第十四章控制系統(tǒng)設(shè)計與工程實現(xiàn)

返回總目錄第十四章控制系統(tǒng)設(shè)計與工程實現(xiàn)本章要點: 1．學(xué)習(xí)計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計原則。

2．初步掌握計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計步驟。

3．學(xué)習(xí)實例，加深認(rèn)識與初步掌握單片機、儀表、IPC和PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計思路。本章主要內(nèi)容14.1控制系統(tǒng)的設(shè)計原則14.2控制工程的實現(xiàn)步驟14.3控制工程的應(yīng)用實例

14.1控制系統(tǒng)的設(shè)計原則滿足工藝要求－－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間衡量操作性能要好－－使用方便和維護容易實時性要強－－對內(nèi)、外部時間及時做出響應(yīng)通用性要好－－硬軟件可移植經(jīng)濟效益要高－－系統(tǒng)性價比要高，投入產(chǎn)出比要低14.2控制工程的實現(xiàn)步驟主要知識點

14.2.1準(zhǔn)備階段

14.2.2設(shè)計階段

14.2.3仿真及調(diào)試階段

14.2.4現(xiàn)場調(diào)試運行階段

14.2.1準(zhǔn)備階段14.2.2設(shè)計階段1.總體設(shè)計

根據(jù)控制對象要求，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、控制精度以及實時性要求等選擇 主機板（包括總線類型、主機機型等）；（2）根據(jù)AI、AO點數(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、信號類別、量程范圍等）；（3）根據(jù)DI、DO點數(shù)和其它要求，選擇開關(guān)量輸入輸出板（包括 通道數(shù)量、信號類別、交直流和功率大小等）；（4）根據(jù)人機聯(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、手動自動切換和異常報警等）；（5）根據(jù)需要選擇各種外設(shè)接口、通信板塊等；（6）根據(jù)工藝流程選擇測量裝置（包括被測參數(shù)種類、量程大 小、信號類別、型號規(guī)格等）；（7）根據(jù)工藝流程選擇執(zhí)行裝置（包括能源類型、信號類別、型 號規(guī)格等）。2.硬件設(shè)計編程語言的選擇數(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

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－機界面程序

5）實時時鐘和中斷處理程序

6）數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)通信程序程序設(shè)計方法－－采用模塊化和自頂向下程序設(shè)計方法3．軟件設(shè)計

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、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?？刂颇K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)用相相似原理和和類比關(guān)系系來研究事事物，也就就是用用模模型來代替替實際被控控對象進(jìn)行行實驗和研研究，也稱稱為模擬擬調(diào)試。系統(tǒng)仿真類類型：全物理仿真真（即在模模擬環(huán)境條條件下的全全實物仿真真）；半物理仿真真（即硬件件閉路動態(tài)態(tài)試驗）；；數(shù)字仿真（（即計算機機仿真）。。4．考機在系統(tǒng)仿真真的基礎(chǔ)上上，還要進(jìn)進(jìn)行考機運運行，即進(jìn)進(jìn)行長時間間的運行考考驗，有時時還要根據(jù)據(jù)實際的運運行環(huán)境，，進(jìn)行特殊殊運行條件件的考驗，，如高溫和和低溫劇變變運行試驗驗、振動和和抗電磁干干擾試驗、、電源電壓壓劇變和掉掉電試驗等等。3．系統(tǒng)仿仿真在線調(diào)試試前還要要進(jìn)行下下列檢查查：1．檢測元元件、變變送器、、顯示儀儀表、調(diào)調(diào)節(jié)閥等等必須通通過校驗驗，保證證精確度度要求。。作為檢檢查，可可進(jìn)行一一些現(xiàn)場場校驗。。2．各種電電氣接線線和測量量導(dǎo)管必必須經(jīng)過過檢查，，保證連連接正確確。3.檢查系統(tǒng)統(tǒng)干擾情情況和接接地情況況，如果果不符合合要求，，應(yīng)采取取措施。。4．對安全全防護措措施也要要檢查。。14.2.4現(xiàn)場調(diào)試試運行階階段主要內(nèi)容容14.3.1水槽水位位單片機機控制系系統(tǒng)14.3.2循環(huán)水裝裝置IPC系統(tǒng)14.3.3中水回用用PLC控制系統(tǒng)統(tǒng)14.3.4聚合釜溫溫壓儀表表控制系系統(tǒng)14.3.5基于PLC與IPC的鍋爐綜綜合控制制系統(tǒng)14.3控制工程程的應(yīng)用用實例1．系統(tǒng)概述述2．硬件電路路3．程序設(shè)計計14.3.1水槽水位位單片機機控制系系統(tǒng)動畫鏈接接圖14-2水槽水位位控制電電路1．系統(tǒng)概概述2．硬件電電路3．程序設(shè)計C(P1.1)b(P1.0)水位操作00B點以下水泵啟動01B、C之間維持原狀10系統(tǒng)故障故障報警11C點以上水泵停止1．系統(tǒng)概述2．硬件電路3．軟件設(shè)計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點參數(shù)檢測功功能②22個參數(shù)設(shè)定功功能③10個參數(shù)標(biāo)定功功能④PID控制功能⑤工藝計算、、列表繪圖功功能⑥其他功能指指標(biāo)（2）控制要求2．硬件設(shè)計（1）采用中斷方方式完成3．軟件設(shè)計計（2）在主程序中中完成1．系統(tǒng)概述2．硬件設(shè)計3．程序設(shè)計14.3.3中水回用PLC控制系統(tǒng)格柵機調(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

