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分布式过程控制系统设计.doc

分布式过程控制系统设计

宋海若
2017-09-20 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《分布式过程控制系统设计doc》,可适用于高等教育领域

分布式过程控制系统设计题目分布式过程控制系统设计(院)系电气与信息工程系专业自动化班级学号学生姓名导师姓名完成日期湖南工程学院毕业设计(论文)任务书设计(论文)题目:分布式过程控制系统设计系别电气与信息工程系专业自动化班级学号姓名指导老师教研室主任一、基本任务及要求:、了解分布式过程控制系统的基本知识、网络框架、应用及系统实际意义。、以过程控制实验室为依托~设计构建一个典型的分布式过程控制系统。、主要完成典型分布式过程控制系统的软硬件设计及组态软件的使用。、设计系统网络要求完整~软硬件设计要完整~控制参数以四大热工参数为控制目标,温度、压力、流量、液位,、资料完整,开题报告、图纸、说明书等,二、进度安排及完成时间:、第一周至第二周:明确课题任务及要求~搜集课题所需资料~掌握资料查阅方法~了解本课题研究现状、存在问题及研究的实际意义。、第三周至第四周:查阅相关资料~自学相关内容~确定方案~明确任务。、第五周至第十二周:分布式过程控制系统的设计~分布式过程控制系统的通讯方法及实现原理~系统的软硬件设计、第十二周至第十四周:元器件参数及选型~编写程序及调试。第十六周至第十七周:修改整理资料~准备答辩。、答辩湖南工程学院毕业设计目录摘要……………………………………………………………………Abstract……………………………………………………………………第章分布式过程控制系统的概述…………………………………分布式过程控制系统的概念………………………………………分布式过程控制系统的主要特点…………………………………分布式过程控制系统的发展概况…………………………………第章分布式过程控制系统的体系结构………………………DCS体系结构的形成………………………………………………DCS的功能分层体系………………………………………………DCS各层次的功能…………………………………………………第章分布式过程控制系统的硬件结构……………………………DCS控制器中的功能块……………………………………………DCS的现场控制站的组成…………………………………………DCS的操作员站和工程师站………………………………………DCS动态数据服务器………………………………………………第章分布式过程控制系统的网络体系……………………………DCS的通讯网络……………………………………………………数据采集系统EPROM存用功能块连成的控制方案。下电时控制方案是不会丢失的。不仅如此控制方案不合适还可以修改。修改采用紫外线照射抹去PROM中的内容。控制E器在网络中应该有地址由这些地址开关来设定。功能块在ROM中的排列有的DCS称这种排列为功能码。码的次序就是功能块在库中的地址。DCS不仅能完成原来模拟仪表的功能而且大大超过模拟仪表。这是因为它采用了先进的计算机技术、通讯技术、CRT技术和控制技术等C技术采用数字控制以后控制器中预先存到ROM中的算法可以说是无限的每一种算法代表一种功能。这些功能在模拟仪表中是用模拟线路来实现的它受到模拟线路的漂移、电阻、电容等器件的限制作一个精度很高的模拟仪表成本很高甚至几乎是不可能的。而数字控制的算法是用程序实现的。用程序来代替模拟线路所能实现的功能。在理论上是无限的这是很大的进步。对于各种DCS系统其原理都是一样的。通常称各种算法为功能块。功能块的总成称为功能块库。各种厂家的DCS对运算算法的处理有些差异所以名称也不一样。如有的DCS称这些算法为内部仪表但其实质都是一段程序本质是一样的。在运用这些功能块时应该标明该功能块输入输出之间运算的关系还有运算所需要的许多参数。在用户根据被控对象确定控制策略形成控制方案时在功能块库中选择控制用所需要的功能块E弄清各功能块之间的联接关系并首先定义它在PROM中的地址和其它功能块的联系也都是用地址来表示的。同时填入所需参数。这些工作称为组态这是为了区别于用语言编程。组态时可以用作图的方式即CAD方式。作CAD有一个软件可以画出每一个控制回路所需的功能块以及它们之间的连接关系。它称为工程师站。用它给控制器组态。组态时先画出SAMA图或ISA图。在用小功能块时画SAMA图、大功能块时画ISA图。功能块库中最重要的功能块是PID功能块它的输出Y(t)和输入X(t)的关系是比例积分微分关系即它在过程控制中有极其重要的作用。分布式过程控制系统设计含PVSP的PID功能块是实现过程变量(PV)和设定值(SP)之差进行比例积分微分运算它的参数有设定、过程变量、比例积分微分的系数。它的输出通常送到输出板的端子板的地址。最后把输出送给阀门。一般情况下PID功能块中包括PVSP的运算。有的PID功能块没有SP和PV的减法运算这是为了在PID之前还可以加入其它运算。如加死区。在功能块库中另外一个重要功能块是站功能块它不能用数学公式表示输入和输出的直接关系它是实现人机交流的功能块把由人决定的设定值送给控制回路并送进控制回路何时接入的条件和实现手自动切换的条件等。有的DCS的PID功能块几乎是包罗万象的有多个参数。首先问PV从那里来要填入PV的地址PV值来自一块模拟输入模件或端子板SP的地址SP的地址通常是站的地址有没有死区没有死区这一项就不用管了有死区要写入死区的宽度和高度要不要积分要积分积分常数是多少要不要微分要微分微分常数是多少比例是多少要不要死区如果要需输入死区宽度死区的高度。要不要史密斯预估如果要就要填写史密斯预估器的参数PID功能块的输出到那里如输到模拟输出模件或端子板的功能块。其输出是真正到阀门。输出也可以到存储器中但要规定一个地址。这时PID功能块的输出成为另一块功能块的输入。