供热厂DCS控制系统设计

题目：热电厂DCS控制系统设计

学院：信息电子技术学院

年级： 10级

专业：自动化技术

姓名：王鹏飞

学号： 1009044323

指导教师：李丽敏

摘要

DCS的结构是一个分布式系统，其实质是利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的一种新型控制技术。它是由计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、通信网络技术和人机接口技术相互渗透发展而产生。目前，分散控制系统已经发展成为工业生产过程自动控制装置的主流。

本设计为供热厂DCS控制组态设计。主要通过数据采集系统(DAS)采集模拟量和开关量信号，模拟量控制系统(MCS)控制水流量、水温等参数、顺序控制系统(SCS)控制辅机及其设备的启停和联锁控制、主燃料跳闸系统(MFT)完成锅炉保护功能。达到有效监测和控制供热厂锅炉运行的目的。

论文引用了国电智深的EDPF-NT+ DCS控制系统,主要技术；在掌握该系统的基本原理和功能的基础上，论文以供热厂锅炉为控制对象，应用EDPF-NT+系统进行了硬件选型和系统组态；论文最后以流量和水温监控为重点进行控制组态的实现，以热网循环泵监控为重点进行SCS控制组态的实现，以PLC300与卡件的通讯进行对燃烧器的监控。最终全面实现了EDPF-NT+系统在供热厂的DCS控制功能。

生产实践将证明热电厂DCS控制组态设计和实现是热电厂可靠、安全运行的重要保证。关键字：DCS；EDPF-NT+系统；供热厂；组态

Abstract

The structure of DCS is a distributed system, and its essence is a kind of new control technology for centralized monitoring, operation, management and control of the production process using computer technology. It is composed of computer technology, signal processing technology, measurement and control technology, communication network technology and human-machine interface technology development and mutual penetration. At present, the distributed control system has become the mainstream of the automatic control device for industrial production process.

The design for the configuration design of DCS control heating plant. Mainly through the data acquisition system (DAS) acquisition of analog and switch quantity signal, analog control system (MCS) to control the water flow, water temperature and other parameters, the sequence control system (SCS) control auxiliary machinery and equipment start and stop and interlock control, main fuel trip system (MFT) to complete the boiler protection function. To achieve the effective monitoring and control of boiler heating plant operating purposes.

The paper quoted EDPF-NT+ DCS control system, New Intelligent Technology Co., Ltd. the main technology; the basic principle and grasp the features of the system, then the heating plant unit as the control object, the application of EDPF-NT+ system for the selection of hardware and the configuration of the system; finally, the flow and temperature control as the focus for the McS control configuration

implementation, in order to achieve the circulation pump control as the focus for SCS control configuration, in order to achieve the burner as the focus for MFT configuration. Eventually, the full realization of the EDPF-NT+ system control function in the heating plant DCS.

Practice will prove that the thermal power plant DCS control and configuration design is an important guarantee of reliable, safe operation of thermal power plant.

Key words：DCS；EDPF-NT+ System；Heating Plant；Customized—cOnfiguratiOn

目录

摘要 (i)

Abstract (ii)

第 1 章绪论 (1)

1.1 分散控制系统的发展历史和研究现状 (1)

1.2 分散控制系统的结构 (2)

1.3 分散控制系统的特点 (4)

1.3.1 分级阶梯控制 (4)

1.3.2 分散控制 (4)

1.3.3 自治和协调性 (4)

1.3.4 开放系统 (5)

第 2 章EDPF-NT+系统和硬件组成 (7)

2.1 概述 (7)

2.1.1 分布式处理单元 (8)

2.1.2 I/O模块 (11)

2.1.3 电源单元 (12)

2.1.4 过程控制柜 (12)

2.1.5 通讯网络 (13)

2.1.6 IO 总线中继器 (13)

2.2 系统接地 (14)

2.3 系统供电 (15)

2.4 EDPF-NT+组态软件 (16)

2.4.1 集散控制系统组态概念 (16)

