毕业设计70大型泵站计算机控制系统毕业设计.docx
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毕业设计70大型泵站计算机控制系统毕业设计
第一章引言
1.1概述
近年来，计算机技术得到了突飞猛进的发展。
特别是微机己经渗透到人们生活生产的各个领域，小至家用电器的控制，大到人造地球卫星的发射，到处可以看到计算机在发挥作用。
今天，许多以计算机为基础的监测与控制系统正在控制着各种各样的生产过程。
我国的一些主要行业，如石化、电力、冶金等已大量使用计算机监控系统，它可以对现场的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能。
在组态概念出现之前，要实现这些任务，都是通过编写程序（如使用BASIC、C、FORTRAN等）来实现的。
编写程序不但工作量大、周期长，而且容易犯错误，不能保证工期。
组态软件的出现，解决了这个问题。
对于过去需要几个月的工作，通过组态几天就可以完成。
本文利用组态软件和PLC解决了大型泵站计算机的监控问题，方便有效的实现了泵站的自动化监控。
1.2国内外现状
我国水利系统计算机监控系统的应用由于多种原因尚处于起步阶段。
随着计算机技术的进步，目前越来越多的单位对泵站监控自动化技术进行研究，近几年来全国许多泵站工程，都将计算机监控系统纳入提高泵站自动化水平的重要措施之一，但这些计算机监控系统大多没有真正充分发挥应有的作用。
多年来，由于泵站运行产生的是社会效益，其经济效益一直未被重视。
技术改造及资金投入十分有限，微机监控起步较晚，与国外同行业相比仍有较大差距。
目前经过长期运行考验的泵站计算机监控系统是常规系统和与计算机监控系统并存，且计算机监控系统只能完成数据监测和处理，而未能做到计算机控制和调节泵组。
大多数泵站采用继电器逻辑控制、独立的检测装置或仪表，这样运行方式落后，存在的问题主要有：
（1）信息处理能力差，软件开发跟不上，许多应有的功能不能实现。
（2）故障追忆能力较差。
事故发生后，由于信息量不足往往难以对事故原因做出正确的分析。
（3）控制可靠性不高。
各控制之间有时不能进行可靠的安全闭锁，不能完全避免操作员的操作错误。
（4）不能进行复杂的计算，难以实现复杂控制，无法进行优化调度运行。
（5）不能进行远程控制，对于梯级泵站无法进行联合调度运行。
（6）系统开放性差，升级困难，系统结构不合理。
国外不少泵站微机监控系统的发展比较成熟，泵站自动化水平比较高。
如日本水管理系统几乎全部实现了计算机自动监控，微机监控系统大多采用分层分布
式结构。
一般在一个水系设一个中央管理站，各个泵站、水工建筑物、渠道等设置分站，各个分站根据需要设置若干个现场单元，各层次之间通过网络通讯交换
信息。
由于可靠性高，不少泵站己实现“少人值守，无人值守，如新川河口装有6台贯流式轴流泵，该站的主机以及辅机均由中央控制室远距离操作。
为保证新川河口水位稳定在设计范围内，现场控制单元可自动地根据上下游水位开启或关闭自动排水闸，自动起动或停止主机组的运行并自动调节水泵叶片角度，选择机组运行台数，以上对象也可在中央控制室操作。
目前随着技术的发展我国的泵站自动化正从单个对象的自动控制到整个机组的自动控制，从强电就地控制到弱电集中控制，从单个泵站的自动化到采用远动装置的泵站群综合自动化，从计算机集中控制到集散控制的发展过程，以及随着自动化程度的进一步提高，向少人值守或无人值守泵站发展。
它将自动化技术、通信技术、故障诊断技术和冗余技术等融为一体，其硬件和软件采用开放式和模块式设计，具有结构简单、可靠性高、适应性强、组态灵活、使用方便等优点。
本设计就大型泵站计算机控制在ACC（轧后加速冷却）循环水系统中的应用做了具体介绍。
1.3计算机控制系统发展概况
在计算机被应用于生产过程控制之前，过程控制经历了基地式调节器、单元组合仪表、组件组装式仪表三个发展阶段，其控制功能不断提高。
