计算机控制课程设计论文.

1、摘要锅炉是工业过程中不可缺少的动力设备，而水位控制是锅炉安全运行的一个重要参数，水位过高会使蒸汽带水带盐，严重的将引起整体品质下降，严重影响生产和安全；水位过低又将破坏部分水冷壁的水循环，引起水冷壁局部过热而损坏。本次课程设计的主要任务是设计一个锅炉汽包水位控制系统，建立在可编程控制器PLCS7-200的基础上进行系统设计，要求完成PLC的选型，进行I/O分配，将液位信号转化成电信号传送到PLC或计算机，利用PI或PID算法进行运算。利用计算结果调节给水电动阀阀门开度，控制锅炉水位，利用组态王完成上位机组态设计。 控制时调节时间小于10s，最大超调不大于5%。关键词：PLCS7-200 水位控

2、制 PID算法 组态王 第 1 页目录一、锅炉汽包水位控制系统21.1锅炉的工作过程简介21.2系统简介31.3单冲量控制系统31.4水位PID控制系统4二、硬件部分52.1PLC选型52.1.1西门子PLC-CPU22652.1.2模拟量模块EM23552.1.3PC-PPI电缆62.2 I/O分配62.3流程控制图62.3.4 PLC程序8三、 PID参数整定123.1PID算法简介123.2运用试凑法选定PID参数123.2 MATLAB仿真结果13四、 组态设计154.1组态王简介154.2组态王对PLC的设备组态154.3组态王定义数据变量154.4组态王界面16总结17参考文献18

3、一、锅炉汽包水位控制系统1.1锅炉的工作过程简介锅炉的任务是根据外界负荷的变化，输送一定质量(汽压、汽温)和相应数量的蒸汽。锅炉是由“锅”和“炉”两部分组成的。“锅”就是锅炉的汽水系统，如图所示。由省煤器3、汽包4、下降管8、过热器5、上升管7、给水调节阀2、给水母管1及蒸汽母管6等组成。锅炉的给水用给水泵打入省煤器，在省煤器中，水吸收烟气的热量，使温度升高到本身压力下的沸点，成为饱和水然后引入汽包。汽包中的水经下降管进入锅炉底部的下联箱，又经炉膛四周的水冷壁进入上联箱，随即又回入汽包。水在水冷壁管中吸收炉内火焰直接辐射的热，在温度不变的情况下，一部分蒸发成蒸汽，成为汽水混合物。汽水混合物在汽

4、包中分离成水和汽，水和给水一起再进入下降管参加循环，汽则由汽包顶部的管子引往过热器，蒸汽在过热器中吸热、升温达到规定温度，成为合格蒸汽送入蒸汽母管。本次设计在汽水部分，故不详细介绍火炉部分。 图1-1 锅炉的汽水系统1.2系统简介 从系统角度看，锅炉包括燃烧负荷控制系统、送引风系统、给水控制系统和辅助控制系统。其结构如图1-1：图1-2 锅炉控制系统总图 锅炉汽包水位是锅炉安全运行的一个主要参数，水位过高会使蒸汽带水带盐，严重的将引起整体品质下降，严重影响生产和安全；水位过低又将破坏部分水冷壁的水循环，引起水冷壁局部过热而损坏。对蒸汽锅炉来说，汽包水位是其正常运行的主要指标之一，是一个重要的被

5、调节参数。由于汽包水位在锅炉运行中占首要地位，所以这类锅炉的生产自动化一般是从给水自动调节开始的。1.3单冲量控制系统 单冲量水位控制系统以汽包水位作为唯一的控制信号，冲量即变量。水位测量信号经变送器送到水位调节器，调节器根据汽包水位测量值H与给定值H0的偏差，通过执行器去控制给水调节阀以改变给水量，保持汽包水位在允许的范围内。系统框图为图2.1所示。图1-3单冲量控制系统框图1.4水位PID控制系统 本次设计使用1个液位传感器，1个输入控制液体阀，1个输出控制液体阀。系统启动时，关闭出水口，用手动控制进水泵速度，使水位达到满水位的75%，然后打开出水口，同时水泵控制从手动方式切换到自动方式，

