1、华 北 电 力 大 学实 验 报 告实验名称 基于 DCS 实验平台实现的水箱液位控制系统综合设计 课程名称 计算机控制技术与系统 专业班级： 自动实 1101 学生姓名：潘 浩学 号： 201102030117 成 绩：指导教师： 刘延泉 实验日期：2014/6/29 - 0 -基于 DCS 实验平台实现的水箱液位控制系统综合设计一 实验目的通过使用 LN2000 分散控制系统对水箱水位进行控制，熟悉掌握 DCS 控制系统基本设计过程。二 实验设备PCS 过程控制实验装置；LN2000 DCS 系统；上位机（操作员站）三 系统控制原理采用 DCS 控制，将上水箱液位控制在设定高度。将液位信号
2、输出给 DCS，根据 PID 参数进行运算，输出信号给电动调节阀，由 DDF 电动阀来控制水泵的进水流量，从而达到控制设定液位基本恒定的目的。系统控制框图如下：P I D 控 制 器M / A手 操器+-S Pe-液 位 变 送 器执 行 器P V上 水 箱液位华北电力大学-自动化系- 自动实 1101-潘浩基于 DCS 实验平台实现的水箱水位控制系统综合设计- 1 -四 控制方案改进可考虑在现有控制方案基础上，将给水增压泵流量信号引入作为导前微分或控制器输出前馈补偿信号。五 操作员站监控画面组态本设计要求设计关于上水箱水位的简单流程图画面（包含参数显示） 、操作画面，并把有关的动态点同控制算
3、法连接起来。1工艺流程画面组态在 LN2000 上设计简单形象的流程图，并在图中能够显示需要监视的数据。要求：界面上显示所有的测点数值（共 4 个） ，例如水位、开度、流量等；执行机构运行时为红色，停止时为绿色；阀门手动时为绿色，自动时为红色。华北电力大学-自动化系- 自动实 1101-潘浩基于 DCS 实验平台实现的水箱水位控制系统综合设计- 2 -华北电力大学-自动化系- 自动实 1101-潘浩基于 DCS 实验平台实现的水箱水位控制系统综合设计- 3 -2操作器画面组态与 SAMA 图对应，需要设计的操作器包括增压泵及水箱水位控制 DDF 阀手操器：A设备驱动器的组态过程：添加启动、停止
4、、确认按钮（启动时为红色，停止和确认时为绿色）添加启停状态开关量显示（已启时为红色，已停时为绿色）B M/A 手操器的组态过程：PV（测量值） 、SP（设定值） 、OUT（输出值）的动态数据显示，标明单位，以上三个量的棒状图动态显示，设好最大填充值和最大值；手、自动按钮（手动时为1，显示绿色；自动时为 0，显示红色） ，以及 SP、OUT的增减按钮；SP（设定值） 、OUT（输出值）的直接给值（用数字键盘）华北电力大学-自动化系- 自动实 1101-潘浩基于 DCS 实验平台实现的水箱水位控制系统综合设计- 4 -华北电力大学-自动化系- 自动实 1101-潘浩基于 DCS 实验平台实现的水箱
5、水位控制系统综合设计- 5 -3趋势画面组态趋势显示-新建实时趋势添加三个观察数据点：上水箱水位、上水箱水位设定值和 DDF 电动阀开度电动阀投自动后设给定值 SP，上水箱水位 PV 应逐渐逼近设定值 SP对于趋势画面组态来说，我们可以看见图中有很多如“加长” “缩短” “放大” “缩小”等按钮，可以在我们需要的时候对我们所观察的图像曲线进行一定的加工，以期能够得到更好的观察结果。华北电力大学-自动化系- 自动实 1101-潘浩基于 DCS 实验平台实现的水箱水位控制系统综合设计- 6 -4SAMA 图组态本图为本次实验的上水箱水位控制 SAMA 图组态模块介绍：主要是AI、DI、AO、DO、
