煤氣爐爐底飽和溫度 控制

1、第 1 頁(yè)摘摘 要要組態(tài)王開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)軟件，是新型的工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)正以標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)計(jì)算機(jī)軟、硬件平臺(tái)構(gòu)成的集成系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的封閉式系統(tǒng)。具有適應(yīng)性強(qiáng)、開放性好、易于擴(kuò)展、經(jīng)濟(jì)、開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)。通?？梢园堰@樣的系統(tǒng)劃分為控制層、監(jiān)控層、管理層三個(gè)層次結(jié)構(gòu)。其中監(jiān)控層對(duì)下連接控制層，對(duì)上連接管理層，它不但實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，且在自動(dòng)控制系統(tǒng)中完成上傳下達(dá)、組態(tài)開發(fā)的重要作用。尤其考慮三方面問題：畫面、數(shù)據(jù)、動(dòng)畫。通過對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)要求及實(shí)現(xiàn)功能的分析，采用組態(tài)王對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。組態(tài)軟件也為試驗(yàn)者提供了可視化監(jiān)控畫面，有利于試驗(yàn)者實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控。而且，它能充分利用 Windows 的圖形編輯

2、功能，方便地構(gòu)成監(jiān)控畫面，并以動(dòng)畫方式顯示控制設(shè)備的狀態(tài)，具有報(bào)警窗口、實(shí)時(shí)趨勢(shì) 曲線等，可便利的生成各種報(bào)表。它還具有豐富的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和靈活的組態(tài)方式、數(shù)據(jù)鏈接功能。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：溫度控制，可編程控制器， 人機(jī)界面， 組態(tài)王第 2 頁(yè)目目 錄錄第一章 前 言 .31.1 項(xiàng)目背景、意義 .31.2 課程設(shè)計(jì)研究?jī)?nèi)容 .4第二章 基于組態(tài)王的 HMI 設(shè)計(jì) .52.1 人機(jī)界面（HMI）設(shè)計(jì).52.2 監(jiān)控主界面 .72.3 實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線 .82.4 歷史趨勢(shì)曲線 .92.5 報(bào)警窗口 .102.6 設(shè)定畫面 .112.6.1 變量設(shè)置.112.6.2 動(dòng)畫連接.142.7 工藝流程圖.17

3、結(jié) 論 .18參考文獻(xiàn) .19第一章 前 言第 3 頁(yè)1.1 項(xiàng)目背景、意義溫度控制在電子、冶金、機(jī)械等工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。由于其具有工況復(fù)雜、參數(shù)多變、運(yùn)行慣性大、控制滯后等特點(diǎn)，它對(duì)控制調(diào)節(jié)器要求極高。目前,仍有相當(dāng)部分工業(yè)企業(yè)在用窯、爐等烘干生產(chǎn)線，存在著控制精度不高、爐內(nèi)溫度均勻性差等問題,達(dá)不到工藝要求，造成裝備運(yùn)行成本費(fèi)用高，產(chǎn)出品品質(zhì)低下，嚴(yán)重影響企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，急需技術(shù)改造。 近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)溫度控制器的研究進(jìn)行了廣泛、深入的研究，特別是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，溫度控制器的研究取得了巨大的發(fā)展，形成了一批商品化的溫度調(diào)節(jié)器，如:職能化 PID、模糊控制、自適應(yīng)控制等，其性能、控制

4、效果好,可廣泛應(yīng)用于溫度控制系統(tǒng)及企業(yè)相關(guān)設(shè)備的技術(shù)改造服務(wù)。 在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域內(nèi),PLC（可編程控制器） 以其可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大、性價(jià)比高、體積小、能耗低等顯著特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)的自動(dòng)控制之中。目前的工業(yè)控制中,常常選用 PLC 作為現(xiàn)場(chǎng)的控制設(shè)備,用于數(shù)據(jù)采集與處理、邏輯判斷、輸出控制；而上位機(jī)則是利用 HMI 軟件來(lái)完成工業(yè)控制狀態(tài)、流程和參數(shù)的顯示,實(shí)現(xiàn)監(jiān)控、管理、分析和存儲(chǔ)等功能 。這種監(jiān)控系統(tǒng)充分利用了 PLC 和計(jì)算機(jī)各自的特點(diǎn),得到了廣泛的應(yīng)用。在這種方式的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一套溫度控制系統(tǒng)。以基于 PLC 的下位機(jī)和完成HMI 功能的上位機(jī)相結(jié)合,構(gòu)建成

