集散控制课程设计

1、吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计第1章 绪 论1.1新风机组的发展历程随着国民经济的发展和人民生活水平的同益提高，中央空调系统己广泛应用于工业与民用建筑域，如宾馆、酒店、写字楼、商场、厂房等场所，用于保持整栋大厦温度恒定。如今，人们对中央空调系统提出新的要求就是舒适节能，要求在能耗更低的情况下保持室内合适的温度、湿度，让使用者感觉最舒适。新建的中央空调系统在按照舒适节能的目标设计，而越来越多的使用多年的中央空调控制系统在进行改造以实现节能、舒适的目的，中央空调的用电量占各类大厦总用电量的60以上，其中仅水泵的耗电量约占到空调系统耗电量的2040，存在巨大的能源浪费。传统的设计中，中央

2、空调的制冷机组、冷冻循环水系统、冷却循环水系统、冷却塔风机系统、盘管风机系统等的容量基本是按照建筑物最大制冷、制热负荷或新风交换量需求选定的，且留有充足余量。无论季节、昼夜和用户负荷的怎样变化，各电机都长期固定在工频状态下全速运行，虽然可满足最大的用户负荷，但不具备随用户负荷动态调节系统功率的特性，而在大多数时间里，用户负荷是较低的，这样就造成很大的能源浪费。近年来节能降耗被国家摆到空前重要的位置。而国家供电紧张形势依然没有根本缓解，电价不断上调，造成中央空调系统运行费用上升，如何控制空调系统的电能费用己经成为越来越多空调的经营管理者所关注的问题。故采用变频调速技术节约低负荷时主压缩机系统和水

3、泵的电能消耗，具有极其重要的经济意义。1.2 PLC控制的国内外现状在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，美国数字设备公司（DEC）研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，是世界上公认的第一台PLC。限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。

4、20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。个人计算机发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC）。 20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程

5、控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。 上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为3040%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上

6、取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。 20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。 21世纪，PLC会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更

7、强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。目前的计算机集散控制系统DCS（Distributed Control System）中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用

8、网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。1.3集散控制系统概述 集散控制系统（DCS）技术与产品在工业生产与民用工程自动化应用中占着重要地位。随着生产过程工艺技术不断更新和产品质量不断提高，各种类型、不同功能和大小规模的集散控制系统在各个领域得到了更广泛的应用。进入21世纪以来，不但工业生产离不开集散控制技术，而且我们生活的各个方面也越来越与集散控制系统相关。随着控制系统技术不断发展，特别是自动化和信息化的不断融合，集散控制系统变得越来越重要。例如，在大型公众文化文艺活动中.大规模的灯光和道具背景都可以采用集散控制系统来实现控制。由千具有数字控制、网络通信、监控组态

9、和决策信息处理的功能，集散控制成为了工业和工程控制的主要应用形式。集散控制系统在航空航天工程、能源工程、石油与化学工程、生产流水线、制造过程、交通车辆控制、工程测量系统、安全监控系统、环境工程中起着重要的作用。 集散控制系统应用对象广泛，控制系统结构复杂，全球重要企业的集散控制产品众多，从事控制系统应用的工程技术人员开发、应用和维护集散控制有很多问题需要解决。第2章 新风机组工作原理 新风机组通过西门子PLC进行现在现场控制，组态软件作为主站通过现在总线连接多个PLC来进行集散控制，本章着重介绍了中央空调的系统工作原理，PLC的控制功能以及组态软件的硬件组成。2.1 系统的工作原理图2-1新风

10、机组控制原理图新风机组系统如图2-1所示，是由一系列驱动流体流动的动件，各种型式的热交换器（如冷却风机，蒸发器，冷凝器及中间热交换器等）及连接各种装置的管道，阀件和电气控制装置组成。冷水机组是中央空调的制冷源，通往各个房间的循环水由冷水机组进行内部交换，在蒸发器中吸热后的制冷剂通过压缩机压缩成高温高压气体，送至冷凝器与冷却水热交换后变成常温高压液体，经节流阀（膨胀阀）进入蒸发器蒸发吸收冷媒水的热量，然后又回到压缩机，如此形成制冷剂循环过程。冷媒水循环系统，由冷媒水泵及冷媒水管道组成，从冷水机组流出的冷媒水由冷媒泵加压送入冷媒水管道，在各个房间内进行热交换，带走房间内热量。使房间内的温度下降。冷

