【基于PLC控制的焙燒爐天然氣流量控制系統(tǒng)設(shè)計13000字（論文）】

基于PLC控制的焙燒爐天然氣流量控制系統(tǒng)設(shè)計摘要在鋼鐵企業(yè)中會將不同熱值的天然氣混合以后加壓送到各生產(chǎn)單位，混合加壓過程的控制目標(biāo)是要保證送出天然氣熱值與壓力的穩(wěn)定。天然氣混合加壓過程復(fù)雜，影響因素多，這就迫切需要一種有效的控制方法。根據(jù)在實際工業(yè)生產(chǎn)中天然氣混合加壓過程的控制要求，提出了天然氣一次混合（BFG+COG)過程熱值和壓力解耦控制回路；當(dāng)焦?fàn)t天然氣不足，采用天然氣替換焦?fàn)t天然氣，一次混合增加天然氣后，天然氣和焦?fàn)t煤氣進行成比例的置換，總量跟隨交叉限幅控制。天然氣工藝增加后，設(shè)計了DCS系統(tǒng)，根據(jù)工藝要求設(shè)計了適用于現(xiàn)場實際的人機界面，系統(tǒng)投入后根據(jù)實際運行情況并做了完善。該系統(tǒng)實際運用在了鋼鐵企業(yè)熱軋廠中?；旌咸烊粴獾臒嶂蹬c壓力的波動得到了抑制，在現(xiàn)場實際運用中也論證了系統(tǒng)先進的設(shè)計，以及運行的可靠性，同時也切實的結(jié)合了工業(yè)生產(chǎn)中的實際需求，為生產(chǎn)企業(yè)帶來了了一定的社會效益和經(jīng)濟效益。關(guān)鍵詞：PLC控制；焙燒爐；天然氣混合；流量控制目錄TOC\o"1-3"\h\u157341緒論 緒論環(huán)境和能源問題是全球關(guān)注焦點，我國能源結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟發(fā)展不相稱，能源結(jié)構(gòu)影響國民經(jīng)濟和生活。我國在九十年代末進行過鍋爐產(chǎn)業(yè)的大規(guī)模改造雖引進部分先進技術(shù)和產(chǎn)品但并未徹底解決問題，傳統(tǒng)的能源結(jié)構(gòu)和消費模式并未改變，使得污染有日益嚴(yán)峻的趨勢。這就需要我們重新審視我國的能源結(jié)構(gòu)和消費結(jié)構(gòu)，學(xué)習(xí)和借鑒西方先進國家的有益做法，調(diào)整我國鍋爐產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，引進先進設(shè)備和工藝，同時要結(jié)合國情努力改造我國鍋爐產(chǎn)業(yè)的設(shè)備和控制方法，減少污染的排放。基于此為了保護我們的環(huán)境為了造福后代，同時踐行國家節(jié)能減排戰(zhàn)略，作為科研人員要大力研發(fā)節(jié)能降污染的技術(shù)和產(chǎn)品，對現(xiàn)有產(chǎn)品和設(shè)備進行研究改造，站在工業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化的戰(zhàn)略角度采用適當(dāng)先進技術(shù)改造工業(yè)鍋爐和眾多天然氣鍋爐產(chǎn)品。主要研發(fā)以天然氣、天然氣為燃料的天然氣或燃?xì)忮仩t，用改良的新產(chǎn)品陳舊落后產(chǎn)能的舊設(shè)備，此舉也符合國家節(jié)能減排戰(zhàn)略要求，替換高耗能、污染重的鍋爐更是現(xiàn)實的需要。1.1研究背景及意義隨著科技的不斷進步，自動化技術(shù)以及電力電子技術(shù)快速提高，國內(nèi)外以繼電器為基礎(chǔ)的自動化儀表工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)也得到發(fā)展，并且廣泛應(yīng)用于實際生產(chǎn)過程。在上個世紀(jì)60年代前期，我國鍋爐的控制系統(tǒng)開始得到迅速發(fā)展;到了60年代的中后期，我國引進了國外全自動的燃?xì)忮仩t的控制系統(tǒng);到了上個世紀(jì)的70年代末，我國逐漸自主研發(fā)了一些工業(yè)鍋爐的自動化儀器，同時，在工業(yè)鍋爐的控制系統(tǒng)方面也在逐步推廣應(yīng)用自動化技術(shù)。燃?xì)忮仩t控制系統(tǒng)適用于配用各種進口以及國產(chǎn)燃燒器的燃?xì)忮仩t，對鍋爐實行全自動控制，包括鍋爐水位、蒸汽壓力、燃燒系統(tǒng)的參數(shù)檢測、指示、報警、調(diào)節(jié)等進行控制，該系統(tǒng)將這種思路引入到小區(qū)取暖天然氣鍋爐上，將更具有效率高、節(jié)約能源、高可靠性的安全系統(tǒng)，符合環(huán)保要求，完善的智能控制等優(yōu)點。當(dāng)今世界范圍內(nèi)，天然氣鍋爐因燃燒效率高、易于控制、利于節(jié)能減排等眾多優(yōu)勢己被眾多企業(yè)所接納、采用，成為傳統(tǒng)舊鍋爐的首選替代品而深受歡迎。隨著我國工業(yè)化進程的加快，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的迅速升級，鍋爐產(chǎn)業(yè)也進入了快速發(fā)展期，雖然天然氣鍋爐的應(yīng)用越來越普及，鍋爐的燃燒效率和控制水平也得到不斷地提高，但是就目前情況而言仍存在很多問題。21世紀(jì)我國能源短缺問題更突出，能源問題己經(jīng)成為我國工業(yè)化進程的“瓶頸”，大力推行節(jié)能減排是國家勢在必行的強大戰(zhàn)略，適合時宜地進行鍋爐的使鍋爐高效安全運行，切實提高我國天然氣鍋爐燃燒控制自動化程度是我國天然氣鍋爐未來發(fā)展的重要趨勢。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀結(jié)合資料檢索發(fā)現(xiàn)，在國內(nèi)外的煤氣加壓站的控制系統(tǒng)中，采用的主要控制手段主要有以下幾種：傳統(tǒng)的方法-PID控制。也就是一般確定高爐煤氣為主導(dǎo)煤氣，實際上不控制其流量的大小，而是根據(jù)一次混合后的壓力進行控制。而另一種煤氣根據(jù)高爐煤氣的流量進行配比。前者保證混合后的壓力，后者保證熱值調(diào)節(jié)。寶鋼股份1580熱軋煤氣站即采用這種控制方法。傳統(tǒng)的PID控制方法控制器設(shè)計簡單，參數(shù)整定方便。但是工況不穩(wěn)定時，擾動很強，很難達(dá)到穩(wěn)定的控制。一般在煤氣站實際工作情況相對穩(wěn)定的情況下，控制系統(tǒng)經(jīng)過一段時間的慢慢調(diào)整才能達(dá)到穩(wěn)定的控制其熱值與壓力，從而導(dǎo)致煤氣調(diào)節(jié)的精度不高。上述方法控制效果較差的原因也在于沒有考慮到混合煤氣熱值和壓力之間的耦合。其它一些文獻也提出來前饋補償控制控制，從而實現(xiàn)控制回路之間的解耦。然后采用Smith補償器對熱值檢測滯后進行了動態(tài)補償。這種方法消除了耦合對過程的不利影響，高爐管道和焦?fàn)t管道的壓力和流量波動比解耦前大大減小，系統(tǒng)穩(wěn)定性得到改善。