基于MCGS的鍋爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、 西南科技大學(xué)專(zhuān)業(yè)方向設(shè)計(jì)報(bào)告課程名稱(chēng)： 自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)方向設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)名稱(chēng)：基于mcgs的鍋爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 姓 名： 趙xx 學(xué) 號(hào): 2010xx 班 級(jí)： 自動(dòng)10xx班 指導(dǎo)教師： 王順利 起止日期： 2013.10.202013.11.15 西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院制21方 向 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書(shū)學(xué)生班級(jí)： 自動(dòng)10xx班 學(xué)生姓名： 趙xx 學(xué)號(hào)： 2010xxxx 設(shè)計(jì)名稱(chēng)： 基于mcgs的鍋爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 起止日期： 2013.10.202013.11.15 指導(dǎo)教師： 王順利 設(shè)計(jì)要求：（指導(dǎo)教師給出的具體設(shè)計(jì)要求） 采用北京昆侖公司的mcgs工業(yè)控制組態(tài)軟件，通過(guò)rs23

2、2/ rs485 轉(zhuǎn)換器使pc 機(jī)與選定下位機(jī)（plc）進(jìn)行通信。能夠完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)處理、報(bào)警和安全機(jī)制、工藝過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控、趨勢(shì)曲線等功能。分析相關(guān)控制參數(shù)并設(shè)置的整個(gè)控制系統(tǒng)。1、 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)1） 設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)；2） 針對(duì)具體的相關(guān)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)對(duì)相關(guān)器件進(jìn)行選型，要求測(cè)溫范圍為0-100，選擇合適類(lèi)型的檢測(cè)元件；3） 根據(jù)要求繪制系統(tǒng)控制流程圖。2、 程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)控制程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)鍋爐溫度控制并進(jìn)行模擬顯示，有效考慮反饋調(diào)節(jié)。3、 課程設(shè)計(jì)論文應(yīng)完成的工作論文摘要，中英文均要求。關(guān)鍵詞（35個(gè)），中英文關(guān)鍵詞。前言、 方案論證及方案選擇、系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計(jì)或

3、實(shí)驗(yàn)?zāi)M分析、調(diào)試及結(jié)論、致謝、參考文獻(xiàn)方 向 設(shè) 計(jì) 學(xué) 生 日 志時(shí)間設(shè)計(jì)內(nèi)容2013.10.202013.10.25查閱mcgs相關(guān)資料，了解mcgs基本操作及如何與plc通信2013.10.252013.10.27對(duì)plc、mcgs、傳感器、可控硅執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析2013.10.272013.10.29進(jìn)行系統(tǒng)硬件連接2013.10.292013.11.02測(cè)試傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)是否正常，有無(wú)偏差2013.11.022013.11.04編寫(xiě)程序2013.11.042013.11.06整定參數(shù)2013.11.062013.11.08整理資料，編寫(xiě)設(shè)計(jì)報(bào)告 基于mcgs的鍋爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4、 摘要：鍋爐是工業(yè)生產(chǎn)中主要的供熱設(shè)備。電力、機(jī)械、冶金、化工、民用都需要鍋爐提供熱量，但是根據(jù)行業(yè)的不同，對(duì)鍋爐的大小規(guī)模不盡相同。作為重要的工業(yè)設(shè)備，在保證其安全和穩(wěn)定運(yùn)行的情況下則應(yīng)考慮其自動(dòng)生產(chǎn)，提高自動(dòng)運(yùn)行能力及工作效率。本設(shè)計(jì)基于ae2000b實(shí)驗(yàn)設(shè)備上模擬現(xiàn)場(chǎng)鍋爐溫度控制系統(tǒng)，通過(guò)西門(mén)子s7-200 plc作為控制器，mcgs作為上位機(jī)，通過(guò)通信鏈接對(duì)鍋爐溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)設(shè)計(jì)系列聯(lián)鎖，保證系統(tǒng)安全運(yùn)行。關(guān)鍵詞: 鍋爐 溫度 ae2000b plc mcgsbased on the mcgs boiler temperature control system designab

