（机械电子工程专业论文）油田自动加药系统及其网络控制.pdf

中文摘要 本文以“油田自动加药网络控制系统”的研制为主线，应用s i m e n sp l c 2 2 4 模块，实现了油田自动加药控制及其组网。本文从以下几方面来论述： 第一章说明了油田自动加药作业的背景和意义，分析了油田加药系统的现状从 而提出了研制“油田自动加药网络控制系统”项目及其任务。 第二章主要论述了用p l c 的接口技术，完成了油田单站自动加药系统的硬件 设计由p l c 控制，实现数码管显示和计量泵控制、增压泵的控制。完成了相关 的硬件电路设计后，用s t l 语言，进行s i m e n sp l c2 2 4 编程，实现输油管的流 量检测，故障检测，键盘响应，数码管显示控制，计量泵精确控制和增压泵的开 关控制。 第三章单站实现后，本章论述了由p l c 的主从式r s 4 8 5 总线组网技术，并简 单介绍了网络控制系统。 第四章在实现组网的基础上，本章论述了一般令牌总线分析模型，并结合实际 网络进行网络性能仿真，结合工业网络控制系统，进行网络通讯方式的研究， 得出网络通讯时消息、消息延时、站数等参数之间的关系，以便以后指导协议设 计和网络拓扑结构的构建。 第五章为了能更好进行集中管理，监控，在组网的基础上实现p c 与p l c 网络 通信，从而实现在动态显示各站状态。本章主要论述关键技术：r s 4 8 5 串行通信， 以及p c 与p l c 通信协议两方面来阐述。至于监控平台的数据库技术，将在第六 章分析。以上关键技术，都在v c + + 6 0 下实现 第六章为了能在p c 上实现数据存取，分析，显示，必须有效地进行接收数据 管理。本章阐述用v c + + 6 0 实现基于o d b ca p i 的数据类，以及实现对e x c e l 、 a c c e s s 、d a t a b a s e 的操作。 第七章对单站加药系统和相应的网络系统进行实验及仿真，最后在油田得到实 际的应用效果。 第八章对以上所做的研究工作进行总结，提出进一步研究方向，以及网络控制 系统未来的发展展望。 本论文的特点是注重了实用性，将工作机理与具体实现结合起来，如接口显 示电路设计配置网络，编制通信程序及通信协议，最后把廉价的个人计算机开 发成工作站连入p l c 网络等等。还进行了相应的网络理论研究和仿真实验。 浙江大学9 9 级硕士论文 a b s t r a c t t h i sa r t i c l ei sa b o u tt h ed e v e l o p m e n to fo i lf i e l da u t o m a t i cc h e m i c a lf e e dn e t w o r k c o n t r o l s y s t e m t h e s y s t e ma p p l i e s s i m e n sp l c 2 2 4m o d u l et or e a l i z eo i lf i e l d a u t o m a t i cc h e m i c a lf e e dc o n t r o l s y s t e m a n do r g a n i z en e t w o r k t h ea r t i c l em a i n l y d i s c u s s e sa sf o l l o w s c h a p t e r 1n a r r a t e st h eb a c k g r o u n do fo i lf i e l da u t o m a t i cc h e m i c a lf e e da n dt h et a s k so f i n n o v a t i o n t h e na n a l y z e st h ea c t u a l i t yo fo i lf i e l dc h e m i c a lf e e ds y s t e m ，t h e r e b yp u t s f o r w a r dt h ep r o j e c ta n dt a s k so fd e v e l o p i n go i lf i e l da u t o m a t i cc h e m i c a lf e e dn e t w o r k c o n t r o ls y s t e m c h a p t e r2m a i n l yd i s c u s s e s 也ed e s i g no f h a r d w a r eo f o i l f i e l da u t o m a t i cc h e ：m i c a lf e e d n e t w o r kc o n t r o ls y s t e mw i t hp l c si n t e r f a c et e c h n o l o g y i tr e a l i z e sd i s p l a yo f n u m e r a l t u b e ，c o n t r o lo fm e t e r i n gp u m pa n dc o n t r o lo fi n c r e a s i n gp u m pw i t hp l c 。