第第9 9章章 计算机控制系统的应用实例计算机控制系统的应用实例9.1 水槽水位单片机控制系统水槽水位单片机控制系统9.2 循环水装置循环水装置IPC系统系统9.3 中水回用中水回用PLC控制系统控制系统9.4 火电厂火电厂DCS控制系统控制系统9.1 水槽水位单片机控制系统水槽水位单片机控制系统对对于于小小型型测测控控系系统统或或者者某某些些专专用用的的智智能能化化仪仪器器仪仪表表，一一般般可可采采用用以以单单片片机机为为核核心心、配配以以接接口口电电路路和和外外围围设设备备、再再编编制制应应用用程程序序的的模模式式来来实实现现。下下面面以以一一个个简简单单的的水水槽槽水水位位控控制制系系统统为例。为例。 主要内容1 1系统概述系统概述 2 2硬件电路硬件电路 3 3程序设计程序设计v1系统概述系统概述v 通过水槽水位的高低变化来启停水泵，从通过水槽水位的高低变化来启停水泵，从而达到对水位的控制目的，这是一种常见的工而达到对水位的控制目的，这是一种常见的工艺控制。如图点划线框内所示，一般可在水槽艺控制。如图点划线框内所示，一般可在水槽内安装内安装3个金属电极个金属电极A、B、C，它们分别代表，它们分别代表水位的下下限、下限与上限。工艺要求：当水水位的下下限、下限与上限。工艺要求：当水位升到上限位升到上限C以上时，水泵应停止供水；当水以上时，水泵应停止供水；当水位降到下限位降到下限B以下时，应启动水泵供水；当水以下时，应启动水泵供水；当水位处于下限位处于下限B与上限与上限C之间，水泵应维持原有的之间，水泵应维持原有的工作状态。工作状态。图图9.2 水槽水位控制电路水槽水位控制电路v2硬件电路硬件电路 v 根据工艺要求，设计的控制系统硬件电路如图根据工艺要求，设计的控制系统硬件电路如图9.1所示，这是一个用单片机采集水位信号并通过所示，这是一个用单片机采集水位信号并通过继电器控制水泵的小型计算机控制系统。主要组成继电器控制水泵的小型计算机控制系统。主要组成部分的功能如下：部分的功能如下：v (1) 系统核心部分：采用低档型系统核心部分：采用低档型AT89C2051单单片机，用和端作为水位信号的采集输入口，和端作片机，用和端作为水位信号的采集输入口，和端作为控制与报警输出口。为控制与报警输出口。v (2) 水位测量部分：电极水位测量部分：电极A接接+5V电源，电极电源，电极B、C各通过一个电阻与地相连。各通过一个电阻与地相连。b点电平与点电平与c点电平分点电平分别接到和输入端，可以代表水位的各种状态与操作别接到和输入端，可以代表水位的各种状态与操作要求，共有要求，共有4种组合，如种组合，如表表9-1所示。所示。 v 表表9-1 水位信号及操作状态表水位信号及操作状态表C(P1.1) b(P1.0) 水位 操作 00B点以下 水泵启动 01B、C之间 维持原状 10系统故障 故障报警 11C点以上 水泵停止 v 当当水水位位降降到到下下限限B以以下下时时，电电极极B与与电电极极C在在水水面面上上方方悬悬空空，b点点、c点点呈呈低低电电平平，这这时时应应启启动动水水泵泵供供水水，即即是是表表中中第第一一种种组组合合；当当水水位位处处于于下下限限与与上上限限之之间间，由由于于水水的的导导电电作作用用，电电极极B连连到到电电极极A及及+5V，则则b点点呈呈高高电电平平，而而电电极极C仍仍悬悬空空则则c点点为为低低电电平平，这这时时不不论论水水位位处处于于上上升升或或下下降降趋趋势势，水水泵泵都都应应继继续续维维持持原原有有的的工工作作状状态态，见见表表中中第第二二种种组组合合；当当水水位位上上升升达达到到上上限限时时，电电极极B、C通通过过水水导导体体连连到到电电极极A及及+5V，因因此此b点点、c点点呈呈高高电电平平，这这时时水水泵泵应应停停止止供供水水，如如表表中中第第四四种种组组合合；还还有有第第三三种种组组合合即即水水位位达达到到电电极极C却却未未达达到到电电极极B，即即c点点为为高高电电平平而而b点点为为低低电电平平，这这在在正正常常情情况况下下是是不不可可能能发发生生的的，作作为为一一种种故故障障状状态态，在在设设计计中中还还是是应应考考虑的。虑的。v (3) 控控制制报报警警部部分分：由由端端输输出出高高电电平平，经经反反相相器器使使光光耦耦隔隔离离器器导导通通，继继电电器器线线圈圈KM得得电电，常常开开触触点点KA闭闭合合，启启动动水水泵泵运运转转；当当端端输输出出低低电电平平，经经反反相相器器使使光光耦耦隔隔离离器器截截止止，继继电电器器线线圈圈J失失电电，常常开开触触点点断断开开，则则使使水水泵泵停停转转。