基于PLC锅炉盘管出口水温滞后控制系统Word格式.docx

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利用先进的PLC程序编制工具STEP7及杰控组态软件，完成了锅炉控制系统的程序设计和监控画面设计。

关键词：

PLC控制；

锅炉控制；

串级控制；

PID

Abstract

Boilercontrolhasbeeninnovativetopicsinindustrialcontrol,fordifferentcontrolledobjects,differentcontrolwaysandmode.Temperaturesystemofinertiaisbig,lagphenomenonisserious,isdifficulttoestablishaccuratemathematicalmodel,bringgreatdifficultiestocontrolprocess.Thispaperthecontrolschemeofelectricboileradoptsthecarriedonthethoroughresearch,chooseasuitableforPLCcontrolscheme.Inboilerforcontrolledobject,mainlyboileroutletwatertemperaturewasaccusedofparameters,withthewatertemperatureinthehearthtoassistantwasaccusedofparameters,withheatingresistancewirevoltageascontrolparameters,selectionofSiemensCPU314C-2PN/DPasthecontroller,aboilertemperaturecascadecontrolsystem;

USESthetypicalPIDalgorithm,usingPLCladderdiagramprogramminglanguageprogramming,realizetheboilertemperatureautomaticcontrol.Thisschemesatisfiesthesystembalancequicklyandprecisely,andgreatlyreducedthecostandsimplifytheprogramminganddebugging.UseofadvancedPLCprogrammingtoolSTEP7andcontrolconfigurationsoftware,completedtheboilercontrolsystemprogrammingandmonitoringscreendesign.

Keywords:

PLCcontrol;

Boilercontrol;

Cascadecontrol;

目录

第一章绪论1

1.1课题的提出与意义1

1.2研究背景及现状2

1.3该课题的研究目标3

1.4研究的内容及方法4

第二章控制系统方案设计5

2.1锅炉自动控制方案5

2.2锅炉控制的结构和原理6

2.2.1锅炉控制的结构7

2.3串级系统的设计7

2.3.1串级控制系统的设计8

2.3.2串级控制系统参数的整定8

2.4PID的算法9

2.4.1模拟PID9

2.4.2数字的PID算法10

2.5纯滞后的算法11

2.5.1采样周期的分析12

第三章控制系统的硬件设计13

3.1控制系统的硬件组成13

3.2锅炉控制的系统14

3.3PLC的选型及硬件配置15

3.3.1模拟量输入模块SM331（AI8．12Bit）15

3.3.2模拟量输出模块SM332（AO4．12Bit）15

3.3.3控制系统的硬件组态16

3.4传感器选择16

3.4.1温度传感器16

3.4.2流量传感器17

3.5变送器选择17

3.6电磁调节阀选择18

3.7变频器MM42018

第四章控制系统的软件设计19

4.1STEP7编程软件19

4.2PLC控制的程序设计20

4.2.1主程序的设计21

4.3系统模数转换部分22

4.4系统PID调节部分26

第五章人机界面的设计28

5.1人机界面的特点28

5.1.1人机界面软件仿真的基本方法28

5.2杰控软件28

5.3杰控的主要功能与实现29

5.3.1人机界面设计流程29

5.4人机界面的运行和显示33

5.4.1历史趋势曲线图33

5.4.2历史报警窗口33

总结与展望35

附录...........................................................................................................................................36

参考文献..................................................................................................................................43

外文资料..................................................................................................................................44

致谢...........................................................................................................................................49

