电路计算机辅助设计氮气增压电器控制系统.doc

电路计算机辅助设计 班 级： 姓 名： 学 号： 指导教师： 撰写日期： 摘 要氮气是气体工业中最重要的产品之一，分为高纯氮气，纯氮气，液氮，工业氮气。随着经济的发展，氮气的市场不断扩大，销售量逐年递增。在空气为原料的分离装置中，由于氮气在空气中含量高，分离后有大量的氮气。氮气在化学工业行业主要作为原料气和保护气使用。如在冶炼金属中，一些有色金属的融入能降低含氧量和温度值，提高产品质量具有优良的效果。而我国正是发展中国家，对于重工业的发展具有重要的意义。氮气还用于吹扫易燃物流过的管道和贮存设备。用氮气吹除钢水使钢中的氢含量除低，使钢强度大大提高。同时利用液氮进行低温（超低温）切削加工，就是利用液氮使用工件，刀具或切削区处于低温冷却状态进行切削加工的方法。氮气是大气中含量最多的成分，液氮作为制氧工业的副产品，来源十分广阔。同时利用液氮进行低温（超低温）切削加工，就是利用液氮使用工件，刀具或切削区处于低温冷却状态进行切削加工的方法。使用液氮作为切削液，应用后直接挥发返回大气，没有任何污染，是一种有前途的切削液。目 录第一章 课程设计目的、内容、要求11.1 设计目的11.2 设计内容11.3 设计要求1第二章 工控组态软件MCGS简介32.1 什么是MCGS组态软件32.2 MCGS的主要特点32.3 MCGS的构成62.4 MCGS组态软件的工作方式8第三章 压氮机原理与要求分析103.1 压氮机原理103.2 分析冶炼厂氮气增压电器控制系统工艺流程11CAD应用课程设计16参考文献17附录I第一章 课程设计目的、内容、要求1.1 设计目的1、了解常用MCGS工控组态软件的主要特点及应用。2、掌握工控组态软件MCGS主要特点及应用。3、重点掌握 MCGS的画面组态、动画显示、流程控制等解决实际工程问题的方案和操作方法。1.2 设计内容1、设计题目总体设计方案 本题目以MCGS为核心控制系统，采用组态软件进行模拟。2、应用工控组态软件MCGS进行工程CAD设计 完成MCGS系统、传感器、提升机、开关等组成。3、系统的综合调试 系统包括除杂、不出杂、烘干的功能。4、撰写课程设计论文 设计内容要正确，概念要清楚，完成任务书所规定的内容附原理图及程序清单，文字要通顺，书写要工整。5、完成课程设计论文答辩。1.3 设计要求1.3.1 组态软件工艺画面设计要求1、用户图形界面生成：创建用户窗口。2、设置用户窗口属性：设置为启动窗口。3、创建编辑图形对象：插入元件并制作文字框图。4、制作用户动画界面：使用工具箱中的流动块。5、设计制作的工艺画面应布局合理、图形应形象逼真、文字应清晰简洁、流动滑块应生动形象。1.3.2 分析设计要求时主要考虑了以下几种情况1、压氮机和储气罐的压力问题为了防止压氮机的压力问题和储气罐的压力问题，以及在压力控制器的开关问题必须进行一系列的表达式的设置。2、开关控制问题在压氮机的地方仍有压力的表达辐条来在一定条件下来控制电机的开关，来防止在工厂冶炼过程中的无人控制安全问题。3、控制的人工手动化和自动化问题此系统可为全自动控制系统，但是由于时间紧迫并没有完成所有的控制系统并深感遗憾。因此要求在启动时要从后级先启动前级后启动，而停止时正好相反。当储气罐装满时要自动停止压氮机的工作。并有可能使用电控安全阀门来进行放气，由压力控制器来控制。当储气罐空了的时候，要求所有电机自动开启。第二章 工控组态软件MCGS简介2.1 什么是MCGS组态软件MCGS (Monitor and Control Generated System，通用监控系统)是一套用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件，它能够在基于Microsoft的各种32位Windows平台上运行，通过对现场数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案，它充分利用了Windows图形功能完备、界面一致性好、易学易用的特点，比以往使用专用机开发的工业控制系统更具有通用性，在自动化领域有着更广泛的应用。