基于PLC的锅炉水位控制.doc

洛阳理工学院毕业设计（论文）基于PLC的汽包水位自动控制系统设计摘 要以某厂的35Th蒸汽锅炉为对象，结合蒸汽锅炉的结构，设计了一套基于PLC的汽包水位自动控制系统设计。系统设计采用罗克韦尔自动化公司的ControlLogix系列PLC，配置Logix 5550型号的1756-L1 M2处理器模块，模拟量输入采用1756-OB16D模块，数字量输出采用1756-IF6I模块，以太网通讯接口采用1756-ENBT模块，设备网通讯接口采用1756-DNB模块，控制系统使用编程软件RSLogix5000来设计锅炉控制的梯形图。为了维持汽包水位的稳定，采用了三冲量串级控制，有效克服了“虚假水位对汽包水位控制的影响。系统采用工控机作为上位机，并使用罗克韦尔自动化公司的RSView32进行监控界面的设计，这样能够使得在上位机上实时监控系统的运行状况并可以设置系统的工作参数。使用罗克韦尔RSLINX软件完成系统通讯网络的组建，来完成以太网，设备网之间的通讯。控制系统遵循的PID参数整定的工程整定方法，并模拟研究，最总完成系统设计，PLC在锅炉汽包水位控制系统的最终完成。关键词：汽包水位控制 三冲量 PID控制 PLC 工业以太网 The Design of the Boiler Drum Water LevelControl System with PLCABSTRACTIn a factory 35T / h steam boiler for the object, binding steam boiler drum level design of a PLC automatic control system design is based.System design using Rockwell Automations ControlLogix series PLC, configure the Logix 5550 model 1756-L1 M2 processor module, analog input using the 1756-OB16D modules, digital output modules using the 1756-IF6I, Ethernet communication interface uses 1756-ENBT module, network communication equipment interface with 1756-DNB module, control systems use programming software to design the boiler control RSLogix5000 ladder. In order to maintain the stability of drum level, using a three-impulse cascade control, effectively overcome the impact of the false water level of drum level control.System uses IPC as a host computer, and using Rockwell Automations RSView32 monitoring interface design, so the PC can be made in real-time monitoring system on the operating conditions and operating parameters of the system can be set. Rockwell RSLINX software to complete the formation of the communication network system to complete the communication Ethernet network between devices. PID parameter tuning control system engineering followed tuning methods and simulation studies, most of the total completion of the system design, PLC in the boiler drum level control system finalized.KEY WORDS: Steam drum water level Three impulses control PID controlPLC Industrial Ethernet2目录第1章 绪论11.1 锅炉控制的发展和现状11.2 本设计的主要工作2第2章 