dcs控制系統設計(本科生畢業論文)(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 完整的PLC。 CPU模塊CPU有幾種不同的型號，他們分別是：CPU312IFM、CPU31CPU31CPU3152DP。根據經驗公式可以計算出PLC需要的存儲器的大小。所須存儲器容量的經驗公式為[9]： （41）其中DI為數字量輸入的總點數。DO 為數子量輸出的總點數。AI/AO為模擬量通道總數。具統計該設計中DI個數為2個，DO也為2個，AI為9個，AO為7個。所以須存儲器容量 （42）（KB）=2048/1024=2KB。在該設計中選擇CPU為CPU3152DP。它出了具有31最大可擴展1024。點數字量和128個模擬量通道。另外還具有8個指示燈，其中的SFDP和BUSDF用于現場總線及DP接口的錯誤。CPU 有四種工作方式，他們分別是：a）RUNP：可編程運行方式。CPU掃描用戶程序，即可以用編程裝置從CPU中讀出，也可以由編程裝置裝入CPU中。用編程裝置可監控程序的運行。在此位置鑰匙不能拔出。b）RUN：運行方式。CPU掃描用戶程序，可以用編程裝置讀出并監控PLC CPU中的程序，但不能改變裝載存儲器中的程序。在此位置鑰匙可以拔出，以防止程序在正常的運行時被改變操作方式。c）STOP：停機方式。CPU不掃描用戶程序，可以通過編程裝置從CPU中讀出，也可以下載程序到CPU，在此位置鑰匙可以拔出。d）MRES：該位置瞬時接通，用于清出CPU的存儲器。CPU還有一些LED指示燈，顯示運行狀態和故障，如表41所示[10]。 表41 CPU上的發光二極管發光的含義發光二極管LED含義說明SF（紅色）系統錯誤/故障硬件故障固件出錯編程出錯參數設置錯誤算術運算出錯定時器出錯存儲器卡故障（只在CPU313和314）輸入/輸出的故障或錯誤用編程裝置讀出診斷緩沖器的內容，確定錯誤/故障的原因。BATF（紅色，只在CPU313和314上有）電池故障電池失效未裝入DC．5（綠色）用于CPU和S7300總線的5V DC電源如果5VDC電源正常，則等亮FRCE（黃色）保留專用 SM321數字量輸入模塊數字量輸入模塊將現場過程送來的數字信號電平轉成S7300內部電平，數字量輸入模塊的輸入方式有直流輸入和交流輸入方式兩種。輸入信號進入模塊后，一般都經過光電隔離濾波，然后才送入緩沖器等待CPU的采樣。采樣時，信號經過背部總線進入到輸入映像區[10]。數字量輸入模塊SM321有四種型號的模塊可供選擇，即直流16點輸入、直流32點輸入、交流16點輸入、交流8點輸入模塊。在該設計中選擇直流16點輸入。模塊的每一個輸入點有一個綠色發光二極管顯示輸入狀態，輸入開關閉合即有輸入電壓時，二極管亮。 SM322數字量輸出模塊SM322數字量輸出模塊將S7300內部的信號電平轉換成過程所要求的外部信號電平，直接用于驅動電磁閥、接觸器、小型電動機、燈和電動機的啟動等。數字量輸出模塊SM322有七種型號輸出模塊可供選擇，即16點晶體管輸出、32點晶體管輸出16點可控硅輸出。8點晶體管輸出、8點可控硅輸出、8點繼電器輸出和16點繼電器輸出模塊[10]。在該設計中，只有12個數字量的輸出，并是用來控制電動機的啟停。而可控硅輸出模塊可以用于驅動交流電磁閥、接觸器、電動機啟動器和燈，故選擇16點可控硅輸出模塊。 SM331模擬量輸入模塊S7315CPU 用16位的二進制的補碼來表示模擬量，其中最高位為符號位S，0表示正值，1表示負值。S7300模擬模塊的輸入模塊測量范圍很寬，他可以直接輸入電壓、電流、電阻、熱電偶等信號。模擬量輸入模塊SM331目前有兩種規格型號，一種是812位模塊，另一種是212位的模塊。前面的是8個通道的模塊，后面的是2個通道的模塊，兩個模塊除了通道的數目不一樣外，其他的工作原理、性能、參數設置等各方面都完全一樣[10]。SM331模擬量輸入模塊主要由A/D轉換器、模擬量切換開關、補償電路、恒流源、光電隔離部件、邏輯電路等組成。通過設置SM331的測量參數可以選擇測量的方法和測量的范圍，但必須保證SM331的硬件結構與之相適應，模擬量模塊都裝有量程模塊， 調整量程模塊的插入方位可以改變模塊的硬件結構。兩個模擬量通道配有一個量程塊。