計算機控制技術第10章

1、自動化教研室第第1010章章計算機控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)計算機控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn) v 10.1 系統(tǒng)設計的原則與步驟v 10.2 系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)v 10.3 電熱油爐溫度單片機控制系統(tǒng)設計v 10.4 換熱站監(jiān)控系統(tǒng)設計v 10.5 三維直線運動平臺PLC控制系統(tǒng)設計10.1 系統(tǒng)設計的原則與過程系統(tǒng)設計的原則與過程v 10.1.1 系統(tǒng)設計的原則v 10.1.2 系統(tǒng)設計的10.1.1 系統(tǒng)設計的原則系統(tǒng)設計的原則v安全可靠v 工業(yè)控制計算機不同于一般的用于科學計算或管理的計算機，它的工作環(huán)境比較惡劣，周圍的各種干擾隨時威脅著它的正常運行，而且它所擔當?shù)目刂浦厝斡植辉试S它發(fā)生異?，F(xiàn)象。v具有冗

2、余性v 為了預防計算機故障，需設計后備裝置。對于重要的控制回路，選用常規(guī)控制儀表作為后備。對于特殊的控制對象，設計兩臺控制機，互為備用地執(zhí)行控制任務，稱為雙機系統(tǒng)。 v實時性強v 工業(yè)控制機的實時性，表現(xiàn)在對內(nèi)部和外部事件能及時地響應，并做出相應的處理，不丟失信息，不延誤操作。v 計算機處理的事件一般分為兩類，一類是定時事件，如數(shù)據(jù)的定時采集，運算控制等；另要是隨機事件，如事故、報警等。對于定時事件，系統(tǒng)設置時鐘，保證定時處理。v 對于隨機事件，系統(tǒng)設置中斷，并根據(jù)故障的輕重緩急，預先分配中斷級別，一旦事故發(fā)生，保證優(yōu)先處理緊急故障。操作維護方便操作方便表現(xiàn)在操作簡單、直觀形象、便于掌握。并不

3、強求操作工要掌握計算機知識才能操作。既要體現(xiàn)操作的先進性，又要兼顧原有的操作習慣。通用性好靈活性強工業(yè)控制機的靈活性體現(xiàn)在兩方面，一是硬件模板設計采用標準總線結(jié)構(如PC總線)，配置各種通用的功能模板，以便在擴充功能時，只需增加功能模板就能實現(xiàn)；二是軟件模塊或控制算法采用標準模塊結(jié)構，用戶使用時不需要二次開發(fā)，只需按要求選擇各種功能模塊，靈活地進行控制系統(tǒng)組態(tài)。v具有開放性v 開放性體現(xiàn)在硬件和軟件兩個方面。v經(jīng)濟效益高v 計算機控制應該帶來高的經(jīng)濟效益，系統(tǒng)設計時要考慮性能價格比，要有市場競爭意識。經(jīng)濟效益表現(xiàn)在兩個方面，一是系統(tǒng)設計的性能價格比要盡可能的高；二是投入產(chǎn)出比要盡可能的低。 1

4、0.1.2 系統(tǒng)設計的過程系統(tǒng)設計的過程v 計算機控制系統(tǒng)工程的設計過程主要包括設計任務書、初步設計、詳細設計、安裝調(diào)試、資料歸檔等五個階段。v1.設計任務書v 設計任務書是計算機控制系統(tǒng)設計、評價的主要依據(jù)，在設計任務書中要明確：v (1)工藝流程或被控對象特征 v 計算機控制系統(tǒng)的目的是為了最有效地保證工藝流程的順利進行，所以熟悉工藝流程是設計計算機控制系統(tǒng)的前提。v v (2)主要工藝參數(shù)及指標要求 v 任何一個生產(chǎn)過程中，影響產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)速度的因素很多，所以必須確定被控對象的主要工藝參數(shù)及其性能指標，根據(jù)工藝參數(shù)的性能要求不同構建不同種類的計算機控制系統(tǒng)。v (3)系統(tǒng)運行環(huán)境 v

5、工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境是復雜的，任何一種控制裝置或儀器都不可能百分之百地適用于所有的工作環(huán)境，為了保證控制系統(tǒng)的正常運行及所有性能指標符合設計要求，需要對系統(tǒng)的運行環(huán)境包括溫度變化范圍、濕度變化范圍、電磁干擾環(huán)境、粉塵、噪音、電網(wǎng)變化、靜電場等有充分的了解并在系統(tǒng)設計中采取有效措施。v (4)系統(tǒng)設計目標 v 同樣的生產(chǎn)工藝，可以有不同的控制系統(tǒng)，而且系統(tǒng)性能指標一般來說也是越高越好。如何決定系統(tǒng)的設計方案和評價指標，在系統(tǒng)的性能、造價、復雜度、可靠性、可擴展性、可維護性等諸多約束條件中確定最佳平衡點，這就是規(guī)定系統(tǒng)設計目標的目的。v2.初步設計v 根據(jù)系統(tǒng)設計任務書，以及市場可入手的設備、裝置和設計者

