1、山東輕工業(yè)學院2010屆本科生畢業(yè)設計(論文)河南職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文）題 目 plc的鍋爐溫度控制系統 目 錄摘 要11.1課題背景11.2項目內容2第二章 plc和組態(tài)軟件32.1可編程控制器基礎32.1.1可編程控制器的產生和應用32.1.2可編程控制器的組成和工作原理32.1.3可編程控制器的分類及特點52.2組態(tài)軟件的基礎62.2.1組態(tài)的定義62.2.2組態(tài)王軟件的特點和仿真的的基本方法6第三章 plc控制系統的硬件設計73.1 plc控制系統設計的基本原則和步驟73.1.1 plc控制系統設計的基本原則73.1.2 plc控制系統設計的一般步驟73.1.3 plc程序設計的

2、一般步驟83.2 plc的選型和硬件配置93.2.1 plc型號的選擇93.2.2 s7-200cpu的選擇93.2.3 em235模擬量輸入/輸出模塊103.2.4 熱電式傳感器103.2.5 可控硅加熱裝置簡介103.3 系統整體設計方案和電氣連接圖113.4 plc控制器的設計113.4.1 控制系統數學模型的建立113.4.2 pid控制及參數整定12第四章 plc控制系統的軟件設計144.1 plc程序設計的方法154.2 編程軟件step7-micro/win 概述 154.2.1 step7-micro/win 簡單介紹154.2.2 計算機與plc的通信164.3 程序設計16

3、4.3.1程序設計思路164.3.2 pid指令向導164.3.3 控制程序及分析17第五章 組態(tài)畫面的設計215.1組態(tài)變量的建立及設備連接215.1.1新建項目215.2創(chuàng)建組態(tài)畫面和主畫面225.2.2新建pid參數設定窗口235.2.3新建實時曲線235.2.5新建報警窗口24第六章 系統測試256.1啟動組態(tài)王 266.2實時曲線觀察 266.3查看數據報表276.4系統穩(wěn)定性測試28結束語 29參考文獻30基于plc的鍋爐溫度控制系統摘 要從上世紀80年代至90年代中期，plc得到了快速的發(fā)展，在這時期，plc在處理模擬量能力、數字運算能力、人機接口能力和網絡能力得到大幅度提高，p

4、lc逐漸進入過程控制領域，在某些應用上取代了在過程控制領域處于統治地位的dcs系統。plc具有通用性強、使用方便、適應面廣、可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單等特點。plc在工業(yè)自動化控制特別是順序控制中的地位，在可預見的將來，是無法取代的。本文介紹了以鍋爐為被控對象，以鍋爐出口水溫為主被控參數，以爐膛內水溫為副被控參數，以加熱爐電阻絲電壓為控制參數，以plc為控制器，構成鍋爐溫度串級控制系統；采用pid算法，運用plc梯形圖編程語言進行編程，實現鍋爐溫度的自動控制。 電熱鍋爐的應用領域相當廣泛，在相當多的領域里，電熱鍋爐的性能優(yōu)劣決定了產品的質量好壞。目前電熱鍋爐的控制系統大都采用以微處理器為

5、核心的計算機控制技術，既提高設備的自動化程度又提高設備的控制精度。 本文分別就電熱鍋爐的控制系統工作原理，溫度變送器的選型、plc配置、組態(tài)軟件程序設計等幾方面進行闡述。通過改造電熱鍋爐的控制系統具有響應快、穩(wěn)定性好、可靠性高,控制精度好等特點，對工業(yè)控制有現實意義。關鍵詞：電熱鍋爐的控制系統 溫度控制 串級控制 plc pid 1.1課題背景電熱鍋爐的應用領域相當廣泛，電熱鍋爐的性能優(yōu)劣決定了產品的質量好壞。目前電熱鍋爐的控制系統大都采用以微處理器為核心的計算機控制技術，既提高設備的自動化程度又提高設備的控制精度。plc的快速發(fā)展發(fā)生在上世紀80年代至90年代中期。在這時期，plc在處理模擬

6、量能力、數字運算能力、人機接口能力和網絡能力得到了很大的提高和發(fā)展。plc逐漸進入過程控制領域，在某些應用上取代了在過程控制領域處于統治地位的dcs系統。plc具有通用性強、使用方便、適應面廣、可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單等特點。4 電熱鍋爐是機電一體化的產品，可將電能直接轉化成熱能，具有效率高，體積小，無污染，運行安全可靠，供熱穩(wěn)定，自動化程度高的優(yōu)點，是理想的節(jié)能環(huán)保的供暖設備。加上目前人們的環(huán)保意識的提高，電熱鍋爐越來越受人們的重視，在工業(yè)生產和民用生活用水中應用越來越普及。電熱鍋爐目前主要用于供暖和提供生活用水。主要是控制水的溫度，保證恒溫供水。pid控制是迄今為止最通用的控制方法