由由端端输输出出高高电电平平，经经反反相相器器变变为为低低电电平平，驱驱动动一一支支发发光光二二极极管管发发光光进进行行故故障障报报警。警。v3程序设计v程序流程如图所示。程序流程如图所示。开始P1.1、P1.0=00？启动水泵P1.21设置堆栈指针P1.1、P1.0=10？P1.1、P1.0=11？停止水泵P1.20故障报警P1.319.2 循环水装置循环水装置IPC系统系统在在以以模模拟拟量量为为主主的的中中小小规规模模控控制制条条件件下下，应应优优先先选选择择IPC控控制制装装置置，下下面面介介绍绍用用一一台台STD总总线线IPC控控制制循循环环水水动动态态模模拟拟试试验验装置的实例。装置的实例。主要内容1 1系统概述系统概述 2 2硬件电路硬件电路 3 3软件设计软件设计4 4功能画面功能画面v1系统概述系统概述v 大型化工企业普遍采用冷却水循环使大型化工企业普遍采用冷却水循环使用技术，但循环冷却水同时带来设备的结垢用技术，但循环冷却水同时带来设备的结垢与腐蚀问题，为此利用循环水动态模拟试验与腐蚀问题，为此利用循环水动态模拟试验装置，模拟生产现场的流态水质、流速、金装置，模拟生产现场的流态水质、流速、金属材质和循环冷却水进出口温度等主要参数，属材质和循环冷却水进出口温度等主要参数，来评价稳定水质的配方、阻垢效果及寻求相来评价稳定水质的配方、阻垢效果及寻求相应的操作工艺条件。应的操作工艺条件。v（1）工艺流程）工艺流程v 模拟试验装置的主要流程如图所示，左模拟试验装置的主要流程如图所示，左下方水槽中的冷水经水泵、调节阀打入换热下方水槽中的冷水经水泵、调节阀打入换热器，与蒸汽换热后，导入冷却塔与冷风换冷，器，与蒸汽换热后，导入冷却塔与冷风换冷，喷淋而下回落到水槽，再由水泵打循环。喷淋而下回落到水槽，再由水泵打循环。图图9.3 循环水动态模拟试循环水动态模拟试验装置控制流程图验装置控制流程图v（2）控制要求）控制要求v 通常情形是用户配置两套这样的模拟装置同时运行，因通常情形是用户配置两套这样的模拟装置同时运行，因而计算机系统应同时面向两台模拟装置，集检测、控制与而计算机系统应同时面向两台模拟装置，集检测、控制与管理于一体，主要完成如下功能：管理于一体，主要完成如下功能：v 10点参数检测功能点参数检测功能v 入口水温、出口水温、蒸汽温度、冷却塔底温度，共入口水温、出口水温、蒸汽温度、冷却塔底温度，共8路温度，量程为路温度，量程为0100，检测精度为，检测精度为02级。两路循环级。两路循环水流量，量程为水流量，量程为2001200Lh，检测精度为，检测精度为1级。还有计级。还有计算显示出入口温差、瞬时污垢热阻、水阀与风阀门开度、算显示出入口温差、瞬时污垢热阻、水阀与风阀门开度、试验时间与剩余时间。试验时间与剩余时间。v 22个参数设定功能个参数设定功能v 换热器试管直径与长度、流量与温度的给定值、换热器试管直径与长度、流量与温度的给定值、PID控控制的比例系数、积分时间、微分时间以及即时时间与试验制的比例系数、积分时间、微分时间以及即时时间与试验时间。时间。v 10个参数标定功能个参数标定功能 对对8路温度、路温度、2路流量进行现场标定。路流量进行现场标定。v PID控制功能控制功能 实时控制实时控制2路入口水温与路入口水温与2路循环水流量，温度控制精度：路循环水流量，温度控制精度：设定值设定值 05；流量控制精度：设定值；流量控制精度：设定值2 FS（FS即即Full Scale，意为满刻度或满量程）。，意为满刻度或满量程）。v 工艺计算、列表绘图功能工艺计算、列表绘图功能 根据污垢热阻计算公式计算并显示出瞬时污垢热阻，而且根据污垢热阻计算公式计算并显示出瞬时污垢热阻，而且自动生成试自动生成试 验数据列表。自动绘制时间验数据列表。自动绘制时间-污垢热阻曲线。污垢热阻曲线。v 其他功能指标其他功能指标 所有参数的采样、计算、控制周期均为，刷新显示周期为所有参数的采样、计算、控制周期均为，刷新显示周期为2S，试验数据记录时间间隔按工艺要求而定，数据保存时，试验数据记录时间间隔按工艺要求而定，数据保存时间为间为10年，系统内部设有软件硬件自诊断、自恢复功能，年，系统内部设有软件硬件自诊断、自恢复功能，具有永不具有永不“死机死机”的高度可靠性。