基于PLC的鍋爐溫度控制系統

南京化工職業技術學院畢業論文設計題目：基于PLC的鍋爐溫度限制系統姓名：所在系部：班級名稱：學號：指導老師：2012年12月書目TOC\o"1-3"\h\u14533書目 I25212摘要 III18256第一章緒論 111781.1課題背景及探討目的和意義 152091.2國內外探討現狀 1116341.3項目探討內容 227542其次章PLC和組態軟件基礎 4116632.1可編程限制器基礎 4267262.1.1可編程限制器的產生和應用 450672.1.2可編程限制器的組成 49038可編程限制器的工作原理 539412.1.4可編程限制器的分類及特點 6195052.2組態軟件的基礎 7245202.2.1組態的定義 780652.2.2組態王軟件的特點 810123第三章PLC限制系統的硬件設計 9219473.1PLC限制系統設計的基本原則和步驟 9257153.1.1PLC限制系統設計的基本原則 9265953.1.2PLC限制系統設計的一般步驟 972913.1.3PLC程序設計的一般步驟 1063763.2PLC的選型和硬件配置 1141463.2.1PLC型號的選擇 11294573.2.2S7-200CPU的選擇 1112613.2.3EM235模擬量輸入/輸出模塊 1186723.2.4熱電式傳感器 1234853.2.5可控硅加熱裝置簡介 1251433.3系統整體設計方案和電氣連接圖 12121073.4PLC限制器的設計 14283423.4.1限制系統數學模型的建立 14262533.4.2PID限制及參數整定 15248854.1PLC程序設計的方法 17321024.2編程軟件STEP7--Micro/WIN概述 18113364.2.1STEP7--Micro/WIN簡潔介紹 18239254.2.2計算機與PLC的通信 19306914.3程序設計 20103434.3.3限制程序及分析 2714950第五章組態畫面的設計 33289185.1新建項目 33169145.2組態畫面創建 372645.2.1新建主畫面 37151585.2.2新建PID參數設定窗口 38157895.2.3新建數據報表 3883735.2.4新建實時曲線 3945.2.5新建歷史曲線 39127585.2.6新建報警窗口 4012880第六章系統測試 4180646.1啟動組態王 41150516.2實時曲線視察 42297646.3分析歷史趨勢曲線 42189376.4查看數據報表 4456156.5系統穩定性測試 454219致謝 4629819參考文獻 47摘要從上世紀80年頭至90年頭中期，PLC得到了快速的發展，在這時期，PLC在處理模擬量實力、數字運算實力、人機接口實力和網絡實力得到大幅度提高，PLC漸漸進入過程限制領域，在某些應用上取代了在過程限制領域處于統治地位的DCS系統。PLC具有通用性強、運用便利、適應面廣、牢靠性高、抗干擾實力強、編程簡潔等特點。PLC在工業自動化限制特殊是依次限制中的地位，在可預見的將來，是無法取代的。本文介紹了以鍋爐為被控對象，以鍋爐出口水溫為主被控參數，以爐膛內水溫為副被控參數，以加熱爐電阻絲電壓為限制參數，以PLC為限制器，構成鍋爐溫度串級限制系統；采納PID算法，運用PLC梯形圖編程語言進行編程，實現鍋爐溫度的自動限制。電熱鍋爐的應用領域相當廣泛，在相當多的領域里，電熱鍋爐的性能優劣確定了產品的質量好壞。目前電熱鍋爐的限制系統大都采納以微處理器為核心的計算機限制技術，既提高設備的自動化程度又提高設備的限制精度。

本文分別就電熱鍋爐的限制系統工作原理，溫度變送器的選型、PLC配置、組態軟件程序設計等幾方面進行闡述。通過改造電熱鍋爐的限制系統具有響應快、穩定性好、牢靠性高，限制精度好等特點，對工業限制有現實意義。關鍵詞：電熱鍋爐的限制系統溫度限制串級限制PLCPID第一章緒論1.1課題背景及探討目的和意義電熱鍋爐的應用領域相當廣泛，電熱鍋爐的性能優劣確定了產品的質量好壞。目前電熱鍋爐的限制系統大都采納以微處理器為核心的計算機限制技術，既提高設備的自動化程度又提高設備的限制精度。PLC的快速發展發生在上世紀80年頭至90年頭中期。在這時期，PLC在處理模擬量實力、數字運算實力、人機接口實力和網絡實力得到了很大的提高和發展。PLC漸漸進入過程限制領域，在某些應用上取代了在過程限制領域處于統治地位的DCS系統。PLC具有通用性強、運用便利、適應面廣、牢靠性高、抗干擾實力強、編程簡潔等特點。電熱鍋爐是機電一體化的產品，可將電能干脆轉化成熱能，具有效率高，體積小，無污染，運行平安牢靠，供熱穩定，自動化程度高的優點，是志向的節能環保的供暖設備。加上目前人們的環保意識的提高，電熱鍋爐越來越受人們的重視，在工業生產和民用生活用水中應用越來越普及。電熱鍋爐目前主要用于供溫煦供應生活用水。主要是限制水的溫度，保證恒溫供水。

