集散控制系统 设计论文

第1章绪论

本课题主要是利用组态软件模拟PLC的被控对象和控制过程。主要涉及PLC和组态王软件的运用和集散控制系统的应用。随着工业自动化水平的迅速提高,计算机在工业领域的广泛应用,人们对工业自动化的要求越来越高,种类繁多的控制设备和过程监控装置在工业领域的应用,使得传统的工业控制软件已无法满足用户的各种需求。在开发传统的工业控制软件时,当工业被控对象一旦有变动,就必须修改其控制系统的源程序,导致其开发周期长;已开发成功的工控软件又由于每个控制项目的不同而使其重复使用率很低,导致它的价格非常昂贵;在修改工控软件的源程序时,倘若原来的编程人员因工作变动而离去时,则必须同其他人员或新手进行源程序的修改,因而更是相当困难通用工业自动化组态软件的出现为解决上述实际工程问题提供了一种崭新的方法,因为它能够很好地解决传统工业控制软件存在的种种问题,使用户能根据自己的控制对象和控制目的的任意组态,完成最终的自动化控制工程。自动化已经成为一种趋势,对自动化过程的监控就成为我们不可以回避的课题。现在组态软件做为通用的工具提醒本课题的重要性。

2000年以来,国内监控组态软件产品、集散控制技术、市场都取得了飞快的发展,应用领域日益拓展,用户和应用工程师数量不断增多。充分体现了“工业技术民用化”的发展趋势。监控组态软件是工业应用软件的重要组成部分,其发展受到很多因素的制约,归根结底,是应用的带动对其发展起着最为关键的推动作用。集散控制系统和组态软件是在信息化社会的大背景下,随着工业 IT 技术的不断发展而诞生、发展起来的。在整个工业自动化软件大家庭中,监控组态软件属于基础型工具平台。集散控制系统给工业自动化、信息化、一体化、及社会信息化带来的影响是深远的,这种变化仍在继续发展。因此集散控制系统作为新生事物尚处于高速发展时期,目前还没有专门的研究机构就它的理论与实践进行研究、总结和探讨,更没有形成独立、专门的理论研究机构。

第2章概述

2.1集散控制系统

集散控制系统(DCS)即分散控制系统。以微处理器为基础,采用控制功能分散、显示操作集中、兼顾分而自治和综合协调的设计原则的新一代仪表控制系统。

1.高可靠性

由于DCS将系统控制功能分散在各台计算机上实现,系统结构用容错设计,因此某一台计算机出现的故障不会导致系统其它功能的丧失。此外,由于系统中各台计算机所承担的任务比较单一,可以针对需要实现的功能采用具有特定结构和软件的专用计算机,从而使系统中每台计算机的可靠性也得到提高。由多台计算机分别控制生产过程中多个控制回路,同时又可集中获取数据、集中管理和集中控制的自动控制系统

2.开放性

DCS采用开放式、标准化、模块化和系列化设计,系统中各台计算机采用局域网方式通信,实现信息传输,当需要改变或扩充系统功能时,可将新增计算机方便地连入系统通信网络或从网络中卸下,几乎不影响系统其他计算机的工作。

3.灵活性

通过组态软件根据不同的流程应用对象进行软硬件组态,即确定测量与控制信号及相互间连接关系、从控制算法库选择适用的控制规律以及从图形库调用基本图形组成所需的各种监控和报警画面,从而方便地构成所需的控制系统。

4.易于维护

功能单一的小型或微型专用计算机,具有维护简单、方便的特点,当某一局部或某个计算机出现故障时,可以在不影响整个系统运行的情况下在线更换,迅速排除故障。

5.协调性

各工作站之间通过通信网络传送各种数据,整个系统信息共享,协调工作,以完成控制系统的总体功能和优化处理。

6.功能齐全

控制算法丰富,集连续控制、顺序控制和批处理控制于一体,可实现串级、前馈、解耦、自适应和预测控制等先进控制,并可方便地加入所需的特殊控制算法。

DCS的构成方式十分灵活,可由专用的管理计算机站、操作员站、工程师站、记录站、现场控制站和数据采集站等组成,也可由通用的服务器、工业控制计算机和可编程控制器构成。

