第11章 计算机控制系统设计及实例(增加).ppt

计算机控制技术 大连理工大学出版社 计算机控制系统设计及实例 第11章 计算机控制系统设计及实例 本章主要从实际应用的角度 介绍了计算机控制系统设计的原则与步骤 计算机控制系统的工程设计与实现 并给出了计算机控制系统的设计应用实例 学习任务 熟悉计算机控制系统的设计原则与步骤 掌握计算机控制系统的设计与实现 主要内容 11 1计算机控制系统设计原则与步骤11 2电阻炉温度计算机控制系统设计11 3变频恒压供水计算机控制系统设计本章小结习题与思考 计算机控制系统从设计到实施的整个过程如下 1 总体方案的设计 2 工作计划的制订与实施 3 计算机及仪表的选型 4 订货 验收 5 各方面的人员安排 调配 6 控制系统的研究 开发 集成 安装 调试 7 工程的验收和投入使用 8 其他相关工作 11 1计算机控制系统设计原则与步骤 由于被控系统的不同 要求计算机实现的控制功能也不相同 因此其组成规模及构成方式也是灵活多样的 但系统设计的基本方法和主要步骤大体上是相同的 即系统总体方案设计 计算机的选择 控制算法的确定 硬件设计和软件设计等 11 1 1计算机控制系统设计原则11 1 2计算机控制系统设计步骤 11 1 1计算机控制系统设计原则 1 安全可靠2 操作 维护与维修方便3 实时性强4 通用性好5 经济性高 11 1 2计算机控制系统设计步骤 计算机控制系统的研制可分为四个阶段 1 工程项目与控制任务的确定阶段 2 工程项目设计阶段 3 离线仿真和调试阶段 4 在线调试和运行阶段 1 工程项目与控制任务的确定阶段 1 甲方提出任务委托书 2 乙方研究任务委托书 3 双方对委托书进行确认修改 4 乙方初步进行系统总体方案设计 5 乙方进行方案可行性论证 6 签订合同书 需要指出的是 现今的计算机控制系统工程设计和实施项目也与其他工程项目类似 越来越多地引入规范的工程招标形式 即先由甲方将所需要解决的技术问题和项目要求 包括各项技术指标 技术服务内容 工期等 提出 并写好标书 由招标公司公开向社会招标 感兴趣的单位都可以拟订好投标书在规定的时间内投标 最后由专家组开标 评标等 确定中标的单位就是乙方 2 工程项目设计阶段 1 工程项目设计阶段主要包括组建项目研制小组 系统总体方案的设计 方案论证与评审 硬件和软件的细化设计 制作调试 系统组装等 在签订了合同或协议后 系统的研制便进入了实质性设计阶段 首先应组建项目组 其成员应由懂得计算机硬件 软件和有控制经验 生产 工艺流程知识的技术人员组成 还要明确分工和相互的协调合作关系 2 工程项目设计阶段 2 系统总体方案包括硬件总体方案和软件总体方案 硬件和软件的设计是相互有机联系的 因此 在设计时要经过多次的协调和反复 最后才能形成合理的统一的总体设计方案 总体设计方案应形成较为详细的文件 包括硬件和软件的框图 控制策略和控制算法的确定 并建立说明文档 总体设计方案形成后应邀请有关专家 主管领导及甲方代表对方案做进一步论证与评审 进行最后把关和最终裁定 评审后重新修改 确定的总体设计方案是进行具体设计和工程实施的依据 作为正式文件存档 原则上不应再做大的改动 这 步骤对于大型项目尤其重要 2 工程项目设计阶段 3 硬件和软件的分别细化设计就是将总体方案具体化 落实到框图的底层 然后进行底层块内的结构细化设计 硬件设计包括主机和通用模板的选购 专用模板 如电平转换模板 光电隔离模板 驱动放大模板等 的设计 电源模块的设计 控制柜的设计以及系统可靠性设计等 对软件设计来说 就是将一个个模块编成一段段的程序 硬件 软件的设计都需要边设计 边调试 边修改 往往经过几个反复过程才能完成 此步骤只能在总体方案评审后进行 如果进行得太早就会造成资源的浪费和返工 2 工程项目设计阶段 4 在完成硬件和软件的设计后 就分别进入制作和调试阶段 硬件制作可以在实验室自行完成或委托加工制作 硬件调试包括器件测试 电路板调试 子功能模块调试 控制柜的安装调试等 软件调试是根据软件流程框图编制各模块程序的源代码 采取设置断点 单步追踪等手段检验软件模块的功能及正确性 然后进行编译以及必要的连接 生成计算机可执行的目标代码 当硬件和软件分别调试通过后就可以进行系统的组装 组装是离线仿真和调试阶段的前提和必要条件 3 离线仿真和调试阶段 所谓离线仿真和调试是指在实验室而不是在工业现场进行的仿真和调试 离线仿真和调试后 还要进行考机运行 考机的目的是要在连续运行中暴露问题和解决问题 4 在线调试和运行阶段 系统离线仿真和调试后便可进行在线调试和运行 在线调试和运行就是将系统和生产过程连接在一起 进行现场调试和运行 尽管系统已经通过了离线仿真和调试 但工业现场情况十分复杂 现场调试和运行仍可能出现问题 因此必须重视现场调试环节 以便及时发现问题 认真分析加以解决 系统运行正常后 再试运行一段时间 即可组织验收 验收是系统项目最终完成的标志 应由甲方主持 乙方参加 双方协同办理 共同组织材料 验收完毕后应形成验收文件存档 11 1 3计算机控制系统的工程设计与实现 在研制一个计算机控制系统工程项目过程中 要预先拟定好科学合理的设计步骤 并严格按照此步骤有条不紊地进行 