1、蘭州理工大學畢業設計說明書I摘 要該系統研究的對象是一種簡單且具有一定自動化程度的“自動加藥系統” ，它不僅能用在鍋爐上還能用在其它類型的需加藥處理的生產設備及系統中。控制方案中 PLC采用德國西門子 S7-200 系列可編程控制器，CPU 主機選用 CPU226，模擬輸入模塊選用EM235. 觸摸屏采用 SIEMENS TP170 系列彩色觸摸屏 TP170B COLOR，可以方便的實現對控制系統的操作、監控和參數設置等功能。由 PH 在線分析儀、PLC、變頻器組成的閉環控制自動加藥系統，增強了控制先進性和可靠性。此套自動加藥系統的投入徹底改變了以前人工加藥不準帶來的經濟損失且對于節省人力、

2、降低消耗、確保爐水安全、保證水質的穩定性，產生良好的經濟效益和社會效益。這樣就可以實時的檢測到加藥系統的相關參數，對藥液做一些實時的控制。人機界面和 PLC 的有機結合，借助其產品的功能，能夠很靈活的構造控制方案，它相對傳統的電氣控制方案具有更高的可靠性，控制更精確。采用觸摸屏與 PLC 控制，整個加藥系統設自動、手動兩種可選擇的方式，能穩定的給鍋爐加藥，使爐內水時刻保持一定得藥液濃度，保證爐內的各項水指標基本平穩。能克服老式加藥裝置加藥配藥不方便弱點，有效的提高了鍋爐的自動化程度。加藥系統操作簡單、安全、可靠，設有電機攪拌器、溶解藥劑所需時間可根據實際情況設定可控制藥液的溫度，可完成自動加藥

3、及自動清洗等。關鍵詞：PLC；觸摸屏；加藥系統蘭州理工大學畢業設計說明書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蘭州理工大學畢業設計說明書III目 錄第 1 章 緒論 .11.1 課題背景.11.2 鍋爐控制研究的背景和意義.21.3 課題研究的主要內容.31.4 鍋爐加藥處理的特點及應注意的問題.3第 2 章 硬件設計 .52.1 控制方案選擇.52.1.1 S7-200 工作原理 .52.1.2 方案概述 .72.1.3 加藥系統的組成 .72.1.4 加藥系統的目標和原理.82.1.5 PH 值控制方法的研究 .92.1.6 加藥系統的特點 .92.1.7 加藥系統的控制功能描述 .102.2 硬件設計.102.2.1 主電路設計 .102.2.2 PLC 控制 .112.2.3 EM235

12、模擬量模塊接線.122.2.4 自動加藥裝置技術參數.132.2.5 系統的 PID 控制 .132.2.6 PID 控制器的參數整定 .152.3 自動加藥系統的硬件選型.162.3.1 PLC 的選型 .162.3.2 觸摸屏選型.182.3.3 傳感器的選型.202.3.4 在線 PH 儀的介紹 .212.3.5 MM440 變頻器的介紹 .232.3.6 主電路電器元器件的選型 .26第 3 章 觸摸屏的設計 .293.1 人機界面.293.2 地址配置.303.2.1 PLC 與觸摸屏對應的地址配置 .303.2.2 觸摸屏畫面配置 .303.2.3 操作面板的布置 .323.3 系

13、統監控.333.3.1 監控系統的要求和組成.333.3.2 觸摸屏與 PLC 通信 .34第 4 章 軟件設計 .364.1 STEP7 軟件介紹.364.2 軟件流程圖.37蘭州理工大學畢業設計說明書IV結論 .42參考文獻 .43外文翻譯 .44致謝 .56附錄 1：程序清單.57附錄 2：PLC 控制系統 I/O 分配表 .66附錄 3：主電路元器件清單.67蘭州理工大學畢業設計說明書1第 1 章 緒論1.1 課題背景工業控制計算機(簡稱工控機)是以計算機技術為基礎的新型工業控制裝置，目前已成為工業控制的標準設備，被廣泛地應用于各行各業，工控機是實現生產自動化的最佳配套產品，而工業可編

14、程序控制器(PLC)則在工控領域中占有主要的地位。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的定義有許多種，國際電工委員會（IEC）對 PLC 的定義是：可編程控制器是一種數字運算操作的電子系統，專為在工業環境下應用而設計。它采用可編程序的存貯器，用來在其內部存貯執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令，并通過數字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P設備，都應按易于與工業控制系統形成一個整體，易于擴充其功能的原則設計。從結構上，PLC 分為固定式和組合式（模塊式）兩種。固定式 PLC 包括 CP

15、U 板、I/O 板、顯示面板、內存塊、電源等，這些元素組合成一個不可拆卸的整體。模塊式PLC 包括 CPU 模塊、I/O 模塊、內存、電源模塊、底板或機架，這些模塊可以按照一定規則組合配置。PLC 作為工控機的一員，在主要工業國家中成為自動化系統的基本電控裝置。它具有控制方便、可靠性高、容易掌握、體積小、價格適宜等特點。據統計，當今世界 PLC生產廠家約 150 家，生產 300 多個品種。2000 年銷售額約為 86 億美元，占工控機市場份額的 50%，PLC 將在工控機市場中占有主要地位，并保持繼續上升的勢頭。PLC 在 60年代末引入我國時，只用作離散量的控制，其功能只是將操作接到離散量

