加热炉防脱火超驰控制系统设计.doc

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1、加热炉防脱火超驰控制系统设计 1 绪论 1.1 课题的研究背景 我国加热炉是耗能大户,约占全国总能耗的25%,仅次于热力发电和锅炉的能耗量。加热炉的能耗占工业炉总能耗的90%以上,可见加热炉在我国制造领域当中占据着举足轻重的地位。 在机械行业中,目前先进的炉型所占比例不超过20%,绝大多数为20世纪60 80年代建设或改造的结构形式,数以万计的锻件,铸件加热炉在不同程度上存在加热质量差,热效率低和机械化程度低的缺陷。虽然一些较大的台车式炉、环形炉和步进炉,基本实现了流量、压力、温度的自动检测与过程控制,但据统计,其中有近三分之一的炉子,由于执行元件和控制仪表性能不稳定、维护不及时、操作人员培训

2、不到位而不能坚持使用。对于大量小型加热炉而言,只配备温度指示仪外,一般为人工凭经验操作。 我国的工业炉能源为利用率较低,其热效率平均约为25%,其中锻造加热炉5% 20%,热处理炉为8% 25%,连续加热炉的热效率稍高一点,也只有30% 40%。而世界上发达国家燃料炉的热效率平均为50%左右。我国工业炉节能还存在很大潜力。 对工业炉加热技术和装备水平的评价,主要从满足工艺要求、提高产品质量、降低生产成本、合理利用资源、保护环境以及改善劳动条件等几个方面进行。工业炉首先应满足工艺要求,提高工件加热或热处理的质量,减少工件加热过程中的氧化和水碳损失,提高最终产品质量。保证加热产品的质量是根本,只有

3、在保证工件质量的前提下,其他目标才有意义。其次,通过节约能源,降低产品能耗,实现降低产品成本的目标。能耗的高低直接反映在产品的成本和价值上,直接影响到产品的竞争力,甚至影响到企业的生存和发展。再次,提高炉子自动化控制水平和机械化水平,改善劳动环境,降低工人劳动强度。工业炉装备水平的提高是工业化装备水平的提高,是工业化生产文明进步的标志。 尽管加热炉已经有了很长的历史,但是在发展过程中仍然有许多的问题影响着加热炉的继续发展。其中比较突出的有回火和脱火。 脱火:火焰短,火焰根部离开了灶具火孔一段距离燃烧,有时燃烧一会就熄灭,这种现象称为脱火。产生脱火的主要原因是一次空气量过多,产生气流速度大于燃烧

4、速度所造成的。处理方法是:将进风量调小再点火,然后再根据火焰情况调节调风板,使火焰达到最佳状态。有时脱火是由于灶具火孔由异物或燃烧器内有水,也会产生脱火。这就是需要排除异物或水,再进行点火。 回火是指火焰在引射管内燃烧,并发出响声,此时火焰内外锥不再分明,有时点火是由于气量过小会发生回火并发出“喷”的一声,回火是由于燃烧速度大于气流速度所造成的。处理方法是:先关闭灶具开关,调节风板,将进风量调小,再进行点火,点着后再调节风板,使火焰达到最佳状态。 本毕业设计主要就是围绕加热炉的防脱火问题而进行的超驰控制系统设计。1.2 课题的研究目的和意义 加热炉广泛应用于大量的工业生产,促进了我国工业的快速

5、发展。同时加热炉还大量应用与许多大型公共场合,如学校、医院等。正因为加热炉的广泛应用,所以在加热炉的工作过程中不可避免的会遇到许多问题。脱火和回火问题就是其中比较典型的问题。本课题主要研究脱火的预防问题。 气体燃烧时有一定的速度,当气体燃料在燃烧器出口的流速高于燃烧速度是,会使着火点远离燃烧器而产生脱火。气体燃料的速度是由压力转换来的。如果燃气管道压力突然变化,或调压站的调压阀、加热炉的燃气调节阀的特性不佳,使入炉燃气压力忽高忽低、以及风量调节不当等因素,都可能造成燃料器厨楼气流的不稳定,引起脱火。 加热炉如果发生脱火现象,会造成诸多危害。脱火时,会造成加热炉在没有熄火保护装置的情况下,燃气大

