基于组态软件的锅炉温度监控.docx
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基于组态软件的锅炉温度监控
目 录
前 言
随着我国工业的发展，组态软件是实现人机界面的好途径。
我国有三维力控、组态王、通用组态等。
力控监控组态软件是北京三维力控科技根据当前的自动化技术的发展趋势，总结多年的开发、实践经验和大量的用户需求而设计开发的高端产品，是三维力控全体研发工程师集体智慧的结晶，该产品主要定位于国内高端自动化市场及应用，是企业信息化的有力数据处理平台。
力控组态软件在秉承力控早期产品成熟技术的基础上，对历史数据库、人机界面、I/O驱动调度等主要核心部分进行了大幅提升与改进，重新设计了其中的核心构件，力控6.1面向NET开发技术，开发过程采用了先进软件工程方法：
“测试驱动开发”，产品品质将得到充分保证。
与力控早期产品相比，力控6.1产品在数据处理性能、容错能力、界面容器、报表等方面产生了巨大飞跃。
本文从理论上说明了一个被测物体（锅炉），PLC及计算机之间的连接，为今后走向工作岗位打下基础。
第1章锅炉
1.1锅炉概述及温度控制
1.1.1锅炉概述
锅炉是一种能量转换设备，向锅炉输入的能量有燃料中的化学能、电能、高温烟气的热能等形式，而经过锅炉转换，向外输出具有一定热能的蒸汽、高温水或有机热载体。
锅的原义指在火上加热的盛水容器，炉指燃烧燃料的场所，锅炉包括锅和炉两大部分。
锅炉中产生的热水或蒸汽可直接为工业生产和人民生活提供所需热能，也可通过蒸汽动力装置转换为机械能，或再通过发电机将机械能转换为电能。
提供热水的锅炉称为热水锅炉，主要用于生活，工业生产中也有少量应用。
产生蒸汽的锅炉称为蒸汽锅炉，常简称为锅炉，多用于火电站、船舶、机车和工矿企业。
锅炉是由锅和炉组成的，上面的盛水部件为锅，下面的加热部分为炉，锅和炉的一体化设计称为锅炉。
《特种设备安全监察条例》所定义的锅炉是指利用各种燃料、电或者其他能源，将所盛装的液体加热到一定的参数，并对外输出热能的设备。
其范围规定为最高安全水位时存水容积大于或者等于30L的承压蒸汽锅炉；出口水压大于或者等于0.1MPa（表压），且额定功率大于或者等于0.1Mw的承压热水锅炉；有机热载体锅炉。
1.1.2锅炉的温度控制
锅炉汽包燃烧系统是工业蒸汽锅炉安全、稳定运行的重要指标，温度过高，会使蒸汽带水过多，汽水分离差，使后续的过热器管壁结垢，传热效率下降，过热蒸汽温度下降，严重时将引起蒸汽品质下降，影响生产和安全；温度过低又将破坏部分水冷壁的水循环不能满足工艺要求，严重时会发生锅炉爆炸。
尤其是大型锅炉，一旦控制不当，容易使汽包满水或汽包内的水全部汽化，造成重大事故。
因此，在锅炉运行中，保证温度在正常范围是非常重要的
在组态软件监控锅炉的正常运行下，维持汽温和汽压正常，均匀给水使锅炉保持正常水位，保持蒸汽品质合格，保证锅炉出口烟温在正常温度。
在工业现场有仪器仪表可以实时的查看锅炉的工作状态，在中央控制室内用组态软件也可以实时的查看锅炉的工作状态。
现场和中央控制室的双重监控可以确保锅炉安全可靠的运行。
保证了工业生产的稳定、可靠、安全。
1.1.3注意事项
1．锅炉出厂时应当附有“安全技术规范要求的设计文件、产品质量合格证明、安全及使用维修说明、监督检验证明（安全性能监督检验证书）”。
2．锅炉的安装、维修、改造。
从事锅炉的安装、维修、改造的单位应当取得省级质量技术监督局颁发的特种设备安装维修资格证书，方可从事锅炉的安装、维修、改造。
施工单位在施工前将拟进行安装、维修、改造情况书面告知直辖市或者辖区的特种设备安全监督管理部门，并将开工告知送当地县级质量技术监督局备案，告知后即可施工。
3．锅炉安装、维修、改造的验收。
施工完毕后施工单位要向质量技术监督局特种设备检验所申报锅炉的水压试验和安装监检。
合格后由质量技术监督局、特种设备检验所、县质量技术监督局参与整体验收。
4．锅炉的注册登记。
锅炉验收后，使用单位必须按照《特种设备注册登记与使用管理规则》的规定，填写《锅炉（普查）注册登记表》，到质量技术监督局注册，并申领《特种设备安全使用登记证》。
5．锅炉的运行。
锅炉运行必须由经培训合格，取得《特种设备作业人员证》的持证人员操作，使用中必须严格遵守操作规程和八项制度、六项记录。
6．锅炉的检验。
锅炉每年进行一次定期检验，未经安全定期检验的锅炉不得使用。
锅炉的安全附件安全阀每年定期检验一次，压力表每半年检定一次，未经定期检验的安全附件不得使用。
7．严禁将常压锅炉安装为承压锅炉使用。
严禁使用水位计、安全阀、压力表三大安全附件不全的锅炉。
第2章西门子S7-200
2.1对S7-200的认识
2.1.1S7-200概述
