第9章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例

第9章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例

9.1水槽水位單片機(jī)控制系統(tǒng)

9.2循環(huán)水裝置IPC系統(tǒng)

9.3中水回用PLC控制系統(tǒng)

9.4火電廠DCS控制系統(tǒng)

9.1水槽水位單片機(jī)控制系統(tǒng)

對于小型測控系統(tǒng)或者某些專用的智能化

儀器儀表，一般可采用以單片機(jī)為核心、配以

接口電路和外圍設(shè)備、再編制應(yīng)用程序的模式

來實(shí)現(xiàn)。下面以一個(gè)簡單的水槽水位控制系統(tǒng)

為例O

0

主要內(nèi)容

1.系統(tǒng)概述

2.硬件電路

3.程序設(shè)計(jì)

H

?1.系統(tǒng)概述

?通過水槽水位的高低變化來啟停水泵，從

而達(dá)到對水位的控制目的，這是一種常見的工

藝控制。如圖9.1點(diǎn)劃線框內(nèi)所示，一般可在水

槽內(nèi)安裝3個(gè)金屬電極A、B、C,它們分別代

表水位的下下限、下限與上限。工藝要求：當(dāng)

水位升到上限C以上時(shí)，水泵應(yīng)停止供水；當(dāng)

水位降到下限B以下時(shí)，應(yīng)啟動(dòng)水泵供水；當(dāng)

水位處于下限B與上限C之間，水泵應(yīng)維持原有

的工作狀態(tài)。

b

+5V

P1.0XTAL1

c30PF1

Pl.l

J81k

81k12MH

AZ

30PF

XTAL2

OT

?220VIA

AT89C2051

+上12V+5V

KA

KM330。

Pl.2

+5VOPl.3

330。

圖9.2水槽水位控制電路

?2.硬件電路

?根據(jù)工藝要求，設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)硬件電路如圖

9.1所示，這是一個(gè)用單片機(jī)采集水位信號(hào)并通過

繼電器控制水泵的小型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。主要組成

部分的功能如下：

?(1)系統(tǒng)核心部分：采用低檔型AT89c2051單

片機(jī)，用P1.0和P1.1端作為水位信號(hào)的采集輸入

口，P1.2和P1.3端作為控制與報(bào)警輸出口。

?(2)水位測量部分：電極A接+5V電源，電極

B、C者通過一個(gè)電阻與地相連。b點(diǎn)電平與c點(diǎn)電

平分別接到P1.0和P1.1輸入端，可以代表水位的各

種狀態(tài)與操作要求，共有4種組合，如表9?1所示。

?表9」水位信號(hào)及操作狀態(tài)表

C(P1.1)b(P1.0)水位操作

00B點(diǎn)以下水泵啟動(dòng)

01B、Ct維持原狀

間

10系統(tǒng)故障故障報(bào)警

11C點(diǎn)以上水泵停止

回I回

當(dāng)水位降到下限B以下時(shí)，電極B與電極C在

水面上方懸空，b點(diǎn)、c點(diǎn)呈彳氐電平，這時(shí)應(yīng)啟動(dòng)

水泵供水，即是表中第一種組合；當(dāng)水位處于下限

與上限之間，由于水的導(dǎo)電作用，電極B連到電極

A及+5V,則b點(diǎn)呈高電平，而電極C仍懸空則c點(diǎn)

為低電平，這時(shí)不論水位處于上升或下降趨勢，水

泵都應(yīng)繼續(xù)維持原有的工作狀態(tài)，見表中第二種組

合；當(dāng)水位上升達(dá)到上限時(shí)，電極B、G通過水導(dǎo)

