大型泵站自动化在泵站中应用

•现场智能设备
实现以太网链路控制(LLC,MAC) 和编码、解码功能
传
感 A/D 微
器
处
理
器
功率 驱动
D/A
1
通信 缓冲 器
微 处 理 器 2
以太 网控 制器
UM 9008
隔 离 变 压 器
驱去 动H 电U 路B
具有Ethernet接口的现场智能设备
2020年4月29日
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三、泵站数字化技术
现场智能设备的发展趋势
2020年4月29日
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一、泵站数字化的目的
• 目的之二是提高企业的运营效率。
大型泵站高效率的运行取决于无故障地获取准确、及时、 可靠的信息。在当今的活动中，信息是最宝贵的商品。管理、 控制、运作和支配一个泵站，对信息的需求各不相同，但是它 们一个共同的目标就是提高企业的生产率。
2020年4月29日
热电阻、压力传 感器、水位、转 速等信号
电压、电 流等电量
机组分合闸
、泵站辅机 设备、闸门 等控制
控 制 室
信号 调理 单元
AI
电 缆
4-20mA单向模拟 信号或者开关信号
PID控制器
CRT
信号
调理 单元
AO
电 I/O卡 缆
电缆
泵
工业控制
站
计算机ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
现
场
2020年4月29日
以工业控制计算机为基础的泵站测控系统结构框图
真正的现场控制
水位变送器 蒸汽流量变送器 给水流量变送器
LT101-AI OUT IN LT101-PID
OUT
FT102-AI OUT
FT103-AI OUT
IN FT103-SUM
OUT
CAS_IN
现场总线 给水阀门
IN FV101-PID OUT
IN FV101-AO
BK_CAL IN BK_CAL OUT
2020年4月29日
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二、泵站数字化的内容
•生产过程管理 •包括生产过程监控 •过程参数和状态的监视 •生产过程的控制和优化 •生产过程的远程操作 •现场设备管理
•生产和经营管理
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二、泵站数字化的内容
•生产过程管理
过程参数的监视包括通过流程图、模拟图、趋势图等方
式对生产过程的状态和参数进行描述和监视，并在此基础 上进行生产过程的诊断和优化等。
P rofibus-DP / Ethernet网关
Infranet 监控 操作站
P rofibus-DP
...
...
采集控制站
...
F F 现场控制系统
P LC
DC S
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图1 基于Internet/Intranet/Infranet的企业信息网络示意图
三、泵站数字化技术
企业信息网络
2020年4月29日
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一、泵站数字化的目的
• 具体讲，企业信息化的目的是：
(1)应用计算机技术、网络技术、信息技术、智能技术和 有关工艺技术，实现企业的经营决策、生产管理和过程控 制信息的有机集成。
(2)通过应用软件，实现管理科学化，生产计划、生产调 度、工艺操作和过程控制最优化。
(3)确保安全生产，降低原材料和能源消耗，提高产量、 质量和附加值，提高产品的适应能力，从而提高企业经济 效益和竞争能力。
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二、泵站数字化的内容
生产管理
• 生产进度安排、人员安排 • 原料、能源消耗、成品、生产时间等的统计。 • 产品数据管理 • 生产调度等等。
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二、泵站数字化的内容
经营管理
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三、泵站数字化技术
•企业信息网络 •企业信息模型 •现场智能设备 •现场控制网络技术 •远程操作技术 •制造执行系统(MES) •企业资源计划(ERP) •企业网站
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目前的企业信息网络一般通过现 场控制网络(Infranet)、企业内网 (Intranet)和Internet把分布于各局部 现场、独立完成特定功能的计算机 互联起来，它是适应企业生产与经 营的功能分布和地域分布的特点， 达到资源共享、协同工作、远程监 控、远程管理等为目的的全分布式 网络系统，是Internet技术、Web技 术、数据库技术、TCP/IP网络通讯 13
FV101 给水调节阀 Delta V系统体系结构
AI
SUM
AI
FF H1
FT103 给水流量 变送器
FT102 蒸汽流量 变送器
PID AI
LT101 水位变送器
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三、泵站数字化技术 ----现场控制网络技术
实时 数据库 服务器
管理 数据库 服务器
WEB 服务器
监控 操作站
Router
网关
Router
生产过程的控制和优化是使用常规控制算法（如PID调节） 及先进控制算法（如多变量控制、预测控制、智能控制等） 对生产过程进行控制，并且采用神经网络、遗传算法等进 行生产过程的优化控制和调度。
生产过程远程操作就是通过网络异地监视和操纵生产过
程。
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二、泵站数字化的内容
•生产过程管理
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三、泵站数字化技术 ----现场控制网络技术
----DCS实现一个流量PID控制回路示意图
监控操 作站
PID 采集控制站
4-20mA 端子排
AI
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AO
采集控制站 端子排
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三、泵站数字化技术 ----现场控制网络技术
----DCS控制示意图
管 理 级 监 控 级
管理工作站
...
