监控控制系统论文.docx
《监控控制系统论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《监控控制系统论文.docx（25页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
监控控制系统论文
摘要
该污水坑水位控制系统设计基于PLC抽象与自动监控技术正在成熟。
PLC的应用日益广泛。
本文介绍了污水处理智能监测与控制系统，包括PLC编程控制问题，计算机监控系统，上层与下层的计算机通信系统的设计，并介绍了其硬件配置和软件实现。
在这个系统中，采用西门子S7-200PLC的控制开始和停止pumps.Using跳水的高稳定和良好的抗amming性能工业个人计算机作为上位机，WinCC的软件，这也是aproduct西门子（IPC）的，是用来配置监管软件，以便DSP实现UsingDSP的实时数据记录，监督和控制，以及variousvisual如工艺流，检查记录，报警，报告，参数setaing，实时曲线。
关键词：
污水处理；PLC；智能监控
目录
摘要I
第一章概述1
1.1控制系统的监控的意义1
1.2系统监控在国内外技术研究现状1
1.3监控系统的概述2
第二章控制系统简述3
2.1PLC的结构和工作原理3
2.2STEP软件简介6
第三章控制系统硬件选择和程序设计11
3.1现场控制系统硬件分析选择11
3.1.1PLC的选择11
3.1.2控制系统设计11
3.2上位机的选型12
3.1控制系统的自动控制方式工作过程13
第四章WINCC组态软件的概述14
4.1WINCC组态软件14
4.2WINCC在污水坑水位控制中的具体应用15
4.2.1创建污水处理项目15
4.2.2建立WinCC与SIMATICSTEP7PLC的通讯15
4.2.3建立标签17
4.2.4编辑工艺流程画面17
4.2.5数据查询18
4.2.6报警及报表19
4.2.7参数设置19
4.2.8设置用户权限20
4.2.9设置运行环境20
第五章结论21
致谢22
参考文献23
第一章概述
1.1控制系统的监控的意义
控制系统不仅有监控和数据采集（SCADA）功能，而且有组态、开发和开放功能。
控制系统是伴随着计算机技术、DCS和PLC等工业控制技术的突飞猛进而发展起来的。
随着个人计算机（PC）的普及和开放系统的推广，基于PC的监控组态软件在工业控制领域不断发展壮大。
控制系统广泛运用于工业、农业、楼宇和办公等领域的自动化系统。
随着计算机硬件和软件技术的发展，自动化产品呈现出小型化、网络化、PC化、开放式和低成本的发展趋势，并逐渐形成了各种标准的硬件、软件和网络结构系统。
控制系统中的监控组态软件已经成为其中的桥梁和纽带，是自动化系统集成中不可缺少的关键组成部分。
工业控制组态软件是可以从可编程控制器、各种数据采集卡等现场设备中实时采集数据，发出控制命令并监控系统运行是否正常的一种软件包，组态软件能充分利用Windows强大的图形编辑功能，以动画方式显示监控设备的运行状态，方便地构成监控画面和实现控制功能，并可以生成报表、历史数据库等，为工业监控软件开发提供了便利的软件开发平台，从整体上提高了工控软件的质量。
它具有功能完备、方便直观、降低成本等特点。
1.2系统监控在国内外技术研究现状
系统监控具有广泛的应用前景和潜在的经济价值，从而激发了世界上广大科工作者及相关人士的浓厚兴趣，尤其在美国、英国等国家已经开展了大量相关项目的研究。
例如，1997年美国国防高级研究项目署（DefenseAdvancedResearchProjeCtSAgency）设立了视觉监控重大项目VSAM主要研究用于战场及普通民用场景进行监控的自动视频理解技术。
实时视觉监控系统不仅能够定位人和分割出人的身体部分，而且通过建立外观模型来实现多人的跟踪，并可以检测人是否携带物体等简单行为。