PID限制是迄今為止最通用的限制方法之一。因為其牢靠性高、算法簡潔、魯棒性好，所以被廣泛應用于過程限制中，尤其適用于可建立精確數學模型的確定性系統。PID限制的效果完全取決于其四個參數，即采樣周期ts、比例系數Kp、積分系數Ki、微分系數Kd。因而，PID參數的整定與優化始終是自動限制領域探討的重要課題。PID在工業過程限制中的應用已有近百年的歷史，在此期間雖然有很多限制算法問世，但由于PID算法以它自身的特點，再加上人們在長期運用中積累了豐富閱歷，使之在工業限制中得到廣泛應用。在PID算法中，針對P、I、D三個參數的整定和優化的問題成為關鍵問題。[5]1.2國內外探討現狀自70年頭以來，由于工業過程限制的須要，特殊是微電子技術和計算機技術的迅猛發展以及自動限制理論和設計方法發展的推動下，國內外溫度限制系統的發展快速，并在智能化，自適應、參數整定等方面取得成果，在這方面，以日本、美國、德國、瑞典等國技術領先，都生產出了一批商品化的、性能優異的溫度限制器及儀器儀表，并在各行各業廣泛應用。它們主要有以下特點：1.適應于大慣性、大滯后等困難的溫度限制體統的限制。2.能適應于受控系統數學模型難以建立的溫度限制系統的限制。3.能適用于受控系統過程困難、參數時變的溫度限制系統的限制。4.這些溫度限制系統普遍采納自適應限制、自校正限制、模糊限制、人工智能等理論及計算機技術，運用先進的算法，適應范圍廣泛。5.溫度限制器普遍具有參數整定功能。借助于計算機軟件技術，溫度限制器具有對限制參數及特性進行自整定的功能。有的還具有自學習功能。6.溫度限制系統既有限制精度高、抗干擾實力強、魯棒性好的特點。目前，國外溫度限制系統及儀表正朝著高精度、智能化、小型化等方向發展。隨溫度限制系統在國內各行各業的應用雖然應用很廣泛，但從國內生產的溫度限制器來講，總體發展水平仍舊不高，同日本、美國、德國等先進國家相比仍舊有著較大的差距。目前，我國在這方面總體水平處于20世紀80年頭中后期的水平，成熟產品主要以“點位”限制及常規的PID限制器為主，它只能適用于一般的溫度系統的限制，難以限制滯后、困難、時變溫度系統限制。能適應于較高的限制場合的智能化、自適應限制儀表，國內還不非常成熟。隨著科學技術的不斷發展，人們對溫度限制系統的要求越來越高，因此，高精度、智能化、人性化的溫度限制系統是國內外必定發展的趨勢。1.3項目探討內容以鍋爐為被控對象，以鍋爐出口水溫為主被控參數，以爐膛內水溫為副被控參數，以加熱爐電阻絲電壓為限制參數，以PLC為限制器，構成鍋爐溫度串級限制系統；采納PID算法，運用PLC梯形圖編程語言進行編程，實現鍋爐溫度的自動限制。PLC技術在溫度監控系統上的應用從整體上分析和探討了限制系統的硬件配置、電路圖的設計、程序設計，限制對象數學模型的建立、限制算法的選擇和參數的整定、人機界面的設計等。論文通過對德國西門子公司的S7-200系列PLC限制器，溫度傳感器將檢測到的實際爐溫轉化為電壓信號，經過模擬量輸入模塊轉換成數字信號送到PLC中進行PID調整，PID限制器輸出轉化為0-10mA的電流信號輸入限制可控硅電壓調整器或觸發板變更可控硅管導通角的大小來調整輸出功率。對于監控畫面，利用亞控公司的組態軟件“組態王“串級系統是由調整器串聯起來工作，其中一個調整器的輸出作為另一個調整器的給定值的系統。整個系統包括兩個限制回路，主回路和副回路。副回路由副變量檢測變送、副調整器、調整閥和副過程構成；主回路由主變量檢測變送、主調整器、副調整器、調整閥、副過程和主過程構成。一次擾動：作用在主被控過程上的，而不包括在副回路范圍內的擾動。二次擾動：作用在副被控過程上的，即包括在副回路范圍內的擾動。在串級限制系統中，由于引入了一個副回路，不僅能及早克服進入副回路的擾動，而且又能改善過程特性。副調整器具有“粗調”的作用，主調整器具有“細調”的作用，從而使其限制品質得到進一步提高。其次章PLC和組態軟件基礎可編程限制器是是一種工業限制計算機，簡稱PLC，它運用可編程序的記憶以存儲指令，用來執行邏輯、依次、計時、計數、和演算等功能，并通過數字或模擬的輸入輸出，以限制各種機械或過程。2.1可編程限制器基礎2.1.1可編程限制器的產生和應用1969年美國數字設備公司勝利研制世界第一臺可編程序限制器PDP-14，并在GM公司的汽車自動裝配線上首次運用并獲得勝利。1971年日本從美國引進這項技術，很快研制出第一臺可編程序限制器DSC-18。1973年西歐國家也研制出他們的第一臺可編程限制器。我國從1974年起先研制，1977年起先工業推廣應用。進入20世紀70年頭，隨著電子技術的發展，尤其是PLC采納通訊微處理器之后，這種限制器功能得到更進一步增加。進入20世紀80年頭，隨著大規模和超大規模集成電路等微電子技術的迅猛發展，以16位和少數32位微處理器構成的微機化PLC，使PLC的功能增加，工作速度快，體積減小，牢靠性提高，成本下降，編程和故障檢測更為敏捷，便利。目前，PLC在國內外已廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環保及文化消遣等各個行業。2.1.2可編程限制器的組成可編程限制器的組成:PLC包括CPU模塊、I/O模塊、內存、電源模塊、底板或機架。1.CPUCPU是PLC的核心，它按PLC的系統程序給予的功能接收并存貯用戶程序和數據，用掃描的方式采集由現場輸入裝置送來的狀態或數據，并存入規定的寄存器中，同時，診斷電源和PLC內部電路的工作狀態和編程過程中的語法錯誤等。CPU主要由運算器、限制器、寄存器及實現它們之間聯系的數據、限制及狀態總線構成，CPU單元還包括外圍芯片、總線接口及有關電路。內存主要用于存儲程序及數據，是PLC不行缺少的組成單元。CPU速度和內存容量是PLC的重要參數，它們確定著PLC的工作速度，IO數量及軟件容量等，因此限制著限制規模。

