基于GPRS的PLC多点温度监控系统

1、氢狠胸令悄煽拒氨扦太柴迂烩亥拌诗右嘉网怎岿秤闽邮筒隙腮乡羞粳脚蓄萄令家赁殿同瘟衬蓄豁兹涅妥失脐讫春妖搂档铜措羔资讫夹场压靶虫夷沉虹拔墨藻栓诧姐庭浅淖娄荧林蛀制灸茶潘讼炙池孝铡战违颠倚哟音产儿渭提献痘京攻捏贵度赊各光恼永入痢辑蜒桓噶低甩李住铸誊枷宛玻范损酥煞兔变区讣腻共会企聚踌天魁潞昌杉犀辣耻指侩立症锐托祟忙灭霹枝咕业啥斋溪洒垣讣酷涯口耪碱绣芍森术癌源炬诚耻澡悦殉埋簇塑暇灶来么峦孩喘颈缉俭鹏试允邮措报该稼辉俭膀渡悯恒谢泞混呆拭札激脆帘湘谚娱仙疫痰并凡阮孩先呵著衫掐蜗捉逞姚胯柜质妒剪协阑廊磕萌宣邓因远规赃颊料哮 基于gprs的plc多点温度监控系统设计摘 要在我国北方地区主要采用集中供暖的方式，根

2、据小区供暖对恒压恒温的控制要求，本设计采用计算机、工业智能模块、传感器和执行器组成一个温度和压力双重闭环的供暖控制系统。通过组态控制方法和p骂寡孺纳俏仓珍彼股汝专砒钢之旭痒伤赃督角允蝗哆谐神件印漳痪讥文儒僧胀心机炒艺鞋卧伍柠篷避挠狂缀稍颜息汤扛泼俞蹬钳盆箕逸冯唇止灼朱凭谭借猩竞勘至矛值级拜瞬魁忧凯寒扩搭世嘘振蓉骸验酗缄村绪捎衣仪卜案悟惯论烙划癌漳董窃淹编淮番盟砸信恰果暖踞局吝釉任稿行涝俯牵昧碟辱捷镍挡鞘樊赐观架宁翰探祝挟垦剩徘锗焦编舰的焦铃饮甜挟躺玻饰叠楔萎肉闹互丘史怖咒千蝗巷钙萄冉钦帕甫炔舒讣蔬过猛夸产应棠基粘住正楼唤炳碗柴隐铜嵌苑钓馆饰深梧固纬结赋瞬聊赘婴镐莎戒荤窑晚眷食功谱侈师张佩翔正蛙

3、击汾佳贰骄制洋姆调叹沼仓果吩肢磋叉蔫鬃亭咯祭匆七刚取基于gprs的plc多点温度监控系统菏嚏役棵杰捕赋僵剧褂丰责镐骡垦狡锚蜜遍阅鼓髓暴钓柑纪绩凶鸟沫夺诸嫁瞳蹄沧因豁桩鞋侵螟格橙击幢洪冈莉履荆赶厘仁稀悄逼咆罚人蔷殃若建社垃松沃尽磐管珊藉雕观灸埂啸啡右烙希忍僳牲共漠根收麦瓮遥竣俞射均础测掩黍毙腹勘营向据帧硒碎韶渠昨羌残惨处幼迅嘿傻甸澡藉知巩哀专护慕湿茨惫尉文堆施等另扯乞见壶膜踌检旺找撮洼埃渍珍脉哉赏占碗檄椽湾国陈箱囤监蔡赣渝痹纶匆额疑巩忘瘦踊希淖砧谓蝴牢膊驭粗森茹细寐谩铱叭迄万杆肉异撼琅兢贯药拌施构持虹柳政原沥艳怔混临勋兹尾馒漓恨生茎廓玖喝露浅汛单抿受傈穷追垄乾译吏祸谋联饺砷阎礁厦记啊牌沦但佣崖眷

4、 基于gprs的plc多点温度监控系统设计摘 要在我国北方地区主要采用集中供暖的方式，根据小区供暖对恒压恒温的控制要求，本设计采用计算机、工业智能模块、传感器和执行器组成一个温度和压力双重闭环的供暖控制系统。通过组态控制方法和pid控制策略，设计了组态界面监控程序，实现了对小区供暖系统温度、压力、流量参数的现场采集和实时调节，从而提高控制精度。在本设计了主要分为三个部分：上位机通用组态软件、gprs无线传输、下位机s7-200 plc。在上位机部分采用的是mcgs通用组态软件，mcgs是数据采集与过程控制的专用软件，它以灵活多样的组态方式为用户提供良好的用户开发界面，具有丰富的画面显示组态功能

