锅炉内胆水温控制

1、理工大学课程设计论文目 录1 系统组成介绍11.1 被控对象11.2 检测仪表11.3 执行机构21.5 控制屏组件21.6 实验控制系统流程图31.7 控制原理框图42 上位机组态与程序设计62.1 组态软件介绍62.2 WinCC的发展及应用72.3 Wincc监控组态与程序设计72.4 WiNCC组态软件的通讯143 PLC300控制程序164 实验内容与步骤214.1 实验准备工作214.2 控制规律选择参数调节215 实验结果显示23总 结26参考文献271 系统组成介绍本实验装置对象主要由锅炉和盘管三大部分组成。供水系统：一路由三相（380V恒压供水）磁力驱动泵、电动调节阀、涡轮流

2、量计及自动电磁阀组成；另一路由变频器、三相磁力驱动泵（220V变频调速）、涡轮流量计及自动电磁阀组成。1.1 被控对象4.5KW三相电加热模拟锅炉(由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭式锅炉夹套构成) 1模拟锅炉：是利用电加热管加热的常压锅炉，包括加热层（锅炉内胆）和冷却层（锅炉夹套），均由不锈钢精制而成，可利用它进行温度实验。做温度实验时，冷却层的循环水可以使加热层的热量快速散发，使加热层的温度快速下降。冷却层和加热层都装有温度传感器检测其温度，可完成温度的定值控制、串级控制，前馈-反馈控制，解耦控制等实验。2盘管：模拟工业现场的管道输送和滞后环节，长37米（43圈），在盘管上有三个不同的温度检测点

3、，它们的滞后时间常数不同，在实验过程中可根据不同的实验需要选择不同的温度检测点。盘管的出水通过阀门的切换既可以流入锅炉内胆，也可以经过涡轮流量计流回储水箱。它可用来完成温度的滞后和流量纯滞后控制实验。3管道及阀门：整个系统管道由敷塑不锈钢管连接而成，所有的阀门均采用优质阀，彻底避免了管道系统生锈的可能性。有效提高了实验装置的使用年限。其中储水箱侧面有一个进水阀和出水阀，当水箱需要更换水时，可把球阀打开将水直接接入或排出。1.2 检测仪表1压力传感器、变送器：三个液位传感器分别用来对上、中、下三个水箱的液位进行检测，其量程为05KP，精度为0.5级。采用工业用的扩散硅压力变送器，带不锈钢隔离膜片

4、，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。采用标准二线制传输方式，工作时需提供24V直流电源，输出：420mADC。2温度传感器：装置中采用了六个Pt100铂热电阻温度传感器，分别用来检测锅炉内胆、锅炉夹套、盘管（有3个测试点）以及上水箱出口的水温。Pt100测温范围：-200+420。经过调节器的温度变送器，可将温度信号转换成420mA直流电流信号。Pt100传感器精度高，热补偿性较好。3流量传感器、变送器：三个涡轮流量计分别用来对由电动调节阀控制的动力支路、由变频器控制的动力支路及盘管出口处的流量进行检测。它的优点是测量精度高，反应快。采用标准二线制传输方式，工作时需提供24V直流

5、电源。流量范围：01.2m3/h；精度：1.0%；输出：420mADC。4锅炉防干烧保护装置：为保证实验效果好、不降低锅炉加热功率的前提下，本套装置配备了良好的防干烧保护系统，当锅炉内胆液位低于红色警戒水位线时，保护装置将切断调压模块输出电压，以有效保护电加热管不被干烧损坏。1.3 执行机构1电动调节阀：采用智能直行程电动调节阀，用来对控制回路的流量进行调节。电动调节阀型号为：QSVP-16K。电源为单相220V，控制信号为420mADC或15VDC，输出为420mADC的阀位信号，使用和校正非常方便。2水泵：本装置采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P，流量为30升/分，扬程为8米，功率为18

6、0W。泵体完全采用不锈钢材料，以防止生锈，使用寿命长。本装置采用两只磁力驱动泵,一只为三相380V恒压驱动，另一只为三相变频220V输出驱动。3电磁阀：本套装置共有17支优质电磁阀配合控制器完成所有实验项目，其阀体为黄铜材质，磁力连接栓为不锈钢榜及弹簧、弹杆、橡皮膜片，以防止生锈，它具有体积小、流量大、耐高温、耐高压、动作快、寿命长等特点。1.5 控制屏组件1通讯线介绍“THJ-4型高级过程控制系统实验平台”可以挂智能仪表、远程数据采集和S7-200PLC挂件，并可控制对象系统完成相应的实验。屏中布有485通讯线线，从正面看控制屏时，从左边数的五个通讯口挂在一条485总线上，然后引出来一根通讯