7、之一。因為其可靠性高、算法簡單、魯棒性好，所以被廣泛應用于過程控制中,尤其適用于可建立精確數學模型的確定性系統。pid控制的效果完全取決于其四個參數,即采樣周期ts、比例系數 kp、積分系數ki、微分系數kd。因而,pid參數的整定與優(yōu)化一直是自動控制領域研究的重要課題。pid在工業(yè)過程控制中的應用已有近百年的歷史，在此期間雖然有許多控制算法問世,但由于pid算法以它自身的特點，再加上人們在長期使用中積累了豐富經驗，使之在工業(yè)控制中得到廣泛應用。在pid算法中，針對p、i、d三個參數的整定和優(yōu)化的問題成為關鍵問題。51.2項目內容以鍋爐為被控對象，以鍋爐出口水溫為主被控參數，以爐膛內水溫為副被

8、控參數，以加熱爐電阻絲電壓為控制參數，以plc為控制器，構成鍋爐溫度串級控制系統；采用pid算法，運用plc梯形圖編程語言進行編程，實現鍋爐溫度的自動控制。可編程邏輯控制器（plc)是集計算機技術、自動控制技術和通信技術為一體的新型自動控制裝置。其性能優(yōu)越，已被廣泛的應用于工業(yè)控制的各個領域，并已經成為工業(yè)自動化的三大支柱（plc、工業(yè)機器人、cad/cam）之一。plc技術在溫度監(jiān)控系統上的應用從整體上分析和研究了控制系統的硬件配置、電路圖的設計、程序設計，控制對象數學模型的建立、控制算法的選擇和參數的整定、人機界面的設計等。論文通過對德國西門子公司的s7-200系列plc控制器，溫度傳感器

9、將檢測到的實際爐溫轉化為電壓信號，經過模擬量輸入模塊轉換成數字信號送到plc中進行pid調節(jié)，pid控制器輸出轉化為0-10ma的電流信號輸入控制可控硅電壓調整器或觸發(fā)板改變可控硅管導通角的大小來調節(jié)輸出功率。對于監(jiān)控畫面，利用亞控公司的組態(tài)軟件“組態(tài)王“串級系統是由調節(jié)器串聯起來工作，其中一個調節(jié)器的輸出作為另一個調節(jié)器的給定值的系統。整個系統包括兩個控制回路，主回路和副回路。副回路由副變量檢測變送、副調節(jié)器、調節(jié)閥和副過程構成；主回路由主變量檢測變送、主調節(jié)器、副調節(jié)器、調節(jié)閥、副過程和主過程構成。一次擾動：作用在主被控過程上的，而不包括在副回路范圍內的擾動。二次擾動：作用在副被控過程上的

10、，即包括在副回路范圍內的擾動。在串級控制系統中，由于引入了一個副回路，不僅能及早克服進入副回路的擾動，而且又能改善過程特性。副調節(jié)器具有“粗調”的作用，主調節(jié)器具有“細調”的作用，從而使其控制品質得到進一步提高。7二 plc和組態(tài)軟件 可編程控制器是是一種工業(yè)控制計算機，簡稱plc（programmable logic controller),它使用可編程序的記憶以存儲指令，用來執(zhí)行邏輯、順序、計時、計數、和演算等功能，并通過數字或模擬的輸入輸出，以控制各種機械或生產過程。2.1.1可編程控制器的產生和應用1969年美國數字設備公司成功研制世界第一臺可編程序控制器pdp-14，并在gm公司的汽

11、車自動裝配線上首次使用并獲得成功。1971年日本從美國引進這項技術，很快研制出第一臺可編程序控制器dsc-18。1973年西歐國家也研制出他們的第一臺可編程控制器。我國從1974年開始研制，1977年開始工業(yè)推廣應用。進入20世紀70年代，隨著電子技術的發(fā)展，尤其是plc采用通訊微處理器之后，這種控制器功能得到更進一步增強。進入20世紀80年代，隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路等微電子技術的迅猛發(fā)展，以16位和少數32位微處理器構成的微機化plc，使plc的功能增強，工作速度快，體積減小，可靠性提高，成本下降，編程和故障檢測更為靈活，方便。目前，plc在國內外已廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建

12、材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)。2.1.2可編程控制器的組成和工作原理可編程控制器的組成:plc包括cpu模塊、i/o模塊、內存、電源模塊、底板或機架。1cpucpu是plc的核心，它按plc的系統程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數據，用掃描的方式采集由現場輸入裝置送來的狀態(tài)或數據，并存入規(guī)定的寄存器中，同時，診斷電源和plc內部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤等。cpu主要由運算器、控制器、寄存器及實現它們之間聯系的數據、控制及狀態(tài)總線構成，cpu單元還包括外圍芯片、總線接口及有關電路。內存主要用于存儲程序及數據，是plc不可缺少的組成單元。cpu速度和內

