集散课程设计要点

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集散系统介绍DCS即所谓的分布式控制系统，或在有些资料中称之为集散系统，是相对于集中 式控制系统而言的一种新型计算机控制系统，它是在集中式控制系统的基础上发展、 演变而来的。在系统功能方面，DCS和集中式控制系统的区别不大，但在系统功能的实现 方法上却完全不同。首先，DCS的骨架一一系统网络，它是 DCS的基础和核心。由于网络对于 DCS整个 系统的实时性、可靠性和扩充性，起着决定性的作用，因此各厂家都在这方面进行了精 心的设计。对于DCS的系统网络来说，它必须满足实时性的要求，即在确定的时间限度 内完成信息的传送。这里所说的“确定”的

2、时间限度，是指在无论何种情况下，信息传 送都能在这个时间限度内完成，而这个时间限度则是根据被控制过程的实时性要求确定 的。因此，衡量系统网络性能的指标并不是网络的速率，即通常所说的每秒比特数（bps）， 而是系统网络的实时性，即能在多长的时间内确保所需信息的传输完成。系统网络还必须非常可靠，无论在任何情况下，网络通信都不能中断，因此多数厂家的DCS均采用双 总线、环形或双重星形的网络拓扑结构。为了满足系统扩充性的要求，系统网络上可接 入的最大节点数量应比实际使用的节点数量大若干倍。这样，一方面可以随时增加新的节点，另一方面也可以使系统网络运行于较轻的通信负荷状态，以确保系统的实时性和可靠性。在

3、系统实际运行过程中，各个节点的上网和下网是随时可能发生的，特别是操作员站，这样，网络重构会经常进行，而这种操作绝对不能影响系统的正常运行，因此,系统网络应该具有很强在线网络重构功能。其次，这是一种完全对现场I/O处理并实现直接数字控制（DOS功能的网络节点。 一般一套DCS中要设置现场I/O控制站，用以分担整个系统的I/O和控制功能。这样既 可以避免由于一个站点失效造成整个系统的失效，提高系统可靠性，也可以使各站点分担数据采集和控制功能，有利于提高整个系统的性能。DCS的操作员站是处理一切与运行操作有关的人机界面（HMI-Huma n Machi ne In terface 或 operato

4、r in terface ） 功能的网络节点。系统网络是DCS的工程师站，它是对DCS进行离线的配置、组态工作和在线的系统 监督、控制、维护的网络节点，其主要功能是提供对 DCS进行组态，配置工作的工具软 件（即组态软件），并在DCS在线运行时实时地监视DCS网络上各个节点的运行情况， 使系统工程师可以通过工程师站及时调整系统配置及一些系统参数的设定，使DCS随时处在最佳的工作状态之下。与集中式控制系统不同，所有的DCS都要求有系统组态功能， 可以说，没有系统组态功能的系统就不能称其为DCSDCS自 1975年问世以来，已经经历了二十多年的发展历程。在这二十多年中，DCS虽然在系统的体系结构上

5、没有发生重大改变， 但是经过不断的发展和完善，其功能和性 能都得到了巨大的提高。总的来说，DCS正在向着更加开放，更加标准化，更加产品化 的方向发展。作为生产过程自动化领域的计算机控制系统，传统的DCS仅仅是一个狭义的概念。如果以为DCS只是生产过程的自动化系统，那就会引出错误的结论，因为现在的计算机 控制系统的含义已被大大扩展了，它不仅包括过去DCS中所包含的各种内容，还向下深 入到了现场的每台测量设备、执行机构，向上发展到了生产管理，企业经营的方方面面。 传统意义上的DCS现在仅仅是指生产过程控制这一部分的自动化，而工业自动化系统的 概念，则应定位到企业全面解决方案，即total solu

6、ti on的层次。只有从这个角度上提出问题并解决问题，才能使计算机自动化真正起到其应有的作用。进入九十年代以后，计算机技术突飞猛进，更多新的技术被应用到了 DCS之中。PLC 是一种针对顺序逻辑控制发展起来的电子设备， 它主要用于代替不灵活而且笨重的继电 器逻辑。现场总线技术在进入九十年代中期以后发展十分迅猛，以至于有些人已做出预测：基于现场总线的FCS将取代DCS成为控制系统的主角。1.2集散系统特点分散型综合控制系统（简称集散系统），是一种新型的过程控制系统。这个系统以 多台微型计算机分散应用与过程控制， 全部信息通过通信网络由上位计算机监控， 实现 最佳化控制；通过CRT装置，通信总线键

