控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與工程實(shí)現(xiàn) PPT課件

1 返回總目錄 第十四章控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與工程實(shí)現(xiàn) 本章要點(diǎn) 1 學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則 2 初步掌握計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟 3 學(xué)習(xí)實(shí)例 加深認(rèn)識(shí)與初步掌握單片機(jī) 儀表 IPC和PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路 2 本章主要內(nèi)容 14 1控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則14 2控制工程的實(shí)現(xiàn)步驟14 3控制工程的應(yīng)用實(shí)例 3 14 1控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則 滿足工藝要求 滿足生產(chǎn)過(guò)程提出的要求和性能指標(biāo)可靠性要高 用系統(tǒng)平均無(wú)故障和平均維修時(shí)間衡量操作性能要好 使用方便和維護(hù)容易實(shí)時(shí)性要強(qiáng) 對(duì)內(nèi) 外部時(shí)間及時(shí)做出響應(yīng)通用性要好 硬軟件可移植經(jīng)濟(jì)效益要高 系統(tǒng)性價(jià)比要高 投入產(chǎn)出比要低 4 14 2控制工程的實(shí)現(xiàn)步驟 主要知識(shí)點(diǎn)14 2 1準(zhǔn)備階段14 2 2設(shè)計(jì)階段14 2 3仿真及調(diào)試階段14 2 4現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試運(yùn)行階段 5 14 2 1準(zhǔn)備階段 6 14 2 2設(shè)計(jì)階段 1 總體設(shè)計(jì)根據(jù)控制對(duì)象要求 確定系統(tǒng)的構(gòu)成方式及控制裝置與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的選擇 以及控制規(guī)律算法和其它特殊功能要求 主要包括以下內(nèi)容 確定系統(tǒng)的任務(wù)和控制方案確定系統(tǒng)的構(gòu)成方式選擇現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備確定控制算法硬軟件功能的劃分其它方面的考慮 7 1 根據(jù)控制任務(wù)的復(fù)雜程度 控制精度以及實(shí)時(shí)性要求等選擇主機(jī)板 包括總線類型 主機(jī)機(jī)型等 2 根據(jù)AI AO點(diǎn)數(shù) 分辨率和精度 以及采集速度等選A D D A板 包括通道數(shù)量 信號(hào)類別 量程范圍等 3 根據(jù)DI DO點(diǎn)數(shù)和其它要求 選擇開(kāi)關(guān)量輸入輸出板 包括通道數(shù)量 信號(hào)類別 交直流和功率大小等 4 根據(jù)人機(jī)聯(lián)系方式選擇相應(yīng)的接口板或顯示操作面板 包括參數(shù)設(shè)定 狀態(tài)顯示 手動(dòng)自動(dòng)切換和異常報(bào)警等 5 根據(jù)需要選擇各種外設(shè)接口 通信板塊等 6 根據(jù)工藝流程選擇測(cè)量裝置 包括被測(cè)參數(shù)種類 量程大小 信號(hào)類別 型號(hào)規(guī)格等 7 根據(jù)工藝流程選擇執(zhí)行裝置 包括能源類型 信號(hào)類別 型號(hào)規(guī)格等 