6、量向外泄露,引起火灾。更危险的是,脱火还可能引起闪爆,造成炉毁人亡的重大事故。(闪爆,就是当易燃气体在一个空气不流通的空间里,聚集到一定浓度后,一旦遇到明火或电火花就会立刻燃烧膨胀发生爆炸。一般情况只是发生一次性爆炸,如果易燃气体能够及时补充还将多次爆炸。) 本课题研究的主要目的就是通过一系列的过程控制系统中超驰控制系统的设计,达到预防加热炉产生脱火现象目的,减少因加热炉脱火而造成大量损失。本课题的研究虽然只能解决加热炉发展过程中的一个小问题,但是造成的影响是巨大的,它会更好的推动加热炉更好更快的发展,同时也会间接推动我国工业的发展。2 可编程控制器PLC的实现2.1可编程控制器简介2.1.1

7、 PLC的定义 PLC问世以来,尽管时间不长,但发展迅速。为了使其生产和发展标准化,美国电气制造商协会NEMANational Electrical Manufactory Association 经过四年的调查工作,于1984年首先将其正式命名为PCProgrammable Controller,并给PC作了如下定义: “PC是一个数字式的电子装置,它使用了可编程序的记忆体储存指令。用来执行诸如逻辑,顺序,计时,计数与演算等功能,并通过数字或类似的输入/输出模块,以控制各种机械或工作程序。一部数字电子计算机若是从事执行PC之功能,亦被视为PC,但不包括鼓式或类似的机械式顺序控制器。” 以后国

8、际电工委员会IEC又先后颁布了PLC标准的草案第一稿,第二稿,并在1987年2月通过了对它的定义: “可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器,用于其内部存储程序,执行逻辑运算,顺序控制,定时,计数与算术操作等面向用户的指令,并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备,都按易于与工业控制系统联成一个整体,易于扩充其功能的原则设计。” 总之,可编程控制器是一台计算机,它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的输入/输出接口,并且具有较强的驱动能力。但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用

9、,在实际应用时,其硬件需根据实际需要进行选用配置,其软件需根据控制要求进行设计编制。2.1.2 PLC的特点 一 高可靠性 1. 所有的I/O接口电路均采用光电隔离,使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离。 2. 各输入端均采用R-C滤波器,其滤波时间常数一般为1020ms. 3. 各模块均采用屏蔽措施,以防止辐射干扰。 4. 采用性能优良的开关电源。 5. 对采用的器件进行严格的筛选。 6. 良好的自诊断功能,一旦电源或其他软,硬件发生异常情况,CPU立即采用有效措施,以防止故障扩大。 7. 大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,使可靠性更进一步提高。

10、 二丰富的I/O接口模块 PLC针对不同的工业现场信号,如: ? 交流或直流; ? 开关量或模拟量; ? 电压或电流; ? 脉冲或电位; ? 强电或弱电等。 有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备,如: ? 按钮 ? 行程开关 ? 接近开关 ? 传感器及变送器 ? 电磁线圈 ? 控制阀 三 采用模块化结构 为了适应各种工业控制需要,除了单元式的小型PLC以外,绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件,包括CPU,电源,I/O等均采用模块化设计,由机架及电缆将各模块连接起来,系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。 四 编程简单易学 PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形

11、式,对使用者来说,不需要具备计算机的专门知识,因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。 五 安装简单,维修方便 PLC不需要专门的机房,可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接,即可投入运行。各种模块上均有运行和故障指示装置,便于用户了解运行情况和查找故障。 由于采用模块化结构,因此一旦某模块发生故障,用户可以通过更换模块的方法,使系统迅速恢复运行。2.1.3 PLC的功能 一 逻辑控制 二 定时控制 三 计数控制 四 步进顺序控制 五 PID控制 六 数据控制 七 通信和联网 八 其它 PLC还有许多特殊功能模块,适用于各种特殊控制的要求,如:定

12、位控制模块,CRT模块。2.2 PLC控制系统的设计步骤2 PLC控制系统的设计步骤: 1根据被控对象的控制要求,确定整个系统的输入、输出设备的数量,从而确定PLC的I/O点数,包括开关量I/O、模拟量I/O以及特殊功能模块等。充分估计被控对象和工厂今后发展的需要,所选的PLC的I/O点数应留有一定的余量。另外,在性价比不大的情况下,尽可能选用同类型中功能强的新一代PLC。 2确定选用的PLC机型。 3建立I/O分配表,绘制PLC控制系统的输入、输出接线图。 4根据控制要求绘制用户程序的流程图。 5编制用户程序,并借助用户程序装入PLC的用户程序存储器。 6在实验室模拟调试用户程序。 7进入现

