MATLAB平台下的PLC实时控制新版系统分析.doc

MATLAB平台下PLC实时控制系统分析PLC程序设计姓名:华祥 学号:94203109 班级:03942第一章 文件综述1.1 组态软件概述伴随现代工业生产技术、工艺过程日趋复杂，生产设备及装置规模不停扩大，企业生产自动化程度要求也越来越高，出现了多种工业自动控制系统。早期工控系统多是专用封闭系统，针对不一样生产工艺过程需要编制不一样控制件，工控软件开发周期长、困难大，工业被控对象稍有变动就必需修改源程序，且极难和外界进行数据交互，升级和增加功效全部受到限制。新型工业控制系统正以标准工业计算机软、硬件平台组成集成系统替换传统封闭式系统，它含有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常能够把这么系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不仅实现对现场实时监测和控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发关键作用。监控层硬件以工业级微型计算机和工作站为主，现在更趋向于工业微机;监控层软件则是指组态软件。“组态 (Configuration)”含义是使用软件工具对计算机及软件多种资源进行配置，达成让计算机或软件根据预先设置自动实施特定任务、满足使用者要求目标。组态软件是指部分数据采集和过程控制专用软件，它是在工控系统监控层一级软件平台和开发环境，是面向监控和数据采集软件平台工具，含有丰富设置项目，使用方法灵活，功效强大。组态软件能以灵活多样组态方法(而不是编程方法)提供良好用户开发界面和简捷使用方法，其预置多种软件模块能够很轻易地实现和完成监控层各项功效，并能同时支持多种硬件厂家计算机和工/0设备，和高可靠工控计算机和网络系统结合，可向控制层和管理层提供软、硬件全部接口，进行系统集成。组态软件有着工业产品和软件产品共同特点，其最突出特点是实时多任务。比如，数据采集和输出、数据处理和算法实现、图形显示及人机对话、实时数据存放、检索管理、实时通讯等多个任务要在同一台计算机上同时运行。组态软件关键目标，是使使用者在生成适合自己需要应用系统时，不需要修改软件程序源代码。下面是组态软件关键处理问题：(1) 怎样和采集、控制设备间进行数据交换;(2) 使来自设备数据和计算机图形画面各元素关联起来;(3) 处理数据报警及系统报警;(4) 存放历史数据并支持历史数据查询;(5) 各类报表生成和打印输出;(6) 为使用者提供灵活多变组态工具，可适应不一样应用领域要求;(7) 最终生成应用系统运行稳定可靠;(8) 含有和第三方程序接口，方便数据共享。自动化工程设计人员在组态软件中只需填写部分事先设计表格，再利用图形功效把被控对象(如反应罐、温度计、锅炉、趋势曲线、报表等)形象地画出来，经过内部数据链接把被控对象属性和I/O设备实时数据进行逻辑连接。当由组态软件生成应用系统投入运行后，和被控对象相连I/O设备数据发生改变后会直接带动被控对象属性发生改变。若要对应用系统进行修改，也十分方便，这就是组态软件方便性。从以上能够看出，组态软件含有实时多任务、接口开放、使用灵活、功效多样、运行可靠特点。通常来说，工业过程控制系统组态有以下部分内容：(1)控制组态控制组态是最关键。控制组态又分为过程控制组态和次序控制组态。过程控制组态关键针对连续量。当然，为了组成一个完整过程控制系统，加入开关量以进行报警等事件处理也是必需。次序控制则关键是针对开关量控制。在过程控制中，算法库是很关键一部分，在建立控制算法库时，将控制软件算法和参数分离，并将各控制算法功效块固化在EPROM中，在进行组态时生成一个文件，该文件和各个算法相对应，而且含有该控制算法实施所必需参数，这个文件被装到现场控制站RAM内存中，所以更改轻易，这么，我们就能够将控制算法模块编成标准形式，而且能够应用于很多应用系统中。在现场控制站中，很多控制算法模块通常以一个库文件形式因化在EPROM中，每个算法入口和入口参数是己知，这么，在实施时，CPU只是次序地依据下装到RAM中文件而依次调用各个子程序，返回参数。