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大型泵站计算机控制系统--毕业设计,毕业设计论文
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毕业设计说明书 - 1 - 第一章 引言 1.1 概述 近年来，计算机技术得到了突飞猛进的发展。特别是微机己经渗透到人们生活生产的各个领域，小至家用电器的控制，大到人造地球卫星的发射，到处可以看到计算机在发挥作用。今天，许多以计算机为基础的监测与控制系统正在控制着各种各样的生产过程。我国的一些主要行业，如石化、电力、冶金等已大量使用计算机监控系统，它可以对现场的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能。 在组态概念出现之前，要实现 这些 任务，都是通过编写程序（如使用 BASIC、 C、 FORTRAN等）来实现的。编写程序不但工作量大、周期长，而且容易犯错误，不能保证工期。组态软件的出现，解决了这个问题。对于过去需要几个月的工作，通过组态几天就可以完成。 本文利用组态软件和 PLC解决了大型泵站计算机的监控问题，方便有效的实现了泵站的自动化监控。 1.2 国内外现状 我国水利系统计算机监控系统的应用由于多种原因尚处于起步阶段。随着计算机技术的进步，目前越来越多的单位对泵站监控自动化技术进行研究，近几年来全国许多泵站工程，都将计算机监控系统纳入提高泵站自动化水平的重要措施之一，但这些计算机监控系统大多 没有真正充分发挥应有的作用。 多年来，由于泵站运行产生的是社会效益，其经济效益一直未被重视。技术改造及资金投入十分有限，微机监控起步较晚，与国外同行业相比仍有较大差距。目前经过长期运行考验的泵站计算机监控系统是常规系统和与计算机监控系统并存，且计算机监控系统只能完成数据监测和处理，而未能做到计算机控制和调节泵组。大多数泵站采用继电器逻辑控制、独立的检测装置或仪表，这样运行方式落后，存在的问题主要有 ： (1)信息处理能力差，软件开发跟不上，许多应有的功能不能实现。 (2)故障追忆能力较差。事故发生后，由于信息 量不足往往难以对事故原因做出 正确的分析。 (3)控制可靠性不高。各控制之间有时不能进行可靠的安全闭锁，不能完全避免操作员的操作错误。 (4)不能进行复杂的计算，难以实现复杂控制，无法进行优化调度运行。 (5)不能进行远程控制，对于梯级泵站无法进行联合调度运行。 nts毕业设计说明书 - 2 - (6)系统开放性差，升级困难，系统结构不合理。 国外不少泵站微机监控系统的发展比较成熟，泵站自动化水平比较高。如日本水 管理系统几乎全部实现了计算机自动监控，微机监控系统大多采用分层分 布 式结构。一般在一个水系设一个中央管理站，各个泵站、水工建筑物、渠 道等设置分站，各个分站根据需要设置若干个现场单元，各层次之间通过网络通讯交换 信息。由于可靠性高，不少泵站己实现“少人值守，无人值守，如新川河口装有6台 贯流 式轴流泵，该站的主机以及辅机均由中央控制室远距离操作。为保证新川河口水位稳定在设计范围内，现场控制单元可自动地根据上下游水位开启或关闭自动排水闸，自动起动或停止主机组的运行并自动调节水泵叶片角度，选择机组运行台数，以上对象也可在中央控制室操作。 目前随着技术的发展我国的泵站自动化正从单个对象的自动控制到整个机组的自动控制，从强电就地控制到弱电集中控制，从 单个泵站的自动化到采用远动装置的泵站群综合自动化，从计算机集中控制到集散控制的发展过程，以及随着自动化程度的进一步提高，向少人值守或无人值守泵站发展。它将自动化技术、通信技术、故障诊断技术和冗余技术等融为一体，其硬件和软件采用开放式和模块式设计，具有结构简单、可靠性高、适应性强、组态灵活、使用方便等优点。本设计就大型泵站计算机控制在 ACC（轧后加速冷却）循环水系统中的应用做了具体介绍。 1.3 计算机控制系统发展概况 在计算机被应用于生产过程控制之前，过程控制经历了基地式调节器、单元组合仪表、组件组装式仪表三 个发展阶段，其控制功能不断提高。它们的控制方式是按对象进行分散的单回路调节，具有成本低、可靠性高及维护性能好等优点。电动式仪表的出现，方便了信号的传输和处理，使信号的远距离传输成为可能，实现了把调节器和各种管理用的显示记录仪表从就地集中到中央控制室，以便对生产过程进行集中监视和操作，促成了控制方式由分散转向集中的演变。随着生产过程的复杂化暴露了这些常规仪表的通信和人机联系能力差，控制性能简单，难以实现较复杂的控制规律，系统构成不灵活及缺乏实时判断能力等缺点。为了适应生产规模大型化、复杂化、要求的信息量大和能 实现高级控制功能的需求，计算机被逐步应用于过程控制，构成计算机控制系统。 计算机控制系统的发展是与计算机技术的发展密切相关的，大体上分为三个 阶段 ： 1)70 年代中期以前的集中式计算机控制系统 在 50年代计算机仅仅在工厂实验室或其他测试环境中进行数据采集和分析。nts毕业设计说明书 - 3 - 1959年美国的 TRW公司和 TEXACO公司联合研制的 TRW300计算机控制系统在美国德州的一家炼油厂投运成功标志着计算机的应用开始走入控制领域，但是由于这时的计算机体积太大，速度太慢，价格昂贵而且可靠性差。