m a i n l y d i s c u s s e sp r o g r a m m i n gw i t hs t ll a n g u a g et os i m e n sp l c 2 2 4a f t e ra c c o m p l i s h i n go f h a r d w a r e i tr e a l i z e ss a m p l eo ft r a n s p o r t i n gp i p e sf l o wr a t em e a s u r i n g ，r e s p o n s eo f k e y b o a r d ，d i s p l a y o fn u m e r a lt u b e ，a c c u r a t ec o n t r o lo fm e a s u r ep u m pa n do n o f f c o n t r o l l i n go fi n c r e a s i n gp u m p c h a p t e r4d i s c u s s e st h ep r i n c i p a la n ds u b o r d i n a t eo r g a n i z i n gn e t w o r kt e c h n o l o g yo f p l cw i t hr s 4 8 5 ，a n ds i m p l yd i s c u s s e sn e t w o r kc o n l x o l l i n gs y s t e m ， c h a p t e r 4d i s c u s s e sg e n e r a lt o k e n - p a s s i n gn e t w o r k s ，a n da n a l y e st h ec h a r a c t e r i s t i c so f t o k e n p a s s i n gn e t w o r kw i t has i m p l ee x a m p l e a n dd e v e l o p sn e t w o r k c o m m u n i c a t i o n m e t h o d sw i t hi n d u s t r yn e t w o r kc o n t r o l l i n gs y s t e m a t l a s tg e t ss o m ec o n c l u s i o n s ，w h i c h w i l li n s t r u c tc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o la n dt o p o l o g yd e s i g n i n g c h a p t e r5d i s c u s s e s ：f o rb e r e rc o n c e n t r a t i n gs u p e r v i s i o n ，也e s y s t e mr e a l i z e s m e c o m m u n i c a t i o no fp ct op l ci nt h eb a s eo f n e t w o r k ，a n d r e a l i z c sd y n a m i cd i s p l a y i n g o fe v e r yu n i ts t a t e t h i sc h a p t e rm a i n l yd i s c u s s c $ t h ek e yt e c h n o l o g ys u c ha s ：s e r i a l c o r m n u n i c a t i o nw i t hr s 4 8 5 ，a n dt h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o lo f p c t op l c a s r e g a r d s t h ed a t a b a s et e c h n o l o g yo ft h es u p e r v i s ep l a t f o r m w i l lb ed i s c u s s e d i nt h e c h a p t e r 6a n d i sr e a l i z e dw i t hv c + + 6 0 c h a p t e r6d i s c u s s e s ：t or e a l i z ed a t a b a s es t o r a g e ，a n a l y z i n g , d i s p l a y i n g ，t h es y s t e m 舶u s t e f f e c t i v e l ym a n a g e t h er e e e n e dd a t a b a s e s ot h i sc h a p t e rd i s c u s s e sf u l f i l l i n go f a d a t a b