6ES7253-1AA22-0XA0技术介绍
一、 概述
按照新一轮城市建设和经济发展规划,城市建设和经济发展对优化城市能源结构提出了更高的要求。而推行热电联产、城市集中供热,是解决城市能源结构和环境污染问题的有效措施,充分体现节约能源、保护环境,tigao能源利用效率、企业经济效益和社会效益的佳途径。既有利于节约能源,又有利于tigao热电企业的经济效益和社会环境效益,给热电企业的发展创造了更加广阔的前景。
随着热用户的不断增加,热用量不断的加大,而怎样才能更好,更有效的对整个热网管道,热用户计量进行管理呢?利用远程监测,对整个热网管道,仪表进行跟踪监控,不仅可以全面掌握整个热网管线供热状态,还能快速、准确地反映仪表故障报警信息,方便维护人员及时查修,这样不仅节省大量的人力、物力,极大的tigao了热网的现代化管理水平。城市热网监控作为数字化城市的一个方面,已显示出越来越重要的作用。
二、 需求:
将下属的16个分站的数据传递到中央数据中心,由于数据中心与各分站之间已经建立了ADSL视频网络,针对本项目,借用原有的ADSL网络进行数据通讯是具性价比的方式。由于系统以后需要根据需求扩展,要求对系统的开放性、可维护性和扩展性给予充分考虑。
三、 系统设计原则
1.安全可靠稳定性原则
系统的安全可靠运行起着十分关键的作用,在系统建设过程中,将系统的安全可靠性稳定性作为设计的原则
2.开放性原则
坚持开放行原则,为今后系统的升级扩展维护和二次开放过程提供较大的灵活性
3.技术先进性原则
保证系统的先进性,只有这样,系统才能经受实际的考验,保证不会被淘汰
4.经济性原则
经济性原则不仅体现在设计过程中,会为系统今后的维护降低成本
5.操作维护简单原则
系统不仅要功能完善,应该操作简单,维护方便,这会为使用人员带来很多操作的方便性 6.可扩展性原则
为了使系统具有一定的应变能力,可以方便的修改和灵活的扩充,应使系统保证一定的可伸缩性
四、 系统概述
系统主要由力控监控软件、MOXA串口联网服务器和凯迪恩PLC构成,这种方式的主要特点是结构分散、开放性好、稳定性强、并且扩展容易。力控软件主要负责数据采集、通讯处理、人机界面和WEB发布等工作;串口联网服务器负责将PLC的串口通讯转为以太网通讯,并将数据通过ADSL网络传递给力控软件;凯迪恩PLC负责现场仪表和设备的通讯及数据采集和控制。主要工作方式:力控软件设在中央数据中心,数据中心有一个固定的外网IP,力控软件采用典型的C/S和B/S结构,B/S方式是作为WEB服务器,将实时数据和画面通过WEB进行发布,远端用户经过授权,无须安装任何插件,使用标准的浏览器通过固定IP或域名绑定进行访问即可在远程进行监视。C/S方式是力控软件作为标准服务器端与各分站的多个客户端(MOXA串口联网服务器)进行通讯,建立连接时由串口联网服务器主动向拥有固定IP的服务器端发出连接请求,服务器进行应答,建立网络连接之后,由力控软件主动向下位的凯迪恩PLC发出请求,通过标准MODBUS协议与凯迪恩PLC进行通讯,MOXA串口联网服务器在中间起到透明转发的作用。整个通讯系统的拓扑结构如下图:
五、系统简介
(1)上位系统
上位系统服务器选用力控PCAUTO?WWW服务器版软件,以VC++或VB编程平台为辅助,使得数据中心监控软件具备良好的人机界面,操作直观,简便并且灵活性强等特点,可实现主要功能有:
1.24小时在线运行,实时采集各热用户子站的温度、压力、liuliang和其他运行参数,实时监测每个采集计量仪表的运行情况,而现场采集计量仪表出现故障也可以在短时间内发现,并将故障时间纪录备案,避免计量方面的损失;杜绝了用户偷汽的想法;
2.显示供热管网地理信息(GIS);
3.进行整个热网数据的运行分析,具有强大的统计和数据库查询功能,可以查询任意用户任意时段内的用汽情况;实时有效的分析管线的管损情况;
4.对热用户端市电断电、采集参数异常的情况,进行报警,并记录备查;
5.根据需要自动生成结算帐单(日报表、月报表和年报表),并可以直接打印输出;
6.图表曲线功能,可以直观的反映出各个用户的用汽情况;
7.网络化设计,支持远程访问功能;
8.支持模拟屏或投影仪显示;
9.实时数据库与关系型数据库的结合使用保证了数据的稳定性和安全性。
主要特点:
1、驱动连接