株連到龜極A及+5V,因業(yè)b點(diǎn)、c點(diǎn)呈局電平，這

時(shí)水泵應(yīng)停止供水，如表中第四種組合；還有第三

種組合即水位達(dá)到電極C卻未達(dá)到電極B,即c點(diǎn)為

高電平而b點(diǎn)為低電平，這在正常情況下是不可能

發(fā)生的，作為一種故障狀態(tài)，在設(shè)計(jì)中還是應(yīng)考慮

的。

*(3)控制報(bào)警部分：由P1,2端輸出高電

平，經(jīng)反相器使光耦隔離器導(dǎo)通，繼電器線

圈KM得電，常開觸點(diǎn)KA閉合，啟動(dòng)水泵運(yùn)

轉(zhuǎn)；當(dāng)P12端輸出低電平，經(jīng)反相器使光耦

隔離器截止，繼電器線圈J失電，常開觸點(diǎn)

斷開，則使水泵停轉(zhuǎn)。由P1.3端輸出高電平,

經(jīng)反相器變?yōu)榈碗娖?，?qū)動(dòng)一支發(fā)光二極管

發(fā)光進(jìn)行故障報(bào)警。

*3.程序設(shè)計(jì)

9.2循環(huán)水裝置IPC系統(tǒng)

罌在以模擬量為主的中小規(guī)?？刂茥l件下，

應(yīng)優(yōu)先選擇IPC控制裝置，下面介紹用一

臺(tái)STD總線IPC控制循環(huán)水動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)

裝置的實(shí)例。

■0

主要內(nèi)容

1.系統(tǒng)概述

2.硬件電路

3.軟件設(shè)計(jì)

4.功能畫面

0

?1.系統(tǒng)概述

大型化工企業(yè)普遍采用冷卻水循環(huán)使

用技術(shù)，但循環(huán)冷卻水同時(shí)帶來設(shè)備的結(jié)垢

與腐蝕問題，為此利用循環(huán)水動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)

裝置，模擬生產(chǎn)現(xiàn)場的流態(tài)水質(zhì)、流速、金

屬材質(zhì)和循環(huán)冷卻水進(jìn)出口溫度等主要參數(shù),

來評價(jià)穩(wěn)定水質(zhì)的配方、阻垢效果及尋求相

應(yīng)的操作工藝條件。

H

(1)工藝流程

模擬試驗(yàn)裝置的主要流程如圖9,3所示,

左下方水槽中的冷水經(jīng)水泵、調(diào)節(jié)閥打入換

熱器，與蒸汽換熱后，導(dǎo)入冷卻塔與冷風(fēng)換

冷，噴淋而下回落到水槽，再由水泵打循

環(huán)。

H

粕電阻粕電阻

調(diào)

轉(zhuǎn)

節(jié)

子

閥

(流

？

量

計(jì)

蒸汽發(fā)生器

—------

圖9.3循環(huán)水動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)裝置控制流程圖國

(2)控制要求

通常情形是用戶配置兩套這樣的模擬裝置同時(shí)運(yùn)行，因

而計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)同時(shí)面向兩臺(tái)模擬裝置，集檢測、控制與

管理于一體，主要完成如下功能：

①10點(diǎn)參數(shù)檢測功能

入口水溫、出口水溫、蒸汽溫度、冷卻塔底溫度，共8

路溫度，量程為0?100℃,檢測精度為0.2級(jí)。兩路循環(huán)

水流量，量程為200?1200L/h,檢測精度為1級(jí)。還有計(jì)

算顯示出入口溫差、瞬時(shí)污垢熱阻、水閥與風(fēng)閥門開度、

試驗(yàn)時(shí)間與剩余時(shí)間。

②22個(gè)參數(shù)設(shè)定功能

換熱器試管直徑與長度、流量與溫度的給定值、PID控

制的比例系數(shù)、積分時(shí)間、微分時(shí)間以及即時(shí)時(shí)間與試驗(yàn)