13、场联机调试用户程序。 8整个系统的调试工作结束后,编制技术文件。 9交付使用。2.3 PLC中数据的处理 硬件的A/D、D/A接口,实现模数转换,可编程控制器就可以方便的处理模拟量。实际上用户程序中处理的只是与模拟量成比例的数字量。 在加热炉防脱火超驰控制系统设计中,加热管道阀门后的压力测量值和热水出口测量的温度值分别通过压力传感器和温度传感器变送成4?20mA的模拟信号,将此模拟信号接入到模拟量输入模块中,转换成0?1000的数字量后作差,在控制器中将数字信号通过PID运算输出成0?32767的数字量,再将此数字量转换成0?1000的数字量信号,再将数字量信号送到模拟量输出模块中,变成的模拟

14、量信号来控制调节阀。2.4 D/A转换、A/D转换3 随着大规模集成电路和计算机技术的飞速发展,数字技术渗透到各个技术领域,各种以数字技术为基础核心的装置和系统层出不穷,如数字仪表、数字控制、数字通信、数字电视等。但是自然界中大多数物理信号和需要处理的信息却以模拟信号的形式出现,如语音、温度、位移、压力等。所以,要想用数字技术对这些信号进行处理和加工,就必须首先把模拟信号转换成数字信号,这就是模数转换(ADC);另一方面,在许多情况下为了显示直观或便于控制,必须将数字量转换成模拟量,这就是数模转换(DAC)。图2-1 D/A转换、A/D转换系统Fig.2-1 D / A converter,

15、A / D conversion system AD:模数转换,将模拟信号变成数字信号,便于数字设备处理。 DA:数模转换,将数字信号转换为模拟信号与外部世界接口。2.5 程序的调试 将程序在编程软件中反复调试,检查是否有语法错误,观看各步是否顺利实现,通过模拟调试,PLC控制程序初步完成,之后可以进行联机调试。3 控制系统人机界面设计3.1 MCGS组态软件简介 MCGSMonitor and Control Generated System是一套基于Windows平台的,用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统。为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台,能够完成现场数据采集、

16、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、曲线和报表输出、企业监控网络以及高性能、高可靠性、低成本的嵌入系统等功能。使用MCGS,用户无须了解计算机编程的知识,就可以轻易完成一个稳定,成熟,具备专业水准的计算机监控系统。3.2 组态软件的功能和特点 MCGS即监视与控制通用系统,英文全称为Monitor and Control Generated System。MCGS是为工业过程控制和实时监测领域服务的通用计算机系统软件,具有功能完善、操作简便、可视性好、可维护性强的突出特点。 MCGS工控组态软件的功能和特点可归纳如下: 1.概念简单,易于理解和使用。普通工程人员经过短时间的

17、培训就能正确掌握、快速完成多数简单工程项目的监控程序设计和运行操作。用户可避开复杂的计算机软硬件问题,集中精力解决工程本身的问题,按照系统的规定,组态配置出高性能、高可靠性、高度专业化的上位机监控系统。 2.功能齐全,便于方案设计。MCGS为解决工程监控问题提供了丰富多样的手段,从设备驱动到数据处理、报警处理、流程控制、动画显示、报表输出、曲线显示等各个环节,均有丰富的功能组件和常用图形库可供选用,用户只需根据工程作业的需要和特点,进行方案设计和组态配置,即可生成用户应用软件系统。 3.实时性与并行处理。MCGS充分利用了Windows操作平台的多任务、按优先级分时操作的功能,使PC机广泛应用

18、于工程测控领域成为可能。工程作业中,大量的数据和信息需要及时收集,即时处理,在计算机测控技术领域称其为实时性任务关键任务,如数据采集、设备驱动和异常处理等。另外许多工作则是非实时性的,或称为非时间关键任务,如画面显示,可在主机运行周期时间内插空进行。而像打印数据一类的工作,可运行于后台,称为脱机作业。MCGS是真正的32位系统,可同时运行于Microsoft Windows95,98和Microsoft Windows NT平台,以线程为单位进行分时并行处理。 4.建立实时数据库,便于用户分步组态,保证系统安全可靠运行。MCGS组态软件由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分