S7-200是一种小型的可编程程序控制器，适用与各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。
S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。
因此S7-200系列具有极高的性价比。
它有极高的可靠性、极丰富的指令集、易于掌握、便捷的操作、丰富的内置集成功能、实时特性、强劲的通讯能力、丰富的扩展模块等。
S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。
使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。
应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。
如：
冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统。
2.1.2S7-200的外形及种类
1.本次设计采用的是CPU226,图2-1为正面图形
图2-1S7-200的正图形
图2-2S7-200的外形说明
2.S7-200PLCCPU的种类分类
CPU221：
小型PLCCPU221，价格低廉，能满足多种集成功能的需要。
CPU222：
S7-200家族中低成本的单元。
通过可连接的扩展模块，即可处理模拟量。
CPU224、CPU224XP：
具有更多的输入、输出点及更大的存储器。
CPU226：
功能最强的单元，可完全满足一些中小型复杂控制系统的要求。
如图2-3为各类CPU的简单对比
表2-1CPU简单对比
特征
CPU221
CPU222
CPU224
CPU226
CPU226XM
物理尺寸（mm）
90×80×62
120.5×80×62
190×80×62
190×80×62
190×80×62
程序内存
4096字节
4096字节
8192字节
8192字节
16384字节
数据内存
2048字节
2048字节
5120字节
5120字节
10240字节
内存备份
50小时典型
50小时典型
190小时典型
190小时典型
190小时典型
本地板载I/O
6输入/4输出
8输入/6输出
14输入/10输出
24输入/16输出
24输入/16输出
扩充模块
0个模块
2个模块
7个模块
7个模块
7个模块
高速计数器
单相
双相
30KHz时为4
20KHz时为2
30KHz时为4
20KHz时为2
30KHz时为6
20KHz时为4
30KHz时为6
20KHz时为4
30KHz时为6
20KHz时为4
脉冲输出（DC）
20KHz时为2
20KHz时为2
20KHz时为2
20KHz时为2
20KHz时为2
模拟调整
1
1
2
2
2
实时时钟
部件
部件
内置
内置
内置
通讯端口
1RS-485
1RS-485
1RS-485
2RS-485
2RS-485
浮点数字
是
数字I/O图形大小
256（128个输入，128个输出）
布尔型执行速度
0.37微妙/指令
CPU221：
本机集成6输入/4输出共10个数字量I/O点。
无I/O扩展能力。
6K字节程序和数据存储空间。
4个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出。
1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。
非常适合于小点数控制的微型控制器。
CPU222：
本机集成8输入/6输出共14个数字量I/O点。
可连接2个扩展模块，最大扩展至78路数字量I/O点或10路模拟量I/O点。
6K字节程序和数据存储空间。
4个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力是具有扩展能力的、适应性更广泛的全功能控制器。
CPU222：
本机集成14输入/10输出共24个数字量I/O点。
可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。
16K字节程序和数据存储空间。
6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。
1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。
I/O端子排可很容易地整体拆卸。
是具有较强控制能力的控制器。
CPU224XP：
本机集成14输入/10输出共24个数字量I/O点，2输入/1输出共3个模拟量I/O点，可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或38路模拟量I/O点。
