基于西門子S7200PLC的燃?xì)庹羝仩t控制系統(tǒng)

1、本科畢業(yè)論文題 目：基于S7-200PLC的燃?xì)庹羝仩t控制系統(tǒng)院 系：專 業(yè)：班 級(jí)：學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：論文提交日期：2014年 x月 x日論文答辯日期：2014年 x月x日摘要隨著現(xiàn)代化工業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)能源利用率的要求越來越高，作為將一次能源轉(zhuǎn)化為二次能源的重要設(shè)備之一的鍋爐，其控制和管理隨之要求越來越高。目前，我國燃燒供熱所用的鍋爐的燃燒效率還相當(dāng)?shù)?，而且也使得鍋爐的燃燒不充分，而造成大氣污染加重，所以這就迫切要求我們的鍋爐技術(shù)得到提高，設(shè)計(jì)出一套熱效率高、節(jié)能、環(huán)保、安全的鍋爐控制系統(tǒng)。因此，進(jìn)行鍋爐過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有重要的實(shí)際意義。該論文在參考文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，首先介紹了課題研究意

2、義，基礎(chǔ)理論知識(shí)，其中包括PLC相關(guān)的理論以及過程控制系統(tǒng)的理論，描述了鍋爐燃燒、水位控制系統(tǒng)的工作原理。然后分析了鍋爐控制系統(tǒng)的控制任務(wù)及控制目標(biāo)，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的控制系統(tǒng)，主要包括鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)、燃燒控制系統(tǒng)以及蒸汽溫度控制系統(tǒng)，并且選擇了滿足要求的控制方案。在有了基礎(chǔ)理論后，找控制系統(tǒng)中I/O點(diǎn),詳細(xì)分析I/O點(diǎn)的類型、數(shù)量等。根據(jù)I/O點(diǎn)，對(duì)PLC進(jìn)行選型，再根據(jù)所選的PLC，對(duì)I/O點(diǎn)的地址進(jìn)行分配。最后進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。繪制程序流程圖，然后設(shè)計(jì)梯形圖，最后在S7-200的編程軟件上實(shí)現(xiàn)。關(guān)鍵詞：鍋爐;水位控制;燃燒控制;蒸汽溫度控制;可編程序控制器AbstractWith the r

3、apid development of modern industry, the energy utilization ratio of the demand is higher and higher, as will a energy into two times the energy of one of the important equipment, the boiler control and management then demand is higher and higher. At present, China's burning heating boiler combu

4、stion efficiency used is rather low, but also make the boiler combustion is not full, and cause air pollution is aggravating, so it is urgent requirement of our boiler technology improvements, design a set of high thermal efficiency, energy saving, environmental protection, safety of boiler control

5、system. Therefore, in the process control system design of boiler is important practical significance. This paper on the basis of the references, first introduced the research significance, the basic knowledge, including PLC related theory and the theory of process control system, describes the boil

6、er combustion, water level control system principle of work. And then analyzes the boiler control system of the controlling tasks and control target, the relevant control system design, including the boiler drum water level control system, the combustion control system and steam temperature control

7、system, and select the meet the requirements of control plan.Look for control systemI/O point. According to the I/O points, the selection of PLC, again according to the selected PLC, the I/O address for the distribution of the points. Designthe software. Drawprogram flow charts, and then design ladd

8、er diagrams, the last in the s7-200 programming software realization. Keywords: boiler; Water level control; Burning control; Steam temperature control; Programmable controller 目 錄第一章 緒論11.1 鍋爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的及意義11.2 鍋爐控制系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r21.2.1 鍋爐自動(dòng)控制的國內(nèi)外現(xiàn)狀21.2.2 鍋爐自動(dòng)控制的發(fā)展前景31.3 本文主要內(nèi)容及論文結(jié)構(gòu)41.3.1 論文主要內(nèi)容41.3.2 論文結(jié)構(gòu)

9、5第二章 基礎(chǔ)理論知識(shí)62.1 PLC介紹62.1.1 PLC的基本概念62.1.2 PLC的基本結(jié)構(gòu)62.1.3 PLC的工作原理72.1.4 PLC的編程語言82.1.5 PLC的程序結(jié)構(gòu)92.1.6 PLC在控制系統(tǒng)中編程的步驟102.2 過程控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介112.2.1 過程控制系統(tǒng)的發(fā)展112.2.2 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)122.2.3 復(fù)雜控制系統(tǒng)122.2.4 PID控制簡(jiǎn)介15第三章 鍋爐綜合控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)183.1 背景介紹183.1.1 工藝及裝置介紹183.1.2 鍋爐控制任務(wù)203.1.3 鍋爐控制方案203.2 選型233.2.1 I/O點(diǎn)分布233.2.2 PLC選型253.2

10、.3 I/O地址分配263.3 軟件編程283.3.1 程序流程圖283.3.2 梯形圖32第四章 結(jié)論36參考文獻(xiàn)37致謝38第一章 緒論鍋爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的及意義目前，相當(dāng)多的鍋爐仍舊在采用傳統(tǒng)方式控制，主要依靠操作員手工來完成，這樣就要求鍋爐操作員時(shí)刻都要在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控鍋爐運(yùn)行情況，并且要對(duì)整個(gè)鍋爐系統(tǒng)的運(yùn)行過程以及過程中各個(gè)環(huán)節(jié)的相互影響都有相當(dāng)深刻的了解，能夠根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況及時(shí)調(diào)整各個(gè)相關(guān)參數(shù)以達(dá)到工藝要求。其過程復(fù)雜，而且還凸顯了很多弊端。操作容易導(dǎo)致安全事故，而且參數(shù)控制不夠準(zhǔn)確及時(shí)，而導(dǎo)致能源和資源的浪費(fèi)嚴(yán)重，另外運(yùn)行維護(hù)成本也高，勞動(dòng)效率低下。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，帶動(dòng)社會(huì)生

11、產(chǎn)的發(fā)展，人類對(duì)能源的需求不斷增加，世界上發(fā)達(dá)國家為了解決能源緊張而帶給各行業(yè)的沖擊，都努力在開發(fā)能源的同時(shí)，致力于節(jié)能新方法的研究。鍋爐是我國石油、化工、發(fā)電等工業(yè)生產(chǎn)過程中必不可少的設(shè)備，其產(chǎn)物蒸汽不但可以作為蒸餾、干燥、反應(yīng)、加熱等過程的熱源，并且作為驅(qū)動(dòng)設(shè)備的動(dòng)力源。在滿足工藝要求的前提下，為了提高鍋爐的效率，低能源消耗，把工人從繁重的勞動(dòng)中解放出來，促進(jìn)文明生產(chǎn)，鍋爐實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制是一個(gè)急待解決的問題1。隨著能源問題的突出，企業(yè)現(xiàn)代化管理水平的提高，還有環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，作為將一次能源轉(zhuǎn)化為二次能源的重要設(shè)備之一的鍋爐，其控制和管理的要求越來越高，現(xiàn)在的企業(yè)中的小型鍋爐的控制技術(shù)不提高將