6、自身所掌握的技術，對可能滿足設計任務書的各類及其特征進行分析后，確定系統(tǒng)設計的總體方案。v (1)系統(tǒng)方案選擇 v 滿足同一種生產(chǎn)工藝要求的系統(tǒng)設計方案可能不只一種，必須根據(jù)設計任務書規(guī)定的其他指標，如性能價格比、操作的方便程度、可擴展性等確定一種比較合理的設計方案。v v (2)系統(tǒng)結(jié)構的確定 v 系統(tǒng)結(jié)構除了依存于生產(chǎn)工藝要求外，還取決于系統(tǒng)運行環(huán)境、生產(chǎn)管理者的要求、可入手設備及裝置的性能等。v (3)主要設備和裝置的選擇 v 控制系統(tǒng)是由一系列的裝置和元器件組成的。從某種意義上講，構成系統(tǒng)的元器件和裝置的性能決定了系統(tǒng)的性能。v (4)性能價格比評價 v 根據(jù)技術指標選擇了系統(tǒng)的方案后

7、，要對系統(tǒng)技術指標以外的各種指標，主要是性能價格比進行比較評價，才能設計出有限條件下最好的控制系統(tǒng)。v3.詳細設計v 根據(jù)初步設計所確定的系統(tǒng)方案和系統(tǒng)結(jié)構，對系統(tǒng)的軟硬件系統(tǒng)進行具體詳細的設計。v (1)系統(tǒng)功能塊劃分 v 一個控制系統(tǒng)根據(jù)設計要求不同，可以劃分為多個不同的 功能塊，合理地劃分系統(tǒng)功能塊并對各功能塊分別設計，可有效地提高系統(tǒng)設計效率，提高系統(tǒng)的可維護性。v (2)硬件設計 v 針對各個不同功能塊合理選擇硬件實現(xiàn)方案及元器件和裝置。v (3)軟件設計 v 對系統(tǒng)及各功能塊有效運行所必須的程序和指令系統(tǒng)進行設計、編程。v (4)輔助系統(tǒng)設計 v 為了保證控制系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定運行需要

8、為系統(tǒng)設計一些諸如保護系統(tǒng)、熱備系統(tǒng)等輔助系統(tǒng)。v4.安裝調(diào)試v (1)系統(tǒng)離線調(diào)試與評價 v 系統(tǒng)設計完成后，需要在實驗室或現(xiàn)場進行實驗評價，以確認系統(tǒng)是否按設計期望正常運轉(zhuǎn)、各項性能是否符合設計要求。v (2)系統(tǒng)現(xiàn)場安裝 v 經(jīng)過實驗評價的系統(tǒng)最終要在生產(chǎn)現(xiàn)場進行安裝。v (3)現(xiàn)場調(diào)試 v 由于實驗室環(huán)境和現(xiàn)場生產(chǎn)環(huán)境一般是不一樣的，所以盡管系統(tǒng)經(jīng)過實驗室調(diào)試評價，但在現(xiàn)場安裝完成后還要進行各項參數(shù)的調(diào)整才能保證系統(tǒng)正常運行。v (4)在線測試 v 經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試的控制系統(tǒng)，在正式投入使用前還要測試各項控制指標，以保證系統(tǒng)安全投入使用。v (5)系統(tǒng)最終評價 v 系統(tǒng)投入使用初期,要按照

9、設計任務書所規(guī)定的各項指標，逐一進行評價，必要時對系統(tǒng)進行微調(diào)，最終使系統(tǒng)完全按照設計任務書的要求正?？煽窟\轉(zhuǎn)。v5.資料歸檔v (1)設計圖紙整理 v 經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試投入使用后，要對安裝調(diào)試的依據(jù)即設計圖紙整理歸檔，不可漏掉一張圖紙，包括調(diào)試過程中圖紙變化記錄，因為這些資料是系統(tǒng)今后維護、維修必不可少的依據(jù)。v (2)評價結(jié)果整理 v 對系統(tǒng)評價的方法、環(huán)境、所使用的儀器、評價的依據(jù)、實驗者及評價人和責任人等數(shù)據(jù)、資料在系統(tǒng)投入使用前必須系統(tǒng)整理歸檔，以備為日后系統(tǒng)分析、責任區(qū)分等提供原始資料和數(shù)據(jù)。v (3)編寫使用說明書 v 系統(tǒng)設計完成投入使用后，設計者的基本義務是為系統(tǒng)使用者提供完整的