22K字节程序和数据存储空间，6个独立的高速计数器（100KHz），2个100KHz的高速脉冲输出，2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。
本机还新增多种功能，如内置模拟量I/O，位控特性，自整定PID功能，线性斜坡脉冲指令，诊断LED，数据记录及配方功能等。
是具有模拟量I/O和强大控制能力的新型CPU。
CPU226集成24输入/16输出共40个数字量I/O点。
可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。
26K字节程序和数据存储空间。
6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。
2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。
I/O端子排可很容易地整体拆卸。
用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。
可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。
2.2S7-200通讯
2.2.1通讯方式
内部集成的PPI接口为S7-200的用户提供了强大的讯功能。
PPI接口物理特性为RS485，可在三种方式下工作：
PPI方式、MPI方式、自由通讯口方式。
1.PPI方式
PPI是西门子专为S7-200系列PLC开发的一个通讯协议。
可通过普通的两芯屏蔽双绞电缆进行联网。
波特率为9.6kbit/s，19.2kbit/s和187.5kbit/s。
S7-200系列CPU上集成的编程口同时就是PPI通讯联网接口。
利用PPI通讯协议进行通讯非常简单方便，只用NETR和NETW两条语句即可进行数据信号的传递，不需额外再配置模块或软件。
PPI通讯网络是一个令牌传递网，在不加中继器的情况下，最多可以由31个。
S7-200系列PLC，TD200，OP/TP面板或上位机（插MPI卡）为站点，构成PPI网（如图2-3）。
图2-3PPI通信
2.MPI方式
S7-200可以通过内置接口连接到MPI网络上，波特率为19.2k/187.5kbit/s。
它可与S7-400S7-300/S7-400CPU进行通讯。
S7-200CPU在MPI网络中作为从站，它们彼此间不能通讯（如图2-4）。
图2-4MPI方式
3．自由通讯口方式
自由通讯口方式是S7-200PLC的一个很有特色的功能。
它使S7-200PLC可以与任何通讯协议公开的其它设备、控制器进行通讯，即S7-200PLC可以由用户自己定义通讯协议（例如ASCII协议）。
波特率最高为38.4kbit/s（可调整）。
因此使可通讯的范围大大增加，使控制系统配置更加灵活、方便（如图2-5）。
本次毕业设计即为自由口通讯方式。
图2-5自由口通讯
4.PROFIBUS-DP网络
在S7-200系列的CPU中CPU222，224，224X，226，都可以通过增加EM277PROFIBUS-DP扩展模块的方法支持ProfibusDP网络协议。
最高传输速率可达12Mbit/s（如图3-7）端子连接图（如图2-6）。
如图2-6ProfibusDP网络
第3章ForceControl6.1
3.1力控介绍
3.1.1组态软件的概念
组态软件指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，能以灵活多样的组态方式（而不是编程方式）提供良好的用户开发界面和简捷的使用方法，其预设置的各种软件模块可以非常容易地实现和完成监控层的各项功能，并能同时支持各种硬件厂家的计算机和I/O设备，与高可靠的工控计算机和网络系统结合，可向控制层和管理层提供软、硬件的全部接口，进行系统集成。
3.1.2力控的特点
方便、灵活的开发环境，提供各种工程、画面模板、可嵌入各种格式（BMP、GIF、JPG、JPEG、CAD等）的图片，方便画面制作，大大降低了组态开发的工作量；
高性能实时、历史数据库，快速访问接口在数据库4万点数据负荷时，访问吞吐量可达到20000次/秒；强大的分布式报警、事件处理，支持报警、事件网络数据断线存储，恢复功能；支持操作图元对象的多个图层，通过脚本可灵活控制各图层的显示与隐藏；强大的ACTIVEX控件对象容器，定义了全新的容器接口集，增加了通过脚本对容器对象的直接操作功能，通过脚本可调用对象的方法、属性；全新的、灵活的报表设计工具：
提供丰富的报表操作函数集、支持复杂脚本控制，包括：
