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THFCS-1 型现场总线过程控制系统课件

THFCS-1 型现场总线过程控制系统课件. 董海兵 2011 年 4 月. 一、控制系统的组成及认识 （一）、 现场总线控制系统（ FCS ）的组成与认识 （二）、 下位机软件中的硬件配置和程序结构 （三）、 上位机组态软件简介 二、单回路控制系统实验 （一）、 单回路控制系统概述 （二）、 上水箱液位 PID 整定实验 三、任务布置. 一、控制系统的组成及认识. （一）、现场总线控制系统的组成与认识 1 、系统简介 本现场总线控制系统是基于 PROFIBUS 通讯协议、在传统过程控制实验装置的基础上升级而成的新一代过程控制系统。

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  1. THFCS-1型现场总线过程控制系统课件 董海兵 2011年4月

  2. 一、控制系统的组成及认识 （一）、现场总线控制系统（FCS）的组成与认识 （二）、下位机软件中的硬件配置和程序结构 （三）、上位机组态软件简介 二、单回路控制系统实验 （一）、单回路控制系统概述 （二）、上水箱液位PID整定实验 三、任务布置

  3. 一、控制系统的组成及认识 （一）、现场总线控制系统的组成与认识 1、系统简介 本现场总线控制系统是基于PROFIBUS通讯协议、在传统过程控制实验装置的基础上升级而成的新一代过程控制系统。 整个实验装置分为上位控制系统和控制对象两部分，上位控制系统流程图和控制对象装置总貌图如下所示:

  4. 2、系统组成 本实验装置由被控对象和上位控制系统两部分组成。系统动力支路分两路：一路由三相（380V交流）磁力驱动泵、气动调节阀、交流电磁阀、西门子电磁流量计及手动调节阀组成；另一路由西门子变频器、三相磁力驱动泵（220V变频）、涡轮流量计及手动调节阀组成。 （1）被控对象 被控对象由不锈钢储水箱、上、中、下三个串接圆筒形有机玻璃水箱、4.5Kw电加热锅炉(由不锈钢锅和锅炉夹套构成)、冷热水交换盘管和敷塑不锈钢管路组成。

  5. 水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。 上、中、下水箱采用淡蓝色圆筒型有机玻璃，不但坚实耐用，而且透明度高，便于学生直能接观察到液位的变化和记录结果。上、中水箱尺寸均为：d=25cm,h=20 cm； 下水箱尺寸为：d=35cm,h=20 cm。每个水箱有三个槽，分别是缓冲槽，工作槽，出水槽。储水箱尺寸为：长×宽×高=68cm×52㎝×43㎝。储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩，防止两套动力支路进水时有杂物进入泵中。 • 模拟锅炉：此锅炉采用不锈钢制成，由加热层（内胆）和冷却层（夹套）组成。做温度实验时，冷却层的循环水可以使加热层的热量快速散发，使加热层的温度快速下降。冷却层和加热层都装有温度传感器检测其温度。

  6. 盘管：长37米（43圈），可做温度纯滞后实验，在盘管上有两个不同的温度检测点，因而有两个不同的滞后时间。在实验过程中根据不同的实验需要选择不同的滞后时间。盘管出来的水既可以回流到锅炉内胆，也可以经过涡轮流量计完成流量滞后实验。盘管：长37米（43圈），可做温度纯滞后实验，在盘管上有两个不同的温度检测点，因而有两个不同的滞后时间。在实验过程中根据不同的实验需要选择不同的滞后时间。盘管出来的水既可以回流到锅炉内胆，也可以经过涡轮流量计完成流量滞后实验。 • 管道：整个系统管道采用敷塑不锈钢管组成，所有的水阀采用优质球阀，彻底避免了管道系统生锈的可能性。有效提高了实验装置的使用年限。其中储水箱底有一个出水阀，当水箱需要更换水时，将球阀打开让水直接排出。

  7. （2）检测装置 • 压力传感器、变送器：采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯协议的压力传感器和工业用的扩散硅压力变送器，扩散硅压力变送器含不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。压力传感器用来对上、中、下水箱的液位进行检测，其精度为0.5级，因为为二线制，故工作时需串接24V直流电源。 • 温度传感器：本装置采用六个Pt100传感器，分别用来检测上水箱出口、锅炉内胆、锅炉夹套以及盘管的水温。六个Pt100传感器的检测信号中检测锅炉内胆温度的一路到SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯协议的温度变送器，直接转化成数字信号；另外五路直接接至SM331模拟量输入模块。Pt100传感器精度高，热补偿性能较好。

