大学毕业论文-—基于dcs的温度控制系统的设计与应用说明书

2009届毕业设计说明书

基于DCS的温度控制系统的设计与应用

院、部：电气与信息工程学院

学生姓名：

指导教师：职称

专业：自动化

班级：

完成时间：2013年5月

摘要

温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关。在科学研究和生产实践的诸多领域中，温度控制占有着极为重要的地位，特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足轻重的作用。对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式，燃料，控制方案也有所不同。DCS具有通用性强、系统组态灵活、控制功能完善、数据处理方便、显示操作集中、人机界面友好、安装简单规范、调试方便、运行安全可靠的特点。它能够适应工业生产过程的各种需要，进一步提高生产自动化水平和管理水平，提高劳动生产率，保证生产安全。本文介绍了DCS的组态、下装及控制原理，完成了DCS温度定值控制系统的设计，通过操作员站、DCS分布式过程控制系统、THJ-3型高级过程控制对象系统实验装置，对温度进行定值控制，并对结果进行了讨论和总结。这次设计可以使我了解DCS的控制原理和使用方法，为以后的学习和工作奠定基础。

关键词：DCS；温度定值控制；组态

ABSTRACT

Temperature is the common industrial production process parameter, any physical change and chemical reaction process closely is related with the temperature. In scientific research and production practice in many fields of temperature control in the occupied an extremely important position especially in the metallurgical, chemical, building materials, food, machinery, petroleum industry, which play a decisive role role. For different production conditions and technological requirements of temperature control, the way of heating, fuel, control scheme is also different.DCS have strong generality, flexible system configuration, control function concentrated operation of the perfect, convenient data processing, display, man-machine interface friendly, simple installation, convenient debugging and running characteristics of safe and reliable. It is able to meet the needs of industrial production process of all kinds, to further improve the level of production automation and management level, improve labor productivity, ensure safe production. This paper introduces the current situation of the development of the DCS control system, all kinds of Temperature characteristics, DCS configuration, remove theatrical makeup and costume and control principle, completed the DCS realize Temperature setting value control system experiment development, through the operators stand, DCS distributed process control system, THJ-3 type of advanced process control object system experiment device for the Temperature in fixed value control, the experimental results are discussed and summarized in this paper. This experiment can make I understand the DCS control principle and method of use, for the future study and work lay the foundation.

Keywords: DCS；Temperature setting value control；The configuration

目录

1 绪论 (1)

2 系统设计方案 (3)

2.1任务和要求 (3)

2.2设计方案和工作原理 (3)

2.1.1设计方案 (3)

2.2.2 PID原理和特点 (3)

2.2.3 PID控制参数整定方法 (4)

3 系统硬件设计 (6)

3.1控制对象 (6)

3.1.1 THJ-3过程装置简介 (6)

3.1.2 各模块的功能介绍 (7)

3.2.控制系统 (8)

3.2.1 MACS 系统简介 (8)

3.2.2各模块的介绍 (9)

4 系统软件设计 (11)

4.1 MACS系统软件介绍 (11)

4.2 MACSV组态 (11)

4.2.1建立工程 (11)

4.2.2设备组态 (14)

4.2.3服务器算法组态 (17)

4.2.4控制器算法组态 (17)

4.2.5图形组态 (18)

5 系统调试 (21)

5.1调试步骤 (21)

5.2调试结果 (22)

6 结束语 (29)

参考文献 (30)

致谢 (31)

1 绪论

过程控制是自动化的重要分支，其应用范围覆盖石油、化工、制药、生物、医疗、水利、电力、冶金、轻工、建材、环境等众多的领域，在国民经济中占有极其重要的地位。无论是在现代复杂工业生产过程中还是在传统生产过程的技术改造中，过程控制技术对于提高劳动生产率、保证产品质量、改善劳动条件以及保护生态环境、优化技术经济指标等方面都起着非常重要的作用。过程控制的主要任务是对生产过程中的有关参数(温度、压力、流量、物位、成分、湿度、PH值和物性等)进行控制，使其保持恒定或按一定规律变化，在保证产品质量和生产安全的前提下，是连续型生产过程自动的进行下去。实际的生产过程千变万化，要解决生产过程的各种控制问题必须采用有针对性的特殊方法与途径。这就是过程控制要研究和解决的问题。