这一时期的计算机只用于管理方式，给操作员以 操作指导和给模拟仪表以设定点控制方式，它不直接参与过程控制，所以不能称之为过程计算机控制。到了 50年代后期，由于在计算机上提供了与过程装置之间的接口，人们开始试验用直接连接的方法使计算机与变送器和执行器之间的信号双向传递都不用人工干涉，但这时传递的信号都是模拟电量信号，计算机不可能与现场装置离得太远，每台计算机所控制和管理的过程装置量很少，多数情况下的应用为单回路控制。 1962年，英国 ICI公司安装了一种 Ferranti Argus计算机控制系统，替代了全部模拟控制仪表，即模拟技术由数字技术来代替，而控制功 能保持不变。这是集中式计算机控制系统应用的开端。 集中式计算机控制系统的发展经历了直接数字控制 (DDC)、集中型计算机控制系统和分层计算机控制系统。 DDC技术的主要组成是由一台数字计算机替代一组模拟控制器， DDC的主要特点是计算机首先通过 A/D实时采集生产过程被控参数的信息，然后按照控制算法运算后，其结果通过 D/A去控制执行器，构成一个闭环控制回路。 DDC的第一个数字控制算法是 PID。 PID控制算式为 : U（ k） =Kpe(k)+ 01 tdidte d TT d t 01 tdidte d TT d t 式中 T为采样周期，如为比例增益， Ti为积分时间， Td为微分时间， k为选择的采样序号， e (k)为第 k次采样的偏差， U(k)为 PID算式的输出，表征着阀位。亦可表示为增量形式： U(k)=Kpe(k)一 e(k一 1)+Kie(k)+Kde(k)一 2e(k一 1)+e(k一 2) 式中 Ki=Kp*T/Ti为积分系数， Kd=Kp*Td/T为微分系数。 PID控制在过程控制中已广泛应用，在石油和石油化工中大多数控制回路采用 PID控制就能工作得很好。 DDC控制比起模拟仪表控制的主要优点在于所有 PID 和其它运算均在计算机中进行，保持了数字化的精度。其缺点在于当时的计算机 运算速度不够快，不能满足快速控制的要求。 集中型计算机控制系统：集中型计算机控制把几十个甚至几百个控制回路以 及上千个过程变量的显示、操作和控制集中在一台计算机上来实现。它比起常规 仪表控制有很大的优越性，控制功能完善，便于信息的分析和综合，可由软件来 改变控制回路，提高了应用的灵活性， CRT操作站可替代大量的模拟仪表盘，改 善了人机接口。但也存在危险集中、 速度和容量负担过重以及开发周期过长等问 题。 nts毕业设计说明书 - 4 - 分层计算机控制系统：集中型计算机控制系统的缺陷促使控制向分散化 发展，当时出现的过程现场控制和集中显示操作分离开来的分层计算机控制系统有 计算机、调节器混合控制系统和监视控制系统 (SCC)两种模式。它们是初期的计算机分散控制系统。 2)70 年代中期至 80 年代后期的集散型计算机控制系统（计算机监控系统） 1975年美国 Honeywell公司推出的 TDC2000集散型计算机控制系统 (亦称分布式计算机控制系统或集散控制系统 )标志着计算机控制系统正式走向集散化。它的结构是 一个分布式系统，从整体逻辑上讲是一个分支树结构，这与工业生产过程的行政管理结构相一致，它是管理集中，控制分散。 计算机监控系统目前尚无确切的定义，其实质是利用计算机对生产过程进行 集中监视、操作、管理和分散控制的一种新型控制技术。它是由计算机技术、信 号处理技术、测量控制技术、通信网络技术和人机接口技术等相互发展渗透而产 生的，既不同于分散的仪表控制系统，也不同于集中式计算机控制系统，它是吸 收了两者的优点，在它们的基础上发展起来的一门系统工程技术，具有很强的生 命力和显著的优越性。具有通用性强、系统组态 灵活方便、显示操作集中、人机界面友好、安装调试方便、控制功能完善、数据处理、运行可靠安全等特点。 3)90 年代计算机监控系统高速发展时期 90年代计算机监控系统技术进入一个新的发展阶段，生产过程控制系统与信 息管理系统紧密结合构成管控一体化新一代计算机监控系统。具体表现为： (1)计算机监控系统向综合化、开放化发展 90年代要求各种设备 (计算机、计算机监控系统、单回路调节器、 PLC等 )之间的通信能力加强，以便构成大系统。计算机监控系统的通信趋势是向开放系统互连 (OSI)方向发展，应使系统专用网络与普通网络可 以互连。提高数据高速公路的吞吐能力，发展宽带的光纤传输介质。 (2)大型计算机监控系统进一步完善和提高的同时，发展小型计算机监控系统 .采用 32位微机于过程控制，应用智能 1/0设备，实施现场总线，发展 PLC与计算机监控系统和其它控制回路的接口，适应离散类和批量工业自动化的要求。 (3)采用人工智能技术。 包括知识库系统 (KBS)和专家系统 (ES)在计算机监控系统的各级实现，推出以微处理器为基础的智能设备。 90年代以来 ， 计算机监控系统从功能上朝着过程控制自动化、制造业自动化、办公自动化和经营管理自动化相结合的 方向发展，即构成计算机集成制造系统(Computer Integrated Manufacturing System)，简称 CIMS,CIMS代表着工业控制系统的未来， CIMS的研究开发不是以某个区域或某项活动为对象，而是以企业的全部活nts毕业设计说明书 - 5 - 动为研究对象。