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1、摘 要温度是工业生产过程中最常检测和控制的热工参数之一，本设计是以西门子S7-200PLC为主控制器，以WINCC为上位机监控软件来实现对锅炉内胆水温的DCS自动控制。系统主要由一台带有WINCC组态软件的上位机和应用于STEP7-MicroWIN V4.0软件、西门子S7-200PLC下位机以及PC/PPI电缆、RTGK-2型过程控制系统构成。通过对下位机S7200PLC的软件编程，完成锅炉内胆温度信号采集、处理以及PID控制，分别对上位机以及下位机进行了详细设计，并运用工程整定方法，整定出满足系统要求的锅炉内胆水温PID控制参数，得到比较理想的PID控制曲线，实现了对锅炉内胆水温控制的目的
2、，达到了设计要求。关键词：锅炉内胆；水温；PID；S7200目 录1系统总体方案分析11.1锅炉内胆动态水温PID控制系统总体方案分析11.2上位机组态与程序设计22系统调试132.1流程图绘制132.2电源连接142.3测试步骤143参数整定与系统分析173.1锅炉内胆水温定值控制实验的结构框图173.2调节器相关参数整定过程173.3系统在阶跃扰动作用下的静、动态性能203.4不同PID参数对系统的性能产生的影响。223.5 P、PI、PID控制方式的控制效果264结论30参考文献321系统总体方案分析1.1锅炉内胆动态水温PID控制系统总体方案分析锅炉内胆水为动态循环水，变频器、磁力泵与
3、锅炉内胆组成循环水系统。如图1所示：图1.1锅炉内胆温度特性测试系统(a)结构图 (b)方框图本实验系统组态软件进行，由于自动控制的时候考虑到机械及机器会出现故障，设置的调节阀可在及其出现故障时，非自动的情况下，手动进行调节开度，是锅炉内胆保持给定值，运用在大型生产过程中采用手动和自动模式替换操作达到整个生产的能耗最低，效益最大化。被控变量为锅炉内胆水温，要求锅炉内胆水温等于给定值。实验前先通过变频器、磁力泵支路给锅炉内胆打满水，然后关闭锅炉内胆的进水阀门 。待系统运行后，变频器磁力泵再以固定的小流量使锅炉内胆的水处于循环状态。在内胆水为静态时，由于没有循环水进行热交换，而三相电加热管功率为4
4、.5KW，从使内胆水温上升相对快速，散热过程又比较缓慢，而且调节的效果受对象特性和环境的限制，导致系统的动态性能较差，即超调大，调节时间长。改变为循环水系统后，有利于热交换，加快了散热能力，相比于静态温度控制实验，在控制的动态精度、快速性方面有了很大地提高。系统采用的调节器为工业上常用AI智能调节仪。图2为锅炉内胆动态水温控制系统的结构示意图。 因可控硅调压模块是通过输入信号使电源电压变化，实验前，先用万用表测可控硅模块输入端的电压，再测输出端的电压看是否变化。当给锅炉加热时，应使输出端电压为 60V左右，而一旦超过设定值，可控硅的输出电压为最小。这样，电加热管停止加热，使温度超过设定值不会太
5、高便于散热。本项目的任务就是设计一套方案，使锅炉内胆的水温保持在设定值。图1.2 锅炉内胆动态水温控制系统的方框图1.2上位机组态与程序设计本设计用组态软件的是西门子公司的WinCC，它是Windows Control Center（视窗控制中心）的简称，是HMI/SCADA软件中的后起之秀。WinCC是Siemens公司的一种功能强大的工业控制软件，是“真正开放的”HMISCADA软件。它集成了SCADA、组态、脚本（Script）语言和OPC等先进技术，为用户提供了Windows操作系统环境下使用各种通用软件的功能。WinCC继承了西门子公司的全集成自动化（TIA）产品的技术先进性和无缝集
6、成的特点。WinCC运行于个人计算机环境，可以与多种自动化设备及控制软件集成，具有丰富的设置项目、可视窗口和菜单选择，使用方便灵活，功能齐全。用户在其友好的界面下进行组态、编程和数据管理，可形成所需的操作画面、监视画面、控制画面、报警画面、趋势曲线等。它为操作者提供了图文并茂、形象直观的操作环境，不仅缩短了软件设计周期，而且提高了工作效率。WinCC的另一个特点在于它的整体开放性，它可以方便的与各种软件和用户程序组合在一起，建立友好的人机界面，满足实际需要。用户也可以将WinCC作为系统扩充的基础，通过开放式接口，开发其自身需要的应用系统。WinCC由三大部分组成：1、控制中心：控制中心使用户
7、通过WinCC应用进行浏览，并且对其数据进行一些操作。从形式和操作上看，控制中心与Windows资源管理器相似。2、系统控制器：管理各站之间的系统通讯。3、数据管理器：在WinCC项目中用于处理中央任务的启动。其主要任务是处理变量管理器，其通讯通道用于访问过程数据。 WinCC的发展及应用从面市伊始，用户就对SIMATIC WinCC印象深刻。一方面，是其高水平的创新，它使用户在早期就认识到即将到来的发展趋势并予以实现；另一方面，是其基于标准的长期产品策略，可确保用户的投资利益。依据这种战略思想，WinCC，这一运行于Microsoft Windows 2000和XP下的Windows控制中心
