基于PLC实现的锅炉水位监控系统设计(完成)

1、宜宾职业技术学院 毕业论文 宜宜宾宾职职业业技技术术学学院院 毕业设计 基于plc 发电厂锅炉水位控制系统设计 系 部 自动控制工程系 专 业 名 称 发电厂及电力系统 班 级 电气1091 班 姓 名 刘远龙 学 号 200911885 指 导 教 师 张强 2011 年8 月10 日 宜宾职业技术学院 毕业论文 - i - 摘摘 要要 在锅炉水位监控系统中，水位是一个很重要的控制参数 ，它间接地反映了锅炉负 荷和给水的平衡关系。本次设计是合理控制 水位，其控制方案是于 ge90-30 plc 实现三 冲量调节系统，即前馈-串级复合控制系统。 本文介绍的是基于plc 实现的锅炉水位监控系统设

2、计，设计中主要解决的是确定 锅炉水位的控制方案、系统控制设备选型、 plc 梯形图的编程、系统配置、 io 配置、上 位机工艺操作界面组态的设计。 本锅炉水自控设计选用的美国ge fanuc 自动化公司的 90tm-30 系列plc 可编程序控制器作为过程输入输出通道，实现现场数据检测及输出控 制；操作站采用美国ge fanuc 自动化公司的自动化监控软件cimplicity hmi 4.01 版 本（300 点），进行操作站的组态设计，现场数据检测及输出控制，实现了对锅炉 水位 的控制。 用ge90-30 plc来实现锅炉水位监控，可以提高锅炉的自动化控制水平，维持水 位在给定范围内，保证了

3、锅炉安全运行，降低工作人员的劳动强度，取得了较好的 经济和社会效益。 关键词： plc 水位 三冲量调节系统 监控软件 宜宾职业技术学院 毕业论文 - ii - design of monitoring and controlling systems of the water level of the steam manifolds of boilers based on series plc a ab bs st tr ra ac ct t in monitoring and controlling systems of the water level of the steam manifo

4、lds of boilers, water lever is a very important control parameter. it reflects the balance of boilers load and supplying water indirectly. this design is reasonable to control the level of the steam manifolds. the tri- impulse controlling systems which is the feed-forward complex cascade command sys

5、tem of the water level of the steam manifolds of boilers is realized using series ge90-30 plc. the article describes the design of monitoring and controlling systems of the water level of the steam manifolds of boilers based on plc. the problems solved in the article are the control scheme of the wa

6、ter level of the steam manifolds, equipment selection, the program for ladder diagram of plc, io configuration and the design for the technological operation of plc, in the design, we choose 90tm-30 series plc made by automation company ge fanuc in america with programmable controllers as input and

7、output passages, which realizes data testing and output control in the scene. we choose automatic monitored software cimplicity hmi 4.01 (300 points) produced by ge fanuc automation company in america as operation station which can realize configuration design for operation station and realize data

8、testing and output control in the scene. as a result, this can realize the control for the water level of the steam manifolds of boilers. we realize monitoring and controlling systems of the water level of the steam manifolds with ge90-30 plc. it can not only improve the standard of automatic contro

9、l of the steam manifolds of boilers but also maintain the water level of the steam manifolds in the range given. whats more, it can reduce working intensity so as to achieve a better benefit of economy an society. 宜宾职业技术学院 毕业论文 - iii - k ke ey y w wo or rd ds s: : plc water level of steam manifold t

10、ri-impulse controlling system monitoring and controlling software 宜宾职业技术学院 毕业论文 - iv - 引引 言言 在锅炉水位监控系统中，水位是一个很重要的控制参数，它间接地反映了锅炉负 荷和给水的平衡关系。 水位是保证锅炉安全运行的必要条件。锅炉 水位过高，会影响水 内汽水分离装置的正常工作，造成出口蒸汽中水分过多，结果使过热器受热面结垢而 导致过热器烧坏，同时会使过热蒸汽汽温产生急剧变化，直接影响机组运行的经济性 和安全性；水位过低，则由于水内的水量较少，当负荷很大时，水的汽化速度很快， 因而水内的水量变化速度很快，如不

11、及时有效控制，就会使 水内的水全部汽化，导致 锅炉被烧坏或爆炸；在燃料量不变的情况下，蒸汽流量突然增加，导致 水内压力骤然下 降，水内水沸腾加剧，气泡增多，将水位抬高，导致虚假的水位上升。即假水位现象 同时高性能的锅炉产生的蒸汽流量很大，而锅筒的体积相对来说较小，所以锅炉水位 控制显得非常重要 1-2。 在锅炉水位控制中被控变量是水位，操作变量是给水流量，给水量的变化不仅影响 水位，而且对蒸汽压力、过热蒸汽温度等都有影响。它主要受考虑 水内部的物料平衡， 使给水量适应锅炉的蒸汽量，维持 水中水位在工艺允许范围内。维持 水位在给定范围内 是保证锅炉安全运行的必要条件。 锅炉水位控制的任务是控制给