温度是一个描述物体物理特性的冷热程度的物理量，但是对于工业生产、日常生活过程，它却有极其很重要的作用。控制温度对人类日常生活、工业生产、气象预报、物资仓储等都有重要影响，特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，温度更是重中之重。无论是在生活中还是在工业生产过程中，在某些环节中如果温度发生变化也许会带来不同程度的影响，水温的高低可能直接影响到设备的安全和使用寿命，发生严重的安全事故或者给产品的质量和产量带来一系列问题。

锅炉在日常生活生产中的影响非常大。在锅炉里面燃烧化石燃料（比如说煤、石油、天然气等）产生的热水或水蒸汽的可直接提供工农业生产和生活所需要的热能。早在200多年前锅炉就已经问世，但锅炉在工业方面的应用和发展是最近几十年才开始的。在国外，工农业中对锅炉的控制在五六十年代发展的最快，于七十年代发展至最高点。反观我国，锅炉在新中国成立以后才开始建立和发展在工农业方面的应用。上海在1953年率先成立了一座上海锅炉厂。鉴于锅炉在工农业生产生活中所扮演的角色的不同，我们把锅炉分为三类：发电厂使用的是电站锅炉；居民所需要的热水和取暖所需要的是生产锅炉；工农业生产需要的驱动机械的能源则是由工业锅炉来提供的。

在锅炉日渐为工农业生产生活提供方便的时候，问题也随之产生，那就是对于锅炉的控制问题。随着科学技术发展，控制理论和技术也有了很大的发展，对于锅炉的自动化控制的掌握程度也在慢慢的提高。

从六十年代第一台计算机在控制中的应用开始，并随着计算机科学技术以及通信、控制技术等等的快速发展，人们对于锅炉的自动化控制中也逐渐的采用了计算机。锅炉的自动控制技术从三四十年代的单参数仪表控制开始，经历了四五十年代

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单元组合仪表、综合参数仪表控制，一直到六十年代兴起的计算机过程控制，越来越说明了计算机正在成为这一领域的主要角色并且在锅炉的自动控制的适用范围越来越广。在工农业生产生活中，对于一些工艺过程，温度的浮动直接会对产品的质量以及产量产生影响，在这种情况下，设计出一套针对温度的较为理想的控制系统会非常有价值。

国外从1970左右就开始研究如何对温度进行控制。在1970年至1979年这段时间内，温度控制技术简单来说就是利用模拟式的组合仪表来采集工农业生产过程中的信息，然后再进行计算、推导，对温度进行记录和控制。一直到1989年左右分布式系统才第一次出现在世人面前。到了21世纪10年代，也就是2012年，世界各国的科学家们已经在开始研发那种由计算机来采集和控制信息的“多因子综合控制系统”了。随着科学技术的快速发展，温度控制技术也随之逐步提高，甚至有些国家已经在向着更高的自动化控制水平——无人化自动控制发展了。

中国虽然在世界上影响力不小，但是中国的发展并比不上发达国家。作为发展中国家，相对于其他发达国家，我国的科学家们在1980年才开始在吸取其他国家技术的基础上慢慢地学习并掌握针对单项环境因子的温度室内微机技术。现如今，我国对涉及到微机的温度控制技术已经由吸取经验到简单应用再向着综合应用方向发展。但是现在我们还没有真正的多参数综合控制系统，比起其他国家，我国在技术上还是落后不少。眼下我国的温度测控技术比起国外工厂化的温度测控技术仍然差得很远，在实际生产中我国的温控系统的软件、硬件资源还是不能共享，不能达到很高的产业化水平，装备也不能很好的配套，这些难题都需要科学家、技术人员去解决。