英国的雷丁大学（UniversityofReading）己开展了对车辆和行人的跟踪及其交互作用识别的相关研究;国际上很多权威期刊将智能监控中人的运动分析研究作为主题内容之一，为该领域的研究人员提供了更多的交流机会。
在我国，这方面的研究近几年才开展起来的。
中国科学院自动化研究所模式识别国家重点实验室己经成立智能视觉监控研究组，开展这方面的研究，目标是实现一个动态场景集成分析演示系统并最终推向实用。
第一届全国智能视觉监控学术会议于2002年5月25一26日在北京市西郊宾馆成功举行。
国内有一些视频监控方面的产品，如黄金眼、行者猫王等，应用于交通控制，监狱管理等方面。
另外，国内产品还有数字硬盘录像系统（DVR），将监控区域内有运动对象出现的情况录制下来，以备查询，该系统只是简单的检测出有无运动对象，而没有对运动对象做任何分析。
由于国内的研究起步较晚，技术还不够完善，开发出的产品距离智能化还有一定差距，在实际的应用中，受到很多限制，还有待于进一步的完善。
1.3监控系统的概述
水位监测点实施控制操作从而实现对水位的监控和数据采集。
PLC控制具有完善的故障保护功能，出现故障后有相应的声光报警，并在触摸屏上显示出相应的故障信息，故障处理完毕后报警自动消失。
第二章控制系统简述
2.1PLC的结构和工作原理
PLC系统组成及各部分的功能
1．CPU运算和控制中心
起“心脏”作用。
纵：
当从编程器输入的程序存入到用户程序存储器中，然后CPU根据系统所赋予的功能（系统程序存储器的解释编译程序），把用户程序翻译成PLC内部所认可的用户编译程序。
横：
输入状态和输入信息从输入接口输进，CPU将之存入工作数据存储器中或输入映象寄存器。
然后由CPU把数据和程序有机地结合在一起。
把结果存入输出映象寄存器或工作数据存储器中，然后输出到输出接口、控制外部驱动器。
组成：
CPU由控制器、运算器和寄存器组成。
这些电路集成在一个芯片上。
CPU通过地址总线、数据总线与I/O接口电路相连接。
2．存储器
具有记忆功能的半导体电路。
分为系统程序存储器和用户存储器。
系统程序存储器用以存放系统程序，包括管理程序，监控程序以及对用户程序做编译处理的解释编译程序。
由只读存储器、ROM组成。
厂家使用的，内容不可更改，断电不消失。
用户存储器：
分为用户程序存储区和工作数据存储区。
由随机存取存储器（RAM）组成。
用户使用的。
断电内容消失。
常用高效的锂电池作为后备电源，寿命一般为3~5年。
3．输入/输出接口
（1）输入接口：
光电耦合器由两个发光二极度管和光电三极管组成。
发光二级管：
在光电耦合器的输入端加上变化的电信号，发光二极管就产生与输入信号变化规律相同的光信号。
光电三级管：
在光信号的照射下导通，导通程度与光信号的强弱有关。
在光电耦合器的线性工作区内，输出信号与输入信号有线性关系。
输入接口电路工作过程：
当开关合上，二极管发光，然后三极管在光的照射下导通，向内部电路输入信号。
当开关断开，二极管不发光，三极管不导通。
向内部电路输入信号。
也就是通过输入接口电路把外部的开关信号转化成PLC内部所能接受的数字信号。
（2）输出接口
PLC的继电器输出接口电路
工作过程：
当内部电路输出数字信号1，有电流流过，继电器线圈有电流，然后常开触点闭合，提供负载导通的电流和电压。
当内部电路输出数字信号0，则没有电流流过，继电器线圈没有电流，然后常开触点断开，断开负载的电流或电压。
也就是通过输出接口电路把内部的数字电路化成一种信号使负载动作或不动作。
三种类型：
继电器输出：
有触点、寿命短、频率低、交直流负载
晶体管输出：
无触点、寿命长、直流负载
晶闸管输出：
无触点、寿命长、交流负载
4．编程器
编程器分为两种，一种是手持编程器，方便。
我们实验室使用的就是手持编程器。
二种是通过PLC的RS232口。
与计算机相连。
然后敲击键盘。
通过NSTP-GR软件（或WINDOWS下软件）向PLC内部输入程序。
PLC的基本工作原理