它们的控制方式是按对象进行分散的单回路调节，具有成本低、可靠性高及维护性能好等优点。
电动式仪表的出现，方便了信号的传输和处理，使信号的远距离传输成为可能，实现了把调节器和各种管理用的显示记录仪表从就地集中到中央控制室，以便对生产过程进行集中监视和操作，促成了控制方式由分散转向集中的演变。
随着生产过程的复杂化暴露了这些常规仪表的通信和人机联系能力差，控制性能简单，难以实现较复杂的控制规律，系统构成不灵活及缺乏实时判断能力等缺点。
为了适应生产规模大型化、复杂化、要求的信息量大和能实现高级控制功能的需求，计算机被逐步应用于过程控制，构成计算机控制系统。
计算机控制系统的发展是与计算机技术的发展密切相关的，大体上分为三个
阶段：
1）70年代中期以前的集中式计算机控制系统
在50年代计算机仅仅在工厂实验室或其他测试环境中进行数据采集和分析。
1959年美国的TRW公司和TEXACO公司联合研制的TRW300计算机控制系统在美国德州的一家炼油厂投运成功标志着计算机的应用开始走入控制领域，但是由于这时的计算机体积太大，速度太慢，价格昂贵而且可靠性差。
这一时期的计算机只用于管理方式，给操作员以操作指导和给模拟仪表以设定点控制方式，它不直接参与过程控制，所以不能称之为过程计算机控制。
到了50年代后期，由于在计算机上提供了与过程装置之间的接口，人们开始试验用直接连接的方法使计算机与变送器和执行器之间的信号双向传递都不用人工干涉，但这时传递的信号都是模拟电量信号，计算机不可能与现场装置离得太远，每台计算机所控制和管理的过程装置量很少，多数情况下的应用为单回路控制。
1962年，英国ICI公司安装了一种FerrantiArgus计算机控制系统，替代了全部模拟控制仪表，即模拟技术由数字技术来代替，而控制功能保持不变。
这是集中式计算机控制系统应用的开端。
集中式计算机控制系统的发展经历了直接数字控制（DDC）、集中型计算机控制系统和分层计算机控制系统。
DDC技术的主要组成是由一台数字计算机替代一组模拟控制器，DDC的主要特点是计算机首先通过A/D实时采集生产过程被控参数的信息，然后按照控制算法运算后，其结果通过D/A去控制执行器，构成一个闭环控制回路。
DDC的第一个数字控制算法是PID。
PID控制算式为:
U（k）=Kp[e（k）+
]
式中T为采样周期，如为比例增益，Ti为积分时间，Td为微分时间，k为选择的采样序号，e（k）为第k次采样的偏差，U（k）为PID算式的输出，表征着阀位。
亦可表示为增量形式：
U（k）=Kp[e（k）一e（k一1）]+Kie（k）+Kd[e（k）一2e（k一1）+e（k一2）]
式中Ki=Kp*T/Ti为积分系数，Kd=Kp*Td/T为微分系数。
PID控制在过程控制中已广泛应用，在石油和石油化工中大多数控制回路采用PID控制就能工作得很好。
DDC控制比起模拟仪表控制的主要优点在于所有PID
和其它运算均在计算机中进行，保持了数字化的精度。
其缺点在于当时的计算机
运算速度不够快，不能满足快速控制的要求。
集中型计算机控制系统：
集中型计算机控制把几十个甚至几百个控制回路以
及上千个过程变量的显示、操作和控制集中在一台计算机上来实现。
它比起常规
仪表控制有很大的优越性，控制功能完善，便于信息的分析和综合，可由软件来
改变控制回路，提高了应用的灵活性，CRT操作站可替代大量的模拟仪表盘，改
善了人机接口。
但也存在危险集中、速度和容量负担过重以及开发周期过长等问
题。
分层计算机控制系统：
集中型计算机控制系统的缺陷促使控制向分散化发展，当时出现的过程现场控制和集中显示操作分离开来的分层计算机控制系统有
计算机、调节器混合控制系统和监视控制系统（SCC）两种模式。
它们是初期的计算机分散控制系统。
2）70年代中期至80年代后期的集散型计算机控制系统（计算机监控系统）
1975年美国Honeywell公司推出的TDC2000集散型计算机控制系统（亦称分布式计算机控制系统或集散控制系统）标志着计算机控制系统正式走向集散化。
