1 题目背景与意义

1.1 题目背景

集散控制系统（Distributed control system），是以多个微处理机为基础利用现代网络技术、现代控制技术、图形显示技术和冗余技术等实现对分散控制对象的调节、监视管理的控制技术。其特点是以分散的控制适应分散的控制对象，以集中的监视和操作达到掌握全局的目的。系统具有较高的稳定性、可靠性和可扩展性。该系统将若干台微机分散应用于过程控制，全部信息通过通信网络由上位管理计算机监控，实现最优化控制，整个装置继承了常规仪表分散控制和计算机集中控制的优点，克服了常规仪表功能单一，人-机联系差以及单台微型计算机控制系统危险性高度集中的缺点，既实现了在管理、操作和显示三方面集中，又实现了在功能、负荷和危险性三方面的分散。

DCS系统在现代化生产过程控制中起着重要的作用。随着工业自动化水平的不断提高，计算机的广泛运用，人们对工业自动化的要求也越来越高。而DCS又有延续性和可扩充性，易学易用性和通用性，使得DCS得到长足的发展。DCS，分散控制系统，采用控制功能分散，显示操作集中，兼顾分散而自治的集散控制系统。并随着科学技术发展迅猛，在工控自动化领域发展中也得到很快的提高。

1.2 课题意义

集散控制系统是当前先进工业控制系统主要的结构形式，在高校，集散控制系统是最接近实际生产过程的一门专业课。通过此方向的课程设计，能够联系学生几年来学习的网络知识，计算机知识，仪表传感器知识，控制系统知识，培养学生的控制工程设计能力。主要要求锻炼学生以下两种能力：

1.通过工业数据通信与控制网络课程设计的学习，了解工业数据通信与控制网络的技术貌。 

2.从介绍的基础知识入手，较深入的了解多种现场总线各自的技术特点、规范、通信控制芯片、接口电路以及控制网络的设计与应用，熟悉工控组态软件下的组态设计，并能进行较复杂的工业控制系统设计分析。

2 设计题目介绍

2.1设计内容和要求

根据所提供的双容水箱工艺对象，通过分析其对象动态特性，设计和实施完整的控制方案，具体完成：

① 根据提供的工艺对象，实验室的和利时公司集散控制系统，完成系统的网络配置，硬件系统配置。数据库的录入。

② 基础控制系统的设计，包括温度，液位控制、流量控制、被控变量、操纵变量、控制规律、阀门特性等的选择。并说明理由；

③ 设计相关的控制方案，进行控制算法组态，完成工程师在线下装；

④ 仪表选型与仪表连接，包括控制器、测量变送装置、执行机构的选择，并表达出各单元之间的信号连接；

⑤ 在MACSV或PCS7上完成DCS应用组态，包括控制算法组态和监控画面组态；

2.2 集散控制系统基本组成

现场控制级 

又称数据采集装置，主要是将过程非控变量进行数据采集和预处理，而且对实时数据进一步加工处理，供CRT操作站显示和打印，从而实现开环监视，并将采集到的数据传输到监控计算机。输出装置在有上位机的情况下，能以开关量或者模拟量信号的方式，向终端元件输出计算机控制命令。这一个级别直接面对现场，跟现场过程相连。比如阀门、电机、各类传感器、变送器、执行机构等等。它们都是工业现场的基础设备、同样也是DCS的基础。在DCS系统中，这一级别的功能就是服从上位机发来的命令，同时向上位机反馈执行的情况。拿军队来举例的话，可以形容为最底层的士兵。它们只要能准确地服从命令，并且准确地向上级汇报情况即完成使命。至于它与上位机交流，就是通过模拟信号或者现场总线的数字信号。由于模拟信号在传递的过程或多或少存在一些失真或者受到干扰，所以目前流行的是通过现场总线来进行DCS信号的传递。