12、難以適應(yīng)生產(chǎn)的需要。因此，這就需要在鍋爐控制技術(shù)上進(jìn)行變革，需要設(shè)計(jì)一種性價(jià)比合理的、使用和維護(hù)方便的新型工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)。PLC的出現(xiàn)，使人們擺脫了常規(guī)儀表的局限性，為鍋爐的自動(dòng)控制注入了新的活力，使得一些先進(jìn)的控制方法得以實(shí)現(xiàn)。PLC是目前最常用的裝置，其最大特點(diǎn)就是可靠性高、功能強(qiáng)大，他的高可靠性的設(shè)計(jì)非常適合在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下應(yīng)用。此外，PLC編程簡(jiǎn)單，使用方便，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)間短。為此，本課題通過PLC來對(duì)整個(gè)鍋爐作業(yè)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，配置控制與管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制2。總結(jié)國內(nèi)外鍋爐控制經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合實(shí)際，設(shè)計(jì)出適合鍋爐的控制硬件系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)先進(jìn)控制算法，提高鍋爐的自動(dòng)化水平，以及效率，合理

13、利用資源，達(dá)到鍋爐控制系統(tǒng)安全、節(jié)能、環(huán)保運(yùn)行。這具有重要的經(jīng)濟(jì)效益和深遠(yuǎn)的社會(huì)效益。鍋爐控制系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r鍋爐自動(dòng)控制的國內(nèi)外現(xiàn)狀鍋爐的自動(dòng)控制經(jīng)歷了三、四十年代單參數(shù)儀表控制，四、五十年代單元組合儀表、綜合參數(shù)儀表控制，直到六十年代興起的計(jì)算機(jī)過程控制幾個(gè)階段。尤其是近一、二十年來，隨著先進(jìn)控制理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，加之計(jì)算機(jī)各種性能的不斷增強(qiáng)，價(jià)格的大幅度下降，使鍋爐應(yīng)用計(jì)算機(jī)控制很快得到了普及和應(yīng)用。在歐美和日本等發(fā)達(dá)國家，石油和天然氣己成為第一能源，占能源消費(fèi)的60%左右，燃油和燃?xì)忮仩t己逐步取代燃煤鍋爐，風(fēng)機(jī)和水泵等電機(jī)的變頻控制己相當(dāng)成熟。自20世紀(jì)90年代以來，隨著

14、超大型可編程控制器的出現(xiàn)和模糊控制、自適應(yīng)控制等智能控制算法的發(fā)展以及智能控制器的應(yīng)用，鍋爐控制水平大大提高，鍋爐的控制己基本實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，在控制方法上都采用了現(xiàn)代控制理論中最優(yōu)控制、多變量頻域、模糊控制等方法，因此，鍋爐的熱效率很高、鍋爐運(yùn)行平穩(wěn)，而且減少了對(duì)環(huán)境的污染。在我國，鍋爐的控制大致經(jīng)歷了四個(gè)階段3：(1) 手動(dòng)階段在六十年代以前，由于自動(dòng)化技術(shù)與電子技術(shù)發(fā)展不成熟，人們的自動(dòng)化觀念還比較淡薄，這段時(shí)期的鍋爐一般采用純手動(dòng)的控制方式，即操作工人通過經(jīng)驗(yàn)決定送風(fēng)、給水、引風(fēng)、給煤的多少，通過手動(dòng)操作器等方式來達(dá)到控制鍋爐的目的。這樣就要求司爐人員必須有豐富的經(jīng)驗(yàn)，增加了工人的

15、勞動(dòng)強(qiáng)度，事故率高，更談不上保證鍋爐的高效率運(yùn)行。(2) 自動(dòng)化單元組合儀表控制階段隨著自動(dòng)化技術(shù)與電子技術(shù)的發(fā)展，國外己經(jīng)開發(fā)并廣泛應(yīng)用了全自動(dòng)工業(yè)鍋爐控制技術(shù)。60年代前期，我國工業(yè)鍋爐的控制技術(shù)開始發(fā)展，60年代后期我國引進(jìn)了國外的全自動(dòng)燃油工業(yè)鍋爐的控制技術(shù)，70年代后期己經(jīng)研制了一些工業(yè)鍋爐自動(dòng)化儀表，正式將自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)鍋爐控制領(lǐng)域，因而熱效率有所提高，事故率也有所下降。但是，由于采用單元組合儀表靠硬件來實(shí)現(xiàn)控制功能，可靠性低，精度不高，而且只能完成一些簡(jiǎn)單的控制算法，不能實(shí)現(xiàn)一些較先進(jìn)的算法和控制技術(shù)，控制效果仍然不理想。(3) 采用微機(jī)測(cè)控階段隨著電子技術(shù)的發(fā)展，高集成度

16、、高可靠性、價(jià)格低廉的微型計(jì)算機(jī)、單片機(jī)、工業(yè)專用控制計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)以及在我國的廣泛應(yīng)用，為鍋爐控制領(lǐng)域開辟了一片廣闊的天地。運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，開發(fā)出高效率、高可靠性、全自動(dòng)的微機(jī)工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)日益得到重視。80年代后期至今，國內(nèi)己經(jīng)陸續(xù)出現(xiàn)了各種各樣的鍋爐微機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)，明顯地改善了鍋爐的運(yùn)行狀況，但還不夠完善，并對(duì)環(huán)境和抗干擾要求較高。(4)智能控制的廣泛應(yīng)用階段由于現(xiàn)代控制理論的發(fā)展以及在各方面的應(yīng)用，解決了傳統(tǒng)控制理論難以解決的問題，給工業(yè)過程控制帶來了嶄新的應(yīng)用前景，并取得了前所未有的效果，成為目前正在迅速發(fā)展的一個(gè)領(lǐng)域。各種形式的控制系統(tǒng)、智能控制器不斷地開發(fā)和利用。鍋爐自動(dòng)控制的發(fā)展前景