7、盘，打印机等又能高度集中地操作，显示和报 警。整个装置继承了常规模拟仪表控制系统和计算机集中控制系统的优点，并且克服了单微机控制系统危险性高度集中以及常规仪表控制功能单一，人 /机联系差的缺点，它 的主要特点是：1）功能齐全集散系统可以完成从简单的单回路控制到复杂的多变量模型优化控制；可以执行从常规的PID运算到SMITH预估， 三阶矩阵乘法等各种运算；可以进行连续的反馈控制，也可以进行间断的顺序控制，逻辑控制，可以实现监控，显示，打印，报警，历史数据存储等日常的全部操作要求。2） 人/机联系好，实现了集中监控和管理 操作人员通过CRT和操作键盘，可以监控 全部生产装置以及整个工厂的生产情况，

8、按预定的控制策略组成各种不同的控制回路， 并调整回路的任一常数，而且还可以对机电设备进行各种控制， 从而实现了真正的集中 操作和监控管理。3）系统扩展灵活集散系统采用模块式结构，用户可根据需要方便地扩大或缩小系统的规模，或改变系统的控制级别。集散系统采用组态方法构成各种控制回路，很容易对方案进行修改。4）安全可靠性高由于采用了多微处理机的分散控制结构， 危险性分散，系统中的关键设备采用双重或多 重冗余，还设有无中断自动控制系统和完善的自诊断功能，使系统的平均无故障时间 MTBF达到105天， 平均修复时间MTTF为10-2天，整个系统的利用率 A达到99。 9999%5）安装调试简单集散系统的

9、各模件都安装在标准机架内，模件之间采用多芯电缆，标准化接插件连接， 与过程的连接采用规格化端子板，到中控室操作站只需敷设同轴电缆进行数据传递， 所 以布线量大大减少，安装工作量仅为常规仪表的 1/2-1/3。系统调试采用专用的调试软 件，使调试时间仅为常规仪表的1/2。6）具有良好的性能价格比在性能上集散系统技术先进，功能齐全，可靠性高，适用于多级递阶管理控制。在价格 方面，目前在国外80个控制回路的生产过程采用集散系统的投资已与采用常规仪表相 当。规模越大，单位回路投资将更低。1.3新风机组控制方案新风机组温度控制系统是由比例积分温度控制器、 安装在送风管内的温度传感器和 电动调节阀组成。控

10、制器的作用是把置于送风风道的温度传感器所检测到的送风温度传 送至温控器与控制器设定的温度进行比较，并根据 PI运算的结果，温控器给电动调节 阀一个开/关阀的信号，从而使送风温度保持在所需要的范围。电动调节阀与风机连锁，以保证切断风机电源时风阀亦同时关闭。 电动调节阀亦可 实现与风机的联动（如图虚线框所示），当风机切断电源时关闭电动调节阀。上图中两 种连锁线路连接方式，分别用于断电复位设备和电关设备，用户可据具体情况自行取舍。（有防冻要求的场合可通过行程限位器将热水阀位保持在要求的开度）。在需要制冷时，温控器置于制冷模式，当传感器测量的温度达到或低于设定温度时， 温控器给电动阀一个关阀信号，电动

11、阀的关阀接点接通阀门关闭。 如果测量温度没达到 设定温度，温控器给电动阀一个开阀信号，电动阀开阀接点接通阀门打开。 在需要制热 时，温控器置于制热模式，当传感器测量的温度达到或高于设定温度时，温控器给电动阀一个关阀信号，电动阀的关阀接点接通阀门关闭。 如果测量温度没达到设定温度，温 控器给电动阀一个开阀信号，电动阀开阀接点接通阀门打开。当过滤网堵塞时或当其超过规定值时，压差开关给出的开关信号。当盘管温度过低时，低温防冻开关给出开关信号，风机停止运行，防止盘管冻裂。1.4新风机组控制方案应用分析新风机组控制系统由温控器来控制电动调节阀，此系统的主要作用就是给用户一个 舒适的环境以及节能的目的。避

