集散控制系统组态应用技术.ppt

书名 集散控制系统组态应用技术ISBN 978 7 111 45302 4作者 蒋兴加出版社 机械工业出版社本书配有电子课件 项目3锅炉液位恒定监控系统设计与实现 基于A1000 A3000 A5300 一 项目指导思想1 基于实训平台用组态王完成锅炉液位恒定控制系统设计 运行 参考有关实训资料 指导书 2 能应用组态王或力控组态软件基本功能进行简单项目设计 运行 3 老师演示 学生自主学习 二 基本要求 1 掌握组态王或力控基本操作 完成工程分析及变量定义 2 掌握简单界面设计 完成数据对象定义及动画连接 3 掌握设备连接方法 完成简单脚本程序编写及报警显示 4 掌握制作工程报表及曲线方法 5 编写PLC程序 PID应用 3 1项目基本情况 3 1 1概况在 水箱双位供水仿真系统 基础上 深化 DCS工程 项目开发 以简便实用的单回路PID控制学习使用DCS硬件和软件基本架构 基于DCS实训装置设备平台模拟 锅炉液位恒定控制 以项目教学和学生自主学习为主 拓宽学生理论与实践结合 一方面 深化理解项目教学法在 工程 项目分析 开发 实施流程应用 另一方面 通过完成项目进一步掌握DCS硬件和软件在 工程 项目的应用 下一页 返回 3 1 2目标主要学习内容 1 PID单回路恒定控制原理 2 DCS体系结构及DCS实训装置关系 3 I O设备PLC与操作员站通讯 4 DCS实训装置A1000 A5300 A8000 THPCAT 2结构与功能 5 组态软件复杂功能模块内涵及应用 下一页 返回 3 1 2目标 专业技能目标 1 DCS的组成 操作员站与控制站通讯 2 初步具备简单工程的分析能力 简单控制系统的构建能力 3 DCS操作员站与控制站I O组态 实时数据库 监控界面实现 尤其重要参数趋势曲线 报警组态能力 4 控制站组成及西门子PLC编程 5初步具备对PID闭环控制系统的设计能力 定值控制系统的统调能力 6 初步了解DCS安装 调试 运行工程规范 下一页 返回 3 1 3项目及控制工艺要求1 总体要求 以A5300 A1000作为被控对象 A8000作为控制系统 DCS的控制站 组态王 操作员站 构成液位恒定控制的DCS系统或THPCAT 2平台 利用PID构成单回路 自动调整流量大小 确保供水压力恒定 并提供系统启 停控制按钮 通过此项目学习 基本掌握DCS设计和应用步骤 下一页 返回 2 工艺说明 液位恒定控制或恒压供水在工业 生活等领域具有十分重要的现实意义 压力过高或过低 都带来影响 本系统将压力传感器检测到的上水箱液位信号作为测量信号 通过控制器控制水泵的开度 以达到控制上水箱液位恒定的目的 实现恒压供水控制 下一页 返回 3 项目控制要求 1 初始状态 水箱压力 液位为0 启 停控制按钮处于停止状态 操作启 停按钮互相切换 2 在监控界面上给定压力设定值 开启 启 停按钮 进入启动状态 供水系统按照控制方案工作 即被控量 上水箱的液位 稳定在给定值 3 在监控界面上设置PID参数调节对话框 趋势曲线和报警功能模块 实现系统统调和跟踪 4 控制器由S7 200 S7 300编程实现PID单回路闭环控制 下一页 返回 4 重点和难点 1 组态软件功能模块的报警 趋势曲线 报表 控件理解和应用 2 控制工艺的PLC编程 尤其PID指令 3 设备通讯 4 变量确定和定义 下一页 返回 3 2项目方案设计 3 2 1工程项目分析1 概况 根据项目任务表单 主要解决三方面问题 构筑DCS硬件 工艺控制方案理解及实施 组态监控实施 主要完成的工作为DCS硬件设计 