如串级控制第一个PID的输出是第二个PID的设定这时PV有二个也用二个站功能块但只有一个站功能块有手自切换关系。手操站和操作站直接与该功能块通讯其优先权手操站高于操作站。算术运算加、减、乘、除平方、开方等DCS是必不可少的。其次是函数运算三角几何运算矩阵运算C语言接口和Basic语言接口功能块等。与硬件连接的功能块如读取模拟和开关输入的功能块模拟和开关输出的功能块从网上读取模拟量和开关量的功能块送到网上的模拟量和开关量的功能块。作为一个DCS控制器必须具备的功能块有:与硬件连接的功能块通常是块这与输入板的类型有关包括模拟量输入功能块、模拟量输出功能块、开关量输入功能块、开关量输出功能块。每一个功能块必须与特定的端子板连接在一起。如果有接收现场总线的信号还需要接收现场总线信号的功能块。另外有块与网络相连的功能块。他们分别是:模拟量网络输入、模拟量网络输出、开关量网络输入、开关量网络输出。其次是PID功能块、站功能块再其次是算术运算(加、减、乘、除)。然后才是函数运算(一次滤波、超前滞后、二维曲线等)、三角几何运算(正弦、余弦、正切、余切等)和三维矩阵运算。一些高级运算如模糊逻辑模型控制等是可多可少的但它们是判断DCS系统功能强弱的标准。至于一些行业的被控对象功能必须有一些特殊的硬件支持如:电厂的SOE功能必需有快速中断的硬件输入板。湖南工程学院毕业设计为了增加控制器的IO点数和增加控制器到现场的距离可以把现场总线和控制器连接如lonworks总线这时控制器内应该有连接lonworks时的功能块。Lonworks总线上的模块有独立的输入输出板和运算板在运算板中还有少量的功能块。DCS的现场控制站的组成DCS系统包括三大部分:带IO部件的控制器、通讯网络和人机接口。人机接口包括操作站、工程师站和历史站。控制器IO部件和生产过程相联接操作站和人相联系通讯网络把这两部分联成系统。所以操作站是DCS的重要组成部分工程师站给控制器和操作站组态历史站记录生产过程的历史数据。最近几年开发的人机界面还有动态数据服务器。一个DCS系统控制器和IO部件通常可以运行年而操作站因为有活动部件所以比较容易损坏如:硬盘、键盘、CRT、软驱等运行年后出现故障的概率就比较大所以在DCS运行过程中操作站更新的情况比较多。DCS的控制器的变化较小。其变化表现在控制算法的安排、控制算法的多少存取的IO点数的多少和内存的大小等操作系统一般都是专用的。操作站的变化就很大八十年代以前的操作站一般没有硬盘及动态流程图能显示的标签数比较少例如个标签(标签指的是AI、DI、回路、开关量的逻辑关系等)八十年代出现了能显示个标签的操作站九十年代出现了能显示个标签的操作站。同时也出现了在微软的NT通用平台上运行的通用显示软件。开始通用软件只在PLC的操作站上使用后来也逐渐应用在DCS上。它的标签量可以达到个甚至更多。显示器显示器显示器显示器显示器键盘键盘键盘键盘键盘LSLSLSLSLS大容量大容量存储器存储器总线网络控制室通信设备图分布式过程控制系统设计DCS操作站发展的过程(以BAILEY的操作站为例)如下:八十年代初N的操作站是OIU系列当时是无硬盘、无动态流程图的标签量。后来增加了硬盘和流程图标签量点。八十年代中期推出了MCS系列标签量特别是MCSPULS它是SCSI接口可以有个标签点当时在DCS市场上处于领先地位。年BAILEY产品占世界DCS市场的。到年共有套在世界各国运转。到了年代DCS市场争夺激烈BAILEY无论在技术上还是在销售方面都不象年代那样光辉。于是BAILEY公司欲通过购买FISCHERPORTER、HARTMANNBRAUN等公司销售他们的系统来重铸辉煌。BAILEY的控制器和通讯网络都比较好但在操作站上面不能与竞争者相比BAILEY最新的操作站是以WINDOWSNT、通用微机为基础的ConductorNT。实际上该操作站不是为INFI开发的它是FISCHERPORTER的系统的操作站用它的监控软件嵌入和INFI通讯的驱动软件而成。由于销售量不大磨合的机会少问题比较多死机现象严重。OIS系列的操作站运行在DEC的VMS平台上。实际上它仍然是在MCS操作站的MTOS操作系统平台上开发了一个与VMS通讯的驱动软件因为年代的OIU和MCS在年代末都已经停止销售。BAILEY只卖OIS系列和OIS系列。OIS系列是年代初推向市场的它本质上是MCS但它们能与INFI通讯(它的开发、制造成本都比较低性能也比较好。OIS系列的辅站不是用网络来传输信息的只是在主站上多加了块显卡来实现辅站。后来因维护成本很高硬盘和软驱都难以买到用户反映不好。继OIS系列BAILEY公司推出了OIS、OIS在操作站之间增加了以太网卡组成后门网络可以实现打印机共享。把图形传给不同主站的能力也有所增强也给用户提供了开发打印系统的空间这是后话。由于OIS、OIS、OIS主机性能较差所以操作站的性能提高不明显。直到OISAlpha芯片的出现性能才得到提高。同时加拿大BAILEY公司开发了PCV它是以PC为基础的操作站采用QNX操作系统。因为它的标签量较少价格低廉运行稳定故适用于小系统的使用这就是BAILEY的OIS系列版本以前只有文本没有图形。版本以后既有文本也有图形。OIS操作站后门之间用ARCNET联网。OIS既可用ARCNET也可用以太网联网。由于OIS系列软件结构复杂故价格较高更重要的一点是DEC公司被COMPAQ公司兼并Alpha机停止生产这给BAILEY公司和用户无疑是雪上加霜。八十年代中期因为PLC操作站的开发都不太成功一些软件公司就开发了通用湖南工程学院毕业设计的监控软件且很快就被PLC制造厂家所采用。如:FIX、INTOUCH、ONSPEC等(一共有上百种)由于市场前景较好所以软件开发商又开发了许多PLC的驱动软件。到了九十年代又开发了DCS的驱动软件。最早采用通用工控监控软件的是MOORE公司的APEC系统它既可以用INTOUCH也可用FIX。由于INFI系统在九十年代一直没有推出比较优秀的操作站故PREVISE公司推出了OPsCon操作站。