鍋爐內(nèi)膽水溫PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與監(jiān)控

1、 鍋爐內(nèi)膽水溫 PID 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與監(jiān)控 院 、 部： 電氣與信息工程學(xué)院 班 級(jí)： 自本 0903 班 完成時(shí)間： 2013/5/30 摘 要在工業(yè)生產(chǎn)的過(guò)程中，經(jīng)常存在一些如溫度，液位，流量和速度等連續(xù)變化的量。對(duì)這些變量的控制已成為當(dāng)今自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)。作為控制系統(tǒng)中的一種，水溫控制系統(tǒng)在自動(dòng)化領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用?；诳删幊炭刂破鳎≒LC）的水溫控制大多是采用 PID 控制，PID 控制由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，可靠性高，在工業(yè)控制中得到了廣泛的應(yīng)用。本文的水溫控制采用過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)，過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)總線（PROFIBUS）以其國(guó)際化，開(kāi)放式，高可靠性，高靈活性等優(yōu)勢(shì)，在過(guò)程自動(dòng)化，制造自

2、動(dòng)化，樓宇自動(dòng)化等領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。論文首先簡(jiǎn)單做了一些背景資料的介紹，然后重點(diǎn)闡述了 PLC 水溫定值控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括硬件設(shè)計(jì)，硬件配置，下位機(jī)西門子 PLC S7-300 的主要功能模塊的介紹和程序的設(shè)計(jì)，上位機(jī)的監(jiān)控組態(tài)畫(huà)面的設(shè)計(jì)，以及系統(tǒng)的調(diào)試和參數(shù)的整定。系統(tǒng)中應(yīng)用到了 WinCC 和 STEP 7 兩種軟件，WinCC 軟件主要是做監(jiān)控畫(huà)面，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控；STEP 7 軟件設(shè)計(jì)程序，完成對(duì)水溫定值控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：現(xiàn)場(chǎng)總線；WinCC；可編程控制器；水溫控制ABSTRACT In the process of industrial production, of

3、ten there are a few such as temperature,liquid level ,flow and speed of the amount of continuous change. For control of these variables has become a hot field in todays automation technology development. As one of the control system, water temperature control system has been widely used in the field

4、 of automation. Based on Programmable Logic Controller temperature control with PID control, PID control because of its simple structure, good stability, high reliability, widely used in industrial control. In this paper, process of water temperature control adopts field bus systems, process field b

5、us (PROFIBUS) in its internationalization, open, high flexibility, high reliability advantages, in process automation, manufacturing automation, building automation and other fields has been widely used. First,thesis introduce simple did some background information , and then expounds the design of

6、the control system of PLC temperature setting value, including hardware design, hardware configuration, the machine of main function module of Siemens PLC S7-300 is introduced and program design, PC monitor configuration screen design, as well as the system debugging and parameter setting .These are

7、 two software are used in the system,such as the WinCC and STEP 7.WinCC software mainly do monitoring, to monitor field data; The STEP 7 software design program, complete the design of the control system of water temperature setting value.Key words: Field bus; WinCC; Programmable Logic Controller; W

8、ater temperature control 目 錄1 緒論.1 1.1 鍋爐.1 1.2 現(xiàn)場(chǎng)總線.12 鍋爐內(nèi)膽水溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì).3 2.1 控制系統(tǒng)介紹.3 2.1.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu).3 2.1.2 硬件設(shè)計(jì).4 2.2 硬件配置.4 2.2.1 生成新項(xiàng)目.4 2.2.2 硬件配置.5 2.3 程序設(shè)計(jì).6 2.3.1 FB41 簡(jiǎn)介 .6 2.3.2 FC105 簡(jiǎn)介 .9 2.3.3 FC106.10 2.3.4 控制程序.11 2.3.5 程序與組態(tài)的連接.12 2.3.6 建站.13 2.4 組態(tài)步驟.143 系統(tǒng)的整定及調(diào)試.24 3.1 PID 調(diào)節(jié)器 .24 3.1

9、.1 PID 的傳遞函數(shù) .24 3.1.2 控制規(guī)律的選擇.24 3.1.3 PID 控制器參數(shù)整定的方法 .25 3.2 調(diào)試步驟及結(jié)果.27結(jié)束語(yǔ).31參考文獻(xiàn).32致 謝.3301 緒論1.1 鍋爐鍋爐是化工、供熱供暖、煉油、發(fā)電等生產(chǎn)中不可或缺的設(shè)備。它所產(chǎn)生的高壓蒸汽，既可以作為風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、大型泵類的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源，又可以作為蒸餾、化學(xué)反應(yīng)、干燥等過(guò)程的熱源。隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，生產(chǎn)設(shè)備的革新，作為動(dòng)力設(shè)備和供熱設(shè)備的鍋爐，正在向著更大的容量、更高的系統(tǒng)參數(shù)、更高的效率等方面去發(fā)展。因此為了確保安全，穩(wěn)定生產(chǎn)，鍋爐的控制系統(tǒng)就顯得越發(fā)的重要。電鍋爐也稱電加熱鍋爐、電熱鍋爐，顧名思義，