但前饋補償解耦是一種靜態(tài)解耦，解耦系數(shù)必須事先通過經(jīng)驗試湊得到，因此只能作一定程度的補償。采用模糊控制算法。仍采用另一種煤氣根據(jù)主導(dǎo)煤氣流量成比例調(diào)節(jié)的方法，但控制上不采用傳統(tǒng)的PID算法，而是采用模糊控制算法，流量和壓力的耦合問題仍沒有解決。有些模糊控制算法，結(jié)合先進控制的思想，設(shè)計了智能解耦控制策略，但其控制效果與解耦策略以及閥門控制策略存在很大關(guān)系，現(xiàn)場需整定的參數(shù)很多，也有一定的限制。無模型的自適應(yīng)控制策略（MFA），在國外熱軋廠煤氣站加壓站混合控制研究中逐步應(yīng)用，該方法主要是通過混合煤氣壓力、流量的串級，采用MFA控制混合煤氣的熱值。另外也有人提出一種集成的智能控制策略，方法是通過PID回路控制、模糊控制、前饋控制、專家控制等綜合利用解決問題。國內(nèi)學(xué)者針對煤氣混合加壓過程也研究了大量的控制方法。模糊智能解耦、綜合專家控制、模糊控制的智能解耦控制方法，以及人工智能控制算法、增量式PID算法，通過以上方法實現(xiàn)煤氣站加熱量的穩(wěn)定用氣，便于控制。綜合國內(nèi)外研究進展，煤氣加壓站的控制技術(shù)隨著DCS系統(tǒng)的計算能力提升上正在向著智能化不斷發(fā)展，各種先進的控制理念在實際中得到應(yīng)用，從而使得控制品質(zhì)不斷得到提高，但同時也應(yīng)該看到我們面對的是一個不容易確定的數(shù)學(xué)模型具有大時滯和非線性部件的較復(fù)雜的控制問題，準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型無法確定，外不擾動因素多等等，因此我們擬在經(jīng)典PID回路控制基礎(chǔ)上適當(dāng)引入復(fù)雜控制方法和補償設(shè)計保證系統(tǒng)的順利投入實際使用，并在實施中不斷摸索更優(yōu)的解決方法。1.3本設(shè)計研究的意圖(1)運用所學(xué)的PLC知識，獨立完成基于PLC的小區(qū)天然氣鍋爐控制系統(tǒng)設(shè)計，實現(xiàn)小區(qū)天然氣取暖鍋爐的自動控制溫度、給水排水、鍋爐水位、蒸汽壓力、高溫報警、自動調(diào)節(jié)溫度及加熱進氣量等功能。使得小區(qū)的天然氣取暖鍋爐實現(xiàn)自動控制和運行，節(jié)約能源和節(jié)省成本。(2)采用PLC作為整個控制系統(tǒng)主控器，開關(guān)量設(shè)備實現(xiàn)精確連續(xù)調(diào)節(jié)，提高天然氣鍋爐效率;(3)設(shè)計方案適合在工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境下應(yīng)用。能實現(xiàn)復(fù)雜的邏輯、過程控制，控制器減少故障，減少斷電故障;(4)據(jù)統(tǒng)計一臺2.8MW的鍋爐，若效率提高1%，相當(dāng)年省煤200噸，約人民幣50000元，效益明顯。對天然氣鍋爐進行改造，可將鍋爐熱效率提高5%。使鍋爐達(dá)到經(jīng)濟運行狀態(tài)，減少煙氣，減少污染。2相關(guān)概述2.1PLC概述2.1.1PLC的工作原理PLC的掃描使用PLC輸入，同時存儲在PLC的用戶存儲器的用戶程序，PLC運行時，用戶程序有許多操作要求進行操作，因為CPU不是多個程序的操作時間，所以CPU只能按照分時原則上操作的程序，是，每一次只有一個操作可以被執(zhí)行。CPU的運算處理能力非常快的特點，所以讓外部出現(xiàn)結(jié)構(gòu)，在宏觀的角度上來看就像是同一個時刻進行完成的。CPU按順序、分時原則運行程序的所有操作的過程被稱作CPU對程序的掃描。CPU執(zhí)行一次掃描的時間。即一個掃描周期。PLC和一般的微型計算機基本相同，也是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成的。PLC的硬件系統(tǒng)由微處理器(CPU)、存儲器(EPROM，ROM)、輸入輸出(I/O)部件、電源部件、編程器、I/O擴展單元和其他外圍設(shè)備組成。各部分通過總線(電源總線、控制總線、地址總線、數(shù)據(jù)總線)連接而成。其結(jié)構(gòu)簡圖如下：圖2.1PLC硬件結(jié)構(gòu)圖PLC的軟件系統(tǒng)是指PLC所使用的各種程序的集合，通?？煞譃橄到y(tǒng)程序和用戶程序兩大部分。系統(tǒng)程序是每一個PLC成品必須包括的部分，由PLC廠家提供，用于控制PLC本身的運行，系統(tǒng)程序固化在EPROM中。用戶程序是由用戶根據(jù)控制需要而編寫的程序。硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成了一個完整的PLC系統(tǒng)，他們是相輔相成，缺一不可的可編程序邏輯控制器（ProgrammableLogicController），簡稱PLC。它是一種以微機處理器為基礎(chǔ)，綜合了計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信控制技術(shù)等現(xiàn)代科技而發(fā)展起來的一種新型工業(yè)自動控制裝置。2.1.2PLC的發(fā)展歷程在可編程控制器出現(xiàn)前，在工業(yè)電氣控制領(lǐng)域中，繼電器控制占主導(dǎo)地位，應(yīng)用廣泛。但是電器控制系統(tǒng)存在體積大、可靠性低、查找和排除故障困難等缺點，特別是其接線復(fù)雜、不易更改，對生產(chǎn)工藝變化的適應(yīng)性差。20世紀(jì)80年代以后，隨著大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路等微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，16位和32位微處理器應(yīng)用于PLC中，使PLC得到迅速發(fā)展。PLC不僅控制功能增強，同時可靠性提高，功耗、體積減小，成本降低，編程和故障檢測更加靈活方便，而且具有通信和聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)處理和圖象顯示等功能，使PLC真正成為具有邏輯控制、過程控制、運動控制、數(shù)據(jù)處理、聯(lián)網(wǎng)通信等功能的名符其實的多功能控制器。PLC的發(fā)展過程大致可以分為如下幾個階段：1970—1980年：PLC的結(jié)構(gòu)定型階段。在這一階段，由于PLC剛誕生，各種類型的順序控制器不斷出現(xiàn)（如邏輯電路型、1位機型、通用計算機型、單板機型等），但迅速被淘汰。最終以微處理器為核心的現(xiàn)有PLC結(jié)構(gòu)形成，取得了市場的認(rèn)可，得以迅速發(fā)展.推廣。PLC的原理、結(jié)構(gòu)、軟件、硬件趨向統(tǒng)一與成熟，PLC的應(yīng)用領(lǐng)域由最初的小范圍、有選擇使用、逐步向焙燒爐、生產(chǎn)線擴展。