从市场预测、接受订货、原料供应、生产计划、作业排序、过程控制、产品销售，到用户信息反馈、新产品开发、经营管理、整个形成一个动态反馈系统，具有自判断、自组织、自学习的能力。自从世界上第一个由美国Honeywell公司于 1975年推出 TDC-200系统以来，全世界已 开发了各种类型的计算机监控系统系统有 1500余种。广泛应用于工业制造、石油化工、电力等各个部门，但在水利系统，排灌泵站应用计算机监控系统技术还不多 ， 缺乏较成熟的经验。 1.4 设计内容 本课题集自动控制技术、通信技术、传感技术和计算机技术于一体。研究的目的就是要建立一套集生产、控制、监测为一体的循环水监控信息平台，研究的主要内容包括变频器控制水泵的转速、 PLC程序控制现场器件的运行、 MCGS组态软件监控现场运行情况、网络的通讯方式、为用户提供数据查询、在线即时信息查询、报表输出等功能，通过对泵的变频调速，实现 恒压供水，提高运作效率、降低成本、提高服务质量，实现更大的利润和社会效益。 本统设计并实现了： (1)计算机控制系统总体方案设计及硬件配置。 (2)监视和监测水循环系统的运行状况 。 (3)上位机与下位机接口的设计。 (4)采用组态软件生成上位机监控系统。 本文完成的主要工作 ： (1)熟悉工艺要求和设计内容，查阅资料 ； (2)总体方案设计和硬件配置 ； (3)I/O接线图设计 ； (4)控制程序软件设计与调试 ； (5)监控组态软件设计和通讯软件设计； (6)结论； (7)参考文献； (8)附录（英文资料及翻 译）； nts毕业设计说明书 - 6 - 第二章 计算机自动控制系统总体方案设计 2.1 技术背景 大型泵站计算机控制系统是将计算机技术、自动控制技术、通信技术、故障诊断技术和信息管理融为一体的系统。它具有一定的通用性，保证了系统功能的完整性、先进性、灵活性以及各个不同系统的兼容性。系统的具体功能根据具体要求由用户设定，这种设定包括硬件和软件两个方面。例如：系统采集哪些信号、信号类型、画面显示要求。控制方案选择可以由用户设定。软件系统由操作系统、实时控制组态软件等组成。 2.2 设计依据 ACC(轧后加速冷却 )循环水系统主要 由收集装置、热水池、冷却塔、冷水池、高位水箱、中间水箱、冷却设备及各种管路组成。系统的核心控制对象是由变频器、电动机和水泵本体组成的广义的水泵。给水泵组由 9台泵组成，其中 3 台 200kw的工频泵， 3 台 200kw 的变频泵， 3 台 90kw 的变频泵，相同型号均为两用一备。侧喷泵组为 2 台 160kw 的变频泵，一用一备，冷却泵组为 3 台 280kw 的变频泵，两用一备，提升泵组为 3 台 160kw 的变频泵，两用一备。 循环水系统示意图如下： nts毕业设计说明书 - 7 - 2.3 设计要求 (1)水泵起停控制要求具有自动和手动两种功能。 (2)工作泵出现故障后 自动切换到备用泵。 (3)必须的保护功能（包括短路、却相、过载、过压、欠压等）。 (4)要求 AI36 点， AO14 点， DI180 点， DO100 点， ACC 循环水高位水箱水位和压力恒定，侧喷泵组水流量保持为 300立方米 /小时。冷水池水温不高于 35 ，系统实现 SCADA 功能。 (5)控制算法要求采用 PID 控制。 (6)系统运行状态的检测和监视 。 在该系统中，九台给水泵组和两台侧喷泵组将冷水池中的水送往 ACC 本体的高位水箱，从 ACC 本体设备流出的水经中间水箱送往热水池。冷却和提升泵组是将热水送入冷水池，前者直接送入， 后者通过冷却塔送入。其控制要求是使冷水池和热水池水位保持在正常工作水位附近，并且保证冷水池水温不高于工艺要求的设定值（ 35 ）。两水池的水位控制是以冷水池水位为目标参量，同时根据热水池水位进行修正。其特殊之处在于所有水泵的调节量比值是不变的，目的是保持由水温控制环提供的冷热水流量比不变。水温控制实质就是调节冷却泵组和提升泵组之间的出水比例即冷热水流量比。 ACC 循环水泵站水循环处理系统必须满足 ACC 工艺和设备所提出的各种要求，如满足 ACC 短时间大水量间隙脉冲工作方式，调节水流量使 ACC 主体设备中高位水箱的水 位恒定，控制 ACC 主体设备中侧喷泵水流量不变，保证 ACC 主体设备喷水温度恒定在某个低温值上，使冷水池和热水池水位保持在某个工作范围内等。要满足以上这些要求，就必须在循环水泵站设置相应的自动控制系统。该系统能够自动地监测整个循环水泵的运行状况。 1、 系统设计原则 (1)模块化。各系统自上而下逐层分解，直至完成所要求的功能，并在设 计中尽量减少模块间数据、控制参数的传递，以减少相关性。 (2)可靠性 。采用热备用方式 ，三台工频泵采用两用一备方式运行，变频泵采用两用一 备或一用一备的方式运行，并在无故障时工作泵 运行一定时间后自动切换 到备用泵，以便使所有的泵交替运行，保证水泵的寿命。 (3)实时性。自动地 对工作中的每个泵及其 控制设备 进行状态反馈 ，如水泵等的正常自动运行，在出现异常时迅速 切换 并报警 ，并通过相应指示灯帮助工作人员 发现故障的原因，及时的进行处理。 (4)方 可维护性。采用模块化设计以方便维护。 PLC 留有 10%-15%的裕量，以方便以后进行扩展。 nts毕业设计说明书 - 8 - (5)可读性 。系统拥有可视化的人机界面，可以对整个泵站系统的运行情况进行集中管理，分散控制。 2、 设计思想 (1)采用分级、分布式结构 系统设中央控制室和泵站现场监控站两级，由中 心 控室统一管理。每座泵站为相对独立的监控站，能实现就地控制的各种功能。系统功能还包括能实现手动控制、就地控制和远程控制的相互切换，当系统出现故障时，各监控站仍能实现就地控制。 (2)系统具有高可靠性 中央控制室设置成双机系统，采用双机热备份方式。自动化仪表驱动执行机构均选用可靠设备。 (3)故障诊断实时性 在一个控制周期内实现对系统内的各种 I/O模板的自诊断，发现故障立即进行切换和报警。 (4)系统扩展灵活，重组容易。 (5)模块化兼容的应用软件 。 泵站 SCADA 主站计算机系统采用开放式体系结构，有利于将来系统的升级。中心控制室计算机系统、现场泵分控站及检测仪表，通过 MODBUS PLUS 通信 构成了一个先进的管理控制和数据采集系统 (SCADA)，实现了对整个 ACC 泵站 PLC控制 集中管理及分散控制。 2.4 设计方案 2.4.1方案 选 比 方案 (一 )：利用 PLC 网络技术来实现分布式采样，即在被控点附近设置采样单元一套，就近完成被控点的状态采样和控制输出，主要为响就控制信号输出和信息采集，各采样单元间通过工业控制网络相连构成 监控系统的下位机系统。另设图形化监控终端一套构成监控系统的上位机，通过工业控制网络通讯，控制各采样单元之间控制信号；实现对 现场 设备、 运行 状况的监控。 方案 (二 )：利用 PLC 网络技术来实现分布式，即在被控点附近设置采样单元一套，就近完成被控点的状态采样和控制输出，并完成该采样单元内部各控制信号的互锁；各采样单元间通过工业控制网络相连构成监控系统的下位机系统。另设图形化监控终端一套构成监控系统的上位机，通过工业控制网络通讯，谐调并控制各采样单元之间控制信号；实现对 现场 设备、 运行 状况的监控。 两 个方案中， 方案 (一 )仅仅只是利用 PLC 网络技术来实现分布式采样，再将nts毕业设计说明书 - 9 - 各 PLC控制单元通过工业控制网与图形上位机系统联接，完成信号的采集，传送、处理。方案 (二 )在方案 (一 )的基础上，增加了上位机对下位机各 PLC 控制单元的谐调功能 ，并 充分利用高速的工业控制网（ MB+网）通讯技术及 PLC 的自动化控制性能 ， 这样不但充分发挥可编程控制器高性能的自动化控制优势，而且发挥出了工业控制网（ MB+网）的高速通讯性能，使得监控系统自动化程度更高，稳定性更好 。因此我们选用方案二作为本设计的基本方案。 2.4.2硬件设计 根据方案二设计 ACC 循环水泵站控制系统结构如下图所示， 系统由 打印机、HMI、 PLC、变频器、水泵电机、 传感器、 相关电器控制现场总线和 MODOBUS PLUS协议 等 组成 。 控制系统结构图 本系统是一个典型的由现场执行级 、下位主控级、和上位监控级组成的三级计算机 控制 系统。上位监控计算机与下位主控 PLC 及检测仪表 的通讯 采用 均采用MODOBUS PLUS 协 议 。 上位 监测系统由 MCGS（ HMI）软件组态，用于监控水处理站的系统运行过程 。远程 HMI位于 ACC控制室，所有画面都与本地 HMI相同， ACC操作人员可以通过远程 HMI了解水 处理系统的工作状况。 三台 监控计算机 均 采用 研华 POS-818，普通显示器 19寸， 提供友好、丰富的人机界面，对循环水系统运行状况进行全面监控nts毕业设计说明书 - 10 - 并有协调下位机进行主控的作用 。 在不使用上位机进行监视时， ACC水循环 系统一样会正常工作。此时，系统是通过下位机即 PLC进行单独工作的 ， 并且系统的工作状态是自动工作状态 。 PLC担负着为 ACC（轧后加速冷却）设备平稳供水的任务，工作泵出现故障后能够自动切换到备用泵，并且要求设定必要的保护功。 PLC是以微处理器为基础，综合自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装 置，它具有体积小，功能强，程序设计简单，灵活通用，维护方便等一系列的优点，特别是它的高可靠性和较强的适应恶劣工业环境的能力，使它成为大规模控制工程的理想下位机。 经 过 设备比选，我们最终选定了 SCHENIDER公司 QUANTUM系列 PLC与现场电器设备和执行机构直接连接，执行可靠 、 有效 、 具体的分散控制同时用于完成系统的实时数据采集 、 数据处理及与上位机通讯的功能 。 作为本 课程 设计现场主控部件较为理想，它主要完成变频器的逻辑控制。 该 PLC的特点是： (1)性能可靠、稳定 ， 适应于室外、 泵站 等恶劣环境下的自动化控制 。 (2)它 针对行业的发展趋势增加了很新的特点。具有兼容性好，处理 速 度快，具有可擦写的存储器，完整的 I/O选项，具有远程 I/O能 。 