【文章內容簡介】 要的用戶輸入設備 (包括按扭、轉換開 關、行程開關、限位開關和傳感器等 )和輸出設備 (接觸器、繼電器、電磁閥、報警 指示燈等 )。并且根據這些輸入 /輸出設備確定系統的 I/0 點數。 PLC PLC 類型的選擇主要從下面幾個方面考慮 : (1) PLC 機型和容量的選擇； (2) 開關輸入量的點數以及輸入電壓； (3) 開關輸出量的點數以及輸出功率； (4) 模擬量輸入 /輸出的點數； (5) 系統的特殊要求，如遠程 I/O、通信網絡等； 4. I/O 點分配 ******************本科生畢業(yè)設計 (論文 ) 10 分配 PLC 的輸入 /輸出點，畫出 PLC 的 I/O 端子與輸入 /輸出設備的連接圖或分配表。在連接圖或分配表中，必須指定每個 I/O對應的模塊編號、端子編號、 I/O地址、對應的輸入 /輸出設備等。 圖 21 PLC系統設計的基本步驟 此步驟是進行 PLC 程序設計和 PLC 控制柜等 硬件的設計及現場施工。程序與硬件設計施工可同時進行。 PLC 程序設計的一般步驟包括以下部分 [4]: (1)根據工藝流程和控制要求，畫出系統的功能圖或流程圖 。 (2)根據 I/0分配表或 I/O 端子接線圖，將功能圖和流程圖轉化成梯形圖，即 PLC 編 ******************本科生畢業(yè)設計 (論文 ) 11 程。 硬件設計及現場施工的一般步驟如下 : (1)設計控制柜布置圖、操作面板布置圖和接線端子圖等； (2)設計控制系統各部分的電氣圖； (3)根據圖紙進行現場接線。 (1)程序編寫完成后，將程序輸入 PLC。如果用編程器輸入，需要先將梯形圖轉換為助記符，然后 輸入。 (2)程序輸入 PLC后，用按扭和開關模擬數字量，電壓源電流源代替模擬量，進行模擬調試，使控制程序基本滿足控制要求。 離線模擬調試和控制柜等硬件施工完成后，就可以進行整個系統的現場聯機調試。現場調試是指將模擬調試通過的程序結合現場設備進行聯機調試。通過現場調試，可以發(fā)現模擬調試中無法發(fā)現的實際問題，然后逐一排除這些問題，直至調試成功。 技術文件主要包括技術說明書，使用說明書，電氣原理圖、接線端子圖、 PLC 梯形圖和電器布置圖。 本章小結 本章主要講述了 PLC 控 制系統設計的要求和基本步驟，對下一章研究 防砂模擬 的 PLC控制系統做了很好的鋪墊。其中，最基礎也是最必不可少的是分析工藝流程和控制要求并且確定 I/O 分配，而最重要的是根據控制要求進行硬件和軟件的設計。 ******************本科生畢業(yè)設計 (論文 ) 12 第三章 防砂模擬控制系統控制要求 防砂模擬控制系統簡介 [7] 機械防砂模擬 實驗系統 包括注水系統、加砂系統、直井除砂模型以及原油回收系統，由電機驅動的各種泵等傳送機構完成各系統之間的產品傳輸。該 實驗系統 自動化控制系統主要由三部分組成，一部分是對各崗位生產參數進行監(jiān)測；一部分是分析各崗位生產參數，對各崗位 需要進行自動控制的執(zhí)行器進行控制；一部分接受控制系統控制輸出，調節(jié)各崗位執(zhí)行器 [7]。 各系統的參數必須嚴格控制，才能生產出合格原油，保證整個系統平穩(wěn)安全運行。所有系統通過 PLC 實現各設備工作狀況及參數數據采集、檢測、控制的實時監(jiān)測，并具備報警、控制功能。各崗位監(jiān)控系統由傳感器等設備組成，完成包括溫度、壓力、流量、液位的檢測、監(jiān)視 [7]?？刂葡到y采用德國西門子公司 S7300系列 PLC 控制系統， S7300 系統控制器選用 CPU314C2 DP。