12、水流量，使其与蒸发量保持平衡，维持锅筒内水位 在允许的范围内变化。锅炉长期在高水位下运行，已成为高参数 水锅炉普遍存在的问题。 研究水内部实际水位与理想水位差值的成因，并设法修正和消除这个差值，合理控制 水 位，保证锅炉安全运行有着重要的现实意义。 锅炉水位监控系统在发生扰动的情况下，控制器采用pid 控制策略3，提高了系统 在恶劣情况下的抗干扰能力和控制系统的鲁棒性能，保证了生产过程的稳定和安全。 在锅炉水位控制系统中，将pid 算法融于plc 控制系统，取得了良好的控制效果。 plc 对整个锅炉的运行进行监测、报警、控制，以保证锅炉正常可靠地运行。 plc 实现的计 算机控制系统可以提高

13、锅炉设备的自动化控制水平，降低工作人员的劳动强度，取得 了较好的经济和社会效益 4-6。 蒸汽锅炉是用于满足生产规模扩大和民用供热的工业锅炉，其操作和控制从人 工及仪表进入了微机时代 7。微机监控装置经历了以下几个阶段：单板机、单片机、 一般微机配工业接口板、工控机、可编程调节器、 dcs集中分散型系统及plc计算机控制 系统，其发展过程体现了设备档次由低到高，由通用微机设备到工业专用设备，由自 制设备到产品化标准设备的演变过程。国外发达国家的工业锅炉，已有成熟的控制系 统，例如：日本横河、北辰的 ys-80/100、美国霍尼威尔的9000、德国西门子的 teleperm-d等。一般是仪表的微

14、机化或 dcs系统8-9。这些装置的优点是可靠性高、功 宜宾职业技术学院 毕业论文 - v - 能强、组态灵活，代表着自动控制领域的发展方向，缺点是不适合我国工业锅炉实际 情 况，成本很高。 先进控制策略的发展主要向预先控制、自适应控制、智能控制、模拟控制等方 面发展。目前，国内外水位控制策略采用三冲量控制、模糊控制及 pid 自校准与自 调整的比较多，特别是前 2 种，其中模糊控制主要是朝智能化方向发展，表现在模 糊控制与智能控制的结合，采用遗传算法优化模糊控制等。它避免了只凭经验和试 凑法设计模糊控制器所存在的困难和盲目性，有效地提高了模糊控制器的控制品质， fnn 的结构考虑了模糊推理及

15、模糊规则，主要解决的问题是：规则的完整性、规则 的优化和控制系统的稳定性；pid 自调整、自校正主要采用不同的优化方法对参数 进行自调整；预测函数控制、广义预报自适应控制、模型参考自适应控制等基于模 型的控制方法发展的比较少，具体在实际应用过程中应用的则更少；前叙的各种水 位控制策略各有优缺点，引入水位噪声的因素，并基于这些控制策略开发新的控制 策略将是项很有意义的工作，也是可行的11-12。 控制设备方面以往的单元组合仪表及计算机集中控制方式（如 ddc，spc 等）已被 淘汰，目前国内外大多采用商品化的分布式计算机控制系统（ dcs）与可编程逻辑控制 器（programmable logi

16、c controllers，plc）计算机控制系统 13。其控制对象方面： 受约束的mimo（多输入多输出）系统，控制目标考虑操作条件的最优化。其控制方法 的发展趋势为：结合最优化技术、计算机网络与数据信息处理技术的现代集成制造系 统（cims）。 宜宾职业技术学院 毕业论文 - vi - 目 录 摘摘 要要i a ab bs st tr ra ac ct tii 引引 言言iii 第第 1 章章 系系统统的的总总体体设设计计1 1.1 设备的选择1 1.2 plc 与过程监控软件的选择2 1.3 控制方案的选择2 第第 2 章章 锅锅炉炉水水位位的的设设计计4 2.1 工艺流程4 2.2 自

17、控模型4 2.3 技术路线6 第第 3 章章 系系列列ge90-30 plc9 3.1 系列ge90-30 plc 特点9 3.2 系列90-30 plc 系统配置9 3.3 plc 安装结构及设备组态10 3.4 i/o 地址分配11 3.5 plc 编程软件13 第第 4 章章 pid 控控制制算算法法及及plc 编编程程13 4.1 pid 控制算法13 4.1.1 控制算法14 4.1.2 cv 幅值和速率极限14 4.2 pid 调节器plc 编程15 第第 5 章章 监监控控软软件件及及组组态态设设计计22 5.1 监控软件cimplicity hmi 简介22 5.2 cimpl

18、icity hmi 运行环境24 5.3 cimplicity hmi 操作主画面24 5.4 调节器组态设计25 结结 论论27 参参考考文文献献28 宜宾职业技术学院 毕业论文 - vii - 附附录录129 宜宾职业技术学院 毕业论文 - 1 - 第第 1 1 章章 系系统统的的总总体体设设计计 1 1. .1 1 设设备备的的选选择择 控制设备方面以往的单元组合仪表及计算机集中控制方式（如 ddc，spc 等） 已被淘汰，目前国内外大多采用商品化的分布式计算机控制系统（dcs）与可编程 逻辑控制器（programmable logic controllers，plc）计算机控制系统。其