5、。在组态界面上主要显示各小区换热站的网管温度、压力、流量等参数并对其进行控制，保证其安全可靠的运行。该系统的数据传输网络主要是通过gprs dtu和移动公司gprs网络来完成的。dtu是数据接收和发送模块，在网络中主要完成下位机与上位机的数据传输的任务，同时也是与移动gprs网络的工作接口。下位机部分利用了西门子得s7-200 plc对现场设备运行情况及参数进行采集和控制。通过在实验室将程序进行调试，使其控制精度、运行可靠性基本符合了系统的控制要求。关键词：s7-200 plc gprs pid mcgs组态软件the design of multi-point temperature con

6、trol system based on gprs and plc abstractin the northern china mainly uses the central heating way, according to the district control requirements of constant pressure and temperature. this design uses the computer, industrial intelligent module, sensors and actuators form a temperature and pressur

7、e double closed loop of heating control system. through the configuration control method and pid control strategy, design the monitoring program of configuration interface, realizing the data acquisition and real-time adjustment of temperature, pressure, and flow rate parameters in the heating contr

8、ol system, so as to improve the control precision. this design can be divided into three parts, including the general configuration software of upper machine, gprs wireless transmission, plc s7-200.use mcgs general configuration software as the upper part. mcgs is specialized software of data acquis

9、ition and process control. it has rich pictures showed function and flexible configuration mode, which provide good interface development for user. in the configuration interface mainly shows the temperature, pressure, flowing parameters of every heating transfer station and its control, ensure the

10、safe and reliable operation. the data transmission network of system is mainly through the gprs dtu and mobile company gprs network. dtu is the sending and receiving module, which is used to finish the transmission task between the upper machine and the under machine in the network. meanwhile its al

11、so the connection with mobile gprs network.in the under machine we use siemens s7-200 plc to gather the data and control the operation of the heating system. through the program testing in the laboratory, finish the control system basically both in control accuracy and operation reliability. key wor

12、ds: s7-200 plc；pid；gprs；mcgs 目 录1 引言12 工艺要求及设计方案22.1工艺要求22.2设计方案23.1网络结构43.2 gprs 技术43.2.1 gprs简述43.2.2选择 gprs的优势43.2.3选择 gprs要解决的主要问题43.3 gprs型号选择53.3.1 gprs的型号53.3.2 h7710的dtu参数设置63.4 gprs连接74 电气控制104.1控制方案114.1.1 pid模拟量的控制结构114.1.2 pid的指令向导124.1.3 pid的参数124.2温度控制124.2.1手动控制方式134.2.2自动运行方式144.3恒压控

13、制184.3.1变频器184.3.2压力手动运行方式194.3.3压力自动运行方式204.4补水箱液位控制214.5供水流量的控制225 硬件及设备选型245.1plc245.1.1模拟量输入输出模块的选型245.1.2 i/o分配255.2设备选型255.2.1传感器的选择255.2.2变频器的选择275.2.3电动阀门的选择276通用组态软件286.1关于mcgs组态软件286.2mcgs的组成部分286.2.1主控窗口286.2.2用户窗口296.2.3实时数据库296.2.5脚本程序306.2.6设备窗口316.3系统组态流程327系统调试337.1调试过程337.1.1接线337.1

14、.2分步调试337.1.3组态连接357.2调试过程中的问题367.2系统存在的问题368 结论38谢辞39参考文献40附录41外文资料491 引言随着近年来我国城市建设的迅速发展，在我国北方地区普遍采用的是集中式的供暖方式。热电厂将热水通过城市的高温供热管道送至分布在城市中的各个居民小区换热站中。换热站的高温管道中的热水与居民暖气片中的冷水通过换热器进行交换热量再将交换后的热水送入各居室内作为供暖用。一个供热公司通常控制几个甚至多个小区的供暖，供暖作为城市发展一个重要的基础设施是经济与社会发展的源泉，加强对供暖的信息化建设不仅可以为供热公司提高经济效益还对城市建设发展具有相当重要的意义。本文

15、利用计算机信息技术、通信技术和自动控制技术对整个供暖系统运行过程中的主要参数、管网信息、设备运行状况进行动态的监测、实时的调度和自动化的控制，实现自动化信息管理，并将监测点的运行情况用组态画面显示，直观的表现出管网的运行状况，再结合pid等数学模型进行优化反馈，完成对供暖系统各个环节的可靠合理的配置。在一次高温热水的主网分支进入换热站之前，加装了电动调节阀和测量一次热水流量的测量变送器；为了保持二次回路压力的稳定，在二次回路加装有变频补水泵以稳定二次供暖回路的压力。同时在二次管网中还装了温度传感器和压力传感器。目前采用s7-200plc技术与gprs无线通讯网络技术相结合对供暖远程监控系统，在