5、stract：the boiler is the main heating equipment in the industrial manufacture. the electric power, the machinery, the metallurgical industry ,the chemical industry and the civil all need the heat the boiler offers. however, according to different industries, the size of the boiler varies from one to

6、 another. as an important industrial equipment, if we could ensure its safe and stable operation ,we should consider its automatic production and improve the automatic ability and its working efficiency. this design is based on ae2000b experimental device to simulate the spot boiler temperature cont

7、rol system by using the siemens s7-200 plc as the controller and the mcgs as upper machine. meanwhile, the communication link will supervise the boiler temperature timely and the interlocking series will guarantee the safe operation of the system.keywords: boiler temperature ae2000b plc mcgs1 設(shè)計(jì)目的和意

8、義鍋爐生產(chǎn)在國(guó)民是工業(yè)中占據(jù)著重要的地位，早期的鍋爐自動(dòng)化程度很低，監(jiān)控系統(tǒng)不完善，導(dǎo)致系統(tǒng)故障不斷，但是鍋爐因?yàn)檫m合各種行業(yè)仍然被廣泛使用，鍋爐的廣泛使用使鍋爐現(xiàn)代化成為必然。鍋爐現(xiàn)代化的管理不但需要安全、高度自動(dòng)化的控制方案，還需要考慮高效、節(jié)能、環(huán)保等方面的因素。所以對(duì)于鍋爐的自動(dòng)運(yùn)行這一方面還需要我們做控制的人不斷的研究和探索，力爭(zhēng)將鍋爐實(shí)際運(yùn)行生產(chǎn)達(dá)到安全、高效的高度。本設(shè)計(jì)通過(guò)用plc作為控制器，pid算法作為靈魂，對(duì)鍋爐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，力爭(zhēng)使鍋爐控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、檢修維護(hù)方便快捷、可靠性提高，同時(shí)增強(qiáng)控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性，使鍋爐控制系統(tǒng)的先進(jìn)性整體提升。2 控制要求采用

9、北京昆侖公司的mcgs工業(yè)控制組態(tài)軟件，通過(guò)rs232/ rs485 轉(zhuǎn)換器使pc 機(jī)與選定下位機(jī)（plc）進(jìn)行通信。能夠完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)處理、報(bào)警和安全機(jī)制、工藝過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控、趨勢(shì)曲線等功能。分析相關(guān)控制參數(shù)并設(shè)置的整個(gè)控制系統(tǒng)。3 設(shè)計(jì)方案論證3.1鍋爐部分分析構(gòu)成鍋爐的溫度控制方法有很多種，但基本都是基于鍋爐的給熱量和散熱量平衡的關(guān)系來(lái)確定的，當(dāng)給熱量和散熱量平衡時(shí)爐溫保持在給定的范圍內(nèi)。當(dāng)某種因素出現(xiàn)變動(dòng)時(shí)，從溫度傳感器采集的實(shí)際溫度與給定溫度進(jìn)行比較，得到兩者的差值，即偏差?？刂破鞲鶕?jù)實(shí)際偏差值的具體情況按照指定規(guī)律發(fā)出相應(yīng)信號(hào)，控制被控量的大小，使溫度恢復(fù)到給定值的

10、范圍內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的自動(dòng)控制。根據(jù)不同類(lèi)型的鍋爐以及現(xiàn)場(chǎng)的具體情況有不同的控制方法。從用途就可分為生活鍋爐、工業(yè)鍋爐、電站鍋爐。生活鍋爐主要是在低壓情況下運(yùn)行，為日常生活提供熱水，亦可稱(chēng)為熱水鍋爐，本設(shè)計(jì)即為此類(lèi)鍋爐的縮影；工業(yè)鍋爐基本在高壓下進(jìn)行生產(chǎn)，其需要提供大量熱量；電站鍋爐主要是將水加熱到高溫高壓的蒸汽狀態(tài)，從而驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)，進(jìn)行發(fā)電，亦可成為蒸汽鍋爐。另一方面主要從燃料的角度區(qū)分鍋爐，主要有燃煤鍋爐、燃油鍋爐、 燃?xì)忮仩t、電加熱鍋爐等?；谌济骸⑷加?、燃?xì)獾娜?lèi)鍋爐均需要空氣做助燃劑，當(dāng)燃料與空氣的比值適合時(shí)才能發(fā)揮最大的能效，因此此類(lèi)控制系統(tǒng)必然會(huì)用到比值控制等復(fù)雜算法，同時(shí)燃燒

