計算機控制系統(tǒng)設(shè)計及實例(增加)課件

1、 計算機控制技術(shù)計算機控制技術(shù) 大連理工大學(xué)出版社大連理工大學(xué)出版社 計算機控制系統(tǒng)設(shè)計及實例計算機控制系統(tǒng)設(shè)計及實例第第11章章 計算機控制系統(tǒng)設(shè)計及實例計算機控制系統(tǒng)設(shè)計及實例 本章主要從實際應(yīng)用的角度，介紹了計算機控制系統(tǒng)設(shè)計的原則與步驟，計算機控制系統(tǒng)的工程設(shè)計與實現(xiàn)，并給出了計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)用實例。 學(xué)習(xí)任務(wù)l熟悉計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計原則與步驟。 l掌握計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。 主要內(nèi)容主要內(nèi)容l11.1 計算機控制系統(tǒng)設(shè)計原則與步驟計算機控制系統(tǒng)設(shè)計原則與步驟l11.2 電阻爐溫度計算機控制系統(tǒng)設(shè)計電阻爐溫度計算機控制系統(tǒng)設(shè)計l11.3 變頻恒壓供水計算機控制系統(tǒng)設(shè)計變頻

2、恒壓供水計算機控制系統(tǒng)設(shè)計l本章小結(jié)本章小結(jié) l習(xí)題與思考習(xí)題與思考 計算機控制系統(tǒng)從設(shè)計到實施計算機控制系統(tǒng)從設(shè)計到實施的整個過程如下的整個過程如下l（1）總體方案的設(shè)計; l（2）工作計劃的制訂與實施; l（3）計算機及儀表的選型; l（4）訂貨、驗收; l（5）各方面的人員安排、調(diào)配; l（6）控制系統(tǒng)的研究、開發(fā)、集成、安裝、調(diào)試; l（7）工程的驗收和投入使用; l（8）其他相關(guān)工作。 11.1 計算機控制系統(tǒng)設(shè)計原則與步驟計算機控制系統(tǒng)設(shè)計原則與步驟l由于被控系統(tǒng)的不同，要求計算機實現(xiàn)的控制功能也不相同，因此其組成規(guī)模及構(gòu)成方式也是靈活多樣的，但系統(tǒng)設(shè)計的基本方法和主要步驟大體上是

3、相同的，即系統(tǒng)總體方案設(shè)計，計算機的選擇，控制算法的確定，硬件設(shè)計和軟件設(shè)計等。l11.1.1 計算機控制系統(tǒng)設(shè)計原則l11.1.2 計算機控制系統(tǒng)設(shè)計步驟計算機控制系統(tǒng)設(shè)計步驟11.1.1 計算機控制系統(tǒng)設(shè)計原則計算機控制系統(tǒng)設(shè)計原則 l1.安全可靠 l2.操作、維護與維修方便 l3.實時性強 l4.通用性好 l5.經(jīng)濟性高 11.1.2 計算機控制系統(tǒng)設(shè)計步驟l計算機控制系統(tǒng)的研制可分為四個階段: l（1）工程項目與控制任務(wù)的確定階段; l（2）工程項目設(shè)計階段; l（3）離線仿真和調(diào)試階段; l（4）在線調(diào)試和運行階段。 1.工程項目與控制任務(wù)的確定階段工程項目與控制任務(wù)的確定階段l（1

4、）甲方提出任務(wù)委托書。l（2）乙方研究任務(wù)委托書。l（3）雙方對委托書進(jìn)行確認(rèn)修改。l（4）乙方初步進(jìn)行系統(tǒng)總體方案設(shè)計。l（5）乙方進(jìn)行方案可行性論證。l（6）簽訂合同書。l需要指出的是，現(xiàn)今的計算機控制系統(tǒng)工程設(shè)計和實施項目也與其他工程項目類似，越來越多地引入規(guī)范的工程招標(biāo)形式，即先由甲方將所需要解決的技術(shù)問題和項目要求（包括各項技術(shù)指標(biāo)、技術(shù)服務(wù)內(nèi)容、工期等）提出，并寫好標(biāo)書，由招標(biāo)公司公開向社會招標(biāo);感興趣的單位都可以擬訂好投標(biāo)書在規(guī)定的時間內(nèi)投標(biāo);最后由專家組開標(biāo)、評標(biāo)等，確定中標(biāo)的單位就是乙方。 2.工程項目設(shè)計階段工程項目設(shè)計階段(1) l工程項目設(shè)計階段主要包括組建項目研制小組

5、、系統(tǒng)總體方案的設(shè)計、方案論證與評審、硬件和軟件的細(xì)化設(shè)計、制作調(diào)試、系統(tǒng)組裝等。 l在簽訂了合同或協(xié)議后，系統(tǒng)的研制便進(jìn)入了實質(zhì)性設(shè)計階段。首先應(yīng)組建項目組，其成員應(yīng)由懂得計算機硬件、軟件和有控制經(jīng)驗、生產(chǎn)、工藝流程知識的技術(shù)人員組成，還要明確分工和相互的協(xié)調(diào)合作關(guān)系。 2.工程項目設(shè)計階段工程項目設(shè)計階段(2)l系統(tǒng)總體方案包括硬件總體方案和軟件總體方案。硬件和軟件的設(shè)計是相互有機聯(lián)系的。因此，在設(shè)計時要經(jīng)過多次的協(xié)調(diào)和反復(fù)，最后才能形成合理的統(tǒng)一的總體設(shè)計方案?？傮w設(shè)計方案應(yīng)形成較為詳細(xì)的文件，包括硬件和軟件的框圖、控制策略和控制算法的確定，并建立說明文檔?？傮w設(shè)計方案形成后應(yīng)邀請有關(guān)專

6、家、主管領(lǐng)導(dǎo)及甲方代表對方案做進(jìn)一步論證與評審，進(jìn)行最后把關(guān)和最終裁定。評審后重新修改、確定的總體設(shè)計方案是進(jìn)行具體設(shè)計和工程實施的依據(jù)，作為正式文件存檔，原則上不應(yīng)再做大的改動，這步驟對于大型項目尤其重要。2.工程項目設(shè)計階段工程項目設(shè)計階段(3)l硬件和軟件的分別細(xì)化設(shè)計就是將總體方案具體化，落實到框圖的底層，然后進(jìn)行底層塊內(nèi)的結(jié)構(gòu)細(xì)化設(shè)計，硬件設(shè)計包括主機和通用模板的選購、專用模板（如電平轉(zhuǎn)換模板、光電隔離模板、驅(qū)動放大模板等）的設(shè)計、電源模塊的設(shè)計、控制柜的設(shè)計以及系統(tǒng)可靠性設(shè)計等;對軟件設(shè)計來說，就是將一個個模塊編成一段段的程序。硬件、軟件的設(shè)計都需要邊設(shè)計、邊調(diào)試、邊修改，往往經(jīng)過

7、幾個反復(fù)過程才能完成。此步驟只能在總體方案評審后進(jìn)行，如果進(jìn)行得太早就會造成資源的浪費和返工。 2.工程項目設(shè)計階段工程項目設(shè)計階段(4)l在完成硬件和軟件的設(shè)計后，就分別進(jìn)入制作和調(diào)試階段。硬件制作可以在實驗室自行完成或委托加工制作，硬件調(diào)試包括器件測試、電路板調(diào)試、子功能模塊調(diào)試、控制柜的安裝調(diào)試等;軟件調(diào)試是根據(jù)軟件流程框圖編制各模塊程序的源代碼，采取設(shè)置斷點、單步追蹤等手段檢驗軟件模塊的功能及正確性，然后進(jìn)行編譯以及必要的連接，生成計算機可執(zhí)行的目標(biāo)代碼。 l當(dāng)硬件和軟件分別調(diào)試通過后就可以進(jìn)行系統(tǒng)的組裝，組裝是離線仿真和調(diào)試階段的前提和必要條件。3.離線仿真和調(diào)試階段離線仿真和調(diào)試階

