1、 1 PLC構成及WinCC的組態 采用WinCC組態技術設計多機聯網運行的實時監控系統，核心思想是通過計算機超強的處理能力，以軟件實現實際生產過程變化，把傳統控制中進行人工操作或數據分析與處理、數據輸出與表達的硬件，利用方便的PC機軟硬件代替。 建立WinCC組態監控系統。首先啟動WinCC，建立一個單用戶項目添加通訊驅動程序選擇通道單元輸入邏輯連接名，確定與S7300端口的通訊連接。然后在驅動程序連接下建立結構類型和元素，給過程變量分配一個在PLC中的對應地址（地址類型與通訊對象相關），給除二進制變量外的過程變量和內部變量設定上限值和下限值（當過程值超出上限值和下限值的范圍時，數值將變為灰

2、色，并且不可以再對其進行任何處理）。 接著創建和編輯主導航畫面、單臺空壓機組態畫面、遠程監控畫面、分析診斷畫面、數據歸檔畫面、報警顯示畫面、報警在線限制值畫面、報表打印畫面、用戶登錄方式畫面等。對畫面中添加的按鈕、窗口和靜態文本等，進行組態變量連接、狀態顯示設置等等。 再對遠程控制畫面中的啟動/停止按鈕進行變量連接，設置手動控制和自動控制兩種方式，并且手動控制為高級控制方式。通過設置隨變量值的變化范圍而改變顏色的比功率棒圖進行故障診斷分析；通過對過程值的歸檔，建立歷史和當前的表格與曲線兩種狀態的監控界面；利用報警和報表打印等，實現信息上報、及時反饋的功能，實現最佳的生產狀態監測控制。還可通過用

3、戶管理權限的設置，為不同級別的用戶設置權限和等待空閑時間，以更好地安全防護。 1.1 PLC控制柜的組成 (1) 電源部分 (2) CPU模塊 西門子S7-300PLC，型號為CPU315-2 DP，它集成了MPI接口，可以很方便的在PLC站點、操作站OS、編程器PG、操作員面板建立較小規模的通訊。它還集成了PROFIBUS-DP接口，通過DP可以組建更大范圍的分布式自動化結構。 工作電壓:DC 24V; 通訊方式:CP5611網卡進行通訊; 通訊協議:PROFIBUS-DP。 (3) 模擬量輸入模塊 采用西門子SM331-7NF00-OABO模擬量輸入模塊。輸入所采集到的信號至控制單元。規格

4、:AI 816bit; (4) 模擬量輸出模塊 采用西門子SM332-5HD01-OABO模擬量輸出模塊。輸出控制信號至執行機構。規格:AO 412 bit (5) 數字量模塊本系統采用西門子SM323-1BH01-0AA0數字量模塊，該模塊集成了8路數字量輸入通道和8路數字量輸出通道。鍋爐內膽水溫控制系統沒用到此模塊，但在硬件組態時需編入硬件組態。1.2 基于PLC的鍋爐內膽水溫控制的系統結構 參見圖1，系統控制過程為:在鍋爐內膽溫度閉環控制系統中，用Pt100鉑電阻檢測爐溫，溫度變送器將Pt100輸出的微弱電壓信號轉換為標準量程的電壓信號，然后送給PLC的模擬量輸入模塊，經A/D轉換后得到

5、與溫度成比例的數字量，CPU將它與溫度給定值比較，并按PID控制算法對誤差值進行運算，將運算結果(數字量)送給PLC的模擬量輸出模塊，經D/A轉換后變為電流信號，用來控制三相可控硅移相調壓裝置的導通角大小，通過它控制電加熱管兩端的電壓，實現對溫度的閉環控制。圖1 基于PLC的鍋爐內膽水溫控制系統方框圖 設計所需要的過程控制系統為AE2000A型過程控制實驗裝置，如圖2所示。圖2 過程控制實驗裝置概貌 2 鍋爐內膽水溫控制系統的軟件設計 2.1 PLC的硬件組態控制程序設計 PLC的硬件組態。STEP7是西門子公司針對S7系列PLC所開發的一款編程軟件，可以通過MPI接口實現PC和PLC之間的通

