第十四章控制系统设计与工程实现

返回总目录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。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满足工艺要求－－满足生产过程提出的要求和性能指标可靠性要高－－用系统平均无故障和平均维修时间衡量操作性能要好－－使用方便和维护容易实时性要强－－对内、外部时间及时做出响应通用性要好－－硬软件可移植经济效益要高－－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：确定系统的任务和控制方案确定系统的构成方式选择现场设备确定控制算法硬软件功能的划分其它方面的考虑（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）。2.硬件设计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3．软件设计

具体步骤: 1．硬件调试

2．软件调试

3．系统仿真

4．考机14.2.3仿真及调试阶段

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。控制模块全局主程序调试开环闭环检查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1．硬件调试系统仿真－－－应用相相似原理和和类比关系系来研究事事物，也就就是用用模模型来代替替实际被控控对象进行行实验和研研究，也称称为模拟拟调试。系统仿真类类型：全物理仿真真（即在模模拟环境条条件下的全全实物仿真真）；半物理仿真真（即硬件件闭路动态态试验）；；数字仿真（（即计算机机仿真）。。4．考机在系统仿真真的基础上上，还要进进行考机运运行，即进进行长时间间的运行考考验，有时时还要根据据实际的运运行环境，，进行特殊殊运行条件件的考验，，如高温和和低温剧变变运行试验验、振动和和抗电磁干干扰试验、、电源电压压剧变和掉掉电试验等等。3．系统仿仿真在线调试试前还要要进行下下列检查查：1．检测元元件、变变送器、、显示仪仪表、调调节阀等等必须通通过校验验，保证证精确度度要求。。作为检检查，可可进行一一些现场场校验。。2．各种电电气接线线和测量量导管必必须经过过检查，，保证连连接正确确。3.检查系统统干扰情情况和接接地情况况，如果果不符合合要求，，应采取取措施。。4．对安全全防护措措施也要要检查。。14.2.4现场调试试运行阶阶段主要内容容14.3.1水槽水位位单片机机控制系系统14.3.2循环水装装置IPC系统14.3.3中水回用用PLC控制系统统14.3.4聚合釜温温压仪表表控制系系统14.3.5基于PLC与IPC的锅炉综综合控制制系统14.3控制工程程的应用用实例1．系统概述述2．硬件电路路3．程序设计计14.3.1水槽水位位单片机机控制系系统动画链接接图14-2水槽水位位控制电电路1．系统概概述2．硬件电电路3．程序设计C(P1.1)b(P1.0)水位操作00B点以下水泵启动01B、C之间维持原状10系统故障故障报警11C点以上水泵停止1．系统概述2．硬件电路3．软件设计14.3.2循环水装置IPC系统（1）工艺流程1．系统概述①10点参数检测功功能②22个参数设定功功能③10个参数标定功功能④PID控制功能⑤工艺计算、、列表绘图功功能⑥其他功能指指标（2）控制要求2．硬件设计（1）采用中断方方式完成3．软件设计计（2）在主程序中中完成1．系统概述2．硬件设计3．程序设计14.3.3中水回用PLC控制系统格栅机调节池生化池