脚本调用和事件脚本，可以提供报表设计器，可以设计多套报表模板；提供在Internet/Intranet上通过IE浏览器以“瘦”客户端方式来监控工业现场的解决方案；支持通过PDA掌上终端在Internet实时监控现场的生产数据，支持通过移动GPRS、CDMA网络与控制设备或其它远程力控节点通讯、支持控制设备冗余、控制网络冗余、监控服务器冗余、监控网络冗余、监控客户端冗余等多种系统冗余方式。
3.2力控和S7-200的通讯
力控与西门子的通讯包括PPI（一个pc串口对应一个200控制器、MODBUSRTU（标准MODBUS）、MPI、PROFIBUS、OPC。
PPI：
可用PPI直连电缆；也可采用西门子原装电缆，但是拨码开关要设置正确。
先用MIRCOWIN设置搜索设置好200控制器的通讯参数，然后力控中直接定义设备即可。
MODBUSRTU:
确认MICROWIN中MODBUS指令库，主程序中设置好两个指令模块（参照力控驱动帮助。
次协议采用485链路，并且只能用200控制器的PORT0，接线是3正8负。
MPI/PROFIBUS：
这个需要配合的硬件有CP5611卡，EM277模块,软件要用到STEP7和SIMATICNET相关配置，详细设置参照力控帮助。
OPC：
西门子给s7-200提供了一个OPC的通讯方式，相关软件PCACCESS。
力控中定义一个OPC设备即可。
当用自制的通讯电缆与S7200通讯或者干扰源时，由于电平和阻抗不匹配，会干扰通讯质量，会出现超时。
S7-200的编程软件MICROWIN不能和力控同时打开否则力控通讯不上。
确定此plc之前是否调试过MODBUS通讯方式，如果是则将程序的前两个MODBUS配置指令删除。
第4章组态画面的绘制和动画连接
4.1组态画面的绘制
4.1.1力控集成环境
开发系统（Draw）：
是一个集成环境，可以创建工程画面，配置各种系统参数，启动力控其它程序组件等。
界面运行系统（View）：
界面运行系统用来运行由开发系统Draw创建的画面。
实时数据库（DB）：
是数据处理的核心，构建分布式应用系统的基础。
它负责实时数据处理、历史数据存储、统计数据处理、报警处理、数据服务请求处理等。
I/O驱动程序：
I/O驱动程序负责力控与I/O设备的通信。
它将I/O设备寄存器中的数据读出后，传送到力控的数据库，然后在界面运行系统的画面上动态显示。
网络通信程序（NetClient/NetServer）：
网络通信程序采用TCP/IP通信协议，可利用Intranet/Internet实现不同网络结点上力控之间的数据通信。
开发系统（Draw）、界面运行系统（View）和数据库系统（DB）都是组态软件的基本组成部分。
Draw和View主要完成人机界面的组态和运行，DB主要完成过程实时数据的采集（通过I/O驱动程序）、实时数据的处理（包括：
报警处理、统计处理等）、历史数据处理等串行通信程序（SCOMClient/SCOMServer）：
两台计算机之间，使用RS232C/422/485接口，可实现一对一的通信；如果使用RS485总线，还可实现一对多台计算机的通信。
Web服务器程序（WebServer）：
Web服务器程序可为处在世界各地的远程用户实现在台式机或便携机上用标准浏览器实时监控现场生产过程。
控制策略生成器（StrategyBuilder）：
是面向控制的新一代软件逻辑自动化控制软件。
提供包括：
变量、数学运算、逻辑功能和程序控制处理等在内的十几类基本运算块，内置常规PID、比值控制、开关控制、斜坡控制等丰富的控制算法。
同时提供开放的算法接口，可以嵌入用户自己的控制程序。
4.1.2力控组态
1、建立工程
打开工程管理器，选择“新增应用”，在应用名称对话框中输入一个应用程序的名称“dsj”，按“确定”按钮。
在工程列表中会出现新建的工程，单击该工程（或开发系统按钮）并进入组态，打开Draw，开始组态工作。
如图4-1所示
图4-1新建工程
新建窗口如图4-2所示:
图4-2新建窗口
2.组态主画面如图4-3所示：
图4-3主界面
3.专家报表界面如图4-4所示：
图4-4报表界面
4.历史曲线界面如图4-5所示：
图4-5历史曲线
4.2定义外设I/O连接
在工程项目导航栏中双击“I/O”设备组态在弹出的窗口中点击“PLC”前面的“+”，再点击“SIIEMENS”前面的“+”，然后双击“S7-200（PPI），在弹出的画面中定义设备的名称及设备的地址号，如图4-6所示
图4-6I/O连接
在图4-6的I/O配置向导中点击“下一步”，选择与I/O通讯的COM口（本例中是COM1）。
如果有必要点击“高级”，在弹出的画面中设置通讯参数，一般情况下为默认即可。
如图4-7和4-8所示：
图4-7串口设置
图4-8参数设置
在S7-200的编程软件中打开通讯端口，设置如下图4-9所示
图4-9S7编程界面
