基于PLC系統(tǒng)的鍋爐內(nèi)膽水溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1PLC構(gòu)成及WinCC的組態(tài)

采用WinCC組態(tài)技術(shù)設(shè)計(jì)多機(jī)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，核心思想是通過計(jì)算機(jī)超強(qiáng)的處理能力，以軟件實(shí)現(xiàn)實(shí)際生產(chǎn)過程變化，把傳統(tǒng)控制中進(jìn)行人工操作或數(shù)據(jù)分析與處理、數(shù)據(jù)輸出與表達(dá)的硬件，利用方便的PC機(jī)軟硬件代替。

建立WinCC組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。首先啟動WinCC，建立一個(gè)單用戶工程——添加通訊驅(qū)動程序——選擇通道單元——輸入邏輯連接名，確定與S7—300端口的通訊連接。然后在驅(qū)動程序連接下建立結(jié)構(gòu)類型和元素，給過程變量分配一個(gè)在PLC中的對應(yīng)地址〔地址類型與通訊對象相關(guān)〕，給除二進(jìn)制變量外的過程變量和內(nèi)部變量設(shè)定上限值和下限值〔當(dāng)過程值超出上限值和下限值的范圍時(shí)，數(shù)值將變?yōu)榛疑⑶也豢梢栽賹ζ溥M(jìn)行任何處理〕。

接著創(chuàng)立和編輯主導(dǎo)航畫面、單臺空壓機(jī)組態(tài)畫面、遠(yuǎn)程監(jiān)控畫面、分析診斷畫面、數(shù)據(jù)歸檔畫面、報(bào)警顯示畫面、報(bào)警在線限制值畫面、報(bào)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(tài)文本等，進(jìn)行組態(tài)變量連接、狀態(tài)顯示設(shè)置等等。

再對遠(yuǎn)程控制畫面中的啟動/停止按鈕進(jìn)行變量連接，設(shè)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(shè)置隨變量值的變化范圍而改變顏色的比功率棒圖進(jìn)行故障診斷分析；通過對過程值的歸檔，建立歷史和當(dāng)前的表格與曲線兩種狀態(tài)的監(jiān)控界面；利用報(bào)警和報(bào)表打印等，實(shí)現(xiàn)信息上報(bào)、及時(shí)反應(yīng)的功能，實(shí)現(xiàn)最正確的生產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)測控制。還可通過用戶管理權(quán)限的設(shè)置，為不同級別的用戶設(shè)置權(quán)限和等待空閑時(shí)間，以更好地平安防護(hù)。

PLC控制柜的組成

(1)電源局部(2)CPU模塊

西門子S7-300PLC，型號為CPU315-2DP，它集成了MPI接口，可以很方便的在PLC站點(diǎn)、操作站OS、編程器PG、操作員面板建立較小規(guī)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(jié)構(gòu)。

工作電壓:DC24V;通訊方式:CP5611網(wǎng)卡進(jìn)行通訊;通訊協(xié)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(guī)格:AI8×16bit;

(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(zhí)行機(jī)構(gòu)。規(guī)格:AO4×12bit(5)數(shù)字量模塊

本系統(tǒng)采用西門子SM323-1BH01-0AA0數(shù)字量模塊，該模塊集成了8路數(shù)字量輸入通道和8路數(shù)字量輸出通道。鍋爐內(nèi)膽水溫控制系統(tǒng)沒用到此模塊，但在硬件組態(tài)時(shí)需編入硬件組態(tài)。

基于PLC的鍋爐內(nèi)膽水溫控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

參見圖1，系統(tǒng)控制過程為:在鍋爐內(nèi)膽溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)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(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)量程的電壓信號，然后送給PLC的模擬量輸入模塊，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后得到與溫度成比例的數(shù)字量，CPU將它與溫度給定值比擬，并按PID控制算法對誤差值進(jìn)行運(yùn)算，將運(yùn)算結(jié)果(數(shù)字量)送給PLC的模擬量輸出模塊，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后變?yōu)殡娏餍盘?，用來控制三相可控硅移相調(diào)壓裝置的導(dǎo)通角大小，通過它控制電加熱管兩端的電壓，實(shí)現(xiàn)對溫度的閉環(huán)控制。圖1基于PLC的鍋爐內(nèi)膽水溫控制系統(tǒng)方框圖設(shè)計(jì)所需要的過程控制系統(tǒng)為AE2000A型過程控制實(shí)驗(yàn)裝置，如圖2所示。圖2過程控制實(shí)驗(yàn)裝置概貌2鍋爐內(nèi)膽水溫控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