OPsCon操作站运行在PC硬件平台NT操作系统下把FIX作为监控软件并开发了能与多种DCS通讯的对应驱动软件标签量为个。因为FIX软件在世界各地已经销售了套它与各种PLC、DCS和NT系统磨合较好这种操作站可以运用在多种PLC、DCS操作站上。在INFI系统上应用已经有几千台。如:新西兰的一家造纸厂原来已经运行有CONDUCTNT后来还是改用OPsCon。通用操作站的出现给DCS用户带来了以下方便:,、不必再为原DCS生产厂家是否倒闭、兼并该型产品是否已经停产、备件是否能够找到而操心。,、由于通用操作站的适用面广相对生产量大成本下降因而可以节省用户的经费。维护费用也比较少。,、采用通用系统要比使用各种不同的专用系统更为简单用户也可减少人员培训的费用。,、更新和升级容易。,、开放性能好很容易建立生产管理信息系统。因此通用操作站是DCS的发展方向。DCS的操作员站和工程师站一个DCS系统可以有好几台操作站每一台操作站可以显示一样的内容称为冗余运行。也可以是不一样的内容。对于电厂来说一台MV的发电机组工艺过程比较集中通常采用台操作站冗余运行认为是比较合适的。但对于大型机组由于它的输入、输出点数较多一台显示器不够用最好有多台显示器。这时的监控软件应该能支持多屏幕。早期的DCS都采用在操作站的主机上多加显示卡如加块显示卡台CRT。用这种方法以增加人机界面。对于除块显示卡等。分别可连接台CRT或电厂以外的生产工艺如水泥厂钢铁厂一个生产工艺很长地域比较分散并由一套DCS系统控制它的输入、输出点数较多为了节省投资一台操作站往往和一部分生产工艺相对应。比如水泥厂的回转窑和磨机相隔距离很远操作站可以安装在两个分布式过程控制系统设计地方。这时一台操作站配置一台打印机。如果其中一台操作站的主机坏了这台操作站显示的内容就没有了。为了系统的安全运行采用标签的重叠组态来实现安全运行。如该系统有两台操作站分别为A站和B站该系统有个标签A、B操作站要分别组态个标签其中个标签是重叠的。即使A操作站发生故障只用B操作站进行监控系统照常工作。因为重要的标签在B操作站上都有了。值得注意的是由于重叠组态也会带来负面影响。在运行发生故障时会使得A、B操作站的管理人员责任不明确。由于网络技术的高速发展人机界面的数量可以不限。操作站分为主站和从站。主站连在DCS网络上。通过DCS网络接口直接从DCS网络上读取各个控制器数据库中的数据。主站的数量是由接口的数量决定的。从站则与主站相连。它没有数据库在显示流程图画面时由主站显示完整的工艺画面而从站就显示主站的工艺画面。从站的数量是不限的。不论是主站还是从站都用后门网络连接起来。有了后门网络系统维护时各操作站之间可作文本拷贝。系统运行时即使其中一台主操作站发生故障它的从站可作为另一台主站的从站。在网络中接进打印服务器服务器有许多通道几台操作站共用一台或几台打印机。连接主站和从站的这个网络与DCS网络没有关系。所以就称为后门网络。早期的后门网络采用ARCNET后来由于有的DCS系统的操作站主机采用DEC的小型机后门网络就采用DECNET或以太网。在操作站作标签组态时是否要把重要的IO点重叠组态要由用户确定。湖南工程学院毕业设计彩色显示器图象复制器视听信号趋势记录器装置光笔记录表PC打印机控制键盘跟踪球盒式操作存储器电子单元视频接口模拟VTTYVTTYVTTYVTTY二进位输出连接器连接器大容量总线连接器操作员站中央单元存储器软盘驱动器大容量存储器总线网络操作站结构图由于网络和数据库技术的发展人机界面怎样与DCS网络连接又有新的方式。把服务器连在DCS网络上。服务器和人机界面组成服务器客户机格式服务器和人机界面之间用以太网连接以太网的低廉通常采用双网。为提高服务器的安全性能采用冗余的方式这就是双机双网。可以做到远程操作。客户机中有操作站、工程师站、历史趋势站和MIS系统接口。服务器中的数据库可以组态。DCS动态数据服务器DCS系统属于基础自动化MIS系统侧重于办公自动化。这两者在反映速度上的区别很大DCS是属于秒级的而MIS是以小时或更长时间为单位的。所以这两者之间必须要有隔离设备这个隔离设备就是动态数据服务器。它的功能是生产过程监控历分布式过程控制系统设计史数据的存储及管理统计质量控制设备预防性维护设备故障诊断生产优化等。DCS、PLC采集现场的生产过程数据通过通讯网络把数据传给操作站和动态数据服务器。动态数据服务器是采集生产全过程的模拟信号或逻辑信号所以它的采集速度是海量的。要经过数据淘金将信号送到生产管理部门。通常情况下一个企业往往有几种不同牌号的DCS、PLC要把这几种信号都集中到动态数据服务器中最好要选择一个通用显示平台。在这个平台上来显示不同型号的DCS、PLC的信号。通用显示平台可采用FIX、INTOUCH、组态王、Synall等软件开发各种DCS和PLC的驱动软件。最近出厂的DCS采用通用操作站它采用NT操作系统监控软件就是FIX、INTOUCH不同DCS型号采用不同的驱动软件。各种DCS之间信号传输采用OPC服务器联接也可以把少量的信号送到MIS系统的服务器中。FIX、INTOUCH等软件都能存储历史数据几十个信号可存储天之多。如要存储更多的历史数据可以采用OSI历史数据库它可以存储三年以上。这些通用监控软件都有OSI的接口。老一代的DCS系统的操作站无论操作系统还是监控软件都是专用的和其它系统通讯都非常困难。如要建立系统间的互联通过计算机接口单元建立动态数据服务器监控软件仍然可以使用通用的在NT平台上运行但它的数据只能上行不能下行。在设计MIS系统过程中最好使用动态数据服务器不要把DCS和PLC数据直接送到Web否则会影响到DCS、PLC的正常运行。至于究竟需要建立多少个动态数据服务器由所需采集的数据量和数据安全决定。一般情况下可达点。湖南工程学院毕业设计第章分布式过程控制系统的网络体系DCS的通讯网络早期的DCS的通讯网络都是专用的DCS有几级网络完成不同模件之间的通讯。究竟做成几级各厂家各不相同,并与计算机技术的发展有关。