10、它是以電力為能源并將其轉(zhuǎn)化成為熱能，然后經(jīng)過(guò)鍋爐的轉(zhuǎn)換，向外輸出具有一定熱能的蒸汽、高溫水或有機(jī)熱載體的設(shè)備。電鍋爐主要由鋼制的殼體、電腦控制系統(tǒng)、低壓電氣系統(tǒng)、電加熱管、進(jìn)出水管及檢測(cè)儀表等組成。電鍋爐的加熱方式有電磁感應(yīng)加熱方式和電阻（電加熱管）加熱方式兩種。電阻加熱方式又分為不銹鋼加熱管和陶瓷加熱管，電阻加熱方式就是采用電阻式電熱元件進(jìn)行加熱。電鍋爐的優(yōu)點(diǎn)就是在結(jié)構(gòu)上易于疊加和組合，控制更加靈活，維修更換更方便。 隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，自動(dòng)化控制水平也越來(lái)越高，相對(duì)的，用戶對(duì)鍋爐控制系統(tǒng)工作的效率要求也就越來(lái)越高，為了有效的提高鍋爐的工作效率，減少對(duì)環(huán)境的污染，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)與組態(tài)軟件

11、技術(shù)對(duì)鍋爐的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)化的控制就有著非常重要的意義。目前，國(guó)內(nèi)的許多地方鍋爐的控制系統(tǒng)主要還是采用分布式控制系統(tǒng) DCS(Distributed Control System)進(jìn)行控制。因?yàn)殄仩t的整個(gè)系統(tǒng)的儀器儀表的信號(hào)比較多，采用 DCS 系統(tǒng)進(jìn)行控制的性價(jià)比較好。但是隨著 PLC 控制技術(shù)的發(fā)展革新，PLC 的功能已經(jīng)得到了很大的強(qiáng)化，在儀表的控制方面也有了較大的突破，用于回路調(diào)節(jié)和組態(tài)畫(huà)面的功能也在不斷的完善。并且 PLC 的抗干擾能力很強(qiáng)，對(duì)電源的質(zhì)量要求也比較低。1.2 現(xiàn)場(chǎng)總線現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)是當(dāng)今自動(dòng)化控制領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，它被譽(yù)為是自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)，它的出現(xiàn)

12、標(biāo)志著自動(dòng)化控制技術(shù)又一個(gè)新的時(shí)代的來(lái)臨?，F(xiàn)場(chǎng)總線是用于連接控制現(xiàn)場(chǎng)的儀器儀表和控制室內(nèi)的控制設(shè)備之間的數(shù)字化、串行、多站通信的網(wǎng)絡(luò)。現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的出現(xiàn)使傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生了革命性的變化，使自動(dòng)控制系統(tǒng)朝著智能化、數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化、分散化的方向迅速的邁進(jìn)，1形成新型的網(wǎng)絡(luò)集成式全分布式控制系統(tǒng)-現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng) FCS（Fieldbus Control System） ?，F(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)了微機(jī)化測(cè)量控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信，因?yàn)槠溟_(kāi)放式、數(shù)字化、多站點(diǎn)通信、低帶寬的特性。所以可以很方便地與因特網(wǎng)（Internet） 、企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)（Interanet）相連。22 鍋爐內(nèi)膽水溫

13、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2.1 控制系統(tǒng)介紹2.1.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 本系統(tǒng)是以鍋爐的內(nèi)膽作為被控對(duì)象，內(nèi)膽水溫作為控制系統(tǒng)的被控量。要求當(dāng)水溫穩(wěn)定至預(yù)設(shè)好的給定量時(shí)，將鉑電阻 TT1 測(cè)到的鍋爐內(nèi)膽水溫溫度作為反饋的信號(hào)，在與預(yù)設(shè)好的給定量進(jìn)行比較后，它們之間的差值就轉(zhuǎn)化成調(diào)節(jié)器控制的三相調(diào)壓模塊的輸出電壓（即三相電阻式電加熱管兩端的電壓） ，以達(dá)到控制鍋爐內(nèi)膽水溫的目的。在鍋爐內(nèi)膽的水溫定值控制系統(tǒng)中，其參數(shù)整定的方法和其它單回路控制系統(tǒng)是一樣的，但由于加熱過(guò)程容量時(shí)延較大，所以其控制過(guò)渡時(shí)間也較長(zhǎng)，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器可選擇 PI 或 PID 控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 1 所示。圖 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 (a)結(jié)

14、構(gòu)圖 (b)方框圖因此，本系統(tǒng)可以采用兩種方案對(duì)鍋爐內(nèi)膽水溫來(lái)進(jìn)行控制： （1） 鍋爐夾套不加冷卻水（靜態(tài)） （2） 鍋爐夾套加冷卻水（動(dòng)態(tài)）顯然，兩種方案的控制效果是不一樣的，后者比前者的升溫過(guò)程稍慢，降溫過(guò)程稍快。無(wú)論采用靜態(tài)方式進(jìn)行控制還是采用動(dòng)態(tài)方式進(jìn)行控制，本系統(tǒng)的上位機(jī)監(jiān)控界面的操作都是一樣的。3 本設(shè)計(jì)采取第 1 種方案：鍋爐夾套不加冷卻水（靜態(tài)） 。2.1.2 硬件設(shè)計(jì) （1）模擬鍋爐此鍋爐采用不銹鋼制成，由加熱層（內(nèi)膽）和冷卻層（夾套）組成。做溫度實(shí)驗(yàn)時(shí)，冷卻層的循環(huán)水可以使加熱層的熱量快速散發(fā)，使加熱層的溫度快速下降。冷卻層和加熱層都裝有溫度傳感器檢測(cè)其溫度。由于本文采用鍋