19、构成。其中的“实时数据库”是整个系统的核心。在生成用户应用系统时,每一部分均可分别进行组态配置,独立建造,互不相干;而在系统运行过程中,各个部分都通过实时数据库交换数据,形成互相关联的整体。实时数据库是一个数据处理中心,是系统各个部分及其各种功能性构件的公用数据区。各个部件独立地向实时数据库输入和输出数据,并完成自己的差错控制。? 5.设立“设备工具箱”,针对外部设备的特征,用户从中选择某种“构件”,设置于设备窗口内,赋予相关的属性,建立系统与外部设备的连接关系,即可实现对该种设备的驱动和控制。不同的设备对应于不同的构件,所有的设备构件均通过实时数据库建立联系,而建立时又是相互独立的,即对某一

20、构件的操作或改动,不影响其它构件和整个系统的结构,从这一意义上讲,MCGS是一个“设备无关”的系统,用户不必因外部设备局部改动,而影响整个系统。 6.“面向窗口”的设计方法,增加了可视性和可操作性。以窗口为单位,构造用户运行系统的图形界面,使得MCGS的组态工作既简单直观,又灵活多变。用户可以使用系统的缺省构架,也可以根据需要自己组态配置,生成各种类型和风格的图形界面,包括DOS风格的图形界面、标准Windows风格的图形界面以及带有动画效果的工具条和状态条。 7.利用丰富的“动画组态”功能,快速构造各种复杂生动的动态画面。以图像、图符、数据、曲线等多种形式,为操作员及时提供系统运行中的状态、

21、品质及异常报警等有关信息。用以变化大小、改变颜色、明暗闪烁、移动翻转等多种手段,增强画面的动态显示效果。图元、图符对象定义相应的状态属性,即可实现动画效果。同时,MCGS为用户提供了丰富的动画构件,模拟工程控制与实时监测作业中常用的物理器件的动作和功能。每个动画构件都对应一个特定的动画功能。如:实时曲线构件、历史曲线构件、报警显示构件、自由表格构件等。 8.引入“运行策略”的概念。复杂的工程作业,运行流程都是多分支的。用传统的编程方法实现,既繁琐又容易出错。MCGS开辟了“策略窗口”,用户可以选用系统提供的各种条件和功能的“策略构件”,用图形化的方法构造多分支的应用程序,实现自由、精确地控制运

22、行流程,按照设定的条件和顺序,操作外部设备,控制窗口的打开或关闭,与实时数据库进行数据交换。同时,也可以由用户创建新的策略构件,扩展系统的功能。 11.MCGS中数据的存储不再使用普通的文件,而是用数据库来管理一切。组态时,系统生成的组态结果是一个数据库;运行时,数据对象、报警信息的存储也是一个数据库。利用数据库来保存数据和处理数据,提高了系统的可靠性和运行效率,同时,也使其它应用软件系统能直接处理数据库中的存盘数据。 12.设立“对象元件库”,解决了组态结果的积累和重新利用问题。所谓对象元件库,实际上是分类存储各种组态对象的图库。组态时,可把制作完好的对象(包括图形对象,窗口对象,策略对象,

23、以至位图文件等等)以元件的形式存入图库中,也可把元件库中的各种对象取出,直接为当前的工程所用。随着工作的积累,对象元件库将日益扩大和丰富,组态工作将会变得越来越简单方便。 13.提供对网络的支持。考虑到工控系统今后的发展趋势,MCGS充分运用现今发展的DCCWDistributed Computer Co-operator Work技术,即分布式计算机协同工作方式,来使分散在不同现场之间的采集系统和工作站之间协同工作。通过MCGS,不同的工作站之间可以实时交换数据,实现对工控系统的分布式控制和管理。3.3 组建MCGS工程的一般过程 3.3.1 工程项目系统分析 分析工程项目的系统构成、技术要

24、求和工艺流程,弄清系统的控制流程和测控对象的特征,明确监控要求和动画显示方式,分析工程中的设备采集及输出通道与软件中实时数据库变量的对应关系,分清哪些变量是要求与设备连接的,哪些变量是软件内部用来传递数据及动画显示的。3.3.2工程立项搭建框架 MCGS称为建立新工程。主要内容包括:定义工程名称、封面窗口名称和启动窗口(封面窗口退出后接着显示的窗口)名称,指定存盘数据库文件的名称以及存盘数据库,设定动画刷新的周期。经过此步操作,即在MCGS组态环境中,建立了由五部分组成的工程结构框架。封面窗口和启动窗口也可等到建立了用户窗口后,再行建立。3.3.3 设计菜单基本体系为了对系统运行的状态及工作流