8、段l所謂離線仿真和調(diào)試是指在實驗室而不是在工業(yè)現(xiàn)場進(jìn)行的仿真和調(diào)試。離線仿真和調(diào)試后，還要進(jìn)行考機運行?？紮C的目的是要在連續(xù)運行中暴露問題和解決問題。 4.在線調(diào)試和運行階段在線調(diào)試和運行階段l系統(tǒng)離線仿真和調(diào)試后便可進(jìn)行在線調(diào)試和運行。在線調(diào)試和運行就是將系統(tǒng)和生產(chǎn)過程連接在一起，進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試和運行，盡管系統(tǒng)已經(jīng)通過了離線仿真和調(diào)試，但工業(yè)現(xiàn)場情況十分復(fù)雜?，F(xiàn)場調(diào)試和運行仍可能出現(xiàn)問題，因此必須重視現(xiàn)場調(diào)試環(huán)節(jié)，以便及時發(fā)現(xiàn)問題，認(rèn)真分析加以解決。系統(tǒng)運行正常后，再試運行一段時間，即可組織驗收。 l驗收是系統(tǒng)項目最終完成的標(biāo)志，應(yīng)由甲方主持，乙方參加，雙方協(xié)同辦理，共同組織材料，驗收完畢后應(yīng)

9、形成驗收文件存檔。 11.1.3 計算機控制系統(tǒng)的工程設(shè)計與實現(xiàn)計算機控制系統(tǒng)的工程設(shè)計與實現(xiàn) l在研制一個計算機控制系統(tǒng)工程項目過程中，要預(yù)先擬定好科學(xué)合理的設(shè)計步驟，并嚴(yán)格按照此步驟有條不紊地進(jìn)行。如果步驟不清楚，或者每一步做什么不明確，就有可能引起研制過程中的混亂甚至返工，造成資源的浪費。實際系統(tǒng)工程項目的設(shè)計與實現(xiàn)應(yīng)該按照本章11.1.2節(jié)所述步驟進(jìn)行。本節(jié)就系統(tǒng)的工程設(shè)計與實現(xiàn)問題作進(jìn)一步討論，這些內(nèi)容對實際工作有重要的指導(dǎo)意義。 1.計算機控制系統(tǒng)的總體方案設(shè)計計算機控制系統(tǒng)的總體方案設(shè)計 l總體設(shè)計方案中首先要確定整個控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和類型 ;l另外總體設(shè)計方案中還要包括硬件設(shè)計與

10、軟件設(shè)計兩個部分，具體設(shè)計時一般采用“黑箱”設(shè)計方法，就是根據(jù)控制要求，將完成控制任務(wù)所需的各功能單元、模塊以及控制對象，采用框圖表示，從而形成系統(tǒng)的總體框圖;l總體設(shè)計方案中還應(yīng)包括控制系統(tǒng)對現(xiàn)場工藝的要求，比如為了安裝某個關(guān)鍵的現(xiàn)場儀表，需要改裝某根管道;為了控制方案的實施，需要工藝人員的配合，增加現(xiàn)場氣源等。總之，總體設(shè)計方案是整個控制系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵，需要對生 產(chǎn)工藝的深入了解以及工藝技術(shù)人員的支持與配合。 （1）硬件總體方案設(shè)計）硬件總體方案設(shè)計l計算機控制系統(tǒng)的硬件總體設(shè)計方案主要包括以下各方面的內(nèi)容: l系統(tǒng)的構(gòu)成方式; l現(xiàn)場設(shè)備及自動化儀表的選擇; l人機接口方式; l系統(tǒng)的控

11、制機箱結(jié)構(gòu)設(shè)計; l抗干擾措施等。 （2）軟件總體方案設(shè)計）軟件總體方案設(shè)計l軟件總體方案設(shè)計的內(nèi)容主要是確定軟件平臺、軟件結(jié)構(gòu)、任務(wù)分解、建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、控制策略和算法的實現(xiàn)等。在軟件設(shè)計中也應(yīng)采用結(jié)構(gòu)化、模塊化、通用化的設(shè)計方法，自上而下或是自下而上地畫出軟件結(jié)構(gòu)框圖，逐級細(xì)化，直到能清楚地表示出控 制系統(tǒng)所要解決的問題為止。將商品化的監(jiān)控組態(tài)軟件經(jīng)二次開發(fā)后用于計算機控制系統(tǒng)中，是當(dāng)今計算機控制系統(tǒng)軟件設(shè)計有效的方法之一。 （3）系統(tǒng)總體方案設(shè)計）系統(tǒng)總體方案設(shè)計 l軟件設(shè)計和硬件設(shè)計是密切相關(guān)的，它們結(jié)合在一起便構(gòu)成了整個系統(tǒng)的總體方案，總體方案是系統(tǒng)具體設(shè)計時的依據(jù)，應(yīng)在工藝技術(shù)

12、人員的配合下，從合理性、經(jīng)濟性及可行性等方面反復(fù)論證形成。經(jīng)論證可行后的總體方案，要形成文件，建立完整的總體方案文檔，其內(nèi)容包括: l系統(tǒng)的主要功能、技術(shù)指標(biāo)、原理性框圖及文字說明; l控制策略與算法; l系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)與配置，主要的軟件功能、結(jié)構(gòu)、平臺及實現(xiàn)框圖; l方案的比較與選擇; l抗干擾措施與可靠性設(shè)計; l機柜或機箱的結(jié)構(gòu)與外形設(shè)計; l經(jīng)費和進(jìn)度計劃的安排; l對現(xiàn)場條件的要求。 2.硬件的工程設(shè)計與實現(xiàn)硬件的工程設(shè)計與實現(xiàn) l（1）選擇系統(tǒng)的總線 l（2）選擇輸入/輸出通道 l（3）選擇現(xiàn)場設(shè)備 3.軟件的工程設(shè)計與實現(xiàn)軟件的工程設(shè)計與實現(xiàn) l由于許多型號的工業(yè)控制機或計算機集

13、散控制系統(tǒng)都配有實時操作系統(tǒng)、實時監(jiān)控程序、各種控制及運算軟件模塊、組態(tài)軟件等，所以采用工業(yè)控制機來組建計算機控制系統(tǒng)不僅能大大減少硬件設(shè)計的工作量，而且可以使系統(tǒng)設(shè)計者根據(jù)控制要求，選擇所需要的模塊進(jìn)行組態(tài)，在較短的時間內(nèi)開發(fā)出目標(biāo)系統(tǒng)軟件。因此，在項目資金較為充裕的情況下，可根據(jù)情況首選質(zhì)量可靠、信譽好的品牌工業(yè)控制機，這樣在充分保證硬件質(zhì)量的同時，能夠獲得較為豐富的軟件技術(shù)支持。此外，還可選擇商品化的工控軟件，在減少軟件工作量的同時，達(dá)到較高的整體水平。 l當(dāng)然并不是所有的工業(yè)控制計算機都能給系統(tǒng)設(shè)計帶來上述的方便，有些工業(yè)控制機只能提供硬件設(shè)計的方便，而應(yīng)用軟件需自行開發(fā)。比較常見的是

14、需要自行研制開發(fā)有關(guān)控制策略與算法、針對解決具體問題的軟件模塊、在某一軟件平臺上進(jìn)行組態(tài)等。自行開發(fā)控制軟件時，應(yīng)先畫出程序總體流程圖和各功能模塊圖，再選擇程序設(shè)計語言，然后編制程序。程序編制應(yīng)先編制模塊，然后編制整體程序。 4.控制系統(tǒng)的調(diào)試與運行控制系統(tǒng)的調(diào)試與運行 l（1）離線仿真與調(diào)試 l 硬件調(diào)試 l 軟件調(diào)試 l（2）系統(tǒng)仿真l（3）在線調(diào)試和運行 硬件調(diào)試。硬件調(diào)試。l對于各種標(biāo)準(zhǔn)功能模塊，按照說明書檢查主要功能。比如主機板（CPU板）上RAM區(qū)的讀寫功能、ROM區(qū)的讀出功能、復(fù)位電路、時鐘電路等的正確性。 l在調(diào)試A/D和D/A模板之前，必須準(zhǔn)備好信號源、數(shù)字電壓表、電流表等。