17、現(xiàn)代過程工業(yè)向著大型化和連續(xù)化的方向發(fā)展，生產(chǎn)過程也隨之日趨復(fù)雜，對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響也日益突出，這些都對(duì)控制提出了越來越高的要求。不僅如此，生產(chǎn)的安全性和可靠性，生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益都成為衡量當(dāng)今自動(dòng)控制水平的重要指標(biāo)。因此，僅用常規(guī)儀表己不能滿足現(xiàn)代化企業(yè)的控制要求。由于計(jì)算機(jī)具有運(yùn)算速度快、精度高、存儲(chǔ)量大、編程靈活以及有很強(qiáng)的通信能力等特點(diǎn)，已在過程控制中得到十分廣泛的應(yīng)用。鍋爐作為一種典型的生產(chǎn)過程，其自動(dòng)控制水平已隨著過程計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展而發(fā)展。從當(dāng)前的趨勢(shì)看，在大型企業(yè)中，過程控制計(jì)算機(jī)正成為一種把控制和管理融為一體的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。自動(dòng)化技術(shù)，信息技術(shù)和各種工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過

18、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)將工廠全部生產(chǎn)活動(dòng)所需的信息和各種分散的自動(dòng)化系統(tǒng)有機(jī)的集成起來，形成一個(gè)能適應(yīng)生產(chǎn)環(huán)境不確定性和市場(chǎng)需求多變性總體最優(yōu)的高質(zhì)量、高效益、高柔性的智能生產(chǎn)系統(tǒng)，現(xiàn)已成當(dāng)前控制領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向。在控制技術(shù)方面，近年來，為了獲得更好的控制性能，把基于數(shù)學(xué)模型的控制技術(shù)和基于經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的控制技術(shù)相結(jié)合的集成控制技術(shù)受到了重視，獲得了較廣泛的研究4。由于鍋爐生產(chǎn)過程是緩慢的，而計(jì)算機(jī)的運(yùn)算過程是相當(dāng)快的，所以計(jì)算機(jī)在完成系統(tǒng)控制功能的基礎(chǔ)上還可以利用軟件來代替許多儀表單元（如函數(shù)發(fā)生器、加減器、微分器、限幅報(bào)警器、濾波器等），從而既減少投資又減少故障率。計(jì)算機(jī)控制還可以把許多必要的參數(shù)（

19、如壓力，流量、溫度等）定時(shí)打印出來，使管理更現(xiàn)代化、科學(xué)化。計(jì)算機(jī)參與鍋爐的控制還能夠?qū)\(yùn)行系統(tǒng)進(jìn)行各種在線測(cè)試，使鍋爐以較高的效率進(jìn)行，這樣能節(jié)約能源，也為提高控制精度和完善鍋爐結(jié)構(gòu)指出了改進(jìn)的方向。如果計(jì)算機(jī)發(fā)展到智能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，也就是接近人的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。這種計(jì)算機(jī)如果應(yīng)用到工業(yè)鍋爐生產(chǎn)上，那么鍋爐生產(chǎn)的管理會(huì)更完善，能源的利用會(huì)更加合理，更加充分。到那時(shí)，工業(yè)鍋爐的控制將會(huì)出現(xiàn)更新的局面。計(jì)算機(jī)在工業(yè)鍋爐上的應(yīng)用是很有發(fā)展前途的。因此，鍋爐的自動(dòng)控制當(dāng)前正朝著多學(xué)科結(jié)合的計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，管理控制一體化的趨勢(shì)發(fā)展。本文主要內(nèi)容及論文結(jié)構(gòu)論文主要內(nèi)容論文首先介紹了工業(yè)鍋爐的組成及工作過程，

20、對(duì)整個(gè)生產(chǎn)工藝進(jìn)行了概述。鍋爐設(shè)備是一個(gè)復(fù)雜的控制對(duì)象，主要輸入變量是負(fù)荷，鍋爐給水、燃料量、送風(fēng)和引風(fēng)等。主要輸出變量是汽包水位，蒸汽壓力，過熱蒸汽溫度、爐膛負(fù)壓、過剩空氣（煙氣含氧量）等。這些輸入變量與輸出變量之間相互關(guān)聯(lián)，構(gòu)成了鍋爐主要的控制系統(tǒng)。1.鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)。采用三沖量控制系統(tǒng)，即蒸汽流量、給水流量、汽包水位三個(gè)沖量作為輸入量，給水調(diào)節(jié)閥作為控制變量，來控制汽包水位。2.鍋爐燃燒控制系統(tǒng)。在燃燒控制系統(tǒng)的三個(gè)子系統(tǒng)中，通常通過調(diào)節(jié)燃料量維持蒸汽壓力的恒定，調(diào)節(jié)送風(fēng)量以保證燃燒的經(jīng)濟(jì)性，調(diào)節(jié)引風(fēng)量維持爐膛負(fù)壓的穩(wěn)定。在設(shè)計(jì)完控制方案的基礎(chǔ)上，本系統(tǒng)采用PLC控制，對(duì)PLC進(jìn)行

21、硬、軟件的設(shè)計(jì)。最后對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。1.3.2論文結(jié)構(gòu)論文的第一章，主要介紹了課題的研究目的及意義，對(duì)鍋爐綜合控制系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展情況進(jìn)行了介紹。論文的第二章，主要介紹了本設(shè)計(jì)涉及到的一些基礎(chǔ)知識(shí)及理論，包括可編程控制器以及過程控制等的一些知識(shí)。論文的第三章，首先介紹了鍋爐的工藝流程及裝置，對(duì)整個(gè)工藝進(jìn)行了說明，其次介紹了主要的控制系統(tǒng)及控制方案，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行硬件選型，最后根據(jù)前面的工作，進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。論文的第四章，結(jié)論，即對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)總結(jié)，包括優(yōu)缺點(diǎn)，以及展望等。第二章 基礎(chǔ)理論知識(shí)2.1 PLC介紹2.1.1 PLC的基本概念可編程邏輯控制器(Programmable Logic Co

22、ntroller)簡(jiǎn)稱PLC，它是采用可編程的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和計(jì)算等操作的指令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。是工業(yè)控制的核心部分5。早期的可編程控制器主要用來代替繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制，隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，以及工業(yè)自動(dòng)化控制愈來愈高的需求，PLC無論在功能上、速度上、智能化模塊以及聯(lián)網(wǎng)通信上，都有很大的提高?，F(xiàn)在的PLC己不只是開關(guān)量控制，其功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了順序控制、邏輯控制的范圍，具備了模擬量控制、過程控制以及遠(yuǎn)程通信等強(qiáng)大功能。總之，可編程控制器是一臺(tái)計(jì)算機(jī)，它是專為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)制造的計(jì)