12、免制冷/制热机组系统不停的工作，使设备寿命更长。 风门执行器于风机联锁，用户在开机时只要打开风门执行器此时电动调节阀也打开，这样设置方便用户操作，同时也避免在风门打开时而电动调节阀没能及时打开及工作给设 备造成不良后果。压差开关其作用就是检测过滤网两边的压力， 以便在过滤网堵塞或两 端压力不平衡时同样给设备造成不良后果。防冻开关就是当盘管内的温度过低时给一个 开关信号使风机停止工作，防止盘管冻裂造成不必要的麻烦第10页共4页吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计第10页共5页吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计第2章中央空调新风机组控制系统设计2.1新风机组简介新风机组是提供新鲜空气

13、的一种空气调节设备。功能上按使用环境的要求可以达到 恒温恒湿或者单纯提供新鲜空气。其工作原理是在室外抽取新鲜的空气经过除尘、除 湿、降温等处理后通过风机送到室内，在进入室内空间时替换室内原有的空气。用CAD画出典型系统如图所示2-1所示um 丄 需分JsHpI-TUIAVAr_*4s-5:-HraT FT-TTVTV *j.丄X:)*冒但霸 tema曰皆 r.-jr5近鹉豪 首印趾口住曲3厉处畀彌星 网 C用ra .jrJ&KI 如?iraii C smsSa師霸 &倉曲削i. 9 WM姑尙嘗毎I Jpfi出翊 魁駆In?sa stafftl | el*E I賢 I；左sisi?3血厂r fi

14、rs3-4设置变量以此为类分别设置出如图3-5所示的各个变量生渥芒0 $歹抿警 $网率狀态觀手动、目动唸凤机动画唸产风流萌 血萨风渔道1 脸尹风運谟20送阂道心葫凤两位阀姦转凤机动JJ匚;显器?K茅态0力:湿器送水动画 脸雹尸菲诽龙戶1 TKifiTX 动m 血力芒显器进水爛 脸力匚昱器S冰词葫建3-5数据词典322画面的建立与按钮的制作单击工程浏览器左侧的“画面”图标，双击右边窗口中的“新建，”图标，就会弹出“新画面”对话框，输入新画面的名称，输入完名称后一经确认后就不能修改。可以 修改画面的位置和大小。点击“确认”按钮，进入组态王的开发系统。如图3-6所示的开发系统画面。图3-6系统开发画

15、面第10页共14页吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计第10页共#页吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计打开“工具”下拉菜单，点击“按钮”此时鼠标变成“+”在画面上画出按钮的大小。添加完成后，鼠标移到按钮上点击鼠标的右键弹出快捷菜单选择“字符串替换”，弹出对话框后写入“启动”如图 3-7所示，点击“确认”按钮，关闭对话框。图3-8为按钮的动画连接。MJE.)图3-7启动按钮制作下图为建立好的新风机组控制图3-8。I) / * I E如3 WiL SvllU THU aSil 空工钛凹LT5 I 19 I 33 | 13it&93SYMiFFJWFH&JS血SS-lJnetgRJMM

16、R2瑋地1ffJUUU瓏f码II獻楠图3-8新风机组控制图最后点击文件选择全部存，再切换到View进行仿真调试第10页共15页吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计第四章PLC编程与AD/DA转换4.1 PLC的介绍可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller ，PLC），它采用一类可编程 的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等 面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。4.2 PLC控制功能的选择该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特 性的选择。1、运算

17、功能简单可编程逻辑控制器的运算功能包括逻辑运算、计时和计数功能；普通可编程逻 辑控制器的运算功能还包括数据移位、比较等运算功能；较复杂运算功能有代数运算、 数据传送等；大型可编程逻辑控制器中还有模拟量的 PID运算和其他高级运算功能。随 着开放系统的出现，目前在可编程逻辑控制器中都已具有通信功能，有些产品具有与下 位机的通信，有些产品具有与同位机或上位机的通信， 有些产品还具有与工厂或企业网 进行数据通信的功能。2、控制功能控制功能包括PID控制运算、前馈补偿控制运算、比值控制运算等，应根据控制要 求确定。可编程逻辑控制器主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟

18、量的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需的控制 功能，提高可编程逻辑控制器的处理速度和节省存储器容量。例如采用PID控制单元、高速计数器、带速度补偿的模拟单元、ASOS转换单元等。3、通信功能大中型可编程逻辑控制器系统应支持多种现场总线和标准通信协议（如TCP/IP），需要时应能与工厂管理网（TCP/IP）相连接。通信协议应符合ISO/IEEE通信标准，应是 开放的通信网络。可编程逻辑控制器系统的通信接口应包括串行和并行通信接口、RIO通信口、常用DCS接口等；大中型可编程逻辑控制器通信总线 （含接口设备和电缆）应 1:1冗余配置，通信总线应符合国际标准，通信距离应满足装置实际要求。

19、为减轻 CPU 通信任务，根据网络组成的实际需要，应选择具有不同通信功能的（如点对点、现场总线）通信处理器。4、 编程功能 离线编程方式：可编程逻辑控制器和编程器公用一个CPU编程器 在编程模式时，CPU只为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。完成编程后，编程 器切换到运行模式，CPU寸现场设备进行控制，不能进行编程。离线编程方式可降低系 统成本，但使用和调试不方便。在线编程方式：CPU和编程器有各自的CPU主机CPU负责现场控制，并在一个扫 描周期内与编程器进行数据交换，编程器把在线编制的程序或数据发送到主机，下一扫描周期，主机就根据新收到的程序运行。这种方式成本较高，但系统调试和操作方便

20、， 在大中型可编程逻辑控制器中常采用。五种标准化编程语言：顺序功能图（SFC）、梯形图（LD）、功能模块图（FBD）三种图形 化语言和语句表（IL）、结构文本（ST）两种文本语言。选用的编程语言应遵守其标准 （IEC6113123），同时，还应支持多种语言编程形式，如C, Basic等，以满足特殊控制场合的控制要求。5、诊断功能可编程逻辑控制器的诊断功能包括硬件和软件的诊断。硬件诊断通过硬件的逻辑判 断确定硬件的故障位置，软件诊断分内诊断和外诊断。通过软件对PLC内部的性能和功 能进行诊断是内诊断，通过软件对可编程逻辑控制器的 CPU与外部输入输出等部件信息 交换功能进行诊断是外诊断。可编程逻

21、辑控制器的诊断功能的强弱，直接影响对操作和 维护人员技术能力的要求，并影响平均维修时间。6、处理速度可编程逻辑控制器采用扫描方式工作。从实时性要求来看，处理速度应越快越好， 如果信号持续时间小于扫描时间，则可编程逻辑控制器将扫描不到该信号，造成信号数 据的丢失。处理速度与用户程序的长度、CPL处理速度、软件质量等有关。目前，可编程逻辑控制器接点的响应快、速度高，因此能适应控制要求高、相应要求快的应用需要。 扫描周期应满足：小型可编程逻辑控制器的扫描时间不大于0.5ms/K;大中型可编程逻辑控制器的扫描时间不大于0.2ms/K。综上所述，再结合实际情况，为便于今后系统的改造或者升级，需要留出一定

22、的 I/O点以做扩展使用。我们选用西门子S7-200PLC作为主控制器，其中主机型号：CPU2264.3西门子S7-200PLC介绍S7-200是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监 测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆 能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。S7-200系列出色表现在以下几个方面：1）极高的可靠性；2）极丰富的指令集；3） 易于掌握；4）便捷的操作；5）丰富的内置集成功能；6）实时特性；7）强劲的通讯能力；8）丰富的扩展模块。S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使

23、用范围可覆盖从替代继 电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保 护设备等等。女口：冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制。 CPU226勺主要技术指标：1.集成24输入/16输出共40个数字量I/O点。2.可连接7个扩展模块，最大扩展 至248路数字量I/O 点或35路模拟量I/O 点。3.13K字节程序和数据存储空间。4. 6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。5. 2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、M

24、PI通讯协议和自由方式通讯能力。6.I/O 端子排可很容易地整体拆卸。7.用于较高要求的控制系统，具有更多的输入 /输 出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。 8.可完 全适应于一些复杂的中小型控制系统。S7-200的工作模式：S7-200系列PLC有 3中工作模式，即 RUN STOP和TERM模式。RUN模式：CPU在RUN模式下执行完整的扫描过程，通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功 能。此时，在CPU模式的LED显示面板上“ RUN显示当前的工作模式。在此模式时， 不能向PLC装入程序、STOP莫式：PLC处于停止方式，CPU不执行用户程序，可装载