13、存容量是plc的重要參數，它們決定著plc的工作速度，io數量及軟件容量等，因此限制著控制規(guī)模。 2.i/o模塊plc與電氣回路的接口，是通過輸入輸出部分（i/o）完成的。i/o模塊集成了plc的i/o電路，其輸入暫存器反映輸入信號狀態(tài)，輸出點反映輸出鎖存器狀態(tài)。輸入模塊將電信號變換成數字信號進入plc系統，輸出模塊相反。i/o分為開關量輸入（di），開關量輸出（do），模擬量輸入（ai），模擬量輸出（ao）等模塊。 3.編程器編程器的作用是用來供用戶進行程序的輸入、編輯、調試和監(jiān)視的。4.電源plc電源用于為plc各模塊的集成電路提供工作電源。同時，有的還為輸入電路提供24v的工作電源。電源

14、輸入類型有：交流電源（220vac或110vac），直流電源（常用的為24vdc）。6 可編程控制器的工作原理:plc的工作方式是一個不斷循環(huán)的順序掃描工作方式。每一次掃描所用的時間稱為掃描周期或工作周期。 cpu 從第一條指令開始，按順序逐條地執(zhí)行用戶程序直到用戶程序結束，然后返回第一條指令開始新的一輪掃描。 plc 就是這樣周而復始地重復上述循環(huán)掃描的。plc工作的全過程可用圖 2-1 所示的運行框圖來表示。 圖 2-1 可編程控制器運行框圖2.1.3可編程控制器的分類及特點(一)小型plc小型plc 的i/o 點數一般在128 點以下，其特點是體積小、結構緊湊，整個硬件融為一體，除了開關

15、量i/o以外，還可以連接模擬量i/o 以及其他各種特殊功能模塊。它能執(zhí)行包括邏輯運算、計時、計數、算術、運算數據處理和傳送通訊聯網以及各種應用指令。(二)中型plc中型plc 采用模塊化結構，其i/o 點數一般在2561024 點之間，i/o 的處理方式除了采用一般plc 通用的掃描處理方式外，還能采用直接處理方式即在掃描用戶程序的過程中直接讀輸入刷新輸出，它能聯接各種特殊功能模塊，通訊聯網功能更強，指令系統更豐富，內存容量更大，掃描速度更快。(三)大型plc一般i/o 點數在1024 點以上的稱為大型plc，大型plc 的軟硬件功能極強，具有極強的自診斷功能、通訊聯網功能強，有各種通訊聯網的

16、模塊可以構成三級通訊網實現工廠生產管理自動化，大型plc 還可以采用冗余或三cpu 構成表決式系統使機器的可靠性更高2.2.1組態(tài)的定義組態(tài)就是用應用軟件中提供的工具、方法，完成工程中某一具體任務的過程。組態(tài)軟件是有專業(yè)性的，一種組態(tài)軟件只能適合某種領域的應用。組態(tài)的概念最早出現在工業(yè)計算機控制中，如dcs(集散控制系統)組態(tài)，plc梯形圖組態(tài)。人機界面生成軟件就叫工控組態(tài)軟件。工業(yè)控制中形成的組態(tài)結果是用在實時監(jiān)控的。從表面上看，組態(tài)工具的運行程序就是執(zhí)行自己特定的任務。 工控組態(tài)軟件也提供了編程手段，一般都是內置編譯系統，提供類basic語言，有的支持vb，現在有的組態(tài)軟件甚至支持c#高級

17、語言。在當今工控領域，一些常用的大型組態(tài)軟件主要有：abb-optimax，wincc，ifix，intouch，組態(tài)王，力控，易控，mcgs等。本設計采用亞控的組態(tài)王軟件進行組態(tài)的設計。2.2.2組態(tài)王軟件的特點 組態(tài)王軟件具有適應性強、開放性好、易于擴展、經濟、開發(fā)周期短等優(yōu)點。通常可以把這樣的系統劃分為控制層、監(jiān)控層、管理層三個層次結構。其中監(jiān)控層對下連接控制層，對上連接管理層，它不但實現對現場的實時監(jiān)測與控制，且在自動控制系統中完成上傳下達、組態(tài)開發(fā)的重要作用。尤其考慮三方面問題：畫面、數據、動畫。通過對監(jiān)控系統要求及實現功能的分析，采用組態(tài)王對監(jiān)控系統進行設計。組態(tài)軟件也為試驗者提供