一．PLC采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式
1．每次扫描过程。
集中对输入信号进行采样。
集中对输出信号进行刷新。
2．输入刷新过程。
当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有新状态，新状态不能被读入。
只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入。
3．一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。
4．元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。
5．扫描周期的长短由三条决定。
（1）CPU执行指令的速度
（2）指令本身占有的时间（3）指令条数
6．由于采用集中采样。
集中输出的方式。
存在输入/输出滞后的现象，即输入/输出响应延迟。
二．PLC与继电器控制系统、微机区别
1．PLC与继电器控制系统区别
前者工作方式是“串行”，后者工作方式是“并行”。
前者用“软件”，后者用“硬件”。
2．PLC与微机区别
前者工作方式是“循环扫描”。
后者工作方式是“待命或中断”
PLC编程方式
PLC最突出的优点采用“软继电器”代替“硬继电器”。
用“软件编程逻辑”代替“硬件布线逻辑”。
PLC编程语言有梯形图、布尔助记符语言，等等。
尤其前两者为常用。
梯形图语言特点：
1．每个梯形图由多个梯级组成。
2．梯形图中左右两边的竖线表示假想的逻辑电源。
当某一梯级的逻辑运算结果为“1”时，有假想的电流通过。
3．继电器线圈只能出现一次，而它的常开、常闭触点可以出现无数次。
4．每一梯级的运算结果，立即被后面的梯级所利用。
5．输入继电器受外部信号控制。
只出现触点，不出现线圈。
第四节主要技术性能
用户程序存储容量：
是衡量可存储用户应用程序多少的指标。
通常以字或K字为单位。
16位二进制数为一个字，每1024个字为1K字。
PLC以字为单位存储指令和数据。
一般的逻辑操作指令每条占1个字。
定时/计数，移位指令占2个字。
数据操作指令占2~4个字。
每五节PLC的分类
按结构分类：
1．整体式：
是把PLC各组成部分安装在一起或少数几块印刷电路板上，并连同电源一起装在机壳内形成一个单一的整体，称之为主机或基本单元、小型、超小型PLC采用这种结构。
2．模块式：
是把PLC各基本组成做成独立的模块。
中型、大型PLC采用这种方式。
便于维修。
2.2STEP软件简介
STEP的工业软件分为三个不同的种类：
（1）编程和工程工具编程和工程工具包括所有基于PLC或PC用于编程、组态、模拟和维护等控制所需的工具。
STEP7标准软件包SIMATICS7是用于S7-300/400，C7PLC和SIMATICWinAC基于PC控制产品的组态编程和维护的项目管理工具，STEP7-Micro/WIN是在Windows平台上运行的S7-200系列PLC的编程、在线仿真软件。
（2）基于PC的控制软件基于PC的控制系统WinAC允许使用个人计算机作为可编程序控制器（PLC）运行用户的程序，运行在安装了WindowsNT4.0操作系统的SIMATIC工控机或其它任何商用机。
WinAC提供两种PLC，一种是软件PLC，在用户计算机上作为视窗任务运行。
另一种是插槽PLC（在用户计算机上安装一个PC卡），它具有硬件PLC的全部功能。
WinAC与SIMATICS7系列处理器完全兼容，其编程采用统一的SIMATIC编程工具（如STEP7），编制的程序既可运行在WinAC上，也可运行在S7系列处理器上。
（3）人机界面软件人机界面软件为用户自动化项目提供人机界面（HMI）或SCADA系统，支持大范围的平台。
人机界面软件有两种，一种是应用于机器级的ProTool，另一种是应用于监控级的WinCC。