6、訊，并在PC上對PLC下載和上載程序。進行組態，組態結束后，在CPU為STOP模式下點擊，將PLC的硬件組態下載到PLC中。組態結果如圖3所示。圖3 硬件組態結果 2.2 PLC的控制程序設計 (1) 在“Blocks”中添加所需編程模塊，進行編程。設計中主要用到的編程模塊為FB4。具體添加的模塊見圖4所示。圖4 程序所建立的模塊 (2) 創建“符號表”。如圖5、圖6所示，其中用符號“AI1”定義為鍋爐水溫信號的采樣通道,在模擬量輸入模塊中的地址為IW2;“AI3”定義為夾套水溫信號的采樣通道,在模擬量輸入模塊中的地址為IW4;“AQ1”定義為電加熱控制信號的輸出通道,在模擬量輸出模塊中的地址

7、為QW16。其余為創建模塊后系統自動生成的。圖5 符號表之一圖6 符號表之二 (3) PLC編程。使用STEP7編程軟件中的LAD形式(即梯形圖形式)編程。打開組織塊OB1，在OB1中編寫夾套溫度采集的梯形圖，如圖7所示;圖7夾套溫度采集梯形圖打開組織塊OB35，在OB35中編寫鍋爐內膽水溫PID控制梯形圖(如圖8)，也是本課題中主要涉及的程序;圖8 鍋爐內膽水溫PID控制梯形圖編好程序后，鼠標點擊將各個塊的程序下載到PLC中;將PLC置于RUN模式，運行程序。 (4) 程序設計祥解 圖7中所示的程序在本設計中不是重點，鍋爐夾套溫度的采集主要是一個參考，水循環通路就是經過夾套來給內膽降溫，當夾

8、套溫度高說明水循環中的水溫高了，對內膽的降溫效果變差。網絡1(Network1)主要作用是將讀入的整型數據轉換成浮點數格式的數據，“AI3” 對應于模擬量輸入模塊中的地址為IW4，先將模擬量轉換后的數字量存入雙字格式的PLC的位存儲MD20，然后經過一個整型轉換成浮點型的塊DI_R將數據轉換成浮點數，且將數據保存在MD24中。Network1對應的語句表(STL)程序見下文的左邊。 夾套溫度采集梯形圖所對應的語句表程序: 網絡2(Network2)主要作用是將對應的浮點數格式的數據進行標準化，公式為:MD32中的數據=MD24中的數據*(100/27648)。其中塊“MUL_R”用于浮點數的乘

9、法運算，DIV_R用于浮點數的除法運算。Network2對應的語句表(STL)程序見圖4-17的右邊。 圖7中的程序中所示的程序為本設計的主要程序，用于實現對鍋爐內膽水溫的PID控制。網絡1(Network1)主要用于啟停PID控制模塊FB41，DB1.DBX0.0是個控制位，在Wincc組態軟件中定義為一個過程二進制變量，用于控制網絡1的“通和斷”。網絡1對應的STL程序為: Network 1: 啟停PID模塊 A DB1.DBX 0.0 /置1，啟動PID程序 JNB _001 /置0，等待 CALL CONT_C , DB41 /調用PID功能模塊 COM_RST := /當為TURE

10、時，初始化 MAN_ON := /為1時手動值被設置為操作值 PVPER_ON:=TRUE /TURE使用外圍設備輸入的過程變量接通 P_SEL := /為1時打開比例(P)操作 I_SEL := /為1時打開積分(I)操作 INT_HOLD:= /積分分量保持 I_ITL_ON:= /積分分量初始化接通 D_SEL := /為1時打開微分(D)操作 CYCLE := /采樣時間 SP_INT := /內部設定值輸入 PV_IN := /浮點格式的過程變量輸入 PV_PER :=AI1 /外設輸入的I/O格式的過程變量值 MAN := /操作員手接口輸入的手動值 GAIN := /比例增益輸入

11、 TI := /積分時間輸入 TD := /微分時間輸入 TM_LAG := /微分操作的延遲時間輸入 DEADB_W := /死區寬度 LMN_HLM := /控制器輸出的上限值 LMN_LLM := /控制器輸出的下限值 PV_FAC := /輸入過程變量的系數 PV_OFF := /輸入過程變量的偏移量 LMN_FAC := /控制器輸出量的系數 LMN_OFF := /控制器輸出量的偏移量 I_ITLVAL:= /積分操作的初始值 DISV : =/擾動輸入變量 LMN := /浮點格式的控制器輸出值 LMN_PER :=AQ1 /I/O格式的控制器輸出值 QLMN_HLM:= /控制

