Transcript 系统概述

第十四章 控制系统设计与工程实现
本章要点:
1．学习计算机控制系统的设计原则。
2．初步掌握计算机控制系统的设计步骤。
3．学习实例，加深认识与初步掌握单片机、仪表、
IPC和PLC控制系统的设计思路。
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本章主要内容
14.1 控制系统的设计原则
14.2 控制工程的实现步骤
14.3 控制工程的应用实例
14.1 控制系统的设计原则
1. 满足工艺要求－－满足生产过程提出的要求和性能指标
2. 可靠性要高－－用系统平均无故障和平均维修时间衡量
3. 操作性能要好－－使用方便和维护容易
4. 实时性要强－－对内、外部时间及时做出响应
5. 通用性要好－－硬软件可移植
6. 经济效益要高－－系统性价比要高，投入产出比要低
14.2控制工程的实现步骤
主要知识点
14.2.1 准备阶段
14.2.2 设计阶段
14.2.3 仿真及调试阶段
14.2.4 现场调试运行阶段
14.2.1
准备阶段
14.2.2
设计阶段
1.总体设计
根据控制对象要求，确定系统的构成方式及控制
装置与现场设备的选择，以及控制规律算法和其它特
殊功能要求。主要包括以下内容：
①确定系统的任务和控制方案
②确定系统的构成方式
③选择现场设备
④确定控制算法
⑤硬软件功能的划分
⑥其它方面的考虑
2.硬件设计
（1）根据控制任务的复杂程度、控制精度以及实时性要求等选择
主机板（包括总线类型、主机机型等）；
（2） 根据AI、AO点数、分辨率和精度，以及采集速度等选A／D、
D／A板（包括通道数量、信号类别、量程范围等）；
（3）根据DI、DO点数和其它要求，选择开关量输入输出板（包括
通道数量、信号类别、交直流和功率大小等）；
（4）根据人机联系方式选择相应的接口板或显示操作面板（包括
参数设定、状态显示、手动自动切换和异常报警等）；
（5）根据需要选择各种外设接口、通信板块等；
（6）根据工艺流程选择测量装置（包括被测参数种类、量程大
小、信号类别、型号规格等）；
（7）根据工艺流程选择执行装置（包括能源类型、信号类别、型
号规格等）。
3．软件设计
①
②
③
⑤
编程语言的选择
数据类型和数据结构规划
资源分配控制软件的设计
1)数据采集和数据处理程序
2)控制算法程序
3）控制量输出程序
4）人－机界面程序
5）实时时钟和中断处理程序
6）数据管理和数据通信程序
程序设计方法－－采用模块化和自顶向下程序设计方法
14.2.3仿真及调试阶段
具体步骤:
1．硬件调试
2．软件调试
3．系统仿真
4．考机
1．硬件调试
硬件的调试主要包括各种标准功能模板、输入输出信号、
现场仪表和执行器及通信网络系统的调试。
2．软件调试
软件调试的顺序是子程序、功能模块和主程序。
控制模块
开环
闭环
全局主程
序调试
检查PID控制模块的开环阶跃响应特性
即调节并确定较佳P、I、D参数
检查PID控制模块的反馈控制功能
整体调试的方法是自底向上逐步扩大，
采用子集、局部和全局三步调试方法进行
整体调试
3．系统仿真
系统仿真－－应用相似原理和类比关系来研究事物，也就是
用模型来代替实际被控对象进行实验和研究，也
称为模拟调试。
②系统仿真类型：
全物理仿真（即在模拟环境条件下的全实物仿真）；
半物理仿真（即硬件闭路动态试验）；
数字仿真（即计算机仿真）。
①
4．考机
在系统仿真的基础上，还要进行考机运行，即进行长时间
的运行考验，有时还要根据实际的运行环境，进行特殊运行条
件的考验，如高温和低温剧变运行试验、振动和抗电磁干扰试
验、电源电压剧变和掉电试验等。
14.2.4 现场调试运行阶段
在线调试前还要进行下列检查：
1．检测元件、变送器、显示仪表、调节阀等必须通过校
验，保证精确度要求。作为检查，可进行一些现场校验。
2．各种电气接线和测量导管必须经过检查，保证连接正
确。
3.检查系统干扰情况和接地情况，如果不符合要求，应采
取措施。
4．对安全防护措施也要检查。
14.3 控制工程的应用实例
主要内容
14.3.1 水槽水位单片机控制系统
14.3.2 循环水装置IPC系统
14.3.3 中水回用PLC控制系统
