基于浙大中控JX-300X

现场总线与分布式系统课程设计

摘要：

本次课设是基于浙大中控JX-300X DCS系统进行的锅炉液位控制系统组态设计与调试实验。主要进行了硬件接线以及软件的系统组态设计。在控制站的组态中，主要进行了主控卡和数据转发卡的配置，I/O卡件组态以及与所接线路相应I/O点的配置机器参数设置，基本单回路控制以及手操器的组态。对于操作站的组态包括操作小组的名称和权限的设置，总貌画面，趋势画面，分组画面，一览画面以及流程图的组态。之后将组态编译正确后下载、运行调试最后进行了观察记录。

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目 录

设计任务和要求 ....................................... 3 课程设计小组成员名单及分工 ........................... 4 被控对象的结构设计和模拟特性简要说明 ................. 5 “EFPT 过程控制实验装置”阀门状态表 .................. 6 一次仪表选型表 ....................................... 7 带测控点的工艺管道流程图（P&ID 图） .................. 7 控制系统一次仪表和DCS I/O 点接线图 .................. 8 DCS 卡件配置图 ....................................... 8 DCS 系统地址配置表 ................................... 9 DCS I/O 点位号、注释、量程、单位、报警限及配电设置表 . 9 控制回路方框图 ...................................... 10 DCS组态过程 ........................................ 10 操作小组设计及操作权限设计说明 ...................... 12 DCS系统操作站截图 .................................. 12 DCS 系统闭环运行调试结果分析与说明 .................. 16 课设总结 ............................................ 19

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设计任务和要求

（1） 被控对象特性设计组态

通过“EFPT 过程控制实验装置”的管道和阀门的开/闭状态，构造一个实验者所希望实现的对象特性，用于本课程设计的控制系统被控对象。列写出“EFPT 过程控制实验装置”阀门状态表，画出被控对象工艺流程图。 （2） 控制系统一次仪表选型设计

根据被控对象组态设计，确定“EFPT 过程控制实验装置”中一次仪表的使用情况，查阅一次仪表型号、量程等参数，编制一次仪表位号，列出一次仪表选型表。

（3） 控制系统测控点和控制回路设计

画出带测控点的工艺管道流程图（P&ID 图）。画出控制回路方框图。 （4） DCS 的硬件配置和I/O 点配置设计

根据过程控制实验室的“SUPCON JX-300 DCS”硬件配置（见“现场总线与分布式系统实验指导书”），确定本课程设计所需的DCS 卡件和I/O点。画出DCS 卡件配置图。

（5） 控制系统一次仪表和DCS I/O 点接线设计

画出控制系统一次仪表和 DCS I/O 点接线图（参照“现场总线与分布式系统实验指导书”）。 （6） 控制系统接线实施

根据所设计的控制系统一次仪表和 DCS I/O 点接线图，在实验系统上完成一次仪表与DCS 的信号连接。 （7） DCS 系统硬件组态设计

在工程师站上完成 DCS 系统的主控卡件组态、通信卡件组态、I/O 卡件组态和DCS I/O 点组态设计。列出I/O 卡件、I/O 点地址表，列出I/O 点位号、注释、量程、单位、报警限及配电设置表。 （8） DCS 控制回路组态设计

根据控制回路设计，组态主控卡控制回路。 （9） 操作站和操作小组设计

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按照课程设计小组成员组成，设计和定义实验小组所有成员为控制系统操作站。

（10） DCS 操作站组态设计

根据控制系统设计，进行DCS 系统总貌画面组态设计、分组画面组态设计、趋势画面组态设计、工艺流程画面组态设计。 （11） DCS 系统闭环运行调试

课程设计小组内的每个成员轮流下载自己设计的程序，进行系统闭环运行调试。

（12） DCS 系统多操作站运行监视

在课程设计小组内的某个成员下载程序运行调试时，利用DCS 工程师站的传送功能将自己设计的程序传送给课程设计小组内的其他成员，实现DCS 系统的多操作站监视功能。 （13）操作站人机界面设计剪切

每个学生应将自己设计的操作站人机界面剪切下来，用于课程设计报告中。 （14）学生进入实验室前应完成上述设计基本要求的初步设计，经指导教师检查后方可进入实验室进行上机设计实验。

