DCS和PLC设计与实现Word文档下载推荐.docx
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作为生产过程自动化领域的计算机控制系统，传统的DCS仅仅是一个狭义的概念。
如果以为DCS只是生产过程的自动化系统，那就会引出错误的结论，因为现在的计算机控制系统的含义已被大大扩展了，它不仅包括过去DCS中所包含的各种内容，还向下深入到了现场的每台测量设备、执行机构，向上发展到了生产管理，企业经营的方方面面。
传统意义上的DCS现在仅仅是指生产过程控制这一部分的自动化，而工业自动化系统的概念，则应定位到企业全面解决方案，即totalsolution的层次。
只有从这个角度上提出问题并解决问题，才能使计算机自动化真正起到其应有的作用。
DCS具有以下特点：
（1）高可靠性。
由于DCS将系统控制功能分散在各台计算机上实现，系统结构采用容错设计，因此某一台计算机出现的故障不会导致系统其他功能的丧失。
此外，由于系统中各台计算机所承担的任务比较单一，可以针对需要实现的功能采用具有特定结构和软件的专用计算机，从而使系统中每台计算机的可靠性也得到提高。
（2）开放性。
DCS采用开放式，标准化、模块化和系列化设计，系统中各台计算机采用局域网方式通信，实现信息传输，当需要改变或扩充系统功能时，可将新增计算机方便地连入系统通信网络或从网络中卸下，几乎不影响系统其他计算机的工作。
B）DCS单回路控制系统：
1.被控参数的选择
Ø
选取被控参数的一般原则为：
●选择对产品的产量和质量、安全生产、经济运行和环境保护具有决定性作用的，可直接测量的工艺参数为被控参数。
●当不能用直接参数作为被控参数时，应该选择一个与直接参数有单值函数关系的间接参数作为被控参数。
●被控参数必须具有足够大的灵敏度。
●被控参数的选择必须考虑工艺过程的合理性和所用仪表的性能。
2.控制参数的选择
需要正确选择控制参数、调节器调节规律和调节阀的特性。
当工艺上允许有几种控制参数可供选择时，可根据被控过程扰动通道和控制通道特性，对控制质量的影响作出合理的选择。
所队正确选择控制参数就是正确选择控制通道的问题。
✧扰动作用-----由扰动通道对过程的被控参数产生影响，力图使被控参数偏离给定性
✧控制作用-----由控制通道对过程的被控参数起主导影响，抵消扰动影响，以使被控参数尽力维持在给定值。
在生产过程有几个控制参数可供选择时，一般希望控制通道克服扰动的校正能力要强，动态响应要比扰动通道快。
可由过程静态特性的分析（扰动通道静态放大倍数Kf、控制通道静态放大倍数Ko）、过程扰动通道动态特性的分析（时间常数Tf、时延τf、扰动作用点位置）、过程控制通道动态特性的分析（时间常数To、时延τ（包括纯时延τ0、容量时延τc）、时间常数匹配）确定各参数选择原则。
根据过程特性选择控制参数的一般原则：
●控制通道参数选择：
选择过程控制通道的放大系数Ko要适当大一些，时间常数To要适当小一些。
纯时延τ0愈小愈好，在有纯时延τ0的情况下，τ0与To之比应小—些（小于1），若其比值过大，则不利于控制。
●扰动通道参数选择：
选择过程扰动通道的放大系数Kf应尽可能小。
时间常数Tf要大。
扰动引入系统的位置要远离控制过程（即靠近调节阀）。
容量时延τc愈大则有利于控制。
●时间常数匹配：
广义过程（包括调节阀和测量变送器）由几个一阶环节组成，在选择控制参数时，应尽量设法把几个时间常数错开，使其中一个时间常数比其他时间常数大得多，同时注意减小第二、第三个时间常数。
●注意工艺操作的合理性、经济性。
3.系统设计中的测量变送问题
被控参数的测量和变送必须迅速正确地反映其实际变化情况，为系统设计提供准确的控制依据。
测量和变送环节的描述：
参数选择原则：
减小Tm和τm均对提高系统的控制质量有利。
若Tm较大，则会使记录曲线与实际参数之间产生较大的动态误差。
从减小测量变送环节误差角度考虑，应减少仪表的量程，即增大Km。