25、程进行有效地调度和控制,通常要在主控窗口内编制菜单。编制菜单分两步进行,第一步首先搭建菜单的框架,第二步再对各级菜单命令进行功能组态。在组态过程中,可根据实际需要,随时对菜单的内容进行增加或删除,不断完善工程的菜单。3.3.4 制作动画显示画面 动画制作分为静态图形设计和动态属性设置两个过程。前一部分类似于“画画”,用户通过MCGS组态软件中提供的基本图形元素及动画构件库,在用户窗口内“组合”成各种复杂的画面。后一部分则设置图形的动画属性,与实时数据库中定义的变量建立相关性的连接关系,作为动画图形的驱动源。3.3.5 编写控制流程程序 在运行策略窗口内,从策略构件箱中,选择所需功能策略构件,构

26、成各种功能模块(称为策略块),由这些模块实现各种人机交互操作。MCGS还为用户提供了编程用的功能构件(称之为“脚本程序”功能构件),使用简单的编程语言,编写工程控制程序。3.3.6 完善菜单按钮功能 包括对菜单命令、监控器件、操作按钮的功能组态;实现历史数据、实时数据、各种曲线、数据报表、报警信息输出等功能;建立工程安全机制等。3.3.7 编写程序调试工程 利用调试程序产生的模拟数据,检查动画显示和控制流程是否正确。3.3.8 连接设备驱动程序 选定与设备相匹配的设备构件,连接设备通道,确定数据变量的数据处理方式,完成设备属性的设置。此项操作在设备窗口内进行。3.3.9 工程完工综合测试 最后

27、测试工程各部分工作情况,完成整个工程的组态工作,实施工程交接。4 加热炉防脱火超驰控制系统控制方案的确定4.1 确定设计方案的原则 确定设计方案,要遵循下列原则: 1、满足工艺要求。所确定的流程和设备,必须保证产品的质量能达到规定的要求,而且质量要稳定。这就要求各物流的流量稳定,有关的操作参数稳定。同时设计方案要有一定的适应性,例如能适应季节的变化、原料湿含量及粒度的变化等。因此,应考虑在适当的位置安装必要的控制调节装置和测量仪表等。 2、经济上要合理。要节省热能和电能,尽量降低生产过程中各种物料的损耗,减少设备费和操作费,使总费用尽量降低。 3、保证生产安全,注意改善劳动条件。处理易燃易爆或

28、有毒物料时,要有相应的安全措施。确定设计方案时,应采取有效措施防止环境污染。4.2加热炉防脱火超驰控制系统设计图 图4-1 控制系统设计图Figure 4-1 Control system design图4-2 PID参数调节图Figure 4-2 The PID parameter adjustment4.3 超驰控制系统简介4.3.1 超驰控制系统概述4 超驰控制又叫做取代控制,也称选择性控制。 通常自动控制系统只能在生产工艺正常时进行工作,一旦生产进入自动状态,控制器就要改为手动,待事故排除后,控制系统再重新投入工作,在大型生产工艺过程中,除了要求控制系统在生产处于正常状态时能够克服外界

29、干扰,平稳操作做外还必须考虑在事故状态下也能安全生产,即当生产操作达到安全极限时,应有保护性措施。 生产保护性措施有两类:一类是硬保护措施;一类是软保护措施。 所谓硬保护措施,就是当生产操作达到安全极限时,会发出声,光报警。此事由操作工将控制器切换到手动,进行手动操作处理;或是通过专门设置的连锁保护线路实现自动停车,达到保护生产的目的。对于连续生产过程来说,即使短暂的设备停车,也会造成巨大的经济损失,因此这种硬保护措施已经逐渐被软保护措施所替代。 所谓软保护措施,就是通过一个特定设计的选择性控制系统,在生产短期内处于不正常状况时,生产设备不需要停车,由选择性控制系统自动改变操作方式,使参数脱离

30、极限值,并且当参数恢复正常时,原控制系统自动恢复,避免停车,而且无需人的参与就可恢复正常生产。 4.3.2超驰控制系统原理 以往用常规控制仪表构成的控制系统绝大部分都缺少识别系统内、外设备状态品质的能力。只要输入端有偏差信号存在,控制器就会有相应的动作,而不管系统内部是否出现问题或外部生产设备工作是否异常,有时甚至会出现控制背离给定值的现象而造成事故。超驰控制则能有效地抑制上述不良后果。对内,它是监视自动控制过程的眼睛,随时检测控制回路中变送器信号的品质、输入输出偏差限值等。如果是控制仪表本身出现问题,控制回路就失去了自动控制的基础条件、超驰控制将选择自动切手动方式把控制回路自动转为手动;对外