10、使用說明，并保證具體使用操作者能夠正確熟練地操作系統(tǒng)。v (4)設計完成確認書 v 系統(tǒng)設計任務書是系統(tǒng)使用單位根據(jù)實際需要給設計者提供的設計依據(jù)和約束條件，設計完成確認書是使用者為系統(tǒng)設計者提供設計合格及設計終了證明，只有拿到設計完成確認書，系統(tǒng)設計者才算最終完成系統(tǒng)設計任務。10.2 系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)v 10.2.1 初步設計v 10.2.2 硬件的詳細設計v 10.2.3 軟件的詳細設計v 10.2.4 系統(tǒng)的調(diào)試與運行10.2.1 初步設計初步設計v系統(tǒng)方案的選擇v 依據(jù)設計任務的技術要求確定系統(tǒng)的性質(zhì)是數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，還是對象控制系統(tǒng)，如果是對象控制系統(tǒng)，還應根據(jù)系

11、統(tǒng)性能指標要求，決定采用開環(huán)控制，還是采用閉環(huán)控制。v 根據(jù)控制要求、任務的復雜度、控制對象的地域分布等，確定整個系統(tǒng)是采用直接數(shù)字控制(DDC)、還是采用計算機監(jiān)督控制(SCC)，或者采用分布式控制系統(tǒng)。v 由于每個特定的控制對象均有其特定的控制要求和規(guī)律根據(jù)系統(tǒng)的性能指標，因而必須選擇與之相適應的控制策略和控制算法，依據(jù)具體的性能指標不同要求可選擇PID、智能控制算法等。同時，還要綜合考慮系統(tǒng)的實時性、整個系統(tǒng)的性能價格比等。v確定系統(tǒng)的構成方式v 控制方案確定后，就可進一步確定系統(tǒng)的構成方式，即進行控制裝置機型的選擇。目前用于工業(yè)控制的計算機裝置有多種可供選擇，如單片機、可編程控制器、I

12、PC、DCS、FCS等。v現(xiàn)場設備選擇v 主要包含傳感器、變送器和執(zhí)行機構的選擇。這些裝置的選擇是正確控制精度的重要因素之一。根據(jù)被控對象的特點，確定執(zhí)行機構采用什么方案，比如是采用電機驅(qū)動、液壓驅(qū)動還是其他方式驅(qū)動，應對多種方案進行比較，綜合考慮工作環(huán)境、性能、價格等因素擇優(yōu)而用。v其它方面的考慮v 總體方案中還應考慮人機聯(lián)系方式的問題，系統(tǒng)的機柜或機箱的結(jié)構設計、抗干擾等方面的問題。v系統(tǒng)總體方案設計v 系統(tǒng)總體方案設計的方法采用“黑箱”設計法。v 所謂“黑箱”設計，就是根據(jù)控制要求，將完成控制任務所需的各功能單元、模塊以及控制對象，采用方塊圖表示，從而形成系統(tǒng)的總體框圖。v 在這種總體框

13、圖上、只能體現(xiàn)各單元與模塊的輸入信號、輸出信號、功能要求以及它們之間的邏輯關系，而不知道“黑箱”的具體結(jié)構實現(xiàn)；各功能單元既可以是一個軟件模塊，也可以采用硬件電路實現(xiàn)。v 總體設計后將形成系統(tǒng)的總體方案?？傮w方案確認后，要形成文件，建立總體方案文檔。系統(tǒng)總體文件的內(nèi)容包括：v 系統(tǒng)的主要功能、技術指標、原理性方框圖及文字說明。v 控制策略和控制算法，例如PID控制、達林算法、Smith補償控制、最級控制、前饋控制、解耦控制、模糊控制、最優(yōu)控制等。v 系統(tǒng)的硬件結(jié)構及配置，主要的軟件功能、結(jié)構及框圖。v 方案比較和選擇。v 保證性能指標要求的技術措施。v 抗干擾和可靠性設計。v 機柜或機箱的結(jié)構

14、設計。v 經(jīng)費和進度計劃的安排。10.2.2 硬件的詳細設計硬件的詳細設計v 系統(tǒng)的初步設計方案確定后，開始對系統(tǒng)進行詳細設計。v 詳細設計包括硬件設計和軟件設計二部分。v 總線式工業(yè)控制機的高度模塊化和插板結(jié)構，采用組合方式能夠大大簡化計算機控制系統(tǒng)的設計，只需要簡單地更換幾塊模板，就可以很方便地變成另外一種功能的控制系統(tǒng)。 v 選擇系統(tǒng)的總線和主機機型v 選擇系統(tǒng)的總線v 內(nèi)總線選擇v 常用的工業(yè)控制機內(nèi)總線有ISA、PCI和STD總線等，根據(jù)需要選樣其中一種。v 外總線選擇v 根據(jù)計算機控制系統(tǒng)的基本類型，如果采用分級控制系統(tǒng)DCS等，必然有通信的問題。根據(jù)通信的速率、距離、系統(tǒng)拓撲結(jié)構