到目前为止，我国在温度的控制这方面仍然比较落后，总体水平处于20世纪80年代中后期水平，要想用于一些控制滞后、复杂、时变的温度系统控制，还是有不小的困难。至于更高控制要求的智能化、自适应控制仪表，和发达国家相比还是有不少的差距。在形成商品化、控制参数自整定方面，我们还没有开发出性能可靠的自整定软件，控制系统的参数的确定大多都是依靠经验或者现场调试。

随着科学技术的不断发展，温度控制系统的需求已越来越苛刻，高精度、智能化、人性化是国内外温度测控系统发展的必然趋势。

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2系统设计方案

2.1任务和要求

(1)基于DCS系统中编制PID控制软件。

(2)编制组态监控画面。

(3)实现锅炉内胆水温定值控制

2.2 设计方案和工作原理

2.2.1设计方案

单闭环系统结构简单，稳定性好、可靠性高，在工业控制中得到广泛的应用。单闭环锅炉水温定值控制系统的结构框图如图1，其中锅炉内胆为动态循环水，磁力泵、电动调节阀、锅炉内胆组成循环供水系统。而控制参数为锅炉内胆的水温，即要求锅炉内胆的水温等于设定值。先通过变频器-磁力泵动力支路给锅炉内胆打满水，然后关闭锅炉内胆的进水阀。待系统投入运行后，再打开锅炉内胆的进水阀，允许变频器-磁力泵以固定的小流量使锅炉内胆的水处于循环状态。在锅炉内胆水温的控制过程中，由于锅炉内胆由循环水，因此锅炉内胆循环水水温控制相比于内胆静态水温控制时更充分，因而控制速度有较大的改善。在结构原理框图中可以清楚的看出，我们给定温度的设定值，将温度传感器的值与设定值相比较，把偏差值送入PID调节器，PID调节器的输出信号送入可控硅调压装置，经调压装置输出的电压信号来控制加热装置的阻值，从而控制锅炉内胆的水温。此控制系统为单闭环反馈系统，只要PID参数设置的合理，就能够使系统达到稳定。

PID 调节器

三相可控硅

调压装置

锅炉

内胆

温度变送器

锅炉内胆水的温度

设定值

+

-

扰

动图1 锅炉水温定值控制系统的结构框图

2.2.2 PID原理和特点

PID控制器由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成。其输入e (t）与输出u (t）的关系由公式(1)可见。

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dt t de T dt t e T t e K t u d i p )()(1)()(0

?++= （1） 公式(1)中: u(t)为控制器的输出; e(t)为控制器的输入(常常是设定值与被控量之差, 即e(t)=r(t)-c(t));Kp 、Ti 、Td 分别为控制器的比例放大系数、积分时间常数、微分时间常数。

在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID 控制，又称PID 调节。PID 控制在工业领域的应用已经有很多年了，现在依然广泛地被应用。P 、I 、D 各有自己的长处和缺点，它们一起使用的时候又和互相制约，但只有合理地选取PID 值，就可以获得较高的控制质量。人们在应用的过程中积累了许多的经验，对PID 的研究现在已经达到了一个比较高的程度。

(1) 比例（P ）控制

比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。若产生偏差，控制器就发生作用调节控制输出，使被控量向减小偏差的方向变化[。偏差减小的速度由比例系数 Kp 来决定，Kp 越大偏差减小的越快。但这样会引起振荡，特别是在迟滞环节比较大的时候，比例系数Kp 减小，振荡发生的可能性就会减小，但同时也会导致调节速度变慢。比例控制的缺点是不能消除稳态误差，必须要有积分控制来辅助。

(2) 积分（I ）控制

在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。为了消除控制系统的稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项会随着时间的增加而增大。因此，就算误差很小，积分项也会慢慢变大，由它推动控制器的输出增大，使稳态误差慢慢减小至零。所以，比例—积分 (PI) 控制器可以使系统在进入稳态后无稳态误差.但具有滞后特点，不能快速对误差进行有效的控制。