2.4.2 EDPF-NT+组态软件特点 (16)

2.4.3 组态内容 (16)

2.4.4 组态流程如下所示 (18)

2.5 EDPF-NT+组态软件各个站的功能 (18)

2.5.1 ENG站-工程师站 (18)

2.5.2 OPR-操作员站 (18)

2.5.3 HSR站（历史数据检索站） (19)

2.5.4 LOG站（制表站） (19)

2.5.5 CAC站（计算站） (19)

2.5.6 DPU站（分布式过程处理器） (19)

第 3 章硬件选型和系统组态 (21)

3.1 设计内容及要求 (21)

3.2 前期设计 (21)

3.2.1 热工检测及控制 (22)

3.3 硬件选型 (24)

3.4 系统接地 (28)

3.5 系统供电 (29)

3.6 系统组态 (34)

第 4 章控制方案的组态 (42)

4.1 热网循环泵的连锁控制 (42)

4.2 热网循环泵的PID控制 (43)

结论 (45)

致谢 (46)

参考文献 (46)

附录A (48)

第 1 章绪论

1.1 分散控制系统的发展历史和研究现状

分散控制系统就是以大型工业生产过程及其相互关系日益复杂的控制对象为前提，从生产过程综合自动化的角度出发，按照系统工程中分解与协调的原则研制开发出来的，以微处理机为核心，结合了控制技术、通信技术和CRT显示技术的新型控制系统。分散控制系统是

1975年首先由美国霍尼威尔(Honeywell)公司推出的。

20世纪80年代，随着微处理器运算能力的增强，超大规模集成电路集成度的提高和成本的不断降低，给过程控制的发展带来新的面貌，使得过去难以想象的功能付诸了实施，推动着以微处理器为基础的过程控制设备和集散型控制系统、可编程序控制器、可编程序调节器和过程变送器等同步发展。在这一时期中出现了第二代、第三代产品。

20世纪90年代，DCS发展很快，出现了生产过程控制系统与信息管理系统紧密结合的管控一体化的新一代DCS。DCS向综合性，开放化发展，大型DCS 在进一步完善和提高的同时，还发展了小型DCS，并采用了人工智能技术等。

目前，国内外有大量的生产过程系统在应用DCS进行控制，取得了丰富的运行经验和研究成果。

综上所述，控制系统的发展历史实际上经历了一个由控制分散、管理分散，控制分散、管理集中，控制集中、管理集中到控制分散、管理集中的过程，这个过程经历了一个循环，但这个循环绝不是简单的重复。今天的分散控制系统已经不是过去的那种模拟控制系统，而是采用计算机技术的数字控

制系统。今天的集中管理手段不仅仅是依靠指示仪表、记录仪表和操作开关，而是采用先进的CRT显示设备、打印机键盘。

1.2 分散控制系统的结构

图1-l所示为一个分散控制系统的典型结构，系统中的所有设备分别处丁四个不同的层次，自下而上分别是：现场级、控制级、监控级和管理级。对应着这四层结构，分别由四层计算机网络即现场网络Fnet(Field Network)、控制网络Cnet(Control Network)、监控网络Snet(SupervisoBNetwork)和管理网络Mnet(Management Netwark) 把相应的设备连接在一起。

1-1分散控制系统的典型结构

四层分别介绍如下：

（1）现场级

现场级设备一般位于被控生产过程的附近。典型的现场级设备是各类传

感器、变送器和执行器，它们将生产过程中的各种物理量转换为电信号。例如4～20mA的电信号，送往控制站或数据采集站，或者将控制站输出的控制餐(4～20mA的电信号或现场总线数字信号)转换成机械位移，带动调节机构，实现对生产过程的控制。