处于底层的过程控制级一般由分散的现场控制站、数据采集站等就地实现数据采集和控制,并通过数据通信网络传送到生产监控级计算机。生产监控级对来自过程控制级的数据进行集中操作管理,如各种优化计算、统计报表、故障诊断、显示报警等。随着计算机技术的发展,DCS可以按照需要与更高性能的计算机设备通过网络连接来实现更高级的集中管理功能,如计划调度、仓储管理、能源管理等。

2.2 PLC的结构与特点

PLC主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程器组成,如图2-1所示。

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图2-1 PLC的控制系统示意图

PLC能如此迅速发展的原因,除了工业自动化的客观需要外,还有许多独特的优点。它较好地解决了工业控制领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。其主要特点如下。

1.可靠性高,抗干扰能力强

可靠性指的是PLC平均无故障工作时间。由于PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施,具有很强的抗干扰能力,平均无故障时间达到数万小时以上,可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场。PLC已被广大用户公认为是最可靠的工业控制设备之一,主要有这样几方面:(1)输入、输出均采用光电隔离,提高了抗干扰能力;(2)主机的输人电源与输出电源均可相互独立,减少了电源间干扰;(3)采用循环扫描工作方式,提高抗干扰能力;(4)内部采用“监视器”电路,有良好的自诊断功能,以保证CPU可靠地工作;(5)采用密封防尘抗震的外壳封装及内部结构,可适应恶劣环境;(6)在软件方面,增加故障检测和程序诊断等措施。

2.控制功能强一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件,可以实现

常复杂的控制功能。与相同功能的继电器系统相比,它具有很高的性能价格比。PLC可以通信联网,实现分散控制与集中管理。

3.用户使用方便

PLC产品已经标准化、系列化、模块化,配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用,用户能灵活方便地进行系统配置,组成不同功能、不同规模的系统。PLC的安装接线也很方便,有较强的带负载能力,可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。硬件配置确定后,可进行在线修改,柔性好,通过修改用户程序,方便快速地适应工艺条件的变化。

4.编程方便、简单

梯形图是PLC使用最多的编程语言,其电路符号、表达方式与继电器电路原理图相似。梯形图语言形象、直观、简单:易学,熟悉继电器电路图的电气技术人员只要花几天时间就可以熟悉梯形图语言,并用来编制用户程序。

5.设计、安装、调试周期短

PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件,使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少,缩短了施工周期。PLC的用户程序可以在实验室模拟调试,模拟调试好后再将PLC控制系统在生产现场进行安装和接线,在现场的统一调试过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决,大大缩短了设计和投运周期。

6.易于实现机电一体化

PLC体积小、重量轻、功耗低、抗振防潮和耐热能力强,使之易于安装在机器设备内部,制造出机电一体化产品。目前以PLC作为控制器的计算机数控装置(CNC)设备和机器人装置已成为典型。

2.3 PLC的发展趋势

目前PLC及其网络技术发展势头迅猛,PLC及网络成为工企自动化设备的首选,由PLC组成的多级分布式PLC网络成为CIMS系统的基础组成部分,成为现代工业自动化设备的三大支柱(可编程控制技术、机器人技术、CAD/CAM 技术)之一。为了适应信息技术的发展与工厂自动化的需要PLC的各种功能不断进步。一方面PLC在继续提高CPU 运算速度、位数的同时,开发了适应与过程控制、运动控制的特殊功能与模块,使PLC 的应用范围开始涉及工业自动化的全部领域。与此同时PLC的网络与通信功能得到迅速发展,PLC不仅可以连接传统的编程与通用输入/输出设备,还可以通过各种总线构成各个网络,为工厂自动化奠定了基础。这一时期,典型的PLC产品有西门子的Simatic S5系列,欧姆龙公司的C系列,松下电工的FP系列,三菱的FX系列,施耐德公司的

