集散控制系统组态应用技术

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1、书名：集散控制系统组态应用技术 ISBN： 978-7-111-45302-4 作者：蒋兴加 出版社：机械工业出版社 本书配有电子课件,项目3 锅炉液位恒定监控系统设计与实现（基于A1000/A3000/A5300）,一、项目指导思想 1、基于实训平台用组态王完成锅炉液位恒定控制系统设计、运行（参考有关实训资料/指导书） 2、能应用组态王或力控组态软件基本功能进行简单项目设计、运行。 3、老师演示、学生自主学习。,二、基本要求: 1.掌握组态王或力控基本操作，完成工程分析及变量定义； 2.掌握简单界面设计，完成数据对象定义及动画连接； 3.掌握设备连接方法，完成简单脚本程序编写及报警显示； 4

2、.掌握制作工程报表及曲线方法； 5. 编写PLC程序（PID应用）。,3.1 项目基本情况,3.1.1概况 在“水箱双位供水仿真系统”基础上，深化“DCS工程”项目开发，以简便实用的单回路PID控制学习使用DCS硬件和软件基本架构。基于DCS实训装置设备平台模拟“锅炉液位恒定控制”，以项目教学和学生自主学习为主，拓宽学生理论与实践结合。一方面，深化理解项目教学法在“工程”项目分析、开发、实施流程应用；另一方面，通过完成项目进一步掌握DCS硬件和软件在“工程”项目的应用。,下一页,返回,3.1.2目标主要学习内容： 1.PID单回路恒定控制原理。 2.DCS体系结构及DCS实训装置关系。 3.I

3、/O设备PLC与操作员站通讯。 4.DCS实训装置A1000、A5300、A8000、THPCAT-2结构与功能。 5.组态软件复杂功能模块内涵及应用。,下一页,返回,3.1.2目标-专业技能目标 (1)DCS的组成，操作员站与控制站通讯； (2)初步具备简单工程的分析能力、简单控制系统的构建能力； (3)DCS操作员站与控制站I/O组态、实时数据库、监控界面实现，尤其重要参数趋势曲线、报警组态能力；(4)控制站组成及西门子PLC编程； （5初步具备对PID闭环控制系统的设计能力、定值控制系统的统调能力； (6)初步了解DCS安装、调试、运行工程规范。,下一页,返回,3.1.3项目及控制工艺要

4、求 1、总体要求： 以A5300/A1000作为被控对象、A8000作为控制系统（DCS的控制站）、组态王（操作员站）构成液位恒定控制的DCS系统或THPCAT-2平台；利用PID构成单回路，自动调整流量大小，确保供水压力恒定；并提供系统启/停控制按钮；通过此项目学习，基本掌握DCS设计和应用步骤。,下一页,返回,2、工艺说明： 液位恒定控制或恒压供水在工业、生活等领域具有十分重要的现实意义，压力过高或过低，都带来影响；本系统将压力传感器检测到的上水箱液位信号作为测量信号，通过控制器控制水泵的开度，以达到控制上水箱液位恒定的目的，实现恒压供水控制。,下一页,返回,3、项目控制要求： （1）初始

5、状态，水箱压力/液位为0，启/停控制按钮处于停止状态，操作启/停按钮互相切换。 （2）在监控界面上给定压力设定值、开启“启/停按钮”进入启动状态，供水系统按照控制方案工作，即被控量（上水箱的液位）稳定在给定值。 （3）在监控界面上设置PID参数调节对话框、趋势曲线和报警功能模块，实现系统统调和跟踪。 （4）控制器由S7-200/S7-300编程实现PID单回路闭环控制。,下一页,返回,4、重点和难点： （1）组态软件功能模块的报警、趋势曲线、报表、控件理解和应用； （2）控制工艺的PLC编程，尤其PID指令； （3）设备通讯； （4）变量确定和定义。,下一页,返回,3.2 项目方案设计,3.2

6、.1工程项目分析 1、概况：根据项目任务表单，主要解决三方面问题：构筑DCS硬件、工艺控制方案理解及实施、组态监控实施。 主要完成的工作为DCS硬件设计、上位机（操作员站）组态控制设计、PLC程序的编辑、系统的安装、调试、运行、改进。,下一页,返回,2、工程项目分析主要内容： 其一、工程项目的系统构成、技术要求和工艺流程；其二、系统实施平台，弄清系统的控制流程和测控对象的特征，确定控制方案，明确监控要求和动画显示方式；其三、工程中的数据采集通道及输出通道与软件中数据词典中变量的对应关系，分清哪些变量是需要利用I/O通道与外部设备进行连接的，哪些变量是软件内部用来传递数据及动画显示的。,下一页,