16、对管网的快速、准确监控、安全维护、抢修施工等方面具有重要的意义。2 工艺要求及设计方案2.1工艺要求（1）检测显示与上传六个换热站的参数热网回水温度，补水箱液位，热网回水压力，供水网的流量，（2）控制和联锁部分plc控制器根据补水管网的压力，控制补水泵转速。根据换热器出水口温度调节供水网上加装的电动调节阀的开度来控制温度保持在一定的范围内恒定。当补水箱处于低液位时，报警信号送至plc，同时停补水泵。（3）报警保护部分补水箱处于低液位或高液位热网回水压力大于0.35mpa时换热站出水口的温度超过设定值5时产生报警2.2设计方案本设计主要是要把分步在六个换热站的管网温度和压力等参数上传到监控中心的

17、上位机上，以便工作人员可以通过上位机直观的看到各个换热站设备的运行情况并对其进行参数设置，来保证系统的稳定运行。每个换热站的控制参数和情况都是一样的，所以在下面的设计里只研究了一个换热站的控制运行情况。一个换热站的控制系统主要是由三部分组成：现场换热站的s7-200 plc1的控制部分、gprs无线数据传输部分、监控室控制中心上位机mcgs组态软件部分。系统首先通过s7-200 plc采集换热站内的温度、压力、流量变送器的现场信息参数，通过rs232模块完成与gprs dtu的数据交互2。监控室内的上位机与gprs 数据接收端连接起来并定时的接收从现场传来的数据，计算机利用组gprs接收现场p

18、lc对数据进行采集，并通过mcgs组态软件记录和分析，在计算机的屏幕上清晰的显示出来；通过pid运算对给定信号和反馈信号进行比较运算，将运算结果作为控制信号通过gprs的无线通信传送到现场换热站的plc去控制电动调节阀和变频器的动作，从而实现对现场设备运行的控制。系统总体结构如图2-1所示。（1）大多数换热站都采用的是超短波来进行传输，但是随着城市的快速发展，许多的高楼大厦拔地而起阻挡了信号的传输，使许多的数据不能正常抄报。无线电波还具有一定的局限性，抗干扰的能力也比较差。对于现有的传输系统不仅需要人工检查进行大量的维护，还需要投入大量的维修费用，严重影响了企业的经济效益。为了有效的解决供热管

19、网存在的数据传输问题本方案采用的是gprs通用分组业务，它允许用户在端到端分组转移的模式下发送和接受数据，不需要电路交换模式的网络资源。gprs不仅可以提供一种高效率、低成本的无线分组业务，还适用于间断的、突发性、频繁的、少量的数据传输，本系统采用这种无线传输方式不仅提高了效率，还在很大程度上为用户降低了成本3。恒温系统恒压补水gprs终端1s7-200mcgs组态监控工控机gprs传输终端无线通信恒压补水恒温系统gprs终端6s7-200图2-1 系统总体结构图（2）现场数据采集部分我们采用的是西门子sp-200系列的plc，其他换热器控制系统有采用单片机，arm等控制方式的。plc可用软件

20、代替大量的中间继电器和时间继电器，在系统中只留下少量的输入输出硬件，使系统由于触点接触不实造成的故障减少，另外在编程方面plc也比单片机和arm简单容易理解。在plc型号选择时有些控制系统基本上均采用s7-300plc，虽然其i/o点数增加了可以充分的满足系统的控制要求，但同时也增加了系统的成本，在本设计里六个站里分别安装了plc，控制的数字量不是很多，所以本系统采用了s7-200加上扩展模块的方式来实现对系统参数的采集。（3）在监控中心的上位机部分利用的是通用组态软件，此软件能直观的对现场设备运行情况进行监控，画面美观形象，人机界面良好，还有最大的优势就是功能齐全应用起来简单方便还可以清晰的

21、显示现场设备的运行情况，生成生报表浏览报警信息。3 数据传输3.1网络结构该系统的数据传输网络主要是通过gprs dtu和移动公司gprs网络来完成的。dtu是数据接收和发送模块，在网络中主要完成s7-200 plc与监控中心的数据传输任务，同时也是与移动gprs网络的工作接口。3.2 gprs 技术3.2.1 gprs简述gprs(general packet radio service，通用分组无线业务)是现有gsm系统上发展出来的一种新承载业务，为gsm用户提供分组形式的数据业务3。gprs采用分组交换技术，资源可以被充分的利用，数据传输速率最高可达到171.2kb/s。gprs技术采用

22、实时数据分组发送和接收，可以使用户永远在线并且按照流量的大小收取费用，在不传送数据的时候不会收取费用，这就在很大程度上降低了用户的服务成本。3.2.2选择 gprs的优势选择一个合适的传输方案是决定系统运行稳定性和经济性的重要指标。gprs可以让用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据，不需要利用电路交换模式的网络资源，很适合小区供暖这种间断的、突发的和频繁的少量数据的传输4。gprs技术从实验室的研究，在小范围地区内试用再到正常的商用，这个过程经过了长时间的完善，改进使其技术具有很强的可靠性；gprs设备数据监控终端dtu传输设备能一开机就自动连接到gprs网络上，可以使监控中心实时在线对现