（2）控制级

控制级主要由过程控制站和数据采集站构成。过程控制站接收由现场设备，如传感器、变送器来的信号，按照一定的控制策略计算出所需的控制量，并送同刽现场的执行器中去。过程控制站可以同时完成连续控制、顺序控制或逻辑控制功能，也可能仅完成其中的一种控制功能。数据采集站与过程控制站类似，也接收由现场设备送米的信号，并对其进行一些必要的转换和处理之后送到分散型控制系统中的其他部分，主要是监控级设备中去。数据采集站接收人量过程信息，并通过监控级设备传递给运行人员。区别于过程控制站，数据采集站不直接完成控制功能。

（3）监控级

监控级的主要设备有运行员操作站、工程师工作站和计算站。

运行员操作站是运行员与分散性控制系统相互交换信息的人机接口设备。运行人员通过运行员操作站来监视和控制整个生产过程。运行员可以在运行员操作站上观察生产过程的运行情况，读出每一个过程变量的数值和状态，判断每个控制回路是否工作正常，并且可以随时进行手动／自动控制方式的切换，修改给定值，调整控制量。操作现场设备。以实现对生产过程的干预．另外还可以打印各种报表，拷贝屏幕上的画面和曲线等。

工程师工作站是为了控制工程师对分散控制系统进行配置、组态、调试、

维护所设置的工作站．工程师工作站的另一个作用是对各种设计文件进行归类和管理，形成各种设计文件，例如。各种图纸、表格等。

计算站的主要任务是实现对生产过程的监督控制，例如机组运行优化和性能计算，先进控制策略的实现等。

（4）管理级

厂级管理系统的主要任务是监测企业各部分的运行情况，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辅助企业管理人员进行决策，帮助企业实现其规划目标

1.3 分散控制系统的特点

1.3.1 分级阶梯控制

分散控制系统是分级递阶控制系统(Hierarchical Control System)。它在垂直方向或水平方向都是分级的。分级递阶系统的优点是各个分级具有各自的分工范围，相互之间有协调，通常，这种协调是通过上一分级来完成的。上下备分级的关系通常是下面的分级把该级及它下层的分级数据送到上一级，由上一级根据生产的要求进行协调，并给出相应的指令及数据，通过数据的通信系统，把数据送到下层的有关分级。

1.3.2 分散控制

分散控制是分散控制系统的另一特点，分散是针对集中而言的。分散的含义不单是分散控制，它还包含了其他意义。例如，人员分散、地域分散、功能分散，危险分散、设备分散及操作分散等。分散的目的是为了使危险分散，提高设备的可利用率。

1.3.3 自治和协调性

分散控制系统的各组成部分是各自为政的自治系统，它完成生产过程的数据采集、信号处理、计算和数据的发送等功能。通讯系统则完成操作管理装置与分散过程控制装置问的数据传输。实现上一级与下一级问的协调及同级间数据的协调。分散控制系统的自治和协调性使分散控制和递阶协调控制得以实现。分散的基础是被分散的系统应是自治的系统。递阶分级控制的基础是被分级的系统是相互协调的系统。

分散的各个自治系统是在统一的集中管理和协调下各自分散工作的。没有自治和协调就没有分散控制，没有自治和协调就不能进行递阶分级控制．1.3.4 开放系统

开放系统是以规范化与实际存在的接口标准为依据而建立的计算机系统、网络系统及相关的通讯系统。

开放系统的基本特征如下：

(1)可移植性(Portability)：可移植性指第三方的应用软件能很方便地在系统所提供的平台上进行，有时可能有小的修改。它可能也包含程序的可移植性、数据的可移植性和人员的可移植性等。

(2)互操作性(Interoperbility)：开放系统的互操作性指不同的计算机系统与通讯系统能互相连接；通过互联，能正确有效地进行数据的互通；在数据互通的基础上能协同工作，共享资源，完成应用功能。

(3)可适宜性(Scalability)：系统对计算机的运行要求越来越宽松。某些较低级别系统中运行的应用软件能在高级别的计算机系统中运行，适应性提高。同样，版本高的系统软件也能适用于低级别版本的系统中。