压滤罐清水池集水池加药

加氯

排掉

回用

风机

反冲洗

污水

动画链接（1）工艺流程1．系统概述（2）控制要求构成－－14台泵和电机，，4个池的水位检检测。水位计的作用用－－使用时声光报报警；在全自自动、分组自自动、半自动控制方式下下，水位计的的上限、下限限分别作为该该池排水泵自自 动开、停停的PLC输入信号。手动控制方式式－手动操作按钮钮开停14个负荷，不受受水位影响。。生化半自动控控制方式－－－由生化池水位位的上限与下下限自动控制制生化泵的开开、停，而加加药计量泵、、CLO2发生器的开、、停由手动操操作。分组自动控制制方式－－整个系统分调调节池水位、、生化池水位位、清水池水水位、集水池池水位、溢流流泵、罗茨风风机自动机组组。控制要求：当当按下分组自自动按钮时，，被按下按钮钮的灯闪亮，， 当选定主主、备电机机按钮后，分分组自动按钮钮指示灯长亮亮；当 水位位达到上限时时，电机停停止而按钮指指示灯转为闪闪亮。全自自动动方方式式控控制制要要求求－－－－即全全自自动动准准备备按按钮钮启启动动后后系系统统进进入入全全自自动运运行行状状态态硬件件设设计计包包括括：：PLC系统统配配置置、、PLC接线线图图、、中中文文显显示示器器（1）PLC系统统配配置置工艺艺要要求求：：14台被被控控设设备备开开、、启启、、4种控控制制方方式式运行行、、停停止止、、故故障障状状态态的的灯灯指指示示PLC配置置：：采采用用软软件件编编程程方方法法1个带带灯灯按按钮钮表表示示1台设设备备的的全全部部控控制制与与状状态态指指示示功功能能，，加加上上4种控控制制方方式式及及其其切切换换需配配置置24个带带灯灯按按钮钮整个个系系统统需需要要开开关关量量输输入入40点与与开开关关量量输输出出32点选用用德德国国SIEMENS的S7-200主机机CPU226，有开开关关量量24输入入／／16输出出点点，，数字字量量扩扩展展模模块块EM223，提供供开开关关量量16输入入/16输出出点点2．硬硬件件设设计计（2）PLC输入输出接线图（3）中中文文显显示示器器操作作界界面面选选用用TD200中文文文文本本显显示示器器。。特点点：：简简洁洁、、价价格格低低、、操操作作界界面面连连接接简简单单不不需需要要独独立立电电源，，用用电电缆缆连连接接到到S7-200CPU的PPI接口口上上3．程程序序设设计14.3.4聚合釜温温压仪表表控制系系统1系统概述述2总体方案案3硬件设计计4软件设计计1系统概述述1）工艺流流程——当反应物物流入聚聚合釜中中，开始始发生化化学反应应并产生生气体，，排出口口引到气气相色谱谱仪进行行在线检检测气体体的成分分和含量量。釜内内的反应应物介质质为酸性性腐蚀性性气体，，且产生生很高的的压力。。2）测控要要求——温度常态态200oC±5oC，压力最最高10Mpa。要求计算算机显示示屏上能能实时显显示、记记录4个釜中的的4点温度与与压力的的数据变变化，而而且显示示记录参参数的时时间周期期可以在在秒、分分、时之之间任意意调整。。电加热热器的功功率为1000W、220VAC。2总体方案案该例采用用底层测测控、上上层监视视的上、、下两层层控制方方案。因因为整个个系统只只有4个温度控控制回路路和4个压力检检测参数数，且温温度、压压力传感感器的输输出信号号均是模模拟量信信号，所所以底层层测控装装置采用用智能型型数字仪仪表，同同时通过过RS485现场总线线连接到到上位机机，以实实现计算算机的数数据采集集、信号号处理、、数据列列表、操操作显示示，以及及人机对对话等多多个任务务。3硬件设计计1）工艺控控制流程程图设计计（1）温度传传感器——WREK-191E型铠装热热电偶，，规格Φ1.5×100×3000mm。（2）压力传传感器——离子束薄薄膜压力力传感器器，型号号TQ-551，量程0~16MPa，工作电电压24V，输出电电流4~20mA，精度为为0.1，适应于于-40~+400℃的温度环环境，而而且具有有高稳定定性、抗抗震动冲冲击、耐耐腐蚀的的全不锈锈钢结构构。2）测量传传感器选选型3）温度显显示控制制仪选型型选用4台厦门宇宇光电子子公司的的AI人工智能能工业调调节器/温度控制制器，型型号为AI—708/A/G/S。