15、對這兩種模板要先檢查信號的零點和滿量程，然后再分擋檢查。比如滿量程的25%、50%、75%、100%，并且上行和下行循環(huán)調(diào)試，以便檢查線性度是否符合要求。如果有多路開關(guān)板，應(yīng)測試各通路是否正確切換。 l利用開關(guān)量輸入和輸出程序來檢查開關(guān)量輸入（DI）和開關(guān)量輸出（DO）模板。測試時可在輸入端輸入開關(guān)量信號，檢查讀入狀態(tài)的正確性，在輸出端檢查輸出狀態(tài)的正確性。l硬件調(diào)試還包括現(xiàn)場儀表和執(zhí)行機構(gòu)的調(diào)試，如壓力變送器、差壓變送器、流量變送器、溫度變送器以及電動或氣動調(diào)節(jié)閥等，這些儀表必須在安裝之前按照說明書要求校驗。若是分級計算機控制系統(tǒng)和集散計算機控制系統(tǒng)，還要調(diào)試通信功能，驗證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。

16、 軟件調(diào)試軟件調(diào)試l軟件調(diào)試包括對各個子程序、功能模塊、主程序的分別調(diào)試以及整體程序的聯(lián)合調(diào)試。有時為了調(diào)試某些程序，可能需要編寫臨時性的輔助程序。 l軟件調(diào)試的方法一般采取自下而上的連級調(diào)試。這些程序的調(diào)試比較簡單，用開發(fā)裝置（或仿真器）以及計算機提供的調(diào)試程序就可以進(jìn)行調(diào)試。程序設(shè)計一般采用匯編語言和高級語言混合編程。對處理速度和實時性要求高的部分用匯編語言編程（如數(shù)據(jù)采集、時鐘、中斷、控制輸出等）;處理速度和實時性要求不高的部分用高級語言編程（如數(shù)據(jù)處理、變換、圖形顯示、打印、統(tǒng)計報表等）。 （2）系統(tǒng)仿真）系統(tǒng)仿真l所謂系統(tǒng)仿真，就是應(yīng)用相似原理和類比關(guān)系來研究事物，也就是用模型來代替

17、實際生產(chǎn)過程（即被控對象）進(jìn)行實驗研究。 l系統(tǒng)仿真有以下三種類型:全物理仿真（或稱在模擬環(huán)境條件下的全實物仿真）、半物理仿真（或稱硬件閉路動態(tài)實驗）、數(shù)字仿真（或稱計算機仿真）。系統(tǒng)仿真盡量采用全物理或半物理仿真，試驗條件或工作狀態(tài)越接近真實生產(chǎn)過程，其效果也就越好。對于純數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，一般可做到全物理仿真;而對于閉環(huán)控制系統(tǒng)，要做到全物理仿真幾乎是不可能的，因為我們不可能將實際生產(chǎn)過程搬到實驗室中，因此，閉環(huán)控制系統(tǒng)只能做到半物理仿真，被控對象可用實驗?zāi)Ｐ蛠泶妗?l在系統(tǒng)仿真的基礎(chǔ)上，進(jìn)行長時間的考機試驗，并根據(jù)實際運行環(huán)境的要求，需要進(jìn)行特殊運行條件的考驗。例如，高溫和低溫劇變運行試驗

18、，振動和抗電磁干擾試驗，電源電壓突變和掉電保護試驗等。 （3）在線調(diào)試和運行）在線調(diào)試和運行 l在所有的準(zhǔn)備工作做好之后，即可開始在線調(diào)試和運行，在此過程中，控制系統(tǒng)的設(shè)計人員與技術(shù)人員要密切配合，制訂出調(diào)試計劃、實施方案、安全措施、分工合作細(xì)則等，以避免或減少因調(diào)試給生產(chǎn)帶來不良影響?，F(xiàn)場的調(diào)試與投入運行過程應(yīng)遵循從小到大、從易到難、從手動到自動、從簡單回路到復(fù)雜回路、先開環(huán)后閉環(huán)逐步過渡的原則，穩(wěn)妥地實現(xiàn)計算機控制。 l計算機控制系統(tǒng)的投入運行是一個系統(tǒng)工程，是對計算機控制系統(tǒng)的全面檢查和考核，要特別注意一些容易忽視的問題，如現(xiàn)場儀表與執(zhí)行機構(gòu)的安裝位置、現(xiàn)場校驗，各種接線與導(dǎo)管的正確連接

19、、系統(tǒng)的抗干擾措施、供電與接地、安全防護措施等。設(shè)計者應(yīng)該有嚴(yán)肅認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度，一絲不茍地解決問題，絕不允許回避和掩蓋矛盾，對于系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性應(yīng)長期考驗，針對工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的特殊環(huán)境，采取有效的措施。 11.2 電阻爐溫度計算機控制系統(tǒng)設(shè)計電阻爐溫度計算機控制系統(tǒng)設(shè)計l在冶金、化工、電力、造紙、機械制造和食品加工等許多生產(chǎn)過程中，人們需要對各類加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐的溫度進(jìn)行檢測和控制，因此，溫度是工業(yè)控制對象中一個比較常見的被控參數(shù)。本小節(jié)以在工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用較為廣泛的電阻爐為被控對象，采用MCS51單片機實現(xiàn)電阻爐溫度計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計，介紹電阻爐溫度計算機控制系統(tǒng)的組成，并完

20、成系統(tǒng)總體控制方案和達(dá)林算法控制器的設(shè)計，給出系統(tǒng)硬件原理框圖和軟件設(shè)計流程圖等。 11.2.1 電阻爐及其控制要求電阻爐及其控制要求 l1.電阻爐組成及其加熱方式 l2.控制要求 1.電阻爐組成及其加熱方式電阻爐組成及其加熱方式 l電阻爐是工業(yè)爐的一種，是利用電流通過電熱體元件將電能轉(zhuǎn)化為熱能來加熱或者熔化元件或物料的熱加工設(shè)備。電阻爐由爐體、電氣控制系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)組成，爐體由爐殼、加熱器、爐襯（包括隔熱屏）等部件組成。由于爐子的種類不同，因而所使用的燃料和加熱方法也不同;由于工藝不同，所要求的溫度高低不同，因而所采用的測溫元件和測溫方法也不同;產(chǎn)品工藝不同，對控溫精度要求不同，因而控制系統(tǒng)

21、的組成也不相同。電氣控制系統(tǒng)包括主機與外圍電路、儀表顯示等。輔助系統(tǒng)通常指傳動系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等，因爐種的不同而各異。 l電阻爐的類型根據(jù)其熱量產(chǎn)生的方式不同，可分為間接加熱式和直接加熱式兩大類。間接加熱式電阻爐，就是在爐子內(nèi)部有專用的電阻材料制作的加熱元件，電流通過加熱元件時產(chǎn)生熱量，再通過熱的傳導(dǎo)、對流、輻射而使放置在爐中的爐料被加熱。直接加熱式電阻爐，是將電源直接接在所需加熱的材料上，讓強大的電流直接流過所需加熱的材料，使材料本身發(fā)熱從而達(dá)到加熱的效果。工業(yè)電阻爐，大部分采用間接加熱式，只有一小部分采用直接加熱式。由于電阻爐具有熱效率高、熱量損失小、加熱方式簡單、溫度場分布 均勻