系统设计测量和变送中涉及的问题：
●信号滤波
●信号处理
●纯时延问题
●测量时延问题
●信号传送时延问题：
信号传递时延将降低控制质量。
对比可采取以下改善措施：
i.若测量信号为电信号，可将转换器安装在仪表盘附近，以缩短气压信号的传送距离．
ii.若调节器输出为气压信号，可在50～60m距离间，装一继动器，提高气压信号的传输功率，以减小传递时间。
iii.若调节器输出为电信号，应将转换器安装在调节阀附近，或采用电气阀门定位器。
4.调节阀（执行器）的选择
调节阀类型的选择：
气动执行器和电动执行器
调节阀口径（Dg、dg）大小的选择：
主要依据是阀的流通能力。
正常工况下要求调节阀开度处于15％～85％之间。
调节阀气开、气关形式的选择：
主要以安全方面考虑。
调节阀流量特性的选择：
系统总的放大倍数尽可能保持不变，通常被控过程的特性是非线性的（一阶以上特性），而变送器、调节器（若比例作用时）和执行机构的放大系数是常数。
因此往往通过选择调节阀的流量特性来补偿被控过程特性的非线性，从而达到系统总放大倍数不变的目的。
5.调节器控制规律的选择
目的：
为了使调节器的特性与控制过程的特性能很好配合，使所设计的系统能满足生产工艺对控制质量指标的要求。
调节器PID控制规律对控制质量的影响：
●当广义过程的时间常数较大，纯时延较小时（即τ0／To很小），引入微分作用其效果良好。
此时各类调节器控制规律对控制质量的影响为：
比例积分微分（PID）作用最好，比例微分（PD）作用较好，比例（P）作用次之，比例积分（PI）作用较差。
●当过程控制通道时间常数较小，而负荷变化很快，引入微分和积分作用均要引起系统振荡，对控制质量的影响不利。
●当过程控制通道时延很大，负荷变化也很大时，单回路控制系统已不能满足工艺要求，需采用其他控制方案。
调节器控制规律的选择原则：
根据
比值选择控制规律：
●
时，选用比例或比例积分控制规律；
时，选用比例积分或比例积分微分控制规律；
时，单回路反馈控制系统已不能满足控制要求，应根据具体情况，采用其他控制方式。
根据过程特性选择控制规律：
●比例控制规律：
适用于控制通道滞后较小，时间常数不太大，扰动幅度较小，负荷变化不大，控制质量要求不高，允许有余差的场合。
如贮罐液位、塔釜液位的控制和不太重要的蒸汽压力的控制等。
●比例积分控制规律：
引入积分作用能消除余差。
适用于控制通道滞后小，负荷变化不太大，工艺上不允许有余差的场合，如流量或压力的控制。
●比例微分控制规律：
引入了微分，会有超前控制作用，能使系统的稳定性增加，最大偏差和余差减小，加快了控制过程，改善了控制质量。
适用于过程容量滞后较大的场合。
对于滞后很小和扰动作用频繁的系统，应尽可能避免使用微分作用。
●比例积分微分控制规律：
可以使系统获得较高的控制质量，它适用于容量滞后大、负荷变化大、控制质量要求较高的场合，如反应器、聚合釜的温度控制。
6.调节器正、反作用的确定
✧正作用-----指调节器的输出随着正偏差（指测量值大于设定值）的增加而增加，即调节器的输出随着测量值增大而增大。
✧反作用-----指调节器的输出随着正偏差的增加而减小，即调节器的输出随着测量值增大而减少。
调节器作用方向确定的原则：
应根据被控过程的特性及调节阀的气开、气关形式来正确选择，以使自动控制系统成为一个负反馈的闭环系统，即如果被控变量偏高，则控制作用应使之降低；
相反，如果被控变量偏低，则控制作用应使之升高。
控制作用对被控变量的影响应与扰动作用对被控变量的影响相反，才能使被控变量回到设定值。
控制系统各环节的极性的规定：
●正作用调节器：
即当系统的测量值增加时，调节器的输出亦增加，其静态放大系数Kc取负；
●反作用调节器：
即当系统的测量值增加时，调节器的输出减小，其静态放大系数Kc取正；
●气开式调节阀：
其静态放大系数Kv取正；
●气关式调节阀：
其静态放大系数Kv取负；
●正作用被控过程：
其静态放大系数K0取正；
●反作用被控过程：