16、輸出的接觸器等，最早只能完成以繼電器梯形邏輯的操作。新一代的 PLC 具有 PID 調節功能，它的應用已從開關量控制擴大到模擬量控制領域，廣泛地應用于航天、冶金、輕工、建材等行業。但 PLC 也面臨著其它行業工控產品的挑戰，各廠家正采取措施不斷改進產品，主要表現為以下幾個方面：(1)微型、小型 PLC 功能明顯增強(2)集成化發展趨勢增強(3)向開放性轉變隨著微處理器、網絡通信、人機界面技術的迅速發展，工業自動化技術日新月異，各種產品競爭激烈，新產品不斷涌現。PLC 也由最初的只能處理開關量而發展到可以處理模擬量和數據，加之與 DCS、PID 調節器、工業 PC 等技術相結合，使之不再是一種簡

17、單的控制設備，而且必將隨著自動控制技術的不斷發展而發展生存下去?？蓪崿F高精度要求生產線控制，循環控制，精確的測控，材料檢測等等。PLC 在工業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。發展趨勢如下：(1)更快的處理速度，多 CPU 結構和容錯系統(2)編程語言與工具日趨標準化和高級化蘭州理工大學畢業設計說明書2(3)強化 PLC 的連網通訊能力(4)記憶容量大，采用專用的集成電路，實用性增強(5)向小型化、高機能的整體型發展1.2 鍋爐控制研究的背景和意義隨著社會生產的發展，人類社會對能源的需求不斷增加，我國是世界能源生產大國，也是能源消耗大國但人均占有量遠低于世界平均水

18、平，這就使得節約能源在我國顯得尤為重要。鍋爐是一次性能源煤炭石油天然氣轉換成二次能源蒸汽量的重要動力設備。據有關資料統計，目前我國有各類工業鍋爐約 25 萬多臺。每年耗煤量占全國產量的 1/3，同時還消耗大量的石油和天然氣。工業鍋爐是生產過程中的重要動力設備。在石油化工領域，它的主要作用是向各生產裝置提供所需要的合格蒸汽，其控制質量的優劣不僅關系到鍋爐自身運行的效果，而且還將直接影響到相關裝置生產過程的穩定性。鍋爐是工業生產和人們生活中使用廣泛的設備之一，鍋爐水的處理工作，對確保鍋爐安全、經濟運行、節約燃料有著重要的意義，它是鍋爐運行中的一項重要的技術基礎工作如果鍋爐給水沒有經過水處理或水處理

19、不當，不但會縮短鍋爐的使用壽命、浪費燃料，甚至會造成重大設備事故和人員傷亡隨著自動控制技術的飛速發展和廣泛應用，鍋爐的控制系統和控制方案越來越引起人們的重視，而且對控制系統的要求越來越高。在電力、石油、化工、冶金工業、環境工程、水處理等領域中常需要將某種液體連續自動地注入到另一種液體中成為一種混合液,或者使加入的藥劑與液體中存在的某種組份發生化學反應 ,以達到預期的工藝要求。為達到最佳效果 ,在工況變化的情況下 ,對所加化學藥劑量自動跟蹤調節控制加藥速度 ,為了保證鍋爐正常工作及節能的需要，生產過程各主要工藝參數必須嚴格控制。目前，鍋爐給水加藥大多數采用人工調節，不能準確地將 PH 值控制在規

20、定的范圍內，不僅嚴重浪費大量的中和劑，而且造成了熱力系統的電化學腐蝕。因此利用 PLC 和觸摸屏來控制整個系統的加藥，自動根據給水的 PH 值的變化連續調節加藥量，合理控制加藥量，是保障安全生產、經濟運行的需要，是節省人力、提高自動化管理水平的需要。本次設計主要是研究鍋爐的自動加藥處理，它是通過向鍋爐內投入一定數量的軟水劑，使鍋爐給水中的結垢物質轉變成泥垢，然后通過排污將泥垢從鍋內排出，從而達到減緩或防止水垢結生的目的。當今隨著以半導體功率器件為核心的電力電子技術的發展和以計算機為代表的控制技術的突飛猛進，水質在線檢測儀表、變頻器技術和 PLC 的應用已深入到工業生產和社會生活的各方面。水質在

21、線儀表是生產現場最直接的檢測設備，被稱為自動化的“眼睛” ，其準確性直接影響到自動化的控制精度。變頻技術的不斷發展和成熟，以其明顯節能的效果、高可靠性、較高功率因數及效率等諸多優點，成為當今電氣拖動系統的佼佼者?？删幊炭刂破魇墙陙戆l展起來的并得到廣泛應用的新一代工業自動化控制裝置，它已成為解決自動控制問題的最有效工具之一，它編程簡單并且穩定可靠越來越受到人們的重視，PLC 可以用于各種工業過程的閉環控制。當前自動加藥系統已蘭州理工大學畢業設計說明書3廣泛采用 PLC 自動控制技術、變頻調速技術取代傳統的直流調速系統。一些中小型鍋爐的加藥裝置是通過人工進行一些簡單的配藥，在利用鍋爐給水泵的水壓

