基于PLC控制的锅炉供热控制系统设计论文说明书

. . . 基于PLC控制的锅炉供热控制系统设计1 引言11 技术综述自70年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是在电子技术的迅猛发展，以与自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外温度控制系统发展迅速，并在智能化自适应参数自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，并且都生产出了一批商品化的性能优异的温度控制器与仪器仪表，在各行业广泛应用。 目前，国外温度控制系统与仪表正朝着高精度智能化、小型化等方面快速发展。 温度控制系统在国各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同国外的日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有着较大的差距。目前，我国在这方面总体技术水平处于20世纪80年代中后期水平。成熟产品主要以“点位”控制与常规的PID控制器为主，它只能适应一般温度系统控制，难于控制滞后复杂时变温度系统控制，而且适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表国技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。现在，我国在温度等控制仪表业与国外还有着一定的差距。 温度控制系统大致可分别用3种方式实现，一种是用仪器仪表来控制温度，这种方法控制的精度不高。另一种是基于单片机进行PID控制，然而单片机控制的DDC 系统软硬件设计较为复杂, 特别是涉与到逻辑控制方面更不是其长处, 而PLC 在这方面却是公认的最佳选择。随着PLC功能的扩充在许多PLC控制器中都扩充了PID控制功能。因此本设计选用西门子S7-300PLC来控制加热炉的温度。12 系统工作原理加热炉温度控制系统基本构成如图1-1所示，它由PLC主控系统、固态继电器、加热炉、温度传感器等4个部分组成。PID控制器D/A固态继电器加热炉A/D温度传感器PLC主控系统SV PV图1-1 加热炉温度控制系统基本组成加热炉温度控制实现过程是:首先温度传感器将加热炉的温度转化为电压信号，PLC主控系统部的A/D将送进来的电压信号转化为西门子S7-300PLC可识别的数字量，然后 PLC将系统给定的温度值与反馈回来的温度值进行比较并经过PID运算处理后，给固态继电器输入端一个控制信号控制固态继电器的输出端导通与否从而使加热炉开始加热或停止加热。既加热炉温度控制得到实现。其中PLC主控系统为加热炉温度控制系统的核心部分起着重要作用。13系统组成本系统的结构框图如图2-3所示。上位机S7-300PLC控制器固态继电器电阻炉温度传感器图1-2系统结构框图由图1-2可知，温度传感器采集到数据后送给S7-300PLC，S7-300PLC通过运算后给固态继电器一个控制信号从而控制加热炉的导通与否。上位机是编写PLC程序以与监控温度的变化。14系统设计目标与技术要求本系统应能够控制在设定值的5的误差围并且具有温度上下限报警功能和故障报警功能。由学校提供，模拟真实锅炉的温度检测和控制模块，可自行将010V模拟信号转化为占空比对锅炉进行加热。输出的模拟信号也是010V，锅炉外接24V直流电源。2 下位机硬件系统设计随着微处理器、计算机和数字通信技术的飞速发展，计算机控制已经广泛地应用在所有的工业领域。现代社会要求制造业对市场需求作出迅速反应，生产出小批量、多品种、多规格、高质量的产品。为了满足这一要求，生产设备和自动化生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性。可编程序控制器（Programmable Logic Controller）正是顺应这一要求出现的，它是以微处理器为基础的通用控制装置。本系统控制软件设计分为PLC的软件和工控机的软件设计两部分，其中下位机使用的软件为siemens公司的step7。本章主要介绍西门子S7-300系列PLC以与其它硬件的组成与选型。21 硬件接线图硬件接线图如下图2-1。SB1SB2SB3SB5SB4SB6SQ1SQ224V CPU314-2DP PLC I0.0I0.1I0.2I0.3I0.4I0.5I0.6I0.7COM1Q4.0Q4.1Q4.2Q4.3Q4.4Q4.5Q4.6COM2Q5.0Q5.1Q5.2Q5.3Q5.4Q5.5Q5.6COM3PQW305comPIW288传感器加热管220VFU1图2-1 硬件接线图22 传感器温度是一个基本的物理量，自然界中的一切过程无不与温度密切相关。温度传感器是最早开发，应用最广的一类传感器。