反沖洗

污水

動畫鏈接（1）工藝流程1．系統(tǒng)概述（2）控制要求構(gòu)成－－14臺泵和電機，，4個池的水位檢檢測。水位計的作用用－－使用時聲光報報警；在全自自動、分組自自動、半自動控制方式下下，水位計的的上限、下限限分別作為該該池排水泵自自 動開、停停的PLC輸入信號。手動控制方式式－手動操作按鈕鈕開停14個負(fù)荷，不受受水位影響。。生化半自動控控制方式－－－由生化池水位位的上限與下下限自動控制制生化泵的開開、停，而加加藥計量泵、、CLO2發(fā)生器的開、、停由手動操操作。分組自動控制制方式－－整個系統(tǒng)分調(diào)調(diào)節(jié)池水位、、生化池水位位、清水池水水位、集水池池水位、溢流流泵、羅茨風(fēng)風(fēng)機自動機組組?？刂埔螅寒?dāng)當(dāng)按下分組自自動按鈕時，，被按下按鈕鈕的燈閃亮，， 當(dāng)選定主主、備電機機按鈕后，分分組自動按鈕鈕指示燈長亮亮；當(dāng) 水位位達(dá)到上限時時，電機停停止而按鈕指指示燈轉(zhuǎn)為閃閃亮。全自自動動方方式式控控制制要要求求－－－－即全全自自動動準(zhǔn)準(zhǔn)備備按按鈕鈕啟啟動動后后系系統(tǒng)統(tǒng)進(jìn)進(jìn)入入全全自自動運運行行狀狀態(tài)態(tài)硬件件設(shè)設(shè)計計包包括括：：PLC系統(tǒng)統(tǒng)配配置置、、PLC接線線圖圖、、中中文文顯顯示示器器（1）PLC系統(tǒng)統(tǒng)配配置置工藝藝要要求求：：14臺被被控控設(shè)設(shè)備備開開、、啟啟、、4種控控制制方方式式運行行、、停停止止、、故故障障狀狀態(tài)態(tài)的的燈燈指指示示PLC配置置：：采采用用軟軟件件編編程程方方法法1個帶帶燈燈按按鈕鈕表表示示1臺設(shè)設(shè)備備的的全全部部控控制制與與狀狀態(tài)態(tài)指指示示功功能能，，加加上上4種控控制制方方式式及及其其切切換換需配配置置24個帶帶燈燈按按鈕鈕整個個系系統(tǒng)統(tǒng)需需要要開開關(guān)關(guān)量量輸輸入入40點與與開開關(guān)關(guān)量量輸輸出出32點選用用德德國國SIEMENS的S7-200主機機CPU226，有開開關(guān)關(guān)量量24輸入入／／16輸出出點點，，數(shù)字字量量擴擴展展模模塊塊EM223，提供供開開關(guān)關(guān)量量16輸入入/16輸出出點點2．硬硬件件設(shè)設(shè)計計（2）PLC輸入輸出接線圖（3）中中文文顯顯示示器器操作作界界面面選選用用TD200中文文文文本本顯顯示示器器。。特點點：：簡簡潔潔、、價價格格低低、、操操作作界界面面連連接接簡簡單單不不需需要要獨獨立立電電源，，用用電電纜纜連連接接到到S7-200CPU的PPI接口口上上3．程程序序設(shè)設(shè)計14.3.4聚合釜溫溫壓儀表表控制系系統(tǒng)1系統(tǒng)概述述2總體方案案3硬件設(shè)計計4軟件設(shè)計計1系統(tǒng)概述述1）工藝流流程——當(dāng)反應(yīng)物物流入聚聚合釜中中，開始始發(fā)生化化學(xué)反應(yīng)應(yīng)并產(chǎn)生生氣體，，排出口口引到氣氣相色譜譜儀進(jìn)行行在線檢檢測氣體體的成分分和含量量。釜內(nèi)內(nèi)的反應(yīng)應(yīng)物介質(zhì)質(zhì)為酸性性腐蝕性性氣體，，且產(chǎn)生生很高的的壓力。。2）測控要要求——溫度常態(tài)態(tài)200oC±5oC，壓力最最高10Mpa。