時(shí)間。

H

③10個(gè)參數(shù)標(biāo)定功能

對8路溫度、2路流量進(jìn)行現(xiàn)場標(biāo)定。

?④PID控制功能

實(shí)時(shí)控制2路入口水溫與2路循環(huán)水流量，溫度控制精度：

設(shè)定值±0.5℃；流量控制精度：設(shè)定值±2%FS（FS

BPFullScale,意為滿刻度或滿量程）。

⑤工藝計(jì)算、列表繪圖功能

根據(jù)污垢熱阻計(jì)算公式計(jì)算并顯示出瞬時(shí)污垢熱阻，而且

自動(dòng)生成試驗(yàn)數(shù)據(jù)列表。自動(dòng)繪制時(shí)間?污垢熱阻曲線。

⑥其他功能指標(biāo)

所有參數(shù)的采樣、計(jì)算、控制周期均為0.25S,刷新顯示周

期為2S,試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄時(shí)間間隔按工藝要求而定，數(shù)據(jù)保

存時(shí)間為10年，系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)有軟件硬件自診斷、自恢復(fù)功

能，具有永不“死機(jī)”的高度可靠性。

上述所有參數(shù)均以漢字分屏幕顯示，且附有提示菜單以便操

作。

>2.硬件設(shè)計(jì)

?根據(jù)上述系統(tǒng)功能及技術(shù)指標(biāo)的要求，

采用一臺(tái)現(xiàn)成的STD總線IPC較為適宜。選

用某電子工廠的IPC產(chǎn)品，共由10塊功能模

板及外設(shè)組成，如圖9,4所示。

0

圖9.4IPC硬件組成框圖

圖中（1）CPU板及打印機(jī)、（2）CRT板及CRT、

（3）鍵盤接口及自診斷板及鍵盤、（4）存儲(chǔ)器板、（5）

電源，構(gòu)成了STD工業(yè)控制機(jī)基本系統(tǒng)。在自診斷板中使

用了WDT看門狗技術(shù)，無論何種原因引起死機(jī)，自診斷系

統(tǒng)能在1?28內(nèi)測出并恢復(fù)正常運(yùn)行，整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工作

十分可靠。

其中的（6）溫度檢測板，是一個(gè)由單片機(jī)構(gòu)成的智能

型溫度接口板，該板本身能夠完成8路溫度的檢測，濾波處

理，柏電阻線性化處理。在這個(gè)板上利用軟件技術(shù)從根本

上克服了溫度漂移問題。

其中的（7）D/A轉(zhuǎn)換板是流量及溫度控制的驅(qū)動(dòng)接口

板。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)檢測兩路塔底溫度與兩路流量，與設(shè)定值

進(jìn)行比較，并對其偏差進(jìn)行PID運(yùn)算，其運(yùn)算結(jié)果通過D/A

轉(zhuǎn)換變成模擬電壓信號(hào)輸出至（8）伺服放大板，從而控制

相應(yīng)的4個(gè)調(diào)節(jié)閥。

H

?:?其中的（8）伺服放大板，其功能相當(dāng)于電動(dòng)單元

組合儀表中的4個(gè)伺服放大器，但其精度及可靠性

優(yōu)于常規(guī)的伺服放大器。它接收來自D/A轉(zhuǎn)換板的

4路閥位信號(hào)，并檢測4個(gè)閥的實(shí)際位置，如果實(shí)際

位置與D/A轉(zhuǎn)換板輸出的閥位有偏差，則使閥動(dòng)

作，達(dá)到與D/A輸出一致的位置后停止，從而實(shí)現(xiàn)

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對調(diào)節(jié)閥的控制。

?:?其中的（10）濾波板，對STD總線的有關(guān)信號(hào)進(jìn)行

濾波處理，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

?:?其中的（9）流量檢測板，主要由計(jì)數(shù)電路組成，

檢測兩路來自渦輪流量變送器的脈沖信號(hào)。對其實(shí)

行濾波、整形、放大、光隔、計(jì)數(shù)處理，并向兩個(gè)

渦輪流量變送器提供+12V電壓。

H

3.軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用了現(xiàn)成的IPC,計(jì)算機(jī)廠家已

