锅炉水温与流量串级S7200控制系统设计(共13页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上 物理与电气工程学院 过程控制系统课程设计题目：锅炉水温与流量串级S7200控制系统设计 姓 名： 赵娟（） 伍振（） 张晓林（） 班 级： 10自动化1班 指导老师： 杨伟 设计时间： 2012年6月16 专心-专注-专业 摘要本文介绍了以锅炉为被控对象，以锅炉出口温度为主被控参数，以炉内水温为副被控参数，以加热炉电阻丝电压为控制参数，以PLC为控制器，构成锅炉温度串级控制系统；采用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控制。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决定了产品的质量好坏。目前电热锅炉的控制系统大都采用

2、以微处理器为核心的计算机控制技术，既提高设备的自动化程度又提高设备的控制精度。本文分别就电热锅炉的控制系统工作原理，温度变送器的选型、PLC配置等几个方面阐述。通过改造电热锅炉的控制系统具有响应快、稳定性好、可靠性高、控制精度好等特点，对工业控制有现实意义。关键字：锅炉控制系统 温度控制 串级控制 PLC PID 目录 一、 引言.4二、 PLC相关步骤.41、PLC控制系统设计的一般步骤.4 2、PLC程序设计的一般步骤.5三、 PLC的选型和硬件配置.61、PLC型号的选择.62、S7-200 CPU的选择.63、EM235模拟量输入/输出模块.64、热电式传感器.65、可控硅加热装置简介

3、.7四、 系统整体设计方案和电气连接图.7五、 控制系统数学模型.8六、 PID控制及参数整定.91、PID控制器的组成.92、主、副回路控制规律的选择.103、主、副调节器正、反作用方式的确定.104、采样周期的分析.10七、 程序设计思路.11八、 控制系统的仿真.121、simulink 控制系统仿真.122、控制系统仿真响应曲线.12九、 结论.13十、参考文献.13 一、引言 电热锅炉是机电一体化的产品，可将电能直接转化成热能，具有效率高，体积小，无污染，运行安全可靠，供热稳定，自动化程度高的优点，是理想的节能环保的供热设备。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，

4、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暖和提供生活用水。主要是控制水的温度，保证恒温供水。PID控制是迄今为止最通用的控制方法之一。因为其可靠性高、算法简单，所以被广泛应用于过程控制中，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性关系。PID控制的效果完全取决于其四个参数，即采样周期、比例系数、积分系数、微分系数。因而，PID参数的整定与优化一直是自动控制领域研究的重要课题。PID在工业过程控制中的应用已有近百年的历史，在此期间虽然有许多控制算法问世，但由于PID算法以它自身的特点，再加上人们在长期使用中积累了丰富的经验，使之在工业控制中得到广泛应用。在PID算法中，针对P、

5、I、D三个参数的整定和优化的问题成为关键问题。串级系统是调节器串联起来工作的，其中一个调节器的输出作为另外一个调节器的给定值的系统。整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀、和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、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。在串级控制系统中，由于引入一个副回路，不仅能及早克服进入副回路的扰动，而且又能过程特性。副调节器具有“粗调”的作用，主调节器具有“细调”的作用，从而使其控制品质得到进一步提高。

6、 二、 PLC相关步骤1、 PLC控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，即根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控制系统的结构形式，控制信号的种类、数量，系统的规模、布局。最后根据系统分析的结果，具体的确定PLC的机型和系统的具体配置。PLC控制系统设计可以按以下步骤进行：（1）.熟悉被控对象，制定控制方案 分析被控对象的工艺过程及工作特点，了解被控对象机、电、液之间的配合，确定被控对象对 PLC控制系统的控制要求。（2）确定IO设备 根据系统的控制要求