11、却水循环系统，由冷水泵和冷却水管道及冷却塔组成，冷水机组进行热交换，在水温冷却的同时，必将释放大量的热量，该热量被冷却水吸收，使之在冷却塔中与大气进行热交换，然后再将讲了问的冷却水，送回到冷水机组，如此不断循环，带走冷水机组释放的能量。冷却风机安装于所需要降温的房间内，用于将由冷媒水冷却了的空气吹入房间，加速房间内的热交换。 2.1.1制冷的过程 液体汽化制冷是利用液体汽化时的吸热、冷凝时的放热效应来实现制冷的。液体汽化形成蒸汽。当液体（制冷工质）处在密闭的容器中时，此容器中除了液体及液体本身所产生的蒸汽外，不存在其他任何气体，液体和蒸汽将在某一压力下达到平衡，此时的汽体称为饱和蒸汽，压力称为

12、饱和压力，温度称为饱和温度。平衡时液体不再汽化，这时如果将一部分蒸汽从容器中抽走，液体必然要继续汽化产生一部分蒸汽来维持这一平衡。 液体汽化时要吸收热量，此热量称为汽化潜热。汽化潜热来自被冷却对象，使被冷却对象变冷。为了使这一过程连续进行，就必须从容器中不断地抽走蒸汽，并使其凝结成液体后再回到容器中去。从容器中抽出的蒸汽如直接冷凝成蒸汽，则所需冷却介质的温度比液体的蒸发温度还要低，我们希望蒸汽的冷凝是在常温下进行，因此需要将蒸汽的压力提高到常温下的饱和压力。制冷工质将在低温、低压下蒸发，产生冷效应；并在常温、高压下冷凝，向周围环境或冷却介质放出热量。蒸汽在常温、高压下冷凝后变为高压液体，还需要

13、将其压力降低到蒸发压力后才能进入容器。 液体汽化制冷循环是由工质汽化、蒸汽升压、高压蒸汽冷凝、高压液体降压四个过程组成。中央空调有很多形式，较为常见的有：风管式机组、冷(热)水机组、变频一拖多机组。下面我们就分别以这三种中央空调形式为例，看看这三种中央空调的工作原理。2.1.2系统工作优点1、经济节能：主机由微电脑控制，每个区间末端风机盘管可自行调节温度，区间无人时可关闭，系统根据实际负荷做自动化运行，开机计费，不开机不计费，有效节约能源和运行费用。2、环保：主机采用水源热泵型机组，电制冷，没有燃烧过程，避免了排污；整个系统为密闭式管路系统，可避免霉菌灰尘等杂质对系统的污染，使环境清新优美，特

14、别适于高档别墅、高级公寓与写字楼的使用。 节约空间：主机体积小巧，不设机房，无需占用设备层，减少公用设施 和土建投资，室内末端暗藏在吊顶内，极易配合屋内装修。 3、个性化：中央空调系统以区间为单元，满足用户不同区间需求，室内末端安装采用暗藏方式，不影响室内的审美观，不占据室内空间，适应用户的个性化需求。4、简化管理：于采用不同区间单独控制系统为用户所有，产权关系明确，可简化空调设施管理。 5、提升档次：中央空调主机可以避免破坏楼体的整体外观，使用户充分享受高档综合环境的同时，提升产品质量及量贩档次。 2.2 PLC控制的工作原理 如下图所示为西门子PLC的基本控制原理，信号经过传感器的采集，在

15、EM231模块中进行转换存入CPU内，经过PID模块的运算最后经通过EM232模块进行阀门的调节来控制输出量。 图2-2 PLC控制原理图 PLC控制下变频调速系统的工作原理，可编程控制器PLC是变频调速控制系统的关键部件。其作用的协调各机组与变频器柜之间的电气连接，通过接触其与变频器柜的继电器和接触器进行逻辑切换来实现系统的控制方案。PLC的输入信号有机组选择信号、运行方式选择信号、冷却塔和主机开/关信号、冷冻泵和冷却泵的起/停信号等。输入信号经程序运算，发出相应的动作信号，经微型继电器及相应的常闭、常开触头分别控制变频器及中央空调系统的运行，以及声、光报警器件的动作。PLC软件程序设计采用