a s ec l a s so i lt h eb a s eo fo d b c a p lw i t hv c + + 6 0a n dr e a l i m n g 也eo p e r a t i o no t a c c e s s ，e x c e l ，d a t a b a s e c h a p t e r7d i s c u s s e s 也ee x p e r i m e n t so fs i m p l es y s t e m a n dn e t w o r ks y s t e m a tl a s tw e g e tt h ea p p l i e de r i e c t so f o i lf i l e d c h a p t e r8s u m m a r i z e sw h a th a v ed o n e i nt h ep r o j e c td e v e l o p m e n t ，a n dp u t sf o r w a r d s o m ed e f i c i e n t a tl a s td i s c u s s e st h ef u t u r ed e v e l o p m e n t o fn e t w o r kc o n t r o ls y s t e m t h i sp a p e r ，sc h a r a c t e r i s t i ci sp a y i n ga t t e n t i o nt op r a c t i c a b i l i t y , u n i t i n gt h et h e o r ya n d p r a c t i c ei n t oi n t e g r i t y , s u c ha sd e s i g n i n g i n t e r f a c ed i s p l a yc i r c u i lc o n f i g u r i n gn e t w o r k ， d e s i g n i n gc o m m u n i c a t i o np r o g r a m a n dp r o t o c o l ，a tl a s td e v e l o p i n gc h e a p n e s sc o m p u t e r i n t ow o r ks t a t i o na n dc o n n e c t i n gi n t on e t w o r k 浙江大学9 9 级硕士论文 第一章概述 1 1 油田自动化背景和意义 随着我国国民经济的发展，今后一个时期内对石油的需求量及石油在能源消 费结构中所占的比例，都会有较快的增长。到2 0 1 0 年，我国石油( 含天然气) 供应 量若能达到预期的3 9 亿吨油当量或希望的4 5 亿吨油当量，在能源消费结构中石 油所占的比例将上升至2 7 或3 1 3 ；到2 0 2 0 年及2 0 3 0 年，即使按照低能源消费 估算，对石油的需求量也将要在上述基数上分别增加约3 0 和7 0 。在一般情况下， 油价将会在低价位的基础上缓慢回升，或波动变化上升。2 0 1 0 2 0 3 0 年间，石油 供应量将以与人口增长相近的速度继续增长，同时油价也将继续上扬。在技术方 面，除了将与国际间的技术发展保持同步之外，在油气储运及天然气利用等方面 将会有更大的发展，特别是在石油勘探、钻井生产基地、提高采收率、降低成本、 炼油深加工、深海油气集输及天然气加工与利用等均是需要技术改造。总之，今 后增加石油产量与降低成本将主要依靠科技进步与更新装备来实现。口4 1 1 2 5 】 该项目提出单位的总公司一中国石化集团，地理范围广，它所辖的的油田有胜 利、中原、河南、江汉、江苏、滇黔桂等六个油田生产企业，分布于山东、河南、 湖北、江苏、云南、贵州、广西等省( 自治区) ，各油田地理位置如下图：【4 】【2 2 4 l i 北 一 氤蒜 ： 中原油田 一 河南油田 1 一一 江苏油田 一、 一一一一、 f 安徽油田 r 赤水油田一， 、一。一一l ! 江汉油田一 。一一一一、 、一+ 7 滇黔石油勘探局 一一一一。，。 r 一一一、 i 百色油田 、一 一， 图1 - 1 油田位置分布图 随着石油价格上涨，使国内采油业利润大增，该行业目前有充足的资金进行 技术改造，为石油工业自动化提供了机遇，而且潜力巨大的自动化技术可为石油 业发展起重要的作用，实现油田技术改造的目的是：提高劳动生产率提高产品 质量，降低工人劳动强度，降低生产成本。虽然今后石油工业也仍然需要面对激 塑望查堂! ! 堑堡圭丝苎 烈的市场竞争，但是，只要选准发展方向，制定出与之相适应的实施对策，并在 重组与转制过程中引入一些有利于实现发展构想的具体举措，这样，凭借这些企 业的雄厚实力，一定能够抓住机遇，迎难而上，求得今后的生存并争取更大的发 展。总之，新的自动化石油设备将会以崭新的面貌迎接已经到来的2 1 世纪石油业。 2 4 2 5 1 而且随着微电子技术，光电子技术和通信技术的重大突破和飞速发展，运用现 代科学技术特别是以电子学为基础的信息和自动化技术改造传统作业方式，建立 节能的资源节约经济，已变得刻不容缓。