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1、基于PID的锅炉温度控制系统设计目录摘要11简介21.1课程设计背景：21.2课程设计任务：21.3课程设计基本要求：22PLC及组态软件介绍32. 2.1可一编程控制器33. 1.1可编程控制器的工作原理32. 2组态软件32. 2.1配置3的定义3. 2.2组态王软件3特点4. 2.3组态王软件仿真的基本方法43PID控制与参数整定4PlD控制器43. 2.采样周期分析54工厂建模65PLC控制系统软件设计.使用指令向导编写PID控制程序 .116配置设计147系统测试167.1启动组态土167.2实时曲线界面177.3历史曲线界面178结论18参考文献：19至：20基于PID的锅炉温度控
2、制系统设计摘要：从1980年代到1990年代中期，PLC发展迅速。在此期间，PLC的模拟量处理能力、数字运算能力、人机界面和网络能力都有了很大的提高。，PLC逐渐进入过程控制领域，在一些应用中取代了过程控制领域的主导DCS系统。PLC具有通用性强、使用方便、适应性广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等优点。PLC在工业自动化控制，尤其是顺序控制中的地位，在可预见的未来是不可替代的。介绍了以锅炉为被控对象，以锅炉出水温度为主要控制参数，加热炉电阻丝电压为控制参数，PLC为控制器组成锅炉温度控制的锅炉温度控制系统。系统;采用PID算法，采用PLC梯形图编程语言实现锅炉温度自动控制。锅炉的应用领域相
3、当广泛。在不少领域，锅炉的性能决定了产品的质量。目前锅炉的控制系统大多采用以微处理器为核心的计算机控制技术，不仅提高了设备的自动化程度，而且提高了设备的控制精度。本文从锅炉控制系统的工作原理、温度变送器的选型、PLC配置、组态软件编程等方面进行了阐述。通过改造电加热锅炉的控制系统，使其具有响应快、稳定性好、可靠性高、控制精度好的特点，对工业控制具有现实意义。关键词：电加热锅炉控制系统温控PLCPID1简介1.1 课程设计背景：根据国家的实际情况和对环保问题的考虑和要求，燃油锅炉因污染、效率低而逐渐被淘汰；油气锅炉还存在燃料供应不便、安全等问题。因此,在人口密集的住宅区、宾馆、医院和书房，电采暖
4、锅炉完全替代燃煤、燃油和燃气锅炉。1970年代以来，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飞速发展，以及自动控制理论和设计方法的发展，国外的温度控制系统发展迅速，智能化、智能化。自适应。、参数设定等，拥有日本、美国、德国、瑞典等国家的领先技术，生产了多款性能优良的商品化温度控制器和仪表，广泛应用于各行业。该锅炉采用新型加热方式，具有无污染、能量转换效率高、结构简单、安全性好、操作简单等优点，可电脑监控，全自动。使其比其他形式的锅炉更具吸引力。由于锅炉是受控对象，具有非线性、大滞后、大惯性、时变、单向温升等特点，很难通过数学方法建立准确的数学模型，因此难以使用传统的控制理论和方法
5、。达到良好的控制效果。而这也符合PlD控制的条件，所以PlD控制被广泛应用于电加热锅炉的控制中，用来替代传统的控制方式,取得了良好的控制效果。因此，锅炉温度控制系统一直是工业技术人员研究的重点和热点。1.2 课程设计任务：1、熟悉各种传感器的使用。2、熟悉锅炉控制方法。3、编写PLC软件和组态软件，完成锅炉控制过程。4、上位机监控软件可实时监控锅炉温度，监控锅炉运行过程中的温度变化曲线和电炉丝受热时的电流曲线，找到最佳的控制方式和参数控制温度。1.3 课程设计的基本要求：以锅炉为被控对象，锅炉出水温度为主控参数，炉膛水温为次控参数,加热炉电阻丝电压为控制参数，PLC为控制器组成锅炉温度串级控制