8、，已发展成为欧洲市场中的领导者，乃至业界遵循的标准。如果你想使设备和机器最优化运行，如果你想最大程度地提高工厂的可用性和生产效率，WinCC当是上乘之选。突出的优点：通用的应用程序；适合所有工业领域的解决方案；多语言支持，全球通用；可以集成到所有自动化解决方案内；内置所有操作和管理功能；可简单、有效地进行组态；可基于Web持续延展；采用开放性标准，集成简便集成的Historian 系统作为IT 和商务集成的平台；可用选件和附加件进行扩展；“全集成自动化” 的组成部分。Wincc监控组态与程序设计变量设置变量系统是组态软件的重要组成部分。在组态软件的运行环境下，工业现场的生产状况将实时地保存在变
9、量的数值中，操作人员监控过程数据，他在计算机上发布的指令通过变量传送给生产现场。WinCC的变量管理是变量管理器。WinCC使用变量管理器来组态变量。变量管理器对项目所使用的变量和通讯驱动程序进行管理。WinCC与自动化控制系统间的通讯依靠通讯驱动程序来实现；自动化控制系统与WinCC工程间的数据交换通过过程变量来实现。变量管理器管理WinCC工程中使用的变量和通讯驱动程序。它位于WinCC项目管理器的浏览窗口中。WinCC的变量按照功能可分为外部变量、内部变量、系统变量和脚本变量四种类型。1、 新建新驱动器连接在WINCC变量中建立SIEMENS S7 PROTOCOL SUIT,选择MPI
10、，新建驱动程序连接，点击系统参数，选择逻辑设备名称为“CP5611”，如图：图1.2.1 WINCC系统参数设置再进入选择参数窗口，设置插槽号为2， PLC 3152DP的插槽号为2。如下图所示：图1.2.2 WINCC连接参数设置2、 建立外部变量以变量d为例右击新建变量命名为“d”，然后选择类型为浮点数32位变量，数据选择为DB，DB号为42,因为在STEP 7中我们建立的PID设为DB42，最后地址设置为DB28，点击确定完成地址属性设置。如下图所示：图1.2.3 新建变量 图1.2.4地址属性按上面步骤建立所有外部变量，如图1.2.5及表1.2.1图1.2.5 外部变量 表1.2.1
11、外部变量名称数据类型参数地址程序中名称man-on二进制变量DB42,D0.1MAN_ONp-select二进制变量DB42, D0.3P_SELi-select二进制变量DB42, D0.4I_SELd-select二进制变量DB42, D0.7D_SELsp1浮点数32位IEEE754DB42, DD6SP_INTfushe浮点数32位IEEE754DB41, DD16MANp浮点数32位IEEE754DB42, DD20GAINi浮点数32位IEEE754DB42, DD24TId浮点数32位IEEE754DB42, DD28TDop浮点数32位IEEE754DB42, DD72LMNp
12、v1浮点数32位IEEE754DB41, DD92PVpv2浮点数32位IEEE754DB42, DD92PVpvper_on_1二进制变量DB42.DD0.2PVPER_ONpvper_on_2二进制变量DB42.DD0.2PVPER_ON3、 建立内部变量在WINCC中，打开变量管理，点击内部变量，建立新变量ssqx、lsqx、kaiqi。ssqx是用来控制实时曲线显示和隐藏的，llqx是用来控制历史曲线显示和隐藏的，kaiqi是开始按钮控制的水管闪烁的。这三个变量全都为二进制。如表4.2表1.2.2 内部变量名称说明参数类型lsqx历史曲线二进制变量ssqx实时曲线二进制变量kaiqi开
13、启按钮二进制变量 创建过程画面 在图形编辑器中组态画面如图所示。 并根据系统要求组态历史曲线、实时曲线。系统WinCC监控界面如下一章所示1设置管道动态效果选择所有的水管，在属性中选择控件属性，在BlinkMode中静态选择No Flash，右击动态中的动态对话框，在表达式/公式中选择变量“man_on”，在数据类型中选择布尔型。当“是”的时候Blink为No Flash，当“否”的时候Blink为Shaded。Black color和Back color选择浅蓝色。man_on地址为DB42.D0.1。这一步作用是，当MAN_ON_1置为1时，水管不闪烁，当man_on置为0时，水管开始闪烁
14、，表明PID运行时水管有水通过。2 PID开关编辑在对象选项板中选择窗口对象，选择按钮，然后命名为“积分开关”，点击事件中的鼠标属性，在右面的单击左键，设置C动作。添加脚本程序如下：SetTagBit(i_select,1);/Return-Type: BOOL 同样在鼠标右击，设置C动作。脚本程序如下：SetTagBit(i_select,0);/Return-Type: BOOL以此类推，Td微分开关的开启和关闭按钮都要这么设置。3输入输出域的设置对副测量值进行设定，在对象选项板中选择智能对象，然后新建一个输入输出域，在输出值中选择动态对话框，在表达式/公式中选择变量pv1，数据类型选择为
15、直接。pv1的变量地址为DB4.DD92。同样方法设置变频器支路测量值pv2,变量地址DB42.DD92。图1.2.6设置寻址方式(1)电气阀支路测量pv1 (2)变频器支炉测量pv2对给定值进行设定，在对象选项板中选择智能对象，然后新建一个输入输出域，在输出值中选择变量fushe，fushe的地址为DB41.DD6。用同样的方法设定Kp、Ti、Td的输入输出域，在输出值中选择变量p、i、d，它们的地址分别为DB41.DD20、DB41.DD24、DB41.DD28。4设置开启按钮在对象选项板中选择窗口对象，选择按钮，然后命名为“开启”，点击事件中的鼠标属性，在右面的单击左键，设置C动作。添加脚本程序如下：SetTag
