控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與工程實(shí)現(xiàn)

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。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

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)過程提出的要求和性能指標(biāo)可靠性要高－－用系統(tǒng)平均無故障和平均維修時(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)場調(diào)試運(yùn)行階段

14.2.1準(zhǔn)備階段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)場設(shè)備確定控制算法硬軟件功能的劃分其它方面的考慮（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)編程語言的選擇數(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)

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

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。控制模塊全局主程序調(diào)試開環(huán)閉環(huán)檢查PID控制模塊的開環(huán)階躍響應(yīng)特性即調(diào)節(jié)并確定較佳P、I、D參數(shù)檢查PID控制模塊的反饋控制功能整體調(diào)試的方法是自底向上逐步擴(kuò)大，采用子集、局部和全局三步調(diào)試方法進(jìn)行整體調(diào)試1．硬件調(diào)試系統(tǒng)仿真－－應(yīng)用相似原理和類比關(guān)系來研究事物，也就是 用模型來代替實(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)閥等必須通過校驗(yàn)，保證精確度要求。作為檢查，可進(jìn)行一些現(xiàn)場校驗(yàn)。2．各種電氣接線和測(cè)量導(dǎo)管必須經(jīng)過檢查，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)場調(diào)試運(yùn)行階段主要內(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)

動(dòng)畫鏈接圖14-2水槽水位控制電路1．系統(tǒng)概述

2．硬件電路

3．程序設(shè)計(jì)

C(P1.1)b(P1.0)水位操作00B點(diǎn)以下水泵啟動(dòng)01B、C之間維持原狀10系統(tǒng)故障故障報(bào)警11C點(diǎn)以上水泵停止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)（1）工藝流程1．系統(tǒng)概述①10點(diǎn)參數(shù)檢測(cè)功能②22個(gè)參數(shù)設(shè)定功能③10個(gè)參數(shù)標(biāo)定功能④PID控制功能⑤工藝計(jì)算、列表繪圖功能⑥其他功能指標(biāo)

（2）控制要求2．硬件設(shè)計(jì)

（1）采用中斷方式完成

3．軟件設(shè)計(jì)（2）在主程序中完成 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)格柵機(jī)調(diào)節(jié)池生化池

壓濾罐清水池集水池加藥

加氯

排掉

回用

風(fēng)機(jī)

反沖洗

污水

動(dòng)畫鏈接（1）工藝流程

1．系統(tǒng)概述（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、停的PLC輸入信號(hào)。手動(dòng)控制方式－手動(dòng)操作按鈕開停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、停，而加藥計(jì)量泵、CLO2發(fā)生器的開、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)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、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)需要開關(guān)量輸入40點(diǎn)與開關(guān)量輸出32點(diǎn) 選用德國SIEMENS的S7-200主機(jī)CPU226，有開關(guān)量24輸入／16輸出點(diǎn)，數(shù)字量擴(kuò)展模塊EM223，提供開關(guān)量16輸入/16輸出點(diǎn)

2．硬件設(shè)計(jì)（2）PLC輸入輸出接線圖（3）中文顯示器

操作界面選用TD200中文文本顯示器。

特點(diǎn)：簡潔、價(jià)格低、操作界面連接簡單不需要獨(dú)立電

源，用電纜連接到S7-200CPU的PPI接口上

3．程序設(shè)

計(jì)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)1系統(tǒng)概述1）工藝流程——當(dāng)反應(yīng)物流入聚合釜中，開始發(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。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RS485現(xiàn)場總線連接到上位機(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)。3硬件設(shè)計(jì)1）工藝控制流程圖設(shè)計(jì)（1）溫度傳感器

——WREK-191E型鎧裝熱電偶，規(guī)格Φ1.5×100×3000mm。

（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

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。5）測(cè)控系統(tǒng)及儀表盤設(shè)計(jì)

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。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)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)象簡介計(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)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)場控制層三個(gè)層次構(gòu)成。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)。（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，全部選用美國羅克韋爾公司（原美國AB公司）的風(fēng)機(jī)、泵類專用變頻器PowerFlex400系列。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。5PLC軟件設(shè)計(jì)停止是否參數(shù)初始化采集模擬量數(shù)據(jù)處理控制算法輸出控制量啟動(dòng)停止主程序OB主報(bào)警子程序FC9標(biāo)度化程序FC3溫度線性化程序FC5采樣子程序FC1標(biāo)