4）压力巡巡回检测测仪表选选型选用厦门门宇光电电子公司司的AI系列仪表表，型号号为AI—704M/A/J5/J5/S4。5）测控系系统及仪仪表盘设设计4软件设计计——采用亚控控公司的的组态王王软件进进行编程程。14.3.5基于PLC与IPC的锅炉综综合合控制系系统1系统概述述2总体方案案3硬件构成成4控制策略略5PLC软件设计计6操作站软软件设计计1系统概述述锅炉房配配备2台10t/h热水锅炉炉、1台20t/h热水锅炉炉和1台6t/h蒸汽锅炉炉，均为为链条炉炉。其中中蒸汽锅锅炉用于于为浴池池、食堂堂、中央央空调等等提供蒸蒸汽，必必要时增增加汽水水换热装装置用于于补充供供热。3台热水锅锅炉用于于全院教教学区、、宿舍区区和家属属区的供供暖。在在设计中中将全部部供暖面面积按地地势及所所处地理理位置划划分成5个独立的的供热区区域，分分别为高高区教学学区、低低区教学学区、高高区生活活区、低低区生活活区和综综合实验验区，每每个区域域设置一一个换热热站，配配两台板板式水-水换热器器实现各各个区域域的独立立供热。。这样，，3台热水锅锅炉作为为供热系系统的一一次网循循环，5个换热站站作为二二次循环环，实现现整个校校园的供供热任务务。4台锅炉的鼓鼓风、引风风以及一次次、二次网网循环泵均均采用变频频调速器进进行控制。。1）对象简介介计算机控制制系统的任任务是实现现1台蒸汽锅炉炉、3台热水锅炉炉和5个换热站的的监视和控控制，具体体如下。（1）蒸汽锅炉的的控制回路路包括：汽包水位控控制、蒸汽汽压力控制制、鼓风控控制、炉膛膛负压控制制。（2）热水锅炉的的控制回路路包括：出水温度控控制、鼓风风（控制、、炉膛负压压控制。（3）一次循环系系统的控制制回路包括括：循环压力控控制、补水水压力控制制。（4）二次换热站站的控制回回路包括：：循环压力（（控制、二二次网出水水温度控制制、补水压压力控制。。其中，蒸汽汽锅炉测量量点有汽包包水位等20个、热水锅锅炉测量点点19个、换热站站及公共部部分测量点点40个。2）控制任务务2总体方案——吸收了DCS、PLC与FCS的各方优点点，采用IPC+组态软件+PLC构成的分散散型控制系系统方案，，其系统结结构由管理理层、监控控层和现场场控制层三三个层次构构成。3硬件构成1）操作站——选用研华公公司生产的的Pentium4工控机，并并配置10/100MHz以太网卡和和支持Profibus、MPI、PPI等总线方式式的5611通讯卡。2）现场控制制站（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、、公共部分分和五个换换热站的控控制与监测测任务。。（3）操作台与与仪表。操作台上安安装有计算算机、显示示仪表、手手操器及变变频器的启启动停止按按钮等。（4）变频器。。整个系统共共有22台变频器，，全部选用用美国罗克克韦尔公司司（原美国国AB公司）的风风机、泵类类专用变频频器PowerFlex400系列。4控制策略1）数据采集集与处理——PLC负责，采集集并进行数数字滤波、、量纲标度度变换、热热电阻、热热电偶的线线性化等处处理工作。。2）汽包水位位控制——采用串级加加前馈构成成的三冲量量控制策略略。3）蒸汽压力力控制——采用智能PID算法控制汽汽压回路，，引入蒸汽汽流量做为为前馈量以以快速消除除负荷扰动动。4）锅炉鼓风风控制——自动寻优算算法。5）炉膛负压压控制——取鼓风量作作为负压控控制回路的的前馈量消消除扰动。。6）出水温度度控制——锅炉出水温温度的设定定曲线是一一条与室外外温度和昼昼夜时间都都相关的函函数。7）安全保护护——根据故障的的级别，自自动进行不不同级别的的保护动作作，直至停停炉。5PLC软件设计停止是否参数初始化采集模拟量数据处理控制算法输出控制量启动停止主程序OB主报警子程序FC9标度化程序FC3温度线性化程序FC5采样子程序FC1标度化子程序FC2流量累计程序FC17控制程序FC21温度线性化块FB3系统读时功能FC50流量累计功能FC8控制程序FC25给定值程序FC10测量值程序FC11前馈值程序FC12PID功能FB41DB16