15、爐夾套不加冷卻水，所以動(dòng)態(tài)回流過(guò)程可以省略，只是開(kāi)始用氣動(dòng)閥門調(diào)節(jié)向水箱內(nèi)注入一定量的冷卻水。（2）水泵本系統(tǒng)采用磁力驅(qū)動(dòng)泵，型號(hào)為 16CQ-8P，流量為 32 升/分，揚(yáng)程為 8 米，功率為 180W。泵體全部采用不銹鋼材料，這樣既可以防止生銹，也能延長(zhǎng)水泵使用的壽命。它是使用三相 380V 恒壓驅(qū)動(dòng)的。（3）溫度傳感器本系統(tǒng)的溫度傳感器是采用 Pt100 傳感器，它是帶 PROFIBUS-PA 通訊協(xié)議的溫度變送器，可直接把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)。Pt100 傳感器的測(cè)量精度高，熱補(bǔ)償性能好。（4）三相移相調(diào)壓裝置該裝置是用可控硅移相觸發(fā)裝置，輸入的控制信號(hào)為 420mA 標(biāo)準(zhǔn)的電流信號(hào)

16、，輸出的電壓用來(lái)控制電阻加熱管進(jìn)行加熱，從而達(dá)到控制鍋爐水溫的目的。 （5）控制器控制器采用 SIEMENS 公司的 S7-300 CPU，型號(hào)為 314 IFM，本 CPU 既具有能進(jìn)行多點(diǎn)通訊功能的 MPI 接口，又具有 PROFIBUS-DP 通訊功能的 DP 通訊接口。該 CPU 工作存儲(chǔ)器容量為 24K 字節(jié)，內(nèi)部集成 RAM 為 40K 字節(jié)，并自帶 4 位模擬量輸入，一位模擬量輸出。2.2 硬件配置2.2.1 生成新項(xiàng)目 雙擊桌面上的“SIMATIC Manager”圖標(biāo)，則會(huì)啟動(dòng) STEP 7 管理器及 STEP 7 新項(xiàng)目創(chuàng)建向?qū)鐖D 2 所示。按照向?qū)Ы缑嫣崾荆c(diǎn)擊“NEX

17、T” ，選擇好 CUP 型號(hào)，本論文選擇的 CPU 型號(hào)為 CPU314 IFM，設(shè)置 CPU 的 MPI 地址為 2，點(diǎn)擊“NEXT” ，在出現(xiàn)的界面中選擇好你所熟悉的編程語(yǔ)言（本設(shè)計(jì)選用梯形圖 LAD） ，點(diǎn)擊“FINISH” ，項(xiàng)目生成完畢，啟動(dòng)后 STEP 7 管理器界面如圖 3 所示。4 圖 2 新項(xiàng)目創(chuàng)建向?qū)?圖 3 管理器界面2.2.2 硬件配置（1）選中 STEP 7 管理器左邊窗口中的“SIMATIC 300 Station”項(xiàng)，單擊鼠標(biāo)的左鍵，則會(huì)在右邊窗口中出現(xiàn)“Hardware”和“CPU314 IFM(1)”兩個(gè)項(xiàng)目，雙擊“Hardware” ，打開(kāi)硬件配置窗口如圖

18、4 所示。圖 4 硬件配置窗口（2）整個(gè)硬件配置窗口分為四個(gè)部分，左上方為模塊機(jī)架，左下方為機(jī)架上模塊的詳細(xì)內(nèi)容，右上方是硬件列表，右下方是硬件列表中具體某個(gè)模塊的功能說(shuō)明和訂貨號(hào)。5（3）要配置一個(gè)新模塊，首先要確定模塊放置在機(jī)架上的什么位置，再在硬件列表中找到相對(duì)應(yīng)的模塊，雙擊模塊或者按住鼠標(biāo)左鍵拖動(dòng)模塊到安放到選擇好的位置，放好后，會(huì)自動(dòng)彈出模塊屬性對(duì)話框，只要設(shè)置好模塊的地址和其他參數(shù)即可。（4）按照上面的步驟，逐一按照實(shí)際硬件排放順序配置好所有的模塊，編譯通過(guò)后，保存所配置的硬件。配置好的硬件配置如圖 5 所示。圖 5 配置好的硬件配置2.3 程序設(shè)計(jì)2.3.1 FB41 簡(jiǎn)介FB4

19、1 模塊被稱為連續(xù)控制的 PID，用于控制連續(xù)變化的模擬量。它是 S7-300 給用戶提供的標(biāo)準(zhǔn)的已經(jīng)編制好的程序的塊，用戶可以直接調(diào)用它們，以便高效地編制自己的程序，但是不能修改這些編制好的功能塊。系統(tǒng)功能塊有存儲(chǔ)功能，其變量保存在指定給它的背景數(shù)據(jù)塊中。FB41 不僅實(shí)現(xiàn)了設(shè)定值和過(guò)程值分支的功能，還實(shí)現(xiàn)了一個(gè)完整的 PID 控制器。FB41“CONT_C”用于在SIMATIC S7 可編程控制器上，控制帶有連續(xù)輸入和輸出變量的工藝過(guò)程。在參數(shù)分配期間可以激活或取消激活 PID 控制器的子功能，以使控制器適合實(shí)際的工藝過(guò)程。其功能模塊引腳圖如圖 6 所示。參數(shù)表如表 1 所示。67圖 6