1980—1990年：PLC的普及階段。在這一階段，PLC的生產(chǎn)規(guī)模日益擴大，價格不斷下降，PLC被迅速普及。各PLC生產(chǎn)廠家產(chǎn)品的價格.品種開始系列化，并且形成了固定I/O點型、基本單元加擴展塊型、模塊化結(jié)構(gòu)型這三種延續(xù)至今的基本結(jié)構(gòu)模型。PLC的應(yīng)用范圍開始向順序控制的全部領(lǐng)域擴展。比如三菱公司本階段的主要產(chǎn)品有F.F1.F2小型PLC系列產(chǎn)品，K/A系列中、大型PLC產(chǎn)品等。1990-2000年，PLC的高性能與小型化階段。在這一階段，隨著微電子技術(shù)的進步，PLC的功能日益增強，PLC的CPU運算速度大幅度上升、位數(shù)不斷增加，使得適用于各種特殊控制的功能模塊不斷被開發(fā)，PLC的應(yīng)用范圍由單一的順序控制向現(xiàn)場控制拓展。此外，PLC的體積大幅度縮小，出現(xiàn)了各類微型化PLC。三菱公司本階段的主要產(chǎn)品有FX小型PLC系列產(chǎn)品，AIS/A2US/Q2A系列中，大型PLC系列產(chǎn)品等。2000年至今：PLC的高性能與網(wǎng)絡(luò)化階段。在本階段，為了適應(yīng)信息技術(shù)的發(fā)展與工廠自動化的需要，PLC的各種功能不斷進步。一方面，PLC在繼續(xù)提高CPU運算速度，位數(shù)的同時，開發(fā)了適用于過程控制，運動控制的特殊功能與模塊，使PLC的應(yīng)用范圍開始涉及工業(yè)自動化的全部領(lǐng)域。與此同時，PLC的網(wǎng)絡(luò)與通信功能得到迅速發(fā)展，PLC不僅可以連接傳統(tǒng)的編程與通入/輸出設(shè)備，還可以通過各種總線構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，為工廠自動化奠定了基礎(chǔ)。2.2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論基礎(chǔ)2.2.1單神經(jīng)元模型根據(jù)生物神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)和功能，從20世紀(jì)40年代開始，人們提出了大量的人工神經(jīng)元模型，其中影響較大的是1943年美國心理學(xué)家W.McCulloch和數(shù)理邏輯學(xué)家W.Pitts共同提出的形式神經(jīng)元模型，通常稱之為MP模型。該模型結(jié)構(gòu)如圖2.2所示。圖2.2MP模型設(shè)有N個神經(jīng)元互聯(lián)，每個神經(jīng)元的活化狀態(tài)(j=1，2，…，N)取0或l，分別代表抑制和興奮。第i個神經(jīng)元的狀態(tài)按下述規(guī)則受其它神經(jīng)元的制約（2.1）（2.2）其中，表示神經(jīng)元j和神經(jīng)元i之間的連接強度，或稱權(quán)值;為閾值；為階躍函數(shù)，稱為神經(jīng)元激發(fā)函數(shù)或變換函數(shù)，其函數(shù)表達(dá)式為（2.3）為該神經(jīng)元的輸出，其值為0或1，即1代表該神經(jīng)元被激活;0代表神經(jīng)元被抑制。有時也將看成是恒等于1的輸入的權(quán)值，這時(2.1)式可寫成(2.4)其中，。這就是最初的MP模型。其輸入、輸出均為二值量，權(quán)值固定。利用該神經(jīng)元模型，可以實現(xiàn)一些簡單的邏輯關(guān)系。將MP模型中的階躍激發(fā)函數(shù)step（）用其它一些非線性離散或連續(xù)函數(shù)代替，用于反映神經(jīng)元的非線性特性，便得到更為一般的神經(jīng)元模型。圖2.3列出了幾種常見激發(fā)函數(shù)f(.)。圖2.3常見激發(fā)函數(shù)2.2.2單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器的設(shè)計由于本文是對液位進行控制，所以采用的是有監(jiān)督的Hebb學(xué)習(xí)規(guī)則，能更好整定出參數(shù)。并且學(xué)習(xí)速率選擇為相同值，可以使整定參數(shù)更簡便。設(shè)定輸入為，輸出為；根據(jù)增量型PID算法，經(jīng)轉(zhuǎn)換器后轉(zhuǎn)換成為神經(jīng)元學(xué)習(xí)控制所需要的狀態(tài)量、、為：(2.5)2.2.3單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制設(shè)計流程圖根據(jù)以上單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制算法，設(shè)計出程序流程圖，如圖2.4所示：圖2.4程序流程圖2.2.4單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制程序仿真研究應(yīng)用控制理論來分析、設(shè)計、整定或改進一個過程控制系統(tǒng)，只有過程的階躍響應(yīng)曲線是不夠的，還必須由階躍響應(yīng)曲線確定其傳遞函數(shù)。由階躍響應(yīng)曲線確定過程的數(shù)學(xué)模型，首先要根據(jù)曲線的形狀，選定模型的結(jié)構(gòu)。通過辨識得出控制單容焙燒爐天然氣流量對象的結(jié)構(gòu)為一階數(shù)學(xué)模型，即(2.6)靜態(tài)放大系數(shù)K等于階躍響應(yīng)曲線的穩(wěn)態(tài)值與階躍擾動值之比，即(2.7)在階躍信號作用下，的解為：即(2.8)為了方便計算，在實際實驗過程曲線中找0.632與0.33所對應(yīng)的時間與帶入公式3.11中，得出與，則T為其平均值，即。根據(jù)上述計算方法和已知量、、、，可以求出傳遞函數(shù)中的未知量，。因K，T的值已經(jīng)確定，可得溫度階躍曲線的傳遞函數(shù)為：(2.9)通過辨識焙燒爐天然氣流量數(shù)學(xué)模型，將設(shè)計好的單神經(jīng)元PID控制程序在PLC中進行仿真研究，設(shè)定天然氣流量輸出值為70，運行次數(shù)為250次，將控制量u限幅為0-100，若u大于100，則默認(rèn)u等于100，若u小于0則默認(rèn)u為0。然后通過程序運行計算出誤差、控制量，最后得出權(quán)值，通過單神經(jīng)元PID控制算法對焙燒爐天然氣流量進行控制。3軟件設(shè)計S7--300/400屬于模塊式PLC，主要由機架、CPU模塊、信號模塊、功能模塊、接口模塊、通信處理器、電源模塊和編程設(shè)備等組成。PLC的主要生產(chǎn)廠家：德國的西門子(Seimens)公司，美國Rockewll公司所屬的AB公司，GE—Fanuc公司，法國的施耐德(schneider)公司，日本的三菱和歐姆龍(OMRON)公司。