7、，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IO点数。（3）选择PLC 选择时主要包括PLC机型、容量、IO模块、电源的选择。（4）分配PLC的IO地址 根据生产设备现场需要，确定控制按钮，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；根据所选的PLC的型号列出输入输出设备与PLC输入输出端子的对照表，以便绘制PLC外部IO接线图和编制程序。（5）设计软件及硬件进行PLC程序设计，进行控制柜（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控制系统的设计周期可大大缩短，而对于继

8、电器系统必须先设计出全部的电气控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。2、PLC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）根据梯形图编写指令表程序。（4）对程序进行模拟调试及修改，直到满足控制要求为止。调试过程中，可采用分段调试的方法，并利用编程器的监控功能。PLC控制系统的设计步骤可参考图 1： 图 1： PLC控制系统的设计步骤 三、PLC的选型和硬件配置1、 PLC型号的选择本温度控制系统采用德国西门子S7-200 PLC。S7-200 是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的

9、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复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。2、 S7-200 CPU的选择S7-200 系列的PLC有CPU221、CPU222、CPU224、CPU226等类型。此系统选用的S7-200 CPU226,CPU 226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控制器。2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、

10、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。3、 EM235 模拟量输入/输出模块在温度控制系统中，传感器将检测到的温度转换成4-20mA的电流信号，系统需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。用户必须用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：SW1SW3用于选择热电偶的类型，SW4没有使用，SW5用于选择断线检测方向，SW6用于选择是否进行断线

11、检测，SW7用于选择测量方向，SW8用于选择是否进行冷端补偿。所有连到模块上的热电偶必须是相同类型。4、 热电式传感器热电式传感器是一种将温度变化转化为电量变化的装置。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化，而热电阻是将温度变化转化为电阻的变化。这两种热电式传感器目前在工业生产中被广泛应用。该系统需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化而改变。PT后的100即表示它在0时阻值为100欧姆，

12、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。 5、 可控硅加热装置简介对于要求保持恒温控制而不要温度记录的电阻炉采用带的显示和，输出010mA作为直流信号输入控制可控硅电压调整器或触发板改变可控硅管导通角的大小来调节输出功率，完全可以满足要求，投入成本低，操作方便直观并且容易维护。温度测量与控制是采集信号通过测量和输出010mA或420mA控制触发板控制可控硅导通角的大小，从而控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。由主回路和控制回路组成。主回路是由可控硅，过电流保护快

13、速熔断器、过电压保护RC和电阻炉的加热元件等部分组成。 四、系统整体设计方案和电气连接图系统选用了PLC CPU 226为控制器，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调节，PID控制器输出转化为010mA的电流信号输入控制可控硅电压调整器或触发板改变可控硅管导通角的大小来调节输出功率，从而调节电热丝的加热。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2: 图 2 ： 整体设计方案图 3： 系统硬件连线图 PLC控制器的设计控制器的设计是整个控制系统设计中最重要的一步。首先要根据受控对象的数学模

14、型和它的各特性以及设计要求，确定控制器的结构以及和受控对象的连接方式。最后根据所要求的性能指标确定控制器的参数值。 五、控制系统数学模型的建立在本控制系统中，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调节控制。具体流程在第四章程序编写的时候具体论述。由PLC的串级控制系统框图如图 4： 图4被控对象实物图建模如图5： 图5 六、 PID控制及参数整定 1.PID控制器的组成PID

15、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： 公式（3-1）Error! No bookmark name given.(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。c偏大，振荡次数加多，调节时间加长。c太大时，系统会趋于不稳定。c太小，又会使系统的动作缓慢。c可以选负数，这主要是由执行机构、传感器以控制对象的特性决定的。如果c的符号选择不当对象状态(pv值)就会离控制目标的状态(sv值)越来越远，如果出现这样的情况c的符号就一定要取反。 Error! No bookmark name given.(2) 积分控制