5、分布式控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了溫度自動(dòng)控制。PLC 不僅具有傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)的控制功能，而且能擴(kuò)展輸入輸出模塊，特別是可以擴(kuò)展一些智能控制模塊，構(gòu)成不同的控制系統(tǒng)，將模擬量輸入輸出控制和現(xiàn)代控制方法融為一體，實(shí)現(xiàn)智能控制、閉環(huán)控制、多控制功能一體的綜合控制。現(xiàn)代PLC 以集成度高、功能強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、組態(tài)靈活、工作穩(wěn)定受到普遍歡迎，在傳統(tǒng)工業(yè)的現(xiàn)代化改造中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用,尤其適合溫度控制的要求。此外，隨著工業(yè)自動(dòng)化水平的迅速提高，用戶對(duì)控制系統(tǒng)的過程監(jiān)控要求第 4 頁(yè)越來(lái)越高，人機(jī)界面（HMI）的出現(xiàn)正好滿足了用戶這一需求。人機(jī)界面可以對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行全面監(jiān)控，包括參數(shù)監(jiān)測(cè)、信息處理、在線優(yōu)化

6、、報(bào)警提示、數(shù)據(jù)記錄等功能，從而使控制系統(tǒng)變得簡(jiǎn)單易懂、操作人性化，深受廣大用戶的喜歡。人機(jī)界面（HMI）在自動(dòng)控制領(lǐng)域的作用日益顯著。HMI正在成為引導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn)制造走向成功的重要因素，因?yàn)檫@些系統(tǒng)越來(lái)越多的用于監(jiān)控生產(chǎn)過程，讓過程變得更加準(zhǔn)確、簡(jiǎn)潔和快速。 HMI 其實(shí)廣義的解釋就是“使用者與機(jī)器間溝通、傳達(dá)及接收信息的一個(gè)接口” 。舉個(gè)例子來(lái)說，在一座工廠里頭，我們要搜集工廠各個(gè)區(qū)域的溫度、濕度以及工廠中機(jī)器的狀態(tài)等等的信息透過一臺(tái)主控器監(jiān)視并記錄這些參數(shù)，并在一些意外狀況發(fā)生的時(shí)候能夠加以處理。這便是一個(gè)很典型的 SCADA/HMI的運(yùn)用，一般而言，HMI 系統(tǒng)必須有幾項(xiàng)基本的能力：實(shí)時(shí)

7、的資料趨勢(shì)顯示把擷取的資料立即顯示在屏幕上。自動(dòng)記錄資料自動(dòng)將資料儲(chǔ)存至數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便日后查看。歷史資料趨勢(shì)顯示把數(shù)據(jù)庫(kù)中的資料作可視化的呈現(xiàn)。報(bào)表的產(chǎn)生與打印能把資料轉(zhuǎn)換成報(bào)表的格式，并能夠打印出來(lái)。圖形接口控制操作者能夠透過圖形接口直接控制機(jī)臺(tái)等裝置。 警報(bào)的產(chǎn)生與記錄使用者可以定義一些警報(bào)產(chǎn)生的條件。比方說溫度過度或壓力超過臨界值，在這樣的條件下系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生警報(bào)，通知作業(yè)員處理1。1.2 課程設(shè)計(jì)研究?jī)?nèi)容本文研究的是 PLC 技術(shù)在溫度監(jiān)控系統(tǒng)上的應(yīng)用。從整體上分析和研究了控制系統(tǒng)的硬件配置、電路圖的設(shè)計(jì)、程序設(shè)計(jì)，控制對(duì)象數(shù)學(xué)模型的建立、控制算法的選擇和參數(shù)的整定，人機(jī)界面的設(shè)計(jì)等。本文

8、通過德國(guó)西門子公司的S7-200系列PLC控制器，溫度傳感器將檢測(cè)到的實(shí)際爐溫轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，經(jīng)過模擬量輸入模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號(hào)并送到第 5 頁(yè)P(yáng)LC中進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，PID控制器輸出量轉(zhuǎn)化成占空比，通過固態(tài)繼電器控制爐子加熱的通斷來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)爐子溫度的控制。同時(shí)利用亞控公司的組態(tài)軟件“組態(tài)王”設(shè)計(jì)一個(gè)人機(jī)界面（HMI） ，通過串行口與可編程控制器通信，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行全面監(jiān)控，從而使用戶操作更方便?？傮w上包括的技術(shù)路線：硬件設(shè)計(jì)，軟件編程，參數(shù)整定等。第二章 基于組態(tài)王的 HMI 設(shè)計(jì)隨著自動(dòng)化技術(shù)迅猛發(fā)展，控制系統(tǒng)功能越來(lái)越強(qiáng)大，控制過程也變得越來(lái)越復(fù)雜，系統(tǒng)操作最大透明化已經(jīng)成為一種需要。人機(jī)