15、、通信協(xié)議等要求來綜合分析確定。 v 選擇主機機型v 在總線式工業(yè)控制機中，有許多機型，都因采用的CPU不同而不同。v 以ISA總線工業(yè)控制機為例，其CPU有Intel Pentium、Intel Pentium4、AMD AM2 Athlon64等多種型號，內(nèi)存、硬盤、主頻、顯示卡、CRT顯示器也有多種規(guī)格。v 設計人員可根據(jù)要求合理地進行選型。v選擇輸入輸出通道模板v 一個計算機控制系統(tǒng)，除了主機以外，還必須配備各種輸入輸出通道模板才能構成完整的系統(tǒng)，實現(xiàn)控制任務。v 數(shù)字量(開關量)輸入輸出(DI/DO)模板v 模擬量輸入輸出(AI/AO)模板v選擇變送器和執(zhí)行機構v 選擇變送器v 選擇

16、執(zhí)行機構10.2.3 軟件的詳細設計軟件的詳細設計v編程語言選擇v 在軟件設計前，首先應針對具體的控制要求，選擇合適的編程語言 v數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)結(jié)構規(guī)劃v 在系統(tǒng)總體方案設計中，系統(tǒng)的各個模塊之間有著各種因果關系，互相之間要進行各鐘信息傳遞。必須嚴格規(guī)定好各個接口條件，即各接口參數(shù)的數(shù)據(jù)結(jié)構和數(shù)據(jù)類型。v資源分配v 完成數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)結(jié)構的規(guī)劃后，便可開始分配系統(tǒng)的資源了。系統(tǒng)資源包括ROM、RAM、定時器/計數(shù)器、中斷源、I/O地址等。 v實時控制軟件設計v 數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理程序v 控制算法程序v 控制量輸出程序v 實時時鐘和中斷處理程序v 數(shù)據(jù)管理程序v 數(shù)據(jù)通信程序10.2.4 系統(tǒng)的

17、運行調(diào)試系統(tǒng)的運行調(diào)試v 系統(tǒng)的運行調(diào)試分為離線調(diào)試階段和現(xiàn)場調(diào)試與運行階段。離線調(diào)試般在實驗室或非工業(yè)現(xiàn)場進行，現(xiàn)場調(diào)試與運行在生產(chǎn)過程工業(yè)現(xiàn)場進行。離線調(diào)試階段是基礎，檢查硬件和軟件的整體性能，為現(xiàn)場投運做準備，現(xiàn)場投運是對全系統(tǒng)的實際考驗與檢查。 v離線調(diào)試v 硬件調(diào)試v 對于各種標準功能模板，按照說明書檢查主要功能。用戶可采用制造商提供的測試軟件進行測試。v 軟件調(diào)試v 軟件調(diào)試的順序是子程序、功能模塊和主程序。 v在線調(diào)試和運行v 在上述調(diào)試過城中，盡管工作很仔細，檢查很嚴格，但仍然沒有經(jīng)受實踐的考驗。因此，在現(xiàn)場進行在線調(diào)試和運行過程中，設計人員與用戶要密切配合，在實際運行前制定一

18、系列調(diào)試計劃、實施方案、安全措施、分工合作細則等。v 現(xiàn)場調(diào)試與遠行過程是從小到大，從易到難，從手動到自動，從簡單回路到復雜回路逐步過渡。 10.3 電熱油爐溫度單片機控制系統(tǒng)設計電熱油爐溫度單片機控制系統(tǒng)設計v 10.3.1 控制任務與工藝要求v 10.3.2 硬件系統(tǒng)詳細設計v 10.3.3 控制算法v 10.3.4 軟件設計10.3.1 控制任務與工藝要求控制任務與工藝要求v電熱油爐的組成與工作原理v 有機載體加熱技術是采用有機載體，作為傳熱介質(zhì)完成熱能轉(zhuǎn)換、傳遞，從而獲得最佳用熱工藝的新技術。v 電熱油爐是電升溫有機載體供熱設備，可為化工、塑料、橡膠等行業(yè)用熱過程提供穩(wěn)定的低壓高溫熱源

19、。v 它的供熱原理是以電熱升溫，采用導熱油作傳熱介質(zhì)，導熱油以強制液相循環(huán)方式在閉路系統(tǒng)中以低壓、高溫狀態(tài)運行，將熱能不斷輸送給用熱設備，即加熱一循環(huán)一再加熱再循環(huán)。其工藝流程圖如圖10.2所示。圖10.2電熱油爐應用工藝流程圖v 電熱油爐基本上由四大部分組成：加熱爐、循環(huán)系統(tǒng)、膨脹槽及電控柜。v 加熱爐結(jié)構采用列管式換熱形式，把電熱元件直接埋入流動的導熱油中，完成換熱過程損失非常小。v 電熱元件采用三相Y型接法，其電路原理圖見圖10.3所示。圖10.3電熱油爐主電路原理圖v工藝要求與技術指標v 電熱油爐的主要控制參數(shù)是導熱油的溫度，必須保證穩(wěn)定、均勻、柔和加熱和高精度的溫度控制，并且能在較低