ProTool适用于大部分HMI硬件的组态，从操作员面板到标准PC都可以用集成在STEP7中的ProTool有效地完成组态。
ProTool/lite用于文本显示的组态，如：
OP3，OP7，OP17，TD17等。
ProTool/Pro用于组态标准PC和所有西门子HMI产品，ProTool/Pro不只是组态软件，其运行版也用于Windows平台的监控系统。
WinCC是一个真正开放的，面向监控与数据采集的SCADA（SupervisoryControlandDataAcquisition）软件，可在任何标准PC上运行。
WinCC操作简单，系统可靠性高，与STEP7功能集成，可直接进入PLC的硬件故障系统，节省项目开发时间。
它的设计适合于广泛的应用，可以连接到已存在的自动化环境中，有大量的通信接口和全面的过程信息和数据处理能力，其最新的WinCC5.0支持在办公室通过IE浏览器动态监控生产过程。
下面以S7－200PLC编程软件STEP7-Micro/WIN举例说明
一、选型型号
系列号
类别
产品图片
描述
选型型号
810
S7-200系列PLC编程软件STEP7-Micro/WINV3.2
软件桌面标识
用于S7-200PLC程序的编程组态。
版本：
V3.2
操作系统环境：
WindowsNT/2000/XP
6ES7810-2BC02-0YX0
810
S7-200系列PLC编程软件STEP7-Micro/WINV4.0
软件桌面标识
用于S7-200PLC程序的编程组态。
版本：
V4.0
操作系统环境：
WindowsNT/2000/XP
6ES7810-2CC03-0YX0
二、STEP7-Micro/WIN编程软件性能
软件界面
STEP7-Micro/WIN编程软件为用户开发、编辑和监控自己的应用程序提供了良好的编程环境。
1.基本功能：
STEP7-Micro/WIN是在Windows平台上运行的SIMATICS7-200PLC编程软件，简单、易学，能够解决复杂的自动化任务。
适用于所有SIMATICS7-200PLC机型软件编程。
支持IL、LAD、FBD三种编程语言，可以在三者之间随时切换。
具有密码保护功能。
STEP7-Micro/WIN提供软件工具帮助您调试和测试您的程序。
这些特征包括：
监视S7-200正在执行的用户程序状态，为S7-200指定运行程序的扫描次数，强制变量值等。
指令向导功能：
PID自整定界面；PLC内置脉冲串输出（PTO）和脉宽调制（PWM）指令向导；数据记录向导；配方向导。
支持TD200和TD200C文本显示界面（TD200向导）。
2.其他功能：
（1）运动控制
S7-200提供有开环运动控制的三种方式：
脉宽调制（PWM）-内置于S7-200，用于速度、位置或占空比控制。
脉冲串输出（PTO）-内置于S7-200，用于速度和位置控制。
EM253位控模块-用于速度和位置控制的附加模块。
为了简化您应用程序中位控功能的使用，STEP7-Micro/WIN提供的位控向导可以帮助您在几分钟内全部完成PWM、PTO或位控模块的组态。
该向导可以生成位控指令，您可以用这些指令在您的应用程序中对速度和位置进行动态控制。
对于位控模块，STEP7-Micro/WIN还提供了一个控制面板，可以控制、监视和测试您的运动操作。
（2）创建调制解调模块程序
使用EM241调制解调模块可以将S7-200直接连到一个模拟电话线上，并且支持S7-200与STEP7-Micro/WIN的通讯。
该调制解调模块还支持Modbus从站RTU协议，该模块与S7-200之间的通讯通过扩展I/O总线实现。
STEP7-Micro/WIN提供一个调制解调扩展向导，它可以帮助您设置一个远端的调制解调器，或者设置将S7-200连向远端设备的调制解调模块。
（3）USS协议库
STEP7-Micro/WIN指令库，该指令库包括预先组态好的子程序和中断程序，这些子程序和中断程序都是专门为通过USS协议与驱动通讯而设计的。