根据美国仪器学会的调查，1990年，温度传感器的市场份额大大超过了其他的传感器。从17世纪初伽利略发明温度计开始，人们开始利用温度进行测量。真正把温度变成电信号的传感器是1821年由德国物理学家赛贝发明的，这就是后来的热电偶传感器。50年以后，另一位德国人西门子发明了铂电阻温度计。在半导体技术的支持下，本世纪相继开发了半导体热电偶传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器。与之相应，根据波与物质的相互作用规律，相继开发了声学温度传感器、红外传感器和微波传感器。这里我们主要介绍热电阻和热电偶。2.2.1 热电阻热电阻是中低温区最常用的一种温度测量元件。热电阻是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。当电阻值变化时，二次仪表便显示出电阻值所对应的温度值。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热电阻的测量精度是最高的。铂热电阻根据使用场合的不同与使用温度的不同，有云母、瓷、簿膜等元件。作为测温元件，它具有良好的传感输出特性，通常和显示仪、记录仪、调节仪以与其它智能模块或仪表配套使用，为它们提供精确的输入值。若做成一体化温度变送器，可输出4-20mA标准电流信号或0-10V标准电压信号，使用起来更为方便。热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜。此外，现在已开始采用铬、镍、锰和铑等材料制造热电阻。根据使用场合的不同，热电阻也有铠装式热电阻、装配式热电阻、隔爆式热电阻等种类，与热电偶类似。铂电阻的工作原理是，在温度作用下，铂热电阻丝的电阻值随温度变化而变化，且电阻与温度的关系即分度特性符合IEC标准。分度号Pt100的含义为在0时的名义电阻值为100，目前使用的一般都是这种铂热电阻。此外还有Pt10、Pt200、Pt500和Pt1000等铂热电阻，Cu50、Cu100的铜热电阻等。2.2.2 热电偶工业热电偶作为测量温度的传感器，通常和显示仪表、记录仪表和电子调节器配套使用，它可以直接测量各种生产过程中不同围的温度。若配接输出4-20mA、0-10V等标准电流、电压信号的温度变送器，使用更加方便、可靠。对于实验室等短距离的应用场合，可以直接把热电偶信号引入PLC进行测量。热电偶的工作原理是,两种不同成份的导体,两端经焊接，形成回路，直接测量端也叫工作端（热端），接线端子端也叫冷端，当热端和冷端存在温差时，就会在回路里产生热电流，这种现象称为热电效应；接上显示仪表，仪表上就会指示所产生的热电动势的对应温度值，电动势随温度升高而增长。热电动势的大小只和热电偶的材质以与两端的温度有关，而和热电偶的长短粗细无关。根据使用场合的不同，热电偶有铠装式热电偶、装配式热电偶、隔爆式热电偶等种类。装配式热电偶由感温元件（热电偶芯）、不锈钢保护管、接线盒以与各种用途的固定装置组成。铠装式热电偶比装配式热电偶具有外径小、可任意弯曲、抗震性强等特点，适宜安装在装配式热电偶无法安装的场合，它的外保护管采用不同材料的不锈钢管，可适合不同使用温度的需要，部充满高密度氧化绝缘体物质，非常适合于环境恶劣的场合。隔爆式热电偶通常应用于生产现场伴有各种易燃、易爆等化学气体的场合，如果使用普通热电偶极易引起气体爆炸，则在这种场合必须使用隔爆热电偶。热电偶传感器有自己的优点和缺陷，它灵敏度比较低，容易受到环境干扰信号的影响，也容易受到前置放大器温度漂移的影响，因此不适合测量微小的温度变化。由于热电偶温度传感器的灵敏度与材料的粗细无关，用非常细的材料也能够做成温度传感器。也由于制作热电偶的金属材料具有很好的延展性，这种细微的测温元件有极高的响应速度，可以测量快速变化的过程，如燃烧和爆炸过程等。对一般的工业应用来说，为了保护感温元件避免受到腐蚀和磨损，总是装在厚厚的护套里面，外观就显得笨大，对于温度场的反应也就迟缓得多。使用热电偶的时候，必须消除环境温度的波动对测量带来的影响。有的把它的自由端放在不变的温度场中，有的使用冷端补偿器抵消这种影响。当测量点远离仪表时，还需要使用热电势率和热电偶相近的导线来传输信号，这种导线称为补偿导线。 本设计选用镍铬-镍硅N型热电偶，选用其型号为WRM-101。23PLC的基本概念可编程序控制器简称为PLC，它的应用面广、功能强大、使用方便，已经成为当代工业自动化的主要支柱之一。PLC已经广泛地应用在各种机械设备和生产过程的自动控制系统中，PLC在其它领域，例如在民用和家庭自动化设备中的应用也得到了迅速的发展。2.3.1 S7-300简介S7-300是模块化的中小型PLC，适用于中等性能的控制要求。品种繁多的CPU模块、信号模块和功能模块能满足各种领域的自动控制任务，用户可以根据系统的具体情况选择合适的模块，维修时更换模块也很方便。