基于PLC的锅炉温度控制系统

1、基于PLC的锅炉温度控制系统 摘要 从上世纪80年代至90年代中期，PLC得到了快速的发展，在这时期，PLC在处 理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC 逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的 DCS系统。PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、 编程简单等特点。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的 将来，是无法取代的。 本文介绍了以锅炉为被控对象，以锅炉出口水温为主被控参数，以炉膛内水 温为副被控参数，以加热炉电阻丝电压为控制参数，以PLC为控制器，构成锅炉 温度帘级控制系统；采用PI

2、D算法，运用PLC梯形图编程语言进行编程，实现锅炉 温度的自动控制。 电热锅炉的应用领域相当广泛，在相当多的领域里，电热锅炉的性能优劣决 定了产品的质量好坏。口前电热锅炉的控制系统大都采用以微处理器为核心的讣 算机控制技术，既提高设备的自动化程度乂提高设备的控制精度。 本文分别就电热锅炉的控制系统工作原理，温度变送器的选型、PLC配置、 组态软件程序设讣等儿方面进行阐述。通过改造电热锅炉的控制系统具有响应 快、稳定性好、可靠性高,控制精度好等特点，对工业控制有现实意义。 关键词：电热锅炉的控制系统温度控制审级控制PLC PID 摘要1 1 绪论1 课题背景及研究目的和意义1 1.2国内外研究现

3、状3 1.3项目研究内容4 2 PLC和组态软件基础5 2.1可编程控制器基础5 2.1.1可编程控制器的产生和应用5 2.1.2可编程控制器的组成和工作原理错误!未定义书签。 2.1.3可编程控制器的分类及特点7 2. 2组态软件的基础8 2.2.1组态的定义8 2. 2. 2组态王软件的特点8 2. 2. 3组态王软件仿真的基本方法8 3 PLC控制系统的硬件设计9 3. 1PLC控制系统设计的基本原则和步骤9 3.1.1 PLC控制系统设计的基本原则9 3.1.2 PLC控制系统设计的一般步骤9 3.1.3 PLC程序设计的一般步骤10 3.2 PLC的选型和硬件配置11 3.2.1 P

4、LC型号的选择11 3.2.2 S7-200CPU 的选择12 3.2.3 EM235模拟量输入/输出模块12 3.2.4热电式传感器12 3.2.5可控硅加热装置简介12 3. 3 系统整体设计方案和电气连接图 13 3.4 PLC控制器的设计14 3. 4. 1控制系统数学模型的建立14 3.4.2 PID控制及参数整定14 4 PLC控制系统的软件设计16 4.1 PLC程序设计的方法16 4.2 编程软件 STEP7Micro/WIN 概述 17 4. 2. 1 STEP7Micro/WIN 简单介绍17 4.2.2计算机与PLC的通信18 4. 3 程序设计18 4. 3. 1程序设

5、计思路18 4. 3. 2 PID指令向导19 4. 3. 3控制程序及分析25 5组态画面的设计29 5. 1组态变量的建立及设备连接29 5. 1. 1新建项目29 5. 2创建组态画面33 5. 2. 1新建主画面33 5.2.2新建PID参数设定窗口34 5. 2. 3新建数据报表 34 5. 2. 4新建实时曲线35 5.2.5新建历史曲线35 5.2.6新建报警窗口36 6系统测试37 6. 1启动组态王 37 6. 2实时曲线观察 38 6. 3分析历史趋势曲线38 6. 4查看数据报表40 6.5系统稳定性测试42 结束语43 参考文献44 致谢45 华北电力大学成人教冇毕业设

6、计（论文） 1绪论 1.1课题背景及研究目的和意义 电热锅炉的应用领域相当广泛，电热锅炉的性能优劣决定了产品的质量好 坏。目前电热锅炉的控制系统大都采用以微处理器为核心的计算机控制技术，既 提高设备的自动化程度又提高设备的控制精度。 PLC的快速发展发生在上世纪80年代至90年代中期。在这时期，PLC在处 理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到了很大的提高和发 展。PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治 地位的DCS系统。PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰 能力强、编程简单等特点。 电热锅炉是机电一体化的产品，可将电能直接转化

