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1、概况 从简单项目步入实用的综合性项目，在具备DCS基本常识和应用技能的基础上，进一步掌握DCS硬件和软件在“工程”项目中应用，全面提升专业素质技能。本项目作为DCS系统在复杂而实用的生产工艺的多个典型应用案例，其主要目的：在于深化DCS设计、实施思维方法和技能提升，并进一步提升分析问题、解决问题的能力。,本项目由各小组自主学习拓展，教材所介绍的方案和有关硬件、软件设计为后续工作奠定了坚实的基础；各小组应基于项目工艺，对接实训平台，实现功能自我完善和跨越递进。为实现项目的基本要求和规范性，在指定的实训平台上完成项目任务；同时，也有开放发挥空间，即通过进一步完善功能，以及延伸到其它平台、乃至不同领
2、域、不同工艺背景的DCS项目分析和实施；为培养综合素质和创新能力，提供良好平台。 了解工程设计、工程文件规范及写作、DCS维护与管理。,5.1 真空钎焊炉监控系统 5.1.1概况 1、真空钎焊概况：由于真空钎焊具有很好的性能，不仅在航空、航天、原子能和电气仪表等尖端工业中成为必不可少的生产手段，而且在石油、化工、汽车和工具等机械制造领域得到推广和普及。 真空钎焊不仅工艺流程复杂，而且工作周期长达十几个小时，传统控制系统，设备组件多而松散，操作维护繁锁，因此，传统控制方式难以充分保障系统的安全性和可靠性。,2、引入DCS必要性：在真空钎焊炉控制系统中引入DCS，简化传统控制系统硬件结构，既便于设
3、备维护，又为信息化建设和应用提供基础平台。,3、主要学习内容 1.了解真空钎焊炉结构及工作原理； 2.理解真空钎焊控制工艺流程； 3.落实真空钎焊炉监控系统与实训装置对接； 4.掌握控制站与操作员站的通讯； 5.组态软件复杂功能模块内涵及应用； 6.了解工程项目调试流程；,5.1.2项目及控制工艺要求,一、总体要求： （1）以S7-300、S7-200作为DCS的控制站，利用实训平台的功能模块作为被控对象，组态王监控界面构筑操作员站，共同构成真空钎焊炉DCS监控系统。 （2）利用PID构成炉内温度过程控制，自动调整电加热器功率，确保“炉内温度”恒定，PID由可编程智能调节器或PLC中的PID指
4、令实现。,总体要求： （3）利用PID或开环实现炉内真空过程控制，确保“炉内真空度”在要求范围内；利用PLC实现真空钎焊炉工艺的逻辑控制。 （4）通过此项目学习，深化DCS工程设计和应用，并引入系统调试和管理及高级通讯应用。,二、工艺说明,1、概况：真空炉系统主要由真空系统和加热系统及有关控制设备组成，真空系统用来满足真空钎焊生产工艺所要求的真空度，加热系统使零件加热并熔化钎料，完成零件钎焊。真空炉系统的总体结构如下图5-1所示；真空钎焊过程的工作周期如图5-2所示。,图5-1真空炉系统的总体结构,图5-2真空钎焊过程的工作周期,2、真空系统组成：由机械泵、扩散泵、细阀、粗阀和高真空挡板阀等组
5、成。机械泵为粗真空装置，其动力源是1台三相交流电动机，通过交流接触器控制泵的工作与停止。油扩散泵为高真空装置，借助前级机械泵和扩散泵油及电炉加热的作用完成高真空度的抽气工作，通过交流接触器的吸合与断开控制其电加热炉的通断，进而控制扩散泵的动作与停止，满足真空炉系统对真空度的工艺要求,3、加热系统：由加热电源和加热元件组成，加热电源选用磁性调压器，利用直流激磁电源实现无触点带负载的平滑无级调压，其直流激磁电源由功率调控器控制，而功率调控器利用调节器的输出实现控制，即通过热电偶检测炉温当前值与设定值之差，经调节器PID运算后，输出420mA的直流控制信号，控制磁性调压器的励磁电压，按所需的温控曲线