18、了可視化監(jiān)控畫面，有利于試驗者實時現場監(jiān)控。而且，它能充分利用windows的圖形編輯功能，方便地構成監(jiān)控畫面，并以動畫方式顯示控制設備的狀態(tài)，具有報警窗口、實時趨勢曲線等，可便利的生成各種報表。它還具有豐富的設備驅動程序和靈活的組態(tài)方式、數據鏈接功能8。2.2.3組態(tài)王軟件仿真的基本方法(1)圖形界面的設計 圖形,是用抽象的圖形畫面來模擬實際的工業(yè)現場和相應的工控設備。 (2) 構造數據庫 數據,就是創(chuàng)建一個具體的數據庫,并用此數據庫中的變量描述工控對象的各種屬性,比如水位、流量等。(3) 建立動畫連接 連接,就是畫面上的圖素以怎樣的動畫來模擬現場設備的運行,以及怎樣讓操作者輸入控制設備的指

19、令。(4) 運行和調試三 plc控制系統的硬件設計 3.1 plc控制系統設計的基本原則和步驟 3.1.1 plc控制系統設計的基本原則1充分發(fā)揮plc功能，最大限度地滿足被控對象的控制要求。2在滿足控制要求的前提下，力求使控制系統簡單、經濟、使用及維修方便。3保證控制系統安全可靠。4應考慮生產的發(fā)展和工藝的改進，在選擇plc的型號、io點數和存儲器容量等內容時，應留有適當的余量，以利于系統的調整和擴充。 3.1.2 plc控制系統設計的一般步驟 設計plc應用系統時，首先是進行plc應用系統的功能設計，即根據被控對象的功能和工藝要求，明確系統必須要做的工作和因此必備的條件。然后是進行plc應

20、用系統的功能分析，即通過分析系統功能，提出plc控制系統的結構形式，控制信號的種類、數量，系統的規(guī)模、布局。最后根據系統分析的結果，具體的確定plc的機型和系統的具體配置。plc控制系統設計可以按以下步驟進行：1熟悉被控對象，制定控制方案 分析被控對象的工藝過程及工作特點，了解被控對象機、電、液之間的配合，確定被控對象對 plc控制系統的控制要求。2確定io設備 根據系統的控制要求，確定用戶所需的輸入(如按鈕、行程開關、選擇開關等)和輸出設備(如接觸器、電磁閥、信號指示燈等)由此確定plc的io點數。3選擇plc 選擇時主要包括plc機型、容量、io模塊、電源的選擇。4分配plc的io地址 根

21、據生產設備現場需要，確定控制按鈕，選擇開關、接觸器、電磁閥、信號指示燈等各種輸入輸出設備的型號、規(guī)格、數量；根據所選的plc的型號列出輸入輸出設備與plc輸入輸出端子的對照表，以便繪制plc外部io接線圖和編制程序。5設計軟件及硬件進行plc程序設計，進行控制柜（臺）等硬件的設計及現場施工。由于程序與硬件設計可同時進行，因此，plc控制系統的設計周期可大大縮短，而對于繼電器系統必須先設計出全部的電氣控制線路后才能進行施工設計。6聯機調試 聯機調試是指將模擬調試通過的程序進行在線統調。3.1.3 plc程序設計的一般步驟1繪制系統的功能圖。2設計梯形圖程序。3根據梯形圖編寫指令表程序。4對程序進

22、行模擬調試及修改，直到滿足控制要求為止。調試過程中，可采用分段調試的方法，并利用編程器的監(jiān)控功能。plc控制系統的設計步驟可參考圖 3-1 ： 圖 3-1 plc控制系統的設計步驟3.2 plc的選型和硬件配置3.2.1 plc型號的選擇本溫度控制系統采用德國西門子s7-200 plc。s7-200 是一種小型的可編程序控制器，適用于各行各業(yè)，各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動化。s7-200系列的強大功能使其無論在獨立運行中，或相連成網絡皆能實現復雜控制功能。因此s7-200系列具有極高的性能/價格比。3.2.2 s7-200 cpu的選擇s7-200 系列的plc有cpu221、cpu22

23、2、cpu224、cpu226等類型。此系統選用的s7-200 cpu226,cpu 226集成24輸入/16輸出共40個數字量i/o 點。可連接7個擴展模塊，最大擴展至248路數字量i/o 點或35路模擬量i/o 點。13k字節(jié)程序和數據存儲空間。6個獨立的30khz高速計數器，2路獨立的20khz高速脈沖輸出，具有pid控制器。2個rs485通訊/編程口，具有ppi通訊協議、mpi通訊協議和自由方式通訊能力。i/o端子排可很容易地整體拆卸。3.2.3 em235 模擬量輸入/輸出模塊在溫度控制系統中，傳感器將檢測到的溫度轉換成4-20ma的電流信號，系統需要配置模擬量的輸入模塊把電流信號轉