的高度可靠性。 上述所有参数均以汉字分屏幕显示，且附有提示菜单以便操上述所有参数均以汉字分屏幕显示，且附有提示菜单以便操作。作。v2硬件设计硬件设计v 根据上述系统功能及技术指标的要求，根据上述系统功能及技术指标的要求，采用一台现成的采用一台现成的STD总线总线IPC较为适宜。选较为适宜。选用某电子工厂的用某电子工厂的IPC产品，共由产品，共由10块功能模块功能模板及外设组成，板及外设组成，如图如图9.4所示。所示。图图9.4 IPC硬件组成框图硬件组成框图v 图中（图中（1）CPU板及打印机、（板及打印机、（2）CRT板及板及CRT、（3）键盘接口及自诊断板及键盘、（）键盘接口及自诊断板及键盘、（4）存储器板、（）存储器板、（5）电源，构成了电源，构成了STD工业控制机基本系统。在自诊断板中使工业控制机基本系统。在自诊断板中使用了用了WDT看门狗技术，无论何种原因引起死机，自诊断系看门狗技术，无论何种原因引起死机，自诊断系统能在统能在128内测出并恢复正常运行，整个计算机系统工作内测出并恢复正常运行，整个计算机系统工作十分可靠。十分可靠。v 其中的（其中的（6）温度检测板，是一个由单片机构成的智能）温度检测板，是一个由单片机构成的智能型温度接口板，该板本身能够完成型温度接口板，该板本身能够完成8路温度的检测，滤波处路温度的检测，滤波处理，铂电阻线性化处理。在这个板上利用软件技术从根本理，铂电阻线性化处理。在这个板上利用软件技术从根本上克服了温度漂移问题。上克服了温度漂移问题。v 其中的（其中的（7）D/A转换板是流量及温度控制的驱动接口转换板是流量及温度控制的驱动接口板。计算机系统检测两路塔底温度与两路流量，与设定值板。计算机系统检测两路塔底温度与两路流量，与设定值进行比较，并对其偏差进行进行比较，并对其偏差进行PID运算，其运算结果通过运算，其运算结果通过D/A转换变成模拟电压信号输出至（转换变成模拟电压信号输出至（8）伺服放大板，从而控制）伺服放大板，从而控制相应的相应的4个调节阀。个调节阀。v其中的（其中的（8）伺服放大板，其功能相当于电动单元）伺服放大板，其功能相当于电动单元组合仪表中的组合仪表中的4个伺服放大器，但其精度及可靠性个伺服放大器，但其精度及可靠性优于常规的伺服放大器。它接收来自优于常规的伺服放大器。它接收来自D/A转换板的转换板的4路阀位信号，并检测路阀位信号，并检测4个阀的实际位置，如果实际个阀的实际位置，如果实际位置与位置与D/A转换板输出的阀位有偏差，则使阀动作，转换板输出的阀位有偏差，则使阀动作，达到与达到与D/A输出一致的位置后停止，从而实现计算输出一致的位置后停止，从而实现计算机系统对调节阀的控制。机系统对调节阀的控制。v其中的（其中的（10）滤波板，对）滤波板，对STD总线的有关信号进行总线的有关信号进行滤波处理，从而提高整个系统的可靠性。滤波处理，从而提高整个系统的可靠性。v其中的（其中的（9）流量检测板，主要由计数电路组成，）流量检测板，主要由计数电路组成，检测两路来自涡轮流量变送器的脉冲信号。对其实检测两路来自涡轮流量变送器的脉冲信号。对其实行滤波、整形、放大、光隔、计数处理，并向两个行滤波、整形、放大、光隔、计数处理，并向两个涡轮流量变送器提供涡轮流量变送器提供+12V电压。电压。3 软件设计软件设计 该系统采用了现成的该系统采用了现成的IPC，计算机厂家已，计算机厂家已提供了监控程序或系统程序，设计者的软件提供了监控程序或系统程序，设计者的软件设计任务主要是进行系统的应用软件编制。设计任务主要是进行系统的应用软件编制。 该应用软件主要完成两方面的任务：该应用软件主要完成两方面的任务：（1）8路温度、两路流量的采集与处理，入口路温度、两路流量的采集与处理，入口温度与流量的控制，定时存储实验数据；温度与流量的控制，定时存储实验数据；（2）允许操作者查看、打印各种数据，设定、）允许操作者查看、打印各种数据，设定、标定各个参数。标定各个参数。由于前者任务要求适时性较强，且完成任由于前者任务要求适时性较强，且完成任务所需时间较短，故安排在中断服务子程序中务所需时间较短，故安排在中断服务子程序中完成。而后者属人机对话性质，任务完成时间完成。而后者属人机对话性质，任务完成时间较长，且不需严格适时性，故放于主程序中完较长，且不需严格适时性，故放于主程序中完成。成。 