22、、環(huán)保等優(yōu)點，應(yīng)用十分廣泛。 2.控制要求控制要求l本系統(tǒng)中所選用的加熱爐為間接加熱式電阻爐，控制要求為: （1）采用一臺主機控制8個同樣規(guī)格的電阻爐溫度; l（2）電爐額定功率為20 kW; l（3）恒溫正常工作溫度為1000，控溫精度為1%; l（4）電阻爐溫度按預(yù)定的規(guī)律變化，超調(diào)量應(yīng)盡可能小，且具有良好的穩(wěn)定性; l（5）具有溫度、曲線自動顯示和打印功能，顯示精度為1; l（6）具有報警、參數(shù)設(shè)定、溫度曲線修改設(shè)置等功能。 11.2.2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計l1.控制系統(tǒng)組成l2.控制系統(tǒng)工作原理控制系統(tǒng)組成控制系統(tǒng)組成l電阻爐溫度計算機控制系統(tǒng)主要由主機、溫度檢測裝置、A/D轉(zhuǎn)換器、執(zhí)行

23、機構(gòu)及輔助電路組成。系統(tǒng)中主機可以選用工業(yè)控制計算機、單片微型計算機或可編程序控制器中的一種作為控制器，再根據(jù)系統(tǒng)控制要求，選擇一種合理的控制算法對電阻爐溫度進(jìn)行控制。控制系統(tǒng)組成框圖如圖11-1所示。采用熱電偶作為測溫元件，經(jīng)變送器及A/D轉(zhuǎn)換電路對測得的溫度信號進(jìn)行處理，送入主機與給定值比較，按控制算法計算后輸出控制量，通過固態(tài)繼電器實現(xiàn)對電阻爐加熱功率的調(diào)節(jié)，使?fàn)t溫按設(shè)定溫度曲線變化。本系統(tǒng)還具有報警、鍵盤輸入及顯示等功能。 控制系統(tǒng)工作原理控制系統(tǒng)工作原理l（1）控制系統(tǒng)主機l考慮到MCS-51系列單片機已經(jīng)過長期的應(yīng)用，性能比較穩(wěn)定，其功能完全可以滿足本系統(tǒng)控制要求，人們對它又比較熟

24、悉，因此主機采用AT89C51單片機。l（2）檢測裝置 l系統(tǒng)選用鎳鉻-鎳硅熱電偶作為測溫元件檢測爐膛中的溫度。鎳鉻-鎳硅熱電偶測溫范圍為-200+1200（分度號為k）。它線性度較好，價格便宜，輸出熱電動勢較大（40A/），便于測量放大器的選配。熱電偶冷端溫度補償采用集成溫度傳感器AD590。變送器采用兩級放大，第一級選用高穩(wěn)定性運放ICL7650，第二級由通用型集成運算放大器A741構(gòu)成。l（3）執(zhí)行機構(gòu) l采用交流過零觸發(fā)型固態(tài)繼電器控制電路。這種控制方式與傳統(tǒng)的采用移相觸發(fā)電路改變晶閘管導(dǎo)通角的雙向晶閘管（SCR）控制方式相比，具有穩(wěn)定、可靠、先進(jìn)等優(yōu)點。 l（4）模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D

25、轉(zhuǎn)換器） l選用AD574A模/數(shù)轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)對溫度信號的轉(zhuǎn)換。AD574A是12位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時間為25s，轉(zhuǎn)換精度為0.05%。 2.系統(tǒng)的模型參數(shù)測試與控制算法選取系統(tǒng)的模型參數(shù)測試與控制算法選取 l理論分析和實驗結(jié)果表明，電阻爐是一個具有自平衡能力的對象，可以近似為帶有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)。被控對象的數(shù)學(xué)模型為 l l G（s）= （11-1） l式中，為被控對象的純滯后時間，設(shè)其為采樣周期的整數(shù)倍，即=NT（N為正整數(shù)，T為采樣周期）;TP為被控對象的慣性時間常數(shù); k為廣義對象的放大倍數(shù)。 l由被控對象實驗得到的飛升曲線，確定出被控對象的純滯后時間=1.2 min和被

26、控對象的慣性時間常數(shù)TP=1.2 min。當(dāng)/TP0.5時，可采用PID算法控制;當(dāng)/TP 0.5時，可采用達(dá)林算法控制。本系統(tǒng)/TTP0.5，故采用達(dá)林算法控制。 1spskeT1spkeT s11.2.3 系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計 l（1）溫度檢測電路及功率放大電路 l（2）AD574A模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路l（3）執(zhí)行機構(gòu)l（4）鍵盤/顯示電路 l（5）存儲器擴展電路 l（6）報警電路 （1）溫度檢測電路及功率放大電路）溫度檢測電路及功率放大電路l本系統(tǒng)采用鎳鉻-鎳硅熱電偶檢測電阻爐中的溫度，熱電偶測溫是基于物體的熱電效 應(yīng)，它由兩種不同的金屬或合金組成，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，可將溫度信

27、號轉(zhuǎn)換成電壓信號，測溫范圍廣、精度高，可實現(xiàn)遠(yuǎn)距離測量和傳送，使用穩(wěn)定、可靠，因此被廣泛應(yīng)用。其不足之處是測溫精度受冷端溫度（即環(huán)境溫度）的影響，為了提高熱電偶測溫精度，需要在熱電偶冷端進(jìn)行溫度補償。溫度檢測電路及功率放大電路如圖11-2所示。 l熱電偶冷端溫度補償采用的是集成溫度傳感器AD590，流過AD590的電流lIu=273A+ T01A/（1）溫度檢測電路及功率放大電路）溫度檢測電路及功率放大電路l式中，T0為室溫。負(fù)載電阻R3上輸出電壓UOUT= Iu R3，選擇電阻R3使UOUT在AD590允許輸入電壓范圍內(nèi)。本系統(tǒng)選擇R3=10 k。這種測量方法冷端溫度準(zhǔn)確，克服了常規(guī)方法補償

28、誤差大和不方便的缺點。 l熱電偶傳感器輸出的電壓信號較為微弱（只有幾毫伏到幾十毫伏），因此在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換之前必須進(jìn)行信號變送，由高放大倍數(shù)的電路將它放大到A/D轉(zhuǎn)換器通常所要求的電壓范圍，熱電偶的輸出熱電勢為056 mV。本系統(tǒng)前級選用自穩(wěn)態(tài)高精度斬波運放 ICL7650，輸入信號為差動信號，放大倍數(shù)為15倍。后級運放選用較廉價的A741，放大倍數(shù)可調(diào)，最大可達(dá)100倍，主要完成反相功能。ICL7650輸入端的鉗位二極管起保護作用，避免輸入線路發(fā)生故障時的瞬態(tài)尖峰干擾損壞運放，輸入電壓可直接送入AD574A進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 圖圖11-2 溫度檢測電路及功率放大電路溫度檢測電路及功率放大電路（1）溫

29、度檢測電路及功率放大電路）溫度檢測電路及功率放大電路l由于熱電偶的電動勢溫度特性是非線性的，所以必須加以校正。本系統(tǒng)把01000 范圍內(nèi)的熱電動勢溫度特性曲線分成20段，根據(jù)曲線的非線性程度來劃分，分段進(jìn)行非線 性校正，并將校正后的溫度值以表格的形式存入EPROM中，然后將數(shù)字濾波后的采樣值， 經(jīng)查表和線性插值運算得到相應(yīng)的爐溫值，從而完成了非線性校正和標(biāo)度變換。 （2）AD574A模模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路數(shù)轉(zhuǎn)換電路lA/D轉(zhuǎn)換器的選擇應(yīng)滿足其分辨率要高于系統(tǒng)的精度要求，且有一定的裕量。AD574A內(nèi)部有時鐘脈沖源和基準(zhǔn)電壓源，無需外加時鐘信號。通過改變AD574A引腳8、10、12的外接電路可使其進(jìn)