7、成热能，具有效率高，体 积小，无污染，运行安全可靠，供热稳定，自动化程度高的优点，是理想的节能 环保的供暖设备。加上U前人们的环保意识的提高，电热锅炉越来越受人们的重 视，在工业生产和民用生活用水中应用越来越普及。电热锅炉口前主要用于供暖 和提供生活用水。主要是控制水的温度，保证恒温供水。 PID控制是迄今为止最通用的控制方法之一。因为其可靠性高、算法简单、 鲁棒性好，所以被广泛应用于过程控制中，尤其适用于可建立精确数学模型的确 定性系统。PID控制的效果完全取决于其四个参数，即采样周期t,比例系数K,、 积分系数K、微分系数心。因而,PID参数的整定与优化一直是自动控制领域研 究的重要课题。

8、PID在工业过程控制中的应用已有近白年的历史，在此期间虽然 有许多控制算法问世，但由于PID算法以它自身的特点，再加上人们在长期使用 中积累了丰富经验，使之在工业控制中得到广泛应用。在PID算法中，针对P、 I、D三个参数的整定和优化的问题成为关键问题。 1.2国内外研究现状 自70年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是微电子技术和计算机技 术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国内外温度控制系统 的发展迅速，并在智能化，自适应、参数整定等方面取得成果，在这方面，以日 本、美国、德国、瑞典等国技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的温 度控制器及仪器仪表，并在各行各业广泛应

9、用。它们主要有以下特点： 1）适应于大惯性、大滞后等复杂的温度控制体统的控制。 2）能适应于受控系统数学模型难以建立的温度控制系统的控制。 3）能适用于受控系统过程复杂、参数时变的温度控制系统的控制。 华北电力大学成人教冇毕业设计（论文） 4）这些温度控制系统普遍采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工 智能等理论及计算机技术，运用先进的算法，适应范围广泛。 5）温度控制器普遍具有参数整定功能。借助于计算机软件技术，温度控制 器具有对控制参数及特性进行自整定的功能。有的还具有自学习功能。 6）温度控制系统既有控制精度高、抗干扰能力强、鲁棒性好的特点。LI前, 国外温度控制系统及仪表正朝着高精

10、度、智能化、小型化等方向发展。 随温度控制系统在国内各行各业的应用虽然应用很广泛，但从国内生产的温 度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比仍 然有着较大的差距。目前，我国在这方面总体水平处于20世纪80年代中后期的 水平，成熟产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主，它只能适用于一 般的温度系统的控制，难以控制滞后、复杂、时变温度系统控制。能适应于较高 的控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内还不十分成熟。 随着科学技术的不断发展，人们对温度控制系统的要求越来越高，因此，高 精度、智能化、人性化的温度控制系统是国内外必然发展的趋势。 1.3项目研究内容 以锅

11、炉为被控对象，以锅炉出口水温为主被控参数，以炉膛内水温为副被控 参数，以加热炉电阻丝电压为控制参数，以PLC为控制器，构成锅炉温度串级控 制系统；采用PID算法，运用PLC梯形图编程语言进行编程，实现锅炉温度的自 动控制。 可编程逻辑控制器（PLC）是集讣算机技术、自动控制技术和通信技术为一体 的新型自动控制装置。其性能优越，已被广泛的应用于工业控制的各个领域，并 已经成为工业自动化的三大支柱（PLC、工业机器人、CAD/CAM）之一。 PLC技术在温度监控系统上的应用从整体上分析和研究了控制系统的硬件配 置、电路图的设讣、程序设讣，控制对象数学模型的建立、控制算法的选择和参 数的整定、人机界

12、面的设计等。论文通过对德国西门子公司的S7-200系列PLC 控制器，温度传感器将检测到的实际炉温转化为电压信号，经过模拟量输入模块 转换成数字信号送到PLC中进行PID调节，PID控制器输出转化为0-10mA的电 流信号输入控制可控硅电压调整器或触发板改变可控硅管导通角的大小来调节 输出功率。对于监控画面，利用亚控公司的组态软件“组态王“ 串级系统是曲调节器串联起来工作，其中一个调节器的输出作为另一 个调节器的给定值的系统。整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。 副回路山副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成：主回路山主 变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成

13、。一 次扰动：作用在主被控过程上的，而不包括在副回路范围内的扰动。二次 扰动：作用在副被控过程上的，即包括在副回路范圉内的扰动。在串级控 华北电力大学成人教育毕业设汁（论文） 制系统中，由于引入了一个副回路，不仅能及早克服进入副回路的扰动， 而且乂能改善过程特性。副调节器具有“粗调”的作用，主调节器具有“细 调”的作用，从而使其控制品质得到进一步提高。B 华北电力大学成人教冇毕业设计(论文) 2 PLC和组态软件基础 可编程控制器是是一种工业控制计算机，简称PLC (Programmable logic Controller),它使用可编程序的记忆以存储指令，用来执行逻辑、顺序、计时、计 数、