22、或加藥泵一次性把藥加入鍋爐，這種加藥裝置使用起來不方便，且藥量浪費量大，鍋爐加藥大多數采用人工調節，不能準確將 PH 值控制在規定的范圍內，不僅嚴重浪費大量中和劑，而且造成了熱力系統的電化學腐蝕，甚至導致凝汽器的斷裂，造成停機事故的發生，因此，設計并開發鍋爐給水加藥自動控制系統，自動根據給水 PH 值的變化連續調節加藥量，合理控制加藥量，進而避免鍋爐及管路的腐蝕，是保障安全生產、經濟運行的需要，又是節省人力、提高自動化管理水平的需要。該系統具有一定的自動化程度，控制方案中人機界面和 PLC 的有機結合，借助其產品的功能，能夠很靈活的構造控制方案，它相對傳統的電氣控制方案具有更高的可靠性，控制更

23、精確。1.3 課題研究的主要內容課題主要研究的是對鍋爐的測量與控制，本課題運用的是 PLC 控制，將檢測到的各個數據傳 PLC，經 PLC 對數據處理后輸出到相應的執行設備上。這樣就可以實時的檢測到加藥系統的相關參數，對藥液做一些實時的控制。本次設計要求對藥液的濃度、溫度等進行實時檢測，把檢測到的數據通過 PLC 的數據處理輸出到人機界面。課題的主要內容如下：(1)按照操作邏輯，設計測控系統人機界面。人機界面的功能分為三部分：控制功能，監控功能，參數設定功能。(2)按照系統要求，設計系統流程圖。對藥液的溫度、濃度等信號進行采集。(3)設計系統主要數據采集和數據處理程序。根據系統流程圖，通過溫度

24、傳感器采集溫度，液位傳感器采集到數值，通過 PLC處理，信號的程序設計的主要是 PLC 程序，輸出到相應的設備上。1.4 鍋爐加藥處理的特點及應注意的問題一、鍋爐加藥的特點鍋爐的自動加藥處理是通過向鍋爐內投入一定數量的軟水劑，使鍋爐給水中的結垢物質轉變成泥垢，然后通過排污將泥垢從鍋內排出，從而達到減緩或防止水垢結生的目的。鍋爐的自動加藥處理有以下特點：鍋爐的自動加藥處理不需要復雜的設備，故投資小、成本低，操作方便。 鍋爐的加藥處理法是最基本的水處理方法，又是鍋外化學水處理的繼續和補充。經過鍋外水處理以后還可能有殘余硬度，為了防止鍋爐結垢與腐蝕，仍加一定的水處理藥劑。鍋爐的自動加藥處理還不能完全

25、防止鍋爐結生水垢，特別是生成的泥垢，在排污不及時很容易結生二次水垢。蘭州理工大學畢業設計說明書4 鍋爐內加藥處理法對環境沒有污染，它不像離子交換等水處理法，處理掉天然水多少雜質，再生后還排出多少雜質，而且還排出大量剩余的再生劑和再生后產物。而鍋爐加藥處理方法，是將水中的主要雜質變成不溶性的泥垢，對自然不會造成污染。 鍋爐內加藥處理法使用的配方需與給水水質匹配，給水硬度過高時，將形成大量的水渣，加快傳熱面結垢速度。因而一般不適用高硬度水質。二、鍋爐加藥應注意的問題由于鍋爐在運行中，因凝汽器的滲泄漏和爐水大量蒸發而引起的爐水鹽分極度濃縮，會造車爐管積鹽、結垢。以前人們投入一套手動加藥系統每天人員分

26、幾班倒，人工取樣實驗室分析爐水的 PH 值，靠人為經驗配藥后開啟手動加藥泵加藥。因取樣不及時、實驗室儀表不準確、人的素質參差不齊登因素造成了系統加藥不理想，該加的時候不加，不加的時候又大量加，這樣不僅浪費了大量的人力物力，最關鍵的是造成了鍋爐設備腐蝕程度嚴重加劇。因而采用自動加藥系統。當藥液的濃度超過給定值時停泵，反之則啟動泵。1、先除垢后防垢采用鍋內加藥處理前，應將鍋爐內老垢清除，以免鍋爐運行后，造成大量水垢脫落，引起水循環通路與排污管路堵塞。2、運行控制與管理采用鍋內加藥處理除對水源水質有嚴格要求外，還應經常注意水源水質，如硬度、堿度和氯根的變化情況。運行匯總要控制鍋水水質在標準的范圍內，

27、并檢查鍋爐防垢效果以及觀察排污水清、濁情況。3、鍋爐排污鍋內加藥處理都必須注意排污。如果排污不當，鍋內沉積水渣過多，將會影響鍋爐水循環或在鍋爐受熱面上生成二次水垢。因此鍋內加藥處理必須通過排污，使鍋水水質維持在水質標準范圍之內。采用間斷加藥方法時，一般應先排污再加藥。4、定期停爐檢查鍋內加藥處理效果如何，只有在停爐檢查時才能看到，所以，一般鍋爐運行 46個月時，應停爐檢查防垢效果。根據實際情況調整鍋內加藥量和排污方式，并及時清除鍋內水渣。5、水處理方法的選擇各用爐單位應根據設備條件、對蒸汽品質的要求及水處理材料的來源等不同情況，本著因爐、因水、因地制宜的原則，合理地選擇水處理方法。蘭州理工大學