而自从1 9 9 5 年以来，国家和石油企业都 加强了石油自动化的改造，本项目就是从增加石油产量与降低石油成本的目的提 出的。 根据对石油基地了解，在油田地厩集输工程和地面注水工程中，均需根据输 油或注水流量大小向输油管或注水管加入各种药剂，如破乳剂、阻垢剂、杀菌剂、 清蚀剂、缓蚀剂、聚合物等等，来保证石油质量或注水质量。现在国内有各种不 同的加药装置：如华北石油华鞍电子电力成套设备厂生产的“撬装混合式加药装 置”加药装置。虽然这种加药装置应用了新材料，新工艺，但是操作人员在药剂 原液注入药液箱时不能远离现场，且加药量只能是固定设置，不能变化。这家企 业的两种型号( r j y 型和h j y 型) 的加药装置都有这个问题。又如大庆油田使用 的加药装置，是用机械的方式来控制加药量，虽然较精确但是也是不能自动调节 加药量。 研制组在分析国内现有的加药装置后，发现国内油田的加药工作多由人工完成 或给计量泵设置固定值，这些加药装置共同的缺点是： 2 5 1 2 7 加药量( 浓度) 无法精确控制，尽管多数采用了计量泵加药，但计量泵流 量由人工设定，无法动态跟踪加药管道流量； 劳动强度大，加药工人需2 4 小时值守； 成本高，尤其是小产量单井，人工值守相对成本偏高； 无法进行多点监控及协调控制。 基于改造这种落后的石油加药作业方式和且要适应油井分布范围广的情况， 为了能解决耗能，耗人力的问题且加药精度无法控制问题，还有无法进行多点监 控和集中控制问题。所以研制组油田企业在总结油田自动化系统改造经验基础上， 提出了“油田加药网络控制系统”项目研制。此项目应用开放的可靠的元器件 来完成该系统，此系统的单站将为油田全面自动化系统和石油综合信息系统 的建设打下基础。 2 7 1 1 2 8 1 1 2 9 】 1 。2 网络控制系统概述 随着计算机技术在工业控制领域应用范围的日益拓展、以及分布式控制产品 塑坚查堂! ! 堡堡主鲨主 标准化的要求和趋势，使8 0 年代以来现场总线技术得以迅速发展，它较完整地 实现了控制技术，计算机技术与通信技术的集成、其特点是可靠性高，性能稳定， 抗干扰能力强，维护及系统扩充成本低，用现场总线技术组成的系统性能价格比 高，已在欧美各国得到了较广泛的应用。几种主流现场总线标准如p r o f i b u s f f ，c a n 等已成为一些国家或洲际标准，世界上许多主要的p l c 及智能仪表制造 商都推出了支持某种主流现场总线标准的产品。中国现场总线( p r o f i b u s ) 专 业委员会的成立，必将促进现场总线技术在我国的推广和应用。而现场总线控制 系统( f c s ) 的本质是信息处理现场化，具有开发性、互操作性、互换性、可集成 性，可靠性高、易维护和管理降低投资，减小运行费用，增强了现场级信息集 成能力。它克服了传统工业过程控制系统的投资高，传输精度和抗干扰性能低系 统不开放、可集成性差，不易安装、维护和管理的缺点。现场总线是f c s 的关 键设备之一。目前最具代表性的现场总线是p r o f i b u s ( p r o c e s sf i l e d b u s ) 和 f f ( f o u u d a t i o nf i e l d u s ) 。d c s ( d i s t d b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) ，顾名思义，其意义是 分散控制系统，但由于传统d c s 控制系统的过程测控站是集中的，不能达到完 全分散控制的目标，所以在译为中文时，译为集散控制系统。而基于现场总线技 术的控制系统，由于采用了现场智能仪表和现场总线网络结构，实现了真正意义 上的分散控制、集中监控，所以也可将其称为分散控制系统。现场总线是应用在 生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统。现 场总线技术将专用微处理器置人传统的测量控制仪表，使它们各自都具有了数字 计算和数字通信能力采用可进行简单连接的双绞线等作为总线把多个测量控 制仪表连接成网络系统，并按公开、规范的通信协议，在位于现场的多个微机化 测量控制设备之间以及现场仪表与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息交 换。简而言之，它把单个分散的测量控制设备变成网络节点，以现场总线为纽带， 把它们连接成可以相互沟通信息、共同完成自控任务的网络系统与控制系统。现 场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域 网。 总之，以现场总线组成的分布式监控系统，不仅可节省大量电缆及敷设费 用、而且调试维护简单方便，大大提高了系统的实用性及可靠性，同时还降低了 工程造价。计算机控制系统的发展，先后经历了d d c 控制、中小型计算机共同 作用的分层控制、集散控制d c s ，以及8 0 年代末发展起来的现场总线控制。从 整体上看，计算机控制系统已呈现出网络化、集成化、节点智能化、分布化、扁 平化的发展趋势。例如d c s ，尽管它还不具备开放性，控制功能也相对集中， 但适应了现场控制的需要，表现出网络化的结构特性，而现场总线控制系统f c s 和工业以太网，从一开始便顺应了这一趋势，是完全网络化、分布化的控制系统。 