过程控制级 

又称现场控制单元或基本控制器，是DCS系统中的核心部分。生产工艺的调节都是靠它来实现。比如阀门的开闭调节、顺序控制、连续控制等等。 

上面说到现场控制级是“士兵”，那么给它发号施令的就是过程控制级了。它接受现场控制级传来的信号，按照工艺要求进行控制规律运算，然后将结果作为控制信号发给现场控制级的设备。所以，过程控制级要具备聪明的大脑，能将“士兵”反馈的军情进行分析，然后做出命令，以使“士兵”能打赢“战争”。这个级别不是最高的，相当于军队里的“中尉”。它也一样必须将现场的情况反馈给更高级别的“上校”也就是下面讲的过程管理级。

过程管理级 

DCS的人机接口装置，普遍配有高分辨率、大屏幕的色彩CRT、操作者键盘、打印机、大容量存储器等。操作员通过操作站选择各种操作和监视生产情况、 

这个级别是操作人员跟DCS交换信息的平台。是DCS的核心显示、操作跟管理装置。操作人员通过操作站来监视和控制生产过程，可以通过屏幕了解到生产运行情况，了解每个过程变量的数字跟状态。这一级别在军队中算是很高的“上校”了。它所掌握的“大权”可以根据需要随时进行手动自动切换、修改设定值，调整控制信号、操纵现场设备，以实现对生产过程的控制。 

经营管理级 

又称上位机，功能强、速度快、容量大。通过专门的通信接口与高速数据通路相连，综合监视系统各单元，管理全系统的所有信息。 

这是全厂自动化系统的最高一层。只有大规模的集散控制系统才具备这一级。相当于军队中的“元帅”，他们所面向的使用者是厂长、经理、总工程师等行政管理或运行管理人员。 

它的权限很大，可以监视各部门的运行情况，利用历史数据和实时数据预测可能发生的各种情况，从企业全局利益出发，帮助企业管理人员进行决策，帮助企业实现其计划目标。 

图1 集散控制系统分布图

2.3 设计原理及分析

集散系统实质上是一种分散型自动化系统，又称做以微处理机为基础的分散综合自动化系统。集散系统具有分散监控和集中综合管理两方面的特征，而更将"集 "字放在首位，更注重于全系统信息的综合管理。工业自动化不仅体现在工业现场，也体现在 企业事务行政管理上。集散系统的发展及工业自动化的需求，导致了一个更庞大、更完善的计算机集成制造系统CIMS的诞生。

集散系统一般分为三级：过程级、监控级和管理信息级。集散系统是将分散于现场的以微机为基础的过程监测单元、过程控制单元、图文操作站及主机（上位 机）集成在一起的系统。它采用了局域网技术，将多个过程监控、操作站和上位机互连在一起，使通信功能增强，信息传输速度加快，吞吐量加大，为信息的综合管 理提供了基础。因为CIMS具有提高生产率、缩短生产周期等一系列极具吸引力的优点，所以已经成为未来工厂自动化的方向。 

而集散控制系统的组成主要分为： 

(1)分散过程控制级(DDC) 

(2)计算机监督控制级(SCC) 

(3)生产管理机

如下图，分散过程控制级是DCS的基础，用于直接控制生产过程。它由各工作站组成，每一个工作站分别完成数据采集、顺序控制或某一被控制量的闭环控制等。分散过程控制级收集的数据供监控级调用，各工作站接受监控级发送的信息，并依次而工作，因此局部的故障不会影响整个系统的工作，从而避免了集中控制系统中“危险集中”缺点。 

监控级的任务是对生产过程进行监视与操作。监控级根据生产管理机的技术要求，确定分散过程控制级的最优给定量。监控级能全面地反映各工作站的情况，提供充分的信息，因管理机则是整个系统的中枢，它根据监控级提供的信息及生产任务的要求，编制全面反映整个系统工作情况的报表，审核控制方案，选择数据模型，定制最优控制策略，并对下一级下达命令。