28、畢業設計說明書5第 2 章 硬件設計2.1 控制方案選擇PLC 與繼電器均可以用于開關量邏輯控制。PLC 的梯形圖與繼電器電路圖都是用線圈和觸點來表示邏輯關系。PLC 的控制功能主要是用軟件（即程序）實現的，繼電器控制系統的控制功能是用硬件繼電器和硬件接線實現的。PLC 采用了計算機技術，具有順序控制、定時、計數、運動控制、數據處理、閉環控制和通信聯網等功能，比繼電器控制系統的功能強大得多。繼電氣系統的可靠性差，診斷與排除復雜的繼電器系統的故障非常困難。梯形圖程序中的輸出繼電器等是一種“軟繼電器” ，它們的功能是用軟件來實現的，因此沒有硬件繼電器那樣的觸點易于接觸不良的缺點。PLC 的可靠性高

29、，故障率極低，并且很容易診斷和排除故障。而繼電器的控制功能被固定在線路中，其功能單一，不易修改，靈活性差。PLC 的控制方式靈活，有很強的柔性，僅需修改梯形圖就可以改變控制功能。繼電器系統要在硬件安裝、接線全部完成后才能進行調試，發現問題后修改電路花的時間也很多。PLC 控制系統的開關柜制作、現場施工和梯形圖設計可以同時進行，梯形圖可以在實驗室模擬調試，發現問題后修改起來非常方便。一些中小型鍋爐的加藥裝置是通過人工進行一些簡單的配藥，在利用鍋爐給水泵的水壓或加藥泵一次性把藥加入鍋爐，這種加藥裝置使用起來不方便，且藥量浪費量大，難以做到準確控制，還容易造成爐水總堿度過高，排污量大，對生產不利。該

30、系統是一種簡單的且具有一定的自動化程度的“自動加藥系統” ，不僅能用在鍋爐上還能用在其他類型的需加藥處理的生產設備及系統中?？刂品桨钢腥藱C界面和 PLC 的有機結合，借助其產品的功能，能夠很靈活的構造控制方案，它相對傳統的電氣控制方案具有更高的可靠性，控制更精確。下面重點討論各系統如何利用功能以實現加藥系統的工藝要求。該加藥系統的控制核心采用可編程控制器，配置常規電氣控制系統。一般來說，加藥系統的控制并不復雜，但對工藝過程卻有較為嚴格的要求。根據鍋爐的加藥系統的具體特點，可以在原有的加藥系統的基礎上改造或加裝觸摸屏和 PLC 自動控制系統。本設計由 PH 在線分析儀、PLC、變頻器組成的閉環控

31、制自動加藥系統，增強了控制先進性和可靠性。此套自動加藥系統的投入徹底改變了以前人工加藥不準帶來的經濟損失且對于節省人力、降低消耗、確保爐水安全、保證水質的穩定性，產生良好的經濟效益和社會效益。2.1.1 S7-200 工作原理一、掃描周期S7-200 CPU 連續執行用戶任務的循環序列稱為掃描。可編程控制器的一個機器掃蘭州理工大學畢業設計說明書6描周期是指用戶程序運行一次所經過的時間，它分為讀輸入（輸入采樣） 、執行程序、處理通訊請求、執行 CPU 自診斷及寫輸出（輸出刷新）等五個階段。PLC 運行狀態按輸入采樣、程序執行、輸出刷新等步驟，周而復始地循環掃描工作，如圖 2-1 所示。圖 2-1

32、 S7-200 的掃描周期（1）讀輸入階段，對數字量和模擬量的輸入信息進行處理。 對數字量輸入信息的處理：每次掃描周期開始，先讀數字輸入點的當前值，然后將該值寫到輸入映像寄存器區域。在之后的的用戶程序執行過程中，CPU 將訪問輸入映像寄存器區域，而并非讀取輸入端口狀態，因此輸入信號的變化不會影響輸入映像寄存器的狀態。通常要求輸入信號有足夠的脈沖寬度，才能被響應。 對模擬量輸入信息的處理：在處理模擬量的輸入信息時，用戶可以對每個模擬量通道選擇數字濾波器，即對模擬通道設置數字濾波功能。對變化緩慢的輸入信號，可以選擇數字濾波，而對高速變化的信號不能選擇數字濾波。 如果選擇了數字濾波器，則可以選擇低成

33、本的模擬量輸入模塊。CPU 在每個掃描周期將自動刷新模擬輸入，執行濾波功能，并存儲濾波值（平均值） 。當訪問模擬量輸入時，讀取該濾波值。 對于高速模擬信號，不能采用數字濾波器，只能選用智能模擬量輸入模塊。CPU 在掃描過程中不能自動刷新模擬量輸入值，當訪問模擬量時，CPU 每次直接從物理模塊讀取模擬量。（2）執行程序。在用戶程序執行階段，PLC 按照梯形圖的順序，自左而右、自上而下地逐行掃描。在這一階段，CPU 從用戶程序第一條指令開始執行，直到最后一條指令結束，程序運行結果放入輸出映像寄存器區域。在此階段，允許對數字量立即 I/O 指令和不設置數字濾波的模擬量 I/O 指令進行處理。在掃描周

