和利时DCS液位控制系统功能组态与监控界面设计概要.docx
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和利时DCS液位控制系统功能组态与监控界面设计概要
北京信息科技大学
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
学生姓名:
张月班级/学号306110102指导老师/督导老师:
艾红
起止时间:
2010年03月01日至2010年06月25日
第一章概述(3
1.1集散控制系统的发展历史(3
1.2集散控制系统介绍(3
1.2.1集散控制系统定义(3
1.2.2集散控制系统的特点(4
1.2.3集散控制系统的发展状态(5
1.3毕业设计研究内容及目标(6
1.3.1主要内容(6
1.3.2目标(6
第二章系统介绍(7
2.1MACS系统介绍(7
2.1.1MACS系统组成(7
2.1.2MACS系统具有的功能(8
2.1.3I/O模块的状态指示(8
2.1.4I/O模块的技术特点(8
2.2MACS系统硬件介绍(9
2.2.1FM801主控单元(9
2.2.2FM148模拟量输入模块(9
2.2.3FM143八路热电阻模拟量输入模块(10
2.2.4FM151八路模拟量输出模块(10
2.2.5FM131普通端子模块(10
2.3MACS系统软件介绍(10
第三章过程控制系统实验装置(13
3.1被控对象(13
3.1.1水箱(13
3.1.2模拟锅炉(13
3.1.3盘管(13
3.1.4管道及阀门(13
3.2检测装置(14
3.2.1压力传感器、变送器(14
3.2.2温度传感器(14
3.2.3流量计(14
3.2.4差压变送器(14
3.2.5液位传感器(14
3.3执行机构(15
3.3.1电动调节阀(15
3.3.2气动调节阀(15
3.3.3水泵(15
3.3.4电磁阀(15
3.3.5U型单相电加热管(15
3.3.6单相调压模块(15
第四章MACS组态功能的实现(16
4.1单容水箱液位定值控制系统(16
4.1.1工程分析(16
4.1.2工程建立(16
4.1.3编辑数据库(16
4.1.4设备组态(18
4.1.5算法组态(21
4.1.6图形组态(25
4.1.7组态结果与装置调试(29
4.1.8注意事项(34
4.2双容水箱液位串级控制系统(34
4.2.1工程分析(34
4.2.2建立工程(34
4.2.3编辑数据库(34
4.2.4设备组态(35
4.2.5算法组态(36
4.2.6图形组态(37
4.2.7组态结果与装置调试(40
4.2.8注意事项(40
4.3交通灯控制系统(41
4.3.1工程分析(41
4.3.2组态过程(41
4.3.2.1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(DistributedControlSystem,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:
1980—1985.,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DataCommunicationSubsystem(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:
DorsalColumnStimulator[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(Digitalcontrolsystem。
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(DistributedControlSystem,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-HumanMachineInterface或operatorinterface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totalsolution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Honeywell首次向世界推出了它的综合分散控制系统TDC—2000(ToalDistributedControl-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CENTUM,美国泰勒仪表公司的MOSË,费雪尔公司的DCÉ—400,贝利公司的N—90,福克斯波罗公司的Cpectrum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MAP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INFI—90,Rosemount的RS—3,WestHoose的WDPF,Leeds&Nonthrup的MAX—1000,Foxboro的IöAS,日本横河的CENTUM。
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S—9000,MAX—2,LXL,A2PACS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
2.1MACS系统介绍
2.1.1MACS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。
图1.1
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。
2.1.2MACS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。
2.1.3I/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
2.1.4I/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。
2.2MACS系统硬件介绍
2.2.1FM801主控单元
(1原理
FM801MACS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
FM801MACS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4~6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
61MB带电池保护SRAM
7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
2.2.2FM148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。
2.2.3FM143八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。
2.2.4FM151八路模拟量输出模块
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。
2.2.5FM131普通端子模块
安装灵活。
可装于35mmDIN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。
2.3MACS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。
前期准备工作建立目标工程数据库组态
数据库基本编译
算法组态编译报表组态
报表检查图形组态
设备组态
设备编译
数据库联编
事故库组态
下装服务器、操作员站
进入在线运行
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:
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- DCS 控制系统 功能 组态 监控 界面设计 概要