依据文件中内容写回实时数据库中或输出。可见，过程控制组态是利用某种方法将合适控制算法模块连接起来完成特定控制功效。过程控制组态通常在现场站进行。现场站软件系统是整个组态软件中极其关键一部分，通常现场站软件采取模块化结构设计，分为实施代码部分和数据部分，实施代码固化在EPROM中，而数据则保留在RAM中，开机时由网络装入。现场控制站实施代码分为两部分:周期性实施部分和随机实施部分。周期性实施部分有:周期性数据采集、转换处理、越限检验、控制算法周期性运算、周期性网络数据通信和周期性系统状态检测等等，通常由硬件时钟实时激活;随机实施部分关键是部分实时功效如信号故障处理、事件次序信号处理、实时网络数据接收等随机信号，通常由硬件中止激活.实施代码部分各个功效模块大致能够分为输入输出处理模块、控制回路运算模块等。输入信号处理分为开关量输入处理，模拟量输入处理和脉冲量输入处理。开关量输入关键用于进行报警检测，这在控制回路组成中是必不可少一环，它由开关状态决定。模拟量输入处理则要复杂些，通常要经过尖峰信号抑制和数字滤波以后才能够送入实时数据库，同时，还要进行输入转换处理，将信号转换成工程单位所对应物理量。模拟量输出处理是对信号进行二进制编码，然后送入D/A转换通道即可，开关量输出则相对简单，取出该位值和其它各输出位一同输出即可。另外现场控制站还可能有脉冲量输入处理模块等。控制回路运算模块是形成控制规律关键部分，现在组态软件中大多包含以下基础功效模块:加减乘除开方算法模块、PID调整模块、选择控制模块等，其中PID为最常见且为广大工程人员掌握控制算法之一，几乎全部组态软件全部包含多种类型PID算法，如理想PID调整器、积分分离式PID调整器、不完全微分PID调整器、带死区PID调整器等。从而能够满足不一样生产应用需要。当然，控制算法中还有很多更高级部分控制算法，如超前滞后赔偿算法、SMITH算法、和现在己开始应用自适应控制算法、模糊控制算法等等。然而，仅有这些控制算法是不够完成一个实际系统控制功效，还要很多附加功效才能确保系统高可靠性和安全性，这些附加功效包含:控制死区和限幅提供PID算法死区值和对输出进行限幅;控制方法选择:有自动方法、手动方法和串级方法等多个方法;控制算法跟踪，无扰切换，这个功效加入是因为在工业现场控制中，很多工业过程需要复杂控制策略才能达成最好效果，所以需手动到自动，自动到手动等切换。另外，在复杂控制系统中，串级控制加入和切除也常常发生。在不一样控制方法进行切换时，通常不期望有较大控制输出扰动，所以需要加入控制算法跟踪来实现控制方法之间无扰切换，确保整个控制系统可靠性和安全性。次序控制组态和过程控制组态类似，在上位机进行组态，生成一个下装目标文件，该目标文件下装到现场站，由现场站去实施。而在现场站中则固化了次序控制若千基础单元，如和或非逻辑运算、定时器和计数器、移位寄存器，从而组成一个控制系统。(2) 数据库生成、趋势显示和报表技术在组态软件组成中，数据统计和分析也是关键部分，所以数据库也占有很关键地位，它分为实时数据库系统和历史数据库系统。实时数据库系统可将数据经过网络下装到现场控制站，也可将现场控制站数据变为标准格式，经过网络传送给上位机。经过调用或检验实时数据库信息，可立即地对系统发生多种问题作出对应反应，历史数据库系统是将一段时间内数据存放起来，进行趋势改变分析，同时也能够将一段时间内关键数据组织起来，汇成表格方便于管理人员进行多种高层次分析。(3) 显示部分显示部分是控制系统必不可少功效之一。工业步骤图画面能够使操作人员无须时刻在排列仪表盘上检验各仪表数据或巡视整个过程运行情况，只需轻松地坐在CRT显示终端前即可观察整个过程工作情况。同时，还含有支持多种趋势曲线，历史曲线，棒图等功效。现在中国比较流行国产工业自动化通用组态软件是组态王(KingView)。组态王配有加密锁，支持工程加密;驱动程序较为丰富，如支持DDE、板卡、OPC服务器、PLC、智能仪表、智能模块等;支持ActiveX控件、配方管理、数据库访问、网络功效、冗余功效;其扩展性强，可和管理计算机或控制计算机联网通信。