PLC采用循環(huán)執(zhí)行用戶程序的方式。OB1是用于循環(huán)處理的組織塊(主程序)，它可以調(diào)用別的邏輯塊，或被中斷程序(組織塊)中斷。在起動完成后，不斷地循環(huán)調(diào)用OB1，在OB1中可以調(diào)用其它邏輯塊(FB，SFB，F(xiàn)C或SFC)。循環(huán)程序處理過程可以被某些事件中斷。在循環(huán)程序處理過程中，CPU并不直接訪問I/O模塊中的輸入地址區(qū)和輸出地址區(qū)，而是訪問CPU內(nèi)部的輸入/輸出過程映像區(qū)，批量輸入、批量輸出。某一編程元件對應(yīng)的過程映像位為1狀態(tài)時，稱該編程元件為ON，過程映像位為0狀態(tài)時，稱該編程元件為OFF。循環(huán)時間(CycleTime)是指操作系統(tǒng)執(zhí)行一次循環(huán)操作所需的時間，又稱為掃描循環(huán)時間(Scan

CycleTime)或掃描周期。3.1S7-300系列PLC簡介S7-300的CPU模塊（簡稱為CPU）都有一個編程用的RS-485接口，有的還帶有集成的現(xiàn)場總線PROFIBUS-DP接口或PtP串行通訊接口，S7-300不需要附加任何硬件、軟件和編程，就可以建立一個MPI（多點接口）網(wǎng)絡(luò)，如果有PROFIBUS-DP接口，可以建立一個DP網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)。圖3.1S7-300PLC1.電源模塊2.后備電池3.24VDC連接器4.模式開關(guān)5.狀態(tài)和故障指示燈6.存儲器卡（CPU313以上）7.MPI多點接口8.前連接器9.前蓋功能最強大CPU的RAM為512KB，最大8192個存儲器位，512個定時器和512個計數(shù)器，數(shù)字量最大65536，模擬量通道最大為4096。有350多條指令。計數(shù)器的技術(shù)范圍為1-999，定時器的定時范圍為10ms-9990ms。只需要擴展一個機架，可以使用價格便宜的IM365接口模塊對。數(shù)字量模塊從0號機架的4號槽開始，每個槽位分配四個字節(jié)的地址，32個IO點。模擬量模塊一個通道占一個字地址。從IB256開始，給每一個模擬量模塊分配8個字。1.模塊診斷功能