14、和演算等功能，并通过数字或模拟的输入输出，以控制各种机械或生产过程。 2.1可编程控制器基础 2.1.1可编程控制器的产生和应用 1969年美国数字设备公司成功研制世界第一台可编程序控制器 PDP-14,并在GM公司的汽车自动装配线上首次使用并获得成功。1971年日 本从美国引进这项技术，很快研制出第一台可编程序控制器DSC-18o 1973 年西欧国家也研制出他们的第一台可编程控制器。我国从1974年开始研制， 1977年开始工业推广应用。进入20世纪70年代，随着电子技术的发展，尤 其是PLC采用通讯微处理器之后，这种控制器功能得到更进一步增强。进 入20世纪80年代，随着大规模和超大规模

15、集成电路等微电子技术的迅猛发 展，以16位和少数32位微处理器构成的微机化PLC,使PLC的功能增强，工 作速度快，体积减小，可靠性提高，成本下降，编程和故障检测更为灵活， 方便。目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、 机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。 2.1. 2可编程控制器的组成和工作原理 可编程控制器的组成： PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架。 1. CPU CPU是PLC的核心，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程 序和数据，用扫描的方式采集山现场输入装置送来的状态或数据，并存入 规定的寄存器中，同

16、时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程 中的语法错误等。CPI；主要山运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系 的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关 电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。CPU速 度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，10数量及 软件容量等，因此限制着控制规模。 2. 1/0模块 华北电力大学成人教冇毕业设计（论文） PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模 块集成了 PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映 输出锁存器状态。输入模块将电信号

17、变换成数字信号进入PLC系统，输出 模块相反。I/O分为开关量输入（DI）,开关量输出（DO）,模拟量输入（AI）, 模拟量输出（A0）等模块。 常用的I/O分类如下： 开关量：按电压水平分，有220VAC、11OVAC、24VDC,按隔离方式分， 有继电器隔离和晶体管隔离。 模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20说,0-20说）、电压型 （0-10V, 0-5V,-10-10V）等，按精度分，有 12bit, 14bit, 16bit 等。 除了上述通用10夕卜，还有特殊10模块，如热电阻、热电偶、脉冲等 模块。按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受 CPU所能管

18、理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。 3. 编程器 编程器的作用是用来供用户进行程序的输入、编辑、调试和监视的。编程器 一般分为简易型和智能型两类。简易型只能联机编程，且往往需要将梯形图转化 为机器语言助记符后才能送入。而智能型编程器（乂称图形编程器），不但可以 连机编程，而且还可以脱机编程。操作方便且功能强大。 4. 电源 PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为 输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源（ 220VAC或 110VAC）,直流电源（常用的为24VDC）。 可编程控制器的工作原理： PLC的工作方式是一个不断循环的顺序扫描

19、工作方式。每一次扫描所用的时 间称为扫描周期或工作周期。CPU从第一条指令开始，按顺序逐条地执行用户 程序直到用户程序结束，然后返回第一条指令开始新的一轮扫描。PLC就是这 样周而复始地重复上述循环扫描的。 PLC工作的全过程可用图2-1所示的运行框图来表示。 华北电力大学成人教冇毕业设计（论文） 电懑0N 更新时钟、特殊寄存器 通信服务（外设、CPU.总线服务） 执行程序 执行自诊断 存放自诊断诸误结果 CPU强制为STOP 上电处理 扫描过程 出诸处理 图2-1可编程控制器运行框图 2.1. 3可编程控制器的分类及特点 （一）小型PLC 小型PLC的I/O点数一般在128点以下，其特点是体

20、积小、结构紧凑，整 个硬件融为一体，除了开关量I/O以外，还可以连接模拟量I/O以及其他各种 特殊功能模块。它能执行包括逻辑运算、计时、计数、算术、运算数据处理和传 送通讯联网以及各种应用指令。 （二）中型PLC 中型PLC采用模块化结构，其I/O点数一般在2561024点之间，I/O的 处理方式除了采用一般PLC通用的扫描处理方式外，还能采用直接处理方式即 华北电力大学成人教冇毕业设计（论文） 在扫描用户程序的过程中直接读输入刷新输出，它能联接各种特殊功能模块，通 讯联网功能更强，指令系统更丰富，内存容量更大，扫描速度更快。 （三）大型PLC 一般I/O点数在1024点以上的称为大型PLC,