PLC的硬件組態(tài)控制程序設(shè)計(jì)

PLC的硬件組態(tài)。STEP7是西門子公司針對S7系列PLC所開發(fā)的一款編程軟件，可以通過MPI接口實(shí)現(xiàn)PC和PLC之間的通訊，并在PC上對PLC下載和上載程序。進(jìn)行組態(tài)，組態(tài)結(jié)束后，在CPU為‘STOP’模式下點(diǎn)擊，將PLC的硬件組態(tài)下載到PLC中。

組態(tài)結(jié)果如圖3所示。圖3硬件組態(tài)結(jié)果PLC的控制程序設(shè)計(jì)

(1)在“Blocks〞中添加所需編程模塊，進(jìn)行編程。設(shè)計(jì)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(chuàng)立“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為‘QW16’。其余為創(chuàng)立模塊后系統(tǒng)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。

●翻開組織塊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●翻開組織塊OB35，在OB35中編寫‘鍋爐內(nèi)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(nèi)膽水溫PID控制梯形圖●編好程序后，鼠標(biāo)點(diǎn)擊將各個(gè)塊的程序下載到PLC中;

●將PLC置于RUN模式，運(yùn)行程序。

(4)程序設(shè)計(jì)祥解

圖7中所示的程序在本設(shè)計(jì)中不是重點(diǎn)，鍋爐夾套溫度的采集主要是一個(gè)參考，水循環(huán)通路就是經(jīng)過夾套來給內(nèi)膽降溫，當(dāng)夾套溫度高說明水循環(huán)中的水溫高了，對內(nèi)膽的降溫效果變差。網(wǎng)絡(luò)1(‘Network1’)主要作用是將讀入的整型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成浮點(diǎn)數(shù)格式的數(shù)據(jù)，“AI3〞對應(yīng)于模擬量輸入模塊中的地址為‘IW4’，先將模擬量轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量存入雙字格式的PLC的位存儲MD20，然后經(jīng)過一個(gè)整型轉(zhuǎn)換成浮點(diǎn)型的塊‘DI_R’將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成浮點(diǎn)數(shù)，且將數(shù)據(jù)保存在MD24中?！甆etwork1’對應(yīng)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(yīng)的語句表程序:網(wǎng)絡(luò)2(‘Network2’)主要作用是將對應(yīng)的浮點(diǎn)數(shù)格式的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，公式為:MD32中的數(shù)據(jù)=MD24中的數(shù)據(jù)*(100/27648)。其中塊“MUL_R〞用于浮點(diǎn)數(shù)的乘法運(yùn)算，‘DIV_R’用于浮點(diǎn)數(shù)的除法運(yùn)算?！甆etwork2’對應(yīng)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?yàn)楸驹O(shè)計(jì)的主要程序，用于實(shí)現(xiàn)對鍋爐內(nèi)膽水溫的PID控制。網(wǎng)絡(luò)1(‘Network1’)主要用于啟停PID控制模塊FB41，DB1.DBX0.0是個(gè)控制位，在Wincc組態(tài)軟件中定義為一個(gè)過程二進(jìn)制變量，用于控制網(wǎng)絡(luò)1的“通和斷〞。網(wǎng)絡(luò)1對應(yīng)的STL程序?yàn)?