14.3.4 聚合釜温压仪表控制系统
14.3.5 基于PLC与IPC的锅炉综合控制系统
14.3.1 水槽水位单片机控制系统
1．系统概述
2．硬件电路
3．程序设计
1．系统概述
b
+ 5V
c
P1.0
XTAL1
30PF
P1.1
81k
81k
12MH Z
30PF
C
XTAL2
B
¡ «
220V
A
AT89C2051
+12V
KA
KM
+ 5V
330¦ ¸
P1.2
+ 5V
330¦ ¸
P1.3
图 15-8
水槽水位控制电路
图14-2
水槽水位控制电路
动画链接
2．硬件电路
b
+ 5V
c
P1.0
XTAL1
30PF
P1.1
81k
81k
12MH Z
30PF
C
XTAL2
B
¡ «220V
A
AT89C2051
+12V
KA
KM
+ 5V
330¦ ¸
P1.2
+ 5V
P1.3
330¦ ¸
图 15-8
水槽水位控制电路
3．程序设计
C(P1.1)
b(P1.0)
水位
操作
0
0
B点以
下
水泵启
动
0
1
B、C
之间
维持原
状
1
0
系统
故障
故障报
警
1
1
C点以
上
水泵停
止
14.3.2 循环水装置IPC系统
1．系统概述
2．硬件电路
3．软件设计
1．系统概述
（1）工艺流程
（2）控制要求
①10点参数检测功能
②22个参数设定功能
③10个参数标定功能
④PID控制功能
⑤工艺计算、列表绘图功能
⑥其他功能指标
2．硬件设计
3． 软件设计
（1）采用中断方式完成
（2）在主程序中完成
14.3.3
中水回用PLC控制系统
1．系统概述
2．硬件设计
3．程序设计
1．系统概述
（1）工艺流程
风机
污水
格栅机
调节池
反冲洗
生化池
加药
加氯
清水池
压滤罐
回用
排掉
集水池
动画链接
（2）控制要求
构成－－14台泵和电机，4个池的水位检测。
水位计的作用－－使用时声光报警；在全自动、分组自动、半自
动控制方式下，水位计的上限、下限分别作为该池排水泵自动开、
停的PLC输入信号。
手动控制方式－手动操作按钮开停14个负荷，不受水位影响。
生化半自动控制方式－－由生化池水位的上限与下限自动控制生
化泵的开、停，而加药计量泵、CLO2发生器的开、停由手动操作。
分组自动控制方式－－整个系统分调节池水位、生化池水位、清
水池水位、集水池水位、溢流泵、罗茨风机自动机组。
控制要求：当按下分组自动按钮时，被按下按钮的灯闪亮， 当选
定 主、备电机按钮后，分组自动按钮指示灯长亮；当 水位达到上
限时， 电机停止而按钮指示灯转为闪亮。
全自动方式控制要求－－即全自动准备按钮启动后系统进入全自
动运行状态

2．硬件设计
硬件设计包括：PLC 系统配置、 PLC 接线图、中文显示器
（1）PLC 系统配置
工艺要求： 14台被控设备开、启、
4种控制方式
运行、停止、故障状态的灯指示
PLC配置：采用软件编程方法
1个带灯按钮表示1台设备的全部控制与状态指
示功能，加上4种控制方式及其切换
需配置24个带灯按钮
整个系统需要开关量输入40点与开关量输出32点
选用德国SIEMENS的S7-200主机CPU226，
有开关量24输入／16输出点，
数字量扩展模块EM223，
提供开关量16输入/16输出点
220VAC
24VDC
1号风机
2号风机
1号生化泵
2号生化泵
集水池泵
反洗水泵
CLO2发生器
1号调节泵
2号调节泵
栅格机
（2）
PLC
输
入
输
出
接
线
图
计量泵
1号溢流泵
2号溢流泵
热风幕
全自动准备
全自动开停
I0.0
Q0.0
1KA
1号风机
2AN
I0.1
Q0.1
2KA
2号风机
3AN
I0.2
Q0.2
3KA
1号生化泵
4AN
I0.3
Q0.3
4KA
2号生化泵
5AN
I0.4
Q0.4
5KA
集水池泵
6AN
I0.5
Q0.5
6KA
反洗水泵
7AN
I0.6
Q0.6
7KA
CLO2发生器
8AN
I0.7
Q0.7
8KA
1号调节泵
9AN
I1.0
Q1.0
9KA
2号调节泵
10AN
I1.1
Q1.1
10KA
栅格机
11AN
I1.2
Q1.2
11KA
计量泵
12AN
I1.3
Q1.3
12KA
1号溢流泵
13AN
I1.4
Q1.4
13KA