作为人机接口智能软件包，组态王是一个流行PC机上建立工控对象，它以Windows98/WindowsNT4.0汉字操作系统为平台，含有Windows图形功效完备、界面一致性好和易学易用等特点;它为用户提供了从设备驱动、数据采集到数据处理、步骤控制、动画显示、报表输出等组态工作操作平台;它含有多任务、多线程功效，其系统框架采取VC+编程，提供丰富设备驱动构件及丰富图库元件。利用组态王软件能够大大降低工控软件开发反复性和单一性，并可利用PC机丰富软件资源，和组态王融合进行二次开发，达成扩展功效、提升智能化程度和提升参数精度目标。1.2 组态软件数据交换技术和以往用计算机语言开发软件相比，组态软件含有成功率高，可靠性强，开发周期短，便于更改、扩充、升级等优点。但组态软件并非面面俱全，从对组态软件使用和研究情况看，这些问题关键表现在以下多个方面：(1) 在组态软件没有提供外部设备驱动程序时，它将无法实现和外部设备通讯，这给用户在开发使用上造成了很大不便。(2) 在数据库处理上，组态软件即使提供了和多种数据库连接相关数据库操作函数，但不能提供直接对多个表操作或多个字段操作。不能提供关系数据库所要求直接数据库表格。(3) 在报表统计处理功效上，组态王即使提供了这方面功效，但报表格式不能满足不一样需要，而且不能完成较为复杂数据计算和处理。这就需要使用其它软件来进行数据库扩充或控制算法模块调用。现在这方面研究关键是基于以下多个技术：(1) DDE 标准DDE (Dynamic Data Exchange)是在Windows平台下两个应用程序之间实时交换数据有效方法，是基于消息而且利用通常Windows中通信联络系统进行内部进程间相互通信方法。它采取用户/服务器模式，使用共享内存来实现进程之间数据交换和使用DDE协议取得传输数据同时。DDE协议是不一样应用程序之间共享数据一个协议。(2) OPC 标准OPC (OLE for Process Control)定义了一个开放接口，在这个接口上基于PC软件组件能交换数据。这个标准是基于微软OLE(现在称为ActiveX),COM, DCOM技术，由一系列用于过程控制和制造业自动化应用领域标准接口、属性及方法组成。因为得到了微软NT技术支持，OPC为多个多样过程控制设备提供了公共接口，为过程控制和工厂自动化提供真正即插即用软件技术，使得过程控制和工厂自动化每一系统、每一设备、每一驱动器能够自由地连接和通信，而和过程中控制软件或设备无关。(3) ODBC 标准ODBC (Open Database Connectivity)，即开放数据库互连，是Microsoft提议并开发数据库访问API标准，目标是实现异构数据库互联，为异种数据库系统提供一个框架，实现了最大程度上互操作性。ODBC标准要求了开放数据库互联全部标准。支持ODBC标准数据库产品全部提供基于自己DBMS (Data Base Management System)ODBC接口程序，如Access ,FoxPro, SQL server, Sybase, Oracle等均支持ODBC，支持ODBC标准应用程序透过DBMSODBC接口程序，能够直接访问DBMS中数据项，进行读写操作。第2章 MATLAB和组态软件通信工业过程自动控制水平提升，要求采取比传统PID更优异高级控制功效，而这些高级控制功效是通用组态软件难以实现。所以在针对控制要求较高对象时需要开发新监控软件以扩展原有系统功效。组态王提供了友好人机交互界面，强大通讯功效，不过它计算能力不强，难以实现复杂控制策略。MATLAB以矩阵和向量为基础数据单位，提供了强大科学运算、灵活程序设计步骤、便捷和其它程序接口，高效率复杂算法等，而且它还提供大量标准算法库，如系统辨识、神经网络、小波分析、数字信号处理等。但MATLAB本身也存在部分不足，如人机界面设计不方便、没有提供和计算机硬件接口、无法进行端口操作，而且MATLAB一直被定位在科学计算、数学建模和仿真上，不能实现实时监控，一直未能应用于实际控制系统中。假如使用组态王作为系统主控，进行实时数据采样、动态工艺图显示、数据汇总等工作，同时MATLAB作为后台应用程序进行控制算法处理，这将有利于发挥组态王和MATLAB各自优势，实现复杂系统控制，在实际工程中必将达成很好控制效果。