31、,它是系统的安全转折器,若自动控制仪表一切正常,主、辅设备或各种自动控制系统之间的运行状态产生异动,超驰控制将根据判定逻辑得出的结果,决定自动控制系统的控制策略或运行方向,从而转入安全通道,脱离可能发生的危险工况。 DCS和FCS都设计有超驰控制功能,但它在我国工业生产过程自动控制的实际应用却不多。随着 DCS和FCS应用的深入,超驰控制的功能将会得到人们的重视,超驰控制的技术也将走向成熟,到那时,超驰控制就会成为自动控制系统中不可缺少的组成部分。4.3.3 超驰控制系统分类超驰控制系统依照功能可分为三类 1 开关型超驰控制系统 开关型超驰控制系统一般是在主路控制器到调节阀门间设置一个电磁阀门

32、,由辅路超驰信号控制电磁阀门。当超驰信号送过来的时候,电磁阀门断开。主路调节阀门由于失气或失电,调节阀门自动向预先设定的FC或FO动作。也就是说,当超驰信号出现的时候。调节阀门的最终动作要么是全开要么是全关,此时调节阀门不会动态的进行调节。 2 连续型超驰控制系统 连续型超驰控制是将开关型超驰控制系统中的电磁阀门换成了一个选择性控制器。该选择型控制器可以预先设定为优先选择信号高的或者是信号低的一侧信号,也就是说,主路控制信号和超驰控制信号始终都是通向该选择器的。例如该选择器为一个高选择器,那么正常的时候,超驰信号低于主路控制信号,当超驰发生的时候,超驰信号会高于主路控制信号,选择器就选择超驰信

33、号。连续型控制系统的超驰信号是可以动态调节阀门的。(这里有人会理解不选择主路信号,就可以理解为变相的隔离的主路的信号,这种认知不完全,因为就是在超驰的过程中,选择器也是始终在比较两个信号的数值,跟开关型不同,它没有完全切断。) 3 混合型超驰控制系统 在控制系统中同时有开关型和连续型超驰控制系统。4.3.4 超驰控制系统的设计 1 控制阀开、闭形式选择:根据生产安全要求选择控制阀的开、闭形式。 2 控制其规律及正、反作用选择:根据对象的特性和控制的要求,选择控制器的控制规律及正、反作用。 3 选择器类型的选择:根据控制器的正、反作用和选择性系统设置的目的,确定选择器的类型。 4 控制规律选择:

34、正常情况下工作的控制器,应选PI或PID;非正常情况下的控制器,应选窄比例式(Kc很大)。 5 选择器类型的选择:根据生产处于不正常情况下、非正常情况控制器的输出信号高、低来确定;如果在这种情况下它的输出为高信号,则应选高选器;如果在这种情况下它的输出为低信号,则应选低选器。4.3.5 超驰控制系统具体方案的确定 根据这些超驰控制系统的设计的具体原则就可以确定加热炉防脱火超驰控制系统设计中超驰控制各项指标的选择。 1 根据生产要求控制阀应选择气开式。 2 对加热炉温度的控制应选择温度控制器(TIC),反作用。 3 对加热管道阀门旁压力的控制应选择压力控制器(PIC),反作用。 4 温度控制应选

35、择PID控制,压力控制应选择比例(P)控制。但是,在MCGS中进行设计时,温度和压力控制都应设计为PID控制,用不到的参数可设置为零。比如,压力控制是比例(P)控制,所以用不到的积分(I)控制的参数积分时间和微分(D)控制的微分时间都应设置为零。 5 生产处于不正常情况下、非正常情况控制器的输出信号为低信号,所以选择器应设置为低选器。5 MCGS组态设计5.1 设计画面5.1.1 新工程的建立 对于一个工程设计人员来说,要想快速准确地完成一个工程项目,首先要了解工程的系统构成和工艺流程,明确主要的技术要求,搞清工程所涉及到的相关硬件和软件。在此基础上,拟定组建工程的总体规划和设想。 本次主要研