QUANTUM系列 PLC兼容： MODICON 984、 58系列， SQUARE D SYMAX系列。 I/O兼容： 584、 200系列， 800系列和 SYMAX系列。 (3)具有无与伦比的网络连接能力，特别是应用于 MODBUS PLUS网络的站间通讯技术，其快速、准确、可靠的性能充分满足 系统控制要求。 (4)同时其具有强大的编程功能， PLC组态软件 CONCEPT2.2支持梯形图（ LD）、功 能块图（ FBD）、结构化文本（ ST）等多 PLC编程语言，保证了系统的各类控制功能的需求 。 (5)系统构成扩展方便抗干扰性能好 。 该 水处理系统 是集监督、测量、控制、保护、信号、管理等于一体的计算机综合自动化系统。它包括对泵站主机运行参数的测量、控制、保护、相应的辅助设备、以及水情数据的收集处理。实现主室内集中数据显示，现场分散控制和保护，并能通过计算机网络将泵站的运行数据和状态实时、真实地展现在各级管理人员面前。 2.4.3软件 及网络通讯 设计 1、下位机软件 PLC 程序的录入可采用编程器完成 ,但这种方 式给稍大一些的程序调试带来了困难。采用 WINDOWS 操作界面的可编程控制器编辑软件 ,能集程序编辑、网络通信设置和监控于一体 ,并借助 PLC 网络 ,能访问网络系统中 PLC 的任意节点 ,nts毕业设计说明书 - 11 - 监控和修改其 I/O 状态。本设计 采用 QUANTUM 系列可编程控制器， CONCEPT2.2软件编程。 系统具有手动和自动两种功能。在手动模式下所有动作由操作人员控制，自动模式下各个目标参量由人工设定，而 PLC则根据目标参量自动进行调节。当水泵就地操作箱上的选择开关选择就地时，水泵处于手动状态，选择集中时，水泵处于自动状态，不论处于何种状态下 ， PLC 均按照控制流程，对水泵起 、 停过程进行控制。当气 动条件（电源正常，水池水位正常，水泵无故障、变频器无故障等 ）全部具备时，该水泵方能起动。起动或供水过程中，如有异常情况（电源故障 、 水池水位过低或过高 、冷水池温度过高、水泵 故障）发生时， PLC 既按正常顺序停泵，并自动投入备用泵，以确保系统正常工作。当 系统出现故障发出紧急停机 信号时， PLC 立即实施全系统紧急停机。 这些功能的实现是通过 CONCEPT编程软件在 PLC 中写入程序来实现的。 CONCEPT 编程软件的特点： (1)方便用户编程 CONCEPT 符合 IEC1131-3 编程语言标准并支持 5 中 IEC 标准语言：梯形图（ LD）、顺序功能图 （ SFC） 、功能块图（ FBD）、结构化文本（ ST）、指令表（ IL），还支持 LL984 梯形图语言。 为用户提供多种编程方式。 (2)功能强大 CONCEPT 为编程者提供生成派生 功能块或 DFB（导出功能块）标准库的功能，并可在 CONCEPT 应用程序中反复调用。这些 DFB 可以被写入梯形图、功能块图、结构化文本或指令表中。 (3)修改方便 标准应用编码的模块化和复用性使 CONCEPT 成为高效的编程环境。如果一些特定的算法或标准控制逻辑需要改变 ，例如电机启动电路，编程者只需要修改一次，而无需考虑在其程序中要调用多少次。 (4)具有离线仿真功能 。 2、 上位机软件 上位监控软件在 MCGS 环境下开发完成 ， MCGS 系统包括组态环境和运行环境，组态环境帮助用户设计和构造自己的应用系统，生成组态结果数据库；运行环境根据组态结果数据库中用户指定的方式进行各中处理，完成用户组态设计的应用系统。用户应用系统由主控窗口，设备窗口，用户窗口，实时数据库，和运行策略五部分组成，三种基本类型构件（设备构件、动画构件、策略构件）完成MCGS 三大功能部分（设备驱动、动画显示、 流程控制）。 MCGS 主要完成与 PLC通信、操作画面显示、故障报警、数据记录、趋势输出、报表打印等功能。 系统监控画面采用层次型结构设计，各子系统之间很容易切换，直观反映现场工况，且便于操作人员使用，简洁、直观、功能完善是它的最大特点。采用层次型结构nts毕业设计说明书 - 12 - 便于操作人员完成多个子系统的准确切换，避免由于系统结构繁琐造成的误操作。各子系统也采用相近的功能菜单，切换方便，功能完善，在同一幅主画面内可完成多项操作功能 。 组态功能一般包括系统组态、环境组态、控制组态、显示组态、历史数据组态、报警组态和报表组态。通过这些组态功能可 以控制系统 (包括硬件和软件 )控制方案的构成，不同人员介入系统的权限及运行人员工作站提供的功能等。整个组态过程是在菜单和功能键的帮助下进行的。操作功能是工作站在系统运行时提供给操作人员的功能。包括显示操作，打印和性能计算等。 使用 MCGS 组态软件开发，该软件有以下特点： (1)在 Microsoft Windows 98/NT/2000 平台上运行，软件性能优异，运行稳定。画面简洁美观，操作方法简单。 (2)从经济上考虑 ，比国外软件便宜很多。由于是国内软件，在对不同设备（ 如 变 频 器；智能表）的驱动的开发上周期短。 (3)它 充分利用了 Windows 图形功能完备、界面一致性好、易学易用的特点，必以往使用专用机开发的工业控制系统更具有通用性。 (4)系统的开放性能好，能支持多家 PLC、智能仪表和板卡等工控产品 , 组态软件能进行二次开发 , 开发的监控软件支持多家 SCADA、 HM I 软件和其它应用程序之间的通讯。 3、网络通 讯 本系统采用 SHENIDER 公司所提供的 MODOBUS PLUS (MB+)网，速率达 1M以上，实现上位机与下位机在之间的通讯。 所选 SHENIDER 公司 QUANTUM PLC 支持 MODOBUS， MODOBUS PLUS (MB+)、以太网三种协议。由于 MODOBUS 是基于串行通信 232 的一个协议，满足不了现场快速实时的数据交换，所以考虑后二种的通信方式。在实现现场数据交换的快速性、准确性上 后 两 种 性能差不多。如果现场涉及的范围很广，也就是所需网线较长，且上位机数量多 适合 用以太网 。 若网线较短，且 PLC 主机多，选用 MB+网。 本系统选择后一种。 MODOBUS PLUS (MB+)是一种高速局域网络 ， 具有高速 、 对等等通信特点 ,它允许多台计算机 、 可编程控制器和其他数据源以对等方式通过低成本的双绞线进行通信 MB+网可以由一个或多个通信链路构成 ， 标准的 MODOBUS PLUS 网络能够支持距离为 375m 的 32 个节点 若需要更远距离的通信 ,则可以使用MODOBUS PLUS 中继器将网络扩展为 64 个节点的长距离中继器最多可使 3 个 ，为保证本系统和其他系统的网络稳定 、 可靠地工作 。 2.4.4方案特点 1、 可靠性高 nts毕业设计说明书 - 13 - (1)系统的控制功能采用以 PLC为核心的基本控制单元实现。 现场主要运行设备如泵，都配有 备 用泵 ，一旦在运行中泵出现故障， PLC通过程序控制将备用泵投入运行，并切断故障泵，不但方便了检修还不影响整体系统的运行情况提高 了系统的可靠性。 (2)对系统中影响全局的关键设备，如数据通信系统，上位机接口和电源等，采用双重化冗余技术。 (3)控制单元就地安装并进行控制，只把必要的信息通过通信系统提供给系统共享，使电缆大大地减少，从而减少了传输线路引入的干扰信号。 (4)采用固化在 ROM中的标准化控制模块，避免了因软件设计不当，造成编制程序和调试失误引起的降低系统可靠性的问题，提高了软件的可靠性 。 (5)系统具有较完善的自诊断功能，发现故障时能及时通过报警装置发出报警信号。 2、控制功能完善 本设计通过 PID控制器 可以执行 PID控 制运算，可以进行连续的反馈控制，逻辑控制等适应能力强。此外，还可以实现监控、显示、打印、报表、历史数据存储等日常全部操作要求。 上位机监控画面丰富，功能齐全 。 3、人 -机联系功能强 通过上位机 可以监视 系统 生产装置甚至整个泵站群的运行情况，按预定的控制 运行 ， 一旦发生故障界面会以特定显示出来，从而告知监控人员去做相应的处理。 4、 通讯 简单 上位机与下位机通讯 采用智能模块的方式 ， 通讯 简单，只需对 设备 如莫迪康-ModPlus做相应的设置即可 。 避免了复杂繁琐的 通讯程序设计 ，减少了设计时间，并且 还 提高了运行的可靠性。 5、系统构成灵活，容易扩展 整个系统的硬件采用标准的模块结构，用户根据需要扩大或缩小系统的规模或改变系统的级别。很容易对系统方案进行修改，计算机监控系统允许一定的接口把其它的仪表接入自己的系统，形成完全开放的工业系统。 6、安装调试简单 计算机监控系统的各单元都安装在标准机框内，模件之间采用多芯电缆、标 准化接插件相连，与过程连接时采用规格化端子板，到中控室操作站只需敷设同 nts毕业设计说明书 - 14 - 轴电缆进行数据传递，所以布线量大大减少，安装工作量仅为常规仪表的 1/2到 1/3。系统采用专用软件调试，调试时间仅为常规仪表的一半。 7、性能价格比高 在性能上计算机和 PLC相结合的控制 系统技术先进，功能齐全，可靠性高 。适用于多级控制管理工作。在价格方面，目前在国外，控制回路生产过程采用计算机监控系统的投资，己经与采用模拟仪表相当。规模越大，平均每个回路的投资费用越低。 8、维护方便 下位机为智能部件可独立工作，维护方便 。 nts毕业设计说明书 - 15 - 第三章 系统硬件配置 3.1 硬件 选型 3.1.1 上位机 硬件设备： 研华 POS-818，普通显示器 19寸共 3台。 操作系统： Windows98/NT/2000 应用软件： 全中文 工控组态软件 MCGS 5.1 3.1.2 下位机 系统中的 十 七个 水 泵 PLC 控制系统均由 施耐德 公司提供的基本模块化控制器组成，它包括机架、电源、处理器 (CPU)、各种输入 /输出 (I/O)模块和一个编程用的操作员接口设备。根据现场采集信号与被控信号的类型与数量确定所使用模块的类型与数量。本系统中 PLC 所用模块为： 处理器模 块 离散型 I/O 模 块 模拟量 I/O 模 块 电源模 块 操作员终端 (PanelView550,2711K5A2)。 所以，为一个实际的系统配置 PLC 硬件时， 要根据以下的次序来选择相应的硬件产品：信号采集点数 I/O 模 块 处理器 电源 框架。 