可以診斷出以下故障：失壓，熔斷器熔斷，看門狗故障，EPROM、RAM故障。模擬量模塊共模故障，組態(tài)/參數(shù)錯誤、斷線、上下溢出。2.過程中斷

數(shù)字量輸入上升沿、下降沿中斷；模擬量輸入超限；CPU暫停當(dāng)前程序，處理OB40。3.狀態(tài)與故障顯示LED

SF（系統(tǒng)出錯/故障顯示，紅色）：CPU硬件故障或軟件錯誤時亮。BATF（電池故障，紅色）：電池電壓低或沒有電池時亮；DC5V（+5V電源指示，綠色）：5V電源正常時亮；FRCE（強制，黃色）：至少有一個IO被強制時亮；RUN（運行方式，綠色）：CPU處于RUN狀態(tài)時亮；重新啟動時以2Hz的頻率閃亮；HOLD（單步、斷點）狀態(tài)時以0.5Hz的頻率閃亮；STOP(停止方式，黃色)：CPU處于STOP，HOLD狀態(tài)或重新啟動時常亮；BUSF(總線錯誤，紅色)。模式選擇開關(guān)RUN-P（運行-編程）位置：運行時還可以讀出和修改用戶程序,改變運行方式。RUN（運行）位置：CPU執(zhí)行，讀出用戶程序，但是不能修改用戶程序。STOP（停止）位置：不執(zhí)行用戶程序，可以讀出和修改用戶程序。MRES（清除存儲器）：不能保持。將鑰匙開關(guān)從STOP狀態(tài)扳到MRES置可復(fù)位存儲器，使CPU回到初始狀態(tài)。復(fù)位存儲器操作：通電后從STOP位置扳到MRES位置，“STOP”LED熄滅1s，亮1s，再熄滅1s后保持亮。放開開關(guān)，使它回到STOP位置，然后又回到MRES，“STOP”LED以2Hz的頻率至少閃動3s，表示正在執(zhí)行復(fù)位，最后“STOP”LED一直亮。某些CPU模塊上有集成IO模塊。PLC使用的物理存儲器有：RAM,ROM，快閃存儲器（FlashEPROM）和EEPROM。3.2PLC編程語言簡介3.2.1PLC編程語言的國際標(biāo)準(zhǔn)IEC6ll31是PLC的國際標(biāo)準(zhǔn)，1992~1995年發(fā)布了IEC6ll31標(biāo)準(zhǔn)中的1~4部分，我國在1995年11月發(fā)布GB/T15969-1/2/3/4(等同于IEC6ll31-1/2/3/4)。IEC6ll31-3廣泛地應(yīng)用PLC、DCS和工控機、“軟件PLC”、數(shù)控系統(tǒng)、RTU等產(chǎn)品。它們定義了5種編程語言：指令表IL(Instructionlist):西門子稱為語句表STL。結(jié)構(gòu)文本ST(Structuredtext):西門子稱為結(jié)構(gòu)化控制語言(SCL)。梯形圖LD(Ladderdiagarm):西門子簡稱為LAD。功能塊圖FBD(runctionblockdiagram):標(biāo)準(zhǔn)中稱為功能方框圖語言。順序功能圖SFC(Sequentialfunctionchart):對應(yīng)于西門子的S7Graph。在SETP7編程軟件中，如果程序塊沒有錯誤，并且被正確地劃分為網(wǎng)絡(luò)，在梯形圖、功能塊圖和語句表之間可以轉(zhuǎn)換。如果部分網(wǎng)絡(luò)不能轉(zhuǎn)換，則用語句表表示。語句表可供喜歡用匯編語言編程的用戶使用。語句表的輸入快，可以在每條語句后面加上注釋。設(shè)計高級應(yīng)用程序時建議使用語句表。梯形圖適合于熟悉繼電器電路的人員使用。設(shè)計復(fù)雜的觸點電路時最好用梯形圖。功能塊圖適合于熟悉數(shù)字電路的人使用。S7SCL編程語言適合于熟悉高級編程語言(例如隊SCAL或C語言)的人使用。S7Graph，HiGraph和CFC可供有技術(shù)背景，但是沒有PLC編程經(jīng)驗的用戶使用S7Graph對順序控制過程的編程非常方便，HIGraPh適合于異步非順序過程的編程，CFC適合于連續(xù)過程控制的編程。通常，用戶程序由組織塊（OB）、功能塊（FB、FC）、數(shù)據(jù)塊（DB）構(gòu)成。其中OB是系統(tǒng)操作程序與用戶應(yīng)用程序在各種條件下的接口界面，用于控制程序的運行。OB塊根據(jù)操作系統(tǒng)調(diào)用的條件（如時間中斷和報警中斷等）分成幾種類型，這些類型有不同的優(yōu)先級，高優(yōu)先級的OB可以中斷低優(yōu)先級的OB。3.2.2復(fù)合數(shù)據(jù)類型與參數(shù)類型復(fù)合數(shù)據(jù)類型通過組合基本數(shù)據(jù)類型和復(fù)合數(shù)據(jù)類型可以生成下面的數(shù)據(jù)類型:數(shù)組(ARRAY)將一組同一類型的數(shù)據(jù)組合在一起，形成一個單元。結(jié)構(gòu)(STRUCT)將一組不同類型的數(shù)據(jù)組合在一起，形成一個單元。字符串(SRTING)是最多有254個字符(CHAR)的一維數(shù)組。日期和時間(DATE一ANDJIME)用于存儲年、月、日、時、分、秒、毫秒和星期，占用8個字節(jié)，用BCD格式保存。星期天的代碼為1，星期一-星期六的代碼為2~7。例如DT#2004-07-15-12:30:15.200為2004年7月15日12時30分15.2秒。用戶定義的數(shù)據(jù)類型UDT(user-defined

data

types)。在數(shù)據(jù)塊DB和邏輯塊的變量聲明表中定義復(fù)合數(shù)據(jù)類型。參數(shù)類型為在邏輯塊之間傳遞參數(shù)的形參(fomral

parameter，形式參數(shù))定義的數(shù)據(jù)類型:TIMER(定時器)和COUNTER(計數(shù)器):對應(yīng)的實參(actaulparameter，實際參數(shù))應(yīng)為定時器或計數(shù)器的編號，例如T3，CZI。(2)BLOCK(塊):指定一個塊用作輸入和輸出，實參應(yīng)為同類型的塊。(3)POINTER(指針):指針用地址作為實參.例如P#M50.0。(4)ANY:用于實參的數(shù)據(jù)類型未知或?qū)崊⒖梢允褂萌我鈹?shù)據(jù)類型的情況，占10個字節(jié)。3.2.3系統(tǒng)存儲器過程映像輸入/輸出(/IQ)在掃描循環(huán)開始時，CPU讀取數(shù)字量輸入模塊的輸入信號的狀態(tài)，并將它們存入過程映像輸入(process