36、究方向是利用PLC控制加热管道的压力。控制系统由下位机和上位机两个主要部分组成,下位机是用PLC来控制加热管道的压力,同时将整个系统设计成分程控制系统来满足工程的需要。上位机是用MCGS组态来实现对整个系统的实时监控,还应具备远程手自动转换、现场数据采集、历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能。 启动MCGS组态环境,选中菜单栏中的“文件”打开下拉菜单,选择“新建工程”菜单项 系统会自动创建一个新工程,由于尚未进行组态操作,新工程只是一个操作界面,其包含五个组成部分,接下来要根据实际工程的需要在框架中配置不同的功能部件以完成一个组态设计。 5

37、.1.2 动画连接 MCGS组态软件所建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成,每一部分分别进行组态操作,完成不同的工作,具有不同的特性。 在新建工程的界面中点击“用户窗口”,然后在用户窗口中点击新建窗口,这样就在操作界面中出现“窗口0 这时在“ 窗口0”上点击右键,选择”属性“此时就可以对窗口进行重新命名为“加热炉防脱火超驰控制系统流程图”。 选中刚建的“加热炉防脱火超驰控制系统流程图”用户窗口,单击“动画组态”,进入动画制作窗口。 1)工具箱 单击工具条中的“工具箱“按钮,则打开动画工具箱, 图标对应于选择器,用于在编辑图形时选取用户窗口中指定的图形对象;

38、图标用于打开和关闭常用图符工具箱,常用图符工具箱包括27种常用的图符对象。 图形对象放置在用户窗口中,是构成用户应用系统图形界面的最小单元,MCGS中的 图形对象包括图元对象、图符对象和动画构件三种类型,不同类型的图形对象有不同的属性,所能完成的功能也各不相同。 为了快速构图和组态,MCGS系统内部提供了常用的图元、图符、动画构件对象,称为系统图像对象。如下图所示: (2)建立文字框 打开工具箱,选择“工具箱”内的“标签”按钮,鼠标的光标变为“十字”形,在窗口任何位置拖拽鼠标,拉出一个一定大小的矩形。输入文字:建立矩形框后,光标在其内闪烁,可直接输入“酸碱中和池分程控制系统工程”文字,按回车键

39、或在窗口任意位置用鼠标点击一下,文字输入过程结束。如果用户想改变矩形内的文字,先选中文字标签,按回车键或空格键,光标显示在文字起始位置,即可进行文字的修改。 (3)设置框图颜色 设定文字框颜色:选中文字框,按工具条上的(填充色)按钮,设定文字框的背景颜色(设为无填充色);按(线色)按钮改变文字框的边线颜色(设为没有边线)。设定的结果是,不显示框图,只显示文字,设定文字的颜色:按 (字符字体)按钮改变文字字体和大小。按 (字符颜色)按钮,改变文字颜色(为蓝色)。 (4)单击“工具”菜单,选中“对象元件库管理”或单击工具条中的“工具箱”按钮,则打开动画工具箱,工具箱中的图标用于从对象元件库中读取存

40、盘的图形对象;图标用于把当前用户窗口中选中的图形对象存入对象元件库中。 从“对象元件管理“中选取反应釜、调节阀、计算机、管道等设备,调整其大小和位置,用工具箱中的图标,分别对其进行文字注释。 最后设计的画面如图所示:图5-1 控制系统设计图Figure 5-1 Control system design5.2 构造实时数据库5.2.1 实时数据库简介 在MCGS中,用户数据对象表示数据,可以把数据对象认为是比传统变量具有更多功能的对象变量,想使用变量一样来使用数据对象,大多数情况下只需使用数据对象的名称来直接操作数据对象。 MCGS用数据对象来表述系统中的实时数据,用对象变量代替传统意义的纸变

41、量。把用数据库技术管理的所有数据对象的集合称为实时数据库。实时数据库是MCGS的核心,是应用系统的数据处理中心,如下图所示,系统各个部分均以实时数据库为公用去交换数据,实时各个部分协调动作。设备窗口通过设备构件驱动外部设备,将采集的数据送入实时数据库;用户窗口组成的图形对象,与实时数据库中的数据对象建立连接关系,以动画形式实现数据的可视化;运行策略用过策略构件,对数据进行操作和处理。5.2.2 数据对象的类型 在MCGS组态软件中,数据对象有开关型、数值型、字符型、事件型、组对象等五种类型。不同类型的数据对象,属性不同,用途不同。 开关型数据对象: 记录开关信号(0或非0)的数据对象为开关型数