图2 集散控制系统基本构成

此次课程设计从温度、液位、流量，三个被控量中选择一个。并根据被控量的特性设计控制回路，即完成单回路控制系统和串级回路控制系统的设计。根据自己对知识的了解，以及对以前知识的回顾。决定此次课程设计的被控量为：液位。设备的被控对象有 ：① 水箱：包括上水箱、储水箱。上水箱采用淡蓝色优质有机玻璃，不但坚实耐用，而且透明度高，便于学生直接观察液位的变化和记录结果。上水箱尺寸为：D=25cm，H=20cm；水箱结构独特，由三个槽组成，分别为缓冲槽、工作槽和出水槽，进水时水管的水先流入缓冲槽，出水时工作槽的水经过带燕尾槽的隔板流入出水槽，这样经过缓冲和线性化的处理，工作槽的液位较为稳定，便于观察。② 管道及阀门：整个系统管道由敷塑不锈钢管连接而成，所有的手动阀门均采用优质球阀，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。其中储水箱底部有一个出水阀，当水箱需要更换水时，把球阀打开将水直接排出。设备的变送器有：①压力传感器、变送器：三个压力传感器分别用来对上、中、下三个水箱的液位进行检测，其量程为0～5KP，精度为0.5级。采用工业用的扩散硅压力变送器，带不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。采用标准二线制传输方式，工作时需提供24V直流电源，输出：4～20mADC。②流量传感器、变送器：三个涡轮流量计分别用来对由电动调节阀控制的动力支路、由变频器控制的动力支路及盘管出口处的流量进行检测。它的优点是测量精度高，反应快。采用标准二线制传输方式，工作时需提供24V直流电源。流量范围：0～1.2m3/h；精度：1.0%；输出：4～20mADC。设备的执行机构有：①电动调节阀：采用智能直行程电动调节阀，用来对控制回路的流量进行调节。电动调节阀型号为：QSTP-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、操作方便等优点，电源为单相220V，控制信号为4～20mADC或1～5VDC，输出为4～20mADC的阀位信号，使用和校正非常方便。②水泵：本装置采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P，进口直径：16㎜，出口直径：12㎜，温度:<=100℃，流量为30升/分，扬程为8米，功率为180W。泵体完全采用不锈钢材料，以防止生锈，使用寿命长。本装置采用两只磁力驱动泵,一只为三相380V恒压驱动，另一只为三相变频220V输出驱动。③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/㎝2，最大压力为7Kg/㎝2 ；工作温度：－5～80℃；工作电压：24VDC。如下图所示实验设备的总图。

图3 实验设备总图

3 系统设计方案

当今的自动控制技术绝大多数部分是基于反馈。反馈理论包括三个基本要素：测量、比较和执行。测量关心的是变量，并与期望值相比较，以此偏差来纠正和调节控制系统的响应。反馈理论及其在自动控制的应用的关键是：作出正确的测量与比较后，如何将偏差用于系统的纠正和调节。 

图4 双容水箱系统控制方框图

3.1双容水箱控制

此次课程设计选择水箱液位的控制。本实验系统结构图和方框图如图3-2所示。被控量为电动调节阀支路的流量，实验要求水箱1水位稳定至给定值。将水箱1的液位测量变送器检测到的液位信号作为反馈信号，并与给定量比较，其差值通过调节器控制电动调节阀的开度，以达到控制水箱液位的目的。为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的调节器应为PI控制。

图5 双容水箱控制图

3.2串级控制

本实验为水箱液位的串级控制系统，它是由主控、副控两个回路组成。主控回路中的调节器称主调节器，控制对象为上水箱，其液位为系统的主控制量。副控回路中的调节器称副调节器，控制对象为流量，又称副对象，其流量为系统的副控制量。主调节器的输出作为副调节器的给定，因而副控回路是一个随动控制系统。副调节器的的输出直接驱动电动调节阀，从而达到控制液位的目的。为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的主调节器应为PI或PID控制。由于副控回路的输出要求能快速、准确地复现主调节器输出信号的变化规律，对副参数的动态性能和余差无特殊的要求，因而副调节器可采用P调节器。