23、算機(jī)。它具有豐富的輸入/輸出接口，并且具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力。但可編程控制器產(chǎn)品不針對(duì)某一具體工業(yè)應(yīng)用，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，其硬件需根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選用配置，其軟件需根據(jù)控制要求進(jìn)行設(shè)計(jì)編制。2.1.2 PLC的基本結(jié)構(gòu)PLC實(shí)質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計(jì)算機(jī)相同，基本構(gòu)成為6：a、電源PLC的電源在整個(gè)系統(tǒng)中起著十分重要的作用。如果沒有一個(gè)良好的、可靠的電源系統(tǒng)是無法正常工作的，因此PLC的制造商對(duì)電源的設(shè)計(jì)和制造也十分重視。一般交流電壓波動(dòng)在+10%(+15%)范圍內(nèi)，可以不采取其它措施而將PLC直接連接到交流電網(wǎng)上去。b、中央處理單元(CPU)中央處理單元(CPU)是P

24、LC的控制中樞。它按照PLC系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲(chǔ)從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲(chǔ)器、I/O以及警戒定時(shí)器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯(cuò)誤。當(dāng)PLC投入運(yùn)行時(shí)，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場(chǎng)各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入I/O映象區(qū)，然后從用戶程序存儲(chǔ)器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運(yùn)算的結(jié)果送入I/O映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將I/O映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置，如此循環(huán)運(yùn)行，直到停止運(yùn)行。c、存儲(chǔ)器存放系統(tǒng)軟件的存儲(chǔ)器稱為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器。存放應(yīng)用軟件的存儲(chǔ)器稱為用戶程序存儲(chǔ)器。d

25、、輸入輸出接口電路一是現(xiàn)場(chǎng)輸入接口電路由光耦合電路和微機(jī)的輸入接口電路組成，作用PLC與現(xiàn)場(chǎng)控制的接口界面的輸入通道。二是現(xiàn)場(chǎng)輸出接口電路由輸出數(shù)據(jù)寄存器、選通電路和中斷請(qǐng)求電路集成，作用PLC通過現(xiàn)場(chǎng)輸出接口電路向現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行部件輸出相應(yīng)的控制信號(hào)。e、功能模塊如計(jì)數(shù)、定位等功能模塊。f、通信模塊如以太網(wǎng)、RS485等通訊模塊2.1.3 PLC的工作原理PLC的工作原理可用一句話概括，即掃描的工作模式。有周期性、批處理的特點(diǎn)。當(dāng)PLC投入運(yùn)行后，其工作過程一般分為三個(gè)階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段。完成上述三個(gè)階段稱作一個(gè)掃描周期。在整個(gè)運(yùn)行期間，PLC的CPU以一定的掃描速

26、度重復(fù)執(zhí)行上述三個(gè)階段。(1)輸入采樣階段 在輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入I/O映象區(qū)中的相應(yīng)的單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個(gè)階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化，I/O映象區(qū)中的相應(yīng)單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會(huì)改變。因此，如果輸入是脈沖信號(hào)，則該脈沖信號(hào)的寬度必須大于一個(gè)掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。(2) 用戶程序執(zhí)行階段在用戶程序執(zhí)行階段，PLC總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序(梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時(shí)，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點(diǎn)構(gòu)成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點(diǎn)

27、構(gòu)成的控制線路進(jìn)行邏輯運(yùn)算，然后根據(jù)邏輯運(yùn)算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)中對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在I/O映象區(qū)中對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。(3) 輸出刷新階段當(dāng)掃描用戶程序結(jié)束后，PLC就進(jìn)入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映象區(qū)內(nèi)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的外設(shè)。這時(shí)，才是PLC的真正輸出。一般來說，PLC的掃描周期還包括自診斷、通信等，即一個(gè)掃描周期等于自診斷、通信、輸入采樣、用戶程序執(zhí)行、輸出刷新等所有時(shí)間總和。2.1.4 PLC的編程語言以西門子PLC的編程語言為例，說明一下，各種編程語

28、言的異同。(1) 順序功能圖這是位于其它編程語言之上的圖形語言，用來編程順序控制的程序（如：機(jī)械手控制程序）。編寫時(shí)，工藝過程被劃分為若干個(gè)順序出現(xiàn)的步，每步中包括控制輸出的動(dòng)作，從一步到另一步的轉(zhuǎn)換由轉(zhuǎn)換條件來控制，特別適合于生產(chǎn)制造過程。(2) 梯形圖這是使用最多的PLC編程語言。因與繼電器電路很相似，具有直觀易懂的特點(diǎn)，很容易被熟悉繼電器控制的電氣人員所掌握，特別適合于數(shù)字量邏輯控制。梯形圖由觸點(diǎn)、線圈和用方框表示的指令構(gòu)成。觸點(diǎn)代表邏輯輸入條件，線圈代表邏輯運(yùn)算結(jié)果，常用來控制指示燈，開關(guān)和內(nèi)部的標(biāo)志位等。指令框用來表示定時(shí)器、計(jì)數(shù)器或數(shù)學(xué)運(yùn)算等附加指令。(3) 語句表是一種類似于微機(jī)

29、匯編語言的一種文本編程語言，由多條語句組成一個(gè)程序段。語句表適合于經(jīng)驗(yàn)豐富的程序員使用，可以實(shí)現(xiàn)某些梯形圖不能實(shí)現(xiàn)的功能。(4) 功能塊圖功能塊圖使用類似于布爾代數(shù)的圖形邏輯符號(hào)來表示控制邏輯，一些復(fù)雜的功能用指令框表示，適合于有數(shù)字電路基礎(chǔ)的編程人員使用。功能塊圖用類似于與門、或門的框圖來表示邏輯運(yùn)算關(guān)系，方框的左側(cè)為邏輯運(yùn)算的輸入變量，右側(cè)為輸出變量，輸入、輸出端的小圓圈表示“非”運(yùn)算，方框用“導(dǎo)線”連在一起，信號(hào)自左向右。(5) 結(jié)構(gòu)文本結(jié)構(gòu)化文本（ST）是為IEC611313標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)建的一種專用的高級(jí)編程語言。與梯形圖相比，它實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，編寫的程序非常簡(jiǎn)潔和緊湊。2.1.5 PL

30、C的程序結(jié)構(gòu)西門子的CPU的控制程序由主程序、子程序和中斷程序組成。(1) 主程序 主程序是程序的主體，每個(gè)項(xiàng)目都必須并且只能有一個(gè)主程序。在主程序中可以調(diào)用子程序和中斷程序。主程序通過指令控制整個(gè)應(yīng)用程序的執(zhí)行，每個(gè)掃描周期都要執(zhí)行一次主程序。(2) 子程序 子程序是可選的，僅在被其他程序調(diào)用時(shí)執(zhí)行。同一個(gè)子程序可以在不同的地方被多次調(diào)用。使用子程序可以簡(jiǎn)化程序代碼和減少掃描時(shí)間。設(shè)計(jì)的好的子程序容易移植到別的項(xiàng)目中去。(3) 中斷程序 中斷程序用來及時(shí)處理與用戶程序的執(zhí)行時(shí)序無關(guān)的操作，或者不能事先預(yù)測(cè)何時(shí)發(fā)生的中斷事件。因?yàn)椴荒茴A(yù)知何時(shí)會(huì)出現(xiàn)中斷事件，所以不允許中斷程序改寫可能在其他程序