S7-300有很高的电磁兼容性和抗振动抗冲击能力，有350多条指令，其编程软件STEP7功能强大，可以使用多种编程语言。S7-300采用紧凑的、无槽位限制的模块结构，各个模块都安装在导轨上，用螺栓锁紧即可。2.3.2 模块式PLC的基本结构这里我们主要介绍的是西门子S7-300，S7-300属于模块式PLC。西门子的PLC以其极高的性价比，在国占有很大的市场份额，在我国的各行各业得到了广泛的应用。S7-300模块式PLC，主要由机架、CPU模块、信号模块、功能模块、接口模块、通信处理器、电源模块和编程设备组成，各种模块安装的机架上。通过CPU模块或通信模块上的通信接口，PLC被连接到通信网络上，可以与计算机、其它PLC或其它设备通信。图2-2是PLC控制系统的示意图。接触器电磁阀指示灯电源接口模块其他设备其他PLC计算机通信网络扩展机架CPU模块通信模块输出模块电源模块输入模块图2-2 PLC控制系统示意图CPU模块：CPU模块主要由微处理器和存储器组成，S7-300将CPU模块简称为CPU。在PLC控制系统中，CPU模块相当于人的大脑和心脏，它不断的采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出，模块中的存储器用来存储程序和数据。信号模块：输入（Input）模块和输出（Output）模块一般简称为I/O模块，开关量输入/输出模块简称为DI模块和DO模块，模拟量输入/输出模块简称为AI模块和AO模块，在S7-300中统称为信号模块。信号模块是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场设备和CPU模块的桥梁。输入模块用来接收和采集输入信号，开关量输入模块用来接收从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关等来的开关量输入信号；模拟量输入模块用来接收电位器、测速发电机和各种变送器提供的连续变化的模拟量电流电压信号。开关量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯、数字显示装置和报警装置等输出设备，模拟量输出模块用来控制电动调节阀、变频器等执行器。在信号模块中，用光耦合器、光敏晶闸管、小型继电器等器件来隔离PLC的部电路和外部的输入、输出电路。功能模块：为了增强PLC的功能，扩大应用领域，减轻CPU的负担，PLC厂家开发了各种各样的功能模块。主要用于完成某些对实时性和存储容量要求很高的控制任务。接口模块：CPU模块所在的机架称为中央机架，如果一个机架不能容纳全部模块，可以增设一个或多个扩展机架。接口模块用来实现中央机架和扩展机架之间的通信，有的接口模块还可以为扩展机架供电。通信处理器：通信处理器用于PLC之间、PLC与远程I/O之间、PLC与计算机和其他智能设备之间的通信，可以将PLC接入MPI、PROFIBUS-DP、AS-i和工业以太网，或者用于点对点通信。电源模块：PLC一般使用AC 220V电源或DC 24V电源，电源模块用于将输入电压转换为DC 24V和背板总线上的DC 5V电压，供其他模块使用。编程设备：S7-300使用安装了编程软件STEP7的个人计算机作为编程设备，在计算机屏幕上直接生成和编辑各种文本程序或图形程序，可以实现不同编程语言之间的相互转换。程序被编译后下载到PLC，也可以将PLC中的程序上传到计算机。程序可以存盘或打印，通过网络，可以实现远程编程。编程软件还具有对网络和硬件组态、参数设置、监控和故障诊断等功能。24硬件配置2.4.1 s7-300硬件配置（1） 如图2-4，选中一槽，并双击SIMATIC300PS300中的PS 307 5A（电源模块）。（2） 2号槽为CPU模块，选用CPU314C-2DP。（3） 3号槽为空。（4） 如图2-5，选中4槽，并选择“SM-300-DI-300-SM 321 DI16DC24”并双击，完成数字量输入模块的配置。图2-4 电源模块图2-5 数字量输入模块图2-6 数字量输出模块图2-7 脉冲信号设置（5） 如图2-6，选中5槽，选择“SM-300-DO-300-SM 322 DO16DC24V/0.5A”并双击，完成数字量输出模块的配置。（6）如图2-7，将M3.0M3.7设置为脉冲信号。2.5 I/O分配表表2-1 I/O分配表输入I0.0启动按钮I0.1停止按钮I0.2进水阀开关AI0.3出水阀开关AI0.4进水阀开关BI0.5出水阀开关BI0.6上限位开关I0.7下限位开关PIW288检测温度输出Q4.0锅炉加热指示灯Q4.1温度溢出指示灯Q4.2超温报警指示灯Q4.3低温报警指示灯Q4.4调节器AQ4.5进水阀AQ4.6出水阀AQ5.0正常运行指示灯Q5.1停止运行指示灯Q5.2高水位报警指示Q5.3低水位报警指示Q5.4调节器BQ5.5进水阀BQ5.6出水阀BPQW305加热器驱动3下位机软件系统设计3.1 PID控制器PID控制器就是根据系统的误差,利用比例、积分、微分计算出控制量来进行控制。