9、界面（HMI Human Machine Interface）以其過程可視化、操作員對(duì)操作過程可方便的控制等顯著特點(diǎn)，很好的滿足了這種需求而得到廣泛的應(yīng)用。工業(yè)HMI又稱觸摸屏監(jiān)控器，是一種智能化操作控制顯示裝置。它一般與PLC等工業(yè)控制設(shè)備，利用顯示屏顯示，通過輸入單元（如觸摸屏、鍵盤、鼠標(biāo)等）寫入工作參數(shù)或輸入操作命令，實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器信息交互。HMI的主要功能有：數(shù)據(jù)的輸入與顯示；系統(tǒng)或設(shè)備的操作狀態(tài)方面的實(shí)時(shí)信息顯示；報(bào)警處理及打?。粩?shù)據(jù)歸檔和報(bào)表系統(tǒng)。此外，新一代工業(yè)人機(jī)界面還具有簡(jiǎn)單的編程、對(duì)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、數(shù)據(jù)登錄及配方等智能化控制功能19。2.1 人機(jī)界面（HMI）設(shè)計(jì) HMI

10、 監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控主畫面及相應(yīng)的功能子畫面組成，HMI 畫面設(shè)計(jì)對(duì)于HMI 來(lái)說是非常關(guān)鍵的。HMI 畫面是用組態(tài)軟件來(lái)做的，常見的組態(tài)軟件有西門子公司的 Wincc、羅克韋爾公司的 RsView 及國(guó)產(chǎn)的組態(tài)王、力控等。在本溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，我們選擇了組態(tài)王來(lái)完成監(jiān)控畫面的設(shè)計(jì)。組態(tài)王和其他組態(tài)軟件相比最大的優(yōu)勢(shì)是它操作方便，提供了資源管理器式的操作主界面，并且提供了以漢字作為關(guān)鍵字的腳本語(yǔ)言支持，對(duì)于新手來(lái)說很容易上手。我們從北京亞控公司的主頁(yè)上下載了組態(tài)王 6.5.3 演示版，安裝好以后。第 6 頁(yè)雙擊桌面圖標(biāo)，打開工程管理器，建立工程。如圖 5-1 所示，最下面的一行是我們新建的工程，

11、工程名稱為“組態(tài)王” 。雙擊工程管理器中的工程名，出現(xiàn)工程瀏覽器。在工程瀏覽器中，雙擊新建圖標(biāo)，新建畫面（如圖 5-2 所示） 。在這里我們制作了監(jiān)控主界面、實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線、歷史趨勢(shì)曲線、報(bào)警窗口等畫面。下面詳細(xì)介紹每個(gè)畫面的設(shè)計(jì)方法。圖 5-1 新建工程第 7 頁(yè)圖 5-2 新建畫面2.2 監(jiān)控主界面打開開發(fā)系統(tǒng)頁(yè)面后，點(diǎn)擊“圖庫(kù)” ，打開圖庫(kù)管理器，把開關(guān)、溫度儀表、鬧鐘直接拖進(jìn)開發(fā)頁(yè)面，再利用工具箱做好“開始”和“停止”按鈕以及溫度顯示、設(shè)定畫面、報(bào)警窗口等按鈕。完整的主界面如圖 5-3 所示。運(yùn)行組態(tài)王后，點(diǎn)擊“開始”按鈕，開關(guān)變綠色，系統(tǒng)開始運(yùn)行，目前溫度值下面的方框和儀表上都顯示當(dāng)前

