基于PLC的锅炉温度控制系统

南京化工职业技术学院毕业论文设计题目：基于PLC的锅炉温度限制系统姓名：所在系部：班级名称：学号：指导老师：2012年12月书目TOC\o"1-3"\h\u14533书目 I25212摘要 III18256第一章绪论 111781.1课题背景及探讨目的和意义 152091.2国内外探讨现状 1116341.3项目探讨内容 227542其次章PLC和组态软件基础 4116632.1可编程限制器基础 4267262.1.1可编程限制器的产生和应用 450672.1.2可编程限制器的组成 49038可编程限制器的工作原理 539412.1.4可编程限制器的分类及特点 6195052.2组态软件的基础 7245202.2.1组态的定义 780652.2.2组态王软件的特点 810123第三章PLC限制系统的硬件设计 9219473.1PLC限制系统设计的基本原则和步骤 9257153.1.1PLC限制系统设计的基本原则 9265953.1.2PLC限制系统设计的一般步骤 972913.1.3PLC程序设计的一般步骤 1063763.2PLC的选型和硬件配置 1141463.2.1PLC型号的选择 11294573.2.2S7-200CPU的选择 1112613.2.3EM235模拟量输入/输出模块 1186723.2.4热电式传感器 1234853.2.5可控硅加热装置简介 1251433.3系统整体设计方案和电气连接图 12121073.4PLC限制器的设计 14283423.4.1限制系统数学模型的建立 14262533.4.2PID限制及参数整定 15248854.1PLC程序设计的方法 17321024.2编程软件STEP7--Micro/WIN概述 18113364.2.1STEP7--Micro/WIN简洁介绍 18239254.2.2计算机与PLC的通信 19306914.3程序设计 20103434.3.3限制程序及分析 2714950第五章组态画面的设计 33289185.1新建项目 33169145.2组态画面创建 372645.2.1新建主画面 37151585.2.2新建PID参数设定窗口 38157895.2.3新建数据报表 3883735.2.4新建实时曲线 3945.2.5新建历史曲线 39127585.2.6新建报警窗口 4012880第六章系统测试 4180646.1启动组态王 41150516.2实时曲线视察 42297646.3分析历史趋势曲线 42189376.4查看数据报表 4456156.5系统稳定性测试 454219致谢 4629819参考文献 47摘要从上世纪80年头至90年头中期，PLC得到了快速的发展，在这时期，PLC在处理模拟量实力、数字运算实力、人机接口实力和网络实力得到大幅度提高，PLC渐渐进入过程限制领域，在某些应用上取代了在过程限制领域处于统治地位的DCS系统。PLC具有通用性强、运用便利、适应面广、牢靠性高、抗干扰实力强、编程简洁等特点。PLC在工业自动化限制特殊是依次限制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。本文介绍了以锅炉为被控对象，以锅炉出口水温为主被控参数，以炉膛内水温为副被控参数，以加热炉电阻丝电压为限制参数，以PLC为限制器，构成锅炉温度串级限制系统；采纳PID算法，运用PLC梯形图编程语言进行编程，实现锅炉温度的自动限制。电热锅炉的应用领域相当广泛，在相当多的领域里，电热锅炉的性能优劣确定了产品的质量好坏。目前电热锅炉的限制系统大都采纳以微处理器为核心的计算机限制技术，既提高设备的自动化程度又提高设备的限制精度。

本文分别就电热锅炉的限制系统工作原理，温度变送器的选型、PLC配置、组态软件程序设计等几方面进行阐述。通过改造电热锅炉的限制系统具有响应快、稳定性好、牢靠性高，限制精度好等特点，对工业限制有现实意义。关键词：电热锅炉的限制系统温度限制串级限制PLCPID第一章绪论1.1课题背景及探讨目的和意义电热锅炉的应用领域相当广泛，电热锅炉的性能优劣确定了产品的质量好坏。目前电热锅炉的限制系统大都采纳以微处理器为核心的计算机限制技术，既提高设备的自动化程度又提高设备的限制精度。PLC的快速发展发生在上世纪80年头至90年头中期。在这时期，PLC在处理模拟量实力、数字运算实力、人机接口实力和网络实力得到了很大的提高和发展。PLC渐渐进入过程限制领域，在某些应用上取代了在过程限制领域处于统治地位的DCS系统。PLC具有通用性强、运用便利、适应面广、牢靠性高、抗干扰实力强、编程简洁等特点。电热锅炉是机电一体化的产品，可将电能干脆转化成热能，具有效率高，体积小，无污染，运行平安牢靠，供热稳定，自动化程度高的优点，是志向的节能环保的供暖设备。加上目前人们的环保意识的提高，电热锅炉越来越受人们的重视，在工业生产和民用生活用水中应用越来越普及。电热锅炉目前主要用于供温煦供应生活用水。主要是限制水的温度，保证恒温供水。