这种混合编程技术中，最关键是组态王和MATLAB之间实时数据通讯。组态王和MATLAB数据通讯方法关键有动态数据交换技术(DDE)和OPC、ODBC技术，本课题采取实时性较强DDE通讯技术来实现二者之间通讯。2.1 DDE概述DDE (Dynamic Data Exchange，动态数据交换)是Windows环境提供一个基于消息进程Ml通信(Inter Process Communication, IPC)方法，它采取用户/服务器模式。进程间通讯包含进程之间和同时事件之间数据传输。DOE使用共享内存来实现进程之间数据交换和使用DDE协议取得传输数据同时。DOE协议是一组全部DOE应用程序全部必需遵照规则集。DDE协议能够应用于两类DDE应用程序:第一类是基于消息DDE，第二类是动态数据交换管理库(DDEML)应用程序(使用动态连接库(DLL)。DDE应用程序能够分为4种类型：用户、服务器、用户/服务器和监视器。DDE会话发生在用户应用程序和服务器应用程序之间。用户应用程序从服务器应用程序请求数据或服务;服务器应用程序响应用户应用程序数据或服务请求;用户/服务器应用程序既是用户应用程序又是服务器应用程序，它既可发出请求又可提供信息;监视器应用程序用于调试目标。DDE应用程序可拥有多重进发会话。DDE协议要求会话中消息必需同时控制，但应用程序能够在不一样会话之间异步切换。DDE应用程序采取3层识别系统:应用程序名(pplication)、专题(Topic)和项目名(Item)。应用程序名在层次结构顶层，用于指出特定DDE服务器应用程序名。专题名更深刻地定义了服务器应用程序会话专题内容，服务器应用程序可支持一个或多个专题名。项目名更深入确定了会话具体内容，每个专题名可拥有一个或多个项目名。DDE工作原理见图2-1。DDE用户DDE服务器图2-1 DDE工作原理和结构建立DDE会话后，用户应用程序和服务器应用程序可经过3种链接方法进行数据交换。3种链接方法为：冷链接(Cold Link)、温链接(Warm Link)和热链接(Hot Link)。冷链接用户应用程序申请数据，服务器应用程序立即给用户应用程序发送数据，服务器应用程序处于主动地位;温链接服务器应用程序通知用户应用程序数据项发生了改变，但并没有将已改变值发送给用户应用程序;热链接当数据项发生改变时，服务器应用程序立即把改变后值发送给用户应用程序，服务器应用程序处于主动地位。2.2 MATLAB DDE功效MATLAB作为用户应用程序时,支持文本格式数据传送,能够使用MATLAB中DDE 用户端模块所提供函数和服务器进行数据通信 。MATLAB提供了7个用户函数, 它们分别是DDEinit函数建立MATLAB 和服务器对话,假如建立成功,则返回1个通道号,以后任何其它DDE 操作均经过此通道进行; DDEadv函数建立链接; DDEreq函数用于从服务器请求数据; DDEpoke函数则从MATLAB向DDE 服务器应用程序发送数据; DDEcxec函数用于向DDE 服务器应用程序发送实施命令; DDEunadv函数是释放链接; DDEterm函数用于终止DDE服务器应用程序和MATLAB 之间对话。MATLABDDE通信功效需要经过编写M文件完成,另外作为用户应用程序,MATLAB还必需定义服务器应用程序3个标识符。2.3 组态王和MATLAB通讯设计为便于了解,这里以某控制系统为例进行说明。在组态王界面上设定给定值信号,同时它采集仿真PLC数据作为被测量,并将这2个数据实时传送给MATLAB 软件,由该软件进行复杂控制运算得到控制量输出给组态王进行显示和输出。在组态王中定义3个变量,其中1个为被测量x(1),连接设备为仿真PLC; 1个为内存变量x(2),即给定值信号,可经过界面进行修改,上述2个变量许可DDE访问。另1个变量为I/O型变量,连接DDE 设备。变量x作为MATLAB触发变量,只要其值改变,就通知MATLAB进行控制算法运算,并返回控制变量y 。MATLABDDE通信必需经过编写S函数实现。MATLAB和组态王通信仿真框图见图2-2 。