image

input，Pll)中。在掃描循環(huán)中，用戶程序計算輸出值，并將它們存入過程映像輸出表(prcoessimageoutput，PIQ).在循環(huán)掃描結(jié)束時將過程映像輸出表的內(nèi)容寫入數(shù)字量輸出模塊。I和Q均以按位、字節(jié)、字和雙字來存取，例如I0.0，BI0，IWO和ID0。與直接訪問I/O模塊相比的優(yōu)缺點。內(nèi)部存儲器標(biāo)志位(M)存儲器區(qū)定時器(T)存儲器區(qū)

時間值可以用二進制或BCD碼方式讀取。計數(shù)器(C)存儲器區(qū)計數(shù)值(0~999)可以用二進制或BCD碼方式讀取。共享數(shù)據(jù)塊(DB)與背景數(shù)據(jù)塊(DI)DB為共享數(shù)據(jù)塊，DBXZ.3，DBBS，DBW10和DBD12。Dl為背景數(shù)據(jù)塊，DIX，DIB，DIW和DID。外設(shè)I/O區(qū)(Pl/PO)

外設(shè)輸入(PI)和外設(shè)輸出(PQ)區(qū)允許直接訪問本地的和分布式的輸入模塊和輸出模塊?？梢园醋止?jié)(plB或pQB)、字(Plw或PQw)或雙字(PID或PQD)存取，不能以位為單位存取PI和PO。3.2.4S7-300CPU中的寄存器累加器(ACCUx)累加器用于處理字節(jié)、字或雙字的寄存器。S7-300有兩個犯位累加器(ACCUI和ACCUZ)，S7-400有4個累加器(ACCUI~ACCU4)。數(shù)據(jù)放在累加器的低端(右對齊)。狀態(tài)字寄存器(16位)首次檢測位（FC）:若該位的狀態(tài)為0，則表明一個梯形邏輯網(wǎng)絡(luò)的開始，或指令為邏輯串的第一條指令；邏輯運算結(jié)果(RLO)：該位用來存儲執(zhí)行位邏輯指令或比較指令的結(jié)果；狀態(tài)位（STA）；OR位暫存邏輯“與”的操作結(jié)果(先與后或):算術(shù)運算或比較指令執(zhí)行時出現(xiàn)錯誤，溢出位OV被置1；OV位被置1時溢出狀態(tài)保持位05位也被置1，OV位被清0時05仍保持為1，用于指明前面的指令執(zhí)行過程中是否產(chǎn)生過錯誤；條件碼1(CC1)和條件碼0(CCO)綜合起來用于表示在累加器1中產(chǎn)生的算術(shù)運算或邏輯運算的結(jié)果與0的大小關(guān)系、比較指令的執(zhí)行結(jié)果或移位指令的移出位狀態(tài)；二進制結(jié)果位(BR)在一段既有位操作又有字操作的程序中，用于表示字操作結(jié)果是否正確。在梯形圖的方框指令中，BR位與ENO有對應(yīng)關(guān)系，用于表明方框指令是否被正確執(zhí)行:如果執(zhí)行出現(xiàn)了錯誤，BR位為0，ENO也為0:如果功能被正確執(zhí)行，BR位為1，ENO也為1。圖4.7狀態(tài)字的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)塊寄存器:DB和Dl寄存器分別用來保存打開的共享數(shù)據(jù)塊和背景數(shù)據(jù)塊的編號。3.3STEP7的原理STEP7用于S7，M7，C7，WinAC的編程、監(jiān)控和參數(shù)設(shè)置，基于STEP7V5.2版。STEP7具有以下功能:硬件配置和參數(shù)設(shè)置、通信組態(tài)、編程、測試、啟動和維護、文件建檔、運行和診斷功能等。3.3.1STEP7概述STEP7的硬件接口PC/MPI適配器+RS-232C通信電纜。計算機的通信卡CP56ll(PCI卡)、CP55ll或CP5512(PCMCIA卡)將計算機連接到MPI或PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)。計算機的工業(yè)以太網(wǎng)通信卡CP1512(PCMCIA卡)或CP1612(PCI卡)，通過工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)計算機與PLC的通信。STEP7的授權(quán)在軟盤中。STEP7光盤上的程序AtuhorsW用于顯示、安裝和取出授權(quán)。STEP7的編程功能編程語言3種基本的編程語言:梯形圖(LAD)、功能塊圖(FBD)和語句表(STL)。57-SCL(結(jié)構(gòu)化控制語言)，87-GRAPH(順序功能圖語言)，S7HiGraph和CFC。符號表編輯器。增強的測試和服務(wù)功能。設(shè)置斷點、強制輸入和輸出、多CPU運行(僅限于57~400)，重新布線、顯示交叉參考表、狀態(tài)功能、.直接下載和調(diào)試塊、.同時監(jiān)測幾個塊的狀態(tài)等。程序中的特殊點可以通過輸入符號名或地址快速查找。STEP7的幫助功能。按FI鍵便可以得到與它們有關(guān)的在線幫助。菜單命令“Help→conteins”進入幫組窗口。STEP7的硬件組態(tài)與診斷功能硬件組態(tài)①系統(tǒng)組態(tài)：選擇硬件機架，模塊分配給機架中希望的插槽。②CPU的參數(shù)設(shè)置。③模塊的參數(shù)設(shè)置?？梢苑乐馆斎脲e誤的數(shù)據(jù)。通信組態(tài)①網(wǎng)絡(luò)連接的組態(tài)和顯示；②設(shè)置用MPI或者PROFIBUS-DP連接的設(shè)備之間的周期性數(shù)據(jù)傳送的參數(shù)。③設(shè)置MPI、PROFIBUS或者工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)的時間驅(qū)動的數(shù)據(jù)傳輸，用通信塊編程。系統(tǒng)診斷①快速瀏覽CPU的數(shù)據(jù)和用戶程序在運行中的故障原因。②用圖形方式顯示硬件配置、模塊故障；顯示診斷緩沖區(qū)的信息等。3.3.2符號表共享符號（全局符號）在符號表中定義，可供程序中所有的塊使用。在程序編輯器中用“View“→”Display