我们称这种控制系统为网络控制系统( n c s ) 。网络控制系统，即网络化的控制系 4 塑坚查堂! ! 堑婴圭堡奎 统，是指在某个区域内一些现场检测、控制及操作设备和通信线路的集合，用以 提供设备之间的数据传输，使该区域内不同地点的用户实现资源共享和协调操 作。网络控制系统是计算机网络技术在控制领域的延伸和应用。网络控制系统是 计算机控制系统的更高发展它具有如下特点：1 ) 结构网络化：网络控制系统最 显著的特点体现在网络化体系结构上，它支持如总线型、星型、树型等拓扑结构， 与分层控制系统的递阶结构相比，显得更加扁平与稳定。2 ) 节点智能化：带有 c p u 的智能化节点之间通过网络实现信息传输和功能协调，每个节点都是组成 网络控制系统的一个细胞，且具有各自相对独立的功能。3 ) 控制现场化和功能分 散化：网络化结构使原先由中央控制器实现的任务下放到智能化现场设备上执 行，这使危险因素得到分散，从而提高了系统的可靠性和安全性。4 ) 系统开放化 和产品集成化：网络控制系统的开发是遵循一定标准进行的，是一个开放性的系 统，只要不同厂商根据统一标准来开发自己的产品，这些产品之间便能实现互操 作和集成。随着控制系统规模的日益扩大，越来越多的控制系统采用分布式控制 方式，分布式控制的结构形式多种多样，其中的一种典型结构形式为基于现场总 线的网络控制系统。在这种结构形式中，整个控制系统通过网络总线形成闭合回 路，这样，在环路中就不可避免地存在着由于通讯延迟而带来的时间延迟。当时 间延迟远小于采样周期时它的影响可忽略不计；但当时间延迟相对于采样周期 而言不能忽略时，控制系统的分析和设计就必须考虑时间延迟的影响。所以在第 四章中详细讨论了基于令牌总线的网络性能分析。 1 。3 面向对象的m f c 编程概述 面向对象软件开发方法是近年来新兴的软件工程方法，v i s u a lc + + 是微软公 司的可视化开发环境，被广泛应用于面向对象软件设计。“面向对象”一词较为 抽象难懂，但在现实之中总有其根源。不妨打个比方，把我们一个个人看作一个 个的对象，人与人之间通过语言、文字、声音进行沟通，而“语言、文字、声音” 等可看作一个“消息处理机制”，这便构成了面向对象方法的最基本模型。v c 十十使用m f c 类库支持面向对象编程。m f c 是m i c r o s o f tf o u n d a t i o nc l a s s ，即 微软基础类库，是微软面向对象编程的基础。“对象基类c o b j e c t ”是绝大多数 m f c 类的基类，支持数据连载和运行时间库的信息。“c w i n a p p 类“是应用程序 框架，用于提供运行和初始化应用程序的成员函数。“o d b c 数据库类”使应用 程序可方便地访问各种类型的o d b c 数据库。“文件i 0 类”提供传统的磁盘 文件、内存文件、文档流、通信口等的接口。“c e x e e p t i o n 异常处理类”用于处 理程序中同步错误，包括“c f i l e e x c e p t i o n 类c i n t e m e t e x c c p t i o n 类 ”c d b e x c e p t i 0 1 2 类”( 用于处理o d b c 数据库的异常) 等等。“维护类”没有现成 的类可借用，但对于维护人员来说，系统必须具有可维护性，这种“可维护性” 包括对系统数据、软件、硬件的可操作。所以需要根据实际情况，从数据库等与 塑垩查堂型堑堡主堡苎 软件、硬件有关的类进行派生。“软件帮助”也是个正规应用程序所必需的， 可使用m i c r o s o f th e l pw o r k s h o p 进行编写。“i n t e r n e t 帮助”可包括诸如“产品信 息、常见问题、联机支持、使用反馈信息、产品更新”等等。可制作成i n t e m e t 网页，使己联入i n t e m e t 网的用户可迅速得到在线帮助。 随着w i n d o w s 的逐步普及，程序员们越来越愿意在w i n d o w s 下编程，而v i s u a l c 十十正成为主要的开发工具。然而用v c 在w i n d o w s 下开发串行通讯程序是 程序员们经常会遇到确又令人头痛的一件事，不但要理解许多复杂的a p i 函数， 还要掌握多线程编程。令人高兴的是v i s u a lc 十十中提供的通讯控件帮助我们解 决了这一难题，通过对这一控件的正确使用，我们可以轻松地编写出所需的串行 通信程序。由用户方便地选定进行传输的通信端口，并设定这个端口的相关参数， 包括波特率、数据位、停止位、奇偶校验和流量控制等。 在v c + + 编程中，要实现应用程序对数据库的访问，最简单普遍的方法就是 利用m f c 所包含的建立在o d b c 系统上的类。开放数据库互连o d b c ( o p e n d a m b a s e c o n n e c t i v i t y ) 是微软开放服务体系( w o s a ) 的一部分，为应用程序访问关 系型数据库提供了一个统一的接口。