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1、吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计第 1 页 共 22 页第 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
2、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
3、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。吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计第 2 页 共 22 页第 2 章 概述2.1 集散控
4、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
5、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
6、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。吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计第 3 页 共 22 页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
7、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
8、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，吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计第 4 页 共 22 页提高抗干扰能力；(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
9、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
10、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
11、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 在继续提吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计第 5 页 共 22 页高 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
12、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 TSX Compact 系列、Twido 等。2.4 组态软件的整体结构软件系统包括组态环境和运行环境两个部分。组态环境相当于一套完整的工具软件，用来帮助用户设计和构造自己的应用系统。运行环境则按照组态环境中构造的组态工程，以用户指定
13、的方式运行，并进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能。组态环境和运行环境的关系如图 2-2 所示。图 2-2 组态环境与运行环境的关系组态环境：组态生成应用系统运行环境：解释执行组态结果组态结果数据库吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计第 6 页 共 22 页第 3 章 硬件设计3.1 总体方案设计整个设计过程是按思想工艺流程设计，为设备安装、运行和保护检修服务。设计的 编写按照国家关于电气自动化工程设计中的电气设备常用基本图形符号（GB4728）及 其他相关标准和规范编写。设计原则主要包括：工作条件；工程对电气控制线路提供的 具体资料。系统在保证安全、可靠、稳定、快速的前提下，尽量
14、做到经济、合理、合用， 减小设备成本。在方案的选择、元器件的选型时更多的考虑新技术、新产品。控制由人 工控制到自动控制， 由模拟控制到微机控制， 使功能的实现由一到多而且更加趋于完善。对于本课题来说，如果液体混合系统部分是一个较大规模工业控制系统的改造升 级，新控制装置需要根据企业设备和工艺现况来构成并需尽可能的利用旧系统中的元器 件。对于人机交互方式改造后系统的操作模式应尽量和改造前的相类似，以便于操作人员迅速掌握。从企业的改造要求可以看出在新控制系统中既需要处理模拟量也需要处理 大量的开关量，系统的可靠性要高，人机交互界面友好，应具备数据储存和分析汇总的 能力。要实现整个液体混合控制系统的
15、设计， 需要从怎样实现各电磁阀的开关以及电动机启动的控制这个角度去考虑， 现在就这个问题的如何实现以及选择怎样的方法来确定系统方案。3.2 总体方案介绍就目前的现状有以下几种控制方式满足系统的要求：继电器控制系统、单片机控制、工业控制计算机控制、可编程序控制器控制。 1.继电器控制系统 控制功能是用硬件继电器实现的。继电器串接在控制电路中根据主电路中的电压、电流、转速、时间及温度等参量变化而动作，以实现电力拖动装置的自动控制及保护。系统复杂，在控制过程中，如果某个继电器损坏，都会影响整吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计第 7 页 共 22 页个系统的正常运行，查找和排除故障往往非常困难
16、，虽然继电器本身价格不太贵，但是控制柜的安装接线工作量大，因此整个控制柜价格非常高，灵活性差，响应速度慢。2.单片机控制 单片机作为一个超大规模的集成电路，机构上包括 CPU、存储器、定时器和多种输入/输出接口电路。其低功耗、低电压和很强的控制功能，成为功控领域、尖端武器、日常生活中最广泛的计算机之一。但是，单片机是一片集成电路，不能直接将它与外部 I/O 信号相连。要将它用于工业控制还要附加一些配套的集成电路和 I/O 接口电路，硬件设计、制作和程序设计的工作量相当大。 3.工业控制计算机控制 工控机采用总线结构，各厂家产品兼容性强，有实时操作系统的支持，在要求快速、实用性强、功能复杂的领域中占优势。但工控机价格较高，将它用于开关量控制有些大材小用。且其外部 I/O 接线一般都用于多芯扁平电缆和插头、插座，直接从印刷电路板上引出，不如接线端子可靠。 4.可编程序控制器控制 可编程序控制器配备各种硬件装置供用户选择，用户不用自己设计和制作硬件装置，只须确定可编程序控制器的硬件配制和设计外部接线图，