如果步骤不清楚 或者每一步做什么不明确 就有可能引起研制过程中的混乱甚至返工 造成资源的浪费 实际系统工程项目的设计与实现应该按照本章11 1 2节所述步骤进行 本节就系统的工程设计与实现问题作进一步讨论 这些内容对实际工作有重要的指导意义 1 计算机控制系统的总体方案设计 总体设计方案中首先要确定整个控制系统的结构和类型 另外总体设计方案中还要包括硬件设计与软件设计两个部分 具体设计时一般采用 黑箱 设计方法 就是根据控制要求 将完成控制任务所需的各功能单元 模块以及控制对象 采用框图表示 从而形成系统的总体框图 总体设计方案中还应包括控制系统对现场工艺的要求 比如为了安装某个关键的现场仪表 需要改装某根管道 为了控制方案的实施 需要工艺人员的配合 增加现场气源等 总之 总体设计方案是整个控制系统设计的关键 需要对生产工艺的深入了解以及工艺技术人员的支持与配合 1 硬件总体方案设计 计算机控制系统的硬件总体设计方案主要包括以下各方面的内容 系统的构成方式 现场设备及自动化仪表的选择 人机接口方式 系统的控制机箱结构设计 抗干扰措施等 2 软件总体方案设计 软件总体方案设计的内容主要是确定软件平台 软件结构 任务分解 建立系统的数学模型 控制策略和算法的实现等 在软件设计中也应采用结构化 模块化 通用化的设计方法 自上而下或是自下而上地画出软件结构框图 逐级细化 直到能清楚地表示出控制系统所要解决的问题为止 将商品化的监控组态软件经二次开发后用于计算机控制系统中 是当今计算机控制系统软件设计有效的方法之一 3 系统总体方案设计 软件设计和硬件设计是密切相关的 它们结合在一起便构成了整个系统的总体方案 总体方案是系统具体设计时的依据 应在工艺技术人员的配合下 从合理性 经济性及可行性等方面反复论证形成 经论证可行后的总体方案 要形成文件 建立完整的总体方案文档 其内容包括 系统的主要功能 技术指标 原理性框图及文字说明 控制策略与算法 系统的硬件结构与配置 主要的软件功能 结构 平台及实现框图 方案的比较与选择 抗干扰措施与可靠性设计 机柜或机箱的结构与外形设计 经费和进度计划的安排 对现场条件的要求 2 硬件的工程设计与实现 1 选择系统的总线 2 选择输入 输出通道 3 选择现场设备 3 软件的工程设计与实现 由于许多型号的工业控制机或计算机集散控制系统都配有实时操作系统 实时监控程序 各种控制及运算软件模块 组态软件等 所以采用工业控制机来组建计算机控制系统不仅能大大减少硬件设计的工作量 而且可以使系统设计者根据控制要求 选择所需要的模块进行组态 在较短的时间内开发出目标系统软件 因此 在项目资金较为充裕的情况下 可根据情况首选质量可靠 信誉好的品牌工业控制机 这样在充分保证硬件质量的同时 能够获得较为丰富的软件技术支持 此外 还可选择商品化的工控软件 在减少软件工作量的同时 达到较高的整体水平 当然并不是所有的工业控制计算机都能给系统设计带来上述的方便 有些工业控制机只能提供硬件设计的方便 而应用软件需自行开发 比较常见的是需要自行研制开发有关控制策略与算法 针对解决具体问题的软件模块 在某一软件平台上进行组态等 自行开发控制软件时 应先画出程序总体流程图和各功能模块图 再选择程序设计语言 然后编制程序 程序编制应先编制模块 然后编制整体程序 4 控制系统的调试与运行 1 离线仿真与调试 硬件调试 软件调试 2 系统仿真 3 在线调试和运行 硬件调试 对于各种标准功能模块 按照说明书检查主要功能 比如主机板 cpu板 上ram区的读写功能 rom区的读出功能 复位电路 时钟电路等的正确性 在调试a d和d a模板之前 必须准备好信号源 数字电压表 电流表等 对这两种模板要先检查信号的零点和满量程 然后再分挡检查 比如满量程的25 50 75 100 并且上行和下行循环调试 以便检查线性度是否符合要求 如果有多路开关板 应测试各通路是否正确切换 利用开关量输入和输出程序来检查开关量输入 di 和开关量输出 do 模板 测试时可在输入端输入开关量信号 检查读入状态的正确性 在输出端检查输出状态的正确性 硬件调试还包括现场仪表和执行机构的调试 如压力变送器 差压变送器 流量变送器 温度变送器以及电动或气动调节阀等 这些仪表必须在安装之前按照说明书要求校验 若是分级计算机控制系统和集散计算机控制系统 还要调试通信功能 验证数据传输的正确性 软件调试 软件调试包括对各个子程序 功能模块 主程序的分别调试以及整体程序的联合调试 有时为了调试某些程序 可能需要编写临时性的辅助程序 软件调试的方法一般采取自下而上的连级调试 这些程序的调试比较简单 用开发装置 或仿真器 以及计算机提供的调试程序就可以进行调试 程序设计一般采用汇编语言和高级语言混合编程 对处理速度和实时性要求高的部分用汇编语言编程 如数据采集 时钟 中断 控制输出等 处理速度和实时性要求不高的部分用高级语言编程 如数据处理 变换 图形显示 打印 统计报表等 2 系统仿真 所谓系统仿真 就是应用相似原理和类比关系来研究事物 也就是用模型来代替实际生产过程 即被控对象 进行实验研究 系统仿真有以下三种类型 全物理仿真 或称在模拟环境条件下的全实物仿真 