11、的過(guò)程復(fù)雜、干擾多，還需要對(duì)煙氣含氧量、爐膛火焰等情況進(jìn)行監(jiān)控，故而此類(lèi)燃燒方式的鍋爐大多需要復(fù)雜、精確地設(shè)計(jì)、調(diào)試驗(yàn)證及試運(yùn)行后才能投入到現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)中；電加熱鍋爐因?yàn)槠涮峁┠芰糠绞絾我?，調(diào)節(jié)加熱器的電流或者電壓大小即可對(duì)爐溫進(jìn)行控制，同時(shí)延遲不大，能源使用率較高等因素被受親睞，但是其能提供的能量較少因此使用的規(guī)模不大。 表1 不同燃料的鍋爐性能分析燃煤鍋爐燃?xì)忮仩t燃油鍋爐電加熱鍋爐鍋爐效率80%以下90%85%100%助燃劑空氣空氣空氣無(wú) 備注技術(shù)成熟、首次投資小、煙氣污染大但是提供能量多，適合電廠蒸汽鍋爐等規(guī)模較大場(chǎng)合技術(shù)成熟、天然氣需要儲(chǔ)罐或者管道運(yùn)輸、燃料成本高技術(shù)成熟、重油需儲(chǔ)罐、煙氣

12、需要脫硫、燃料成本高供熱較小、無(wú)污染、適合小規(guī)模場(chǎng)合使用基于實(shí)際條件及控制要求，本設(shè)計(jì)選擇在ae2000b型實(shí)驗(yàn)裝置下的電加熱型熱水鍋爐作為對(duì)象。ae2000b型過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置是浙大中控根據(jù)工業(yè)自動(dòng)化及相關(guān)專(zhuān)業(yè)教學(xué)特點(diǎn)，吸取了國(guó)外同類(lèi)實(shí)驗(yàn)裝置的特點(diǎn)和長(zhǎng)處，并與目前大型工業(yè)自動(dòng)化現(xiàn)場(chǎng)緊密聯(lián)系，采用了工業(yè)上廣泛使用并處于領(lǐng)先的ai智能儀表加組態(tài)軟件控制系統(tǒng)、dcs(分布式集散控制系統(tǒng))，經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，多次實(shí)驗(yàn)和反復(fù)論證，推出的一套基于本科，著重于研究生教學(xué)、學(xué)科基地建設(shè)的實(shí)驗(yàn)設(shè) 備。ae2000型過(guò)程實(shí)驗(yàn)裝置的檢測(cè)信號(hào)、控制信號(hào)及被控信號(hào)均采用ice標(biāo)準(zhǔn)，即電壓15v、電流420ma。3.2控制

13、器分析由于實(shí)際的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)情況復(fù)雜，干擾較多，因此在控制器方面因選擇抗干擾能力強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定的控制器，綜合單片機(jī)、plc等控制器的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)選擇西門(mén)子s7-200型plc作為控制器。常用的西門(mén)子s7-200系列的plc有224或226，本次設(shè)計(jì)選用224作為控制器。西門(mén)子s7-200系列plc作為西門(mén)子推出的小型plc，擁有體積小、通訊開(kāi)放、程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器較大、集成的rs485接口、擴(kuò)展性良好、指令功能強(qiáng)大等特點(diǎn)，被廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的小規(guī)?？刂葡到y(tǒng)。表2 控制器選型分析單片機(jī)plc價(jià)格 便宜貴功能隨意開(kāi)發(fā)部分受限穩(wěn)定性相對(duì)較差好 其他學(xué)習(xí)相對(duì)復(fù)雜、抗干擾能力弱、造價(jià)低學(xué)習(xí)簡(jiǎn)單、工程造價(jià)高、

