第9章 计算机控制系统的应用实例

第9章计算机控制系统的应用实例

9.1水槽水位单片机控制系统

9.2循环水装置IPC系统

9.3中水回用PLC控制系统

9.4火电厂DCS控制系统

9.1水槽水位单片机控制系统

对于小型测控系统或者某些专用的智能化

仪器仪表，一般可采用以单片机为核心、配以

接口电路和外围设备、再编制应用程序的模式

来实现。下面以一个简单的水槽水位控制系统

为例O

0

主要内容

1.系统概述

2.硬件电路

3.程序设计

H

❖1.系统概述

❖通过水槽水位的高低变化来启停水泵，从

而达到对水位的控制目的，这是一种常见的工

艺控制。如图9.1点划线框内所示，一般可在水

槽内安装3个金属电极A、B、C,它们分别代

表水位的下下限、下限与上限。工艺要求：当

水位升到上限C以上时，水泵应停止供水；当

水位降到下限B以下时，应启动水泵供水；当

水位处于下限B与上限C之间，水泵应维持原有

的工作状态。

b

+5V

P1.0XTAL1

c30PF1

Pl.l

J81k

81k12MH

AZ

30PF

XTAL2

OT

〜220VIA

AT89C2051

+上12V+5V

KA

KM330。

Pl.2

+5VOPl.3

330。

图9.2水槽水位控制电路

❖2.硬件电路

❖根据工艺要求，设计的控制系统硬件电路如图

9.1所示，这是一个用单片机采集水位信号并通过

继电器控制水泵的小型计算机控制系统。主要组成

部分的功能如下：

❖(1)系统核心部分：采用低档型AT89c2051单

片机，用P1.0和P1.1端作为水位信号的采集输入

口，P1.2和P1.3端作为控制与报警输出口。

❖(2)水位测量部分：电极A接+5V电源，电极

B、C者通过一个电阻与地相连。b点电平与c点电

平分别接到P1.0和P1.1输入端，可以代表水位的各

种状态与操作要求，共有4种组合，如表9・1所示。

❖表9」水位信号及操作状态表

C(P1.1)b(P1.0)水位操作

00B点以下水泵启动

01B、Ct维持原状

间

10系统故障故障报警

11C点以上水泵停止

回I回

当水位降到下限B以下时，电极B与电极C在

水面上方悬空，b点、c点呈彳氐电平，这时应启动

水泵供水，即是表中第一种组合；当水位处于下限

与上限之间，由于水的导电作用，电极B连到电极

A及+5V,则b点呈高电平，而电极C仍悬空则c点

为低电平，这时不论水位处于上升或下降趋势，水

泵都应继续维持原有的工作状态，见表中第二种组

合；当水位上升达到上限时，电极B、G通过水导

株连到龟极A及+5V,因业b点、c点呈局电平，这

时水泵应停止供水，如表中第四种组合；还有第三

种组合即水位达到电极C却未达到电极B,即c点为

高电平而b点为低电平，这在正常情况下是不可能

发生的，作为一种故障状态，在设计中还是应考虑

的。

*(3)控制报警部分：由P1,2端输出高电

平，经反相器使光耦隔离器导通，继电器线

圈KM得电，常开触点KA闭合，启动水泵运

转；当P12端输出低电平，经反相器使光耦

隔离器截止，继电器线圈J失电，常开触点

断开，则使水泵停转。由P1.3端输出高电平,

经反相器变为低电平，驱动一支发光二极管

发光进行故障报警。

*3.程序设计

9.2循环水装置IPC系统

罂在以模拟量为主的中小规模控制条件下，

应优先选择IPC控制装置，下面介绍用一

台STD总线IPC控制循环水动态模拟试验

装置的实例。

■0

主要内容

1.系统概述

2.硬件电路

3.软件设计

4.功能画面

0

❖1.系统概述

大型化工企业普遍采用冷却水循环使

用技术，但循环冷却水同时带来设备的结垢

与腐蚀问题，为此利用循环水动态模拟试验

装置，模拟生产现场的流态水质、流速、金

属材质和循环冷却水进出口温度等主要参数,

来评价稳定水质的配方、阻垢效果及寻求相

应的操作工艺条件。

H