執(zhí)行系統由變頻器組成，變頻器 [17]接受 PLC 控制系統 輸出的控制模擬量，動態(tài)調節(jié)對應閥門的開關、各種電機的起停和速度變化，保持各崗位生產參數在正常范圍。此配置方案保證控制系統連續(xù)、安全、穩(wěn)定運行。 機械防砂模擬 實驗系統 流程 機械防砂模擬 實驗系統 的功能是模擬對加入水和砂的石油進行處理，脫出石油中的污水和砂粒。儲油罐中放有純凈的石油，由計量泵 3抽取進入配液罐；水池中放有水，由計量泵 4抽取進入配液罐與石油混合，形成混有水的模擬原油。然后由計量泵 2 抽取進入加砂攪拌罐；砂箱中放有砂粒，由絞龍輸送進入加砂攪拌罐與混有水的石油混合，形成混有水和 砂的模擬原油。再由泥漿泵抽取進入直井模型，再進入旋流除砂系統，計量泵 1從水池中向旋流除砂系統泵入需要的水， 進行去砂除水后，由計量泵 5回收到儲油罐 [7]。 防砂模擬控制系統要求 [7] 監(jiān)測系統 監(jiān)測配液罐、加砂攪拌罐、管道內的液位、壓力、流量、溫度、調節(jié)閥開度等，產生模擬量值信號送入控制系統； 配液罐和加砂攪拌罐 配液罐和加砂攪拌罐內要求常存有一定量的 模擬原油。 計量泵 2從配液罐往加砂攪拌罐中泵入石油，速度需要配合加砂攪拌罐和配液罐的液位進行調節(jié)，加砂攪拌罐低液位需要加速，加砂 攪拌罐高液位需要減 速，配液罐低液位需要減速，在緊急狀態(tài)下需要停止；加砂攪拌罐和配液罐的液位由液位檢測傳感器檢測； ******************本科生畢業(yè)設計 (論文 ) 13 絞龍 絞龍從砂箱往加砂攪拌罐中送入砂子，速度需要配合加砂攪拌罐的液位進行調節(jié)，加砂攪拌罐低液位需要加速，加砂攪拌罐高液位需要 減速，在緊急狀態(tài)下需要停止； 泥漿泵 泵出管道壓力不能超過安全值， 泵出管道壓力高于預警值需要減速； 泥漿泵從加砂攪拌罐往除砂系統中泵入加砂后的石油，速度需要配合加砂攪拌罐的液位進行調節(jié)，加砂攪拌罐低液 位需減速，加砂攪拌罐高液位需要加速； 傳輸管道 傳輸管道溫度、壓力值要求保持在一定 范圍。 壓力、溫度傳感器及保護單元中的針閥、柱塞泵、水池和熱交換器共同實現系統的壓力溫度的安全保護。壓力傳 感器的檢測值超過安全值，通過 PLC 控制中心調節(jié)針閥閥門變大，管道流速加快使得壓力變低，溫度傳感器的檢測值超過安全值，通過 PLC控制中心調節(jié)柱塞泵加速抽水速度，熱交換器中的熱交換過程變快使得溫度降低。 緊急狀態(tài) 當系統檢測到配液罐、加砂攪拌罐、管道內的液位、壓力、溫度某項 崗位參數超過預先設定的危險值 ，關斷所有傳動 實驗系統 ，停止 機械防砂模擬 實驗系統 的自動循環(huán)，轉手動調節(jié)。 下圖是 防砂模擬試驗 實驗系統 流程 圖 圖 31 防砂模擬試驗 實驗系統 流程圖 ******************本科生畢業(yè)設計 (論文 ) 14 本章小結 本章介紹了 機械防砂模擬 實驗系統 的基本功能工藝流程，并根據它的工藝流程分析了防砂模擬控制系統 的控制要求，根據此控制要求設計出 各崗位監(jiān)控系統、控制系統、執(zhí)行系統?？刂葡到y對各崗位生產參數實時采集，完成 計量泵、泥漿泵和柱塞泵等設備的啟 /停以及聯動控制，保持控制系統運行過程中， 各崗位生產參數都處于正常范圍。這為下一步詳細設計做了準備。 ******************本科生畢業(yè)設計 (論文 ) 15 第四章 主要算法設計 控制模型分析 經過對 防砂模擬 PLC 控制系統工藝要求的仔細分析，控制系統主要有兩種控 制方式，分別以泥漿泵和 柱塞泵為典型。下面對這兩個崗位進行詳細分析。 1．泥漿泵電機的調節(jié)關聯泵出管道壓力和加砂攪拌罐的液位，泵出管道壓力和加砂攪拌罐的液位要求保持在一定范圍。