1、采集点数 监控系统中，我们所需监控的数据包括以下 四 类，离散量输入（ DI），包括开关的位置状态，操动机构状态，故障状态等；离散量输出（ DO），如开关的分、合闸控制；模拟量输入 （ AI） ， 如水箱水位、温度 等测量值 ;模拟量输出（ AO） 。PLC 采样点容量如下： nts毕业设计说明书 - 16 - 序号 类型 PLC 采样点数 1 DI 119 2 DO 82 3 AI 34 4 AO 16 2、 I/O模块 1）离散量 I/O模 块 名称 离散量输入 离散量输出 型号 140 DAI 753 00 140 DAO 853 00 数量 4块 3块 电流类型 交流 交流 输入电压（ V） 24正逻辑 24正逻辑 总点数 32 32 共地点数 8 8 寻址字 2 2 总线电流（ mA） 250 320 2)模拟量 I/O模块 名称 模拟量输入 模拟量输出 型号 140 AVI 030 00 140 ACO 130 00 数量 3块 2块 输入信号范围 0 20mA, 20mA 0 10V, 10V 0 5V, 5V 4 20mA 0 20mA 0 25mA 总点数 8 8 共地点数 1 1 寻址字 9 8 总线电流（ mA） 280 550 nts毕业设计说明书 - 17 - 3） I/O电源模块 名称 I/O电源模块 型号 140 UPS 124 20 输入电压（ V） 交流 115/230 类型 独立 最大中断时间 (ms) 8 能力 A 3 3、处理器模块 名称 QUANTUM CPU 模块 型号 140 CPU 530 14V （ 2） 处理器 /时钟速度 /HZ 486/66M 存储器 FLASH/SRAM 1M/2M 控制点数 65536 逻辑计算速度 (ms/k) 0.1 0.5 总线电流 mA 1800 通讯口 MB（ 2）、 MB+（ 1） 3.1.3 变频器 根据电动机的额定功率为： 90KW、 160KW、 200KW、 280KW、我们选择 Schneider公司 Altivar 62 和 ATV38 系列节能型变频器。 Altivar 62 是一种结构紧凑，坚固的大功率三相异步电动机用变频器，它集最新的技术发展成果和控制功能为一体，可满足大多数应用场合可适用于泵类易于编程，具有一些应用配置仅更改几个基本参数，便可创建附加功能其功率范围覆盖了 160KW到 630KW 恒力矩及变力矩应用。具有高性能易于调整的优点，在停车时，靠单一的自动调协操作，既可获得高力矩和高质量的传动控制，即使在低速时 (0.5HZ)也是如此。90KW,280KW 的电动机，变频器选用 ATV38 系列节能型变频器 ,其功率范围为 :0.75KW 315KW;三相电源电压 :380V 460V,50HZ/60HZ;调速范围 :1： 10。 nts毕业设计说明书 - 18 - 电机 铭牌上所示功率 (KW) 160 200 视在功率 (KVA) 225 280 电源 线电流 (A) 290 360 ATV62 额定电 流 (A) 325 404 最大瞬时电流 (A) 487 606 额定负载下耗散功率 (KW) 4000 5000 型号 ATV-62C23Q ATV-62C28Q 3.1.4 软启动器 软起动器是一种起动笼型异步电动机的新设备，它可以使电机的起动电流以恒定的斜率平稳升，对电网无冲击；起动电流不受电网波动影响；减少起动转矩对负载的冲击；并有过载和缺相保护等功能。我们选用 SCHNIDER公司的 ATS 46系列软启动器。 Altistart46软启动 -软停止单元 标准负载应用 电动机额定铭牌功率，单位 KW 电机 电机功率（ 400V） 220(KW) 启动器 出厂设置电流 367(A) 额定电流（启动器电流极限） 410(A) 启动器型号 ATS-46C41N 3.2 PLC 硬件配置 1、 离散量输入模块 接线图 140 DAI 753 00 nts毕业设计说明书 - 19 - 2、 离散量输出模块 接线图 140 DAO 853 00 nts毕业设计说明书 - 20 - 3、 模拟量输入模块 接线图 140 AVI 030 00 nts毕业设计说明书 - 21 - 4、 模拟量输出模块 接线图 140 ACO 130 00 nts毕业设计说明书 - 22 - nts毕业设计说明书 - 23 - 第四章 可编程控制器 4.1I/O 分配 1、 离散 量输入： 模块号 序号 地址 描述 1 1 100001 1#工频电机主回路 KM1 状态 2 100002 2#工频电机主回路 KM2 状态 3 100003 3#工频电机主回路 KM3 状态 4 100004 1#工频电机运行（包括启动过程） 5 100005 2#工频电机运行（包括启动过程） 6 100006 3#工频电机运行（包括启动过程） 7 100007 1#工频电机过载 8 100008 2#工频电机过载 9 100009 3#工频电机过载 10 100010 1#工频电机停止 11 100011 2#工频电机停止 12 100012 3#工频电机停止 13 100013 ATS46C41N 内部继电器 R1 输入（软启故障） 14 100014 ATS46C41N 内部继电器 R2 输入（软启结束） 