图图9.6 中断服务子程序由于该控制系统小、中断服务子程序由于该控制系统小、比较简单，功能画面要求也不复杂，因而软件比较简单，功能画面要求也不复杂，因而软件部分全部采用汇编语言编制。部分全部采用汇编语言编制。 图图9.6 中断服务子程序中断服务子程序IPC硬件组成框图硬件组成框图 主程序结构框图如图主程序结构框图如图9.5所示。在初始化过程中，所示。在初始化过程中，主要完成对主要完成对CRT、打印机工作方式设定，四个调节阀、打印机工作方式设定，四个调节阀门初始定位及软件标志设置等。门初始定位及软件标志设置等。 在每一个画面处理过程中，能够查看其他画面，在每一个画面处理过程中，能够查看其他画面，同时完成本画面应完成的一些功能。同时完成本画面应完成的一些功能。 中断服务子程序如图所示。这是一个时间中断子中断服务子程序如图所示。这是一个时间中断子程序。系统设置每隔程序。系统设置每隔250ms中断一次，中断服务子程中断一次，中断服务子程序中各个任务，应能在序中各个任务，应能在250ms内完成。每四次中断即内完成。每四次中断即时间间隔为时间间隔为1S时，刷新时钟，处理秒、分、时、日、时，刷新时钟，处理秒、分、时、日、月、年的递增，实现准确计时。每八次中断，即时间月、年的递增，实现准确计时。每八次中断，即时间间隔为间隔为2S时，采集时，采集8路温度、路温度、2路流量，利用软件实路流量，利用软件实现滤波处理，以消除瞬间干扰的影响。现滤波处理，以消除瞬间干扰的影响。控制采用传统的控制采用传统的PID控制方式，实行输出控制方式，实行输出速率限定，即在速率限定，即在2S控制周期内，输出变化幅度控制周期内，输出变化幅度不大于输出全范围的不大于输出全范围的5。实验数据的存储，。实验数据的存储，若系统在强稳过程中，则每隔若系统在强稳过程中，则每隔5min记录一次，记录一次，若系统在实验过程中，则每隔若系统在实验过程中，则每隔120min记录一记录一次。实验记录数据、设定的实验条件及各参数次。实验记录数据、设定的实验条件及各参数的标定值存于系统的的标定值存于系统的 E2ROM存储器中，有效存储器中，有效保存时间为保存时间为10年。年。图图9.5 主程序结构框图主程序结构框图4功能画面功能画面 该系统共有该系统共有6个功能画面，汉字显示且每个个功能画面，汉字显示且每个画面都有提示菜单，向操作者提示操作的方式。画面都有提示菜单，向操作者提示操作的方式。通过对这通过对这6个菜单的选择操作，便可实现本计个菜单的选择操作，便可实现本计算机系统的所有功能。算机系统的所有功能。 这这6个功能画面分别是参数检测画面、参数个功能画面分别是参数检测画面、参数设定画面、参数标定画面、数据列表画面、热设定画面、参数标定画面、数据列表画面、热阻曲线画面和系统状态画面。阻曲线画面和系统状态画面。9.3 中水回用中水回用PLC控制系统控制系统在在以以数数字字量量为为主主的的中中小小规规模模控控制制环环境境下下，一一般般应应首首选选PLC装装置置，下下面面介介绍绍一一个个用用西门子西门子PLC监控中水处理流程的工程实例。监控中水处理流程的工程实例。主要内容1 1系统概述系统概述 2 2硬件设计硬件设计 3 3程序设计程序设计v1系统概述系统概述v 将生活污水进行几级处理，作为除饮用以外的将生活污水进行几级处理，作为除饮用以外的其它生活用水，将形成一个非常宝贵的回用水资源。其它生活用水，将形成一个非常宝贵的回用水资源。其中用其中用PLC作为主要控制装置已成为一种共识。作为主要控制装置已成为一种共识。v （1）工艺流程）工艺流程v 中水处理主要工艺流程如图所示。生活污水首中水处理主要工艺流程如图所示。生活污水首先通过格栅机滤除固态杂物，进入调节池缓冲，再先通过格栅机滤除固态杂物，进入调节池缓冲，再进入生化池，利用生物接触氧化、化学絮凝和机械进入生化池，利用生物接触氧化、化学絮凝和机械过滤方法使水中过滤方法使水中COD、BOD5等几种水质指标大幅等几种水质指标大幅度降低，再采用活性炭和碳纤维复合吸附过滤方式，度降低，再采用活性炭和碳纤维复合吸附过滤方式，使出水达到生活使用要求。使出水达到生活使用要求。图图9.7 中水处理工艺流程图中水处理工艺流程图格栅机调节池生化池 压滤罐清水池集水池加药 加氯 排掉 回用 风机 反冲洗 污水 （2）控制要求）控制要求 该流程共有被控设备（含备用）该流程共有被控设备（含备用）14台泵和台泵和电机，电机，4个池的水位需要检测。个池的水位需要检测。 