其静态放大系数K0取负。
过程控制系统要能正常工作，则该系统的各个环节的极性（可用其静态放大系数表示）相乘必须为正。
变送器的静态放大系数Km通常为正极性，故只需调节器Kc、调节阀Kv和过程的K0极性相乘起来必须为正即可。
确定调节器正、反作用的次序过程：
●首先根据生产工艺安全等原则确定调节阀的气开气关形式；
●然后按被控过程特性，确定其正、反作用；
●最后根据上述组成该系统的开环传递函数各环节的静态放大系数极性相乘必须为正的原则来确定调节器的正、反作用方式。
二、PLC控制系统
PLC是可编程序逻辑控制器的英文缩写。
PLC控制系统就是依据PLC的功能实现特定的控制系统。
例如PLC控制多条皮带电机按逆料流方向启动，顺料流方向停止。
交通岗信号灯控制，饮料、食品打包机等中、小型PLC控制系统。
大型的有高炉上料、高速轧钢等控制系统。
主要用途是逻辑顺序控制。
可以完成模拟量、PLC之间、以太网、无线等方式的数据通讯传送多功能。
可以说现在大到工厂、小到机床、自动榨油机到处都可以看到PLC应用实例。
A）PLC控制系统设计原则与步骤
1.PLC控制系统设计的基本原则
PLC控制系统主要是实现被控对象的要求，提高生产效率和产品质量，其设计应遵循以下原则：
（1）最大限度地满足被控对象的控制要求。
设计前应深入现场进行调查研究，搜集资料，并拟定电气控制方案。
（2）在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用及维护方便。
（3）保证控制系统安全、可靠。
（4）考虑到生产的发展和工艺的改进，在选择PLC的容量时，应适当留有欲量。
分析控制要求
确定人机接口设备
PLC硬件系统设置
分配I/O点
设计制作控制柜，现场安装接线
设计梯形图程序写入、检查程序模拟调试
N
满足要求？
Y
现场总调试
N满足要求？
交付使用
2.PLC控制系统设计的步骤
PLC控制系统的设计过程如图所示
1.根据生产工艺过程分析控制要求
这一步是系统设计的基础，设计前应熟悉图样资料，深入调查研究，与工艺、机械方面的技术人员和现场操作人员密切配合，共同讨论，以解决设计中出现的问题。
应详细了解被控对象的全部功能，例如机械部件的动作顺序、动作条件、必要的保护与联锁，系统要求哪些工作方式（例如手动、自动、半自动等），设备内部机械、液压、气动、仪表、电气五大系统之间的关系，PLC与其他智能设备（例如别的PLC、计算机、变频器、工业电视、机器人）之间的关系，PLC是否需要通信联网，需要显示哪些数据及显示的方式，等等。
还应了解电源突然停电及紧急情况的处理以及安全电路的设计。
有时需要设置PLC之外的手动的或机电的联锁装置来防止危险的操作。
对于大型的复杂控制系统，需要考虑将系统分解为几个独立的部分，各部分分别单独的PLC或其他控制装置来控制，并考虑它们之间的通信方式。
1.选择和确定人机接口设备
I/O设备用于操作人员与PLC之间的信息交换，使用单台PLC的小型开关量控制系统一般用指示灯、报警器、按钮和操作开关来作人机接口。
PLC本身的数字输入和数字显示功能较差，可以用PLC的开关量I/O点来实现数字的输入和显示，但是占用的I/O点多，甚至还需要用户自制硬件。
为了实现小型PLC的低成本数据输入和显示，有的PLC厂家推出了价格便宜的产品。
三菱公司的FX1N-5DM文本显示器可以显示字符，显示内容可以用编程软件方便地设置，还可以用FX1N-5DM来修改用户程序中的变量。
对于要求较高的大中型控制系统，可以选用较高档的操作员接口，有的只能显示字符，有的可以显示单色或彩色的图形，有的带有触摸键功能，这类产品可以用于工业现场，工作可靠，它们还有专用的组态软件，可以方便地生成各种画面，但是价格较高。
也可以用计算机来作人机接口，普通台式机价格便宜，一般在控制室内使用。
如果要求将计算机安装在现场的控制屏内，一般选用价格较高的工业控制计算机，显示器一般带触摸功能。