使用这一标准接口我们可以不关心具体的 数据库管理系统( d b m s ) 的细节，而只要有相应数据库的o d b c 驱动程序，就可 以实现对数据库的访问。o d b c 编程接口为我们提供了极大的灵活性，我们可以 通过这一个接口访问不同类型的数据库。而且，通过相应的0 d b c 驱动程序，我 们可以方便地实现不同数据类型之间的转换。o d b ca p i 使用标准的s q l ( 结 构化查询语言) 作为其数据库访问语言。o d b c 是一种底层的访问技术。因些， o d b ca p i 可以使应用程序能够从底层设置和控制数据库，完成一些高层数据库 技术无法完成的功能。 1 4 系统的研究任务 为了实现此系统，需完成以下任务： 一、自动加药系统的总体设计，主控单位是以s 7 2 2 4 为核心的自动加药控 制器； 二、实时地解决流量计的模拟量到数字量的转换； 三、接口电路板的设计； 四、p l c 的控制软件编制； 五、自动加药系统的电控柜设计； 六、网络系统的理论研究； 七、基于r s 4 8 5 总线的p l c 组网及其通信程序设计； 八、p c 与p l c 的通信控制及通信协议设计； 九、通信所得数据库类设计。 在上述任务的完成过程中，首先需要完成单井自动加药系统的研制工作， 浙江大学9 9 级硕士论文 最终达到用户满意为止，要做到此系统高可靠性，因为只有在此基础上才能考 虑研制相关网络，这样研制的网络才是用户所能接收的，否则工业计算机网络 将成为工业花架子，而这也是本项目所研究的任务之一。在调研油田油井的分 布情况的基础上，探讨自动加药网络系统的拓扑结构，网络硬件使用和协议的 选定，网络硬件的数量，信号传输的安全措施，最后在实验室进行局部网络模 拟调试，以取得网络调试经验，为以后作深入的网络研究打下基础。而p c 与 p l c 的通讯是此网络的基础，所以在最后这部分工作中的关键是应用面向对象 方法设计通讯接口软件，以便能在此基础上设计友好的人机界面，并且进行了 详细的相关数据库类的编制，从而实现以采油厂为基本单位的集中管理，分布 控制的油田加药网络系统。1 7 5 】 塑垩查兰! ! 墼塑圭堕苎 第二章单站自动加药系统 2 1 油田单站加药系统 此系统要求在运行中把流量计信号和p h 传感器信号经过l m 3 3 1 型v f 变 换器转换或经过二次仪表输出脉冲按入p l c 的相应的高速计数口。p l c 经过运 算后，将计算得到的加药量，动态地用脉宽调制输出( p w m ) 来控帛u j j t l 药计量 泵的运动，以便控制实际的加药量。系统有两种工作模式：手动模式和自动模式。 当系统处于手动模式时，按加药量进行控制计量泵输出，同时可以动态显示加药 量。当系统处于自动模式时，按人工设定加药浓度，认定后加药浓度值成为控制 器内固定参数，此值与外接管道流量计显示值运算后得出加药量，该值动态控制 计量泵输出药液，智能加药控制器的加药浓度单位是m g l ，加药量单位是l m ，外 接管道流量计显示单位是跏3 h 。最后在实验室中完成了p c 与p l c 的通信实 现了动态采集p l c 各参数，按一定的数据库类型存贮下来，为以后进行监控平 台的研制打下基础。 在本系统中，采用s i m a t cs 7 2 2 4 作为主控器。这个主控器是西门子公司 生产的可编程控制器( p l c ) ，结构紧凑是各种小型控制任务理想的解决方案。本 节将完成油田自动加药系统的硬件设计，也就是s 7 2 4 4 控制器的输入输出接1 2 1 电路设计和s 7 2 4 4 输出显示电路设计。应用p r o t e l9 9 来进行电路设计，完 成两块电路板的设计。 2 1 1 系统原理框图 为了解决以上问题，所以设计系统原理如下图所示： 。流量计 图2 - 1 自动加药控制器原理图 系统的参数和部分元件的性能：加药量范围：o 2 6 5 l h 浓度范围：0 - - - 8 8 m g l 流 塑垩查堂! ! 丝竺主堡苎 量范围：0 3 0 0 m 3 h 一、自动加药控制器 它由薄膜键盘、可编程控制器s 7 2 2 4 、显示接口电路板、电气控制柜等四部份 组成。其中s 7 2 2 4 是关键部件它有如下特点川： 1 )高可靠性，可在恶劣工况下工作； 2 1可维护性，c p u 中配置有e e p r o m 可永久地存储用户程序和其它重要 的系统参数： 3 1 具有1 4 个输入点和1 0 个输出点； 4 )具有6 个独立的3 0 k i t z 高速计数器，2 路独立的2 0 k h z 高速脉冲输出； 5 )灵活的中断功能； 6 )采用2 4 v 直流供电时，晶体管输出电流可达o 7 5 a ，可替代小型继电器， 理论寿命无限长； 7 )1 个r s 4 8 5 通讯编程口，具有p p i 通讯协议、m p i 通讯协议和自由通讯 方式能力： 8 )便于扩展； 9 )与其它进口可编程控制器相比，价格低廉。 二、计量泵 计量泵选用美国m i l t o n r o y 公司生产的b 系列电磁驱动隔膜计量泵，最高 计量精度为1 ，计量泵出口带四功能阀( 超高压释放、防虹吸、背压及帮助启动) 。 该泵具有自动，手动控制、外部可编程序控制及4 - 2 0 m a d c 信号等控制功能，泵 体与泵头用高分子材料制成，具有较强的耐腐蚀性。 