要求計算算機顯示示屏上能能實時顯顯示、記記錄4個釜中的的4點溫度與與壓力的的數(shù)據(jù)變變化，而而且顯示示記錄參參數(shù)的時時間周期期可以在在秒、分分、時之之間任意意調(diào)整。。電加熱熱器的功功率為1000W、220VAC。2總體方案案該例采用用底層測測控、上上層監(jiān)視視的上、、下兩層層控制方方案。因因為整個個系統(tǒng)只只有4個溫度控控制回路路和4個壓力檢檢測參數(shù)數(shù)，且溫溫度、壓壓力傳感感器的輸輸出信號號均是模模擬量信信號，所所以底層層測控裝裝置采用用智能型型數(shù)字儀儀表，同同時通過過RS485現(xiàn)場總線線連接到到上位機機，以實實現(xiàn)計算算機的數(shù)數(shù)據(jù)采集集、信號號處理、、數(shù)據(jù)列列表、操操作顯示示，以及及人機對對話等多多個任務(wù)務(wù)。3硬件設(shè)計計1）工藝控控制流程程圖設(shè)計計（1）溫度傳傳感器——WREK-191E型鎧裝熱熱電偶，，規(guī)格Φ1.5×100×3000mm。（2）壓力傳傳感器——離子束薄薄膜壓力力傳感器器，型號號TQ-551，量程0~16MPa，工作電電壓24V，輸出電電流4~20mA，精度為為0.1，適應(yīng)于于-40~+400℃的溫度環(huán)環(huán)境，而而且具有有高穩(wěn)定定性、抗抗震動沖沖擊、耐耐腐蝕的的全不銹銹鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)。2）測量傳傳感器選選型3）溫度顯顯示控制制儀選型型選用4臺廈門宇宇光電子子公司的的AI人工智能能工業(yè)調(diào)調(diào)節(jié)器/溫度控制制器，型型號為AI—708/A/G/S。4）壓力巡巡回檢測測儀表選選型選用廈門門宇光電電子公司司的AI系列儀表表，型號號為AI—704M/A/J5/J5/S4。5）測控系系統(tǒng)及儀儀表盤設(shè)設(shè)計4軟件設(shè)計計——采用亞控控公司的的組態(tài)王王軟件進(jìn)進(jìn)行編程程。14.3.5基于PLC與IPC的鍋爐綜綜合合控制系系統(tǒng)1系統(tǒng)概述述2總體方案案3硬件構(gòu)成成4控制策略略5PLC軟件設(shè)計計6操作站軟軟件設(shè)計計1系統(tǒng)概述述鍋爐房配配備2臺10t/h熱水鍋爐爐、1臺20t/h熱水鍋爐爐和1臺6t/h蒸汽鍋爐爐，均為為鏈條爐爐。其中中蒸汽鍋鍋爐用于于為浴池池、食堂堂、中央央空調(diào)等等提供蒸蒸汽，必必要時增增加汽水水換熱裝裝置用于于補充供供熱。3臺熱水鍋鍋爐用于于全院教教學(xué)區(qū)、、宿舍區(qū)區(qū)和家屬屬區(qū)的供供暖。在在設(shè)計中中將全部部供暖面面積按地地勢及所所處地理理位置劃劃分成5個獨立的的供熱區(qū)區(qū)域，分分別為高高區(qū)教學(xué)學(xué)區(qū)、低低區(qū)教學(xué)學(xué)區(qū)、高高區(qū)生活活區(qū)、低低區(qū)生活活區(qū)和綜綜合實驗驗區(qū)，每每個區(qū)域域設(shè)置一一個換熱熱站，配配兩臺板板式水-水換熱器器實現(xiàn)各各個區(qū)域域的獨立立供熱。。這樣，，3臺熱水鍋鍋爐作為為供熱系系統(tǒng)的一一次網(wǎng)循循環(huán)，5個換熱站站作為二二次循環(huán)環(huán)，實現(xiàn)現(xiàn)整個校校園的供供熱任務(wù)務(wù)。4臺鍋爐的鼓鼓風(fēng)、引風(fēng)風(fēng)以及一次次、二次網(wǎng)網(wǎng)循環(huán)泵均均采用變頻頻調(diào)速器進(jìn)進(jìn)行控制。。