25、编程软件的计算机通 信,可以创建和编辑用户程序，设置PLC的硬件功能，向PLC装入用户程序和硬件设置 信息。TERM模式：是一种暂态，可以用程序将 TERM专换为RUN或 STOP状态，在现场调 试程序时很有用处。TERM犬态还和机器的特殊标志位 SM0.7有关，可用于自由口通信 时的控制。4.4模拟量I/O模块的种类在工业控制中，某些输入量（例如压力、温度、流量、速度等）是模拟量，某些执行 机构（例如电动调节阀、变频器等）要求PLC输出模拟信号，而PLC的CPU只能处理数字 量。模拟量首先被传感器和变送器转换为标准量程的电流或电压，PLC用A/D转换器把这些模拟量转换为数字量，带正负号的电流

26、、电压在A/D转换后用二进制补码表示。D/A 转换器把数字输出量转换为模拟电压或电流，再去控制执行机构。模拟量I/O模块的主要任务就是实现A/D转换和D/A转换。A/D转换器和D/A转换其的二进制位数反映了它们的分辨率，位数越多，分辨率越 高。转换时间也是模拟I/O模块的一个重要指标。S7-200PLC主要有3种模拟量扩展模块：1.模拟量输入模块（EM231, 4路）2.模拟量输出模块（EM232, 2路）3.模拟量输入输出模块（EM235 4路输入，1路输 出）S7-200PLC模拟量扩展模块中的A/D、D/A转换器位数均为12位。4.5 EM231 介绍具有4个模拟量输入通道。2.电压输入

27、范围：单极性010V 05V;双极性土 5V, 2.5V3.电流输入范围：020mA 4.每个通道占用存储器 AI区域2个字节。该模块模拟量的输入值为只读数据。5.输入信号经模数转换后的数字量数据值是 12位二进制数。最高 有效位是符号位：0表示正值数据，1表示负值数据。6.模拟量输入数据字格式有单极 性数据格式和双极性数据格式。前者的全量程范围设置为032000.后者为-32000+32000。图4-1为EM231为模数转换硬件模块，图4-2是数模转换的子程序& 阴co gj目 w 鮒：j eot j| g 4 A- M D* 0-叱 4 C-強AlILJ Linnnnn |图4-1 EM2

28、31模数转换硬件模块EM 231Al 4P RTK Z - 0 - r图4-2模数转换的子程序4.6 EM232 介绍1.提供2路模拟量输出。2.输出信号的范围：电压输出为土 10V,电流输出为020mA 3.每个输出通道占用存储器AQ区域2个字节，用户程序无法读取模拟量输出值。4.PLC 运算处理后的数字量信号（BIN数）为12位，最高有效位是符号位：0表示正值，1表示 负值。5.电流输出数据格式为0+3200（。6.电压输出的数据格式为-32000+32000。图 4-3为EM232为数模转换硬件模块，图4-4为数模转换主程序。a J S-=1Lo W:I0000000冋o W ni ZI

29、 V卫凹MAMlEl AIVl 敬3 tl UUTltHW4DlFQJ s s s 口卜鬧田肝 3 航!ii上.fi#片*血豎兰riH F J- i -i- i 5 t i 7 i 3 * i -11- 2IS1 -i- 1 I!- -It 1 -li1- 1 - il- IS 1 -J|-西imtm筑饵徂 皿2甲U瞒ft otw 5 w* S IHHlflJ M mW 册哥工A-忍| It?I Kt L4二 | .000O000T24 V LJC电源图4-3 EM232数模转换硬件模块blnsrr*Tf*IL护IT*mu上idaMO.Wg1. a #o干 erLMWA-wjiM 出诲_d耶tu MW4MSA田迂:黛# jjj54trtH 吋帕 1| MrtV m2J*l些血壬F. r VttW里嘗嗣 蛊图4-4为数模转换主程序4.7控制变量表表1-1 PLC控制变量系统监控I/O表类另y监控内容输入输出传