30、行單極性和雙極性模擬信號的轉(zhuǎn)換。本設(shè)計采用單極外輸入方式，AD574A的分辨率為1/2120.00024414，本系統(tǒng)允許控制誤差為1/1000=0.0010.00024414，故選擇AD574A符合設(shè)計要求。圖圖11-3說明說明l如圖11-3所示，AD574A工作在12位狀態(tài)，轉(zhuǎn)換值分兩次輸出，高8位從DB4DB11輸出，低4位從DB0DB3輸出，并直接和單片機的數(shù)據(jù)線相連，AD574A的片選端接鎖存器的Q7端，低電平有效;CE為片選使能端，高電平有效;CS 和CE共同用于片選控制，只有當(dāng)兩個信號同時有效時，才能選中本芯片工作。A0端接鎖存器74LS373的Q1端。A0=0時啟動A/D轉(zhuǎn)換。

31、R/接鎖存器74LS373的Q0端。R/=0時，啟動A/D轉(zhuǎn)換;R/=1時，允許讀出轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。AT89C51的和經(jīng)“與非”門74LS00與AD574A的CE端相接。12/8接地表示AT89C51要分兩次從AD574A讀出A/D轉(zhuǎn)換的12位數(shù)字量。圖圖11-3 AD574A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路（3）執(zhí)行機構(gòu)）執(zhí)行機構(gòu)l傳統(tǒng)的SSR控制采用移相觸發(fā)電路，通過改變晶閘管導(dǎo)通角的大小來調(diào)節(jié)輸出功率，從而達(dá)到自動控溫的目的。這種移相方式輸出一種非正弦波，實踐表明這種控制方式產(chǎn)生相當(dāng)大的中頻干擾，并通過電網(wǎng)傳輸給電力系統(tǒng)造成“公害”。本系統(tǒng)采用單片機控制的固態(tài)繼電器控溫電路，其波形為完整的正弦波，對電阻爐

32、這樣的慣性較大的被控對象，是一種穩(wěn)定、可靠、較合理的控制方法。 l調(diào)功原理為:設(shè)電網(wǎng)連續(xù) N個完整的周波為一個控制周期TC，則 TC= （11-2） l式中，f為電網(wǎng)頻率。 l若在設(shè)定的控制周期TC內(nèi)控制主回路導(dǎo)通 n（nN）個完整的周波，則負(fù)載功率為l P= （11-3） l式中，U為電網(wǎng)電壓有效值; 為負(fù)載的有效電阻。 TC=Nf TC=Nf TC=Nf P=2SU nR N 圖圖11-4說明說明l因此，控制在設(shè)定周期TC內(nèi)主回路導(dǎo)通的周波數(shù) n的個數(shù)，就可調(diào)節(jié)負(fù)載的功率P。采用交流過零型固態(tài)繼電器控溫時需交流過零檢測電路，此電路輸出對應(yīng)于50 Hz交流電壓過零時刻的脈沖，在交流電壓過零時

33、刻導(dǎo)通。如圖11-4所示是一種由兩個光電耦合器和一個單穩(wěn)態(tài)電路組成的交流過零檢測電路。 l其中，GD1、GD2為光電耦合器，具有檢零和隔離功能，R10為限流電阻。在交流正半周，GD1導(dǎo)通，GD2截止，VA為低電平;在交流負(fù)半周，GD1截止，GD2導(dǎo)通，VA仍為低電平。只有在交流過零點時，GD1和GD2均截止，VA為高電平。VA再經(jīng)過74LS123單穩(wěn)態(tài)電路整形，得到一過零脈沖序列VB，VB波形如圖11-5所示。VB脈沖序列再與單片機P1.X輸出的觸發(fā)脈沖信號進(jìn)行“與非”運算后得到控制信號。用它來控制固態(tài)繼電器，從而調(diào)節(jié)電阻爐溫度。 圖圖11-4 交流過零檢測電路交流過零檢測電路（4）鍵盤）鍵盤

34、/顯示電路顯示電路 l如圖11-7所示，系統(tǒng)采用專用鍵盤/顯示接口芯片8279實現(xiàn)鍵盤輸入和顯示控制兩種功能。8279既可以鍵盤掃描又可以輸出動態(tài)顯示，它可以減少CPU在掃描鍵盤或刷新顯示時的負(fù)擔(dān)，同時也簡化了應(yīng)用軟件的編寫。系統(tǒng)配有6位LED顯示及24鍵小鍵盤，前兩位顯示爐子編號，后四位顯示溫度實測值，選擇75451作為LED的驅(qū)動。鍵盤上設(shè)有16個數(shù)字鍵、8個功能鍵。這樣控制器運行時既可以方便地在線修改各項參數(shù)，也可設(shè)置多個控制運行命令，操作方便。 圖圖11-7 AT89C51與與8279的接口電路的接口電路（5）存儲器擴展電路）存儲器擴展電路 lAT89C51片內(nèi)帶有4 KB程序存儲器和

35、128字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器，由于系統(tǒng)需要存儲的程序和數(shù)據(jù)較多，所以需要進(jìn)行存儲器擴展，本系統(tǒng)擴展了1片2716EPROM和1片 6216RAM，使程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器容量各增加了2 KB。EPROM中用來存放程序、表格及加溫曲線等，RAM中則存放上次輸入的曲線參數(shù)以及各寄存器的內(nèi)容。 （6）報警電路）報警電路 l報警電路采用的是壓電式蜂鳴器，通過單片機的P2.7口經(jīng)過驅(qū)動器驅(qū)動其發(fā)聲。壓電式蜂鳴器約需要10 mA的驅(qū)動電流，如圖11-8所示，當(dāng)電阻爐溫度超出允許范圍時，P2.7口輸出高電平使8050晶體管導(dǎo)通，壓電蜂鳴器獲得電壓而鳴叫，達(dá)到報警的目的。 圖圖11-8 報警電路報警電路 2.軟件設(shè)計

36、軟件設(shè)計 l（1）數(shù)字控制器的設(shè)計l（2）控制器參數(shù)整定 l（3）系統(tǒng)程序設(shè)計 （1）數(shù)字控制器的設(shè)計）數(shù)字控制器的設(shè)計 (1)l達(dá)林算法的設(shè)計目標(biāo)是使整個閉環(huán)系統(tǒng)所期望的傳遞函數(shù)中相當(dāng)于一個延時環(huán)節(jié)和一個慣性環(huán)節(jié)相串聯(lián)，即l （11-4）l 式中， 。l 由此可得到帶有純滯后一階慣性對象的達(dá)林算法的基本形式：l 式中，k為廣義的對象放大倍數(shù)；T為采樣周期；TP為控制對象慣性時間常數(shù)；T0為閉環(huán)系統(tǒng)的時間常數(shù)。1)(sTesps 1)(sTesps NT1/1/1/)1 (1)1 ()1)(1 ()(000NTTTTTTTTTTzezeekezezDPp（1）數(shù)字控制器的設(shè)計）數(shù)字控制器的設(shè)計

37、(2)l式中，k為廣義的對象放大倍數(shù)；T為采樣周期；TP為控制對象慣性時間常數(shù)；T0為閉環(huán)系統(tǒng)的時間常數(shù)。lD(z)為電阻爐根據(jù)達(dá)林算法得出的數(shù)字控制器的數(shù)學(xué)模型。為了計算機實現(xiàn)方便，把D(z)進(jìn)一步簡化為 12111101)(nzbzbzaazD ； )1 ()1 (10/0TTTTekea)1 (1001/)/(/1TTTTTTTTekeea0/1TTeb0/21TTeb（1）數(shù)字控制器的設(shè)計）數(shù)字控制器的設(shè)計(3)l根據(jù)得出差分方程：l (11-6)l 式中，U(k)為數(shù)字控制器的輸出；E(K)為偏差信號：)1()() 1() 1()(1021kEakEaNkbkUbkU(2)控制器參數(shù)