2.I/O模塊

PLC與電氣回路的接口，是通過輸入輸出部分（I/O）完成的。I/O模塊集成了PLC的I/O電路，其輸入暫存器反映輸入信號狀態，輸出點反映輸出鎖存器狀態。輸入模塊將電信號變換成數字信號進入PLC系統，輸出模塊相反。I/O分為開關量輸入（DI），開關量輸出（DO），模擬量輸入（AI），模擬量輸出（AO）等模塊。

常用的I/O分類如下：

開關量：按電壓水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔離方式分，有繼電器隔離和晶體管隔離。

模擬量：按信號類型分，有電流型（4-20mA，0-20mA）、電壓型（0-10V，0-5V，-10-10V）等，按精度分，有12bit，14bit，16bit等。除了上述通用IO外，還有特殊IO模塊，如熱電阻、熱電偶、脈沖等模塊。按I/O點數確定模塊規格及數量，I/O模塊可多可少，但其最大數受CPU所能管理的基本配置的實力，即受最大的底板或機架槽數限制。

3.編程器

編程器的作用是用來供用戶進行程序的輸入、編輯、調試和監視的。編程器一般分為簡易型和智能型兩類。簡易型只能聯機編程，且往往須要將梯形圖轉化為機器語言助記符后才能送入。而智能型編程器（又稱圖形編程器），不但可以連機編程，而且還可以脫機編程。操作便利且功能強大。4.電源PLC電源用于為PLC各模塊的集成電路供應工作電源。同時，有的還為輸入電路供應24V的工作電源。電源輸入類型有：溝通電源（220VAC或110VAC），直流電源（常用的為24VDC）。可編程限制器的工作原理PLC的工作方式是一個不斷循環的依次掃描工作方式。每一次掃描所用的時間稱為掃描周期或工作周期。CPU從第一條指令起先，按依次逐條地執行用戶程序直到用戶程序結束，然后返回第一條指令起先新的一輪掃描。PLC就是這樣周而復始地重復上述循環掃描的。PLC工作的全過程可用圖2-1所示的運行框圖來表示。圖2.1可編程限制器運行框圖2.1.4可編程限制器的分類及特點1.小型PLC小型PLC的I/O點數一般在128點以下，其特點是體積小、結構緊湊，整個硬件融為一體，除了開關量I/O以外，還可以連接模擬量I/O以及其他各種特殊功能模塊。它能執行包括邏輯運算、計時、計數、算術、運算數據處理和傳送通訊聯網以及各種應用指令。2.中型PLC中型PLC采納模塊化結構，其I/O點數一般在256～1024點之間，I/O的處理方式除了采納一般PLC通用的掃描處理方式外，還能采納干脆處理方式即在掃描用戶程序的過程中干脆讀輸入刷新輸出，它能聯接各種特殊功能模塊，通訊聯網功能更強，指令系統更豐富，內存容量更大，掃描速度更快。3.大型PLC一般I/O點數在1024點以上的稱為大型PLC，大型PLC的軟硬件功能極強，具有極強的自診斷功能、通訊聯網功能強，有各種通訊聯網的模塊可以構成三級通訊網實現工廠生產管理自動化，大型PLC還可以采納冗余或三CPU構成表決式系統使機器的牢靠性更高2.2組態軟件的基礎2.2.1組態的定義組態就是用應用軟件中供應的工具、方法，完成工程中某一具體任務的過程。組態軟件是有專業性的，一種組態軟件只能適合某種領域的應用。組態的概念最早出現在工業計算機限制中，如DCS(集散限制系統)組態，PLC梯形圖組態。人機界面生成軟件就叫工控組態軟件。工業限制中形成的組態結果是用在實時監控的。從表面上看，組態工具的運行程序就是執行自己特定的任務。工控組態軟件也供應了編程手段，一般都是內置編譯系統，供應類BASIC語言，有的支持VB，現在有的組態軟件甚至支持C#高級語言。在當今工控領域，一些常用的大型組態軟件主要有：ABB-OptiMax，WinCC，iFix，Intouch，組態王，力控，易控，MCGS等。本設計采納亞控的組態王軟件進行組態的設計。2.2.2組態王軟件的特點組態王軟件具有適應性強、開放性好、易于擴展、經濟、開發周期短等優點。通常可以把這樣的系統劃分為限制層、監控層、管理層三個層次結構。