20、的壓力（0.45Mpa）下運行，保證生產(chǎn)過程正常安全地進行，提高產(chǎn)品的質(zhì)量。v 電熱油爐要求在一定條件下保持恒溫，不能隨電源電壓波動或用熱對象而變化；或者要求根據(jù)工藝條件，按照某個指定的升溫或保溫規(guī)律而變化。v 循環(huán)泵不運轉(zhuǎn)，電熱元件不能通電。v 設定出口溫度4位數(shù)碼管顯示，實際測量的出口溫度、入口溫度4位數(shù)碼管顯示；v 循環(huán)泵運行閉鎖控制；v 溫度控制采用平均功率法，電熱管的通、斷電控制采用固態(tài)繼電器；v 九段溫度曲線給定設置，掉電不丟失；v 溫度范圍：0300，精度1；v 供電電壓:三相交流380Vv 功率：6KW。10.3.2 硬件系統(tǒng)詳細設計硬件系統(tǒng)詳細設計v系統(tǒng)的基本工作原理v 電熱

21、油爐溫度自動控制系統(tǒng)采用AT89S52單片機作為控制器，擴展了數(shù)碼管顯示、鍵盤、報警及A/D轉(zhuǎn)換電路等，其系統(tǒng)框圖如圖10.4所示。v 控制系統(tǒng)采用鉑電阻測量加熱爐導熱油的入口溫度和出口溫度，經(jīng)A/D裝換后送入單片機與給定溫度比較，其偏差經(jīng)PID運算后輸出，控制三相固態(tài)繼電器導通和斷開時間的不同來控制電熱元件的通電時間，并由此來控制導熱油的加熱溫度，同時循環(huán)泵不運轉(zhuǎn)，加熱爐不能通電加熱。 圖10.4 電熱油爐溫度控制系統(tǒng)框圖v單片機的選擇v 選擇AT89S52單片機作為控制系統(tǒng)的核心，AT89S52內(nèi)部有8K的程序儲存器，256字節(jié)的數(shù)據(jù)儲存器，因而無需再擴展儲存器，使系統(tǒng)大大簡化。主要完成溫

22、度的采集、控制、顯示和報警等功能。v數(shù)據(jù)儲存器擴展v 設定的溫度曲線需要長期保存，擴展一片串行EEPROM AT24C256來保存設定的溫度曲線。v傳感器的選擇v 導熱油的溫度測量范圍為0300，溫度傳感器選擇帶變送器的鉑電阻來測量溫度，溫度測量范圍0300，4mA20mA（DC）電流輸出,二線制方式。由于A/D轉(zhuǎn)換器只能輸入電壓信號，須將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。v.A/D轉(zhuǎn)換器的選擇與接口設計v 由于導熱油的溫度測量范圍為0300，精度1，因而選擇TLC1543串行A/D轉(zhuǎn)換器。EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P101P112

23、P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD10U189S52NC1NC2NC3GND4VCC8TEST7SCL6SDA5U2AT24C256NC1CS2CH03CH14CH25CH36DGND7Vcc14DI13CLK12SART11DO10AGND8REF9U3TLC0834VCCVCCOUTVCCR3R4VCCR5R6L1L2VCCR7VCCY1C230pFC130pFVCCCS1CS

24、2CLKZDIOZKEYINT34U4B74F0412U4A74041234U8SSRR2R1VCCVCC+-U7J1220V圖10.7模擬量采樣電路原理圖v執(zhí)行器的選擇v 選擇交流接觸器控制循環(huán)泵，增強型三相固態(tài)繼電器3H380D35控制加熱元件，它的輸入電壓為432V，驅(qū)動電流為630mA。由單片機控制其導通和關斷的時間完成對電熱元件的加熱，達到溫度控制的目的。電路原理圖如圖10.7所示。v顯示器、鍵盤接口設計v 鍵盤、顯示電路由ZLG7289A芯片來完成。ZLG7289A是廣州周立功單片機發(fā)展有限公司自行設計的，具有SPI串行接口功能的，可同時驅(qū)動8位共陰式數(shù)碼管或64只獨立LED的智能

25、顯示驅(qū)動芯片，該芯片同時還可連接多達64鍵的鍵盤矩陣，單片即可完成LED顯示鍵盤接口的全部功能。 v 擴展了二片ZLG7289A驅(qū)動12位數(shù)碼管，用來顯示導熱油出口溫度的給定值、出口溫度和入口溫度的測量值。v 鍵盤由16個鍵組成，其中09數(shù)字鍵用于各種參數(shù)的設定；6個功能鍵分別是循環(huán)泵啟動鍵、循環(huán)泵停止鍵、加熱啟動鍵、加熱停止鍵、設置鍵、修改鍵。v 鍵盤顯示電路如圖10.8所示。v報警電路與狀態(tài)顯示電路v 報警電路由蜂鳴器和發(fā)光二極管組成，當系統(tǒng)中溫度超限時，燈光報警。v 電路圖如圖10.7所示。圖10.8 鍵盤顯示電路10.3.3 PID算法及參數(shù)整定算法及參數(shù)整定v 加熱爐出口溫度閉環(huán)控制