课程设计小组成员名单及分工

小组成员：王雪锋、贺景瑞、伍思雨、汪静亮、谢作勋。

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被控对象的结构设计和模拟特性简要说明

系统的结构图，如图所示：

图1 锅炉液位控制系统调节原理

由图可知，对象的被控制量为水箱的液位h，控制量（输入量）是流入水箱中的流量 ，手动阀 和 的开度都为定值， 为水箱中流出的流量。根据物料平衡关系，在平衡状态时

Q10-Q20=0

动态时，则有

Q1-Q2=

(1)

dV (2) dt

dV式中V为水箱的贮水容积，为水贮存量的变化率，它与h的关系为

dtdV?Adh，即

dVdh= A (3)

dtdt

A为水箱的底面积。把式3代入式2得

dh Q1-Q2=A (4)

dth基于Q2=，RS为阀V2的液阻，则上式可改写为

RShdhQ1-= A (5) RSdt5

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即

ARS

或写作

H(s)K= (7) Q1(s)TS?1dh+h=KQ1 (6) dt式中T=ARS，它与水箱的底面积A和V2的RS有关；K=RS。

式6就是单容水箱的传递函数。它表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数，如图所示。

图2 锅炉液位系统的阶跃响应曲线

“EFPT 过程控制实验装置”阀门状态表

阀门状态表如表1所示，表中所示阀门为打开状态，其余均为关闭状态。

表1 阀门状态表

阀门代号 V25 V33 V37 V39 V42 V51 状态 开 开 开 开 开 开 阀门代号 V27 V35 V38 V40 V43 状态 开 开 开 开 开 6

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一次仪表选型表

表2-1 压力变送器参数 型号 DBYG 型号 LDZ-4B 型号 LDG-10S 输出信号 量程 工作压力 精度 防爆标志 4~20mA-DC 输出信号 4~20mA 精度 1级 输出信号 0~4KP 68KP 电源 0.5 ibIICT6 消耗功率 <30VA 防护等级 IP65 表2-2 电流转换器参数 负载电阻 0~750Ω 流量范围 0~0.3m3/h 220V 50HZ 工作压力 4KP 表2-3 电磁流量传感器 工作温度 0~120℃ 表2-4 QS智能型电动调节阀 防护电源 消耗公称公称介质温度 行程 等级 功率 通径 压力 QSVP-16K 4~20mA-DC IP65 220V 35VA 20mm 16KP -40+200℃ 16mm 50HZ 型号 表2-5 电动机参数

型号 CHL2-20 消耗功率 0.37KW 转速 2900r/min 流量 2m3/h 高度 14m 带测控点的工艺管道流程图（P&ID 图）

图3 工艺管道流程图

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控制系统一次仪表和DCS I/O 点接线图

图4 一次仪表和DCSI/O点接线图

DCS 卡件配置图

图5 DCS卡件配置图

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DCS 系统地址配置表

表3 DCS系统地址配置表

车间 Ⅰ车间 2#控制站 站名 机位 2#CS C1 C2 IP地址 128.128.1.2 128.128.1.151 128.128.1.152 128.128.1.129 Ⅰ车间 工程师站/操作站 Ⅰ车间 工程师站/操作站 Server(卡1) DCS I/O 点位号、注释、量程、单位、报警限及配电设置表

表4 I/O配置表 参数位号 AI02000000 AI02000102 AI02000101 AI02000103 AI02000200 参数名称 锅炉液位 进水阀阀位 出水阀阀位 出水流量 进水流量 参数单位 Mm % % kg/h Kg/h 参数量程上限 400 100 100 300 300 参数量程下限 0 0 0 0 0 高高报警线 380 100 100 300 300 高报警线 360 90 90 270 270 低报警限 10 10 10 10 10 低低报警限 0 0 0 0 0 AO02000900 出水阀控制 AO02001000 进水阀控制 9

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控制回路方框图

图6 控制回路方框图

DCS组态过程

在工程师站上完成DCS系统的主控卡件组态、通信卡件组态、I/O卡件组态和DCS I/O点组态设计。列出I/O卡件、I/O点地址表，列出I/O点位号、注释、量程、单位、报警限及配电设置表。

控制站主要有机柜、机笼、供电单元和各类卡件（包括主控卡、数据转发卡和各种信号输入输出卡）组成，其核心是主控卡，主控卡通过系统内高速数据网络——SBUS扩充各种功能，实现现场信号的输入输出，同时完成过程控制中的数据采集、回路控制、顺序控制、以及包括优化控制等各种控制算法。 1）主控卡设置

在“主机设置”窗口中的“主控制卡”设置窗口中，利用“增加”按钮，便可设置相应的主控制卡型号为SP243X；类型为控制站。一个主控制卡对应一个控制站，可以冗余配置。IP地址应与主控卡硬件上的跳线地址匹配。 2）I/O组态的设置

在“功能”菜单的“控制站”菜单中，选定“I/O组态”，便可进入“I/O输入”窗口，在此窗口可进行以下设置。设置数据转发卡，型号为SP233。可以冗余配置。数据转发卡SP233是系统I/O机笼的核心单元，是主控卡连接I/O卡件的中间环节，他一方面驱动SBUS总线，另一方面管理本机笼的I/O卡件。通过数据转发卡，一块主控卡（SP243X）可扩展1到8个I/O机笼，即可以扩展