量程塊是一個正方形的小塊，在上方有A B C D四個標記想對應，如表42所示[10]。 表42 SM33112模塊缺省設定量程塊的設定可選擇的測量方式缺省設置A電壓≤177。1000電阻。熱電偶:N，E，J，K各型熱電偶的各種測量方法電壓B電壓:≤177。10V電壓/177。10VC電流:≤177。20mA電流（4線）/420mAD電流:420maA電流（2線）/420mA在該設計中有9個模擬量的輸入，在考慮余量的情況下選擇一個8通道的輸入模塊和一個2通道的模擬兩輸入模塊。 SM332模擬量輸出模塊SM332有212位和412位兩種形式的模塊。前面的是2通道的模擬量輸出模塊，后面的是4通道的模擬量輸出模塊，除了通道數不同外，兩種模塊的工作原理、特性、參數等完全一樣。模擬量輸出模塊的轉換時間包括內部存儲器傳送數字輸出值的時間和數模轉換的時間。模擬量輸出各通道的轉換是順序進行的。模塊的循環時間是活動的模擬量輸出通道的轉換時間的總和，模塊的響應時間是一個重要的指標，響應時間就是在內部存儲器中出現數字量輸出值開始到模擬量輸出到達規定值所須時間的總和。它與負載特性有關，負載不同，響應時間不同[10]。在該設計中有7個模擬量的輸出，故需要兩個412位的模擬量輸出模塊SM332。 電源模塊PS307是西門子公司為S7300專配的24V ，一些模塊還需要從外部負載電源供電。在組建S7300系統是，考慮到每塊模塊的電流耗量和功率損耗是非常必要的。，如選用CPU312IFM。各模塊從S7300背部總線吸取的電流是各個模塊電流總和。從24V負載電源吸取的電流之和，功耗也和上面的一樣[11]。在該設計中∶各模塊從S7300背部總線吸取的電流=40+70+60+60+602=350mA各模塊從24V負載電源吸取的電流=1000+75+55+2002+2402=2100Ma功耗=88+++2+32=（W）另外，還要考慮S7300的接地，在設計中能把接地和屏蔽正確的結合起來使用，解決大部分干擾問題。 傳感器在該設計中還是需要傳感器比如：電磁傳感器用AE100M/200M，濃度傳感器MBT200等。 PID算法從前面介紹的系統設計來看，有許多的功能是重復的。因此我們采用分布式編程。將該用戶程序分成相對獨立的指令塊。每個塊包含給定的部件或作業組的控制邏輯。各分塊的執行由組織塊中的確指令決定。工業控制中最常用的控制算法是PID算法。PID控制是比例積分微分控制的簡稱。對大多數控制對象，采用PID控制，均可達到滿意地控制效果，如圖43 PID控制圖所示[12]。按偏差的比例、積分微分控制中應用最廣泛的確控制規律。由實際的經驗及道理分析證明。這是控制規律在相當多的工業對象進行控制時能取得比較滿意的結果，在PLC控制系統中也首先采用這種形式的控制方式。在常規的控制系統中，為了改善系統性能，提高調節品質，除了按偏差的比例調節外，還要引入偏差的微分以克服系統的慣性滯后，提高抗干擾的能力。PID控制具有以下優點：a）原理簡單，使用方便。b）適應性強，可以廣泛應用于化工、熱工、冶金、煉油以及造紙、建材等各種生產部門。即使目前最新式的過程控制計算機，其基本的控制功能也仍然是PID控制。c）魯棒性強，即其控制品質對被控對象特性的變化不大敏感。PID有幾種不同的形式，它們分別是：位置式和增量式。位置式：模擬儀表的調節動作是連續的，任何瞬時的控制量輸出u都對應于，執行機構的位置。由： （43） 可知，數字PID控制器的輸出也和閥位對應，故稱為位置式。計算機實現位置式不夠方便，這是因為累加偏差e（j），不僅要占用較多的存儲單元，還不便于編程。增量式：根據控制理論不難寫出N時刻控制量的增量u（n）為： （44）其中： 稱為比例系數 稱為積分系數 稱為微分系數在上式中u（n）對應于第N時刻閥位的增量。故N時刻的實際控制量為： u（n）=u（n1）+u（n） （45） 圖43 PID控制框圖其中N為第N1時刻的控制量。綜上所述，計算u（n）和u（n）要用到第（n1）\（n2）時刻的歷史數據，采用遞歸法保存那些數據，如圖44所示[13]。e（n1）e（n2）e（n）u（n）u（n1） 圖44 數據的傳輸其中u（n1）把數據傳送給u（n），e（n）把數據傳送給e（n2），e（n2）把數據傳送給e（n1）。