朱　超　沈　璇　黃少華

(昌吉學(xué)院物理系，新疆831100)

?

基于西門子PLC鍋爐控制系統(tǒng)的研究

朱超沈璇黃少華

(昌吉學(xué)院物理系，新疆831100)

采用西門子S7-200PLC為核心控制器，采用全新的電加熱鍋爐溫度串級(jí)控制系統(tǒng),同時(shí)運(yùn)用PID算法進(jìn)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)優(yōu)化運(yùn)算，采用梯形圖程序設(shè)計(jì)完成了鍋爐溫度的優(yōu)化控制。

數(shù)字信號(hào)；串級(jí)控制系統(tǒng)；PLC；PID

PLC控制技術(shù)把計(jì)算機(jī)技術(shù)與繼電器控制技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來,以其獨(dú)特的高性能、運(yùn)用方便、編程簡(jiǎn)單、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)在當(dāng)今工程實(shí)踐上得到了廣泛的應(yīng)用[1]。在當(dāng)今時(shí)代PLC仍然在高速發(fā)展,它的性能更加穩(wěn)定可靠，并且在人機(jī)智能接口與處理器的運(yùn)算能力方面都有很大的提高，同時(shí)PLC也從USB技術(shù)中受益匪淺，使用互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程編程、修改及監(jiān)控設(shè)備整體運(yùn)行更加簡(jiǎn)單快捷。PID控制簡(jiǎn)單、方便、快捷，但它的質(zhì)量效果取決于三個(gè)系數(shù),即比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)[2]，因此PID參數(shù)的整定與優(yōu)化是當(dāng)今工控領(lǐng)域研究的主要問題之一。

1　鍋爐控制系統(tǒng)的研究

1.1PID控制系統(tǒng)基本概述

PID控制系統(tǒng)為比例積分微分控制系統(tǒng)，目前在控制領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，由于其具有眾多優(yōu)勢(shì)，因此占有較高的地位。PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

比例控制(P)：偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，快速減少偏差，具有快速性[3]。

積分作用(I)：用于消除偏差，提高系統(tǒng)的控制精度。其強(qiáng)度取決于積分時(shí)間常數(shù)，時(shí)間常數(shù)越大，積分作用越弱，反之越強(qiáng)[3]。

圖1　PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Figure 1　Structure diagram of PID control system

微分作用(D)：能反映偏差信號(hào)的變化速率，能在偏差信號(hào)變化之前引入一個(gè)早期修正值而加快系統(tǒng)的響應(yīng)，減少調(diào)節(jié)時(shí)間，具有預(yù)測(cè)功能[3]。

PID控制算法公式為：

(1)

式中，u(t)為控制器輸出；e(t)為控制器輸入；Kp為控制器的比例系數(shù)；Ti為控制器的積分時(shí)間；Td為控制器的微分時(shí)間。

在PID調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律中最重要的參數(shù)是比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)，對(duì)這三個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整并選擇合適的參數(shù)值，就可以獲得良好的調(diào)節(jié)效果[4]。

1.2仿真組態(tài)

模擬仿真技術(shù)的高速發(fā)展，不僅可以為工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的研發(fā)節(jié)省不小的開支，同時(shí)還能在很短的時(shí)間內(nèi)為用戶提供方便快捷的系統(tǒng)設(shè)計(jì)畫面——組態(tài)畫面。通過組態(tài)創(chuàng)建可以清晰地看見整個(gè)程序的運(yùn)行流程，而仿真軟件可以用來檢驗(yàn)用戶編寫程序的正確性。組態(tài)是利用軟件中已有的工具構(gòu)建一套與現(xiàn)場(chǎng)工程系統(tǒng)基本相同的系統(tǒng)，并能夠完成實(shí)際項(xiàng)目中特定任務(wù)的過程[4]。組態(tài)軟件系統(tǒng)的運(yùn)行程序就是根據(jù)實(shí)際工況利用編程語言完成或者測(cè)試某一性能的過程。當(dāng)今工控領(lǐng)域，組態(tài)軟件種類繁多，各有優(yōu)缺點(diǎn)，本系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計(jì)需要采用組態(tài)王軟件。

