鍋爐溫度控制系統(tǒng)的設計

1、成績 齊魯理工學院課程設計說明書題 目 基于PID的鍋爐溫度控制系統(tǒng)的設計 課 程 名 稱 過程控制系統(tǒng)與儀表 二 級 學 院 機電工程學院 專 業(yè) 自動化 班 級 2014級自動化二班 學 生 姓 名 金高翔 學 號 201410532019 指 導 教 師 黃麗麗 設計起止時間： 2016年12月5日至 2016年12月18日 目 錄摘要11 緒論21.1課程設計的背景：21.2 課程設計的任務：21.3 課程設計的基本要求：22 PLC和組態(tài)軟件介紹32.1 可編程控制器32.1.1 可編程控制器的工作原理32.2 組態(tài)軟件32.2.1 組態(tài)的定義32.2.2 組態(tài)王軟件的特點3組態(tài)王軟

2、件仿真的基本方法43 PID控制及參數整定4控制器的組成43.2.采樣周期的分析54 被控對象的建模65 PLC控制系統(tǒng)的軟件設計851.程序編寫85.2用指令向導編寫PID控制程序116 組態(tài)的設計147 系統(tǒng)測試167.1 啟動組態(tài)王167.2 實時曲線界面177.3歷史曲線界面178 結論18參考文獻：19致謝：20基于PID的鍋爐溫度控制系統(tǒng)的設計摘要：從上世紀的80年代到90年代中期，PLC得到了飛速的發(fā)展，在這個時期，PLC在處理模擬量能力、數字運算能力、人機接口能力和網絡能力得到了大幅度的提高，PLC逐漸的進入過程控制領域，在某些應用上取代了在過程控制領域處于統(tǒng)治地位的DCS系統(tǒng)

3、。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、編程簡單等優(yōu)點。PLC在工業(yè)自動化控制特別是順序控制中的地位，在可預見的未來，是無法取代的。本文介紹了以鍋爐為被控對象，以鍋爐出口水溫為主被控參數，以加熱爐電阻絲電壓為控制參數，以PLC為控制器，構成鍋爐溫度控制系統(tǒng)；采用PID算法，運用PLC梯形圖編程語言進行編程，實現鍋爐溫度的自動控制。鍋爐的應用領域相當廣泛，在相當多的領域里，鍋爐的性能優(yōu)劣決定了產品的質量好壞。目前鍋爐的控制系統(tǒng)大都采用以微處理器為核心的計算機控制技術，既提高設備的自動化程度又提高設備的控制精度。本文分別就鍋爐的控制系統(tǒng)工作原理，溫度變送器的選型、PLC配

4、置、組態(tài)軟件程序設計等幾方面進行闡述。通過改造電熱鍋爐的控制系統(tǒng)具有響應快、穩(wěn)定性好、可靠性高,控制精度好等特點，對工業(yè)控制有現實意義。關鍵詞： 電熱鍋爐的控制系統(tǒng) 溫度控制 PLC PID 1 緒論1.1 課程設計的背景：根據國內實際情況和環(huán)保問題的考慮和要求，燃料鍋爐由于污染并且效率不高，已經逐漸被淘汰；燃油和燃氣鍋爐也存在著燃料供應不方便和安全性等問題。因此在人口密集的居民區(qū)、旅館、醫(yī)院和學習，電加熱鍋爐完全替代燃煤、燃油、燃氣鍋爐。自70年代以來，由于工業(yè)過程控制的需要，特別是微電子技術和計算機技術的迅猛發(fā)展以及自動控制理論和設計方法發(fā)展的推動下，國內外溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展迅速，并且在智

5、能化、自適應、參數整定等方面，以日本、美國、德國、瑞典等國家技術領先，都生產出了一批商品化的、性能優(yōu)異的溫度控制器及儀表，并在各行廣泛應用。鍋爐采用全新加熱方式，它具有無污染、能量轉化效率高、結構簡單、安全性好、操作簡單等優(yōu)點，且可采用計算機監(jiān)控，完全實現自動化。使其比其他形式的鍋爐更具有吸引力。由于鍋爐是一個具有非線性、大滯后、大慣性、時變性、升溫單向性等特點的被控對象，很難用數學的方法建立精確的數學模型，因此用傳統(tǒng)的控制理論和方法很難達到很好的控制效果。而這下符合PID控制使用的條件，因而PID控制被廣泛地用于電熱鍋爐的控制中，用來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的控制方法，并獲得良好的控制效果。因此，鍋爐溫度控