14、抗干擾能力強(qiáng)、可靠 3.3組態(tài)軟件分析組態(tài)軟件在國(guó)內(nèi)是一個(gè)約定俗成的概念，并沒(méi)有明確的定義，它可以理解為“組態(tài)式監(jiān)控軟件”。是指用戶通過(guò)類(lèi)似“搭積木”的簡(jiǎn)單方式來(lái)完成自己所需要的軟件功能，而不需要編寫(xiě)計(jì)算機(jī)程序，也就是所謂的“組態(tài)”。組態(tài)軟件，又稱(chēng)組態(tài)監(jiān)控軟件系統(tǒng)軟件。它是指一些數(shù)據(jù)采集與過(guò)程控制的專(zhuān)用軟件。它們處在自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級(jí)的軟件平臺(tái)和開(kāi)發(fā)環(huán)境，使用靈活的組態(tài)方式，為用戶提供快速構(gòu)建工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的、通用層次的軟件工具。組態(tài)軟件的應(yīng)用領(lǐng)域很廣，可以應(yīng)用于電力系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、石油、化工等領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制以及過(guò)程控制等諸多領(lǐng)域。 目前常用的組態(tài)軟件有西門(mén)子的winc

15、c、北京昆侖的mcgs、亞控的組態(tài)王、北京三維的力控，國(guó)外的組態(tài)軟件大多只針對(duì)自己的plc，而國(guó)內(nèi)的組態(tài)軟件基本能與幾大主流的plc進(jìn)行配合使用。表3 主要組態(tài)軟件情況對(duì)比winccmcgs組態(tài)王力控所屬公司西門(mén)子北京昆侖亞控科技北京三維屬性國(guó)際產(chǎn)品國(guó)內(nèi)產(chǎn)品國(guó)內(nèi)產(chǎn)品國(guó)內(nèi)產(chǎn)品知名度 較早出現(xiàn)國(guó)內(nèi)組態(tài)第二品牌國(guó)內(nèi)最早，裝機(jī)量最多的組態(tài)軟件近幾年發(fā)展的產(chǎn)品兼容性支持西門(mén)子產(chǎn)品兼容性強(qiáng)兼容性強(qiáng)兼容性強(qiáng)其他軟件加密不夠嚴(yán)密，國(guó)內(nèi)盜版多基于vb開(kāi)發(fā)、效率較低、系統(tǒng)穩(wěn)定性差國(guó)外組態(tài)軟件的替代品，多用于需求較大場(chǎng)合系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定、驅(qū)動(dòng)比較完善、推廣和售后都較好本設(shè)計(jì)選擇北京昆侖的組態(tài)軟件mcgs作為上位機(jī)，mc

16、gs是一套用于快速構(gòu)造和生成計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件。它能夠在基于microsoft 的各種32 位windows 平臺(tái)上運(yùn)行，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集處理,以動(dòng)畫(huà)顯示、報(bào)警處理、流程控制和報(bào)表輸出等多種方式向用戶提供解決實(shí)際工程問(wèn)題的方案,在自動(dòng)化領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)使用西門(mén)子s7-200型plc作為控制器，北京昆侖的組態(tài)軟件mcgs作為上位機(jī)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)溫度傳感器進(jìn)行溫度采集，使用可控硅調(diào)節(jié)加熱器兩端電壓等系列方法控制加熱效果，達(dá)到控制的所需要的工藝要求。目的在于設(shè)計(jì)過(guò)程中能夠了解s7-200 plc是如何被運(yùn)用于工業(yè)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程的，解決工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)干擾多、情況復(fù)雜等情況下大多數(shù)控