1.3組態(tài)王軟件應(yīng)用

組態(tài)王軟件是基于Windows操作系統(tǒng)的一種通用的工業(yè)監(jiān)控軟件，集過程控制設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)操作以及工廠資源管理于一體，將一個(gè)企業(yè)內(nèi)部的各種生產(chǎn)系統(tǒng)和應(yīng)用以及信息交流匯集在一起，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化管理[5]。用戶可以應(yīng)用此軟件設(shè)置工廠企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)生產(chǎn)層次,并且在每一個(gè)層次上都可以設(shè)置系統(tǒng)信息提取點(diǎn)，便于用戶實(shí)施網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，從而提高企業(yè)的生產(chǎn)效率、生產(chǎn)要素配置和產(chǎn)品質(zhì)量。此外用戶是可以采用組態(tài)王軟件來研發(fā)控制系統(tǒng)和管理系統(tǒng)等。

組態(tài)王軟件結(jié)構(gòu)包括：工程管理器、工程瀏覽器及運(yùn)行系統(tǒng)[5]。

1.4組態(tài)王軟件的功能

組態(tài)王軟件應(yīng)用領(lǐng)域廣闊，同時(shí)具有監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，這樣既能縮短系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)間，又能提高系統(tǒng)的質(zhì)量。組態(tài)王軟件為用戶提供了豐富而有效的快速應(yīng)用設(shè)計(jì)工具，能快速便捷地進(jìn)行圖形維護(hù)和數(shù)據(jù)采集，對(duì)研究鍋爐運(yùn)行狀態(tài)提供了有力的保障[6]。組態(tài)王軟件具有如下功能：

(1)快速便捷的應(yīng)用設(shè)計(jì)；(2)豐富的、可擴(kuò)充的圖形庫；(3)對(duì)多媒體的支持；(4)靈活便捷的變量定義和管理；(5)強(qiáng)大的控制語言；(6)采集和顯示歷史數(shù)據(jù)；(7)全新的靈活多樣、操作簡(jiǎn)單的內(nèi)嵌式報(bào)表；(8)配方管理；(9)溫控曲線控件。

1.5組態(tài)畫面的創(chuàng)建

通過組態(tài)王軟件制作鍋爐溫度控制系統(tǒng)，如圖2所示。系統(tǒng)程序運(yùn)行結(jié)果如圖3所示。

圖2　組態(tài)王溫度控制系統(tǒng)界面Figure 2　Kingview interface of temperature control system

圖3　程序運(yùn)行結(jié)果Figure 3　Results of program running

2　PLC控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

程序開始運(yùn)行,地址明細(xì)見表1,PID指令表見表2。首先觸發(fā)特殊繼電器SM0.0，使其產(chǎn)生脈沖信號(hào)進(jìn)行鍋爐初始化，同時(shí)將用戶溫度的設(shè)定值、PID參數(shù)值等存入數(shù)據(jù)寄存器，隨后通過溫度傳感器采集鍋爐出口水溫度與爐膛水溫度。PLC信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊采集到的鍋爐出口水溫度信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，經(jīng)VW408進(jìn)入PLC模塊，將此信號(hào)作為溫度控制主回路的反饋值。通過主控制器(PID0)的PID設(shè)置，使其運(yùn)算后產(chǎn)生輸出信號(hào)并存放在VW272中，將此信號(hào)作為副回路的給定值。

同時(shí)通過程序運(yùn)算公式：T=(D-6400)×100/(32000-6400),將VW408中的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成可以顯示的出口水實(shí)際溫度存放在VD254中。爐膛水溫傳感器傳回的爐膛水溫度信號(hào)再經(jīng)PLC信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，通過VW420地址送入PLC控制模塊，以此作為副回路的反饋值，經(jīng)過副控制器(PID1)的PI程序運(yùn)算使其產(chǎn)生輸出信號(hào)，然后通過地址VW4輸出，再通過上述運(yùn)算公式將VW420中的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成可以顯示的爐膛實(shí)際水溫存放入VD264中。由VW4地址輸出的是工業(yè)可控電流信號(hào)(4～20)mA，此電流信號(hào)控制半導(dǎo)體可控硅的導(dǎo)通角，通過導(dǎo)通角的大小控制鍋爐電熱絲的電壓，從而完成對(duì)鍋爐溫度系統(tǒng)的有效控制。當(dāng)主控制器(PID0)、副控制器(PID1)運(yùn)算產(chǎn)生的輸出信號(hào)大于0.95時(shí)，將控制加熱爐的閥門關(guān)閉，停止加熱，低于0.95時(shí)閥門打開，進(jìn)行加熱。