20、FB41 功能模塊引腳圖表 1 FB41 參數(shù)表 82.3.2 FC105 簡(jiǎn)介 FC105 功能是通過(guò)獲取一個(gè)整型值(IN)，并將其轉(zhuǎn)換成以工程量單位表示的介于 LO_LIM 和 HI_LIM 之間的實(shí)型值。然后將轉(zhuǎn)化后的值送入 OUT 進(jìn)行輸出。FC105 功能可以使用以下等式。OUT = (FLOAT (IN) -K1)/(K2-1) * (HI_LIM-O_LIM) + LO_LIM （1） 如果輸入整型值大于設(shè)定上限值，輸出(OUT)將鉗位于 HI_LIM，并返回一個(gè)錯(cuò)誤。如果輸入整型值小于設(shè)定下限值，輸出將鉗位于 LO_LIM，并返回一個(gè)錯(cuò)誤。FC105 的引腳圖如圖 7 所示。F

21、C105 的參數(shù)表如表 2 所示。圖 7 FC105表 2 FC105 參數(shù)說(shuō)明參數(shù)數(shù)據(jù)類型描述ENBOOL使能輸入端，狀態(tài)為 1 有效ININT輸入值HI_LIMREAL工程單位表示的上限值LO_LIMREAL工程單位表示的下限值輸入BIPOLARBOOL1 為雙極性，0 為單級(jí)性92.3.3 FC106FC106 模塊功能為獲取一個(gè)以工程量單位表示、且標(biāo)定于 LO_LIM 和HI_LIM 之間的實(shí)型輸入值(IN)，然后通過(guò)模塊的內(nèi)部運(yùn)算轉(zhuǎn)化為一個(gè)整型值，其結(jié)果通過(guò) OUT 輸出。FC106 功能使用以下等式：OUT = (IN-O_LIM)/(HI_LIM-O_LIM) * (K2-1)

22、+ K1 （2）如果輸入值超出 LO_LIM 和 HI_LIM 范圍，輸出(OUT)將鉗位于距其類型(BIPOLAR 或 UNIPOLAR)的指定范圍的下限或上限較近的一方，并返回一個(gè)錯(cuò)誤。FC106 的引腳圖如圖 8 所示。參數(shù)表如表 3 所示。輸出OUTREAL轉(zhuǎn)換的結(jié)果ENOBOOL使能輸出端，狀態(tài)為 1 有效RET_VALWORD狀態(tài)字10圖 8 FC106表 3 FC106 參數(shù)2.3.4 控制程序說(shuō)明參數(shù)數(shù)據(jù)類型描述ENBOOL使能輸入端，狀態(tài)為 1 有效INREAL輸入值HI_LIMREAL工程單位表示的上限值LO_LIMREAL工程單位表示的下限值輸入BIPOLARBOOL1

23、為雙極性，0 為單級(jí)性輸出ENOBOOL使能輸出端，狀態(tài)為 1 有效OUTINT轉(zhuǎn)換的結(jié)果11122.3.5 程序與組態(tài)的連接 點(diǎn)擊窗口工具欄上的電源控制開(kāi)關(guān)，把 CPU 設(shè)置成 STOP 模式，返回硬件配置窗口，點(diǎn)擊編譯圖標(biāo)，然后把 CPU 置于成 RUN 的狀態(tài)，如果 SF 燈不亮，且亮的只有綠燈，表明程序與組態(tài)可以連接。如果 SF 燈亮，則表明程序連接組態(tài)出錯(cuò)，修改程序，直到成功。如圖 9 所示。圖 9 連接窗口2.3.6 建站選中文件名“S7-XX” ，單擊鼠標(biāo)的右鍵，選擇“Insert New Object”項(xiàng)，13- “OS”項(xiàng)，就成功建立了一個(gè)新的站。如圖 10、11 所示。圖

24、10 建立新站圖 11 建立新站后的窗口2.4 組態(tài)步驟（1）新建工程14點(diǎn)擊菜單“文件”-“新建” ，打開(kāi)如圖 12 所示的窗口。在打開(kāi)創(chuàng)建新項(xiàng)目的窗口中，選擇“單用戶項(xiàng)目” ，單擊“確定”按鈕，打開(kāi)如圖 13 所示的窗口。 圖 12 創(chuàng)建新項(xiàng)目向?qū)?圖 13 輸入項(xiàng)目名稱 填寫(xiě)好項(xiàng)目名稱后，點(diǎn)擊“創(chuàng)建”按鈕，這樣就新建好一個(gè)工程了。（2）添加通訊驅(qū)動(dòng)程序選中變量管理器，單擊鼠標(biāo)的右鍵，選擇“添加新的驅(qū)動(dòng)程序”項(xiàng)，如圖14 圖 a 所示，之后會(huì)出現(xiàn)一個(gè)窗口，選擇“SIMATIC S7 Protocol Suite.CHN”項(xiàng)，單擊“打開(kāi)”按鈕，出現(xiàn)如圖 14 圖 b 所示的窗口。15 圖 a