34、期的各部分，均可對中斷事件進行響應。（3）處理通訊請求。在掃描周期的信息處理階段，CPU 處理從通訊端口接收到的信息。（4）執行 CPU 自診斷測試。在此階段，CPU 檢查其硬件、用戶程序存儲器和所有的I/O 模塊狀態。蘭州理工大學畢業設計說明書7（5）寫輸出。每個掃描周期的結尾，CPU 把存在輸出映像寄存器中的數據輸出給數字量輸出端點（寫入輸出鎖存器中） ，更新輸出狀態。在 CPU 操作模式從 RUN 切換到 STOP狀態時，數字量輸出可以設置為輸出表中定義的值或保持當前值；模擬量輸出保持最后寫的值；缺省設置時，默認是關閉數字量輸出。 按照掃描周期的主要工作任務，也可以把掃描周期簡化為讀輸入

35、、執行用戶程序和寫輸出三個階段。二、CPU 的工作方式（1）S7-200 CPU 有兩種工作方式 STOP（停止） 。CPU 在停止工作方式時不執行程序，此時可以向 CPU 裝載程序或進行系統設置。 RUN（運行） 。CPU 在 RUN 工作方式下運行用戶程序。 CPU 前面板上用兩個發光二極管顯示當前的工作方式。在程序編輯、上/下載等處理過程中，必須把 CPU 置于 STOP 方式。（2）改變工作方式的方法： 使用 PLC 上的方式開關來改變工作方式。 使用 STEP7-Mirco/WIN32 編程軟件設置工作方式。 在程序中插入一個 STOP 指令，CPU 可由 RUN 方式進入 STOP

36、 工作方式。（3）使用工作方式開關改變工作狀態。用位于 CPU 模塊的出/入口下面的工作方式開關選擇 CPU 工作方式。工作方式開關有三個檔位：STOP、TERM（Terminal） 、RUN. 把方式開關切到 STOP 位，可以停止程序運行。 把方式開關切到 RUN 位，可以啟動程序的執行。 把方式開關切到 TERM（暫態）或 RUN 位，允許 STEP7-Micro/WIN32 軟件設置 CPU的工作狀態。如果工作方式開關設置為 STOP 或 TERM，則電源上電時，CPU 自動進入 STOP 工作狀態；如果設置為 RUN，則電源上電時，CPU 自動進入 RUN 工作狀態。 還可以使用編程

37、軟件改變工作方式。2.1.2 方案概述加藥系統組成包括：基礎平臺、不銹鋼攪拌裝置、不銹鋼管道、安全閥、液位傳感器、溫度傳感器、PH 在線分析儀、PLC 與觸摸屏等。（1）該加藥系統控制方案可以在原有的加藥系統的基礎上改造或加裝觸摸屏和PLC 自動控制系統，也可以作為新建加藥系統的方案。（2） PLC 和觸摸屏控制觸摸屏和 PLC 控制時，PLC 驅動電磁閥，再有電磁閥通過控制壓縮空氣的氣路來驅動閥的開關，最終達到配藥和加藥的目的。（3）常規電氣控制加藥泵、攪拌機和加水泵均可以通過常規電氣手動控制啟停。蘭州理工大學畢業設計說明書82.1.3 加藥系統的組成控制系統主要由上位機工業計算機、下位機西

38、門子 PLC 和檢測儀表、變頻器和加藥泵組成。自動加藥控制系統的核心是一套控制器（PLC）是近年來發展起來的并得到廣泛應用的新一代工業自動化控制裝置，它已成為解決自動控制問題的最有效的工具之一，越來越受到人們的重視?？刂破靼惭b在現場，采集相應的水質數據。由于化學加藥系統具有純滯后性質，會導致控制作用不及時，引起系統產生超調或者振蕩，而利用計算機可以方便的實現之后補償。經過控制器的控制算法，采用數字 PID 控制算法。輸出控制信號（420mA）到現場調解設備，以調節加藥泵的出力?？梢允亲冾l器調節加藥泵電機的轉速。隨著電力電子技術的發展，交流變頻調速控制方法得到了廣泛的應用。我們采用變頻調速進行化

39、學加藥自動控制，系統可靠，得到了人們的認同，取得了良好的效果。測控系統的組成框如圖 2-2 所示：圖 2-2 控制系統的組成框圖2.1.4 加藥系統的目標和原理（1）控制目標：自動連續分析爐水的 PH 值，輸出信號送上位機系統和 PLC 系統，加藥量，根據水質、水量的變化，實現實時自動調節，達到最佳處理效果。當某泵故障時，自動停泵并報警。（2）控制原理：通過 PH 在線分析儀表監測爐內藥液并輸出 420mA 標準信號，然后將此信號送入 PLC 的模擬量輸入模塊，整個 PLC 控制系統實現 PID 調節功能，通過一系列算法處理(PID)再經過功能模塊輸出 420mA 信號，此電信號來調節變頻器從

40、而蘭州理工大學畢業設計說明書9控制加藥泵的轉速，以便自動調節加藥泵的輸出流量。在 PLC 中配有 AD 和 DA 模塊，PLC 先輸出接點信號(開關量)到交流接觸器，接通變頻器電源，然后再正常啟動泵。使鍋爐給水的 PH 值保持在一定范圍內而運行在最佳狀態，從而防止因給水的PH值失調造成鍋爐等熱力設備的酸堿腐蝕，使熱系統工作在最佳狀態，節能3050%。延長熱力設備的使用壽命，保證熱力設備長期穩定地安全運行。閉環控制的結構簡單，容易實現自動控制，因此在各個領域得到了廣泛的應用。加藥系統的原理框圖如圖 2-3 所示：圖 2-3 控制系統的組成框圖2.1.5 PH 值控制方法的研究PID 控制是按偏差