（1）比例（P）

调节作用 是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。  

（2）积分（I）

调节作用 是使系统消除稳态误差，提高无差度。因为有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决与积分时间常数Ti，Ti越小，积分作用就越强。反之Ti大则积分作用弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合，组成PI调节器或PID调节器。  

（3）微分（D）

调节作用 微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微分调节，对系统抗干扰不利。本实验系统结构图和方框图如图所示：

图6 串级回路控制系统方框图

4 系统硬件设计

4.1数据采集模块

4.1.1 模拟量输入模块

FM143型模块是智能型8路热电阻模拟量输入模块，是HollySys公司采用目前世界上先进的现场总线技术(ProfiBus-DP总线)而新开发的热电阻模拟量输入模块。通过与配套的底座FM131A连接，用于处理从现场来的热电阻输入信号。FM143与Cu50、Cu100、Pt10、Pt100等类型电阻测温元件相连，可处理工业现场的温度信号。通过组态，该模块可对在50～383.02欧姆范围内的电阻信号采样处理。FM143模块体积小，重量轻，安装灵活；具备带电插拔功能。可在系统加电的情况下直接插拔本模块，不会影响本模块及系统的正常运行；具有看门狗定时器电路，可使模块在异常情况下自动复位；提供了DC24V反向保护、通讯线箝压保护，信号输入通道过压保护。另外 FM143A可对在0～147.15欧姆范围内的电阻信号采样处理，即可进行低温测量。其它方面与FM143类似。如下图所示。

图7 FM148A模块

FM148A型模块是智能型8路大信号模拟量输入模块，通过与配套的端子底座FM131A连接，用于处理从现场来的0～10V范围内的电压信号和0～20mA范围内的电流信号。它适用范围广，可以接受二线制电流设备的电流信号，也能够接受四线制电流设备的电流信号，还能够接受电压信号。当所采集的模拟量信号的类型发生变化，不需要在FM148A模块内部进行任何设置，只改变信号线在端子底座FM131A的上的接法即可。FM148A 模块体积小，重量轻，安装灵活。具备带电插拔功能。可在系统加电的情况下直接插拔本模块，不会影响本模块及系统的正常运行。能够定期检测CPU 工作状态情况。具有看门狗定时器电路，可使模块在异常情况下自动复位。提供了模块电流过载保护、DC24V 反向保护、通讯线箝压保护。 支持实时的状态显示。可实时显示本模块的运行状态和通信状态。 本模块加电时，其面板上的状态指示灯（RDY 灯 上 和COM 灯 下）显示当前的工作和通讯状态。

表1 指示灯的意义

4.1.2 模拟量输出模块

此次课程设计模拟量输出模块采用的是FM151A ，如下图所示。FM151A型模块是智能型8路4～20mA模拟量输出模块，是HollySys公司采用目前世界上先进的现场总线技术(ProfiBus-DP总线)而新开发的模拟量输出模块。通过与配套的端子底座FM131A连接，输出8路4～20mA的电流信号。

FM151A模块体积小，重量轻，安装灵活。具备带电插拔功能。可在系统加电的情况下直接插拔本模块，不会影响本模块及系统的正常运行。能够定期检测CPU工作状态情况。具有看门狗定时器电路，可使模块在异常情况下自动复位。提供了模块电流过载保护、通讯线箝压保护。支持实时的状态显示。可实时显示本模块的运行状态和通信状态。具有带电复位自保持功能。FM151如下图所示。

图 8 FM151模块

本模块加电时，其面板上的状态指示灯（RDY 灯 上 和COM 灯 下）显示当前的工作和通讯状态。

表2 FM151指示灯意义

常用的I/O模块有：

表3 常用的I/O模块

4.2仪表和执行机构选型

根据题目要求：实现水箱液位的控制。选择实验所涉及的执行机构有上水箱的液位测量变送器、智能调节阀和流量变送器。

液位测量变送器：主要通过对压力进行测量并将压力转化为液位。

智能调节阀：型号为QSL智能型直行程执行机构，输入信号为：4-20mADC/4-12mA/12-20mA/0-5VDC/1-5VDC,输出信号：4—20mADC。

