毕业论文基于PLC的自动加药系统设计

1、兰州理工大学毕业设计说明书I摘 要该系统研究的对象是一种简单且具有一定自动化程度的“自动加药系统” ，它不仅能用在锅炉上还能用在其它类型的需加药处理的生产设备及系统中。控制方案中 PLC采用德国西门子 S7-200 系列可编程控制器，CPU 主机选用 CPU226，模拟输入模块选用EM235. 触摸屏采用 SIEMENS TP170 系列彩色触摸屏 TP170B COLOR，可以方便的实现对控制系统的操作、监控和参数设置等功能。由 PH 在线分析仪、PLC、变频器组成的闭环控制自动加药系统，增强了控制先进性和可靠性。此套自动加药系统的投入彻底改变了以前人工加药不准带来的经济损失且对于节省人力、

2、降低消耗、确保炉水安全、保证水质的稳定性，产生良好的经济效益和社会效益。这样就可以实时的检测到加药系统的相关参数，对药液做一些实时的控制。人机界面和 PLC 的有机结合，借助其产品的功能，能够很灵活的构造控制方案，它相对传统的电气控制方案具有更高的可靠性，控制更精确。采用触摸屏与 PLC 控制，整个加药系统设自动、手动两种可选择的方式，能稳定的给锅炉加药，使炉内水时刻保持一定得药液浓度，保证炉内的各项水指标基本平稳。能克服老式加药装置加药配药不方便弱点，有效的提高了锅炉的自动化程度。加药系统操作简单、安全、可靠，设有电机搅拌器、溶解药剂所需时间可根据实际情况设定可控制药液的温度，可完成自动加药

3、及自动清洗等。关键词：PLC；触摸屏；加药系统兰州理工大学毕业设计说明书IIAbstractAbstractThis paper studies and discusses an Automatic Dosing System which is simple and to some extent automatic. The system can be used not only in the boiler but also in other types of manufacture equipment and system where dosing is needed.with its pr

4、oduct features ,the structure can be very flexible control program, It is relatively conventional electrical control scheme is more reliable ,more accurate control .In control program the PLC adopts Siemens S7-200 series programmable logic controller, CPU host CPU226, optional analog input module EM

5、235, touch-screen SIEMENS TP170 series color touch screen series TP170B COLOR. TP170B COLOR touch screen ,which is a very high performance and cost-effective. So it is easily to realize the operation, monitoring and parameter setting of the control system . By the online analyzer, PLC, inverter cons

6、isting of closed-loop control automatic dosing system to enhance the control of nature and reliability. This set of automatic dosing system into completely changed the previous manual dosing allowed for the economic losses and save manpower, reduce consumption and ensure safety of boiler water to en

7、sure the stability of water to produce good economic and social benefits. This can be detected in real-time dosing system parameters, on the liquid to do some real-time control.The combination of Man-machine interface and PLC with the functions of their products can make the construction of control

8、program become flexible, and compare to traditional electrical control program, the system is more reliable and control more accurately .The use of touch screen and PLC control and the two alternative ways for dosing (manual-automatic) of the whole system increases the stability of dosing to the boi

9、ler so as to maintain a certain concentration of the pharmacy and guarantee the stability of the water indicators in the boiler, and overcomes the inconvenience during the dosing and prescribing, so effectively improves the automation of the boiler .The dosing system with electric mixer is simple, s

10、afe and reliable. The time required for dissolution of pharmaceutical can be set according to the actual situation. The temperature of pharmaceutical can be controlled. The dosing and cleaning can be automatically completedKeywords:Keywords: PLC;PLC; touchtouch screen;screen; dosingdosing systemsyst

11、em兰州理工大学毕业设计说明书III目 录第 1 章 绪论 .11.1 课题背景.11.2 锅炉控制研究的背景和意义.21.3 课题研究的主要内容.31.4 锅炉加药处理的特点及应注意的问题.3第 2 章 硬件设计 .52.1 控制方案选择.52.1.1 S7-200 工作原理 .52.1.2 方案概述 .72.1.3 加药系统的组成 .72.1.4 加药系统的目标和原理.82.1.5 PH 值控制方法的研究 .92.1.6 加药系统的特点 .92.1.7 加药系统的控制功能描述 .102.2 硬件设计.102.2.1 主电路设计 .102.2.2 PLC 控制 .112.2.3 EM235

12、模拟量模块接线.122.2.4 自动加药装置技术参数.132.2.5 系统的 PID 控制 .132.2.6 PID 控制器的参数整定 .152.3 自动加药系统的硬件选型.162.3.1 PLC 的选型 .162.3.2 触摸屏选型.182.3.3 传感器的选型.202.3.4 在线 PH 仪的介绍 .212.3.5 MM440 变频器的介绍 .232.3.6 主电路电器元器件的选型 .26第 3 章 触摸屏的设计 .293.1 人机界面.293.2 地址配置.303.2.1 PLC 与触摸屏对应的地址配置 .303.2.2 触摸屏画面配置 .303.2.3 操作面板的布置 .323.3 系