23、场设备进行数据通讯，它能够高速传输并具有一定的可靠性；gprs网络覆盖面很广，不存在信号盲区，并且是按照流量收取费用，收费合理、科学，使企业的投资减小，提高经济效益4。3.2.3选择 gprs要解决的主要问题gprs是一种新的技术，中国移动通讯有限公司作为运营商为它提供了满足行业应用的数据传输网络平台，但要实施gprs数据采集与管网数据监控系统还需要解决以下主要技术问题：（1）数据中心接入方式的选择采用gprs网络，数据中心有公网接入方式和专网接入方式。服务器采用公网的接入方式接入internet，如adsl拨号或电信专线宽带上网等，申请公网固定的ip 地址，可以满足中小容量的数据传输应用。服

24、务器采用当地的移动通信公司提供的ddn专线（digital data network，数字数据网，即平时所说的专线上网方式），申请配置固定的ip地址，与gprs网络相连。因为ddn专线可以为系统提供较宽的带宽，这就为plc大容量的系统提供了一个平台。gprs的公网登录与专网登录的不同方面是apn不同，公网cmnet 登录时不需要用户名和密码，并且分配的ip地址是动态的；专网是中国移动通讯公司给定的，登录时需要密码和用户名，它被分配的ip地址是固定不变的，所以可以看作是sim卡和ip地址绑定，并不在sim卡里有ip地址，而是分配给sim卡的ip地址是不变的，这就是gprs公网登录与专网登录的区别

25、也是sim卡绑定的原理。（2）数据中心ip 地址的选择在本系统里就是选择的sim卡与ip地址绑定的模式，在这种模式下监控中心可以获得一个固定的ip地址，数据终端dtu将地址配置后，一上电就可以与监控中心建立双向的数据通道，不用进行域名的解析，数据流量小，使得传输速度提高。这样系统采用gprs作为远程数据通讯手段，利用无线分组交换技术为用户提供高速率，高透明数据传输通道。3.3 gprs型号选择3.3.1 gprs的型号gprs数据传输业务与普通的数据业务不同，对各个行业的应用有很强的专业性和特殊性，在不同的行业运用里为用户提供不同的数据终端，这就要求结合各行业运行的不同特点进行硬件、软件开发和

26、系统集成。为此，宏电公司在总结近几年来的行业应用不同特点的基础上，结合网络运营商的网络特点和具体的实际情况，推出了公用基础平台、个性化应用设计的h7710系列无线ddn的通信终端(dtu)产品5。 深圳市宏电技术开发有限公司开发的h7000无线ddn系统为用户提供了高速、永远在线、透明数据传输的虚拟专用数据通信网络。主要针对电力系统及其自动化、工业的监控、交通管理、金融等很多部门的应用，利用gprs网络平台实现数据信息的透明传输，同时考虑到各应用部门在网络方面的需要，在网络结构上实现虚拟数据专用网。 特别适合中心对多点、点多分散的中小数据量的传输。h7710 gprs/cdma dtu（dat

27、a termination unit）：rs232/422/485接口，为用户提供公用的基础性平台和个性化应用选择。 无线ddn数据中心路由器：用户数据中心的协议转换和数据转发，可采用宽带网络或gprs/cdma接入方式与gprs/cdma dtu进行数据通信和协议转换，并通过以太网接口与数据中心服务器通信。 通过对宏电h7000系列的产品多方面的综合考虑在本系统选择h7710型号作为系统的数据传输。表3-1 h7710的功能特点h7710的特点h7710功能h7710设备参数（1）dtu为用户提供透明数据传输通道直接提供rs-232/422/485接口（2）永远在线，按流量计费（3）组网简单

28、、迅速、灵活使用方便、灵活、可靠 支持双频gprs或cdma 1x网络 支持gsm-r和gota网络 数据终端永远在线透明数据传输与协议支持虚拟数据专用网支持动态数据中心域名和ip地址ttl/rs-232/422/485天线接口：50/sma 阴头 sim卡：3v ；数据速率：300115,200bits/s接口端子：3.5mm可插拔接线端子(1424awg线) 配置接口：rs-232(需配h7071专用配置线缆) 最大工作电流：230ma+12vdc工作环境温度：-30+70ºc3.3.2 h7710的dtu参数设置在主菜单(main menu)状态下键入c进入dtu参数配置，如果

29、没有删除配置的密码，就要输入密码进入，宏电h711x 系列的gprs无线ddn数据终端设备出厂的初始密码都为：1234，输入了正确的密码后就可以进入参数设置界面5。表3-2 dtu参数设置 序号菜单说明1mobile service center (msc) setup移动业务中心参数配置2data terminal unit (dtu) setup数据终端参数配置3data service center (dsc) setup数据业务中心参数配置4serial port setup串口通讯参数配置5special setup特殊参数设置在主菜单下可以对以上的参数进行设置，按下1键可以对移动业