2 硬件設(shè)計(jì) 8 編程語(yǔ)言的選擇數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)規(guī)劃資源分配控制軟件的設(shè)計(jì)1 數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理程序2 控制算法程序3 控制量輸出程序4 人 機(jī)界面程序5 實(shí)時(shí)時(shí)鐘和中斷處理程序6 數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)通信程序程序設(shè)計(jì)方法 采用模塊化和自頂向下程序設(shè)計(jì)方法 3 軟件設(shè)計(jì) 9 具體步驟 1 硬件調(diào)試2 軟件調(diào)試3 系統(tǒng)仿真4 考機(jī) 14 2 3仿真及調(diào)試階段 10 硬件的調(diào)試主要包括各種標(biāo)準(zhǔn)功能模板 輸入輸出信號(hào) 現(xiàn)場(chǎng)儀表和執(zhí)行器及通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的調(diào)試 2 軟件調(diào)試軟件調(diào)試的順序是子程序 功能模塊和主程序 1 硬件調(diào)試 11 系統(tǒng)仿真 應(yīng)用相似原理和類比關(guān)系來(lái)研究事物 也就是用模型來(lái)代替實(shí)際被控對(duì)象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和研究 也稱為模擬調(diào)試 系統(tǒng)仿真類型 全物理仿真 即在模擬環(huán)境條件下的全實(shí)物仿真 半物理仿真 即硬件閉路動(dòng)態(tài)試驗(yàn) 數(shù)字仿真 即計(jì)算機(jī)仿真 4 考機(jī)在系統(tǒng)仿真的基礎(chǔ)上 還要進(jìn)行考機(jī)運(yùn)行 即進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行考驗(yàn) 有時(shí)還要根據(jù)實(shí)際的運(yùn)行環(huán)境 進(jìn)行特殊運(yùn)行條件的考驗(yàn) 如高溫和低溫劇變運(yùn)行試驗(yàn) 振動(dòng)和抗電磁干擾試驗(yàn) 電源電壓劇變和掉電試驗(yàn)等 3 系統(tǒng)仿真 12 在線調(diào)試前還要進(jìn)行下列檢查 1 檢測(cè)元件 變送器 顯示儀表 調(diào)節(jié)閥等必須通過(guò)校驗(yàn) 保證精確度要求 作為檢查 可進(jìn)行一些現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn) 2 各種電氣接線和測(cè)量導(dǎo)管必須經(jīng)過(guò)檢查 保證連接正確 3 檢查系統(tǒng)干擾情況和接地情況 如果不符合要求 應(yīng)采取措施 4 對(duì)安全防護(hù)措施也要檢查 14 2 4現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試運(yùn)行階段 13 主要內(nèi)容14 3 1水槽水位單片機(jī)控制系統(tǒng)14 3 2循環(huán)水裝置IPC系統(tǒng)14 3 3中水回用PLC控制系統(tǒng)14 3 4聚合釜溫壓儀表控制系統(tǒng)14 3 5基于PLC與IPC的鍋爐綜合控制系統(tǒng) 14 3控制工程的應(yīng)用實(shí)例 14 1 系統(tǒng)概述2 硬件電路3 程序設(shè)計(jì) 14 3 1水槽水位單片機(jī)控制系統(tǒng) 15 動(dòng)畫鏈接 圖14 2水槽水位控制電路 1 系統(tǒng)概述 16 2 硬件電路 17 3 程序設(shè)計(jì) 18 1 系統(tǒng)概述2 硬件電路3 軟件設(shè)計(jì) 