21、大型PLC的软硬件功能极强, 具有极强的自诊断功能、通讯联网功能强，有各种通讯联网的模块可以构成三级 通讯网实现工厂生产管理自动化，大型PLC还可以釆用冗余或三CPI；构成表决 式系统使机器的可靠性更高 2.2组态软件的基础 2. 2. 1组态的定义 组态就是用应用软件中提供的工具、方法，完成工程中某一具体任务 的过程。组态软件是有专业性的，一种组态软件只能适合某种领域的应用。 组态的概念最早出现在工业计算机控制中，如DCS（集散控制系统）组态，PLC 梯形图组态。人机界面生成软件就叫工控组态软件。工业控制中形成的组 态结果是用在实时监控的。从表面上看，组态工具的运行程序就是执行自 己特定的任

22、务。工控组态软件也提供了编程手段，一般都是内置编译系统， 提供类BASIC语言，有的支持VB,现在有的组态软件棋至支持C#高级语言。 在当今工控领域，一些常用的大型组态软件主要有：ABB-OptiMax, WinCC, iFix, Intouch,组态王，力控，易控，MCGS等。本设计采用亚控 的组态王软件进行组态的设计。 2. 2. 2组态王软件的特点 组态王软件具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短 等优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次 结构。其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场 的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达

23、、组态开发的重要 作用。尤其考虑三方面问题：画面、数据、动画。通过对监控系统要求及 实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。组态软件也为试验者 提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。而且，它能充分利 用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控 制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。 它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能曲。 2. 2. 3组态王软件仿真的基本方法 （1）图形界面的设计 图形，是用抽象的图形画面来模拟实际的工业现场和相应的工控设备。 华北电力大学成人教冇毕业设计(论文) (2) 构造数据库

24、 数据，就是创建一个具体的数据库，并用此数据库中的变量描述工控对 象的各种属性，比如水位、流量等。 (3) 建立动画连接 连接，就是画面上的图素以怎样的动画来模拟现场设备的运行，以及怎 样让操作者输入控制设备的指令。 (4) 运行和调试 华北电力大学成人教冇毕业设计（论文） 3 PLC控制系统的硬件设计 本章主要从系统设计结构和硬件设计的角度，介绍该项目的PLC控制 系统的设计步骤、PLC的硬件配置、外部电路设计以及PLC控制器的设计参 数的整定。 3.1 PLC控制系统设计的基本原则和步骤 3.1.1 PLC控制系统设计的基本原则 1. 充分发挥PLC功能，最大限度地满足被控对象的控制要求。

25、 2. 在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用及维修方便。 3. 保证控制系统安全可靠。 4. 应考虑生产的发展和工艺的改进，在选择PLC的型号、I/O点数和存储器 容量等内容时，应留有适当的余量，以利于系统的调整和扩充。 3.1. 2 PLC控制系统设计的一般步骤 设IT PLC应用系统时，首先是进行PLC应用系统的功能设计，即根据被控对 象的功能和工艺要求，明确系统必须要做的工作和因此必备的条件。然后是进行 PLC应用系统的功能分析，即通过分析系统功能，提出PLC控制系统的结构形式, 控制信号的种类、数量，系统的规模、布局。最后根据系统分析的结果，具体的 确定PLC的机型和

26、系统的具体配置。PLC控制系统设计可以按以下步骤进行： 1. 熟悉被控对象，制定控制方案分析被控对象的工艺过程及工作特点，了 解被控对象机、电、液之间的配合，确定被控对象对PLC控制系统的控制要求。 2. 确定I/O设备 根据系统的控制要求，确定用户所需的输入（如按钮、行 程开关、选择开关等）和输出设备（如接触器、电磁阀、信号指示灯等）山此确定 PLC的I/O点数。 3. 选择PLC选择时主要包括PLC机型、容量、I/O模块、电源的选择。 4. 分配PLC的I/O地址 根据生产设备现场需要，确定控制按钮，选择开 关、接触器、电磁阀、信号指示灯等各种输入输出设备的型号、规格、数量；根 据所选的P