19、控制对象 方面：受约束的 mimo（多输入多输出）系统，控制目标考虑操作条件的最优化。 其控制方法的发展趋势为：结合最优化技术、计算机网络与数据信息处理技术的现 代集成制造系统（cims） 。 控制设备的选择：首先系统还需对原水量、蒸汽产量及燃料消耗量进行流量计量， 以便工厂进行投入产出核算，它是现代数据信息处理技术的重要研究方面。尤其是产 品产量及能耗指标的准确性、经济性一直是国内外工程技术人员和科研人员关注热点。 合理地原材料消耗及实时性的准确汇总、科学的报表统计，它关系到生产管理、成本 核算、提高经济效益大问题 。分布式计算机控制系统 （cs）和可编程逻辑控制器 （programmabl

20、e logic controllers，plc）计算机控制系统配有多种通讯协议 ，支持多 种现场总线技术，为数据信息处理技术的实时性、准确性实现提供了保障。 其次系统生产过程的重要参数和设备运行状态进行实时控制及检测，以往采用众 多数字显示仪表进行现场参数检测的方法被取代为计算机分组画面检测 ，同时实时趋势 画面，历史趋势画面，更加有利于多手段、多方面集中监测生产过程运行状态。对于 设备运行控制可实现集中操作、故障分散设计手段，且其运行状态配以报警画面及声 光提示，更有利于生产设备的安全运行。它是分布式计算机控制系统 （dcs）和可编程 逻辑控制器（programmable logic con

21、trollers，plc）计算机控制系统的性能及特点的 具体体现，是目前国内外普遍采用的先进的手段。 因此硬件设备将在商品化的dcs 系统与plc 计算机控制系统选择。鉴于国外dcs 系统硬件成本较高，本着即要充分考虑设备的先进性、运行可靠性、实用性、可维护 性，又要保证满足系统功能设计要求，使先进的监控手段得以实现，并要为厂家降低 经费投入的硬件设备选择原则，系统硬件设备可以采用国产的 dcs 系统或国外的plc 计算机控制系统。由于国产的dcs 系统比国外的可编程逻辑控制器计算机控制系统成 本投入略高，同时国外的plc 控制系统已不仅仅数字逻辑控制，也已具有模拟量输入、 输出模块及其它各种

22、多功能模块，使完成系统设计的各项功能已不成问题。同时，系 统监控软件如也选择统一厂家的 ，将使系统软件和硬件设备有机结合，可保证系统运 行可靠性、稳定性。因此系统硬件设备选择plc 系统。 宜宾职业技术学院 毕业论文 - 2 - 1 1. .2 2 p pl lc c 型型号号选选择择 世界著名厂家的可编程控制器及过程监控软件如表 1-1 所列。 通过下表 plc 和过程监控软件的比较和研究内容的需求，最后选择了 s7200 系 列 plc 本系统下位机采用美国 ge fanuc自动化公司的系列90tm-30 plc可编程序控制器实 现对现场设备生产过程的实时监控。 该系列plc模块具有成本低

23、、性能高、安全性好、 易于组态和便于安装等特点 ，它的cpu具有十分强大的功能 ，内装pid，结构化编程， 中断控制，间接寻址及各种功能模块 ，能方便地完成各种复杂的操作。 表1-1 著名厂家的可编程控制器及过程监控软件 生产厂可编程控制器过程监控软件 abslc500rsview32 组态软件 松下fp0 系列plcifix v3.0 组态软件 omroncj1 系列plcifix v3.0 组态软件 simatics7-400/m7-400 plcintouch8.0 过程可视化组态软件 三菱a 系列plcintellution fix 上位组态软件 ge fanuc90-70/30/20

24、 系列plcge cimplicity hmi 西门子s700wincc v4.0 监控组态软件 1 1. .3 3 控控制制方方案案的的选选择择 典型的锅炉水位控制策略包括单冲量、双冲量和三冲量 。由于单冲量、双冲量及 单级三冲量控制策略比较简单 ，并且难以适应现代各种复杂锅炉的控制要求 ，目前各种 锅炉水位控制绝大多数采用三冲量水位控制策略 。 锅炉水位的单冲量控制系统：这里指的单冲量 即水位，这种控制系统是典型的单 回路控制系统。当蒸汽负荷突然大幅度增加时，由于假水位现象，控制器不但不能开大 给水阀增加给水量，以维持锅炉的物料平衡，而是关小控制阀的开度减小给水量。等 假水位消失后，由于蒸

