锅炉液位控制系统课程设计报告-DCS液位集散控制系统.doc

1、DCS 液位集散控制系统 摘要 集散控制系统（ Distributed control system）是以微处理器为基础的对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的集中分散控制系统，简称 DCS 系统。该系统将若干台微机分散应用于过程控制，全部信息通过通信网络由上位管理计算机监控，实现最优化控制，整个装置继承了常规仪表分散控制和计算机集中控制的优点，克服了常规仪表功能单一，人 -机联系差以及单台微型计算机控制系统危险性高度集中的缺点，既实现了在管理、操作和显示三方面集中，又实现了在功能、负荷和危险性三方面的分散。 DCS 系统在现代 化生产过程控制中起着重要的作用。 关键字： 集散控制系统

2、；微处理器；最优化控制 DCS 液位集散控制系统 目 录 1. 概述 . 1 2.通用版及嵌入版 MCGS 组态软件 . 3 2.1 锅炉液位控制工程文件建立 . 3 2.2 锅炉液位控制画面设计 . 8 3.被控对象设计 . 12 3.1 实验装置简介 . 12 3.2 被控对象特性说明（过程工艺分析） . 13 3.3 被控对象的结构设计 . 13 3.4 被控对象工艺流程图 . 14 4.控制系统设计 . 14 4.1 控制系统原理分析及控制方案设计 . 14 4.2 一次仪表选型设计 . 15 4.3 DCS 选型设计 . 18 5.DCS 组态设计 . 18 5.1 DCS 硬件组态

3、设计 . 18 5.2 DCS 软件组态设计 . 19 5.3 DCS 系统闭环运行调试结果分析与说明 . 22 5.设计总结与体会 . 24 6.参考文献 . 25 DCS 液位集散控制系统 1 1. 概述 集散控制系统（ Distributed control system）是以微处理器为基础的对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的集中分散控制系统，简称 DCS 系统。该系统将若干台微机分散应用于过程控制，全部信息通过通信网络由上位管理计算机监控，实现最优化控制，整个装置继承了常规仪表分散控制和计算机集中控制的优点，克服了常规仪表功能单一，人 -机联系差以及单台微型计算机控制系统危

4、险性高度集中的缺点，既实现了在管理、操作和显示三方 面集中，又实现了在功能、负荷和危险性三方面的分散。 DCS 系统在现代化生产过程控制中起着重要的作用。 集散控制系统一般有以下四部分组成： 现场控制级 又称数据采集装置，主要是将过程非控变量进行数据采集和预处理，而且对实时数据进一步加工处理，供 CRT 操作站显示和打印，从而实现开环监视，并将采集到的数据传输到监控计算机。输出装置在有上位机的情况下，能以开关量或者模拟量信号的方式，向终端元件输出计算机控制命令。 这一个级别直接面对现场，跟现场过程相连。比如阀门、电机、各类传感器、变送器、执行机构等等。它们都 是工业现场的基础设备、同样也是 D

5、CS 的基础。在 DCS 系统中，这一级别的功能就是服从上位机发来的命令，同时向上位机反馈执行的情况。拿军队来举例的话，可以形容为最底层的士兵。它们只要能准确地服从命令，并且准确地向上级汇报情况即完成使命。至于它与上位机交流，就是通过模拟信号或者现场总线的数字信号。由于模拟信号在传递的过程或多或少存在一些失真或者受到干扰，所以目前流行的是通过现场总线来进行 DCS 信号的传递。 过程控制级 又称现场控制单元或基本控制器，是 DCS 系统中的核心部分。生产工艺的调节都是靠它来实现。比如阀 门的开闭调节、顺序控制、连续控制等等。上面说到现场控制级是“士兵”，那么给它发号施令的就是过程控制级了。它接

6、受现场控制级传来的信号，按照工艺要求进行控制规律运算，然后将结果作为控制信号发给现场控制级的设备。所以，过程控制级要具备聪明的大脑，能将“士兵”反馈的军情进行分析，然后做出命令，以使“士兵”能打赢“战争”。这个级别不是最高的，相当于军队里的“中尉”。它也一样必须将现场的情况反馈给更高级别的“上校”也就是下面讲的过程管理级。 过程管理级 DCS 的人机接口装置，普遍配有高分辨率、大屏幕的色彩 CRT、操 作者键盘、打印机、大容量存储器等。操作员通过操作站选择各种操作和监视生产情况、 这个级别是操作人员跟 DCS 交换信息的平台。是 DCS 的核心显示、操作跟管理装DCS 液位集散控制系统 2 置