1）對象簡介介計算機控制制系統(tǒng)的任任務(wù)是實現(xiàn)現(xiàn)1臺蒸汽鍋爐爐、3臺熱水鍋爐爐和5個換熱站的的監(jiān)視和控控制，具體體如下。（1）蒸汽鍋爐的的控制回路路包括：汽包水位控控制、蒸汽汽壓力控制制、鼓風(fēng)控控制、爐膛膛負(fù)壓控制制。（2）熱水鍋爐的的控制回路路包括：出水溫度控控制、鼓風(fēng)風(fēng)（控制、、爐膛負(fù)壓壓控制。（3）一次循環(huán)系系統(tǒng)的控制制回路包括括：循環(huán)壓力控控制、補水水壓力控制制。（4）二次換熱站站的控制回回路包括：：循環(huán)壓力（（控制、二二次網(wǎng)出水水溫度控制制、補水壓壓力控制。。其中，蒸汽汽鍋爐測量量點有汽包包水位等20個、熱水鍋鍋爐測量點點19個、換熱站站及公共部部分測量點點40個。2）控制任務(wù)務(wù)2總體方案——吸收了DCS、PLC與FCS的各方優(yōu)點點，采用IPC+組態(tài)軟件+PLC構(gòu)成的分散散型控制系系統(tǒng)方案，，其系統(tǒng)結(jié)結(jié)構(gòu)由管理理層、監(jiān)控控層和現(xiàn)場場控制層三三個層次構(gòu)構(gòu)成。3硬件構(gòu)成1）操作站——選用研華公公司生產(chǎn)的的Pentium4工控機，并并配置10/100MHz以太網(wǎng)卡和和支持Profibus、MPI、PPI等總線方式式的5611通訊卡。2）現(xiàn)場控制制站（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、、公共部分分和五個換換熱站的控控制與監(jiān)測測任務(wù)。。（3）操作臺與與儀表。操作臺上安安裝有計算算機、顯示示儀表、手手操器及變變頻器的啟啟動停止按按鈕等。（4）變頻器。。整個系統(tǒng)共共有22臺變頻器，，全部選用用美國羅克克韋爾公司司（原美國國AB公司）的風(fēng)風(fēng)機、泵類類專用變頻頻器PowerFlex400系列。4控制策略1）數(shù)據(jù)采集集與處理——PLC負(fù)責(zé)，采集集并進(jìn)行數(shù)數(shù)字濾波、、量綱標(biāo)度度變換、熱熱電阻、熱熱電偶的線線性化等處處理工作。。2）汽包水位位控制——采用串級加加前饋構(gòu)成成的三沖量量控制策略略。3）蒸汽壓力力控制——采用智能PID算法控制汽汽壓回路，，引入蒸汽汽流量做為為前饋量以以快速消除除負(fù)荷擾動動。4）鍋爐鼓風(fēng)風(fēng)控制——自動尋優(yōu)算算法。5）爐膛負(fù)壓壓控制——取鼓風(fēng)量作作為負(fù)壓控控制回路的的前饋量消消除擾動。。6）出水溫度度控制——鍋爐出水溫溫度的設(shè)定定曲線是一一條與室外外溫度和晝晝夜時間都都相關(guān)的函函數(shù)。7）安全保護護——根據(jù)故障的的級別，自自動進(jìn)行不不同級別的的保護動作作，直至停停爐。5PLC軟件設(shè)計停止是否參數(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停止主程序OB主報警子程序FC9標(biāo)度化程序FC3溫度線性化程序FC5采樣子程序FC1標(biāo)度化子程序FC2流量累計程序FC17控制程序FC21溫度線性化塊FB3系統(tǒng)讀時功能FC50流量累計功能FC8控制程序FC25給定值程序FC10測量值程序FC11前饋值程序FC12PID功能FB41DB16