25、汽量增加，送水量反而减少，将使水位严重下降，波动很厉害， 严重时甚至会使水位降到危险程度以致发生事故。因此对于停留时间短、负荷变动大 的情况，这种的系统不能适应，水位不能保证。 锅炉水位的双冲量控制系统：在 水位控制中，最主要的扰动是负荷的变化。如果 根据蒸汽流量来起校正作用，就可以纠正虚假水位引起的误动作，而且使控制阀的动 宜宾职业技术学院 毕业论文 - 3 - 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 （蒸汽流量）加单回路反馈控制的复合控制系统。这里的 前 馈系统就仅为静态的前馈，若需要 考虑两条通道在动态上的差异，需加入动态

26、补偿 环节。 这个控制系统有两个缺点，控制阀的工作特性不一定成为线性，对于蒸汽负荷变化要 做到静态补偿比较困难 ；而对于给水系统的扰动仍不能克服。 三冲量控制系统的特点：此系统是前馈 -串级控制系统。其前馈控制是根据蒸汽流 量来起校正作用，以纠正虚假水位引起的误动作，而且使控制阀的动作非常及时，从 而减少水位的波动，改善控制品质，其串级控制对于主要调节器是保证 水位的静态准确 性，同时副调节器能快速克服给水阀前压力波动干扰。在此设计中也采用三冲量水位 控制调节系统。 水位调节重要性是维持水位在一定范围内，它也是保证锅炉安全运行的重要条 件14-16。原因：（1）水位过高会影响水内汽水分离，饱和

27、水蒸汽带水过多，在过热 器管壁结垢，导致损坏。同时过热蒸汽温度急剧下降，会毁坏锅炉。 （2）水位过低， 水量较少，当负荷较大时，水的汽化速度快，如不及时控制，水内水会全部汽化， 导致水冷壁烧坏，甚至爆炸。 根据水位条件的重要性和此设计中对 水位的要求使用三冲量控制其优点是 （1）系 统适合于对于水位要求严格或变化频繁、虚假水位严重的系统。（2）对信号的静态 配合要求没有那么严格，主调节器能自动校正信号配合不准所引起的误差。（3）可 以实现无差调节（不存在稳态配合问题）。 三冲量调节系统，即前馈-串级复合控制系统，它的设计思想是：以锅炉水位测 量信号作为主控制信号，构成主调节回路，以蒸汽流量信号

28、作为前馈信号，构成前 馈调节回路，总给水流量作为串级信号，构成副调节回路，由主调节回路、前馈调 节回路、副调节回路来共同构成锅炉水位串级三冲量自动控制系统。 宜宾职业技术学院 毕业论文 - 4 - 第第 2 2 章章 锅锅炉炉水水位位的的设设计计 2 2. .1 1 工工艺艺流流程程 本设计的工艺流程是原水原水前处理原水罐水水换热器汽水换热器除 氧器储煤器水液位。 系统具有五个调节回路，如 水液位的控制回路、原水液位控制回路、除氧器压力、 液位的控制回路、鼓风机压力的控制回路、引风机炉膛负压调节的控制回路，这里是以 水液位的控制回路为主， 具体的工艺流程图如图2-1 所示。 图2-1 锅炉水位

29、控制系统 2 2. .2 2 自自控控模模型型 锅炉工艺及自控要求某锅炉的工艺设计主要参数为： 蒸汽性质：饱和蒸汽； 蒸发量：35t/h； 蒸汽压力：0. 9mpa； 宜宾职业技术学院 毕业论文 - 5 - 蒸汽温度：180； 给水流量：37m3/h； 给水温度：104。 控制系统硬件部分包括小型工作站 （上位工控计算机）、ge fanuc 90tm-30 系列 plc 可编程序控制器构成的下位机、外部设备、过程输入输出通道、现场工业自动化 仪表以及供电系统等组成。它是对工业锅炉生产进行实时控制的物质基础。系统结构 框图如图2-2 所示。 图2-2 系列结构框图 锅炉设备自控系统i/o 点规模

30、如表3-1 所列。系统共有压力、流量、液位和温度信 号64 个，其中46 个压力、流量及液位信号经现场变送器转换为420madc 标准信号 后接入控制柜，18 个温度信号分别由热电偶、热电阻测出接入控制柜 ；5 个 420madc 输出信号用于控制调节阀或变频调速器等执行机构 ，以构成自动调节系统 ； 16 个继电器接点开关量输入用于检测现场设备运行状态， 16 个继电器接点开关量输出 用于现场设备的连锁控制。 现场部分 生产过程 d/a plc a/d 下位机部分 上位机部分 管理命令 打印、报警输出 信号驱动 数字量 测量变送 宜宾职业技术学院 毕业论文 - 6 - 表2-1 i/o 点规