14 3 2循環(huán)水裝置IPC系統(tǒng) 19 1 工藝流程 1 系統(tǒng)概述 20 10點(diǎn)參數(shù)檢測(cè)功能 22個(gè)參數(shù)設(shè)定功能 10個(gè)參數(shù)標(biāo)定功能 PID控制功能 工藝計(jì)算 列表繪圖功能 其他功能指標(biāo) 2 控制要求 21 2 硬件設(shè)計(jì) 22 1 采用中斷方式完成 3 軟件設(shè)計(jì) 23 2 在主程序中完成 24 1 系統(tǒng)概述2 硬件設(shè)計(jì)3 程序設(shè)計(jì) 14 3 3中水回用PLC控制系統(tǒng) 25 動(dòng)畫鏈接 1 工藝流程 1 系統(tǒng)概述 26 2 控制要求構(gòu)成 14臺(tái)泵和電機(jī) 4個(gè)池的水位檢測(cè) 水位計(jì)的作用 使用時(shí)聲光報(bào)警 在全自動(dòng) 分組自動(dòng) 半自動(dòng)控制方式下 水位計(jì)的上限 下限分別作為該池排水泵自動(dòng)開(kāi) 停的PLC輸入信號(hào) 手動(dòng)控制方式 手動(dòng)操作按鈕開(kāi)停14個(gè)負(fù)荷 不受水位影響 生化半自動(dòng)控制方式 由生化池水位的上限與下限自動(dòng)控制生化泵的開(kāi) 停 而加藥計(jì)量泵 CLO2發(fā)生器的開(kāi) 停由手動(dòng)操作 分組自動(dòng)控制方式 整個(gè)系統(tǒng)分調(diào)節(jié)池水位 生化池水位 清水池水位 集水池水位 溢流泵 羅茨風(fēng)機(jī)自動(dòng)機(jī)組 控制要求 當(dāng)按下分組自動(dòng)按鈕時(shí) 被按下按鈕的燈閃亮 當(dāng)選定主 備電機(jī)按鈕后 分組自動(dòng)按鈕指示燈長(zhǎng)亮 當(dāng)水位達(dá)到上限時(shí) 電機(jī)停止而按鈕指示燈轉(zhuǎn)為閃亮 全自動(dòng)方式控制要求 即全自動(dòng)準(zhǔn)備按鈕啟動(dòng)后系統(tǒng)進(jìn)入全自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài) 27 硬件設(shè)計(jì)包括 PLC系統(tǒng)配置 PLC接線圖 中文顯示器 1 PLC系統(tǒng)配置工藝要求 14臺(tái)被控設(shè)備開(kāi) 啟 4種控制方式運(yùn)行 停止 故障狀態(tài)的燈指示PLC配置 采用軟件編程方法1個(gè)帶燈按鈕表示1臺(tái)設(shè)備的全部控制與狀態(tài)指示功能 加上4種控制方式及其切換需配置24個(gè)帶燈按鈕整個(gè)系統(tǒng)需要開(kāi)關(guān)量輸入40點(diǎn)與開(kāi)關(guān)量輸出32點(diǎn)選用德國(guó)SIEMENS的S7 200主機(jī)CPU226 有開(kāi)關(guān)量24輸入 16輸出點(diǎn) 數(shù)字量擴(kuò)展模塊EM223 提供開(kāi)關(guān)量16輸入 16輸出點(diǎn) 2 硬件設(shè)計(jì) 28 2 PLC輸入輸出接線圖 29 3 中文顯示器操作界面選用TD200中文文本顯示器 特點(diǎn) 簡(jiǎn)潔 價(jià)格低 操作界面連接簡(jiǎn)單不需要獨(dú)立電源 用電纜連接到S7 200CPU的PPI接口上 30 3 程序設(shè)計(jì) 31 14 3 4聚合釜溫壓儀表控制系統(tǒng) 1系統(tǒng)概述2總體方案3硬件設(shè)計(jì)4軟件設(shè)計(jì) 32 1系統(tǒng)概述 1 工藝流程 當(dāng)反應(yīng)物流入聚合釜中 開(kāi)始發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并產(chǎn)生氣體 排出口引到氣相色譜儀進(jìn)行在線檢測(cè)氣體的成分和含量 