Network1:啟停PID模塊

A//置1，啟動PID程序

JNB_001//置0，等待

CALL"CONT_C",DB41//調(diào)用PID功能模塊

COM_RST:=

//當(dāng)為TURE時(shí)，初始化

MAN_ON:=

//為1時(shí)手動值被設(shè)置為操作值

PVPER_ON:=TRUE//TURE使用外圍設(shè)備輸入的過程變量接通

P_SEL:=

//為1時(shí)翻開比例(P)操作

I_SEL:=

//為1時(shí)翻開積分(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(shí)翻開微分(D)操作

CYCLE:=//采樣時(shí)間

SP_INT:=//內(nèi)部設(shè)定值輸入

PV_IN:=

//浮點(diǎn)格式的過程變量輸入

PV_PER:="AI1"http://外設(shè)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

TI:=//積分時(shí)間輸入

TD:=//微分時(shí)間輸入

TM_LAG:=

//微分操作的延遲時(shí)間輸入

DEADB_W:=//死區(qū)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(shù)

PV_OFF:=//輸入過程變量的偏移量

LMN_FAC:=//控制器輸出量的系數(shù)

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(diǎn)格式的控制器輸出值

LMN_PER:="AQ1"http://I/O格式的控制器輸出值

QLMN_HLM:=

//控制器輸出超出上限

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(qū)處理后的誤差輸出

_001:NOP0

網(wǎng)絡(luò)2(‘Network2’)用于控制模擬量輸出模塊的輸出映像區(qū)地址QW16中的內(nèi)容是否清零，在PID模塊FB41停止工作時(shí)，同時(shí)將模擬量輸出清零。網(wǎng)絡(luò)2對應(yīng)的STL程序?yàn)?

Network2:模擬量輸出清零

AN//置1，等待

JNB_002//置0，將QW16中的內(nèi)容清零

L0

T"AQ1"

_002:NOP0

監(jiān)控畫面的設(shè)計(jì)

WinCC是西門子公司開發(fā)的上位機(jī)組態(tài)軟件，通過WinCC可以與STEP7通訊，對控制對象進(jìn)行遠(yuǎn)程檢測和控制。監(jiān)控設(shè)計(jì)畫面如圖9所示。腳本程序編輯如圖10所示。圖9鍋爐內(nèi)膽溫度控制監(jiān)控畫面圖10腳本程序編輯組態(tài)界面設(shè)計(jì)完畢，保存并激活WINCC，運(yùn)行工程，可以查看變量曲線的變化，通過對PID相應(yīng)控制參數(shù)的設(shè)定，就可以讓測量值跟蹤設(shè)定值，到達(dá)PID控制的目的，實(shí)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)上對控制對象的監(jiān)控。3基于PLC的鍋爐內(nèi)膽水溫控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

鍋爐內(nèi)膽對象特性曲線測試及對象數(shù)學(xué)模型的建立

在監(jiān)控畫面運(yùn)行時(shí)按下‘手動’按鈕，在靜態(tài)文本‘輸出值(OP)’下將出現(xiàn)一個(gè)‘輸入/輸出域’，其對應(yīng)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(shí)相當(dāng)于關(guān)斷電加熱管，輸入100時(shí)相當(dāng)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特性曲線之二建立被控對象的數(shù)學(xué)模型

(1)從圖10中的特性曲線一得:τ=22s，T=397.5s;

溫度初始值為c(0)=40℃℃，即c(∞℃，那么增益K為:那么此時(shí)的對象數(shù)學(xué)模型為:(2)從圖11中的特性曲線二得:τ=11s，T=393.7s;

溫度初始值為c(0)=40℃℃，即c(∞℃，那么增益K為:那么此時(shí)的對象數(shù)學(xué)模型為:(3)分析:從以上兩組數(shù)據(jù)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(shí)間的影響較大，其余參數(shù)影響不是很大，從而可知當(dāng)電加熱管兩端的電壓加大時(shí)，控制對象的延遲時(shí)間減小，且加溫速度也增加，最后的穩(wěn)定值c(∞)也相應(yīng)的增加。

(4)確定最終的對象數(shù)學(xué)模型:對以上所得兩組數(shù)據(jù)中的三個(gè)參數(shù)取平均值得:

，，得到最終的對象數(shù)學(xué)模型為:整定PID控制器的初始參數(shù)