7、线，通讯头上标有“1”的字样；最右边的通讯口单独从控制屏后引出一个通讯头，上面标有“6”的字样。485通讯线主要用于仪表和远程数据采集模块与计算机的通讯， 485通讯方式与计算机建立通讯时需接一个转换器到计算机串口上。THJ-4-3面板是与对象系统通过2号42芯和3号19芯电缆线相连的接口板，可取来对象上的信号，也可将控制屏上的信号通过它送出；面板上有24V开关电源的输出端子，它不但控制着面板上三路24V直流输出，而且控制着对象系统所有变送器的电源。2交流变频控制挂件MicroMaster440变频器，控制信号输入为420mADC或05VDC，交流220V变频输出用来驱动三相磁力驱动泵。有关变

8、频器的使用请参考使用手册中相关的内容。3三相移相SCR调压装置采用三相可控硅移相触发装置，输入控制信号为420mA标准电流信号，其移相触发角与输入控制电流成正比。输出交流电压用来控制电加热器的端电压，从而实现锅炉温度的连续控制。1.6 实验控制系统流程图图1.1 实验控制系统流程图本实验主要涉及两路信号，一路是现场测量信号锅炉内胆温度，另外一路是控制移项调压模块输出的控制信号。锅炉内胆温度的检测装置为PT100热电阻，PT100热电阻检测到的信号传送给温度变送器，本系统采用带PROFIBUS-PA通讯接口的温度变送器，挂接在PROFIBUS-PA总线上，PROFIBUS-PA总线通过LINK和

9、COUPLER组成的DP链路与PROFIBUS-DP总线交换数据，PROFIBUS-DP总线上挂接有控制器CPU315-2 DP，这样就完成了现场测量信号到CPU的传送。本实验的执行机构为移项调压模块，移项调压模块所需的控制信号是4到20mA电流信号。控制信号由控制器CPU315-2 DP发出，经由PROFIBUS-DP总线到达分布式I/O模块ET200M，模拟量输出模块SM332和分布式I/O模块ET200M直接相连，最后模拟量输出4到20mA电流信号控制移项调压模块的输出电压。1.7 控制原理框图本实验系统结构图和方框图如下图所示。以锅炉内胆作为被控对象，内胆的水温为系统的被控制量。本实验

10、要求锅炉内胆的水温稳定至给定量，将铂电阻TT1检测到的锅炉内胆温度信号作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制三相调压模块的输出电压（即三相电加热管的端电压），以达到控制锅炉内胆水温的目的。在锅炉夹套水温的定值控制系统中，其参数的整定方法与其它单回路控制系统一样，但由于锅炉夹套的温度升降是通过锅炉内胆的热传导来实现的，所以夹套温度的加热过程容量时延非常大，其控制过渡时间也较长，系统的调节器可选择PD或PID控制。实验中用变频器支路以固定的小流量给锅炉内胆供循环水，以加快冷却。图（b）为一个单回路的锅炉夹套温度控制系统的结构框图.实验前先给锅炉内胆打适量的水，而锅炉夹套为动态环水,变频

11、器,齿轮泵，锅炉内胆组成循环供水系统。实验投入运行后，变频器以固定得频率使锅炉夹套得水处于循环状态。在单回路的锅炉夹套温度控制系统中，若没有循环水加以快速热交换，散热过程相对比较缓慢，温度调节得效果受对象特性和环境的限制，在精确和稳定性上存在着一定的误差。当增加了循环水系统以后，有利于热交换并提高散热能力。相比与静态温度控制实验，在控制的精确性，快速性上有很大的提高。本系统控制的被控制量锅炉夹套水温，既控制任务是控制锅炉夹套水温等于给定值，并采取工业智能PID调节。 通讯信号传输的双向性，这样既完成了现场测量信号到CPU的传送，又使得CPU发出的控制信号能传送到模拟量输出模块，模拟量输出模块输