提供了監(jiān)控程序或系統(tǒng)程序，設(shè)計(jì)者的軟件

設(shè)計(jì)任務(wù)主要是進(jìn)行系統(tǒng)的應(yīng)用軟件編制。

該應(yīng)用軟件主要完成兩方面的任務(wù):

(1)路溫度、兩路流量的采集與處理，入口

溫度與流量的控制，定時(shí)存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù);

（2）允許操作者查看、打印各種數(shù)據(jù)，設(shè)

定、標(biāo)定各個(gè)參數(shù)。

H

由于前者任務(wù)要求適時(shí)性較強(qiáng)，且完成

任務(wù)所需時(shí)間較短，故安排在中斷服務(wù)子程序

中完成。而后者屬人機(jī)對話性質(zhì)，任務(wù)完成時(shí)

間較長，且不需嚴(yán)格適時(shí)性，故放于主程序中

完成。

圖9.6中斷服務(wù)子程序由于該控制系統(tǒng)

小、比較簡單，功能畫面要求也不復(fù)雜，因而

軟件部分全部采用匯編語言編制。

H

保護(hù)現(xiàn)場

刷新系統(tǒng)時(shí)鐘

流量、遍度控制

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

恢復(fù)現(xiàn)場

中斷返回

圖9.6中斷服務(wù)子程序IPC硬件組成框圖

主程序結(jié)構(gòu)框圖如圖9.5所示。在初始化過程中，

主要完成對CRT、打印機(jī)工作方式設(shè)定，四個(gè)調(diào)節(jié)閥

門初始定位及軟件標(biāo)志設(shè)置等。

在每一個(gè)畫面處理過程中，能夠查看其他畫面，

同時(shí)完成本畫面應(yīng)完成的一些功能。

中斷服務(wù)子程序如圖9.6所示。這是一個(gè)時(shí)間中斷

子程序。系統(tǒng)設(shè)置每隔250ms中斷一次，中斷服務(wù)

子程序中各個(gè)任務(wù)，應(yīng)能在250ms內(nèi)完成。每四次

中斷即時(shí)間間隔為1S時(shí)，刷新時(shí)鐘，處理秒、分、

時(shí)、日、月、年的遞增，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確計(jì)時(shí)。每八次中斷,

即時(shí)間間隔為2s時(shí)，采集8路溫度、2路流量，利用

軟件實(shí)現(xiàn)濾波處理，以消除瞬間干擾的影響。

H

控制采用傳統(tǒng)的PID控制方式，實(shí)行輸出

速率限定，即在2s控制周期內(nèi)，輸出變化幅

度不大于輸出全范圍的5%。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ),

若系統(tǒng)在強(qiáng)穩(wěn)過程中，則每隔5min記錄一次，

若系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)過程中，則每隔120min記錄一

次。實(shí)驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)、設(shè)定的實(shí)驗(yàn)條件及各參數(shù)

的標(biāo)定值存于系統(tǒng)的E2R0M存儲(chǔ)器中，有效

保存時(shí)間為10年。

圖9.5主程序結(jié)構(gòu)框圖

E

4.功能畫面

該系統(tǒng)共有6個(gè)功能畫面，漢字顯示且每

個(gè)畫面都有提示菜單，向操作者提示操作的方

式。通過對這6個(gè)菜單的選擇操作，便可實(shí)現(xiàn)

本計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的所有功能。

這6個(gè)功能畫面分別是參數(shù)檢測畫面、參

數(shù)設(shè)定畫面、參數(shù)標(biāo)定畫面、數(shù)據(jù)列表畫面、

熱阻曲線畫面和系統(tǒng)狀態(tài)畫面。

H

9.3中水回用PLC控制系統(tǒng)

在以數(shù)字量為主的中小規(guī)?？刂骗h(huán)境

下，一般應(yīng)首選PLC裝置，下面介紹一個(gè)用

西門子PLC監(jiān)控中水處理流程的工程實(shí)例。

0

主要內(nèi)容

1.系統(tǒng)概述

2.硬件設(shè)計(jì)