6、制系統(tǒng)一直是工業(yè)技術人員研究的重點及熱點。1.2 課程設計的任務： 1、熟練掌握各種傳感器的使用方法。2、熟練掌握鍋爐的控制方法。3、編寫PLC軟件和組態(tài)軟件完成鍋爐的控制過程。4、通過上位機監(jiān)控軟件能夠實時監(jiān)控鍋爐的溫度，監(jiān)控鍋爐運行過程中的溫度變化曲線和電爐絲加熱時的電流曲線，找出控制溫度的最佳控制方法和參數。1.3 課程設計的基本要求： 以鍋爐為被控對象，以鍋爐出口水溫為主被控參數，以爐膛內水溫為副被控參數，以加熱爐電阻絲電壓為控制參數，以PLC為控制器，構成鍋爐溫度串級控制系統(tǒng)；采用PID算法，運用PLC梯形圖編程語言進行編程，實現鍋爐溫度的自動控制。通過課程設計，學生能夠掌握鍋爐的控

7、制原理，并且能夠熟練掌握通過PLC和組態(tài)軟件控制鍋爐的方法和過程。2 PLC和組態(tài)軟件介紹2.1 可編程控制器可編程控制器是是一種工業(yè)控制計算機，簡稱PLC（Programmable logic Controller),它使用可編程序的記憶以存儲指令，用來執(zhí)行邏輯、順序、計時、計數、和演算等功能，并通過數字或模擬的輸入輸出，以控制各種機械或生產過程。2.1.1 可編程控制器的工作原理PLC的工作方式是一個不斷循環(huán)的順序掃描工作方式。每一次掃描所用的時間稱為掃描周期或工作周期。 CPU 從第一條指令開始，按順序逐條地執(zhí)行用戶程序直到用戶程序結束，然后返回第一條指令開始新的一輪掃描。 PLC 就是

8、這樣周而復始地重復上述循環(huán)掃描的。2.2 組態(tài)軟件2.2.1 組態(tài)的定義組態(tài)就是用應用軟件中提供的工具、方法，完成工程中某一具體任務的過程。組態(tài)軟件是有專業(yè)性的，一種組態(tài)軟件只能適合在某種領域的應用。組態(tài)的概念最早出現在工業(yè)計算機控制中，如DCS(集散控制系統(tǒng))組態(tài)，PLC梯形圖組態(tài)。人機界面生成軟件就叫工控組態(tài)軟件。工業(yè)控制中形成的組態(tài)結果是用在實時監(jiān)控的。從表面上看，組態(tài)工具的運行程序就是執(zhí)行自己特定的任務。 工控組態(tài)軟件也提供了編程手段，一般都是內置編譯系統(tǒng)，提供類BASIC語言，有的支持VB，現在有的組態(tài)軟件甚至支持高級語言。在當今工控領域，一些常用的大型組態(tài)軟件主要有：ABB-Opt

9、iMax，WinCC，iFix，Intouch，組態(tài)王，力控，易控，MCGS等。本設計采用亞控的組態(tài)王軟件進行組態(tài)的設計。2.2.2 組態(tài)王軟件的特點 組態(tài)王軟件具有適應性強、開放性好、易于擴展、經濟、開發(fā)周期短等優(yōu)點。通?？梢园堰@樣的系統(tǒng)劃分為控制層、監(jiān)控層、管理層三個層次結構。其中監(jiān)控層對下連接控制層，對上連接管理層，它不但實現對現場的實時監(jiān)測與控制，且在自動控制系統(tǒng)中完成上傳下達、組態(tài)開發(fā)的重要作用。尤其考慮三方面問題：畫面、數據、動畫。通過對監(jiān)控系統(tǒng)要求及實現功能的分析，采用組態(tài)王對監(jiān)控系統(tǒng)進行設計。組態(tài)軟件也為試驗者提供了可視化監(jiān)控畫面，有利于試驗者實時現場監(jiān)控。而且，它能充分利用W

10、indows的圖形編輯功能，方便地構成監(jiān)控畫面，并以動畫方式顯示控制設備的狀態(tài)，具有報警窗口、實時趨勢曲線等，可便利的生成各種報表。它還具有豐富的設備驅動程序和靈活的組態(tài)方式、數據鏈接功能。2.2.3組態(tài)王軟件仿真的基本方法(1)圖形界面的設計圖形,是用抽象的圖形畫面來模擬實際的工業(yè)現場和相應的工控設備。(2) 構造數據庫數據,就是創(chuàng)建一個具體的數據庫,并用此數據庫中的變量描述工控對象的各種屬性,比如水位、流量等。(3)建立動畫連接連接,就是畫面上的圖素以怎樣的動畫來模擬現場設備的運行,以及怎樣讓操作者輸入控制設備的指令。(4)運行和調試3 PID控制及參數整定3.1.PID控制器的組成PID

