目录1 题目背景与意义 (1)1.1 题目背景 (1)1.2 课题意义 (1)2 设计题目介绍 (1)2.1设计内容和要求 (1)2.2 集散控制系统基本组成 (2)2.3 设计原理及分析 (3)3 系统设计方案 (6)3.1双容水箱控制 (7)3.2串级控制 (7)4 系统硬件设计 (8)4.1数据采集模块 (8)4.1.1 模拟量输入模块 (8)4.1.2 模拟量输出模块 (9)4.2仪表和执行机构选型 (11)4.3系统连线 (11)4.3.1 模拟量输入模块FM148A接线 (11)4.3.2模拟量输出模块FM151A接线 (12)5 系统软件设计 (12)5.1组态画面的设计 (13)5.2通讯设置 (13)6 系统仿真调试 (14)7 结论 (16)参考文献........................................... 错误!未定义书签。

71 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。