PID限制是迄今为止最通用的限制方法之一。因为其牢靠性高、算法简洁、鲁棒性好，所以被广泛应用于过程限制中，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性系统。PID限制的效果完全取决于其四个参数，即采样周期ts、比例系数Kp、积分系数Ki、微分系数Kd。因而，PID参数的整定与优化始终是自动限制领域探讨的重要课题。PID在工业过程限制中的应用已有近百年的历史，在此期间虽然有很多限制算法问世，但由于PID算法以它自身的特点，再加上人们在长期运用中积累了丰富阅历，使之在工业限制中得到广泛应用。在PID算法中，针对P、I、D三个参数的整定和优化的问题成为关键问题。[5]1.2国内外探讨现状自70年头以来，由于工业过程限制的须要，特殊是微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动限制理论和设计方法发展的推动下，国内外温度限制系统的发展快速，并在智能化，自适应、参数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、性能优异的温度限制器及仪器仪表，并在各行各业广泛应用。它们主要有以下特点：1.适应于大惯性、大滞后等困难的温度限制体统的限制。2.能适应于受控系统数学模型难以建立的温度限制系统的限制。3.能适用于受控系统过程困难、参数时变的温度限制系统的限制。4.这些温度限制系统普遍采纳自适应限制、自校正限制、模糊限制、人工智能等理论及计算机技术，运用先进的算法，适应范围广泛。5.温度限制器普遍具有参数整定功能。借助于计算机软件技术，温度限制器具有对限制参数及特性进行自整定的功能。有的还具有自学习功能。6.温度限制系统既有限制精度高、抗干扰实力强、鲁棒性好的特点。目前，国外温度限制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方向发展。随温度限制系统在国内各行各业的应用虽然应用很广泛，但从国内生产的温度限制器来讲，总体发展水平仍旧不高，同日本、美国、德国等先进国家相比仍旧有着较大的差距。目前，我国在这方面总体水平处于20世纪80年头中后期的水平，成熟产品主要以“点位”限制及常规的PID限制器为主，它只能适用于一般的温度系统的限制，难以限制滞后、困难、时变温度系统限制。能适应于较高的限制场合的智能化、自适应限制仪表，国内还不非常成熟。随着科学技术的不断发展，人们对温度限制系统的要求越来越高，因此，高精度、智能化、人性化的温度限制系统是国内外必定发展的趋势。1.3项目探讨内容以锅炉为被控对象，以锅炉出口水温为主被控参数，以炉膛内水温为副被控参数，以加热炉电阻丝电压为限制参数，以PLC为限制器，构成锅炉温度串级限制系统；采纳PID算法，运用PLC梯形图编程语言进行编程，实现锅炉温度的自动限制。PLC技术在温度监控系统上的应用从整体上分析和探讨了限制系统的硬件配置、电路图的设计、程序设计，限制对象数学模型的建立、限制算法的选择和参数的整定、人机界面的设计等。论文通过对德国西门子公司的S7-200系列PLC限制器，温度传感器将检测到的实际炉温转化为电压信号，经过模拟量输入模块转换成数字信号送到PLC中进行PID调整，PID限制器输出转化为0-10mA的电流信号输入限制可控硅电压调整器或触发板变更可控硅管导通角的大小来调整输出功率。对于监控画面，利用亚控公司的组态软件“组态王“串级系统是由调整器串联起来工作，其中一个调整器的输出作为另一个调整器的给定值的系统。整个系统包括两个限制回路，主回路和副回路。副回路由副变量检测变送、副调整器、调整阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主调整器、副调整器、调整阀、副过程和主过程构成。一次扰动：作用在主被控过程上的，而不包括在副回路范围内的扰动。二次扰动：作用在副被控过程上的，即包括在副回路范围内的扰动。在串级限制系统中，由于引入了一个副回路，不仅能及早克服进入副回路的扰动，而且又能改善过程特性。副调整器具有“粗调”的作用，主调整器具有“细调”的作用，从而使其限制品质得到进一步提高。其次章PLC和组态软件基础可编程限制器是是一种工业限制计算机，简称PLC，它运用可编程序的记忆以存储指令，用来执行逻辑、依次、计时、计数、和演算等功能，并通过数字或模拟的输入输出，以限制各种机械或过程。2.1可编程限制器基础2.1.1可编程限制器的产生和应用1969年美国数字设备公司胜利研制世界第一台可编程序限制器PDP-14，并在GM公司的汽车自动装配线上首次运用并获得胜利。1971年日本从美国引进这项技术，很快研制出第一台可编程序限制器DSC-18。1973年西欧国家也研制出他们的第一台可编程限制器。我国从1974年起先研制，1977年起先工业推广应用。进入20世纪70年头，随着电子技术的发展，尤其是PLC采纳通讯微处理器之后，这种限制器功能得到更进一步增加。进入20世纪80年头，随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的迅猛发展，以16位和少数32位微处理器构成的微机化PLC，使PLC的功能增加，工作速度快，体积减小，牢靠性提高，成本下降，编程和故障检测更为敏捷，便利。目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化消遣等各个行业。2.1.2可编程限制器的组成可编程限制器的组成:PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架。1.CPUCPU是PLC的核心，它按PLC的系统程序给予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。CPU主要由运算器、限制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、限制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不行缺少的组成单元。CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们确定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着限制规模。