17、制器不穩(wěn)定的問(wèn)題。通過(guò)在上位機(jī)上動(dòng)手操作和觀察，實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控鍋爐內(nèi)水溫的具體情況，并得到完整的爐溫實(shí)時(shí)曲線。同時(shí)監(jiān)控工藝運(yùn)行時(shí)是否正常，達(dá)到安全生產(chǎn)的目的。4.1 工藝分析所選被控對(duì)象是常見(jiàn)的電加熱鍋爐，通過(guò)電加熱棒與待加熱液體直接進(jìn)行熱傳遞，將一定量的液體加熱到工藝要求的溫度。圖 1 鍋爐加熱系統(tǒng)流程圖待加熱液體由丹麥泵直接抽到鍋爐中，同時(shí)輸送管道上面有電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，鍋爐內(nèi)部也有液位傳感器，傳感器與電動(dòng)調(diào)節(jié)閥形成閉環(huán)控制回路，保證鍋爐內(nèi)部液體穩(wěn)定，同時(shí)在程序內(nèi)設(shè)定液位上下限，保證鍋爐內(nèi)運(yùn)行安全。在鍋爐內(nèi)有電加熱棒并通過(guò)單相scr可控調(diào)壓裝置控制其輸出電壓，同時(shí)鍋爐內(nèi)有溫度檢測(cè)裝置，兩者與控制器

18、plc構(gòu)成閉環(huán)控制回路，達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的目的。在本設(shè)計(jì)中要求控制鍋爐溫度，故而對(duì)于液位部分只檢測(cè)鍋爐內(nèi)有無(wú)液體，將此液位作為參考值，在安全控制方面作為液位上、下限的報(bào)警值。4.2 硬件選型本設(shè)計(jì)主要選擇控制器、加熱裝置、溫度檢測(cè)裝置、上位機(jī)選型等?？刂破鬟x擇西門(mén)子s7-200系列plc，型號(hào)為224；加熱裝置為電加熱棒，可控硅調(diào)節(jié)其端電壓，調(diào)壓范圍為0220v；溫度檢測(cè)裝置選擇鉑熱電阻pt100，其溫度測(cè)量范圍為0100。4.3 硬件連接及i/o分配鍋爐溫度控制系統(tǒng)主要有溫度傳感器、變送器、控制器plc、帶mcgs的pc機(jī)作為上位機(jī)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)可控硅調(diào)壓電路等構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖2。 圖2 鍋爐溫度控

19、制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 計(jì)算機(jī)上裝有mcgs可作為上位機(jī)，同時(shí)計(jì)算機(jī)通過(guò)pc/ppi電纜通過(guò)rs485通信與plc進(jìn)行通訊，西門(mén)子s7-200 plc與模擬量模塊em235安裝在同一導(dǎo)軌上，plc的cpu模塊224有24個(gè)i/o接口，其中有14個(gè)輸入端、10個(gè)輸出端，輸入端口外接開(kāi)始按鈕、停止按鈕、急停按鈕，輸出端口外接工作指示燈、報(bào)警指示燈、正在加熱指示燈，模擬量模塊em235有4路模擬量輸入端口、1路模擬量輸出端口，其中模擬量輸入端口根據(jù)外接電路的接法不同可以分為15v電壓型和420ma電流型，模擬量輸出端可選擇v或者i來(lái)確定需要電流輸出還是電壓輸出。本設(shè)計(jì)選擇3路數(shù)字量輸入、2路數(shù)字量輸出、1路模

20、擬量標(biāo)準(zhǔn)電流輸入、1路數(shù)字量標(biāo)準(zhǔn)電流輸出，其具體分配情況見(jiàn)表4。表4 plc硬件連接情況及i/o分配名稱(chēng)類(lèi)型地址備注開(kāi)始按鈕數(shù)字量（bool）i0.0停止按鈕數(shù)字量（bool）i0.1常閉急停按鈕數(shù)字量（bool）i0.2常閉工作指示數(shù)字量（bool）m0.0/q0.0中間繼電器/輸出繼電器報(bào)警指示數(shù)字量（bool）m1.0/q0.1中間繼電器/輸出繼電器加熱指示數(shù)字量（bool）m1.1/q0.2中間繼電器/輸出繼電器溫度采集模擬量（420ma）aiw0電流接法可控硅輸出模擬量（420ma）aqw0電流接法溫度實(shí)時(shí)值vd14比例參數(shù)設(shè)定vd132積分參數(shù)設(shè)定vd140微分參數(shù)設(shè)定vd144溫