13、统监控.333.3.1 监控系统的要求和组成.333.3.2 触摸屏与 PLC 通信 .34第 4 章 软件设计 .364.1 STEP7 软件介绍.364.2 软件流程图.37兰州理工大学毕业设计说明书IV结论 .42参考文献 .43外文翻译 .44致谢 .56附录 1：程序清单.57附录 2：PLC 控制系统 I/O 分配表 .66附录 3：主电路元器件清单.67兰州理工大学毕业设计说明书1第 1 章 绪论1.1 课题背景工业控制计算机(简称工控机)是以计算机技术为基础的新型工业控制装置，目前已成为工业控制的标准设备，被广泛地应用于各行各业，工控机是实现生产自动化的最佳配套产品，而工业可编

14、程序控制器(PLC)则在工控领域中占有主要的地位。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的定义有许多种，国际电工委员会（IEC）对 PLC 的定义是：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。从结构上，PLC 分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式 PLC 包括 CP

15、U 板、I/O 板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC 包括 CPU 模块、I/O 模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。PLC 作为工控机的一员，在主要工业国家中成为自动化系统的基本电控装置。它具有控制方便、可靠性高、容易掌握、体积小、价格适宜等特点。据统计，当今世界 PLC生产厂家约 150 家，生产 300 多个品种。2000 年销售额约为 86 亿美元，占工控机市场份额的 50%，PLC 将在工控机市场中占有主要地位，并保持继续上升的势头。PLC 在 60年代末引入我国时，只用作离散量的控制，其功能只是将操作接到离散量

16、输出的接触器等，最早只能完成以继电器梯形逻辑的操作。新一代的 PLC 具有 PID 调节功能，它的应用已从开关量控制扩大到模拟量控制领域，广泛地应用于航天、冶金、轻工、建材等行业。但 PLC 也面临着其它行业工控产品的挑战，各厂家正采取措施不断改进产品，主要表现为以下几个方面：(1)微型、小型 PLC 功能明显增强(2)集成化发展趋势增强(3)向开放性转变随着微处理器、网络通信、人机界面技术的迅速发展，工业自动化技术日新月异，各种产品竞争激烈，新产品不断涌现。PLC 也由最初的只能处理开关量而发展到可以处理模拟量和数据，加之与 DCS、PID 调节器、工业 PC 等技术相结合，使之不再是一种简

17、单的控制设备，而且必将随着自动控制技术的不断发展而发展生存下去。可实现高精度要求生产线控制，循环控制，精确的测控，材料检测等等。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。发展趋势如下：(1)更快的处理速度，多 CPU 结构和容错系统(2)编程语言与工具日趋标准化和高级化兰州理工大学毕业设计说明书2(3)强化 PLC 的连网通讯能力(4)记忆容量大，采用专用的集成电路，实用性增强(5)向小型化、高机能的整体型发展1.2 锅炉控制研究的背景和意义随着社会生产的发展，人类社会对能源的需求不断增加，我国是世界能源生产大国，也是能源消耗大国但人均占有量远低于世界平均水

18、平，这就使得节约能源在我国显得尤为重要。锅炉是一次性能源煤炭石油天然气转换成二次能源蒸汽量的重要动力设备。据有关资料统计，目前我国有各类工业锅炉约 25 万多台。每年耗煤量占全国产量的 1/3，同时还消耗大量的石油和天然气。工业锅炉是生产过程中的重要动力设备。在石油化工领域，它的主要作用是向各生产装置提供所需要的合格蒸汽，其控制质量的优劣不仅关系到锅炉自身运行的效果，而且还将直接影响到相关装置生产过程的稳定性。锅炉是工业生产和人们生活中使用广泛的设备之一，锅炉水的处理工作，对确保锅炉安全、经济运行、节约燃料有着重要的意义，它是锅炉运行中的一项重要的技术基础工作如果锅炉给水没有经过水处理或水处理

19、不当，不但会缩短锅炉的使用寿命、浪费燃料，甚至会造成重大设备事故和人员伤亡随着自动控制技术的飞速发展和广泛应用，锅炉的控制系统和控制方案越来越引起人们的重视，而且对控制系统的要求越来越高。在电力、石油、化工、冶金工业、环境工程、水处理等领域中常需要将某种液体连续自动地注入到另一种液体中成为一种混合液,或者使加入的药剂与液体中存在的某种组份发生化学反应 ,以达到预期的工艺要求。为达到最佳效果 ,在工况变化的情况下 ,对所加化学药剂量自动跟踪调节控制加药速度 ,为了保证锅炉正常工作及节能的需要，生产过程各主要工艺参数必须严格控制。目前，锅炉给水加药大多数采用人工调节，不能准确地将 PH 值控制在规

20、定的范围内，不仅严重浪费大量的中和剂，而且造成了热力系统的电化学腐蚀。因此利用 PLC 和触摸屏来控制整个系统的加药，自动根据给水的 PH 值的变化连续调节加药量，合理控制加药量，是保障安全生产、经济运行的需要，是节省人力、提高自动化管理水平的需要。本次设计主要是研究锅炉的自动加药处理，它是通过向锅炉内投入一定数量的软水剂，使锅炉给水中的结垢物质转变成泥垢，然后通过排污将泥垢从锅内排出，从而达到减缓或防止水垢结生的目的。当今随着以半导体功率器件为核心的电力电子技术的发展和以计算机为代表的控制技术的突飞猛进，水质在线检测仪表、变频器技术和 PLC 的应用已深入到工业生产和社会生活的各方面。水质在