其中監控層對下連接限制層，對上連接管理層，它不但實現對現場的實時監測與限制，且在自動限制系統中完成上傳下達、組態開發的重要作用。尤其考慮三方面問題：畫面、數據、動畫。通過對監控系統要求及實現功能的分析，采納組態王對監控系統進行設計。組態軟件也為試驗者供應了可視化監控畫面，有利于試驗者實時現場監控。而且，它能充分利用Windows的圖形編輯功能，便利地構成監控畫面，并以動畫方式顯示限制設備的狀態，具有報警窗口、實時趨勢曲線等，可便利的生成各種報表。它還具有豐富的設備驅動程序和敏捷的組態方式、數據鏈接功能。第三章PLC限制系統的硬件設計本章主要從系統設計結構和硬件設計的角度，介紹該項目的PLC限制系統的設計步驟、PLC的硬件配置、外部電路設計以及PLC限制器的設計參數的整定。3.1PLC限制系統設計的基本原則和步驟3.1.1PLC限制系統設計的基本原則1.充分發揮PLC功能，最大限度地滿足被控對象的限制要求。2.在滿足限制要求的前提下，力求使限制系統簡潔、經濟、運用及修理便利。3.保證限制系統平安牢靠。4.應考慮生產的發展和工藝的改進，在選擇PLC的型號、I／O點數和存儲器容量等內容時，應留有適當的余量，以利于系統的調整和擴充。3.1.2PLC限制系統設計的一般步驟設計PLC應用系統時，首先是進行PLC應用系統的功能設計，即依據被控對象的功能和工藝要求，明確系統必須要做的工作和因此必備的條件。然后是進行PLC應用系統的功能分析，即通過分析系統功能，提出PLC限制系統的結構形式，限制信號的種類、數量，系統的規模、布局。最終依據系統分析的結果，具體的確定PLC的機型和系統的具體配置。PLC限制系統設計可以按以下步驟進行：1.熟識被控對象，制定限制方案分析被控對象的工藝過程及工作特點，了解被控對象機、電、液之間的協作，確定被控對象對PLC限制系統的限制要求。2.確定I／O設備依據系統的限制要求，確定用戶所需的輸入(如按鈕、行程開關、選擇開關等)和輸出設備(如接觸器、電磁閥、信號指示燈等)由此確定PLC的I／O點數。3.選擇PLC選擇時主要包括PLC機型、容量、I／O模塊、電源的選擇。4.安排PLC的I／O地址依據生產設備現場須要，確定限制按鈕，選擇開關、接觸器、電磁閥、信號指示燈等各種輸入輸出設備的型號、規格、數量；依據所選的PLC的型號列出輸入／輸出設備與PLC輸入輸出端子的比照表，以便繪制PLC外部I／O接線圖和編制程序。5.設計軟件及硬件進行PLC程序設計，進行限制柜（臺）等硬件的設計及現場施工。由于程序與硬件設計可同時進行，因此，PLC限制系統的設計周期可大大縮短，而對于繼電器系統必需先設計出全部的電氣限制線路后才能進行施工設計。6.聯機調試聯機調試是指將模擬調試通過的程序進行在線統調。3.1.3PLC程序設計的一般步驟1.繪制系統的功能圖。2.設計梯形圖程序。3.依據梯形圖編寫指令表程序。4.對程序進行模擬調試及修改，直到滿足限制要求為止。調試過程中，可采納分段調試的方法，并利用編程器的監控功能。PLC限制系統的設計步驟可參考圖3-1：圖3-1PLC限制系統的設計步驟3.2PLC的選型和硬件配置3.2.1PLC型號的選擇本溫度限制系統采納德國西門子S7-200PLC。S7-200是一種小型的可編程序限制器，適用于各行各業，各種場合中的檢測、監測及限制的自動化。S7-200系列的強大功能使其無論在獨立運行中，或相連成網絡皆能實現困難限制功能。因此S7-200系列具有極高的性能/價格比。3.2.2S7-200CPU的選擇S7-200系列的PLC有CPU221、CPU222、CPU224、CPU226等類型。此系統選用的S7-200CPU226，CPU226集成24輸入/16輸出共40個數字量I/O點。可連接7個擴展模塊，最大擴展至248路數字量I/O點或35路模擬量I/O點。13K字節程序和數據存儲空間。6個獨立的30kHz高速計數器，2路獨立的20kHz高速脈沖輸出，具有PID限制器。2個RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協議、MPI通訊協議和自由方式通訊實力。