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16到128块不同功能的I/O卡件。

设置I/O卡件，定义当前I/O卡件在挂接的数据转发卡的地址，地址0-15。I/O卡件的组态地址与它在控制站机笼中的排列编号相匹配，并且地址编号不可重复。I/O卡件类型从下拉列表中选。

设置各种I/O卡件的I/O点，即信号点组态，定义：位号、注释、地址、类型、设置等。

3) 控制回路的设置（如常规控制方案）

在“功能”菜单的“控制站”菜单中，选定“常规控制方案”，便可进入“常规控制方案”设置窗口，在此窗口可增加相应的控制方案。各项意义如下： (1)控制方案：如单回路、串级、手操等。 (2)注释：可根据用途填写，以便于理解。 (3)回路参数：根据设置自动变。

(4)设置：设置回路的位号，为了确定该回路的输入信号和输出信号，还要设置此回路输入和输出参数对应的I/O点的位号。

针对锅炉液位控制可设置两个回路，第一个单回路输入信号锅炉液位，输出信号是进水阀位控制。第二个回路是手操器输入信号是出水流量，输出信号是出水阀位控制。 4）增加流程图：

① 首先在“流程图”窗口中，利用“增加”按钮，增加一个新的流程图， ② 然后利用“编辑”按钮，打开一个新流程图的流程图制作窗口。制作方法如下：

利用左边的工具栏可画点、线、圆、填加文字等；

利用左下角“”模板按钮，来拷贝一些现有的设备模板。如阀、罐、锅炉、管道等；

如模板库中没有所希望的设备模板，也可利用以下过程制作一些模板追加到模板库中：

③ 在绘制完流程图后，要在流程图中利用左边工具栏中的0.0、等按钮，增加一些数显仪表和棒显仪表，以便把有关I/O点或回路中的有关信号在流程图中显示出来。双击数显仪表和棒显仪表的图标便可打开对应的设置窗口，在设置

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窗口中利用数据位号输入框右边的？便可选定已定义的I/O或回路位号。

操作小组设计及操作权限设计说明

操作小组名称为wxf，设置权限为操作员。

DCS系统操作站截图

图7 DCS系统总貌画面

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图8 DCS系统分组画面

图9 DCS系统趋势画面

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图10 DCS系统一览画面

图11 DCS系统报警画面

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图12 DCS系统故障诊断画面

图13 DCS系统流程图

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DCS 系统闭环运行调试结果分析与说明

组态编译：组态编译包括对系统组态信息、流程图、SCX自定义语言、及报表信息等一系列组态信息文件的编译。组态完成后保存，编译。如有编译错误修改后，重新编译。

组态下载：将上位机上的组态内容编译后下载到控制站。在修改与控制站有关的内容如：主控制卡配置、I/O卡件设置、信号点组态、常规控制方案组态后需要重新下载组态信息。

实验结果如下：

图14 推荐PID参数响应曲线

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图15 调整PID参数响应曲线

图16 阀门开度变化响应曲线

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图17 正作用响应曲线

从实验结果分析说明闭环调节效果：

由实验图像可知，只要设定好合适的P，I，D参数，单回路的闭环调节系统可以通过调节电磁阀的开度，在一定的时间内使锅炉的液位稳定在设定值，在出水阀的阀门开度变化后（扰动改变），调节器依然可以在一段时间之后使得液位达到设定值。改变P，I，D三个参数后，可以改变调节效果，使得锅炉液位发生变化。

从实验结果分析说明 PID 调节的不同作用方向（正作用和反作用）与被调对 象作用方向（正作用和反作用）的闭环特性关系

当调节器的输入偏差大于零时，调节器的输出变化量大于零，称为正作用控制器。当调节器的输入偏差大于零时，调节器的输出变化量小于零，称为反作用控制器。在反作用控制器的作用下，当被测水位小于设定液位时，阀门开度增大，水位上升至设定值。当被测水位大于设定水位时，阀门开度减小，水经过出水阀门流出锅炉，水位降低至设定值。在正作用控制器下，当被测水位小于设定值时，阀门开度减小，水位降低。当被测水位大于设定值时，阀门开度增大，水位上升。

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课设总结

通过本次课设，我更加深刻的理解了DCS系统，使我所学到的知识有了应用，加深了理解。简单的水位控制系统，提现了DCS系统集中管理，分散控制的特点，让我理顺了工程师站，操作站以及现场设备之间的关系，熟悉了DCS系统的硬件联系以及软件组态，了解了如何接线，接线端子与机柜如何联系，在软件上怎么配置I/O，如何制定控制方案等，加深了我对这门课程的理解。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/z8fp.html