25、 圖 b 圖 14 添加通訊驅(qū)動(dòng)程序（3）組態(tài)變量點(diǎn)擊圖 14 圖 b 右側(cè)窗口的“SIMATIC S7 PROTOCOL SUITE”項(xiàng)，會(huì)出現(xiàn)如圖 15 所示的窗口。圖 15 顯示通道單元在圖 15 中，選中“MPI”項(xiàng)，單擊右鍵，選擇“新建驅(qū)動(dòng)程序連接”項(xiàng)，打開(kāi)如圖 16 所示的窗口。點(diǎn)擊“確定”按鈕。16圖 16 連接屬性窗口在窗口的右側(cè)，單擊右鍵，選擇“新建變量”項(xiàng)，打開(kāi)如圖 17 所示的窗口。單擊“選擇”項(xiàng)，彈出如圖 18 所示的窗口。用同樣的方法組態(tài)剩下的下變量，組態(tài)好的變量如圖 19 所示。17圖 17 定義變量圖 18 變量地址屬性 18圖 19 定義好的變量 （4）組態(tài)畫(huà)面

26、編輯 在窗口的左側(cè)，選中“圖形編輯器” ，單擊右鍵，選擇“新建畫(huà)面”項(xiàng)。在窗口右側(cè)增加了一個(gè)文件“NewPdl0.Pdl” ，雙擊“NewPdl0.Pdl” ，打開(kāi)如圖 20所示的窗口。圖 20 畫(huà)面編輯窗口 在對(duì)象調(diào)色板的智能對(duì)象中，選中“棒圖”項(xiàng)，制作成參數(shù)整定中溫度量程的儀表，如圖 21 所示。在對(duì)象調(diào)色板的智能對(duì)象中，選中“輸入/輸出域”項(xiàng)，作成對(duì)應(yīng)的數(shù)字輸入/輸出顯示，如圖 22 所示。在對(duì)象調(diào)色板的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)象中，選中“靜態(tài)文本”項(xiàng)，作為輸入/輸出域的文字解釋，如圖 23 所示。組態(tài)好的參數(shù)整定畫(huà)面如圖 24 所示。19圖 21 棒圖畫(huà)面 圖 22 輸入/輸出域畫(huà)面 圖 23 靜態(tài)文本

27、畫(huà)面20 圖 24 組態(tài)好的參數(shù)整定畫(huà)面 在對(duì)象調(diào)色板的窗口對(duì)象中，選中“按鈕”項(xiàng)，放入畫(huà)面編輯窗口中，如圖 25 所示。選中按鈕，單擊右鍵，進(jìn)行屬性的編譯，如圖 26、27 所示。圖 25 按鈕畫(huà)面圖 26 按鈕的屬性設(shè)置21圖 27 編輯動(dòng)作窗口 點(diǎn)擊對(duì)象調(diào)色板的窗口的“控件”按鈕，如圖 28 所示，選擇“Active 控件”項(xiàng)中的“WinCC Online Trend Control”項(xiàng)，在組態(tài)窗口中，拖一個(gè)長(zhǎng)方形的區(qū)域，歷史曲線顯示控件被放置到窗口中，如圖 29 所示。雙擊這個(gè)控件，打開(kāi)如圖 30 所示的 WINCC 在線趨勢(shì)控件屬性窗口。22 圖 28 控件選項(xiàng)窗口 圖 29 歷史曲

28、線窗口圖 30 WINCC 在線趨勢(shì)控件屬性窗口 組態(tài)好的按鈕畫(huà)面如圖 31 所示，組態(tài)好的全部畫(huà)面如圖 32 所示。 圖 31 組態(tài)好的按鈕畫(huà)面23圖 32 組態(tài)好的全部畫(huà)面3 系統(tǒng)的整定及調(diào)試3.1 PID 調(diào)節(jié)器3.1.1 PID 的傳遞函數(shù)本次設(shè)計(jì)采用 PID 控制的算法，它具有原理簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)、魯棒性強(qiáng)的特點(diǎn)。PID 調(diào)節(jié)器的微分方程如式（3）所示，傳遞函數(shù)如式（4）所示。 （3） dttdedtte1tetTTKUDIP （4) )SS11 (SESUSTTKGDIPC式中：KP-比例系數(shù)； TI-積分時(shí)間常數(shù)；24 TD-微分時(shí)間常數(shù)；3.1.2 控制規(guī)律的選擇（1）比例控制(