上位计算机的程序可以用VC、VB等软件来开发，也可以用组态软件来生成。
用组态软件可以很容易地实现计算机与现场工业设备（例如PLC）的通信，并生成用户需要的有动画功能的各种人机接口画面，且其入门也很容易。
但是组态软件的价格较高，一套软件只能在一个系统中使用。
3.选择PLC的型号
4分配PLC的I/O点并设计I/O接线图
5.进行PLC程序设计（见第7章），同时进行控制台（柜）的设计和现场施工
6.联机统调
强电设备的现场安装布线完成后，就可进行联机统调。
待全部调试结束，可将程序固化在EPROM中。
然后编制好技术文件，包括操作使用说明书、系统电气原理图以及应用程序等文件资料。
最后交付使用。
二、PLC机型选择
PLC控制系统的结构包括PLC和输入、输出设备。
完成系统的设计主要是指PLC的选型和程序设计。
由于PLC应用在不同场合时有不同的工艺流程，对控制功能也有不同的要求，而且程序的难易程度不定，因此很难有一种固定的机型选择标准。
PLC选型的基本原则是：
所选的PLC应能够满足控制系统的功能需要。
一般从系统功能，PLC的物理结构、指令和编程方式，PLC的存储容量和响应时间，通信联网功能等方面进行综合考虑。
机型选择的基本原则是在功能满足要求的情况下，保证系统可靠、维护使用方便以及最佳的性价比。
1.PLC结构的选择
在相同功能和相同I/O点数的情况下，整体式PLC比模块式PLC价格低。
模块式具有功能扩展灵活、维修方便、容易判断故障等优点，用户应根据需要选择PLC的结构形式。
2.PLC输出方式的选择
不同的负载对PLC的输出方式有相应的要求。
继电器输出型的PLC工作电压范围广，触电的导通压降小，承受瞬时过电压和瞬时过电流的能力较强，但是动作速度较慢，触点寿命（动作次数）有一定的限制。
如果系统的输出信号变化不是很频繁，建议优先选用继电器输出型的PLC。
晶体管型与双向晶闸管型输出模块分别用于直流负载和交流负载。
它们的可靠性高，反应速度快，不受动作次数的限制，但是过载能力稍差。
例如，频繁通断的感性负载应选用晶体管或晶闸管输出型。
而不应选用继电器输出型。
3.I/O响应时间的选择
PLC的响应时间包括输入滤波时间、输出电路的延迟和扫描周期引起的时间延迟。
PLC的程序扫描方式决定了它不能可靠地接受持续时间小于扫描周期的输入信号。
为此，需要选取扫描速度高的PLC来提高对输入信号接收的准确性。
扫描速度是用执行指令所需要的时间来估算的，单位为ms/千步，大多数PLC的性能指标中都给出了扫描速度的具体数据。
PLC的I/O响应时间一般都能满足实际工程控制的要求，可不必考虑I/O响应的时间问题。
对于快速实时控制，如高速线材等速度控制可选择运行速度快的CPU、功能强的大型PLC或高速网络来满足信息快速交换的要求。
4.联网通信的选择
若PLC控制系统需要联入工厂自动化网络，则所选用的PLC需要有通信联网功能，即要求PLC应具有连接其他PLC、上位计算机及CRT等接口的能力。
大、中型机都有通信功能。
5.PLC电源的选择
电源是PLC干扰引入的主要途径之一，因此应选择优质电源以助于提高PLC控制系统的可靠性。
一般可选用畸变较小的稳压器或带有隔离变压器的电源，使用直流电源时要选用桥式全波整流电源。
对于供电不正常或电压波动较大的情况，可考虑采用不间断电源UPS或稳压电源供电。
对于输入出点的供电可使用PLC本身提供的电源，如果负载电流过大，也可采用外设电源供电。
6.I/O点数及I/O接口设备的选择
根据控制系统所需要的输入设备（如按钮、限位开关、转换开关等）、输出设备（如接触器、电磁阀、信号灯等）以及A/D、D/A转换的个数来确定PLC的I/O点数。
再按实际所需总点数的15%留有一定的欲量，以满足今后生产的发展或工艺的改进。
数字量输入模块的输入电压一般为DC24V或AC220V。
直流输入电路的延迟时间较短，可以直接与接近开关、光电开关和编码器等电子输入装置连接。
交流输入方式适合于在有油雾、粉尘的恶劣环境下使用。