21、线仪表是生产现场最直接的检测设备，被称为自动化的“眼睛” ，其准确性直接影响到自动化的控制精度。变频技术的不断发展和成熟，以其明显节能的效果、高可靠性、较高功率因数及效率等诸多优点，成为当今电气拖动系统的佼佼者。可编程控制器是近年来发展起来的并得到广泛应用的新一代工业自动化控制装置，它已成为解决自动控制问题的最有效工具之一，它编程简单并且稳定可靠越来越受到人们的重视，PLC 可以用于各种工业过程的闭环控制。当前自动加药系统已兰州理工大学毕业设计说明书3广泛采用 PLC 自动控制技术、变频调速技术取代传统的直流调速系统。一些中小型锅炉的加药装置是通过人工进行一些简单的配药，在利用锅炉给水泵的水压

22、或加药泵一次性把药加入锅炉，这种加药装置使用起来不方便，且药量浪费量大，锅炉加药大多数采用人工调节，不能准确将 PH 值控制在规定的范围内，不仅严重浪费大量中和剂，而且造成了热力系统的电化学腐蚀，甚至导致凝汽器的断裂，造成停机事故的发生，因此，设计并开发锅炉给水加药自动控制系统，自动根据给水 PH 值的变化连续调节加药量，合理控制加药量，进而避免锅炉及管路的腐蚀，是保障安全生产、经济运行的需要，又是节省人力、提高自动化管理水平的需要。该系统具有一定的自动化程度，控制方案中人机界面和 PLC 的有机结合，借助其产品的功能，能够很灵活的构造控制方案，它相对传统的电气控制方案具有更高的可靠性，控制更

23、精确。1.3 课题研究的主要内容课题主要研究的是对锅炉的测量与控制，本课题运用的是 PLC 控制，将检测到的各个数据传 PLC，经 PLC 对数据处理后输出到相应的执行设备上。这样就可以实时的检测到加药系统的相关参数，对药液做一些实时的控制。本次设计要求对药液的浓度、温度等进行实时检测，把检测到的数据通过 PLC 的数据处理输出到人机界面。课题的主要内容如下：(1)按照操作逻辑，设计测控系统人机界面。人机界面的功能分为三部分：控制功能，监控功能，参数设定功能。(2)按照系统要求，设计系统流程图。对药液的温度、浓度等信号进行采集。(3)设计系统主要数据采集和数据处理程序。根据系统流程图，通过温度

24、传感器采集温度，液位传感器采集到数值，通过 PLC处理，信号的程序设计的主要是 PLC 程序，输出到相应的设备上。1.4 锅炉加药处理的特点及应注意的问题一、锅炉加药的特点锅炉的自动加药处理是通过向锅炉内投入一定数量的软水剂，使锅炉给水中的结垢物质转变成泥垢，然后通过排污将泥垢从锅内排出，从而达到减缓或防止水垢结生的目的。锅炉的自动加药处理有以下特点：锅炉的自动加药处理不需要复杂的设备，故投资小、成本低，操作方便。 锅炉的加药处理法是最基本的水处理方法，又是锅外化学水处理的继续和补充。经过锅外水处理以后还可能有残余硬度，为了防止锅炉结垢与腐蚀，仍加一定的水处理药剂。锅炉的自动加药处理还不能完全

25、防止锅炉结生水垢，特别是生成的泥垢，在排污不及时很容易结生二次水垢。兰州理工大学毕业设计说明书4 锅炉内加药处理法对环境没有污染，它不像离子交换等水处理法，处理掉天然水多少杂质，再生后还排出多少杂质，而且还排出大量剩余的再生剂和再生后产物。而锅炉加药处理方法，是将水中的主要杂质变成不溶性的泥垢，对自然不会造成污染。 锅炉内加药处理法使用的配方需与给水水质匹配，给水硬度过高时，将形成大量的水渣，加快传热面结垢速度。因而一般不适用高硬度水质。二、锅炉加药应注意的问题由于锅炉在运行中，因凝汽器的渗泄漏和炉水大量蒸发而引起的炉水盐分极度浓缩，会造车炉管积盐、结垢。以前人们投入一套手动加药系统每天人员分

26、几班倒，人工取样实验室分析炉水的 PH 值，靠人为经验配药后开启手动加药泵加药。因取样不及时、实验室仪表不准确、人的素质参差不齐登因素造成了系统加药不理想，该加的时候不加，不加的时候又大量加，这样不仅浪费了大量的人力物力，最关键的是造成了锅炉设备腐蚀程度严重加剧。因而采用自动加药系统。当药液的浓度超过给定值时停泵，反之则启动泵。1、先除垢后防垢采用锅内加药处理前，应将锅炉内老垢清除，以免锅炉运行后，造成大量水垢脱落，引起水循环通路与排污管路堵塞。2、运行控制与管理采用锅内加药处理除对水源水质有严格要求外，还应经常注意水源水质，如硬度、碱度和氯根的变化情况。运行汇总要控制锅水水质在标准的范围内，