控制系统方案设计32.1 原始资料介绍32.2 汽包水位的影响因素72.2.1 给水扰动的影响72.2.2 汽轮机耗气量扰动的影响82.2.3出水量扰动的影响92.3 汽包水位控制方案的设计92.4 控制算法及其参数整定142.4.1 PID算法介绍142.4.2 三冲量控制系统参数的计算15第3章 AB工业网络以及控制硬件选型183.1 概述183.1.1 信息层EtherNet/IP193.1.2 控制网ControlNet193.1.3 设备网DeviceNet203.2 控制器的选型及控制平台213.2.1 控制器选型步骤213.2.2 罗克韦尔ControlLogix平台223.3 Logix5550处理器243.4 ControlLogix I/O模块263.5 PowerFlex 40变频器263.5.1 变频器的工作原理263.5.2 PowerFlex 40变频器的主要特点273.6 通讯网络模块28第4章 控制系统的设计304.1 系统整体的线路设计304.2 系统线路模块设计324.3 控制线路设计35第5章 控制系统软件设计375.1 程序流程设计375.2 DeviceNet 网络组态395.3 RSLogix5000程序设计445.3.1控制器组态445.3.2 I/O模块组态455.3.3通讯模块组态465.3.4梯形图程序设计46第6章 监控界面设计51结论54谢 辞1参考文献2附录3外文资料翻译5第1章 绪论1.1 锅炉控制的发展和现状蒸汽锅炉是企业重要动力设备，其任务供给合格稳定地蒸汽产品，以满足负荷需要。锅炉蒸汽是一个十分复杂的控制对象，为了保证提供合格地蒸汽产品用以适应负荷需要，与其配套的设计控制系统须满足各种主要工艺参数的需要。保持锅炉汽包的水位在正常范围内是锅炉运行的一项重要安全性能指标，由于负荷、燃烧状况及给水流量的等因素变化，汽包水位会经常发生变化【1】。因此锅炉的汽包水位应当根据设备运行状况进行实时调节加以严格的控制以保证锅炉安全运行。传统控制方法是用以各种分立器件应用为基础，利用各种检测的器件对被控参数实时的进行检测并反馈给控制的器件，再根据自动控制理论有关算法完成相应运算并驱动调节机构完成相应动作，从而达到自动控制目的。但是这种控制方式受分立器件地性能影响大，系统各部分之间影响比较大，自动化的水平不高，控制效果非常不理想，故容易出现故障，不利于系统长期安全、高效的运行。现在广泛使用控制技术还有DCS集散控制系统【2】。PLC是在70年代开发了数字控制器，是把CPU，RAM，ROM ，I/O接口和中断系统紧密结合，已被广泛应用于机械制造，冶金，化工，能源，交通等各种行业。随着计算机操作系统，应用软件，通信能力发展，极大地提高了PLC的通信能力，丰富了PLC编程软件和编程技巧，增强了PLC过程控制能力的快速发展。所以，不管是单层或多层机控制，生产线的控制和过程控制的，PLC技术都可以采用。 PLC控制锅炉技术是近几年发展起来的一项新技术，它是利用PLC的硬件和软件，并加以用自动控制，节能来控制锅炉的几个技术紧密结合的产物。作为锅炉控制装置，其主要任务是保证锅炉的安全，稳定，经济运行，减轻操作人员的劳动强度。采用PLC的控制技术，是能实现对锅炉运行过程自动检测、自动控制等多项的功能。它是以被控量是汽包水位，而调节量是汽包给水流量，通过对汽包水位的实时的检测并进行反馈，PLC对反馈信号，给定信号进行比较，然后根据控制的算法对二者偏差进行相应运算，运算的结果输出给执行机构来实现给水流量的调节，使汽包内部的水位达到动态平衡，从而控制使汽包水位变化在允许的范围之内。1.2 本设计的主要工作本设计的主要工作1.对工厂硬件的设备的调查我们首先要对工厂锅炉设备执行检测的元件、执行的机构和控制的设备以及其它必要的设备进行查看并记录，并在此基础之画出锅炉的硬件设计，完成各种设备之间的接线与配置。 2.设计锅炉汽包水位的控制方案从锅炉的汽包水位动态性能出发，分析了影响锅炉汽包水位的主要因素，而这些因素影响的理论研究主要是锅炉汽包水位的动态性能。在此基础之上，在根据各个因素对锅炉的汽包水位影响采用汽包水位三冲量控制方案，使锅炉汽包水位稳定在允许的范围。3.控制算法的整定根据设计的调节项目的各种参数，控制对象的特性的控制器参数，以及它的静态，动态的方法的特征。在此基础上调整模拟和调整结果，从而进一步调整结果，以确定锅炉安全其可行性，并为后续的软件设计的基础。4.工业网络以及PLC和监控界面的设计根据控制的设计要求，选择罗克韦尔工业三层网络，并用有PLC梯形图编程软件，并最终控制算法参数的设置，仿真结果。进而使用组态软件地界面设计，运行实时监控的功能，使整个系统的动态显示主机和监控系统界面相关操作实施有效监控。