进行I/O接口设备选择时应考虑负载电压的种类和大小、系统对延迟时间的要求、负载状态变化是否频繁等。
例如相对于电阻负载，输出模块驱动电感性负载和白炽灯时的负载能力将会降低。
选择I/O接口设备时还需要考虑下面的问题：
（1）输入模块的输入电路应与外部传感器或电子设备（例如变频器）的输出电路的
类型相配合，最好能使二者直接相连。
例如有的PLC的输入设备模块只能与NPN管集电极开路输出的传感器直接相连，如果选用NPN管发射极输出的传感器，需要在二者之间增加转换电路。
（2）选择模拟量模块时应考虑使用变送器以及执行机构的量程是否能与PLC的模拟量输入/输出模块的量程匹配。
模拟量模块的A/D、D/A转换器的位数反映了模块的分辨率，12位的分辨率较高。
模拟量模块的转换时间反映了模块的工作速度。
（3）使用旋转编码器时，应考虑PLC的高速计数器功能和工作频率是否能满足要求。
7．存储容量的选择
PLC程序存储器的容量通常以字或步为单位，用户程序存储器的容量可以做粗略的估计。
一般情况下用户程序所需的存储器容量可按照如下经验公式计算：
程序容量=KX总输入点数/总输出点数
对于简单的控制系统，k=6；
若为普通系统，k=8；
若为较复杂系统，K=10；
若为复杂系统，则K=12。
在选择内存储容量时同样应留有裕量，一般是运行程序的25%。
不应单纯追求大容量，在大多数情况下，满足I/O点数的PLC，内存容量也能满足。
此外，应提高编程技巧，合理使用基本的功能、控制、比较指令以及某些高级指令，从而大大缩短语句，节省内存空间。
一个企业应尽量选用同一类型PLC机型，其好处有：
同一机型PLC的模块可互为备用，便于备品备件的采购管理；
同一机型PLC的功能、编程方法相同，有利于技术人员的培训和技术水平的提高；
同一机型PLC，其外围设备通用资源共享，易于联网通信。
随着PLC功能的日益完善，很小机型已具有大、中型机的功能。
对于PLC的功能选择，一般只要满足Ｉ/Ｏ点数，大多数机型也能满足其他功能。
目前大多数PLC都具有扩展模块、A/D和D/A转换模块以及高级指令、中断能力及外设通信的能力。
C）硬件和软件的设计与调试
1．系统硬件设计与组态
（1）首先给各输入、输出变量分配地址。
应为梯形图中变量的地址与PLC的外部接线端子号是一致的，这一步为绘制硬件接线图做好了准备，也为梯形图的设计做好了准备。
（2）画出PLC的外部硬件接线图以及其他电气原理图和接线图。
（3）画出操作站和控制柜面板的机械布置图和内部的机械安装图。
2.软件设计
软件设计包括设计系统的初始化程序、主程序、子程序、中断程序、故障应急措施和辅助程序等，小型开关量控制程序一般只有主程序。
首先应根据总体要求和控制系统的具体情况确定用户程序的基本结构，画出程序流程图或开关量系统的顺序功能图。
它们是编程的主要依据，应尽可能的准确和详细。
较简单的系统的梯形图可以用经验法设计，而复杂的系统一般应顺序控制设计法设计。
画出系统的顺序功能图后，再根据它设计梯形图程序，有的编程可以直接用顺序功能图语言来编程。
在编程软件中，可以给用户程序中的各个变量命名，变量名称可以在程序中显示，以便于程序的阅读和调试，变量名称的定义应简短且易于理解。
3.软件的模拟调试
设计好用户程序后，一般先作模拟调试。
用PLC的硬件来调试程序时，用接在输入端的小开关或按钮来模拟PLC实际的输入信号，比如用它们发出操作指令，或在适当的时候用它们来模拟实际的反馈信号，例如限位开关触点的接通和断开。
通过输出模块上各输出点对应的发光二极管，观察输出信号是否满足设计的要求。
调试顺序控制程序的主要任务是检查程序的运行是否符合顺序功能图的规定，即在转换实现的两个条件都满足时，该转换所有的前级步是否变为不活动步，所有的后续步是否变为活动步，以及各步被驱动的负载是否发生相应的变化。
在调节时应充分考虑各种可能的情况
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