27、LC的型号列出输入/输出设备与PLC输入输出端子的对照表，以便绘 制PLC外部I / 0接线图和编制程序。 5. 设计软件及硬件进行PLC程序设计，进行控制柜（台）等硕件的设计及 现场施工。由于程序与硕件设计可同时进行，因此，PLC控制系统的设计周期可 大大缩短，而对于继电器系统必须先设讣出全部的电气控制线路后才能进行施工 设计。 6. 联机调试联机调试是指将模拟调试通过的程序进行在线统调。 华北电力大学成人教冇毕业设计（论文） 3.1.3 PLC程序设计的一般步骤 1. 绘制系统的功能图。 2. 设计梯形图程序。 3. 根据梯形图编写指令表程序。 4. 对程序进行模拟调试及修改，直到满足控制

28、要求为止。调试过程中，可采 用分段调试的方法，并利用编程器的监控功能。 PLC控制系统的设计步骤可参考图3-1 : 图3-1 PLC控制系统的设汁步骤 3.2PLC的选型和硬件配置 3. 2. 1 PLC型号的选择 本温度控制系统釆用德国西门子S7-200 PLCo S7-200是一种小型的可编程 序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200 10 华北电力大学成人教冇毕业设计（论文） 系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。 因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。 3. 2. 2 S7-200 CPU 的选择 S7-200

29、系列的 PLC 有 CPU221、CPU222、CPU224、CPU226等类型。此系统选 用的S7-200 CPU226, CPU 226集成24输入/16输出共40个数字量I/O点。可连接7 个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。13K字节程 序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速讣数器，2路独立的20kHz高速脉冲输 岀，具有PID控制器。2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协 议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。 3. 2. 3EM235模拟量输入/输出模块 在温度控制系统中，传感器将检测到的温度转换成4-20m

30、A的电流信号，系 统需要配置模拟量的输入模块把电流信号转换成数字信号再送入PLC中进行处 理。在这里我们选择西门子的EM235模拟量输入/输出模块。EM235模块具有4 路模拟量输入/一路模拟量的输出。它允许S7-200连接微小的模拟量信号,80mV 范圉。用户必须用DIP开关来选择热电偶的类型，断线检查，测量单位，冷端补 偿和开路故障方向：SW1SW3用于选择热电偶的类型，SW4没有使用，SW5用于选 择断线检测方向，SW6用于选择是否进行断线检测，SW7用于选择测量方向，SW8 用于选择是否进行冷端补偿。所有连到模块上的热电偶必须是相同类型。 3. 2. 4 热电式传感器 热电式传感器是一

31、种将温度变化转化为电量变化的装置。在各种热电式传感 器中，以将温度量转换为电势和电阻的方法最为普遍。其中最为常用于测量温度 的是热电偶和热电阻，热电偶是将温度转化为电势变化，而热电阻是将温度变化 转化为电阻的变化。这两种热电式传感器H前在工业生产中被广泛应用。 该系统需要的传感器是将温度转化为电流，且水温最高是100C,所以选择 Ptioow热电阻传感器。PlOOft热电阻，简称为：PTIOOft电阻，其阻值会随 着温度的变化而改变。PT后的100即表示它在0C时阻值为100欧姆，在100C 时它的阻值约为138.5欧姆。它的工作原理：当PT100在0摄氏度的时候他的 阻值为100欧姆，它的的

32、阻值会随着温度上升它的阻值成匀速增长。 3. 2.5可控硅加热装置简介 对于要求保持恒温控制而不要温度记录的电阻炉釆用带PID调节的数字式 温度显示调节仪显示和调节温度，输出010mA作为直流信号输入控制可控硅电 压调整器或触发板改变可控硅管导通角的大小来调节输出功率，完全可以满足要 求，投入成本低，操作方便直观并且容易维护。温度测量与控制是热电偶采集信 11 华北电力大学成人教冇毕业设计（论文） 号通过PID温度调节器测量和输出010mA或420mA控制触发板控制可控硅导 通角的大小，从而控制主回路加热元件电流大小，使电阻炉保持在设定的温度工 作状态。可控硅温度控制器由主回路和控制回路组成。

33、主回路是山可控硅，过电 流保护快速熔断器、过电压保护RC和电阻炉的加热元件等部分组成。 3.3系统整体设计方案和电气连接图 系统选用了 PLC CPU 226为控制器，PT100型热电阻将检测到的实际锅炉水 温转化为电流信号，经过EM231模拟量输入模块转化成数字量信号并送到PLC中 进行PID调节，PID控制器输出转化为010mA的电流信号输入控制可控硅电压 调整器或触发板改变可控硅管导通角的大小来调节输出功率，从而调节电热丝的 加热。PLC和组态王连接，实现了系统的实时监控。 整体设计方案如图3-3: 3.4PLC控制器的设计 控制器的设计是整个控制系统设计中最重要的一步。首先要根据受控对