11、控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。其數學表達式為： （3-1）(1) 比例系數KC對系統(tǒng)性能的影響：比例系數加大，使系統(tǒng)的動作靈敏，速度加快，穩(wěn)態(tài)誤差減小。偏大，振蕩次數加多，調節(jié)時間加長。太大時，系統(tǒng)會趨于不穩(wěn)定。太小，又會使系統(tǒng)的動作緩慢?？梢赃x負數，這主要是由執(zhí)行機構、傳感器以控制對象的特性決定的。如果的符號選擇不當對象狀態(tài)就會離控制目標的狀態(tài)越來越遠，如果出現這樣的情況的符號就一定要取反。(2) 積分控制對系統(tǒng)性能的影響：積分作用使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，小（積分作用強）會使系統(tǒng)不穩(wěn)定，但能消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的控制精度。(3) 微分控制對系統(tǒng)性能的影響：微分作用

12、可以改善動態(tài)特性，偏大時，超調量較大，調節(jié)時間較短。偏小時，超調量也較大，調節(jié)時間也較長。只有合適，才能使超調量較小，減短調節(jié)時間。3.2.采樣周期的分析采樣周期越小，采樣值就越能反應溫度的變化情況。但是，太小就會增加CPU的運算工作量，相鄰的兩次采樣值幾乎沒什么變化，將是PID控制器輸出的微分部分接近于0，所以不應使采樣時間太小。，確定采樣周期時，應保證被控量迅速變化時，能用足夠多的采樣點，以保證不會因采樣點過稀而丟失被采集的模擬量中的重要信息。因為本系統(tǒng)是溫度控制系統(tǒng)，溫度具有延遲特性的慣性環(huán)節(jié)，所以采樣時間不能太短，一般是15s20s，本系統(tǒng)采樣17s經過上述的分析，該溫度控制系統(tǒng)就已經

13、基本確定了，在系統(tǒng)投運之前還要進行控制器的參數整定。常用的整定方法可歸納為兩大類，即理論計算整定法和工程整定法。理論計算整定法是在已知被控對象的數學模型的基礎上，根據選取的質量指標，經過理論的計算（微分方程、根軌跡、頻率法等），求得最佳的整定參數。這類方法比較復雜，工作量大，而且用于分析法或實驗測定法求得的對象數學模型只能近似的反映過程的動態(tài)特征，整定的結果精度不是很高，因此未在工程上受到廣泛的應用。對于工程整定法，工程人員無需知道對象的數學模型，無需具備理論計算所學的理論知識，就可以在控制系統(tǒng)中直接進行整定，因而簡單、實用，在實際工程中被廣泛的應用常用的工程整定法有經驗整定法、臨界比例度法、

14、衰減曲線法、自整定法等。在這里，我們采用經驗整定法整定控制器的參數值。整定步驟為“先比例，再積分，最后微分”。（1）整定比例控制將比例控制作用由小變到大，觀察各次響應，直至得到反應快、超調小的響應曲線。（2）整定積分環(huán)節(jié)若在比例控制下穩(wěn)態(tài)誤差不能滿足要求，需加入積分控制。先將步驟（1）中選擇的比例系數減小為原來的5080，再將積分時間置一個較大值，觀測響應曲線。然后減小積分時間，加大積分作用，并相應調整比例系數，反復試湊至得到較滿意的響應，確定比例和積分的參數。（3）整定微分環(huán)節(jié)若經過步驟（2），PI控制只能消除穩(wěn)態(tài)誤差，而動態(tài)過程不能令人滿意，則應加入微分控制，構成PID控制。先置微分時間T

15、D=0，逐漸加大TD，同時相應地改變比例系數和積分時間，反復試湊至獲得滿意的控制效果和PID控制參數。4 被控對象的建模某單容電加熱過程如圖4.1所示：圖4.1 單容電加熱過程熱力過程容器內液體的總熱容為C，液體的比熱容為，流體流量（流入、流出相等）為q，液體以溫度流入加熱容器，以溫度 (同時也是容器中液體的溫度)流出加熱容器。設容器所在的環(huán)境溫蒂為（ >）。在環(huán)境溫度、液體流入溫度和流量q不變的條件下，建立電加熱電壓u與液體輸出溫度之間動態(tài)關系的數學模型。把加熱容器看作一個獨立的隔離體，根據能量動態(tài)平衡關系，單位時間內進入容器的熱量Qi與單位時間內流出容器的熱量之差等于容器內熱量儲存的