MCGS组态软件功能强大，操作简单，易学易用，普通工程人员经过短时间的培训就能迅速掌握多数工程项目的设计和运行操作。同时使用MCGS组态软件能够避开复杂的计算机软、硬件问题，集中精力去解决工程问题本身，根据工程作业的需要和特点，组态配置出高性能、高可靠性和高度专业化的工业控制监控系统。2.2 MCGS的主要特点1、 简单灵活的可视化操作界面。MCGS采用全中文、可视化、面向窗口的开发界面，符合中国的使用习惯和要求，以窗口为单位，构造用户运行系统的图形界面，使得MCGS的组态工作既简单直观，又灵活多变。用户可以使用系统的缺省构架，也可以根据需要自己组态配置图形界面，生成各种类型和风格的图形界面，包括DOS风格的图形界面、标准Windows风格的图形界面并且带有动画效果的工具条和状态条等。2、 实时性强、良好的并行处理性能。MCGS是真正的32位应用系统，充分利用了32位Windows操作平台的多任务、按优先级分时操作的功能，以线程为单位对在工程作业中实时性强的关键任务和实时性不强的非关键任务进行分时并行处理，使PC机广泛应用于工程测控领域成为可能。例如MCGS在处理数据采集、设备驱动和异常处理等关键任务时，可在主机运行周期时间内分时处理打印数据等类似的非关键性工作，实现系统并行处理多任务、多进程。3、 丰富、生动的多媒体画面。MCGS以图像、图符、报表、曲线等多种形式，为操作员及时提供系统运行中的状态、品质及异常报警等有关信息；通过对图形大小的变化、颜色的改变、明暗的闪烁、图形的移动翻转等多种手段，增强画面的动态显示效果；在图元、图符对象上定义相应的状态属性，实现动画效果。MCGS还为用户提供了丰富的动画构件，每个动画构件都对应一个特定的动画功能。MCGS还支持多媒体功能，使能够快速地开发出集图像、声音、动画于一体的漂亮、生动的工程画面。4、 开放式结构，广泛的数据获取和强大的数据处理功能。MCGS采用开放式结构，系统可以与广泛的数据源交换数据，MCGS提供多种高性能的I/O驱动；支持Microsoft开放数据库互连（ODBC）接口，有强大的数据库连接能力；MCGS全面支持OPC（OLE for Process Control）标准，既可作为OPC客户端，也可以作为OPC服务器，可以和更多的自动化设备相连接；MCGS通过DDE（Dynamic Data Exchange，动态数据交换）与其它应用程序交换数据，充分利用计算机丰富的软件资源；MCGS全面支持ActiveX控件，提供及其灵活的面向对象的动态图形功能，并且包含丰富的图形库。5、 完善的安全机制。MCGS提供了良好的安全机制，为多个不同级别用户设定不同的操作权限。此外，MCGS还提供了工程密码、锁定软件狗、工程运行期限等功能，大大加强了保护组态开发者劳动成果的力度。6、 强大的网络功能。MCGS支持TCP/IP、Modem、RS-485/ RS-422/ RS-232等多种网络体系结构，使用MCGS网络版组态软件，可以在整个企业范围内，用IE浏览器方便地浏览到实时和历史的监控信息，实现设备管理与企业管理的集成。7、 多样化的报警功能。MCGS提供多种不同的报警方式，具有丰富的报警类型和灵活多样的报警处理函数。不仅方便用户进行报警设置，并且实现了系统实时显示、打印报警信息的功能。报警信息的存储与应答，为工业现场安全可靠地生产运行提供了有力的保障。8、 实时数据库为用户分步组态提供极大方便。MCGS由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五个部分构成，其中实时数据库是一个数据处理中心，是系统各个部分及其各种功能性构件的公用数据区，是整个系统的核心。各个部件独立地向实时数据库输入和输出数据，并完成自己的差错控制。在生成用户应用系统时，每一部分均可分别进行组态配置，独立建造，互不相干，而在系统运行过程中，各个部分都通过实时数据库交换数据，形成互相关联的整体。9、 支持多种硬件设备，实现“设备无关”。MCGS针对外部设备的特征，设立设备工具箱，定义多种设备构件，建立系统与外部设备的连接关系，赋予相关的属性，实现对外部设备的驱动和控制。