12、溫度值，鬧鐘上顯示當(dāng)前日期。點(diǎn)擊“設(shè)定畫面”會(huì)進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)定畫面，點(diǎn)擊“報(bào)警窗口”會(huì)進(jìn)入報(bào)警畫面，實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線和歷史趨勢(shì)曲線也是一樣。點(diǎn)擊“停止”按鈕，系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)束，同時(shí)開關(guān)變紅色。第 8 頁(yè)圖 5-3 主界面2.3 實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線打開開發(fā)系統(tǒng)頁(yè)面后，點(diǎn)擊工具箱中的“實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線”把實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線放進(jìn)開發(fā)頁(yè)面，然后雙擊曲線畫面，對(duì)曲線進(jìn)行設(shè)置，如 X 軸和 Y 軸的設(shè)置及標(biāo)示定義等，最后利用工具箱做好“返回主界面”按鈕，即可形成如圖 5-4 所示的實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線畫面。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線會(huì)顯示當(dāng)前溫度值的變化趨勢(shì)和設(shè)定溫度值。點(diǎn)擊“返回主界面”按鈕，就會(huì)回到主界面。第 9 頁(yè)圖 5-4 實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲

13、線2.4 歷史趨勢(shì)曲線打開開發(fā)系統(tǒng)頁(yè)面后，點(diǎn)擊“圖庫(kù)” ，打開圖庫(kù)管理器，雙擊“歷史曲線”把它放進(jìn)開發(fā)頁(yè)面，再雙擊歷史趨勢(shì)曲線畫面，對(duì)曲線進(jìn)行設(shè)置，包括曲線定義，坐標(biāo)系，操作面板和安全屬性等設(shè)置，最后利用工具箱做好“返回主界面”按鈕，即可形成如圖 5-5 所示的歷史趨勢(shì)曲線畫面。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，畫面上會(huì)記錄某段時(shí)間內(nèi)設(shè)定溫度值和當(dāng)前溫度值的變化曲線。點(diǎn)擊“返回主界面”按鈕，就會(huì)回到主界面。第 10 頁(yè)2.5 報(bào)警窗口打開開發(fā)系統(tǒng)頁(yè)面后，點(diǎn)擊工具箱中的“報(bào)警窗口”把報(bào)警窗口放進(jìn)開發(fā)頁(yè)面，然后雙擊畫面，對(duì)報(bào)警窗口進(jìn)行設(shè)置，包括通用屬性、列屬性、操作屬性、條件屬性、顏色和字體屬性的設(shè)置。最后利用工具箱做

14、好“返回主界面”按鈕，即可形成如圖 5-6 所示的報(bào)警窗口畫面。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，報(bào)警窗口會(huì)根據(jù)當(dāng)前溫度值做出適當(dāng)?shù)膱?bào)警。此項(xiàng)目中我們?cè)O(shè)置當(dāng)前溫度低于 55 度時(shí)， “報(bào)警類型”欄顯示當(dāng)前溫度偏低。當(dāng)前溫度超過 65 度時(shí)， “報(bào)警類型”欄顯示當(dāng)前溫度偏高。圖 5-5 歷史趨勢(shì)曲線第 11 頁(yè)圖 5-6 報(bào)警窗口2.6 設(shè)定畫面設(shè)定畫面的設(shè)計(jì)和上面 4 個(gè)畫面類似，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)該畫面會(huì)顯示增益 Kc、積分時(shí)間 Ti、微分時(shí)間 Td、采樣時(shí)間、設(shè)定溫度等參數(shù)的值，未運(yùn)行時(shí)和圖6-2 基本一樣，只是沒有值顯示出來(lái)。2.6.1 變量設(shè)置 實(shí)際操作打開工程瀏覽器，點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)詞典” ，再點(diǎn)擊“新建”建立“設(shè)定溫

15、度” 、 “當(dāng)前溫度” 、 “啟動(dòng)” 、 “停止” 、 “Kc” 、 “Ti” 、 “Td” 、 “采樣時(shí)間”等變量。其中變量類型和寄存器是最關(guān)鍵的，在組態(tài)王和 PLC 之間傳輸?shù)淖兞慷际?I/O 類型的，只在組態(tài)王內(nèi)部需要的是內(nèi)存型的。寄存器和數(shù)據(jù)類型要與程序中一致，否則組態(tài)王就不能起到監(jiān)控作用了。比如“設(shè)定穩(wěn)定”的寄存器第 12 頁(yè)為 v68,數(shù)據(jù)類型為 float。 “當(dāng)前穩(wěn)定”的寄存器為 v60,數(shù)據(jù)類型為 float。下面我們以當(dāng)前溫度設(shè)置為例來(lái)說明變量設(shè)置的步驟和方法。圖 5-7 為變量“當(dāng)前溫度”基本屬性設(shè)置圖，變量類型設(shè)置為 I/O 實(shí)數(shù)，連接設(shè)備為 PLC，寄存器為 v60，