根據(jù)設(shè)計(jì)思路用PLC梯形圖編輯程序，主程序圖如圖4所示，主調(diào)節(jié)器程序如圖5所示，副調(diào)節(jié)器程序如圖6所示。

3　串級(jí)控制系統(tǒng)

串級(jí)控制系統(tǒng)是在單回路控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上對(duì)于控制質(zhì)量不是很高的系統(tǒng)增加輔助回路或其他環(huán)節(jié)，組成比較復(fù)雜的控制系統(tǒng)。

表1　PLC內(nèi)存地址分配表Table 1　PLC memory address allocation table

圖4　主程序Figure 4　Main program

圖5　主調(diào)節(jié)器程序Figure 5　Main regulator program

串級(jí)溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。此系統(tǒng)為閉環(huán)控制系統(tǒng)，外層是定值控制系統(tǒng)，內(nèi)環(huán)是隨動(dòng)控制系統(tǒng)。副回路具有抗干擾能力，自然適應(yīng)能力也得到提高，總體提高了系統(tǒng)的工作頻率和動(dòng)態(tài)特性。

4　結(jié)論

本文在研究鍋爐控制系統(tǒng)時(shí)選取鍋爐溫度這一參數(shù)進(jìn)行控制研究，硬件設(shè)備采用西門子(S7-200)PLC，軟件部分采用組態(tài)王。在硬件、軟件相互結(jié)合的環(huán)境下進(jìn)行鍋爐溫度控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)使用先進(jìn)成熟的PID控制，通過改變PID的參數(shù)來調(diào)節(jié)鍋爐溫度的反應(yīng)速度、控制精度及穩(wěn)定性。同時(shí)通過使用組態(tài)王人機(jī)界面，認(rèn)真編輯程序，并且經(jīng)過多次程序優(yōu)化后，使整個(gè)系統(tǒng)操作更加簡(jiǎn)單方便，大大簡(jiǎn)化了研究高精度溫度控制系統(tǒng)的周期。

表2　PID指令表Table 2　PID instruction list

圖6　副調(diào)節(jié)器程序Figure 6　Secondary regulator program

圖7　串級(jí)溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Figure 7　Structure diagram of cascade　temperature control system

[1]王本琪. 基于組態(tài)王的PLC鍋爐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].山東:中國(guó)海洋大學(xué),2012.

[2]戴美紅. 基于模糊PID的直升機(jī)模型姿態(tài)控制[D].遼寧:東北大學(xué),2005.

[3]蔣保濤，周莉莉. 無人潛航器的自動(dòng)航行系統(tǒng)研究[D].遼寧：大連海事大學(xué)，2008.

[4]任福建. 天然氣門站監(jiān)控管理系統(tǒng)[D].山東:山東大學(xué),2013.

[5]陳玉香，關(guān)茜，褚超群. 恒壓供水監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)——上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)[J].商情，2010(20).

[6]梁茵. 基于組態(tài)王的佛子礦井下機(jī)車定位可視化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究[D].廣西：廣西大學(xué)，2013.

編輯陳秀娟

Research on the Boiler Control System Based on SIEMENS PLC

Zhu Chao, Shen Xuan, Huang Shaohua

SiemensS7-200PLChasbeentakenasthecorecontroller,andthenewelectricheatingboilertemperaturecascadecontrolsystemhasbeenused,andsystemdataoptimizationhasbeenperformedbyPIDalgorithm,andoptimizedcontrolofboilertemperaturehasbeenreachedbyladderdiagramprogramdesign.

digitalsignal;cascadecontrolsystem;PLC;PID

2016—04—26

朱超(1986—)，碩士，講師，研究方向?yàn)閿?shù)控技術(shù)及微機(jī)控制。

2015年自治區(qū)本科高校自治區(qū)級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目。(項(xiàng)目編號(hào)：201510997020)

TP274+.1

B