景展开的 并且详细介绍了通过 DCS 控制下系统工作的情况 以图形组态的形式对系统进行控制 使得程序具有更灵活的控 制途径和更完备的控制方法 本文在深入分析 DCS 控制软件的基础上 通过分析介绍了除氧系统原理 采用 PID 调节 的过程控制系统工程设计的方法 进行系统方案论证并进行仿真实验 完成的控制回路进 行设计 完成 PID 的控制功能 构成电厂除氧控制系统 在 DCS 组态软件 HOLLiAS MACS 中实现控制逻辑和控制 HMI 组态 利用 DCS 软件提供的数学模型 进行电厂除 氧控制系统调试 整定各环节参数 记录实验结果 分析实验结果 本文还解析了 DCS 在电厂除氧中的设计过程 因为此过程在设计其他系统的设计中有同样的步骤 同时阐 述了其在除氧控制系统中的应用 关键词 DCS HOLLIAS MACS PID HMI 组态 北华航天工业学院毕业论文 I Abstract Among the research work on a oil transport system Central Control System is designed to start the background and details of the PLC passed under the control of operation of the system a free configuration of the system in the form of control making the process of a more flexible way to control And better control methods In this paper in depth analysis of ControlNet bus technology on the basis of analytical focus of the ControlNet in all of the advantages of bus on its part the control system of application and to Rockwell s RSLogix5000 based products prepared by the Liberal Group State of independent control of the software Among the main control valve on a variety of free control particularly the use of cyclical PID control a large number of ways to solve the delay problem of computing In this paper the system hardware selection process control software in the realization are described in detail the use of the software programming have described the system under the control of features have also concluded that more detailed description of the entire system The related issues Key words ControlNet Fieldbus RSLogix5000 Software Independent Control Free Configuration 北华航天工业学院毕业论文 II 目 录 第 1 章 绪论 1 1 1 课题背景及国内外研究概况 1 1 2 DCS 控制系统介绍 1 1 3 电厂除氧系统介绍 3 第 2 章 和利时 DCS 控制软件介绍 4 2 1 和利时 DCS 控制软件发展 4 2 2 MACS 各组成软件介绍 5 2 2 1 工程师站软件 5 2 2 2 操作员站软件 6 2 2 3 其他软件 9 2 3 小结 10 第 3 章 系统硬件概况 11 3 1 系统概况 11 3 2 功能模块 12 3 2 1 CPU 模块 12 3 2 2 SRM 热备模块 13 3 2 3 电源模块 13 3 2 4 C NET 模块 13 3 2 5 模拟输入模块 13 3 2 6 模拟输出模块 14 3 2 7 RTD 模块 14 3 2 8 开关量输入模块 14 3 2 9 开关量输出模块 14 3 3 冗余的实现 14 3 4 小结 15 第 4 章 除氧系统设计过程 16 4 1 下位软件概况 16 北华航天工业学院毕业论文 III 4 2 RSLogix5000 软件简介 16 4 2 1 软件概况 16 4 2 2 程序界面 17 4 3 程序标签设定 18 4 4 程序流程 18 4 5 程序简介 24 4 6 小结 24 第 5 章 参数调节与结果分析 25 5 1 ControlNet 现场总线技术应用 25 5 2 双机热备冗余结构 25 5 3 PID 周期运算 25 第 6 章 结论 26 致谢 27 参考文献 28 附录 29 北华航天工业学院毕业论文 4 基于和利时 DCS 的电厂除氧系统控制 第 1 章 绪论 1 1 课题背景及国内外研究概况 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 computer 通信 communication 显示 CTR 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 以及组态方便 DCS 自 1975 年问世以来已经历了近三十年的时间 其可靠性 实用性不断提高 功 能日益增强 如控制器的处理能力 网络通讯能力 控制算法 画面显示及综合管理能 力等 DCS 系统过去只应用在少数大型企业的控制系统中 但随着 4C 技术及软件技术 的迅猛发展 到目前已经在电力 石油 化工 制药 冶金 建材等众多行业得到了广 泛的应用 特别是电力 石化这样的行业 分散控制系统 DCS 在国内外都有很多应用 1975 年美国最大的仪表控制公司 Honeywell 首次向世界推出了它的综合分散控制系统 TDC 2000 Toal Distributed Control 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 S 费雪尔公司的 DC guaranteed delivery is already handled by TCP For CIP Read Data requests comparison of connected to unconnected messaging resulted in slightly smaller messages and a 3 increase in throughput As a drawback the client application has to send requests at the established update interval of the connection or faster Temporary Ethernet delays cause the PLC to close the connection The ControlLogix Multi Request Service 0 x0A is used to combine CIP Read Write Data requests until either the total request or expected response size reaches the PLC buffer limit