三、混合增压泵 混合增压泵采用国际流行结构、国产c d l f 系列不锈钢多级立式离心泵，将化 学药剂与清水一起输入该泵，使混合、增压合二而一，其优点是流程简单、混合 充分，该泵躁音小、耗能低、外特性好，经测试和试用，性能全部达到进口同类 产品标准。其零件全部和进口件通用。 四、流量计 在本系统中使用两种流量计，一种是输出为4 2 0 m a 的电流信号，经过狮 转换后可接入p l c 输入口；第二种是输出为脉冲信号的流量计，此信号可直接接 入p l c 的输入口。 2 1 2 系统接口设计 可编程序控制器饵l c ) 由于其自身功能较为完备、组合应用灵活、安全稳定可 靠而获得广泛应用，更由于其编程方便，维护容易而受到使用人员的欢迎。但p l c 的人机接1 2 1 方式显得较为单一，通常只能提供编程软件进行设定和更改参数，而 显示通常难以做到，除非利用专业的显示模块和显示屏。参数设置功能单一，且 在程序运行过程中不能自动更改。当输入参数较多或位数较多时，占用的输入点 数可能是难以承受的。用户很难做到对p l c 硬件的直接操作、因而只能运用p l c 提供的编程语言编程和自行设计接口硬件来实现动态显示和现场更改参数，充分 9 塑垩查兰! ! 塑堡圭笙兰 利用其所提供的寄存器及其操作指令，利用时间间隔计时器及中断等p l c 所提供 的软件及硬件环境，加强p l c 的人机接口功能。 1 1 所以本系统的接口框图如下： 加加穆增减确清手消启停 药药位加少定零音动止 量浓 ： 自 。度 ： 量量 图2 2 自动加药控制器接口示意图 自动加药控制器接口示意图如图2 2 所示，由显示接口电路板来实现。显示接 口电路板主要由信号采集接口单元和显示单元、输出控制单元三部分组成。为了 连线的方便，故将三部组织成两块电路板分别称为显示板和输入输出接口板。其 中信号采集单元和输出控制单元形成为输入输出接口板，完成采集信号有：p h 值 信号、流量计输出信号、故障信号、键盘信号( 加药量，加药浓度，移位，增加， 减少，确定，清零，消音，手，自，启动，停止) 等，实现控制信号有：蜂鸣器控 制，接触器控制( 用来控制增压泵) ，计量泵的精确控制。显示板主要完成加药量、 主管道流量、加药浓度、累积加药量的显示、自动和手动状态显示以及故障灯显 示。数码管选用共阳型，脚距为0 3 6 的数码管，这种数码的封装形式非常特别 在使用中要特别注意。封装如下图： 不规则封装规则封装 图2 - 3 两种数据管封装比较 而在输入输出板中的关键技术是：v 行转换电路。 浙江大学9 9 级硕士论文 图2 - 4 v f 转换电路 图2 - 4 v f 转换电路特点是：在整个工作温度范围内和低到4 0 v 的电源下都有 极高的精度，保证的最大线性度o 0 1 ，宽的满量程频率范围：1 h z 1 0 0 k h z 。 在显示电路接口板中的关键是：数码管的显示电路。 塑笙查兰望墅堡主堕壅 图2 5 原理为：首先由p l c 在输出口用移位的方式将要显示的内容串行移入 7 4 l s l 6 4 ，并被锁存在7 4 l s 3 7 3 中，当要显示的内容都移完时，p l c 在另一输出口 输出一个锁存打开信号，打开7 4 l s 3 7 3 ，点亮数码管。由于p l c 的输出口有限， 所以在图2 4 中由其中一个7 4 l s 3 7 3 来控制四个发光二极管的亮暗。 通过输入输出接口板，p l c 从输出口输出信号对小型继电器进行控制，从而 控制增压泵的交流接触器。在系统运行中，进行两种故障检测，一是液位故障， 二是泵故障。液位故障以药液作为导电体，当药液不足时，电路处于高阻状态， 引起回路电压来检测该故障。泵故障检测目的是防止增压泵断相运行。 2 2 单站自动加药系统软件设计 p l c 作为种方便、功能强大的工业控制设备已经广泛运用于工业监控的许 多领域，p l c 的程序设计是实现其控制的灵魂。 在项目研究中完成上一节的硬件设计基础上，接下来单站自动加药系统的主 要研制任务为p l c 程序编制，应用s t l 语言编程，( 虽然在p l c 中梯形图编程 非常方便，但是有些时候s t l 语言能实现梯形图无法实现的功能) ，实现s 7 2 4 4 对按键输入的接受，在系统正常工作后，根据不同的状态( 自动，手动) 动 态显示积累加药量，加药浓度，流量，并且动态处理外接流量计的输入信号，并 用p w m 动态输出控制计量泵，用开关控制接触器，从而控制增压泵，在运行中 进行故障监测。 2 2 1 系统软件框图 单站自动加药系统p l c 软件功能图如下： p w m 输出 ( 手动或自 孙千起席、 p l c 软件功 。1 i i | i _ 一|i i： 键盘扫描i ! 故障采集 及处理( 主。j 与处理( 主 程序、闪烁程序、中断 子程序及子程序) i 口 图2 - 6p l c 软件功能 1 2 显示输出 f 显示于程 序、译码子 程序、中断 子程序) 采集流量 计的信号 及处理f 中 断子程序 塑垩查堂塑丝堡主丝苎 本软件的任务是设置工作参数( 以按钮的形式完成) ，采集流量信息，动态显 示工作的状态，并随时跟踪各数据，检查故障和加药及浓度的范围通过输出的 脉冲数自动控制计量泵，以达到自动加药的目的。