上位机 操作员站 组态控制设计 PLC程序的编辑 系统的安装 调试 运行 改进 下一页 返回 2 工程项目分析主要内容 其一 工程项目的系统构成 技术要求和工艺流程 其二 系统实施平台 弄清系统的控制流程和测控对象的特征 确定控制方案 明确监控要求和动画显示方式 其三 工程中的数据采集通道及输出通道与软件中数据词典中变量的对应关系 分清哪些变量是需要利用I O通道与外部设备进行连接的 哪些变量是软件内部用来传递数据及动画显示的 下一页 返回 3 2 2项目实施平台本项目将选用A8000和A1000组合的实训平台 即 硬件 计算机 A8000 A1000 软件 常规软件 组态软件 组态王为主 其它组态软件为辅 计算机作为DCS的工程师站和操作员站 A8000上的S7 200PLC及其模块作为控制站 A1000上的模块 仪表 水泵等设备作为现场控制级 水箱作为被控对象 操作员站与控制站的通讯采用PPI 控制站与现场控制级采用4mA 20mA或2 10V模拟信号 下一页 返回 任务3 2项目方案设计 3 2 3控制方案论证本项目属于单回路控制 为提高系统可靠性 对接生产现场 规划为两种工作方式 一种为PLC应用系统 另一种为 操作员站 控制站PLC 组合的工作方式 结合工艺需要 对有关数字开关量和模拟量控制关系进行相应分解整合 下一页 返回 3 2 3控制方案论证为了验证所选控制策略的可行性 利用锅炉液位对象数学模型 利用MATLAB软件 对PID回路控制性能从理论上作进一步分析验证 分析表明其性能符合系统要求 下一页 返回 3 2 4控制系统工作原理压力传感器将水箱中液体的压力信号转换为电信号 4mA 20mA 送给PLC的A D转换器输入端 经PLC程序数据处理后 执行PLC中的PID指令 PID根据液位设定值与实际检测值进行PID运算 输出控制量 A8000上的PLC的D A输出模拟信号给A1000上的执行驱动设备 再由执行驱动设备控制流量的大小 以达到控制上水箱液位恒定的目的 下一页 返回 一般来说 在生产过程中都存在着大量的物理量 如温度 压力 流量 液位 速度 PH 粘度等 这些连续变化的物理量称为模拟量 为了实现对这些物理量的控制 需先经测量传感器将物理量变换为电量 如电压 电流 电阻等 再经测量变送器将测量结果转换成标准的模拟量电信号 10V 20mA 4 20mA 1V等 然后再将模拟量电信号送入模拟量输入模块 AI 进行A D转换 变换成CPU所能接受的二进制电平信号并送入CPU进行存储和数据处理 经PLC运算程序加工处理后二进制电平信号再送入模拟量输出模块进行 D A 转换 然后将模拟量信号再驱动相应的执行机构 如加热器 电磁阀 变频器等 最终实现对物理量的调节与控制 下图针对PLC300 数据转换 线性 原始值 工程值 3 2 5项目监控界面 1 系统工艺及运行情况的动态模拟 2 系统的启 停的控制及重要参数的显示 3 系统运行的趋势 报警 报表 4 对于单回路PID过程控制 监控界面提供 PID调整窗体 下一页 返回 锅炉液位恒定监控系统界面参考图 3 2 6系统调试运行方案1 本项目调试运行方案主要流程及内容为 其一 设备检测 对设备外观 接线 固定安装进行检测 其二 系统接线进行测试 检查接线端子标号 安装固定机械强度 检测电气特性 其三 电源测试 分别对直流和交流电源供电回路接线和电气特性进行检测 下一页 返回 3 2 6系统调试运行方案其四 系统设备通电 观察是否有异常 并检测通电后的电气特性 其五 计算机 PLC 变频器等设备开机 进入运行状态 