14AN
I1.5
Q1.5
14KA
15AN
I1.6
Q1.6
1AN
1号风机灯
16AN
I1.7
Q1.7
2AN
2号风机灯
I2.0
Q2.0
3AN
1号生化泵灯
I2.1
Q2.1
4AN
2号生化泵灯
I2.2
Q2.2
8AN
1号调节泵灯
I2.3
Q2.3
9AN
2号调节泵灯
I2.4
Q2.4
12AN
1号溢流泵灯
I2.5
Q2.5
13AN
2号溢流泵灯
I2.6
Q2.6
15AN
全自动准备灯
I2.7
Q2.7
16AN
全自动启动灯
I3.0
Q3.0
17AN
调节池自动灯
I3.1
Q3.1
18AN
生化池自动灯
I3.2
Q3.2
19AN
清水动启动灯
I3.3
Q3.3
20AN
I3.4
Q3.4
21AN
I3.5
Q3.5
22AN
I3.6
Q3.6
23AN
Q3.7
24AN
1AN
调节池上上限
调节池上限
调节池下限
调节池下下限
生化池上上限
生化池上限
生化池下限
生化池下下限
集水池上上限
集水池上限
集水池下限
集水池下下限
清水池上上限
清水池上限
清水池下限
I3.7
清水池下下限
调节池自动
17AN
I4.0
生化池自动
18AN
I4.1
清水池自动
19AN
I4.2
20AN
I4.3
溢流泵自动
21AN
I4.4
风机自动
22AN
I4.5
生化半自动
23AN
I4.6
消除警报
24AN
I4.7
集水池自动
S7-200
CPU226
EM223
2号溢流泵
热风幕
集水池自动灯
溢流泵自动灯
风机自动灯
生化半自动灯
报警灯
蜂鸣器
（3）中文显示器
操作界面选用TD200中文文本显示器。
特点：简洁、价格低、操作界面连接简单不需要独立电
源，用电缆连接到S7-200CPU的PPI 接口上
3．程序设
计
14.3.4 聚合釜温压仪表控制系统
1 系统概述
2 总体方案
3 硬件设计
4 软件设计
1 系统概述


1）工艺流程——当反应物流入聚合釜中，开
始发生化学反应并产生气体，排出口引到气相
色谱仪进行在线检测气体的成分和含量。釜内
的反应物介质为酸性腐蚀性气体，且产生很高
的压力。
o
o
2）测控要求——温度常态200 C±5 C，压力
最高10Mpa。要求计算机显示屏上能实时显
示、记录4个釜中的4点温度与压力的数据变化
，而且显示记录参数的时间周期可以在秒、分
、时之间任意调整。电加热器的功率为
1000W、220VAC。
2 总体方案
该例采用底层测控、上层监视的上、
下两层控制方案。因为整个系统只有4个
温度控制回路和4个压力检测参数，且温
度、压力传感器的输出信号均是模拟量
信号，所以底层测控装置采用智能型数
字仪表，同时通过RS485现场总线连接
到上位机，以实现计算机的数据采集、
信号处理、数据列表、操作显示，以及
人机对话等多个任务。
3 硬件设计
1）工艺控制流程图设计
2）测量传感器选型
（1）温度传感器 ——WREK-191E型铠装热电
偶，规格Φ1.5×100×3000mm。
（2）压力传感器 ——离子束薄膜压力传感器，
型号TQ-551，量程0~16MPa，工作电压
24V，输出电流4~20mA，精度为0.1 ，适应
于-40~+400℃的温度环境，而且具有高稳定
性、抗震动冲击、耐腐蚀的全不锈钢结构。
3）温度显示控制仪选型
选用4台厦门宇光电子公司的AI人工
智能工业调节器/温度控制器，型号为
AI—708/A/G/S。
4）压力巡回检测仪表选型
选用厦门宇光电子公司的AI系列仪
表，型号为AI—704M/A/J5/J5/S4 。
5）测控系统及仪表盘设计
4 软件设计
——采用亚控公司的组态王软件进行编程 。
14.3.5 基于PLC与IPC的锅炉
综合控制系统
1 系统概述
2 总体方案
3 硬件构成
4 控制策略
5 PLC软件设计
6 操作站软件设计
1 系统概述
1）对象简介
锅炉房配备2台10t/h热水锅炉、1台20t/h热水锅
炉和1台6t/h蒸汽锅炉，均为链条炉。其中蒸汽锅炉
用于为浴池、食堂、中央空调等提供蒸汽，必要时增
加汽水换热装置用于补充供热。3台热水锅炉用于全院
教学区、宿舍区和家属区的供暖。在设计中将全部供
暖面积按地势及所处地理位置划分成5个独立的供热区