31、模 序号信号类型i/o 点数 420ma 标准信号46 热电偶thm12 1模拟量输入（ai） 热电阻rtd6 2420ma 模拟量输出(ao)5 324vdc 继电器接点开关量输入 (di)16 4继电器接点开关量输出 (do)16 依据设计院设计要求，本锅炉自控设计选用的美国 ge fanuc 自动化公司的90tm-30 系列plc 可编程序控制器作为过程输入输出通道，实现现场数据检测及输出控制； 为 增强系统的抗干扰能力 ，模拟量输入及输出均采用信号隔离器。 采用serial-snp 通讯协 议，并通过snp/rs-232 转换器实现与操作站的通讯 ，操作站采用目前世界上最优秀、 功能最

32、强大的美国ge fanuc 自动化公司的自动化监控软件cimplicity hmi 4.01 版本 （300 点）。它是基于microsoft windows 98/nt 环境的多任务、多用户操作系 统，是一种开放式系统平台 。并挂接microsoft access 数据库软件生成数据库，实现能 源计量管理。 2 2. .3 3 技技术术路路线线 系统具有五个调节回路，如 水液位的控制回路、原水液位控制回路、除氧器压力、 液位的控制回路、鼓风机压力的控制回路、引风机炉膛负压调节的控制回路，这里是以 水液位的控制回路为主， 它的系统方框图如图3-3所示。 水位对象 差压变送器 功能模块3 水位变

33、送器 压力补偿模块 功能模块1 差压变送器 c0+c1pc+c2ps ps 水位pid 调 节 给水流量对象 流量pid 调 节 pc eh po pf h ph 功能模块2 蒸汽流量 p p ef f 图2-3 采用plc 实现的汽包水位三冲量调节系统 方框 图 rh 宜宾职业技术学院 毕业论文 - 7 - 图中的参数解释具体如下： c0加法器初始偏置数；c1、c2加法器系数；eh 水位偏差值；ef给水量偏差值；f积水流量；h水位；pc水位调节器输出值；pf 给水流量测量值；ph水位测量值；po给水流量给定值；ps经压力补偿后的蒸汽 流量测量值；rh水位给定值；p差压流量计输出值。 系统通过

34、采用90tm-30 plc梯形图编程软件，ic641swm306进行梯形图软件编程 ， 需进行cpu配置、90tm-30 i/o模块配置，以及结构化编制方框图中的功能模块 1、功能 模块2、饱和蒸汽压力补偿模块、静态前馈控制器模块 （c0+c1pc+c2ps）、水位pid调 节模块、给水流量pid调节模块等程序。 功能模块1。它是开方运算模块，因为节流式差压流量计是通过变送器检测孔板 前后压差的，变送器输出的信号与实际流量q之间成方根关系。 功能模块2。由于水位是一个沸腾的水位，且水中汽泡量是变化不定的，因此在 采用差压变送器测量的水位时，尽管安装时设置了隔离罐，同时变送器设置了一定 阻尼系数

35、，其电流输出信号仍存在频繁的周期性波动，因此系统需对该信号进行平 滑处理，以保证其控制质量，本系统采用了一阶惯性滤波。 饱和蒸汽压力补偿模块。蒸汽管道内温度、压力改变时饱和蒸汽密度随之改变， 而对饱和蒸汽密度影响较为明显的是蒸汽的压力，所以编制了蒸汽流量压力补偿程 序。首先将被测蒸汽压力进行量纲转换（即mpa kg/cm2），再转换为绝对压力 （实测为相对压力），然后以设计工作点为界限，分两段采用计算公式实现蒸汽流 量压力补偿，经实际检验在工作点附近误差小于1%。 静态前馈控制器模块（c0+c1pc+c2ps）。从表面上看，该子程序模块是构造一 个加法器，但其本质上是编制c2起着静态前馈控制器

36、的作用，因锅炉生产的饱和蒸 汽仅用作热剂，为保护锅炉其给水流量电动调节阀应采用电关阀为宜，且水位调节 器（lica-101）为正作用，因此c2应为负值。应用中c2 = - 1.054；c1 = 1；c0 = |c2 ps | = 35 1.054 = 36.9，应用效果较好。 水位pid调节器、给水流量pid调节器子程序块。用增强型cpu360模版，cpu 内装pid标准的isa pid算法（pid isa），通过编程实现。pid isa方块图如图2-4所 示。 宜宾职业技术学院 毕业论文 - 8 - 图2-4 pid isa方块图 以该pid isa调节子程序块构造水位三冲量调节系统，需将水

37、位pid调节编制成 定值调节（lica-101），而给水流量pid调节编制成随动调节（firq-102），以构 成前馈-串级调节系统。需要注意的是方块图中的比例增益项（kc）和积分速率增 益（ki），在我国常规pid调节器比例增益项习惯上通常采用比例带来设定 （=1/kc）；积分增益项通常采用积分时间来设定（ki=1/ti）。因此，上位机组态 软件对这两个参数进行组态时应进行数据变换。 宜宾职业技术学院 毕业论文 - 9 - 第第 3 3 章章 系系列列g ge e9 90 0- -3 30 0 p pl lc c 3 3. .1 1 系系列列g ge e9 90 0- -3 30 0 p p