TSX Compact系列、Twido等。

2.4组态软件的整体结构

软件系统包括组态环境和运行环境两个部分。组态环境相当于一套完整的工具

软件,用来帮助用户设计和构造自己的应用系统。运行环境则按照组态环境中构造的组态工程,以用户指定的方式运行,并进行各种处理,完成用户组态设计的目标和功能。组态环境和运行环境的关系如图2-2所示。

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图2-2 组态环境与运行环境的关系

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第3章硬件设计

3.1总体方案设计

整个设计过程是按思想工艺流程设计,为设备安装、运行和保护检修服务。设计的编写按照国家关于电气自动化工程设计中的电气设备常用基本图形符号(GB4728)及其他相关标准和规范编写。设计原则主要包括:工作条件;工程对电气控制线路提供的具体资料。系统在保证安全、可靠、稳定、快速的前提下,尽量做到经济、合理、合用,减小设备成本。在方案的选择、元器件的选型时更多的考虑新技术、新产品。控制由人工控制到自动控制,由模拟控制到微机控制,使功能的实现由一到多而且更加趋于完善。对于本课题来说,如果液体混合系统部分是一个较大规模工业控制系统的改造升级,新控制装置需要根据企业设备和工艺现况来构成并需尽可能的利用旧系统中的元器件。对于人机交互方式改造后系统的操作模式应尽量和改造前的相类似,以便于操作人员迅速掌握。从企业的改造要求可以看出在新控制系统中既需要处理模拟量也需要处理大量的开关量,系统的可靠性要高,人机交互界面友好,应具备数据储存和分析汇总的能力。要实现整个液体混合控制系统的设计,需要从怎样实现各电磁阀的开关以及电动机启动的控制这个角度去考虑,现在就这个问题的如何实现以及选择怎样的方法来确定系统方案。

3.2总体方案介绍

就目前的现状有以下几种控制方式满足系统的要求:继电器控制系统、单片机控制、工业控制计算机控制、可编程序控制器控制。

1.继电器控制系统控制功能是用硬件继电器实现的。继电器串接在控制电路中根据主电路中的电压、电流、转速、时间及温度等参量变化而动作,以实现电力拖动装置的自动控制及保护。系统复杂,在控制过程中,如果某个继电器损坏,都会影响整个系统的正常运行,查找和排除故障往往非常困难,虽然继电器本身价格不太贵,但是控制柜的安装接线工作量大,因此整个控制柜价格非常高,灵活性差,响应速度慢。

2.单片机控制单片机作为一个超大规模的集成电路,机构上包括CPU、存储器、定时器和多种输入/输出接口电路。其低功耗、低电压和很强的控制功能,成为功控领域、尖端武器、日常生活中最广泛的计算机之一。但是,单片机是一片集成电路,不能直接将它与外部I/O信号相连。要将它用于工业控制还要附加一些配套的集成电路和

I/O接口电路,硬件设计、制作和程序设计的工作量相当大。

3.工业控制计算机控制工控机采用总线结构,各厂家产品兼容性强,有实时操作系统的支持,在要求快速、实用性强、功能复杂的领域中占优势。但工控机价格较高,将它用于开关量控制有些大材小用。且其外部I/O接线一般都用于多芯扁平电缆和插头、插座,直接从印刷电路板上引出,不如接线端子可靠。

4.可编程序控制器控制可编程序控制器配备各种硬件装置供用户选择,用户不用自己设计和制作硬件装置,只须确定可编程序控制器的硬件配制和设计外部接线图,同时采用梯形图语言编程,用软件取代继电器电器系统中的触点和接线,通过修改程序适应工艺条件的变化。

5.可编程控制器PLC从上个世纪70年代发展起来的一种新型工业控制系统,起初它主要是针对开关量进行逻辑控制的一种装置,可以取代中间继电器、时间继电器等构成开关量控制系统。随着30多年来微电子技术的不断发展,PLC也通过不断的升级换代大大增强了其功能。现在PLC已经发展成为不但具有逻辑控制功能、还具有过程控制功能、运动控制功能和数据处理功能、连网通讯功能等多种性能,是名符其实的多功能控制器。由PLC为主构成的控制系统具有可靠性高、控制功能强大、性价比高等优点,是目前工业自动化的首选控制装置。