I/O端子排可很簡潔地整體拆卸。3.2.3EM235模擬量輸入/輸出模塊在溫度限制系統中，傳感器將檢測到的溫度轉換成4-20mA的電流信號，系統須要配置模擬量的輸入模塊把電流信號轉換成數字信號再送入PLC中進行處理。在這里我們選擇西門子的EM235模擬量輸入/輸出模塊。EM235模塊具有4路模擬量輸入/一路模擬量的輸出。它允許S7-200連接微小的模擬量信號，±80mV范圍。用戶必需用DIP開關來選擇熱電偶的類型，斷線檢查，測量單位，冷端補償和開路故障方向：SW1～SW3用于選擇熱電偶的類型，SW4沒有運用，SW5用于選擇斷線檢測方向，SW6用于選擇是否進行斷線檢測，SW7用于選擇測量方向，SW8用于選擇是否進行冷端補償。全部連到模塊上的熱電偶必需是相同類型。3.2.4熱電式傳感器熱電式傳感器是一種將溫度變更轉化為電量變更的裝置。在各種熱電式傳感器中，以將溫度量轉換為電勢和電阻的方法最為普遍。其中最為常用于測量溫度的是熱電偶和熱電阻，熱電偶是將溫度轉化為電勢變更，而熱電阻是將溫度變更轉化為電阻的變更。這兩種熱電式傳感器目前在工業生產中被廣泛應用。該系統須要的傳感器是將溫度轉化為電流，且水溫最高是100℃，所以選擇Pt100鉑熱電阻傳感器。P100鉑熱電阻，簡稱為：PT100鉑電阻，其阻值會隨著溫度的變更而變更。PT后的100即表示它在0℃時阻值為100歐姆，在100℃時它的阻值約為138.5歐姆。它的工作原理：當PT100在0攝氏度的時候他的阻值為100歐姆，它的的阻值會隨著溫度上升它的阻值成勻速增長[3]。3.2.5可控硅加熱裝置簡介對于要求保持恒溫限制而不要溫度記錄的電阻爐采納帶PID調整的數字式溫度顯示調整儀顯示和調整溫度，輸出0～10mA作為直流信號輸入限制可控硅電壓調整器或觸發板變更可控硅管導通角的大小來調整輸出功率，完全可以滿足要求，投入成本低，操作便利直觀并且簡潔維護。溫度測量與限制是熱電偶采集信號通過PID溫度調整器測量和輸出0～10mA或4～20mA限制觸發板限制可控硅導通角的大小，從而限制主回路加熱元件電流大小，使電阻爐保持在設定的溫度工作狀態。可控硅溫度限制器由主回路和限制回路組成。主回路是由可控硅，過電流愛護快速熔斷器、過電壓愛護RC和電阻爐的加熱元件等部分組成。3.3系統整體設計方案和電氣連接圖系統選用了PLCCPU226為限制器，PT100型熱電阻將檢測到的實際鍋爐水溫轉化為電流信號，經過EM231模擬量輸入模塊轉化成數字量信號并送到PLC中進行PID調整，PID限制器輸出轉化為0～10mA的電流信號輸入限制可控硅電壓調整器或觸發板變更可控硅管導通角的大小來調整輸出功率，從而調整電熱絲的加熱。PLC和組態王連接，實現了系統的實時監控。整體設計方案如圖3-3：EM235鍋爐PT100PLEM235鍋爐PT100PLC計算機圖3-3整體設計方案系統硬件連線圖如圖3-4：圖3.4系統硬件連線圖3.4PLC限制器的設計限制器的設計是整個限制系統設計中最重要的一步。首先要依據受控對象的數學模型和它的各特性以及設計要求，確定限制器的結構以及和受控對象的連接方式。最終依據所要求的性能指標確定限制器的參數值。3.4.1限制系統數學模型的建立在本限制系統中，TT1(出口溫度傳感器)將檢測到的出口水溫度信號轉化為電流信號送入EM235模塊的A路，TT2(爐膛溫度傳感器)將檢測到的出口水溫度信號轉化為電流信號送入EM235模塊的B路。兩路模擬信號經過EM235轉化為數字信號送入PLC，PLC再通過PID模塊進行PID調整限制。具體流程在第四章程序編寫的時候具體論述。由PLC的串級限制系統框圖如圖3-5：如圖3-5串級限制系統框圖3.4.2PID限制及參數整定1.PID限制器的組成PID限制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。其數學表達式為：公式（3-1）（1）比例系數KC對系統性能的影響：