用户在设备工具箱中可方便选择各种设备构件。不同的设备对应不同的设备构件，所有的设备构件均通过实时数据库建立联系，而建立时又是相互独立的，即对某一构件的操作或改动，不影响其它构件和整个系统的结构，因此MCGS是一个“设备无关”的系统，用户不必因外部设备的局部改动，而影响整个系统。10、 方便控制复杂的运行流程。MCGS开辟了“运行策略”窗口，用户可以选用系统提供的各种条件和功能的策略构件，用图形化的方法和简单的类Basic语言构造多分支的应用程序，按照设定的条件和顺序，操作外部设备，控制窗口的打开或关闭，与实时数据库进行数据交换，实现自由、准确地控制运行流程，同时也可以由用户创建新的策略构件，扩展系统的功能。11、 良好的可维护性和可扩充性。MCGS系统由五大功能模块组成，主要的功能模块以构件的形式来构造，不同的构件有着不同的功能，且各自独立。三种基本类型的构件（设备构件、动画构件、策略构件）完成了MCGS系统三大部分（设备驱动、动画显示和流程控制）的所有工作。除此之外，MCGS还提供了一套开放的可扩充接口，用户可根据自己的需要用VB、VC等高级开发语言，编制特定的构件来扩充系统的功能。12、 用数据库来管理数据存储，系统可靠性高。MCGS中数据的存储不再使用普通的文件，而是用数据库来管理。组态时，系统生成的组态结果是一个数据库；运行时，系统自动生成一个数据库，保存和处理数据对象和报警信息的数据。利用数据库来保存数据和处理数据，提高了系统的可靠性和运行效率，同时，也使其它应用软件系统能直接处理数据库中的存盘数据。13、 设立对象元件库，组态工作简单方便。对象元件库，实际上是分类存储各种组态对象的图库。组态时，可把制作好的数据对象（包括图形对象、窗口对象、策略对象以至位图文件等）以元件的形式存入图库中，同样也可把元件库中的各种对象取出，直接为当前的工程所用。随着工作的积累，对象元件库将日益扩大和丰富，这样解决了对象元件库的元件积累和元件重复利用问题。组态工作将会变得更加简单、方便。14、 实现对工控系统的分布式控制和管理。考虑到工控系统今后的发展趋势，MCGS充分运用现今发展的DCCW(Distributed Computer Cooperator Work，分布式计算机协同工作方式)技术，使分布在不同现场的采集设备和工作站之间实现协同工作，不同的工作站之间则通过MCGS实时交换数据，实现对工控系统的分布式控制和管理。2.3 MCGS的构成MCGS系统包括组态环境和运行环境两个部分。用户的所有组态配置过程都在组态环境中进行，组态环境相当于一套完整的工具软件，它帮助用户设计和构造自己的应用系统。用户组态生成的结果是一个数据库文件，称为组态结果数据库。运行环境是一个独立的运行系统，它按照组态结果数据库中用户指定的方式进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能。运行环境本身没有任何意义，必须与组态结果数据库一起作为一个整体，才能构成用户应用系统。一旦组态工作完成，运行环境和组态结果数据库就可以离开组态环境而独立运行在监控计算机上。组态结果数据库完成了MCGS系统从组态环境向运行环境的过渡，它们之间的关系,如下图所示。图2-1 MCGS系统环境由MCGS生成的用户应用系统，其结构由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五个部分构成，如下图所示。图2-2 MCGS生成的用户应用系统窗口是屏幕中的一块空间，是一个“容器”，直接提供给用户使用。在窗口内，用户可以放置不同的构件，创建图形对象并调整画面的布局，组态配置不同的参数以完成不同的功能。在MCGS的单机版中，每个应用系统只能有一个主控窗口和一个设备窗口，但可以有多个用户窗口和多个运行策略，实时数据库中也可以有多个数据对象。MCGS用主控窗口、设备窗口和用户窗口来构成一个应用系统的人机交互图形界面，组态配置各种不同类型和功能的对象或构件，同时可以对实时数据进行可视化处理。2.4 MCGS组态软件的工作方式1、MCGS如何与设备进行通讯：MCGS通过设备驱动程序与外部设备进行数据交换。