集散控制系统 设计论文

第1章绪论

本课题主要是利用组态软件模拟PLC的被控对象和控制过程。主要涉及PLC和组态王软件的运用和集散控制系统的应用。随着工业自动化水平的迅速提高，计算机在工业领域的广泛应用，人们对工业自动化的要求越来越高，种类繁多的控制设备和过程监控装置在工业领域的应用，使得传统的工业控制软件已无法满足用户的各种需求。在开发传统的工业控制软件时，当工业被控对象一旦有变动，就必须修改其控制系统的源程序，导致其开发周期长；已开发成功的工控软件又由于每个控制项目的不同而使其重复使用率很低，导致它的价格非常昂贵；在修改工控软件的源程序时，倘若原来的编程人员因工作变动而离去时，则必须同其他人员或新手进行源程序的修改，因而更是相当困难通用工业自动化组态软件的出现为解决上述实际工程问题提供了一种崭新的方法，因为它能够很好地解决传统工业控制软件存在的种种问题，使用户能根据自己的控制对象和控制目的的任意组态，完成最终的自动化控制工程。自动化已经成为一种趋势，对自动化过程的监控就成为我们不可以回避的课题。现在组态软件做为通用的工具提醒本课题的重要性。

2000年以来，国内监控组态软件产品、集散控制技术、市场都取得了飞快的发展，应用领域日益拓展，用户和应用工程师数量不断增多。充分体现了“工业技术民用化”的发展趋势。监控组态软件是工业应用软件的重要组成部分，其发展受到很多因素的制约，归根结底，是应用的带动对其发展起着最为关键的推动作用。集散控制系统和组态软件是在信息化社会的大背景下，随着工业 IT 技术的不断发展而诞生、发展起来的。在整个工业自动化软件大家庭中，监控组态软件属于基础型工具平台。集散控制系统给工业自动化、信息化、一体化、及社会信息化带来的影响是深远的，这种变化仍在继续发展。因此集散控制系统作为新生事物尚处于高速发展时期，目前还没有专门的研究机构就它的理论与实践进行研究、总结和探讨，更没有形成独立、专门的理论研究机构。

第2章概述

2.1集散控制系统

集散控制系统（DCS）即分散控制系统。以微处理器为基础，采用控制功能分散、显示操作集中、兼顾分而自治和综合协调的设计原则的新一代仪表控制系统。

1.高可靠性

由于DCS将系统控制功能分散在各台计算机上实现，系统结构用容错设计，因此某一台计算机出现的故障不会导致系统其它功能的丧失。此外，由于系统中各台计算机所承担的任务比较单一，可以针对需要实现的功能采用具有特定结构和软件的专用计算机，从而使系统中每台计算机的可靠性也得到提高。由多台计算机分别控制生产过程中多个控制回路，同时又可集中获取数据、集中管理和集中控制的自动控制系统

2.开放性

DCS采用开放式、标准化、模块化和系列化设计，系统中各台计算机采用局域网方式通信，实现信息传输，当需要改变或扩充系统功能时，可将新增计算机方便地连入系统通信网络或从网络中卸下，几乎不影响系统其他计算机的工作。

3.灵活性

通过组态软件根据不同的流程应用对象进行软硬件组态，即确定测量与控制信号及相互间连接关系、从控制算法库选择适用的控制规律以及从图形库调用基本图形组成所需的各种监控和报警画面，从而方便地构成所需的控制系统。

4.易于维护

功能单一的小型或微型专用计算机，具有维护简单、方便的特点，当某一局部或某个计算机出现故障时，可以在不影响整个系统运行的情况下在线更换，迅速排除故障。

5.协调性

各工作站之间通过通信网络传送各种数据，整个系统信息共享，协调工作，以完成控制系统的总体功能和优化处理。

6.功能齐全

控制算法丰富，集连续控制、顺序控制和批处理控制于一体，可实现串级、前馈、解耦、自适应和预测控制等先进控制，并可方便地加入所需的特殊控制算法。

DCS的构成方式十分灵活，可由专用的管理计算机站、操作员站、工程师站、记录站、现场控制站和数据采集站等组成，也可由通用的服务器、工业控制计算机和可编程控制器构成。

处于底层的过程控制级一般由分散的现场控制站、数据采集站等就地实现数据采集和控制，并通过数据通信网络传送到生产监控级计算机。生产监控级对来自过程控制级的数据进行集中操作管理，如各种优化计算、统计报表、故障诊断、显示报警等。随着计算机技术的发展，DCS可以按照需要与更高性能的计算机设备通过网络连接来实现更高级的集中管理功能，如计划调度、仓储管理、能源管理等。

2.2 PLC的结构与特点

PLC主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程器组成，如图2-1所示。

图2-1 PLC的控制系统示意图

PLC能如此迅速发展的原因，除了工业自动化的客观需要外，还有许多独特的优点。它较好地解决了工业控制领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。其主要特点如下。

1.可靠性高，抗干扰能力强

可靠性指的是PLC平均无故障工作时间。由于PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场。PLC已被广大用户公认为是最可靠的工业控制设备之一，主要有这样几方面：(1)输入、输出均采用光电隔离，提高了抗干扰能力；(2)主机的输人电源与输出电源均可相互独立，减少了电源间干扰；(3)采用循环扫描工作方式，提高抗干扰能力；(4)内部采用“监视器”电路，有良好的自诊断功能，以保证CPU可靠地工作；(5)采用密封防尘抗震的外壳封装及内部结构，可适应恶劣环境；(6)在软件方面，增加故障检测和程序诊断等措施。

2．控制功能强一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，可以实现

非

常复杂的控制功能。与相同功能的继电器系统相比，它具有很高的性能价格比。PLC可以通信联网，实现分散控制与集中管理。

3．用户使用方便

PLC产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。PLC的安装接线也很方便，有较强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。硬件配置确定后，可进行在线修改，柔性好，通过修改用户程序，方便快速地适应工艺条件的变化。

4．编程方便、简单

梯形图是PLC使用最多的编程语言，其电路符号、表达方式与继电器电路原理图相似。梯形图语言形象、直观、简单：易学，熟悉继电器电路图的电气技术人员只要花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。

5．设计、安装、调试周期短

PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少，缩短了施工周期。PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，模拟调试好后再将PLC控制系统在生产现场进行安装和接线，在现场的统一调试过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，大大缩短了设计和投运周期。

6．易于实现机电一体化

PLC体积小、重量轻、功耗低、抗振防潮和耐热能力强，使之易于安装在机器设备内部，制造出机电一体化产品。目前以PLC作为控制器的计算机数控装置(CNC)设备和机器人装置已成为典型。

2.3 PLC的发展趋势

目前PLC及其网络技术发展势头迅猛，PLC及网络成为工企自动化设备的首选，由PLC组成的多级分布式PLC网络成为CIMS系统的基础组成部分，成为现代工业自动化设备的三大支柱（可编程控制技术、机器人技术、CAD/CAM 技术）之一。为了适应信息技术的发展与工厂自动化的需要PLC的各种功能不断进步。一方面PLC在继续提高CPU 运算速度、位数的同时，开发了适应与过程控制、运动控制的特殊功能与模块，使PLC 的应用范围开始涉及工业自动化的全部领域。与此同时PLC的网络与通信功能得到迅速发展，PLC不仅可以连接传统的编程与通用输入/输出设备，还可以通过各种总线构成各个网络，为工厂自动化奠定了基础。这一时期，典型的PLC产品有西门子的Simatic S5系列，欧姆龙公司的C系列，松下电工的FP系列，三菱的FX系列，施耐德公司的