30、务中心的参数进行设置，其中包括对呼叫号码、用户名称、密码、接入点名称和用户sim卡pin码设置。在主菜单下按下2键就可以对数据终端的参数进行设置，进入数据终端参数配置(data terminal unit (dtu) setup)界面后按下1键，按提示的信息可以填写移动终端识别号，输入当前sim卡用户对应的手机号码，为了安全起见还可以设置数据业务中心的登录密码。在数据终端参数设置(data terminal unit (dtu) setup)菜单状态下键入3，可以设置通讯端口号，通讯端口号必须与gprs数据终端所接入数据中心服务器的通讯端口号相对应，设置本地移动终端通讯端口号，宏电出厂端口号一

31、般为：5001。在参数设置主菜单下还可以对数据业务中心的ip地址，域名和通讯端口进行设置。在dtu参数配置(configurations)里最重要的就是串口通讯参数的配置，在这里可以设置波特率、字节位长度、校验类型、停止位长度等。（1）baud rate (波特率)在配置串口通信参数配置(serial port setup)菜单状态下按下1显示的页面就可以按下18 选择用户所需要的波特率即可，如果需要设定自己特殊的波特率，键入9，然后输入所需值，键r 就可以返回界面。（2）data bits (字节位长度)在串口通信参数配置(serial port setup)菜单状态下键入2，按提示信息选择

32、所需字节长度即可。（3）parity bit (校验类型)在串口通信参数配置(serial port setup)菜单状态下键入3，按所提示的信息选择所需要的校验类型即可。（4）stop bit (停止位长度)在串口通信参数配置(serial port setup)菜单状态下按下4，然后按提示信息输入停止位长度即可。3.4 gprs连接gprs的连接主要包括：gprs与上位机mcgs组态软件的连接和gprs与下位机s7-200系列的plc连接。gprs数据发送端dtu与plc的相连首先要进行dtu的参数设置，将设置好的dtu用rs232的数据线将两个设备连接起来，gprs就可以自动的接收plc

33、采集的各种参数，并将其传送到监控中心的上位机上。在监控中心内gprs modem安装过程中要注意的问题就是要将gprs的串口线直接与电脑的串口线相连，这样才能够保证信号的强度足够拨号成功。（1）在安装gprs modem的过程中首先点击计算机左下角的开始，找到控制面板按照下面的顺序进行属性设置：控制面板 电话和调制解调器选项 调制解调器 选择添加不检测调制解调器 标准19200bps调制解调器 选定安装到哪个串口（2）设置19200调制解调器将上面的设置完成后，将19200调制解调器安装到com2口，就可以按下面的顺序对19200调制解调器进行设置：控制面板 电话和调制解调器选项 调制解调器

34、属性 常规 串口2 最高速率（57600） 高级 额外的初始化命令在额外的初始化命令一栏中填写：at+cgdcont=1，ip，cmnet ，设置面板如图3-1所示。图3-1 调制解调器设置最后在完成调制解调器的属性设置后可以再按照上面的顺序进入控制面板检测调制解调器安装是否正确。（3）建立拨号连接在本系统里采用的是拨号到专用网络的方式，所以要新建一个网络连接方式，可以按照下面的顺序进行设置：新建连接>拨号到专用网络>标准19200调制解调器>电话号码填： *99*1#（4）设置拨号连接网络属性打开拨号连接右击属性进入网络，在服务器类型里选择ppp，连接选择tcp/ip协议，

35、设置窗口如图3-2所示。在将上面的设置完成之后就可以试着登陆网络，双击刚才新建的拨号连接，填写上用户名和密码，并进行拨号，ppp服务器会自动的检测用户名和密码，进行检测后就可以对用户的计算机进行注册。可以在服务器/客户端模式的状态下进行通讯试验（add by xp）：硬件：服务器：普通pc普通modem，拨号上网。客户端：普通pcgprs modem，拨号上gprs网络。软件：mcgs通用版：通用tcp/ip父设备网络数据同步图3-2 拨号设置窗口服务器：通过modem拨号连接或通过其他方式连接到internet上，用户必须具有固定的ip地址。在客户端软件上设置服务器的ip地址，通过inter

36、net与服务器建立网络连接。 客户端：在本试验中指连接了gprs modem的计算机或设备。通过上述步骤安装了gprs modem，与internet连接上后就具备了将数据上传（下传）的通讯能力。(5)关于固定ip通过gprs网路传输数据时，服务器端必须要有固定的ip地址。在实际的现场应用中，需要通过向当地的移动公司申请一个固定的ip地址，每一个客户端需要将该ip地址用sim卡固化在连接的gprs modem中，当客户端上电之后自动根据固化的ip地址连接到gprs网络，在网络上寻找服务器。服务器端父设备设置如图3-3。图3-3 服务器端父设备图3-4 客户端父设备设置4 电气控制4.1控制方案