(1)工艺流程

模拟试验装置的主要流程如图9,3所示,

左下方水槽中的冷水经水泵、调节阀打入换

热器，与蒸汽换热后，导入冷却塔与冷风换

冷，喷淋而下回落到水槽，再由水泵打循

环。

H

粕电阻粕电阻

调

转

节

子

阀

(流

？

量

计

蒸汽发生器

—------

图9.3循环水动态模拟试验装置控制流程图国

(2)控制要求

通常情形是用户配置两套这样的模拟装置同时运行，因

而计算机系统应同时面向两台模拟装置，集检测、控制与

管理于一体，主要完成如下功能：

①10点参数检测功能

入口水温、出口水温、蒸汽温度、冷却塔底温度，共8

路温度，量程为0〜100℃,检测精度为0.2级。两路循环

水流量，量程为200〜1200L/h,检测精度为1级。还有计

算显示出入口温差、瞬时污垢热阻、水阀与风阀门开度、

试验时间与剩余时间。

②22个参数设定功能

换热器试管直径与长度、流量与温度的给定值、PID控

制的比例系数、积分时间、微分时间以及即时时间与试验

时间。

H

③10个参数标定功能

对8路温度、2路流量进行现场标定。

♦④PID控制功能

实时控制2路入口水温与2路循环水流量，温度控制精度：

设定值±0.5℃；流量控制精度：设定值±2%FS（FS

BPFullScale,意为满刻度或满量程）。

⑤工艺计算、列表绘图功能

根据污垢热阻计算公式计算并显示出瞬时污垢热阻，而且

自动生成试验数据列表。自动绘制时间•污垢热阻曲线。

⑥其他功能指标

所有参数的采样、计算、控制周期均为0.25S,刷新显示周

期为2S,试验数据记录时间间隔按工艺要求而定，数据保

存时间为10年，系统内部设有软件硬件自诊断、自恢复功

能，具有永不“死机”的高度可靠性。

上述所有参数均以汉字分屏幕显示，且附有提示菜单以便操

作。

>2.硬件设计

❖根据上述系统功能及技术指标的要求，

采用一台现成的STD总线IPC较为适宜。选

用某电子工厂的IPC产品，共由10块功能模

板及外设组成，如图9,4所示。

0

图9.4IPC硬件组成框图

图中（1）CPU板及打印机、（2）CRT板及CRT、

（3）键盘接口及自诊断板及键盘、（4）存储器板、（5）

电源，构成了STD工业控制机基本系统。在自诊断板中使

用了WDT看门狗技术，无论何种原因引起死机，自诊断系

统能在1〜28内测出并恢复正常运行，整个计算机系统工作

十分可靠。

其中的（6）温度检测板，是一个由单片机构成的智能

型温度接口板，该板本身能够完成8路温度的检测，滤波处

理，柏电阻线性化处理。在这个板上利用软件技术从根本

上克服了温度漂移问题。

其中的（7）D/A转换板是流量及温度控制的驱动接口

板。计算机系统检测两路塔底温度与两路流量，与设定值

进行比较，并对其偏差进行PID运算，其运算结果通过D/A

转换变成模拟电压信号输出至（8）伺服放大板，从而控制

相应的4个调节阀。

H

♦:♦其中的（8）伺服放大板，其功能相当于电动单元

组合仪表中的4个伺服放大器，但其精度及可靠性

优于常规的伺服放大器。它接收来自D/A转换板的

4路阀位信号，并检测4个阀的实际位置，如果实际

位置与D/A转换板输出的阀位有偏差，则使阀动

作，达到与D/A输出一致的位置后停止，从而实现

计算机系统对调节阀的控制。

♦:♦其中的（10）滤波板，对STD总线的有关信号进行

滤波处理，从而提高整个系统的可靠性。

♦:♦其中的（9）流量检测板，主要由计数电路组成，

检测两路来自涡轮流量变送器的脉冲信号。对其实

行滤波、整形、放大、光隔、计数处理，并向两个

涡轮流量变送器提供+12V电压。

H

3.软件设计

该系统采用了现成的IPC,计算机厂家已

提供了监控程序或系统程序，设计者的软件

设计任务主要是进行系统的应用软件编制。

该应用软件主要完成两方面的任务:

(1)路温度、两路流量的采集与处理，入口

温度与流量的控制，定时存储实验数据;