(4)可靠性(Availability)：系统的用户对产品的选择，不必考虑是否是

原系统制造厂商的产品，只要符合标准的其他制造厂商产品都可选用，使朋户选择产品的灵活性人人提高。分散控制系统是开放系统，它具有开放系统的所有特征，使分散控制系统的应用、选择、产品的更换等变得方便。

第 2 章EDPF-NT+系统和硬件组成

2.1 概述

EDPF-NT+系统基于最新计算机系统嵌入式技术和现场总线技术开发的开发的分布式控制系统每个I/O模块都有独立的现场总线通讯节点，具有先进，可靠，易用多个特点。

EDPF-NT+控制系统硬件体系结构如图2-1所示。控制系统由操作员站工程师站、历史站、输出设备、分布式处理单元（DPU）及I/O模块、电源、机柜等组成。通过高速网络构成局域网将这些设备连接，实现数据在设备中的传递、交换和共享。其中操作员站、工程师站、历史站可由一台或多台计算机组成，并可根据需要在局域网上连接一台或多台输出设备。

EDPF-NT+系统基于最新计算机系统嵌入式技术和现场总线技术开发的开发的分布式控制系统每个I/O模块都有独立的现场总线通讯节点，具有先进，可靠，易用多个特点。

EDPF-NT+控制系统硬件体系结构如图2-1所示。控制系统由操作员站工程师站、历史站、输出设备、分布式处理单元（DPU）及I/O模块、电源、机柜等组成。通过高速网络构成局域网将这些设备连接，实现数据在设备中的传递、交换和共享。其中操作员站、工程师站、历史站可由一台或多台计算机组成，并可根据需要在局域网上连接一台或多台输出设备。

如图

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图2-1 分散控制系统的典型结构

2.1.1 分布式处理单元

分布式处理单元（DPU）是系统最基本的控制单元。其中主控制器采用嵌入式无风扇设计的低功耗高性能计算机，内置实时多任务软件操作系统和嵌入式组态控制软件，将网络通讯、数据处理、连续控制、离散控制、顺序控制和批量处理等有机的结合起来，形成稳定、可靠地控制系统。软件系统实现数据的快速扫描，用于实现各种实时任务，包括任务调度、I/O管理、算法运算。软件同时有开放的结构，可以方便的与其他控制软件实现连接和数据交换。

分布式处理单元（DPU）通过高速工业现场总线，可直接连接最多32个I/O模块，通过扩展最多可连接64个I/O模块。并且可对自身连接的模块进行组态控制，所以每一分布式处理单元就是一个小型的控制系统。实现真正的分布式控制。

DPU 控制器

EDPF-NT+ 的DPUIII 型控制器是我公司最新研制的控制器，具有体积小，性能高，维护方便，可靠性高等特点。

在DPU 模块内集成了主CPU、I/O 通讯控制器、双网卡和GPS 模块，DPU 控制器与I/O模块具有同样的大小。采用PENTIUM 级高性能、低功耗CPU，性能卓越，可满足各种工程需要。采用双机，双网，双电源，大大提高了系统的可靠性。采用模块化设计，由DPU 单元和底板组成，DPU 模块带有标准欧式插座，主副站可独立插拔，安装、更换十分方便、安全。可靠的直流冗余宽范围供电。接受两路宽范围DC18-72V 电源输入，内部实现冗余切换，保

证了电源的可靠性。

全隔离高抗干扰设计确保运行可靠。内部采用DC/DC 与电源以及I/O 通讯网络进行隔离，硬件和软件都具有多重抗干扰和容错纠错能力。

安全可靠的数据存储。采用CF 卡保存组态数据，无需电池，确保数据的长期保存。方便的I/O 模块联结方式。模块底座除了提供端子式I/O 出线外，还提供两个DB25 I/O 标准接口，可直接与模块底座拼接，方便组屏安装。