域，分别为高区教学区、低区教学区、高区生活区、
低区生活区和综合实验区，每个区域设置一个换热站
，配两台板式水-水换热器实现各个区域的独立供热。
这样，3台热水锅炉作为供热系统的一次网循环，5个
换热站作为二次循环，实现整个校园的供热任务。4台
锅炉的鼓风、引风以及一次、二次网循环泵均采用变
频调速器进行控制。
2）控制任务
计算机控制系统的任务是实现1台蒸汽锅炉、3台
热水锅炉和5个换热站的监视和控制，具体如下。
（1）蒸汽锅炉的控制回路包括：汽包水位控制、蒸汽压
力控制、鼓风控制、炉膛负压控制。
（2）热水锅炉的控制回路包括：出水温度控制、鼓风（
控制、炉膛负压控制。
（3）一次循环系统的控制回路包括：循环压力控制、补
水压力控制。
（4）二次换热站的控制回路包括：循环压力（控制、二
次网出水温度控制、补水压力控制。
其中，蒸汽锅炉测量点有汽包水位等20个、热水
锅炉测量点19个、换热站及公共部分测量点40个。
2 总体方案
——吸收了DCS、
PLC与FCS的各方优
点，采用IPC+组态
软件+PLC构成的分
散型控制系统方案，
其系统结构由管理
层、监控层和现场
控制层三个层次构
成。
3 硬件构成
1）操作站——选用研华公司生产的Pentium 4
工控机，并配置10/100MHz以太网卡和支持
Profibus、MPI、PPI等总线方式的5611通
讯卡。
2）现场控制站
（1）1#控制站。即PLC1控制1#、2#和3#热
水锅炉 。
（2）2#控制站。即PLC2负责4#蒸汽锅炉、公
共部分和五个换热站的控制与监测任务 。
（3）操作台与仪表。操作台上安装有计算机
、显示仪表、手操器及变频器的启动停
止按钮等。
（4）变频器。整个系统共有22台变频器，全
部选用美国罗克韦尔公司（原美国AB公司）
的风机、泵类专用变频器PowerFlex400系
列。
4 控制策略
1）数据采集与处理 ——PLC负责，采集并进行数字滤波、
量纲标度变换、热电阻、热电偶的线性化等处理工作。
2）汽包水位控制——采用串级加前馈构成的三冲量控制策
略。
3）蒸汽压力控制——采用智能PID算法控制汽压回路，引入
蒸汽流量做为前馈量以快速消除负荷扰动 。
4）锅炉鼓风控制 ——自动寻优算法 。
5）炉膛负压控制——取鼓风量作为负压控制回路的前馈量
消除扰动。
6）出水温度控制 ——锅炉出水温度的设定曲线是一条与室
外温度和昼夜时间都相关的函数。
7）安全保护——根据故障的级别，自动进行不同级别的保
护动作，直至停炉 。
5 PLC软件设计
主循环
主
程
序
OB
主
报警子程序FC9
DB23
采样子程序FC1
DB1
流量变换功能块FC6
启动
流量变换程序FC7
标度化程序FC3
参数初始化
采集模拟量
数据处理
标度化子程序FC2
DB2
温度线性化程序FC5
温度线性化块FB3
DB33
流量累计程序FC17
系统读时功能FC50
DB50
流量累计功能FC8
DB16
控制算法
控制程序 FC21
PID功能 FB41
给定值程序FC10
输出控制量
DB3
DB11
否
测量值程序FC11
DB17
停止
控制程序 FC25
前馈值程序FC12
是
停止
DB20
6 操作站软件设计
系统画面包括锅
炉系统流程图、分系
统流程图、换热站流
程图等，可以形象动
态地显示整个锅炉系
统的工艺过程，另外
还设计有总貌画面、
报警显示画面、棒图
显示画面，报表打印
画面、实时趋势、历
史趋势画面和系统自
检画面等，以实现锅
炉和供暖系统的监视
控制功能。
思考题
1．简述计算机控制系统的设计原则。
2．在做计算机控制系统总体设计方案时，要考虑哪些问
题？
3．分析说明图14-2单片机控制水槽水位电路中各元器
件的功能，并解释说明表14-2所列出的水位操作控制
码。
4．结合图14-4、图14-5，请参考有关资料选用一种PC
总线式IPC，画出满足循环水装置控制系统的PC总线
式IPC硬件组成框图。
5．结合图14-9，熟悉西门子PLC输入、输出配线，注
意输入与输出的电源线的接法。
6．简单说明本例中的循环水装置、中水回用装置和聚合
釜反应器分别选用总线式IPC、PLC和仪表控制系统
的理由。
7．分析说明图 14-15所示的控制系统网络结构。