34、象的 数学模型和它的各特性以及设计要求，确定控制器的结构以及和受控对象的连接 12 华北电力大学成人教冇毕业设计（论文） 方式。最后根据所要求的性能指标确定控制器的参数值。 3. 4.1控制系统数学模型的建立 在本控制系统中，TT1 （出口温度传感器）将检测到的出口水温度信号转化为 电流信号送入EM235模块的A路，TT2（炉膛温度传感器）将检测到的出口水温度 信号转化为电流信号送入EM235模块的B路。两路模拟信号经过EM235转化为数 字信号送入PLC, PLC再通过PID模块进行PID调节控制。具体流程在第四章程 序编写的时候具体论述。由PLC的串级控制系统框图如图3-5 如图3-5串级

35、控制系统框图 3.4.2 PID控制及参数整定 1. PID控制器的组成 PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其数学 表达式为： u（t） = Kce（t） + *：e（t）dt+Td讐公式（3-i） 错误！未指定书签。（1）比例系数庇对系统性能的影响： 比例系数加大，使系统的动作灵敏，速度加快，稳态误差减小。K。偏 大，振荡次数加多，调节时间加长。Kc太大时，系统会趋于不稳定。Kc 太小，乂会使系统的动作缓慢。Kc可以选负数，这主要是由执行机构、传 感器以控制对象的特性决定的。如果K,的符号选择不当对象状态（pv值）就 会离控制目标的状态（sv值）越来越远，如果

36、出现这样的情况Kc的符号就一 定要取反。 错误！未指定书签。（2）积分控制对系统性能的影响： 积分作用使系统的稳定性下降，小（积分作用强）会使系统不稳定， 但能消除稳态误差，提高系统的控制精度。 错误!未指定书签。（3）微分控制Td对系统性能的影响： 微分作用可以改善动态特性，Td偏大时，超调量较大，调节时间较短。 13 华北电力大学成人教冇毕业设计（论文） Td偏小时，超调量也较大，调节时间也较长。只有Td合适，才能使超调量 较小，减短调节时间。 2. 主、副回路控制规律的选择 采用串级控制，所以有主副调节器之分。主调节器起定值控制作用， 副调节器起随动控制作用，这是选择规律的基本出发点。主

37、参数是工艺操 作的重要指标，允许波动的范围较小，一般要求无余差，因此，主调节器 一般选PI或PID控制，副参数的设置是为了保证主参数的控制质量，可允 许在一定范围内变化，允许有余差，因此副调节器只要选P控制规律就可 以。在本控制系统中，我们将锅炉出口水温度作为主参数，炉膛温度为副 参数。主控制釆用PI控制，副控制器采用P控制。 3. 主、副调节器正、反作用方式的确定 副调节器作用方式的确定： 首先确定调节阀，出于生产工艺安全考虑，可控硅输出电压应选用气开式， 这样保证当系统出现故障使调节阀损坏而处于全关状态，防止燃料进入加热炉， 确保设备安全，调节阀的K. 0 o然后确定副被控过程的Ko=,当

38、调节阀开度增 大，电压增大，炉膛水温度上升，所以Ko： 0。最后确定副调节器，为保证副 回路是负反馈，各环节放大系数（即增益）乘积必须为负，所以副调节器KX0 , 副调节器作用方式为反作用方式。 主调节器作用方式的确定： 炉膛水温度升高，出口水温度也升高，主被控过程K01 0o为保证主回路 为负反馈，各环节放大系数乘积必须为负，所以主调节器的放大系数K： 0,主 调节器作用方式为反作用方式m。 4. 釆样周期的分析 采样周期Ts越小，采样值就越能反应温度的变化惜况。但是， 3副回路输入量的极性与范围，如图4-11 I 如图4-11副回路输入输岀设置 4. PID指令的参数表占用的V存储区的起始