24、換成數字信號再送入plc中進行處理。在這里我們選擇西門子的em235 模擬量輸入/輸出模塊。em235 模塊具有4路模擬量輸入/一路模擬量的輸出。它允許s7-200連接微小的模擬量信號，80mv范圍。用戶必須用dip開關來選擇熱電偶的類型，斷線檢查，測量單位，冷端補償和開路故障方向：sw1sw3用于選擇熱電偶的類型，sw4沒有使用，sw5用于選擇斷線檢測方向，sw6用于選擇是否進行斷線檢測，sw7用于選擇測量方向，sw8用于選擇是否進行冷端補償。所有連到模塊上的熱電偶必須是相同類型。3.2.4 熱電式傳感器熱電式傳感器是一種將溫度變化轉化為電量變化的裝置。在各種熱電式傳感器中，以將溫度量轉換為

25、電勢和電阻的方法最為普遍。其中最為常用于測量溫度的是熱電偶和熱電阻，熱電偶是將溫度轉化為電勢變化，而熱電阻是將溫度變化轉化為電阻的變化。這兩種熱電式傳感器目前在工業(yè)生產中被廣泛應用。該系統需要的傳感器是將溫度轉化為電流，且水溫最高是100，所以選擇pt100鉑熱電阻傳感器。p100鉑熱電阻，簡稱為：pt100鉑電阻，其阻值會隨著溫度的變化而改變。pt后的100即表示它在0時阻值為100歐姆，在100時它的阻值約為138.5歐姆。它的工作原理：當pt100在0攝氏度的時候他的阻值為100歐姆，它的的阻值會隨著溫度上升它的阻值成勻速增長3。 3.2.5 可控硅加熱裝置簡介對于要求保持恒溫控制而不要

26、溫度記錄的電阻爐采用帶pid調節(jié)的數字式溫度顯示調節(jié)儀顯示和調節(jié)溫度，輸出010ma作為直流信號輸入控制可控硅電壓調整器或觸發(fā)板改變可控硅管導通角的大小來調節(jié)輸出功率，完全可以滿足要求，投入成本低，操作方便直觀并且容易維護。溫度測量與控制是熱電偶采集信號通過pid溫度調節(jié)器測量和輸出010ma或420ma控制觸發(fā)板控制可控硅導通角的大小，從而控制主回路加熱元件電流大小，使電阻爐保持在設定的溫度工作狀態(tài)。可控硅溫度控制器由主回路和控制回路組成。主回路是由可控硅，過電流保護快速熔斷器、過電壓保護rc和電阻爐的加熱元件等部分組成。3.3 系統整體設計方案和電氣連接圖系統選用了plc cpu 226為

27、控制器，pt100型熱電阻將檢測到的實際鍋爐水溫轉化為電流信號，經過em231模擬量輸入模塊轉化成數字量信號并送到plc中進行pid調節(jié)，pid控制器輸出轉化為010ma的電流信號輸入控制可控硅電壓調整器或觸發(fā)板改變可控硅管導通角的大小來調節(jié)輸出功率，從而調節(jié)電熱絲的加熱。plc和組態(tài)王連接，實現了系統的實時監(jiān)控。整體設計方案如圖3-3:em235 鍋 爐pt100 p l c計算機 可控硅圖3-3 整體設計方案tt1tt2 24v 系統硬件連線圖如圖 3-4:ra a+ a- rb b+ b- rc c+ c- rd d+ d- em235 輸入m 1l+ q0.0-q0.7 2m 2l+

28、q1.0-q1.7 m l +dc cpu 226 com1 com2 輸出 mo vo iom l+ 1m i0.0 - i1.4 2m i1.5-i2.7 m l+電源 負 載 載 圖 3-4 系統硬件連線圖3.4 plc控制器的設計控制器的設計是整個控制系統設計中最重要的一步。首先要根據受控對象的數學模型和它的各特性以及設計要求，確定控制器的結構以及和受控對象的連接方式。最后根據所要求的性能指標確定控制器的參數值。3.4.1 控制系統數學模型的建立 在本控制系統中，tt1(出口溫度傳感器)將檢測到的出口水溫度信號轉化為電流信號送入em235模塊的a路，tt2(爐膛溫度傳感器)將檢測到的出

29、口水溫度信號轉化為電流信號送入em235模塊的b路。兩路模擬信號經過em235轉化為數字信號送入plc，plc再通過pid模塊進行pid調節(jié)控制。具體流程在第四章程序編寫的時候具體論述。由plc的串級控制系統框圖如圖 3-5： 主調節(jié)器爐膛可控硅鍋爐出口副調節(jié)器副變送器主變送器如圖3-5 串級控制系統框圖 3.4.2 pid控制及參數整定 1.pid控制器的組成pid控制器由比例單元（p）、積分單元（i）和微分單元（d）組成。其數學表達式為： 公式（3-1）error! no bookmark name given.(1) 比例系數kc對系統性能的影響：比例系數加大，使系統的動作靈敏，速度加快

