第9章 计算机控制系统的应用实例.ppt

第9章计算机控制系统的应用实例，9.1水槽水位单片机控制系统9.2循环水装置IPC系统9.3水再利用PLC控制系统9.4火力发电厂DCS控制系统，9.1水槽水位单片机控制系统， 对于小型测量系统或专用的智能设备仪表，一般以单片机为核心，配置接口电路和外围设备，可以在重组应用程序的模式下实现。 以简单的水槽水位控制系统为例。 主要内容有：1.系统概要2 .硬件电路3 .程序设计，1 .系统概要根据水槽水位的高低变化停止泵，实现水位控制目的是常见的过程控制。 如图9.1的点划线框内所示，一般在水槽内安装3个金属电极a、b、c，分别表示水位的下限、下限、上限。 流程要求：水位上升到上限c以上时，泵必须停止供水，水位下降到下限b以下时，请启动泵供水。水位处于下限b和上限c之间时，泵必须维持原来的工作状态。 图9.2水槽水位控制电路，2 .硬件电路根据工艺要求设计的控制系统硬件电路如图9.1所示，是用单片机采集水位信号，用继电器控制泵的小型计算机控制系统。 主要组成部分功能如下： (1)系统的核心部分：采用低级型AT89C2051单片机，P1.0和P1.1端作为水位信号采集输入口，P1.2和P1.3端作为控制和报警输出口。 (2)水位测定部：电极a连接5V电源，电极b、c分别通过电阻接地。 b点电平和c点电平分别连接到P1.0和P1.1输入端，可以表示水位的各种状态和操作要求，如表9-1所示，有四种组合。 表9-1的水位信号和操作状态表中，水位在下限b以下时，电极b和电极c浮在水面上，b点、c点成为低水平时，应该启动泵供水，表中的第一组合的水位在下限和上限之间时，由于水的导电作用，电极b与电极a和5V连接时，b点高在这种情况下，尽管水位有上升或下降的倾向，泵还是应该继续维持原来的工作状态。 参照表中的第二组合，如果水位上升达到上限，则电极b、c通过水导体与电极a和5V连接，因此b点、c点成为高电平，此时泵必须停止供水，表中的第四组合，另外，即使水位达到电极c也达到电极b 即c点为高电平、b点为低电平的第三种组合在正常的状况下不能发生，作为故障状态，在设计上应该考虑。 (从P1.2端输出高电平，经由逆变器使光电耦合器导通，继电器线圈KM得到电，常开触点KA闭合，控制警报部以启动泵运转，从P1.2端输出低电平，经由逆变器使光电耦合器关闭从P1.3端子输出高电平，通过反相器变化为低电平，驱动发光二极管发光，进行故障警报。 3 .编程程序的流程如图9.2所示。 9.2循环水装置IPC系统应该在以模拟为主的中小规模控制条件下优先选择IPC控制器，下面介绍用STD总线IPC控制循环水动态模拟装置的实例。 主要内容有1 .系统概要2 .硬件电路3 .软件设计4 .功能画面，1 .系统概要大型化学工业企业一般采用冷却水循环使用技术，但循环冷却水同时造成设备的水垢和腐蚀问题，因此利用循环水动态模拟试验装置，生产现场的流动水质、流速， 模拟金属材质和循环冷却水进出口温度等主要参数，评价稳定水质的配方、尺度效果，求出相应的操作工艺条件。 (1)流程模拟装置的主要流程如图9.3所示，左下水槽的冷水通过水泵、调节阀进入热交换器，与蒸汽进行热交换后，导入冷却塔和冷风进行冷却，洗淋浴后下一次落到水槽，用水泵循环。(2)控制要求通常是用户同时运转两台这样的模拟装置，因此计算机系统同时面向两台模拟装置，将检查控制管理一体化，主要是10点参数检查功能入口水温出口水温蒸汽温度冷却塔底温度，共计8路温度，范围为0100，检查精度为0.2级的功能双向循环水的流量范围为2001200L/h，检测精度为1级。 计算并显示出入口温度差、瞬时污垢热阻、水阀和气阀开度、试验时间和剩馀时间。 22个参数设定功能热交换器的试验管径和长度、流量和温度的规定值、PID控制的比例系数、积分时间、微分时间以及实时时间和试验时间。 10个参数标定功能现场标定8路温度、2路流量。 PID控制功能实时控制2路入口水温和2路循环水流量，温度控制精度：设定值0.5； 流量控制精度：设定值2%FS(FS表示全刻度、全刻度)。 流程计算、列表绘制功能根据污垢热阻计算式计算瞬时污垢热阻并显示，自动制作试验数据列表。 时间-自动绘制污垢热阻曲线。 