从目前的情况来看DCS的最多网络级有四级它们分别是现场总线、IO总线、控制总线和DCS网络。IO总线它把多种IO信号送到控制器由控制器读取IO信号。这称为IO总线。IO板相互之间并不交换数据。IO总线的速率是不高的。从几十K到几兆不等。这与计算机技术的发展情况有关。年代初是K年代中期是K、年代末期是K年代是几兆。为了快速最好是并行总线。采用并行总线其IO模件必需与控制器模件相邻。采用串行总线的情况下IO板和控制器之间的距离也要比较近才行。最好把控制器模件和IO模件装在一个机柜内或相邻的机柜内。远程IO应该采用现场总线。如CAN、LONWORKS、HART总线等。现场总线是年代初发展起来的。在IO板中从硬件来说应该有能接收现场总线来的信号的输入、输出板。从软件来说在控制器中应该有读取和写到现场总线信号的功能块。在DCS系统中远程IO采用HART总线比较多。比如现场的变送器离控制器机柜距璃比较远把个变送器来的信号编成为一组用HART总线把信号送到控制器空制器同时读进个变送器来的信号。控制器和变送器两者距离可达公里以上。在从美国、欧洲进口的DCS系统中几乎都有HART协议板。实际应用中远程信号是比较多的。如水泥厂回转窑的窑头与窑尾两者距离有几百米如果在网络上设两个结点需要两套结点的接口模件接口模件的费用比较高如果设一个结点在地理位置上不管结点安排是在窑头还是窑尾都需要采用远程IO。第二级网络是控制器之间的通讯把完成不同任务的三种控制器连在一条总线上称为控制总线。在控制总线上的不同控制器的数量不受限制。在这一条总线上除三种不同的控制器模件以外还有DCS网络的接口模件。在控制总线上控制器之间可以调用数据。使得模拟量和开关量之间的结合很好。控制总线不是每一种DCS系统都有的可以把各种控制器分别连到DCS网络上。控制器之间的数据调用要通过DCS网络。控制总线的速率情况与IO总线的情况相类似。通常是几十K到几兆之间。当CPU和存储器的能力比较强时把开关量的逻辑运算和模拟量的采集功能都在一个控制器中完成。在控制总线上就只有一种形式的控制器。其协议采用载波监听广播发送类似以分布式过程控制系统设计太网的协议。第三级是DCS网络。它把现场控制器和人机界面连成一个系统。为了确保通讯成功DCS生产厂家无论是电缆还是通讯口都把它们做成冗余的。一条网络发生故障另一条备用网络立即投入运行。备用方式各种DCS有别。如美国的LEEDSNORTHROP的MAX系统采用冗余两环信息正向和反向同时运行。有的系统一个环在运行另一个等待。连在DCS通讯网络上的部件称为结点(节点)。在地理位置上结点可以分散配置各结点之间的距离各DCS系统不同。有的可达几百米。传输速率在几百K至一百兆之间。兆是常用的速率。DCS网络的总长度可达几公里最短也有几百米网络不够长时要加中继器。三种总线的通讯协议是由各DCS生产厂家自行开发的通讯协议是不公开的。DCS网络的结构形式大致是三种分别是总线形、环形和星形。星形结构通常只用于小系统。通讯协议有令牌广播式问询式和存储转发式。问询式协议的网络要有交通指挥器。所有人机界面要向控制器请求数据时必需通过交通指挥器由交通指挥器来向控制器请求数据。控制器才能发送信息给人机界面。如HONEYWELL的TDCFISHER的PROVOX都有交通指挥器。在星形网络中人机界面(操作站)可以作为交通指挥器。它只能连接一个人机界面的结点。把它作为操作站。网络的覆盖面也比较小。由一些回路控制器组成的系统通常都连成星形网络。令牌广播式由一个结点发出一个令牌(令牌是特别的比特组比特组内无源地址和目的地址)令牌沿环绕行。拿到这个令牌的结点就改变令牌中一个特定位将令牌变成一信息帧的帧起始定界符加挂上构成一帧所需要的其余字段以发送信息网络上的其它结点都在接收信息。当本站检测到帧的目的地址与本站地址相符时就接收该信息帧(目的结点)。同时转发该帧直到该帧回到发送站(源结点)才把该帧释放。再发送新令牌。这种协议的特点是持有令牌的结点才能发送信息。令牌广播式协议的网络中可以连接多个人机界面的结点。在网络上的结点都是平等的。每一个结点都有机会发送信息。如美国BAILEY的INFI是令牌广播网。存储转发协议是一个结点发出信息传给下一个这个结点接到信息必需先存下来如果自己要就可以接收下来如果不需要就把它转发出去。直至到需要这个信息的结点为止。然后信息再返回到源结点才释放这个信息。这种协议用于环形网络中。这种环形网络可以长达几公里。如美国BAILEY的NETWORK的厂区环路就是这样的网络。不管什么结构形式的网络连到网络上的结点的总数是有限制的至于什么样的结点有几个它是不受限制的。在DCS网络中数据传输是以信息帧的形式传输的。它是同步发送星息。半双工湖南工程学院毕业设计发送。双工发送的极少。每一帧信息都有信息头(称为首旗)信息尾(尾旗)信息帧中紧跟首旗的是地址其中包括信号发出的结点的源地址如结点号、模件号、功能块号以及接收信息的结点的目的地址如结点号、模件号和功能块地址。信息帧的中间是数据再后面是校验。校验最多的是采用循环冗余校验(CRC)。CRC码是一种高效能的检错和纠错码。数据在传输过程中可以是一帧也可以是两帧如果是两帧头帧是旗第二帧才是数据。最长的一帧信息可长达多个字节。采用存储转发协议的网络中当一个结点发生故障时把这个结点旁通让信息通过。数据采集系统数据采集系统只是把现场信号采集到控制计算机中在计算机中没有回路控制功能块。只是供人机界面显示。应该说是比较简单的。再硬件结构上它可以分成三级也可以是两级。分别是IO板、控制器和人机界面。简单的可以IO板和人机界面。不过一些行业有一些特殊要求。如电厂的控制系统往往把锅炉控制和数据采集系统分开。锅炉控制采用DCS而其他采用数据采集系统(DAS)。国际上也有许多厂家生产数据采集系统。在一般情况下数据采集系统在技术上是没有问题的但在电厂就有一些特殊要求。电厂的有一些点需要记录事件顺序。有快速中断功能(通常是豪秒)。这样的点数量不多大约点左右的开关量。输入板的分辨率应该是毫秒级的。它的难点是事件顺序记录(SOE)。