“工业搅拌过程”控制系统设计

“化工混料过程”控制系统设计 1 分析研究被控对象与明确控制任务

1.1分析研究被控对象

图1.1.1是一个典型的化工混料过程，两种配料（配料A和配料B）在一个混合罐中由搅拌器混合，混合后的产品通过一个排料阀排出混料罐。

图1.1.1 搅拌系统示意图

系统中各个区域被控对象的工艺要求描述如下：

配料A和配料B区域：

z每种配料的管道都配备有一个入口阀、一个进料泵以及一个进料阀；

z进料管安装有流量传感器；

z当急停按钮被按下时，进料泵运行立即停止；

z当罐的液面传感器指示罐满时，进料泵运行立即停止；

z当排料阀打开时，进料泵运行立即停止；

z在启动进料泵后最开始的1秒中内必须打开入口阀和进料阀。

z在进料泵停止后（来自流量传感器的信号）阀门必须立即被关闭以防止配料从泵中泄露。

z进料泵的启动与时间监控功能相结合，换句话说，在泵启动后的7秒之内，流量传感器会报告溢出。

z当进料泵运行时，如果流量传感器没有流量信号，进料泵必须尽可能快地断开。

z进料泵启动地次数必须进行计数。（维护间隔）

混合罐区域：

z当急停按钮被按下时，搅拌电机的启动必须被锁定。

z当罐的液面传感器指示“液面低于最低限”时，搅拌电机的启动必须被锁定。

z当排料阀打开时，搅拌电机的启动必须被锁定。

z搅拌电机在达到额定速度时要发出一个响应信号。如果在电机启动后10秒内还未接收到信号，则电机必须被断开。

z必须对搅拌电机的启动次数进行计数（维护间隔）。

z在混合罐中必须安装三个传感器：

――罐装满：一个常闭触点。当达到罐的最高液面时，该触点断开。

――罐中液面高于最低限：一个常开触点。如果达到最低限，该触点

关闭。

――罐非空：一个常开触点，如果罐不空，该触点闭合。

排料区域：

z罐内产品的排出由一个螺线管阀门控制。

z这个螺线管阀门由操作员控制，但是最迟在“罐空”信号产生时，该阀门必须被关闭。

z当急停按钮被按下时，打开排料阀必须被锁定。

z当罐的液面传感器指示罐空时，打开排料阀必须被锁定。

z当搅拌电机在工作时，打开排料阀必须被锁定。

1.2明确控制任务

该“工业搅拌过程”是一个典型的顺序控制，本次设计，准备采用“上位机监控” + “下位机控制” + “操作面板”的方式对整个“工业搅拌过程”进行控制。

2 控制任务的分解与被控对象的描述

2.1 控制任务的分解

在定义了要控制的过程之后，将项目分割成相关的组或区域。我们可把系统分为四部分，如图2.1.1所示：

图2.1.1 系统划分示意图

2.2 被控对象的描述

配料A和配料B区域的流程图如图 2.2.1所示：

图2.2.1 配料A和配料B区域的流程图

图2.2.2 混合罐区域流程图

图2.2.3 排料区域流程图

3 系统硬件设计

3.1操作面板设计

要让一个操作员启动、停止和监控过程，就需要一个操作站。操作站有一下配备：

z用于控制过程中最重要的阶段的开关。使用“reset maintenance display （复位维护显示）”开关，你可以关掉电机的维护显示灯，复位相应的

计数器，使维护间隔为0。

z指示过程状态的指示灯。

z紧急停机开关。

根据系统的要求，可设计工业搅拌控制系统操作站如图3.1.1所示。

图3.1.1 系统操作站操作面板

3.2 工业现场系统硬件结构设计

工业现场系统结硬件构设计如图3.2.1所示：

图3.2.1 工业现场系统结构设计

如图3.2.1所示，该图是实际工业现场的硬件结构框图，由三部分组成：监控单元、控制单元和现场设备。

（1） 监控单元

一台安装了WinCC组态软件的PC机，上面显示用于监控“工业搅拌过程”的工艺画面。

（2） 控制单元

由一个S7-300的CPU和对应的I/O模块组成，主要用于过程控制。

（3） 现场设备

包括现场工业搅拌过程和操作员站两个部分。

3.3 系统硬件资源分配

“工业搅拌过程”控制系统的I/O地址表如表3.3.1所示:

表3.3.1 “工业搅拌过程”控制系统的I/O地址表

4 系统软件设计

4.1 系统软件结构图

系统软件结构图如图4.1.1所示：

图4.1.1 系统软件结构图

在本系统中，通过在一台PC机上安装三个工控软件，从而模拟工业现场的实际情况，使学生在没有相关硬件的情况下，也能通过软件模拟的方式，完成整个“工业搅拌过程”控制系统的设计。

在图4.1.1中，给出了软件模拟方式下三个工控软件与实际工业现场不同部分的对应关系。即WinCC组态软件对应WinCC组态软件，实现过程监控；PLCSim工控软件对应实际的控制单元，实现控制任务；Simit工控软件对应实际工业搅拌过程和操作员站，实现被控对象的仿真。

具体在一台PC机上，安装三个工控软件的时候，有一些注意事项。

（1） WinCC组态软件的安装

安装WinCC组态软件，使用的版本是WinCC V6 SP2英文版。

安装WinCC需要满足一定的软件要求，即在安装WinCC前就应安装所需的

软件并正确配置。安装WinCC的机器上应先安装Microsoft消息队列服务（操作系统盘提供）和SQL Server 2000（WinCC安装文件提供）。

（2）PLCSim工控软件的安装

PLCSim V5.2集成在西门子工控软件Step7 V5.2中，所以这里主要指Step7 V5.2的安装。通过运行Step7的安装文件，完成Step 7的安装。安装完毕后，接下来安装授权文件，包括Step7 V5.2的授权和S7 PLCSim V5.2的授权。

（3）Simit工控软件的安装

在安装Simit V5.0 sp1前，需要先安装C编译器，C编译器的安装文件位于Simit安装目录下。安装完C编译器后，即可安装Simit软件，在安装过程中，会弹出安装“加密狗”驱动程序的对话框，请选择其中的USB驱动选项。安装完毕后，将USB加密狗插入PC的USB口，即可运行Simit软件。

4.2 PLC控制程序设计

在为某项过程控制或某种机器控制进行程序设计时，我们会发现部分控制逻辑常常被重复使用。此种情况的程序设计可用结构化编程方法设计用户程序。这样可编一些通用的指令块以便控制一些相似或重复的功能，避免重复程序的设计工作。

本次以该“工业搅拌过程”控制系统应用实例为例,具体的讲述在Step 7中“结构化编程”的方法。