包括数据采集和发送设备指令。设备驱动程序是由VB、VC程序设计语言编写的DLL（动态连接库）文件，设备驱动程序中包含符合各种设备通讯协议的处理程序，将设备运行状态的特征数据采集进来或发送出去。MCGS负责在运行环境中调用相应的设备驱动程序，将数据传送到工程中的各个部分，完成整个系统的通讯过程。每个驱动程序独占一个线程，达到互不干扰的目的。2、MCGS如何产生动画效果：MCGS为每一种基本图形元素定义了不同的动画属性，如：一个长方形的动画属性有可见度，大小变化，水平移动等，每一种动画属性都会产生一定的动画效果。所谓动画属性，实际上是反映图形大小、颜色、位置、可见度、闪烁性等状态的特征参数。然而，我们在组态环境中生成的画面都是静止的，如何在工程运行中产生动画效果呢？方法是：图形的每一种动画属性中都有一个“表达式”设定栏，在该栏中设定一个与图形状态相联系的数据变量，连接到实时数据库中，以此建立相应的对应关系，MCGS称之为动画连接。详细情况请参阅后面第四讲中的动画连接。3、MCGS如何实施远程多机监控：MCGS提供了一套完善的网络机制，可通过TCP/IP网、Modem网和串口网将多台计算机连接在一起，构成分布式网络监控系统，实现网络间的实时数据同步、历史数据同步和网络事件的快速传递。同时，可利用MCGS提供的网络功能，在工作站上直接对服务器中的数据库进行读写操作。分布式网络监控系统的每一台计算机都要安装一套MCGS工控组态软件。MCGS把各种网络形式，以父设备构件和子设备构件的形式，供用户调用，并进行工作状态、端口号、工作站地址等属性参数的设置。4、如何对工程运行流程实施有效控制：MCGS开辟了专用的“运行策略”窗口，建立用户运行策略。MCGS提供了丰富的功能构件，供用户选用，通过构件配置和属性设置两项组态操作，生成各种功能模块（称为“用户策略”），使系统能够按照设定的顺序和条件，操作实时数据库，实现对动画窗口的任意切换，控制系统的运行流程和设备的工作状态。所有的操作均采用面向对象的直观方式，避免了烦琐的编程工作。第三章 压氮机原理与要求分析3.1 压氮机原理压氮机是根据变压吸附原理，采用高品质的碳分子筛作为吸附剂，在一定的压力下，从空气中制取氮气。经过纯化干燥的压缩空气，在吸附器中进行加压吸附、减压脱附。由于空气动力学效应，氧在碳分子筛微孔中扩散速率远大于氮，氧被碳分子筛优先吸附，氮在气相中被富集起来，形成成品氮气。然后经减压至常压，吸附剂脱附所吸附的氧气等杂质，实现再生。一般在系统中设置两个吸附塔，一塔吸附产氮，另一塔脱附再生，通过PLC程序控制器控制气动阀的启闭，使两塔交替循环，以实现连续生产高品质氮气之目的。整套系统由以下部件组成：压缩空气净化组件、空气储罐、氧氮分离装置、氮气缓冲罐。1、 压缩空气净化组件 空气压缩机提供的压缩空气首先通入压缩空气净化组件中，压缩空气先由管道过滤器除去大部分的油、水、尘，再经冷冻干燥机进一步除水、精过滤器除油、除尘，并由在紧随其后的超精过滤器进行深度净化。根据系统工况，特别设计了一套压缩空气除油器，用来防止可能出现的微量油渗透，为碳分子筛提供充分保护。设计严谨的空气净化组件确保了碳分子筛的使用寿命。经本组件处理后的洁净空气可用于仪表空气。2、空气储罐 空气储罐的作用是：降低气流脉动，起缓冲作用；从而减小系统压力波动，使压缩空气平稳地通过压缩空气净化组件，以便充分除去油水杂质，减轻后续PSA氧氮分离装置的负荷。同时，在吸附塔进行工作切换时，它也为PSA氧氮分离装置提供短时间内迅速升压所需的大量压缩空气，使吸附塔内压力很快上升到工作压力，保证了设备可靠稳定的运行。3、氧氮分离装置装有专用碳分子筛的吸附塔共有A、B两只。当洁净的压缩空气进入A塔入口端经碳分子筛向出口端流动时，O2、CO2和H2O被其吸附，产品氮气由吸附塔出口端流出。经一段时间后，A塔内的碳分子筛吸附饱和。这时，A塔自动停止吸附，压缩空气流入B塔进行吸氧产氮，对并A塔分子筛进行再生。分子筛的再生是通过将吸附塔迅速下降至常压脱除已吸附的O2、CO2和H2O来实现的。两塔交替进行吸附和再生，完成氧氮分离，连续输出氮气。