它的结构是一个分布式系统，从整体逻辑上讲是一个分支树结构，这与工业生产过程的行政管理结构相一致，它是管理集中，控制分散。
计算机监控系统目前尚无确切的定义，其实质是利用计算机对生产过程进行
集中监视、操作、管理和分散控制的一种新型控制技术。
它是由计算机技术、信
号处理技术、测量控制技术、通信网络技术和人机接口技术等相互发展渗透而产
生的，既不同于分散的仪表控制系统，也不同于集中式计算机控制系统，它是吸
收了两者的优点，在它们的基础上发展起来的一门系统工程技术，具有很强的生
命力和显著的优越性。
具有通用性强、系统组态灵活方便、显示操作集中、人机界面友好、安装调试方便、控制功能完善、数据处理、运行可靠安全等特点。
3）90年代计算机监控系统高速发展时期
90年代计算机监控系统技术进入一个新的发展阶段，生产过程控制系统与信
息管理系统紧密结合构成管控一体化新一代计算机监控系统。
具体表现为：
（1）计算机监控系统向综合化、开放化发展
90年代要求各种设备（计算机、计算机监控系统、单回路调节器、PLC等）之间的通信能力加强，以便构成大系统。
计算机监控系统的通信趋势是向开放系统互连（OSI）方向发展，应使系统专用网络与普通网络可以互连。
提高数据高速公路的吞吐能力，发展宽带的光纤传输介质。
（2）大型计算机监控系统进一步完善和提高的同时，发展小型计算机监控系统.采用32位微机于过程控制，应用智能1/0设备，实施现场总线，发展PLC与计算机监控系统和其它控制回路的接口，适应离散类和批量工业自动化的要求。
（3）采用人工智能技术。
包括知识库系统（KBS）和专家系统（ES）在计算机监控系统的各级实现，推出以微处理器为基础的智能设备。
90年代以来，计算机监控系统从功能上朝着过程控制自动化、制造业自动化、办公自动化和经营管理自动化相结合的方向发展，即构成计算机集成制造系统（ComputerIntegratedManufacturingSystem），简称CIMS,CIMS代表着工业控制系统的未来，CIMS的研究开发不是以某个区域或某项活动为对象，而是以企业的全部活动为研究对象。
从市场预测、接受订货、原料供应、生产计划、作业排序、过程控制、产品销售，到用户信息反馈、新产品开发、经营管理、整个形成一个动态反馈系统，具有自判断、自组织、自学习的能力。
自从世界上第一个由美国Honeywell公司于1975年推出TDC-200系统以来，全世界已开发了各种类型的计算机监控系统系统有1500余种。
广泛应用于工业制造、石油化工、电力等各个部门，但在水利系统，排灌泵站应用计算机监控系统技术还不多，缺乏较成熟的经验。
1.4设计内容
本课题集自动控制技术、通信技术、传感技术和计算机技术于一体。
研究的目的就是要建立一套集生产、控制、监测为一体的循环水监控信息平台，研究的主要内容包括变频器控制水泵的转速、PLC程序控制现场器件的运行、MCGS组态软件监控现场运行情况、网络的通讯方式、为用户提供数据查询、在线即时信息查询、报表输出等功能，通过对泵的变频调速，实现恒压供水，提高运作效率、降低成本、提高服务质量，实现更大的利润和社会效益。
本统设计并实现了：
（1）计算机控制系统总体方案设计及硬件配置。
（2）监视和监测水循环系统的运行状况。
（3）上位机与下位机接口的设计。
（4）采用组态软件生成上位机监控系统。
本文完成的主要工作：
（1）熟悉工艺要求和设计内容，查阅资料；
（2）总体方案设计和硬件配置；
（3）I/O接线图设计；
（4）控制程序软件设计与调试；
（5）监控组态软件设计和通讯软件设计；
（6）结论；
（7）参考文献；
（8）附录（英文资料及翻译）；
第二章计算机自动控制系统总体方案设计
2.1技术背景
大型泵站计算机控制系统是将计算机技术、自动控制技术、通信技术、故障诊断技术和信息管理融为一体的系统。
它具有一定的通用性，保证了系统功能的完整性、先进性、灵活性以及各个不同系统的兼容性。