21、度設(shè)定值vd250可控硅端電壓vd320硬件連線主要有溫度變送器的接線與plc的接線、可控硅與plc的接線。溫度變送器pt100與plc的接線如圖3。圖3 溫度變送器與plc連接可控硅與電加熱棒構(gòu)成一個(gè)電壓可調(diào)的模塊，通過(guò)調(diào)節(jié)給到電熱棒兩端的電壓大小來(lái)改變電加熱棒對(duì)鍋爐內(nèi)液體供熱的大小，從而達(dá)到加熱的目的，單相scr可調(diào)壓裝置與plc的接線如圖4。圖4 單相scr可調(diào)壓裝置與plc接線圖 4.4 輸入、輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換由于采集的數(shù)據(jù)都為工程中的實(shí)際數(shù)據(jù)，單位、幅值和范圍也不同，必須將其轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)形式才能被控制器plc接受執(zhí)行。轉(zhuǎn)換的第一步是將給定值或a/d轉(zhuǎn)換后得到整數(shù)值由16位轉(zhuǎn)換成浮點(diǎn)數(shù)，轉(zhuǎn)換

22、后的下一步是將實(shí)數(shù)進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)數(shù)，鍋爐溫度測(cè)量范圍是0100，模擬量的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)是4-20ma，a/d轉(zhuǎn)換后數(shù)值為6400-32000，設(shè)t為轉(zhuǎn)換后的溫度值，則其轉(zhuǎn)換公式如下： (1) 對(duì)于輸出信號(hào)亦是同樣的設(shè)計(jì)公式，設(shè)u為輸出電壓，其轉(zhuǎn)換公式如下： (2) 4.5 系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)鍋爐溫度的閉環(huán)控制回路，其具體框圖如圖5。 圖5 鍋爐溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖4.6 控制對(duì)象模型 本設(shè)計(jì)的鍋爐水溫控制系統(tǒng)科理解為一介滯后系統(tǒng)，其傳遞函數(shù)為： （3）5 設(shè)計(jì)結(jié)果及分析5.1 水箱水位檢測(cè)水箱實(shí)際溫度的檢測(cè)是要把測(cè)得的溫度量轉(zhuǎn)化為0.0到1.0之間的數(shù)以便于plc能夠識(shí)別。因?yàn)閜id只能針對(duì)浮點(diǎn)型

23、實(shí)數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，因此要先把溫度變送器輸出的值轉(zhuǎn)換成16位的整型存儲(chǔ)在累加寄存器ac0中，再將ac0中的值轉(zhuǎn)化為32位的雙整型繼續(xù)存放于ac0中，接著把a(bǔ)c0中的數(shù)由雙整型轉(zhuǎn)化為實(shí)型，仍然存放到ac0中。鑒于實(shí)型數(shù)的小數(shù)點(diǎn)有6位，所以其相對(duì)來(lái)說(shuō)還是比較精確的。接下來(lái)就要把實(shí)數(shù)再轉(zhuǎn)化成plc能夠識(shí)別的0.01.0之間數(shù)。其具體程序見(jiàn)附錄。5.2 輸出到可控硅電壓經(jīng)過(guò)pid運(yùn)算后從aqw0輸出的信號(hào)為640032000的標(biāo)準(zhǔn)值，可以直接加到可控硅模塊控制電壓大小，但是我們亦需要將其轉(zhuǎn)換為可以識(shí)別的電壓大小，其具體程序見(jiàn)附錄。5.3 pid算法在s7-200plc中的實(shí)現(xiàn)s7-200的編程軟件micro

