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1、基于PLC系统的锅炉内胆水温控制系统设计1 PLC构成及WinCC的组态 采用WinCC组态技术设计多机联网运行的实时监控系统，核心思想是通过计算机超强的处理能力，以软件实现实际生产过程变化，把传统控制中进行人工操作或数据分析与处理、数据输出与表达的硬件，利用方便的PC机软硬件代替。 建立WinCC组态监控系统。首先启动WinCC，建立一个单用户项目添加通讯驱动程序选择通道单元输入逻辑连接名，确定与S7300端口的通讯连接。然后在驱动程序连接下建立结构类型和元素，给过程变量分配一个在PLC中的对应地址（地址类型与通讯对象相关），给除二进制变量外的过程变量和内部变量设定上限值和下限值（当过程值超
2、出上限值和下限值的范围时，数值将变为灰色，并且不可以再对其进行任何处理）。 接着创建和编辑主导航画面、单台空压机组态画面、远程监控画面、分析诊断画面、数据归档画面、报警显示画面、报警在线限制值画面、报表打印画面、用户登录方式画面等。对画面中添加的按钮、窗口和静态文本等，进行组态变量连接、状态显示设置等等。 再对远程控制画面中的启动/停止按钮进行变量连接，设置手动控制和自动控制两种方式，并且手动控制为高级控制方式。通过设置随变量值的变化范围而改变颜色的比功率棒图进行故障诊断分析；通过对过程值的归档，建立历史和当前的表格与曲线两种状态的监控界面；利用报警和报表打印等，实现信息上报、及时反馈的功能，
3、实现最佳的生产状态监测控制。还可通过用户管理权限的设置，为不同级别的用户设置权限和等待空闲时间，以更好地安全防护。1.1 PLC控制柜的组成 (1) 电源部分 (2) CPU模块 西门子S7-300PLC，型号为CPU315-2 DP，它集成了MPI接口，可以很方便的在PLC站点、操作站OS、编程器PG、操作员面板建立较小规模的通讯。它还集成了PROFIBUS-DP接口，通过DP可以组建更大范围的分布式自动化结构。 工作电压:DC 24V; 通讯方式:CP5611网卡进行通讯; 通讯协议:PROFIBUS-DP。 (3) 模拟量输入模块 采用西门子SM331-7NF00-OABO模拟量输入模块
4、。输入所采集到的信号至控制单元。规格:AI 816bit; (4) 模拟量输出模块 采用西门子SM332-5HD01-OABO模拟量输出模块。输出控制信号至执行机构。规格:AO 412 bit (5) 数字量模块本系统采用西门子SM323-1BH01-0AA0数字量模块，该模块集成了8路数字量输入通道和8路数字量输出通道。锅炉内胆水温控制系统没用到此模块，但在硬件组态时需编入硬件组态。1.2 基于PLC的锅炉内胆水温控制的系统结构 参见图1，系统控制过程为:在锅炉内胆温度闭环控制系统中，用Pt100铂电阻检测炉温，温度变送器将Pt100输出的微弱电压信号转换为标准量程的电压信号，然后送给PLC
5、的模拟量输入模块，经A/D转换后得到与温度成比例的数字量，CPU将它与温度给定值比较，并按PID控制算法对误差值进行运算，将运算结果(数字量)送给PLC的模拟量输出模块，经D/A转换后变为电流信号，用来控制三相可控硅移相调压装置的导通角大小，通过它控制电加热管两端的电压，实现对温度的闭环控制。图1 基于PLC的锅炉内胆水温控制系统方框图 设计所需要的过程控制系统为AE2000A型过程控制实验装置，如图2所示。图2 过程控制实验装置概貌2 锅炉内胆水温控制系统的软件设计2.1 PLC的硬件组态控制程序设计 PLC的硬件组态。STEP7是西门子公司针对S7系列PLC所开发的一款编程软件，可以通过M
6、PI接口实现PC和PLC之间的通讯，并在PC上对PLC下载和上载程序。进行组态，组态结束后，在CPU为STOP模式下点击，将PLC的硬件组态下载到PLC中。组态结果如图3所示。图3 硬件组态结果2.2 PLC的控制程序设计 (1) 在“Blocks”中添加所需编程模块，进行编程。设计中主要用到的编程模块为FB4。具体添加的模块见图4所示。图4 程序所建立的模块 (2) 创建“符号表”。如图5、图6所示，其中用符号“AI1”定义为锅炉水温信号的采样通道,在模拟量输入模块中的地址为IW2;“AI3”定义为夹套水温信号的采样通道,在模拟量输入模块中的地址为IW4;“AQ1”定义为电加热控制信号的输出
7、通道,在模拟量输出模块中的地址为QW16。其余为创建模块后系统自动生成的。图5 符号表之一图6 符号表之二 (3) PLC编程。使用STEP7编程软件中的LAD形式(即梯形图形式)编程。打开组织块OB1，在OB1中编写夹套温度采集的梯形图，如图7所示;图7夹套温度采集梯形图打开组织块OB35，在OB35中编写锅炉内胆水温PID控制梯形图(如图8)，也是本课题中主要涉及的程序;图8 锅炉内胆水温PID控制梯形图编好程序后，鼠标点击将各个块的程序下载到PLC中;将PLC置于RUN模式，运行程序。 (4) 程序设计祥解 图7中所示的程序在本设计中不是重点，锅炉夹套温度的采集主要是一个参考，水循环通路