第2章 控制系统方案设计2.1 原始资料介绍根据控制的要求，我们首先要对我们要控制的锅炉设备进行清查，为以后的改造自动化控制提供必要的设备清单，这样，有利于改造的顺利进行，根据原始资料以下就是对传统控制设备的用作用以及型号的清查，并记录相关的数据。1. 锅炉水位传感器的型号传统系统设计的目的是控制水位稳定，而整个控制系统的基础是要对水位准确测量，因此，水位是否准确测量直接关系到控制质量的优劣。锅炉水位控制合理的选择水位传感器，在水位控制系统的设计中起着关键作用。根据原始资料汽包水位应该控制在30010 mm，在根据过程控制仪表量程选择原则：仪表量程应为被测量参数的4/33/2倍。因此在所选传感器的最大量程为:400450 mm，可是汽包水位应该控制在30010 mm，所选选用的水位传感器的精度应该高于10/450=2.2%FS，因此选择该测量精度才可以满足要求。而该锅炉控制选用的是杭州美控自动化技术有限公司生产的MIK-P260型压阻式液位变送器可以满足控制要求，参数如下图图2-1 传感器的型号32. 流量传感器的型号流量传感器用来测量给水流量和蒸汽流量，这两个信号可以有效地改善控制的质量，因此合理的选择流量传感器是能够有效改善整个系统的控制质量。根据原始资料我们知道所要控制的是35t/h锅炉汽包水位，即该锅炉正常工作时，每小时蒸发35t蒸汽也就是有35t水被蒸发成为蒸汽。该控制系统选用的是杭州美控自动化技术有限公司生产的LWGY型液体涡轮流量传感器是一种新型流量计，它具有测量范围广，压损小，性能稳定，准确度高和安装，使用方便等优点，广泛应用于封闭工业管道中液体、汽体和蒸汽介质体积和质量流量的测量。该流量计的技术参数如下：图2-2 流量传感器的型号工作状况下流量范围(单位：m3/h)，见下表表2-1 工作状况下流量范围 根据过程控制仪表量程选择原则，仪表量程应该为被测量参数的4/33/2倍，流量计应当能够检测的最大流量为：46.552 m3/h，因此汽包送水管道直径选用DN65口径并用检测流量可以检测的流量范围是770m3/h，可以满足设计要求进行检测汽包给水流量信号。3. 给水电机的型号给水电机是锅炉汽包供水的主要设备，电机的准确选型是关系到汽包能否准确供水从而影响到汽包水位的稳定，原始资料锅炉蒸发量为：35t/h，汽包压力0.5MP，管道直径50mm因此可以对正常工作时电机的功率作如下估算： (2.1)由计算结果该厂选用功率为100Kw的三相异步电动机可以完全满足工作要求，由于使用变频调速不必选用绕线型异步电动机，可以选用鼠笼型电机就可以满足要求。该厂选用的是上海创新电机厂Y系列的三相异步变频调速电机是专门为变频调速设计的可以根据技术要求订货设定其额定电压为380V，额定功率为100Kw。4. 变频器的型号变频器是调节电机转速的设备，合理选择变频器关系电机是否能正常工作，从而为汽包供水。在电机的选型中我们知道电机在50Hz的三相交流电下工作，电机功率大约是100Kw，而当三相交流电机在基频率以下工作时为恒转矩输出，而此时电机的转速会小于额定转速，因此，电机的输出功率也会略小于额定功率，于此同时由于电机的转矩保持不变，其工作电流和在50Hz三相交流电下时工作的电流基本一致。根据上分析该厂选择罗克韦尔公司的PowerFlex系列PowerFlex40型号的变频器。该变频器可以输入380V-480V 50/60Hz三相交流电，输出380-480V三相交流电并通过控制信号控制其输出频率，其容量是149Kw，可以满足设备功率要求。该型号变频器具有丰富灵活的控制接口，可以通过控制信号方便地改变变频器的工作特性。设计时将变频器连接在DeviceNet网络上，就可以利用PLC控制变频器的输出电压和频率。5. 接触器的型号接触器是系统中用的重要的开关设备，接触器的是否合理能用以保证交流电动机能够准确及时的启动、停止。根据原始资料，三相交流异步电机的最高工作电流是用以工作于50Hz交流电压下，其工作电流为： （2.2） 因此根据设计的要求该厂用的是上德集团交流接触器LC1CJX2-1810系列，采用银触点（非镀银）质量可靠，主要适用于50Hz或60Hz、在AC-7b使用类别额定工作电压为230V或480V时额定电流至40A电路中，适用于起动和控制三相交流电动机(压缩机)及其它三相负载，选择五套该类型接触器同时带动一台电机可以满足设计要求。6. 熔断器的型号由于该系统的主要耗电设备是电动机，因此系统稳定工作时的电流大约在150A左右，而当系统异常工作是可能会导致工作电流变大，因此，可设定工作电流为200A电流时进行过流保护。该厂选用的是民扬集团产品型号: RO15 RT14 RT18熔断器型额定电流可以设定为200A，可以满足设计要求。7. 功率三极管的型号为了让PLC输出的数字量能够控制接触器的通断，我们设计如下电路：图2.3 接触器控制线路当PLC数字量输出为高电平时，三极管导通工作于是饱和状态，接触器线圈上电流使接触器触点闭合，否则当PLC数字量输出为低电平时，三极管工作于截止状态，接触器线圈失电时通过二极管续流，使接触器触点断开。