24、/win提供了pid指令向?qū)?，pid控制程序可以通過(guò)指令向?qū)ё詣?dòng)生成，但是pid指令也能夠被程序自動(dòng)調(diào)用。首先選擇運(yùn)用pid算法的回路，本系統(tǒng)就一個(gè)回路，故選擇回路0，如圖6所示。圖6 回路選擇第二步選擇好回路后設(shè)定回路的參數(shù)，由于本設(shè)計(jì)采用水作為加熱液體，而選擇的pt100也是0100的測(cè)溫，因此給定范圍的低限和高限分別為0和100，回路的參數(shù)暫時(shí)先不設(shè)定，如圖7所示。圖7 給定值范圍的設(shè)定第三步設(shè)置回路輸入輸出項(xiàng)，輸入和輸出量都是單級(jí)性的模擬量，全部選擇“使用20%偏移量”，因?yàn)閟7-200的單極性模擬量輸入輸出信號(hào)的數(shù)值范圍是640032000，所以輸入項(xiàng)的量程為640032000。如圖

25、8所示。 圖8 回路輸入輸出參數(shù)性質(zhì)配置界面5.3 報(bào)警及系列連鎖程序程序除了溫度采集、電壓大小轉(zhuǎn)換、pid程序以外還需要設(shè)計(jì)報(bào)警程序以及程序連鎖等系列附加程序，保證設(shè)備安全運(yùn)行。添加的附加程序有：超溫報(bào)警、超絕對(duì)高溫停機(jī)保護(hù)、無(wú)水不加熱程序等。這類(lèi)程序雖然在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)不會(huì)動(dòng)作，但是在各類(lèi)突發(fā)情況出現(xiàn)時(shí)能直接處理或者安全停機(jī)，達(dá)到保護(hù)設(shè)備的目的。這些功能的具體程序見(jiàn)附錄。5.4 控制系統(tǒng)仿真及參數(shù)整定在pid參數(shù)整定中，工程整定法因其固有的優(yōu)點(diǎn)而受到廣大工程技術(shù)人員的歡迎。同時(shí)工程整定法中的穩(wěn)定邊界法由于簡(jiǎn)單易行而仍在廣泛的使用，但是穩(wěn)態(tài)邊界法在常規(guī)的實(shí)驗(yàn)中還是有其固有的弱點(diǎn)，如在做實(shí)驗(yàn)時(shí)

26、必須把控制系統(tǒng)調(diào)到等幅震蕩，這樣就可能會(huì)影響實(shí)驗(yàn)設(shè)備受到損壞。此時(shí)，我們就想到利用軟件仿真的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)pid參數(shù)的整定，而matlabsimulink就給我們提供了一個(gè)良好的軟件平臺(tái)。下面我們?cè)趍atlabsimulink仿真環(huán)境下整定水箱溫度pid控制參數(shù)。常規(guī)的pid參數(shù)整定根據(jù)pid控制模型，利用 simulink 靈活的非線性設(shè)計(jì)功能，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)對(duì)象分析及建模分析，綜合實(shí)際情況可建立simulink模型如圖9所示： 圖9 pid控制的simulink模型根據(jù)傳遞函數(shù)的各項(xiàng)系數(shù)，通過(guò)調(diào)節(jié)pid的各個(gè)參數(shù)，得到不同數(shù)組下的曲線并對(duì)比分析。當(dāng)kp=100 、ki=0.01 、kd=50的時(shí)候運(yùn)行simulink模型，得到仿真曲線圖如圖10所示，得到理想的pid運(yùn)行曲線。圖10 kp=100 、ki=0.01 、kd=50時(shí)的仿真曲線圖從圖11可以看出系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)有比較小穩(wěn)態(tài)誤差，超調(diào)量為8.2%，在暫態(tài)時(shí)最大超調(diào)量比較大，曲線也比較陡峭，這么長(zhǎng)的調(diào)整時(shí)間要求非常高的控制系統(tǒng)，所以還必須進(jìn)一步調(diào)整控制參數(shù)，以使得系統(tǒng)工作在最佳的控制狀態(tài)，通過(guò)多次試驗(yàn)，當(dāng)kp=50、ki=0.01、kd=50時(shí)得到最佳的控制效果如圖11所示。 圖11 kp=50、ki=0.01、kd=50時(shí)的仿真曲線圖在不改變參數(shù)的情況下，給系