图2-2 MATLAB和组态王通信仿真框图其中, InitDDE是DDE初始化函数,model模块是控制算法模块,DDEInput是MATLAB接收数据函数,其发送数据函数为DDEOutput 。(1) DDE初始化函数InitDDEglobal channel ; %channel 是DDE初始化返回标识通道值。channel = DDEinit (view,tagname) ; %DDE通信初始化,指定“view”为应用程序名,“tagname”为专题名if channel = = 0 disp (DDE initialization failed !) ;else disp (DDE initialization succeeded !) ;end (2) MATLAB接收数据函数DDEInputFunction sys , x0 , str , ts = DDEInput (t,x ,u,flag)reg1 =仿真 PLC. RADOM100; %在组态王中指定变量寄存器RADOM100reg2 =仿真 PLC. STATIC100; %在组态王中指定变量寄存器STATIC100switch flag ,case 0 sys ,x0 ,str ,ts = mdl Initializesizes;case 3x(1) = DDEreq (channel , reg1) ; %从寄存器中采集过程变量,并赋值给变量x(1)x(2) = DDEreq (channel , reg2) ; %从寄存器中采集过程变量,并赋值给变量x (2)for i = 12sysi = x(i)endcase 1、2、4、9sys = end(3) MATLAB发送数据函数DDEOutputFunctionsys , x0 , str , ts = DDEInput (t,x,u,flag)switch flag ,case 0 sys ,x0 ,st r ,t s = mdl Initializesizes ;case 3DDEpoke (channel ,data, y) ) ; 将控制量y发送回组态王中,data 为发送数据项目名case 1、2、4、9sys = end尤其说明是,应在控制算法模块中,引入2个函数。第1个为DDEadv() ,其作用是和DDE服务器建立势链接;第2个为依据控制策略编写函数。当组态王程序中变量x 内容一旦发生改变,将立即引发控制策略函数实施,并经过指令将运算结果发送回组态王中。2.4 组态王监控画面实现组态王关键由TouchMak和TouchVew两大模块组成。前者是开发环境，后者是运行环境。用户在开发环境中设计并制作动画画面，进行相关变量定义，然后进行动画连接，使画面中图形对象和实时数据库中数据变量间建立一个关系，数据库中变量受外部设备控制，外部设备如PLC、智能模块等经过各自驱动程序，和实时数据库中对应变量建立联络，最终切换到运行环境，就可实现动画效果。因为组态王遵照Windows下标准动态数据交换(DDE)协议，所以借助于DDE和外设驱动程序，组态王可自动将外设状态立即传输给数据库中数据变量，用户无须考虑以往程序设计中繁杂通信问题。组态王和外设交换数据示意图图2-3所表示。组态王还为用户配置了丰富命令语言，如应用程序命令语言、热键命令语言、事件命令语言和变量改变命令语言等。用户能够使用这些语言很方便地对画面进行控制。动画演示实时数据库驱动程序驱动程序驱动程序驱动程序模 块PLC智能模块其它工控设备图2-3 组态王和外设交换数据示意图利用组态王进行系统开发过程以下：(1) 配置I/O设备。组态王支持硬件设备包含:可编程控制器(PLC),智能模块、板卡、智能仪表、变频器等。工程人员能够把每一台下位机看成一个设备，无须关心具体通信协议，只需在组态王设备库中选择对应设备类型，然后根据“设备配置向导”提醒一步步完成安装即可，使驱动程序配置愈加方便。组态王驱动程序采取ActiveX技术，使通讯程序和组态王组成一个完整系统，确保运行系统高效率。已配置I/O设备在工程浏览器设备节点中分类列出，用户能够随时查询和修改。(2) 结构数据库。数据库是“组态王”最关键部分，是联络上位机和下位机桥梁。在数据库中存放是变量目前值，变量集合称为“数据词典”，数据词典统计了全部用户可使用数据变量具体信息。