6、 AM、DM、PID 控制器、M/A 手操器、设备驱动器，RS 触发器、比较器模块，包括模块实现的功能及其输入输出中间参数。(详见算法手册说明)本实验需要组态的有：（1）设备驱动器：电动门、增压泵（2）M/A 手操器：水箱水位控制 DDF 阀手操器SAMA 图功能说明：实现手自动无扰切换（利用跟踪） ，偏差大的时候切华北电力大学-自动化系- 自动实 1101-潘浩基于 DCS 实验平台实现的水箱水位控制系统综合设计- 7 -手动，增压泵流量只有在 DDF 电动阀有一定开度的时候才允许启动。在给水流量为零的时候跳闸。SAMA 图设计思路说明：首先对上水箱水位进行测量，然后通过滤波环节处理后输入到
7、 PID 的 PV（过程变量）口。同时对上水箱水位进行报警监测，当上水箱水位高于 20cm 的时候进行高水位报警。PID 控制器的输出输入到 M/A 站。M/A 输出上水箱水位设定值，一是提供给 PID 控制器作为 SP 的输入，二是将此设定值与上水箱水位实际值进行比较，如果两者偏差的绝对值大于 5，则进行强制切手动动作。PID 控制器的 TR 口对 M/A 站的输出进行跟踪，同时M/A 站的 SPT 口也对实际的上水箱水位值进行跟踪（为了满足无扰动切换的要求） 。在操作员站发出手自动切换指令的时候，M/A 站的 S 输出口发出指令，发到 PID 控制器的 STR 口进行手自动切换的动作（在发
8、出 M/A 站进行手动控制的指令时，S 输出开关量 1，PID 控制器 STR 口收到指令后停止动作，满足手动操作的要求；在操作员发出自动操作的指令的时候，S=0，PID控制器此时进行自动调节动作，M/A 停止手动动作） 。同时，通过 M/A 站的输出，电动调节阀只有在电动调节阀开度大于一定程度（5%）的时候，会启动电源；也会在华北电力大学-自动化系- 自动实 1101-潘浩基于 DCS 实验平台实现的水箱水位控制系统综合设计- 8 -电动调节阀开度为零的时候，关闭电动调节阀的电源。对增压泵控制的系统来说，只有当电动调节阀开度大于一定程度（5%）的时候，对泵发出启动指令的时候，可以启动增压泵。
9、如果当增压泵流量为零的时候增压泵的DEVICE 模块的 TOTP 口得到 1 的开关量输入，会发发出停止增压泵的指令（即增压泵流量为零时跳闸） 。5系统数据库数据库的组态一般分为两部分：数据采集测点的配置组态和中间计算点的组态。中间计算点是为了图形数据显示所形成的统计计算点。I/O 测点清单如下：华北电力大学-自动化系- 自动实 1101-潘浩基于 DCS 实验平台实现的水箱水位控制系统综合设计- 9 -华北电力大学-自动化系- 自动实 1101-潘浩基于 DCS 实验平台实现的水箱水位控制系统综合设计- 10 -华北电力大学-自动化系- 自动实 1101-潘浩基于 DCS 实验平台实现的水箱
10、水位控制系统综合设计- 11 -6组态逻辑下装步骤（2 号站）：过程站操作选择需要下装的站下装备站执行操作切换主备站执行操作从主站复制到备站执行操作关闭。1 号站直接下装主站-执行操作。华北电力大学-自动化系- 自动实 1101-潘浩基于 DCS 实验平台实现的水箱水位控制系统综合设计- 12 -七系统运行调试实验系统调试实验主要包括以下内容：（1）观察过程参数显示是否正常、执行机构操作是否正常，是否按要求变化；（2）检查控制系统逻辑是否正确，并在适当时候投入自动运行；（3）系统扰动实验（水位给定值扰动、给水（上水/下水）阀门扰动） ；（4）增压泵流量信号：导前微分、前馈补偿扰动实验；（4）控
11、制回路参数在线整定，PID 参数可在线整定；（5）当系统存在较大问题时，如需进行控制结构修改、增加测点等，不能在线修改，应重新离线组态、编译、下装。八实际实验进程内容与所遇问题的解决办法及解释1在对实际的水箱水位控制系统进行准确而仔细的分析后，先进行 SAMA 组态图的设计。在设计 SAMA 图的过程中，需要对AI、 DI、AO、DO、AM、DM、PID 控制器、M/A 手操器、设备驱动器，RS 触发器、比较器模块，包括模块实现的功能及其输入输出中间参数有充分的理解和认识，并且在实验室中也通过对LN2000 算法手册的阅读进行了相关的学习。同时，本阶段需要完成的任务是对电动门，增压泵等设备驱动