31、中使用的存儲(chǔ)器。2.1.6 PLC在控制系統(tǒng)中編程的步驟(1) 仔細(xì)閱讀產(chǎn)品說明書7第一步看起來很簡(jiǎn)單，因此會(huì)被很多設(shè)備工程師認(rèn)為是浪費(fèi)時(shí)間而忽略。仔細(xì)閱讀說明書，首先要閱讀安全守則，知道哪些機(jī)構(gòu)可能會(huì)對(duì)人造成傷害，哪些機(jī)構(gòu)最容易發(fā)生撞擊，當(dāng)發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)如何解決。這是很重要的一步。(2) 編程軟件中進(jìn)行硬件配置，找出I/O點(diǎn)。在編程前，首先要找到需要控制的I/O點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行具體分析，編程根據(jù)實(shí)際PLC的類型建立硬件配置以及相應(yīng)的通訊配置，將I/O地址進(jìn)行分配。(3) 編寫程序流程圖在進(jìn)行PLC軟件編程之前，一定要先寫出程序的流程圖。一個(gè)完整的程序，應(yīng)該包括主程序、停止程序、急停程序、復(fù)位程序等部

32、分，如果軟件允許，應(yīng)該將各個(gè)程序按“塊”的形式編寫，即一個(gè)程序是一個(gè)塊，最終將每個(gè)塊按需求來調(diào)用即可。(4) 軟件中編寫程序確保流程沒有問題后，便可以在軟件中編寫程序了。編寫程序時(shí)按照程序流程圖來編寫。(5) 調(diào)試程序一般調(diào)試程序，可以分成兩個(gè)方面：a、如果條件允許，可以先用軟件的仿真功能做測(cè)試。b、傳到PLC中進(jìn)行在線的調(diào)試。目前，PLC在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂等各個(gè)行業(yè)。過程控制是指對(duì)溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，PLC能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。PID調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中

33、用得較多的調(diào)節(jié)方法。大中型PLC都有PID模塊，目前許多小型PLC也具有此功能模塊。PID處理一般是運(yùn)行專用的PID子程序。此外，PLC可靠性高、功能強(qiáng)大，他的高可靠性的設(shè)計(jì)非常適合在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下應(yīng)用。由此可看出，PLC在工業(yè)控制中已經(jīng)起到了非常重要的作用。2.2 過程控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介 過程控制系統(tǒng)的發(fā)展隨著人們物質(zhì)生活水平的提高以及市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈，產(chǎn)品的質(zhì)量和功能也向更高的檔次發(fā)展，制造產(chǎn)品的工藝過程變得越來越復(fù)雜，為滿足優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低消耗，以及安全生產(chǎn)、保護(hù)環(huán)境等要求，做為工業(yè)自動(dòng)化重要分支的過程控制的任務(wù)也愈來愈繁重。過程控制在石油、化工、電力、冶金等部門有廣泛的應(yīng)用。20世紀(jì)50年代

34、，過程控制主要用于使生產(chǎn)過程中的一些參量保持不變，從而保證產(chǎn)量和質(zhì)量穩(wěn)定。60年代，隨著各種組合儀表和巡回檢測(cè)裝置的出現(xiàn)，過程控制已開始過渡到集中監(jiān)視、操作和控制。70年代，出現(xiàn)了過程控制最優(yōu)化與管理調(diào)度自動(dòng)化相結(jié)合的多級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。80年代，過程控制系統(tǒng)開始與過程信息系統(tǒng)相結(jié)合，具有更多的功能。在現(xiàn)代工業(yè)控制中，過程控制技術(shù)是一歷史較為久遠(yuǎn)的分支。在本世紀(jì)30年代就已有應(yīng)用。過程控制技術(shù)發(fā)展至今天, 在控制方式上經(jīng)歷了從人工控制到自動(dòng)控制兩個(gè)發(fā)展時(shí)期。在自動(dòng)控制時(shí)期內(nèi)，過程控制系統(tǒng)又經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段,它們是:分散控制階段, 集中控制階段和集散控制階段。幾十年來，工業(yè)過程控制取得了驚人的

35、發(fā)展，無論是在大規(guī)模的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)過程中，還是在傳統(tǒng)工業(yè)過程改造中,過程控制技術(shù)對(duì)于提高產(chǎn)品質(zhì)量以及節(jié)省能源等均起著十分重要的作用。目前，過程控制正朝高級(jí)階段發(fā)展，不論是從過程控制的歷史和現(xiàn)狀看，還是從過程控制發(fā)展的必要性、可能性來看，過程控制是朝綜合化、智能化方向發(fā)展，即計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)：以智能控制理論為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)為主要手段，對(duì)企業(yè)的經(jīng)營、計(jì)劃、調(diào)度、管理和控制全面綜合，實(shí)現(xiàn)從原料進(jìn)庫到產(chǎn)品出廠的自動(dòng)化、整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)信息管理的最優(yōu)化8。工業(yè)生產(chǎn)過程控制是現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化的一個(gè)重要領(lǐng)域。它是控制理論、生產(chǎn)工藝、計(jì)算機(jī)技術(shù)和儀器儀表等知識(shí)相結(jié)合的一門綜合性應(yīng)用學(xué)科，理

36、論性、綜合性和實(shí)踐性都很強(qiáng)。簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)指的是單輸入-單輸出的線性控制系統(tǒng)，是控制系統(tǒng)的基本形式。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且具有相當(dāng)廣泛的適應(yīng)性。在計(jì)算機(jī)控制已占主流的今天，即使在高水平的自動(dòng)控制設(shè)計(jì)中，簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)仍占控制回路的絕大多數(shù)。力求簡(jiǎn)單、可靠、經(jīng)濟(jì)與保證控制效果是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則。簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)由檢測(cè)變送單元、控制器、執(zhí)行器和被控對(duì)象組成。檢測(cè)元件和變送器用于檢測(cè)被控變量，并將檢測(cè)到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出。控制器用于將檢測(cè)變送單元的輸出信號(hào)與設(shè)定值信號(hào)進(jìn)行比較，按一定的控制規(guī)律對(duì)其偏差進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果輸出到執(zhí)行器。執(zhí)行器是控制系統(tǒng)回路中的最終元件，直接用于控制操作變