38、整定l (1) 按照工程經(jīng)驗，一般控制周期為被控對象時間常數(shù)的10左右，取控制周期TC=10s，采用算術(shù)平均值濾波，采樣10次進(jìn)行一次濾波計算，所以采樣周期T=1sl (2) 由/T可確定出N=72。l (3) 對象放大倍數(shù)K=5。l (4) T0按希望的閉環(huán)特性選取，并由調(diào)試確定其最佳值，不斷調(diào)整T0值，觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，使得閉環(huán)系統(tǒng)的指標(biāo)達(dá)到最佳。3.系統(tǒng)程序設(shè)計系統(tǒng)程序設(shè)計l本系統(tǒng)的軟件采用結(jié)構(gòu)化模塊程序設(shè)計，主要由主程序、中斷服務(wù)程序和子程序組成，中斷服務(wù)程序主要有T0定時器中斷服務(wù)程序，子程序主要有濾波子程序、溫度采樣子程序、顯示子程序、標(biāo)度變換子程序、達(dá)林算法子程序、報警子程序等

39、。3.系統(tǒng)程序設(shè)計系統(tǒng)程序設(shè)計圖11.9 主程序流程圖 圖11.10 T0中斷服務(wù)程序圖圖11.9說明說明l(1) 主程序如圖11.9所示。首先設(shè)置堆棧指針，然后進(jìn)行初始化，包括設(shè)置有關(guān)開關(guān)標(biāo)志、暫存單元和顯示緩沖區(qū)清零、8279初始化、T0初始化以及CPU開中斷等，最后掃描鍵盤，若有鍵按下則轉(zhuǎn)向鍵處理程序，若無鍵按下則繼續(xù)掃描鍵盤。l(2) 控制系統(tǒng)采用T0定時器作為定時中斷，工作方式為方式0。由工作方式0的最大定時時間為75.536ms，因此必須設(shè)置一個寄存器1作為計數(shù)裝置，初值設(shè)為20，設(shè)置定時器定時時間為50ms，寄存器1與T0定時器共同完成1s采樣周期的定時?？刂葡到y(tǒng)每采樣l0次，調(diào)

40、數(shù)字濾波及達(dá)林算法子程序，完成一次濾波與控制運算。因此系統(tǒng)的濾波周期及控制周期均為10s。由寄存器2來存儲采樣次數(shù)，初值設(shè)為10，每采樣一次，寄存器2的值減1，當(dāng)寄存器2的值減為0時，調(diào)用數(shù)字濾波及達(dá)林算法子程序；寄存器3初值設(shè)為8，用作存貯電阻爐的路數(shù)。 圖圖11.10說明說明lT0定時器中斷服務(wù)程序如圖11.10所示。具體工作原理是：首先關(guān)中斷、清除暫存單元，然后分別對寄存器1、寄存器2賦初值。當(dāng)寄存器1的值為0時，則調(diào)溫度采樣子程序，當(dāng)寄存器l的值不為0時，則中斷返回，T0重新賦初值；當(dāng)寄存器2的值為0時，則調(diào)用濾波及達(dá)林算法子程序，進(jìn)行數(shù)字濾波及控制運算，并輸出控制量調(diào)整固態(tài)繼電器在控

41、制周期內(nèi)的導(dǎo)通時間以達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的目的。若寄存器2的值不為0，則要再重新裝入初值，然后開中斷、中斷返回。系統(tǒng)程序設(shè)計系統(tǒng)程序設(shè)計l (3) 溫度采樣子程序如圖11.11所示。首先給寄存器3賦常數(shù)8，然后啟動AD轉(zhuǎn)換，對第一路電爐讀入轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，寄存器3減1，若寄存器3中數(shù)據(jù)為0，則給寄存器3重新賦值；若寄存器3中數(shù)據(jù)不為0，則繼續(xù)對其他路電爐進(jìn)行溫度采樣。l (4) 濾波及達(dá)林算法子程序如圖11.12所示。首先給寄存器賦常數(shù)8，然后調(diào)用數(shù)字濾波子程序和達(dá)林算法子程序，輸出控制量，最后寄存器3減1，若寄存器3中數(shù)據(jù)為0，則顯示更新；若寄存器3中數(shù)據(jù)不為0，則繼續(xù)對其他通道的電爐進(jìn)行控制。l 本次設(shè)

42、計實現(xiàn)了一臺主機對本次設(shè)計實現(xiàn)了一臺主機對8個電阻爐的群控功能，個電阻爐的群控功能，8個電阻爐既可以同時運行，又可以單獨控制，系統(tǒng)具個電阻爐既可以同時運行，又可以單獨控制，系統(tǒng)具有較高的實用價值。有較高的實用價值。圖圖11.11 溫度采樣子程序溫度采樣子程序 圖圖11.12 濾波及達(dá)林算法子程序濾波及達(dá)林算法子程序11.3 變頻恒壓供水計算機控變頻恒壓供水計算機控制系統(tǒng)設(shè)計制系統(tǒng)設(shè)計l水是人民生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不可缺少的重要資源，我們國家水資源和電能資源嚴(yán)重短缺，節(jié)水節(jié)能已經(jīng)成為全社會當(dāng)前和今后的必然要求和重要任務(wù)。目前，我國在市政供水、工業(yè)生產(chǎn)循環(huán)供水等方面技術(shù)還比較落后。主要表現(xiàn)在用水高峰

43、期，水的供給量常常低于需求量，出現(xiàn)水壓降低導(dǎo)致水供不應(yīng)求的現(xiàn)象，而在用水低峰期，水的供給量常常高于需求量，出現(xiàn)水壓升高導(dǎo)致水供過于求的現(xiàn)象，此時將會造成能量的浪費，同時有可能使管道爆裂和用水設(shè)備的損壞。采用計算機控制的恒壓供水系統(tǒng)，可以在用水高峰期和低峰期保持供水壓力恒定，使供水量始終滿足用戶要求。11.3.1 變頻恒壓供水控制系統(tǒng)工變頻恒壓供水控制系統(tǒng)工藝及技術(shù)要求藝及技術(shù)要求l11.3.1.1 變頻恒壓供水工藝簡介變頻恒壓供水工藝簡介l11.3.1.2 系統(tǒng)的技術(shù)要求系統(tǒng)的技術(shù)要求11.3.1.1 變頻恒壓供水工藝簡介l 恒壓供水就是能夠自動保持水管內(nèi)水壓恒定的供水過程。供水管道有一個壓力

44、檢測裝置，能夠檢測出當(dāng)前管網(wǎng)瞬間壓力變化，并把當(dāng)前的水壓值傳遞給控制裝置。當(dāng)用水量增大的時候，水壓減小，控制裝置得到水壓持續(xù)減小的信號，于是控制裝置會自動調(diào)節(jié)水泵機組的轉(zhuǎn)速和投入數(shù)量，進(jìn)而提升水壓；當(dāng)用水量減小的時候，控制裝置會降低水泵的轉(zhuǎn)速和投入數(shù)量來減小水壓，使管網(wǎng)主干管出口端保持在恒定的設(shè)定壓力值，通過這樣的控制過程保持水壓恒定，滿足用戶的用水要求，使整個系統(tǒng)始終保持高效節(jié)能的最佳狀態(tài)。l根據(jù)流體力學(xué)的原理，水泵的流量與轉(zhuǎn)速成正比，而電動機軸上消耗的功率與轉(zhuǎn)速的平方成正比?？梢姡捎媒涣髯冾l調(diào)速恒壓供水方式，既可以保證供水水壓穩(wěn)定，又可以有效降低電能的消耗。變頻恒壓供水基本原理是通過安裝