其六 运行测试程序 判断相关设备的逻辑 过程控制关系 通讯正常 其七 运行开发项目 验证是否满足设计要求 记录运行情况 对异常情况进行处理 改进和完善 并作好记录整理工作 完成项目报告 其八 系统停电 恢复设备常规配置 填写设备使用保养单 下一页 返回 3 2 6系统调试运行方案2 特注 系统在正式调试 运行之前 应对系统相关设备力争进行初测及试用 以确保复杂工艺调试 运行之时 它们基本正常 有利于后续分析判断 例如 A1000水泵直流电机可考虑直接加24VDC 观察其运行 压力 液位传感变送器加限流电阻后用电流表观察液位变化 其电流是否也在改变 结合A8000的PLC及PWM模块 实现液位双位控制 运行PLC程序监控模拟采集和输出控制变化趋势 对接项目2拓展内容 为液位PID定值控制奠定基础 3 3系统硬件设计 3 3 1硬件结构设计 基于A5300 基于A1000自行绘制 根据所选实训平台 结合控制工艺要求 锅炉液位恒定监控系统的硬件结构总体框图如下图所示 下一页 返回 3 3 2系统I O信号清单 下一页 返回 3 3 3系统安装接线DCS的安装分硬件安装和软件安装 硬件安装包括控制站 操作员站 通信网络和电源安装 软件安装一般包括 计算机常规软件 组态软件 控制站开发软件 在工程领域 DCS设备的现场就位与安装工作 一般由DCS厂家技术人员到现场指导安装单位进行现场安装及调试 DCS的安装是一项系统而复杂的工作 对安装人员有严格的要求 参考 安装调试手册 及其他标准规范文件执行 就本 DCS在恒压供水系统中应用 项目而言 其安装内容主要涉及控制站PLC的模块与现场设备的接线 计算机与控制站通讯连接 下一页 返回 3 4系统软件开发 软件开发是DCS的核心 软件开发既遵循一定的规律和规范 也应具备共享成果的意识 同时 结合具体问题进行分析解决 实现提升创新 DCS是硬件与软件的有机整体 DCS软件与硬件结构密切相关 主要包括控制层软件 监控软件和组态软件 控制站采用西门子的S7 200PLC 工程师站上需要安装STEPV4开发软件 工程师站上的监控开发的组态软件以 组态王 为主 下面分别简要介绍控制站 操作员站软件开发的相关内容 具体实施工作由各小组自主完成 下一页 返回 3 4系统软件开发 3 4 1控制站程序开发控制站的程序开发基本步骤为 分析项目需求 新建项目 硬件组态 通讯端口设置 绘制功能流程图 分配存储单元 编程 下载 调试验证 关联操作员站 其核心在于 功能流程图和存储单元的分配 下一页 返回 3 4 1控制站程序开发1 功能流程图 下一页 返回 2 主要参数表 3核心程序代码 1 主程序 初始化PID和中断 2 中断程序之一 数据采集处理段 3 中断程序之二 PID运算和定义PID回路段 4 中断程序之三 控制量处理及输出 3 4 2操作员站组态开发1 概况 操作员站组态开发的主要环节包括 创建工程项目及路径 定义I O设备 选择通讯方式 PPI 建立实时数据库 正确组态各种变量参数 根据工艺过程绘制 设计画面结构和画面框架 组态每一幅静态画面 将画面中的图形对象与实时数据库变量建立动画连接关系 根据项目需要 完成控制策略 历史趋势 报警显示以及报表系统开发 对组态内容进行分段和总体调试 视调试情况对组态的软件进行相应修改及完善 下面对实时数据库和组态画面作进一步介绍 其它画面 各小组根据项目要求自主完成 下一页 返回 2 组态要点 1 设备定义 S7 200 PPI 2 实时数据库 变量 根据需要灵活调整 综合项目要求和上述分析 参考PLC存储单元参数关系表 3 