(3) 微分（D ）控制

在微分控制下，控制器的输出的微分增加了，输入误差信号的微分同时也会增加。而自动控制系统在对于误差的控制来说，会出现别的不必要的问题，比如波动，更严重的会失稳。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，但是加入的微分项却能够避免较大的误差出现，因为它可以预测误差变化的方向。但是微分控制会放大高频噪声, 降低系统的信噪比,导致系统抑制干扰的能力下降，也就是说微分控制不能消除余差。

2.2.3 PID 控制参数整定方法 控制器参数的整定方法很多，归纳起来可分为两大类，理论计算整定法与工程整定法。顾名思义，理论计算整定法是在已知过程的数学模型基础上，依据控制理

5 论，通过理论计算来求取“最佳整定参数”；而工程整定法是根据工程经验，直接在过程控制系统中进行的控制器参数整定方法。由于无论是用解析法或实验法求取的过程数学模型都只能近似反映过程的动态特性，因而理论计算所得到的整定参数值可靠性不够高，在现场使用中还需进行反复调整。相反工程整定法虽未必得到“最佳整定参数”，但由于其不需知道过程的完整数学模型，使用者不需要具备理论计算所必须的控制理论知识，因而简便、实用，易于被工程技术人员所接受并优先使用。

下面将介绍本次设计中在现场调试调节器参数时所采用的一种整定方法，现场经验整定法。这种方法是人们在长期的工程实践中，从各种控制规律对系统控制质量的影响的定性分析中总结出来的一种行之有效，并且得到广泛运用的工程整定方法。

若将控制系统液位、流量、温度和压力等参数来分类，则属于同一类别的系统，其对象往往比较接近，无论是控制器形式还是所整定的参数均可相互参考。表1为经验法整定参数的参考数据，在此基础上，对调节器的参数作进一步修正。若需加微分作用，微分时间常数按T D =（1/3 ～1/4）T D 计算。

表1 经验法整定参数

系统

参 数 δ（%） T 1(min) T D (min) 温度

20～60 3～10 0.5～3 流量

40～100 0.1～1 压力

30～70 0.4～3 液位 20～80

3 系统硬件设计

3.1控制对象

3.1.1THJ-3过程装置简介

THJ-3型高级过程控制系统实验装置”是基于工业过程的物理模拟对象，它集自动化仪表技术，计算机技术，通讯技术，自动控制技术为一体的多功能实验装置，该系统包括流量、温度、液位、压力等热工参数，可实现系统参数辨识，单回路控制，串级控制，前馈—反馈控制，比值控制，解耦控制等多种控制形式。被控对象装置总貌图如图2所示。

图2 被控对象装置总貌图

图2被控对象装置总貌图

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3.1.2各模块的功能介绍

（1）被控对象

由不诱钢储水箱、4.5千瓦电加热锅炉(由不锈钢锅炉内胆加温筒构成)、冷热水交换盘管和敷朔不锈钢管道组成。

模拟锅炉：本装置采用模拟锅炉进行温度实验，此锅炉采用不锈钢精制而成，设计巧妙。

管道：整个系统管道采用不诱钢管组成，所有的水阀采用优质球阀，彻底避免了管道系统生锈的可能性。有效提高了实验装置的使用年限。其中储水箱底有一个出水阀，当水箱需要更换水时，将球阀步打开直接将水排出。

（2）检测装置

变送器：采用工业用的扩散硅压力变送器，含不诱钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。

温度传感器：本装置采用六个Pt100传感器，分别用来检测上水箱出口、锅炉内胆、锅炉夹套以及盘管的水温。经过调节器的温度变送器，可将温度信号转换成4~20mA DC 电流信号。Pt100传感器精度高，热补偿性较好。

（3）执行机构

电动调节阀：采用智能型电动调节阀，用来进行控制回路流量的调节。电动调节阀型号为：QSVP-16K 。具有精度高、技术先进、体积小、重量轻、推动力大、功能强、控制单元与电动执行机构一体化、可靠性高、操作方便，实用性强等众多优点，控制信号为4~20mA DC 或1 ~5V DC,输出4~20mA DC 的阀位信号，使用和非常校正方便。