2.I/O模块

PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。

常用的I/O分类如下：

开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。

模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA，0-20mA）、电压型（0-10V，0-5V，-10-10V）等，按精度分，有12bit，14bit，16bit等。除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的实力，即受最大的底板或机架槽数限制。

3.编程器

编程器的作用是用来供用户进行程序的输入、编辑、调试和监视的。编程器一般分为简易型和智能型两类。简易型只能联机编程，且往往须要将梯形图转化为机器语言助记符后才能送入。而智能型编程器（又称图形编程器），不但可以连机编程，而且还可以脱机编程。操作便利且功能强大。4.电源PLC电源用于为PLC各模块的集成电路供应工作电源。同时，有的还为输入电路供应24V的工作电源。电源输入类型有：沟通电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VDC）。可编程限制器的工作原理PLC的工作方式是一个不断循环的依次扫描工作方式。每一次扫描所用的时间称为扫描周期或工作周期。CPU从第一条指令起先，按依次逐条地执行用户程序直到用户程序结束，然后返回第一条指令起先新的一轮扫描。PLC就是这样周而复始地重复上述循环扫描的。PLC工作的全过程可用图2-1所示的运行框图来表示。图2.1可编程限制器运行框图2.1.4可编程限制器的分类及特点1.小型PLC小型PLC的I/O点数一般在128点以下，其特点是体积小、结构紧凑，整个硬件融为一体，除了开关量I/O以外，还可以连接模拟量I/O以及其他各种特殊功能模块。它能执行包括逻辑运算、计时、计数、算术、运算数据处理和传送通讯联网以及各种应用指令。2.中型PLC中型PLC采纳模块化结构，其I/O点数一般在256～1024点之间，I/O的处理方式除了采纳一般PLC通用的扫描处理方式外，还能采纳干脆处理方式即在扫描用户程序的过程中干脆读输入刷新输出，它能联接各种特殊功能模块，通讯联网功能更强，指令系统更丰富，内存容量更大，扫描速度更快。3.大型PLC一般I/O点数在1024点以上的称为大型PLC，大型PLC的软硬件功能极强，具有极强的自诊断功能、通讯联网功能强，有各种通讯联网的模块可以构成三级通讯网实现工厂生产管理自动化，大型PLC还可以采纳冗余或三CPU构成表决式系统使机器的牢靠性更高2.2组态软件的基础2.2.1组态的定义组态就是用应用软件中供应的工具、方法，完成工程中某一具体任务的过程。组态软件是有专业性的，一种组态软件只能适合某种领域的应用。组态的概念最早出现在工业计算机限制中，如DCS(集散限制系统)组态，PLC梯形图组态。人机界面生成软件就叫工控组态软件。工业限制中形成的组态结果是用在实时监控的。从表面上看，组态工具的运行程序就是执行自己特定的任务。工控组态软件也供应了编程手段，一般都是内置编译系统，供应类BASIC语言，有的支持VB，现在有的组态软件甚至支持C#高级语言。在当今工控领域，一些常用的大型组态软件主要有：ABB-OptiMax，WinCC，iFix，Intouch，组态王，力控，易控，MCGS等。本设计采纳亚控的组态王软件进行组态的设计。2.2.2组态王软件的特点组态王软件具有适应性强、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限制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接限制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与限制，且在自动限制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。尤其考虑三方面问题：画面、数据、动画。通过对监控系统要求及实现功能的分析，采纳组态王对监控系统进行设计。组态软件也为试验者供应了可视化监控画面，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，便利地构成监控画面，并以动画方式显示限制设备的状态，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敏捷的组态方式、数据链接功能。第三章PLC限制系统的硬件设计本章主要从系统设计结构和硬件设计的角度，介绍该项目的PLC限制系统的设计步骤、PLC的硬件配置、外部电路设计以及PLC限制器的设计参数的整定。3.1PLC限制系统设计的基本原则和步骤3.1.1PLC限制系统设计的基本原则1.充分发挥PLC功能，最大限度地满足被控对象的限制要求。2.在满足限制要求的前提下，力求使限制系统简洁、经济、运用及修理便利。3.保证限制系统平安牢靠。4.应考虑生产的发展和工艺的改进，在选择PLC的型号、I／O点数和存储器容量等内容时，应留有适当的余量，以利于系统的调整和扩充。3.1.2PLC限制系统设计的一般步骤设计PLC应用系统时，首先是进行PLC应用系统的功能设计，即依据被控对象的功能和工艺要求，明确系统必须要做的工作和因此必备的条件。然后是进行PLC应用系统的功能分析，即通过分析系统功能，提出PLC限制系统的结构形式，限制信号的种类、数量，系统的规模、布局。最终依据系统分析的结果，具体的确定PLC的机型和系统的具体配置。PLC限制系统设计可以按以下步骤进行：1.熟识被控对象，制定限制方案分析被控对象的工艺过程及工作特点，了解被控对象机、电、液之间的协作，确定被控对象对PLC限制系统的限制要求。2.确定I／O设备依据系统的限制要求，确定用户所需的输入(如按钮、行程开关、选择开关等)和输出设备(如接触器、电磁阀、信号指示灯等)由此确定PLC的I／O点数。3.选择PLC选择时主要包括PLC机型、容量、I／O模块、电源的选择。4.安排PLC的I／O地址依据生产设备现场须要，确定限制按钮，选择开关、接触器、电磁阀、信号指示灯等各种输入输出设备的型号、规格、数量；依据所选的PLC的型号列出输入／输出设备与PLC输入输出端子的比照表，以便绘制PLC外部I／O接线图和编制程序。