of approximately 500 bytes Chapter 8 3 1 4 in 2 defines this as 511 bytes 2 4 1 in 6 as 504 bytes 北华航天工业学院毕业论文 42 5 IMPLEMENTATION OF EPICS SUPPORT For each PLC the vxWorks driver code arranges the tags in scan lists depending on the requested update rate One thread per PLC handles all read write requests EPICS device support allows analog binary and multi bit records to use the driver for input and output Tags have to refer to a scalar value a single array element or a structure element not whole arrays or structures The PLC data types BOOL SINT INT DINT and REAL are handled One can change the record configuration at runtime without rebooting the IOC e g the tag name that a record refers to can be replaced In case of a communication error or timeout the driver disconnects from the PLC and attempts periodic reconnects Per default the driver combines requests for array elements into one array transfer from the first to the highest requested element This leads to a significant reduction in transfer times but might have side effects The IOC will always write the whole array whenever more than one element has been changed by output records If the same PLC array has been modified by another source PanelView display since the last transfer the IOC is unaware of these changes and will overwrite them An array transfer is also size limited by the aforementioned PLC buffer limit The record configuration allows separate array element transfers as a workaround for these cases For output records the driver sends a CIP Write Data message whenever the record is processed Otherwise it will periodically read the tag from the PLC and update the output record if the value on the PLC differs from the one in the record The driver keeps statistical information error counts last minimum maximum transfer time for each scan list Analog input records allow access to these values One problem arose with BOOL arrays since they are transferred as DINT values For an analog record a tag of test 5 is interpreted as addressing the 5th element of tag test When this is applied to a BOOL array the result would be the 5th DINT containing bits 160 191 So for binary records all array access is assumed to target BOOL arrays and test 5 would be transformed in a request to DINT 0 bit 5 This software has been tested on 68K PPC and Pentium IOCs The lower driver layer handles the different byte order In addition a simple command line program is available for Unix and Win32 that allows read and write access to PLC tags as a debugging aid 北华航天工业学院毕业论文 43 6 PERFORMANCE For the following an MVME2100 CPU with a 100baseT network interface communicated to the PLC with its 10baseT connection via a dual speed hub Another office PC and a Linux file server were connected to the same hub Network utilization was generally below 2 On average 11 milliseconds are required to transfer a single tag be it a scalar REAL BOOL or DINT an array of 15 REAL or 352 BOOL values Since the EPICS driver combines multiple requests up to the PLC buffer limit about 15 tags each with a 15 character name can be read in one transfer of about 20 ms while the separate transfers would require more than 160 ms In an attempt to simulate a common application an IOC was configured with 352 binary input records scanning the elements of a BOOL array at 10Hz and 120 analog input records scanning