第一章绪论

1.1课题的提出与意义

锅炉是一种工农业生产中常见设备。

锅炉可以按其用途不同通常分为动力锅炉和工业锅炉两大类。

动力锅炉是用于发电和动力方面的锅炉，如电站锅炉。

工业锅炉是用于工农业生产和生活采暖提供蒸汽或热水的锅炉，可分为蒸汽锅炉、热水锅炉、导热油锅炉等。

作为供热之源，工业锅炉日益广泛地应用于现代生产和人民生活的各个领域。

如在机械制造、化工、纺织、机械、食品加工、医药等行业中，生产工艺需要大量的蒸汽；

又如工业和民用建筑的采暖通风、农业温室、城市集中热水供应等也需要蒸汽和热水来提供热能。

随着我国工农业生产的迅速发展，以及人民生活水平的不断提高，工业锅炉的应用会更加广泛。

因此，对锅炉盘管出口水温滞后控制的研究显得极其重要，具有一定的理论价值和现实意义[1]。

锅炉能够提供热源，还可以作为动力源，为达到要求并保证锅炉本体的安全、经济的运行，锅炉的控制系统就应具备很好的自动检测功能、程序控制功能、保护功能等。

考虑锅炉工作系统是个复杂的生产系统，扰动源又比较多，为了保证供给外界达标的蒸汽并满足负荷的运转，对其工作过程中主要工艺参数必须实行严格的控制。

电锅炉是将电能转换为热能的能量转换装。

具有结构简单、无污染、自动化程度高等特点。

与传统的以煤和石化产品为燃料的锅炉相比还是有基本投资少、占地面积小、操作方便、热效率高、能量转化率高等优点。

近年来，电锅炉已成为供热采暖的主要设备[2]。

过程实现自动化具有以下几方面优点：

（1）提高机组运行的安全可靠性。

安全可靠性是机组运行的首要要求，热力系统复杂，需要监视、控制的项目多，靠人来嘶视和操作，不仅劳动强度大，而且报难胜任，同时极易因误操作而造成事故，采用自动化控制系统来完成监视和操作大大提高机组运行的安全可靠性。

（2）提高机组运行的经济性。

自动化控制系统能保证机编在良好状态下运行，因此，可以减少事故停机的损失和设备检修费用，可提高热效率，降低供电热耗和煤耗。

（3）减少运行人员，提高劳动生产率。

（4）改善劳动条件。

实现生产过程自动化，可使运行人员从繁忙的体力劳动和紧张的精神负担中解脱出来，值班员除在机组启停时有些操作外，正常运行时只需存控制室内集中监视主设备及自动化仪表的运行情况[3]。

1.2研究背景及现状

国外现状

由于工业过程控制的需要，特别是微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外温度控制系统发展迅速，并在智能化，自适应，参数自整定等方面取得成果，在这方面，以日本，美国，德国，瑞典等国技术领先，都生产出了一批商品化的，性能优异的温度控制器及仪器表，并在各行业广泛应用。

它们主要具有如下的特点：

1.适应于大惯性，大滞后等复杂温度控制系统的控制。

2.能够适应于受控制系统数学模型难以建立的温度控制系统的控制。

3.能够适应于受控系统过程复杂，参数时变的温度控制系统的控制。

4.这些温度控制系统普遍采用自适应控制，自校正控制，模糊控制，人工智能等理论及计算机技术，运用先进的算法，适应的范围广泛。

5.普遍温控器具有参数自整定功能。

借助计算机软件技术，温度器具有对控制对象参数及特性进行自动整定相关控制参数，以保证控制效果的最优化[4][5]。

国内现状

目前在我们国内，锅炉仍然是各种工业企业的动力设备中重要的组成部分。

但是，除了一些大中型锅炉采用了先进的控制技术。

一般的小型锅炉的控制仍较落后，仍在使用仪表、继电器作主要的控制手段（如DDZ-II或III型系列仪表），需要过多的人为参与，不仅工作人员的工作条件差，劳动强度大，而且锅炉的热效率很低，资源浪费严重。

即使现在的仪表不少已趋智能化，在锅炉上也实现了自动或半自动控制，但是，由于其不菲的价格、缺乏管理功能等种种原因，其应用受到很大限制[6]。

随着科学技术的发展，锅炉的应用也越来越广泛，锅炉的生产从它的雏型：

蒸汽机到现在各式各样的锅炉，它的发展见证了工业的发展状况，现代的锅炉多数是利用燃料或其他能源的热能，把水加热成为热水或蒸汽的机械设备。

它包括锅和炉两大部分，锅的原义是指在火上加热的盛水容器，炉是指燃烧燃料的场所。

锅炉中产生的热水或蒸汽可直接为生产和生活提供所需要的热能，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。