12、出的4到20mA电流信号控制移项调压模块的输出电压。本实验系统结构图和方框图如图1.2所示。图1.2 锅炉内胆温度特性测试系统(a)结构图 (b)方框图可以采用两种方案对锅炉内胆的水温进行控制：（一） 锅炉夹套不加冷却水（静态）（二） 锅炉夹套加冷却水（动态）显然，两种方案的控制效果是不一样的，后者比前者的升温过程稍慢，降温过程稍快。无论操作者采用静态控制或者动态控制，本实验的上位监控界面操作都是一样的。2 上位机组态与程序设计2.1 组态软件介绍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

13、之秀。WinCC是Siemens公司的一种功能强大的工业控制软件。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

14、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。 2.2 WinCC的发展及应用从面市伊始，用户就对SIMA

15、TIC 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，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

16、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。2.3 Wincc监控组态与程序设计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

17、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，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

18、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2.3地址属性图2.4 新建变量按上面步骤建立所有外部变量，如图2.5及表2.1图2.5 外部变量 表2.1 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IEEE7

19、54DB41, 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, DD72LMNpv1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。ssq

20、x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2.2表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

21、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，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(&qu

22、ot;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。 (1)电气阀支路测量pv1 (2)变频器支炉测量pv2图2.6设置寻址方式对给定值进行设定，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

23、.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：SetTagBit("kaiqi",1);/Return-Type: BOOL SetTagBit("main_on",0);/Return-Type: BOOL SetTagBit("pvper_on_1",1);/Return-Ty

24、pe: BOOL SetTagBit("pvper_on_2",1); 单击“开启”后，由于管道的动画效果设置，管道会闪烁。Main_on为1时控制循环将被中断，手动值被设置为操作值。由于本设计要求，电动阀的PID “Main_on”保持默认值1。变频器PID“Main_on”设置为0，控制循环不会中断。由于检测量为电动阀支路流量PIW272，变频器支路流量PIW274，为外围设备，故此本设计的两个PID，PVPER_ON应为1状态。5设置实时曲线历史曲线在对象选项板中选择窗口对象，选择按钮，然后命名为“实时曲线”，点击事件中的按左键，右击选择C语言。在编辑动作中中插入下列

25、脚本程序：SetTagBit("ssqx",1);这条语句的意思是当点击鼠标左键时，“ssqx”置为1。点击确定。再点击事件中的按右键，右击选择C语言，在编辑动作中插入如下脚本程序：SetTagBit("ssqx",0);这条语句的意思是当点击鼠标左键时，“ssqx”置为0。点击确定。如图所示：图2.7 实时曲线C动作脚本程序设置历史曲线按钮设置相同，只需要将“ssqx”改为“lsqx”。接下来在对象选项板中选择控件中的曲线，对曲线进行编辑，命名为“实时曲线”。在WINCC在线趋势控件的属性中进行编辑，在数据源中选择在线变量，选择公共X轴和公共Y轴以及可

26、调整大小。在曲线一栏中选择pv1，命名为“电动阀支路流量测量值”，颜色选择为绿色。然后再添加曲线，命名为“变频器支路流量测量值”，在线变量选择为pv2，颜色为蓝色；然后再添加曲线，命名为“变频器支路流量给定值”，在线变量选择为sp1，颜色为红色。点击曲线属性，然后在显示中选择动态对话框，在表达式/公式中选择变量“ssqx”，数据类型为布尔量，当“是”时，置为1，当“否”时，置为0。历史曲线的属性同样如此设置。当鼠标左键点击“实时曲线”按钮时，实时曲线会出现，当鼠标右键点击“实时曲线”按钮时，曲线会隐藏。历史曲线也是这样的效果。历史曲线设置不同的是在选择数据源时要设置为归档变量，然后选择已经设置

27、好的变量，如图所示：图2.8 归档变量选择2.4 WiNCC组态软件的通讯（1）给PC和PLC上电，打开SETP 7，打开已建立好的工程。（2）进入STEP 7软件界面，点击options中的Set PG/PC Interface，选择CP5611(MPI)<active>，然后选择Diagnostics进行测试，出现OK，在进行下载。如图4.9所示。图2.9 CP5611（3）点击Diagnostics对MPI、硬件组态诊断如下图所示。图2.10 CP5611（MPI）图2.11 硬件诊断（4）将PLC置为run状态，SF灯没有红灯，电磁阀自动开启。无错误。（5）运行WINCC