在输入板应该有存储历史数据的功能。当人机界面调出查看时能把事件的时间顺序显示出来。SOE(SEQUENCEOFEVENT)有专门的厂家制造。一些专门用于电厂的DCS系统也有这样的功能。应用比较多的数据采集系统是美国的OPTO产品一路一个小模块分别有开关量(DI、DO)和模拟量(AI、AO)的小模块。共有不同电压等级等种小模块供用户选择。使用时把小模块装在一块大板上(即B板、B板)模拟量块块板开关量块块板B、B板上除这些小模块外还有串行通讯口。再把这两种板安装在一个架子上再把架子安装在机柜内。以CRT为基础的人机界面在WINDOWS平台上运行。安装有带MODBUS驱动软件的监控软件以前用PAREGON软件现在用的人少了现在多用FIX、INTOUCH人机界面就可以读取从小模块来的IO信号并在CRT上显示出来。在美国有多家工厂生产这种类似的产品。它与STD总线的产品同一档次。STD总线的产品由于使用时用户的工程量太大所以逐渐在退出市场。在一些纯采集的系统中OPTO产品应用较多。主要优点是维护量少。如果需要有闭环控制在人机界面和IO之间加类似于PC机(LC)的控制器在控制器中有一分布式过程控制系统设计些功能块可以组态各种控制策略。一般情况下因为功能块的数量比较少所以作为有几千个IO点的大控制系统采用OPTO的还比较少。OPTO开关量的小模块应用最多的是作为DCS开关量输入模件的隔离模块。使DCS本身免遭雷击干扰。由于制造工艺比较简单国产的模块用户反映也很好用但价格不到进口的一半。九十年代初由于计算机技术的发展有人提出普通微机(PC机)已经很成熟无论是运算速度还是内存都能满足控制要求。分前后台操作。DCS还是PLC都不需要控制器把DCS和PLC控制器中的功能码、梯形图移植到NT操作系统的PC机内软件移植相当困难。由微机直接与IO板相连。因为控制算法已存在PC机内PC机既作为人机界面又作为控制器有人称它们为软DCS、软PLC。美国AB公司就有软PLC。各PC机之间用以太网连接。湖南工程学院毕业设计第章分布式过程控制系统的软件体系了解组态王软件的整体结构通过专用的软件定义系统的过程就是组态(configuration)。定义过程站各模块的排列位置和类型的过程叫过程站硬件组态定义过程站控制策略和控制程序的过程叫控制策略组态定义操作员站监控程序的过程叫操作员站组态定义系统网络连接方式和各站地址的过程叫网络组态。“组态王x”是运行于MicrosoftWindowsNT中文平台的中文界面的人机界面软件采用了多线程、COM组件等新技术实现了实时多任务软件运行稳定可靠。“组态王x”软件包由工程浏览器(TouchExplorer)、工程管理器(ProjManager)和画面运行系统(TouchVew)三部分组成。在工程浏览器中您可以查看工程的各个组成部分也可以完成数据库的构造、定义外部设备等工作工程管理器内嵌画面管理系统用于新工程的创建和已有工程的管理。画面的开发和运行由工程浏览器调用画面制作系统TOUCHMAK和工程画面运行系统TOUCHVEW来完成的。了解组态王的工作方式组态王COM组件动画显示线程设备驱动模块数据采集线程设备驱动PLC历史记录线程设备驱动智能仪表其他线程设备驱动其它工控设备计算机外部设备分布式过程控制系统设计了解建立工程文件的一般过程建立应用程序大致可分为以下四个步骤:设计图形界面构造数据库变量建立动画连接运行和调试需要说明的是这四个步骤并不是完全独立的事实上这四个部分常常是交错进行的。在用TOUCHMAK构造应用程序之前您要仔细规划您的项目。湖南工程学院毕业设计第章DCS的选型DCS系统常见问题主控卡机笼供电电压过低导致主控卡不能正常工作电压上去后主控卡恢复了正常工作。某一信号点显示不正确可能是卡件配电跳线的配置和实际的信号情况不相符合请检查信号相应通道的配电跳线是否正确配置。编译时始终提示程序(SCX或图形化)有错误没有软件狗情况下系统处于演示状态无法打开SCX语言编辑软件进入相应的编辑环境因而无法产生正确的编译文件加上软件狗就可以进行编译了。系统重启后控制站许多卡件均闪红灯下载组态后现象消失。可能是主控卡的后备锂电池(电压V)失效它的作用是用于断电情况下保护主控制卡SRAM的数据(包括组态信息、控制算法等)。可用万用表测量后备锂电池的电压如果偏移V较大需更换电池若电压约V锂电池是正常的就要分析其他原因了。DCS在选型中的几个问题被控制对象确定以后选用什么样的控制系统就成为重要问题。主要是根据项目规模和投资预算来考虑的以数字技术为基础的DCS系统和早期的模拟仪表组成的控制系统从工程项目的实施来看本质差别不大主要考虑项目规模和投资预算但DCS与模拟仪表相比它更为复杂技术性要求更高下面我来谈谈DCS系统选型中的几个问题。从理论上来讲DCS可以用与不同的工艺过程它是通用的但是DCS的制造厂家专长与某一领域。如:HOMEYWELL主要用于石化部门BAILEY公司的N、INFI主要用于电力系统ROSEMOUNT的RS、ΔV大多用于化工系统。但也不能否认不同工艺过程会有一些特殊要求如:电厂一定要有电调设备和SOE石化部门一定要有选择性控制水泥行业一定要有大纯滞后控制补偿等选型时也要考虑这些因素。第二点就是经济性应该从DCS本身价格和预计所创效益角度考虑。DCS有国产的和进口的对相同档次而言进口的控制功能强一些有一些先进的控制算法如Smith预估、三维矩阵运算等国产DCS价格要比进口的低很多也能满足技术要求。从结构上来看国外DCS的控制器各厂家差别不太远控制器的预置算法稍有差别分布式过程控制系统设计控制器与IO板的连接方式也有所不同。而操作站区别较大。有以PC机为基础的有以小型机为基础的操作系统一般选用UNIX类系统。小型机的价格要比PC机高很多进口小型机操作站的价格要高于四万美金而且许多机型已经停产(如DEC公司的VAX机和α机)。PC机的操作站不到三万美金它的操作系统采用NT其稳定性没有UNIX好。小型机的接口采用SCSI传输速率是串行的倍之多。