松藤6A10 整流三极管 长脚大功率最大工作电流6A，完全可以满足工作要求。2.2 汽包水位的影响因素首先，应该分析从汽包水位的动态特性入手。锅炉给水调节对象如下图 2.4所示。给水调节的机构是变频器调节给水量，蒸汽消耗汽量是由汽轮的机阀门开度来控制。汽包水位对象下所示，给水阀门用于控制给水量是对象的操作变量；蒸汽消耗量有后续的用汽装置决定，是该对象的主要干扰，汽包与循环管构成了水循环系统。图2.4 锅炉给水调节对象初看起来，汽包水位对象似乎是一个典型的非自衡单容水槽，但实际情况要复杂的很多。其中，最突出的一点是水循环系统中充满了夹带着大量的蒸汽汽包的水，而蒸汽汽包的总体积会随着汽包压力和炉膛热负荷的变化而改变。如果某种原因导致蒸汽汽包的总体积改变，即使水循环中的总水量没有变化，汽包水位也会随之改变，给水量和蒸汽流量影响汽包水位的高低【4】。如果有某种原因使汽泡的总体积变化了，即使水循环系统的总水量没有发生变化，汽包水位也会因此随之发生改变从而影响水位的稳定。影响锅炉汽包水位的主要因素有给水流量，汽轮机耗汽量和出水流量三个主要因素。下面分别讨论蒸汽负荷（蒸汽流量）与给水量对水位的动态特性。这里，为了方便讨论，假设汽包内汽液相充分分离，汽包液相与下降管内无汽包，汽包仅存在于上升管内；而水位测量信号与汽包液相水位成线性关系。2.2.1 给水扰动的影响如果把汽包和其水循环系统看作是一个单容水槽，那么水位给水阶跃扰动响应曲线为图2.5所示的曲线H1所示。考虑到给水温度低于汽包内饱和水温度，当它进入汽包后，吸收了原有的饱和水中的一部分热量，使得锅炉内部蒸汽产量下降，水面以下的汽泡总体积V也就会相应的减小了，从而导致水位下降如下图2.5所示的曲线H2。水位的实际响应曲线应是曲线H1及 H2之和。如图2.5，所示的曲线H所示，从图中可以看出该响应的过程有一段延迟时间，即它是一个有延迟时间的积分环节，水的过冷度越大，则响应延迟时间就越长，其传递函数近似表示下面的函数： （2.3）式2.5中的 表示汽包的水位飞升速度，表示延迟时间。图2.5 给水扰动响应曲线2.2.2 汽轮机耗气量扰动的影响当汽轮机的耗汽量突然做阶跃增加时，一方面改变了汽包内物质平衡的状态，使汽包内液体蒸发量变大，从而使水位下降，如下图2.6所示的曲线H1；另一方面，由于耗汽量的突然增加，将使锅炉内汽泡增多，同时由于燃料量维持不变汽包压力下降，会导致水面以下蒸汽泡膨胀总体积V增大，从而导致汽包水位上升，如下图2.6所示曲线H2。水位实际响应曲线应该是曲线H1和 H2之和，如下图2.6所示曲线H。对于大中型锅炉来说后者的影响要大于前者。因此，负荷做阶跃增加后的一段时间内，会出现水位不但没有下降反，而明显升高的现象，而这种反常现象通常被称为“假水位现象”。我们可以认为这是一个惯性和积分环节，其传递函数可以近似的表示为下面的的函数： （2.4）式中2.4中 表示汽包的水位对于蒸汽流量飞升速度， 表示“假水位现象”的延迟时间。图2.6 汽轮机耗汽量扰动响应曲线2.2.3出水量扰动的影响出水流量的扰动必然也会引起蒸汽流量的变化，因此也同样会有“假水位现象”发生。但是大量的水在汽包水循环系统中，汽包，水冷壁管道也会存储大量热量，因此具有一定的热惯性。出水流量的增大只能使蒸汽量缓慢增大；而且同时，汽压也会缓慢上升，它将使汽泡体积减小，因此出水流量扰动下的“假水位现象”比负荷扰动下要缓和的多。由以上分析，我们可知道给水量扰动下的水位响应有迟滞性，而负荷扰动下，水位响应有“假水位现象”的出现，这些特性使得汽包水位的变化受到多种因素影响，因次对汽包水位的控制变得比较复杂和困难。2.3 汽包水位控制方案的设计汽包水位的控制手段是控制给水，基于这一原理，可构成下2.7所示的单冲量控制系统，而这一个基本的控制方案其方框图如图2.8所示。这里的单冲量是指控制器仅有一个测量信号，即汽包水位。该控制系统是典型的单回路控制系统。当蒸汽负荷突然大幅增加时，由于假水位现象的存在，控制器不但不能用以维持锅炉物料平衡而开大给水阀的开度，而要关小控制阀门的开度，减少给水量；汽包等到虚假水位消失以后，由于蒸汽量的增加，送水量反而减少，将会使汽包水位下降的很厉害，波动也很厉害，严重时甚至会使汽包水位降到危险程序以致发生事故。因此系统不能适应停留时间短，负荷变动较大的情况，这样的水位不能保证。然而对于小型锅炉，由于汽包停留时间较长，在蒸汽负荷变化时假水位的现象并不显著，配上一些联琐报警装置，也可以保证安全操作，这样采用单冲量系统尚能满足生产的要求。（注：下图的LT代表液位变送器，FT代表流量变送器，LC代表液位控制器，FC代表流量控制器）图2.7 汽包水位单冲量控制系统图2.8 汽包水位单冲量控制系统框图在汽包水位的控制中，最主要的扰动是负荷的变化。