半物理仿真 或称硬件闭路动态实验 数字仿真 或称计算机仿真 系统仿真尽量采用全物理或半物理仿真 试验条件或工作状态越接近真实生产过程 其效果也就越好 对于纯数据采集系统 一般可做到全物理仿真 而对于闭环控制系统 要做到全物理仿真几乎是不可能的 因为我们不可能将实际生产过程搬到实验室中 因此 闭环控制系统只能做到半物理仿真 被控对象可用实验模型来代替 在系统仿真的基础上 进行长时间的考机试验 并根据实际运行环境的要求 需要进行特殊运行条件的考验 例如 高温和低温剧变运行试验 振动和抗电磁干扰试验 电源电压突变和掉电保护试验等 3 在线调试和运行 在所有的准备工作做好之后 即可开始在线调试和运行 在此过程中 控制系统的设计人员与技术人员要密切配合 制订出调试计划 实施方案 安全措施 分工合作细则等 以避免或减少因调试给生产带来不良影响 现场的调试与投入运行过程应遵循从小到大 从易到难 从手动到自动 从简单回路到复杂回路 先开环后闭环逐步过渡的原则 稳妥地实现计算机控制 计算机控制系统的投入运行是一个系统工程 是对计算机控制系统的全面检查和考核 要特别注意一些容易忽视的问题 如现场仪表与执行机构的安装位置 现场校验 各种接线与导管的正确连接 系统的抗干扰措施 供电与接地 安全防护措施等 设计者应该有严肃认真的科学态度 一丝不苟地解决问题 绝不允许回避和掩盖矛盾 对于系统的可靠性和稳定性应长期考验 针对工业生产现场的特殊环境 采取有效的措施 11 2电阻炉温度计算机控制系统设计 在冶金 化工 电力 造纸 机械制造和食品加工等许多生产过程中 人们需要对各类加热炉 热处理炉 反应炉和锅炉的温度进行检测和控制 因此 温度是工业控制对象中一个比较常见的被控参数 本小节以在工业领域中应用较为广泛的电阻炉为被控对象 采用mcs 51单片机实现电阻炉温度计算机控制系统的设计 介绍电阻炉温度计算机控制系统的组成 并完成系统总体控制方案和达林算法控制器的设计 给出系统硬件原理框图和软件设计流程图等 11 2 1电阻炉及其控制要求 1 电阻炉组成及其加热方式2 控制要求 1 电阻炉组成及其加热方式 电阻炉是工业炉的一种 是利用电流通过电热体元件将电能转化为热能来加热或者熔化元件或物料的热加工设备 电阻炉由炉体 电气控制系统和辅助系统组成 炉体由炉壳 加热器 炉衬 包括隔热屏 等部件组成 由于炉子的种类不同 因而所使用的燃料和加热方法也不同 由于工艺不同 所要求的温度高低不同 因而所采用的测温元件和测温方法也不同 产品工艺不同 对控温精度要求不同 因而控制系统的组成也不相同 电气控制系统包括主机与外围电路 仪表显示等 辅助系统通常指传动系统 真空系统 冷却系统等 因炉种的不同而各异 电阻炉的类型根据其热量产生的方式不同 可分为间接加热式和直接加热式两大类 间接加热式电阻炉 就是在炉子内部有专用的电阻材料制作的加热元件 电流通过加热元件时产生热量 再通过热的传导 对流 辐射而使放置在炉中的炉料被加热 直接加热式电阻炉 是将电源直接接在所需加热的材料上 让强大的电流直接流过所需加热的材料 使材料本身发热从而达到加热的效果 工业电阻炉 大部分采用间接加热式 只有一小部分采用直接加热式 由于电阻炉具有热效率高 热量损失小 加热方式简单 温度场分布均匀 环保等优点 应用十分广泛 2 控制要求 本系统中所选用的加热炉为间接加热式电阻炉 控制要求为 1 采用一台主机控制8个同样规格的电阻炉温度 2 电炉额定功率为20kw 3 恒温正常工作温度为1000 控温精度为 1 4 电阻炉温度按预定的规律变化 超调量应尽可能小 且具有良好的稳定性 5 具有温度 曲线自动显示和打印功能 显示精度为 1 6 具有报警 参数设定 温度曲线修改设置等功能 11 2 2系统总体方案设计 1 控制系统组成2 控制系统工作原理 控制系统组成 电阻炉温度计算机控制系统主要由主机 温度检测装置 a d转换器 执行机构及辅助电路组成 系统中主机可以选用工业控制计算机 单片微型计算机或可编程序控制器中的一种作为控制器 再根据系统控制要求 选择一种合理的控制算法对电阻炉温度进行控制 控制系统组成框图如图11 1所示 采用热电偶作为测温元件 经变送器及a d转换电路对测得的温度信号进行处理 送入主机与给定值比较 按控制算法计算后输出控制量 通过固态继电器实现对电阻炉加热功率的调节 使炉温按设定温度曲线变化 本系统还具有报警 键盘输入及显示等功能 控制系统工作原理 1 控制系统主机考虑到mcs 51系列单片机已经过长期的应用 性能比较稳定 其功能完全可以满足本系统控制要求 人们对它又比较熟悉 因此主机采用at89c51单片机 2 检测装置系统选用镍铬 镍硅热电偶作为测温元件检测炉膛中的温度 镍铬 镍硅热电偶测温范围为 200 1200 分度号为k 它线性度较好 价格便宜 输出热电动势较大 40 a 便于测量放大器的选配 热电偶冷端温度补偿采用集成温度传感器ad590 变送器采用两级放大 第一级选用高稳定性运放icl7650 第二级由通用型集成运算放大器 a741构成 3 执行机构采用交流过零触发型固态继电器控制电路 这种控制方式与传统的采用移相触发电路改变晶闸管导通角的双向晶闸管 