上述过程均由可编程序控制器（PLC）来控制。当出气端氮气纯度大小设定值时，PLC程序作用，自动放空阀门打开，将不合格氮气自动放空，确保不合格氮气不流向用气点。气体放空时利用消声使噪声小于75dBA。4、氮气缓冲罐 氮气缓冲罐用于均衡从氮氧分离系统分离出来的氮气的压力和纯度，保证连续供给氮气稳定。同时，在吸附塔进行工作切换后，它将本身的部分气体回充吸附塔，一方面帮助吸附塔升压，另外也起到保护床层的作用，在设备工作过程中起到极重要的工艺辅助作用。 制氮机、氮气机、氮气发生器、变压吸附制氮机、高纯度制氮机、制氮装置、制氮系统、制氮设备、制氮装备、制氮机组、氮气系统、PSA制氮机组、PSA制氮系统、PSA制氮装置、PSA制氮设备、氮气设备、 空气分离制氮机、工业制氮机、高纯度制氮机、工业制氮装置、工业制氮系统、工业制氮装备、工业制氮设备。3.2 分析冶炼厂氮气增压电器控制系统工艺流程3.2.1 手动操作手动操作作为调试各部分时用，因此个部分之间不需要连锁，且无为点，点击各个开关。氮气经过开关自动打开的通道管上传送，在开启电机，把氮气压缩，再经过通道管上传送到储气罐中。在这个过程中按动各自开关按钮就能完成。如以下流程：氮气通道管压氮机安全控制器开关阀通道管储气罐高压氮气。如图3-1所示。图3-1 手动操作3.2.2 各个部分表达式此图3-2为1#电机旁的管道流动表达式。 图3-2 管道流动块设置此图3-3为电机2#电机旁的管道流动表达式图3-3管道流动块设置 此图3-4为高压氮气管道输送的流动表达式图3-4管道流动块设置此图3-5为电机在开关4关闭时的表达式图3-5 开关设置此图3-6为安全阀门管道的自动控制开关管道的流动表达式图3-6管道流动块设置此图3-7为放气手动阀的管道表达式图3-7管道流动块设置此图3-8为在两个压氮机最后汇通的输送管道的流动表达式图3-8 管道流动块设置压氮机各部分表达式设置完成。CAD应用课程设计本次实训完成得还算顺利，从翻看书籍、上网查资料，收集相关资料，自己尝试着用MCGS虽然在这过程中遇到了许多问题，但是在同学的帮助，大家的讨论下还是按时完成了任务。刚开始画图时，我根据书上的内容和自己的理解试着画图，但总是在出错，后来在同学的指点下，终于把图画完了。在做动画连接的时候，出现了编程问题，同样在老师的指导和同学的帮助下，终于顺利完成。后来，在运行中，由于动画连接时候，一不小心把表达式写错了，结果在运行时，动画不动。，后来经多次检查才发现原来是程序部分少了一条指令，经修改，总算让粮食除杂系统动起来了。在本次实训中，我受益匪浅，在这不断的发现问题，解决问题中，我对MCGS这门课程有了更深入的了解，也在这过程中，提高了自己动手能力。此次在实训中了解MCGS是花费时间最多的，我们上网找资料，上图书馆，尽可能的了解有关于MCGS这方面的知识。课程设计要求我们立足实际，观点新颖，多些创新，尽量满足现实情况的前提下开动脑筋，大胆别致的作出更好的作品。经过几个星期的研究与学习终于作出了自己的设计，在完成设计的过程中查阅了很多资料，把课本的知识综合的系统的应用在我的设计之中。通过这短暂的几天课程设计，在老师的精心指导和严格要求下，使我得到了一次用专业知识、专业技能分析和解决问题全面系统的锻炼。在此，忠心感谢老师和同学们对我的指导和支持。参考文献1 邹国清;电气与PLC控制技术在煤矿安装的应用A;煤矿自动化与信息化;2011年 2 万红进;通用过程监测软件的研究与开发D;南京理工大学;2007年 3易异勋;工控系统组态软件的研究和设计J;仪表技术与传感器;1998年12期 4李蜀瑜;电气监控组态软件的研究与开发D;西北工业大学;2001年 5曾庆波; 监控组态软件及其应用 J;传感器世界;2001年03期 6王惠莉;基于MCGS的PLC实验教学系统的构建J;电气电子教学学报;2010年S2期 7 曲峥敏;监控组态软件的设计与研究D;哈尔滨理工大学;2011年 8 张秋余,杨智;实时监控组态软件的开发J;甘肃工业大学学报;1997年03期 9 肖攸安,田忠和;工业控制组态集成软件的开发J;武汉交通科技大学学报;1997年02期 附录：冶炼厂氮气增压电器控制系统