7、。操作人员通过操作站来监视和控制生产过程，可以通过屏幕了解到生产运行情况，了解每个过程变量的数字跟状态。这一级别在军队中算是很高的“上校”了。它所掌握的“大权”可以根据需要随时进行手动自动切换、修改设定值，调整控制信号、操纵现场设备，以实现对生产过程的控制。 经营管理级 又称上位机，功能强、速度快、容量大。通过专门的通信接口与高速数据通路相 连，综合监视系统各单元，管理全系统的所有信息。这是全厂自动化系统的最高一层。只有大规模的集散控制系统才具备这一级。相当于军队中的“元帅”，他们所面向的使用者是厂长、经理、总工程师等行政管理或运行管理人员。 它的权限很大，可以监视各部门的运行情况，利用历史数

8、据和实时数据预测可能发生的各种情况，从企业全局利益出发，帮助企业管理人员进行决策，帮助企业实现其计划目标 。 上世纪三四十年代，工业自动化装置采用的是分散性控制系统。也就是所有设备都是独立运行，不联网控制。操作员根据生产需求进行计算后，将独立设备的特 性调节到适合的程度，然后就开始工作。之后采用了气动、电动模拟仪表组成过程控制系统，实现了一定程度上的集中监视、操作和分散控制。较好的适应了工业生产的需求。可是，随着生产规模和复杂程度的不断提高，原有的控制系统显得滞后、笨重、繁冗，因为一台仪表只有一种控制规律，要实现某些复杂的控制就很困难。另外，控制仪表数量越来越多，用原来落后的仪表盘控制的话，控

9、制盘越来越长，看得人眼睛都会花掉。最致命的就是老系统之间不便于实现通信，很难分级控制和综合管理。再一个就是它的系统变更比较麻烦，只有通过更换仪表和变更仪表连线才能实 现。第三次科技革命开始后，随着计算机技术的发展，人们开始尝试将计算机用于过程控制。试图利用计算机所具有的功能特点，来克服常规模拟仪表的局限性。但当时采用的办法是用一台计算机控制几十甚至上百个回路，这样做的危险性很高，如果计算机出现故障，会导致很严重的后果，这就是所谓的“危险集中”。若采用双机双工系统，虽可以提高系统的可靠性，但成本太高，如果工厂的生产规模不大，则经济性很差，用户难以接受。直到上世纪 70 年代开始，随着计算机技术的

10、日渐成熟，大规模集成电路及微处理器的诞生后，人们开始思考是否能将“危险分散”。就是 原来靠一台大计算机完成的“艰巨”任务，能否用几十台微处理来完成？这样的话，即使某一处理器坏了，也不至于会“牵一发而动全身”，从而使危险系数大大降低。答案是肯定的。至此 DCS 就诞生了。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 液位集散控制系统

11、3 集散控制系统的特点 DCS 控制系统与常 规模拟仪表及集中型计算机控制系统相比，具有很显著的特点。 1、 系统构成灵活。从总体上看， DCS 就是由各个工作站通过网络通信系统组网而成的。你可以把他想象成“因特网”。根据生产需求，你可以随时加入或者撤去工作站。系统组态很灵活。 2、操作管理便捷。 DCS 的人机反馈都是通过 CRT 跟键盘、鼠标等实现的。你可以想象成在因特网冲浪一样，你可以监视生产装置乃至整个工厂的运行情况。 3、 控制功能丰富。原先用模拟控制回路实现的复杂运算，通过高精度的微处理器来实现。 4、 信息资源共享。你可以把工作站想象成因特网上的各个网站 ，只要你在 DCS 系统

12、中，并且权限够大，你就能了解到你要的任何参数。 5、 安装、调试方便。相比原先的模拟控制系统，那么多的飞线头，一大堆类似头发丝的电线 ， DCS 系统算是很方便了。 6、 安全可靠性高。 DCS 系统的硬件结构 DCS 的硬件系统主要由集中操作管理装置、分散过程控制装置和通信接口设备等组成。通过通信网络将这些硬件设备连接起来，共同实现数据采集、分散控制和集中监视、操作及管理等功能。 现场控制站 现场控制站中的主要设备是现场控制单元。现场控制单元式 DCS 直接与生产过程进行信息交互的 IO 处理系 统，它的主要任务是进行数据采集及处理，对被控对象实施闭环反馈控制、顺序控制和批量控制。用户可以根

13、据不同的应用需求，选择配置不同的现场控制单元构成现场控制站。它可以是以面向连续生产的过程控制为主，辅以顺序逻辑控制，构成的一个可以实现多种复杂控制方案的现场控制站；也可以是以顺序控制、连锁控制功能为主的现场控制站；还可以是一个对大批量过程信号进行总体信息采集的现场控制站 。 现场控制站是一个可以独立运行的计算机检测控制系统。由于它是专为过程检测、控制而设计的通用型设备，所以其机柜、电源、输入输出通道和控制计算机等，与 一般的计算机系统有所不同。 2.通用版及嵌入版 MCGS 组态软件 目标： 应用通用版及嵌入版 MCGS 组态软件基本功能进行简单项目设计、仿真运行 。 2.1 锅炉液位 控制工