30、，穩(wěn)態(tài)誤差減小。c偏大，振蕩次數加多，調節(jié)時間加長。c太大時，系統會趨于不穩(wěn)定。c太小，又會使系統的動作緩慢。c可以選負數，這主要是由執(zhí)行機構、傳感器以控制對象的特性決定的。如果c的符號選擇不當對象狀態(tài)(pv值)就會離控制目標的狀態(tài)(sv值)越來越遠，如果出現這樣的情況c的符號就一定要取反。 error! no bookmark name given.(2) 積分控制i對系統性能的影響：積分作用使系統的穩(wěn)定性下降，i小（積分作用強）會使系統不穩(wěn)定，但能消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統的控制精度。 error! no bookmark name given.(3) 微分控制d對系統性能的影響：微分作用可以

31、改善動態(tài)特性，d偏大時，超調量較大，調節(jié)時間較短。d偏小時，超調量也較大，調節(jié)時間也較長。只有d合適，才能使超調量較小，減短調節(jié)時間。 2.主、副回路控制規(guī)律的選擇 采用串級控制，所以有主副調節(jié)器之分。主調節(jié)器起定值控制作用，副調節(jié)器起隨動控制作用，這是選擇規(guī)律的基本出發(fā)點。主參數是工藝操作的重要指標，允許波動的范圍較小，一般要求無余差，因此，主調節(jié)器一般選pi或pid控制，副參數的設置是為了保證主參數的控制質量，可允許在一定范圍內變化，允許有余差，因此副調節(jié)器只要選p控制規(guī)律就可以。在本控制系統中，我們將鍋爐出口水溫度作為主參數，爐膛溫度為副參數。主控制采用pi控制，副控制器采用p控制。3.

32、主、副調節(jié)器正、反作用方式的確定副調節(jié)器作用方式的確定： 首先確定調節(jié)閥，出于生產工藝安全考慮，可控硅輸出電壓應選用氣開式，這樣保證當系統出現故障使調節(jié)閥損壞而處于全關狀態(tài)，防止燃料進入加熱爐，確保設備安全，調節(jié)閥的 kv 0 。然后確定副被控過程的k02，當調節(jié)閥開度增大，電壓增大，爐膛水溫度上升，所以 k02 0 。最后確定副調節(jié)器，為保證副回路是負反饋，各環(huán)節(jié)放大系數(即增益)乘積必須為負，所以副調節(jié)器 k 2 0。為保證主回路為負反饋，各環(huán)節(jié)放大系數乘積必須為負，所以主調節(jié)器的放大系數 k1 0，主調節(jié)器作用方式為反作用方式7。4.采樣周期的分析采樣周期ts越小，采樣值就越能反應溫度的

33、變化情況。但是，ts太小就會增加cpu的運算工作量，相鄰的兩次采樣值幾乎沒什么變化，將是pid控制器輸出的微分部分接近于0，所以不應使采樣時間太小。，確定采樣周期時，應保證被控量迅速變化時，能用足夠多的采樣點，以保證不會因采樣點過稀而丟失被采集的模擬量中的重要信息。因為本系統是溫度控制系統，溫度具有延遲特性的慣性環(huán)節(jié)，所以采樣時間不能太短，一般是15s20s，本系統采樣17s 經過上述的分析，該溫度控制系統就已經基本確定了，在系統投運之前還要進行控制器的參數整定。常用的整定方法可歸納為兩大類，即理論計算整定法和工程整定法。 理論計算整定法是在已知被控對象的數學模型的基礎上，根據選取的質量指標，

34、經過理論的計算（微分方程、根軌跡、頻率法等），求得最佳的整定參數。這類方法比較復雜，工作量大，而且用于分析法或實驗測定法求得的對象數學模型只能近似的反映過程的動態(tài)特征，整定的結果精度不是很高，因此未在工程上受到廣泛的應用。 對于工程整定法，工程人員無需知道對象的數學模型，無需具備理論計算所學的理論知識，就可以在控制系統中直接進行整定，因而簡單、實用，在實際工程中被廣泛的應用常用的工程整定法有經驗整定法、臨界比例度法、衰減曲線法、自整定法等。在這里，我們采用經驗整定法整定控制器的參數值。整定步驟為“先比例，再積分，最后微分”。（1）整定比例控制 將比例控制作用由小變到大，觀察各次響應，直至得到反