6、系统；采用PID算法，使用PLC梯形图编程语言进行编程，实现锅炉温度的自动控制。通过课程设计，学生可以掌握锅炉的控制原理，掌握通过PLC和组态软件控制锅炉的方法和过程。2PLC及组态软件介绍2.1 可编程控制器可编程控制器是一种工业控制计算机，简称PLC(ProgrammablelogicController),它利用可编程存储器存储指令来执行逻辑、时序、计时、计数、算术等功能，并通过数字或模拟输入输出到控制各种机械或生产过程。2.1.1 可编程控制器的工作原理PLC是一种连续循环顺序扫描的工作方式。每次扫描所花费的时间称为扫描周期或占空比。CPU从第一条指令开始，依次执行用户程序，直到用户程
7、序结束，然后返回第一条指令开始新一轮的扫描。这就是PLC一遍又一遍地重复上述循环扫描的方式。2.2配置软件2.2.1配置定义配置是使用应用软件中提供的工具和方法来完成项目中特定任务的过程。组态软件是专业的，一个组态软件只能应用在某个领域。组态的概念最早出现在工控机控制中，如DCS（分布式控制系统）组态、PLC梯形图组态等。人机界面生成软件称为工控组态软件Q工业控制中形成的组态结果用于实时监控。表面上看，配置工具的运行程序是为了执行自己的特定任务。工控组态软件还提供编程手段，总则都内置在编译系统中，提供类BASlC语言，有的支持VB,现在有的组态软件甚至支持高级语言。在当今工控领域，常用的大型组
8、态软件主要有：ABB-OptiMax、WinCC、iFix、Intouch、组态王、力控、EasyControlMCGS等。本设计采用组态王分控软件，进行配置设计。2.2.2组态王软件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，这样的系统可以分为三个层次结构：控制层、监控层和管理层。其中，监控层与下层控制层和上层管理层相连。它不仅实现了现场的实时监控，而且在自控系统中的上传、发布、配置开发等方面发挥着重要的作用。尤其要考虑三个方面：图片、数据、动画。通过对监控系统需求和实现功能的分析，设计了组态王监控系统。配置软件还为实验者提供了可视化的监控画面，有利于实验者
9、的实时现场监控。并且可以充分利用WindoWS的图形编辑功能，轻松形成监控画面，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，可轻松生成各种报表。它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的配置方法和数据功能。2. 2.3组态王软件仿真的基本方法(1)图形界面设计图形使用抽象图形来模拟实际的工业现场和相应的工控设备。(2)构建数据库数据就是创建一个特定的数据库，用这个数据库中的变量来描述工控对象的各种属性，如水位、流量等。(3)建立动画连接连接是屏幕上的图片元素的动画，模拟现场设备的操作，以及如何让操作者输入指令来控制设备。(4)运行调试3PID控制与参数整定3. 1oPlD控制器的组成P
10、lD控制器由比例单元(P)、积分单元(I)和微分单元(D)组成。其数学表达式为：HQ)=Kde(X)+击心Q)dt+Td；(3-1)(1)比例系数KC对系统性能的影响：比例系数的增大使系统动作灵敏，速度加快，稳态误差减小。(如果太大，振荡次数会增加，调整时间会延长。(当太大时，系统往往不稳定。如果太小，会使系统运行缓慢。(可以选择负数，主要由执行器、传感器和控制对象的特性决定。如果K,对象的符号选择不当，对象的状态就会离控制目标的状态越来越远。如果出现这种情况符号必须颠倒。积分控制7；对系统性能的影响:积分作用降低了系统的稳定性。7；小（强积分作用）会使系统不稳定，但可以消除稳态误差，提高系统
11、的控制精度。（3）,微分控制对系统性能的影响：微分作用可以改善动态特性。T,过大时，超调量越大，调整时间越短。7；如果太小，超调会更大，调整时间会更长。只有在合适的情况下，才能使超调量变小，缩短调整时间。3.2.采样周期分析采样周期越小，采样值越能反映温度变化。1但是，7；如果太小，会增加CPU的计算工作量，相邻的两个采样值几乎不会发生变化，PlD控制器输出的微分部分会接近0,所以采样时间应该不能做得太小。在确定采样周期时，应保证当被控量变化较快时，可以使用足够多的采样点，以保证采集的模拟量中的重要信息不会因采样点过少而丢失。由于本系统为温度控制系统，温度具有惯性环节，具有延时特性，因此采样时