通过USS指令，您可以控制这个物理驱动，并读/写驱动参数。
可以在STEP7-Micro/WIN指令树的库文件夹中找到这些指令。
当您选择一个USS指令时，系统会自动增加一个或多个相关的子程序（USS1到USS7）。
西门子库在一张单独的CD上出售，STEP7-Micro/WIN附加件：
指令库，订货号是6ES7830-2BC00-0YX0。
在定购和安装了1.1版本的西门子库后，任何后续STEP7-Micro/WINV3.2x和V4.0升级都会在不需要附加费用的情况下自动升级您的库（当增加或修改库时）。
（3）Modbus从站协议指令
STEP7-Micro/WIN指令库包含有专门为Modbus通讯设计的预先定义的子程序和中断服务程序，使得与Modbus主站的通讯简单易行。
使用Modbus从站协议指令，您可以将S7-200组态作为ModbusRTU从站，与Modbus主站通讯。
可以在STEP7-Micro/WIN指令树的库文件夹中找到这些指令。
通过这些新指令，可以将S7-200作为Modbus从站。
当选择一个Modbus从站指令时，会有一个或多个相关的子程序自动添加到您的项目中。
西门子库在一张单独的光盘上出售，STEP7-Micro/WIN附加件：
指令库，订货号为6ES7830-2BC00-0YX0。
在定购和安装了1.1版本的西门子库后，任何后续的STEP7-Micro/WINV3.2x和V4.0升级都会在不需要附加费用的情况下自动升级您的库（当增加或修改库时）。
（4）使用配方
STEP7-Micro/Win软件中提供了配方向导程序来帮助您组织配方和定义配方。
配方存在存储卡中，而不是PLC中。
STEP7-Micro/WIN软件和S7-200PLC已经支持配方功能。
STEP7-Micro/Win软件中提供了配方向导程序来帮助您组织配方和定义配方。
所有配方存在存储卡中。
因此，为了使用配方功能，必须要在PLC中插入一块64K或者256K的存储卡。
要查阅关于存储卡的更多信息。
（5）使用数据归档
STEP7-Micro/Win提供数据归档向导，将过程测量数据存入存储卡中。
将过程数据移入存储卡可以节省V存储区的地址空间，否则这些数据将储存在V存储区中。
（6）PID自整定和PID整定控制面板
S7-200PLC已经支持PID自整定功能，STEP7-Micro/WIN中也添加了PID整定控制面板。
这就大大增强了S7-200PLC的功能，并且使这一功能的使用变得更加容易。
可以使用操作员面板中的用户程序或者PID整定控制面板来启动自整定功能。
在同一时间，不仅仅只有一个PID回路可以进行自整定，如果需要的话，所有8个PID回路可以同时进行自整定。
PID自整定算法向您推荐增益值、积分时间值和微分时间值。
您也可以为您的调节回路选择快速响应、中速响应、慢速响应或者极慢速响应等调节类型。
用PID整定控制面板，您可以启动自整定过程，取消自整定过程和在图表中监视结果。
控制面板会显示所有可能发生的错误和警告信息。
它也允许您将自整定后得到的增益值、积分时间值和微分时间值应用到实际控制中去。
第三章控制系统硬件选择和程序设计
3.1现场控制系统硬件分析选择
现场控制系统由可编程控制器（PLC）以及测量、执行机构组成，完成对设备的自接控制。
在进行PLC的选择前，首先应该对被控对象和生产过程以及PLC的上作环境有深入的了解，明确控制要求，确定控制输入、输出点数。
3.1.1PLC的选择
PLC作为系统“自接控制级”的主要设备，它的性能配置对整个系统至关重要。
PLC容量的选择包括两个方面:
一是I/O点数:
二是用户程序存储器容量。
在设计选型时，不仅要满足当前控制系统的要求，还要考虑到以后的生产过程.可能变化及.可靠性的要求，I/O点数一般预留10%到15%的余量。
用户程序存储器量的估算与许多因素有关，例如I/O点数、运算处理量、控制要求、程序结构等。