16、數(shù)據(jù)類型是 float。圖 5-7 當(dāng)前溫度基本屬性設(shè)置圖 5-8 為變量“當(dāng)前溫度”報(bào)警定義設(shè)置圖，我們?cè)O(shè)置了當(dāng)前溫度低于 55 度時(shí)，報(bào)警當(dāng)前溫度太低。當(dāng)前溫度大于 65 時(shí)，報(bào)警當(dāng)前溫度偏高。第 13 頁(yè)圖 5-8 當(dāng)前溫度報(bào)警定義設(shè)置圖 5-9 為變量“當(dāng)前溫度”記錄和安全區(qū)設(shè)置圖，我們?cè)O(shè)置“記錄”為數(shù)據(jù)變化記錄，變化靈敏度設(shè)為 1.這個(gè)主要是為歷史趨勢(shì)曲線服務(wù)的，若不設(shè)置這個(gè)，往往歷史趨勢(shì)曲線就出不來(lái)或者效果很差。第 14 頁(yè)圖 5-9 當(dāng)前溫度記錄和安全區(qū)設(shè)置2.6.2 動(dòng)畫連接打開主界面，雙擊“開始”按鈕，出現(xiàn)如圖 5-10 的動(dòng)畫連接畫面。在按下時(shí)左邊打溝，點(diǎn)擊“確定” ，出現(xiàn)

17、命令語(yǔ)言輸入窗口，在該窗口中輸入圖 5-11 所示的命令，再點(diǎn)擊“確定” ，就完成了“開始”按鈕的動(dòng)畫連接設(shè)置。這樣，點(diǎn)擊“開始”后，系統(tǒng)就開始運(yùn)行，此按鈕就相當(dāng)于 PLC 硬件圖中的綠色啟動(dòng)開關(guān)。 “停止”按鈕的動(dòng)畫連接設(shè)置類似。第 15 頁(yè)圖 5-10 動(dòng)畫連接打開主界面，雙擊目前溫度值下面的框，出現(xiàn)如圖 5-10 所示的動(dòng)畫連接畫面。在模擬值輸出左邊打鉤，出現(xiàn)模擬值輸出連接畫面。點(diǎn)擊表達(dá)式框右邊的問號(hào)，選擇變量“當(dāng)前溫度” 。輸出格式中設(shè)置整數(shù)位數(shù)為 2，小數(shù)位數(shù)為1，顯示格式設(shè)置為十進(jìn)制，最后點(diǎn)擊“確定” 。這樣，變量“當(dāng)前溫度”的動(dòng)畫連接設(shè)置就完成了。打開主界面，雙擊“設(shè)定畫面”按鈕

18、，出現(xiàn)如圖 5-10 的動(dòng)畫連接畫面。在按下時(shí)左邊打溝，點(diǎn)擊“確定” ，出現(xiàn)命令語(yǔ)言輸入窗口，在該窗口中輸入圖 5-12 所示的命令，再點(diǎn)擊“確定” ，就完成了“設(shè)定畫面”按鈕的動(dòng)畫連接設(shè)置。運(yùn)行時(shí)，點(diǎn)擊主界面中的“設(shè)定畫面”就可以進(jìn)入設(shè)定畫面了。其他按鈕的動(dòng)畫連接方法和“開始”按鈕類似，只是輸入的命令稍有不同。到這里，整個(gè)人機(jī)界面（HMI）就完成了。第 16 頁(yè)圖 5-11 開始按鈕命令語(yǔ)言輸入窗口第 17 頁(yè)圖 5-12 設(shè)定畫面命令語(yǔ)言輸入窗口第 18 頁(yè)2.7 工藝流程圖第 19 頁(yè)結(jié) 論本文成功的運(yùn)用了西門子 S7-200PLC 和組態(tài)王設(shè)計(jì)了一個(gè)人機(jī)監(jiān)控的溫度控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用串級(jí) PID 控制，利用粗調(diào)和細(xì)調(diào)，得到了一個(gè)反應(yīng)比較迅速，控制精度比較高的溫度控制系統(tǒng)。組態(tài)王操作方便，有利于我們比較直觀的觀看控制曲線和溫度的變化。其中的報(bào)表、歷史曲線和報(bào)警顯示都是在當(dāng)今工業(yè)控制中常用的。當(dāng)然，本控制系統(tǒng)還有很多不足的地方。例如，系統(tǒng)的自適應(yīng)能力不強(qiáng)，因?yàn)槭抢蒙?/p>