6、这种切换有一个输入的数字量控制。PID的控制工艺图如下： 图1-4 PID工艺图二、硬件部分2.1PLC选型 SIMATIC S7-200 Micro 自成一体：特别紧凑但是具有惊人的能力特别是有关它的实时性能它速度快，功能强大的通讯方案，并且具有操作简便的硬件和软件。但是还有更多特点：SIMATIC S7-200 Micro PLC具有统一的模块化设计目前不是很大，但是未来不可限量的定制解决方案。这一切都使得SIMATIC S7-200 Micro PLC在一个紧凑的性能范围内为自动化控制提供一个非常有效和经济的解决方案。强大的性能，最优模块化和开放式通讯。结构紧凑小巧狭小空间处任何应用的理

7、想选择在所有CPU型号中的基本和高级功能，大容量程序和数据存储器杰出的实时响应在任何时候均可对整个过程进行完全控制，从而提高了质量、效率和安全性易于使用STEP 7-Micro/WIN工程软件初学者和专家的理想选择集成的 R-S 485接口或者作为系统总线使用极其快速和精确的操作顺序和过程控制通过时间中断完整控制对时间要求严格的流程。S7-200系列PLC中可提供4种不同的基本型号的8种CPU供选择使用。PLC在正式运行时，不需要编程器。编程器主要用来进行用户程序的编制、存储和管理等，并将用户程序送入PLC中，在调试过程中，进行监控和故障检测。S7-200系列PLC可采用多种编程器，一般可分为

8、简易型和智能型。2.1.1西门子PLC-CPU226 本次设计采用的西门子PLC的CPU是CPU226 DC/DC/DC，CPU内部集成24输入/16输出共40个数字量I/O点，最多可连接7个扩展模块；具有PID控制器；2个RS-485通信/编程口，具有PPI通信协议、MPI通信协议、和自由方式通信协议。额定电压24VDC，最大持续允许电压30VDC。2.1.2模拟量模块EM235 因为S7-200的CPU224本身不能处理模拟信号，所以处理模拟信号时需要外加模拟量扩展模块。模拟量扩展模块EM235 有4路模拟量输入和1路模拟量输出，输入输出都可以为0-10V电压或是0-20mA电流（由DIP

9、开关设置）适用于复杂的控制场合。其内部集成有12位的A/D转换器，不用加放大器即可直接与执行器和传感器相连，数模转换时间小于250s。EM235模块能直接和PT100热电阻相连，供电电源为24V。2.1.3PC-PPI电缆 将PC/PPI电缆连接RS-232(PC)的一端连接到计算机上，另外一端连接到PLC的编程口上。它将提供PLC与计算机之间的通信，线长5m, 带内置RS-232C/RS285连接器，用于CPU 22X与PC直接连接。2.2 I/O分配表2-1 I/O口分配2.3流程控制图（1） 主程序调用模块图2-2主程序调用模块流程图（2） 主程序调用子程序图2-3调用子程序流程图（3）

10、 中断子程序模块图2-4中断子程序模块流程图2.3.4 PLC程序（1）主程序（2） 子程序部分（3） 中断程序部分程序运行： 单击水泵控制按钮，系统启动时关闭出水口，用手动控制进水泵速度，使水位达到满水位的75%，这时系统装载PID参数，和连接PID中断服务程序，装入回路设定值，VD104，回路增益VD112,回路采样时间VD118,积分时间VD120,同时设定中断0的时间（SMB34）,间隔为100ms，设定定时中断执行PID程序INT_0。关闭微分作用VD124。在中断处，将过程变量（Pv）转换成标准的实数，首先将整数转换成双整数（AIW0-AC0）,将双整数转换为实数，而后将数值标准化

11、（AC0,32000.0-AC0）,最后将标准化后的Pv存入回路表（AC0-VD100）.而I0.0代表手动到自动的切换，0代表手动，1代表自动。自动方式下将把输出值Mn，转换为16位整数，首先判断Mn是单极性且非负的数，把输出值送到累加器（VD108,32000.0-AC0）,然后标准化累加器中的值，将实数转化成双整数，再加双整数转化为整数，最后将数值写入模拟标准输出（AC0-AQW0）.3、 PID参数整定3.1PID算法简介众所周知，要使控制系统具有良好的控制性能，除了必须正确的选取、设计控制方案以外，还必须正确的选择控制算法并进行参数整定。在控制系统中，按照给定信号和反馈信号之间的偏差