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,最适合采用PID控制技术。3.1.1 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,概括起来有理论计算整定法和工程整定法，其中工程整定法主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。本设计选用临界比例法，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。3.1.2 PID控制器的主要优点PID控制器成为应用最广泛的控制器，它具有以下优点：（1）PID算法蕴涵了动态控制过程中过去、现在、将来的主要信息，而且其配置几乎最优。（2）PID控制适应性好，有较强的鲁棒性，对各种工业应用场合，都可在不同的程度上应用。特别适于“一阶惯性环节+纯滞后”和“二阶惯性环节+纯滞后”的过程控制对象。（3）PID算法简单明了，各个控制参数相对较为独立，参数的选定较为简单，形成了完整的设计和参数调整方法，很容易为工程技术人员所掌握。 （4）PID控制根据不同的要求，针对自身的缺陷进行了不少改进，形成了一系列改进的PID算法。这些改进算法在一些应用场合取得了很好的效果。同时当今智能控制理论的发展，又形成了许多智能PID控制方法。3.1.3 PID控制器的选取PID控制器的性能和处理速度只与所采用的CPU的性能有关。对于任意给定的CPU，控制器的数量和每个控制器被调用的频率是相互矛盾的。控制环执行的速度，也即在每个时间单元操作值必须被更新的频率决定了可以安装的控制器的数量。对要控制的过程类型没有限制，迟延系统（温度、液位等）和快速系统（流量、电机转速等）都可以作为被控对象。过程分析时应注意：控制过程的静态性能（比例）和动态性能（时间延迟、死区和重设时间等）对被控过程控制器的构造和设计以与静态（比例）和动态参量（积分和微分）的维数选取有着很大的影响。准确地了解控制过程的类型和特性数据是非常必要的。控制器选取时应注意：控制环的特性由被控过程或被控机械的物理特性决定，并且设计中可以改变的程度不是很大。只有选用了最适合被控对象的控制器并使其适应过程的响应时间，才能得到较高的控制质量。不用通过编程就可以生成控制器的大部分功能（构造、参数设置和在程序中的调用等），前提是必须已经掌握STEP 7的编程基础知识。3.1.4 PID参数的设定 PID调节器参数是根据控制对象的惯量来确定的。大惯量如大烘房的温度控制，一般P可在10以上，I=3-10，D=1左右。小惯量如一个小电机带一个水泵进行压力闭环控制，一般只用PI控制，P=1-10，I=0.1-1，D=0，这些要在现场调试时进行修正，主要是靠经验与对生产工艺的熟悉，参考对测量值的跟踪与设定值的曲线，从而调整P、I、D的大小。3.1.5 闭环控制系统特点PID就是应用最广泛的闭环控制器。如图3-1所示系统是用于电加热炉温度控制系统的闭环控制系统的PID闭环控制系统，系统目标设定值为期望的加热炉温度，闭环控制器的反馈值通过温度传感器测得，并经A/D变换转换为数字量；目标设定值与温度传感器的反馈信号相减，其差送入PID控制器，经比例、积分、微分运算，得到叠加的一个数字量；该数字量经过上限、下限限位处理后进行D/A变换，输出一个电压信号去控制固态继电器，以控制加热炉的温度。该系统的PID控制器一般采用PLC提供的专用模块（本系统采用FB58模块），也可以采用编程的方法（如PLC编程、高级语言编程或组态软件编程等）生成一个数字PID控制器。同时，其它功能如A/D、D/A都由PLC实现，加热炉的反馈信号直接送PLC采集，控制固态继电器的电压信号也由PLC送出，从而控制加热炉的温度。 控制下限D/A固态继电器加热炉温度传感器控制上限比例积分微分目标设定值A/DError图3-1电加热炉温度控制系统的闭环控制系统应用实例运行PLC初始化指示灯初始化PID设定温度设定PID值读入温度并转换把实际温度存放于MD30调用PID指令输出PID值3.2 S7-300程序设计流程图图3-2 设计流程图3.3 基于PLC的软件设计FB41是S7-300系统自带的PID运算控制模块。在P,I,D这三种控制作用中，比例部分与误差部分信号在时间上时一致的，只要误差一出现，比例部分就能与时地产生与误差成正比例的调节作用，具有调节与时的特点。比例系数越大，比例调节作用越强，系统的稳态精度越高；但是对于大多数的系统来说，比例系数过大，会使系统的输出振荡加剧，稳定性降低。调节器中的积分作用与当前误差的大小和误差的历史情况都有关系，只要误差不为零，控制器的输出就会因积分作用而不断变化，一直要到误差消失，系统处于稳定状态时，积分部分才不再变化，因此，积分部分可以消除稳态误差，提高控制精度。