7、返回,3.2.2项目实施平台 本项目将选用A8000和A1000组合的实训平台，即：硬件-计算机+ A8000+ A1000；软件-常规软件+组态软件（组态王为主，其它组态软件为辅）。计算机作为DCS的工程师站和操作员站；A8000上的S7-200PLC及其模块作为控制站； A1000上的模块、仪表、水泵等设备作为现场控制级，水箱作为被控对象；操作员站与控制站的通讯采用PPI；控制站与现场控制级采用4mA-20mA或2-10V模拟信号。,下一页,返回,任务3.2项目方案设计,3.2.3控制方案论证 本项目属于单回路控制，为提高系统可靠性，对接生产现场，规划为两种工作方式：一种为PLC应用系统，

8、另一种为“操作员站+控制站PLC”组合的工作方式；结合工艺需要，对有关数字开关量和模拟量控制关系进行相应分解整合。,下一页,返回,3.2.3控制方案论证 为了验证所选控制策略的可行性，利用锅炉液位对象数学模型，利用MATLAB软件，对PID回路控制性能从理论上作进一步分析验证；分析表明其性能符合系统要求。,下一页,返回,3.2.4控制系统工作原理 压力传感器将水箱中液体的压力信号转换为电信号（4mA-20mA）送给PLC的A/D转换器输入端；经PLC程序数据处理后，执行PLC中的PID指令，PID根据液位设定值与实际检测值进行PID运算，输出控制量；A8000上的PLC的D/A输出模拟信号给A

9、1000上的执行驱动设备，再由执行驱动设备控制流量的大小，以达到控制上水箱液位恒定的目的。,下一页,返回,一般来说，在生产过程中都存在着大量的物理量，如温度、压力、流量、液位、速度、PH、粘度等，这些连续变化的物理量称为模拟量。为了实现对这些物理量的控制，需先经测量传感器将物理量变换为电量（如电压、电流、电阻等），再经测量变送器将测量结果转换成标准的模拟量电信号（10V、20mA、420mA、1V等）。然后再将模拟量电信号送入模拟量输入模块（AI）进行A/D转换，变换成CPU所能接受的二进制电平信号并送入CPU进行存储和数据处理，经PLC运算程序加工处理后二进制电平信号再送入模拟量输出模块进行

10、（D/A）转换，然后将模拟量信号再驱动相应的执行机构（如加热器、电磁阀、变频器等），最终实现对物理量的调节与控制。（下图针对PLC300）,数据转换（线性-原始值/工程值）,3.2.5项目监控界面 （1）系统工艺及运行情况的动态模拟。 （2）系统的启/停的控制及重要参数的显示。 （3）系统运行的趋势、报警、报表。 （4）对于单回路PID过程控制，监控界面提供“PID调整窗体”。,下一页,返回,锅炉液位恒定监控系统界面参考图,3.2.6系统调试运行方案 1、本项目调试运行方案主要流程及内容为： 其一、设备检测，对设备外观、接线、固定安装进行检测。 其二、系统接线进行测试，检查接线端子标号、安装固

11、定机械强度，检测电气特性。 其三、电源测试，分别对直流和交流电源供电回路接线和电气特性进行检测。,下一页,返回,3.2.6系统调试运行方案 其四、系统设备通电，观察是否有异常，并检测通电后的电气特性。 其五、计算机、PLC、变频器等设备开机，进入运行状态。 其六、运行测试程序，判断相关设备的逻辑、过程控制关系、通讯正常。 其七、运行开发项目，验证是否满足设计要求，记录运行情况；对异常情况进行处理、改进和完善，并作好记录整理工作，完成项目报告。 其八、系统停电，恢复设备常规配置，填写设备使用保养单。,下一页,返回,3.2.6系统调试运行方案 2、特注：系统在正式调试、运行之前，应对 系统相关设备