水位计的作用：在任何控制方式下，水位水位计的作用：在任何控制方式下，水位计的上上限或下下限到位时，都将发出声光报计的上上限或下下限到位时，都将发出声光报警信号；在全自动、分组自动、半自动控制方警信号；在全自动、分组自动、半自动控制方式下，水位计的上限、下限分别作为该池排水式下，水位计的上限、下限分别作为该池排水泵自动开、停的泵自动开、停的PLC输入信号。输入信号。 采用采用4种控制方式：手动、半自动、分组种控制方式：手动、半自动、分组自动和全自动。自动和全自动。 手动控制方式手动控制方式 即用手操作即用手操作14个按钮开停个按钮开停14个被控负荷，个被控负荷，不受水位影响。不受水位影响。 生化半自动控制方式生化半自动控制方式 指生化池水位机组的半自动控制方式，也指生化池水位机组的半自动控制方式，也即由生化池水位的上限与下即由生化池水位的上限与下 限自动控制生化限自动控制生化泵的开、停，而加药计量泵、泵的开、停，而加药计量泵、CLO2发生器的发生器的开、停由手动操作。开、停由手动操作。分组自动控制方式分组自动控制方式 为了便于维护，整个系统分为六个独立的机组：为了便于维护，整个系统分为六个独立的机组：调节池水位自动机调节池水位自动机 组、生化池水位自动机组、清水组、生化池水位自动机组、清水池水位自动机组、集水池水位自动机池水位自动机组、集水池水位自动机 组、溢流泵自组、溢流泵自动机组、罗茨风机自动机组。动机组、罗茨风机自动机组。 控制要求：当按下分组自动按钮时，被按下按控制要求：当按下分组自动按钮时，被按下按钮的灯闪亮，当选定钮的灯闪亮，当选定 主、备电机按钮后，分组自动主、备电机按钮后，分组自动按钮指示灯长亮；当水位达到上限时，按钮指示灯长亮；当水位达到上限时， 电机停止而电机停止而按钮指示灯转为闪亮。按钮指示灯转为闪亮。 全自动方式控制要求全自动方式控制要求 就是当全自动准备按钮启动后，首先选择主、就是当全自动准备按钮启动后，首先选择主、备用电机，然后启动全自动开停按钮，则整个系统进备用电机，然后启动全自动开停按钮，则整个系统进入全自动运行状态。入全自动运行状态。 2硬件设计硬件设计（1）PLC 系统配置系统配置 根据工艺流程与控制要求，要完成根据工艺流程与控制要求，要完成14台被控设备台被控设备的启动、停止按钮操作，运行、停止、故障状态的灯的启动、停止按钮操作，运行、停止、故障状态的灯指示以及指示以及4种控制方式，如果采用常规的控制模式，种控制方式，如果采用常规的控制模式，1台设备约需台设备约需56个启、停按钮及状态指示灯等器件，个启、停按钮及状态指示灯等器件，整个控制盘面上大约需要整个控制盘面上大约需要90余个按钮与指示灯。这将余个按钮与指示灯。这将带来器件成本的增高、控制盘面的增大、人工操作的带来器件成本的增高、控制盘面的增大、人工操作的杂乱。本系统采用软件编程的方法，充分利用杂乱。本系统采用软件编程的方法，充分利用PLC内内部的输入输出变量及软件计数器，使部的输入输出变量及软件计数器，使1个带灯按钮集个带灯按钮集成了成了1台设备的全部控制与状态指示功能，加上台设备的全部控制与状态指示功能，加上4种控种控制方式及其切换，总计只需配置制方式及其切换，总计只需配置24个带灯按钮，分别个带灯按钮，分别代表代表14台被控设备与台被控设备与10种控制方式。种控制方式。 整个系统需要开关量输入整个系统需要开关量输入40点与开关量点与开关量输出输出32点。因此，选用德国点。因此，选用德国SIEMENS的的S7-200主机主机CPU226，有开关量，有开关量24输入输入16输出输出点，数字量扩展模块点，数字量扩展模块EM223，提供开关量，提供开关量16输输入入/16输出点，总计正好构成了系统要求的输出点，总计正好构成了系统要求的40点输入点输入/32点输出。点输出。操作界面选用操作界面选用TD200中文文本显示器。中文文本显示器。 （2）PLC输入输出接线图输入输出接线图 PLC输入输出接线如图所示，输入按钮输入输出接线如图所示，输入按钮124AN分别对应于与计分别对应于与计24个开关量输入点；个开关量输入点；4个水位计的个水位计的16个水位电极点分别对应计个水位电极点分别对应计16个开关量输入点；个开关量输入点；PLC输出点，分别对应于输出点，分别对应于14台输出设备；输出点分别对应于台输出设备；输出点分别对应于8台被控台被控设备与设备与10种控制方式的状态指示灯，共计种控制方式的状态指示灯，共计32个开关量输出点；另外个开关量输出点；另外6台被控设备的运行台被控设备的运行指示灯由相应的中间继电器触点驱动。