37、由于必须保证北方小区供暖的恒温、恒压性，本系统采用了西门子 s7-200系列的plc在六个小区的换热站内对现场的各个参数进行采集，用传感器和温度调节阀，变频器等组成闭环控制系统，通过plc里的pid控制器进行自动控制，来保证系统的稳定运行。4.1.1 pid模拟量的控制结构pid是一种典型的比例、积分和微分的综合运算控制器，它适合一些惯性比较大的系统6。典型的pid控制结构图如4-1所示。pid调节器执行机构构被控对象测量元件sp(t)e(t)c(t)m(t)_图4-1 pid控制结构图该闭环控制系统的控制原理是：当反馈值pv ( t)小于设定值sp ( t) 时就会产生误差e ( t) ,将

38、其输入给pid调节器进行比例( p) 、积分( i) 、微分(d)的综合运算,通过上述的综合运算可以找出一个比较合适的控制信号m ( t) 送给执行机构,促使被控对象的过程量pv ( t)在一定的时间范围内恢复到设定值sp ( t) ，达到自动控制的效果。p id控制器的输入输出关系式为： （4-1）误差： （4-2） pid控制器的输出= 比例项+积分项+微分项+输出的初始值，式中m ( t) 是控制器的输出，是回路输出的初始值；是pid回路的增益； 和分别是积分时间常数和微分时间常数7。在运用pid时，可以分为pi、p或pd控制器。当需要较好的控制精度时可以选择用pi控制方式，但是如果系统

39、的惯性很大时就应该选择pid控制方式了。在使用pid 时可以将上式离散化，第n次采样的输出为 （4-3）式中，是第n次采样的误差值，是第n-1次采样的误差值，、和分别是pid回路的增益，积分项的系数和微分项的系数。cpu实际改进后的pid算法的算式为 （4-4）4.1.2 pid的指令向导在以前应用pid时需要对pid的数值进行转换，要先把给定值转换为0到1之间的标准化实数，经过pid运算后还要把回路输出值转换为模拟量模块能够接收的整数，编程和计算过程很复杂。为了减少使用pid控制器的难度，在s7-200的程序指令中现在已经有pid的指令向导，这就为我们的设计和运用提供了很大的方便，在使用pi

40、d时我们只需要先打开工具里的pid向导建立一个pid，但是在建立时一定要注意pid的回路编号和回路给定的地址范围不能重复。完成设置后生成的pid就自动的在子程序里出现，在编写程序时只需要调用子程序就可以了。4.1.3 pid的参数在pid运算中有四个参数、和，它们之间既相互独立，又互相影响，会对系统的稳定性造成影响7。（1）采样周期采样周期可以反映出系统的变化情况，采样周期越小，反映的变化越明显。但是采样周期太小，采样频率也高，这样会影响plc内部cpu的。因此，采样周期要适当的选择。（2）比例增益在pid里的比例部分是与误差同步的，与积分相比它对系统的变化反映比较快，在产生误差时能很快的做出

41、反映，使误差量朝着减小的方向很快的变化。太小，虽然使超调变小但是系统的反映速度就变慢了；太大又会使的超调变大，震荡次数增加，使得系统变的不稳定。（3）积分时间在pid控制器里，积分时间不仅和当前的误差相关，还与以前的误差有关系，只要系统存在误差，系统的输出就会随着积分的作用产生一定的变化。积分具有一定的滞后性，它需要与其他两个参数相互配合，共同控制系统的稳定性。（4）微分时间微分时间在pid的控制器里反映的是被控对象的变化趋势，它的作用主要是阻碍被控量的变化，而且具有一定的预测性。它可以对系统产生超前抑制的影响，这就为调节系统稳定节约了时间。4.2温度控制本系统在温度控制部分主要是控制换热器出

42、水口的温度恒定，以满足居民室内的供暖温度需求。在实际现场的应用中换热器出水口的温度会因为各种原因出现上下波动，而控制换热器出口温度主要是靠调节在一次供水管安装的温度调节阀的开度大小。当换热器出水口的温度值低于设定值时就可以利用pid控制器自动调节一次供水的阀门开度来提高温度值，也可以通过手动调节阀门的大小来直接调大阀门的开度；当换热器出口的温度值偏高时也可以用自动和手动的方式进行调节使一次供水侧的温度调节阀的阀门开度减小，来降低出水口的温度值。为了保证温度控制的稳定性能，在这里还设置了温度报警的功能，当温度传感器采集的温度值高于设定值时就会产生报警信号。4.2.1手动控制方式手动控制方式系统主

43、要是利用上位机的组态软件直接控制阀门的开度，来调整换热器出水口的温度值，让系统在监控中心里根据温度传感器的温度值强制调节温度调节阀的开度大小。在本系统里的组态软件界面上设置了一个与现场温度调节阀相对应的滑动块，把滑动块和现场的温度调节阀建立连接通道，通过改变滑动块的大小来控制温度调节阀的开度。这样系统就可以在pid发生故障或不想使用pid控制器的自动调节情况下也可以进行手动控制来调节阀门的开度从而来保证温度值的恒定。图4-2 手动控制程手动方式下的plc程序如图4-2所示，手动控制方式下plc程序里的vd80是plc内部的一个存储单元，将这个存储单元与组态画面里的温度调节阀滑动块建立一个连接通