  8. 流量传感器、转换器：流量传感器分别用来对调节阀支路、变频支路及盘管出口支路的流量进行测量。涡轮流量计型号：LWGY-10，流量范围：0～1.2m3/h，精度：1.0%。输出：4～20mA标准信号。本装置采用两套流量传感器、变送器分别对变频支路及盘管出口支路的流量进行测量，调节阀支路的流量检测采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯接口的检测和变送一体的电磁式流量计。流量传感器、转换器：流量传感器分别用来对调节阀支路、变频支路及盘管出口支路的流量进行测量。涡轮流量计型号：LWGY-10，流量范围：0～1.2m3/h，精度：1.0%。输出：4～20mA标准信号。本装置采用两套流量传感器、变送器分别对变频支路及盘管出口支路的流量进行测量，调节阀支路的流量检测采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯接口的检测和变送一体的电磁式流量计。 （3）执行机构 调节阀：采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯协议的气动调节阀，用来进行控制回路流量的调节。它具有精度高、体积小、重量轻、推动力大、耗气量少、可靠性高、操作方便等优点。由CPU直接发送的数字信号控制阀门的开度，本气动调节阀自动进行零点校正，使用和校正都非常方便。

  9. 变频器：本装置采用SIEMENS带PROFIBUS-DP通讯接口模块的变频器，其输入电压为单相AC220V，输出为三相AC220V。变频器：本装置采用SIEMENS带PROFIBUS-DP通讯接口模块的变频器，其输入电压为单相AC220V，输出为三相AC220V。 • 水泵：本装置采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P，流量为32升/分，扬程为8米，功率为180W。泵体完全采用不锈钢材料，以防止生锈，使用寿命长。其中一只为三相380V恒压驱动，另一只为三相变频220V输出驱动。 • 三相移相调压装置：采用可控硅移相触发装置，输入控制信号为4～20mA标准电流信号。输出电压用来控制加热器加热，从而控制锅炉的温度。 • 电磁阀：在本装置中作为气动调节阀的旁路，起到阶跃干扰的作用。电磁阀型号为：ZS-15；工作压力：最小压力为0Kg/㎝2，最大压力为10Kg/㎝2 ；工作温度：－5～80℃。

  10. （4）控制器 控制器采用SIEMENS公司的S7400 CPU，型号为412-3H，本CPU既具有能进行多点通讯功能的MPI接口，又具有PROFIBUS-DP通讯功能的DP通讯接口。 （5）静音式空气压缩机 用于给气动调节阀提供气源，电动机的动力通过三角胶带传带动空压机曲轴旋转，经连杆带动活塞做往复运动，使汽缸、活塞、阀组所组成的密闭空间容积产生周期变化，完成吸气、压缩、排气的空气压缩过程，压缩空气经绕有冷却翅片的排气铜管、单向阀进入储气罐。 空压机设有气量自动调节系统，当储气罐内的气压超过额定排气压力时，压力开关会自动切断电源使空压机自动停止工作，当储气罐内的气体压力因外部设备的使用而下降到额定排压以下0.2-0.3Mpa时，气压开关自动复位，空压机又重新工作，使储气罐内压缩空气压力保持在一定范围内。

  11. 3、电源控制台 （仅早期控制系统需依赖电源控制台，升级后的现场总线控制系统本身已集成电源控制部分） 电源控制屏面板：充分考虑人身安全保护，带有漏电保护空气开关、电压型漏电保护器、电流型漏电保护器。 仪表综合控制台包含了原有的常规控制系统，由于它预留了升级接口，因此它在总线控制系统中的作用就是为上位控制系统提供信号。

  12. 4、总线控制柜 总线控制柜有以下几部分构成： • 直流电源：采用直流稳压电源，给主控单元和DP从站供电。 • 控制站：控制站主要包含CPU、DP/PA耦合器、分布式I/O DP从站和变频器DP从站构成。 • 温度变送器：PA温度变送器把PT100的检测信号转化为数 字量后传送给DP链路。