流量测量变送器：即为模拟转换器。

4.3系统连线

4.3.1 模拟量输入模块FM148A接线

模拟量输入模块主要采用的是二线制电流信号的接线 ，接线图如下所示：

图8 FM148A内部接线图

FM148A 端子信号的接线要求每路信号采用两根导线+24V （屏蔽电缆）接到FM131A 的端子上。针对不同类型的信号和供电情况的不同，有三种端子接线方式：二线制电流信号的接线、四线制电流信号的接线、电压信号的接线。特别强调：在DCS 系统的运用中，为防止多点接地引起信号测量不正常，有二线制电流信号输入的模块，严禁接入其它类型（ 四线制电流或电压型） 的AI 信号。对于其它有源设备来的AI 信号， 同一处设备来的信号尽量集中在一个。

4.3.2模拟量输出模块FM151A接线

模拟量输出模块FM151A内部接线如下图所示：

图9 FM151内部接线图

FM151A 模块与 FM131A 底座之间依靠 64 针欧式连接器连接，从而构成完整的 I/O 单元。传给现场的模拟量信号直接连接到 FM131A 侧边的双层端子

上。FM151A 端子信号的接线要求每路信号采用两根导线（屏蔽电缆）接到FM131A 的端子上。

5 系统软件设计

HOLLiAS- MACSⅤ系统的软件主要包括:组态软件、操作员站软件、服务器软件和控制站软件。

组态软件是安装在工程师站上的，它包括：数据库总控、设备组态、服务器算法组态、控制器算法组态、报表组态、图形组态、工程师在线下装等组成部分。完成用户对于测点、控制方案、人机界面等的组态。

操作员站软件是安装在操作员站上的，它完成用户对于人机交互界面的监控包括流程图、趋势、参数列表、报警、日志的显示及控制调节、参数整定等操作功能。

服务器软件是安装在服务器上的，它完成对系统实时、历史数据的集中管理和监视，并为各站的数据请求提供服务。

控制站软件是安装在现场控制站中的主控单元中的，它完成数据采集、转换、控制运算等。

5.1 组态画面的设计

图10 组态画面的设计

5.2 通讯设置

此次设计主要采用软件通讯，通过输入/输出模块通道和设备号的选择建立基础的通讯。还有FM148A和FM151网段地址的设置，具体设置与模块的数据一致。如下表所示：

表4 模拟量输入通道

表5 模拟量输出通道

6 系统仿真调试

系统仿真结果如下图所示

图10 系统仿真调试图

7 结论

通过这次课程设计，让我更加深刻了解课本知识，和以往对知识的疏忽得以补充，我认识到实践的重要性,实践是检验真理的唯一标准。此次设计也让我明白了思路即出路，有什么不懂不明白的地方要及时请教或上网查询，只要认真钻研，动脑思考，动手实践，就没有弄不懂的知识，收获颇丰。

课程设计是一个重要的教学环节，通过课程设计使我们了解到一些实际与理论之间的差异。通过课程设计不仅可以巩固专业知识，为以后的工作打下了坚实的基础，而其还可以培养和熟练使用资料，运用工具书的能力，把我们所学的课本知识与实践结合起来，起到温故而知新的作用。实验过程中，也对团队精神的进行了考察，让我们在合作起来更加默契，在成功后一起体会喜悦的心情。果然是团结就是力量，只有互相之间默契融洽的配合才能换来最终完美的结果。

参考文献

[1] 王建国，孙灵方，张利辉.电厂热工自动控制.北京：中国电力出版社，2009

[2] 白焰.分散控制系统与现场总线控制系统—基础、评选、设计和应用. 北京：中国电力出版社，2001

[3] 和利时公司软件组态手册.北京：和利时公司

[4] 和利时公司硬件手册.北京：和利时公司

[5] 和利时公司系统手册.北京：和利时公司

DCS课程设计 水箱液位串级控制解读