38、l lc c 特特点点 （1）最具竞争力 系列90tm-30 plc 是ge fanuc 系列90-30 可编程序控制器家族的一员，提供最先 进的编程特性，易于组态，便于安装，独有的创新结构开辟了一条最经济的工业控制 途径。 （2）领先的技术 系列90tm-30 plc 成本低，性能高，能方便地取代从简便的继电器到复杂的中型 自动化应用系统场合 。几年前需由高档plc 完成的任务现在则由系列90tm-30 来代替。 ge fanuc 不断地推出新产品，扩大使用范围，显示了其技术的领先地位，它的 cpu 具 有强大的功能，如内装pid，结构化编程，中断控制，间接寻址及各种功能模块 ，能完 成复杂

39、的操作。另外系列90tm-30 plc 有功能很强的特殊模块可供选择，包括轴定位 模块，高速计数器模块，basic 和c 语言协处理器模块及genius 通讯模块。ge fanuc 丰富的开关量i/o 和模拟量i/o、简化启动和故障自诊以及容易与其他plc、计算机集 成一体的特性，使您确信，系列90tm-30 是现在与未来plc 的明智选择。 （3）促进与第三方的合作 促进与第三方的合作。为了及时解决用户的需求， ge fanuc 提供第三家工业设备 和软件包，合作的结果进一步扩大了系列90tm-30 的能力，通用的产品包括：热电偶、 热电阻、步进电机模块、大电流继电器模块。 natural

40、language state logic control 为那些在系列90tm-30 编程方面没有经验的用户提供了新的编程方式。有 些厂家具有数据采集和控制软件产品，将用系列 90tm-30 与个人计算机连机。这些软件 包提供的软件和系列90tm-30 之间的结合天衣无缝，许多操作接口使用snp 通讯协议 与具有内装接口的系列90tm-30 进行通讯。 3 3. .2 2 系系列列9 90 0- -3 30 0 p pl lc c 系系统统配配置置 本系统下位机采用美国ge fanuc 自动化公司的系列90tm-30 plc 可编程序控制器 实现对现场设备生产过程的实时监控。该系列plc 模块

41、具有成本低、性能高、安全性 好、易于组态、便于安装等特点，它的cpu 具有十分强大的功能，如内装pid，结构 化编程，中断控制，间接寻址及各种功能模块，能方便地完成各种复杂的操作。 具体配置如下：系统采用10 槽机架ic693chs391；电源模板选用 ic693pwr321；中央处理器选用的增强型模板cpu360，非常适用于多调节回路场合； 过程输入输出通道由模拟量输入通道ai、模拟量输出通道ao 和开关量输入输出通道 宜宾职业技术学院 毕业论文 - 10 - di、do 所组成。分别为1 个16 通道热电偶输入模板he693thm166；1 个6 通道rtd 输入模板he693rtd601

42、；3 个（420ma）16 通道模拟量输入模板ic693alg223；1 个（420ma）8 通道模拟量输出模板ic693ale392；1 个16 点24vdc 继电器接点输 入模板ic693mdl645；1 个16 点继电器接点输出模板ic693mdl940；采用专用rs- 232 通讯组件ic690acc901，并遵循snp 协议实现与上位机串行通讯；其90-30plc 梯 形图编程软件采用ic641swm306，实现plc 结构化编程及程序下载。 3 3. .3 3 p pl lc c 安安装装结结构构及及设设备备组组态态 表3-1 plc 设备组态 设备型号模块说明设备组态 psic6

43、93pwr321电源 1ic693cpu360cpu 2foreign he693thm166 16 路热偶输入i: 305320 16 ai: 116 16 byte 1: 1 byte 2: 011 byte 3: 1 （0.5f, 华氏度=%ai/2 ） byte 4: 0 byte 5: 06 （s 型） 3foreign he693rtd600 6 路热阻输入ai: 1722 6 byte 1: 1 byte 2: 011 byte 3: 00 （pt100e） byte 4: 01 （0.5f, 华氏度=%ai/2 ） 4ic693alg22316 路模拟输入ai: 2338 16

44、 （420ma） i: 321336 16 5ic693alg22316 路模拟输入ai: 3954 16 （420ma） i: 337354 16 6ic693alg22316 路模拟输入ai: 5570 16 （420ma） i: 353368 16 宜宾职业技术学院 毕业论文 - 11 - 7ic693alg3928 路模拟输出aq: 18 （420ma） i: 369376 8 8ic693mdl64516 路数字输入i: 116 16 9ic693mdl94016 路数字输出q:116 16 注：=5（of-32）/9 plc 基板插槽依次为电源模块、 cpu 模块、热电偶输入模块、

45、 420ma 输入模块 （3 个）、420ma 输出模块、24v 继电器接点输入模块及24v 继电器接点输入模块。 ge90-30 plc 安装结构如图4-1 所示，各模块型号及设备组态如表3-2 所列。 3 3. .4 4 i i/ /o o 地地址址分分配配 plc 各模块i/o 地址分配如表3-2 所列。 表3-2 i/o 地址分配表 序号仪表位号量程单位寄存器变量名通道模块输入说 明 1tir-1010150812r%r100073热电阻锅炉给水调节阀前温度 2ti-10201200800r%r100212热电偶锅炉沸腾层下层温度 3ti-10301200801r%r100422热电偶