45、在系統(tǒng)中的壓力傳感器將系統(tǒng)壓力信號與設(shè)定壓力值進(jìn)行比較，再通過控制器調(diào)節(jié)變頻器的輸出，無級調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速，使系統(tǒng)水壓在水流量變化時，能夠穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)，具有水壓恒定，波動小，節(jié)能效果明顯等特點。11.3.1.2 系統(tǒng)的技術(shù)要求l (1) 供水壓力正常設(shè)定為值0.5MPa。最大供水壓力為0.6MPa，最小供水壓力為0.1MPa，壓力允許波動范圍為。l (2) 采用四個水泵供水，并能夠?qū)崿F(xiàn)自動、手動控制。l (3) 水泵機組采用循環(huán)軟啟動工作方式運行：系統(tǒng)啟動時，第一臺水泵變頻運行，當(dāng)水壓滿足不了要求時，先將第一臺水泵轉(zhuǎn)為工頻運行，再投入第二臺變頻自動運行，依此類推，直到第四臺水泵起動；停泵時

46、先停第一臺工頻泵，依此類推，然后停變頻泵。l(4) 系統(tǒng)運行安全可靠，如果其中任意一臺水泵故障停機，該系統(tǒng)能保證正常運行；具有短路、過載、欠電壓、掉電保護、缺相、硬件自鎖、互鎖、故障聲光報警指示、遠(yuǎn)程報警等保護功能。l(5) 實現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信、采集、監(jiān)控、管理、實時顯示等功能。l(6) 水泵流量、揚程和功率分別為6.3m3/h、8m和1.5kW。l (7) 水箱容積為lm3，設(shè)有溢流口、排污口和防溢流控制功能。l (8) 各水泵出口設(shè)有止回閥以防止回灌，并在進(jìn)、出設(shè)有閘閥；管路要求采用螺紋聯(lián)接，以便系統(tǒng)重組及維修方便。l (9) 系統(tǒng)能夠避免用水高峰時，水壓波動造成頻繁起動、停車現(xiàn)象。11.

47、3.2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計系統(tǒng)總體方案設(shè)計 l11.3.2.1 控制方案選擇控制方案選擇l11.3.2.2 主機的選擇及控制系統(tǒng)的組成主機的選擇及控制系統(tǒng)的組成l11.3.2.3 水泵機組變頻恒壓流程水泵機組變頻恒壓流程l11.3.2.4 控制對象模型分析及控制器設(shè)計控制對象模型分析及控制器設(shè)計11.3.2.1 控制方案選擇l 本系統(tǒng)采用目前較為先進(jìn)的交流變頻調(diào)速恒壓供水的控制方案。變頻恒壓供水通常有兩種運行方式，即補償式和循環(huán)軟啟兩種。l 補償式也稱變頻泵固定式，這種方式往往配置多臺水泵，組成水泵機組。在運行時，一般只有一臺水泵由變頻器拖動。當(dāng)水泵電動機的轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速即達(dá)到工頻50Hz時，

48、此時的供水壓力如果低于設(shè)定壓力時，系統(tǒng)會在短時間內(nèi)降低變頻泵的工作頻率，并以工頻方式起動下一臺水泵，使其投入運行進(jìn)行供水。系統(tǒng)在運行中會根據(jù)反饋的壓力值來確定水泵機組的投入和切出，并調(diào)整變頻泵，以達(dá)到實際壓力值和設(shè)定值一致。在短時間內(nèi)降低變頻泵的工作頻率是為了防止系統(tǒng)超壓。此種方式電控系統(tǒng)比較簡單，可節(jié)約一部分成本。缺點是在水泵機組工頻投入時對電網(wǎng)的沖擊較大，般水泵功率較小時，可采用此種工作方式。l循環(huán)軟啟動的主要特點在水泵的切換程序。變頻泵運行到工頻50Hz時，如果此時的實際供水壓力還沒有達(dá)到設(shè)定的供水壓力時，不是直接起動另外一臺水泵，而是首先將當(dāng)前以變頻運行的水泵切換到工頻方式運行，以變頻

49、方式起動另外臺水泵，從而達(dá)到維持系統(tǒng)壓力的目的。在切換水泵時，按照先起先停的方式進(jìn)行，這樣的好處是機組中的每一臺水泵在工作中都可以被使用到，按照大循環(huán)的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，可有效防止水泵機組長期閑置而銹死的現(xiàn)象發(fā)生。l通過以上的分析，所設(shè)計的變頻恒壓供水系統(tǒng)采用循環(huán)軟啟動的工作方式。11.3.2.2 主機的選擇及控制系統(tǒng)的組成l 1主機的選擇主機的選擇l變頻恒壓供水系統(tǒng)技術(shù)要求能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的通信、采集、監(jiān)控、管理、實時顯示等功能，因此本系統(tǒng)采用主-從控制結(jié)構(gòu)，即上下兩級計算機控制。l上位計算機采用PC機，通過串行口對下位機進(jìn)行控制管理，利用組態(tài)軟件，配合Windows軟件平臺，形成功能強大的控制管理

50、系統(tǒng)，提供優(yōu)質(zhì)友好的圖形界面。l由于PLC產(chǎn)品的系列化和模塊化，用戶可靈活組成各種規(guī)模和要求不同的控制系統(tǒng)。在硬件設(shè)計上，只需要確定PLC的硬件配置和I/O的外部接線，當(dāng)控制要求發(fā)生改變時，可以靈活地改變存儲器中的控制程序，現(xiàn)場調(diào)試方便。因此，采用PLC作為下位機，實現(xiàn)水泵機組的變頻控制以及溫度、壓力、流量、液位等過程量的監(jiān)視和控制。11.3.2.2 主機的選擇及控制系統(tǒng)的組成l 2控制系統(tǒng)的組成控制系統(tǒng)的組成l 變頻恒壓供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖11.13所示。系統(tǒng)由水箱、管路、閥門和水泵機組， 電氣操作系統(tǒng)和各種傳感器、儀表等組成。電氣操作系統(tǒng)由PLC、變頻器、小型斷路器、交流接觸器、熱繼電器

51、、直流電源小型電磁繼電器以及各種指示燈和主令器件組成；傳感器和儀表包括溫度傳感變送器、壓力變送器、電壓變送器、電流變送器、功率變送器等。圖圖11-13 變頻恒壓供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖變頻恒壓供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖11.3.2.3水泵機組變頻恒壓流程水泵機組變頻恒壓流程 根據(jù)控制要求，水泵機組由四臺水泵組成，第一臺水泵變頻啟動運行，當(dāng)水壓不足時， 將第一臺水泵切入工頻運行，再投入第二臺變頻泵，依此類推，直到第四臺水泵啟動;停泵 時先停第臺工頻泵，依此類推，最后停變頻泵，即遵循先開先停的原則。 本系統(tǒng)水泵機組變頻恒壓控制流程如圖11-14所示。 圖圖11-14 水泵機組變頻恒壓控制流程水泵機組變頻恒壓控制

52、流程4.控制對象模型分析及控制器設(shè)計控制對象模型分析及控制器設(shè)計 l變頻調(diào)速恒壓供水是一個具有時變、非線性、滯后時間短、模型不穩(wěn)定的控制對象。系統(tǒng)以供水出口管網(wǎng)水壓為被控量，實現(xiàn)出口管網(wǎng)的實際壓力與設(shè)定的供水壓力相一致。 設(shè)定的供水壓力可以是一常數(shù)，也可以是一個時間分段常數(shù)，在每一個時間段是一常數(shù)。水泵由初始狀態(tài)向管網(wǎng)進(jìn)行供水，供水管網(wǎng)從初始壓力開始啟動水泵運行至管網(wǎng)壓力達(dá)到要求時，需經(jīng)歷兩個過程: l（1）水泵將水送到管網(wǎng)，這個階段管網(wǎng)壓力基本保持在初始壓力，是一個純滯后過程。l（2）水泵將水充滿整個管網(wǎng)，壓力隨之逐漸增加直到穩(wěn)定，這是一個大時間常數(shù)的慣 性過程。系統(tǒng)中其他控制和檢測環(huán)節(jié)，如

