PLC的A3000实验装置的监控系统设计.docx
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PLC的A3000实验装置的监控系统设计
过程控制综合实践
基于PLC的A3000实验装置
过程监控系统设计
班级:
自动化06
组长:
张颖颖
组员:
温馨顾翔王继光
郑明马竞夫钟鸣
指导教师:
徐宝昌许亚岚聂建英
人员分工
张颖颖:
制定总体工作计划,设计控制方案,通讯,编程,组态王工程设计,模型仿真,系统投运与调试
温馨:
接线,编程,通讯,组态王工程设计,模型仿真,系统投运与调试,测传递函数
顾翔:
接线,编程,组态王工程设计,系统投运与调试,测传递函数
王继光:
接线,定义变量,编程,通讯,系统投运与调试
郑明:
采购,打印,接线,绘图,查资料,编程,系统投运与调试
马竞夫:
图表设计与绘制,仪表选型,组态王监控页面设计,
钟鸣:
接线,通讯,编程,系统投运与调试
第一章安全注意事项
在本次课程设计试验中,发生过一些安全事故,某些组也出现大概因为操作不当造成水泵,仪表的损坏现象,故在此提出一些几条特别注意的事项。
一、防止触电
1、2号设备有漏水现象,要注意防止线接头、插线板等粘到水。
2、不要用湿手操作设定任何旋钮按键。
3、在A3000与PLC接线和拆线时,我们接线的同学有好几次被电到,注意不要同时用手模正在接线的设备与另外一套设备。
在开始布线前,断开电源10分钟以后,用万用表等检测剩余电压后进行。
二、防止损坏
1、接线完,要仔细检查电路接线,也可以请老师查看,确认无误后再上电。
2、系统投运和调试时,注意水箱中的水不要溢出,以免设备受潮,减少寿命。
3、避免使水泵长期处于空转状态。
4、提供的液位变送器只能在液位高于5cm时才能测量。
三、其他
1、由于挡板在水箱的里面,在拉挡板时,注意不要刮着手。
2、实验室的凳子桌子已经年久失修,注意别摔着或被钉子挂到,或者被桌子抽屉底部刮到。
3、接线时,注意铜丝容易剌到手。
4、由于很多U盘的使用,注意电脑杀毒。
5、以防意外断电造成数据丢失,要注意数据的及时保存。
第二章A3000概述
A3000高级过程控制实验系统独创现场系统的概念,而不是对象系统。
现场系统包括了实验对象单元、供电系统、传感器、执行器、以及半模拟屏、从而组成了一个只需要接受外部标准信号的完整的独立的现场环境。
A3000的现场控制箱侧面是工业标准接线端子盒。
这种标准信号接口可以使现场系统与用户自行选定的DCS系统、PLC系统、DDC系统、单片机系统方便连接。
一、A3000 现场系统
现场系统包括三个加热管,水箱,一个大储水箱,一个锅炉,一个工业用板式换热器,两个水泵,大功率滞后时间可以调整的滞后系统,一个硬件联锁保护系统。
传感器和执行器系统包括5个温度传感器、液位传感器(1~3个可选)、1个压力变送器,两个流量计(可选涡轮或电磁流量计),1个电动调节阀(可选变频器),两个电磁阀,2个液位开关。
管道与仪表流程图:
二.A3000控制系统组成
A3000-CS包括了传感器执行器I/O连接板、三个可换的子控制系统板,第三方控制系统接口板。
系统结构如图所示。
左边是机柜布置简图,右边是个控制系统的半模拟屏简图。
二、仪表与阀门选型
根据A3000系统精度要求,考虑经济因素,A3000现场系统仪表设备选型结果如下:
1、工艺设备明细表
序号
图纸
零部件名
型号/规格
技术参数
材料
数量
1
A3000—1
水泵
25PLB10-16
流量:
10L/min,
扬程:
16m,220VAC50Hz,280W
DN20,G3/4”铸铁外壳,1Cr18Ni9Ti,叶轮
2
2
A3000—1
压力传感器
ALT-P-E-G-1-2-1-M(pt101)
量程:
0-150kpa
精度:
0.5%
M20X1.5
1
3
A3000—1
温度传感器
WZP-270(TE101)
工业B级M20X1.51L=8X300(ΦxL)
1
4
A3000—1
温度传感器
WZP-270(TE105)
M20X1.5L=8X65(ΦxL)
1
5
A3000—1
液位压力传感器
ALT-P-B-G-1-2-1-M(LT102,LT103)
量程:
0-2.5kpa
1
6
A3000—1
电磁流量计
ID-15F(FT102)
量程:
0.2-3m3/h
精度:
1.0
钼二钛
1
7
A3000—1
涡轮流量计