scr 控制方式相比 具有稳定 可靠 先进等优点 4 模 数转换器 a d转换器 选用ad574a模 数转换器实现对温度信号的转换 ad574a是12位逐次逼近型a d转换器 转换时间为25 s 转换精度为0 05 2 系统的模型参数测试与控制算法选取 理论分析和实验结果表明 电阻炉是一个具有自平衡能力的对象 可以近似为带有纯滞后的一阶惯性环节 被控对象的数学模型为g s 11 1 式中 为被控对象的纯滞后时间 设其为采样周期的整数倍 即 nt n为正整数 t为采样周期 tp为被控对象的惯性时间常数 k为广义对象的放大倍数 由被控对象实验得到的飞升曲线 确定出被控对象的纯滞后时间 1 2min和被控对象的惯性时间常数tp 1 2min 当 tp 0 5时 可采用pid算法控制 当 tp 0 5时 可采用达林算法控制 本系统 ttp 0 5 故采用达林算法控制 11 2 3系统硬件和软件设计 1 温度检测电路及功率放大电路 2 ad574a模 数转换电路 3 执行机构 4 键盘 显示电路 5 存储器扩展电路 6 报警电路 1 温度检测电路及功率放大电路 本系统采用镍铬 镍硅热电偶检测电阻炉中的温度 热电偶测温是基于物体的热电效应 它由两种不同的金属或合金组成 其优点是结构简单 可将温度信号转换成电压信号 测温范围广 精度高 可实现远距离测量和传送 使用稳定 可靠 因此被广泛应用 其不足之处是测温精度受冷端温度 即环境温度 的影响 为了提高热电偶测温精度 需要在热电偶冷端进行温度补偿 温度检测电路及功率放大电路如图11 2所示 热电偶冷端温度补偿采用的是集成温度传感器ad590 流过ad590的电流iu 273 a t0 1 a 1 温度检测电路及功率放大电路 式中 t0为室温 负载电阻r3上输出电压uout iur3 选择电阻r3使uout在ad590允许输入电压范围内 本系统选择r3 10k 这种测量方法冷端温度准确 克服了常规方法补偿误差大和不方便的缺点 热电偶传感器输出的电压信号较为微弱 只有几毫伏到几十毫伏 因此在进行a d转换之前必须进行信号变送 由高放大倍数的电路将它放大到a d转换器通常所要求的电压范围 热电偶的输出热电势为0 56mv 本系统前级选用自稳态高精度斩波运放icl7650 输入信号为差动信号 放大倍数为15倍 后级运放选用较廉价的 a741 放大倍数可调 最大可达100倍 主要完成反相功能 icl7650输入端的钳位二极管起保护作用 避免输入线路发生故障时的瞬态尖峰干扰损坏运放 输入电压可直接送入ad574a进行转换 图11 2温度检测电路及功率放大电路 1 温度检测电路及功率放大电路 由于热电偶的电动势温度特性是非线性的 所以必须加以校正 本系统把0 1000 范围内的热电动势温度特性曲线分成20段 根据曲线的非线性程度来划分 分段进行非线性校正 并将校正后的温度值以表格的形式存入eprom中 然后将数字滤波后的采样值 经查表和线性插值运算得到相应的炉温值 从而完成了非线性校正和标度变换 2 ad574a模 数转换电路 a d转换器的选择应满足其分辨率要高于系统的精度要求 且有一定的裕量 ad574a内部有时钟脉冲源和基准电压源 无需外加时钟信号 通过改变ad574a引脚8 10 12的外接电路可使其进行单极性和双极性模拟信号的转换 本设计采用单极外输入方式 ad574a的分辨率为1 212 0 00024414 本系统允许控制误差为1 1000 0 001 0 00024414 故选择ad574a符合设计要求 图11 3说明 如图11 3所示 ad574a工作在12位状态 转换值分两次输出 高8位从db4 db11输出 低4位从db0 db3输出 并直接和单片机的数据线相连 ad574a的片选端接锁存器的q7端 低电平有效 ce为片选使能端 高电平有效 cs和ce共同用于片选控制 只有当两个信号同时有效时 才能选中本芯片工作 a0端接锁存器74ls373的q1端 a0 0时启动a d转换 r 接锁存器74ls373的q0端 r 0时 启动a d转换 r 1时 允许读出转换后的数据 at89c51的和经 与非 门74ls00与ad574a的ce端相接 12 8接地表示at89c51要分两次从ad574a读出a d转换的12位数字量 图11 3ad574a转换电路 3 执行机构 传统的ssr控制采用移相触发电路 通过改变晶闸管导通角的大小来调节输出功率 从而达到自动控温的目的 这种移相方式输出一种非正弦波 实践表明这种控制方式产生相当大的中频干扰 并通过电网传输给电力系统造成 公害 本系统采用单片机控制的固态继电器控温电路 其波形为完整的正弦波 对电阻炉这样的惯性较大的被控对象 是一种稳定 可靠 较合理的控制方法 调功原理为 设电网连续n个完整的周波为一个控制周期tc 则tc 11 2 式中 f为电网频率 若在设定的控制周期tc内控制主回路导通n n n 个完整的周波 则负载功率为p 11 3 式中 u为电网电压有效值 为负载的有效电阻 tc tc tc p 图11 4说明 因此 控制在设定周期tc内主回路导通的周波数n的个数 就可调节负载的功率p 采用交流过零型固态继电器控温时需交流过零检测电路 