15 100015 空 16 100016 空 17 100017 工频电机自动运行方式 18 100018 1#变频电机主回路 KM1 的状态 19 100019 2#变频电机主回路 KM2 的状 态 nts毕业设计说明书 - 24 - 1 20 100020 3#变频电机主回路 KM3 的状态 21 100021 4#变频电机主回路 KM4 的状态 22 100022 5#变频电机主回路 KM5 的状态 23 100023 6#变频电机主回路 KM6 的状态 24 100024 7#变频电机主回路 KM7 的状态 25 100025 8#变频电机主回路 KM8 的状态 26 100026 9#变频电机主回路 KM9 的状态 27 100027 10#变频电机主回路 KM10 的状态 28 100028 11#变频电机主回路 KM11 的状 态 29 100029 12#变频电机主回路 KM12 的状态 30 100030 13#变频电机主回路 KM13 的状态 31 100031 空 32 100032 空 2 33 100033 14#变频电机主回路 KM14 的状态 34 100034 1#变频电机运行 35 100035 2#变频电机运行 36 100036 3#变频电机运行 37 100037 4#变频电机运行 38 100038 5#变频电机运行 39 100039 6#变频电机运行 40 100040 7#变频电机运行 41 100041 8#变频电机运行 42 100042 9#变频电机运行 43 100043 10#变频电机运行 44 100044 11#变频电机运行 45 100045 12#变频电机运行 46 100046 13#变频电机运行 47 100047 空 nts毕业设计说明书 - 25 - 2 48 100048 空 49 100049 14#变频电机运行 50 100050 1#变频电机过载 51 100051 2#变频电机过 载 52 100052 3#变频电机过载 53 100053 4#变频电机过载 54 100054 5#变频电机过载 55 100055 6#变频电机过载 56 100056 7#变频电机过载 57 100057 8#变频电机过载 58 100058 9#变频电机过载 59 100059 10#变频电机过载 60 100060 11#变频电机过载 61 100061 12#变频电机过载 62 100062 13#变频电机过载 63 100063 空 64 100064 空 3 65 100065 14#变频电机过载 66 100066 1#变频电机停止 67 100067 2#变频电机停止 68 100068 3#变频电机停止 69 100069 4#变频电机停止 70 100070 5#变频电机停止 71 100071 6#变频电机停止 72 100072 7#变频电机停止 73 100073 8#变频电机停止 74 100074 9#变频电机停止 75 100075 10#变频电机停止 nts毕业设计说明书 - 26 - 3 76 100076 11#变频电机停止 77 100077 12#变频电机停止 78 100078 13#变频电机停止 79 100079 空 80 100080 空 81 100081 14#变频电机停止 82 100082 1#变频器故障 83 100083 2#变频器故障 84 100084 3#变频器故障 85 100085 4#变频器故障 86 100086 5#变频器故障 87 100087 6#变频器故障 88 100088 7#变频器故障 89 100089 8#变频器故障 90 100090 9#变频器故障 91 100091 10#变频器故障 92 100092 11#变频器故障 93 100093 12#变频器故障 94 100094 13#变频器故障 95 100095 空 96 100096 空 4 97 100097 14#变频器故障（内部继电器 R1 断开） 98 100098 热水池上限水位 99 100049 热水池下限水位 100 100100 冷水池上限水位 101 100101 冷水池下限水位 102 100102 变频电机自动运行方式 nts毕业设计说明书 - 27 - 4 103 100103 冷却泵组自动运行方式 104 100104 提升泵组自动运行方式 105 100105 200KW 给水泵组自动运行 106 100106 90KW 给水泵组自动运行 107 100107 侧喷泵组自动运行方式 108 100108 空 109 100109 空 110 100110 空 111 100111 空 112 100112 空 2、 离散量输出： 模块号 序号 地址 描述 1 1 000001 1#工频电机启动 2 000002 2#工频电机启动 3 000003 3#工频电机启动 4 000004 1#工频电机停止 5 000005 2#工频电机停止 6 000006 3#工频电机停止
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