with”→”Symbolic

Representation”選擇顯示方式。生成與編輯符號表

CPU將自動地為程序中的全局符號加雙引號，在局部變量的前面自動加“#“號。生成符號表和塊的局域便量表時用戶不用為變量添加引號和#號。數(shù)據(jù)塊中的地址（DBD、DBW、DBB和DBX）不能在符號表中定義。它們的名字應(yīng)在數(shù)據(jù)塊的聲明中定義。用菜單命令“View”→”ColumnsR,O,M,C,CC”可以選擇是否顯示表中的”R,O,M,C,CC“列，它們分別表示監(jiān)視屬性、在WinCC里是否被控制和監(jiān)視、信息屬性、通信屬性和出點控制?？梢杂貌藛蚊睢盫iew“→”Sort“選擇符號表中變量的排序方法。共享符號與局域符號，后者不能用漢字。過濾器（Filter）

在符號表中執(zhí)行菜單命令“View”→”

Filter”,”I*”表示顯示所有的輸入，”I*.*“表示所有的輸入位，”I2.*“表示IB中的位等。3.3.3邏輯塊邏輯塊包括組織塊OB、功能塊FB和功能FC。程序的輸入方式：增量輸入方式或者源代碼方式(或稱文本方式、自由編輯方式)。生成邏輯塊網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行菜單命令“Insert→Network“,或點擊工具條中相應(yīng)的圖標(biāo)，在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的下面生成一個新的網(wǎng)絡(luò)。菜單命令”View→Display→Comments“用來激活或取消塊注釋或網(wǎng)絡(luò)注釋。可以用剪貼板在塊內(nèi)部和塊之間復(fù)制和粘貼網(wǎng)絡(luò)，可以用Ctrl鍵。打開和編輯塊的屬性菜單命令“File→Properties“來查看和編輯塊屬性。程序編輯器的設(shè)置進入程序編輯器后用菜單命令“Option→Customize“打開對話框可以進行下列設(shè)置：在“General“標(biāo)簽頁的”Font”設(shè)置編輯器使用的字體和字符的大小。在“STL“和”LAD/FDB“標(biāo)簽頁中選擇這些程序編輯器的顯示特性。在“Block“（塊）標(biāo)簽頁中，可以選擇生成功能塊時是否同時生成背景數(shù)據(jù)塊、功能塊是否有多重背景功能。在“View“選項卡中的”ViewafterOpenBlock“區(qū)，選擇在塊打開時顯示的方式。顯示方式的設(shè)置執(zhí)行View菜單中命令，放大縮小梯形圖或功能塊圖的顯示比例。菜單命令“View→Display→SymbolicRepresentation“,切換絕對地址和符號地址方式。菜單命令“View→Display→SymbolicInformation“用來打開或關(guān)閉符號信息。3.4程序設(shè)計本設(shè)計是鍋爐控制，以溫度控制為主，主要是控制鍋爐的出水溫度達(dá)到控制用戶室內(nèi)溫度的目的。

我設(shè)計的程序是以查表控制為主，以檢測到的室外溫度作為基準(zhǔn)，來改變循環(huán)泵頻率，引風(fēng)機頻率，鼓風(fēng)機頻率，從而改變供水溫度。主程序流程圖如下：開始檢測系統(tǒng)各部是否正常NY停機報警運行點火子程序采樣子程序查表確定出水溫度判斷水溫是否達(dá)標(biāo)調(diào)節(jié)各變頻器參數(shù)YN系統(tǒng)初始化圖主程序流程圖。鍋爐的點火是有嚴(yán)格的程序的，經(jīng)資料查詢，確定了點火時各電機啟動的順序，流程圖如下:

開始返回除渣除塵引風(fēng)機啟動爐排電機循環(huán)泵引風(fēng)機鼓風(fēng)機補水泵啟動給煤機啟動本程序還要用到采樣程序，主要采集室外溫度、室內(nèi)溫度、爐膛負(fù)壓、出水溫度、回水溫度、供水壓力、回水壓力等。流程圖如下：3.5通信系統(tǒng)MPI是多點通信接口（MultiPoint