29、P 調(diào)節(jié)） 比例控制器的傳遞函數(shù)如式（5）所示。比例動(dòng)作的調(diào)節(jié)器對(duì)擾動(dòng)有及時(shí)而有力的抑制作用，這種調(diào)節(jié)器的主要缺點(diǎn)是系統(tǒng)存在靜態(tài)誤差，不能做無(wú)靜差調(diào)節(jié)。比例值 Kp 增大，穩(wěn)態(tài)誤差減小，但是可能導(dǎo)致系統(tǒng)震蕩加劇，甚至不穩(wěn)定。 (5) 1SKGPC式中 Kp 是比例系數(shù)， 是比例帶。（2）比例-積分(PI)調(diào)節(jié)PI 調(diào)節(jié)器主要是利用比例調(diào)節(jié)來(lái)快速消除擾動(dòng)的影響，同時(shí)利用積分調(diào)節(jié)來(lái)消除穩(wěn)態(tài)誤差，當(dāng)偏差出現(xiàn)時(shí)，比例起粗調(diào)作用，積分起細(xì)調(diào)作用，直到誤差為零。當(dāng) Kp 不變時(shí)，減小 Ti，積分作用增強(qiáng)，衰減比減小，震蕩加劇，超調(diào)量增大。積分作用除消除系統(tǒng)的余差外，也降低了系統(tǒng)的震蕩頻率，使響應(yīng)速度變慢。

30、PI 調(diào)節(jié)器是在過(guò)程控制中被應(yīng)用的最多的一種。它的傳遞函數(shù)如式（6）所示。 (6) )S11 (1)S11 (STTKGIIPC式中 Ti 是積分的時(shí)間。（3）比例-微分(PD)調(diào)節(jié)PD 調(diào)節(jié)就是利用微分的超前控制作用。微分反映變化率，可以使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性改善，但微分作用過(guò)強(qiáng)，可能導(dǎo)致系統(tǒng)的穩(wěn)定性減弱。對(duì)于大時(shí)滯系統(tǒng)，微分控制不能改善系統(tǒng)品質(zhì)。噪聲大的系統(tǒng)也不宜加入微分，容易導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥開(kāi)度飽和。它的傳遞函數(shù)如式（7）所示。 (7) )S1 (1)S1 (STTKGDDPC式中 Td 是微分的時(shí)間。（4）比例-積分-微分(PID)調(diào)節(jié)器PID 調(diào)節(jié)器是常規(guī)調(diào)節(jié)器中性能最好的一種。它集各種調(diào)節(jié)器的

31、優(yōu)點(diǎn)于一身，既能迅速消除外部干擾的影響，消除靜差，又能加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減小超調(diào)，克服震蕩。三者結(jié)合，可以達(dá)到快速敏捷，平穩(wěn)準(zhǔn)確。它的傳遞函數(shù)如式（8）所示。25 (8) )SS11 (1)SS11 (STTTTKGDIDIPC3.1.3 PID 控制器參數(shù)整定的方法參數(shù)整定的方法一般分為兩種：一種是理論整定法，它是利用對(duì)數(shù)頻率特性法和根軌跡法來(lái)求得相應(yīng)的參數(shù)；另一種是工程整定法，它的特點(diǎn)是不需要事先知道過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，可以直接在過(guò)程控制系統(tǒng)中進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)整定，方法簡(jiǎn)單，計(jì)算簡(jiǎn)便，易于掌握。工程整定法包含有以下四種： （1）現(xiàn)場(chǎng)湊試法（也稱經(jīng)驗(yàn)法） 它是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先將控制器的參數(shù)設(shè)置在某些數(shù)值上，

32、直接在閉環(huán)控制系統(tǒng)中通過(guò)改變給定值和施加擾動(dòng)信號(hào)，觀察系統(tǒng)的輸出響應(yīng)曲線和擾動(dòng)響應(yīng)曲線的形狀，根據(jù) ，Ti，Td 對(duì)控制系統(tǒng)的影響規(guī)律，現(xiàn)場(chǎng)湊試調(diào)整相應(yīng)的參數(shù)，直到獲得滿意的動(dòng)、靜特性為止。 （2）臨界比例度法在閉合的控制系統(tǒng)里，將調(diào)節(jié)器置于純比例作用下，由大到小逐漸改變調(diào)節(jié)器的比例度，得到等幅振蕩的過(guò)渡過(guò)程，如圖 33 所示。此時(shí)的比例度被稱為臨界比例度 k，相鄰兩個(gè)波峰間的時(shí)間間隔，被稱為臨界振蕩周期 Ts，按表4 所列的經(jīng)驗(yàn)算式，求取調(diào)節(jié)器的參考參數(shù)值。 圖 33 具有周期 TS的等幅振蕩表 4 臨界比例度法整定調(diào)節(jié)器參數(shù) 調(diào)節(jié)器參數(shù)調(diào)節(jié)器名稱TI(S)TD(S)P2kPI2.2kTS/

33、1.2PID1.6k0.5TS0.125TS 26 此法的優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)用簡(jiǎn)單方便，但有些事項(xiàng)仍要注意。有的控制系統(tǒng)，臨界比例度非常小，使系統(tǒng)接近兩式控制，調(diào)節(jié)閥不是全開(kāi)就是全關(guān)，對(duì)控制工業(yè)的生產(chǎn)十分的不利。也有的控制系統(tǒng)，就算把調(diào)節(jié)器的比例度 調(diào)到最小的刻度值，系統(tǒng)也仍不會(huì)產(chǎn)生等幅的振蕩，對(duì)此，就可以把最小刻度所對(duì)應(yīng)的比例度看作是臨界比例度 k 來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)器的參數(shù)的整定。（3）衰減曲線法（阻尼振蕩法）圖 34 4：1 衰減曲線法圖形在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，首先把調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置為純比例作用（Ti=，Td=0）使系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行，然后再把比例度 由大逐漸減小，直至出現(xiàn)如圖 34 所示的4：1 衰減過(guò)程曲線為止。