16、變化率，可得 ： （4-1）式中，輸入熱量由電加熱器的發(fā)熱量和流入液體攜帶熱量兩部分組成： （4-2）同樣，由加熱容器輸出的熱量由流出液體攜帶熱量由流出液體攜帶熱量和容器向周圍散發(fā)的熱量兩部分組成： （4-3）由熱力學可知，單位時間內加熱容器向四周散發(fā)熱量與容器散熱面積（設為A）、保溫材料的材料的傳熱系數（設為Kr）以及容器內、外溫差成正比：，將上式代入式4-3得： （4-4）加熱過程工程在穩(wěn)態(tài)時，保持不變，從加熱容器輸出熱量等于從外部輸入的熱量，即=，則有： （4-5）若以增量形式表示變量相對于穩(wěn)態(tài)值的變化量，即：；,由式4-5可知：。代入式4-1可得： （4-6）假設q、不變，從式4-2可

17、得： （4-7）從式4-4可得： （4-8）將式4-7、式4-8代入式4-6得： （4-9）電加熱器的發(fā)熱量與外加電壓的平方成正比，故與電壓u成非線性關系。為使問題簡化，在工作點（,）附近進行線性化處理：在工作點附近的小范圍內，以切線代替原來的曲線，可以用下式表示電壓變化（增量）和加熱量變化（增量）e之間的關系，將其代入式4-9得： （4-10）令， ，則上式可表示為： （4-11）對式4-11取拉氏變換，可得到輸出液體溫度與電加熱器電壓之間的傳遞函數： （4-12） 5 PLC控制系統(tǒng)的軟件設計51.程序編寫（1）編寫程序前，必須先填寫PID指令的參數表，參數表如表5.1所示表5.1 鍋爐溫

18、度控制PID參數表序號地址參數功能描述1VD100過程變量（PVn）溫度經過A/D轉換后的標準化數值2VD104給定值（SPn）0.335（最高溫度為1，調節(jié)到0.335）3VD108輸出值（Mn）PID回路輸出值4VD112增益（Kc）-3.05VD116采樣時間（Ts）176VD120積分時間（Ti）77VD124微分時間（Td）08VD128積分項前值（MX）根據PID運算結果更新9VD132過程變量前值（PVn-1）最后一次PID運算過程變量值（2）編寫PLC控制程序圖5.1 鍋爐溫度的PLC控制梯形圖（一）圖5.1 鍋爐溫度的PLC控制梯形圖（二）5.2用指令向導編寫PID控制程序（

19、1）打開指令向導，選定PID。選中菜單欄中的“工具”，單擊其子菜單“指令向導”，彈出如圖5.2所示的界面，選定“PID”選項，單擊“下一步”按鈕。圖5.2 硬件配置圖（2）指定回路號碼，如圖5.3所示，本例選定回路號碼為0，單擊“下一步”。圖5.3 指定回路號碼（3）設置回路參數，如圖5.4所示，本例將比例系數設定為3，將采樣時間設定為0.5s，積分時間設定為20min，微分時間設定為0，即不使用微分項，只使用PI控制器，然后單擊“下一步”按鈕。 圖5.4 設置回路參數（4）為計算指定儲存區(qū)，如圖5.5所示，PID指令使用V儲存區(qū)中的一個36字節(jié)的參數表，儲存用于控制回路操作的參數。PID計算

20、還要求一個“暫存區(qū)”，用于存儲臨時結果。先單擊“建議地址”，再單擊“下一步”按鈕，地址自動分配。圖5.5 為計算指定存儲區(qū)（5）指定子程序和中斷程序，如圖5.6所示，本例使用默認子程序名，只要單擊“下一步”按鈕即可。如果項目包含一個激活PID配置，已經建立的中斷程序名被設為只讀。因為項目中的所有配置共享一個公用中斷程序，項目中增加的任何新配置不得改變公用中斷程序的名稱。圖5.6 指定子程序和中斷程序（6）生產PID代碼，如圖4.7所示，單擊“完成”按鈕，S7-200PLC指令向導為指定的配置生產程序代碼和數據塊代碼。由向導建立的子程序和中斷程序成為項目的一部分。要在程序中使能該配置，每次掃描周