6、实现加热电流和温度的自动调控，满足真空钎焊对温度的工艺要求。,4、控制要求： （1）真空系统采用机械泵-油扩散泵两级抽气，实现自动/手动控制抽气功能，真空度要求仪表显示，真空度符合钎焊过程工作步的要求。 （2）系统温度控制选用合适的控制方案，以实现温度高精度控制；并按照真空钎焊周期各阶段温度和时间的规律实现微机自动程控及手动控制，温度控制精度为0.55%；同时，温度需要显示、记录。 （3）在钎焊过程中，对于可能出现的超温、断水、断偶等故障，一方面要自动报警，提醒工作人员，另一方面需要按要求自动地停止有关设备的工作，避免事故进一步扩大。,5.1.2项目分析 1、概况：根据项目任务表单，项目分析及
7、主要完成的工作围绕三方面：构筑DCS硬件、工艺控制方案实施、组态监控实施。,2、重点和难点 （1）生产工艺与实训平台对接及处理。 （2）系统平台构建。 （3）工艺流程方案拟定。 （4）过程控制和逻辑控制的关联实施。 （5）通讯组态实施。,3、控制工艺流程 两个炉室的组成和工作原理完全类似，并共用部分控制设备。真空钎焊系统的控制逻辑由PLC编程实现，结合项目工艺，真空钎焊系统的I/O开关量逻辑关系如下图所示，其控制流程方框如下图所示,4、其主要工作过程为：首先，系统做必要的准备工作；其次，验证真空钎焊启动的工作条件，即要求水压正常；然后，进入钎焊的工作流程，开机械泵，待系统达到一定真空度后，接通
8、扩散泵，将炉室抽至所要求的高真空后，按系统所预置的温控曲线进行升温加热。在整个加热过程中真空系统持续抽气，以维持所要求的真空度。另外，对工作过程中可能出现的停水、断偶、超温三种异常情况，按要求进行相应处理。,5.1.3系统常规硬件方案分析,1.继电器与模拟仪表组合。 2.继电器与数字仪表组合。 3.PLC与智能数字仪表组合，结构示意如下图：,5.1.4系统实施参考方案,1、概况：本项目源于实际真空钎焊炉背景，但在教学过程，应结合实训平台配置情况，立足于控制方案、系统实施、专业技能及控制系统的“真实性”，淡化真空钎焊炉设备、生产工艺、控制指标的“真实性”。考虑到实训平台的配置情况，对硬件平台、控
9、制工艺流程和控制指标应作灵活调整，立足于自动工作方式，淡化手动工作方式。,2、工艺流程实施方案 为指导后续的硬件系统设计和软件开发工作，明确工艺流程实施方案至关重要。为确保真空钎焊炉安全、可靠、高效的工作，在实施工艺流程时，以自动工作方式为主，手动工作方式为辅。自动工作方式以控制站的PLC为主，操作员站为辅。手动工作方式可以利用PLC外接输入按钮回路，也可以利用操作员站中的监控界面上所组态的“功能按键”，甚至DCS的操作员键盘实施手动控制。根据本项目的定位和实训平台情况，立足于真空钎焊的自动工作方式，把真空炉的真空系统和温度系统有关工作流程分解到1#控制站和2#控制站实施，它们的工作关系参考下
10、图。,工艺流程自动方式工作关系示意图,3、系统总体功能框图,（1）工作站数据通讯方式：两个控制站与操作员站利用PROFIBUS-DP或TCP/IP通讯，对有关数据通讯及共享方式需进一步明确，以指导后续组态工作。根据上述系统总体功能框图，可选用PROFIBUS-DP或TCP/IP通讯，建议首选TCP/IP通讯方式。,（2）操作员站的主要功能模块：操作员站运行相应的实时监控程序，对整个系统进行监视、控制和管理；明确操作员站的功能模块，为后续软件组态及开发提供基本方向。主要功能模块包括：工艺流程图显示、趋势显示、参数列表显示、报警监视、日志查询、系统设备监视、操作功能、菜单选项、记录、查询等功能模块
11、，分解组合为多个窗体。,5.1.5系统硬件设计,概况： DCS的硬件设计基于体系结构中的工程师站/操作员站、控制站、现场过程级设备及通讯网络设计工作，既要遵循DCS硬件设计基本原则、设计规范、系统工艺和性能指标及软件功能模块协调等方面的要求，还需结合实施方案和实训平台的实际情况。下面主要从硬件结构设计、系统I/O信号和系统接线安装图三个方面作指导性介绍，更进一步的具体工作由各小组自主完成。,1.硬件实施平台：DCS实验室普遍配置了A8000或A3000集散控制系统实训平台，或类似于A8000和A3000的THPCAT-2平台实训平台，作为参考案例，本项目实施平台基于A8000DCS进行介绍。项