釜內(nèi)的反應(yīng)物介質(zhì)為酸性腐蝕性氣體 且產(chǎn)生很高的壓力 2 測(cè)控要求 溫度常態(tài)200oC 5oC 壓力最高10Mpa 要求計(jì)算機(jī)顯示屏上能實(shí)時(shí)顯示 記錄4個(gè)釜中的4點(diǎn)溫度與壓力的數(shù)據(jù)變化 而且顯示記錄參數(shù)的時(shí)間周期可以在秒 分 時(shí)之間任意調(diào)整 電加熱器的功率為1000W 220VAC 33 2總體方案 該例采用底層測(cè)控 上層監(jiān)視的上 下兩層控制方案 因?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)只有4個(gè)溫度控制回路和4個(gè)壓力檢測(cè)參數(shù) 且溫度 壓力傳感器的輸出信號(hào)均是模擬量信號(hào) 所以底層測(cè)控裝置采用智能型數(shù)字儀表 同時(shí)通過(guò)RS485現(xiàn)場(chǎng)總線連接到上位機(jī) 以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)采集 信號(hào)處理 數(shù)據(jù)列表 操作顯示 以及人機(jī)對(duì)話等多個(gè)任務(wù) 34 3硬件設(shè)計(jì) 1 工藝控制流程圖設(shè)計(jì) 35 1 溫度傳感器 WREK 191E型鎧裝熱電偶 規(guī)格 1 5 100 3000mm 2 壓力傳感器 離子束薄膜壓力傳感器 型號(hào)TQ 551 量程0 16MPa 工作電壓24V 輸出電流4 20mA 精度為0 1 適應(yīng)于 40 400 的溫度環(huán)境 而且具有高穩(wěn)定性 抗震動(dòng)沖擊 耐腐蝕的全不銹鋼結(jié)構(gòu) 2 測(cè)量傳感器選型 36 3 溫度顯示控制儀選型選用4臺(tái)廈門宇光電子公司的AI人工智能工業(yè)調(diào)節(jié)器 溫度控制器 型號(hào)為AI 708 A G S 4 壓力巡回檢測(cè)儀表選型選用廈門宇光電子公司的AI系列儀表 型號(hào)為AI 704M A J5 J5 S4 37 5 測(cè)控系統(tǒng)及儀表盤設(shè)計(jì) 38 4軟件設(shè)計(jì) 采用亞控公司的組態(tài)王軟件進(jìn)行編程 39 14 3 5基于PLC與IPC的鍋爐綜合控制系統(tǒng) 1系統(tǒng)概述2總體方案3硬件構(gòu)成4控制策略5PLC軟件設(shè)計(jì)6操作站軟件設(shè)計(jì) 40 1系統(tǒng)概述 鍋爐房配備2臺(tái)10t h熱水鍋爐 1臺(tái)20t h熱水鍋爐和1臺(tái)6t h蒸汽鍋爐 均為鏈條爐 其中蒸汽鍋爐用于為浴池 食堂 中央空調(diào)等提供蒸汽 必要時(shí)增加汽水換熱裝置用于補(bǔ)充供熱 3臺(tái)熱水鍋爐用于全院教學(xué)區(qū) 宿舍區(qū)和家屬區(qū)的供暖 在設(shè)計(jì)中將全部供暖面積按地勢(shì)及所處地理位置劃分成5個(gè)獨(dú)立的供熱區(qū)域 分別為高區(qū)教學(xué)區(qū) 低區(qū)教學(xué)區(qū) 高區(qū)生活區(qū) 低區(qū)生活區(qū)和綜合實(shí)驗(yàn)區(qū) 每個(gè)區(qū)域設(shè)置一個(gè)換熱站 配兩臺(tái)板式水 水換熱器實(shí)現(xiàn)各個(gè)區(qū)域的獨(dú)立供熱 這樣 3臺(tái)熱水鍋爐作為供熱系統(tǒng)的一次網(wǎng)循環(huán) 5個(gè)換熱站作為二次循環(huán) 實(shí)現(xiàn)整個(gè)校園的供熱任務(wù) 4臺(tái)鍋爐的鼓風(fēng) 引風(fēng)以及一次 二次網(wǎng)循環(huán)泵均采用變頻調(diào)速器進(jìn)行控制 1 對(duì)象簡(jiǎn)介 41 