16、梯形图语言编程，直观易懂。通常情况下，变频调速系统主要由变频器、可编程控制器、主接触器、水泵机组及温度检测装置组成闭环自动控制系统。每台电机都可以运转在工频和变频两种状态下，这由PLC系统根据需要进行切换控制。可编程控制器用I/O扩展接口分别接入A/D和D/A模块。A/D模块通过PLC将温度模拟量转换为数字量，D/A模块将PLC输出的开关量转换为模拟量，以控制变频器升速过程及江苏过程。需要注意的是，在水泵进行工频和变频电网的切换过程尽可能快，各接触器间互锁和动作时间要设置好。 使用可编程控制器取代继电接触器控制系统，电气系统故障大为减少。有完善的故障处理功能及电源顺停（或大幅降压）后自动再启动

17、功能。2.3 系统监控组态软件组成 组态软件因为其功能强大，每个功能模块相对来说有具有一定的独立性，因此其组成形是一个集成软件平台，由若干程序组件构成。通常的典型组件有以下几部分组成。1、图形界面开发程序它是自动化工程设计师为实施其控制方案，在图形编辑工具的持下进行图形系统生成工作所依赖的开发环境。通过建立一系列工程画面文件生成图形目应用系统。2、园图形界面运行程序在系统运行环境下，图形目标应用系统被图形界面运行程序载内存并投入实时运行。3、实时数据库功能模块实时数据库模块主要完成实时数据库的建立、维护、访问以历史数据生成等功能，它是整个系统的基础和核心。从某种意义上讲，实时数据库就是按定方式

18、组织的监控和管理点(变量)的集合。为自动化需要而进行的诸如规约转换、HMI、报警、数据浏览等功能都是基于实时数据库展开的。网络环境下的运行系统每个节上均有一个独立的、但是每个点又是可以在全网络环境下唯一标识的实时数据库的实例。网络管理程序实时地更新每个节点上的实时数据库，以保持实时数据库全网络的一致性。通士与前置通信服务器模块的通信，此模块获取数据信息现场检测设备接收到的实时数据，同寸还将处理好的数据传送给通信服务器。4、网络通信模块网络通信模块是组态软件的实时网络通信内核，担负网络计算几之间实时数据的传输任务，保证系统各节点实时数据的一致性。5、前置通信模块前置通信模块完成与终端数据信息现场

19、检测设备的通信任务组态系统可以有多组前置通信服务器，每一组前置通信服务器可由互为热备用的两套计算机组成，一般采用工业控制计算机。根据系统规模选择直接使用微机串口，使用“智能接口卡”，或使用“通信服务器”一种方式。6、历史数据库历史数据库存储系统运行的历史数据信息。数据一般是由实时数据库模块以一定的采样周期将其数据信息向历史数据库转储而来的。因为实时数据库是在内存中，而且数据随着时间在不断更新，所以只有通过历史数据库才有可能对系统在一段时间运行状态作出评估。历史数据库一般使用商用数据库。7、数据报表模块数据报表模块以图表的方式向用户提供系统运行的历史数据信并提供报表的打印输出功能。实现报表模块的

20、技术途径有自己开发报表软件或基于已有软件已有之上作二次开发。第一二种方案程序功能容易控制，但实现有一定难度，开发时间相对较长。相反，二次开发则所需时间短，实现方便。第3章控制系统的硬件设计3.1 各功能模块的介绍系统的硬件系统有负责信号采集的温湿度传感器，压力传感器；其次为可以模数转换的EM231模块以及数据整定和处理的CPU226;最后经过EM232的数模转换来实现对被控对象的控制。3.1.1 EM231模块主要功能介绍 模拟量输入模块是把来自现场的标准电信号(如4-20mA的电流信号)，经过滤波去掉干扰后，经过A/D转换，将模拟量信号转化为PLC能够处理得数字量信号，然后经过光电耦合器隔离