此电路输出对应于50hz交流电压过零时刻的脉冲 在交流电压过零时刻导通 如图11 4所示是一种由两个光电耦合器和一个单稳态电路组成的交流过零检测电路 其中 gd1 gd2为光电耦合器 具有检零和隔离功能 r10为限流电阻 在交流正半周 gd1导通 gd2截止 va为低电平 在交流负半周 gd1截止 gd2导通 va仍为低电平 只有在交流过零点时 gd1和gd2均截止 va为高电平 va再经过74ls123单稳态电路整形 得到一过零脉冲序列vb vb波形如图11 5所示 vb脉冲序列再与单片机p1 x输出的触发脉冲信号进行 与非 运算后得到控制信号 用它来控制固态继电器 从而调节电阻炉温度 图11 4交流过零检测电路 4 键盘 显示电路 如图11 7所示 系统采用专用键盘 显示接口芯片8279实现键盘输入和显示控制两种功能 8279既可以键盘扫描又可以输出动态显示 它可以减少cpu在扫描键盘或刷新显示时的负担 同时也简化了应用软件的编写 系统配有6位led显示及24键小键盘 前两位显示炉子编号 后四位显示温度实测值 选择75451作为led的驱动 键盘上设有16个数字键 8个功能键 这样控制器运行时既可以方便地在线修改各项参数 也可设置多个控制运行命令 操作方便 图11 7at89c51与8279的接口电路 5 存储器扩展电路 at89c51片内带有4kb程序存储器和128字节数据存储器 由于系统需要存储的程序和数据较多 所以需要进行存储器扩展 本系统扩展了1片2716eprom和1片6216ram 使程序存储器 数据存储器容量各增加了2kb eprom中用来存放程序 表格及加温曲线等 ram中则存放上次输入的曲线参数以及各寄存器的内容 6 报警电路 报警电路采用的是压电式蜂鸣器 通过单片机的p2 7口经过驱动器驱动其发声 压电式蜂鸣器约需要10ma的驱动电流 如图11 8所示 当电阻炉温度超出允许范围时 p2 7口输出高电平使8050晶体管导通 压电蜂鸣器获得电压而鸣叫 达到报警的目的 图11 8报警电路 2 软件设计 1 数字控制器的设计 2 控制器参数整定 3 系统程序设计 1 数字控制器的设计 1 达林算法的设计目标是使整个闭环系统所期望的传递函数中相当于一个延时环节和一个惯性环节相串联 即 11 4 式中 由此可得到带有纯滞后一阶惯性对象的达林算法的基本形式 式中 k为广义的对象放大倍数 t为采样周期 tp为控制对象惯性时间常数 t0为闭环系统的时间常数 1 数字控制器的设计 2 式中 k为广义的对象放大倍数 t为采样周期 tp为控制对象惯性时间常数 t0为闭环系统的时间常数 d z 为电阻炉根据达林算法得出的数字控制器的数学模型 为了计算机实现方便 把d z 进一步简化为 1 数字控制器的设计 3 根据得出差分方程 11 6 式中 u k 为数字控制器的输出 e k 为偏差信号 2 控制器参数整定 1 按照工程经验 一般控制周期为被控对象时间常数的10 左右 取控制周期tc 10s 采用算术平均值滤波 采样10次进行一次滤波计算 所以采样周期t 1s 2 由 t可确定出n 72 3 对象放大倍数k 5 4 t0按希望的闭环特性选取 并由调试确定其最佳值 不断调整t0值 观察系统的响应曲线 使得闭环系统的指标达到最佳 3 系统程序设计 本系统的软件采用结构化模块程序设计 主要由主程序 中断服务程序和子程序组成 中断服务程序主要有t0定时器中断服务程序 子程序主要有滤波子程序 温度采样子程序 显示子程序 标度变换子程序 达林算法子程序 报警子程序等 3 系统程序设计 图11 9主程序流程图图11 10t0中断服务程序 图11 9说明 1 主程序如图11 9所示 首先设置堆栈指针 然后进行初始化 包括设置有关开关标志 暂存单元和显示缓冲区清零 8279初始化 t0初始化以及cpu开中断等 最后扫描键盘 若有键按下则转向键处理程序 若无键按下则继续扫描键盘 2 控制系统采用t0定时器作为定时中断 工作方式为方式0 由工作方式0的最大定时时间为75 536ms 因此必须设置一个寄存器1作为计数装置 初值设为20 设置定时器定时时间为50ms 寄存器1与t0定时器共同完成1s采样周期的定时 控制系统每采样l0次 调数字滤波及达林算法子程序 完成一次滤波与控制运算 因此系统的滤波周期及控制周期均为10s 由寄存器2来存储采样次数 初值设为10 每采样一次 寄存器2的值减1 当寄存器2的值减为0时 调用数字滤波及达林算法子程序 寄存器3初值设为8 用作存贮电阻炉的路数 图11 10说明 t0定时器中断服务程序如图11 10所示 具体工作原理是 首先关中断 清除暂存单元 然后分别对寄存器1 寄存器2赋初值 当寄存器1的值为0时 则调温度采样子程序 当寄存器l的值不为0时 则中断返回 t0重新赋初值 当寄存器2的值为0时 则调用滤波及达林算法子程序 进行数字滤波及控制运算 并输出控制量调整固态继电器在控制周期内的导通时间以达到调节温度的目的 若寄存器2的值不为0 则要再重新装入初值 然后开中断 中断返回 系统程序设计 3 温度采样子程序如图11 11所示 首先给寄存器3赋常数8 然后启动ad转换 