以NT操作系统作为操作站的点数要少一些不然会频繁死机国产的PC机更便宜得多采用PC机操作站可以采用最新的机型操作人员对软件的安装、调试、联网和开发也要熟悉得多。监视软件有专用的也可以用通用的通用的监视软件开放性要好一些用户应按照项目的规模大小和预算资金来选择使用。DCS比较贵的原因除了上述理由外还有控制器的电源系统通常采用冗余供电电源的引入和散热是价格贵的主要原因各个DCS系统在这方面差别比较大。把控制器和操作站联系起来的通讯网络也要考虑如果采用通用的以太网则网卡等价格很低专用的网络接口很贵最贵可以达到美金。因此经济性与很多因素有关有时外商给你报价降下来实际是改变了一些结构而已并没有给你什么优惠甚至他的利润还增加了。这时可取的办法是联系国内类似的单位和请教有经验的专家。第三点就是承包方的技术力量也就是承包方对哪一工艺过程和DCS本身比较熟悉。如经常做化工控制系统的承包商来做轧制的控制系统他对活套的控制、卷曲的控制和张力的控制等就不太熟悉做的工程就不会太好。如果承包方对DCS本身不熟悉控制器做的太大时会产生死机。不少工厂都购买了不同厂家的DCS系统我们称之为“八国联军”状态此时更要选择技术力量比较强的单位抓总而不宜选择某一个国外厂商作为承包商。第四点是售后服务国外厂商通常情况下配品、备件供应价格高且不能及时提供。DCS用户应选择厂商实力雄厚的技术力量强的、境内技术支持好的厂家。计算机技术发展很快DCS厂家也会不断更新它的产品新旧产品兼容性要好才行个别厂家新旧系统不兼容系统升级时造成很大损失。国内的DCS厂家配品、备件供应比较及时售后服务方面做的也比较好。第五点是关于DCS的技术先进性指系统采用了经过验证的最新技术并有发展前途和生命力包括DCS系统的开放和互联现场总线的应用第三方软件的支持等。这里要注意的一点是:有些厂家为了占领市场把一些不成熟的产品推到第三世界如五、六年前DCS缺少小型系统有的厂家把不太成熟的小型系统推到用户结果这多套系统基本都已经提前退役。早在年某外国公司推销的DCS在电源出现故湖南工程学院毕业设计障并复电后控制器的输出是任意的此时阀门的位置就很危险这种产品本不能出厂但还是卖给了许多国家结果购买单位基本上没有运行。总之DCS从七五年到现在已经有二十多年的应用历史了可靠性方面基本都能达到要求建立系统时选型是一个非常重要的环节我们不但主要考虑项目规模和投资预算还要考虑到一系列其它的因素选型是否恰当往往从一开始就决定了该系统今后的命运万万不可掉以轻心。分布式过程控制系统设计第章典型分布式过程控制系统基于以太网技术的大规模集散控制系统GCS系统结构GCS系统采用集中监视、分散控制的方式。系统的主要构成部分有:过程控制网(FLnet标准)对系统数据进行集中管理的数据服务器(ADSPC)用于设备监控的操作站(AOSPC)还有用于设备控制的控制站(ACS)等。数据服务器负责管理系统的数据是系统的核心部分因此通过数据服务器的冗余设置可以构建起高可靠性的控制系统。此外系统的数据信息还可以通过以太网被提取到个人电脑上进行处理这样便形成了一个开放式的系统环境。系统操作站采用多窗口的操作形式提高系统的可操作性同时系统具有语音报警、提示功能且可与ITV装置进行连接这有助于操作员实行更好的操作另外系统支持远程监控功能可以在远离工厂的地方实现对设备的远程监控。一个典型的GCS系统架构如下图所示:网络打印机工程师站通用PC机AOSPC最多台AES通用工作站以太网(信息LAN)数据库站AOSPCAOSPCADSPC操作站最多台(冗余)以太网(控制LAN)冗余图GCS系统构造控制站ACS最多台冗余ACSACSACSIUPGCS系统构造图湖南工程学院毕业设计控制站通过有效结合EI(电气及仪表)两种机能可实现高速的控制可方便的实现冗余配置并且日后当系统规模扩大时可方便的增加控制站数。因此兼具高可靠性和可扩展性。通过系统与上位机(UNIX工作站)相连可以实现高级水运用控制、预测控制、系统仿真等复杂功能而且也可以实现用上位计算机替代操作站进行设备监视、设定等操作大大强化了系统的监控功能。功能规格可连接操作站的台数个站(AOSPC)可连接数据服务器数个站(冗余)(ADSPC)每个操作站可连接CRT台数最多台CRT人操作系统AOS:WindowsNT(或)Workstation机ADS:WindowsNT(或)Server界流程图画面数画面面动态窗口数窗口”寸彩色CRT×分辨率CRT规格可以从色中选用色网络打印机数量台报表(日报、月报以及年报的合页打计)印半导体激光类型纸张(A或A,包括机激光打印机规格B型)可连接的台数个站监控和控制回路点数(模块TAG)点控制接点等的状态变化点数(bit状态点器变化)用户位号,点分布式过程控制系统设计通用局域网以太网(Mbps)网控制用局域网FLnet标准的以太网(Mbps)络开放式PIO网络以太网(Mbps)监控用的PC机数(AOSPC)个通用PC机以及工作站个工程师站数个GCS系统规格表系统特点)开放式系统GCS系统实现了开放式的数据库结构。可以自由的提取在监视控制系统中存储的数据想得到的数据可随时被取出。另外第三方的商用软件包可以很容易的连接系统数据库从而实现信息的高效率使用。)优越的可靠性和易维护性通过融合高可靠性的专用机技术和适应时代潮流的通用机技术可在工厂的监控领域实现优良的开放性、可靠性和易维护性。)基于CS模式和网络化的系统通过网络元件的socket结合可方便的实现ClientServer系统及网络系统的构建。另外通过专用线或公共电话网络也可以很容易的实现远程监控。)优良的可操作性由于数据库的开放结构报表等可以在PC机上自由生成。另外由于有丰富的画面编程工具使得最终用户可以更容易地进行画面变更。)和个人电脑以及工作站的连接通过与个人电脑的连接预测、仿真等复杂应用软件的使用成为可能。l系统控制功能)概述:EI一体化控制器ACS系统的融合了仪表回路控制和电气顺序控制技术。以相同的硬件软件编程方法真正实现了EI(E:电气开关量控制I:仪表回路控制)的综合控制。