12、间不宜太短，总则为1520秒，本系统采样时间为17秒。经过以上分析，温控系统已经基本确定，在系统投入运行前必须对控制器的参数进行调整。常用的整定方法可分为理论计算整定法和工程整定法两大类。理论计算整定方法是根据被控对象的已知数学模型，根据选定的质量指标，通过理论计算（微分方程、根轨迹、频率法等）得到最佳整定参数。这种方法比较复杂，工作量大，通过解析法或实验测量法得到的对象的数学模型只能大致反映过程的动态特性，调谐结果的准确性不高。非常高，所以在工程中没有得到广泛应用。应用程序。对于工程整定方法，工程师可以直接在控制系统中进行整定，无需了解对象的数学模型，无需理论计算的理论知识。因此简单实用，在
13、实际工程中得到广泛应用。常用工程调谐方法包括经验调谐、临界比例、衰减曲线和自调谐。在这里，我们使用经验调整方法来调整控制器的参数值。设置步骤是“先比例，后积分，最后微分”。(1)设置比例控制将比例控制效果由小变大，观察每一个响应，直到得到响应快、超调小的响应曲线。(2)设置积分链接如果在比例控制下稳态误差不能满足要求，则需要增加积分控制。首先，将步骤(1)中选择的比例系数降低到原始值的50-80%,然后将积分时间设置为较大的值，观察响应曲线。然后减少积分时间，增加积分作用，并相应调整比例系数。经过反复试错，得到满意的响应，并确定了比例和积分参数。(3)设置差分链接如果在步骤(2)之后，Pl控制
14、只能消除稳态误差，动态过程不理想，则应加入微分控制，形成PlD控制。预先设定微分时间TD=O,逐渐增大TD,并相应改变比例系数和积分时间，通过反复试错，得到满意的控制效果和PID控制参数。4受控对象的建模单个电容的加热过程如图4.1所示：图4.1单电容电加热过程的热力学过程容器内液体的总热容为C,液体的比热容为C,流体流量（流入和流出量相等）为q,液体随温度流入加热容器，流出加热7；容器用温度加热容器O（7；也是容器中液体的温度）。让容器所在的环境Wendy为（Tp7；）。在恒定环境温度小进液温度7；和流量q条件下,7；建立了电加热电压U与出液温度动态关系的数学模型。将加热容器视为一个独立的隔
15、离器，根据能量动态平衡关系，单位时间内进入容潺的热奴Qi与单位时间内流出容器的热量之Q差等于加热容器的变化率。在容器中蓄热，我们可以得到：QLQLC劣（4-1）at两部分：电加热器产生的热量和0流入的液体携带的热量：qcl,iQi=Qe+qCJi（4-2）的。,热量输出由qCpTp两部分组成：Q0=Qr+qCpTp（4-3）由热力学可知，加热容器单位时间内散发的热量与容器的散热面积（设A）、保温材料的传热系数（设皿）、容器与外界温差：Qr=AKr（Tp-Tc）f将上式代入式4-3得：Qt,=AKr（Tp-Tc）-qCpTp（4-4）加热过程工程Tp在稳态下保持不变，加热容器的热量输出Q等于外部
16、的热量输入0,即Q产2,则有：2-Q=C*=0（4-5）at如果变量相对于稳态值的变化以增量形式表示，即A7j,=q-%:=-0;Qo=Qq-QqO,由公式4-5可知：0-,0=（）o代入公式4-1可得:0AQ,=C竽(4-6)at假设q、Z和r,保持不变AQ=Q-2,。，我们可以从公式4-2获得:AQj=A(QiCJ)=AQM=AQ,(4-7)从公式4-4,我们可以得到：Q。=AKr(Tp-Tc)+qCpTp=AKr+qCp)Tp(4-8)将公式4-7和公式4-8代入公式4-6可得：AQe-(AK,+qCp)ATp=C-(4-9)电加热器的发热量与外加电压的平方成正比，因此Q与电压u呈非线性