系统的具体功能根据具体要求由用户设定，这种设定包括硬件和软件两个方面。
例如：
系统采集哪些信号、信号类型、画面显示要求。
控制方案选择可以由用户设定。
软件系统由操作系统、实时控制组态软件等组成。
2.2设计依据
ACC（轧后加速冷却）循环水系统主要由收集装置、热水池、冷却塔、冷水池、高位水箱、中间水箱、冷却设备及各种管路组成。
系统的核心控制对象是由变频器、电动机和水泵本体组成的广义的水泵。
给水泵组由9台泵组成，其中3台200kw的工频泵，3台200kw的变频泵，3台90kw的变频泵，相同型号均为两用一备。
侧喷泵组为2台160kw的变频泵，一用一备，冷却泵组为3台280kw的变频泵，两用一备，提升泵组为3台160kw的变频泵，两用一备。
循环水系统示意图如下：
2.3设计要求
（1）水泵起停控制要求具有自动和手动两种功能。
（2）工作泵出现故障后自动切换到备用泵。
（3）必须的保护功能（包括短路、却相、过载、过压、欠压等）。
（4）要求AI36点，AO14点，DI180点，DO100点，ACC循环水高位水箱水位和压力恒定，侧喷泵组水流量保持为300立方米/小时。
冷水池水温不高于35℃，系统实现SCADA功能。
（5）控制算法要求采用PID控制。
（6）系统运行状态的检测和监视。
在该系统中，九台给水泵组和两台侧喷泵组将冷水池中的水送往ACC本体的高位水箱，从ACC本体设备流出的水经中间水箱送往热水池。
冷却和提升泵组是将热水送入冷水池，前者直接送入，后者通过冷却塔送入。
其控制要求是使冷水池和热水池水位保持在正常工作水位附近，并且保证冷水池水温不高于工艺要求的设定值（35℃）。
两水池的水位控制是以冷水池水位为目标参量，同时根据热水池水位进行修正。
其特殊之处在于所有水泵的调节量比值是不变的，目的是保持由水温控制环提供的冷热水流量比不变。
水温控制实质就是调节冷却泵组和提升泵组之间的出水比例即冷热水流量比。
ACC循环水泵站水循环处理系统必须满足ACC工艺和设备所提出的各种要求，如满足ACC短时间大水量间隙脉冲工作方式，调节水流量使ACC主体设备中高位水箱的水位恒定，控制ACC主体设备中侧喷泵水流量不变，保证ACC主体设备喷水温度恒定在某个低温值上，使冷水池和热水池水位保持在某个工作范围内等。
要满足以上这些要求，就必须在循环水泵站设置相应的自动控制系统。
该系统能够自动地监测整个循环水泵的运行状况。
1、系统设计原则
（1）模块化。
各系统自上而下逐层分解，直至完成所要求的功能，并在设计中尽量减少模块间数据、控制参数的传递，以减少相关性。
（2）可靠性。
采用热备用方式，三台工频泵采用两用一备方式运行，变频泵采用两用一备或一用一备的方式运行，并在无故障时工作泵运行一定时间后自动切换到备用泵，以便使所有的泵交替运行，保证水泵的寿命。
（3）实时性。
自动地对工作中的每个泵及其控制设备进行状态反馈，如水泵等的正常自动运行，在出现异常时迅速切换并报警，并通过相应指示灯帮助工作人员发现故障的原因，及时的进行处理。
（4）方可维护性。
采用模块化设计以方便维护。
PLC留有10%--15%的裕量，以方便以后进行扩展。
（5）可读性。
系统拥有可视化的人机界面，可以对整个泵站系统的运行情况进行集中管理，分散控制。
2、设计思想
（1）采用分级、分布式结构
系统设中央控制室和泵站现场监控站两级，由中心控室统一管理。
每座泵站为相对独立的监控站，能实现就地控制的各种功能。
系统功能还包括能实现手动控制、就地控制和远程控制的相互切换，当系统出现故障时，各监控站仍能实现就地控制。
（2）系统具有高可靠性
中央控制室设置成双机系统，采用双机热备份方式。
自动化仪表驱动执行机构均选用可靠设备。
（3）故障诊断实时性
在一个控制周期内实现对系统内的各种I/O模板的自诊断，发现故障立即进行切换和报警。
（4）系统扩展灵活，重组容易。
（5）模块化兼容的应用软件。
泵站SCADA主站计算机系统采用开放式体系结构，有利于将来系统的升级。