指示灯由相应的中间继电器触点驱动。图图9.8 PLC输入输出接线图输入输出接线图 （3）TD200中文显示器中文显示器 与与SIEMENS主机配套的显示器的种类很多，而主机配套的显示器的种类很多，而TD200中文文本显示器是所有中文文本显示器是所有SIMATIC S7-200系列系列最简洁、价格最低的操作界面。而且连接简单，不需最简洁、价格最低的操作界面。而且连接简单，不需要独立电源，只需专用电缆连接到要独立电源，只需专用电缆连接到S7-200CPU的的PPI接口上即可，如图所示。接口上即可，如图所示。 S7-200系列的系列的CPU中保留了一个专用区域用于与中保留了一个专用区域用于与TD200交换数据，交换数据，TD200直接通过这些数据区访问直接通过这些数据区访问CPU。如信息显示内容。如信息显示内容“调节池水位已达上上限调节池水位已达上上限”，其地址应来自于调节池水位计的上上限接点的输入响其地址应来自于调节池水位计的上上限接点的输入响应。应。图图9.9 TD200中文文本显示器及其连接中文文本显示器及其连接3程序设计程序设计（1）主程序流程图）主程序流程图 S7-200系列系列PLC使用基于使用基于Windows平台的平台的32位编程软件包位编程软件包STEP-7-Micro/WIN，通常采，通常采用语义直观、功能强大、适合修改和维护的梯用语义直观、功能强大、适合修改和维护的梯形图语言。图给出控制系统主程序流程图，整形图语言。图给出控制系统主程序流程图，整个工艺过程分为四种控制方式，在全自动与分个工艺过程分为四种控制方式，在全自动与分组自动方式下，首先要选择主、备用电机。组自动方式下，首先要选择主、备用电机。图图9.10 主要程序流程图主要程序流程图PLC上电上电进进入入手手动动进进入入手手动动是全自动吗？是全自动吗？是手动吗？是手动吗？ 是生化池是生化池 半自动吗？半自动吗？ 进入手动进入手动 进入生化池进入生化池 半自动半自动 选择风机选择风机 选择调节池泵选择调节池泵 进入自动状态进入自动状态 选择风机选择风机 选择调节池泵选择调节池泵 分机分组分机分组调节池分组自动调节池分组自动进进入入手手动动（2）功能按钮程序）功能按钮程序 24个带灯按钮，分别启停个带灯按钮，分别启停14台被控设备与台被控设备与10种操种操作方式。通过软件编程，使按钮第一次按下时有效，作方式。通过软件编程，使按钮第一次按下时有效，第二次按下时失效第二次按下时失效(复位复位)。 本设计完成了所有的工艺要求，实现了手动控制、本设计完成了所有的工艺要求，实现了手动控制、半自动控制、分组自动控制和全自动控制等四种控制半自动控制、分组自动控制和全自动控制等四种控制方式，而且硬件器件少，控制盘面简洁，操作简单灵方式，而且硬件器件少，控制盘面简洁，操作简单灵活，中文界面友好。在现场经过调试后已正常运行，活，中文界面友好。在现场经过调试后已正常运行，工作可靠稳定。工作可靠稳定。9.4 火电厂火电厂DCS控制系统控制系统近近年年来来，DCS在在火火电电厂厂过过程程控控制制领领域域的的应应用用已已经经相相当当普普及及，应应用用水水平平提提高高得得很很快快。DCS从从单单一一功功能能向向多多功功能能、一一体体化化方方向向发发展展，已已经经实实现现了了包包括括数数据据采采集集（DAS）、模模拟拟量量控控制制（MCS）、开开关关量量控控制制（SCS）、汽汽轮轮机机控控制制（DEH）、旁旁路路控控制制（BPS）、电电气气控控制制（ECS）等等多多项项功功能能，在在减减轻轻运运行行维维护护人人员员的的劳劳动动强强度度、提提高高火火电电厂厂的的综综合合自自动动化化水水平平、改改善善火火电电机机组组运运行行安安全全经经济济性性等等多方面发挥了极为重要的作用。多方面发挥了极为重要的作用。v 图图所所示示为为某某300MW单单元元机机组组锅锅炉炉控控制制部部分分采采用用美美国国贝贝利利公公司司INFI-90系系统统的的硬硬件件配配置置图图，下下面面以以其其中中的的锅锅炉炉主主蒸蒸汽汽温温度度控控制制为为例例，给给出出一一个个DCS在在火火电电厂厂过过程程控控制制系系统统中中应用的实例。应用的实例。