three 40 element REAL arrays at 2 Hz Since Ethernet is not deterministic these transfer rates vary over time due to collisions on the network resulting in a transfer time histogram as shown in Fig 1 Figure 1 Transfer times sampled over 3 days On average the whole BOOL array transfer was handled in 15ms all REAL arrays were transferred in 25ms so that the records could easily be updated at the chosen scan rate In these measurements the System Overhead Time Slice of the PLC was set to 10 After increasing it to 50 and connecting the CPU and PLC to a network switch the average times for a single tag are reduced to 7ms 北华航天工业学院毕业论文 44 7 CONCLUSION It is possible to use the published EtherNet IP specification together with the openly available Allen Bradley extensions to read and write tags on a ControlLogix system The EPICS support is convenient to use The record configuration can be changed at runtime transfers are automatically combined up to the PLC buffer limit In contrast to other protocols there is no need to define the affected tags as produced or consumed nor does it require a network wide assessment of timing values for scheduling transfers as the original ControlNet did Due to the nature of Ethernet the exact transfer time varies A switched network topology will help minimize variations To reach the required throughput values of interest should be arranged in arrays To keep the ladder logic readable intelligible tag names can be used to alias the meaningless transfer array elements The published CIP service codes do not allow browsing of PLC tag names and type information which would allow an even more user friendly EPICS driver With explicit messaging each tag transfer is a round trip request The tested version of the 1756 ENET module does not support implicit messaging Ideally the IOC could subscribe to the tags of interest and from then on receive asynchronous notification of changes or at least periodic updates eliminating the need to poll The current implementation however does already allow for a successful integration of ControlLogix systems into an EPICS environment REFERENCES 1 Rockwell Automation ControlLogix Selection Guide Publication 1756 SG001A US P from July 2000 2 ControlNet International Ltd ControlNet Specifications Release 2 0 Errata 2 2000 3 Rockwell Automation Logix5000 Data Access Pub 1756 RM005A EN E from March 2000 4 John K Munro Jr John C Cleaves Kay Uwe Kasemir Ernest Williams Delphy Nypaver David Meyer Use of EPICS for High Level Controls of the SNS Conventional Facilities ICALEPCS 2001 San Jose November 2001 5 R Stevens UNIX Network Programming Prentice Hall 1990 6 Open DeviceNet Vendor Assoc EtherNet IP Specification Preliminary Release 8 http www odva org March 2001 北华航天工业学院毕业论文 45 附录 3 程序中所用变量标签如附表 1 所示 附表 1 程序所用标签清单 物理意义内部标签数据类型 电动球阀 V103 开到位V103 OLBOOL 电动球阀 V103 关到位V103 CLBOOL 电动球阀 V104 开到位V104 OLBOOL 电动球阀 V104 关到位V104 CLBOOL 电动球阀 V201 开到位V201 OLBOOL 电动球阀 V201 关到位V201 CLBOOL 电动球阀 V301 开到位V301 OLBOOL 电动球阀 V301 关到位V301 CLBOOL 电动球阀 V403 开到位V403 OLBOOL 电动球阀 V403 关到位V403 CLBOOL 电动球阀 V404 开到位V404 OLBOOL 电动球阀 V404 关到位V404 CLBOOL 电动球阀 V407 开到位V407 OLBOOL 电动球阀 V407 关到位V407 CLBOOL 电动球阀 V408 开到位V408 OLBOOL 电动球阀 V408 关到位V408 CLBOOL 电动球阀 V501 开到位V501 OLBOOL 电动球阀 V501 关到位V501 CLBOOL 电动球阀 V503 开到位V503 OLBOOL 电动球阀 V503 关到位V503 CLBOOL 电动球阀 V511 开到位V511 OLBOOL 电动球阀 V511 关到位V511 CLBOOL 电动球阀 