工程人员依据需要建立内存变量和I/O 变量，配置变量类型和多种属性，并将I/O变量和对应I/O设备寄存器连接。(3) 制作图形画面。依据生产操作要求建立自己需要画面，利用组态王提供丰富图库，在每个画面上生成相互关联静态或动态图形对象。画面包含含有一定功效按钮及菜单、实时数据及历史数据显示、实时趋势曲线、历史趋势曲线、报警显示等。(4) 定义动画连接。建立动画连接使画面上图形对象和数据库数据变量之间建立了一个特定对应关系，当变量值改变时，图形对象能够按动画连接要求改变颜色、尺寸、位置、填充百分数等。也能够经过图形对象改变数据变量值。(5) 网络设置。组态王完全基于网络概念，是一个真正用户机/服务器模式，支持分布式历史数据库和分布式报警系统，支持TCP/IP协议。工程人员依据系统需要设置I/0服务器、报警服务器、登录服务器、WEB服务器和用户端。(6) 运行和调试。在开发过程中，能够不停运行实时运行环境TouchVew,利用组态王信息窗口运行和调试在画面制作系统中建立图形画面。第三章 PLC实时监控系统3.1 PLC通讯连接方法PLC和上位机通常采取RS-232接口异步串行方法。C200HS是OMRON 企业在C200H 基础上推出一个新型PLC ,比C200H有很多优点,其中一个关键特点就是在CPU单元上,增加了一个内置RS-232连接器,PLC不用再配置专用通讯模块,就能够很方便地和外部设备进行串行通讯,图3-1是C200HS和上位机通讯接口连线。图3-1 通讯连接3.2 PLC通讯协议OMRON C200HS经过RS-232接口和上位机通讯有两种方法:其一,上位机一直含有初始传送优先权,全部通讯全部有上位机来开启,C200HS总是处于被动状态,其二,命令由PLC 发至上位机,此时PLC 拥有传送权,我们设计监控系统中关键采取第一个方法。PLC和上位机数据通讯是以“帧”为单位进行,帧格式图3-2、3-3 所表示,命令帧由上位机发送给PLC ,应答帧为PLC 接收到命令帧后自动向上位机发送应答信号。图3-2 命令帧图图3-3 应答帧在帧传送格式中“, ”为起始符号;节点号为PLC编号(00 - 31) ,由PLC DM6648、DM6653 设置,我们只有一个下位机PLC ,则其节点号为00 ;识别码说明帧功效,比如,RD和WD 分别为读和写DM数据区内容; FCS为2字符帧检验次序码,即从帧起始到帧报文结束(FCS)之前数据异或运算后结果,用来检验帧传送结果; 3和CR为终止符,表明帧结束。比如命令00RD0003FCS 3 CR 表示计算机要求读出PLC中DM数据区D开始3个通道数据内容,应答帧00RD004A02344D001C FCSCR中结束吗为“00”,表明通讯有效,接收3个通道数据分别为4A02、344D、001C(16进制) 。3.3 PLC通讯程序设计在PLC和上位机通信之前,必需对RS232通讯端口进行初始化,使二者按相同格式通讯。初始化参数包含波特率、起始位、数据位、停止位和奇偶校验等。C200HSRS-232通讯口通常设置为9600bps、1个起始位、7个数据位、2个停止位、偶校验,所以只需对上位机RS232端口进行初始化即可。上位机通讯程序用C语言设计,C语言提供了专门用于串行通讯函数bios -com( ) ,其格式为int bioscom(int cmd ,char byte ,int port)port为上位机串行口代码,port = 0为COM1 ,port = 1为COM2 ;byte为串行口初始化参数,当byte = 0XFE 时,设置串行口通讯参数为:9600bps、1个起始位、7个数据位、2个停止位、偶校验,和C200HS串行口通讯方法相同; cmd 为功效参数,cmd = 0 时初始化串行口,cmd = 1 时发送数据,cmd =2 时接收数据,cmd = 3 时读串行口目前状态。bioscom( )返回值为一个2字节整数,能够据此判别数据发送和接收是否成功,发送数据时最高位为“1”,表示发送犯错,接收数据时高位字节不为“0”,表示通讯有错,当高位字节为“0”时,其低位字节即为接收到字符。