DPU 面板布局

2.1.2 I/O模块

I/O模块通过模块底座与现场信号线缆连接，用于完成现场的数据采集，处理现场的设备驱动。每个I/O模块通过高速现场总线与分布式处理单元进行通讯连接，实现现场分布式控制。

EDPF－NT100 系列的IO 模块按功能分，有模拟量输入卡（AI/TC/RTD）、模拟量输出卡（AO）、开关量输入卡（DI）、开关量输出卡（DO）、单回路控制卡（CT）、脉冲量测量卡（PI）、测速OPC 卡（SD）、纯电调伺服卡（VC）、电调与DCS 接口卡（DCI）、开关量输入/输出卡（DIO）、电流输出型多回路控制卡（ACT4）、脉冲输出型多回路控制卡（CT4）、PT/CT 电量测量模块（EM）等等。

模块的电路板，包括开关电源、直流电源转换、I/O 板以及调理板等，都封装在铝壳中。即可以有效地屏蔽电磁干扰，又可以防护灰尘和外部环境的侵袭。模块同测控网络实现了严格的电气隔离，有效地防止了各种模块之间、模块与网络之间的共地干扰。

模块通过底座与现场相接，并通过底座与控制器通讯和获得电源。模块的地址由设置在底座上的DIP 开关来设定，地址范围是01～63（00H～3FH）常用模块类型及说明：

2.1.3 电源单元

EDPF-NT+系统电源单元是提供分布式处理单元（DPU）、I/O模块的工作电源，并可为外部变送器设备和开关设备提供工作和检测电源。电源单元采用AC/DC开关电源技术，输入220AV交流，输出24VDC和48VDV直流。系统电源模块即可以单独使用，也可以冗余配置。

2.1.4 过程控制柜

过程控制柜由分布式处理单元（DPU）、I/O模块、电源、机柜组成。

过程控制柜采用双冗余设计，采用分布式处理单元（DPU）和双冗余电源。内部具有硬件构成的冗余切换电路和故障自检电路，可实现自动或冗余设备切换。所有的分布式处理单元、I/O模块都支持带电插拔功能，通过路由器可

实现多个分布式控制系统的连接。

过程控制机柜内部的模块布局如图2-1-4

2-2-1-4 过程控制机柜内部的模块布局

2.1.5 通讯网络

系统网络是连接工程师站、操作员站和现场控制站等节点的实时通讯网络，用于操作员站、工程师站和主控制单元的双向数据传输。采用工业以太网冗余配置，可快速构建星型或环形拓扑结构的高速冗余网络，控制网是现场控制站的内部网络，实现控制柜内的各个I/O模块和主控制单元之间的互连和信息传送，通讯速率1.5Mbps,传输介质为屏蔽双绞线和光纤。系统网络和控制网络分别完成相对独立的数据采集和设备控制等功能，有效的隔离工业

2.1.6 IO 总线中继器

所有模块在一个机柜安装不下时可安装到扩展柜，同一IO 总线上模块个数不允许超过31 个，如果超过31 个时，需安装一个或多个中继器，保证中所有中继器两边模块都不超过31 个。

2.2 系统接地

DPF-NT 系统的机柜根据功能可以分为：控制柜、扩展柜(无控制器) 、继电器柜、跳闸柜、网络柜等。所有机柜内部各金属部件通过焊接或者4mm2多股单芯铜线连接在一起。在控制柜、扩展柜的中间安装板正面下侧留有2 个外部接地M8 螺钉，没有安装板的机柜在底部框架的左右两侧也留有2 个M8 螺钉，用于机柜间互联或连接到汇流铜排上。机柜内部所有电气设备的外壳均通过安装螺钉或2.5mm2多股单芯铜线与机柜连接在一起。

EDPF-NT 系统的的每个机柜底部框架的两侧共有四块铜排(长×宽×厚=150mm×30mm×3mm) ，每个铜排上有5 个M6 接地螺钉，这些铜排是预留给现场信号电缆的屏蔽层接地(SG)使用，铜排通过2 个安装螺钉与机柜地连接