  13. 5、系统特点 • 被控参数全面,涵盖了连续性工业生产过程中的液位、压力、流量及温度等典型参数。 • 本装置由控制对象、综合上位控制系统、上位监控计算机三部分组成。 • 真实性、直观性、综合性强，控制对象组件全部来源于工业现场。 • 执行器中既有气动调节阀，又有变频器、可控硅移相调压装置，调节系统除了有设定值阶跃扰动外，还可以通过对象中电磁阀和手动操作阀制造各种扰动。 • 一个被调参数可在不同动力源、不同执行器、不同的工艺管路下演变成多种调节回路，以利于讨论、比较各种调节方案的优劣。 • 系统设计时使2个信号在本对象中存在着相互耦合，二者同时需要对原独立调节系统的被调参数进行整定，或进行解耦实验，以符合工业实际的性能要求。 • 能进行单变量到多变量控制系统及复杂过程控制系统实验。 • 各种控制算法和调节规律在开放的实验软件平台上都可以实现。

  14. 6、系统软件 系统软件分为上位机软件和下位机软件两部分，下位机软件采用SIEMENS的STEP7编程软件，上位机软件采用SIEMENS的WINCC人机界面组态软件。 7、主要实验项目 • 多总线工业控制网络认识及组网 • 多主流控制系统与自动化设备认识及应用 • 下位机软件中的硬件组态和程序编写 • 上位机软件中的通信建立和界面组态 • 高级过程控制对象系统特性测试 • 液位、温度及流量单回路控制系统设计 • 温度位式控制系统设计 • 串级控制系统设计 • 比值控制系统设计 • 前馈-反馈控制系统设计 • 滞后控制系统设计 • 解耦控制系统设计

  15. （二）、下位机软件中的硬件配置和程序结构 本套控制系统下位机编程软件采用SIEMENS公司的下位编程软件STEP 7。 STEP 7是用于SIMATIC S7-300/400站创建可编程逻辑控制程序的标准软件，可使用梯形逻辑图、功能块图和语句表。它是SIEMENS SIMATIC工业软件的组成部分。STEP 7以其强大的功能和灵活的编程方式广泛应用于工业控制系统。 1、硬件配置 以在STEP 7编程环境中建立工程项目为例进行说明。在 STEP 7和WINCC中制作一个完整的工程步骤如下图所示：

  16. (1) 打开step7 桌面有step7的快捷方式图标 。 也可以在开始菜单中查找。

  17. (2) 新建项目 已经存在的工程项目 新建工程的名字 存盘路径

  18. （3）添加300工作站

  19. （4）硬件配置

  20. （5）编程

  21. 2、程序结构 配置好硬件之后，回到STEP 7管理器界面窗口，鼠标左键单击窗口左边的“Block”选项，则右边窗口中会出现“OB1”图标，“OB1”是系统的主程序循环块，“OB1”里面可以写程序，也可以不写程序，根据需要确定。STEP 7中有很多功能各异的块，分别描述如下图所示：

  22. 如果你要加入某种块，可在右边窗口（即出现“OB1”的窗口）空白处单击鼠标右键选择“Insert New Object”选项，在其下拉菜单中鼠标左键单击你所要的块即可。 添加好了你所要的块之后就是程序编写了，鼠标左键双击你所要编写程序的块即可编写程序了（编写程序的指令和语法可参考SIEMENS A&D网站上的《S7-400 CPU 31xc指令表》一书）。 程序写好并编译通过之后点击STEP 7管理器界面窗口中的图标 ，下载到CPU中，把CPU置于RUN状态即可运行程序。

  23. （三）、上位机组态软件简介 本套控制系统上位机监控软件采用SIEMENS公司的上位监控组态软件SIMATIC WINCC。 1、WINCC概述 WINCC指的是Windows Control Center，它是在生产和过程自动化中解决可视化和控制任务的监控系统，它提供了适用于工业的图形显示、消息、归档以及报表的功能模板。高性能的功能耦合、快速的画面更新以及可靠的数据交换使其具有高度的实用性。 2、WINCC的通讯连接和画面组态方法 WINCC的通讯连接是组态上位机监控界面的第一步。在WINCC的变量管理器里添加新的驱动程序之后，你就会看到WINCC有很多种通讯连接方式，根据你的通讯硬件配置选取正确的通讯连接方式。WINCC比较常用的的通讯方式有MPI、PROFIBUS和工业以态网，本系统在上位监控机和控制器之间，在控制器和现场装置之间均采用PROFIBUS方式通讯。