27、并检查锅炉防垢效果以及观察排污水清、浊情况。3、锅炉排污锅内加药处理都必须注意排污。如果排污不当，锅内沉积水渣过多，将会影响锅炉水循环或在锅炉受热面上生成二次水垢。因此锅内加药处理必须通过排污，使锅水水质维持在水质标准范围之内。采用间断加药方法时，一般应先排污再加药。4、定期停炉检查锅内加药处理效果如何，只有在停炉检查时才能看到，所以，一般锅炉运行 46个月时，应停炉检查防垢效果。根据实际情况调整锅内加药量和排污方式，并及时清除锅内水渣。5、水处理方法的选择各用炉单位应根据设备条件、对蒸汽品质的要求及水处理材料的来源等不同情况，本着因炉、因水、因地制宜的原则，合理地选择水处理方法。兰州理工大学

28、毕业设计说明书5第 2 章 硬件设计2.1 控制方案选择PLC 与继电器均可以用于开关量逻辑控制。PLC 的梯形图与继电器电路图都是用线圈和触点来表示逻辑关系。PLC 的控制功能主要是用软件（即程序）实现的，继电器控制系统的控制功能是用硬件继电器和硬件接线实现的。PLC 采用了计算机技术，具有顺序控制、定时、计数、运动控制、数据处理、闭环控制和通信联网等功能，比继电器控制系统的功能强大得多。继电气系统的可靠性差，诊断与排除复杂的继电器系统的故障非常困难。梯形图程序中的输出继电器等是一种“软继电器” ，它们的功能是用软件来实现的，因此没有硬件继电器那样的触点易于接触不良的缺点。PLC 的可靠性高

29、，故障率极低，并且很容易诊断和排除故障。而继电器的控制功能被固定在线路中，其功能单一，不易修改，灵活性差。PLC 的控制方式灵活，有很强的柔性，仅需修改梯形图就可以改变控制功能。继电器系统要在硬件安装、接线全部完成后才能进行调试，发现问题后修改电路花的时间也很多。PLC 控制系统的开关柜制作、现场施工和梯形图设计可以同时进行，梯形图可以在实验室模拟调试，发现问题后修改起来非常方便。一些中小型锅炉的加药装置是通过人工进行一些简单的配药，在利用锅炉给水泵的水压或加药泵一次性把药加入锅炉，这种加药装置使用起来不方便，且药量浪费量大，难以做到准确控制，还容易造成炉水总碱度过高，排污量大，对生产不利。该

30、系统是一种简单的且具有一定的自动化程度的“自动加药系统” ，不仅能用在锅炉上还能用在其他类型的需加药处理的生产设备及系统中。控制方案中人机界面和 PLC 的有机结合，借助其产品的功能，能够很灵活的构造控制方案，它相对传统的电气控制方案具有更高的可靠性，控制更精确。下面重点讨论各系统如何利用功能以实现加药系统的工艺要求。该加药系统的控制核心采用可编程控制器，配置常规电气控制系统。一般来说，加药系统的控制并不复杂，但对工艺过程却有较为严格的要求。根据锅炉的加药系统的具体特点，可以在原有的加药系统的基础上改造或加装触摸屏和 PLC 自动控制系统。本设计由 PH 在线分析仪、PLC、变频器组成的闭环控

31、制自动加药系统，增强了控制先进性和可靠性。此套自动加药系统的投入彻底改变了以前人工加药不准带来的经济损失且对于节省人力、降低消耗、确保炉水安全、保证水质的稳定性，产生良好的经济效益和社会效益。2.1.1 S7-200 工作原理一、扫描周期S7-200 CPU 连续执行用户任务的循环序列称为扫描。可编程控制器的一个机器扫兰州理工大学毕业设计说明书6描周期是指用户程序运行一次所经过的时间，它分为读输入（输入采样） 、执行程序、处理通讯请求、执行 CPU 自诊断及写输出（输出刷新）等五个阶段。PLC 运行状态按输入采样、程序执行、输出刷新等步骤，周而复始地循环扫描工作，如图 2-1 所示。图 2-1

32、 S7-200 的扫描周期（1）读输入阶段，对数字量和模拟量的输入信息进行处理。 对数字量输入信息的处理：每次扫描周期开始，先读数字输入点的当前值，然后将该值写到输入映像寄存器区域。在之后的的用户程序执行过程中，CPU 将访问输入映像寄存器区域，而并非读取输入端口状态，因此输入信号的变化不会影响输入映像寄存器的状态。通常要求输入信号有足够的脉冲宽度，才能被响应。 对模拟量输入信息的处理：在处理模拟量的输入信息时，用户可以对每个模拟量通道选择数字滤波器，即对模拟通道设置数字滤波功能。对变化缓慢的输入信号，可以选择数字滤波，而对高速变化的信号不能选择数字滤波。 如果选择了数字滤波器，则可以选择低成