图某图某300MW机组锅炉控制机组锅炉控制INFI-90系统硬件配置图系统硬件配置图1主汽温度控制方案主汽温度控制方案 主汽温度是单元机组主要的安全经济参数，在正主汽温度是单元机组主要的安全经济参数，在正常运行工况下主汽温度的偏差要求控制在常运行工况下主汽温度的偏差要求控制在 2 C范围范围内，动态情况下的偏差不能超过额定值的内，动态情况下的偏差不能超过额定值的+5-10 C，对控制性能要求比较高。为了克服主汽温度被控对，对控制性能要求比较高。为了克服主汽温度被控对象的滞后惯性大的影响，增强系统抗干扰能力，大型象的滞后惯性大的影响，增强系统抗干扰能力，大型单元机组的主汽温度控制一般采用二级喷水减温的调单元机组的主汽温度控制一般采用二级喷水减温的调温方式（一级减温相当于粗调，二级减温相当于细调）温方式（一级减温相当于粗调，二级减温相当于细调），同时又分为甲乙两侧进行分别控制，这样共有四个，同时又分为甲乙两侧进行分别控制，这样共有四个结构类似的控制回路。为了进一步克服滞后和惯性对结构类似的控制回路。为了进一步克服滞后和惯性对控制的不良影响，两侧每级的喷水调节均采用了串级控制的不良影响，两侧每级的喷水调节均采用了串级控制方式，图为采用喷水调节的串级温度控制系统。控制方式，图为采用喷水调节的串级温度控制系统。v除了减温水量以外，影响主蒸汽温度的其他除了减温水量以外，影响主蒸汽温度的其他主要因素还有蒸汽量扰动和烟气量扰动，统主要因素还有蒸汽量扰动和烟气量扰动，统称为外部干扰。为了提高控制系统抵御外部称为外部干扰。为了提高控制系统抵御外部干扰的能力，主蒸汽温度控制系统中还采用干扰的能力，主蒸汽温度控制系统中还采用了前馈方式。图为机组实际的二级减温控制了前馈方式。图为机组实际的二级减温控制系统的结构图（系统的结构图（SAMA图），图中给出了控图），图中给出了控制回路的基本结构及调节器跟踪、手动制回路的基本结构及调节器跟踪、手动/自自动切换逻辑。动切换逻辑。图图9.12 温度串级控制系统温度串级控制系统 图图9.13 主汽温控制主汽温控制SAMA图图 （1）输入）输入/输出信号连接输出信号连接 在上述温度控制回路中有在上述温度控制回路中有5个输入信号（即主汽个输入信号（即主汽温度、喷水后温度、主蒸汽流量、送风量和阀位信号）温度、喷水后温度、主蒸汽流量、送风量和阀位信号）以及以及1个输出信号（阀位指令）。在个输出信号（阀位指令）。在INFI-90系统中，系统中，对所有的对所有的I/O信号都要分配信号都要分配I/O模件与端子单元，端子模件与端子单元，端子单元与单元与I/O模件相对应。该系统中涉及的模件相对应。该系统中涉及的I/O模件及其模件及其端子单元如表所示。端子单元如表所示。 这里使用这里使用IMASI03作为热电偶输入模件，相应端作为热电偶输入模件，相应端子单元为子单元为NTAI06，用于输入主汽温度信号和喷水后，用于输入主汽温度信号和喷水后温度信号；使用温度信号；使用IMFBS01作为电流信号输入模件，作为电流信号输入模件，相应端子单元为相应端子单元为NTAI05，用于输入主蒸汽流量信号、，用于输入主蒸汽流量信号、送风量信号和阀位信号；使用送风量信号和阀位信号；使用IMASO01作为模拟量作为模拟量输出模件，相应端子单元为输出模件，相应端子单元为NTDI01，用于输出阀位，用于输出阀位指令信号。指令信号。表表9.2 常见的常见的I/O模件及其端子单元模件及其端子单元 I/O模件模件端子单端子单元元通道数通道数说明说明IMASI03NTAI0616通用信号通用信号输入输入模件模件IMFBS01NTAI0515420mA/15V输入输入模件模件IMASO01NTDI0114420mA/15V输出输出模件模件IMDSI02NTDI0116开关量输开关量输入模入模件件IMDSO14NTDI0116开关量输开关量输出模出模件件（2）控制模件组态）控制模件组态 系统中采用的系统中采用的INFI-90控制模件为控制模件为IMMFP02，它，它可与若干个可与若干个I/O模件相连。控制模件中固化有模件相连。控制模件中固化有200余种余种算法模块，用户通过组态的方式生成自己的控制回路。算法模块，用户通过组态的方式生成自己的控制回路。 控制模件的组态是在工程师工作站控制模件的组态是在工程师工作站EWS上通过上通过运行组态软件来进行的。组态的过程是以运行组态软件来进行的。组态的过程是以CAD图的形图的形式将相应模块连接起来，生成若干页组态图。将这些式将相应模块连接起来，生成若干页组态图。将这些组态图编译后下装到控制模件后，控制模件就可以执组态图编译后下装到控制模件后，控制模件就可以执行组态时指定的功能。