其他功能指标的所有参数采样、计算、控制周期为0.25S，刷新显示周期为2S，试验数据记录时间间隔按过程要求，数据保存时间为10年，系统内部有软件硬件自诊断、自恢复功能，“死机”。 上述参数全部用汉字显示在画面上，带有操作提示菜单。 基于上述系统功能和技术指标的要求，硬件设计适合采用现有的STD总线IPC。 选择某电子工厂的IPC产品，如图9.4所示，由10个功能模板和外围设备组成。 图9.4IPC硬件构成框图，图中(1)CPU板和打印机，(2)CRT板和CRT，(3)键盘接口和自诊断键盘和键盘，(4)存储器板，(5)电源构成了STD产业控制机的基本系统。 在自诊断板上使用WDT看门狗技术，无论由于什么原因发生恐慌，自诊断系统都能够在128内检测并恢复正常运行，整个计算机系统的动作非常可靠。 其中的(6)温度检测板是由单片机构成的智能温度接口板，其本身就能完成8路温度的检测、滤波处理、铂电阻线性化处理。 该板利用软件技术从根本上克服了温度漂移问题。 其中(7)D/A转换板是用于流量和温度控制的驱动接口板。 计算机系统检测双向塔的底温度和双向流量，与设定值进行比较，对该偏差进行PID运算，通过D/A转换将其运算结果转换为模拟电压信号，输出到(8)伺服放大器，控制对应的4个调节阀。 其中的(8)伺服放大器板，其功能相当于电动单元的组合仪表的4个伺服放大器，但其精度和可靠性比以往的伺服放大器更好。 接收来自D/A转换板的4路阀位置信号，检测4个阀的实际位置，如果实际位置与D/A转换板输出的阀位置偏离，则使阀动作，在到达与D/A输出一致的位置后使其停止其中的(10 )过滤板对与STD总线相关的信号进行滤波并提高整个系统的可靠性。 其中的(9)流量检测板主要由计数电路构成，检测来自涡轮流量发生器的两个脉冲信号。 滤波、整形、放大、光隔离、计数处理，向两个涡轮流量变送器提供12V电压。 软件设计该系统采用现成的IPC，计算机制造商已经提供了监视程序和系统程序，设计者的软件设计任务主要进行系统的应用程序制作。 该应用软件主要完成两个方面的任务： (1)8路温度，双向流量的采集和处理，入口温度和流量的控制，定期存储实验数据；(2)允许操作者查看、印刷各种数据，设定和标定各参数。前者的任务适时性强，完成任务所需的时间短，所以预定通过中断服务的子程序来完成。 后者是人与人的交互性质，任务完成时间长，而且不需要严格的适时性，所以要列入主程序完成。 图9.6中断服务子例程由于该控制系统小，相对简单，并且对功能屏幕的要求也不复杂，因此将软件部分全部以汇编语言创建。 图9.6中断服务子例程IPC硬件配置方框图和主程序配置方框图示于图9.5。 在初始化过程中，主要完成了CRT、打印机工作方式的设定、四个调节阀的初始定位和软标记的设定等。 在各个画面处理过程中，能够一边看着其他画面，一边完成本画面应该完成的几个功能。 中断服务子程序如图9.6所示。 这是时间中断子程序。 系统设置可以每250ms中断一次，服务子例程中的各任务可以在250ms内完成。 4次中断，即时间间隔为1S时，刷新时钟，处理秒、分、时、日、月、年的增加，实现正确的计时。 每8次中断，即时间间隔为2S时，收集8路的温度、2路的流量，用软件实现滤波处理，去除瞬间的噪声的影响。 此外，控制采用传统的PID控制方案，执行输出速率限制，即在2S控制周期内，输出变化幅度在输出总范围的5%以下。 如果系统强稳定的过程，则每5分钟记录一次实验数据，如果系统在实验中，则每120分钟记录一次实验数据。 实验记录数据、设定的实验条件及各参数的标定值存储在系统的E2ROM存储器中，有效保存时间为10年。 另外，图9.5主程序构成框图，4 .功能画面该系统具有6个功能画面，显示汉字，每个画面上有提示菜单，是向操作者提示操作的方式。 通过这6个菜单的选择操作，可以实现本计算机系统的所有功能。 这六个功能画面分别是参数检测画面、参数设定画面、参数标定画面、数据列表画面、热电阻曲线画面、系统状态画面。 9.3水循环用PLC控制系统在以数字量为主的中小规模的控制环境中，一般应该优先使用PLC装置，并介绍了西门子PLC监视水处理流程的工程事例。 主要内容有：1.系统概要2 .硬件设计3 .程序设计，1 .