17、关系。为了简化问题，。在工作点儿(,Q。)可表示为：)2之间的关系AQA”，代入式4-9可得：KqZATAKr+qCp)Tp=(4-10)上式可表示为:令T=CK=KqAKr+qCp,AKr+gCp丁竺+A，=K(4-11)dt对公式4-11进行拉普拉斯变换，可以得到输出液体温度与电加热器电压之间的传递函数：(4-12)5PLC控制系统软件设计5.1o编程(1)编写程序前，必须先填写PlD指令的参数表。参数表如表5.1所示。表5.1锅炉温度控制PID参数表序列号地址范围功能说明1 VDlOO2 VD1043 VD1084 VD1125 VD1166 VD1207 VD1248 VD1289 V
18、D132vn)(时时时点还D(P广Pn)n)益样Ts)分分d)前X)刨Vn-设(S输(M增采1积微(T值(M过前(P间间间数先值A/D转换后的温度归一化值0.335（最高温度为1,调整为0.335）PID回路输出值-3.01770根据PID运算结果更新上一次PID运算过程变量值编写PLC控制程序PLC控制梯形图（一）指令向导列选项。一但完成，向导将为所选配置生成程序代码.图5.1锅炉温度PLC控制梯形图(2)5.2用指令向导编写PID控制程序(1)打开指令向导并选择PlDo在菜单栏中选择“工具”，点击其子菜单“指令向导”，弹出如图5.2所示界面，选择“PID”选项,点击“下一步”按钮。S7-2
19、00指令向导可以快速简单地配置复杂的指令操作。此向导将为所需的功能提供一系以下是向导支持的指令列表.您要配置哪一个指令功能？PID配置PID指令的操作。HetrznetwHSC要开始配置选择的指令功能，语单击“下一步”.下一步I取消I图5.2硬件配置图(2)指定循环，如图5.3所示。在本例中，选择的循环为0,然后单击“下一步”。图5.3指定电路(3)设置回路参数，如图5.4所示。本例中比例系数设置为3,采样时间设置为0.5s,积分时间设置为20min,微分时间设置为0,即不使用。微分项，只需使用PI控制器，然后单击“下一步”按钮。图5.4设置循环参数(4)指定计算存储区，如图5.5所示，PID
20、指令在V存储区使用一个36字节的参数表来存储控制环运行所用的参数。PID计算还需要一个“便签本”来存储临时结果。首先单击“建议地址”，然后单击“下一步”按钮，地址将自动分配。图5.5为计算指定内存区域(5)指定子程序和中断程序，如图5.6所示，本例使用默认子程序名称，点击“下一步”按钮即可。如果项目包含活动的PlD配置，则创建的中断例程的名称设置为只读。因为项目中的所有配置共享一个公共中断例程，所以添加到项目中的任何新配置都不得更改公共中断例程的名称。PID指令向导向导将创建一个子程序，用于初始化所选PID配置.就初始化子程序应如何命名？ lll向导将为PID回路控制创建一个中由程序。此程序还
21、将执行必要的错误检查.此中断程序应如何命名？ IPlD-EXE可以选择对PID进行手动控制Il处于手动模式时，不执行PID计篁，回路给出由用户程序 控制。增加PID手动控制上一步I下一步I 取消图5.6指定子程序和中断程序(6)生成PlD代码，如图4.7所示，点击“完成”按钮，S7-200PLC指令向导将为指定的配置生成程序代码和数据块代码。向导创建的 子程序和中断程序成为项目的一部分。要在程序中启用此配置，请使 用SMO. O在每个扫描周期从主程序块调用此子程序。图5.7生成PlD代码图5.8程序6配置设计双击组态王的快捷方式，会出现组态王的项目管理器窗口，双击新建按钮，根据弹出的向导填写项
22、目名称。然后打开新创建的项目。进入设计配置界面，如图6.1所示：图6.1新项目S7-200PLC连接后才能使用，因此需要新建一个S7-200连接。具体步骤如下图6.2所示:高级查找度所选的设备生产厂家：西门子设备名称：S7-2系列通信描述：PPI设备配雷向导-生产厂家、设备名称.通讯方式设备配置向导将，扃助您完成设备的安装-S5Sris+SS系列S7-2(MPI)+S7-2(ST)+S7-2cp)-S7-200系列自由口QZI+ S7-200系列OJP)+ S7-2系列(ModbUSKTU)+ S7-2家列CUSB)I下一步()|取消图6.2新设备组态王要实现对S7-200的在线监控，需要在两