21、后传给PLC内部电路，使CPU处理。如下图所示：模拟量输入模块EM231具有4路或8路模拟量输入通道，每个通道占用存储器AI通道2个字节，该模块模拟量的输入值为只读数据。模块上有12个端子，每三个点为一组（如RA 、A+、A-）可以作为一路模拟量输入通道，模块左下角的M、L+接入DC24V电源，右下角是校对电位计和组态开关（DIP）。图3-1 EM231模拟量输出接线图3.1.2 EM232功能模块主要功能介绍 模拟量输入模块是把经过PLC处理的数字量信号经光电耦合器后，将数字信号转化为模拟信号，经过运算放大器放大后输出。如下图所示：模拟量输入模块EM231具有4路或8路模拟量输入通道，每个通

22、道占用存储器AI通道2个字节。该模拟量输出模块可以输出电流或电压信号，输出的电压信号是-10V + 10V，输出的电流信号是020mA，模块上部有7个端子，3个为一组， 为1路模拟量输出通道。在每组的V0、V1端子上接电压负载，I0、I1上接电流负载M0和M1上则接各组的公共端模块下端的M、L+接入DC24V电源。图3-2 EM232模拟量输出接线图3.1.3 CPU的比较与选型S7-200包括了CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP、CPU226五种规格。其中，CPU226为整体式扩展I/O型结构，PLC的I/O口点数可扩展为248个。处理器、存储器、电源、输入输出接口、

23、通信接口等都是可扩展的，I/O可以接入外接模块。CPU226的特性表格如下表所示：表3-1 CPU的特性比较特征CPU221CPU222CPU224CPU226CPU226XM物理尺寸程序内存4096字节4096字节8192字节8192字节16384字节数据内存2048字节2048字节5120字节5120字节10240字节本地板载I/O6输入/4输出8输入/6输出14输入/10输出24输入/16输出24输入/16输出扩充模块0个模块2个模块7个模块7个模块7个模块高速计数器30kHz时为420kHz时为230kHz时为420kHz时为230kHz时为620kHz时为430kHz时为620kHz

24、时为430kHz时为620kHz时为4脉冲输出（DC）20kHz时为220kHz时为220kHz时为220kHz时为220kHz时为23.2 系统硬件基本接线原理图如下图所示：PLC的输入I口可接入硬件开关量，压力传感器、温湿度传感器传感器的阀门调节；输出口的Q口可控制变频器的输出频率来改变电机的转速，从而进行温度、湿度以及压力的调节；通过现场总线连接模拟量的输入、输出模块；西门子S7-200系列PLC模拟输出模块EM232，有2路输出模拟量通道，且具有多种输入、输出信号范围。其内部集成看D/A转换器、放大器等多种功能的电路，可用于复杂的控制场合。它能够不用外接放大器而与传感器直接相连，可根据

25、输出模拟量的大小，通过其外值得DIP开关选择不同的档位及分辨率，且模拟量的输出可作为测量传感器的恒流源使用。图3-3 PLC原理接线图 第4章控制系统的软件设计在集散控制系统中，通过RS232转485总线的异步串口通信方式来达到对现场的控制。现场控制是DCS的最基层，随着额控制器、现场变送器、传感器和执行器的智能化，现场控制级可以部分或全部完成过程装置控制级的功能。在集散系统中有DCS的监控画面，可以直观的看到系统中各个域的工作情况，以达到更加精确、方便的控制。4.1 STEP7-Micro/WIN编程软件简介STEP7-Micro/WIN（简写STEP7）编程软件是S7-200系列PLC专用

26、的编程软件，其编程界面和帮助文档以汉化，为中文用户实现开发、编辑和监控程序等提供了良好的界面。STEP7编程软件为用户提供了三种程序编辑器：梯形图、指令表和功能块编辑器，同时还提供了完善在线帮助功能，有利于用户获取需要的信息。1、 下图是STEP7的软件基本界面，包括菜单条、工具条、浏览条、输出编辑窗口以及指令数等功能模块。在离线方式下可以实现对程序的创建、编辑、编译和修改用户程序。可以直接对PLC进行操作。可以提供用户程序进行文档管理、加密处理等工具功能。 图4-1 STEP7软件中文界面 2、下图是STEP7软件的基本操作， 编程软件的使用是学习编程软件的重点，这里将按照文件操作、编辑程序