5.设计软件及硬件进行PLC程序设计，进行限制柜（台）等硬件的设计及现场施工。由于程序与硬件设计可同时进行，因此，PLC限制系统的设计周期可大大缩短，而对于继电器系统必需先设计出全部的电气限制线路后才能进行施工设计。6.联机调试联机调试是指将模拟调试通过的程序进行在线统调。3.1.3PLC程序设计的一般步骤1.绘制系统的功能图。2.设计梯形图程序。3.依据梯形图编写指令表程序。4.对程序进行模拟调试及修改，直到满足限制要求为止。调试过程中，可采纳分段调试的方法，并利用编程器的监控功能。PLC限制系统的设计步骤可参考图3-1：图3-1PLC限制系统的设计步骤3.2PLC的选型和硬件配置3.2.1PLC型号的选择本温度限制系统采纳德国西门子S7-200PLC。S7-200是一种小型的可编程序限制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及限制的自动化。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困难限制功能。因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。3.2.2S7-200CPU的选择S7-200系列的PLC有CPU221、CPU222、CPU224、CPU226等类型。此系统选用的S7-200CPU226，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。13K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限制器。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实力。I/O端子排可很简洁地整体拆卸。3.2.3EM235模拟量输入/输出模块在温度限制系统中，传感器将检测到的温度转换成4-20mA的电流信号，系统须要配置模拟量的输入模块把电流信号转换成数字信号再送入PLC中进行处理。在这里我们选择西门子的EM235模拟量输入/输出模块。EM235模块具有4路模拟量输入/一路模拟量的输出。它允许S7-200连接微小的模拟量信号，±80mV范围。用户必需用DIP开关来选择热电偶的类型，断线检查，测量单位，冷端补偿和开路故障方向：SW1～SW3用于选择热电偶的类型，SW4没有运用，SW5用于选择断线检测方向，SW6用于选择是否进行断线检测，SW7用于选择测量方向，SW8用于选择是否进行冷端补偿。全部连到模块上的热电偶必需是相同类型。3.2.4热电式传感器热电式传感器是一种将温度变更转化为电量变更的装置。在各种热电式传感器中，以将温度量转换为电势和电阻的方法最为普遍。其中最为常用于测量温度的是热电偶和热电阻，热电偶是将温度转化为电势变更，而热电阻是将温度变更转化为电阻的变更。这两种热电式传感器目前在工业生产中被广泛应用。该系统须要的传感器是将温度转化为电流，且水温最高是100℃，所以选择Pt100铂热电阻传感器。P100铂热电阻，简称为：PT100铂电阻，其阻值会随着温度的变更而变更。PT后的100即表示它在0℃时阻值为100欧姆，在100℃时它的阻值约为138.5欧姆。它的工作原理：当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆，它的的阻值会随着温度上升它的阻值成匀速增长[3]。3.2.5可控硅加热装置简介对于要求保持恒温限制而不要温度记录的电阻炉采纳带PID调整的数字式温度显示调整仪显示和调整温度，输出0～10mA作为直流信号输入限制可控硅电压调整器或触发板变更可控硅管导通角的大小来调整输出功率，完全可以满足要求，投入成本低，操作便利直观并且简洁维护。温度测量与限制是热电偶采集信号通过PID温度调整器测量和输出0～10mA或4～20mA限制触发板限制可控硅导通角的大小，从而限制主回路加热元件电流大小，使电阻炉保持在设定的温度工作状态。可控硅温度限制器由主回路和限制回路组成。主回路是由可控硅，过电流爱护快速熔断器、过电压爱护RC和电阻炉的加热元件等部分组成。3.3系统整体设计方案和电气连接图系统选用了PLCCPU226为限制器，PT100型热电阻将检测到的实际锅炉水温转化为电流信号，经过EM231模拟量输入模块转化成数字量信号并送到PLC中进行PID调整，PID限制器输出转化为0～10mA的电流信号输入限制可控硅电压调整器或触发板变更可控硅管导通角的大小来调整输出功率，从而调整电热丝的加热。PLC和组态王连接，实现了系统的实时监控。整体设计方案如图3-3：EM235锅炉PT100PLEM235锅炉PT100PLC计算机图3-3整体设计方案系统硬件连线图如图3-4：图3.4系统硬件连线图3.4PLC限制器的设计限制器的设计是整个限制系统设计中最重要的一步。首先要依据受控对象的数学模型和它的各特性以及设计要求，确定限制器的结构以及和受控对象的连接方式。最终依据所要求的性能指标确定限制器的参数值。3.4.1限制系统数学模型的建立在本限制系统中，TT1(出口温度传感器)将检测到的出口水温度信号转化为电流信号送入EM235模块的A路，TT2(炉膛温度传感器)将检测到的出口水温度信号转化为电流信号送入EM235模块的B路。两路模拟信号经过EM235转化为数字信号送入PLC，PLC再通过PID模块进行PID调整限制。具体流程在第四章程序编写的时候具体论述。由PLC的串级限制系统框图如图3-5：如图3-5串级限制系统框图3.4.2PID限制及参数整定1.PID限制器的组成PID限制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其数学表达式为：公式（3-1）（1）比例系数KC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。Ｋc偏大，振荡次数加多，调整时间加长。Ｋc太大时，系统会趋于不稳定。Ｋc太小，又会使系统的动作缓慢。Ｋc可以选负数，这主要是由执行机构、传感器以限制对象的特性确定的。假如Ｋc的符号选择不当对象状态(pv值)就会离限制目标的状态(sv值)越来越远，假如出现这样的状况Ｋc的符号就肯定要取反。

