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。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）。

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。

3．系统仿真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。14.2.4现场调试运行阶段主要内容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控制工程的应用实例1．系统概述

2．硬件电路

3．程序设计14.3.1水槽水位单片机控制系统

动画链接图14-2水槽水位控制电路1．系统概述

2．硬件电路

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）控制要求2．硬件设计

（1）采用中断方式完成

3．软件设计（2）在主程序中完成 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

2．硬件设计（2）PLC输入输出接线图（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。2）测控要求——温度常态200oC±5oC，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（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。2）测量传感器选型

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5PLC软件设计6操作站软件设计1系统概述

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。1）对象简介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）控制任务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Pentium4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。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