然后在端口通信参数里设置端口0的站号为“2”，通信波特率为“9.6kbits”，如图4-10所示：
图4-10参数设置
确认后把系统块的信息下载到S7-200从CPU中去。
4.3定义数据库点及数据连接
在工程项目导航栏中，双击“数据库组态”启动组态程序DBMANAGER。
启动DBMANAGER后出现DBMANAGER主窗口。
单击菜单条的“点”选项新建或双击单元格，出现“请将指定区域，在“点名”输入框内键如点名“temp”。
其他参数如量程、报警参数等可以采用系统提供的缺省值。
单击“确定”按钮返回，在点名单元格中增加了一个点名为temp。
其他参数如数值、报警灯的设置同上。
在前面创建了一个名为“PLC”的I/O设备，现在的问题是如何将已创建的4个点的PV参数值能显示当前的数据值。
这个过程就是建立数据连接项的过程。
由于数据库可以与多个I/O设备进行数据交换，所以必须指定哪些个I/O的哪个数据项设备建立数据连接。
双击数据库中点temp的单元格，选择数据连接选项或双击所对的“数据连接”选项，然后在“设备”里选择PLC，单击“增加”按钮，出现4-11的对话框：
图4-11模拟I/O点设置
寄存器地址：
寄存器地址有唯一性，不能与其他同类型寄存器的地址重复。
最大值和最小值的设置根据水位信号的量程来设置，配置完以上数据就可以单击确定按钮完成设置了。
接下来按照以上步骤设置完其他六个参数，其它配置都基本相同。
4.4动画连接
双击“切换到报表”出现如图4-12所示
图4-12动画连接
第5章PLC自由口通讯
5.1自由口通讯
5.1.1通讯协议
在自由口模式下，通信协议是由用户定义的。
用户可以用梯形图程序调用接收中断、发送中断、发送指令（XMT）、接受指令（RCV）来控制通信操作。
在自由口模式下，通信协议完全由梯形图程序控制。
5.1.2PLC程序执行
PLC在第一次扫描时执行初始化子程序，对端口及RCV指令进行初始化。
初始化完成后，运行RCV指令使端口处于接受状态。
RCV会将以"g"开头"G"结尾的指令保存到接收缓冲区，并同时产生接收完成中断。
RCVcomplete中断服务程序用来处理接收完成中断事件，它会将接收缓冲区中的十六进制ASCII码还原成数据并保存，同时置位Verify子程序的触发条件（M0.1）。
----Verify子程序首先复位本身的触发条件以防止子程序被重复调用，然后求出接收缓冲区中指令的BCC校验码并与指令中的BCC校验码进行比对。
如果相等则置BCC码校验正确的标志位（M0.0）为1；如果指令格式正确（指令的结束标志在接收缓冲区中特定的位置VB133）而BCC码不相等，则发送代表BCC校验码错误的反馈信息；如果指令格式不正确（VB133中不是指令的结束标志），则返回代表指令格式错误的反馈信息。
Read子程序的触发条件为：
指令中的站地址与本机站地址相符、指令类型为读指令、BCC检验码正确。
当条件满足时，Read子程序被执行。
Read子程序首先禁止RCV，然后将指令所要读取的数据转换成十六进制ASCII码并写入发送缓冲区、计算BCC检验码、最后发送反馈信息。
Write子程序的触发条件为：
指令中的站地址与本机站地址相符、指令类型为写指令、BCC检验码正确。
当条件满足时，Write子程序被执行。
Write子程序首先禁止RCV，然后将指令中的数据写入目标寄存器，最后发送代表写入正确的反馈信息。
PLC每接到一条指令后都会发送一条反馈信息，当反馈信息发送完成时，会产生发送完成中断，XMTcomplete中断服务程序用来处理发送完成中断事件。
在XMTcomplete中断服务程序中所要执行的操作包括：
复位BCC校验码正确的标志位（M0.0）；允许RCV；bcc码寄存器清零；重新装入用于计算BCC校验码的地址指针；接收缓冲区中存放指令结束字符的字节VB133清零（用来判断下一条指令格式是否正确）。
5.2串口调试
串口通讯因具有简单，组网方便的特点，在设备通讯中广泛使用。
普通计算机中采用的是RS232通用通讯接口，通过此接口，计算机简单方便地与外围设备进行通讯。
在单片机控制领域，设备与设备之间的通讯常用串行通讯方式，常采用的硬件通讯网络为RS485/RS422/RS232等。
在设备开发或设备维护过程中，常常需要对设备通讯过程进行数据检测，用于判断通讯是否正常。
实现这个调试过程，需要计算机通讯软件对通讯过程进行监控，数据采集，进行数据分析。
因此对串口进行调试是非常必要的，可以采用串口调试软件。
串口监控器是一个多功能串口调试，串口监控软件。
它有数据发送，数据接收，数据分析等功能。
结 论
本次设计主要采用SIMATICS7-200
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