积分限制Ｔi对系统性能的影响：

（2）积分作用使系统的稳定性下降，Ｔi小（积分作用强）会使系统不稳定，但能消退稳态误差，提高系统的限制精度。

（3）微分限制Ｔd对系统性能的影响：

微分作用可以改善动态特性，Ｔd偏大时，超调量较大，调整时间较短。Ｔd偏小时，超调量也较大，调整时间也较长。只有Ｔd合适，才能使超调量较小，减短调整时间。2.主、副回路限制规律的选择采纳串级限制，所以有主副调整器之分。主调整器起定值限制作用，副调整器起随动限制作用，这是选择规律的基本动身点。主参数是工艺操作的重要指标，允许波动的范围较小，一般要求无余差，因此，主调整器一般选PI或PID限制，副参数的设置是为了保证主参数的限制质量，可允许在肯定范围内变更，允许有余差，因此副调整器只要选P限制规律就可以。在本限制系统中，我们将锅炉出口水温度作为主参数，炉膛温度为副参数。主限制采纳PI限制，副限制器采纳P限制。3.主、副调整器正、反作用方式的确定副调整器作用方式的确定：

首先确定调整阀，出于生产工艺平安考虑，可控硅输出电压应选用气开式，这样保证当系统出现故障使调整阀损坏而处于全关状态，防止燃料进入加热炉，确保设备平安，调整阀的Kv>0。然后确定副被控过程的K02，当调整阀开度增大，电压增大，炉膛水温度上升，所以K02>0。最终确定副调整器，为保证副回路是负反馈，各环节放大系数(即增益)乘积必需为负，所以副调整器K2<0，副调整器作用方式为反作用方式。

主调整器作用方式的确定：

炉膛水温度上升，出口水温度也上升，主被控过程K01>0。为保证主回路为负反馈，各环节放大系数乘积必需为负，所以主调整器的放大系数K1<0，主调整器作用方式为反作用方式[7]。4.采样周期的分析采样周期Ts越小，采样值就越能反应温度的变更状况。但是，Ts太小就会增加CPU的运算工作量，相邻的两次采样值几乎没什么变更，将是PID限制器输出的微分部分接近于0，所以不应使采样时间太小。，确定采样周期时，应保证被控量快速变更时，能用足够多的采样点，以保证不会因采样点过稀而丢失被采集的模拟量中的重要信息。因为本系统是温度限制系统，温度具有延迟特性的惯性环节，所以采样时间不能太短，一般是15s～20s，本系统采样17s