14、程文件建立 终极目标：能建立 MCGS 新工程。 DCS 液位集散控制系统 4 促成目标： 1） 掌握 MCGS 组态软件的安装与运行方法。 2） 能进行工程分析，建立工程文件。 2.1.1 工作任务 建立水位控制系统工程文件。 2.1.2 能力训练 MCGS (Monitor and Control Generated System，通 用监控系统 )是一套用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件，充分利用了 Windows 图形功能完备、界面一致性好、易学易用的特点，比以往使用专用机开发的工业控制系统更具有通用性，在自动化领域有着更广泛的应用。 MCGS 的安装 1）启动 Windows

15、。 2）在相应的驱动器中插入光盘。插入光盘后会自动弹出 MCGS安装程序窗口（如没有窗口弹出，则从 Windows的“开始”菜单中，选择“运行 .”命令，运行光盘中 AutoRun.exe文件）， MCGS安装程序窗口如图 2-2所示： 3）在安装 程序窗口中选择“安装 MCGS组态软件通用版”，启动安装程序开始安装。安装程序将提示指定安装目录，用户不指定时，系统缺省安装到 D:MCGS目录下，如图 2-1所示： 图 2-1 安装程序 安装过程大约要持续数分钟， MCGS系统文件安装完成后，安装程序要建立象标群组和安装数据库引擎，这一过程可能持续几分钟，请耐心等待。 4）安装完成后，安装程序将

16、弹出“设置完成”对话框，上面有两个复选框，“是，我现在要重新启动计算机”和“不，我将梢后重新启动计算机”。一般在计算机上初次安装时需要选择重新启动计算机，如 图 2-2，按下“结束”按钮，操作系统重新启动，完成安装。如果选择“不，我将梢后重新启动计算机”，点击“结束”，系统将弹出警告提示，提醒“请重新启动计算机后再运行 MCGS组态软件”。 DCS 液位集散控制系统 5 图 2-2 安装完成对话窗口 5）安装完成后， Windows操作系统的桌面上添加了如图所示的两个图标，分别用于启动 。 MCGS组态环境和运行环境： 图 2-3 MCGS桌面图标 同时， Windows开始菜单中也添加了相应

17、的 MCGS程序组，如图 2-4所示。 MCGS程序组包括五项： MCGS组态环境、 MCGS运行环境 、 MCGS电子文档、 MCGS自述文件以及卸载 MCGS组态软件。运行环境和组态环境为软件的主体程序，自述文件描述了软件发行时的最后信息， MCGS电子文档则包含了有关 MCGS最新的帮助信息。 图 2-4 MCGS程序组 MCGS的运行方式 1） MCGS系统分为组态环境和运行环境两个部分。可执行文件 McgsSet.exe对应于 MCGS系统的组态环境，可执行文件 McgsRun.exe对应于 MCGS系统的运行环境。 2） MCGS系统安装完成后，在用户指定的目录（或系统缺省目录 D

18、:MCGS）下创建 有三个子目录： Program、 Samples和 Work。组态环境和运行环境对应的两个DCS 液位集散控制系统 6 执行文件以及 MCGS中用到的设备驱动、动画构件及策略构件存放在子目录 Program中，样例工程文件存放在 Samples目录下， Work子目录则是用户的缺省工作目录。 3）分别运行执行程序 McgsSet.exe和 McgsRun.exe，就能进入 MCGS的组态环境和运行环境。安装完毕后，运行环境能自动加载并运行样例工程。用户可根据需要创建和运行自己的新工程。 工程建立 1）用鼠标单击文件菜单中“新建工程”选项，如 果 MCGS安装在 D：盘根目录

19、下，则会在 D： MCGSWORK下自动生成新建工程，默认的工程名为：“新建工程X.MCG” (X表示新建工程的顺序号，如： 0、 1、 2等 )。 2） 选择文件菜单中的“工程另存为”菜单项，弹出文件保存窗口。 3）在文件名一栏内输入“ 锅炉液位 控制系统 +班级 +学号”，单击“保存”按钮，工程创建完毕。 注意： 文件名中不能包含空格，否则 MCGS拒绝运行。 2.1.3拓展知识 （ 1） 常用组态软件有哪些 国内的有 MCGS、组态王、力控、瑞尔等，国外的有西门子 Wincc、 INTOUCH等。从结构上说，组态王和 MCGS一样，前台动画和后台集成在一起，在运行模式下一起运行。而力控、