画面组态 多画面分工 互相切换 4 趋势曲线 报警 5 组态王报表示例 下一页 返回 3 系统总控界面 参考 报警 趋势曲线画面自行构筑 知识链接 组态王的功能模块1 流动连接 2 趋势曲线 3 报警 4 报表 下一页 返回 3 5系统调试运行维护 概况 系统调试的目的就是达到系统工艺运行的要求 系统的现场调试工作是非常复杂且涉及各专业人员较多的一项现场工作 不仅仅包括系统的所有功能调试 控制回路的调试 控制算法的整定及各种接口的调试 同时不涉及到相关各方的配合与协调工作 涉及到的各专业人员有 控制人员 仪表人员 工艺人员及操作人员 还有诸如电气 环境 安全等方面的人员可能参加 下一页 返回 3 5系统调试运行维护 3 5 1系统调试的主要工作1 系统硬件检查2 系统上电3 变频器设置4 水泵启停 下一页 返回 3 5 2系统运行与维护1 运行概况2 PID参数调试3 项目监控运行4 系统维护 仪表维护 变频器维护 调节阀维护 PLC电气应用系统维护 PLC软件维护 操作员站组态工程软件维护 下一页 返回 3 6基于THPCAT 2平台项目实施 3 6 1PCS7基本知识西门子PCS7系统是完全无缝集成的自动化解决方案 可以应用于所有工业领域 包括过程工业 制造工业 混合工业以及工业所涉及的所有制造和过程自动化产品 作为先进的过程控制系统 SIMATICPCS7形成了一个带有典型过程组态特征的全集成系统 下一页 返回 3 6 2WINCC概况SIMATICWinCC是第一个使用最新的32位技术的过程监视系统 具有良好的开放性和灵活性 通用的应用程序 适合所有工业领域的解决方案 多语言支持 全球通用 可以集成到所有自动化解决方案内 内置所有操作和管理功能 可简单 有效地进行组态 可基于Web持续延展 采用开放性标准 集成简便 集成的Historian系统作为IT和商务集成的平台 可用选件和附加件进行扩展 全集成自动化 的组成部分 适用于所有工业和技术领域的解决方案 下一页 返回 3 6 2WINCC概况WINCC指的是WindowsControlCenter 它是在生产和过程自动化中解决可视化和控制任务的监控系统 它提供了适用于工业的图形显示 消息 归档以及报表的功能模板 高性能的功能耦合 快速的画面更新以及可靠的数据交换使其具有高度的实用性 下一页 返回 3 6 3项目实施方案参考前面项目实施步骤和内容 基于THPCAT 2平台实现锅炉液位恒定监控系统 根据实训指导书由学生自主完成 系统总体框图示意如下 下一页 返回 3 6 4硬件设计系统动力支路分两路 一路由三相 380V交流 磁力驱动泵 气动调节阀 直流电磁阀 PA电磁流量计及手动调节阀组成 另一路由变频器 三相磁力驱动泵 220V变频 涡轮流量计及手动调节阀组成 1 被控对象 被控对象由不锈钢储水箱 上 中 下三个串接圆筒形有机玻璃水箱 4 5Kw电加热锅炉 由不锈钢锅和锅炉夹套构成 冷热水交换盘管和敷塑不锈钢管路组成 下一页 返回 3 6 4硬件设计2 检测装置 压力传感器 变送器 采用SIEMENS带PROFIBUS PA通讯协议的压力传感器和工业用的扩散硅压力变送器 扩散硅压力变送器含不锈钢隔离膜片 同时采用信号隔离技术 对传感器温度漂移跟随补偿 3 执行机构 调节阀 变频器 水泵 可移相SCR调压装置 电磁阀 4 控制器 空气压缩机 电源控制台 下一页 返回 3 6 5系统软件组态系统软件分为上位机软件和下位机软件两部分 下位机软件采用SIEMENS的STEP7 上位机软件采用SIEMENS的WINCC 下一页 返回 3 6