用以上得出的三個(gè)參數(shù):τ=16.5s，T=395.6s,K=53.0。用PID控制方式得到PID控制器的參數(shù)初值如下:;

;

;

。

以上4個(gè)參數(shù)只能作為初步的參考值，為了獲得良好的控制效果，還需要作閉環(huán)調(diào)試，根據(jù)閉環(huán)階躍響應(yīng)的特征，反復(fù)修改控制參數(shù)，使系統(tǒng)到達(dá)相對最正確的控制效果。以下是用試湊法來確定最終的PID參數(shù)，跟以上參數(shù)有一定出入,但效果較好。

鍋爐內(nèi)膽水溫PID控制和分析

(1)P調(diào)節(jié)與分析

在監(jiān)控畫面中，將控制器設(shè)為‘自動’模式，且‘比例作用開關(guān)’設(shè)置為‘1’、‘積分作用開關(guān)’設(shè)置為‘0’、‘微分作用開關(guān)’設(shè)置為‘0’，此時(shí)就成了P調(diào)節(jié)器。

℃，設(shè)定值設(shè)為30℃。所得曲線如圖13所示。其中曲線①即為水溫測量值曲線;曲線②為給定值曲線;曲線③為控制器的輸出值曲線。圖13P調(diào)節(jié)分析:KP=5時(shí)，水溫上升速度慢，即控制系統(tǒng)的動作緩慢，且穩(wěn)態(tài)誤差大，最小的穩(wěn)態(tài)誤差也有2℃℃℃℃℃℃。所以KP不能太小，也不能太大。動態(tài)時(shí):假設(shè)KP偏大，那么振蕩次數(shù)加多，調(diào)節(jié)時(shí)間加長。當(dāng)KP太大時(shí)，系統(tǒng)會趨于不穩(wěn)定。假設(shè)KP太小，又會使系統(tǒng)的動作緩慢。穩(wěn)態(tài)時(shí):加大KP，可以減小穩(wěn)態(tài)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(wěn)態(tài)誤差。

(2)PI調(diào)節(jié)與分析

在監(jiān)控畫面中，將控制器設(shè)為‘自動’模式，且‘比例作用開關(guān)’設(shè)為‘1’、‘積分作用開關(guān)’設(shè)為‘1’、‘微分作用開關(guān)’設(shè)為‘0’，此時(shí)就成了PI調(diào)節(jié)器。

℃，設(shè)定值設(shè)為35℃，KP=30.0，TI=999999ms。所得曲線如圖14所示。其中曲線①即為水溫測量值曲線;曲線②為給定值曲線;曲線③為控制器的輸出值曲線。圖14PI調(diào)節(jié)(1)

℃，設(shè)定值設(shè)為37℃，KP=30.0，TI=500000ms。所得曲線如圖15所示。其中曲線①即為水溫測量值曲線;曲線②為給定值曲線;曲線③為控制器的輸出值曲線。圖15PI調(diào)節(jié)(2)分析:對于圖14，此時(shí)超調(diào)量為，系統(tǒng)能慢慢趨于穩(wěn)定，穩(wěn)態(tài)誤差≤℃。調(diào)節(jié)時(shí)間稍微長了點(diǎn)，這是因?yàn)槲⒎肿饔脹]加，相當(dāng)于0，而微分太小會使超調(diào)量增加，調(diào)節(jié)時(shí)間也增長。對于圖14，此時(shí)超調(diào)量為，比TI=999999ms時(shí)的超調(diào)大，系統(tǒng)不是很穩(wěn)定，系統(tǒng)振蕩次數(shù)多。因?yàn)閺拈_環(huán)對象特性中看出，對象具有一定的積分特性，所以當(dāng)使控制器的TI=500000ms時(shí)，反而使積分作用更強(qiáng)，因此出現(xiàn)了振蕩現(xiàn)象。

(3)PID調(diào)節(jié)與分析

在監(jiān)控畫面中，將控制器設(shè)為‘自動’模式，且‘比例作用開關(guān)’設(shè)置為‘1’、‘積分作用開關(guān)’設(shè)置為‘1’、‘微分作用開關(guān)’設(shè)置為‘1’，此時(shí)就成了PID調(diào)節(jié)器。