但是积分作用的动作缓慢，可能给系统的动态稳定性代来不良影响，因此很少单独使用。积分时间常数增大时，积分作用减弱，系统的动态性能（稳定性）可能有所改善，但是，消除稳态误差的速度减慢。根据误差变化的速度（即误差的微分），微分部分提前给出较大的调节作用，微分部分反映了系统变化的趋势，它较比例调节更为与时，所以微分部分具有预测的特点。微分时间常数增大时，超调量减小，动态性能得到改善，但抑制高频干扰的能力下降。如果微分时间常数过大，系统输出量在接近稳态值时上升缓慢。采样时间按常规来说应越小越好，但是时间间隔过小时，会增加CPU的工作量，相邻两次采样的差值几乎没有什么变化，所以也不易将此时间取的过小，另外，假如此项取比运算时间短的时间数值，则系统无法执行。S7-300PLC自带的FB41默认的采样时间是0.1秒，而OB1的循环扫描时间一般远低于0.1秒，而且不固定，故一般在OB35（默认0.1秒周期执行）中调用。3.3.1FB41部分端口定义EN：使能，高电平有效COM_RST：初始化，高电平清除所用中间值与输出值MAN_ON：高电平手动工作，低电平闭环工作P_SEL、I_SEL、D_SEL：PID三种运算使能，高电平采用该运算CYCLE：采样时间，一般取100MSGAIN：比例参数,实数TI、TD：积分、微分参数，时基为1MS的32位整数SP_INT：给定值，实数PV_IN：反馈值，实数DEADB：死区，差值的百分数LMN_PER：PID运算输出，0-6C003.3.2控制程序（1）初次上电，读入模拟信号，并把数值转化显示锅炉的当前电压，判断炉温是否在正常围，打亮正常运行指示灯/温度越上限报警指示灯。（2） 输入设定温度、把设定温度、P值、I值、D值都导入PID、每100ms中断一次子程序进行PID运算。(3) 输出限幅：因为PLC模拟量输出电压围为0-10V(0-600)，而加热驱动器输入电压围为0-5V。4 控制系统上位机设计某高校锅炉控制系统上位机使用SIEMENS公司丌发的与STEP7-300配套的上位机开发软件，并使用MPI卡与下位机STEP7之间的通信，同时为了适应现在集约型自动化控制的需要，采用与WINCC配套的WEB NAVIGATOR软件来实现远程WEB浏览功能，从而可以进行远程系统监测与控制。4.1 WINCC软件介绍WINCC(Windows Control Center)是SIEMENS公司的一种功能强大的工业控制软件，是“真正开放的”人机界面SCADA(数据采集与监视控制系统)软件。它是第一个使用最新的32位技术的过程监控系统，具有良好的开放性和灵活性、分布式多任务的特点，适合于对过程事件的快速反应。无论是单用户系统还是冗余多服务器/多用户系统、还是针对复杂的或特定的任务，WINCC均能够很好的处理；WINCC集成ODBC/SQL数据库，具有OLE，ActiveX，OPC等标淮接口、开放的API程序接口以与针对所有主要PLC厂商的通讯接口程序。WINCC编程语言为ANSI C语言，易于组态，能够在组态和在线运行环境中切换语言；WINCC支持分布式系统结构，有广泛的应用，可以连接到已存在的自动化环境中；WINCC是模块化结构，可运行于Windows98/2000或NT，用户只需要选择购买应用所需要的部分。WINCC具有控制自动化过程的强大功能，是基于个人计算机、同时具有极高性价比的SCADA级的操作监控系统。WINCC容易结合标准的和用户的程序建立人机界面，精确的满足生产实际要求。系统集成商可应用WINCC作为其系统扩展的基础，通过开放接口开发自己的应用软件。4.1.2 WINCC的特点1强大的图形组态功能：WINCC组态软件以Microsoft Windows平台作为操作平台，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。WINCC的图形编辑器提供了强大的图形库，设计人员可高效快捷地绘制出各种工艺画面，并可方便进行编辑，使采用PC机比以往使用专用机开发的工业控制系统更有通用性，减少了工控软件开发者的重复工作。另外WINCC支持丰富的动画连接如“闪烁”、“旋转”、“填充”、“移动”等，使画面生动直观。2支持脚本语言：从使用脚本语方面，组态软件均使用脚本语言提供二次开发。脚本语言也称命令语言、控制语言。用户可根据自己需要编写程序。组态软件在脚本语言功能与提供的脚本函数数量上不断提高。WINCC部提供了很多标准函数和部函数，编程人员可直接调用这些函数，另外WINCC提供C脚本编辑器，设计人员可根据任务自行设计项目函数，或修改标准函数和部函数。3全集成自动化：WINCC与SIMATIC产品家族中的组件一起使用时可能进行广泛的集成。这种集成有利于：全局组态和编程；全局数据维护；全局通讯。