46、锅炉沸腾层下层温度 4ti-10401200802r%r100632热电偶锅炉沸腾层下层温度 5ti-10501200803r%r100842热电偶锅炉沸腾层下层温度 6ti-10601200804r%r101052热电偶锅炉沸腾层中层温度 7ti-10701200805r%r101262热电偶锅炉沸腾层中层温度 8ti-10801200806r%r101472热电偶锅炉沸腾层上层温度 9ti-10901200807r%r101682热电偶锅炉沸腾层上层温度 10ti-11001000808r%r101892热电偶炉膛出口烟气温度 11ti-11101000809r%r1020102热电偶炉膛

47、出口烟气温度 12ti-11201000810r%r1022112热电偶对流管束烟气温度 13ti-11301000811r%r1024122热电偶对流管束烟气温度 14ti-1140300813r%r1026183热电阻省煤器入口烟气温度 15ti-1150300814r%r1028193热电阻省煤器入口烟气温度 16ti-1160250815r%r1030203热电阻省煤器出口烟气温度 17ti-1170250816r%r1032213热电阻省煤器出口烟气温度 宜宾职业技术学院 毕业论文 - 12 - 18tia-1180200817r%r1034223热电阻省煤器出口水温 19pia-1

48、0102.0mpa818r%r1036234420ma给水调节阀前压力 20pira-10201.6mpa819r%r1038244420ma饱和蒸汽压力 21pic-103030kpa820r%r1040254420ma除氧器蒸汽压力 22pi-10400.5mpa821r%r1042264420ma除氧器调节阀前压力 23pi-10502.0mpa822r%r1044274420ma给水泵出口水压力 24pi-10602.0mpa823r%r1046284420ma给水泵出口水压力 25pi-107020kpa824r%r1048294420ma鼓风机出口风压 26pic-108-1000

49、pa825r%r1050304420ma炉膛负压 27pi-109-1000pa826r%r1052314420ma炉膛负压 28pi-110010kpa827r%r1054324420ma沸腾炉风室风压 28pi-110010kpa827r%r1054324420ma沸腾炉风室风压 29pi-111010kpa828r%r1056334420ma沸腾炉风室风压 30pi-112010kpa829r%r1058344420ma沸腾炉风室风压 31pi-113010kpa830r%r1060354420ma沸腾炉风室风压 32pi-114-1.00kpa831r%r1062364420ma陶瓷多

50、管除尘器前负压 33pi-115-2.50kpa832r%r1064374420ma陶瓷多管除尘器后负压 34pi-116-5.00kpa833r%r1066384420ma脱硫除尘器后负压 35pi-117-6.00kpa834r%r1068395420ma引风机前负压 36pi-118-2500pa835r%r1070405420ma对流管束烟气负压 37pi-119-2500pa836r%r1072415420ma对流管束烟气负压 表3-3 i/o 地址分配表（续） 序号仪表位号量程单位寄存器变量名通道模块输入说明 33pi-115-2.50kpa832r%r1064374420ma陶瓷

51、多管除尘器后负压 34pi-116-5.00kpa833r%r1066384420ma脱硫除尘器后负压 35pi-117-6.00kpa834r%r1068395420ma引风机前负压 36pi-118-2500pa835r%r1070405420ma对流管束烟气负压 37pi-119-2500pa836r%r1072415420ma对流管束烟气负压 38pi-120-1.00kpa837r%r1074425420ma省煤器出口烟气负压 39pi-121-1.00kpa838r%r1076435420ma省煤器出口烟气负压 40pi-122-3000pa839r%r1078445420ma省煤

52、器入口烟气负压 41pi-123-3000pa840r%r1080455420ma省煤器入口烟气负压 宜宾职业技术学院 毕业论文 - 13 - 42pi-12401.6pa841r%r1082465420ma锅炉水压力 43firq-1010200m3/h842r%r1084475420ma原水流量 44firq-102050m3/h843r%r1085485420ma锅炉给水流量 45firq-103050t/h844r%r1088495420ma锅炉蒸汽流量 46firq-1040150m3/h845r%r1090505420ma软水流量 47lica-1010400mm846r%r109

53、2515420ma锅炉水液位调节 48lica-1020400mm847r%r1094525420ma除氧器水箱液位调节 49lia-1032001800mm848r%r1096535420ma软水箱液位 图3-1 系列90-30plc 安装结构 3 3. .5 5 p pl lc c 编编程程软软件件 组态软件使用美国ge fanuc 自动化公司90tm-30 logicmastertm90，本系统五个控 制回路的控制算法及现场数据 （包括模拟量和开关量 ）的输入输出均采用该编程软件 完成组态和编程，并下载至cpu 模块ic693cpu360 的程序存储器rom 中。这部分性 能的好坏对整个