12、的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制的PID控制器是应用最为广泛的一种自动控制器8。它具有原理简单、易于实现、适用面广、控制参数相互独立、参数的选定比较简单等优点；而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型对象“一阶惯性纯滞后”与“二阶惯性纯滞后”的控制对象，PID控制器是一种最优控制。PID调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法，它的参数整定方式简便，结构改变灵活，可以方便的改变为PI、PD、PID等控制器。   比例调节作用对系统性能的影响：比例系数加大，使系统的动作灵敏，速度加快，稳态误差减小；比例系数偏大，振荡次数加多，调节时间加长；系统会趋于不稳定；比

13、例系数太小，又会使系统的动作缓慢。比例系数可以选负数，这主要是由执行机构、传感器以及控制对象的特性决定的。积分调节作用对系统性能的影响：是使系统消除稳态误差。提高无差度。因为有误差积分调节就进行，直至无差积分调节停止，积分调节输出一个常值。积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti。Ti越小积分作用就越强。反之Ti大则积分作用弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。积分作用常与另外两种调节规律结合，组成PI调节器或PID调节器。微分调节作用对系统性能的影响：微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势。因此能产生超前的控制作用，可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合

14、适情况下可以减少超调，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强地加大微分调节对系统抗干扰不利。此外微分反应的是变化率，当输入没有变化时微分作用输出为零，因此微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合组成PD或PID控制器。3.2运用试凑法选定PID参数 进行PID参数整定的时，根据比例、积分和微分单元的作用和特点采用试凑法来确定参数值，参考各个参数对系统控制过程的影响趋势，对参数实行先比例、再积分、最后微分的整定顺序进行调整。过程如下：（1） 先整定比例单元，将比例系数Kp由小变大，同时观察系统的响应曲线，知道得到响应比较快、超调量较小的响应曲线。如果此时已经得到静态误差小

15、符合要求的曲线，就不在加入积分和微分部分，否则，再加入积分单元。（2） 将调好的比例系数Kp缩小为0.8倍左右，给Ti设置一个较大的值，然后逐渐减小，并观察响应曲线，直到系统静态误差消除且系统动态性能良好。若反复调节仍得不到理想曲线，再加入微分单元。（3） 将微分系数Td从0开始逐渐增大，同时适当调节比例系数Kp和积分时间Ti的值，直到得到满意曲线。图3-1锅炉汽包水位控制系统方块图图3-2PID参数3.2 MATLAB仿真结果图3-3峰值图1图3-4峰值2图3-4 稳态值2%仿真结果图4、 组态设计 本次课程设计采用组态王Kingview6.55，以下对设计内容进行详细介绍。4.1组态王简介

16、 组态王开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统，它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。组态王kingview6.55是亚控科技根据当前的自动化技术的发展趋势，面向低端自动化市场及应用，以实现企业一体化为目标开发的一套产品。该产品以搭建战略性工业应用服务平台为目标，集成了对亚控科技自主研发的工业实时数据库。 它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。尤其考虑

17、三方面问题：画面、数据、动画。通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。4.2组态王对PLC的设备组态 西门子S7-200使用串口通信，在组态王中，选择工程浏览器左侧大纲项中的“设备”COM1选项，在工程浏览器右侧双击“新建”图标，运行“设备配置向导”，以此选择“PLC”中的“西门子”、“S7-20

18、0系列”、PPI选项，当设备定义完成后，可以在工程浏览器的右侧看到新建的外部设备“S7200”，如图4-7所示。在定义数据库变量时，只要把I/O变量连接到这台设备上，它就可以和组态王交换数据了。4.3组态王定义数据变量在组态王中，锅炉汽包水位控制的数据词典如下。表4-1 把数据词典中定义的变量与组态画面的图素进行动画连接，运行控制系统，就可以实时控制锅炉过热蒸汽的温度。4.4组态王界面 最终设计完成的组态界面如下。总结本次课程设计的主要任务是设计一个锅炉汽包水位控制系统，建立在可编程控制器PLCS7-200的基础上进行系统设计，要求完成PLC的选型，进行I/O分配，将液位信号转化成电信号传送到PLC或计算机，利用PI或PID算法进行运算。利用计算结果调节给水电动阀阀门开度，控制锅炉水位，利用组态王完成上位机组态设计。 控制时调节时间小于10s，最大超调不大于5%。刚拿到题目的时候，我们觉得很难，不知道从什么地方下手，经过查找资料，先是明白了整个任务，然后进行了分工，大家各自讨论然后做自己