一般以下列公式粗略估算：
1）开关量I/O点所需存储量=I/O点数x8
2）模拟量所需存储器字数，模拟量路数x12
整个除灰系统的被控对象较多，而控制系统不需要很复杂的指令系统，但需要接入传感器的模拟量信号，另外还需要PLC和计算机进行通信，根据这些具体的控制要求，可选用适合的PLC以及相关扩展模块[9]。
3.1.2控制系统设计
冷轧硅钢厂污水坑30KW泵站有4台30KW潜水泵，由1台小型PLC作为逻辑管理，电动机由接触器直接起停，水位由4个浮球水位开关检测，电动机的保护由电源侧自动开关作为过流保护、电动机侧热继电器作为过负载保护、电机上安装有热元件作为潜水泵温度报警、潜水泵安装有泄漏、渗漏保护装置作为潜水泵泄漏、渗漏报警等构成；操作方式分为自动方式和手动方式。
每个泵站安装有1台STEP7-200PLC，利用PROFIBUSDP网络与原上位机系统进行通讯。
每个泵站均有4台潜水泵，设计为3用1备的循环工作方式，潜水泵的操作分为手动和自动两种方式，两种操作方式的选择由控制柜上的“自动/手动”转换开关实现。
主接触器为直接上电方式，即系统在无故障情况下，上电主接触器吸合，发生故障时，主接触器跳闸。
（1）手动方式；将控制柜柜门上的“远程-自动/本地-手动”转换开关打到“本地-手动”位置，STEP7-200PLC将潜水泵的操作切换到控制柜柜门上的按钮和电位计，这时，就可以使用控制柜上的启动、停止按钮和电位计对没有故障的潜水泵进行任意启动、停止，在控制柜柜门上安装的仪表和指示灯、上位机系统操作画面中指示系统工作的各种状态。
（2）自动方式：
将控制柜柜门上的方式选择转换开关打到“远程-自动”位置，并且将操作画面中的方式选择开关切换到“自动”方式，这时整个系统进入自动工作状态，潜水泵的启动、停止以及工作频率完全由STEP7-200的软件根据4个浮球式水位开关检测到的水位高低进行控制。
4个浮球水位开关设置为4个水位检测点，即低位、中位、高位和超高位，其中低位为正常水位点，也就是潜水泵的停止工作点；中位为第一台潜水泵的启动点，也是第二台潜水泵的频率改变点；高位是第二台潜水泵的启动点，也是第三台潜水泵的频率改变点；超高位是上限报警点，也是第三台潜水泵的启动点。
当三台潜水泵同时以50Hz的频率工作时，完全可以控制水位，使水位下降，让系统停止报警。
4台潜水泵每一轮次工作（每次水位到达中位以上）均为3用1备，即第一轮次为1#、2#、3#潜水泵投入工作，4#备用，第二轮次为2#、3#、4#投入工作，1#备用，依次循环；如果某台水泵有故障，则这台水泵在故障没有排除前均为备用：
（1）当检测到水位到达中位时，将第一台潜水泵以50Hz频率投入运行，水位上升到高位，第二台潜水泵以50Hz频率投入运行，水位上升到超高位，第三台潜水泵以50Hz频率投入运行。
（2）当水位下降到高位以下时，第三台潜水泵频率降为25Hz，当水位下降到中位以下时，第二台潜水泵频率降到25Hz，当水位下降到低位以下时，水泵停止工作。
3.2上位机的选型
上位机软件首先能够方便、可靠、及时地与PLC进行通讯。
其次，必须有良
好的人机界面，以方便运行人员操作、监控和维护。
再者，软件要包含强大的组
态功能，具有充分的适应性与灵活性，可以由用户根据现场需要来修改、扩充;
当现场条件变化后，软件必须要由开发单位来进行修改的话，那这就不是一套完
整的、软件功能健全的监测系统。
最后，软件必须能够方便、快捷到对数据库进
行操作，进行查询和报表处理。
总体上，软件的选择能考虑到编程方便性也要考虑经济性和运行稳定性。
在本系统中安排了个人计算机替代上控机，其优点是安全可靠且价格低廉。
个人计算机具有较强的数据处理功能，可配备多种高级语言，另外Microsoft中文WindowsXP操作系统提供了优良的软件平台，能够开发各种应用系统，特别是动态画面显示等。
个人计算机在过程控制层主要起监测控制单元和生产数据的作
升级会员 