通讯程序框图,图3-3所表示,因为每次传送数据时,单帧最大数据容量为131个字符,所以当传送数据超出131个字符时,应该在传送前分成若干帧,分段传送,第一帧和中间帧结尾处用定界符(回车符CR) 替换终止符( 3 CR)。图3-4 通讯程序框图第四章 PLC控制系统应用实例4.1 污水处理系统原理采取(计算机)+PLC控制模式。PLC作为下位机控制器，经过RS232通讯总线，直接和上位计算机(工业计算机)进行通讯。PLC经过和上位计算机通讯，能够修改PLC中多种参数数据，PLC也同时向计算机发送测得参数数据，方便计算机显示实时参数数据和存入数据库，同时经过计算机上安装组态王组态软件对控制现场进行组态。即用PLC对对象进行控制，而同时在现场计算机上安装组态软件组态王对PLC和操作现场进行控制及监测。4.2 控制系统设计 在进行控制系统设计之前，首先依据控制系统工艺步骤和控制系统具体要求和最终目标对控制系统设备进行选择。4.2.1 控制系统设备选择及介绍控制系统关键硬件设备如表4-1所表示:设备名称（型号）数量（个）可编程序控制器(PLC)CPM2A-30CDR-A1模拟量I/O单元CPM2A-MAD022RS232C通信适配器CPM2-CIFO11A1系列人工智能工业调整器( AI-708T )2表4-1 控制系统关键硬件设备4.2.2 可编程序控制器(PLC) 可编程序控制器(Programmable Logic Controller )，简称PLC，是一个以计算机(微处理器)为关键通用工业控制装置，现在己被广泛地应用于工业生产各个领域。本系统采取由日本OMRON生厂CPM2A系列小型整体式PLC-CPM2A-30CDR-A, 18个输入12个继电器输出。早期可编程序控制器只能进行开关量逻辑控制，现代可编程序控制器采取微处理器(Microprocessor)作为中央处理单元，其功效大大增强，它不仅含有逻辑控制功效，还含有算术运算、模拟量处理和通信联网等功效。a.整体式PLC结构整体式PLC是将中央处理单元(CPU)、存放器、输入单元、输出单元、电源、通信接口等组装成一体，组成主机。另外还有独立I/O扩展单元和主机配合使用。主机中，CPU是PLC关键，I/O扩展单元是连接CPU和现场设备之间接口电路，通信接口用于PLC和编程器和上位机等外部设备连接。整体式PLC基础组成图4-2所表示用户输入设备输入单元用户输出设备I/O扩展口外设接口输出单元中央处理单元CPU系统程序储存器用户程序存放器电源I/O扩展单元特殊功效单元图4-2 整体式PLC组成示意图b.PLC编程软件 本系统中PLC编程软件选择OMRON C/CV系列PLC Windows版编程软件CPT（SYSMAC-CPT）。它含有强大编程、调试、监控功效和完善维护功效，使程序开发及系统维护简单、快捷。采取编程语言为梯形图语言。梯形图表示式是在原电器控制系统中常见接触器，熔电器梯形图基础上演变而来，它和电器操作原理图相呼应。它最大优点是形象、直观和实用，为广大电气技术人员所熟悉，是PLC关键编程语言。c.PLC基础单元硬件配置日本欧姆龙CPM2A系列PLC特点是超小型、高性能、高速度，且含有丰富高级指令系统，实施一条逻辑指令时间仅需1.72us，完全能够适适用于污水处理中过程检测和控制。表4-3表明了CPM2A系列PLC基础性能指标。项目性能输入输出控制方法循环扫描方法和即时刷新方法并用运算处理速度基础指令14种 LD指令=1.72us应用指令79种、139条 MOV指令=16.3us输入继电器（IR）IR00000IR00915输出继电器（IR）IR01000IR01915内部辅助继电器（IR）512点：IR0IR23115（IR200IR231）特殊辅助继电器（SR）384点：IR23200IR25515（IR232IR255）定时器/计数器（TIM/CNT）128点：TIM/CNT000127数据存放器可读/写1002字：DM00000999、DM10221023故障履历存入区22字：DM10001021只读456字：DM61446599PC系统设定区56字：DM66006655表4-3 PLC基础单元性能d.PLC模拟量输入输出模块硬件配置在监控系统中采取了CPM2A-MAD02模拟输入模块(模拟量I/O单元)，作为CPM2A特殊功效模块，最多能够连接3台。