3.程序設(shè)計(jì)

?1.系統(tǒng)概述

?將生活污水進(jìn)行幾級(jí)處理，作為除飲用以外的

其它生活用水，將形成一個(gè)非常寶貴的回用水資源。

其中用PLC作為主要控制裝置已成為一種共識(shí)。

?(1)工藝流程

?中水處理主要工藝流程如圖97所示。生活污水

首先通過格柵機(jī)濾除固態(tài)雜物，進(jìn)入調(diào)節(jié)池緩沖，

再進(jìn)入生化池，利用生物接觸氧化、化學(xué)絮凝和機(jī)

械過濾方法使水中COD、BOD5等幾種水質(zhì)指標(biāo)大

幅度降低，再采用活性炭和碳纖維復(fù)合吸附過濾方

式，使出水達(dá)到生活使用要求。

H

風(fēng)機(jī)

反沖洗

圖9.7中水處理工藝流程圖

(2)控制要求

該流程共有被控設(shè)備(含備用)14臺(tái)泵和

電機(jī)，4個(gè)池的水位需要檢測。

水位計(jì)的作用：在任何控制方式下，水位

計(jì)的上上限或下下限到位時(shí)，都將發(fā)出聲光報(bào)

警信號(hào)；在全自動(dòng)、分組自動(dòng)、半自動(dòng)控制方

式下，水位計(jì)的上限、下限分別作為該池排水

泵自動(dòng)開、停的PLC輸入信號(hào)。

0

采用4種控制方式：手動(dòng)、半自動(dòng)、分組

自動(dòng)和全自動(dòng)。

①手動(dòng)控制方式

即用手操作14個(gè)按鈕開停14個(gè)被控負(fù)荷，

不受水位影響。

②生化半自動(dòng)控制方式

指生化池水位機(jī)組的半自動(dòng)控制方式，

也即由生化池水位的上限與下限自動(dòng)控制生

化泵的開、停，而加藥計(jì)量泵、CL02發(fā)生器

的開、停由手動(dòng)操作。

③分組自動(dòng)控制方式

為了便于維護(hù)，整個(gè)系統(tǒng)分為六個(gè)獨(dú)立的機(jī)組：

調(diào)節(jié)池水位自動(dòng)機(jī)組、生化池水位自動(dòng)機(jī)組、清水

池水位自動(dòng)機(jī)組、集水池水位自動(dòng)機(jī)組、溢流泵自

動(dòng)機(jī)組、羅茨風(fēng)機(jī)自動(dòng)機(jī)組。

控制要求：當(dāng)按下分組自動(dòng)按鈕時(shí)，被按下按

鈕的燈閃亮，當(dāng)選定主、備電機(jī)按鈕后，分組自動(dòng)

按鈕指示燈長亮；當(dāng)水位達(dá)到上限時(shí)，電機(jī)停止而

按鈕指示燈轉(zhuǎn)為閃亮。

④全自動(dòng)方式控制要求

就是當(dāng)全自動(dòng)準(zhǔn)備按鈕啟動(dòng)后，首先選擇主、

備用電機(jī)，然后啟動(dòng)全自動(dòng)開停按鈕，則整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)

入全自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。

2.硬件設(shè)計(jì)

(1)PLC系統(tǒng)配置

根據(jù)工藝流程與控制要求，要完成14臺(tái)被控設(shè)備

的啟動(dòng)、停止按鈕操作，運(yùn)行、停止、故障狀態(tài)的燈

指示以及4種控制方式，如果采用常規(guī)的控制模式，

1臺(tái)設(shè)備約需5~6個(gè)啟、停按鈕及狀態(tài)指示燈等器件，

整個(gè)控制盤面上大約需要90余個(gè)按鈕與指示燈。這

將帶來器件成本的增高、控制盤面的增大、人工操作

的雜亂。本系統(tǒng)采用軟件編程的方法，充分利用PLC

內(nèi)部的輸入輸出變量及軟件計(jì)數(shù)器，使1個(gè)帶燈按鈕

集成了1臺(tái)設(shè)備的全部控制與狀態(tài)指示功能，加上4

種控制方式及其切換，總計(jì)只需配置24個(gè)帶燈按鈕，

分別代表14臺(tái)被控設(shè)備與10種控制方式。

H

整個(gè)系統(tǒng)需要開關(guān)量輸入40點(diǎn)與開關(guān)量

輸出32點(diǎn)。因此，選用德國SIEMENS的S7?