H1/Ethernet 网关 FF-H1
工作站 ....... 工作站
Internet
Internet
Router
Fire Wall Router
企业网络 交换机
Ethernet+TCP/IP
Router
Profibus-DP/ Ethernet 网关 Profibus-DP
监控 操作站
Intranet
三、泵站数字化技术
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现场智能设备
针对现场测量设备的应用有两个迫切要 求：
第一个要求是在公认的标准的基础上 使用设备
第二个要求是关注系统中的现场设备 的制造工艺 衡量现场设备智能化的指标：
是否能进行双向数字通信？ 是否具备自诊断能力？ 是否具备反映设备本身特性的数据库16 ？
三、泵站数字化技术
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行优化。
三、泵站数字化技术
2020年4月29日
现场智能设备
它是企业信息化的源头和终端执行 机构。今天生产现场设备(Field
device)大多是高技术产品。很多设 备装有微处理器，设备本身可进行 计算，可预测的维护和服务信息被 直接集成进这些设备中，它们可存 储几百到上千条参数信息，包括大 量的与生产过程相关的信息和与设 备本身工作状态有关的非过程数据， 这些数据是规划和运作一个企业或15
三、泵站数字化技术
2020年4月29日
企业信息模型 最上层是ERP系统，实现企业的生产和
经营管理。最下层是生产过程管理，由开 放控制系统实现生产现场的数据采集和控 制，由过程监控软件和现场设备管理系统 实现生产过程的监督、优化、调度管理和 现场设备的实时管理。
制造执行系统ECS(Manufacturing Execution System)则是连接ERP和过程管理 系统的中间层软件，ECS从过程管理获得 大量数据，经分析、计算得出少量数据， 供ERP使用，同时，它又将从ERP来的少 量定单信息生成大量的供生产过程管理层 所需的信息，它还能够实现对生产过程进
电压、电 机组分合闸 流等电量 、泵站辅机
AI 设备、闸A门 O
等控制
2020年4月29日 以集散控制系统(DCS)为基础的泵
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站分布式测控系统结构框图
三、泵站数字化技术 ----现场控制网络技术
----DCS控制示意图
监控
控
操作站
制
室
R S - 4 8 5 现场通信网络
闸门高 度测量 仪表
上下游 水位测 量仪表
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三、泵站数字化技术 ----现场控制网络技术
----集中控制系统中实现一个流量PID控制回路示意图
PID
PIIPDC控制器
4-20mA 端子排
端子排
2020年4月29日
AI AO
集中控制系统中实现一个流量P I D 控制回路示意图 21
三、泵站数字化技术 ----现场控制网络技术
----DDC示意图
电压、电 流等电量 测量仪表
...