变频器：本装置采用日本三菱(FR-S520S-0.4K-CH(R))变频器，控制信号输入为(4~20mA DC)或0~5V DC ，0~220V 变频输出用来驱动三相磁力驱动泵。

水泵：本装置采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P ，流量为32升/分，扬程为8米，功率为180W 。泵体完全采用不诱钢材料，以防止生锈，使用寿命长。本装置采用两只磁力驱动泵。一只为下相380V 恒压驱动，另一只为三相变频220V 输出驱动。

可移相SCR 调压装置：采用可控硅移相触发装置，输入控制信号为4~20mA 标准电流信号。输出电压用来控制加热器加热，从而控制锅炉的温度。

电磁阀：在本装置中作为电动调节阀的旁路，起到阶跃干扰的作用。电磁阀型

号为2W-160-25，工作压力：最小压力为0Kg/3cm ，最大压力为7Kg/3cm ，工作温

度：-5~8°C 。

3.2.控制系统

3.2.1 MACS系统简介

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3所示:

图3MACS系统的体系结构

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

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控网络相互引用。MACS系统具有数据采集、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、诊断的功能。

3.2.2各模块的介绍

（1）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。

（2）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。（3）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。

（4）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。

（5）FM148 DCS模拟量输入模块

FM148八路模拟量输入现场总线I/O模块通过Profibus-DP现场总线都接入MCU 主控单元（现场控制站）中，进而把对象上的所有电压型或电流型传感器检测信号传送到本现场控制站中，进行算法控制。FM148八路模拟量输入模块支持电流型（4～20mA）和电压型（0～5V/1～5V）信号输入方式，另外还支持更多的电压电流输入方式，每通道11位。

（6）FM143A DCS热电阻输入模块

FM143A八路热电阻输入现场总线I/O模块通过Profibus-DP现场总线都接入MCU 主控单元（现场控制站）中，进而把对象上的所有温度传感器检测信号传送到本现场控制站中，进行算法控制。FM143八路热电阻输入模块支持PT100/Cu50热电阻信号输入方式，另外还支持更多的温度信号输入方式，每通道11位。

（7）FM151 DCS模拟量输出模块

FM151八路模拟量输出现场总线I/O模块通过Profibus-DP现场总线都接入MCU

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主控单（现场控制站）中，通过现场控制站输出来控制对象上的的执行器信号。FM151八路模拟量输出模块支持电流型（4～20mA）和电压型（0～5V/1～5V）输出方式，另外还支持更多的控制信号输出方式，每通道11位。

（8）MCU主控单元（冗余）

采用带PROFIBUS-DP总线通讯接口卡的最新MACS V系列FM801主控单元，该主控放置在专用的、带有背板总线的机笼上，专用带有背板总线的直流24V电源模块也放置在此机笼中。

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4 系统软件设计

4.1 MACS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。 MACS系统所用软件为MACS V集成组态软件。MACS V组态软件具体分为：数据库组态软件；设备组态软件；服务器算法组态软件；控制器算法软件（CONMaker软件）；图形组态软件；工程师在线软件；操作员站软件；服务器软件。

4.2 MACSV组态

这是个简单的工程，因此点比较少，所以操作员站OPS只需要一个，兼任工程师站；服务器SVR采用单机结构；1个现场控制站FCS；锅炉内胆水温定值控制系统需要一个输入测量信号，一个输出控制信号，因此需要一个模拟量热电阻输入模块FM143A和一个模拟量输出模块FM151。现场IO模块数量及地址分配如表2所示；以太网结构：上层管理监控网和系统网公用，网段为128、129。

表2 IO模块数量及地址分配

IO模块数量地址

FM143A 1 3

FM151 1 4

服务器算法：建立“服务器负荷率”计算方案页。

控制器策略：采用CFC语言，实现锅炉内胆水温定值控制功能。

4.2.1建立工程

（1）打开：开始→程序→macsv组态软件→数据库总控。

（2）点击按钮或选择工程|新建工程，新建工程，输入工程名字：LLDZ，如图4所示。

图4 添加工程

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