12、器环节和水箱水位控制 DDF 阀手操器的 M/A 环节进行组态。华北电力大学-自动化系- 自动实 1101-潘浩基于 DCS 实验平台实现的水箱水位控制系统综合设计- 13 -在连线的过程中，一定要注意的是逻辑的合理性和连线的准确性。逻辑的错误会导致控制效果的失败或错误。而连线的时候需要对实线和虚线的连线给予充分的注意。要对表示模拟量的实线和表示开关量的虚线拥有清晰的认知。如 AI 模块的输出，AO模块的输入一定是实线（模拟量） ；DI 模块的输出，DO 模块的输入一定是虚线（开关量） ；比较器模块的输入一定是一个或者两个实线（模拟量） ，而其输出必然是能够表征其比较结果的开关量- 虚线；同样
13、的，针对 PID 控制器模块， M/A 手操器模块和DEVICE 设备模块等输入输出口较多整体结构较为复杂的模块，更需要注意每个输入输出口是否正确的连接着对应的量，以及是否符合正确的逻辑。只有这样，才能为接下来的实验打下坚实的基础。2对系统全局数据库组态进行研究认识（不要求手动配置）数据库的组态一般分为两部分：数据采集测点的配置组态和中间计算点的组态。中间计算点是为了图形数据显示所形成的统计计算点。诸如上水箱水位，下水箱水位和增压泵流量等模拟量输入数据便是数据采集测点能够得到并输入到数据库中的数据。而上水箱水位设定值和上水箱水位控制手/自动信号即为中间计算点的中间变量，在之后的图形界面组态设计
14、和趋势画面组态设计中相应曲线的实际数值来源。正确认知哪些是模拟量，那些是开关量，那些是输入量，哪华北电力大学-自动化系- 自动实 1101-潘浩基于 DCS 实验平台实现的水箱水位控制系统综合设计- 14 -些是输出量，哪些是数值量，哪些是时间量，也有助于我们之后的设计中正确的关联相应的量，进行正确的操作。3对图形界面组态进行设计（工艺流程画面组态和操作器画面组态）本次的实验要求的是对单容水箱水位进行控制，即只对上水箱水位进行控制。在本环节的设计过程中，遇到很多的问题，但经过细心的思考和老师的指导后，问题都得到了解决。在工艺流程图设计中，一定正确的使用不同的模块来表示相应的实际器件，同时设置相
15、应的颜色，关联相应的变量，然后正确使颜色随着量的不同值进行变化。比如，在对多边形进行设计的时候，发现画完多边形之后无论使用什么办法都无法对多边形内的颜色进行填充。后来，发现是由于软件缺陷，只能现在调色板内选好颜色，在进行多边形的设计，这样就可以得到期望颜色的多边形了。还有，在使用棒图表征的上水箱中，关联了上水箱水位这个变量以后一定要对所关联量的上下限进行和理的设置，否则会在后面的运行中发现很低的上水箱水位便会导致工艺流程图中棒图表示的上水箱水位直接达到满值。对于动态数据的关联也要注意准确性。由于能够显示单位，我们在下装运行的时候也还是能够很清楚的看到动态数据的正确与否。但是我们能够发现，在多次
16、的下装运行之中，总会出现上华北电力大学-自动化系- 自动实 1101-潘浩基于 DCS 实验平台实现的水箱水位控制系统综合设计- 15 -水箱实际水位信号关联的动态数据会出现反应缓慢不灵敏，或者根本没有变化的情况。后来经过老师的讲解，我认识到了这个是硬件和软件方面的缺陷，和主要逻辑与设计思路无关。还有很多的很小但是也很重要的问题，都在经过思考后得到了有效的解决。4下装运行阶段（一号站）我所在组的一号站由于备用站无法使用，便能够直接进行下装运行操作。由于我在当天上午便完成了主要的设计（先于同组其他的同学） ，便独自进行了多次的下装运行实验。但是对于实验本身来说，一号站对应五个同学（五个操作员站/
