14第十四章控制系统设计与工程实现

（2） PLC 输 入 输 出 接 线 图
1号风机 2号风机 1号生化泵 2号生化泵 集水池泵 反洗水泵 CLO2发生器 1号调节泵 2号调节泵
栅格机 计量泵 1号溢流泵 2号溢流泵 热风幕 全自动准备 全自动开停 调节池上上限 调节池上限 调节池下限 调节池下下限 生化池上上限 生化池上限 生化池下限 生化池下下限 集水池上上限 集水池上限 集水池下限 集水池下下限 清水池上上限 清水池上限 清水池下限 清水池下下限 调节池自动 生化池自动 清水池自动 集水池自动 溢流泵自动 风机自动 生化半自动 消除警报
3．软件设计
① 编程语言的选择 ② 数据类型和数据结构规划 ③ 资源分配控制软件的设计
1)数据采集和数据处理程序 2)控制算法程序 3）控制量输出程序 4）人－机界面程序 5）实时时钟和中断处理程序 6）数据管理和数据通信程序
⑤ 程序设计方法－－采用模块化和自顶向下程序设计方法
14.2.3仿真及调试阶段
24VDC
1AN 2AN 3AN 4AN 5AN 6AN 7AN 8AN 9AN 10AN 11AN 12AN 13AN 14AN 15AN 16AN
17AN 18AN 19AN 20AN 21AN 22AN 23AN 24AN
I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 I1.0 I1.1 I1.2 I1.3 I1.4 I1.5 I1.6 I1.7 I2.0 I2.1 I2.2 I2.3 I2.4 I2.5 I2.6 I2.7 I3.0 I3.1 I3.2 I3.3 I3.4 I3.5 I3.6
3 硬件设计
1）工艺控制流程图设计
2）测量传感器选型
（1）温度传感器 ——WREK-191E型铠装热电 偶，规格Φ1.5×100×3000mm。
（2）压力传感器 ——离子束薄膜压力传感器， 型号TQ-551，量程0~16MPa，工作电压 24V，输出电流4~20mA，精度为0.1 ，适应 于-40~+400℃的温度环境，而且具有高稳定 性、抗震动冲击、耐腐蚀的全不锈钢结构。
I3.7 I4.0 I4.1 I4.2 I4.3 I4.4 I4.5 I4.6 I4.7
S7-200 CPU226
EM223
220VAC
Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q0.6 Q0.7 Q1.0 Q1.1 Q1.2 Q1.3 Q1.4 Q1.5 Q1.6 Q1.7 Q2.0 Q2.1 Q2.2 Q2.3 Q2.4 Q2.5 Q2.6 Q2.7 Q3.0 Q3.1 Q3.2 Q3.3 Q3.4 Q3.5 Q3.6 Q3.7
3）温度显示控制仪选型
选用4台厦门宇光电子公司的AI人工 智能工业调节器/温度控制器，型号为 AI—708/A/G/S。
4）压力巡回检测仪表选型
选用厦门宇光电子公司的AI系列仪 表，型号为AI—704M/A/J5/J5/S4 。
5）测控系统及仪表盘设计
4 软件设计
——采用亚控公司的组态王软件进行编程 。
14.2控制工程的实现步骤
主要知识点 14.2.1 准备阶段
14.2.2 设计阶段 14.2.3 仿真及调试阶段 14.2.4 现场调试运行阶段
14.2.1 准备阶段
14.2.2 设计阶段
1.总体设计
根据控制对象要求，确定系统的构成方式及控制 装置与现场设备的选择，以及控制规律算法和其它特 殊功能要求。主要包括以下内容： ①确定系统的任务和控制方案 ②确定系统的构成方式 ③选择现场设备 ④确定控制算法 ⑤硬软件功能的划分 ⑥其它方面的考虑
0
1
B、C 维持原 之间 状
1
0
系统 故障报 故障 警
1
1
C点以 水泵停
上
止
14.3.2 循环水装置IPC系统
1．系统概述 2．硬件电路 3．软件设计
1．系统概述
（1）工艺流程
（2）控制要求
①10点参数检测功能 ②22个参数设定功能 ③10个参数标定功能 ④PID控制功能 ⑤工艺计算、列表绘图功能 ⑥其他功能指标
1．系统概述
+ 5V
～ 220V
KA
C B A