因此，在使用WINCC进行工作时，可对STEP7中所定义的符号表直接进行访问。在用户S7自动化系统中可用的所有变量的列表将显示在WINCC变量选择对话框中。用户既可从该列表选择所需的变量，也可在WINCC中重新创建变量。4开放性：WINCC提供了开放的界面用于用户解决方案，这使得将WINCC集成入复杂、广泛的自动控制解决方案成为可能。可以集成通过ODBC和SOL方式的归档数据访问，以与通过OLE2。和ActiveX控件的对象和文档的。5强大的数据库：组态软件均有一个实时数据库作为整个系统数据处理、数据组织和管理的核心。负责整个应用系统的实时数据处理、历史数据存储、报警处理，完成与过程的双向数据通讯。WINCC通过变量记录和报警记录等编辑器对过程值进行归档，自动存入数据库。6丰富的功能模块：组态软件以模块形式挂接在基本模块上，互相独立提高了系统可靠性和可扩展性。WINCC利用图形编辑器、变量记录编辑器、报警记录编辑器、报表编辑器和脚本编辑器等功能模块，完成实时监控、报表生成、实时曲线、历史曲线、提供报警等功能。4.1.3 项目组态本系统上位机监控软件选用西门子工控组态软件WINCC SP2 70英文版设计。WINCC是用于Microsoft Windows NT和Windows 2000的一种高效HMI(Human Machine Interface。人机界面)的组态工具。其自动化过程(As)保持对过程的实际控制，一方面实现WINCC和操作员之间的通讯，另一方面，实现WINCC和自动化系统之问的通讯。系统上位机由两个操作站构成，两台操作员站具有同样的功能并互为备用，当一台操作站死机，另一台操作站可完全替代它的功能。操作站设置的画面有锅炉系统流程图，分系统流程图，可形象的显示整个锅炉系统的控制过程，另外还设计有总貌画面、报警显示画面、棒图显示画面，报表打印画面、实时趋势、历史趋势画面和系统自检画面等。监控系统完成的任务如下：1参数设定：对模拟量标度变换参数的设定以与控制回路中控制参数设定。2数据监视：监视每台锅炉运行汽包水位、蒸汽压力、炉膛负压、炉膛温度、出水流量等模拟量参数以与电机转速和输出电压、电流信号的变化。数据以直接显示、趋势图和在线表格三种形式显示在图形界面上供用户查看。3数据归档：所有模拟量信号均通过变量记录编辑器进行短期归档，而对于一些重要参数(如汽包水位)和统计量(如耗煤量、蒸汽流量等)则需长期归档。4报警记录：系统中采集到的模拟量信号都必须设定上下限，当系统运行过程中模拟量发生超限报警时，报警记录编辑器记录报警时间，并提示报警信息。对于超温超压报警，必要时要停止风机和水泵等电机。5报表打印：WINCC通过报表编辑器产生趋势图、报警记录和数据记录报表等。自动记录交接班情况，记录每一班锅炉运行时间，实现实时数据记录，报警记录的打印，班（日）报、月报报表记录与打印，耗煤量、供热量、统计与打印等。4.2系统监控软件设计WINCC在组态期间，界面系统用于创建在运行系统中对过程进行显示的画面。界面系统由组态和运行期组件组成。图形编辑器是界面系统的组态组件，它用于创建画面的编辑器。图形运行系统是界面系统的运行组件，它将显示运行系统中的画面上的图片，并管理所有的输入与输出。根据项目设计的任务，本系统需要设计很多图形界面，下面是具体实现步骤：1. 启动WINCC,建立新的WINCC项目，如图4-1所示：图4-1 建立WINCC项目2. 在变量管理中右键击选择添加新的PLC驱动程序，选择支持S7协议的通信驱动程序SIMATICS7ProtocolSuite.chn添加到变量管理器如图4-2所示：图4-2 添加S7协议的通信驱动程序3.在WINCC浏览器窗口，打开“图形编辑器”，如图4-3，创建锅炉供热控制系统过程画面。图4-3 图形编辑器画面4.创建锅炉供热控制系统过程画面。完成控制对象的过程画面.组态控制对象的动态属性。如图4-4所示：图4-4 WINCC控制界面按照表4-1在WINCC上组态完毕各个楼层的外部显示装置以与控制按钮。下图是WINCC上对各个按钮的详细说明。表4-1 全部部变量与过程变量表序号变量数据类型备注1x1部变量无符号16位数B水宽12x1_1部变量无符号16位数B水高13x1_2部变量无符号16位数B水宽24x1_3部变量无符号16位数B水高25x1_4部变量无符号16位数B水宽36x1_5部变量无符号16位数B水高37x部变量无符号16位数B水宽1的x轴8x_1部变量无符号16位数B水高1的y轴9x_2部变量无符号16位数B水宽2的x轴10x_3部变量无符号16位数B水高2的y轴11xa部变量无符号16位数A水宽112xa_1部变量无符号16位数A水高113xa_2部变量无符号16位数A水宽214xa_3部变量无符号16位数A水高315xa_4部变量无符号16位数A水宽416xa_5部变量无符号16位数A水高517xa_6部变量无符号16位数出水A宽18ya部变量无符号16位数A水宽1