PCAuto拥有丰富的I/O驱动程序,支持多种硬件设备和通信协议,可以和人机界面、实时数据库分离,充当通讯管理服务器。一台运行力控PCAuto的计算机可连接多种I/O设备。目前支持的设备包括:霍尼维尔、横河、福克斯波罗、费希尔等厂家的DCS通讯;凯迪恩、AB、GE、Omron、Modicon、Siemens、松下、三菱等厂家生产的PLC;Honeywell、虹润等厂家生产的调节器以及其它流行的智能仪表、智能终端;研华、研祥、中泰、康拓等厂家生产的板卡及相关的智能模块;不同厂家的变频器如SIEMENS、三菱、富士等;各种不同的UPS设备、空调设备等;支持PROFIBUS、Can、LonWorks、MODBUS、Opto22等标准的总线设备。
2、实时数据库和力控服务器
服务器上安装力控的实时数据库作为服务器。实时数据库系统是一个分布式数据库系统,通过计算机网络实现分散控制、集中管理,力控?的分布式数据库系统可以方便的构成这种网络架构。力控?的实时数据库系统由管理器和运行系统组成,实时数据库将组态数据、实时数据、历史数据等以一定的组织形式存储在介质上。服务器分别处理各个监控对象的数据采集、历史数据保存、报警处理。
3、组态监视
集成化的开发环境:Pcauto提供集成化的开发环境和丰富的图形工具使得系统开发简便、快捷面向对象的图形/图形工具:丰富的图形元素丰富的图形元素及超级子图精灵图库集,提供子图精灵开发工具,用户可以方便地生成自己的图库;力控?优化设计的图库,提供了丰富的子图和“子图精灵”,任意拖拽不变形,使您的工程画面精益求精。
* 脚本编辑功能:力控在动作脚本中提供丰富的函数,触发方式多样,具备自定义函数功能 *安全管理:力控PCauto提供了系统的安全级管理,增强了bbbbbbs操作系统的安全性。在力控中,操作画面的显示,过程数据的写入等操作都赋予了权限管理。
*监控功能:Pcauto能准确地监视和控制所有现场过程,根据现场产品特性要求,及时、快捷地调整设备和原材料,响应现场需求。jingque的现场分析和及时的响应减少了浪费。
*先进的报警功能:力控Pcauto方便、灵活、可靠、易于扩展的报警系统,报告系统活动及系统潜在的问题,保障系统安全运行。力控的报警可按区管理、报警优先级以及在运行时自动记录系统状态变化、操作过程等重要事件,作为非关键性报警信息。
*数据管理:提供了多种数据管理功能,包括:数据的采集和管理,历史数据的存储,导出数据库及生成各种数据报表,保证系统处于佳的运行状态
* 历史数据存储功能:力控Pcauto自动的采集、存储、显示历史数据,分析过程趋势,为将来查询提供了文档依据。
*强大的趋势功能:Pcauto中包括实时趋势和历史趋势图,并且可以为每个图分配多个笔,趋势图中有丰富的对象颜色和属性选择,X、Y轴还可以单独组态定义,可以在运行环境下调整他们的属性。
*数据报表功能:包括:历史报表--方便快速的历史报表生成工具,能进行日报、月报、季报、年报的生成,对数据存储的时间范围、间隔、起始时间可进行任意指定,并可以根据存储的时间进行查询历史数据,组态时在力控的绘画菜单内进行历史报表的选取。
内嵌多功能报表--灵活的报表生成方式,可以任意设置报表格式,实现各种运算、数据转换、统计分析、报表打印等。既可以制作实时报表,也可以制作历史报表。可以在报表上显示实时数据和任意时刻的历史数据,并加以统计处理,例如取行平均、列平均,统计出大小值。内嵌多功能报表提供了相应的报表函数,可以制作各种报表
模板,实现多次使用,以免重复工作,组态时 在力控的子图内。
*内置数据表--内置数据表是力控开发人员关系数据库的特点开发出的内置实时关系数据表,利用报表模板可以将力控实时数据库的变量和报表字段进行任意绑定,可以对任意的数据进行插入、删除、遍历、存盘,内置的报表过滤器可以任意设定不同情况下的查询条件,根据查询条件对所查出的记录进行选取来参与数据处理。
*冗余及双机热备:力控PCauto数据库目前支持双机热备式冗余。即可以指定一台机器为主机,另一台作为从机,从机内容与主机内容实时同步,从机实时监视主机状态,一旦发现主机停止响应,便接管控制。I/O设备只从主机接受控制指令,以免造成控制时序错乱,在这种情况下,从机不做任何组态,同步信息包括:时钟同步、实时数据库信息同步、历史数据同步。
*全面支持DDE、OPC、ODBC/SQL、ActiveX、等标准:可以作为DDE和OPC的客户端,OPC客户端可连接不同厂家的OPC服务器,支持报警和事件,也可以作为DDE和OPC的服务器,可以和各种关系数据库通过ODBC/SQL进行实时历史数据向关系数据库的转储.