26、系統(tǒng)方框圖如圖10.9所示。PID位置式離散表達式為：( )(1)( )(1)( )( )2 (1)(2)IDu ku kKp e ke kK E kKe ke ke kPID參數(shù)整定采用歸一參數(shù)整定法 ( )( )(1)2.45 ( )3.5 (1)0.125 (2)Pu ku ku kKe ke ke k圖10.9加熱爐出口溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖10.3.4 軟件設計軟件設計v 軟件設計采用模塊化結(jié)構設計。v 包括初始化子程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序、數(shù)據(jù)采樣子程序、標度變換子程序、中值濾波子程序、PID控制算法子程序、鍵盤輸入子程序、LED顯示子程序等。v主程序v 主程序流程圖如圖10.10所

27、示 v數(shù)據(jù)采樣子程序v 首先采集入口溫度、然后采集出口溫度，這二個信號各采集10遍并存儲起來。數(shù)據(jù)信號采集需要多次調(diào)用A/D轉(zhuǎn)換子程序。vA/D轉(zhuǎn)換子程序v 串行A/D轉(zhuǎn)換器TLC1543程序依據(jù)其工作時序來編制的，轉(zhuǎn)換結(jié)果存放在R2R3中。圖10.10 主程序流程圖v數(shù)字濾波子程序v 將溫度信號的10次測量值排序，去掉一個最大值和一個最小值，剩余8個求平均值即為該信號的測量結(jié)果，即采用中值濾波與平均值濾波結(jié)合的復合濾波方法。v標度變換子程序v 溫度變送器輸出的420mA DC信號，經(jīng)I/V變換為15V DC信號，進行10位A/D轉(zhuǎn)換后，即得10位二進制X，其對應的實際物理量要按下面方法求得3

28、00(205)(0.366775.18)1023205yxx10.4 換熱站監(jiān)控系統(tǒng)設計換熱站監(jiān)控系統(tǒng)設計v 10.4.1 換熱站系統(tǒng)概述v 10.4.2 系統(tǒng)初步設計v 10.4.3 系統(tǒng)硬件詳細設計v 10.4.4 系統(tǒng)軟件詳細設計v 換熱站和熱水管網(wǎng)是連接熱源和熱用戶的重要環(huán)節(jié)。v 熱水管網(wǎng)分為一次網(wǎng)與二次網(wǎng)。v 一次網(wǎng)是指連接于城市管網(wǎng)與換熱站之間的管網(wǎng)。v 二次網(wǎng)是指連接于換熱站與熱用戶之間的管網(wǎng)。v 換熱站是指連接于一次網(wǎng)與二次網(wǎng)并裝有與用戶連接的相關設備、儀表和控制設備的機房。v 調(diào)整和保持熱媒參數(shù)(壓力、溫度和流量)，使供熱和用熱達到安全經(jīng)濟運行，是熱量交換、熱量分配以及系統(tǒng)監(jiān)

29、控、調(diào)節(jié)的樞紐。 10.4.1 換熱站的運行原理與控制要求換熱站的運行原理與控制要求v換熱站的運行原理v 熱源提供的高溫水由一次熱網(wǎng)送至各換熱站，在換熱站中，一次熱網(wǎng)高溫水通過換熱器與循環(huán)水相混合，進行熱量交換，將熱能傳遞給二次網(wǎng)循環(huán)水，再由二次網(wǎng)經(jīng)供熱管道輸送到用戶，冷卻的回水返回二次網(wǎng)回水管，一次網(wǎng)回水降溫后回到熱源。 圖10.11 換熱站工藝流程圖v 換熱站的主要設備：v 水一水(汽一水)換熱器；v 離心式水泵；v 控制柜；v 熱水儲水箱；v 過濾器；v 補水箱；v 調(diào)節(jié)閥門；v 熱媒參數(shù)調(diào)節(jié)和檢測儀表等。v系統(tǒng)的控制要求v 具有數(shù)據(jù)采集、計量、實時控制等功能，實現(xiàn)換熱站的自動化監(jiān)測與控