21、期時，使用SM0.0從主程序塊調用該子程序。圖5.7 生成PID代碼（9）編寫程序，如圖5.8所示圖5.8 程序6 組態(tài)的設計雙擊組態(tài)王的快捷方式，出現組態(tài)王的工程管理器窗口，雙擊新建按扭，按照彈出的建立向導，填寫工程名稱。然后打開剛建立的工程。進入組態(tài)畫面的設計，如圖6.1所示： 圖6.1 新建工程因為組態(tài)畫面要與西門子S7-200 PLC連接之后才能使用，所以要新建S7-200的連接，具體步驟如下圖6.2所示：圖6.2 新建設備要實現組態(tài)王對S7-200的在線監(jiān)控，就先必須建立兩者之間的聯系，那就需要建立兩者間的數據變量?；绢愋偷淖兞靠梢苑譃椤皟却孀兞俊焙虸/O變量兩類。內存變量是組態(tài)王

22、內部的變量，不跟被監(jiān)控的設備進行交換。而I/O變量是兩者之間互相交換數據的橋梁，S7-200和組態(tài)王的數據交換是雙向的。如圖6.3、圖6.4所示：圖6.3 新建變量圖6.4 變量表以上步驟進行完成，開始繪制主監(jiān)控界面，主控界面實現的是操作者觀察儀表，得到鍋爐內液體溫度和液位的實時信息，在該界面加入菜單項，可以查看歷史系統(tǒng)報警，加入實時曲線、歷史曲線和開關按鈕，可以使操作者更加快捷、準確的實現對系統(tǒng)的控制。如圖6.5所示：圖6.5 鍋爐溫度控制系統(tǒng)主監(jiān)控界面7 系統(tǒng)測試 7.1 啟動組態(tài)王打開組態(tài)王的項目工程管理器，點擊窗口欄中“VIEW”或者在畫面中點擊右鍵，選擇“切換到VIEW”，啟動組態(tài)王

23、，進入主畫面。這個時候，系統(tǒng)會自動打開一個信息窗口，可以通過信息窗口來知道，組態(tài)王的運行情況以及和PLC的連接是否成功。如果連接不成功，會出現通信失敗的提示語言，那就要查明原因，否則不能監(jiān)控。如果提示連接設備成功，窗口會顯示開始記錄數據，那就表示可以開始系統(tǒng)的運行了。組態(tài)監(jiān)控啟動之后，會自動顯示組態(tài)畫面。7.2 實時曲線界面實時趨勢曲線的功能是隨著系統(tǒng)的運行，動態(tài)的顯示出鍋爐內液體的溫度和液位的變化情況，讓用戶清楚的看出溫度和液位的變化趨勢，為下一步控制做出精確地決策。如圖7.2所示：圖7.2 實時趨勢曲線7.3歷史曲線界面歷史趨勢曲線記錄了鍋爐內液體溫度和液位的歷史變化，用戶可方便查看歷史曲

24、線的變化情況。該界面加入了打印按鈕，可方便的實現對歷史曲線的打印。如圖7.3所示：圖7.3 歷史趨勢曲線8 結論鍋爐是化工、供熱供暖、煉油、發(fā)電等生產中不可或缺的設備，它的應用領域相當廣泛，在相當多的領域里，鍋爐的性能優(yōu)劣決定了產品的質量好壞。目前鍋爐的控制系統(tǒng)大都采用以微處理器為核心的計算機控制技術，既提高設備的自動化程度又提高設備的控制精度。本次課程設計主要認識了STEP7-Micro/WIN軟件的基本編程和組態(tài)王畫面的設計,了解了鍋爐水溫控制系統(tǒng)的基本原理，熟悉掌握了各種傳感器的使用方法及鍋爐的控制方法，并且學會了如何去設計一個過程控制系統(tǒng)，掌握了基本的設計方法。通過這次課程設計，我對過

25、程控制有了更深刻的了解，把自己所學的過程控制系統(tǒng)的分散理論知識都聯系起來，使自己所學的過程控制系統(tǒng)的理論知識形成了一個體系。讓我更加清楚的認識到理論與實踐的關系-只有把理論與實踐緊密結合起來，理論知識才能變成有應用價值的靈活知識。認識到理論知識只有運用于實踐才能產生巨大的經濟利潤和社會價值，而實踐只有在科學正確理論指導下才能取得成果?？茖W正確的理論知識是推動人類實踐活動前進的強大精神武器，而實踐活動四檢驗理論正確與否的唯一標準也是理論產生的源泉。理論與實踐緊密聯系，相互依存。當然在這次課程設計中，也發(fā)現了自己的很多不足之處，比如對所學的過程控制系統(tǒng)的知識原理掌握的還不厚牢固，知識應用于不夠靈活，不能舉一反三等。在以后的學習中一定要腳踏實地、一絲不茍的對待所學專業(yè)知識，認真學習、精益求精為將來的學習、研究和工作奠定堅實的理論基礎，在以后的學習中多參與實際生活問題的思考，多參加實踐活動！參考文獻：1 王