4.WWW功能
Web页面与过程画面的高度同步
用户往往会担心在客户端浏览器上看到的Web页面与工程组态的过程画面能否完全一致,会不会对某些图形或动画效果进行限制。而PCAUTO实现了服务器端与客户端画面的高度同步。在服务器端直接浏览的效果与在客户端用浏览器上看到的图形效果完全相同。
快速的数据更新
采用COM/DCOM技术实现底层数据通信。与其它采用JAVA虚拟机进行通信的方式相比,由于减少了解释运行的环节,具有更快的运行与数据更新速度。
多文档
采用独到的多文档技术。在客户端的浏览器上可以浏览多个过程画面。
企业级Web服务器
专为构建企业级Web服务器而设计,具备高容量的数据吞吐能力和良好的健壮性。介于现场监控层和Internet/Intranet之间,通过Web服务器管理所有的访问请求,不会由于多个用户请求访问而影响整个SCADA系统的功能,保证系统的可靠平稳运行。pWebView支持多达500的客户端的访问。
完全瘦客户端
在客户端只需要Microsoft Internet Explorer5.0或以上版本的浏览器,就可以对现场的各种事务进行浏览、控制。无需购买其它软件或增加软件成本。
完善的安全机制
提供完善的安全管理机制。只有授权的用户才能修改过程参数。使用WEB发布时,管理员尽可安心,不必担心非法或未授权的修改。
简便的系统开发和维护
使用简便,只需在服务器上进行前期的组态和后期的维护,在客户端无需任何工作。大大的减少了系统开发和维护的工作量。易于扩展,可以有效地控制系统预算开支。
(2) 通讯服务器
每个分站的通讯服务器采用MOXA串口联网服务器产品。特点如下:
立您的串口设备联网
点对点连接模式,可在不使用PC的情况下经由网络连接两个串口设备
可利用简单易用的bbbbbbs Utility执行大量安装
自动侦测10/100 Mbps Ethernet
所有串口信号皆内建15 KV ESD突波保护
支持SNMP MIB-II网管功能
可通过网络/bbbnet/控制器端口进行配置
配置工具可在网络上自动寻找设备联网服务器
(3) 下位系统
PLC选用凯迪恩KDN PLC产品,KDN-K3系列小型一体化可编程控制器是用于工厂自动化领域中机器控制和小规模过程控制的先进PLC产品,与市场众多的同类产品相比它是后来者,但却跨越了PLC发展的初级阶段,将多种先进技术和功能集成到逻辑控制器中,广泛适用于以下控制应用:包装机械、纺织机械、建材机械、食品机械、塑料机械、数控机床、印刷机械、中央空调、环保设备以及单一过程控制装置。
按国际通用分类规则,KDN-K3属于小型PLC系统,由于采用高性能处理器芯片和软件优化设计,布尔指令执行速度优于0.5μs/步。K3系列共有6款CPU模块,控制点数、内存容量、内部资源、扩展能力等依次增强,开关量控制点数从14~280点,模拟量大40点。通过二十多种扩展I/O和扩展功能模块灵活组合,可以满足大部分该领域应用的要求。
编程软件符合IEC61131-3标准
大控制点数开关量280点,模拟量40点
DIO通道可自由设置输入输出功能
多种通讯方式真正实现开放性
全部自主开发,拥有知识产权
易学易用,符合国人编程及使用习惯
PLC系统集成了一些传统产品不具备的功能,这些功能也使得PLC不再仅仅是逻辑控制器,而能够胜任更复杂的控制任务。
高速计数和脉冲输出:
在CPU本体上集成了4路高速计数输入(30kHz)和2路高速脉冲输出(20kHz),用于jingque定位和控制步进/伺服驱动装置
PID算法:
内置PID算法
DIO模块原理介绍:
DIO模块(KDN-K323-08DTX)的每一个点既可以设置成DI,又可以设置成DO,只要按手册的说明以不同形式接线即可,CPU内部为此模块分配一个输入字节和一个输出字节地址顶调电位器
CPU模块带两个8位分辨率的顶调电位器,设定值被送入CPU内部寄存器供程序调用。
实时时钟功能
系统时钟可以设定和读取年、月、日、时、分、秒、星期
提供24V负载电源
为方便使用,CPU模块上设计了DC24V电源输出端,用于晶体管输入点的电流源,其容量可以供100个DI点输入,多数情况下客户不用单独配置输入负载电源。
1 引言