的x轴19ya_1部变量无符号16位数A水高1的y轴20ya_3部变量无符号16位数A水高3的y轴21ya_4部变量无符号16位数A水宽4的x轴22ya_6部变量无符号16位数出水A宽的x轴23xb部变量无符号16位数出水B宽24Xb_1部变量无符号16位数出水B高25yewei部变量无符号16位数液位高26yewei_1部变量无符号16位数液位Y轴27M2.0过程变量二进制启动28M2.1过程变量二进制停止29M0.1过程变量二进制超水位限位开关30M0.2过程变量二进制低水位限位开关31M0.5过程变量二进制进水开关A32M0.6过程变量二进制出水开关A33M0.7过程变量二进制进水开关B34M1.0过程变量二进制出水开关B35A4.0过程变量二进制加热指示灯36A4.1过程变量二进制温度溢出指示灯37A4.2过程变量二进制高温报警指示38A4.3过程变量二进制低温报警指示39A4.4过程变量二进制调节器A40A4.5过程变量二进制进水阀A41A4.6过程变量二进制出水阀A42A5.0过程变量二进制运行指示灯43A5.1过程变量二进制停止运行指示灯44A5.2过程变量二进制超水位指示45A5.3过程变量二进制低水位指示46A5.4过程变量二进制调节器B47A5.5过程变量二进制进水阀B48A5.6过程变量二进制出水阀B对控制按钮的设置主要是使其能够用鼠标左键来控制，当鼠标按下时相当于对PLC相应的存区置1，所以可以在WINCC中将按钮按下时的控制信号1直接到PLC中一部存储区；WINCC中各个显示器件和按钮所需的外部变量都要与PLC中的各个存储区精确地对应起来。5 系统调试5.1 PID部分整定下面具体说明经验法的整定步骤：（1）让调节器参数的积分系数I=0，微分系数D=0，控制系统投入闭环运行，由小到大改变比例系数P，让扰动信号作阶跃变化，观察控制过程，直到获得满意的控制过程为止。（2）取比例系数P为当前的值乘以0.83，由小到大增加积分系数I，同样让扰动信号作阶跃变化，直至得到满意的控制过程。（3）积分系数I保持不变，改变比例系数P，观察控制过程有无改善，如有改善则继续调整，直到满意为止。否则，将原比例系数P增大一些，再调整积分系数I，力求改善控制过程。如此反复试凑，直到找到满意的比例系数P和积分系数I为止。（4）引入适当的微分系数D，此时可适当增大比例系数P和积分系数I。和前述步骤一样，微分系数的整定也需反复调整，直到控制过程满意为止。需要注意的是：仿真系统所采用的PID调节器与传统的工业PID调节器有所不同，其各个参数之间是相互隔离的，因而互不影响，用其观察调节规律十分方便。经验法实质上是一种试凑法，它是在生产实践中总结出来的行之有效的方法，并在现场中得到了广泛的应用。经验法简单可靠，但需要有一定的现场运行经验，整定时易带有主观片面性。当采用PID调节器时，由于有多个整定参数，反复试凑的次数增多，因此增加了得到最佳整定参数的难。5.2 WINCC界面运行调试用户程序的调试是通过过程画面来完成的。图形编辑器是用于创建过程画面并使其动态化的编辑器。图形编辑器的“对象选项板”包含了在过程画面中频繁出现使用的不同类型的对象，它包括“标准”和“控件”个选项卡。“样式选项板”允许快速更改线型、线粗细、线端样式和填充图案。下面是用WinCCV7.0配合S7-PLCSIM调试程序的步骤：1.在STEP7编程软件中生成项目，编写用户程序。2.在WINCC组态软件中生成项目，组态变量，建立和编辑反映用户程序工作过程的过程画面。3.点击STEP7的SIMATIC管理器工具条中的图标，打开S7-PLCSIM窗口，将程序下载到仿真PLC中。4.建立WINCC与S7-PLCSIM的通讯连接。5.用过程画面中的控制按钮来起停控制系统，通过观察过程画面的对象工作情况，检查用户程序是否能正确执行。变量建立好了，图形界面也做好之后，接下来就是与PLC程序连起来，调试和完善界面。这一过程是发现问题解决问题的阶段。运行之前，在资源管理器的“计算机”右击“属性”，在弹出的快捷菜单栏中选择“启动”，选择“NewPdl0.pdl”为启动画面。这样一来，当我们激活项目时将把导航界面作为启动进入的画面。点击资源管理器中的“激活”按扭或点击图形编辑器中的“运行系统”按扭，都可以达到运行图形界面的效果，所不同的是，从资源管理器中激活后运行的是我们定义好的启动画面，而从图形编辑器激活后运行的是我们当前打开的画面。按下启动按钮之后，如图5-1所示。图5-1 运行界面按下停止按钮后，如图5-2所示。图5-2 停止运行温度超过55报警指示灯亮，如图5-3。图5-3 超温报警低水位、低温报警如图5-4所示。图5-4低水位、低温报警出水阀A 流出恒温水，如图5-5。图5-5 恒温水流出以上为WINCC监控方面的设计能够基本模拟出所设计的锅炉供热系统的PLC控制系统的功能，但是在实现液位的脚本设计上还是存在一些缺陷。