3.3液体混合总体结构

由图3-1可知是液体混合装置的工作示意图,用于将两种液体按一定的比例进行充分混合。

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图3-1 液体混合装置的工作示意图

此装置需要控制的元件有:传感器1、传感器2、传感器3为液面传感器,液面到达该位置是传感器接通;另外还有电机去控制搅拌器。所有这些元件的控制都属于数字量控制,可以通过引线与相应的控制系统连接从而达到控制效果。

3.4水塔水位总体结构

由图3-2可知是水塔水位装置的工作示意图,用于将液体按一定高度进行调整。

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图3-2 水塔水位装置的工作示意图

此装置需要控制的元件有:传感器4、传感器5、传感器6、传感器7为液位传感器,液面到达该位置是传感器接通,另有阀门4和阀门5控制两个管道的液体流通,所有这些元件的控制都属于数字量控制,可以通过引线与相应的控制系统连接从而达到控制效果。

第4章程序设计

4.1 液体混合装置具体控制要求

液体混合装置的工作过程如下:

1.按启动开始按钮后,阀门A打开,液体A流入容器。

2.当液位高度到达传感器2时,液位传感器2接通,此时阀门A断电关闭,而阀门B 通电打开,液体B流入容器。

3.当液位高度到达传感器3时,液位传感器3接通,这是阀门B关闭,同时启动电动机M搅拌。

4.10秒后,电动机M停止搅拌,这时阀门C自动打开,放出混合后的液体到下一道工序。

5.当液位高度下降到传感器1后,再延时2s,阀门3断电关闭,并自动开始新的工作周期。

此外,该液体混合装置在按下停止按钮时,要求不要立即停止,而是将停止信

号记忆下来,直到完成一个工作循环才停止工作。

4.2 水塔水位装置具体控制要求

液体混合装置的工作过程如下:

1.当按下开始按钮后电机1启动水箱1开始进水。

2.当水箱1液面高度到达上限时电机1关闭电机2启动水箱2开始进水。

3.当水箱1液面高度到达下限时电机2关闭电机1启动水箱1开始进水而水箱2关闭。

4.当水箱2液面高度达到上限时电机2关闭,到达下限时电机2启动。

4.3 PLC I/O分配

表4-1 PLC输入、输出地址分配表

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4.4 PLC编程

对PLC进行编程,以保证PLC能按照要求,对现场设备进行控制。程序如附录1所示。写完程序后,点击“保存”,再对程序进行编译和下载,将计算机中写的程序下载到PLC的内卡上,这样,PLC就会按照内存卡上的内容,对现场的设备进行控制了。

第5章系统组态设计

5.1 画面组态

建立一个新工程,执行以下步骤:

1.在工程管理器中选择“文件”菜单中的“新建工程”命令,出现“新建工程向导之一”对话框,如图5-1所示。

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图5-1 新建工程向导之一

2.单击“下一步”按钮,弹出“新建工程向导之二”对话框,如图5-2所示。

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图5-2 新建工程向导之二

3.单击“浏览”按钮,选择新建工程的存储路径。如果该路径不存在,系统会提示是否创建,选择创建。组态王将在“新建工程向导之二”对话框中所设置的路径下生成新的文件夹“基于组态王的液体混合装置设计”。

4.单击“下一步”按钮,弹出“新建工程向导之三”对话框,如图4-3所示。在对话框中输入工程名称:液体混合。在工程描述中输入:基于组态王的液体混合装置设计。

5.单击“完成”按钮,并将新建工程设为猪头的当前工程。

6.系统自动生成文件:液体混合.dat,保存新建工程的基本信息。

5.2 组态王与PLC建立通讯

组态王把所有与之交换数据的硬件设备或软件都作为外部设备使用。外部设备包括PLC、仪表、模块、板卡、变频器等。按照通信方式可以分为:串行通信、以太网、专业通讯卡等。只有在定义了外部设备以后,组态王才能通过I/O 变量和它们交换数据。为了方便定义外部设备,组态王设计了“设备配置向导”,引导设计人员一步步完成设计。如图5-3:

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图5-3 组态与PLC连接

5.3 变量的连接

打开刚刚新建的画面,双击每一个图素,将每个图素跟相应的变量进行连接。其作

用是:在监控画面中,这些变量将会把PLC从现场采集的数据显示在监控画面上,这样,可以随时对现场的设备进行监控。如图5-4所示:

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图5-4 组态液体画面

5.4 程序语言编写

根据设计要求,结合所学知识,编写组态语言程序。如附录3所示。

5.5 组态王系统控制画面

在新建画面,定义变量等所有动作完成之后,我们就要对此设备运行调试。在主监控画面,点击左上角文件按钮,在菜单中找到全部存,并切换到view进入到监控画面,画面将显示整个液体混合的过程。如图5-5所示;

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5-5 系统控制画面

结论

经过两周的课设计,经过查阅大量的参考资料和动手实践,让我知道了用集散控制系统可以实现对多个画面及过程的控制,经过对设备的选择和控制,我懂得了集散控制系统的重要性,当然设备的连线和程序也是必不可少的,连线和程序不正确等等,这样的问题大部分都克服了。我知道了要分析、设计并应用好一个生产集散控制系统,首先要对集散控制系统有全面的了解,这样才能做好第一步。经过对PLC程序和组态王分析之后,应用自己掌握的理论知识,拟定合理的控制方案,选择合适的设备。这门课程非常的实用而且有趣,并且也让我深深的知到了自己的知识和理论水平远远的不足,距离要求有一点距离,还有待提高。

致谢

本设计是在孟凡姿和唐志国老师的精心指导和大力支持帮助下顺利完成的。在此设计中我也学到了很多有关集散控制系统的知识,而且还学会应用集散控制系统来进行水塔水位和液体混合的控制,尽管最后的结果与实际有点误差,但通过不断的调试使我实验技能也都有了提高,非常感谢老师的指导。

在设计的过程中,老师很有耐心的给我们讲解集散控制系统相关知识,不怎么熟练,所以出现了好多问题,在我着急,没有信心的时候,老师过来帮我检查问题,指导我哪里出现了问题,帮我调试,还告诉我别着急,慢慢来。使我有信心继续的做下去,让我深受鼓舞。

在这两个星期的设计当中,使自己学会了如何面对困难和解决困难,也学会了团结合作。虽然两个星期就快过去了,但是少不了老师的精心指导。

最后,再次对关心我,帮助我的老师和同学表示衷心的感谢,是你们的热情帮助让我有了很大的进步。

参考文献

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[3] 徐坚.现场总线控制系统的应用[J].钢铁技术,2003,15(5):98-105.

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附录1 液体混合PLC程序:

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附录2 水塔水位PLC程序:

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附录3

集散控制系统组态程序:

启动时:

\\本站点\下水位=0;

\\本站点\上水位=0;

\\本站点\延时=0;

\\本站点\水位=0;

\\本站点\开关=0;

运行时:

if(\\本站点\开关)

{

if(\\本站点\延时1)

{

\\本站点\延时=\\本站点\延时+1;

if(\\本站点\延时==19)

{ \\本站点\延时1=0;

\\本站点\搅拌=0;

\\本站点\伐门C=1;

\\本站点\去底0高1=0;

\\本站点\延时=0;

}

}

if(\\本站点\延时1==0)

{

if(\\本站点\去底0高1)

{

\\本站点\水位=\\本站点\水位+1;

\\本站点\伐门A=1;

if(\\本站点\水位>=10)

{

\\本站点\传感器3=1;

}

if(\\本站点\水位>=50)

{

\\本站点\传感器2=1;

BitSet( \\本站点\输入, 3, 1 );

BitSet( \\本站点\输入, 4, 0 );

\\本站点\搅拌=1;

\\本站点\伐门B=1;

\\本站点\伐门A=0;

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