41、的比例（PProportional） 、積分（IIntegral）和微分（DDerivative）線性組合的控制方式。圖 2-4 為常規的 PID 控制系統。其中，r 為參考輸入信號、PID 為控制器、P 為被控對象模型、e（k）為系統誤差、u（k）為控制量、pH（k）為被控過程輸出量。若系統在運 行過程中出現 pH 值低于或高于設定的值 加藥裝置即開始工作： pH 值偏低，說明酸性太強，系統有腐蝕傾向； pH 值偏高，說明堿性太強,系統有結垢傾向。這時 PH 檢測儀器會將此信號反饋給控制系統，控制系統再輸出調節信號給變頻器，由變頻器來驅動加藥 泵，來控制加藥泵的轉速，從而調節 pH 值，待

42、pH 值恢復正常后， 加藥泵停止。爐水的 PH 值：反映爐水的酸堿度， PH 值在 8.5-10.5 之間，溶液的 PH 值對金屬的腐蝕速度影響較大。通過大量的鍋爐運行數據分析，PH 值小于 6 時，腐蝕速度隨 PH 值的降低而增加； PH 值在 8-10.5 之間，腐蝕速度隨 PH 值的增加而低，腐蝕速度很小。由此 可見，鍋爐正常運行時，控制爐 水 PH 值在 8.5-10.5 范圍內，可以使金屬表面形成一層穩定的保護膜，造成陽極鈍化，從而大大降低鍋爐的腐蝕速度。圖 2-4 典型的 PH 值控制系統蘭州理工大學畢業設計說明書102.1.6 加藥系統的特點(1)采用 PLC 與觸摸屏控制，整個

43、加藥系統設自動、手動兩種可選擇的方式，能穩定的給鍋爐加藥，使爐內水時刻保持一定得藥液濃度，保證爐內的各項水指標基本平穩。能克服老式加藥裝置加藥配藥不方便弱點，有效的提高了鍋爐的自動化程度。(2)加藥系統操作簡單、安全、可靠，設有電機攪拌器、溶解藥劑所需時間可根據實際情況設定可控制藥液的溫度，可完成自動加藥及自動清洗等。(3)變頻式自動加藥控制裝置采用引進的高科技產品-交流變頻器構成先進的交流調速系統，對加藥量實現最佳自動控制，該系統最大優點是性能可靠、壽命長、啟動特性好、能耗低。該裝置還可以作為水泵、油泵、風機等交流電機的轉速控制系實現對輸液管道內液體、汽體的壓力、流量控制。2.1.7 加藥系

44、統的控制功能描述(1)加藥系統設 PLC 手動和自動控制和觸摸屏控制兩種方式。 (2)人工手動控制。通常用 PLC 控制的方式來控制變頻器、加藥泵、加水泵、攪拌機的啟動，再根據實測數據及上位機發送的控制命令對閥門的操作來完成整個配藥和加藥的過程。(3)故障報警。PLC 和觸摸屏控制方式對變頻器、加藥泵、加水泵和攪拌機的故障狀態進行監控，一旦發現某臺設備故障，可以在觸摸屏上顯示報警信號， PLC 手動和自動兩種方式下實現聲光報警，提示值班人員的注意(4)工序監控：觸摸屏和 PLC 控制方式可以實現對所有加藥系統設備工作狀態的監控?？刂品绞侥軐崿F手動和自動兩種功能，當選擇開關為手動時，即可實現手動

45、控制功能，由人工操作控制面板上得啟、停按鈕，控制加藥泵的運行和停止，由人工在變頻器操作面板上修改變頻器的輸出頻率來控制加藥泵的轉速。當選擇自動控制方式時，控制器和變頻器自動投入運行，實現加藥的閉環調節功能。控制器根據程序發出指令，控制加藥泵得啟、停及變頻器頻率。變頻器調節加藥泵的轉速，來控制藥液的加入量，而使水質滿足生產要求。2.2 硬件設計2.2.1 主電路設計電氣配電的主要元件：QS1、QS2、QS3、QS4、QS5、QS6隔離開關FU1、FU2、FU3、FU4、FU5熔斷器FR1、FR2、FR3、FR4熱繼電器蘭州理工大學畢業設計說明書11K1變頻器故障K2、K3、K4、K5、K6中間繼

46、電器圖 2-5 控制系統的主回路示意圖主回路中交流接觸器 KM1、KM2、KM3、KM4 分別控制加水泵、變頻器、攪拌機、冷風扇；加水泵、攪拌機和冷風扇由熱繼電器 FR1、FR2、FR3 實現過載保護；QS1、QS2、QS3、QS4、QS5、QS6隔離開關用于接通三相交流電源；FU1、FU2、FU3、FU4、FU5熔斷器分別實現各負載回路的短路保護。2.2.2 PLC 控制由圖 2-6 可知，加藥泵電機在交流變頻器驅動下，將藥劑注入到液體中，藥濃度被檢測儀檢測，檢測儀將與濃度成比例的電信號輸入到調節器與設定值比較，得到偏差信號，調節器將偏差信號按工藝要求進行比例、積分運算，其運算結果信號輸送給