对第一路电炉读入转换数据 寄存器3减1 若寄存器3中数据为0 则给寄存器3重新赋值 若寄存器3中数据不为0 则继续对其他路电炉进行温度采样 4 滤波及达林算法子程序如图11 12所示 首先给寄存器赋常数8 然后调用数字滤波子程序和达林算法子程序 输出控制量 最后寄存器3减1 若寄存器3中数据为0 则显示更新 若寄存器3中数据不为0 则继续对其他通道的电炉进行控制 本次设计实现了一台主机对8个电阻炉的群控功能 8个电阻炉既可以同时运行 又可以单独控制 系统具有较高的实用价值 图11 11温度采样子程序图11 12滤波及达林算法子程序 11 3变频恒压供水计算机控制系统设计 水是人民生活和工农业生产中不可缺少的重要资源 我们国家水资源和电能资源严重短缺 节水节能已经成为全社会当前和今后的必然要求和重要任务 目前 我国在市政供水 工业生产循环供水等方面技术还比较落后 主要表现在用水高峰期 水的供给量常常低于需求量 出现水压降低导致水供不应求的现象 而在用水低峰期 水的供给量常常高于需求量 出现水压升高导致水供过于求的现象 此时将会造成能量的浪费 同时有可能使管道爆裂和用水设备的损坏 采用计算机控制的恒压供水系统 可以在用水高峰期和低峰期保持供水压力恒定 使供水量始终满足用户要求 11 3 1变频恒压供水控制系统工艺及技术要求 11 3 1 1变频恒压供水工艺简介11 3 1 2系统的技术要求 11 3 1 1变频恒压供水工艺简介 恒压供水就是能够自动保持水管内水压恒定的供水过程 供水管道有一个压力检测装置 能够检测出当前管网瞬间压力变化 并把当前的水压值传递给控制装置 当用水量增大的时候 水压减小 控制装置得到水压持续减小的信号 于是控制装置会自动调节水泵机组的转速和投入数量 进而提升水压 当用水量减小的时候 控制装置会降低水泵的转速和投入数量来减小水压 使管网主干管出口端保持在恒定的设定压力值 通过这样的控制过程保持水压恒定 满足用户的用水要求 使整个系统始终保持高效节能的最佳状态 根据流体力学的原理 水泵的流量与转速成正比 而电动机轴上消耗的功率与转速的平方成正比 可见 采用交流变频调速恒压供水方式 既可以保证供水水压稳定 又可以有效降低电能的消耗 变频恒压供水基本原理是通过安装在系统中的压力传感器将系统压力信号与设定压力值进行比较 再通过控制器调节变频器的输出 无级调节水泵的转速 使系统水压在水流量变化时 能够稳定在一定的范围内 具有水压恒定 波动小 节能效果明显等特点 11 3 1 2系统的技术要求 1 供水压力正常设定为值0 5mpa 最大供水压力为0 6mpa 最小供水压力为0 1mpa 压力允许波动范围为 2 采用四个水泵供水 并能够实现自动 手动控制 3 水泵机组采用循环软启动工作方式运行 系统启动时 第一台水泵变频运行 当水压满足不了要求时 先将第一台水泵转为工频运行 再投入第二台变频自动运行 依此类推 直到第四台水泵起动 停泵时先停第一台工频泵 依此类推 然后停变频泵 4 系统运行安全可靠 如果其中任意一台水泵故障停机 该系统能保证正常运行 具有短路 过载 欠电压 掉电保护 缺相 硬件自锁 互锁 故障声光报警指示 远程报警等保护功能 5 实现系统的数据通信 采集 监控 管理 实时显示等功能 6 水泵流量 扬程和功率分别为6 3m3 h 8m和1 5kw 7 水箱容积为lm3 设有溢流口 排污口和防溢流控制功能 8 各水泵出口设有止回阀以防止回灌 并在进 出设有闸阀 管路要求采用螺纹联接 以便系统重组及维修方便 9 系统能够避免用水高峰时 水压波动造成频繁起动 停车现象 11 3 2系统总体方案设计 11 3 2 1控制方案选择11 3 2 2主机的选择及控制系统的组成11 3 2 3水泵机组变频恒压流程11 3 2 4控制对象模型分析及控制器设计 11 3 2 1控制方案选择 本系统采用目前较为先进的交流变频调速恒压供水的控制方案 变频恒压供水通常有两种运行方式 即补偿式和循环软启两种 补偿式也称变频泵固定式 这种方式往往配置多台水泵 组成水泵机组 在运行时 一般只有一台水泵由变频器拖动 当水泵电动机的转速达到额定转速即达到工频50hz时 此时的供水压力如果低于设定压力时 系统会在短时间内降低变频泵的工作频率 并以工频方式起动下一台水泵 使其投入运行进行供水 系统在运行中会根据反馈的压力值来确定水泵机组的投入和切出 并调整变频泵 以达到实际压力值和设定值一致 在短时间内降低变频泵的工作频率是为了防止系统超压 此种方式电控系统比较简单 可节约一部分成本 缺点是在水泵机组工频投入时对电网的冲击较大 般水泵功率较小时 可采用此种工作方式 循环软启动的主要特点在水泵的切换程序 变频泵运行到工频50hz时 如果此时的实际供水压力还没有达到设定的供水压力时 不是直接起动另外一台水泵 而是首先将当前以变频运行的水泵切换到工频方式运行 以变频方式起动另外 台水泵 从而达到维持系统压力的目的 在切换水泵时 按照先起先停的方式进行 这样的好处是机组中的每一台水泵在工作中都可以被使用到 按照大循环的方式进行转换 可有效防止水泵机组长期闲置而锈死的现象发生 通过以上的分析 所设计的变频恒压供水系统采用循环软启动的工作方式 11 3 