37、量變化。被控對(duì)象是需要控制的設(shè)備。設(shè)定值被控變量控制器執(zhí)行器被控對(duì)象測(cè)量變送圖2.1 單回路控制系統(tǒng)方框圖復(fù)雜控制系統(tǒng)隨著生產(chǎn)的發(fā)展、工藝的革新必然導(dǎo)致對(duì)操作條件的要求更加嚴(yán)格，變量間的相關(guān)關(guān)系更加復(fù)雜，為適應(yīng)生產(chǎn)發(fā)展的需要，產(chǎn)生了復(fù)雜控制系統(tǒng)。在特定條件下，采用復(fù)雜控制系統(tǒng)對(duì)提高控制品質(zhì)，擴(kuò)大自動(dòng)化應(yīng)用范圍起著關(guān)鍵性作用。在單回路控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，再增加計(jì)算環(huán)節(jié)、控制環(huán)節(jié)或者其他環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng)稱為復(fù)雜控制系統(tǒng)。常用的復(fù)雜控制系統(tǒng)有串級(jí)控制系統(tǒng)、比值控制系統(tǒng)、均勻控制系統(tǒng)、分程控制系統(tǒng)、選擇控制系統(tǒng)、前饋控制系統(tǒng)等等。以下介紹前饋控制系統(tǒng)、串級(jí)控制系統(tǒng)、比值控制系統(tǒng)，具體介紹如下所示9。(1)

38、 前饋控制系統(tǒng)前饋控制的基本原理就是測(cè)量進(jìn)入過程的干擾量（包括外界干擾和設(shè)定值變化），并根據(jù)干擾的測(cè)量產(chǎn)生合適的控制作用來改變控制量，使被控變量維持在設(shè)定值上。它是當(dāng)擾動(dòng)產(chǎn)生以后，被控變量還未變化以前，根據(jù)擾動(dòng)作用的大小進(jìn)行控制，以補(bǔ)償擾動(dòng)作用對(duì)被控變量的影響。主要是針對(duì)易測(cè)的干擾，目的是在干擾還未影響被控變量之前就把干擾消滅。 圖2.2前饋控制系統(tǒng)方框圖其中，是干擾對(duì)被控變量的傳遞函數(shù)；是操作變量對(duì)被控變量的傳遞函數(shù)；是前饋控制器的傳遞函數(shù)。前饋控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)有：a、前饋控制是基于不變性原理工作的，比反饋控制及時(shí)、有效；b、前饋控制是屬于“開環(huán)”控制系統(tǒng)；c、前饋控制使用的是“專用”控制

39、器，又稱前饋補(bǔ)償裝置；d、一種前饋?zhàn)饔弥荒芸朔环N干擾。前饋控制主要用于下列場(chǎng)合：a、干擾幅值大而頻繁，對(duì)被控變量影響劇烈，單純反饋控制達(dá)不到要求時(shí)；b、主要干擾是可測(cè)不可控的變量；c、對(duì)象的控制通道滯后大，反饋控制不及時(shí)，控制質(zhì)量差時(shí)，可采用前饋-反控制系統(tǒng)，以提高控制質(zhì)量。(2) 串級(jí)控制系統(tǒng)采用不只一個(gè)控制器，且控制器間相互串接，一個(gè)控制器的輸出作為另一個(gè)控制器的設(shè)定值的系統(tǒng)，稱為串級(jí)控制系統(tǒng)。前一個(gè)調(diào)節(jié)器稱為主調(diào)節(jié)器，它所檢測(cè)和控制的變量稱主變量（主被控參數(shù)）；后一個(gè)調(diào)節(jié)器稱為副調(diào)節(jié)器，它所檢測(cè)和控制的變量稱副變量（副被控參數(shù)），是為了穩(wěn)定主變量而引入的輔助變量。整個(gè)系統(tǒng)包括兩個(gè)控制回

40、路，主回路和副回路。副回路由檢測(cè)變送、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥和副過程構(gòu)成；主回路由主變量檢測(cè)變送、主調(diào)節(jié)器、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥、副過程和主過程構(gòu)成。串級(jí)控制系統(tǒng)的工作過程：當(dāng)擾動(dòng)發(fā)生時(shí)，破壞了穩(wěn)定狀態(tài)，調(diào)節(jié)器進(jìn)行工作。根據(jù)擾動(dòng)施加點(diǎn)的位置不同，分情況進(jìn)行分析：a、擾動(dòng)作用于副回路；b、擾動(dòng)作用于主回路；c、擾動(dòng)同時(shí)作用于副回路和主回路。分析可以看到，在串級(jí)控制系統(tǒng)中，由于引入了一個(gè)副回路，不僅能及早克服進(jìn)入副回路的擾動(dòng)，而且又能改善過程特性。副調(diào)節(jié)器具有“粗調(diào)”的作用，主調(diào)節(jié)器具有“細(xì)調(diào)”的作用，從而使其控制品質(zhì)得到進(jìn)一步提高。y圖2.3串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖串級(jí)控制系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用：a、用于克服被控過程較

41、大的容量滯后；b、用于克服被控過程的純滯后；c、用于抑制變化劇烈幅度大的擾動(dòng)；d、用于克服被控過程的非線性。串級(jí)控制系統(tǒng)特點(diǎn)：a、從在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來看，串級(jí)控制系統(tǒng)有主、副兩個(gè)閉合回路；有主、副兩個(gè)控制器；有分別測(cè)量主變量和副變量的兩個(gè)測(cè)量變送器。b、在串級(jí)控制中有主、副兩個(gè)變量。c、串級(jí)控制系統(tǒng)由于副回路的引入，改善了對(duì)象特性，使控制過程加快，提高控制質(zhì)量。d、串級(jí)控制系統(tǒng)由于增加了副回路，因此具有一定的自適應(yīng)能力，可用于負(fù)荷和操作條件有較大變化的場(chǎng)合。(3) 比值控制系統(tǒng)在化工、煉油及其他工業(yè)生產(chǎn)過程中，工藝上常需要兩種或兩種以上的物料保持一定的比例關(guān)系，比例一旦失調(diào)，將影響生產(chǎn)或造成事故。實(shí)

42、現(xiàn)兩個(gè)或兩個(gè)以上參數(shù)符合一定比例關(guān)系的控制系統(tǒng)，稱為比值控制系統(tǒng)。a、主物料，也稱主動(dòng)量：處于主導(dǎo)地位的物料，在要保持一定比例關(guān)系的物料中，起著主導(dǎo)作用。一般是較貴重、稀有、用量少的定為主物料。b.從物料，也稱從動(dòng)量：按主物料進(jìn)行配比，隨主物料的變化而成比例地變化的物料。一般把易控、便宜、用量較多的定為從物料。比值控制系統(tǒng)可分為：開環(huán)比值控制系統(tǒng)，單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)，雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)，變比值控制系統(tǒng)，串級(jí)和比值控制組合的系統(tǒng)等。其中，單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)使兩種物料的比值較為精確，實(shí)施較方便，所以得到了廣泛的應(yīng)用。以下以單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)為例，介紹比值控制系統(tǒng)。檢測(cè)變送2檢測(cè)變送1控制器執(zhí)行器流