ACS采用“EI自由生成功能”允许自由设定仪表回路控制和电气高速控制的实行比率。通过“EI调度程序”合理分配处理器MPU的负荷从而最大限度地提高了执行效率。ACS作为一台同时实现高速电气顺序控制(E)和仪表回路控制(I)功能的控制站提湖南工程学院毕业设计供了最适合过程控制的系统环境。)控制器规格项目规格备注语言函数控制语言(FCL)顺控指令:,µs命令固定小数点运算:,µs速度浮点运算:,µs模拟运算:,µs内存容量M字节数字量输入输远程PIO:点总点数:点出直接PIO:点远程PIO:点模拟输入输出总点数:点输入直接PIO:点输出脉冲量输入(包含在“数字量输入输出”项中)点数计数器点保持继电器点微分继电器点PIO传输传输速率:kbps总延长距离:km(Tlink:IPU)传送距离:km(电)km(光)PIO传输传输率:Mbps以太网标准(以太网:IPU)传送距离:m(电:同轴电缆)控制器间传输传输率:Mbps总延长距离:(Plink)传送距离:m(电)km(光)km控制器间传输传输率:Mbps总延长距离:km(PElink)传送距离:m(电)km(光)传输率:Mbps数据总线(DPCSF)总延长距离:km传送距离:m(电)km(光)总延长距离:传输率:Mbps控制LAN(ANS)km传送距离:km(光)FDDI标准控制LAN(以太网)传输率:Mbps或Mbps以太网标准分布式过程控制系统设计)硬件构成ACS采用适于盘内安装的结构可安装在操作盘或者控制盘等盘柜内。ACS由机架、电源和各种控制模块组成。机架是为实现控制演算功能而设计的高速总线单元它采用MULTIBUS总线结构支持M的高速内部数据传输在机架上可安装控制器(MPU)、网络接口单元、输入输出单元和电源单元。根据能容纳的安装插槽数目的不同机架分以下四种不同的类型:第一类:提供六个空余插槽。主要用于安装网络接口单元。第二类:提供九个空余插槽。用于安装直结IO单元。也可和TlinkIO模块混和使用。第三类:在一个机架上实现冗余配置时使用。提供两个空余插槽。使用DCV电源第四类:在一个机架上实现冗余配置时使用。提供一个空余插槽。使用ACV、ACV、DCV电源IPUII的种类如下图所示名称输入输出信功能概要号类型支持DIN轨道安装或英寸支架安装基板安装插槽数=(电源×,BIM×,IOM通信=)电源模块(规格:ACV、ACV、电源模块DCV、DCVDC)可冗余配置用于连接外部Mbps以太网和本节点内部总总线接口模块线(SBbus)的中继模块自带一个RSC端(BIM)口(维护用)可冗余配置点电流信号输人(,,mA,mA点输入非隔离可输入输mA,冗余配置HART对应(可选)出模块AImA)或或V,V(自由量程设定)点输入和通信点电压信号非隔离可冗余配置模块输入:(V)(IOM)AIO点电流信,mA点输入点输出非隔离可冗湖南工程学院毕业设计号输人(,余配置HART对应(可选)mA)或点对电压信号输入为:V,V(自由量程设电压信号输定)点输入入(V)点电流信号输出(mA)点电压信V,V(自由量程设定)点输出非AO号输出:隔离可冗余配置(V)传感器输入统一隔离可冗余配置模块:TCmV:点输入(各点可独立选择是TC热电偶(TC)还是mV信号输入)mV:TC:R,J,K,E,T,B,S,NMV:,mVAIS点输入RTDPOT:点输入(其中,通道为RTD热电阻信号输入专用,通道RTDPOT可选(RTD)滑线但个通道的类型必须一致。)电阻(POT):RTD:PtPOT:,kΩW点输入DI点输入:VDC,mA,点输入点统一共地DI使用MIL接可冗余配置头连接位显示和脉冲计数功能可选VDC,mA,点输入点统一共地,可DI点输入:DI冗余配置端子连接位显示和脉冲计数功能可选DO点输VDC,A,点输出点统一共地可DO出:使用MIL冗余配置接头连接位显示和脉宽列输出功能可选VDC,A,点输出点统一共地可DO点输DO冗余配置出:端子连接位显示和脉宽列输出功能可选DO继电器点VDCVAC,点输出点统一共分布式过程控制系统设计输出:端子连地,可冗余配置接A点,A公共端,仅适用于a接点输出位显示和脉宽列输出功能可选点电流输AI入:(,,mA点输入点点隔离可冗余配置mA)•点电流输入:(,mA),mA点输入点输出点点隔离可AIO•点电流输冗余配置W出:(,mA)输入脉冲频率:,kHz,点输入点点隔离PI点脉冲输入可冗余配置通讯功能)概述:在数据通讯功能方面GCS系统支持使用控制层网络(FLnet标准以太网)和通用信息管理网(以太网)来进行数据通讯。控制层网络用以实现控制站与操作站间须保证高速性的重要数据通讯通用信息管理网则用于数据服务器、上位计算机以及其他PC机间的通用性数据通信。也就是说GCS系统的通信功能也具有分散性。)控制层网络(FLnet标准以太网))概述控制层网络(FLnet标准以太网)是GCS系统中连接各组成单元的LAN它所具备的各种先进功能保证了各站间高速和高性能的数据交换:采用UDPIP通讯协议并在UDPIP上还叠加了TOKENPASSING机制以保证通讯的实时性同时为了保证通讯的高可靠性FLnet标准以太网还实现了总线冗余、站点冗余、网络通讯单元的故障自动检出和自动无扰切换等功能而且所有这些功能均作为湖南工程学院毕业设计系统的标准功能固化在系统的软硬件中用户无须作任何编程工作。网络上连接各单元的传送回路均为闭环结构由于采用了与商用以太网相同的物理层协议使得它可以继承商用以太网的丰富资源并可使用相同的传输介质(可混合使用同轴电缆和光缆)和通讯元件(如SwitchHUB)网络的构筑也可以像商用以太网一样随心所欲灵活多变。)规格项目规格传输速度Mbps或MbpsADSPC,AOSPC,站点总数ACS传输线路形式总线结构通讯控制方式UDPIP方式和令牌传送(TOKENPASSING)方式光缆:BASEFX同轴电缆:BASE传输介质双绞线:BASETBASETX通过以太网切换器实现冗余传输线路总延伸距最大km离光缆:最大km电缆长度同轴电缆:最大m双绞线:最大m符合标准IEEE(ETHERNET)FLnet控制层网络(FLnet)的规格表)信息管理网(以太网))概述通过信息管理网可以方便地将GCS系统与上位计算机和其他PC机连接。)