  24. 3、WINCC中建立和PLC通讯连接所必须的组态步骤 （1）通讯驱动程序 WINCC中的通讯通过使用各种通讯驱动程序来完成，对于不同总线系统上不同PLC的连接，会有相应的通讯驱动程序可用。 将通讯驱动程序添加到WINCC资源管理器内的变量管理器中。具体做法是鼠标右键单击变量管理器，从弹出式菜单中选择“添加新驱动程序”来完成该添加过程。该动作将在对话框内显示计算机上安装的所有通讯驱动程序。通讯驱动程序是具有.chn扩展名的文件，计算机上安装的通讯驱动程序位于WINCC安装文件夹的BIN子文件夹内，每个通讯驱动程序只能被添加到变量管理器中一次，添加通讯驱动程序的界面如下图所示。

  25. 将通讯驱动程序添加到WINCC项目中之后，就会在WINCC资源管理器中列出在变量管理器下与内部变量相邻的子条目。将通讯驱动程序添加到WINCC项目中之后，就会在WINCC资源管理器中列出在变量管理器下与内部变量相邻的子条目。

  26. （2）通道单元 变量管理器中的通讯驱动程序条目包含一些子条目，这就是通常所说的通讯驱动程序的通道单元，每个通道单元构成一个确定的从属硬件驱动程序,PC通讯模块的接口必须对通道单元寻址的通讯模块进行定义。 在系统参数对话框中定义通讯模块。通过右键单击相应的通讯连接条目，从弹出式菜单中选择“系统参数”来打开对话框，其操作如下图所示。

  27. （3）连接 通道单元要读写PLC的过程值，必须建立与该PLC的连接。通过右键单击相应的通道单元条目，并从弹出式菜单中选择“新建驱动程序连接”来建立WINCC与PLC之间的连接。 （4）WINCC变量 要获得PLC中的某个数据，必须组态WINCC变量，相对于没有过程驱动程序连接的内部变量，我们称这些变量为外部变量。 要创建新的WINCC变量，可通过右键单击相应的条目，从弹出式菜单中选择“新建变量”。 在WINCC变量属性对话框中，可以定义不同的变量属性，其操作界面如下图所示。

  28. 在WINCC中建立了通讯连接和WINCC变量之后，接下来重要的一步就是画面组态了。在WINCC中建立了通讯连接和WINCC变量之后，接下来重要的一步就是画面组态了。 用鼠标左键单击WINCC变量管理器窗口中的“图形编辑器”条目，再在右边窗口空白处右键单击，选择“新建画面”条目，右边窗口就会出现新建的画面，鼠标左键双击，进入图形编辑器。 图形编辑器具有如下特点： • 带有工具和图形选项板的用户界面； • 具有组态好的集成对象和图库； • 开放的图形导入方式； • 可动态提示画面组态； • 通过脚本组态可链接附加的函数； • 可以与创建的图形对象链接。 在图形编辑器中组态好画面，并把画面中的对象和WINCC变量相连接，保存组态好的画面，进入WINCC资源管理器，点击即可进入运行环境。

  29. 二、单回路控制系统实验 （一）、单回路控制系统概述 1、单回路控制系统概述 下图为单回路控制系统方框图的一般形式，它是由被控对象、执行器、调节器和测量变送器组成一个单闭环控制系统。系统的给定量是某一定值，要求系统的被控制量稳定于给定量。由于这种系统结构简单，性能较好，调试方便等优点，故在工业生产中已被广泛应用。

  30. 2、干扰对系统性能的影响 （1） 干扰通道的放大系数、时间常数及纯滞后对系统的影响。 干扰通道的放大系数Kf会影响干扰加在系统中的幅值。若系统是有差系统，则干扰通道的放大系数愈大，系统的静差也就愈大。 如果干扰通道是一惯性环节，令其时间常数为Tf，如果时间常数Tf越大，干扰对被控量的作用就越小。 通常干扰通道中还会有纯滞后环节，它使被调参数的响应时间滞后一个τ值，但不会影响系统的调节质量。

  31. （2）干扰进入系统中的不同位置。 复杂的生产过程往往有多个干扰量，它们作用在系统的不同位置，如下图所示。同一形式、大小相同的扰动作用在系统中不同的位置所产生的静差是不一样的。对扰动产生影响的仅是扰动作用点前的那些环节。