54、控制系统的正常运行起着十分重要的作用 17。 第第 4 4 章章 p pi id d 控控制制算算法法及及p pl lc c 编编程程 4 4. .1 1 p pi id d 控控制制算算法法 在计算机控制系统中，plc 的 cpu 模块相当于常规控制系统中的控制器，它对 过程变量的实测值和设定值之间的误差信号进行运算，称为控制算法或控制法则。 常用的控制算法有以下几种： （1）经典的比例、积分、微分控制算法； （2）根据动态系统的优化理论得到的自适应控制和最优控制方法； （3）根据模糊集合论得到模糊控制算法。 宜宾职业技术学院 毕业论文 - 14 - 自适应控制和最优化控制方法是建立在精确数

55、学模型基础上的 ，在实时过程控制中， 由于控制对象的精确数学模型难于建立，系统 参数经常发生变化， 运用控制理论分析综 合要花费很大的代价，同时由于所得到的数学模型过于复杂，难于实现，因此在目前 的 过程控制系统中较少采用这种方法。目前在过程控制中应用较多的还是 pid 控制算法。 4 4. .1 1. .1 1 控控制制算算法法 水位pid 调节器、给水流量pid 调节器子程序模块：采用增强型cpu360 模板， cpu 内装pid 标准的isa pid 算法（pid isa），通过编程实现。pid isa 算法方块图 如图4-1 所示。 图4-1 pid isa 方块图 标准isa pid

56、 算法（pid isa），对每个比例、微分、积分项加入的比例增益，该 算法实际就是理想模拟pid 控制算式（如式4-1 所示）的具体应用，并增加了死区、 cv 限幅、cv 值变化速率极限等功能模块。 （4-1） 4 4. .1 1. .2 2 c cv v 幅幅值值和和速速率率极极限限 该功能模块不可直接向cv 发送计算后的pid 输出。该pid 运算可限制输出控制 变量的幅值和变化速率。如果规定值大于0，则最大变化速率由100%cv（32000）除 以最小旋转时间。例如，若最小旋转时间为100 秒，则速率极限为320cv 值/秒。若dt 解决时间为50ms，则新的cv 输出不得大于或16cv

57、 值。 cv 输出然后与cv 上、下箝位值对比。若有一限值超出，则cv 输出置位于该箝 位值。如果速率或幅值限超出修改的cv 值，则内部积分器值会调整至与该限值匹配 以避免重置终结（reset windup）最后模块会检验输出极性 （配置字%ref+12 的第二位） 并如果位为1 的话，改变输出的符号。 cv=限幅pid 输出或输出极性位设置时的限幅pid 输出。 死 区 积分速度 比例增益 微分增益累 积 sp pv 速率极限限幅极性 cv 偏置 0 0 1( ) ( )( )( ) t cd i de t u tke te t dttu tdt 宜宾职业技术学院 毕业论文 - 15 - 如

58、果模块处于automatic 模式，则最终cv 置于manual command%ref+13。若模 块处于manual 模式，则pid 等式会跳过而由manual command 置位的cv，但所有的 速率和幅值极限仍会受检验。此意即manual command 不能改变大于cv 上箝位和小于 cv 下箝位的值，并且输出不能象最小旋转时间所允许的快速改变。 4 4. .2 2 p pi id d 调调节节器器p pl lc c 编编程程 pid 的用途即用于闭环过程控制 。series 90 pid 功能模块可对比过程变量反馈 （rvf）和期望过程设置（desired process set

59、 point）并以误差为准进行控制变量输出 更新。模块利用pid 闭环增益及贮存在40 个16 位字数组中的其他参数在所希望的时 间间隔内进行pid 运算。全部参数均为16 位整数字，具有16 位模拟变量兼容性。由 此就可以把%ai 存贮器作为输入过程变量， %aq 用做输出控制变量。例如： lica-101 调节器功能模块编程图如图4-2 所示。 由于输入设置点（set point）、过程变量（process variable）和输出控制变量 （control variable）使用频繁，故以缩写sp、pv、cv 代替。因均为16 位整数，所以 必须定义成pv 计量单位或cv 计量单位。例如

60、，sp 输入应与pv 范围统一，这样pid 模块在计算误差时得到这两个输入的偏差 。pv 和cv 值可从-32000 或0 至匹配的模拟 换算值32000，或从0 至10000，显示变量为0.00%至100.00%pv 和cv 值可有不同的 定标，此时换算因子已包含在pid 增益当中。图4-2 中各参数说明如表4-1 所列。 表4-1 pid 调节器功能模块参数说明 参数说明 enable当通过一触点使能时，使执行pid 功能。 spsp 为控制闭环的置位点。置位用pv 值，pid 调节输出cv，使pv 与sp 匹配。 pvpv 为控制闭环的过程变量，为 %ai 输入。 man当man 接通时