33、本的模拟量输入模块。CPU 在每个扫描周期将自动刷新模拟输入，执行滤波功能，并存储滤波值（平均值） 。当访问模拟量输入时，读取该滤波值。 对于高速模拟信号，不能采用数字滤波器，只能选用智能模拟量输入模块。CPU 在扫描过程中不能自动刷新模拟量输入值，当访问模拟量时，CPU 每次直接从物理模块读取模拟量。（2）执行程序。在用户程序执行阶段，PLC 按照梯形图的顺序，自左而右、自上而下地逐行扫描。在这一阶段，CPU 从用户程序第一条指令开始执行，直到最后一条指令结束，程序运行结果放入输出映像寄存器区域。在此阶段，允许对数字量立即 I/O 指令和不设置数字滤波的模拟量 I/O 指令进行处理。在扫描周

34、期的各部分，均可对中断事件进行响应。（3）处理通讯请求。在扫描周期的信息处理阶段，CPU 处理从通讯端口接收到的信息。（4）执行 CPU 自诊断测试。在此阶段，CPU 检查其硬件、用户程序存储器和所有的I/O 模块状态。兰州理工大学毕业设计说明书7（5）写输出。每个扫描周期的结尾，CPU 把存在输出映像寄存器中的数据输出给数字量输出端点（写入输出锁存器中） ，更新输出状态。在 CPU 操作模式从 RUN 切换到 STOP状态时，数字量输出可以设置为输出表中定义的值或保持当前值；模拟量输出保持最后写的值；缺省设置时，默认是关闭数字量输出。 按照扫描周期的主要工作任务，也可以把扫描周期简化为读输入

35、、执行用户程序和写输出三个阶段。二、CPU 的工作方式（1）S7-200 CPU 有两种工作方式 STOP（停止） 。CPU 在停止工作方式时不执行程序，此时可以向 CPU 装载程序或进行系统设置。 RUN（运行） 。CPU 在 RUN 工作方式下运行用户程序。 CPU 前面板上用两个发光二极管显示当前的工作方式。在程序编辑、上/下载等处理过程中，必须把 CPU 置于 STOP 方式。（2）改变工作方式的方法： 使用 PLC 上的方式开关来改变工作方式。 使用 STEP7-Mirco/WIN32 编程软件设置工作方式。 在程序中插入一个 STOP 指令，CPU 可由 RUN 方式进入 STOP

36、 工作方式。（3）使用工作方式开关改变工作状态。用位于 CPU 模块的出/入口下面的工作方式开关选择 CPU 工作方式。工作方式开关有三个档位：STOP、TERM（Terminal） 、RUN. 把方式开关切到 STOP 位，可以停止程序运行。 把方式开关切到 RUN 位，可以启动程序的执行。 把方式开关切到 TERM（暂态）或 RUN 位，允许 STEP7-Micro/WIN32 软件设置 CPU的工作状态。如果工作方式开关设置为 STOP 或 TERM，则电源上电时，CPU 自动进入 STOP 工作状态；如果设置为 RUN，则电源上电时，CPU 自动进入 RUN 工作状态。 还可以使用编程

37、软件改变工作方式。2.1.2 方案概述加药系统组成包括：基础平台、不锈钢搅拌装置、不锈钢管道、安全阀、液位传感器、温度传感器、PH 在线分析仪、PLC 与触摸屏等。（1）该加药系统控制方案可以在原有的加药系统的基础上改造或加装触摸屏和PLC 自动控制系统，也可以作为新建加药系统的方案。（2） PLC 和触摸屏控制触摸屏和 PLC 控制时，PLC 驱动电磁阀，再有电磁阀通过控制压缩空气的气路来驱动阀的开关，最终达到配药和加药的目的。（3）常规电气控制加药泵、搅拌机和加水泵均可以通过常规电气手动控制启停。兰州理工大学毕业设计说明书82.1.3 加药系统的组成控制系统主要由上位机工业计算机、下位机西

38、门子 PLC 和检测仪表、变频器和加药泵组成。自动加药控制系统的核心是一套控制器（PLC）是近年来发展起来的并得到广泛应用的新一代工业自动化控制装置，它已成为解决自动控制问题的最有效的工具之一，越来越受到人们的重视。控制器安装在现场，采集相应的水质数据。由于化学加药系统具有纯滞后性质，会导致控制作用不及时，引起系统产生超调或者振荡，而利用计算机可以方便的实现之后补偿。经过控制器的控制算法，采用数字 PID 控制算法。输出控制信号（420mA）到现场调解设备，以调节加药泵的出力。可以是变频器调节加药泵电机的转速。随着电力电子技术的发展，交流变频调速控制方法得到了广泛的应用。我们采用变频调速进行化

39、学加药自动控制，系统可靠，得到了人们的认同，取得了良好的效果。测控系统的组成框如图 2-2 所示：图 2-2 控制系统的组成框图2.1.4 加药系统的目标和原理（1）控制目标：自动连续分析炉水的 PH 值，输出信号送上位机系统和 PLC 系统，加药量，根据水质、水量的变化，实现实时自动调节，达到最佳处理效果。当某泵故障时，自动停泵并报警。（2）控制原理：通过 PH 在线分析仪表监测炉内药液并输出 420mA 标准信号，然后将此信号送入 PLC 的模拟量输入模块，整个 PLC 控制系统实现 PID 调节功能，通过一系列算法处理(PID)再经过功能模块输出 420mA 信号，此电信号来调节变频器从