中心控制室计算机系统、现场泵分控站及检测仪表，通过MODBUSPLUS通信构成了一个先进的管理控制和数据采集系统（SCADA），实现了对整个ACC泵站PLC控制集中管理及分散控制。
2.4设计方案
2.4.1方案选比
方案
（一）：
利用PLC网络技术来实现分布式采样，即在被控点附近设置采样单元一套，就近完成被控点的状态采样和控制输出，主要为响就控制信号输出和信息采集，各采样单元间通过工业控制网络相连构成监控系统的下位机系统。
另设图形化监控终端一套构成监控系统的上位机，通过工业控制网络通讯，控制各采样单元之间控制信号；实现对现场设备、运行状况的监控。
方案
（二）：
利用PLC网络技术来实现分布式，即在被控点附近设置采样单元一套，就近完成被控点的状态采样和控制输出，并完成该采样单元内部各控制信号的互锁；各采样单元间通过工业控制网络相连构成监控系统的下位机系统。
另设图形化监控终端一套构成监控系统的上位机，通过工业控制网络通讯，谐调并控制各采样单元之间控制信号；实现对现场设备、运行状况的监控。
两个方案中，方案
（一）仅仅只是利用PLC网络技术来实现分布式采样，再将各PLC控制单元通过工业控制网与图形上位机系统联接，完成信号的采集，传送、处理。
方案
（二）在方案
（一）的基础上，增加了上位机对下位机各PLC控制单元的谐调功能，并充分利用高速的工业控制网（MB+网）通讯技术及PLC的自动化控制性能，这样不但充分发挥可编程控制器高性能的自动化控制优势，而且发挥出了工业控制网（MB+网）的高速通讯性能，使得监控系统自动化程度更高，稳定性更好。
因此我们选用方案二作为本设计的基本方案。
2.4.2硬件设计
根据方案二设计ACC循环水泵站控制系统结构如下图所示，系统由打印机、HMI、PLC、变频器、水泵电机、传感器、相关电器控制现场总线和MODOBUSPLUS协议等组成。
控制系统结构图
本系统是一个典型的由现场执行级、下位主控级、和上位监控级组成的三级计算机控制系统。
上位监控计算机与下位主控PLC及检测仪表的通讯采用均采用MODOBUSPLUS协议。
上位监测系统由MCGS（HMI）软件组态，用于监控水处理站的系统运行过程。
远程HMI位于ACC控制室，所有画面都与本地HMI相同，ACC操作人员可以通过远程HMI了解水处理系统的工作状况。
三台监控计算机均采用研华POS-818，普通显示器19寸，提供友好、丰富的人机界面，对循环水系统运行状况进行全面监控并有协调下位机进行主控的作用。
在不使用上位机进行监视时，ACC水循环系统一样会正常工作。
此时，系统是通过下位机即PLC进行单独工作的，并且系统的工作状态是自动工作状态。
PLC担负着为ACC（轧后加速冷却）设备平稳供水的任务，工作泵出现故障后能够自动切换到备用泵，并且要求设定必要的保护功。
PLC是以微处理器为基础，综合自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置，它具有体积小，功能强，程序设计简单，灵活通用，维护方便等一系列的优点，特别是它的高可靠性和较强的适应恶劣工业环境的能力，使它成为大规模控制工程的理想下位机。
经过设备比选，我们最终选定了SCHENIDER公司QUANTUM系列PLC与现场电器设备和执行机构直接连接，执行可靠、有效、具体的分散控制同时用于完成系统的实时数据采集、数据处理及与上位机通讯的功能。
作为本课程设计现场主控部件较为理想，它主要完成变频器的逻辑控制。
该PLC的特点是：
（1）性能可靠、稳定，适应于室外、泵站等恶劣环境下的自动化控制。
（2）它针对行业的发展趋势增加了很新的特点。
具有兼容性好，处理速度快，具有可擦写的存储器，完整的I/O选项，具有远程I/O能。
QUANTUM系列PLC兼容：
MODICON984、58系列，SQUAREDSYMAX系列。
I/O兼容：
584、200系列，800系列和SYMAX系列。