系统概要将生活污水在几个水平上处理，作为饮用以外的生活用水，形成非常宝贵的再利用资源。 其中以PLC为主要控制装置已成为共识。 (1)工艺流程中的水处理的主要工艺流程如图9.7所示。 生活污水首先用格栅过滤固形物，进入调节池缓冲，进入生化池，利用生物接触氧化、化学絮凝和机械过滤方法大幅度降低水中COD、BOD5等几种水质指标，采用活性炭和碳纤维复合吸附过滤方式，出水达到生活使用要求。 图9.7中的水处理工艺流程图、电网机、调节池、生物化学池、过滤器罐、清池、集池、加药、加氯、排水、回收、鼓风机、逆洗、污水、(2)控制要求此流程为被控制设备(包括备用) 14台泵和电动机，4个水位计的作用：无论是什么控制方式，在水位计的上限或下限到达时，在发出声光报警信号的全自动、分组自动、半自动控制方式中，水位计的上限、下限分别是该游泳池排水泵自动接通、关闭的PLC输入信号。 采用手动、半自动、分组自动、全自动4种控制方式。 手动控制方式手动操作14个按钮，停止14个被控制负荷，不受水位的影响。 生化半自动控制方式是生化池水位机组的半自动控制方式，根据生化池水位的上限和下限，自动控制生化泵的开、关，手动操作给药计量泵、CLO2发生器的开、关。组自动控制方式为了便于维护，系统整体分为6个独立单元：调池水位自动单元、生化池水位自动单元、清水池水位自动单元、集池水位自动单元、溢流泵自动单元、罗茨风机自动单元。 控制要求：按下自动组按钮后，被按下的按钮的灯闪烁，选择主、备用马达按钮后，自动组按钮的灯点亮，水位达到上限时，马达停止，按钮灯闪烁。 全自动方式控制请求在全自动准备按钮启动后，首先选择主备份电机，启动全自动停止按钮，系统整体进入全自动运行状态。 2、硬件设计(1)PLC系统的配置根据工艺流程和控制要求，完成14台被控制设备的启动、停止按钮操作、停止运行故障状态的灯指示和4种控制方式。 如果采用通常的控制模式，1台机器需要约56个启动停止按钮和状态灯等设备，控制柜整体需要约90个按钮和灯。 这导致设备成本的增加、盘面的增加、人手操作的混乱。 本系统采用软件编程的方法，利用PLC内部的输入输出变量和软件计数器，在一个带灯按钮上集成一台设备的所有控制和状态指示功能，加上4种控制方式及其切换，总共只配置24个带灯按钮系统整体需要开关量输入40点和开关量输出32点。 因此，选择德国西门子S7-200主机CPU226，具有开关量24输入/16输出点、数字量扩展模块EM223，提供开关量16输入/16输出点，合计正好构成系统要求的40点输入/32点输出。 操作界面选择TD200中文文本监视器。 (2)PLC输入输出接线图PLC输入输出接线图如图9.8所示， 四个水位计16个水位电极点分别与I2.0I3.7共计16个开闭量输入点对应的PLC输出点Q0.0Q0.7， Q1.0Q1.5分别对应于14台输出设备的输出点Q1.6Q3.7分别对应于8台被控制设备和10种控制方式的状态灯，共计32个开关量输出点的其他6台被控制设备的运行指示灯由对应的中间继电器接点驱动。 图9.8PLC输入输出接线图，(3)TD200中文显示器和SIEMENS本体配套的显示器种类很多，而TD200中文文本显示器都是SIMATICS7-200系列中最简洁、价格最低的操作界面。 而且连接简单，不需要独立电源，只需将专用电缆连接到S7-200CPU的PPI接口上，即可如图9.9所示。 S7-200系列的CPU保留了用于与hdd200交换数据的专用区域，hdd200通过该数据区域直接访问CPU。 信息显示内容“调整水池水位达到上限”时，其地址必须是来自调整池水位计上限接点I2.0的输入响应。 图9.9TD200中文文本显示器及其连接，3 .编程(1)主程序流程图S7-200系列PLC使用基于Windows平台的32位编程软件包STEP-7-Micro/WIN 图9.10显示控制系统的主程序的流程图，整个过程分为4种控制方式，以全自动和组自动方式，首先选择主、备用电机。 图9.10的主要程序流程图，是PLC接通电源，手动进入，手动进入，手动进入，手动还是生化池。 半自动的或手动的，进入生化池，半自动的，选择风机，进入自动状态，选择风机，选择调节池泵，内线组，自动进入调节池组，手动的，功能按钮程序24个带灯按钮，是根据软件编程，