12、力争进行初测及试用，以确保 复杂工艺调试、运行之时，它们基本正常， 有利于后续分析判断。例如：A1000水泵直流 电机可考虑直接加24VDC，观察其运行；压 力/液位传感变送器加限流电阻后用电流表 观察液位变化，其电流是否也在改变；结合 A8000的PLC及PWM模块，实现液位双位控 制，运行PLC程序监控模拟采集和输出控制 变化趋势-对接项目2拓展内容；为液位PID定值控制奠定基础。,3.3系统硬件设计,3.3.1硬件结构设计-基于A5300（基于A1000自行绘制） 根据所选实训平台，结合控制工艺要求，锅炉液位恒定监控系统的硬件结构总体框图如下图所示。,下一页,返回,3.3.2 系统I/O

13、信号清单,下一页,返回,3.3.3 系统安装接线 DCS的安装分硬件安装和软件安装，硬件安装包括控制站、操作员站、通信网络和电源安装；软件安装一般包括：计算机常规软件、组态软件、控制站开发软件。在工程领域，DCS设备的现场就位与安装工作，一般由DCS厂家技术人员到现场指导安装单位进行现场安装及调试；DCS的安装是一项系统而复杂的工作，对安装人员有严格的要求，参考安装调试手册及其他标准规范文件执行。就本“DCS在恒压供水系统中应用”项目而言，其安装内容主要涉及控制站PLC的模块与现场设备的接线、计算机与控制站通讯连接。,下一页,返回,3.4 系统软件开发,软件开发是DCS的核心，软件开发既遵循一

14、定的规律和规范，也应具备共享成果的意识；同时，结合具体问题进行分析解决，实现提升创新。 DCS是硬件与软件的有机整体，DCS软件与硬件结构密切相关，主要包括控制层软件、监控软件和组态软件。 控制站采用西门子的S7-200PLC，工程师站上需要安装STEP V4开发软件；工程师站上的监控开发的组态软件以“组态王”为主。下面分别简要介绍控制站、操作员站软件开发的相关内容，具体实施工作由各小组自主完成。,下一页,返回,3.4 系统软件开发,3.4.1 控制站程序开发 控制站的程序开发基本步骤为：分析项目需求新建项目硬件组态通讯端口设置绘制功能流程图分配存储单元编程下载调试验证关联操作员站。其核心在于

15、：功能流程图和存储单元的分配。,下一页,返回,3.4.1 控制站程序开发 1、功能流程图：,下一页,返回,2、主要参数表,3核心程序代码：（1）主程序-初始化PID和中断,（2）中断程序之一：数据采集处理段,（3）中断程序之二：PID运算和定义PID回路段,（4）中断程序之三：控制量处理及输出,3.4.2操作员站组态开发 1、概况：操作员站组态开发的主要环节包括：创建工程项目及路径；定义I/O设备，选择通讯方式-PPI；建立实时数据库，正确组态各种变量参数；根据工艺过程绘制、设计画面结构和画面框架，组态每一幅静态画面；将画面中的图形对象与实时数据库变量建立动画连接关系；根据项目需要，完成控制策

16、略、历史趋势、报警显示以及报表系统开发；对组态内容进行分段和总体调试，视调试情况对组态的软件进行相应修改及完善；下面对实时数据库和组态画面作进一步介绍，其它画面，各小组根据项目要求自主完成。,下一页,返回,2、组态要点： （1）设备定义（S7-200、PPI） （2）实时数据库-变量：根据需要灵活调整；综合项目要求和上述分析，参考PLC存储单元参数关系表。 （3）画面组态（多画面分工、互相切换） （4）趋势曲线、报警 （5）组态王报表示例,下一页,返回,3、系统总控界面-参考；报警、趋势曲线画面自行构筑,【知识链接】组态王的功能模块 1.流动连接。 2.趋势曲线。 3.报警。 4.报表。,下一页,返回,3.5系统调试运行维护,概况：系统调试的目的就是达到系统工艺运行的要求，系统的现场调试工作是非常复杂且涉及各专业人员较多的一项现场工作，不仅仅包括系统的所有功能调试，控制回路的调试、控制算法的整定及各种接口的调试，同时不涉及到相关各方的配合与协调工作。涉及到的各专业人员有：控制人员、仪表人员、工艺人员及操作人员，还有诸如电气、环境、安全等方面的人员可能参加。,