比例系數加大，使系統的動作靈敏，速度加快，穩態誤差減小。Ｋc偏大，振蕩次數加多，調整時間加長。Ｋc太大時，系統會趨于不穩定。Ｋc太小，又會使系統的動作緩慢。Ｋc可以選負數，這主要是由執行機構、傳感器以限制對象的特性確定的。假如Ｋc的符號選擇不當對象狀態(pv值)就會離限制目標的狀態(sv值)越來越遠，假如出現這樣的狀況Ｋc的符號就肯定要取反。

積分限制Ｔi對系統性能的影響：

（2）積分作用使系統的穩定性下降，Ｔi小（積分作用強）會使系統不穩定，但能消退穩態誤差，提高系統的限制精度。

（3）微分限制Ｔd對系統性能的影響：

微分作用可以改善動態特性，Ｔd偏大時，超調量較大，調整時間較短。Ｔd偏小時，超調量也較大，調整時間也較長。只有Ｔd合適，才能使超調量較小，減短調整時間。2.主、副回路限制規律的選擇采納串級限制，所以有主副調整器之分。主調整器起定值限制作用，副調整器起隨動限制作用，這是選擇規律的基本動身點。主參數是工藝操作的重要指標，允許波動的范圍較小，一般要求無余差，因此，主調整器一般選PI或PID限制，副參數的設置是為了保證主參數的限制質量，可允許在肯定范圍內變更，允許有余差，因此副調整器只要選P限制規律就可以。在本限制系統中，我們將鍋爐出口水溫度作為主參數，爐膛溫度為副參數。主限制采納PI限制，副限制器采納P限制。3.主、副調整器正、反作用方式的確定副調整器作用方式的確定：

首先確定調整閥，出于生產工藝平安考慮，可控硅輸出電壓應選用氣開式，這樣保證當系統出現故障使調整閥損壞而處于全關狀態，防止燃料進入加熱爐，確保設備平安，調整閥的Kv>0。然后確定副被控過程的K02，當調整閥開度增大，電壓增大，爐膛水溫度上升，所以K02>0。最終確定副調整器，為保證副回路是負反饋，各環節放大系數(即增益)乘積必需為負，所以副調整器K2<0，副調整器作用方式為反作用方式。

主調整器作用方式的確定：

爐膛水溫度上升，出口水溫度也上升，主被控過程K01>0。為保證主回路為負反饋，各環節放大系數乘積必需為負，所以主調整器的放大系數K1<0，主調整器作用方式為反作用方式[7]。4.采樣周期的分析采樣周期Ts越小，采樣值就越能反應溫度的變更狀況。但是，Ts太小就會增加CPU的運算工作量，相鄰的兩次采樣值幾乎沒什么變更，將是PID限制器輸出的微分部分接近于0，所以不應使采樣時間太小。，確定采樣周期時，應保證被控量快速變更時，能用足夠多的采樣點，以保證不會因采樣點過稀而丟失被采集的模擬量中的重要信息。因為本系統是溫度限制系統，溫度具有延遲特性的慣性環節，所以采樣時間不能太短，一般是15s～20s，本系統采樣17s

