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

1、 1 PLC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(dòng)WinCC，建立一個(gè)單用戶項(xiàng)目添加通訊驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)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?/p>

2、色，并且不可以再對其進(jìn)行任何處理）。 接著創(chuàng)建和編輯主導(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(dòng)/停止按鈕進(jìn)行變量連接，設(shè)置手動(dòng)控制和自動(dòng)控制兩種方式，并且手動(dòng)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)反饋的功能，實(shí)現(xiàn)最佳的生產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)測控制。還可通過用

3、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，以更好地安全防護(hù)。 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(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(dòng)化結(jié)構(gòu)。 工作電壓:DC 24V; 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

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(zhí)行機(jī)構(gòu)。規(guī)格:AO 412 bit (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)。1.2 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

5、與溫度成比例的數(shù)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(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)殡娏餍盘枺脕砜刂迫嗫煽毓枰葡嗾{(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) 2.1 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

6、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 2.2 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)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(chuàng)建模塊后系統(tǒng)自動(dòng)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(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

8、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。Network1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

9、法運(yùn)算，DIV_R用于浮點(diǎn)數(shù)的除法運(yùn)算。Network2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)? Network 1: 啟停PID模塊 A DB1.DBX 0.0 /置1，啟動(dòng)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

10、時(shí)，初始化 MAN_ON := /為1時(shí)手動(dòng)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)打開比例(P)操作 I_SEL := /為1時(shí)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(shí)打開微分(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 /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(dòng)值 GAIN := /比例增益輸入

11、 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(dòng)輸入變量 LMN := /浮點(diǎn)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(qū)處理后的誤差輸出 _001: NOP 0 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)? 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(nèi)容清零

13、L 0 T AQ1 _002: NOP 0 2.3 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，達(dá)到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 3.1 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(dòng)按

14、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 3.2 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:=22s，T=397.5s; 溫度初始值為c(0)=40，穩(wěn)定值接近于60.2，即c()=60.2，則增益K為: 則此時(shí)的對象數(shù)學(xué)模型為: (2) 從圖11中的特性曲線二得:=11s，T=393.7s; 溫度初始值為c(0)=40，穩(wěn)定值接近于

15、84.4，即c()=84.4，則增益K為: 則此時(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: 3.3 整定PID控制器的初始參數(shù) 用以上得出的三個(gè)參數(shù):=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

16、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)達(dá)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(shù)，跟以上參數(shù)有一定出入,但效果較好。 3.4 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(dòng)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。 溫度初值為25.3，設(shè)定值設(shè)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(diào)節(jié) 分析:KP=5時(shí)，水溫上升速度慢，即控制系統(tǒng)的動(dòng)作緩慢，且穩(wěn)態(tài)誤差大，

17、最小的穩(wěn)態(tài)誤差也有2;KP=20時(shí)，可見穩(wěn)態(tài)誤差明顯減小，此時(shí)的最大穩(wěn)態(tài)誤差為30.00-29.10=0.9;KP =200時(shí)，系統(tǒng)動(dòng)作靈敏，控制器輸出加大，此時(shí)的穩(wěn)態(tài)誤差為30.00-29.52=0.48，但是系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩最大振幅為30.86-30.00=0.86;KP=500時(shí)，控制器輸出再次加大，此時(shí)的穩(wěn)態(tài)誤差僅為30.00-29.83=0.17，但再怎么加大，穩(wěn)態(tài)誤差仍舊存在，不可能完全消除，且振幅已達(dá)到31.28-30.00=1.28。所以KP不能太小，也不能太大。動(dòng)態(tài)時(shí):若KP偏大，則振蕩次數(shù)加多，調(diào)節(jié)時(shí)間加長。當(dāng)KP太大時(shí)，系統(tǒng)會(huì)趨于不穩(wěn)定。若KP太小，又會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)作緩慢。穩(wěn)態(tài)

18、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(dòng)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。 溫度初值為29.0，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(diào)節(jié)(1) 溫度初值為32.0，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(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0.04。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(huì)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(dòng)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。 溫度初值

20、為35.1，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(diào)節(jié)(1) 溫度初值為32.0，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(diào)節(jié)(2) 溫度初值為45.0，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(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)基本趨于穩(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(dòng)，但能控制在0.3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(dòng)少，最大幅度只有0.1;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

22、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)達(dá)到相對最佳的控制效果。 3.5 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19 PID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，則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)基本穩(wěn)定，穩(wěn)定后的偏差在0.5以內(nèi)，有波動(dòng)是因?yàn)镵P取值太大的緣故，使得調(diào)節(jié)器動(dòng)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。可見無水循環(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，則控制器輸出為0，電加熱管停止加熱。實(shí)驗(yàn)所得曲線如圖22所示的曲線。從51.0降到36總共所需時(shí)間為:10分58.4s。 無水循環(huán)時(shí):鍋爐內(nèi)膽水溫也從50降到3