43、量對(duì)象比值器圖2.4單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)方框圖單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的四種工作情況10：a、當(dāng)在系統(tǒng)處于穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)，主、副物料流量的比值恒定。b、當(dāng)主物料流量不變，副物料流量受到擾動(dòng)變化時(shí)，可通過副流量的閉合回路調(diào)整副物料流量使之恢復(fù)到原設(shè)定值，保證比值一定。c、當(dāng)主物料流量受到擾動(dòng)，而副物料不變時(shí)，則按預(yù)先設(shè)置好的比值使比值器輸出成比例變化，根據(jù)給定值的變化，發(fā)出控制命令，以改變調(diào)節(jié)閥的開度，使副流量跟隨主流量變化，從而保證原設(shè)定的比值不變。d、當(dāng)主、副物料流量同時(shí)受到擾動(dòng)變化時(shí)，調(diào)節(jié)器在調(diào)整副物料流量使之維持原設(shè)定值的同時(shí)，系統(tǒng)又根據(jù)主流量產(chǎn)生新的給定值，改變調(diào)節(jié)閥的開度，使主、副物料流量在

44、新的流量數(shù)值的基礎(chǔ)上，保持原設(shè)定值的比值關(guān)系不變。 PID控制簡(jiǎn)介當(dāng)今的自動(dòng)控制技術(shù)都是基于反饋的概念。反饋理論的要素包括三個(gè)部分：測(cè)量、比較和執(zhí)行。測(cè)量關(guān)心的變量，與期望值相比較，用這個(gè)誤差糾正調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的響應(yīng)。在工程實(shí)際中，應(yīng)用最廣的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。PID控制，實(shí)際中也有PI和P

45、D控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制。(1) PID控制原理PID控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。其控制規(guī)律為11+式中：-為比例系數(shù)；-為積分時(shí)間常數(shù)； -為微分時(shí)間常數(shù)a、比例（P）控制比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。不過對(duì)于那些允許余差存在，控制要求不高的場(chǎng)合，這時(shí)可以采用純比例控制。b、積分（I）控制在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。在比例控制中存在誤差，為了消除誤差，控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于

46、時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，可消除余差。但積分作用也有缺點(diǎn)，即積分飽和，因此使用積分時(shí)要考慮。c、微分（D）控制在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性環(huán)節(jié)或有滯后環(huán)節(jié)，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠

47、的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，要加“微分項(xiàng)”，這樣能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動(dòng)態(tài)特性。(2) PID控制的參數(shù)整定PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計(jì)算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方

48、法簡(jiǎn)單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。兩種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善?，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進(jìn)行PID控制器參數(shù)的整定步驟如下：a、首先預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；b、僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對(duì)輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時(shí)的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；c、在一定的控制度下通過公式計(jì)算得到PID控制器的參數(shù)12。PID參數(shù)的預(yù)置是相輔相成的,運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)根據(jù)實(shí)

49、際情況進(jìn)行具體分析，使其參數(shù)間互相協(xié)調(diào)，經(jīng)過反復(fù)的調(diào)試、修改，從而找到最適合控制系統(tǒng)的數(shù)值。第三章鍋爐綜合控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 背景介紹工藝及裝置介紹圖3.1工藝設(shè)備圖一般的鍋爐結(jié)構(gòu)主要由以下幾部分組成13：(1) 汽鍋:由上下鍋筒和沸水管組成。水在管內(nèi)受管外煙氣加熱，因而在管簇內(nèi)發(fā)生自然循環(huán)流動(dòng)，并逐漸汽化，產(chǎn)生的飽和蒸汽聚集在鍋筒里面。為了得到干度比較大的飽和蒸汽，在上鍋筒中還裝有汽水分離設(shè)備，下鍋筒作為連接沸水管之用，同時(shí)儲(chǔ)存水和水垢。(2) 爐膛:是使燃料充分燃燒并放出熱能的設(shè)備。燃料由傳送設(shè)備直接送入爐內(nèi)燃燒。所需的空氣由鼓風(fēng)機(jī)送入，燃燒后產(chǎn)生的高溫?zé)煔庖来谓?jīng)過各個(gè)受熱面，將熱量傳遞給

50、水以后，由煙囪排到大氣中。 (3) 引風(fēng)設(shè)備:包括引風(fēng)機(jī)、煙囪、煙道幾部分，將鍋爐中的煙氣連續(xù)排出。 (4) 送風(fēng)設(shè)備:由送風(fēng)機(jī)和風(fēng)道組成，供應(yīng)燃料燃燒所需要的空氣。 (5) 給水設(shè)備:由給水泵和給水管組成。給水泵用來克服給水管路的流動(dòng)阻力和鍋爐的壓力，把水送入鍋筒。 (6) 水處理設(shè)備:用來清除水中雜質(zhì)和降低給水硬度，防止鍋爐受熱面上結(jié)水垢或腐蝕鍋爐，從而提高鍋爐的經(jīng)濟(jì)性和安全性。(7) 燃料供給設(shè)備:燃?xì)忾y、燃燒機(jī)等設(shè)備組成，保證鍋爐所需燃料的供應(yīng)。圖3.2鍋爐工作流程示意圖由上面的鍋爐工作流程示意圖可以看出，燃料和熱空氣按一定比例送入燃燒室燃燒，生成的熱量傳遞給蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，產(chǎn)生飽和蒸汽

51、。 鍋爐控制任務(wù)燃煤蒸汽鍋爐的生產(chǎn)任務(wù)是根據(jù)負(fù)荷設(shè)備的要求，生產(chǎn)具有一定參數(shù)（壓力及溫度）的蒸汽，為了滿足負(fù)荷設(shè)備的要求，保證鍋爐本身運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性，工業(yè)鍋爐控制主要有下列自動(dòng)調(diào)節(jié)任務(wù)15：(1) 保持汽包水位在設(shè)定范圍，汽包水位是鍋爐正常運(yùn)行的主要標(biāo)，關(guān)系著汽水分離的速度和生產(chǎn)蒸汽的質(zhì)量，也是確保安全生產(chǎn)的重要參數(shù)。對(duì)于汽包水位的調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)參數(shù)可以選用給水閥的開度。(2) 維持蒸汽壓力在預(yù)定值，蒸汽壓力是衡量鍋爐的蒸汽生產(chǎn)量與負(fù)荷設(shè)備的蒸汽消耗量是否平衡的重要指標(biāo)，是蒸汽鍋爐的重要工藝參數(shù)?？刂普羝麎毫Γ前踩a(chǎn)的需要，也是保證燃燒經(jīng)濟(jì)性的需要。(3) 維持鍋爐燃燒的經(jīng)濟(jì)性，必須使空