23、者之间建立连接，然后在两者之间建立数据变量。变量的基本类型可以分为两类：“存储变量”和I/O变量。存储的变量是配置王的变量，不与被监控设备交换。I/O变量是两者之间交换数据的桥梁，S7-200与组态王之间的数据交换是双向的。如图6.3和图6.4所示：图6.3新变量瑜播I/O实里30新IO设备RA00M19加剧用度I/O实里31新K）设备RADOM20力阚嵌位I/O实型32新10设备RAD0M21法VOSfS33新IO设量RADOM22峪液断关11/0实型34新10没督RADOM23液的送21/0的35新10设管CommEn液断汨I/0M36WOiSftCommEn碘菽41/0,37射Oi箱CO
24、mmErT峪原含拄例1/0前38新IOisSCommEn除指示报答灯UO硒40相0她CommEn力晦炉水中温度内存也41内科国42涅度内存实型43镇液位内存翘44力陶显示内布三散45版籍示内存S股46力度V0S47新10设备CommErr祥澧VOS48新IO设SCommErr图6.4变量表以上步骤完成，开始绘制主监控界面。主控界面实现操作人员观察仪表，实时获取锅炉液温、液位信息。在该界面添加菜单项可以查看历史系统告警，添加实时曲线，历史曲线和切换按钮可以使操作者对系统的控制更加快速准确。如图6.5所示：实时曲线：历史曲线锅炉温度控制系统主监控界面7系统测试7.1启动组态王打开组态王的项目管理器
25、，点击窗口栏中的“VIEW”或在屏幕上单击鼠标右键，选择“切换到VIEW”，启动组态王，进入主界面。此时系统会自动打开一个信息窗口，您可以通过信息窗口了解组态王的运行状态以及与PLC的连接是否成功。如果连接不成功，会出现通讯失败提示语言，必须查明原因，否则无法监控。如果提示连接设备成功，窗口会显示开始记录数据，表示系统可以开始运行。配置监控启动后，自动显示配置界面。7.2实时曲线界面实时趋势曲线的作用是动态显示锅炉液体温度和液位随系统运行的变化，让用户清楚地看到温度和液位的变化趋势，为下一次控制做出准确的决定。.如图7.2所示：实时趋势曲线曲线对应颜色设定温度实际温度图7.2实时趋势曲线7.3
26、历史曲线界面历史趋势曲线记录了锅炉液温、液位的历史变化，用户可以方便的查看历史曲线的变化。界面增加了打印按钮，可以方便的打印历史8结论锅炉是化工生产、采暖供热、炼油、发电等生产中不可缺少的设备,其应用领域相当广泛。在不少领域，锅炉的性能决定了产品的质量。目前锅炉的控制系统大多采用以微处理器为核心的计算机控制技术，不仅提高了设备的自动化程度，而且提高了设备的控制精度。本课程设计主要了解STEP7-MiCrO/WIN软件的基本编程和组态王屏幕设计，了解锅炉水温控制系统的基本原理，熟悉各种传感器的使用和锅炉控制方法。并学会了如何设计过程控制系统，掌握了基本的设计方法。通过本次课程设计，让我对过程控制
27、有了更深入的了解，把我所学的零散的过程控制系统理论知识联系起来，使我所学的过程控制系统理论知识形成了一个体系。这让我更清楚地认识到理论与实践的关系。只有理论与实践紧密结合，理论知识才能成为具有实用价值的灵活知识。认识到理论知识只有应用到实践中才能产生巨大的经济利润和社会价值，实践只有在科学正确的理论指导下才能取得成果。科学正确的理论知识是推动人类实践活动进步的有力精神武器，实践活动中检验理论正确性的唯一标准四，也是理论的源泉。理论与实践紧密相连，相互依存。当然，在这次课程设计中，我也发现了很多不足之处。比如我没有掌握所学的过程控制系统的知识和原理，知识应用不够灵活，无法从一个案例中得出推论。在以后的学习中，一定要脚踏实地、一丝不苟地学习所学的专业知识，认真学习，精益求精，为以后的学习、研究和工作打下坚实的理论基础。实践！