2 2主机的选择及控制系统的组成 1 主机的选择变频恒压供水系统技术要求能够实现数据的通信 采集 监控 管理 实时显示等功能 因此本系统采用主 从控制结构 即上下两级计算机控制 上位计算机采用pc机 通过串行口对下位机进行控制管理 利用组态软件 配合windows软件平台 形成功能强大的控制管理系统 提供优质友好的图形界面 由于plc产品的系列化和模块化 用户可灵活组成各种规模和要求不同的控制系统 在硬件设计上 只需要确定plc的硬件配置和i o的外部接线 当控制要求发生改变时 可以灵活地改变存储器中的控制程序 现场调试方便 因此 采用plc作为下位机 实现水泵机组的变频控制以及温度 压力 流量 液位等过程量的监视和控制 11 3 2 2主机的选择及控制系统的组成 2 控制系统的组成变频恒压供水系统结构原理图如图11 13所示 系统由水箱 管路 阀门和水泵机组 电气操作系统和各种传感器 仪表等组成 电气操作系统由plc 变频器 小型断路器 交流接触器 热继电器 直流电源 小型电磁继电器以及各种指示灯和主令器件组成 传感器和仪表包括温度传感变送器 压力变送器 电压变送器 电流变送器 功率变送器等 图11 13变频恒压供水系统结构原理图 11 3 2 3水泵机组变频恒压流程 根据控制要求 水泵机组由四台水泵组成 第一台水泵变频启动运行 当水压不足时 将第一台水泵切入工频运行 再投入第二台变频泵 依此类推 直到第四台水泵启动 停泵时先停第 台工频泵 依此类推 最后停变频泵 即遵循先开先停的原则 本系统水泵机组变频恒压控制流程如图11 14所示 图11 14水泵机组变频恒压控制流程 4 控制对象模型分析及控制器设计 变频调速恒压供水是一个具有时变 非线性 滞后时间短 模型不稳定的控制对象 系统以供水出口管网水压为被控量 实现出口管网的实际压力与设定的供水压力相一致 设定的供水压力可以是一常数 也可以是一个时间分段常数 在每一个时间段是一常数 水泵由初始状态向管网进行供水 供水管网从初始压力开始启动水泵运行至管网压力达到要求时 需经历两个过程 1 水泵将水送到管网 这个阶段管网压力基本保持在初始压力 是一个纯滞后过程 2 水泵将水充满整个管网 压力随之逐渐增加直到稳定 这是一个大时间常数的惯性过程 系统中其他控制和检测环节 如变频环节 继电控制转换 压力检测等的时间常数和滞后时间与供水系统的时间常数和滞后时间相比 可以忽略不计 均可等效为比例环节 因此 包含管网 水箱 水泵机组的被控对象可以近似成一个纯滞后的一阶惯性环节 即式 11 7 控制对象模型分析及控制器设计 11 7 式中 k为系统的总增益 tp为系统的惯性时间常数 为系统滞后时间 通常情况下 被控对象的惯性时间常数tp为100s左右 滞后时间 小于10s tp 常规pid控制器完全可以满足控制要求 而且可编程序控制器的cpu模块内部嵌有226计算机控制技术pid指令系统 用户不必自行开发pid控制程序 实现简单方便 因此 恒压供水控制系统采用pid控制 变频恒压供水系统的原理图如图11 15所示 图11 15变频恒压供水系统的原理图 从图11 15可以看出 在系统运行过程中 将供水管网实际压力与设定压力比较 得到的压力差经过pid控制器计算与转换 得到变频器输出频率的变化值 据此调节水泵机组的运行方式和运行速度 最终使实际供水压力与设定压力相等 11 3 3硬件系统与软件系统设计 1 硬件系统设计 1 主电路设计图11 16是系统主电路原理图 主要由四个水泵 小型断路器 交流接触器 热继电器以及各种指示灯和主令器件组成 另外还配有电压表 数字电流表和功率表等 水泵机组由四台tls40 200单级单吸立式离心泵组成 技术参数为 流量2 5m3 h 扬程32m 电动机转速为2830r min 功率0 75kw 效率25 这种水泵运行平稳 噪声小 维修方便 图11 16变频恒压供水系统主电路原理 2 控制系统设计 i o模块点数估算plc系统所要求的i o点数与接入的输入 输出设备类型有关 例如 1个按钮或信号灯各需1个输入 1个光电开关需1个或2个输入 1个双线圈电磁阀需3个输入及2个输出 波段开关有几个波段就需几个输入 对于控制交流电动机所需的i o点数 根据其运行方式不同 所需要的i o点数也不相同 控制一个y 启动的交流电动机一般需4个输入点及3个输出点 控制一台可逆运行的笼型电动机需5个输入点及2个输出点等等 实际选用时一般还需留有10 15 的i o余量 根据控制要求 估算出本系统有20个开关量输入 输出点 另外有电压 电流 功率 压力 液位 温度 流量等10个模拟量输入 输出点 存储器容量的估算 存储器容量的估算plc的程序存储器容量通常以字节为单位 用户程序所需存储器容量可以预先估算 一般情况下用户程序所需存储的字数可按照如下经验公式来计算 开关量输入 输出系统开关量输入 用户程序所需存储的字数 输入点总数 10 开关量输出 用户程序所需存储的字数 输出点总数 8 模拟量输入 输出系统每一路模拟量信号大约需要120字的存储容量 当模拟输入和输出同时存在时 所需内存字数 模拟量路数 250 定时器 计数器系统所需内存字数 定时器 计数器数量 2针对本系统 