该模块含有四个输入通道和一个输出通道，每个输入输出能够指定电压或电流输入输出。表4-4为该模块性能表。输入通道数4输入信号范围010V、15V、420mA分辨率010V8位15V8位420mA8位输入形式差动输入最大输出信号电压输入：1M电流输入：250输出通道数1输出信号范围-10V10V、010V、420mA分辨率-10V10V9位010V8位420mA8位最大输出电流电压输出5mA总输出电流21mA表4-4 模拟量输入输出模块性能e.RS232通信适配器在计算机和PLC进行RS232通信时，选择了RS232通信适配器作为外设端口和RS232口之间电平转换，RS232通信适配器性能如表4-5所表示。型号CPM1CIF01功效在外设端口和RS232C口之间作电平转换表4-5 RS232通信适配器性能4.2.3 AI系列人工智能工业调整器 AI系列人工智能工业调整器可支持热电偶、热电阻、线性电压/电流等多个输入，在本系统用来作为预酸化槽温度和反应器温度显示和变送，所选型号为AI-708T。其关键性能如表4-5所表示。测量精度0.2级0.2FS分辨率热电偶、热电阻输入时1、0.1采样周期0.5s输出光电隔离线形电流输出显示规格4位数码管显示表4-5 AI-708T关键技术指标4.3 控制系统总体设计依据所选设备对控制系统进行设计。控制系统结构图3-2所表示。在本项目中，控制系统分为4层，设备层:即传感器、机电设备层；电器层:即智能仪表、在线仪器、采集/控制低端设备层;控制层:PLC集散型控制层;操作层:PC主控计算机，即中央控制室操作层。整个控制系统结构模型图5、图6所表示。污水处理厂监视控制方法应该考虑污水和污泥处理设施规模、部署、行事、扩建、维护管理体制、经济性等方面问题来选择。图5 控制系统结构 图6 控制系统结构模型为了提升效率，在小型污水处理厂中，应该引进远距离监视和自动控制方法。但考虑到建设费及维护管理体制，应尽可能选择简单监视控制方法。图7-1是PLC控制系统简单示意图。系统中采取日本欧姆龙企业CPM2A系列PLC作为现场控制设备，用于经过AD模块处理模拟信号。同时，PLC作为下位机控制器，经过RS232通讯总线，直接和上位计算机进行通讯。在组态画面中输入给定值到PLC中数据存放器中和经过MAD02模拟量模块A/D转化后数字量进行比较来确定PLC对实施机构操作，从而形成一个闭环控制系统。给定值控制器(PLC)反馈装置实施结构被空对象MAD02模块图7-1 PLC控制系统简单示意图CPM2A基础单元最多可进行10100点控制，而在工厂污水处理装置中通常控制点为30点左右。运行速度方面，CPM2A CPU完成一条逻辑指令运行速度仅为1.72us。完全能够胜任在工厂污水处理装置中应用。CPM2A一MAD02是8位高精度模拟量输入输出模块。模块输入信号能够组态为DC+4+20mA , DC+1+5V 、DC0+10，对应数字输出范围为0255 (OOOOOOFF)。模块AD转换速度为10 ms，分辨率为8位，综合正确度1%，模块采取光电耦合隔离(DC5OOV)，使I/O端子和PLC间隔离。4.4 控制系统整体控制框图可编程控制器（PLC）CPM2A-30CDR-ARS232通讯适配器 CPM2-CIF01工业计算机CPM2A-MAD02-02CPM2A-MAD02-02AAAAAAAAAA加热元件1加热元件1加热元件1加热元件1加热元件1AI系列人工智能工业调整器AI-708TAI系列人工智能工业调整器AI-708T温度传感器温度传感器原废水泵出水回流泵进液泵搅拌电机热水循环泵图7-2 控制系统整体控制框图在本系统中，整体控制系统框图图7-2所表示，该系统关键由工业计算机、RS232通信适配器、可编程序控制器(PLC)、模拟量I/O单元CPM2A-MAD02等几部分组成。系统中，采取日本欧姆龙企业CPM2A系列PLC作为现场控制设备，经过CPM2A-MAD02模块处理模拟信号。同时，PLC作为下位机控制器，经过RS232通讯总线，直接和上位计算机(工业计算机)进行