V513 开到位V513 OLBOOL 电动球阀 V513 关到位V513 CLBOOL 电动球阀 V601 开到位V601 OLBOOL 电动球阀 V601 关到位V601 CLBOOL 电动球阀 V602 开到位V602 OLBOOL 电动球阀 V602 关到位V602 CLBOOL 电动球阀 V611 开到位V611 OLBOOL 电动球阀 V611 关到位V611 CLBOOL 电动球阀 V612 开到位V612 OLBOOL 电动球阀 V612 关到位V612 CLBOOL 电动球阀 V621 开到位V621 OLBOOL 电动球阀 V621 关到位V621 CLBOOL 电动球阀 V622 开到位V622 OLBOOL 电动球阀 V622 关到位V622 CLBOOL 北华航天工业学院毕业论文 46 电动球阀 V623 开到位V623 OLBOOL 电动球阀 V623 关到位V623 CLBOOL 电动球阀 V624 开到位V624 OLBOOL 电动球阀 V624 关到位V624 CLBOOL 电动球阀 V103 远程控制V103RBOOL 电动球阀 V104 远程控制V104RBOOL 电动球阀 V201 远程控制V201RBOOL 电动球阀 V301 远程控制V301RBOOL 电动球阀 V403 远程控制V403RBOOL 电动球阀 V404 远程控制V404RBOOL 电动球阀 V407 远程控制V407RBOOL 电动球阀 V408 远程控制V408RBOOL 电动球阀 V501 远程控制V501RBOOL 电动球阀 V503 远程控制V503RBOOL 电动球阀 V511 远程控制V511RBOOL 电动球阀 V513 远程控制V513RBOOL 电动球阀 V601 远程控制V601RBOOL 电动球阀 V602 远程控制V602RBOOL 电动球阀 V611 远程控制V611RBOOL 电动球阀 V612 远程控制V612RBOOL 电动球阀 V621 远程控制V621RBOOL 电动球阀 V622 远程控制V622RBOOL 电动球阀 V623 远程控制V623RBOOL 电动球阀 V624 远程控制V624RBOOL 电动球阀 V101 远程控制V101RBOOL 电动闸阀 V302 远程控制V302RBOOL 电动闸阀 V405 远程控制V405RBOOL 电动闸阀 V103 开故障V103OFBOOL 电动闸阀 V103 关故障V103CFBOOL 电动球阀 V104 开故障V104OFBOOL 电动球阀 V104 关故障V104CFBOOL 电动球阀 V201 开故障V201OFBOOL 电动球阀 V201 开故障V201CFBOOL 电动球阀 V403 关故障V403OFBOOL 电动球阀 V403 开故障V403CFBOOL 电动球阀 V404 关故障V404OFBOOL 电动球阀 V404 开故障V404CFBOOL 电动球阀 V407 关故障V407OFBOOL 电动球阀 V407 开故障V407CFBOOL 电动球阀 V408 开故障V408OFBOOL 电动球阀 V408 关故障V408CFBOOL 北华航天工业学院毕业论文 47 电动球阀 V501 开故障V501OFBOOL 电动球阀 V501 关故障V501CFBOOL 电动球阀 V503 开故障V503OFBOOL 电动球阀 V503 关故障V503CFBOOL 电动球阀 V511 开故障V511OFBOOL 电动球阀 V511 关故障V511CFBOOL 电动球阀 V513 开故障V513OFBOOL 电动球阀 V513 关故障V513CFBOOL 电动球阀 V601 开故障V601OFBOOL 电动球阀 V601 关故障V601CFBOOL 电动球阀 V602 开故障V602OFBOOL 电动球阀 V602 关故障V602CFBOOL 电动球阀 V611 开故障V611OFBOOL 电动球阀 V611 关故障V611CFBOOL 电动球阀 V612 开故障V612OFBOOL 电动球阀 V612 关故障V612CFBOOL 电动球阀 V621 开故障V621OFBOOL 电动球阀 V621 关故障V621CFBOOL 电动球阀 V622 开故障V622OFBOOL 电动球阀 V622 关故障V622CFBOOL 电动球阀 V623 开故障V623OFBOOL 电动球阀 V623 关故障V623CFBOOL 电动球阀 V624 开故障V624OFBOOL 电动球阀 V624 关故障V624CFBOOL 电动球阀 V101 开故障V103OFBOOL 电动球阀 V101 关故障V103CFBOOL 电动闸阀 V302 开故障V302OFBOOL 电动闸阀 V302 关故障V302CFBOOL 电动闸阀 V405 开故障V405OFBOOL 电动闸阀 V405 关故障V405CFBOOL 变频器故障VFFBOOL 开阀 101V101OBOOL 关阀 101V101CBOOL 开阀 104V104OBOOL 关阀 104V104CBOOL 开阀 201V201OBOOL 关阀 201V201CBOOL 开阀 301V301OBOOL 关阀 301V301CBOOL 开阀 403V403OBOOL 关阀 403V403CBOOL 北华航天工业学院毕业论文 48 开阀 404V404OBOOL 关阀 404V404CBOOL 开阀 407V407OBOOL 关阀 407V407CBOOL 开阀 408V408OBOOL 关阀 408V408CBOOL 开阀 501V501OBOOL 关阀 501V501CBOOL 开阀 503V503OBOOL 关阀 503V503CBOOL 开阀 511V511OBOOL 关阀 511V511CBOOL 开阀 513V513OBOOL 关阀 513V513CBOOL 开阀 601V601OBOOL 关阀 601V601CBOOL 开阀 602V602OBOOL 关阀 602V602CBOOL 开阀 611V611OBOOL 关阀 611V611CBOOL 开阀 612V612OBOOL 关阀 612V612CBOOL 开阀 621V621OBOOL 关阀 621V621CBOOL 开阀 622V622OBOOL 关阀 622V622CBOOL 开阀 623V623OBOOL 关阀 623V623CBOOL 开阀 624V624OBOOL 关阀 624V624CBOOL 上位机发来 103 关HMI 103 CLOSEBOOL 上位机发来 103 开HMI 103 OPENBOOL 上位机发来 201 关HMI 201 CLOSEBOOL 上位机发来 201 开HMI 201 OPENBOOL 上位机发来 201 关HMI 301 CLOSEBOOL 上位机发来 301 开HMI 301 OPENBOOL 上位机发来 403 关HMI 403 CLOSEBOOL 上位机发来 403 开HMI 403 OPENBOOL 上位机发来 404 关HMI 404 CLOSEBOOL 上位机发来 404 开HMI 404 OPENBOOL 上位机发来 407 关HMI 407 CLOSEBOOL 北华航天工业学院毕业论文 49 上位机发来 407 开HMI 407 OPENBOOL 上位机发来 408 关HMI 408 CLOSEBOOL 上位机发来 408 开HMI 408 OPENBOOL 上位机发来 501 关HMI 501 CLOSEBOOL 上位机发来 501 开HMI 501 OPENBOOL 上位机发来 503 关HMI 503 CLOSEBOOL 上位机发来 503 开HMI 503 OPENBOOL 上位机发来 601 关HMI 601 CLOSEBOOL 上位机发来 601 开HMI 601 OPENBOOL 上位机发来 602 关HMI 602 CLOSEBO