LWGB-15(FT101)
精度:
1.0级
1
8
A3000—1
电磁阀
ZCT-15(XV101,XV102)
DN20,G3/4”,两位两通,220V50Hz15W
1Cr18Ni9Ti
2
9
A3000—1
电动调节阀
V713,2DY-16P
(FV101)
DN20,Kv=20,执行器KV3000
1Cr18Ni9Ti
1
2、阀门选型
电动调节阀为气开阀。
控制阀的流通能力CV值计算和口径选择:
控制阀的流通能力CV定义为:
温度为0-60℉的水,在控制阀全开并保持阀门两端压降为1psi的条件下,阀门每分钟流过的加仑数。
我国控制阀流通能力KV定义为:
温度为5-40℃的水,在控制阀全开
并保持阀门两端压降为105Pa的条件下,阀门每小时流过的立方米数。
CV和KV的换算关系如下:
CV=1.167KV
目前计算CV值都用相关软件实现。
没有软件时可参考如下公式直接计算。
液体CV值计算公式:
式中:
Q-最大流量m3/h
G-比重(水G=1)
P1–最大流量时控制阀进口压力kgf/cm2
P2–最大流量时控制阀出口压力kgf/cm2
根据以上公式计算的CV值,从控制阀厂家提供的阀门型号及口径与流通能力CV值表格,选择大一挡的CV值,确定控制阀的口径。
对所选的阀门应进行核算,通常在正常流量时,阀门的开度在70%-80%左右。
本实验:
已知工艺设备条件:
标准状态最大流量Q=9m3/h
控制阀压差P1-P2=0.16kgf/cm2
控制阀压降比S=0.8
物料比重(水)G=1.0
计算控制阀流通能力
查控制阀样本选择口径:
由于工艺管路公称通径Dg=25mm,选HTS单座控制阀,公称通径Dg=25mm,阀座直径25mm,高精度流量特性阀芯,可调范围50:
1,额定流通能力CV=25,控制阀特性为等百分比型。
第三章监控系统总体设计方案与通讯
一、系统分析
设计目标:
完成对所有测点的采样,实现下水箱单闭环液位的定值控制,并达到稳准快的目标。
控制系统的扰动:
环境信号干扰,出水量,设定值。
系统特点:
测点多,仪表类型多,接线量大,单闭环控制系统的控制较简单。
控制难点:
由于存在环境干扰信号,要使采样保真;控制液位稳定时波动较小。
二、测点设计
根据A3000设备工艺流程的要求,设计测点。
测点清单:
序号
PID
图号
测点
编号
测点
名称
信号
类型
型式
规范
工程单位
量程
范围
1
A3000—1
TE101
锅炉内
温度
4~20mA
两线制
℃
0~100
2
A3000—1
TE102
滞后管
温度
4~20mA
两线制
℃
0~100
3
A3000—1
TE103
换热器热水出口温度
4~20mA
两线制
℃
0~100
4
A3000—1
TE104
换热器冷水出口温度
4~20mA
两线制
℃
0~100
5
A3000—1
TE105
储水箱
温度
4~20mA
两线制
℃
0~100
6
A3000—1
PT101
支路二泵出口压力
4~20mA
两线制
Kpa
0~150
7
A3000—1
FT101
支路一泵流量
4~20mA
两线制
L/h
200~30000
8
A3000—1
FT102
支路二泵流量
4~20mA
四线制
L/h
200~30000
9
A3000—1
LS101
锅炉下液位开关
两线制
开/关
10
A3000—1
LS102
锅炉上液位开关
两线制
开/关
11
A3000—1
LT102
中水箱液位
4~20mA
两线制
cm
0-24
12
A3000—1
LT103
下水箱液位
4~20mA
两线制
cm
0-24
三、监控系统组成
监控系统设计包括系统硬件设计和系统软件设计。
前者主要是SIMATICS7-200系列PLC的模块配置和接线,PLC与计算机的连线和通讯,PLC与A3000的接线。
后者包括PLC的编程软件STEP7-Micro/WIN32的程序设计和组态王工程设计。
系统总体设计图如下:
组态王是一个集人机界面系统和监控管理系统的工业上位监控软件。
作为系统上级,通过其串行口与下层PLC进行通讯,访问PLC相关的寄存器地址,获得PLC所控制设备的状态或者修改相关及寄存器的值。
PLC作为现场级的控制设备,为系统下级。
其主要作用是测点的数据采集和输出控制。
本实验中输出控制是下对水箱液位的单闭环控制。
对其余的测点是只检测,不控制。