28、目录下的已建立组态界面。点击运行键进入监控画面。（6）选择SIEMENSWINCCTOOLs中的WINCC Channel Diagnosis，点击运行，出现如下图所示窗口：图2.12 WINCC通讯监测这表明WINCC 已经跟PLC通讯上了。通讯成功。3 PLC300控制程序实验六、锅炉内胆水温定值控制系统sy6: L PIW 264 ITD DTR L 1.000000e+001 /R T DB41.DBD 10 CALL "CONT_C" , DB41 COM_RST := MAN_ON := PVPER_ON:=FALSE P_SEL := I_SEL := INT

29、_HOLD:= I_ITL_ON:= D_SEL := CYCLE := SP_INT := PV_IN := PV_PER := MAN := GAIN := TI := TD := TM_LAG := DEADB_W := LMN_HLM := LMN_LLM := PV_FAC :=1.000000e+000 PV_OFF :=0.000000e+000 LMN_FAC :=1.000000e+000 LMN_OFF :=0.000000e+000 I_ITLVAL:= DISV := LMN := LMN_PER :=PQW256 QLMN_HLM:= QLMN_LLM:= LMN_P

30、 := LMN_I := LMN_D := PV := ER := NOP 0 CALL "CONT_C" , DB42 COM_RST := MAN_ON := PVPER_ON:=FALSE P_SEL := I_SEL := INT_HOLD:= I_ITL_ON:= D_SEL := CYCLE := SP_INT := PV_IN := PV_PER := MAN := GAIN := TI := TD := TM_LAG := DEADB_W := LMN_HLM := LMN_LLM := PV_FAC :=1.000000e+000 PV_OFF :=0.0

31、00000e+000 LMN_FAC :=1.000000e+000 LMN_OFF :=0.000000e+000 I_ITLVAL:= DISV := LMN := LMN_PER :=PQW258 QLMN_HLM:= QLMN_LLM:= LMN_P := LMN_I := LMN_D := PV := ER := NOP 0 AN DB41.DBX 0.1 JNB sd6 L DB41.DBD 72 T DB41.DBD 16 JU endsd6: L DB41.DBD 16 T DB41.DBD 72 JU end4 实验内容与步骤4.1 实验准备工作本实验选择锅炉内胆水温作为被控

32、对象，实验之前先将储水箱贮足水量，将阀门F1-1、F1-2、F1-5、F1-13全开，手动调节阀门F1-3至适当开度，其余阀门关闭，启动380伏交流磁力泵，给锅炉内胆贮存一定的水量（要求至少高于液位指示玻璃管的红线位置），然后关闭阀F1-13，打开阀F1-12，为给锅炉夹套供冷水做好准备。1、接通控制系统电源，打开用作上位监控的PC机，进入后的实验主界面。2、在实验主界面中选择本实验项即“锅炉内胆水温PID控制实验”，系统进入正常的测试状态，呈现的实验界面如图4.1所示。图4.1 实验界面3、在上位机监控界面中点击 “手动”，并将输出值设置为一个合适的值，此操作既可拉动输出值旁边的滚动条，也可

33、直接在输出值显示框中输入。4、合上三相电源空气开关，三相电加热管通电加热，适当增加/减少输出量，使锅炉内胆的水温稳定于设定值。4.2 控制规律选择参数调节1、按本章第一节中的经验法或动态特性参数法整定调节器参数，选择PID控制规律，并按整定后的PID参数进行调节器参数设置。2、待锅炉内胆水温稳定于给定值时，将调节器切换到“自动”状态，待水温稳定后，突增（或突减）设定值的大小，使其有一个正（或负）阶跃增量的变化（即阶跃干扰，此增量不宜过大，一般为设定值的515%为宜），锅炉内胆的水温便离开原平衡状态，经过一段调节时间后，水温稳定至新的设定值。点击实验界面下边的切换按钮，观察实时曲线、历史曲线、数据报表所记录的设定值、输出值，内胆水温的响应过程曲线将如图4.2所示。图4.2 内胆水温的响应过程曲线3、适量改变控制器的PID参数，重复步骤6，观察计算机记录不同参数时系统的响应曲线。4、开始往锅炉夹套打冷水，重复步骤13，观察实验的过程曲线与前面不加