計(jì)算機(jī)控制課程設(shè)計(jì)論文.

1、摘要鍋爐是工業(yè)過(guò)程中不可缺少的動(dòng)力設(shè)備，而水位控制是鍋爐安全運(yùn)行的一個(gè)重要參數(shù)，水位過(guò)高會(huì)使蒸汽帶水帶鹽，嚴(yán)重的將引起整體品質(zhì)下降，嚴(yán)重影響生產(chǎn)和安全；水位過(guò)低又將破壞部分水冷壁的水循環(huán)，引起水冷壁局部過(guò)熱而損壞。本次課程設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是設(shè)計(jì)一個(gè)鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)，建立在可編程控制器PLCS7-200的基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，要求完成PLC的選型，進(jìn)行I/O分配，將液位信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)傳送到PLC或計(jì)算機(jī)，利用PI或PID算法進(jìn)行運(yùn)算。利用計(jì)算結(jié)果調(diào)節(jié)給水電動(dòng)閥閥門(mén)開(kāi)度，控制鍋爐水位，利用組態(tài)王完成上位機(jī)組態(tài)設(shè)計(jì)。 控制時(shí)調(diào)節(jié)時(shí)間小于10s，最大超調(diào)不大于5%。關(guān)鍵詞：PLCS7-200 水位控

2、制 PID算法 組態(tài)王 第 1 頁(yè)目錄一、鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)21.1鍋爐的工作過(guò)程簡(jiǎn)介21.2系統(tǒng)簡(jiǎn)介31.3單沖量控制系統(tǒng)31.4水位PID控制系統(tǒng)4二、硬件部分52.1PLC選型52.1.1西門(mén)子PLC-CPU22652.1.2模擬量模塊EM23552.1.3PC-PPI電纜62.2 I/O分配62.3流程控制圖62.3.4 PLC程序8三、 PID參數(shù)整定123.1PID算法簡(jiǎn)介123.2運(yùn)用試湊法選定PID參數(shù)123.2 MATLAB仿真結(jié)果13四、 組態(tài)設(shè)計(jì)154.1組態(tài)王簡(jiǎn)介154.2組態(tài)王對(duì)PLC的設(shè)備組態(tài)154.3組態(tài)王定義數(shù)據(jù)變量154.4組態(tài)王界面16總結(jié)17參考文獻(xiàn)18

3、一、鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)1.1鍋爐的工作過(guò)程簡(jiǎn)介鍋爐的任務(wù)是根據(jù)外界負(fù)荷的變化，輸送一定質(zhì)量(汽壓、汽溫)和相應(yīng)數(shù)量的蒸汽。鍋爐是由“鍋”和“爐”兩部分組成的?！板仭本褪清仩t的汽水系統(tǒng)，如圖所示。由省煤器3、汽包4、下降管8、過(guò)熱器5、上升管7、給水調(diào)節(jié)閥2、給水母管1及蒸汽母管6等組成。鍋爐的給水用給水泵打入省煤器，在省煤器中，水吸收煙氣的熱量，使溫度升高到本身壓力下的沸點(diǎn)，成為飽和水然后引入汽包。汽包中的水經(jīng)下降管進(jìn)入鍋爐底部的下聯(lián)箱，又經(jīng)爐膛四周的水冷壁進(jìn)入上聯(lián)箱，隨即又回入汽包。水在水冷壁管中吸收爐內(nèi)火焰直接輻射的熱，在溫度不變的情況下，一部分蒸發(fā)成蒸汽，成為汽水混合物。汽水混合物在汽

4、包中分離成水和汽，水和給水一起再進(jìn)入下降管參加循環(huán)，汽則由汽包頂部的管子引往過(guò)熱器，蒸汽在過(guò)熱器中吸熱、升溫達(dá)到規(guī)定溫度，成為合格蒸汽送入蒸汽母管。本次設(shè)計(jì)在汽水部分，故不詳細(xì)介紹火爐部分。 圖1-1 鍋爐的汽水系統(tǒng)1.2系統(tǒng)簡(jiǎn)介 從系統(tǒng)角度看，鍋爐包括燃燒負(fù)荷控制系統(tǒng)、送引風(fēng)系統(tǒng)、給水控制系統(tǒng)和輔助控制系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)如圖1-1：圖1-2 鍋爐控制系統(tǒng)總圖 鍋爐汽包水位是鍋爐安全運(yùn)行的一個(gè)主要參數(shù)，水位過(guò)高會(huì)使蒸汽帶水帶鹽，嚴(yán)重的將引起整體品質(zhì)下降，嚴(yán)重影響生產(chǎn)和安全；水位過(guò)低又將破壞部分水冷壁的水循環(huán)，引起水冷壁局部過(guò)熱而損壞。對(duì)蒸汽鍋爐來(lái)說(shuō)，汽包水位是其正常運(yùn)行的主要指標(biāo)之一，是一個(gè)重要的被