52、氣和燃料維持適當(dāng)?shù)谋壤?，使鍋爐燃燒過程工作在最佳工況下，使鍋爐熱效率最高，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。(4) 維持爐膛負(fù)壓在一定范圍內(nèi)，爐膛負(fù)壓的變化，反映了引風(fēng)量與送風(fēng)量的不相適應(yīng)。要使蒸汽壓力、爐膛負(fù)壓和燃燒經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)保持在允許范圍內(nèi)。 鍋爐控制方案為了實(shí)現(xiàn)上述調(diào)節(jié)任務(wù)，將鍋爐設(shè)備控制劃為若干控制系統(tǒng)。主要控制系統(tǒng)如下16：a、鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)，被控變量是汽包水位，操縱變量是給水流量。它主要考慮汽包內(nèi)部的物料平衡，使給水量適應(yīng)鍋爐的蒸發(fā)量，維持汽包水位在工藝允許的范圍內(nèi)。b、鍋爐燃燒控制系統(tǒng)，有三個(gè)被控量，蒸汽壓力、煙氣成分和爐膛負(fù)壓。其控制目的是使燃料燃燒所產(chǎn)生的熱量適應(yīng)蒸汽負(fù)荷的需要；使燃

53、料與空氣量之間保持一定的比值，以保證經(jīng)濟(jì)燃燒，提高鍋爐的燃燒效率；使引風(fēng)量與送風(fēng)量相適應(yīng)，以保持鍋爐負(fù)壓在一定的范圍內(nèi)。操縱變量也有三個(gè)，即燃料量、送風(fēng)量、和引風(fēng)量。(1) 鍋爐汽包液位控制汽包液位是鍋爐運(yùn)行的主要指標(biāo)，是一個(gè)非常重要的被控變量，維持汽包液位在一定的范圍內(nèi)是保證鍋爐安全運(yùn)行的首要條件17。液位過低，則由于汽包內(nèi)水量較少，而負(fù)荷卻很大，水的汽化速度又很快，因而汽包內(nèi)的水量變化速度很快，如果不及時(shí)控制，就會(huì)使汽包內(nèi)的水全部汽化，導(dǎo)致鍋爐燒壞和爆炸。b.液位過高會(huì)影響汽包的汽水分離，產(chǎn)生蒸汽帶液的現(xiàn)象，會(huì)使管壁結(jié)垢導(dǎo)致破壞，影響運(yùn)行的安全和經(jīng)濟(jì)性。在汽包液位控制中有單沖量、雙沖量和三

54、沖量控制方案，由于單沖量控制系統(tǒng)不能克服假水位帶來的控制問題，雙沖量控制系統(tǒng)還有不能做到靜態(tài)補(bǔ)償以及不能對(duì)給水系統(tǒng)干擾及時(shí)克服兩個(gè)的弱點(diǎn)。因此在實(shí)際應(yīng)用中汽包液位控制系統(tǒng)都采用三沖量控制系統(tǒng)。即蒸汽流量、給水流量、汽包液位三個(gè)沖量作為輸入量，給水調(diào)節(jié)閥作為控制變量，來控制汽包液位18。RDHW圖3.3 三沖量控制系統(tǒng)方框圖(2) 鍋爐燃燒控制系統(tǒng)鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的基本任務(wù)是保證鍋爐經(jīng)濟(jì)、安全運(yùn)行的同時(shí)使燃料燃燒所產(chǎn)生的熱量適應(yīng)水溫負(fù)荷的需求。在燃燒控制系統(tǒng)的三個(gè)子系統(tǒng)中，通常通過調(diào)節(jié)燃料量維持蒸汽壓力的恒定，調(diào)節(jié)送風(fēng)量以保證燃燒的經(jīng)濟(jì)性，調(diào)節(jié)引風(fēng)量維持爐膛負(fù)壓的穩(wěn)定。本系統(tǒng)由蒸汽壓力控制天然氣

55、的閥門開度，燃料量對(duì)鍋爐系統(tǒng)負(fù)荷變化較大，本系統(tǒng)在汽包壓力控制回路中引入蒸汽流量作為前饋信號(hào)。為保證燃料充分燃燒，送風(fēng)量應(yīng)該與燃料量作協(xié)調(diào)變化。汽包壓力調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)作為前饋信號(hào)被引至送風(fēng)副調(diào)節(jié)器。送風(fēng)調(diào)節(jié)采用串級(jí)控制方式，其主調(diào)節(jié)信號(hào)為送風(fēng)壓力，副調(diào)節(jié)器信號(hào)是燃料量，調(diào)節(jié)器的輸出通過控制變頻器達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。鍋爐引風(fēng)控制的控制目標(biāo)是保證爐膛壓力穩(wěn)定，為了使引風(fēng)機(jī)能快速跟隨送風(fēng)量的變化，將送風(fēng)調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)引入引風(fēng)調(diào)節(jié)器，作為前饋信號(hào)19。送風(fēng)機(jī)引風(fēng)機(jī)爐排電機(jī)差壓變送器差壓變送器壓力變送器主調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器變頻器液位變送器變頻器變頻器汽包液位爐膛負(fù)壓送風(fēng)壓力蒸汽流量圖3.4 鍋爐燃燒控制系統(tǒng)框圖3.2 選型I/O點(diǎn)分布(1) 鍋爐給水：本系統(tǒng)有兩臺(tái)給水泵，其中一臺(tái)正常使用，另一臺(tái)備用。表 給水I/O點(diǎn)分布序號(hào)控制內(nèi)容數(shù)量I/O類型備注1給水流量1AI渦街流量計(jì)2汽包液位1AI液位變送器3給水泵運(yùn)行2DO泵4給水泵運(yùn)行故障2DI熱繼電器5給水泵啟動(dòng)2DI按鈕6給水泵停止2DI按鈕7汽包高水位上限1HMI設(shè)定值8汽包高水位上限1HMI設(shè)定值9汽包低水位下限1HMI設(shè)定值10汽包低水位下限1HMI設(shè)定值11給水流量調(diào)節(jié)1AO電動(dòng)調(diào)節(jié)閥(2) 燃燒控制：本鍋爐由燃燒控制系統(tǒng)進(jìn)行燃?xì)獾膲毫Α⒘髁繖z測(cè)、安全保護(hù)、