动态显示的工作状态值和数据 有加药量( 四位数码管) 、浓度( 四位数码管) 、流量( 四位数码管) 、累积加药量 ( 七位数码管) 、手自动状态灯、故障情况。读按钮是本程序关键的部分。共有1 2 个按钮：“加药”、“浓度”、“手动自动”、“移位”、“清零”、“加1 ”、“减 1 ”、“消音”、“启动”、“停止”、“确定”等。 根据以上任务，画出如下程序框图： 主程序区 初始化| y 扫丽天毒磊i 或彳_ l fl 参教设l df ：r h ， 一；一 i = 三j i 傺运箩! 叫嚣断! ；键盘墙入信号处理 r! 二：! 。 丁 一 设置完毕了鸣- 、 y n ，执行相关子程序 一r j + 。二、，故障? 二一二一一逦j 亟堑鱼：i 型 l 1 1 关中断，停止运行，蜂鸣器响 图2 7 系统p l c 软件流程图 图2 7 为本系统的p l c 软件流程图，具体可分为以下几个功能模块： 主程序；显示子程序；闪烁子程序；译码子程序；延时子程序：自动 子程序：手动子程序：去零子程序：中断子程序。 2 2 2 系统软件设计 主程序主要功能是：初次扫描时设定初始环境( 系统开始时的默认值、初始值、 状态量，还有对高速输入和输出口的定义) 扫描按钮的信息、开或关中断以及对 故障或药量和浓度超出范围做出反应。在按键程序中加入互锁功能，大大增强了 系统的容错能力，使使用人员参数设置简单化。如当启动后，只有停止键起作用， 其它键无效。以防止由于误操作而带来的系统的出错或死机。 浙江大学9 9 级硕士论文 显示子程序功能是：采用了p l c 的即时刷新的方法，它可以不受扫描嗣期的影响。 这样，就可以在一个扫描周期内，将四位整数全部输出。s 7 2 2 4 即时刷新的指令 “s i s _ b i t ，n ”。为在硬件上采用7 4 1 s 1 6 4 ( 串入并出) 和7 4 1 s 3 7 3 ( _ - - - 态门锁存) ， 所以增加了两个输出口。一个对应7 4 l s l 6 4 的时钟触发信号，另一个对应7 4 l s 3 7 3 的允许信号。前者是上升沿触发后者是低电平有效。在刷新输出前，要先将 7 4 l s 3 7 3 置于锁存状态，即置1 。当3 2 位全输出后，即大循环完成后，再将其置0 。 这样在瞬间更新了所有的显示数据。而在每一位输出前，要将7 4 l s l 6 4 的对钟信 号先置0 ，当硬件上已刷新时，再将其置1 ，即让7 4 l s l 6 4 在上升沿时完成数据传 递。这里，必须注意p l c 输出的时差，比如当程序执行了立即刷新指令后，输出 要滞后一段时闯，所以当执行完立即刷新指令后，要作一个短暂的延时，大约5 0 u s 。 即“n o pn ”指令【l i 。程序结构上采用了循环。程序中的r r d 是循环右移的指令。 它将双字中的3 2 位二进制数据分别右移一位，并将移出的位放至最高位。所以只 需对其最高位作判断，若是，雯i 表示移出位是1 ，则用s i 的指令刷新。若是o ， 则表示移出位是0 ，可用r i 的指令将其复至低电平。 闪烁子程序：采用了指针和间接寻址。当闪烁位的显示码是原值时，调用显示子 程序，并用延时子程序使它持续一段时闯：再将此显示码清零( 数码管灭) ，调显 示子程序，并延时。反复此过程，就是某位闪烁的效果。 译码子程序：本系统的译码程序由两部分组成：实数转化为显示码、显示码转化 为实数。要将四个个位的整数换算到一个实数，要经过多个步骤。要先将每个字 节转换成整数再将短整数转换成长整数，最后将长整数转换成实数。四个实数再 乘以各自的权数，如1 0 0 、10 、1 、0 i 。再相加，就得到所要的实数。举例说， 若浓度的四个数字依次为1 、2 、3 、4 ，通过这一系列转换后，所得实数为1 2 3 4 。 m i c r o 提供了现成的译码指令“ ”。若无此指令，则需加1 0 个条件以_ s t e p 7 s e g 判断0 9 这十个数字。如果要将实数转化为显示码，只要将上述过程反之，并 应用相应的反指令即可。 延时子程序：设计用“n o p ”的多个循环来实现。本程序中调用延时子程序的场合 都没有时间精度要求，以这种方法也能达到效果。如在闪烁时只要保证眼睛能 接受的闪烁频率即可。在按钮延时对，如对闻不够，可多次调用此延对子程序。 自动子程序：当自动运行时，根据设定的浓度值计算出相应的加药量的值，加药 量的值可随着主流量的变化而变化，以达到动态控制的效果。 手动子程序：由手动设定加药量，直接控制计量泵的药量输出，两不受管道流量 浙江大学9 9 级硕士论文 的影响。 去零子程序：实现当参数设定完后，按了确定键后，能把多余的前位零去掉，使 图2 - 8 面板图 数据显示更直观，并减少系统的发热量。 中断子程序：用时基中断来实现系统秒钟更新一次主流量数据的要求，对基中 断每2 0 0 m s 触发一次，则需要每5 次中断作一次更新。由于本系统的计量泵响应 速度有限，在实际应用中也没有必要较快的更新速度。还有这样做在一定的意义 上起到了软件平均化过程，增加了软件抗干扰能力。 单站加药系统操作面板如图2 8 。 2 3 小结 虽然本章完成了系统控制程序，但本系统有很多地方值得进一步的优化，在 以后的应用中应逐渐完善，如在可靠性方法和安全性方法