如果根据蒸汽流量来起较正作用，就可以纠正虚假水位引起的误动作，而且使控制阀的动作十分及时，从而减少水位的波动，改善控制品质。将蒸汽流量信号引入，就构成双冲量控制系统。这是一个前馈加单回路反馈控制的复合控制系统。从物质平衡的角度出发，只要能够保证给水量等于蒸汽蒸发量就可以保证汽包水位大致不变。因此，可以采用图2.9所示的蒸汽流量随动控制系统，其中流量调节器可用PI调节器，使汽轮机的蒸汽量作为系统给定使给水流量跟踪蒸汽流量的变化，构成了一个以蒸汽量作为给定的随动系统从而保证汽包水位的恒定。该方案的结构框图如图2.10所示。图2.9 蒸汽流量随动控制系统图2.10 蒸汽流量随动控制系统框图采用该方案的优点：系统完全根据物质平衡条件工作，给水量的大取决于汽轮机的耗汽量，而假水位现象是不会引起给水调节机构的误动作，但这个系统对于汽包水位来说，只是开环控制系统。由于给水量和蒸汽量的测量不准确，以及锅炉系统引入的其他扰动，使得给水量和蒸汽量并非准确的比值关系而保持水位恒定。由于水位对于二者的偏差是积分的关系，微小的偏差长时间积累，也会形成很大的水位差，因此不宜采用随动控制系统。如果能把上所述两种方案结合起来，就构成了汽包水位双冲量控制系统如下图2.11所示，其结构框图如下图2.12所示。双冲量是指的是同时引入两个测量信号：汽包水位和蒸汽流量。这个系统对以上分析的两种方案可取长补短，可极大提高汽包水位控制质量。当汽轮机耗汽量出现阶跃增大，一方面，由于“假水位现象”汽包水位会暂时有所升高，将使调节机构做出错误的误动作减少给水量；另一方面，汽轮机耗汽量的增大又通过比例控制系统，指挥调节机构增大给水量，实际给水量的增减情况要根据实际情况通过参数整定来确定。当假水位现象消失后水位和蒸汽信号都能正确的指挥调节机构动作。只要参数整定合适，给水量必然等于蒸汽量从而保证水位恒定。图2.11 汽包水位双冲量控制系统图2.12 汽包水位双冲量控制系统框图图此外，考虑到给水流量的变化，可以通过串级控制的方法，让给水量的扰动通过内回路自行调节，如图2.13设计所示的三冲量控制系统，其结构框图如下图2.14所示，即前馈反馈串级复合控制系统。这是三冲量控制系统，包含给水流量控制回路，汽包水位控制回路两个控制回路以及一个蒸汽流量前馈通道，而实质上是蒸汽流量前馈与水位流量串级系统组成的复合控制系统。串级控制系统主参数是汽包的水位，副参数是给水流量、主调节器是给水流量调节器、副调节器是液位调节器。一方面，可以克服给水扰动，使给水流量自行调节；另一方面，可以有效地抑制“假水位现象”。当蒸汽流量发生变化时，锅炉的汽包水位控制系统中给水流量控制回路，可迅速改变进水量的大小而完成粗调，然后在由汽包的水位调节器，完成水位的细调从而维持汽包水位的稳定。图2.13 汽包水位三冲量控制系统图2.14 汽包水位三冲量控制系统框图2.4 控制算法及其参数整定2.4.1 PID算法介绍PID（比例（proportion）、积分（integration）、微分（differentiation）控制器作为最早实用化的控制器已有近百年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其输入e (t）与输出u (t）的关系为u(t)=KPe(t)+1/Tie(t)dt+Td*de(t)/dt （2.5）式中积分的上下限分别是0和t，因此它的传递函数为：G(s)=U(s)/E(s)=kp1+1/(Ti*s)+Td*s （2.6）其中kp为比例系数； Ti为积分时间常数；Td为微分时间常数在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。1.比例控制比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。2.积分控制在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。3.微分控制在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（delay）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入 “比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。2.4.2 三冲量控制系统参数的计算控制系统参数的整定，可以采用理论计算法或者工程整定法，而理论计算法要依照以被控对象的动态特性，可是被控对象的动态特性在测取时往往不是准确，而且容易随着工作状态的变化而变化，因此我们应采用工程整定办法，所以根据控制方案可将汽包水位控制系统结构图画为下图3.12所示。