  32. 3、控制规律的选择 PID控制 。 包括：比例(P)调节、比例积分(PI)调节 、比例微分(PD)调节、比例积分微分(PID)调节器。 4、调节器参数的整定方法 经验法、临界比例度法、衰减曲线法（阻尼振荡法） 、动态特性参数法。

  33. （二）、上水箱液位PID整定实验 1、实验目的 （1）熟悉西门子PLC编程软件Step7的使用。 （2）熟悉上位机组态软件WINCC的使用。 （3）了解单容液位定值控制系统的结构与组成。 （4）掌握单容液位定值控制系统调节器参数的整定和投运方法。 （5）研究调节器相关参数的变化对系统静、动态性能的影响。 （6）了解P、PI、PD和PID四种调节器分别对液位控制的作用。 2、实验设备 （1）THJ-FCS型高级过程控制系统实验装置。 （2）计算机及相关软件。 （3）万用电表一只。

  34. 3、实验原理 本实验系统结构图和方框图如上图所示。被控量为上水箱（也可采用中水箱或下水箱）的液位高度，实验要求它的液位稳定在给定值。将压力传感器LT1检测到的上水箱液位信号作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制气动调节阀的开度，以达到控水箱液位的目的。为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的调节器应为PI或PID控制。

  35. 4、实验控制系统流程 上水箱液位检测信号LT1为标准的模拟信号，直接传送到SIEMENS的模拟量输入模块SM331，SM331和分布式I/O模块ET200M直接相连，ET200M挂接到PROFIBUS-DP总线上，PROFIBUS-DP总线上挂接有控制器CPU412-3H（CPU412-3H为PROFIBUS-DP总线上的DP主站），这样就完成了现场测量信号到CPU的传送。 本实验的执行机构为带PROFIBUS-DP通讯接口的阀门定位器，挂接在PROFIBUS-DP总线上，PROFIBUS-DP总线上挂接有控制器CPU412-3H，这样控制器CPU412-3H发出的控制信号就经由PROFIBUS-DP总线到达PROFIBUS-PA总线来控制执行机构阀门定位器。

  36. 5、实验内容与步骤 实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-6全开，将上水箱出水阀门F1-9开至适当开度，其余阀门均关闭。 （1）在Step7中进行硬件配置和组态，编写程序。下载到400PLC中。 （2）在WINCC中进行上位机的人机界面组态设计。 （3）接通控制柜和控制台电源电源，并启动磁力驱动泵和空压机。 （4）点击上位机的“开始”菜单，选择弹出菜单中的“SIMATIC”选项，再点击弹出菜单中的“WINCC” ，再选择弹出菜单中的“WINCC CONTROL CENTER 5.0”,进入WINCC资源管理器，打开组态好的上位监控程序，点击管理器工具栏上的“激活（运行）”按钮，进入的实验主界面。 （5）鼠标左键点击实验项目“上水箱液位PID整定实验”，系统进入正常的测试状态，呈现的实验界面如下图所示。

  37. （6）对液位进行手动和自动控制操作。 （7）待液位平衡后，增加扰动，观察计算机记录的设定值、输出值和参数，以及此时液位的响应过程曲线。 （8）分别适量改变调节器的P及I参数，重复步骤6，通过实验界面下边的按钮切换观察计算机记录不同控制规律下系统的阶跃响应曲线。 （9）分别用P、PD、PID三种控制规律重复上述步骤，通过实验界面下边的按钮切换观察计算机记录不同控制规律下系统的阶跃响应曲线。

  38. 6、实验报告要求 （1）画出单容水箱液位定值控制实验的结构框图。 （2）用实验方法确定调节器的相关参数，写出整定过程。 （3）根据实验数据和曲线，分析系统在阶跃扰动作用下的静、 动态性能。 （4）比较不同PID参数对系统的性能产生的影响。 （5）分析P、PI、PD、PID四种控制规律对本实验系统的作用。 7、实验思考 （1）如果采用下水箱做实验，其响应曲线与上水箱的曲线有什 么异同？并分析差异原因。 （2）改变比例度δ和积分时间TI对系统的性能产生什么影响？

  39. 三、任务布置 以“上水箱液位PID整定实验”项目为基础，练习： （一）、Step7中硬件的组态和配置 （二）、WINCC中通讯建立和人机界面组态 （三）、完成上水箱液位PID整定实验 （四）、实现FCS系统的本地控制和远程控制

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