20、瑞尔却由后台驱动、实时数据库和前台三部分组成。 目前国产软件整体性能与国外软件相比虽有些差距，但在一般的工程中，国产软件和国外软件已没有任何差别，在某些项目上，国产软件的性能比国外软件还要好。 （ 2） MCGS组态软件常用术语 1）工程：用户应用系统的简称。引入工程的概念，是使复杂的计算机专业技术更贴近于普通工程用户。在 MCGS组态环境中生成的文件称为工程文件，后缀为 .mcg，存放于 MCGS目录 的 WORK子目录中。如：“ D:MCGSWORK水位控制系统 .mcg”。 2）对象：操作目标与操作环境的统称。如窗口、构件、数据、图形等皆称为对象。 3）选中对象：鼠标点击窗口或对象，使其

21、处于可操作状态，称此操作为选中对象，被选中的对象（包括窗口），也叫当前对象。 4）组态：在 MCGS组态软件开发平台中对五大部分进行对象的定义、制作和编辑，并设定其状态特征（属性）参数，将此项工作称为组态。 5）属性：对象的名称、类型、状态、性能及用法等特征的统称。 6）菜单：是执 行某种功能的命令集合。如系统菜单中的“文件”菜单命令，是用来处理与工程文件有关的执行命令。位于窗口顶端菜单条内的菜单命令称为DCS 液位集散控制系统 7 顶层菜单，一般分为独立的菜单项和下拉菜单两种形式，下拉菜单还可分成多级，每一级称为次级子菜单。 7）构件：具备某种特定功能的程序模块，可以用 VB， VC等程序设

22、计语言编写，通过编译，生成 DLL、 OCX等文件。用户对构件设置一定的属性，并与定义的数据变量相连接，即可在运行中实现相应的功能。 8）策略：是指对系统运行流程进行有效控制的措施和方法。 9）启动策略：在进入 运行环境后首先运行的策略，只运行一次，一般完成系统初始化的处理。该策略由 MCGS自动生成，具体处理的内容由用户充填。 10）循环策略：按照用户指定的周期时间，循环执行策略块内的内容，通常用来完成流程控制任务。 11）退出策略：退出运行环境时执行的策略。该策略由 MCGS自动生成，自动调用，一般由该策略模块完成系统结束运行前的善后处理任务。 12）用户策略：由用户定义，用来完成特定的功

23、能。用户策略一般由按钮、菜单、其他策略来调用执行。 13）事件策略：当开关型变量发生跳变时（ 1到 0，或 0 到 1），执行的策略，只运行一次。 14）热键策略：当用户按下定义的组合热键（如： Ctrl+D）时执行的策略，只运行一次。 15）可见度：指对象在窗口内的显现状态，即可见与不可见。 16）变量类型： MCGS定义的变量有五种类型：数值型、开关型、字符型、事件型和组对象。 17）事件对象：用来记录和标识某种事件的产生或状态的改变。如开关量的状态发生变化。 18）组对象 :用来存储具有相同存盘属性的多个变量的集合，内部成员可包含多个其他类型的变量。组对象只是对有关联 的某一类数据对象的

24、整体表示方法，而实际的操作则均针对每个成员进行。 19）动画刷新周期：动画更新速度，即颜色变换、物体运动、液面升降的快慢等，单位为 ms。 20）父设备：本身没有特定功能，但可以和其他设备一起与计算机进行数据交换的硬件设备。如：串口通讯父设备。 21）子设备：必须通过一种父设备与计算机进行通讯的设备。如：浙大中控JL-26无纸记录仪、研华 4017模块等。 22）模拟设备：在对工程文件测试时，提供可变化的数据的内部设备，可提供多种变化方式，如正弦波、三角波等。 23）数据库存盘文件： MCGS工程文件在硬盘中存储时的文件，类型为 MDB文件，DCS 液位集散控制系统 8 一般以工程文件的文件名 +“ D”进行命名，存储在 MCGS目录下 WORK子目录中，如D:MCGSWORK水位控制系统 D.MDB。 2.2锅炉液位 控制画面设计 2.2.1教学目标 终极目标：掌握 MCGS画面设计方法。 促成目标： 1） 掌握绘图工具箱的使用。 2） 掌握实时数据库的创建方法。 3） 能实现图形的动画控制效果。 2.2.2工作任务 完成水位控制系统的画面制作，实现动画 控制效果。 2.2.3能力训练 MCGS生成的用户应用系统，其结构由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成，如图 2-5所示。 图 2-5 用户应用系统