40、而兰州理工大学毕业设计说明书9控制加药泵的转速，以便自动调节加药泵的输出流量。在 PLC 中配有 AD 和 DA 模块，PLC 先输出接点信号(开关量)到交流接触器，接通变频器电源，然后再正常启动泵。使锅炉给水的 PH 值保持在一定范围内而运行在最佳状态，从而防止因给水的PH值失调造成锅炉等热力设备的酸碱腐蚀，使热系统工作在最佳状态，节能3050%。延长热力设备的使用寿命，保证热力设备长期稳定地安全运行。闭环控制的结构简单，容易实现自动控制，因此在各个领域得到了广泛的应用。加药系统的原理框图如图 2-3 所示：图 2-3 控制系统的组成框图2.1.5 PH 值控制方法的研究PID 控制是按偏差

41、的比例（PProportional） 、积分（IIntegral）和微分（DDerivative）线性组合的控制方式。图 2-4 为常规的 PID 控制系统。其中，r 为参考输入信号、PID 为控制器、P 为被控对象模型、e（k）为系统误差、u（k）为控制量、pH（k）为被控过程输出量。若系统在运 行过程中出现 pH 值低于或高于设定的值 加药装置即开始工作： pH 值偏低，说明酸性太强，系统有腐蚀倾向； pH 值偏高，说明碱性太强,系统有结垢倾向。这时 PH 检测仪器会将此信号反馈给控制系统，控制系统再输出调节信号给变频器，由变频器来驱动加药 泵，来控制加药泵的转速，从而调节 pH 值，待

42、pH 值恢复正常后， 加药泵停止。炉水的 PH 值：反映炉水的酸碱度， PH 值在 8.5-10.5 之间，溶液的 PH 值对金属的腐蚀速度影响较大。通过大量的锅炉运行数据分析，PH 值小于 6 时，腐蚀速度随 PH 值的降低而增加； PH 值在 8-10.5 之间，腐蚀速度随 PH 值的增加而低，腐蚀速度很小。由此 可见，锅炉正常运行时，控制炉 水 PH 值在 8.5-10.5 范围内，可以使金属表面形成一层稳定的保护膜，造成阳极钝化，从而大大降低锅炉的腐蚀速度。图 2-4 典型的 PH 值控制系统兰州理工大学毕业设计说明书102.1.6 加药系统的特点(1)采用 PLC 与触摸屏控制，整个

43、加药系统设自动、手动两种可选择的方式，能稳定的给锅炉加药，使炉内水时刻保持一定得药液浓度，保证炉内的各项水指标基本平稳。能克服老式加药装置加药配药不方便弱点，有效的提高了锅炉的自动化程度。(2)加药系统操作简单、安全、可靠，设有电机搅拌器、溶解药剂所需时间可根据实际情况设定可控制药液的温度，可完成自动加药及自动清洗等。(3)变频式自动加药控制装置采用引进的高科技产品-交流变频器构成先进的交流调速系统，对加药量实现最佳自动控制，该系统最大优点是性能可靠、寿命长、启动特性好、能耗低。该装置还可以作为水泵、油泵、风机等交流电机的转速控制系实现对输液管道内液体、汽体的压力、流量控制。2.1.7 加药系

44、统的控制功能描述(1)加药系统设 PLC 手动和自动控制和触摸屏控制两种方式。 (2)人工手动控制。通常用 PLC 控制的方式来控制变频器、加药泵、加水泵、搅拌机的启动，再根据实测数据及上位机发送的控制命令对阀门的操作来完成整个配药和加药的过程。(3)故障报警。PLC 和触摸屏控制方式对变频器、加药泵、加水泵和搅拌机的故障状态进行监控，一旦发现某台设备故障，可以在触摸屏上显示报警信号， PLC 手动和自动两种方式下实现声光报警，提示值班人员的注意(4)工序监控：触摸屏和 PLC 控制方式可以实现对所有加药系统设备工作状态的监控。控制方式能实现手动和自动两种功能，当选择开关为手动时，即可实现手动

45、控制功能，由人工操作控制面板上得启、停按钮，控制加药泵的运行和停止，由人工在变频器操作面板上修改变频器的输出频率来控制加药泵的转速。当选择自动控制方式时，控制器和变频器自动投入运行，实现加药的闭环调节功能。控制器根据程序发出指令，控制加药泵得启、停及变频器频率。变频器调节加药泵的转速，来控制药液的加入量，而使水质满足生产要求。2.2 硬件设计2.2.1 主电路设计电气配电的主要元件：QS1、QS2、QS3、QS4、QS5、QS6隔离开关FU1、FU2、FU3、FU4、FU5熔断器FR1、FR2、FR3、FR4热继电器兰州理工大学毕业设计说明书11K1变频器故障K2、K3、K4、K5、K6中间继