规格信息管理网的规格如表所示它是符合IEEE标准的以太网。项目规格分布式过程控制系统设计站点总数最多个站传输线路形式总线结构传输介质光缆:BASEFX同轴电缆:BASE双绞线:BASETBASETX传送线路总延伸距离最大km符合标准IEEE(Ethernet)(物理层,数据链路层)基于CSMACD的访问方式传输层网络层协议TCPIP信息管理网的规格表编程组态功能)概述GCS系统全部的编程组态工作均在工程师站上完成只需在普通PC上安装工程师编程组态工具软件“FPROCES”就可以像其他WINDOWS环境下的其他应用软件一样通过鼠标舒适的完成组态的各项工作。)软件运行必须的软、硬件环境内存M以上硬件硬盘G以上鼠标必须基础软件操作系统WindowsNT以上FPROCES操作环境表)软件构成GCS系统的编程组态工具称为FPROCES(FlexibalePROcessControllerPROgrammableControllerEngineeringSystem)。FPROCES软件有种分别是MMI画面编程支持软件PROCESSM和控制站编程支持软件FPROCESSC。FPROCESS须运行在ESShell软件平台上ESShell作为编程软件的支持系统湖南工程学院毕业设计是应用软件设计、测试和维护的基础支持软件。)工程师站的连接在工程师站上应用软件的编制通常是在离线状态下进行的当需要进行下载或调试时可通过信息管理网来进行。而且工程师站可作为就地下载设备通过RSC与控制站(ACS)连接。MMI画面编程支持功能(FPROCESM))FPROCESM概述FPROCESM是一个用来定义GCS系统的人机界面功能的支持工具。它提供三种功能:制作标准画面(如报警画面和趋势画面)的功能制作流程图画面的对话式作图功能制作报表(如日报、月报等)的对话式制表功能。)制作标准画面的功能报警画面、趋势画面等有标准格式的画面称为标准画面。要生成一个标准画面必须在各自的定义窗口中的空白格内填入数据(如工位号TAGNO等)。)对话式作图功能的概述对于如流程图、计算机链接窗这样的画面从数据的显示位置属性内容到整体画面的规划布置都需要设计者做出决定为了让用户能更自由、方便的进行这些画面的设计GCS系统提供了对话作图功能的编程工具。使用鼠标就能进行类似CAD的画面制作。作图过程分为三个步骤:决定画面总体布局静态画面(构成基本画面的不变部分)的创建动态画面(随状态而变化或可以进行触屏等操作的部分)的创建。画面总体布局的决定在固定格式的纸上进行整个画面布局的设计。例如决定什么数据应该在什么地方显示决定触屏操作的触摸区域还有决定在何处使用静态画面何处使用动态画面等完成上述工作后就可以使用工程师站进行后续的工作了。静态画面的生成画面名称、工艺管道等与工艺过程状态无关的不变部分称为静态画面。画面的制作一般是从这些静态画面开始的。动态画面的生成静态画面完成后就可以开始动态画面的制作包括定义要显示的动态数据、文字和图形的变色、文字改变以及触屏区域的设定等等。上述个步骤的定义、制作工作之后一幅可以显示工艺状况的流程图画面就完成了在经过随后的编译、与数据库的链接以及向操作站的下载后画面就可以在操作站上动分布式过程控制系统设计态反映全厂设备的工作运行状况了。)对话式报表制作功能这个功能用于日报、月报等报表的生成。报表同样也分为两部分:固定部分(如表格的边框以及其中固定不变的部分)和可变部分(如需显示的数据)。另外如果要对采集来的数据进行处理还须进行处理演算的定义。湖南工程学院毕业设计致谢本毕业设计到此已圆满完成了从中我学到了很多有关控制系统的知识特别是有关分布式系统方面的。在做设计的过程中我掌握了很多但也发现很多不曾学过的我很高兴能学到。在老师的悉心指导下完成了本设计的全部工作。在这大学的最后学期我很感激能受老师的熏陶。老师待人的平易近人性情的幽默风趣学识的精深博大深深地影响着我使我受益匪浅无论是做人还是做事。值此论文完成之际我要感谢协助我完成设计的有关人员和曾经帮助过我的人员他们是班主任老师、我的导师以及各位任课老师。没有他们的教导和指引我不能完成毕业设计更不可能毕业由衷地感谢他们。分布式过程控制系统设计参考文献王常力罗安集散型控制系统选型与设计M北京:清华大学出版社,杨献勇热工过程自动控制M北京:清华大学出版社,PlantScapeProcessC集散控制系统Honeywell公司覃强开放式现场总线应用简介J北京:电子工业出版社,段明祥工业控制计算机产业现状与发展策略清华大学出版社杨素梅,杨鹏,孙英农业温室分布式测控系统中的实时数据处理河北工业大学林伟自动化软件发展趋势北京亚控王常力廖道文主编集散控制系统的设计与应用北京:清华大学出版社魏晓东分散型控制系统上海:上海科学技术文献出版社黄步余分散控制系统在工业过程中的应用北京:中国石化出版社王常力工业控制计算机系统设计与应用北京:电子工业出版社袁任光集散控制系统应用技术与实例北京:机械工业出版社金以慧过程控制北京:清华大学出版社安秋顺等客户机服务器计算环境诒金自动化徐用懋微机在过程控制中的应用北京:清华大学出版社湖南工程学院毕业设计附录彩色显示器图象复制器视听信号趋势记录器装置光笔记录表PC打印机控制键盘跟踪球盒式操作存储器电子单元视频接口模拟VTTYVTTYVTTYVTTY二进位输出连接器连接器大容量总线连接器操作员站中央单元存储器软盘驱动器大容量存储器总线网络操作站结构图分布式过程控制系统设计人机界面DCS网络接接口口板板控制总线控控制制器器IO总线HART设备设备设备设备设备变送器现场总线变送器IO总线图湖南工程学院毕业设计ABCACDEDEa星型总线型cBRIPCARIPRIPRIP环形bD网络拓扑结构
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