17、过程站） ，在同一段时期内，只能由一位操作员进行下装运行操作，其他的操作员不能进行相关操作，但是可以对系统数据以及相关的运行情况进行监控。而对于二号站来说，正确的组态逻辑下装步骤是非常重要的：过程站操作选择需要下装的站下装备站执行操作切换主备站执行操作从主站复制到备站执行操作关闭。在实验当天下午的时候，二号站的几位同学发现了二号站的五台操作员站只能有其中一个站可以之行下装运行操作。后来经过同学们的讨论和老师的指导发现，二号站的操作员都必须正确的之行组态逻辑下装步骤，这样才能正常的之行下装运行才做。华北电力大学-自动化系- 自动实 1101-潘浩基于 DCS 实验平台实现的水箱水位控制系统综合设
18、计- 16 -而在同组别的操作员没有执行完操作之前，其余操作员是不允许进行下装运行操作的。一旦进行，前一位操作员下装在站内的数据便会被当前操作员下装的数据覆盖。同样的，也是由于软件方面的缺陷，对泵的启动与停止无法达到设计逻辑的要求。而由于流量计的硬件缺陷，一号站的增压泵流量都会一直显示负值，这也是与控制逻辑不相符合的。不过其余的逻辑都是满足要求的，偏差过大强制手动，以及泵的启动条件都是能够很好的实现。在下装运行阶段，对 SAMA 图组态进行调试运行，对增压泵流量后的比较器模块进行强制输出为 1（实际意义为此时的增压泵流量为零） ，增压泵即会停止下来，说明排除了软硬件方面的缺陷，本系统本身的设计
19、逻辑是没有问题的。5对 DCS 系统的认识集散型控制系统(DCS) 的实质是利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和现场前端分散控制相统一的新型控制技术。它的出现是工业控制的一个里程碑。工业过程控制的发展逐步从单机监控、直接数字控珠 展到集散控制，也必将由集散控制进展到拥有更广阔应用前景的计算机集成制造，近几年的计算机集成制造(CIMS)技术的成就足以证明这一点。DCS 系统主要有现场控制 站（I/O 站） 、数据通讯系统、人机接口单元（操作员站 OPS、工程师站 ENS） 、机柜、电源等组成。系统具备开放的体系结构，可以提供多层开放数据接口。华北电力大学-自动化系- 自动实 110
20、1-潘浩基于 DCS 实验平台实现的水箱水位控制系统综合设计- 17 -DCS 的硬件系统在恶劣的工业现场具有高度的可靠性、维修方便、工艺先进。底层汉化的软件平台具备强大的处理功能，并提供方便的组态复杂控制系统的能力与用户自主开发专用高级控制算法的支持能力；易于组态，易于使用。支持多种现场总线标准以便适应未来的扩充需要。DCS 系统的设计采用合适的 冗余配置和诊断至模件级的自诊断功能，具有高度的可靠性。系统内任一组件发生故障，均不会影响整个系统的工作。DCS 系统的参数、报警、自诊断及其他管理功能高度集中在CRT 上显示和在打印机上打印，控制系统在功能和物理上真正分散。9实验收获以及实验总结在
21、经过了很多周对于以 LN2000 为例的 DCS 系统的学习后，我对于 DCS 系统中的现场站，操作员站和工程师站等结构分布有了非常清晰的认识。对 DCS 系统的功能以及在工程中所起的作用也进行了充分的学习。本次的单容水箱水位控制实验便是对我们所学的知识进行一个融会贯通的过程，同时也体验到了工程中工程师实际工作的场景以及经验，这对我们以后的学习生活和工作都有着非常大的助益。我相信在以后的生活工作中，乃至整个世界，都是会离不开DCS 的，同时 DCS 也为我们带来了太多的便利。同样的，在实验中，更锻炼了我们发现问题，思考，并且解决问华北电力大学-自动化系- 自动实 1101-潘浩基于 DCS 实验平台实现的水箱水位控制系统综合设计- 18 -题的能力，也让我们对进入工作后取得成就有了更多的信心。在最后，感谢刘老师的悉心指导和辛勤教育！