用該形式的優點是，編程簡單，歷史數據可以遞推使用，并占用存儲單元少，運算速度快。為了方便編程，把u（n）整理成：u（n）= u（n）u（n1）　　 （46）5 WinCC組態部分 西門子WinCC簡介WinCC是西門子公司在自動化領域采用最先進的技術與微軟公司在共同開發的居于世界領先地位的工控軟件。WinCC即WINDOWS CONTROL CENTER（視窗控制中心）。WinCC是一個功能強大的全面開放的監控系統，既可以用來完成小規模的簡單的過程監控應用，也可以用來完成復雜的應用。在任何情況下WinCC都可以生成漂亮而便捷的人機對話接口，使操作員能夠清晰地管理和優化生產過程。在設計思想上，SIMATIC WinCC繼承了西門子公司博大精深地企業文化理念，性能最全面，技術，系統最開放地HMI/SCADA軟件是WinCC開發者的追求。WinCC是按世界范圍內使用的系統進行設計的，因此從一開始就適合于世界上各主要制造商生產的控制系統，如：AB，Modicon，GE等，WinCC還可以與更多的第三方控制器進行通訊[14]。作為SIMATIC全集成自動化系統的重要組成部分，WinCC確保與SIMATIC S5，S7的PLC連接的方便和通訊的高效。WinCC與STEP 7編程軟件的緊密結合縮短了項目開發的周期。此外，WinCC還有對SIMATIC PLC進行系統診斷的選項，給硬件維護提供了方便。 WinCC運行于個人計算機環境，可以與多種自動化設備及控制軟件集成，具有豐富的設置項目，可視窗口和菜單選項，使用方式靈活，功能齊全。用戶在其友好的界面下進行組態，編程和數據管理，可形成所需的操作界面，監視畫面，控制畫面，報警畫面，實時趨勢曲線和打印報表等。它為操作者提供了圖文并茂，形象直觀的操作環境，不僅縮短了軟件的設計周期，而且提高了工作效率。WinCC的另一個特點在于其整體開放性，它可以方便地與各種軟件和用戶程序組合在一起，建立友好地人機界面，滿足實際需要。用戶也可將WinCC作為擴展的基礎，通過開放式接口，開發其自身需要的系統。 西門子視窗控制中心SIMATIC WinCC是HMI軟件中的后起之秀，1996年進入世界工控軟件市場，當年就被美國Control Engineering 雜志評為最佳HMI軟件，以最短的時間發展成第3個在世界范圍內成功的SCADA系統。在歐洲，它無可爭議的成為第一[14]。 WinCC的主要功能WinCC幾乎擁有先進人機界面產品的所有功能，其集成的功能已包括： （1）圖形系統 用于自由地組態畫面，并完全通過圖形對象進行操作，圖形對象具有動態屬性并可對屬性進行在線組態。（2）信息系統 記錄和存儲事件并予以顯示，可自由選擇信息分類、信息顯示和報表，操作非常簡便。（3）變量存檔記錄和壓縮測量值，用于曲線和圖表顯示及進一步的編輯功能。 （4）報表系統 用戶自由選擇一定的報表格式，按時間順序或事件觸發來對信息操作、文檔當前數據進行用戶報表輸出。（5）數據處理 對圖形對象的動作使用C語言及C編譯器進行編輯。 （6）標準接口 通過ODBC和SQL訪問用于組態和過程數據的SYBASE數據庫。 （7）應用程序接口 允許用戶編寫可用于擴展WinCC基本功能的標準應用程序。 另外，WinCC還提供多種可選軟件包。如，通訊開發工具CDK，允許用戶開發用于連接數據管理器與任何目標系統的通訊軟件。 WinCC的組態及歸檔數據存放在關系型數據庫中，數據可用標準工具如ODBC和SQL等讀出。很多標準的應用如Microsoft Excel等可以和WinCC并行運行，同時可通過DDE裝載過程數據。操作員站軟件允許通用的OCX、ActiveX鏈接。更進一步，集成的OPC（OLE for process control）服務器使得過程數據可由其它應用程序（OPC客戶機）訪問。 WinCC是PCS7系統的操作站采用的監控軟件（HMI）。它是一個32位的基于Windows的監控軟件。在PCS7中，它被集成在SIMATIC程序管理器中。 WinCC選件 WinCC以開放式的組態接口為基礎迄今已經開發大量的WinCC選件和WinCC的附加件。WinCC選件能滿足用戶的特殊需要主要包括以下部件：（1）服務器系統服務器系統（server）用來組態客戶機/服務器系統。服