39、地址，如图4-12： 22 华北电力大学成人教育毕业设汁（论文） 1 I 1Itemp pg令向导 $ 上一歩I T一步I 啟消 I 图4-12副回路存储区设置 5向导完成，如图4-13 .1 1 1 IL MF 1 TEMP 图4-13副回路向导完成 4. 3. 3控制程序及分析 23 华北电力大学成人教育毕业设汁（论文） 因为山AIWO和AIW2输入的是640032000的数字量，所以要转换为实际的 温度要进行运算，运算公式为： （）-6400）x100 公式（4-1） 32000-6400 其中，T为实际温度，D为AIWO和AIW2输入的数字量。 PLC的内存地址分配见表4-1 地址 说

40、明 VD250 锅炉出口水温度存放地址 VD260 炉膛水温存放地址 VD270 主控制器PID输岀存放地址 VD300 目标设定温度存放地址 VD304 主控制器Kc存放地址 VD3O8 主控制器Ti存放地址 VD3I2 主控制器Td存放地址 VD32O 副调节器Kc存放地址 表4-1内存地址分配 PID指令表见表4-2： 地址 需称 说明 VD0 主调节器过程变量（PVn） 必须在0.0-1.0之间 VD4 主调节器给定值SPn） 必须在0.0-1.0之间 VD8 主调节器输出值（Mn） 必须在0.0-1.0之间 VD12 主调节器增益（Kc） 比例常数，可正可负 VD16 主调节器采样时

41、间（Ts） 单位为S,必须是正数 VD20 主调节器积分时间（Ti） 单位为min,必须是正数 VD24 主调节器微分时间（Td） 单位为min,必须是正数 VD120 副调节器过程变量（PVn） 必须在0.0-1.0之间 VD124 副调节器给定值（SPn） 必须在0.0-1.0之间 VD128 副调节器输出值（Mn） 必须在0.01.0之间 VD132 副调节器增益（Kc） 比例常数，可正可负 VD136 副调节器采样时间（Ts） 单位为S,必须是正数 VD140 副调节器积分时间（Ti） 单位为min,必须是正数 VD144 副调节器微分时间（Td） 单位为min,必须是正数 表4-2

42、PID指令回路表 控制程序如图4-14图4-所示: 主程序： 24 华北电力大学成人教育毕业设汁（论文） 主调节器程序: 冋络1冈络忻蛊 I将Agisms出的翁数将化成麺 图4-14控制程序1 5M0.0 MDV_V/ ENENO DLR ENENO SMO.O AJWO- IN nur AC1 IN nur EN ENO IN1 ur IN 2 $UB R AC1 合C1 640JU- EN IN1 ENU our IN 2 DIV R 凸C1 255 0- 符号 地址 I主移| 岀口水温度 I W250 J J 小主程序入主iH节器 ASliHlS X ini.o A PioojNir A

43、 POijnit X rd_e I | 取消 | 图5-3步骤1 29 华北电力大学成人教育毕业设汁(论文) 谨给夢安装的设备指走唯一的逻辑名称 FD7 厂指定冗余设备 1 取消 | 图5-4步骤2 设备配置向设笛地址没置指南粤 地址帮助 | 取消 | 图5-5步骤3 30 华北电力大学成人教育毕业设汁（论文） 设备務装向皂总结22 你所要安装的设备信息： 设笛信息 新设奋为西门子生产的ST-200M列 设备违辑启：PIJ3 设番地址：2 通讯方式:PPT 上一步 完成 取消 图5-6步骤4 3. 新建变量 要实现组态王对S7-200的在线监控，就先必须建立两者之间的联系，那就 需要建立两者间

44、的数据变量。基本类型的变量可以分为“内存变量”和I/O变量 两类。内存变量是组态王内部的变量，不跟被监控的设备进行交换。而I/O变量 是两者之间互相交换数据的桥梁，S7-200和组态王的数据交换是双向的。如图 5-7所示： 定义麥呈 瞬国性抿咨走义记录和史全区 变里名：锻炉出口水温 芟里烟J厉画V 融：r 结徇咸良：1 p 1 成员类型：1 状恣 保存爹数 厂保存数值 变化灵钳度b 最小佰F 最小原婷但F 初蛤值 最大值 最大煤始但 釆删奉Jiooo-奎秒 拷拯方式 Q绒性C开方 高報 连挨设备|匝ZI 窃存醫习 数磁型：flow三 说写屈性：读写 e只读r只写允诈ME访i可 取消I 图5-7