12、器輸出超出上限 QLMN_LLM:= /控制器輸出超出下限 LMN_P := /控制器輸出值中的比例分量 LMN_I := /控制器輸出值中的積分分量 LMN_D := /控制器輸出值中的微分分量 PV := /格式化的過程變量值輸出 ER := /死區處理后的誤差輸出 _001: NOP 0 網絡2(Network2)用于控制模擬量輸出模塊的輸出映像區地址QW16中的內容是否清零，在PID模塊FB41停止工作時，同時將模擬量輸出清零。網絡2對應的STL程序為: Network 2: 模擬量輸出清零 AN DB1.DBX 0.0 /置1，等待 JNB _002 /置0，將QW16中的內容清零

13、L 0 T AQ1 _002: NOP 0 2.3 監控畫面的設計 WinCC是西門子公司開發的上位機組態軟件，通過WinCC可以與STEP7通訊，對控制對象進行遠程檢測和控制。監控設計畫面如圖9所示。腳本程序編輯如圖10所示。 圖9 鍋爐內膽溫度控制監控畫面圖10 腳本程序編輯 組態界面設計完畢，保存并激活WINCC，運行工程，可以查看變量曲線的變化，通過對PID相應控制參數的設定，就可以讓測量值跟蹤設定值，達到PID控制的目的，實現在計算機上對控制對象的監控。 3 基于PLC的鍋爐內膽水溫控制系統實驗結果分析 3.1 鍋爐內膽對象特性曲線測試及對象數學模型的建立 在監控畫面運行時按下手動按

14、鈕，在靜態文本輸出值(OP)下將出現一個輸入/輸出域，其對應的過程變量為man，地址為DB41.DD16。用于控制加在電加熱管兩端的電壓大小，輸入0時相當于關斷電加熱管，輸入100時相當于在電加熱管兩端加上額定電壓。測得的曲線如圖11、圖12所示。圖11 特性曲線之一圖12 特性曲線之二 3.2 建立被控對象的數學模型 (1) 從圖10中的特性曲線一得:=22s，T=397.5s; 溫度初始值為c(0)=40，穩定值接近于60.2，即c()=60.2，則增益K為: 則此時的對象數學模型為: (2) 從圖11中的特性曲線二得:=11s，T=393.7s; 溫度初始值為c(0)=40，穩定值接近于

15、84.4，即c()=84.4，則增益K為: 則此時的對象數學模型為: (3) 分析:從以上兩組數據可以看出控制器輸出的大小，也即加在電加熱管兩端的電壓大小對延遲時間的影響較大，其余參數影響不是很大，從而可知當電加熱管兩端的電壓加大時，控制對象的延遲時間減小，且加溫速度也增加，最后的穩定值c()也相應的增加。 (4) 確定最終的對象數學模型:對以上所得兩組數據中的三個參數取平均值得: ， 得到最終的對象數學模型為: 3.3 整定PID控制器的初始參數 用以上得出的三個參數:=16.5s，T=395.6s, K=53.0。用PID控制方式得到PID控制器的參數初值如下:;。 以上4個參數只能作為初

16、步的參考值，為了獲得良好的控制效果，還需要作閉環調試，根據閉環階躍響應的特征，反復修改控制參數，使系統達到相對最佳的控制效果。以下是用試湊法來確定最終的PID參數，跟以上參數有一定出入,但效果較好。 3.4 鍋爐內膽水溫PID控制和分析 (1) P調節與分析在監控畫面中，將控制器設為自動模式，且比例作用開關設置為1、積分作用開關設置為0、微分作用開關設置為0，此時就成了P調節器。 溫度初值為25.3，設定值設為30。所得曲線如圖13所示。其中曲線即為水溫測量值曲線;曲線為給定值曲線;曲線為控制器的輸出值曲線。圖13 P調節 分析:KP=5時，水溫上升速度慢，即控制系統的動作緩慢，且穩態誤差大，

17、最小的穩態誤差也有2;KP=20時，可見穩態誤差明顯減小，此時的最大穩態誤差為30.00-29.10=0.9;KP =200時，系統動作靈敏，控制器輸出加大，此時的穩態誤差為30.00-29.52=0.48，但是系統產生振蕩最大振幅為30.86-30.00=0.86;KP=500時，控制器輸出再次加大，此時的穩態誤差僅為30.00-29.83=0.17，但再怎么加大，穩態誤差仍舊存在，不可能完全消除，且振幅已達到31.28-30.00=1.28。所以KP不能太小，也不能太大。動態時:若KP偏大，則振蕩次數加多，調節時間加長。當KP太大時，系統會趨于不穩定。若KP太小，又會使系統的動作緩慢。穩態