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的任務(wù)是實(shí)現(xiàn)1臺(tái)蒸汽鍋爐 3臺(tái)熱水鍋爐和5個(gè)換熱站的監(jiān)視和控制 具體如下 1 蒸汽鍋爐的控制回路包括 汽包水位控制 蒸汽壓力控制 鼓風(fēng)控制 爐膛負(fù)壓控制 2 熱水鍋爐的控制回路包括 出水溫度控制 鼓風(fēng) 控制 爐膛負(fù)壓控制 3 一次循環(huán)系統(tǒng)的控制回路包括 循環(huán)壓力控制 補(bǔ)水壓力控制 4 二次換熱站的控制回路包括 循環(huán)壓力 控制 二次網(wǎng)出水溫度控制 補(bǔ)水壓力控制 其中 蒸汽鍋爐測(cè)量點(diǎn)有汽包水位等20個(gè) 熱水鍋爐測(cè)量點(diǎn)19個(gè) 換熱站及公共部分測(cè)量點(diǎn)40個(gè) 2 控制任務(wù) 42 2總體方案 吸收了DCS PLC與FCS的各方優(yōu)點(diǎn) 采用IPC 組態(tài)軟件 PLC構(gòu)成的分散型控制系統(tǒng)方案 其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由管理層 監(jiān)控層和現(xiàn)場(chǎng)控制層三個(gè)層次構(gòu)成 43 3硬件構(gòu)成 1 操作站 選用研華公司生產(chǎn)的Pentium4工控機(jī) 并配置10 100MHz以太網(wǎng)卡和支持Profibus MPI PPI等總線方式的5611通訊卡 2 現(xiàn)場(chǎng)控制站 1 1 控制站 即PLC1控制1 2 和3 熱水鍋爐 2 2 控制站 即PLC2負(fù)責(zé)4 蒸汽鍋爐 公共部分和五個(gè)換熱站的控制與監(jiān)測(cè)任務(wù) 44 3 操作臺(tái)與儀表 操作臺(tái)上安裝有計(jì)算機(jī) 顯示儀表 手操器及變頻器的啟動(dòng)停止按鈕等 4 變頻器 整個(gè)系統(tǒng)共有22臺(tái)變頻器 全部選用美國(guó)羅克韋爾公司 原美國(guó)AB公司 的風(fēng)機(jī) 泵類專用變頻器PowerFlex400系列 45 4控制策略 1 數(shù)據(jù)采集與處理 PLC負(fù)責(zé) 采集并進(jìn)行數(shù)字濾波 量綱標(biāo)度變換 熱電阻 熱電偶的線性化等處理工作 2 汽包水位控制 采用串級(jí)加前饋構(gòu)成的三沖量控制策略 3 蒸汽壓力控制 采用智能PID算法控制汽壓回路 引入蒸汽流量做為前饋量以快速消除負(fù)荷擾動(dòng) 4 鍋爐鼓風(fēng)控制 自動(dòng)尋優(yōu)算法 5 爐膛負(fù)壓控制 取鼓風(fēng)量作為負(fù)壓控制回路的前饋量消除擾動(dòng) 6 出水溫度控制 鍋爐出水溫度的設(shè)定曲線是一條與室外溫度和晝夜時(shí)間都相關(guān)的函數(shù) 7 安全保護(hù) 根據(jù)故障的級(jí)別 自動(dòng)進(jìn)行不同級(jí)別的保護(hù)動(dòng)作 直至停爐 46 5PLC軟件設(shè)計(jì) 47 6操作站軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)畫面包括鍋爐系統(tǒng)流程圖 分系統(tǒng)流程圖 換熱站流程圖等 可以形象動(dòng)態(tài)地顯示整個(gè)鍋爐系統(tǒng)的工藝過(guò)程 另外還設(shè)計(jì)有總貌畫面 報(bào)警顯示畫面 棒圖顯示畫面 報(bào)表打印畫面 實(shí)時(shí)趨勢(shì) 歷史趨勢(shì)畫面和系統(tǒng)自檢畫面等 以實(shí)現(xiàn)鍋爐和供暖系統(tǒng)的監(jiān)視控制功能 48 思考題 1 簡(jiǎn)述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則 2 在做計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案