45、新建变量 31 华北电力大学成人教育毕业设汁（论文） 项LI中所用到的变量见图5-8： 峻阵 i 翰S冃 2 血S日 3 卷列 4 吻S分 內存先型 5 峻的 6 翰S日期 応存#苻罩 7 旳简旬 内存孚沁 8 论$用户W 胡掠S； 9 阪S访眺层 10 裁塢蚯史鈕 11 K存碗 12 峻$启辺 棉锚 13 軌饰ex 14 15 16 月存蹩型 17 冷啟出口*劭 i/osa 21 PtC V25O 翰沪15比甑 #0旦 22 PIC V260 北ise淤自 vosa 23 PtC V270 论主M88段定Kc i/osa 24 PtC V04 血壬剣盏銘Ti voss 2S PIC V308

46、 ZiHHSSTd I/O昶 26 PtC V312 的却器W定Kc ”0E 27 PtC V320 伽劭E I/O 28 PtC Q0.0 翰龙刘SfiKc i/oa 29 PtC V12 血弐剣紺i g炮 30 PtC V20 魅 mward i/osai 31 PIT V24 如应WSKc V05 32 PIC V132 i/o. 35 PIC Q0.1 囲 酸#tfL 图 5-8变量表 5.2 创建组态画面 5. 2. 1新建主画面 C的时候， 等会变红闪 如图5-9所示，高温报警用来显示当温度高于95 烁，加热炉上的指示灯用来指示加热炉的加热状态。 加 炉 出口水逞雯 assy C

47、炉膛水逞雯 ttatiti C 设定温麼 sdss C 王调节器 副调节器 Td=Rm_ 实时趋势曲线 万史趋势曲线 实时报警窗口 历史报警篋口 数据报表窗口 參数设定窗口 5-9控制系统主画而 32 华北电力大学成人教育毕业设汁（论文） 5. 2.2新建PID参数设定窗口 图5-10 PID参数设定窗口 如图5-10所示，PID参数设定窗口，用来设定主控制器和副控制器的PID参 数值，可与PID参数的整定。 5. 2. 3新建数据报表 数据报表是反应生产过程中的数据、状态等，并对数据进行记录的一种重 要形式。数据报表有实时数据报表和历史数据报表，既能反应系统实时的运行情 况，也能监测长期的系

48、统运行状况，如图511所示： 报表査询 图5-11数据报表窗口 逐曰 33 华北电力大学成人教育毕业设汁（论文） 5. 2. 4新建实时曲线 实时趋势曲线可在工具箱中双击后在画面直接获得。实时趋势曲线随时间变 化自动卷动，可快速反应变量的新变化。如图512所示： 图5-12实时曲线窗口 5. 2.5新建历史曲线 历史趋势曲线可在图库管理器中得到。历史趋势曲线可以查询查询过去的 情况。历史趋势曲线需要事先建立两个内存变量，分表是调整跨度和举动白分比。 图5-13历史曲线窗口 34 华北电力大学成人教育毕业设汁（论文） 5. 2.6新建报警窗口 在工具箱中选用报警窗口工具，在面板中绘制报警窗口，添

49、加文本等就可。 如图5-14所示。山于前面已经设置了报警变量，所以当变量值超过所设置的温 度85度时，那就会在报警画面中被记录。如图5-14所示： 审聞a 已泅 整3戈曰 wraai 1III 筑目| 图5-14历史报警窗口 其制作过程和历史报警窗口类似，不同的是，实时报警画面是要弹出来的， 所以必须在新建画面的时候，把大小调好，并选择是“覆盖式”。画面的自动弹 出，在事件命令语言中，输入showpicture（z，实时报警窗口）；本站点$新报 警二0;,这样每次新报警有产生，就会立刻出报警画面。如图5-15所示。 1辟曰期 枢蜒a 0 I 4 川._ 图5-15实时报警窗口 35 华北电力大

50、学成人教冇毕业设计（论文） 6 系统测试 组态王和PLC编程软件不能同时启动，因为他们使用的是同一个端口，要想 在线利用组态王监控程序，那就先必须在关闭组态王的惜况下，先把PLC程序下 载到PLC中，并且运行程序，再把编程软件关闭，才可以启动组态王，这样就可 以利用组态王在线监控了。 6.1启动组态王 打开组态王的项訂工程管理器，点击窗口栏中“WIEW”或者在画面中点击 右键，选择“切换到VIEW”，启动组态王，进入主画面。这个时候，系统会自动 打开一个信息窗口，可以通过信息窗口来知道，组态王的运行情况以及和PLC的 连接是否成功。如果连接不成功，会出现通信失败的提示语言，那就要查明原因, 否则不能监控。如果提示连接设备成功，窗口会显示开始记