c 81k
b P1.0
P1.1 81k
XTAL1 30PF
30PF XTAL2
AT89C 2051
+12V + 5V
KM
330Ω
12MH Z
P1.2
+ 5V
P1.3
330Ω
图图1154-8-2 水水槽槽水水位控位制电控路制电路
动画链接
2．硬件电路
+ 5V
2）测控要求——温度常态200oC± 5oC，压力 最高10Mpa。要求计算机显示屏上能实时显 示、记录4个釜中的4点温度与压力的数据变化 ，而且显示记录参数的时间周期可以在秒、分 、时之间任意调整。电加热器的功率为 1000W、220VAC。
2 总体方案
该例采用底层测控、上层监视的上、 下两层控制方案。因为整个系统只有4个 温度控制回路和4个压力检测参数，且温 度、压力传感器的输出信号均是模拟量 信号，所以底层测控装置采用智能型数 字仪表，同时通过RS485现场总线连接 到上位机，以实现计算机的数据采集、 信号处理、数据列表、操作显示，以及 人机对话等多个任务。
14.3 控制工程的应用实例
主要内容
14.3.1 水槽水位单片机控制系统 14.3.2 循环水装置IPC系统 14.3.3 中水回用PLC控制系统 14.3.4 聚合釜温压仪表控制系统 14.3.5 基于PLC与IPC的锅炉综合控制系统
14.3.1 水槽水位单片机控制系统
1．系统概述 2．硬件电路 3．程序设计
检查PID控制模块的反馈控制功能
全局主程 序调试
整体调试的方法是自底向上逐步扩大， 采用子集、局部和全局三步调试方法进行 整体调试
源自文库
3．系统仿真
①系统仿真－－应用相似原理和类比关系来研究事物，也就是 用模型来代替实际被控对象进行实验和研究，也 称为模拟调试。
②系统仿真类型： 全物理仿真（即在模拟环境条件下的全实物仿真）； 半物理仿真（即硬件闭路动态试验）； 数字仿真（即计算机仿真）。
动运行状态
2．硬件设计
硬件设计包括：PLC 系统配置、 PLC 接线图、中文显示器
（1）PLC 系统配置
工艺要求： 14台被控设备开、启、 4种控制方式
运行、停止、故障状态的灯指示 PLC配置：采用软件编程方法
1个带灯按钮表示1台设备的全部控制与状态指 示功能，加上4种控制方式及其切换 需配置24个带灯按钮 整个系统需要开关量输入40点与开关量输出32点 选用德国SIEMENS的S7-200主机CPU226， 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
具体步骤:
1．硬件调试 2．软件调试 3．系统仿真 4．考机
1．硬件调试
硬件的调试主要包括各种标准功能模板、输入输出信号、 现 场仪表和执行器及通信网络系统的调试。
2．软件调试
软件调试的顺序是子程序、功能模块和主程序。
控制模块
开环 闭环
检查PID控制模块的开环阶跃响应特性 即调节并确定较佳P、I、D参数
～ 220V
KA
C B A
c 81k
b P1.0
P1.1 81k
XTAL1 30PF
30PF XTAL2
AT89C 2051
+12V + 5V
KM
330Ω
P1.2
+ 5V
P1.3
330Ω
图 15-8 水槽水位控制电路
12MH Z
3．程序设计
C(P1.1) b(P1.0)
0
0
水位
B点以 下
操作
水泵启 动
14.1 控制系统的设计原则
1. 满足工艺要求－－满足生产过程提出的要求和性能指标 2. 可靠性要高－－用系统平均无故障和平均维修时间衡量 3. 操作性能要好－－使用方便和维护容易 4. 实时性要强－－对内、外部时间及时做出响应 5. 通用性要好－－硬软件可移植 6. 经济效益要高－－系统性价比要高，投入产出比要低
2．硬件设计
3． 软件设计
（1）采用中断方式完成
（2）在主程序中完成
14.3.3 中水回用PLC控制系统
1．系统概述 2．硬件设计 3．程序设计
1．系统概述
（1）工艺流程
污水 格栅机
调节池
风机
反冲洗
生化池
压滤罐
清水池
回用
加药
排掉
加氯
集水池
动画链接
（2）控制要求
构成－－14台泵和电机，4个池的水位检测。
14.3.5 基于PLC与IPC的锅炉 综合控制系统