结 论本课题设计了基于PLC的锅炉供热控制系统。PLC（可编程控制器）以其可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、功能强大、性价比高、体积小、能耗低等显著特点广泛应用于现代工业的自动控制之中。PID闭环控制是控制系统中应用很广泛的一种控制算法，对大部分控制对象都有良好的控制效果。组态软件组态王因其简单易用的特点，在HMI设计中深受用户的喜欢而得到广泛的使用。在西门子S7-300系列PLC和组态软件WINCC的基础上，我设计出了锅炉供热控制系统，该系统达到了快、准、稳的效果，也达到了预期的目标。再加上由WINCC设计的监控界面，使整个系统操作简单，控制方便，大大提高了系统的自动化程度和实用性。该锅炉控温系统也有一些有不足的地方需要改进，编程时我们用了编程软件自带的PID指令向导模块，这样虽然方便，但是使得控制系统超调量和调节时间都稍微偏大，若不直接调用该模块，而是自己编写PID控制子程序的话，控制效果可能会更好。还有监控界面容不够丰富，若再加上报表系统、打印功能的话，那就更完美了。日后，随着对PLC硬件系统和通信方式的深入了解，还可以丰富远程控制指令，以应对运行过程中的各种突发事件，增加其他PLC，通过构建复杂的多级网络适应大型的工业控制，使该系统运行时更加稳定可靠，性能更加完善。 致 （小3号黑体，居中）本课题的研究是在我的导师老师的悉心指导下完成的，老师学识渊博、治学态度严谨、工作一丝不苟，更有诲人不倦的师者风，在此谨向老师致以诚挚的意和崇高的敬意！毕业在即，衷心感指导过我的各位老师，四年的成长离不开他们的谆谆教诲；感工学院，大学生涯是人生中的一笔宝贵财富；感08级电子与电气系辅导员郁春红，最后一年的大学生活对我们关怀备至；感相伴度过四年的舍友、感同窗四年的同学、感帮助关心过我的校友，感默默关心我支持我的朋友们，祝大家在今后的生活中幸福快乐！最后感含辛茹苦抚养我的父母，感他们多年来的支持与付出！参 考 文 献1 Gilman，GFJerryBoiler control systems engineeringPortland：Sci tech Book News，Sep20052 Tim-McCarthyBe aware of rebuilt burnerboiler controlsPortland：Barring ton Engineering，Sep20033 RahuMProcess Control EngineeringGordon and Breach Science Publisher，2005.4 ConnellBProcess Instrumentation Application Manual，New york McGrawsHill Company Inc，1996.5 王洪猛，建君，曾云等.基于PLC的过程控制系统设计与实现.自动化技术与应用，2004，23(7)6 周继明，江世明等.传感技术与应用M.：中南大学，20057 廖常初.大中型PLC应用教程M.：机械工业，20058 廖常初.PLC编程与应用.：机械工业，20099 王卓，付冬梅，德军等.锅炉汽包水位控制系统的研究.白动化仪表，第22卷第11期，200610 益霖.西门子S7-300PLC应用技术M.：电子工业，2007.411 吴波，静，向勇等.基于PLC的箱式热处理炉温度控制方法的研究与实现A.中南大学机电工院学程，200712 郝万军，胡林献等.基于专家PID的锅炉蒸汽压力控制策略.控制工程，2005年S1期13 林德杰.过程控制仪表与控制系统.机械工业，200814 柴瑞娟，海霞.西门子PLC编程技术与工程应用.机械工业，200615 宇，鸣，汤志彪，红星.基于S7一300PLC的电加热器模糊控制编程实现.大学学报，2005，27(4)附录1：T型图OB1：OB100:附录B：脚本B水宽1:BOOL a;int X;X=GetTagWord(x1);a=GetTagBit(进水阀B);/Return-Type: BOOL if (a)X=X+5;if(X80)X=80;SetTagWord(x1,X);return X;B水高1:int a;int b;a=GetTagWord(x1);b=GetTagWord(x1_1);/Return-Type: WORD if (a=80)b=b+5;if(b180)b=180;SetTagWord(x1_1,b);return b;B水宽2:int a;int b;a=GetTagWord(x1_1);b=GetTagWord(x1_2);/Return-Type: WORD if (a=180)b=b+5;if(b350)b=350;SetTagWord(x1_2,b);return 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