（3）具有无与伦比的网络连接能力，特别是应用于MODBUS PLUS网络的站间通讯技术，其快速、准确、可靠的性能充分满足系统控制要求。
（4）同时其具有强大的编程功能，PLC组态软件CONCEPT2.2支持梯形图（LD）、功能块图（FBD）、结构化文本（ST）等多PLC编程语言，保证了系统的各类控制功能的需求。
（5）系统构成扩展方便抗干扰性能好。
该水处理系统是集监督、测量、控制、保护、信号、管理等于一体的计算机综合自动化系统。
它包括对泵站主机运行参数的测量、控制、保护、相应的辅助设备、以及水情数据的收集处理。
实现主室内集中数据显示，现场分散控制和保护，并能通过计算机网络将泵站的运行数据和状态实时、真实地展现在各级管理人员面前。
2.4.3软件及网络通讯设计
1、下位机软件
PLC程序的录入可采用编程器完成,但这种方式给稍大一些的程序调试带来了困难。
采用WINDOWS操作界面的可编程控制器编辑软件,能集程序编辑、网络通信设置和监控于一体,并借助PLC网络,能访问网络系统中PLC的任意节点,监控和修改其I/O状态。
本设计采用QUANTUM系列可编程控制器，CONCEPT2.2软件编程。
系统具有手动和自动两种功能。
在手动模式下所有动作由操作人员控制，自动模式下各个目标参量由人工设定，而PLC则根据目标参量自动进行调节。
当水泵就地操作箱上的选择开关选择就地时，水泵处于手动状态，选择集中时，水泵处于自动状态，不论处于何种状态下，PLC均按照控制流程，对水泵起、停过程进行控制。
当气动条件（电源正常，水池水位正常，水泵无故障、变频器无故障等）全部具备时，该水泵方能起动。
起动或供水过程中，如有异常情况（电源故障、水池水位过低或过高、冷水池温度过高、水泵故障）发生时，PLC既按正常顺序停泵，并自动投入备用泵，以确保系统正常工作。
当系统出现故障发出紧急停机信号时，PLC立即实施全系统紧急停机。
这些功能的实现是通过CONCEPT编程软件在PLC中写入程序来实现的。
CONCEPT编程软件的特点：
（1）方便用户编程
CONCEPT符合IEC1131-3编程语言标准并支持5中IEC标准语言：
梯形图（LD）、顺序功能图（SFC）、功能块图（FBD）、结构化文本（ST）、指令表（IL），还支持LL984梯形图语言。
为用户提供多种编程方式。
（2）功能强大
CONCEPT为编程者提供生成派生功能块或DFB（导出功能块）标准库的功能，并可在CONCEPT应用程序中反复调用。
这些DFB可以被写入梯形图、功能块图、结构化文本或指令表中。
（3）修改方便
标准应用编码的模块化和复用性使CONCEPT成为高效的编程环境。
如果一些特定的算法或标准控制逻辑需要改变，例如电机启动电路，编程者只需要修改一次，而无需考虑在其程序中要调用多少次。
（4）具有离线仿真功能。
2、上位机软件
上位监控软件在MCGS环境下开发完成，MCGS系统包括组态环境和运行环境，组态环境帮助用户设计和构造自己的应用系统，生成组态结果数据库；运行环境根据组态结果数据库中用户指定的方式进行各中处理，完成用户组态设计的应用系统。
用户应用系统由主控窗口，设备窗口，用户窗口，实时数据库，和运行策略五部分组成，三种基本类型构件（设备构件、动画构件、策略构件）完成MCGS三大功能部分（设备驱动、动画显示、流程控制）。
MCGS主要完成与PLC通信、操作画面显示、故障报警、数据记录、趋势输出、报表打印等功能。
系统监控画面采用层次型结构设计，各子系统之间很容易切换，直观反映现场工况，且便于操作人员使用，简洁、直观、功能完善是它的最大特点。
采用层次型结构便于操作人员完成多个子系统的准确切换，避免由于系统结构繁琐造成的误操作。
各子系统也采用相近的功能菜单，切换方便，功能完善，在同一幅主画面内可完成多项操作功能。
组态功能一般包括系统组态、环境组态、控制组态、显示组态、历史数
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