经过上述的分析，该温度限制系统就已经基本确定了，在系统投运之前还要进行限制器的参数整定。常用的整定方法可归纳为两大类，即理论计算整定法和工程整定法。理论计算整定法是在已知被控对象的数学模型的基础上，依据选取的质量指标，经过理论的计算（微分方程、根轨迹、频率法等），求得最佳的整定参数。这类方法比较困难，工作量大，而且用于分析法或试验测定法求得的对象数学模型只能近似的反映过程的动态特征，整定的结果精度不是很高，因此未在工程上受到广泛的应用。对于工程整定法，工程人员无需知道对象的数学模型，无需具备理论计算所学的理论学问，就可以在限制系统中干脆进行整定，因而简洁、好用，在实际工程中被广泛的应用常用的工程整定法有阅历整定法、临界比例度法、衰减曲线法、自整定法等。在这里，我们采纳阅历整定法整定限制器的参数值。整定步骤为“先比例，再积分，最终微分”。（1）整定比例限制将比例限制作用由小变到大，视察各次响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。（2）整定积分环节若在比例限制下稳态误差不能满足要求，需加入积分限制。先将步骤（1）中选择的比例系数减小为原来的50～80％，再将积分时间置一个较大值，观测响应曲线。然后减小积分时间，加大积分作用，并相应调整比例系数，反复试凑至得到较满足的响应，确定比例和积分的参数。（3）整定微分环节若经过步骤（2），PI限制只能消退稳态误差，而动态过程不能令人满足，则应加入微分限制，构成PID限制。先置微分时间TD=0，渐渐加大TD，同时相应地变更比例系数和积分时间，反复试凑至获得满足的限制效果和PID限制参数。第四章PLC限制系统的软件设计PLC限制系统的设计主要包括硬件设计和软件设计两部分本在硬件基础上，具体介绍本项目的软件设计，主要包括软件设计的基本步骤、方法、编程软件STEP7-Micro/WIN的介绍以及本项目的程序设计。4.1PLC程序设计的方法PLC程序设计常用的方法：主要有阅历设计法、继电器限制电路转换为梯形图法、依次限制设计法、逻辑设计法等。1.阅历设计法：阅历设计法即在一些典型的限制电路程序的基础上，依据被限制对象的具体要求，进行选择组合，并多次反复调试和修改梯形图，有时需增加一些协助触点和中间编程环节，才能达到限制要求。这种方法没有规律可遵循，设计所用的时间和设计质量与设计者的阅历有很大的关系，故称为阅历设计法。2.继电器限制电路转换为梯形图法：用PLC的外部硬件接线和梯形图软件来实现继电器限制系统的功能。3.依次限制设计法：依据功能流程图，以步为核心，从起始步起先一步一步地设计下去，直至完成。此法的关键是画出功能流程图。4.逻辑设计法：通过中间量把输入和输出联系起来。事实上就找到输出和输入的关系，完成设计任务。4.2编程软件STEP7--Micro/WIN概述STEP7-Micro/WIN编程软件是基于Windows的应用软件，由西门子公司专为S7-200系列可编程限制器设计开发，它功能强大，主要为用户开发限制程序运用，同时也可以实时监控用户程序的执行状态。4.2.1STEP7--Micro/WIN简洁介绍以STEP7-Micro/WIN创建程序，为接通STEP7-Micro/WIN，可双击STEP7-Micro/WIN的图标，如图4-1所示，STEP7-Micro/WIN项目窗口将供应用于创建程序的工作空间。阅读条给出了多组按钮，用于访问STEP7--Micro/WIN的不同编程特性。指令树将显示用于创建限制程序的全部项目对象指令。程序编辑器包括程序逻辑和局部变量表，可在其中安排临时局部变量的符号名。子程序和中断程序在程序编辑器窗口的的底部按标签显示。本项目中我们利用STEP7--Micro/WINV4.0SP5编程软件，其界面如图4-1所示。项目包括的基本组件：程序块、数据块、系统块、符号表、状态表、交叉引用表。