锅炉的作用是烧水产生高温高压的蒸汽，这些蒸汽的温度可达1000多度，这样的蒸汽可以用来消毒、煮饭、加热和提供蒸汽动力。

锅炉是当今工厂的一个动力源泉之一，其作用不可忽视。

PLC（可编程控制器）作为一种工业控制微型计算机，它以其编程方便、操作简单，尤其是它的高可靠性等优点，在工业生产过程中得到了广泛的应用。

而西门子S7-300系列的可编程控制器具有的高稳定性的同时具有自主选择性等特点，给我们搭建自动控制系统提供了选型的方便[7]。

1.3该课题的研究目标

针对目前工业型锅炉系统普遍存在成本高、效率低、运行不稳定等问题，设计了由S7—300PLC和杰控组态软件构成的工业锅炉控制系统[8]。

从控制系统的总体设计、硬软件配置以及程序设计和监控画面设计等方面进行阐述，实际运行表明该控制系统性能稳定、可靠性高，在安全生产、提高经济效益等方面发挥了重要作用，并为节能降耗提供了技术保证，具有一定的先进性和推广性。

在工业生产过程中，有不少被控对象除了具有容积迟延外，往往不同程度地存在着纯滞后，其特点是当控制作用产生后，在时延τ范围内，被控参数完全没有响应。

因此，这样的过程必然会产生较明显的超调量和较长的调节时间，所以，具有纯迟延的过程是较难控制的过程，其难控程度随着纯迟延τ占整个过程动态的份额的增加而增加，而路径的长度和物流的速度是构成纯滞后τ的因素。

解决纯滞后问题的方法非常多，最简单的是利用常规调节器适应性强、调整方便的特点，经过仔细个别的调整，在控制要求不太苛刻的情况下，满足生产过程的要求。

本课题的目标就是在实验室301的环境和熟练应用S7-300下设计一个锅炉内胆水温和盘管出口水温构成的纯滞后串级控制系统。

采用PID的算法，来控制锅炉的水温[9]。

电热锅炉控制系统实验装置模拟日常生活中的热水锅炉控制系统，将变频器调速技术、计算机和智能控制技术相结合，完成生活中热水锅炉对进水、出水、电加热装置通断时间比的自动控制，使锅炉的进水流量、出水流量、水温、水位保持在最佳状态[10]。