（2）允许操作者查看、打印各种数据，设

定、标定各个参数。

H

由于前者任务要求适时性较强，且完成

任务所需时间较短，故安排在中断服务子程序

中完成。而后者属人机对话性质，任务完成时

间较长，且不需严格适时性，故放于主程序中

完成。

图9.6中断服务子程序由于该控制系统

小、比较简单，功能画面要求也不复杂，因而

软件部分全部采用汇编语言编制。

H

保护现场

刷新系统时钟

流量、遍度控制

数据存储

恢复现场

中断返回

图9.6中断服务子程序IPC硬件组成框图

主程序结构框图如图9.5所示。在初始化过程中，

主要完成对CRT、打印机工作方式设定，四个调节阀

门初始定位及软件标志设置等。

在每一个画面处理过程中，能够查看其他画面，

同时完成本画面应完成的一些功能。

中断服务子程序如图9.6所示。这是一个时间中断

子程序。系统设置每隔250ms中断一次，中断服务

子程序中各个任务，应能在250ms内完成。每四次

中断即时间间隔为1S时，刷新时钟，处理秒、分、

时、日、月、年的递增，实现准确计时。每八次中断,

即时间间隔为2s时，采集8路温度、2路流量，利用

软件实现滤波处理，以消除瞬间干扰的影响。

H

控制采用传统的PID控制方式，实行输出

速率限定，即在2s控制周期内，输出变化幅

度不大于输出全范围的5%。实验数据的存储,

若系统在强稳过程中，则每隔5min记录一次，

若系统在实验过程中，则每隔120min记录一

次。实验记录数据、设定的实验条件及各参数

的标定值存于系统的E2R0M存储器中，有效

保存时间为10年。

图9.5主程序结构框图

E

4.功能画面

该系统共有6个功能画面，汉字显示且每

个画面都有提示菜单，向操作者提示操作的方

式。通过对这6个菜单的选择操作，便可实现

本计算机系统的所有功能。

这6个功能画面分别是参数检测画面、参

数设定画面、参数标定画面、数据列表画面、

热阻曲线画面和系统状态画面。

H

9.3中水回用PLC控制系统

在以数字量为主的中小规模控制环境

下，一般应首选PLC装置，下面介绍一个用

西门子PLC监控中水处理流程的工程实例。

0

主要内容

1.系统概述

2.硬件设计

3.程序设计

❖1.系统概述

❖将生活污水进行几级处理，作为除饮用以外的

其它生活用水，将形成一个非常宝贵的回用水资源。

其中用PLC作为主要控制装置已成为一种共识。

❖(1)工艺流程

❖中水处理主要工艺流程如图97所示。生活污水

首先通过格栅机滤除固态杂物，进入调节池缓冲，

再进入生化池，利用生物接触氧化、化学絮凝和机

械过滤方法使水中COD、BOD5等几种水质指标大

幅度降低，再采用活性炭和碳纤维复合吸附过滤方

式，使出水达到生活使用要求。

H

风机

反冲洗

图9.7中水处理工艺流程图

(2)控制要求

该流程共有被控设备(含备用)14台泵和

电机，4个池的水位需要检测。

水位计的作用：在任何控制方式下，水位

计的上上限或下下限到位时，都将发出声光报

警信号；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。

0

采用4种控制方式：手动、半自动、分组

自动和全自动。

①手动控制方式

即用手操作14个按钮开停14个被控负荷，

不受水位影响。

②生化半自动控制方式

指生化池水位机组的半自动控制方式，

也即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、CL02发生器

的开、停由手动操作。

③分组自动控制方式

为了便于维护，整个系统分为六个独立的机组：

调节池水位自动机组、生化池水位自动机组、清水

池水位自动机组、集水池水位自动机组、溢流泵自

动机组、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。

④全自动方式控制要求

就是当全自动准备按钮启动后，首先选择主、

备用电机，然后启动全自动开停按钮，则整个系统进

入全自动运行状态。

2.硬件设计

(1)PLC系统配置

根据工艺流程与控制要求，要完成14台被控设备

的启动、停止按钮操作，运行、停止、故障状态的灯

指示以及4种控制方式，如果采用常规的控制模式，

1台设备约需5~6个启、停按钮及状态指示灯等器件，

整个控制盘面上大约需要90余个按钮与指示灯。这

将带来器件成本的增高、控制盘面的增大、人工操作

的杂乱。本系统采用软件编程的方法，充分利用PLC

内部的输入输出变量及软件计数器，使1个带灯按钮

集成了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，总计只需配置24个带灯按钮，

分别代表14台被控设备与10种控制方式。

H

整个系统需要开关量输入40点与开关量

输出32点。因此，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，总计正好构成了系统要求的

40点输入/32点输出。

操作界面选用TD200中文文本显示器。

H

（2）PLC输入输出接线图

PLC输入输出接线如图9,8所示，输入按

钮1〜24AN分另I」对应于PLCI0.0TL7与

I4.0T47计24个开关量输入点；4个水位计

的16个水位电极点分别对应I2.O~I3.7计16个

开关量输入点；PLC输出点Q0.0~Q0.7,

Q1.0~Q1.5分别对应于14台输出设备；输出

点QL6〜Q3.7分别对应于口被控设备与10

种控制方式的状态指示灯，共计32个开关量

输出点；另外6台被控设备的运行指示灯由

相应的中间继电器触点驱动。

H

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消1除畦JK2-*/XTSI14.7

图9.8PLC输入输出接线图

S

(3)TD200中文显示器

与SIEMENS主机配套的显示器的种类很多，而

TD200中文文本显示器是所有SIMATICS7-200系歹U

最简洁、价格最低的操作界面。而且连接简单，不需

要独立电源，只需专用电缆连接到S7-200CPU的PPI

接口上即可，如图9.9所示。

S7-200系列的CPU中保留了一个专用区域用于与

TD200交换数据，TD200直接通过这些数据区访问

CPUo如信息显示内容“调节池水位已达上上限”，

其地址应来自于调节池水位计的上上限接点12.0的输

入响应。

0

S7-200CPU

图9.9TD200中文文本显示器及其连接

3.程序设计

(1)主程序流程图

S7-200系歹UPLC使用基于Windows平台

的32位编程软件包STEP・7・Micro/WIN,通常

采用语义直观、功能强大、适合修改和维护的

梯形图语言。图9」0给出控制系统主程序流程

图，整个工艺过程分为四种控制方式，在全自

动与分组自动方式下，首先要选择主、备用电

机。

H

图9.10主要程序流程图

(2)功能按钮程序

24个带灯按钮，分别启停14台被控设备与10种操

作方式。通过软件编程，使按钮第一次按下时有效，

第二次按下时失效(复位)。

本设计完成了所有的