实时现场通信网络
主控卡 I/O卡
1#PLC
...
n#PLC
I/O卡
PID控制器
泵 站
现 场
信号 调理
单元
4 - 2 0 m A 单向模拟 信号或者开关信号
信号 调理 单元
功率 驱动
及隔 离
AI
AO
测温热电阻、压力传 感器、水位、转速、 开关位置等信号 2020年4月29日
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一、泵站数字化的目的
• 目的之三是在合适的时间提供合适的信息。
信息技术首先意味着“采集数据”，这在现代化工业企业已 经是最基本的一部分。但在泵站运行过程中，数据来源于多个系 统，各个系统的数据独立，只有待这些数据相互联系起来时，才 能显示出数据后面的意义，并得出真正有用的信息。因此，今天 自动化工程师面临的挑战是使信息以适当的结构、对适当的人、 在适当的时间和适当的地点应用。只有数据沿着增值链接近全网 络化时，才能顺利进行。
数字化在泵站中的应用
一、 泵站数字化目的与内容 二、 泵站数字化技术 三、 泵站数字化发展趋势 四、 结语
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一、泵站数字化的目的
•数字化目的之一为了提高资源的利用率。
为了使生产过程得到控制，需要更多有关生产过程的信息， 使用这些信息可以对生产过程进行最佳控制，而更高程度的 自动化将带来资源的更大节约。并且，随着自动化水平的提 高，工业化批量生产满足消费者的多种不同的需求成为可能。
电压、电 流等电量
机组分合闸、泵 站辅机设备、闸 门等控制
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以P L C 为基础的泵站测控系统结构框图
三、泵站数字化技术 ----现场控制网络技术
管理工作站 ... 管理工作站 维护工作站
管理 数据库
监控操作站
实时
100Mbit/s高速以太网 数据库
(High Speed Ethernet--HSE)
管理工作站
管理网络
监控操作站
...
控
制
监控操作站
室
冗余实时现场通信网络
现
场
过
程 控
I/O卡
制
级
信号 调理
单元
1# 采集控制站
冗余CP U卡 ...
n# 采集控制站
I/O卡 扩展I/ O 机笼
4- 20 mA单向模拟 信号或者开关信号
信号 调理 单元
泵 站 现
场PID控制
功率 驱动 及隔 离
测温热电阻、压力 传感器、水位、转 速等信号
远程操作的类型：
一是针对生产过程的远程操作。包括生产过程现场运行 参数和状态的远程浏览和监督，远程操作生产过程设备， 远程调度生产过程，生产过程故障的远程监视、远程诊断 和远程处理，生产过程的远程调试等。
二是针对生产过程现场测控设备的远程操作。包括远程 功能组态，远程工作状态监视、故障预测和故障诊断，远 程设备调试和工作参数整定等，这是属于现场智能设备远 程维护管理方面的内容。
Infranet 工程 师站
I/O FF现场控制系统
• 微型化 • 集成化 • 智能化 • 总线化
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三、泵站数字化技术
现场控制网络技术
• 从DDC DCS FCS 现场控制网络
2020年4月29日
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三、泵站数字化技术
现场控制网络技术
一个PID控制回路
r(t) + e(t) PID控制器 u(t)
G(s)
y(t)
_
y(t)
2020年4月29日
2020年4月29日
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三、泵站数字化技术 信息化网络
Internet
管理 工作站
...
管理 工作站
实时 数据库 服务器
管理
W EB
数据库 服务器 R
服务器
监控 操作站
R 网关
R 企业网络
交换机
Fire W all
R Intranet
Ethernet+T CP/IP
H1/Ethernet 网关 F F -H1
网桥
...
网桥
----FCS控制示意图
出汽
汽包
现场总线 接线盒
低速现场总线 3双1向 . 2数 5 K字b i信t /号s
接线盒
...
FF H1
现场总线 接线盒
...
PID
AO
AI SUM
给水
AI FF H1
PID AI
...
FF--Fieldbus Foundation FF--Foundation Fieldbus
2020年4月29日
图1.4 功能块的分布和连接
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三、泵站数字化技术 ----现场控制网络技术
操作站 Primary Hub
工程师站
主控制网络 辅控制网络
Secondary Hub I/O卡
电源，控制器， I/O系统
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FF适配卡
I/O系统 扩展板
FF H1
PID
AO I/O系统 扩展板
2020年4月29日 图1.3
FV101 给水调节阀
FT103 给水流量
变送器
FT102 蒸汽流量 变送器
基于国际现场总线( F F ) 的现场控制系统( F C S ) 及其实现一锅炉汽包的水位三冲量控制
LT101 水位变送器
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三、泵站数字化技术 ----现场控制网络技术
----FCS控制示意图