18、時:加大KP，可以減小穩態誤差ess，提高控制精度。但是加大KP只是減少ess，卻不能完全消除穩態誤差。 (2) PI調節與分析 在監控畫面中，將控制器設為自動模式，且比例作用開關設為1、積分作用開關設為1、微分作用開關設為0，此時就成了PI調節器。 溫度初值為29.0，設定值設為35，KP=30.0，TI=999999ms。所得曲線如圖14所示。其中曲線即為水溫測量值曲線;曲線為給定值曲線;曲線為控制器的輸出值曲線。圖14 PI調節(1) 溫度初值為32.0，設定值設為37，KP=30.0，TI=500000ms。所得曲線如圖15所示。其中曲線即為水溫測量值曲線;曲線為給定值曲線;曲線為控制

19、器的輸出值曲線。圖15 PI調節(2) 分析:對于圖14，此時超調量為 ，系統能慢慢趨于穩定，穩態誤差0.04。調節時間稍微長了點，這是因為微分作用沒加，相當于0，而微分太小會使超調量增加，調節時間也增長。對于圖14，此時超調量為 ，比TI=999999ms時的超調大，系統不是很穩定，系統振蕩次數多。因為從開環對象特性中看出，對象具有一定的積分特性，所以當使控制器的TI=500000ms時，反而使積分作用更強，因此出現了振蕩現象。 (3) PID調節與分析 在監控畫面中，將控制器設為自動模式，且比例作用開關設置為1、積分作用開關設置為1、微分作用開關設置為1，此時就成了PID調節器。 溫度初值

20、為35.1，設定值設為40，PID三參數為5.2節中整定出來的初始參數即:KP=27.6，TI=33000ms，TD=7400ms。所得曲線如圖16所示。其中曲線即為水溫測量值曲線;曲線為給定值曲線;曲線為控制器的輸出值曲線。圖16 PID調節(1) 溫度初值為32.0，設定值設為40，KP=40.0，TI=999999ms，TD=20000ms。所得曲線如圖17所示。其中曲線即為水溫測量值曲線;曲線為給定值曲線;曲線為控制器的輸出值曲線。圖17 PID調節(2) 溫度初值為45.0，設定值設為50，KP=45.0，TI=950000ms，TD=48000ms。所得曲線如圖18所示。其中曲線即

21、為水溫測量值曲線;曲線為給定值曲線;曲線為控制器的輸出值曲線。圖18 PID調節(3) 分析:對于圖16，所用的PID三個參數是通過擴充響應曲線法整定得到的參數。可見此時的控制效果很差，系統處于振蕩，且不可能穩定。 對于圖17，是采用試湊法測量到的曲線，可見系統基本趨于穩定，只是調節時間略微長一些，但比圖15中的調節時間短，這就是加了微分后的效果;穩定時有小幅波動，但能控制在0.3之內;此時的超調量為: 對于圖18，也是試湊后測量到的曲線，其效果比圖17中的還好，系統趨于穩定，調節時間短，穩定時波動少，最大幅度只有0.1;而且超調量也減小為: 所以通過擴充響應曲線法整定的參數只能作為初步的參考

22、值，而要想獲得良好的控制效果，還需要反復修改控制參數，使用試湊法才能使系統達到相對最佳的控制效果。 3.5 水循環對系統性能的影響 通過以下實驗所得曲線來說明水循環對系統性能的影響，且P、I、D各參數的整定值都為如圖19所示。圖19 PID參數整定表 (1) 水循環在升溫過程中對系統性能的影響 有水循環時:將鍋爐內膽水溫從36加熱到50，即在水溫穩定在36時，將PID控制器的設定值設為50，則電加熱管開始加熱直到50為止。實驗所得曲線如圖20所示。此時系統基本穩定，穩定后的偏差在0.5以內，有波動是因為KP取值太大的緣故，使得調節器動作太靈敏;調節時間短，超調量為: 圖20 有水循環時的升溫過程曲線 無水循環時:也將鍋爐內膽水溫從36加熱到50，實驗所得曲線如圖21所示。可見無水循環時不是很穩定，調節時間增加，且超調也有所增加為: 圖21為無水循環時的升溫過程曲線。圖21 無水循環時的升溫過程曲線 (2) 水循環在降溫過程中對系統性能的影響 有水循環時:內膽水溫從50降到36，即在水溫穩定在50時，將控制器的設定值設為36，則控制器輸出為0，電加熱管停止加熱。實驗所得曲線如圖22所示的曲線。從51.0降到36總共所需時間為:10分58.4s。 無水循環時:鍋爐內膽水溫也從50降到3