35、應快、超調小的響應曲線。（2）整定積分環(huán)節(jié) 若在比例控制下穩(wěn)態(tài)誤差不能滿足要求，需加入積分控制。先將步驟（1）中選擇的比例系數減小為原來的5080，再將積分時間置一個較大值，觀測響應曲線。然后減小積分時間，加大積分作用，并相應調整比例系數，反復試湊至得到較滿意的響應，確定比例和積分的參數。（3）整定微分環(huán)節(jié)若經過步驟（2），pi控制只能消除穩(wěn)態(tài)誤差，而動態(tài)過程不能令人滿意，則應加入微分控制，構成pid控制。先置微分時間td=0，逐漸加大td，同時相應地改變比例系數和積分時間，反復試湊至獲得滿意的控制效果和pid控制參數。 第四章 plc控制系統的軟件設計 plc控制系統的設計主要包括硬件設計和

36、軟件設計兩部分本在硬件基礎上，詳細介紹本項目的軟件設計，主要包括軟件設計的基本步驟、方法、編程軟件step7-micro/win的介紹以及本項目的程序設計。 4.1 plc程序設計的方法plc程序設計常用的方法：主要有經驗設計法、繼電器控制電路轉換為梯形圖法、順序控制設計法、邏輯設計法等。1.經驗設計法：經驗設計法即在一些典型的控制電路程序的基礎上，根據被控制對象的具體要求，進行選擇組合，并多次反復調試和修改梯形圖，有時需增加一些輔助觸點和中間編程環(huán)節(jié)，才能達到控制要求。這種方法沒有規(guī)律可遵循，設計所用的時間和設計質量與設計者的經驗有很大的關系，故稱為經驗設計法。 2.繼電器控制電路轉換為梯形

37、圖法：用plc的外部硬件接線和梯形圖軟件來實現繼電器控制系統的功能。3.順序控制設計法：根據功能流程圖，以步為核心，從起始步開始一步一步地設計下去，直至完成。此法的關鍵是畫出功能流程圖。4. 邏輯設計法：通過中間量把輸入和輸出聯系起來。實際上就找到輸出和輸入的關系，完成設計任務。 4.2 編程軟件step7-micro/win 概述 step7-micro/win 編程軟件是基于windows的應用軟件，由西門子公司專為s7-200系列可編程控制器設計開發(fā)，它功能強大，主要為用戶開發(fā)控制程序使用，同時也可以實時監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行狀態(tài)。 4.2.1 step7-micro/win 簡單介紹 以

38、step7-micro/win創(chuàng)建程序，為接通step7-micro/win，可雙擊step7 -micro/win的圖標，如圖4-1所示，step7-micro/win項目窗口將提供用于創(chuàng)建程序的工作空間。瀏覽條給出了多組按鈕，用于訪問step7-micro/win的不同編程特性。指令樹將顯示用于創(chuàng)建控制程序的所有項目對象指令。程序編輯器包括程序邏輯和局部變量表，可在其中分配臨時局部變量的符號名。子程序和中斷程序在程序編輯器窗口的的底部按標簽顯示。圖 4-1 step7-micro/win項目窗口本項目中我們利用 step7-micro/win v4.0 sp5編程軟件，其界面如圖4-1所示

39、。項目包括的基本組件：程序塊、數據塊、系統塊、符號表、狀態(tài)表、交叉引用表。 4.2.2 計算機與plc的通信 在step7-micro/win 中雙擊指令樹中的“通信”圖標，或執(zhí)行菜單命令的“查看”/“組件”/“通信”，將出現“通信”對話框,見圖4-2。在將新的設置下載到s7-200之前，應設置遠程站的地址，是它與s7-200的地址。雙擊“通信”對話框中“雙擊刷新”旁邊的藍色箭頭組成的圖標，編程軟件將會自動搜索連接在網絡上的s7-200，并用圖標顯示搜索到的s7-200。4.3 程序設計4.3.1 程序設計思路plc運行時，通過特殊繼電器sm0.0產生初始化脈沖進行初始化，將溫度設定值，pid

40、參數值等存入數據寄存器，隨后系統開始溫度采樣，采樣周期是17秒，tt1(出口水溫溫度傳感器)將采集到的出口水溫度信號轉換為電流信號，電流信號在通過aiw0進入plc，作為主回路的反饋值，經過主控制器（pid0）的pi運算產生輸出信號，作為副回路的給定值。tt2(爐膛水溫傳感器)將采集到的爐膛水溫度信號轉換為電流信號，電流信號在通過aiw2進入plc，作為副回路的反饋值，經過副控制器（pid1）的p運算產生輸出的信號,由aqw0輸出，輸出的4-20ma電流信號控制可控硅的導通角，從而控制電熱絲的電壓，完成對溫度的控制。4.3.2 pid指令向導 編寫pid控制程序時，首先要把過程變量（pv）轉化