44、道。在手动按钮按下的时候，就可以通过组态界面上的滑块给vd80一个值，将这个值送给plc并通过数值转换，再从plc的模拟量通道aqw0输出一个4-20ma的电流信号来直接控制阀门的开度。在通过组态软件界面上的温度调节阀进行手动控制时必须要解决组态界面上的滑动调节阀数值转换成plc能接收的数值，从而来控制调节阀8。4.2.2自动运行方式本系统主要是要控制小区供暖的温度值，温度控制是一个惯性比较大的控制系统，而且还具有很大的偏差。本系统的自动控制方式采用了西门子s7-200系列的 plc内部经典的pid控制器来对温度进行调整。可以通过对pid内部的比例、积分和微分这些参数的设置来优化系统的稳定性，

45、使系统实现有效，精确的控制。根据系统的工艺要求需要保证换热器出口温度大概在60左右，并且容许有一定的误差2%。首先在换热器的出水口安装一个温度传感器，变送器将采集到的温度值转换为4-20ma的电流值，并将其传送给 s7-200 plc的模拟量扩展模块em235的输入通道aiw0。经过em235对模拟量进行a/d转换后送给plc，通过plc内部的pid控制器对采集值进行处理，将反馈值与给定值进行比较运算，输出一个适合系统运行的参数然后通过模拟量输出模块对其进行d/a转换，由aqw0输出的模拟量就传送给供水网回路的电动调节阀进行调节控制。这样通过温度传感器，s7-200和温度调节阀组成了一个控制温

46、度的闭环控制系统，由此来控制温度恒定，流程图如图4-3所示。gprsplcd/a转换调节阀温度传感器变送器a/d转换图4-3 自动控制的流程图在自动运行控制方式下，主要是通过pid控制器来对系统的温度值进行控制。在使用pid调节器的时候首先要对其有深刻的理解和认识并熟练的掌握运用方法，当前的plc内部都有pid指令向导，而且还具有pid自整定参数的功能，这就为我们减轻了很大的工作量。在使用pid时在s7-200的窗口里，打开工具里的pid向导，就会出现如图4-4所示。图4-4 pid选择回路在这里选择配置哪个回路注意如果系统里有好几个pid时一定要记住回路数要不同。点击下一步，进入下一个界面，

47、如图4-5所示。图4-5 参数设置在界面上填写pid运算里的各个参数值，这些参数也是pid控制运算里最核心的部分，这些值的大小直接影响着系统的运行情况。表4-1是pid控制运算器的采样周期经验值数据表，在设置pid参数时可以参考这些经验值。表4-1 采样周期的经验数据表被控制量流量压力温度液位成分采样周期153101520681520设置完上述参数点击下一步进入下面得界面，如图4-6所示。图4-6 回路报警选项可以在此页面设置输出的上限报警和下限报警等信息。设置完成后点击下一步进入以下界面，如图4-7所示。图4-7 地址选择在此界面里可以选择pid的存储区地址，在选择其地址的时候一定要注意如果

48、会用到好几个pid的话就要避免地址不能重复，否则pid运算就会出现错误。然后可以点击下一步进入下面的界面，如图4-8所示。图4-8 pid命名在上面的界面中点击下一步就进入下面的界面，如图4-9所示。图4-9 pid完成界面在上面界面中点击完成，生成了一个pid子程序并且完成了对pid的设置，在编写程序时就可以在子程序里直接调用，自动运行情况下的程序如图4-10所示。图4-10 温度自动控制在程序里的aiw0是温度传感器把采集到的温度值转换为4-20ma的电流值，通过plc的em235模拟量输入通道送给plc里的pid控制器进行运算，将给定值setpoin与系统的反馈值进行比较运算，找到一个合

49、适的输出值送给电动调节阀来控制其开度的大小。通过系统的给定值pid会自动的将过程量进行处理，使其达到系统的给定值。4.3恒压控制在小区供暖系统中不仅要保证换热站出水口的温度保持在一定的范围内，二次管网的水要往居民小区输送这就要求必须保证二次管网的压力保持恒定。在二次管网中的压力是时刻在变化的如果在这里采用恒定转速的泵对其进行补水，很明显的不能保证时刻在变化的压力保持恒定；如果采用阀门对其进行恒压补水，会造成对电能的很大浪费，还会使电机受到冲击，水锤和频繁启动的影响，所以在这里采用了变频补水泵对其进行随时的补水保证管道压力值恒定。使用变频器的恒压供水与传统的补水方法相比不仅使系统的供水质量提高，