27、、下载、运行与停止程序的步骤进行STEP7使用的介绍文件操作STEP7的文件操作主要是指新建程序文件和打开已有文件两种。新建程序文件。新建一个程序文件，可选择（文件）/（新建）命令。新建的程序文件名字默认为“项目1”，PLC型默认为CPU221工程序文件建立后工程序块中包括一个主程序、一个子程序和一个中断服务程新建程。在新建程序文件时可根据实际情况更改文件的初始设置，如更改PLC型号、项目文件更名工程序更名、添加和删除程序等。因为不同型号的PLC的外部扩展能力不同，所以在建立新程序文件时，应根据项目的需要选择PLC型号。若选用PLC的型号为CPU226，则右击项目图标选择（类型）命令，选择其它

28、的CPU型号。图4-2 PLC选型对话框图3、 STEP7软件的实际编程操作，下图是PLC中A/D转换的程序示例；可以在子程序中插入新的子程序，插入后进行重命名来进行程序的编写。图4-3 A/D转换程序示例图4.2 组态王软件的简介1、 双击桌面上的组态王软件，新建项目；进入组态王开发系统后，就可以为每个工程建立数目不限的画面，在每个画面上生成互相关联的静态或动态图形对象。这些画面都是由组态王提供的类丰富的图形对象组成的。系统为用户提供了矩形(圆角矩形)、直线、椭圆、扇形、点位图多边形(多边线)、文本等基本图形对象，以及按钮、趋势曲线窗口、报警窗口、报表等复杂的图形对象。提供了对图形对象在窗口

29、内任意移动、缩放、改变形状复制、删除、对齐等编辑操低全面支持键盘、鼠标绘图，并可提供对图形对象的颜色、线型、填充属性进行改变的操作工具。组态王采用面向对象的编程技术，使用户可以方便地建立画面的图形界面用户构图时可以徐搭积木那样利用系统提供的图形对象完成画面的生成。同时，组态王支持画面间的图形对象复制，可重复使用以前的开发结果。图4-4 组态王工程管理窗口2、定义组态王的硬件连接设备，添加工程，添加工程中需要的硬件设备和工程中使用的变量，包括内存变量和I/O变量。制作图形画面，并定义动画连接。按照实际工程的要求绘制监控画面，并是静止的画面随着过程控制对象产生动态效果。编写较复杂的上位控制。进行运

30、行的控制系统的配置，对运行系统、报警、历史记录、网络、用户等进行设置。保存工程并运行，完成以上步骤后，一个可以拿到现场的工程就制作完成了。下图所示为组态王的数据变量的添加和编辑，通过数据变量进行程序的编写从而来达到进行画面的控制。图4-5 组态王数据管理区3、 下图是组态王的新风机组的示例画面，画面的启动和停止按钮可以分别控制机组的启动和停止，通过画面最下方的表格可以控制阀门的打开关闭以及开度来控制新风的进风量，通过传感器的测量值可以得到新风的各个监测参数，这些都可以通过运行起来的组态画面来显示。图4-6 新风机组的组态画面第5章 两台PLC的集散控制随着现在工业的发展，PLC的控制作用越来越重要，控制的设备以及想要实现的目的也越来越复杂，单台的PLC很难完成整个的工业过程，在这里引入了集散控制的理念；集散控制是将多台PLC连接在一起，通过一台PC机来控制。在这里着重介绍了用一台电脑来两台PLC，并且通过组态画面来监控。5.1 硬件系统的设置集散控制中需要的硬件设备有：现场总线（RS232 RS485)、两个CPU、电脑等。先将总线使电脑与两台CPU进行连接，连接时注意拨码开关的设定；然后编写程序写入两个CPU内，在组态中建立控制画面，通过画面中的起停按钮来实现两台PLC