开关量输入所需内存字数10 10 100字节 开关量输出所需内存字数12 8 96字节 模拟量输入 输出所需内存字数10 250 2500字节 定时器 计数器容量5 2 10字节 开关量和模拟量共需2706字节 另外考虑程序存储空间和备用存储空间 初步估计系统共需5k字节 系统i o模块点数和存储器容量的估算为以下plc的主机型号选择和模块扩展提供了依据 主机型号选择和模块扩展 变频恒压供水系统采用西门子s7 200系列的plc 主机为cpu224模块 i o点数和存储器容量完全符合要求 该模块是具有较强的控制能力的控制器 集成14输入 10输出共24个数字量i o点 可连接7个扩展模块 最大扩展至168路数字量i o点或35路模拟量i o点 13k字节程序和数据存储空间 6个独立的30khz高速计数器 2路独立的20khz高速脉冲输出 具有pid控制器 1个rs 485通信 编程口 具有ppi通信协议 mpi通信协议和自由方式通信能力 i o端子很容易整体拆卸 本系统10个开关量输入点i0 0 i0 7 i1 3 i1 4分别接入4个水泵的故障信号 远程 近控选择信号 pid控制器使能信号 气压供水输入信号 循环 补偿工作方式选择信号等10路开关量输入信号 系统共有12个开关量输出点 分别为1 4 水泵变频 工频的工作信号 故障报警信号 电磁阀1和电磁阀2驱动信号及变频器驱动信号等 而主机cpu224只提供10个输出点 所以系统扩展了一个em222模块 该模块提供8个开关量输出点 能够满足系统数字量i o点数的要求 系统具体配置示意图如图11 17所示 图11 17cpu224模块配置图 变频器的选择 1 变频器控制电流与电网水压的关系 管网中压力变送器输出的电流信号ip 范围为4 20ma 4ma和20ma分别为压力变送器测量下限 测量上限所对应的电流输出值 对应水压力p测量范围为0 pmax 管网允许的最低水压力为p1 管网水压力最小设定值 对应压力变送器输出电流信号为i1 管网允许的最高水压力为p2 管网水压力最大设定值 对应压力变送器输出电流信号i2 如图11 19所示 由图中可得 11 8 式中 p为某一时刻的管网水压力 单位为mpa 图11 18扩展模块em222和em235配置 图11 18说明 当处于变频状态下运行的水泵要切换到工频状态下运行时 只能在50hz运行 由于电网的限制以及变频器和电动机工作频率的限制 50hz成为频率调节的上限频率 变频器的输出频率不能是负值 最低只能是0hz 在实际应用中 变频器的输出频率不可能降低到0hz 因为当水泵机组运行 水泵向管网供水时 由于管网中的水压会反推水泵 给带动水泵运行的电动机一个反向的力矩 同时这个水压也在一定程度上阻止下位水箱中的水进入管网 因此 当电动机运行频率下降到某一个值时 水泵就已经抽不出水了 实际的供水压力也不会随着电动机频率的下降而下降 这个频率在实际应用中就是电动机运行的下限频率 其值远大于0hz 具体数值与水泵特性及系统所使用的场所有关 一般在20hz左右 由于在变频运行状态下 水泵机组中电动机的运行频率由变频器的输出频率决定 这个下限频率也就成为变频器频率调节的下限频率 图11 19与图11 20说明 变频器的控制电流与其输出频率的关系曲线为线性曲线 可由电动机频率和水压之间的关系得到变频器控制电流与水压之间的关系曲线 如图11 20所示 图11 19压力变送器输入输出关系曲线图11 20变频器控制电流与水压关系曲线 工作原理 当水压p小于p1时 变频器得到最大控制电流信号20ma 即变频器按最高输出频率输出所需的电流信号 当水压p大于p2时 变频器得到最小控制电流信号4ma 即变频器按最低输出频率输出所需的电流信号 当p介于p1与p2之间时 对应变频器的控制电流信号为 if 4 16 p2 p p2 p1 11 9 将p pmax ip 4 16代入上式 得 if 4 16p2 pmax ip 4 p2 p1 11 10 2 变频器的选择 变频器是对水泵机组进行转速控制的单元 跟踪pid控制器送来的控制信号改变调速泵的运行频率 完成对调速泵的转速控制 本系统的变频器采用循环工作方式 当变频器拖动的调速泵运行在工频状态 其供水量仍达不到用水要求时 系统先将变频器从该水泵中切换出 并将此泵切换为工频状态 同时用变频器去拖动另一台水泵电机运行 图11 21为系统变频器单元接线图 变频器选用西门子mm440矢量型变频器 采用模块化结构 使用灵活方便 调试简单 完善的变频器和电动机保护功能 具有6个可编程带隔离的数字输入 2个可标定的模拟输入 0 10v 0 20ma 2个可编程的模拟量输出 0 20ma 和3个完全可编程的继电器输出 30v直流 5a 阻性负载 250v交流 2a 感性负载 图11 21系统变频器单元接线图 变送器及执行机构的选择 供水压力 流量 温度分别由 压力变送器 型号eht 13 2 测量范围为0 0 6mpa 误差为 0 05 输出信号为4 20ma电流信号 流量变送器 型号lw 25 测量范围为1 10m3 h 工作压力为1 6mpa 输出信号为4 20ma电流信号 温度变送器 型号jwsl 3a