行组态时指定的功能。 一般来说，组态图中包含一般来说，组态图中包含I/O模件组态（如上述模件组态（如上述输入模件输入模件IMASI03、IMFBS01和输出模件和输出模件IMASO01的组态）、控制回路组态、例外报告组态、趋势组态的组态）、控制回路组态、例外报告组态、趋势组态等内容。等内容。 图为主汽温控制系统的控制回路简化图为主汽温控制系统的控制回路简化CAD组态组态图。其中图。其中APID（即功能码（即功能码FC156）为改进的）为改进的PID控控制算法，是一种具有相当完善功能的数字制算法，是一种具有相当完善功能的数字PID算法，算法，具有完善的跟踪、抗积分饱和、高低限幅、前馈输具有完善的跟踪、抗积分饱和、高低限幅、前馈输入等功能；入等功能；M/A（即功能码（即功能码FC80）为控制接口站，）为控制接口站，提供与数字量控制站、操作员接口单元、管理命令提供与数字量控制站、操作员接口单元、管理命令系统和计算机接口单元等装置之间的接口，它可以系统和计算机接口单元等装置之间的接口，它可以实现基本、串级和比率设定点控制以及手动实现基本、串级和比率设定点控制以及手动/自动站自动站转换。转换。 上述主汽温控制采用了典型的串级控制方式，上述主汽温控制采用了典型的串级控制方式，其中主调节器采用其中主调节器采用PID控制，副调节器采用控制，副调节器采用PI控制，控制，有利于克服汽温对象的大惯性、大滞后特性。由于有利于克服汽温对象的大惯性、大滞后特性。由于导前汽温（喷水后温度）的滞后时间和惯性时间常导前汽温（喷水后温度）的滞后时间和惯性时间常数与出口汽温（主汽温度）相比相对较小，副回路数与出口汽温（主汽温度）相比相对较小，副回路作为一个快速回路，能尽快消除内扰（减温水流量）作为一个快速回路，能尽快消除内扰（减温水流量）的影响，实现对出口汽温的初调，同时也有利于消的影响，实现对出口汽温的初调，同时也有利于消除外扰影响。除外扰影响。同时，还引入了主汽流量和送风量信号作同时，还引入了主汽流量和送风量信号作为主调节器的前馈信号。当负荷或风量发生变为主调节器的前馈信号。当负荷或风量发生变化时，预先调整减温水量，以尽快消除外扰影化时，预先调整减温水量，以尽快消除外扰影响。前馈系数根据风量及负荷对汽温对象的扰响。前馈系数根据风量及负荷对汽温对象的扰动试验进行整定。动试验进行整定。 此外，主调节器还采取了抗积分饱和措施，此外，主调节器还采取了抗积分饱和措施，这是通过对喷水阀位指令的高低限幅块这是通过对喷水阀位指令的高低限幅块H/L（即（即FC12）的输出连接到主调节器）的输出连接到主调节器II和和DI实现实现饱和时的积分限制实现的。饱和时的积分限制实现的。 图图9.14 主汽温系统控制回路简化组态图主汽温系统控制回路简化组态图（3）数据库组态）数据库组态 凡是需要在操作员站凡是需要在操作员站OIS上显示操作的参数都必上显示操作的参数都必须在数据库中进行定义，表所示为汽温控制的标签须在数据库中进行定义，表所示为汽温控制的标签数据库示例。数据库示例。表表9.3 标签数据库标签数据库TAGINDEX标签索标签索引引TAGDESC标签描述标签描述TAGTYPE标签类型标签类型NUMDECP小数位数小数位数LOOP环路号环路号PCUPCU号号MODULE模件模件号号BLOCK块号块号ALMGROUG报警组报警组1001MAINTEMPANALOG21105101011021DESUPTEMANALOG21105101211031STMFLOWANALOG21105111011041AIRFLOWANALOG21105111221051VALVEPOSANALOG21105111421061VALVEINSANALOG2110513102（4）画面组态）画面组态 INFI-90中，操作员站中，操作员站OIS上的所有显示操作画上的所有显示操作画面均可通过工程师站上的图形组态软件来制作。显面均可通过工程师站上的图形组态软件来制作。显示操作画面中主要包括静态图形、动态参数及操作示操作画面中主要包括静态图形、动态参数及操作器等，通过图形组态软件中相应的工具可以方便地器等，通过图形组态软件中相应的工具可以方便地予以实现。图为针对本例所作的一个简单的主汽温予以实现。图为针对本例所作的一个简单的主汽温系统显示操作画面。系统显示操作画面。图图9.15 主汽温系统显示操作画面主汽温系统显示操作画面