图2.14 汽包水位控制系统结构框图其中Nd，Nw ，Nh分别表示是蒸汽流量传感器，给水流量传感器，水位传感器的反馈系数，Gw(S)，Gh(S)，Gd(S)分别表示的是给水流量调节器，水位调节器，前馈调节器的传递函数，其放大倍数分别表示为Kw，Kh，Kd ，Gf(S)， Gp(S) 分别表示变频器，锅炉汽包的传递函数，其放大倍数可以分别表示为Kf，Kp ，Hr是给定水位信号。由硬件选型相关数据可知道当系统工作在稳定状态时：， ， ， ， 由于这个控制系统设计采用的是串级控制方式，首先应从副回路开始对流量调节器的参数进行整定，然后由内而外再对主回路水位调节器的参数进行整定，通过这两步整定用来完成系统的参数整定。 可由于副回路调节器的任务是利用快速动作用来消除副回路的扰动，而副参数并不需要误差，因此控制系统选用P调节器就可以满足要求。根据控制要求我们可以设定PowerFlex系列的变频器最高输出频率为50Hz，控制信号为4-20ma电流，频率上升的时间为0.5秒。电机满负荷运行时，变频器输出最高频率50Hz，此时给水流量为35 m3/h，而副回路被控对象的增益是： ，选择频率上升时间为0.5秒，我们可以认为副回路被控对象是一个时间常数为0.3秒的一阶惯性环节，其传递函数可以表示为： （2.7）我们可以采用纯比例调节方式，这样用来保证副回路的稳定性，只要保证副回路P调节器的增益足够大即可。我们经过反复调试最终确定副调节器的增益是20。然后我们可以对主回路再进行参数整定，可以将副回路的等效为一个纯比例环节，其增益为11.7。由于汽包水位需要求无静差，因此我们采用PID调节器，根据被控对象的开环传递函数以及特征参数整定PID调节器的参数。35t/h锅炉汽包是一个没有自平衡能力的被控对象，其传递函数是： (2.8)将35t/h锅炉汽包的传递函数作如下改写： （2.9）对于PID调节器的传递函数也做类似的改写： （2.10）将反馈系数0.01等效到前向通道内，即可以认为PID调节器的比例系数扩大100倍，将前馈补偿器的输出信号引入内回路，使蒸汽流量信号和给水流量信号较好的配合以消除“虚假水位现象”的影响。蒸汽流量信号对汽包水位影响的传递函数是： （2.11）我们可以设计前馈补偿环节的传递函数为： （2.12）可以分别抵消掉Nd和副回路以及被控对象的传递函数。综上所诉我们可以得到流量调节器的传递函数是： （2.13）水位调节器的传递函数是： （2.14）前馈调节器的传递函数是： （2.15）第3章 AB工业网络以及控制硬件选型3.1 概述 美国罗克韦尔自动化公司是全球最早生产PLC的厂家之一，也是全球PLC技术最为先进的厂家之一，它与德国的西门子PLC，日本三菱的PLC，美国的GE PLC 等多家公司一起促进PLC技术的发展。Rockwell Allen-Bradley自从20世纪70年代开始生产可编程程序控制器以来，经过几十年的发展，形成了很大的生产规模。据统计，其PLC在北美的市场占有率达67%以上，而且在其他地区的占有率也在日益增长。AB的PLC与其他公司的产品相比，除了性能好，可靠性高等特点之外，在通信网络，编程软件等方面还具有独特的优势。AB的世界级自动化系统给用户提供了一个开放性的网络。这是一个完整的开放性网络，它的三个网络层，如图3.1所示，在设备层，采用DeviceNet（设备层）将底层的设备直接连接到车间的控制器上，这种连接无需通过I/O模块。在控制层，采用ControlNet网络，它满足了连接PLC处理器，I/O计算机，操作员界面以及其它智能化设备所需要的实时，高信息量应用的要求。控制网网络组合了I/O网络和对等网络的功能，同时也提供了这两个网络的高速性能。一方面，利用控制网5Mb/s的传速速率 图3.1 可编程序控制器的通信层传输诸如I/O数据刷新和处理器信息互锁的关键数据，同时，它支持非实时关键数据的处理的传输。因此，控制网网络非常适合于满足工业应用方面的要求。在信息层，采用以太网（支持TCP/IP通信协议），通过以太网可以访问车间级的数据，从而将控制系统与信息管理系统集成起来。另外，AB还有传统意义上的远程I/O链路，增强型数据高速公路，DH+485等通信网络，通过这些网络，就可以构成一个开放性网络。3.1.1 信息层EtherNet/IP罗克韦尔自动化公司推出的EtherNet/IP(以太网的基于主机/客户端的控制和信息协议CIP)的工业解决方案，首先在以太网上实现实时控制功能，可在ControlLogix，ProcessLogix，Flex I/O和PaneView等设备的网络上达到100Mbit/s的传输速率。其主要性能优势如下：（1） 采用全双工端口交换的方式避免总线冲突。（2） 采用高速以太网，突破瓶颈限制。（3） 采用交换技术，大大提高了以太网的确定性。（4） 解决以太网的工业可靠性问题。（5） 解决总线供电问题。（6） 互操作性。（7） 网络安全性。3.1.2 控制网ControlNet控制网是由控制网国际有限公司(ControlNet International,Ltd.)