8、就是经过夹套来给内胆降温，当夹套温度高说明水循环中的水温高了，对内胆的降温效果变差。网络1(Network1)主要作用是将读入的整型数据转换成浮点数格式的数据，“AI3” 对应于模拟量输入模块中的地址为IW4，先将模拟量转换后的数字量存入双字格式的PLC的位存储MD20，然后经过一个整型转换成浮点型的块DI_R将数据转换成浮点数，且将数据保存在MD24中。Network1对应的语句表(STL)程序见下文的左边。 夹套温度采集梯形图所对应的语句表程序: 网络2(Network2)主要作用是将对应的浮点数格式的数据进行标准化，公式为:MD32中的数据=MD24中的数据*(100/27648)。其中
9、块“MUL_R”用于浮点数的乘法运算，DIV_R用于浮点数的除法运算。Network2对应的语句表(STL)程序见图4-17的右边。 图7中的程序中所示的程序为本设计的主要程序，用于实现对锅炉内胆水温的PID控制。网络1(Network1)主要用于启停PID控制模块FB41，DB1.DBX0.0是个控制位，在Wincc组态软件中定义为一个过程二进制变量，用于控制网络1的“通和断”。网络1对应的STL程序为: Network 1: 启停PID模块 A DB1.DBX 0.0 /置1，启动PID程序 JNB _001 /置0，等待 CALL CONT_C , DB41 /调用PID功能模块 COM
10、_RST := /当为TURE时，初始化 MAN_ON := /为1时手动值被设置为操作值 PVPER_ON:=TRUE /TURE使用外围设备输入的过程变量接通 P_SEL := /为1时打开比例(P)操作 I_SEL := /为1时打开积分(I)操作 INT_HOLD:= /积分分量保持 I_ITL_ON:= /积分分量初始化接通 D_SEL := /为1时打开微分(D)操作 CYCLE := /采样时间 SP_INT := /内部设定值输入 PV_IN := /浮点格式的过程变量输入 PV_PER :=AI1 /外设输入的I/O格式的过程变量值 MAN := /操作员手接口输入的手动值
11、GAIN := /比例增益输入 TI := /积分时间输入 TD := /微分时间输入 TM_LAG := /微分操作的延迟时间输入 DEADB_W := /死区宽度 LMN_HLM := /控制器输出的上限值 LMN_LLM := /控制器输出的下限值 PV_FAC := /输入过程变量的系数 PV_OFF := /输入过程变量的偏移量 LMN_FAC := /控制器输出量的系数 LMN_OFF := /控制器输出量的偏移量 I_ITLVAL:= /积分操作的初始值 DISV : =/扰动输入变量 LMN := /浮点格式的控制器输出值 LMN_PER :=AQ1 /I/O格式的控制器输出值
12、 QLMN_HLM:= /控制器输出超出上限 QLMN_LLM:= /控制器输出超出下限 LMN_P := /控制器输出值中的比例分量 LMN_I := /控制器输出值中的积分分量 LMN_D := /控制器输出值中的微分分量 PV := /格式化的过程变量值输出 ER := /死区处理后的误差输出 _001: NOP 0 网络2(Network2)用于控制模拟量输出模块的输出映像区地址QW16中的内容是否清零，在PID模块FB41停止工作时，同时将模拟量输出清零。网络2对应的STL程序为: Network 2: 模拟量输出清零 AN DB1.DBX 0.0 /置1，等待 JNB _002 /
13、置0，将QW16中的内容清零 L 0 T AQ1 _002: NOP 02.3 监控画面的设计 WinCC是西门子公司开发的上位机组态软件，通过WinCC可以与STEP7通讯，对控制对象进行远程检测和控制。监控设计画面如图9所示。脚本程序编辑如图10所示。 图9 锅炉内胆温度控制监控画面图10 脚本程序编辑 组态界面设计完毕，保存并激活WINCC，运行工程，可以查看变量曲线的变化，通过对PID相应控制参数的设定，就可以让测量值跟踪设定值，达到PID控制的目的，实现在计算机上对控制对象的监控。3 基于PLC的锅炉内胆水温控制系统实验结果分析3.1 锅炉内胆对象特性曲线测试及对象数学模型的建立 在监控画面运行时按下手动按钮，在静态文本输出值(OP)下将出现一个输入/输出域，其对应的过程变量为man，地址为DB41.DD16。用于控制加在电加热管两端的电压大小，输入0时相当于关断电加热管，输入100时相当于在电加热管两端加上额定电压。测得的曲线如图11、图12所示。图11 特性曲线之一图12 特性曲线之二3.2 建立被控对象的数学模型 (1) 从图10中的特性曲线一得:=22s，T=397.5s; 温度初始值为c(0)=40，稳定值接近于60.2，即c()=60.2，则增益K为: 则此时的对象数学模型为