Interface）的簡稱。MPI物理接口符合ProfibusRS485（EN50170）接口標(biāo)準(zhǔn)。MPI網(wǎng)絡(luò)的通信速率為19.2kbit/s～12Mbit/s，S7-200只能選擇19.2kbit/s的通信速率，S7-300通常默認(rèn)設(shè)置為187.5kbit/s，只有能夠設(shè)置為Profibus接口的MPI網(wǎng)絡(luò)才支持12Mbit/s的通信速率。用STEP7軟件包中的Configuration功能為每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分配一個MPI地址和最高地址，最好標(biāo)在節(jié)點外殼上；然后對PG、OP、CPU、CP、FM等包括的所有節(jié)點進行地址排序，連接時需在MPI網(wǎng)的第一個及最后一個節(jié)點接入通信終端匹配電阻。往MPI網(wǎng)添加一個新節(jié)點時，應(yīng)該切斷MPI網(wǎng)的電源。為了保證網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量，總線連接器或中繼器上都設(shè)計了終端匹配電阻。組建通信網(wǎng)絡(luò)時，在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞种У哪┒斯?jié)點需要接入浪涌匹配電阻。全局?jǐn)?shù)據(jù)（GD）通信方式以MPI分支網(wǎng)為基礎(chǔ)而設(shè)計的。在S7中，利用全局?jǐn)?shù)據(jù)可以建立分布式PLC間的通訊聯(lián)系，不需要在用戶程序中編寫任何語句。S7程序中的FB、FC、OB都能用絕對地址或符號地址來訪問全局?jǐn)?shù)據(jù)。最多可以在一個項目中的15個CPU之間建立全局?jǐn)?shù)據(jù)通訊。在MPI分支網(wǎng)上實現(xiàn)全局?jǐn)?shù)據(jù)共享的兩個或多個CPU中，至少有一個是數(shù)據(jù)的發(fā)送方，有一個或多個是數(shù)據(jù)的接收方。發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)稱為全局?jǐn)?shù)據(jù)，或稱為全局?jǐn)?shù)。具有相同Sender/Receiver（發(fā)送者/接受者）的全局?jǐn)?shù)據(jù)，可以集合成一個全局?jǐn)?shù)據(jù)包（GDPacket）一起發(fā)送。每個數(shù)據(jù)包用數(shù)據(jù)包號碼（GDPacketNumber）來標(biāo)識，其中的變量用變量號碼（VariableNumber）來標(biāo)識。參與全局?jǐn)?shù)據(jù)包交換的CPU構(gòu)成了全局?jǐn)?shù)據(jù)環(huán)（GDCircle）。每個全局?jǐn)?shù)據(jù)環(huán)用數(shù)據(jù)環(huán)號碼來標(biāo)識（GDCircleNumber）。例如，GD2.1.3表示2號全局?jǐn)?shù)據(jù)環(huán)，1號全局?jǐn)?shù)據(jù)包中的3號數(shù)據(jù)。在PLC操作系統(tǒng)的作用下，發(fā)送CPU在它的一個掃描循環(huán)結(jié)束時發(fā)送全局?jǐn)?shù)據(jù)，接收CPU在它的一個掃描循環(huán)開始時接收GD。這樣，發(fā)送全局?jǐn)?shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)，對于接收方來說是“透明的”。也就是說，發(fā)送全局?jǐn)?shù)據(jù)包中的信號狀態(tài)會自動影響接收數(shù)據(jù)包；接收方對接收數(shù)據(jù)包的訪問，相當(dāng)于對發(fā)送數(shù)據(jù)包的訪問。全局?jǐn)?shù)據(jù)可以由位、字節(jié)、字、雙字或相關(guān)數(shù)組組成，它們被稱為全局?jǐn)?shù)據(jù)的元素。一個全局?jǐn)?shù)據(jù)包由一個或幾個GD元素組成，最多不能超過24B。全局?jǐn)?shù)據(jù)環(huán)中的每個CPU可以發(fā)送數(shù)據(jù)到另一個CPU或從另一個CPU接收。全局?jǐn)?shù)據(jù)環(huán)有以下2種：①環(huán)內(nèi)包含2個以上的CPU，其中一個發(fā)送數(shù)據(jù)包，其它的CPU接收數(shù)據(jù)；②環(huán)內(nèi)只有2個CPU，每個CPU可既發(fā)送數(shù)據(jù)又接受數(shù)據(jù)。S7-300的每個CPU可以參與最多4個不同的數(shù)據(jù)環(huán)，在一個MPI網(wǎng)上最多可以有15個CPU通過全局通訊來交換數(shù)據(jù)。其實，MPI網(wǎng)絡(luò)進行GD通信的內(nèi)在方式有兩種：一種是一對一方式，當(dāng)GD環(huán)中僅有兩個CPU時，可以采用類全雙工點對點方式，不能有其它CPU參與，只有兩者獨享；另一種為一對多（最多4個）廣播方式，一個點播，其它接收。應(yīng)用GD通信，就要在CPU中定義全局?jǐn)?shù)據(jù)塊，這一過程也稱為全局?jǐn)?shù)據(jù)通信組態(tài)。在對全局?jǐn)?shù)據(jù)進行組態(tài)前，需要先執(zhí)行下列任務(wù)：①定義項目和CPU程序名；②用PG單獨配置項目中的每個CPU，確定其分支網(wǎng)絡(luò)號、MPI地址、最大MPI地址等參數(shù)。在用STEP7開發(fā)軟件包進行GD通信組態(tài)時，由系統(tǒng)菜單【Options】中的【DefineGlobalData】程序進行GD表組態(tài)。具體組態(tài)步驟如下：③在GD空表中輸入?yún)⑴cGD通信的CPU代號；④為每個CPU定義并輸入全局?jǐn)?shù)據(jù)，指定發(fā)送GD；⑤第一次存儲并編譯全局?jǐn)?shù)據(jù)表，檢查輸入信息語法是否為正確數(shù)據(jù)類型，是否一致；⑥設(shè)定掃描速率，定義GD通信狀態(tài)雙字；⑦第二次存儲并編譯全局?jǐn)?shù)據(jù)表。生成MPI硬件工作站打開STEP7，首先執(zhí)行菜單命令【File】→【New...】創(chuàng)建一個S7項目，并命名為“全局?jǐn)?shù)據(jù)”。選中“全局?jǐn)?shù)據(jù)”項目名，然后執(zhí)行菜單命令【Insert】→【Station】→【SIMATIC300Station】，在此項目下插入S7-300的PLC站。建立好的通訊圖如下，組態(tài)軟件將工業(yè)控制管理常用功能組合在一起形成一個新的軟件平臺，用戶可以在這個軟件平臺下進行二次開發(fā)系統(tǒng)所需的軟件。具有提高系統(tǒng)的成功率和可靠性，縮短項目開發(fā)周期和減少開發(fā)費用的優(yōu)點。4結(jié)論本課題的設(shè)計內(nèi)容是基于PLC的天然氣流量控制系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用，即設(shè)計一個以S7-200PLC為控制器的天然氣流量控制系統(tǒng)，根據(jù)過程天然氣流量系統(tǒng)的控制要求選用合適的檢測裝置和執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)天然氣流量過程量的自動控制。本文利用傳感器進行數(shù)據(jù)采集，并且用PLC進行數(shù)據(jù)傳輸、處理和分析，在組態(tài)王界面上進行顯示和異常的報警。重點就是設(shè)計一個針對于天然氣流量系統(tǒng)控制器，