30、制。v 數(shù)據(jù)采集：系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)一次網(wǎng)供水、回水溫度、一次網(wǎng)供水、回水壓力、一次網(wǎng)回水流量，二次網(wǎng)供水、回水溫度、二次網(wǎng)供水、回水壓力、二次網(wǎng)流量、室外溫度等11個參數(shù)的采集。v 計量分析：系統(tǒng)能夠進行流量、熱量的瞬時計算與累積計算，進行能源的管理與考核。v 實時控制：系統(tǒng)能夠根據(jù)換熱站的用熱特點進行自動控制，提高換熱站的供暖質(zhì)量，降低能源消耗。10.4.2 系統(tǒng)總體設計系統(tǒng)總體設計 v1.換熱站監(jiān)控系統(tǒng)的體系結(jié)構v 換熱站監(jiān)控系統(tǒng)的體系結(jié)構如圖10.12所示。以IPC為控制核心，輔以變頻調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)二次供水溫度的控制。采用GPRS通用分組無線業(yè)務實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能。圖10.12換熱站監(jiān)控系統(tǒng)體系

31、結(jié)構圖v主機及過程通道模板的選型v 主機v IPC-610H工控機 19英寸標準上架4U機型；v 支持14槽無源底板（4個PCI和7個ISA總線插槽），配置300 W ATX PFC/PS2電源（雙冷卻風扇）。v CPU：INTEL P4 2.4，v 內(nèi)存：DDR1G，v 接口：2個串口、1個并口、2個前置USB接口、標準鍵盤鼠標接口。v 模擬量輸入/輸出模板的選擇 v 選擇阿爾泰科技PCI-2013 16路12位光電隔離A/D板，并配有A1-IV16A 16路I/V變換板，作為系統(tǒng)的模擬量輸入通道。v 12位AD精度，100KS/s采樣頻率 單端16路/差分8路模擬量輸入，可仃意切換模擬通用

32、 AD緩存：8K字FIF0存儲器 AD量程：10V，5V，O10Vv 硬件增益：11000倍 AD觸發(fā)方式：多種模擬量，數(shù)字量觸發(fā)方式v 12位DA精度 2路模擬量輸出 DA量程：05V，010V，5V，10V 數(shù)字量輸入、輸出各16路 v 選擇PC8201 8路12位光電隔離D/A轉(zhuǎn)換板，作為模擬量輸出通道。v 12位DA精度，100KS/s 模數(shù)轉(zhuǎn)換頻率 8路電壓輸出或8路電流輸出 電壓輸出量程：10.8V，10V，5V， 010.8V，010V，05V 電流輸出量程：010mA,420mA 輸出類型：光電隔離輸出 隔離電壓：2500Vrms(Min.)+PC8201PCI-2013A1-

33、IV16Av檢測裝置和執(zhí)行機構v 供水、回水溫度檢測采用WZPJ-231一體化鉑電阻溫度變送器，其輸入量程0200，輸出420mA；v 室外溫度檢測采用WZPJ-231一體化鉑電阻溫度變送器，其輸入量程-2050，輸出420mA；v 供水、回水壓力檢測采用CECY-150G電容式壓力變送器，其輸入量程00.25Mpa，輸出420mA；v 補水箱液位檢測采用CECU-341電容式液位變送器，其輸入量程（差壓）00.02Mpa，輸出420mA；v 回水流量檢測用電磁流量計，其輸入量程0500m3/h，輸出420mA；v控制方案v 換熱器二次供水溫度調(diào)節(jié)v 通過對各二次供熱系統(tǒng)的溫度檢測、分析，結(jié)合

34、外界干擾因素(室外天氣溫度)，算出最佳的供水溫度，通過調(diào)節(jié)一次管網(wǎng)流量，使二次供水溫度接近于它的設定值，這樣在供熱系統(tǒng)滿足用戶需求量的前提下，保證最佳工況。v 控制元件是換熱器一次水出口的控制閥，該閥門控制換熱器的一次供水流量。v 將預設定溫度作為給定值，測量溫度值作為反饋值，閥門的開度作為輸出值，采用PID算法，保證二次供水溫度的恒定。v 供回水壓差控制v 根據(jù)二次側(cè)供回水壓差控制循環(huán)泵，維持恒定壓差，變頻、變流量供熱，降低熱網(wǎng)輸送成本。v 通過對二次側(cè)供回水壓差進行控制，可以對溫度進行質(zhì)調(diào)節(jié)。根據(jù)室外溫度，IPC工控機通過變頻器適時適量地控制循環(huán)泵電機的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)循環(huán)泵的輸出流量，滿足供暖

35、負荷要求，從而使電機在整個負荷和變化過程中的能量消耗降到最小程度。v 補水泵的定壓控制v 在供熱系統(tǒng)中，回水管的壓力水頭必須高于用戶系統(tǒng)的充水高度，以防止系統(tǒng)倒吸入空氣，破壞正常運行和腐蝕管道。v 維持恒壓點壓力恒定是供熱系統(tǒng)正常運行的基本前提。v 通過控制變頻器來(改變速度頻率)控制補水泵的轉(zhuǎn)速，從而改變系統(tǒng)的補水量，維持供水系統(tǒng)的恒壓點壓力恒定。v 采用PID算法。v控制系統(tǒng)軟件v 數(shù)據(jù)采集、濾波、標度變換v 控制計算、控制輸出v 中斷、計時v 顯示、報警v 調(diào)節(jié)參數(shù)修改、報表、圖形、曲線顯示等。10.4.3 系統(tǒng)硬件設計系統(tǒng)硬件設計v模擬量輸入通道設計v 模擬量輸入通道由一塊PC-550