47、變頻器，變頻器按調節器輸出的調節信號改變電機工作電源的頻率，使電機轉速發生變化，改變注入液體中藥液濃度，使藥劑濃度控制在最佳范圍內，通過電磁閥和繼電器實現相關控制。CPU 外圍主要元件：YV1、YV2、YV3電磁閥，K2、K3、K4、K5、K6中間繼電器。蘭州理工大學畢業設計說明書12圖 2-6 自動加藥系統的 PLC 接線圖2.2.3 EM235 模擬量輸入模塊接線SIEMENS S7-200 模擬量擴展模塊 EM235 含有 4 路模擬量輸入和 1 路模擬量輸出，為 12 位數據格式，它的輸入信號可以是不同量程的電壓或電流，其電壓、電流的量程由開關 SW1SW6 設定。EM235 有 1

48、路模擬量輸出，其輸出可以是電壓或電流，其端子及接線圖如圖 2-6 所示，RA、A+、A-為第一路模擬量輸入通道端子，RB、B+、B-為第二路模擬量輸入通道端子，RC、C+、C-為第三路模擬量輸入通道端子，RC、C+、C-為第四路模擬量輸入通道端子。M0、I0 為模擬量輸出輸出端子，電壓輸出大小為-10V+10V，電流輸出大小為 020Ma,L+和 M 接 EM235 的工作電源。EM235 模塊（4 輸入、1 輸出）是高速 12 位模擬量模塊，能在 149 微妙內將模擬量轉換成相應的數字量。輸入可以是電壓信號，也可以是電流信號。一般來說，PH 值表都有 420mA 信號輸出，因此采用 420m

49、A 標準信號輸入。蘭州理工大學畢業設計說明書13圖 2-7 EM235 接線示意圖2.2.4 自動加藥裝置技術參數 檢測儀輸出信號：0lOmA，420mA，DC。 調節器輸入信號：010mA，420mA，DC。輸出信號：010mA，010V，420mA?？刂凭龋?。PI 功能：用于快速調節過程。 變頻器變頻器額定功率1.6 倍工作電機功率變頻器驅動工作電機頻率范圍：5100HZ(4 極電機)。 工作環境條件溫度40相對濕度85振動頻率25HZ振動幅度01mm周圍空氣不含灰粉和腐蝕性氣體2.2.5 系統的 PID 控制工業生產過程中，對于生產裝置的溫度、壓力、流量、液位等工藝變量常常要求維持在

50、一定的數值上，或按一定的規律變化，以滿足生產工藝的要求。PID 控制器是根據 PID 控制原理對整個控制系統進行偏差調節，從而使被控變量的實際值與工藝要求的預定值一致。不同的控制規律適用于不同的生產過程，必須合理選擇相應的控制規律，否則 PID 控制器將達不到預期的控制效果。PID 控制器（比例-積分-微分控制器），由比例單元 P、積分單元 I 和微分單元 D 組成，通過 Kp，Ki 和 Kd 三個參數蘭州理工大學畢業設計說明書14的設定來調節，PID 控制器主要適用于基本線性和動態特性不隨時間變化的系統。 PID 控制器是一個在工業控制應用中常見的 反饋回路部件，這個控制器把收集到的數據和一

51、個參考值進行比較，然后把這個差別用于計算新的輸入值，這個新的輸入值的目的是可以讓系統的數據達到或者保持在參考值。和其他簡單的控制運算不同，PID 控制器可以根據歷史數據和差別的出現率來調整輸入值，這樣可以使系統更加準確，更加穩定?？梢酝ㄟ^數學的方法證明，在其他控制方法導致系統有穩定誤差或過程反復的情況下，一個 PID 反饋回路卻可以保持系統的穩定。PID 是一種線性控制，它根據給定值 SP(t)與過程變量 PV（t）構成偏差，將偏差的比例（P） 、積分（I） 、微分（D）通過線性組合構成控制量，對被控對象進行控制。在PID 控制器算法中，比例環節反映系統的偏差信號 e(t)，偏差一旦產生，控制

52、器立即產生控制作用減少偏差，不能消除穩態偏差；積分環節用于消除偏差，提高系統的誤差度，積分作用的強弱取決于積分時間常數 T，T 越大，積分作用越弱；微分環節能反映偏差的變化趨勢，并能在偏差信號值變得太大之前，在系統中引入一個早期的修正信號，減少調節時間。微分環節的引入改善了系統的特性。1 PID 的作用如果一個 PID 回路的輸出 M 是時間 T 的函數，則可以看做事比例項、積分項和微分項三部分之和。即()=()+10() +)+CK1TdttdeTD)(0M式中，M（t）為控制器的輸出，的初始值，誤差信號 e（t）= SP(t)-PV(t) 為0 系統的輸出量，為 PID 回路增益，和分別是

53、積分時間常數和微分時間常數。本次設計采用 比例積分（PI）控制，比例控制規律是基本控制規律中最基本的、應用最普遍的一種，其最大優點就是控制及時、迅速。只要有偏差產生，控制器立即產生控制作用。但是，不能最終消除余差的缺點限制了它的單獨使用?？朔嗖畹霓k法是在比例控制的基礎上加上積分控制作用。積分控制器的輸出與輸入偏差對時間的積分成正比 ，這里的“積分”指的是“積累”的意思。積分控制器的輸出不僅與輸入偏差的大小有關，而且還與偏差存在的時間有關。只要偏差存在，輸出就會不斷累積（輸出值越來越大或越來越?。恢钡狡顬榱?，累積才會停止。所以，積分控制可以消除余差，積分控制規律又稱無差控制規律。 積分時