实现热水锅炉系统安全，可靠，稳定运行和达到节能降耗的目的。

电热锅炉实验装置主要由微型电热锅炉、固态继电器电加热装置、变频器及相关的检测装置、变送器和执行机构等过程控制仪表组成[11]。

图1-1总结构图

1.4研究的内容及方法

首先以锅炉为控制对象，以锅炉出口水为主被控参数，以炉膛内水温为副被控制参数，以加热电炉丝电压为控制参数，以PLC为控制器，构成锅炉温度串级控制系统：

采用PID算法，运用PLC梯形图编程语言程序进行编程，实现锅炉温度的自动控制。

本文主要研究内容：

第一章，简要介绍本课题研究的背景、研究意义、现状和研究的主要内容。

第二章，系统总体方案设计。

对锅炉温度控制的串级系统，PID算法和纯滞后温度控制进行研究和说明，简介S7-300的特点和具备的功能。

第三章，系统硬件的设计。

设计系统的硬件结构框图，对该系统的所需要的硬件给予介绍说明。

第四章，系统软件的设计。

设计PLC控制器运行框图，主程序的流程图，设计模拟输入，模拟输出和PID算法模块。

第五章，组态画面的设计。

对该系统仿真设计，对该系统进行监视和数据的显示，历史曲线图设计。

第二章控制系统方案设计

2.1锅炉自动控制方案

方案一：

仪表控制

锅炉控制的仪表控制主要通过电动单元组合仪表来实现。

电动仪表系统主要由继电器、时间继电器、程序继电器、电动单元组合仪表和测量仪表等组成，其程序控制为传统继电器控制。

电动仪表系统设计经验成熟、价格便宜，但难于实现系统冗余和数据远传，维修也比较困难，更难于实现高级控制方法。

现在发展的智能仪表功能上大大增强，也具备了通讯功能，但仍摆脱不了仪表控制的固有缺陷。

同时，随着仪表功能的增多、增强，其价格也越来越贵，逐渐失去其价格优势。

方案二：

PLC控制

可编程逻辑控制器简称PLC，采用的是计算机的设计思想，最初主要用于顺序控制，只能进行逻辑运算。

随着微电子技术、计算机技术和通信技术的发展，以及工业自动化控制愈来愈高的需求，PLC无论在功能上、速度上、智能化模块以及联网通信上，都有很大的提高。

现在的PLC已不只是开关量控制，其功能远远超出了顺序控制、逻辑控制的范围，具备了模拟量控制、过程控制以及远程通信等强大功能。

美国电气制造商协会（NEMA）将其正式命名为可编程控制器，简称PC，但是为了和个人计算机的简称PC相区别，人们常常把可编程控制器仍简称为PLC。

事实上，PLC就是以嵌入式CPU为核心，配以输入、输出及通讯等模块，可以方便地用于工业控制领域的装置。

它以其高可靠性、高稳定性、编程简单和易于使用，在现代工业企业中得到广泛应用，使得整个控制系统在功能的可靠性、配置的灵活性等方面较之过去产生了质的飞跃。

方案三：

DCS控制

集散控制系统是由回路仪表控制系统发展起来的分布式控制系统，成功地解决了系统拓扑结构复杂的问题，划清了上位机与下位机之间的配置功能和组态功能，通过冗余结构和增加设备提高了系统的可靠性。

DCS在模拟量处理、回路调节等方面有一定的优势，在锅炉方面一般应用于大型锅炉和锅炉群控，近年来也出现了适用于中型锅炉的小型集散控制系统，女HHoneywell公司推出的S9000系统。

在过去的20多年里，DCS逐步走向成熟，并在当今的工控领域中占有较大的市场份额，但是随着时间的推移和人们对控制要求的提高，它的弊端也逐渐暴露出来：

价格偏高，系统开放性差，控制仍然相对集中。

方案四：

FCS控制

现场总线（Fieldbus）是八十年代末九十年代初国际上发展形成的用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。

现场总线控制系统就是基于现场总线（Fieldbus）基础上形成的自动控制系统。

现场总线技术摒弃了DCS传统的多机冗余方式，将DCS的I／0彻底分散变成了新型全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场，更完美的实现了传统DCS管理集中与控制分散的初衷[12]。

综上所述，随着PLC成本的下降和性能的提高，普通PLC已能满足小型锅炉的控制要求，且性价比较高。

2.2锅炉控制的结构和原理

本系统方案是选用西门子S7-300PLC作为控制器。

给定锅炉盘管出水口所要达到的温度，用PT100型热电阻将检测到的实际锅炉水温和锅炉盘管出口水温转化为4-20mA电流信号，经过模拟输入模块331转化成数字信号并送到PLC中进行PID调节，以锅炉盘管出水口温度为主被控对象，锅炉内胆为福被控对象，盘管出口水温度和给定温度进行差分比较，将输出的值作为副调节器的给定量和锅炉内胆温度进行PID调节。

将输出值通过模拟输出模块332进行对加热器控制达到所要控制的温度，然后用杰控软件对系统进行PID参数调节，画面监管、数据显示和报警。

如图2-1。

图2.1锅炉温度控制系统原理框图

2.2.1锅炉控制的结构

锅炉温度控制的工作原理是温度通过传感器和变位器送到模拟输入转换成数字，再到PLC进行PID计算输出模拟量对加热器进行温度控制。

本设计采用温度串级控制系统，如图2.2。

图2.2温度串级控制系统

2.3串级系统的设计

当调节对象的动态特性比较复杂，而工艺对调节质量的要求又很高的时候，简单的单回路控制系统不能够满足要求。

在这种情况下，需要在单回路控制系统的基础上，采取其他措施，组成复杂控制系统，也称为多回路系统，如串级

图2-3一般串级控制系统

控制系统、带有补偿的控制系统[13]。

如图所示的控制系统在结构上形成了两个闭环。

一个闭环在里面，被称为副回路；

一个闭环在外面，被称为主回路，以最终保证被调量满足工艺要求。

这种由两个调节器串接在一起控制一个调节阀的系统叫做串级控制系统。

主调节器具有自己独立的设定值，它的输出作为副调节器的设定值，而副调节器的输出信号则是送到调节阀去控制生产过程[14]。

串级控制系统只比简单控制系统增加了一个测量变送元件和一个调节器，但是控制效果却有显著的提高，具有较好的控制性能，能够改善对象的动态特性，提高系统的工作频率，对负荷或操作条件的变化也有一定的自适应能力。