34、此時(shí)的比例度稱為 4：1 衰減比例度 s，兩個(gè)相鄰波峰間的時(shí)間間隔，稱為 4：1 衰減周期 Ts。根據(jù) s 和 Ts，運(yùn)用表 5 所示的經(jīng)驗(yàn)公式，就可計(jì)算出調(diào)節(jié)器預(yù)整定的參數(shù)值。表 5 衰減曲線法計(jì)算公式 調(diào)節(jié)器參數(shù)調(diào)節(jié)器名稱（%）TI(min)TD(min)PSPI1.2S0.5TSPID0.8S0.3TS0.1 TS （4）動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法這種整定的方法，就是以對(duì)象特性的階躍響應(yīng)曲線為依據(jù)，利用一些已知的經(jīng)驗(yàn)公式去求取調(diào)節(jié)器的被控過(guò)程的增益 K、時(shí)間常數(shù) T、時(shí)滯 。常見(jiàn)的方法有齊格勒-尼科爾斯（Ziegler-Nichols) 法，柯恩-庫(kù)恩（Cohen-Coon)法等。利用表 6 所示的

35、經(jīng)驗(yàn)公式，就可計(jì)算出對(duì)應(yīng)于衰減率為 4：1 時(shí)調(diào)節(jié)器的相關(guān)參數(shù)。如果被控對(duì)象是一階慣性環(huán)節(jié)，或具有很小滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，若用臨界比例度法或阻尼振蕩法（4：1 衰減）就有難度，此時(shí)應(yīng)采用動(dòng)態(tài)特性參27數(shù)法進(jìn)行整定。表 6 經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式調(diào)節(jié)器參數(shù)調(diào)節(jié)器名稱（%）TITDP100%TKPI1.1100%TK3.3PID0.85100%TK20.53.2 調(diào)試步驟及結(jié)果本系統(tǒng)選擇鍋爐內(nèi)膽水溫作為被控制量，仿真之前先將儲(chǔ)水箱貯滿水，將閥門 F1-1、F1-5、F1-13 全開(kāi)，手動(dòng)調(diào)節(jié)閥門 F1-4 至適當(dāng)開(kāi)度，打開(kāi)電磁閥開(kāi)關(guān)，其余閥門關(guān)閉，啟動(dòng) 380 伏交流磁力泵，給鍋爐內(nèi)膽貯存一定的水量（要求至

36、少高于液位指示玻璃管的紅線位置） 。接通控制系統(tǒng)電源，打開(kāi)用作上位監(jiān)控的 PC 機(jī)，進(jìn)入仿真主界面，系統(tǒng)進(jìn)入正常的測(cè)試狀態(tài)，在上位機(jī)監(jiān)控界面中點(diǎn)擊 “手動(dòng)” ，并將輸出值設(shè)置為一個(gè)合適的值。合上三相電源空氣開(kāi)關(guān)，三相電加熱管通電加熱，適當(dāng)增加/減少輸出量，使鍋爐內(nèi)膽的水溫穩(wěn)定于設(shè)定值。待鍋爐內(nèi)膽水溫穩(wěn)定于給定值時(shí)，將調(diào)節(jié)器切換到“自動(dòng)”狀態(tài)，待水溫穩(wěn)定后，突增（或突減）設(shè)定值的大小，使其有一個(gè)正（或負(fù)）階躍增量的變化（即階躍干擾，此增量不宜過(guò)大，一般為設(shè)定值的 515%為宜） ，鍋爐內(nèi)膽的水溫便離開(kāi)原平衡狀態(tài)，經(jīng)過(guò)一段調(diào)節(jié)時(shí)間后，水溫穩(wěn)定至新的設(shè)定值。點(diǎn)擊仿真界面下邊的切換按鈕，觀察實(shí)時(shí)曲線、

37、歷史曲線、數(shù)據(jù)報(bào)表所記錄的設(shè)定值、輸出值，內(nèi)膽水溫的響應(yīng)過(guò)程曲線將如下圖所示。圖 35 內(nèi)膽水溫的響應(yīng)過(guò)程曲線28 （1）控制系統(tǒng)采用 P 調(diào)節(jié)器時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 36 所示。圖 36 采用 P 調(diào)節(jié)器時(shí)鍋爐內(nèi)膽靜態(tài)水溫效果圖 （2）控制系統(tǒng)采用 PI 調(diào)節(jié)器時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 37 所示。29圖 37 采用 PI 調(diào)節(jié)器時(shí)鍋爐內(nèi)膽靜態(tài)水溫效果圖 （3）控制系統(tǒng)采用 PD 調(diào)節(jié)器時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 38 所示。圖 38 采用 PD 調(diào)節(jié)器時(shí)鍋爐內(nèi)膽靜態(tài)水溫效果圖 （4）控制系統(tǒng)采用 PID 調(diào)節(jié)器時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 39 所示。30圖 39 采用 PID 調(diào)節(jié)器時(shí)鍋爐內(nèi)膽靜態(tài)水溫效果圖結(jié)束語(yǔ) 此次的