46、电器图 2-5 控制系统的主回路示意图主回路中交流接触器 KM1、KM2、KM3、KM4 分别控制加水泵、变频器、搅拌机、冷风扇；加水泵、搅拌机和冷风扇由热继电器 FR1、FR2、FR3 实现过载保护；QS1、QS2、QS3、QS4、QS5、QS6隔离开关用于接通三相交流电源；FU1、FU2、FU3、FU4、FU5熔断器分别实现各负载回路的短路保护。2.2.2 PLC 控制由图 2-6 可知，加药泵电机在交流变频器驱动下，将药剂注入到液体中，药浓度被检测仪检测，检测仪将与浓度成比例的电信号输入到调节器与设定值比较，得到偏差信号，调节器将偏差信号按工艺要求进行比例、积分运算，其运算结果信号输送给

47、变频器，变频器按调节器输出的调节信号改变电机工作电源的频率，使电机转速发生变化，改变注入液体中药液浓度，使药剂浓度控制在最佳范围内，通过电磁阀和继电器实现相关控制。CPU 外围主要元件：YV1、YV2、YV3电磁阀，K2、K3、K4、K5、K6中间继电器。兰州理工大学毕业设计说明书12图 2-6 自动加药系统的 PLC 接线图2.2.3 EM235 模拟量输入模块接线SIEMENS S7-200 模拟量扩展模块 EM235 含有 4 路模拟量输入和 1 路模拟量输出，为 12 位数据格式，它的输入信号可以是不同量程的电压或电流，其电压、电流的量程由开关 SW1SW6 设定。EM235 有 1

48、路模拟量输出，其输出可以是电压或电流，其端子及接线图如图 2-6 所示，RA、A+、A-为第一路模拟量输入通道端子，RB、B+、B-为第二路模拟量输入通道端子，RC、C+、C-为第三路模拟量输入通道端子，RC、C+、C-为第四路模拟量输入通道端子。M0、I0 为模拟量输出输出端子，电压输出大小为-10V+10V，电流输出大小为 020Ma,L+和 M 接 EM235 的工作电源。EM235 模块（4 输入、1 输出）是高速 12 位模拟量模块，能在 149 微妙内将模拟量转换成相应的数字量。输入可以是电压信号，也可以是电流信号。一般来说，PH 值表都有 420mA 信号输出，因此采用 420m

49、A 标准信号输入。兰州理工大学毕业设计说明书13图 2-7 EM235 接线示意图2.2.4 自动加药装置技术参数 检测仪输出信号：0lOmA，420mA，DC。 调节器输入信号：010mA，420mA，DC。输出信号：010mA，010V，420mA。控制精度：5。PI 功能：用于快速调节过程。 变频器变频器额定功率1.6 倍工作电机功率变频器驱动工作电机频率范围：5100HZ(4 极电机)。 工作环境条件温度40相对湿度85振动频率25HZ振动幅度01mm周围空气不含灰粉和腐蚀性气体2.2.5 系统的 PID 控制工业生产过程中，对于生产装置的温度、压力、流量、液位等工艺变量常常要求维持在

50、一定的数值上，或按一定的规律变化，以满足生产工艺的要求。PID 控制器是根据 PID 控制原理对整个控制系统进行偏差调节，从而使被控变量的实际值与工艺要求的预定值一致。不同的控制规律适用于不同的生产过程，必须合理选择相应的控制规律，否则 PID 控制器将达不到预期的控制效果。PID 控制器（比例-积分-微分控制器），由比例单元 P、积分单元 I 和微分单元 D 组成，通过 Kp，Ki 和 Kd 三个参数兰州理工大学毕业设计说明书14的设定来调节，PID 控制器主要适用于基本线性和动态特性不随时间变化的系统。 PID 控制器是一个在工业控制应用中常见的 反馈回路部件，这个控制器把收集到的数据和一

51、个参考值进行比较，然后把这个差别用于计算新的输入值，这个新的输入值的目的是可以让系统的数据达到或者保持在参考值。和其他简单的控制运算不同，PID 控制器可以根据历史数据和差别的出现率来调整输入值，这样可以使系统更加准确，更加稳定。可以通过数学的方法证明，在其他控制方法导致系统有稳定误差或过程反复的情况下，一个 PID 反馈回路却可以保持系统的稳定。PID 是一种线性控制，它根据给定值 SP(t)与过程变量 PV（t）构成偏差，将偏差的比例（P） 、积分（I） 、微分（D）通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。在PID 控制器算法中，比例环节反映系统的偏差信号 e(t)，偏差一旦产生，控制

52、器立即产生控制作用减少偏差，不能消除稳态偏差；积分环节用于消除偏差，提高系统的误差度，积分作用的强弱取决于积分时间常数 T，T 越大，积分作用越弱；微分环节能反映偏差的变化趋势，并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个早期的修正信号，减少调节时间。微分环节的引入改善了系统的特性。1 PID 的作用如果一个 PID 回路的输出 M 是时间 T 的函数，则可以看做事比例项、积分项和微分项三部分之和。即()=()+10() +)+CK1TdttdeTD)(0M式中，M（t）为控制器的输出，的初始值，误差信号 e（t）= SP(t)-PV(t) 为0 系统的输出量，为 PID 回路增益，和分别是