41、為0.00-1.00之間的標準實數。pid運算結束之后，需要把回路輸出（0.00-1.00之間的標準化實數）轉換為可以送給模擬量輸出模塊的整數。 圖4-3 pid初始化指令 如圖4-3,pv_i是模擬量輸入模塊提供的反饋值的地址，setpoint_r是以百分比為單位的實數給定值（sp）,output是pid控制器的int型的輸出地址。highalarm和lowalarm分別是超過上限和下限的報警信號輸出，moduleerr 是模擬量模塊的故障輸出信號。4.3.3 控制程序及分析 因為由aiw0和aiw2輸入的是6400-32000的數字量，所以要轉換為實際的溫度要進行運算，運算公式為： 公式（

42、4-1） 其中，t為實際溫度，d為aiwo和aiw2輸入的數字量。 plc的內存地址分配見 表4-1 地址說明vd250鍋爐出口水溫度存放地址vd260爐膛水溫存放地址vd270主控制器pid輸出存放地址vd300目標設定溫度存放地址vd304主控制器kc存放地址vd308主控制器ti存放地址vd312主控制器td存放地址vd320副調節(jié)器kc存放地址表 4-1 內存地址分配 pid指令表見表4-2： 地址名稱說明vd0主調節(jié)器過程變量（pvn）必須在0.01.0之間vd4主調節(jié)器給定值（spn）必須在0.01.0之間vd8主調節(jié)器輸出值（mn）必須在0.01.0之間vd12主調節(jié)器增益（kc

43、）比例常數，可正可負vd16主調節(jié)器采樣時間（ts）單位為s，必須是正數vd20主調節(jié)器積分時間（ti）單位為min，必須是正數vd24主調節(jié)器微分時間（td）單位為min，必須是正數vd120副調節(jié)器過程變量（pvn）必須在0.01.0之間vd124副調節(jié)器給定值（spn）必須在0.01.0之間vd128副調節(jié)器輸出值（mn）必須在0.01.0之間vd132副調節(jié)器增益（kc）比例常數，可正可負vd136副調節(jié)器采樣時間（ts）單位為s，必須是正數vd140副調節(jié)器積分時間（ti）單位為min，必須是正數vd144副調節(jié)器微分時間（td）單位為min，必須是正數表4-2 pid指令回路表控制

44、程序如圖4-14圖4-所示 ：主程序：圖4-14 控制程序1主調節(jié)器程序：圖4-15 控制程序2圖4-16 控制程序3圖4-17 控制程序4副調節(jié)器程序： 圖4-18 控制程序5圖4-19 控制程序6圖4-20控制程序7第五章 組態(tài)畫面的設計本章詳細的講解一個組態(tài)系統的建立和設計。5.1 組態(tài)變量的建立及設備連接5.1.1 新建項目 雙擊組態(tài)王的快捷方式，出現組態(tài)王的工程管理器窗口，雙擊新建按扭，按照彈出的建立向導，填寫工程名稱。然后打開剛建立的工程。進入組態(tài)畫面的設計1.新建畫面進入工程管理器后，在畫面右方雙擊“先建”，新建畫面，并設置畫面屬性，圖5-2所示：圖5-2 畫面新建2.新建設備

45、因為組態(tài)畫面要與西門子s7-200 plc連接之后才能使用，所以要新建s7-200的連接43.新建變量要實現組態(tài)王對s7-200的在線監(jiān)控，就先必須建立兩者之間的聯系，那就需要建立兩者間的數據變量。基本類型的變量可以分為“內存變量”和i/o變量兩類。內存變量是組態(tài)王內部的變量，不跟被監(jiān)控的設備進行交換。而i/o變量是兩者之間互相交換數據的橋梁，s7-200和組態(tài)王的數據交換是雙向的5.2 創(chuàng)建組態(tài)畫面5.2.1 新建主畫面 如圖 5-9所示，高溫報警用來顯示當溫度高于95c的時候，等會變紅閃爍，加熱爐上的指示燈用來指示加熱爐的加熱狀態(tài)。 圖5-9 控制系統主畫面5.2.2 新建pid參數設定窗口圖5-10 pid參數設定窗口 如圖5-10所示，pid參數設定窗口，用來設定主控制器和副控制器的pid參數值，可與pid參數的整定。5.2.3新建實時曲線實時趨勢曲線可在工具箱中雙擊后在畫面直接獲得。實時趨勢曲線隨時間變化自動卷動，可快速反應變量的新變化。如圖5-12所示: 圖5-12 實時曲線窗口5.2.4 新建報警窗口在工具箱中選用報警窗口工具，在面板