图4-1STEP7--Micro/WIN项目窗口4.2.2计算机与PLC的通信在STEP7-Micro/WIN中双击指令树中的“通信”图标，或执行菜单吩咐的“查看”/“组件”/“通信”，将出现“通信”对话框，见图4-2。图4-2PLC通信窗口在将新的设置下载到S7-200之前，应设置远程站的地址，是它与S7-200的地址。双击“通信”对话框中“双击刷新”旁边的蓝色箭头组成的图标，编程软件将会自动搜索连接在网络上的S7-200，并用图标显示搜寻到的S7-200。4.3程序设计4.3.1程序设计思路PLC运行时，通过特殊继电器SM0.0产生初始化脉冲进行初始化，将温度设定值，PID参数值等存入数据寄存器，随后系统起先温度采样，采样周期是17秒，TT1(出口水温温度传感器)将采集到的出口水温度信号转换为电流信号，电流信号在通过AIW0进入PLC，作为主回路的反馈值，经过主限制器（PID0）的PI运算产生输出信号，作为副回路的给定值。TT2(炉膛水温传感器)将采集到的炉膛水温度信号转换为电流信号，电流信号在通过AIW2进入PLC，作为副回路的反馈值，经过副限制器（PID1）的P运算产生输出的信号，由AQW0输出，输出的4-20mA电流信号限制可控硅的导通角，从而限制电热丝的电压，完成对温度的限制。4.3.2PID指令向导编写PID限制程序时，首先要把过程变量（PV）转化为0.00-1.00之间的标准实数。PID运算结束之后，须要把回路输出（0.00--1.00之间的标准化实数）转换为可以送给模拟量输出模块的整数。图4-3PID初始化指令如图4-3，PV_I是模拟量输入模块供应的反馈值的地址，Setpoint_R是以百分比为单位的实数给定值（SP），Output是PID限制器的INT型的输出地址。HighAlarm和LowAlarm分别是超过上限和下限的报警信号输出，ModuleErr是模拟量模块的故障输出信号。主回路PID指令向导（1)主回路采纳0号PID回路如图4-4图4-4主回路用0号PID回路(2)设置PID参数，如图4-5：图4-5设置PID参数给定值的范围是0.0--100.0，比例增益Kc为-3.0，积分时间Ti=7min，因为主限制器采纳PI限制，所以微分时间Td=0。（3）回路输入量的极性与范围，如图4-5：图4-5输入输出量的设置(4)PID指令的参数表占用的V存储区的起始地址如图4-6：图4-6地址设置（5）向导完成，如图4-7图4-7向导完成2.副回路PID指令向导（1）副回路采纳1号PID回路，如图4-8：图4-8副回路PID回路设置（2）新建PID配置，如图4-9：图4-9PID配置新建（3）设置PID参数，如图4-10图4-10副回路PID设置因为副回路主要起到“粗调”、“快调”的作用，所以我们采纳P调整作用，比例增益Kc=-4.0，Ti无穷大，Td=0;（4）副回路输入量的极性与范围，如图4-11图4-11副回路输入输出设置（5）PID指令的参数表占用的V存储区的起始地址，如图4-12：图4-12副回路存储区设置（6）向导完成，如图4-13图4-13副回路向导完成4.3.3限制程序及分析因为由AIW0和AIW2输入的是6400--32000的数字量，所以要转换为实际的温度要进行运算，运算公式为：公式（4-1）其中，T为实际温度，D为AIWO和AIW2输入的数字量。