38、畢業(yè)設(shè)計(jì)，主要認(rèn)識(shí)了 STEP 7 軟件的基本編程和 WINCC 組態(tài)畫(huà)面的設(shè)計(jì),了解了鍋爐內(nèi)膽水溫控制系統(tǒng)的基本原理，并且學(xué)會(huì)了如何去設(shè)計(jì)一個(gè)過(guò)程控制系統(tǒng)，掌握了基本的設(shè)計(jì)方法。在通常情況下，主要是由以下幾個(gè)部分組成：了解被控對(duì)象、設(shè)計(jì)控制方案、儀器設(shè)備的選擇、編寫(xiě)程序、設(shè)計(jì)組態(tài)畫(huà)面、系統(tǒng)調(diào)試等，這種設(shè)計(jì)方法可以讓設(shè)計(jì)結(jié)果達(dá)到最佳的效果，最符合系統(tǒng)的控制要求。通過(guò)這次的設(shè)計(jì)，讓我對(duì)過(guò)程控制系統(tǒng)有了全新的認(rèn)知，從無(wú)到有，體會(huì)到了過(guò)程控制系統(tǒng)的強(qiáng)大，明白了過(guò)程控制系統(tǒng)的重要性，同時(shí)我也學(xué)會(huì)簡(jiǎn)單使用 WINCC 和 STEP 7 這兩款西門子的軟件。本次設(shè)計(jì)中還調(diào)用了PID 控制模塊的 FB41

39、功能模塊，在使用的過(guò)程當(dāng)中，再一次的加深了對(duì) PID 控制器的了解。這次設(shè)計(jì)讓我在新的領(lǐng)域又學(xué)到了新的知識(shí)。在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，一開(kāi)始對(duì)課題確實(shí)不是很了解，而且對(duì)需要用到的軟件 WINCC 和 STEP 7 更是完全不懂，通過(guò)老師和同學(xué)的幫助以及上網(wǎng)查找資料，31逐漸的對(duì)課題和軟件有了初步的了解。了解了組態(tài)知識(shí)，在畢業(yè)設(shè)計(jì)中，學(xué)會(huì)了簡(jiǎn)單應(yīng)用。這個(gè)階段也許就是學(xué)習(xí)的初級(jí)階段，最重要的是在無(wú)聊中發(fā)現(xiàn)新奇，培養(yǎng)學(xué)習(xí)的興趣。一開(kāi)始的時(shí)候完全不知道該怎么做，查了一些相關(guān)的的課題資料和相關(guān)課本知識(shí)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中也加深了對(duì)學(xué)過(guò)的知識(shí)的理解，可以說(shuō)是溫故而知新，并且在摸索之中設(shè)計(jì)出組態(tài)圖，不過(guò)圖還不是很完整。在

40、畫(huà)組態(tài)圖的過(guò)程中，剛開(kāi)始那是毫無(wú)頭緒，也借鑒了很多別人設(shè)計(jì)好的組態(tài)畫(huà)面，最終還是把程組態(tài)圖畫(huà)完了。在此期間，我覺(jué)得是在解析一道道難題，難免會(huì)有心煩意亂的時(shí)候,導(dǎo)致不想接著做，但是畢竟確實(shí)還是學(xué)到了一些知識(shí)，這些知識(shí)是大學(xué)課堂中所沒(méi)有涉及的，相信對(duì)我今后的工作和生活會(huì)有幫助的。這次設(shè)計(jì)，讓我明白了相互幫助、團(tuán)隊(duì)合作的重要性，自己的方法不一定是最合理的，也不是所有的問(wèn)題靠自己就能夠解決，相互交流補(bǔ)充能夠讓我們少走許多彎路，同時(shí)保證了畢業(yè)設(shè)計(jì)的順利完成。所以加強(qiáng)團(tuán)隊(duì)合作，對(duì)工作學(xué)習(xí)都有著重要的意義。通過(guò)對(duì)課題的把握和理解，我著重對(duì)編程和組態(tài)軟件進(jìn)行學(xué)習(xí)，讓自己對(duì)組態(tài)設(shè)計(jì)保持一定的興趣，對(duì)組態(tài)的應(yīng)用感

41、到好奇?？傊?，畢業(yè)設(shè)計(jì)一定要按照指導(dǎo)老師要求和步驟，一步步的完成，做到理論聯(lián)系實(shí)際，才能更好地完成設(shè)計(jì)。通過(guò)這次鍋爐內(nèi)膽水溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，學(xué)到了挺多的知識(shí)，換句話說(shuō)，本次設(shè)計(jì)也提供了一個(gè)好的機(jī)會(huì)，讓我從生疏到入門，從無(wú)知到了解，加深了對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解。因此，總體來(lái)說(shuō)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)讓我受益匪淺，也是對(duì)大學(xué)生涯的一個(gè)圓滿的總結(jié)。參考文獻(xiàn)1 劉華波，王雪組態(tài)軟件 WINCC 及其應(yīng)用機(jī)械工業(yè)出版社，2010 Liu HuaBo,Wang Xue.Configuration software WINCC its application.Mechanical Industry Press,2010 2 祁紅芳，王淑紅.PID算法在西門子PLC模擬量閉環(huán)控制忠的實(shí)現(xiàn)J機(jī)床電器,2005 Qi HongFang,Wang ShuHong.PID algorithm Siemens PLC analog closed-loop control and