首先提出来的一种开放式网络。罗克韦尔自动化公司的设计之初就提出了三层网络的概念,分别是以太网，Controlnet网，Deveicenet网，上层信息用于全厂的数据采集和程序维护;中层自动化和控制层实现实时I/O的控制,控制器的互锁和报文的传送;底层设备网用于底层设备的低成本,高效率的信息集成.其中控制网通讯采用当今流行的生产者/消费者模式,该模式采用多信道广播式,定点传送，属于预定性信息，每个信号对应一个单独的地址，占一个网络节点，网络所有节点同步,信息吞吐量大,速度快,网络效率高;因此控制网具有高速,高度确定和可重复性的网络,特别适用于对时间苛刻要求的复杂应用场合的信息传输，但是Controlnet网络中的节点数目是有限制的，最高不能超过99个，节点数超过限制会发生不可预测的故障，未超过但是过多会影响网速，造成网络迟滞。Controlnet用同轴网线或者光纤作为介质，相对而言，Controlnet比西门子的Profibus网络更加稳定，易于维护，有助于实现无缝连接。ControlNet是一种比较理想的网络，它在同一链路上支持显性和I/O（隐形）两种报文，而且对具有严格时间要求的I/O报文传输有确定性，可重复性和可靠性的技术指标，这要归功于ControlNet的生产者/消费者模型采用标示来标记报文，它对显性报文采用另外一种标示符，再和ControlNet数据链路层的介质存取控制的协议的“优先级仲裁”机制相结合，以保证显性报文在网络中传送的优先级低于I/O信息，因此，使大量的显性报文不会影响网络中实时I/O数据的传送。操作员终端与控制器之间的通信可以在ControlNet上完成，以同轴电缆作为传输介质，并用A/B两个相互冗余的通道。同设备网一样，控制网也有它的组态软件RSNetWorx for ControlNet,它负责控制网上设备的规划，包括节点地址的设置和各种网络时间的设置等。3.1.3 设备网DeviceNetDeviceNet是由罗克韦尔自动化公司在控制器局域网基础上推出的一种低成本的通信链接，它是一种低端网络系统。它将工业设备（如：限位开关，光电传感器，阀组，马达启动器，过程传感器，条形码读取器，变频驱动器，面板显示器和操作员接口）连接到网络，从而消除了昂贵的硬接线成本。直接互连性改善了设备间的通讯，并同时提供了相当重要的设备级诊断功能，这是通过硬接线I/O接口很难实现的。Devicenet是一种简单的网络解决方案，它在提供多供货商同类部件间的可互换性的同时，减少了配线和安装工业自动化设备的成本和时间。DeviceNet不仅仅使设备之间以一根电缆互相连接和通讯，更重要的是它给系统所带来的设备级的诊断功能。该功能在传统的I/O上是很难实现的。Devicenet是一个开放的网络标准。规范和协议都是开放的，供货商将设备连接到系统时，无需为硬件，软件或授权付费。任何对DeviceNet技术感兴趣的组织或个人都可以从开放式DeciceNet供货商协会（ODVA）获得DeviceNet规范，并可以加入ODVA，参加对DeviceNet规范进行增补的技术工作组。Devicenet的许多特性沿袭于CAN，CAN总线是一种设计良好的通信总线，它主要用于实时传输控制数据。DeviceNet的主要特点是：短帧传输，每帧的最大数据为8个字节；无破坏性的逐位仲裁技术；网络最多可连接64个节点；数据传输波特率为128kb/s、256kb/s、512kb/s；点对点、多主或主/从通信方式；采用CAN的物理和数据链路层规约。Devicenet带来的好处（1）提高设计的弹性通过提供网络数据流的能力来提供无限制的IO端口提供互操作性和即插即用能力（2）改善的过程数据管理提供对等(Peer-to-Peer)或主/从(Master/Slave)管理作为一个快速响应处理元的结果，提高了吞吐量和可重复性包含在位置刻度和预先事件及报警通知中的隐含诊断信息在诊断中可延长定期检修的间隔周期（3）降低安装成本 简化配线，避免了潜在的错误点，减少了所需的文件，减少劳动力资源并节省了安装空间3.2 控制器的选型及控制平台控制器的选型对于一个项目的重要性是不言而喻的。在设计一个工程项目时，良好的选型既要符合控制系统设计的要求有要考虑性价比，同时有要满足控制系统的可扩展性。一般控制器的选型主要考虑的因素是：系统I/O点的数量，编程工具，扩展性。3.2.1 控制器选型步骤1.选择控制器类型（1）控制器类型。根据存储量，I/O，附加功能，编程指令及尺寸大小进行选择。（2）考虑以后的扩展需要。2.选择通信接口设备。（1）通信网络。取决于应用项目的具体要求。（2）通信接口设备。除了提供基本的RS-232电气接口外，根据系统需要配置合适的网络通信接口设备。3.选择编程工具及其软件。根据可编程控制器类型选用合适的编程工具。4.选择电缆。