16、i对系统性能的影响：积分作用使系统的稳定性下降，i小（积分作用强）会使系统不稳定，但能消除稳态误差，提高系统的控制精度。 Error! No bookmark name given.(3) 微分控制d对系统性能的影响：微分作用可以改善动态特性，d偏大时，超调量较大，调节时间较短。d偏小时，超调量也较大，调节时间也较长。只有d合适，才能使超调量较小，减短调节时间。 2.主、副回路控制规律的选择 采用串级控制，所以有主副调节器之分。主调节器起定值控制作用，副调节器起随动控制作用，这是选择规律的基本出发点。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，主调节器一般选PI或PI

17、D控制，副参数的设置是为了保证主参数的控制质量，可允许在一定范围内变化，允许有余差，因此副调节器只要选P控制规律就可以。在本控制系统中，我们将锅炉出口水温度作为主参数，炉膛温度为副参数。主控制采用PI控制，副控制器采用P控制。3.主、副调节器正、反作用方式的确定副调节器作用方式的确定： 首先确定调节阀，出于生产工艺安全考虑，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节阀损坏而处于全关状态，防止燃料进入加热炉，确保设备安全，调节阀的 Kv 0 。然后确定副被控过程的K02，当调节阀开度增大，电压增大，炉膛水温度上升，所以 K02 0 。最后确定副调节器，为保证副回路是负反馈，各环节放

18、大系数(即增益)乘积必须为负，所以副调节器 K 2 0。为保证主回路为负反馈，各环节放大系数乘积必须为负，所以主调节器的放大系数 K1 0，主调节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化情况。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化，将是PID控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，应保证被控量迅速变化时，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。因为本系统是温度控制系统，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15s20s，本系统采

19、样17s 经过上述的分析，该温度控制系统就已经基本确定了，在系统投运之前还要进行控制器的参数整定。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，根据选取的质量指标，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。这类方法比较复杂，工作量大，而且用于分析法或实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知识，就可以在控制系统中直接进行整定，因而简单、实用，在实际工程中被广泛

20、的应用常用的工程整定法有经验整定法、临界比例度法、衰减曲线法、自整定法等。在这里，我们采用经验整定法整定控制器的参数值。整定步骤为“先比例，再积分，最后微分”。（1）整定比例控制 将比例控制作用由小变到大，观察各次响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。（2）整定积分环节 若在比例控制下稳态误差不能满足要求，需加入积分控制。先将步骤（1）中选择的比例系数减小为原来的5080，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意的响应，确定比例和积分的参数。（3）整定微分环节若经过步骤（2），PI控制只能消除稳态误差，而动态过程不能令人

21、满意，则应加入微分控制，构成PID控制。先置微分时间TD=0，逐渐加大TD，同时相应地改变比例系数和积分时间，反复试凑至获得满意的控制效果和PID控制参数。 七、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，随后系统开始温度采样，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，经过主控制器（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

22、入PLC，作为副回路的反馈值，经过副控制器（PID1）的P运算产生输出的信号,由AQW0输出，输出的4-20mA电流信号控制可控硅的导通角，从而控制电热丝的电压，完成对温度的控制。 八、控制系统的仿真 1、simulink控制系统仿真：2、控制系统仿真响应曲线： 九、结论 此论文主要运用了西门子S7200PLC设计了锅炉水温与流量串级控制系统。系统采用了串级PID控制，通过主调节器和副调节器达到粗调和细调目的，得到了一个反应较迅速，控制精度较高的温度控制系统。当然，此控制系统还有很多不足的地方。比如，系统的适用范围不够广，因为是利用散热来降温的，所以与外界温度环境密切相关，如果加上冷却系统的话或许会比较好控制，在不同的温度环境下控制精度和控制能力是不同的。参考文献1.计算机控制技术 于海生 机械工业出版社。2007.5（2009.6重印）。2.PLC编程及应用 廖常初 机械工业出版社。2005.5（2007.7重印）。3.电子技术基础. 模拟部分 第五版.主编 康华光 高等教育出版社4.电子技术基础实验与综合实践教程 施金鸿 桂金莲 陈光明 著5 .电子制作天地网站 网址 6.电子进修网 网址