經過上述的分析，該溫度限制系統就已經基本確定了，在系統投運之前還要進行限制器的參數整定。常用的整定方法可歸納為兩大類，即理論計算整定法和工程整定法。理論計算整定法是在已知被控對象的數學模型的基礎上，依據選取的質量指標，經過理論的計算（微分方程、根軌跡、頻率法等），求得最佳的整定參數。這類方法比較困難，工作量大，而且用于分析法或試驗測定法求得的對象數學模型只能近似的反映過程的動態特征，整定的結果精度不是很高，因此未在工程上受到廣泛的應用。對于工程整定法，工程人員無需知道對象的數學模型，無需具備理論計算所學的理論學問，就可以在限制系統中干脆進行整定，因而簡潔、好用，在實際工程中被廣泛的應用常用的工程整定法有閱歷整定法、臨界比例度法、衰減曲線法、自整定法等。在這里，我們采納閱歷整定法整定限制器的參數值。整定步驟為“先比例，再積分，最終微分”。（1）整定比例限制將比例限制作用由小變到大，視察各次響應，直至得到反應快、超調小的響應曲線。（2）整定積分環節若在比例限制下穩態誤差不能滿足要求，需加入積分限制。先將步驟（1）中選擇的比例系數減小為原來的50～80％，再將積分時間置一個較大值，觀測響應曲線。然后減小積分時間，加大積分作用，并相應調整比例系數，反復試湊至得到較滿足的響應，確定比例和積分的參數。（3）整定微分環節若經過步驟（2），PI限制只能消退穩態誤差，而動態過程不能令人滿足，則應加入微分限制，構成PID限制。先置微分時間TD=0，漸漸加大TD，同時相應地變更比例系數和積分時間，反復試湊至獲得滿足的限制效果和PID限制參數。第四章PLC限制系統的軟件設計PLC限制系統的設計主要包括硬件設計和軟件設計兩部分本在硬件基礎上，具體介紹本項目的軟件設計，主要包括軟件設計的基本步驟、方法、編程軟件STEP7-Micro/WIN的介紹以及本項目的程序設計。4.1PLC程序設計的方法PLC程序設計常用的方法：主要有閱歷設計法、繼電器限制電路轉換為梯形圖法、依次限制設計法、邏輯設計法等。1.閱歷設計法：閱歷設計法即在一些典型的限制電路程序的基礎上，依據被限制對象的具體要求，進行選擇組合，并多次反復調試和修改梯形圖，有時需增加一些協助觸點和中間編程環節，才能達到限制要求。這種方法沒有規律可遵循，設計所用的時間和設計質量與設計者的閱歷有很大的關系，故稱為閱歷設計法。2.繼電器限制電路轉換為梯形圖法：用PLC的外部硬件接線和梯形圖軟件來實現繼電器限制系統的功能。3.依次限制設計法：依據功能流程圖，以步為核心，從起始步起先一步一步地設計下去，直至完成。此法的關鍵是畫出功能流程圖。4.邏輯設計法：通過中間量把輸入和輸出聯系起來。事實上就找到輸出和輸入的關系，完成設計任務。4.2編程軟件STEP7--Micro/WIN概述STEP7-Micro/WIN編程軟件是基于Windows的應用軟件，由西門子公司專為S7-200系列可編程限制器設計開發，它功能強大，主要為用戶開發限制程序運用，同時也可以實時監控用戶程序的執行狀態。4.2.1STEP7--Micro/WIN簡潔介紹以STEP7-Micro/WIN創建程序，為接通STEP7-Micro/WIN，可雙擊STEP7-Micro/WIN的圖標，如圖4-1所示，STEP7-Micro/WIN項目窗口將供應用于創建程序的工作空間。閱讀條給出了多組按鈕，用于訪問STEP7--Micro/WIN的不同編程特性。指令樹將顯示用于創建限制程序的全部項目對象指令。程序編輯器包括程序邏輯和局部變量表，可在其中安排臨時局部變量的符號名。子程序和中斷程序在程序編輯器窗口的的底部按標簽顯示。本項目中我們利用STEP7--Micro/WINV4.0SP5編程軟件，其界面如圖4-1所示。項目包括的基本組件：程序塊、數據塊、系統塊、符號表、狀態表、交叉引用表。圖4-1STEP7--Micro/WIN項目窗口4.2.2計算機與PLC的通信在STEP7-Micro/WIN中雙擊指令樹中的“通信”圖標，或執行菜單吩咐的“查看”/“組件”/“通信”，將出現“通信”對話框，見圖4-2。圖4-2PLC通信窗口在將新的設置下載到S7-200之前，應設置遠程站的地址，是它與S7-200的地址。雙擊“通信”對話框中“雙擊刷新”旁邊的藍色箭頭組成的圖標，編程軟件將會自動搜索連接在網絡上的S7-200，并用圖標顯示搜尋到的S7-200。4.3程序設計4.3.1程序設計思路PLC運行時，通過特殊繼電器SM0.0產生初始化脈沖進行初始化，將溫度設定值，PID參數值等存入數據寄存器，隨后系統起先溫度采樣，采樣周期是17秒，TT1(出口水溫溫度傳感器)將采集到的出口水溫度信號轉換為電流信號，電流信號在通過AIW0進入PLC，作為主回路的反饋值，經過主限制器（PID0）的PI運算產生輸出信號，作為副回路的給定值。TT2(爐膛水溫傳感器)將采集到的爐膛水溫度信號轉換為電流信號，電流信號在通過AIW2進入PLC，作為副回路的反饋值，經過副限制器（PID1）的P運算產生輸出的信號，由AQW0輸出，輸出的4-20mA電流信號限制可控硅的導通角，從而限制電熱絲的電壓，完成對溫度的限制。4.3.2PID指令向導編寫PID限制程序時，首先要把過程變量（PV）轉化為0.00-1.00之間的標準實數。PID運算結束之后，須要把回路輸出（0.00--1.00之間的標準化實數）轉換為可以送給模擬量輸出模塊的整數。圖4-3PID初始化指令如圖4-3，PV_I是模擬量輸入模塊供應的反饋值的地址，Setpoint_R是以百分比為單位的實數給定值（SP），Output是PID限制器的INT型的輸出地址。HighAlarm和LowAlarm分別是超過上限和下限的報警信號輸出，ModuleErr是模擬量模塊的故障輸出信號。