53、积分时间常数和微分时间常数。本次设计采用 比例积分（PI）控制，比例控制规律是基本控制规律中最基本的、应用最普遍的一种，其最大优点就是控制及时、迅速。只要有偏差产生，控制器立即产生控制作用。但是，不能最终消除余差的缺点限制了它的单独使用。克服余差的办法是在比例控制的基础上加上积分控制作用。积分控制器的输出与输入偏差对时间的积分成正比 ，这里的“积分”指的是“积累”的意思。积分控制器的输出不仅与输入偏差的大小有关，而且还与偏差存在的时间有关。只要偏差存在，输出就会不断累积（输出值越来越大或越来越小），一直到偏差为零，累积才会停止。所以，积分控制可以消除余差，积分控制规律又称无差控制规律。 积分时

54、间的大小表征了积分控制作用的强弱。积分时间越小，控制作用越强；反之，控制作用越弱。积分控制虽然能消除余差，但它存在着控制不及时的缺点。因为积分输出的累积是渐进的，其产生的控制作用总是落后于偏差的变化，不能及时有效地克服干扰的影响，难以使控制系统稳定下来。所以，实用中一般不单独使用积分控制，而是和比例控制作用结合起来，构成比例积分控制。这样取二者之长，互相弥补，既有兰州理工大学毕业设计说明书15比例控制作用的迅速及时，又有积分控制作用消除余差的能力。因此，比例积分控制可以实现较为理想的过程控制 。比例积分控制器 是目前应用最为广泛的一种控制器，多用于工业生产中液位、压力、流量等控制系统。由于引入

55、积分作用能消除余差，弥补了纯比例控制的缺陷，获得较好的控制质量。但是积分作用的引入，会使系统稳定性变差。对于有较大惯性滞后的控制系统，要尽量避免使用。2 回路输入量的转换和标准化每个回路的给定与 过程变量都是实际数值，其大小、范围和工作单位可能不同，在 PLC 在进行 PID 控制之前，必须将其转换成标准化浮点表示法， 步骤如下：（1）将回路输入量数值从 16 位整数转换成 32 位浮点数或实数。（2）将实数转换成 0.01.0 之间的标准化数值。用下式：实际数值的标准化数值 =实际数值的非标准化数值或原始实数 +偏移量，其中取值范围=最大可能数值 -最小可能数值 =32000（单级数值）或

56、64000（双级数值）；偏移量：对单级数值取 0.0，对双级数值取 0.5；单级（032000），双级（ -32000+32000）。程序执行后， PID 回路输出 0.01.0 之间的标准化实数数值，必须被转换成16 位成比例的整数数值，才能驱动模拟输出。2.2.6 PID 控制器的参数整定PID 控制器的参数整定是 控制系统设计 的核心内容。它是根据被控过程的特性确定 PID 控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。 PID 控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还

57、必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID 控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法 。利用该方法进行 PID 控制器参数的整定步骤如下： (1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作； (2)仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡， 记下这时的比例放大系数和

58、临界振荡周期； (3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID 控制器的参数。在实际调试中，只能先大致设定一个经验值，然后根据调节效果修改。对于温度系统：P（%）20-60，I（分）3-10，D（分）0.53;对于液位系统： P（%）20-80，I（分）1-5 兰州理工大学毕业设计说明书162.3 自动加药系统的硬件选型2.3.1 PLC 的选型S7-200 系列可编程控制器常见的有 CPU221，CPU222，CPU224 和 CPU226 四种基本型号。CPU 226 具有更多的输入输出点及更大的存储器，其输入、输出、CPU、电源模块均装设在一个基本单元的机壳内，是典型的整体式结构。当系统需

59、要扩展时，选用需要的扩展模块与基本单元连接。底部端子盖下是输入量的接线端子和为传感器提供的 24V 直流电源端子。1、CPU 226 型 PLC 的组成S7-200 系列 PLC 有 CPU21X 和 CPU22X 两代产品，其中 CPU22X 型 CPU 有CPU221、CPU222、CPU224 和 CPU226 四种基本型号。本节以 CPU226 型 PLC 为重点，来分析一下小型 PLC 的结构特点。 小型 PLC 系统由主机（主机箱）、I/O 扩展单元、文本/图形显示器、编程器等组成。2、 CPU226 主机箱体的外部设有 RS485 通讯接口，用以连接编程器（手持式或 PC 机）、

60、文本/图形显示器、PLC 网络等外部设备；还设有工作方式开关、模拟电位器、I/O 扩展接口、工作状态指示和用户程序存储卡、I/O 接线端子排及发光指示等。（1）基本 I/O。CPU 22X 型 PLC 具有两种不同的电源供电电压，输出电路分为继电器输出和晶体管 DC 输出两大类。CPU 22X 系列 PLC 可提供四个不同型号的 10 种基本单元CPU 供用户选用，其类型及参数如表 2-8 所示。特性CPU221CPU222CPU224CPU224XPCPU226外形尺寸（mm）908062908062120.5806214080621908062程序存储器：可在运行模式下编辑不可在运行模式下