36、2 16路12位光電隔離A/D板和一塊A1-IV16A 16路I/V變換板組成，可完成5個溫度信號、4個壓力信號、1個液位信號、2個流量信號等12個模擬信號的采集。所有的模擬信號都經(jīng)變送器轉(zhuǎn)換為標準的420mA的直流電流信號，再經(jīng)I/V變換板轉(zhuǎn)換為15V的直流電壓信號送入A/D板。v模擬量輸出通道設計v 模擬量輸出通道由PC-5512 4路12位光電隔離D/A轉(zhuǎn)換板組成，輸出標準的420mA的直流電流信號控制二個變頻器和一個電動調(diào)節(jié)閥。10.4.4 系統(tǒng)軟件設計系統(tǒng)軟件設計v 換熱站監(jiān)控系統(tǒng)軟件系統(tǒng)結(jié)構如圖10.15所示。v 它由6個模塊組成。v 軟件設計采用監(jiān)控組態(tài)軟件MCGS。v數(shù)據(jù)采集模

37、塊v 按順序依次采集5個溫度信號、4個壓力信號、2個流量信號和1個液位信號，這些信號各采集10遍并存儲起來，采樣周期T=1s。v數(shù)據(jù)處理模塊v 數(shù)字濾波程序v 將每個信號的10次測量值排序，去掉一個最大值和一個最小值，剩余8個求平均值即為該信號的測量結(jié)果，即采用中值濾波與平均值濾波結(jié)合的復合濾波方法。v 標度變換程序v 變送器輸出的420mA DC信號，經(jīng)I/V變換為15V DC信號，進行10位A/D轉(zhuǎn)換后，即得10位二進制X，其對應的實際物理量要按下面方法求得v 溫度的標度變換，供水、回水溫度的量程范圍為0200，其標度變換計算公式為：2000(819)4095819yx(0.06150)x

38、v 室外溫度量程范圍為-2050，其標度變換計算公式為：50( 20)(819)( 20)4095819yx (0.021437.5)x= 壓力的標度變換，供水、回水壓力的量程范圍為00.25Mpa，其標度變換計算公式為：50.250(819)(7.63 100.0625)4095819yxMPaxMPav 流量的標度變換，回水流量的量程范圍為0500m3/h，其標度變換計算公式為 335000(819)0/(0.153125)/4095819yxmhxmh液位的標度變換, 液位的量程范圍（壓差）為00.02Mpa，其標度變換計算公式為：6430.02 100(819)06.4 100.511

39、09.78 (4095 819)Hxxv顯示模塊v 既能顯示實時數(shù)據(jù)，又能以表格或者曲線的方式顯示歷史數(shù)據(jù)。vPID控制算法v 采用PID位置式算法。PID位置式離散表達式為：( )(1)( )(1)( )( )2 (1)(2)IDu ku kKp e ke kK E kKe ke ke kPID參數(shù)整定采用歸一參數(shù)整定法，則( )( )(1)2.45 ( )3.5 (1)0.125 (2)Pu ku ku kKe ke ke k10.5 TM11型三維步進電機直線運動平臺型三維步進電機直線運動平臺PLC控制系統(tǒng)設計控制系統(tǒng)設計v 10.5.1 系統(tǒng)概述v 10.5.2 系統(tǒng)初步設計v 10.

40、5.3 系統(tǒng)硬件詳細設計v 10.5.4 軟件設計10.5.1 TM11型三維步進電機直線運動平臺的組成型三維步進電機直線運動平臺的組成v TM11型三維步進電機直線運動平臺采用桌面式輕巧型設計，全鋁合金移動式龍門架結(jié)構，有效加工體積為300mm220mm100mm。工作臺可做水平和垂直方向運動，構成三維運動系統(tǒng)，由三臺二相混合式步進電機拖動。采用PLC實現(xiàn)直線和圓弧插補控制。v 工作臺裝有圖板和繪圖筆（或刀具），可在A4紙大小的方型工作臺上繪制出或加工直線、斜線、圓弧、螺旋線等圖形。加工精度0.1mm；整機毛重20Kg。其結(jié)構如圖10.16所示。10.5.2 系統(tǒng)總體方案設計系統(tǒng)總體方案設計v系統(tǒng)的體系結(jié)構v 本系統(tǒng)采用西門子S7-200PLC控制三維直線運動平臺，用PC機作上位機構成控制系統(tǒng)，通過直線插補、圓弧插補運算實現(xiàn)運動平臺按規(guī)定的軌跡運動。v設備選型v 上位機v 采用PC機，與控制機通過RS232接口傳輸數(shù)據(jù)。設計人