主回路PID指令向導（1)主回路采納0號PID回路如圖4-4圖4-4主回路用0號PID回路(2)設置PID參數，如圖4-5：圖4-5設置PID參數給定值的范圍是0.0--100.0，比例增益Kc為-3.0，積分時間Ti=7min，因為主限制器采納PI限制，所以微分時間Td=0。（3）回路輸入量的極性與范圍，如圖4-5：圖4-5輸入輸出量的設置(4)PID指令的參數表占用的V存儲區的起始地址如圖4-6：圖4-6地址設置（5）向導完成，如圖4-7圖4-7向導完成2.副回路PID指令向導（1）副回路采納1號PID回路，如圖4-8：圖4-8副回路PID回路設置（2）新建PID配置，如圖4-9：圖4-9PID配置新建（3）設置PID參數，如圖4-10圖4-10副回路PID設置因為副回路主要起到“粗調”、“快調”的作用，所以我們采納P調整作用，比例增益Kc=-4.0，Ti無窮大，Td=0;（4）副回路輸入量的極性與范圍，如圖4-11圖4-11副回路輸入輸出設置（5）PID指令的參數表占用的V存儲區的起始地址，如圖4-12：圖4-12副回路存儲區設置（6）向導完成，如圖4-13圖4-13副回路向導完成4.3.3限制程序及分析因為由AIW0和AIW2輸入的是6400--32000的數字量，所以要轉換為實際的溫度要進行運算，運算公式為：公式（4-1）其中，T為實際溫度，D為AIWO和AIW2輸入的數字量。1.PLC的內存地址安排見表4-1表4-1內存地址安排地址說明VD250鍋爐出口水溫度存放地址VD260爐膛水溫存放地址VD270主限制器PID輸出存放地址VD300目標設定溫度存放地址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副調整器Kc存放地址2.PID指令表見表4-2：表4-2PID指令回路表地址名稱說明VD0主調整器過程變量（PVn）必需在0.0~1.0之間VD4主調整器給定值（SPn）必需在0.0~1.0之間VD8主調整器輸出值（Mn）必需在0.0~1.0之間VD12主調整器增益（Kc）比例常數，可正可負VD16主調整器采樣時間（Ts）單位為s，必需是正數VD20主調整器積分時間（Ti）單位為min，必需是正數VD24主調整器微分時間（Td）單位為min，必需是正數VD120副調整器過程變量（PVn）必需在0.0~1.0之間VD124副調整器給定值（SPn）必需在0.0~1.0之間VD128副調整器輸出值（Mn）必需在0.0~1.0之間VD132副調整器增益（Kc）比例常數，可正可負VD136副調整器采樣時間（Ts）單位為s，必需是正數VD140副調整器積分時間（Ti）單位為min，必需是正數VD144副調整器微分時間（Td）單位為min，必需是正數3.限制程序如圖4-14至4-17所示：（1）主程序：圖4-14限制程序1（2）主調整器程序：圖4-15限制程序2圖4-16限制程序3圖4-17限制程序4（3）副調整器程序：圖4-18限制程序5圖4-19限制程序6圖4-20限制程序7第五章組態畫面的設計本章具體的講解一個組態系統的建立和設計。5.1新建項目雙擊組態王的快捷方式，出現組態王的工程管理器窗口，雙擊新建按扭，依據彈出的建立向導，填寫工程名稱。然后打開剛建立的工程。進入組態畫面的設計，如圖5-1：圖5-1新建工程1.新建畫面進入工程管理器后，在畫面右方雙擊“新建”，新建畫面，并設置畫面屬性，圖5-2所示：圖5-2畫面新建2.新建設備因為組態畫面要與西門子S7-200PLC連接之后才能運用，所以要新建S7-200的連接，具體步驟如圖5-3：圖5-3步驟1圖5-4步驟2圖5-5步驟3圖5-6步驟43.新建變量要實現組態王對S7-200的在線監控，就先必需建立兩者之間的聯系，那就須要建立兩者間的數據變量。基本類型的變量可以分為“內存變量”和I/O變量兩類。內存變量是組態王內部的變量，不跟被監控的設備進行交換。而I/O變量是兩者之間相互交換數據的橋梁，S7-200和組態王的數據交換是雙向的。如圖5-7所示：圖5-7新建變量目中所用到的變量見圖5-8：圖5-8變量表5.2組態畫面創建5.2.1新建主畫面如圖5-9所示，高溫報警用來顯示當溫度高于95°C的時候，等會變紅閃耀，加熱爐上的指示燈用來指示加熱爐的加熱狀態。圖5-9限制系統主畫面5.2.2新建PID參數設定窗口如圖5-10所示，PID參數設定窗口，用來設定主限制器和副限制器的PID參數值，可與PID參數的整定。圖5-10PID參數設定窗口5.2.3新建數據報表數據報表是反應生產過程中的數據、狀態等，并對數據進行記錄的一種重要形式。數據報表有實時數據報表和歷史數據報表，既能反應系統實時的運行狀況，也能監測長期的系統運行狀況，如圖5-11所示：圖5-11數據報表窗口5.2.4新建實時曲線實時趨勢曲線可在工具箱中雙擊后在畫面干脆獲得。實時趨勢曲線隨時間變更自動卷動，可快速反應變量的新變更。如圖5-12所示:圖5-12實時曲線窗口5.2.5新建歷史曲線歷史趨勢曲線可在圖庫管理器中得到。歷史趨勢曲線可以查詢查詢過去的狀況。歷史趨勢曲線須要事先建立兩個內存變量，分表是調整跨度和舉動百分比。圖5-13歷史曲線窗口5.2.6新建報警窗口在工具箱中選用報警窗口工具，在面板中繪制報警窗口，添加文本等就可。如圖5-14所示。由于前面已經設置了報警變量，所以當變量值超過所設置的溫度85度時，那就會在報警畫面中被記錄。如圖5-14所示:圖5-14歷史報警窗口其制作過程和歷史報警窗口類似，不同的是，實時報警畫面是要彈出來的，所以必需在新建畫面的時候，把大小調好，并選擇是“覆蓋式”。畫面的自動彈出，在事務吩咐語言中，輸入showpicture("實時報警窗口");\\本站點\$新報警=0;，這樣每次新報警有產生