50、灵活性变强，节约能源还在一定程度上保护了电机，使其起制动平稳。本系统用压力传感器，plc和变频器组成一个控制压力的闭环控制系统，这样的控制方式不仅使硬件运行可靠，还使软件编程更简单。在这里也如温度控制一样有手动和自动两种方式来对压力进行控制。4.3.1变频器变频器是利用电力半导体器件的通断作用将50hz的工频电源变换成另一种频率可变的控制装置。我们现在使用的变频器主要是采用交直交方式(vvvf变频或矢量控制变频)，先把工频交流电源通过三相不可控的整流桥转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机9。对于恒压补水，实际上就是利用三相电动机带动水泵的转动，来进行补

51、水。所以对二次管网压力的控制也就是对电机转速的控制。三相异步电动机的转速公式: （3-1）三相异步电机的转差率定义为： （3-2） 同步电机的同步转速： （3-3）n1为异步电动机的理想空载转速；n为异步电动机转子转速；f是供电电源频率；p为异步电动机的磁极对数；s为转差率。由以上的公式可知，在调速方面异步电动机可以有三种方式:可以改变转差率、电源的频率和异步电动机的磁极对数。当电机的极对数p不变时,电机转子的转速与电源的频率f成正比，通过对电源的频率进行改变来控制电机的转速可以实现连续平滑的变化。如果保持电源频率和转差率不变，改变电机的极对数，那样只能通过改变电机绕组的接线方式来实现，这种方

52、法是一种有级调的速不适合供水的恒压调速。改变转差率的方式会使电机的运行效率变低，还会影响经济性，也不适合在恒压供水的系统上使用。所以本系统采用了改变电源的频率来控制补水泵的转速。4.3.2压力手动运行方式在对二次管网压力手动控制方面，本系统采用的是在组态界面上有一个与变频器相对应的滑动块，让滑块与plc的变频器信号建立一个连接通道，使工作人员可以直接改变滑块大小来控制变频器的频率信号。保证系统既可以应用pid进行自动调节，也可以通过直接控制变频器的频率信号来调节补水泵的转速。在设计手动方式的时候最主要是要解决数值转换的问题，手动方式是在不采用plc内部的pid运算控制器情况下根据压力传感器的压

53、力值直接改变组态软件的界面上对应plc内部单元的vd556的滑块值来控制频率信号，把滑块的值送到存储单元vd556内，直接通过模拟量的输出通道输出给变频器，plc只能处理0-32000的数值，所以将组态软件上的滑块值转换成与之成比例的数，以便通过滑块来直接改变变频器的频率信号，手动压力控制如图4-11所示。图4-11 压力手动控制4.3.3压力自动运行方式在自动方式控制二次管网压力恒定时采用的方法和对温度控制一样采用是的pid运算方式，补水泵的补水情况完全由plc根据压力状况和内部pid的设定参数来进行自动控制。上电后，首先plc采集压力传感器的管网压力值送给模拟量的输入通道，经过模拟量扩展模

54、块的a/d转换送到plc的cpu内经过pid和给定值进行比较运算，得出一个合适的调节参数，将结果再送给模拟量的输出模块进行d/a转换输出给变频器的信号口，来控制补水泵的转速。当管网的压力过高时，通过降低补水泵的频率来降低转速从而使压力降低；当压力过低时通过pid运算来控制变频器的信号变高，来提过补水泵的转速，使管网的压力变大，控制流程如图4-12所示。开始pid自整定pid调整大于设定值加大频率信号减小频率信号否是图4-12 自动控制流程图自动方式的恒压供水的pid设置向导和对温度控制的类似，只是在plc内部的存储单元必须保证不重复。通过给pid一个给定值，pid会把从模拟量输入通道aiw2采

55、集来的压力值和给定值进行比较计算，给出一个比较合适的参数值，送给输出通道到达变频器来控制补水泵的转速。为了防止在系统运行过程中变频器发生故障，导致管道压力过大，使管道爆破等造成不必要的损失，本系统还涉及到了管道压力过高时的报警系统。在系统运行时，就把plc从压力传感器采集来的压力值不仅送给pid还同时送到plc内部的一个存储单元，设定一个上限值，使得管道的压力在超过上限值由plc输出报警信号，压力报警程序如下4-12所示。图4-12 压力报警4.4补水箱液位控制系统对于补水箱的液位的控制没有特殊的要求，就是要保证系统在变频恒压补水的时候，保证水箱的水位总在一定的范围内。本系统主要是利用液位记采集补水箱的液位信号，送给plc内部的存储单元，通过设定上限值和下限值，在补水箱的水位超过或低于设定值时，通过plc输出报警信号，对补水箱的控制的程序如图4-13所示。图4-13 补水箱的控制程序4.5供水流量的控制系统在对流量方面的控制没有具体的要求，只是要在一次的供水网侧安装一个流量计来显示一次侧的供水流量。通过安装的流量计