2.3.1串级控制系统的设计

串级系统的种种特点都是因为增加副回路的缘故，副回路的设计质量是保证发挥串级系统优点的关键。

1、制定串级控制系统的方案，选择或串级温度控制系统。

选择主被控参数、副被控参数、主控制器、副控制器来构成主回路、副回路，组成一个完整的串级控制系统。

副回路应包含被控对象所受到的主要干扰，副参数的选择应使副回路时间常数小，调节通道短，反应灵敏。

2、选择串级控制的主、副控制器。

副调节器的任务是要快动作以迅速抵消落在副环内的二次扰动，而且副参数并不要求无差，所以可选用调节速度叫快的P调节器或者PI、PD、PID调节器。

主调节器的任务是准确保持被调量符合生产要求，不允许被调量存在偏差，因此，主调节器必须具有积分作用，如PI、PID调节器[15]。

2.3.2串级控制系统参数的整定

串级系统的整定要比简单系统复杂。

由于两个调节器串接在一起，互相作用，影响参数的整定。

所以在整定时，应尽量加大副调节器的增益以提高副环的频率，使主、副环的频率错开，减少相互之间的影响[16]。

串级系统的整定，有两步整定法和一步整定法。

1、两步整定法

两步整定法是第一步整定副回路的副调节器，第二步整定主回路的主调节器的串级系统整定方法。

（1）先整定副回路。

在系统工作状况稳定，主、副回路主调节器在纯比例作用的条件下，将主调节器的比例带δ置于100%处，按照单回路系统的整定方法来整定副回路。

逐渐降低副调节器的比例带，如用4：

1衰减法来整定副回路，则求出副参数在4：

1衰减时的副调节器比例带δ2S和操作周期T20。

（2）整定主回路。

使副调节器比例带置于δ2S的数值上，逐渐降低主调节器的比例带δ1S，求出同样衰减比时主回路的过渡过程曲线，记录此时主调节器的比例带δ1S和操作周期T10。

将上述步骤中求出的δ1S、T10、δ2S、T20,根据选用的调节器类型，按照4：

1衰减曲线的整定方法，求出主、副调节器的整定参数。

（3）按照“先副后主、先比例次积分后微分”的原则，将计算得出的调节器参数置于各调节器之上。

（4）加干扰实验进行验证，观察过程参数值，直至记录曲线符合控制要求为止[17]。

2、一步整定法

（1）在系统工作状况稳定，主、副回路主调节器在纯比例作用的条件下，按表5-1“一步法比例带经验值表”所列数值，将副调节器调节到适当的经验值上。

表5-1一步法比例带经验值表

副参数

比例带δ2

放大倍数KC2

温度

20——60

5——1.7

压力

30——70

3——1.4

流量

40——80

2.5——1.25

液位

20——80

5——1.25

（2）利用单回路控制系统的参数整定方法来整定主调节器参数。

（3）加干扰试验进行验证，观察过渡过程曲线，根据KC1、KC2相匹配的原理，适当调整调节器参数，使主参数控制精度最好。

（4）如果出现振荡现象，只要适当加大主、副调节器的任意一个比例带，即可消除振荡。

2.4PID的算法

2.4.1模拟PID

比例（P）控制

比例控制是一种最简单的控制方式。

其控制器的输出与输入误差信号成比例关系但这样会引起振荡，特别是在迟滞环节比较大的时候，比例系数Kp减小，振荡发生的可能性就会减小，但同时也会导致调节速度变慢。

比例控制的缺点是不能消除稳态误差，必须要有积分控制来辅助。

积分（I）控制

在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。

为了消除控制系统的稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。

积分项会随着时间的增加而增大。

因此，就算误差很小，积分项也会慢慢变大，由