℃，設(shè)定值設(shè)為40℃，PID三參數(shù)為5.2節(jié)中整定出來的初始參數(shù)即:KP=27.6，TI=33000ms，TD=7400ms。所得曲線如圖16所示。其中曲線①即為水溫測量值曲線;曲線②為給定值曲線;曲線③為控制器的輸出值曲線。圖16PID調(diào)節(jié)(1)

℃，設(shè)定值設(shè)為40℃，KP=40.0，TI=999999ms，TD=20000ms。所得曲線如圖17所示。其中曲線①即為水溫測量值曲線;曲線②為給定值曲線;曲線③為控制器的輸出值曲線。圖17PID調(diào)節(jié)(2)

℃，設(shè)定值設(shè)為50℃，KP=45.0，TI=950000ms，TD=48000ms。所得曲線如圖18所示。其中曲線①即為水溫測量值曲線;曲線②為給定值曲線;曲線③為控制器的輸出值曲線。圖18PID調(diào)節(jié)(3)分析:對于圖16，所用的PID三個(gè)參數(shù)是通過擴(kuò)充響應(yīng)曲線法整定得到的參數(shù)?？梢姶藭r(shí)的控制效果很差，系統(tǒng)處于振蕩，且不可能穩(wěn)定。

對于圖17，是采用試湊法測量到的曲線，可見系統(tǒng)根本趨于穩(wěn)定，只是調(diào)節(jié)時(shí)間略微長一些，但比圖15中的調(diào)節(jié)時(shí)間短，這就是加了微分后的效果;穩(wěn)定時(shí)有小幅波動，但能控制在±℃之內(nèi);此時(shí)的超調(diào)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(tǒng)趨于穩(wěn)定，調(diào)節(jié)時(shí)間短，穩(wěn)定時(shí)波動少，最大幅度只有±℃;而且超調(diào)量也減小為:所以通過擴(kuò)充響應(yīng)曲線法整定的參數(shù)只能作為初步的參考值，而要想獲得良好的控制效果，還需要反復(fù)修改控制參數(shù)，使用試湊法才能使系統(tǒng)到達(dá)相對最正確的控制效果。

水循環(huán)對系統(tǒng)性能的影響

通過以下實(shí)驗(yàn)所得曲線來說明水循環(huán)對系統(tǒng)性能的影響，且P、I、D各參數(shù)的整定值都為如圖19所示。圖19PID參數(shù)整定表(1)水循環(huán)在升溫過程中對系統(tǒng)性能的影響

有水循環(huán)時(shí):將鍋爐內(nèi)膽水溫從36℃加熱到50℃，即在水溫穩(wěn)定在36℃時(shí)，將PID控制器的設(shè)定值設(shè)為50℃，那么電加熱管開始加熱直到50℃為止。實(shí)驗(yàn)所得曲線如圖20所示。此時(shí)系統(tǒng)根本穩(wěn)定，穩(wěn)定后的偏差在±℃以內(nèi)，有波動是因?yàn)镵P取值太大的緣故，使得調(diào)節(jié)器動作太靈敏;調(diào)節(jié)時(shí)間短，超調(diào)量為:圖20有水循環(huán)時(shí)的升溫過程曲線無水循環(huán)時(shí):也將鍋爐內(nèi)膽水溫從36℃加熱到50℃，實(shí)驗(yàn)所得曲線如圖21所示?？梢姛o水循環(huán)時(shí)不是很穩(wěn)定，調(diào)節(jié)時(shí)間增加，且超調(diào)也有所增加為:圖21為無水循環(huán)時(shí)的升溫過程曲線。圖21無水循環(huán)時(shí)的升溫過程曲線(2)水循環(huán)在降溫過程中對系統(tǒng)性能的影響

有水循環(huán)時(shí):內(nèi)膽水溫從50℃降到36℃，即在水溫穩(wěn)定在50℃時(shí)，將控制器的設(shè)定值設(shè)為36℃，那么控制器輸出為0，電加熱管停止加熱。實(shí)