1.PLC的内存地址安排见表4-1表4-1内存地址安排地址说明VD250锅炉出口水温度存放地址VD260炉膛水温存放地址VD270主限制器PID输出存放地址VD300目标设定温度存放地址VD304主限制器Kc存放地址VD308主限制器Ti存放地址VD312主限制器Td存放地址VD320副调整器Kc存放地址2.PID指令表见表4-2：表4-2PID指令回路表地址名称说明VD0主调整器过程变量（PVn）必需在0.0~1.0之间VD4主调整器给定值（SPn）必需在0.0~1.0之间VD8主调整器输出值（Mn）必需在0.0~1.0之间VD12主调整器增益（Kc）比例常数，可正可负VD16主调整器采样时间（Ts）单位为s，必需是正数VD20主调整器积分时间（Ti）单位为min，必需是正数VD24主调整器微分时间（Td）单位为min，必需是正数VD120副调整器过程变量（PVn）必需在0.0~1.0之间VD124副调整器给定值（SPn）必需在0.0~1.0之间VD128副调整器输出值（Mn）必需在0.0~1.0之间VD132副调整器增益（Kc）比例常数，可正可负VD136副调整器采样时间（Ts）单位为s，必需是正数VD140副调整器积分时间（Ti）单位为min，必需是正数VD144副调整器微分时间（Td）单位为min，必需是正数3.限制程序如图4-14至4-17所示：（1）主程序：图4-14限制程序1（2）主调整器程序：图4-15限制程序2图4-16限制程序3图4-17限制程序4（3）副调整器程序：图4-18限制程序5图4-19限制程序6图4-20限制程序7第五章组态画面的设计本章具体的讲解一个组态系统的建立和设计。5.1新建项目双击组态王的快捷方式，出现组态王的工程管理器窗口，双击新建按扭，依据弹出的建立向导，填写工程名称。然后打开刚建立的工程。进入组态画面的设计，如图5-1：图5-1新建工程1.新建画面进入工程管理器后，在画面右方双击“新建”，新建画面，并设置画面属性，图5-2所示：图5-2画面新建2.新建设备因为组态画面要与西门子S7-200PLC连接之后才能运用，所以要新建S7-200的连接，具体步骤如图5-3：图5-3步骤1图5-4步骤2图5-5步骤3图5-6步骤43.新建变量要实现组态王对S7-200的在线监控，就先必需建立两者之间的联系，那就须要建立两者间的数据变量。基本类型的变量可以分为“内存变量”和I/O变量两类。内存变量是组态王内部的变量，不跟被监控的设备进行交换。而I/O变量是两者之间相互交换数据的桥梁，S7-200和组态王的数据交换是双向的。如图5-7所示：图5-7新建变量目中所用到的变量见图5-8：图5-8变量表5.2组态画面创建5.2.1新建主画面如图5-9所示，高温报警用来显示当温度高于95°C的时候，等会变红闪耀，加热炉上的指示灯用来指示加热炉的加热状态。图5-9限制系统主画面5.2.2新建PID参数设定窗口如图5-10所示，PID参数设定窗口，用来设定主限制器和副限制器的PID参数值，可与PID参数的整定。图5-10PID参数设定窗口5.2.3新建数据报表数据报表是反应生产过程中的数据、状态等，并对数据进行记录的一种重要形式。数据报表有实时数据报表和历史数据报表，既能反应系统实时的运行状况，也能监测长期的系统运行状况，如图5-11所示：图5-11数据报表窗口5.2.4新建实时曲线实时趋势曲线可在工具箱中双击后在画面干脆获得。实时趋势曲线随时间变更自动卷动，可快速反应变量的新变更。如图5-12所示:图5-12实时曲线窗口5.2.5新建历史曲线历史趋势曲线可在图库管理器中得到。历史趋势曲线可以查询查询过去的状况。历史趋势曲线须要事先建立两个内存变量，分表是调整跨度和举动百分比。图5-13历史曲线窗口5.2.6新建报警窗口在工具箱中选用报警窗口工具，在面板中绘制报警窗口，添加文本等就可。如图5-14所示。由于前面已经设置了报警变量，所以当变量值超过所设置的温度85度时，那就会在报警画面中被记录。如图5-14所示:图5-14历史报警窗口其制作过程和历史报警窗口类似，不同的是，实时报警画面是要弹出来的，所以必需在新建画面的时候，把大小调好，并选择是“覆盖式”。画面的自动弹出，在事务吩咐语言中，输入showpicture("实时报警窗口");\\本站点\$新报警=0;，这样每次新报警有产生