53、變頻環(huán)節(jié)、繼電控制轉(zhuǎn)換、壓力檢測等的時間常數(shù)和滯后時間與供水系統(tǒng)的時間常數(shù)和滯后時間相比，可以忽略不計，均可等效為比例環(huán)節(jié)。因此，包含管網(wǎng)、水箱、水泵機組的被控對象可以近似成一個純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，即式（11-7）。 控制對象模型分析及控制器設(shè)計控制對象模型分析及控制器設(shè)計( )1spKG seT s（11-7） 式中， K為系統(tǒng)的總增益;TP為系統(tǒng)的慣性時間常數(shù);為系統(tǒng)滯后時間。 通常情況下，被控對象的慣性時間常數(shù)TP為100 s左右，滯后時間小于10 s，TP，常規(guī)PID控制器完全可以滿足控制要求，而且可編程序控制器的CPU模塊內(nèi)部嵌有226 計算機控制技術(shù)PID指令系統(tǒng)，用戶不必自行開

54、發(fā)PID控制程序，實現(xiàn)簡單方便。因此，恒壓供水控制系統(tǒng)采用PID控制。變頻恒壓供水系統(tǒng)的原理圖如圖11-15所示。 圖圖11-15 變頻恒壓供水系統(tǒng)的原理圖變頻恒壓供水系統(tǒng)的原理圖從圖11-15可以看出，在系統(tǒng)運行過程中，將供水管網(wǎng)實際壓力與設(shè)定壓力比較，得到的壓力差經(jīng)過PID控制器計算與轉(zhuǎn)換，得到變頻器輸出頻率的變化值，據(jù)此調(diào)節(jié)水泵機組的運行方式和運行速度，最終使實際供水壓力與設(shè)定壓力相等。 11.3.3 硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)設(shè)計硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)設(shè)計 l1.硬件系統(tǒng)設(shè)計 l（1）主電路設(shè)計 l圖11-16是系統(tǒng)主電路原理圖。主要由四個水泵、小型斷路器、交流接觸器、熱繼電器以及各種指示燈和主令

55、器件組成，另外還配有電壓表、數(shù)字電流表和功率表等。l水泵機組由四臺TLS40-200單級單吸立式離心泵組成，技術(shù)參數(shù)為:流量2.5 m3 /h， 揚程32 m，電動機轉(zhuǎn)速為2830 r/min，功率0.75 kW，效率25%。這種水泵運行平穩(wěn)，噪聲小，維修方便。圖圖11-16 變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路原理變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路原理（2）控制系統(tǒng)設(shè)計）控制系統(tǒng)設(shè)計lI/O模塊點數(shù)估算 lPLC系統(tǒng)所要求的I/O點數(shù)與接入的輸入/輸出設(shè)備類型有關(guān)。例如，1個按鈕或信號燈各需1個輸入，1個光電開關(guān)需1個或2個輸入，1個雙線圈電磁閥需3個輸入及2個輸出，波段開關(guān)有幾個波段就需幾個輸入。對于控制交流電動機

56、所需的I/O點數(shù)，根據(jù)其運行方式不同，所需要的I/O點數(shù)也不相同，控制一個Y-啟動的交流電動機一般需4個輸入點及3個輸出點，控制一臺可逆運行的籠型電動機需5個輸入點及2個輸出 點等等。實際選用時一般還需留有10%15%的I/O余量。 l根據(jù)控制要求，估算出本系統(tǒng)有20個開關(guān)量輸入/輸出點，另外有電壓、電流、功率、 壓力、液位、溫度、流量等10個模擬量輸入/輸出點。 存儲器容量的估算存儲器容量的估算l存儲器容量的估算 PLC的程序存儲器容量通常以字節(jié)為單位。用戶程序所需存儲器容量可以預(yù)先估算。一般情況下用戶程序所需存儲的字?jǐn)?shù)可按照如下經(jīng)驗公式來計算:l（）開關(guān)量輸入/輸出系統(tǒng) 開關(guān)量輸入:用戶程

57、序所需存儲的字?jǐn)?shù)=輸入點總數(shù)10。 開關(guān)量輸出:用戶程序所需存儲的字?jǐn)?shù)=輸出點總數(shù)8。 l（）模擬量輸入/輸出系統(tǒng) 每一路模擬量信號大約需要120字的存儲容量，當(dāng)模擬輸入和輸出同時存在時，所需 內(nèi)存字?jǐn)?shù)=模擬量路數(shù)250。 l（）定時器/計數(shù)器系統(tǒng) 所需內(nèi)存字?jǐn)?shù)=定時器/計數(shù)器數(shù)量2 針對本系統(tǒng): l開關(guān)量輸入所需內(nèi)存字?jǐn)?shù)1010=100字節(jié); l開關(guān)量輸出所需內(nèi)存字?jǐn)?shù)128=96字節(jié); l模擬量輸入/輸出所需內(nèi)存字?jǐn)?shù)10250=2500字節(jié); l定時器/計數(shù)器容量52=10字節(jié)。 l開關(guān)量和模擬量共需2706字節(jié)，另外考慮程序存儲空間和備用存儲空間，初步估計系統(tǒng)共需5 K字節(jié)。 l系統(tǒng)I/O

58、模塊點數(shù)和存儲器容量的估算為以下PLC的主機型號選擇和模塊擴展提供了依據(jù)。 主機型號選擇和模塊擴展主機型號選擇和模塊擴展 l變頻恒壓供水系統(tǒng)采用西門子S7-200系列的PLC，主機為CPU224模塊，I/O點數(shù)和存儲器容量完全符合要求。該模塊是具有較強的控制能力的控制器，集成14輸入/10輸出共24個數(shù)字量I/O點，可連接7個擴展模塊，最大擴展至168路數(shù)字量I/O點或35路模擬量I/O點，13 K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間;6個獨立的30 kHz高速計數(shù)器，2路獨立的20 kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器;1個RS-485通信/編程口，具有PPI通信協(xié) 議、MPI通信協(xié)議和自由方式通信能力;

59、I/O端子很容易整體拆卸。 l本系統(tǒng)10個開關(guān)量輸入點I0.0I0.7、I1.3、I1.4分別接入4個水泵的故障信號、遠(yuǎn)程/近控選擇信號、PID控制器使能信號、氣壓供水輸入信號、循環(huán)/補償工作方式選擇信號等10路開關(guān)量輸入信號;系統(tǒng)共有12個開關(guān)量輸出點，分別為1#4#水泵變頻/工頻的工作信號、故障報警信號、電磁閥1和電磁閥2驅(qū)動信號及變頻器驅(qū)動信號等。而主機CPU224只提供10個輸出點，所以系統(tǒng)擴展了一個EM222模塊，該模塊提供8個開關(guān) 量輸出點，能夠滿足系統(tǒng)數(shù)字量I/O點數(shù)的要求。系統(tǒng)具體配置示意圖如圖11-17所示。 圖圖11-17 CPU224模塊配置圖模塊配置圖變頻器的選擇變頻器

60、的選擇 l1）變頻器控制電流與電網(wǎng)水壓的關(guān)系。管網(wǎng)中壓力變送器輸出的電流信號IP ，范圍為420 mA（4 mA和20 mA分別為壓力變送器測量下限、測量上限所對應(yīng)的電流輸出值），對應(yīng)水壓力 P測量范圍為0Pmax，管網(wǎng)允許的最低水壓力為 P1（管網(wǎng)水壓力最小設(shè)定值），對應(yīng)壓力變送器輸出電流信號為I1 ;管網(wǎng)允許的最高水壓力為P2（管網(wǎng)水壓力最大設(shè)定值），對應(yīng)壓力變送器輸出電流信號I2。如圖11-19所示，由圖中可得 l （11-8）l式中， P為某一時刻的管網(wǎng)水壓力，單位為MPa。 maxpmaxp(4)/(20 4)(4)/16P PIPI圖圖11-18 擴展模塊擴展模塊EM222和和EM