對應控制要求是：泵出管道壓力不能超過預警值，泵出管道壓力高于預警值泥漿泵電機需要減速；加砂攪拌罐的液位需要保持在一定范圍，加砂攪拌罐液位低于設定范圍泥漿泵電機需減速，加砂攪拌罐液位高于設定范圍泥漿泵電機需加速 [7]。 2．柱塞泵電機的調節(jié)關聯傳輸管道溫度。傳輸管道溫度要求保持在一定范圍，溫度傳感器及保護單元中的柱塞泵、水池和熱交換器共同 實現系統的壓力溫度的安全保護。對應控制要求是：溫度傳感器的檢測值超過安全值，通過 PLC 控制中心調節(jié)柱塞泵加速抽水速度，熱交換器中的熱交換過程變快使得溫度降低 [7]。 泥漿泵電機調節(jié)算法設計 [16] 根據泥漿泵調節(jié)邏輯關系，假定 adjust 為狀態(tài)標志， adjust 值為 1，標志 加沙攪拌罐液位異?；蛘弑贸龉艿缐毫χ诞惓?； adjust 值為 0，標志崗位生產參數正常，不需要調節(jié)。 PLC 輸出泥漿泵電機速度（以下簡稱 nj），加沙攪拌罐液位（以下簡稱 jas），泵出管道壓力值（以下簡稱 pre），假定三者關系如下： nj =? ? a d ju s tp r enjkja snjk ???? _2_1 ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ???? (1) (1) nj允許范圍 ? ? ? ? ? ?hnjhinjhinjlinjlinjlnj _,__,__,_ ?? ； ? ?hinjlinj _,_ 是其正常范圍； (2) jas 允許范圍 ? ? ? ? ? ? ? ?hj ashij ashj ashij ashij aslij aslij aslj as _,__,__,__,_ ???； ? ?hijaslijas _,_ 是其正常范圍； (3) pre 允許范圍 ? ? ? ? ? ?hp r ehip r ehip r elip r elip r elp r e _,__,__,_ ??； ******************本科生畢業(yè)設計 (論文 ) 16 ? ?hiprelipre _,_ 是其正常范圍； 假設系統已經偏離正常狀態(tài)， adjust 值為 1，此時 a式為： ? ?pr enjkjasnjknj ???? _2_1 ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ???? (2) jas 為允許范圍最高值 jas_h， pre 為允許范圍最低值 pre_l的時候，需要 nj 調節(jié)速度至最大 nj_h，對應關系為： ? ? hnjlp r ehja s __amp。_ ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ???? (3) jas 為允許范圍最低值 jas_l， pre 為允許范圍最高值 pre_h的時候，需要 nj 調節(jié)速度至最小 ，對應關系為： ? ? lnjhp r elja s __amp。_ ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ???? (4) 由 (1)， (2)， (3)， (4)式 得出泥漿泵電機速度 傳遞系數 1: k1_nj， 泥漿泵電機速度傳遞系數 2: k2_nj, 由于三者呈線形關系，結果滿足： 2 ___22 ___12 __ hj a slj a snjkhj a slj a snjkhnjlnj ??????? ?? ? ???? (5) (5)式說明了 jas、 pre 的允許范圍的中間值，就是系統 正常運行狀態(tài)值與 nj 的允許中間