根据设备端口要求选择所需要的电缆。5.确认选择控制器。（1）根据电源和I/O配置选择，确定控制器产品目录号。（2）查看电源和I/O参数，获取更详细的信息。6.确认选择的控制器扩展模块（1）数字量的输入输出，模拟量的输入输出。（2）系统扩展性计算7.确认选择的配件。与控制器相连的AIC+以及DNI的配件和终端连接器。8.填写选型表。填写系统所需要全部的产品目录号。3.2.2 罗克韦尔ControlLogix平台ControlLogix是罗克韦尔自动化Logix控制引擎系列中最具有代表性的产品。从外表起来似乎像一个可编程控制系统，但是实际上它却远远超越了传统意义上的PLC系统。ControlLogix体系结构是最新科技的多控制图3.2 ControlLogix图片集成控制平台，是最先进的混成控制，可以完成顺序控制，运动控制和过程控制。ControlLogix系统是基于机架的系统，可以提供对使用顺序控制、过程控制、运动控制和驱动控制的控制系统进行组态的选项，还可提供通信I/O 功能。Controllogix 系统集中了Logix 通用平台的多种优点-通用的编程环境、通用的通讯网络、通用的控制引擎-提供了一个既能满足您高性能应用需求又易于使用的环境。Controllogix 系统在编程软件、控制器和输入输出诸方面的紧密集成降低了在试运行和正常操作的开发成本和时间。Controllogix 系统具有以下优点：1. Controllogix 系统以紧凑的、经济的产品提供离散控制、驱动控制、运动控制、过程控制、安全控制、便利的通讯连接、艺术级的输入输出功能。Controllogix 系统是模块化的系统，有效的设计、建立和修改它，这有助于在培训和工程方面显著的降低成本。2.真正意义上的冗余控制器结构提供无扰动切换和高可靠性。3.提供众多的通讯选择、更多的模拟量、数字量和特殊输入输出模块。4.Controllogix 产品通过了TUV 认证，能够应用于SIL 2 要求的项目中。Controllogix 系统 内容容量最大可扩展到8M,Controllogix 控制器支持高标准过程控制应用，提供了在一个单一的集成环境中对运动控制指令进行高速处理的功能。Controllogix 系统提供了模块化的通讯网络连接选择，您根据您的需要购买相应的通讯模块即可。Controllogix 系统解决方案同样提供时间同步能力,这个在第一故障条件和过程顺序应用中是特别重要的。可以根据应用要求，选用不同存储容量的Controllogix 控制器。可用CompactFlash 卡做程序的移动存储设备。1.适合顺序、过程、传动、运动控制的模块化高性能控制平台每个 Controllogix 控制器可以执行多个控制任务，减少需要的控制器数量，这样，解决故障更快。可以分别出发几个周期性任务以达到更高的性能水平。2.可以在一个机架上使用多个处理器、通讯模块和输入输出模块Controllogix 处理器、输入输出模块、通讯模块就像网络上的智能节点。3.通用的编程环境和 Logix 控制引擎。Controllogix 与CompactLogix、FlexLogix、SoftLogix、DriveLogix 都是基于通用Logix 平台建立的，它们具有通用的编程环境和Logix 控制引擎。4.连接到 NetLinx 开放式网络 从设备到车间再到信息管理层，Controllogix 高度支持三层网络通讯。Controllogix的独特之处：1.产品设计Controllogix处理器提供可选的用户内存模块(750K到8M字节),能解决有大量输入输出点数系统的应用问题(支持多达4000点模拟量和128，000点数字量)。处理器可以控制本地输入输出和远程输入输出。处理器可以通过以太网EtherNet/IP、 控制网ControlNet、 设备网DeviceNet和远程输入输出Universal Remote I/O来监控系统中的输入和输出。当在Controllogix机架内有多个处理器模块，甚至在控制网ControlNet网内有多个处理器模块时，所有的处理器都可以从所有的输入模块读到输入值。任何一个处理器也都可以控制任何特定的输出模块。通过系统组态指定每个输出模块具体由哪个处理器控制。Controllogix系统是机架式、模块化安装。Controllogix输入输出模块是是模块式安装的。电源模块直接安装在Controllogix机架的左端。Controllogix机架有4、7、10、13或17槽五种类型。模块可以插在机架上任意一个槽位内。Controllogix输入输出模块的最大通道数是32通道。每个模块的可拆卸端子块的机械锁可以防止向模块施加错误的电压。输入输出模块可以进行带电插拔。2.通讯除了内置的RS-232(DF1/DH-485协议)通讯口外，网络通讯的接口是模块化的。包括以太网EtherNet/IP, 控制网Con