来自A3000现场的各测点参数经过变送器测量变送后变为4~20mA的标准仪表信号,经电缆传送至PLC,经模数转换后变为数字信号。
同时,PLC通过主从式网络与组态王通讯,传送检测过程参数。
四、通讯
PLC与上位计算机的通讯可以利用高级语言编程来实现,但是用户必须熟悉互连的PLC及PLC网络采用的通信协议,严格的按照通信协议规定为计算机编写通信程序,其对用户要求较高,而采用工控组态软件实现PLC与上位计算机之间的通讯,则相对简单,因为工控组态软件中一般都提供了相关设备的通讯驱动程序,西门子公司的S7系列PLC与工控组态软件WinCC、组态王之间可进行连接实现PLC与上位计算机之间的通讯。
1、PLC与计算机的连接
选用RS485标准总线通讯,但因上位机的接口为RS232,所以还需一块RS232/RS485 双路转换卡来完成标准转换。
PPI协议是S7-200CPU默认的通信方式,它通过S7-200CPU自身的端口(Port0或Port1)即可完成。
PPI模式下与CPU的通讯如图,转换卡的跳线选择自由口模式。
2、PLC与STEP7的连接
具体方法:
(1)在“SETPG/PCInterface”对话框中配置PC/PPIcable,选择InterfaceParameterAssignment为PPI;
(2)点击通讯参数图标Communications,打开通讯对话框,设置PPI参数,PC/PPI编程电缆的通讯地址为2,接口设为COM1,传输波特率9.6Kbps;
(3)双击通讯框中得刷新图标后建立与S7-200的通信连接。
3、PLC与组态王的连接
具体方法:
(1)单击COM1新建设备:
西门子S7-200PPICOM1地址2
(2)双击COM1,设置串口COM1:
波特率9600bps;偶校验位;数据位8;停止位1;通讯方式RS485
4、组态王与下位机的连接原理
组态王通过驱动程序与外部设备交换数据,每一个驱动程序都是一个COM对象。
其连接原理图如下:
第四章S7-200系列PLC监控系统硬件设计
SIMATIC小型S7-200系列PLC适用于各行各业,各种场合中的检测、监测及控制的自动化。
S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中,或相连成网络皆能实现复杂控制功能。
S7-200系列出色表现在以下几个方面:
极高的可靠性;极丰富的指令集;易于掌握;便捷的操作;丰富的内置集成功能;实时特性;强劲的通讯能力;丰富的扩展模块等。
S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。
使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。
应用领域极为广泛,覆盖所有与自动检测,自动化控制有关的工业及民用领域,包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。
一、系统配置
根据I/O设备和点数数目选型
1、I/O设备统计
输出:
2个电磁阀,1个电动阀
输入:
液位变送器3个,压力变送器1个,温度变送器5个,电磁流量计1个,涡轮流量计1个,液位开关2个。
2、I/O点数统计
开关量输入:
2个;
开关量输出:
2个;
模拟量输入:
11个;
模拟量输出:
1个;
3、硬件选择
(1)CPU
S7-200CPU224(1个):
订货号:
6ES7214-1BD23-0XB0;
CPU供电:
120-240VAC
数字量I/O:
14输入,10输出
数字量输入:
14*24VDC
数字量输出:
10*24VDC
通讯口:
1
模拟量I/O:
无
模拟I/O映像区:
64(32出32入)
(2)EM235
模拟量输入输出模块EM235(3个):
订货号:
6ES7235-0KD22-0XA0
模拟量I/O:
4输入,1输出
(3)24V电源
220V转换为24V。
型号:
S-120-24
(4)保护开关1个
(5)PC/PPI电缆:
将PLC与计算机连接起来
(6)计算机一台:
windows2000系统
二、I/O分配
根据测点清单和所选模块寻址方式,给每个被测变量分配寄存器地址和PLC输入输出端口地址。
CUP寻址:
输入端I0.0-I0.7,I1.0-I1.5;输出端Q0.0-Q0.7,Q1.0-Q1.1。
地址号没有间隔。
EM235的寻址:
每个EM235(模拟量扩展模块),按扩展模块的先后顺序进行排序,其中,模拟量根据输入、输出不同分别排序。