200主機(jī)CPU226,有開關(guān)量24輸入/16輸出

點(diǎn)，數(shù)字量擴(kuò)展模塊EM223,提供開關(guān)量16

輸入/16輸出點(diǎn)，總計(jì)正好構(gòu)成了系統(tǒng)要求的

40點(diǎn)輸入/32點(diǎn)輸出。

操作界面選用TD200中文文本顯示器。

H

（2）PLC輸入輸出接線圖

PLC輸入輸出接線如圖9,8所示，輸入按

鈕1?24AN分另I」對應(yīng)于PLCI0.0TL7與

I4.0T47計(jì)24個(gè)開關(guān)量輸入點(diǎn)；4個(gè)水位計(jì)

的16個(gè)水位電極點(diǎn)分別對應(yīng)I2.O~I3.7計(jì)16個(gè)

開關(guān)量輸入點(diǎn)；PLC輸出點(diǎn)Q0.0~Q0.7,

Q1.0~Q1.5分別對應(yīng)于14臺(tái)輸出設(shè)備；輸出

點(diǎn)QL6?Q3.7分別對應(yīng)于口被控設(shè)備與10

種控制方式的狀態(tài)指示燈，共計(jì)32個(gè)開關(guān)量

輸出點(diǎn)；另外6臺(tái)被控設(shè)備的運(yùn)行指示燈由

相應(yīng)的中間繼電器觸點(diǎn)驅(qū)動(dòng)。

H

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如:水池向動(dòng)——2<>人Z14.3

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與上GL士任白必23八Z14.8

消1除畦JK2-*/XTSI14.7

圖9.8PLC輸入輸出接線圖

S

(3)TD200中文顯示器

與SIEMENS主機(jī)配套的顯示器的種類很多，而

TD200中文文本顯示器是所有SIMATICS7-200系歹U

最簡潔、價(jià)格最低的操作界面。而且連接簡單，不需

要獨(dú)立電源，只需專用電纜連接到S7-200CPU的PPI

接口上即可，如圖9.9所示。

S7-200系列的CPU中保留了一個(gè)專用區(qū)域用于與

TD200交換數(shù)據(jù)，TD200直接通過這些數(shù)據(jù)區(qū)訪問

CPUo如信息顯示內(nèi)容“調(diào)節(jié)池水位已達(dá)上上限”，

其地址應(yīng)來自于調(diào)節(jié)池水位計(jì)的上上限接點(diǎn)12.0的輸

入響應(yīng)。

0

S7-200CPU

圖9.9TD200中文文本顯示器及其連接

3.程序設(shè)計(jì)

(1)主程序流程圖

S7-200系歹UPLC使用基于Windows平臺(tái)

的32位編程軟件包STEP?7?Micro/WIN,通常

采用語義直觀、功能強(qiáng)大、適合修改和維護(hù)的

梯形圖語言。圖9」0給出控制系統(tǒng)主程序流程

圖，整個(gè)工藝過程分為四種控制方式，在全自

動(dòng)與分組自動(dòng)方式下，首先要選擇主、備用電

機(jī)。

H

圖9.10主要程序流程圖

(2)功能按鈕程序

24個(gè)帶燈按鈕，分別啟停14臺(tái)被控設(shè)備與10種操

作方式。通過軟件編程，使按鈕第一次按下時(shí)有效，

第二次按下時(shí)失效(復(fù)位)。

本設(shè)計(jì)完成了所有的