12、目实施平台可确定为：硬件-计算机+ A8000，计算机作为DCS的工程师站和操作员站；一方面需要安装相关软件，另一方面组态开发所需软件，并运行监控软件。,2.硬件总体结构框图,3.系统配置和选型 其核心功能模块包括：S7-300应用系统、S7-200PLC应用系统、PWM/FV驱动转换模块、A8052温度可变负载控制模块、A8051直流电机调速模块、光电传感器测速模块、温度检测变送模块。,4、系统I/O信号清单,根据系统方案、控制工艺要求和硬件平台，列出所有的控制及采集信号清单，既为进一步确定系统硬件配置及实际安装奠定基础；同时，也为后续软件开发提供依据。应按模拟信号、数字信号和输入信号、输出
13、信号类型分别列出。模拟量信号如下表所示，其它参见教材。,5、 系统接线图和安装,根据系统硬件设计框图、I/O信号分配清单表和项目1-“A8000DCS实训平台装配”内容，绘制相应系统接线图，以指导系统硬件安装工作。下面给出1#控制站温度控制模块接线和2#控制站电机转速控制模块接线原理示意图，其它系统接线图各小组自主完成。,1#控制站温度控制模块接线原理图,2#控制站电机转速控制模块接线原理图,5.1.6 系统软件开发,概况：硬件是DCS项目实施的基本条件，而软件是DCS的灵魂，其开发具有多样性、复杂性和创新性。1#控制站采用西门子的S7-300PLC，2#控制站采用西门子的S7-200PLC，
14、工程师站上需要安装STEP V5.4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，如采用PROFIBUS-DP通讯组态还需要SIMATIC NET6.3/6.2软件支持。,1、功能流程图： 1#控制站主要完成真空钎焊的温度控制，其钎焊周期参考前面有关图，其核心是多段温控曲线的实施；下面给出其控制流程图。,一、1#控制站程序开发,1#控制站功能流程图,2、核心程序的功能模块：根据S7-300工作原理和程序开发规律，其程序架构包括：符号表、数据块、组织块、功能块，即STEP 7中的块主要包括组织块（OB）、功能（FC）、功能块（FB）、系统功能（SFC）、系统功能块（SFB）、背景数据
15、块（IDB）、共享数据块（SDB），它们是一些独立的程序或数据单元，在STEP 7 的Blocks文件夹。编程关键：数据变量与分配存储单元、功能流程图。,二、 2#控制站程序开发,2#控制站主要完成真空钎焊的真空系统控制，其工作流程参考下图：,2#控制站功能流程图,三、控制站与操作员站通讯组态,根据上面的分析，控制站与操作员站的数据传输与共享可选用PROFIBUS-DP、TCP/IP、OPC通讯，由于TCP/IP通讯的众多优点和广泛应用，下面分别介绍1#控制站、2#控制站与操作员站的TCP/IP通讯组态工作；对于控制站与操作员站如何实现PROFIBUS-DP、OPC通讯组态，参考后面的相关内容
16、,另外，为了验证TCP/IP通讯状态，首先，在计算机上用ping命令，保证能ping到PLC站。其次，自主拟定简单数据传输和控制关系，为控制站PLC和操作员站构建项目，开发测试程序。最重要的是在项目实施过程，需要规划好工作站之间传递、共享的数据，以及在工艺流程中控制关系的衔接问题。,1、 1#控制站TCP/IP组态,根据实施平台和系统配置，通讯组态硬件配置包括：PLC选用西门子的CPU-315-2 PN/DP，另外还需要8口交换机和MPI下载电缆。 （1）S7-300以太网配置基本步骤 （2）组态王以太网设置,2、 2#控制站TCP/TP组态,根据实施平台和系统配置，通讯组态硬件配置包括：PLC选用西门子的CPU-224、TCP/IP通讯处理器选用CP243-1 。 （1）S7-200以太网配置基本步骤 （2）组态王以太网设置,【补充】组态王与西门子S7-300的PROFIBUS-DP通讯组态,四、操作员站组态,1.概况 操作员站组态最为核心和复杂的内容主要包括：其一、数据库词典的变量定义，既直接关系到控制站的编程，也关系到三个工作站的数据共享通