模拟量的数据格式为一个字长,所以地址必须从偶数字节开始。
例如:
AIW0,AIW2,AIW4……、AQW0,AQW2……。
每个模拟量扩展模块至少占两个通道,即使第一个模块只有一个输出AQW0,第二个模块模拟量输出地址也应从AQW4开始寻址,以此类推。
I/O分配表:
PLC输入
PLC输出
类型
寄存器
变量名
说明
寄存器
变量名
说明
数字量
I0.0
LS101
锅炉下限液位
Q0.0
XV101
支路一电磁阀
I0.1
LS102
锅炉上限液位
Q0.1
XV102
支路二电磁阀
模拟量
VD240
LT102
中水箱液为(AIW0)
VD1008
FV101
流量调节阀(AQW0)
VD1000
LT103
下水箱液位(AIW2)
VW144
TE101
锅炉温度(AIW4)
VW148
TE102
换热器出口温度(热流)(AIW6)
VW152
TE103
换热器出口温度(冷流)(AIW8)
VW156
TE104
滞后管出口温度(AIW10)
VW160
TE105
储水箱温度(AIW12)
VW244
FT101
支路一泵流量(AIW16)
VW248
FT102
支路二泵流量(AIW14)
VW252
PT101
支路二泵出口压力(AIW18)
三、PLC接线图
1、CPU224接线端子图
2.EM235接线端子图
模拟量扩展模块的接线方法,对于电压信号,按正、负极直接接入X+和X-;对于电流信号,将RX和X+短接后接入电流输入信号的“+”端;未连接传感器的通道要将X+和X-短接。
对于某一模块,只能将输入端同时设置为一种量程和格式,即相同的输入量程和分辨率。
(后面将详细介绍)
3、控制柜正面接线图
4、控制柜背面接线图
4、控制柜柜门设计图
图中ON/OFF按钮为220V电源开关按钮,其作用为:
把电源开关放在柜门上,这样不打开柜门就可以进行控制柜的开关。
开关右边的四个孔,对应着各个模块的电源指示灯,可以方便观察。
第五章STEP7-Micro/WIN32软件程序设计
STEP7-Micro/WIN32是西门子公司专门为S7-200系列PLC设计在个人计算机Windows操作系统下运行的编程软件,它的功能强大,使用方便,简单易学,可用梯形图(LAD)、语句表(STL)和功能块图三种编程语言编制程序,不同的编程语言编制的程序可以相互转换。
STEP7-Micro/WIN32提供两套指令集,即SIMATIC指令集(S7-200方式)和国际标准指令集(IEC1131-3方式)。
程序编制完成之后,利用PLC与计算机专用的PC/PPI电缆传送程序至PLC。
设计的程序包括主程序,模拟量采样程序,PID控制下水箱液位的程序。
一、主程序
进入各子程序
主程序
Network1
LDSM0.0
CALLSBR0
Network2
LDSM0.0
CALLSBR1
二、模拟量采样程序设计
1、DIP开关设置
使用EM235进行模拟量的输入输出。
在DIP开关上设置EM235扩展模块,开关1到6可选择输入模拟量的单/双极性、增益和衰减。
由于测点均选择4-20mA标准信号,查询6个DIP开关排列组合功能表可知,DIP开关设置为1和6开,其余关。
采样值和实际值偏差采取在程序中修正的方式。
6个DIP开关决定了所有的输入设置。
也就是说开关的设置应用于整个模块,开关设置也只有在重新上电后才能生效。
模拟量输入模块使用前应进行输入校准。
其实出厂前已经进行了输入校准,如果OFFSET和GAIN电位器已被重新调整,需要重新进行输入校准。
2、模拟量值和A/D转换值的转换
模拟量的标准电信号是A0—Am(如:
4—20mA),A/D转换后数值为D0—Dm(如:
6400—32000),设模拟量的标准电信号是A,A/D转换后的相应数值为D,由于是线性关系,函数关系A=f(D)可以表示为数学方程:
A=(D-D0)×(Am-A0)/(Dm-D0)+A0。
即当A0=4,Am=20,D0=6400,Dm=32000,代入公式,得出:
A=(D-6400)×(20-4)/(32000-6400)+4
假设该模拟量与AIW0对应,则当AIW0的值为12800时,相应的模拟电信号是6400×16/25600+4=8mA。
又如,换热器热流出口温度TE102温度传感器,0—100℃与4—20mA相对应,以T表示温度值,AIW6为PLC模拟量采样值,则根据上式直接代入得出:
T=(AIW0-6400)/256
将T值放入寄存器VW148,VW148可以直接显示温度值。
其他的传感器工程量转换同理,其具体程序如下:
子程序1-模拟量采样程序
Network1
//A3000模拟量输入-中水箱液位LT102(AIW2)
LDSM0.0
ITDAIW0,AC1
DTRAC1,AC1
-R6400.0,AC1
/R25600.0,AC1
*R24.0,AC1
MOVRAC1,VD240
Network2
//
Network3
//锅炉温度TE101(AIW4)
LDSM0.0
MOVWAIW4,VW144
-I+6400,VW144
/I256,VW144
Network4
//换热器出口温度(热流)TE102(AIW6)
LDSM0.0
MOVWAIW6,VW148
-I+6400,VW148
/I256,VW148
Network5
//换热器出口温度(冷流)TE103(AIW8)
LDSM0.0
MOVWAIW8,VW152
-I+6400,VW152
/I256,VW152
Network6
//滞后管出口温度(AIW10)
LDSM0.0
MOVWAIW10,VW156
-I+6400,VW156
/I256,VW156
Network7
//储水箱温度(AIW12)
LDSM0.0
MOVWAIW12,VW160
-I+6400,VW160
/I256,VW160
Network8
//支路一泵流量(AIW14)涡轮流量计
LDSM0.0
MOVWAIW16,VW244
-I+6400,VW244
/I25600,VW244
*I1200,VW244
Network9
//支路二泵流量(AIW16)电磁流量计
LDSM0.0
MOVWAIW14,VW248
-I+6400,VW248
/I256,VW248
*I30,VW248
Network10
//支路二泵出口压力(AIW18)
LDSM0.0
MOVWAIW18,VW352
-I+6400,VW352
/I256,VW352
*I3,VW352
/I2,VW352
三、PID控制程序设计
在PLCS7-200中已经固定了PID算法,但一个PID有很多参数,通过向特殊寄存器写入一些数据,就可以输入输出PID中的参数。
S7-200中的一个PID“特殊寄存器”定义如下表:
编程如下:
首先初始化PID的一些参数。
为了整定参数方便,PID的初始值可以在组态王的模拟量输入命令设置,而不用更换一次参数,就下载一次程序到PLC。
本程序中直接将PID计算加到子程序里,也可以设置中断,ATCHINT_0,10表示调用中断,一个数字PID有固定的运算周期。
程序如下:
子程序2-PID控制液位程序
TITLE=子程序注释
Network1
//设定水箱液位12cm,PID参数:
P=1.8,I=40分钟,D=0,采样时间1s
LDSM0.0
//MOVR12.0,VD1004
MOVRVD1004,VD104
/R24.0,VD104
//MOVR25.0,P:
VD112
MOVR1.0,VD116
//MOVR1000.0,I:
VD120
//MOVR0.0,D:
VD124
Network2
//手动时,VD136为1.自动为0
//MOVB100,SMB34
//ATCH中断:
INT0,10
//ENI
//MOVR0.0,VD136
Network3
//VD1000:
水箱液位测量值
LDSM0.0
ITDAIW2,AC0
DTRAC0,AC0
/R32000.0,AC0
*R1.25,AC0
-R0.18,AC0
MOVRAC0,VD100
MOVRVD100,VD1000
*R24.0,VD1000
Network4
//VD136=0即自动时,执行PID运算
LDR=VD136,0.0
PIDVB100,0
Network5
//VD136=1即手动时,VD308手动输出4~20mA信号控制调节阀
LDR=VD136,1.0
//MOVR17.0,VD308
MOVRVD308,VD1008
MOVRVD1008,VD600
-R4.0,VD600
MOVRVD600,VD108
/R16.0
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- 关 键 词:
- PLC A3000 实验 装置 监控 系统 设计