在工业生产中,常需要用闭环控制方式来实现温度、压力、liuliang等连续变化的模拟量控制。无论使用模拟控制器的模拟控制系统,还是使用计算机(包括PLC)的数字控制系统,PID控制都得到了广泛的应用。
PID控制器是比例-积分-微分控制的简称,具有
(1) 不需要jingque的控制系统数学模型;
(2) 有较强的灵活性和适应性;
(3)结构典型、程序设计简单,工程上易于实现,参数调整方便等优点。积分控制可以消除系统的静差,微分控制可以改善系统的动态相应速度,比例、积分、微分三者有效地结合可以满足不同的控制要求。
2 PLC实现PID的控制方式
2.1 PID过程控制模块
这种模块的PID控制程序是PLC生产厂家设计的,并存放在模块中,用户使用时序要设置一些参数,使用起来非常方便,一个模块可以控制几路甚至几十路闭环回路。
2.2 PID功能指令
现在很多PLC都有供PID控制用的功能指令,如S7-200的PID指令。它们实际上是用于PID控制的子程序,与模拟量输入/输出模块一起使用,可以得到类似于使用PID过程控制模块的效果。
2.3 用自编的程序实现PID闭环控制
有的PLC没有PID过程控制模块和PID控制用的功能指令,有时可以使用PID控制指令,希望采用某种改进的PID控制算法。在上述情况下都需要用户自己编制PID控制程序。
3 PLC-PID控制器的实现
本文以西门子S7-200PLC为例,说明PID控制的原理及PLC的PID功能指令的使用及控制功能的实现。
3.1 PID控制器的数字化
PLC的PID控制器的设计是以连续系统的PID控制规律为基础,将其数字化写成离散形式的PID控制方程,再跟据离散方程进行控制程序设计。
在连续系统中,典型的PID闭环控制系统如图1所示。图1中sp(t)是给定值,pv(t)是反馈量,c(t)是系统的输出量,PID控制的输入输出关系式为:
式中:
M(t)—控制器的输出量,M0为输出的初始值;
e(t)=sp(t)-pv(t)-误差信号;
KC比例系数;
TI-积分时间常数;
TD-微分时间常数。
图1 连续闭环控制系统方框图
式(1)的右边前3项分别是比例、积分、微分部分,它们分别与误差,误差的积分和微分成正比。如果取其中的一项或两项,可以组成P、PD或PI控制器。
假设采样周期为TS,系统开始运行的时刻为t=0,用矩形积分来近似jingque积分,用差分近似jingque微分,将公式1离散化,第n次采样时控制器的输出为: (2)
式中:
en-1-第n-1次采样时的误差值;
KI-积分系数;
KD-微分系数。
基于PLC的闭环控制系统如图2所示。图中的虚线部分在PLC内。其中spn、pvn、en、Mn分别为模拟量在sp(t)、pv(t)、e(t)、M(t)在第n次采样时的数字量。
图2 PLC闭环控制系统方框图
在许多控制系统内,可能只需要P、I、D中的一种或两种控制类型。如可能只要求比例控制或比例与积分控制,通过设置参数可对回路进行控制类型进行选择。
3.2 输入输出变量的转换
PID控制有两个输入量:给定值(sp)和过程变量(pv)。多数工艺要求给定值是固定的值,如加热炉温度的给定值。过程变量是经A/D转换和计算后得到的被控量的实测值,如加热炉温度的测量值。给定值与过程变量都是与被控对象有关的值,对于不同的系统,它们的大小、范围与工程单位有很大的区别。应用PLC的PID指令对这些量进行运算之前,必须将其转换成标准化的浮点数(实数)。
同样,对于PID指令的输出,在将其送给D/A转化器之前,也需进行转换。
3.3 回路输入的转换
转换的步是将给定值或A/D转换后得到的整数值由16位整数转换成浮点数,可用下面的程序实现这种转换:
XORD AC0, ACO
//清除累加器
MOVW AIWO, AC0
//将待转化的模拟量存入累加器
LDW>= AC0, 0
//如果模拟量数值为正
JMP 0
//直接转换成实数
ORD 16#FFFF0000, ACO
//将AC0内的数值进行符号扩展,扩展为32位负数
LBL 0
DTR AC0, AC0
//将32位整数转换成实数
转换的下一步是将实数转换成0.0~1.0之间的标准化实数,可用下面的式(3)对给定值及过程变量进行标准化:
RNorm=(RRaw/Span)+Offset (3)
式中:
RNorm-标准化实数值;
RRaw-标准化前的值;
Offset-偏移量,对单极性变量为0.0,对双极性变量为0.5;
Span-取值范围,等于变量的大值减去小值,单极性变量的典型值为32000,双极性变量的典型值为64000。
下面的程序将上述转换后得到的AC0中的双极性实数(其Span=64000)转换成0.0~1.0之间的实数:
/R 64000.0, AC0
//累加器中的实数标准化
+R 0.5, AC0
//加上偏移值,使其在0.0~1.0之间
MOVR ACO, VD100
//加标准化后的值存入回路表内
3.4 回路输出的转换
回路输出即PID控制器输出,它是标准化的0.0~1.0之间的实数。将回路输出送给D/A转换器之前,必须转换成16位二进制整数。这一过程是将pv与sp转换成标准化数值的逆过程。用下面的公式将回路输出转换成实数:
RScal=(Mn-Offset)×Span (4)
式中,RScal是回路输出对应的实数值,Mn是回路输出标准化的实数值。
下面的程序用来将回路输出转换为对应的实数:
MOVR VD108, AC0
//将回路输出送入累加器
-R 0.5, AC0
//仅双极性数才有此语句
*R 64000.0, AC0
//单极性变量乘以32000.0
用下面的指令将代表回路输出的实数转换成16位整数:
ROUND AC0, AC0
//将实数转换为32位整数
MOVW AC0, AQW0
//将16位整数写入模拟输出(D/A)寄存器
3.5 PID指令及回路表
S7-200的PID指令如图3所示:
图3 PID指令
指令中TBL是回路表的起始地址,LOOP是回路的编号。编译时如果指令指定的回路表起始地址或回路号超出范围,CPU将生成编译错误(范围错误)仪器编译失败。PID指令对回路表中的某些输入值不进行范围检查,应保证过程变量、给定值等不超限。回路表参见附表。
附表 PID指令的回路表
如果PID指令中的算术运算发生错误,特殊存储器SMI.1(溢出或非法数值)被置1,并将终止PID指令的执行。要想消除错误,在下次执行PID运算之前,应改变引起运算错误的输入值,而不是更新输出值。
4 PID指令编程举例
某一水箱里的水以变化速度流出,一台变频器驱动的水泵给水箱打水,以保持水箱的水位维持在满水位的75%。过程变量由浮在水面上的水位测量仪提供,PID控制器的输出值作为变频器的速度给定值。过程变量与回路输出均为单极性模拟量,取值范围为0.0~1.0。
本例采用PI控制器,给定值为0.75,选取控制器参数的初始值为:KC=0.25,TS=0.1s,TI=30min。编程如下:
//主程序(OBI)
LD SM0.1 //扫描时
CALL 0 //调用初始化子程序
//子程序
LD SM0.0
MOVR 0.75, VD104 //装入给定值75%
MOVR 0.25, VD112 //装入回路增益0.25
MOVR 0.10, VD116 //装入采样时间0.1s
MOVR 30.0 VD120 //装入积分时间30min
MOVR 0.0, VD124 //关闭微分作用
MOVB 100, SMB34
//设置定时中断0的时间间隔为100ms
ATCH 0, 10
//设定定时中断以执行PID指令
ENI
//允许中断,子程序0结束
//中断程序0
LD SM0.0
LTD AIW0, AC0
//单极性模拟量经A/D转换后存入累加器
DTR AC0, AC0
//32位整数转换为实数
/R 32000.0, AC0
//标准化累加器中的实数
MOVR AC0, VD100 //存入回路表
LD 10.0
//在自动方式下,执行PID指令
PID VB100, 0
//回路表的起始地址为VB100,回路号为0
LD SM0.0
MOVB VD108, AC0
//PID控制器的输出值送入累加器
*R 32000.0 AC0
//将累加器中的数值标准化
ROUND AC0, AC0
//实数转换为32位整数
DTI AC0, AQW0
//将16位整数写入到模拟量输出(D/A)寄存器
5 结束语
PLC实现PID控制的方法多种,直接应用PID指令来实现基于PLC的PID控制,是一种易于实现且经济实用的方法。