42、据对象,通常与外部设备的数字量输入输出通道连接,用来表示某一设备当前所处的状态。开关型数据对象也用于表示MCGS中某一对象的状态,如对应于一个图形对象的可见度状态。 数值型数据对象:在MCGS组态软件中,数值型数据对象的数值范围是:负数是从-3.402823E38到-1.401298E-45,正数是从1.401298E-45到3.402823E38.数据型数据对象除了存放数值及参与数值运算外,还提供报警信息,与外部设备的模拟量输入输出通道连接。 字符型数据对象: 字符型数据对象是存放文字信息的单元,用于描述外部对象的状态特征,其值为多个字符组成的字符串,字符串长度最长可达64KB。字符型数据对

43、象没有工程单位和最大,最小值属性,也没有报警属性。 事件型数据对象: 事件型数据对象用来记录和标识某种事件产生或状态改变的事件信息。例如,开关量的状态发生变化,用户有按键动作,有报警信息产生等,都可以看作是一种事件发生。事件发生信息可以直接从某种类型的外部设备获得,也可以有内部对应的功能构件提供。 数据组对象:数据对象是MCGS引入的一种特殊类型的数据对象,类似于一般编程语言中的数组和结构体,用于把相关的多个数据对象集合在一起,作为一个整体来定义和处理,。例如:描述放热反应釜的控制系统的工作状态有阀门A和B,为了便于处理,定义“阀门组”为一个组对象,用来表示“阀门开度”这个实际的物理对象。5.

44、2.3 系统数据对象的定义 下表中列出了一些用到数据对象的类型 变量名称 类型注释 日期字符型 显示系统日期 时间字符型 显示系统时间 阀A 数值型 阀门的开度 阀B 数值型 阀门的开度 PV 数值型 测量值 SV 数值型 设定值 MV 数值型 输出值 6 MCGS 与PLC设备的连接6.1 计算机与PLC之间的通讯 基于组态软件的PLC仿真系统组成的结构如图4-1所示:图6-1控制系统结构图Figure 6-1 Structure of control system 微型计算机与下位机PLC通过RS232串行接口用通信电缆相联接,通过编程软件把已完成的控制程序下载到PLC。在微型计算机中安装

45、组态软件,并在组态软件环境中运行已开发的一个工程软件,同时使PLC进入运行状态,即进入计算机组态过程,通过鼠标操作界面上的图形对象就可以进行系统的控制。 本设计设备构件用于MCGS读写三菱FX系列中支持232通信协议的PLC设备。MCGS通过上位机中的串行口设备和PLC上的通讯单元(编程口)建立串行通讯连接,从而达到操作PLC设备的目的。6.1.1 硬件连接 FX系列PLC支持无协议的RS232和RS485通信协议两种通信方式,通过改变D8120的值来改变通信方式。 D8120字寄存器的16位的意义列表如下: (1)系统默认设置: D8120H0086表示9600,7,偶校验,1位停止位,无命

46、令头和命令尾,整个命令不加校验,无协议的通信方式,FX0N系列PLC在掉电后D8120恢复成H0086。 (2)串口父设备设置: FX-232设备必须挂接在串口父设备下,串口父设备在通用设备构件中。串口父设备用来设置通信参数和通信端口。通信参数必须设置成与PLC的设置一样,否则就无法通信。 (3)本设备属性设置: 要使MCGS能正确操作PLC设备,请按如下的步骤来使用和设置本构件的属性: 设备名称:可根据需要来对设备进行重新命名,但不能和设备窗口中已有的其它设备构件同名。 采集周期:为运行时,MCGS对设备进行操作的时间周期,单位为毫秒,一般在静态测量时设为1000ms,在快速测量时设为200ms。 初始工作状态:用于设置设备的起始工作状态,设置为启动时,在进入MCGS运行环境时,MCGS即自动开始对设备进行操作,设置为停止时,MCGS不对设备进行操作,但可以用MCGS的设备操作函数和策略在MCGS运行环境中启动或停止设备。 (4)内部属性: 内部属性用于设置PLC的读写通道,以便后面进行设备通道连接,从而把设备中的数据送入实时数据库中的指定数据对象或把数据对象的值送入设备指定的通道输出。 三菱FX-232PLC设备构件把PLC的通道分为只读,只写,读写三种情况,只读用于把PLC中的数据读入到MCGS的实时数据库中