54、間的大小表征了積分控制作用的強弱。積分時間越小，控制作用越強；反之，控制作用越弱。積分控制雖然能消除余差，但它存在著控制不及時的缺點。因為積分輸出的累積是漸進的，其產生的控制作用總是落后于偏差的變化，不能及時有效地克服干擾的影響，難以使控制系統穩定下來。所以，實用中一般不單獨使用積分控制，而是和比例控制作用結合起來，構成比例積分控制。這樣取二者之長，互相彌補，既有蘭州理工大學畢業設計說明書15比例控制作用的迅速及時，又有積分控制作用消除余差的能力。因此，比例積分控制可以實現較為理想的過程控制 。比例積分控制器 是目前應用最為廣泛的一種控制器，多用于工業生產中液位、壓力、流量等控制系統。由于引入

55、積分作用能消除余差，彌補了純比例控制的缺陷，獲得較好的控制質量。但是積分作用的引入，會使系統穩定性變差。對于有較大慣性滯后的控制系統，要盡量避免使用。2 回路輸入量的轉換和標準化每個回路的給定與 過程變量都是實際數值，其大小、范圍和工作單位可能不同，在 PLC 在進行 PID 控制之前，必須將其轉換成標準化浮點表示法， 步驟如下：（1）將回路輸入量數值從 16 位整數轉換成 32 位浮點數或實數。（2）將實數轉換成 0.01.0 之間的標準化數值。用下式：實際數值的標準化數值 =實際數值的非標準化數值或原始實數 +偏移量，其中取值范圍=最大可能數值 -最小可能數值 =32000（單級數值）或

56、64000（雙級數值）；偏移量：對單級數值取 0.0，對雙級數值取 0.5；單級（032000），雙級（ -32000+32000）。程序執行后， PID 回路輸出 0.01.0 之間的標準化實數數值，必須被轉換成16 位成比例的整數數值，才能驅動模擬輸出。2.2.6 PID 控制器的參數整定PID 控制器的參數整定是 控制系統設計 的核心內容。它是根據被控過程的特性確定 PID 控制器的比例系數、積分時間和微分時間的大小。 PID 控制器參數整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計算整定法。它主要是依據系統的數學模型，經過理論計算確定控制器參數。這種方法所得到的計算數據未必可以直接用，還

57、必須通過工程實際進行調整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經驗，直接在控制系統的試驗中進行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。PID 控制器參數的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應曲線法和衰減法。三種方法各有其特點，其共同點都是通過試驗，然后按照工程經驗公式對控制器參數進行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數，都需要在實際運行中進行最后調整與完善?，F在一般采用的是臨界比例法 。利用該方法進行 PID 控制器參數的整定步驟如下： (1)首先預選擇一個足夠短的采樣周期讓系統工作； (2)僅加入比例控制環節，直到系統對輸入的階躍響應出現臨界振蕩， 記下這時的比例放大系數和

58、臨界振蕩周期； (3)在一定的控制度下通過公式計算得到PID 控制器的參數。在實際調試中，只能先大致設定一個經驗值，然后根據調節效果修改。對于溫度系統：P（%）20-60，I（分）3-10，D（分）0.53;對于液位系統： P（%）20-80，I（分）1-5 蘭州理工大學畢業設計說明書162.3 自動加藥系統的硬件選型2.3.1 PLC 的選型S7-200 系列可編程控制器常見的有 CPU221，CPU222，CPU224 和 CPU226 四種基本型號。CPU 226 具有更多的輸入輸出點及更大的存儲器，其輸入、輸出、CPU、電源模塊均裝設在一個基本單元的機殼內，是典型的整體式結構。當系統需

59、要擴展時，選用需要的擴展模塊與基本單元連接。底部端子蓋下是輸入量的接線端子和為傳感器提供的 24V 直流電源端子。1、CPU 226 型 PLC 的組成S7-200 系列 PLC 有 CPU21X 和 CPU22X 兩代產品，其中 CPU22X 型 CPU 有CPU221、CPU222、CPU224 和 CPU226 四種基本型號。本節以 CPU226 型 PLC 為重點，來分析一下小型 PLC 的結構特點。 小型 PLC 系統由主機（主機箱）、I/O 擴展單元、文本/圖形顯示器、編程器等組成。2、 CPU226 主機箱體的外部設有 RS485 通訊接口，用以連接編程器（手持式或 PC 機）、

60、文本/圖形顯示器、PLC 網絡等外部設備；還設有工作方式開關、模擬電位器、I/O 擴展接口、工作狀態指示和用戶程序存儲卡、I/O 接線端子排及發光指示等。（1）基本 I/O。CPU 22X 型 PLC 具有兩種不同的電源供電電壓，輸出電路分為繼電器輸出和晶體管 DC 輸出兩大類。CPU 22X 系列 PLC 可提供四個不同型號的 10 種基本單元CPU 供用戶選用，其類型及參數如表 2-8 所示。特性CPU221CPU222CPU224CPU224XPCPU226外形尺寸（mm）908062908062120.5806214080621908062程序存儲器：可在運行模式下編輯不可在運行模式下