1 系统概述 2 总体方案 3 硬件构成 4 控制策略 5 PLC软件设计 6 操作站软件设计
1 系统概述
2.硬件设计
（1）根据控制任务的复杂程度、控制精度以及实时性要求等选择 主机板（包括总线类型、主机机型等）；
（2） 根据AI、AO点数、分辨率和精度，以及采集速度等选A／D D／A板（包括通道数量、信号类别、量程范围等）；
（3）根据DI、DO点数和其它要求，选择开关量输入输出板（包括 通道数量、信号类别、交直流和功率大小等）；
分组自动控制方式－－整个系统分调节池水位、生化池水位、清 水池水位、集水池水位、溢流泵、罗茨风机自动机组。
控制要求：当按下分组自动按钮时，被按下按钮的灯闪亮， 当选 定 主、备电机按钮后，分组自动按钮指示灯长亮；当 水位达到上 限时， 电机停止而按钮指示灯转为闪亮。
全自动方式控制要求－－即全自动准备按钮启动后系统进入全自
4．考机
在系统仿真的基础上，还要进行考机运行，即进行长时间的 运行考验，有时还要根据实际的运行环境，进行特殊运行条件的 考验，如高温和低温剧变运行试验、振动和抗电磁干扰试验、电 源电压剧变和掉电试验等。
14.2.4 现场调试运行阶段
在线调试前还要进行下列检查： 1．检测元件、变送器、显示仪表、调节阀等必须通过校 验，保证精确度要求。作为检查，可进行一些现场校验。 2．各种电气接线和测量导管必须经过检查，保证连接正 确。 3.检查系统干扰情况和接地情况，如果不符合要求，应采 取措施。 4．对安全防护措施也要检查。
（4）根据人机联系方式选择相应的接口板或显示操作面板（包括 参数设定、状态显示、手动自动切换和异常报警等）；
（5）根据需要选择各种外设接口、通信板块等； （6）根据工艺流程选择测量装置（包括被测参数种类、量程大
小、信号类别、型号规格等）； （7）根据工艺流程选择执行装置（包括能源类型、信号类别、型
号规格等）。
1KA 2KA 3KA 4KA 5KA 6KA 7KA 8KA 9KA 10KA 11KA 12KA 13KA 14KA 1AN 2AN 3AN 4AN 8AN 9AN 12AN 13AN 15AN 16AN 17AN 18AN 19AN 20AN 21AN 22AN 23AN 24AN
1号风机 2号风机 1号生化泵 2号生化泵 集水池泵 反洗水泵 CLO2发生器 1号调节泵 2号调节泵 栅格机 计量泵 1号溢流泵 2号溢流泵 热风幕 1号风机灯 2号风机灯 1号生化泵灯 2号生化泵灯 1号调节泵灯 2号调节泵灯 1号溢流泵灯 2号溢流泵灯 全自动准备灯 全自动启动灯 调节池自动灯 生化池自动灯 清水动启动灯 集水池自动灯 溢流泵自动灯 风机自动灯 生化半自动灯 报警灯
水位计的作用－－使用时声光报警；在全自动、分组自动、半自
动控制方式下，水位计的上限、下限分别作为该池排水泵自动开、 停的PLC输入信号。
手动控制方式－手动操作按钮开停14个负荷，不受水位影响。
生化半自动控制方式－－由生化池水位的上限与下限自动控制生 化泵的开、停，而加药计量泵、CLO2发生器的开、停由手动操作。
蜂鸣器
（3）中文显示器
操作界面选用TD200中文文本显示器。
特点：简洁、价格低、操作界面连接简单不需要独立电 源，用电缆连接到S7-200CPU的PPI 接口上
3．程序设 计
14.3.4 聚合釜温压仪表控制系统
1 系统概述 2 总体方案 3 硬件设计 4 软件设计
1 系统概述
1）工艺流程——当反应物流入聚合釜中，开 始发生化学反应并产生气体，排出口引到气相 色谱仪进行在线检测气体的成分和含量。釜内 的反应物介质为酸性腐蚀性气体，且产生很高 的压力。
第十四章 控制系统设计与工程实现
本章要点:
1．学习计算机控制系统的设计原则。 2．初步掌握计算机控制系统的设计步骤。 3．学习实例，加深认识与初步掌握单片机、仪表、 IPC和PLC控制系统的设计思路。
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本章主要内容
➢14.1 控制系统的设计原则 ➢14.2 控制工程的实现步骤 ➢14.3 控制工程的应用实例