5、調(diào)節(jié)參數(shù)。由于汽包水位在鍋爐運(yùn)行中占首要地位，所以這類(lèi)鍋爐的生產(chǎn)自動(dòng)化一般是從給水自動(dòng)調(diào)節(jié)開(kāi)始的。1.3單沖量控制系統(tǒng) 單沖量水位控制系統(tǒng)以汽包水位作為唯一的控制信號(hào)，沖量即變量。水位測(cè)量信號(hào)經(jīng)變送器送到水位調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器根據(jù)汽包水位測(cè)量值H與給定值H0的偏差，通過(guò)執(zhí)行器去控制給水調(diào)節(jié)閥以改變給水量，保持汽包水位在允許的范圍內(nèi)。系統(tǒng)框圖為圖2.1所示。圖1-3單沖量控制系統(tǒng)框圖1.4水位PID控制系統(tǒng) 本次設(shè)計(jì)使用1個(gè)液位傳感器，1個(gè)輸入控制液體閥，1個(gè)輸出控制液體閥。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，關(guān)閉出水口，用手動(dòng)控制進(jìn)水泵速度，使水位達(dá)到滿水位的75%，然后打開(kāi)出水口，同時(shí)水泵控制從手動(dòng)方式切換到自動(dòng)方式，

6、這種切換有一個(gè)輸入的數(shù)字量控制。PID的控制工藝圖如下： 圖1-4 PID工藝圖二、硬件部分2.1PLC選型 SIMATIC S7-200 Micro 自成一體：特別緊湊但是具有驚人的能力特別是有關(guān)它的實(shí)時(shí)性能它速度快，功能強(qiáng)大的通訊方案，并且具有操作簡(jiǎn)便的硬件和軟件。但是還有更多特點(diǎn)：SIMATIC S7-200 Micro PLC具有統(tǒng)一的模塊化設(shè)計(jì)目前不是很大，但是未來(lái)不可限量的定制解決方案。這一切都使得SIMATIC S7-200 Micro PLC在一個(gè)緊湊的性能范圍內(nèi)為自動(dòng)化控制提供一個(gè)非常有效和經(jīng)濟(jì)的解決方案。強(qiáng)大的性能，最優(yōu)模塊化和開(kāi)放式通訊。結(jié)構(gòu)緊湊小巧狹小空間處任何應(yīng)用的理

7、想選擇在所有CPU型號(hào)中的基本和高級(jí)功能，大容量程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器杰出的實(shí)時(shí)響應(yīng)在任何時(shí)候均可對(duì)整個(gè)過(guò)程進(jìn)行完全控制，從而提高了質(zhì)量、效率和安全性易于使用STEP 7-Micro/WIN工程軟件初學(xué)者和專(zhuān)家的理想選擇集成的 R-S 485接口或者作為系統(tǒng)總線使用極其快速和精確的操作順序和過(guò)程控制通過(guò)時(shí)間中斷完整控制對(duì)時(shí)間要求嚴(yán)格的流程。S7-200系列PLC中可提供4種不同的基本型號(hào)的8種CPU供選擇使用。PLC在正式運(yùn)行時(shí)，不需要編程器。編程器主要用來(lái)進(jìn)行用戶程序的編制、存儲(chǔ)和管理等，并將用戶程序送入PLC中，在調(diào)試過(guò)程中，進(jìn)行監(jiān)控和故障檢測(cè)。S7-200系列PLC可采用多種編程器，一般可分為

8、簡(jiǎn)易型和智能型。2.1.1西門(mén)子PLC-CPU226 本次設(shè)計(jì)采用的西門(mén)子PLC的CPU是CPU226 DC/DC/DC，CPU內(nèi)部集成24輸入/16輸出共40個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)，最多可連接7個(gè)擴(kuò)展模塊；具有PID控制器；2個(gè)RS-485通信/編程口，具有PPI通信協(xié)議、MPI通信協(xié)議、和自由方式通信協(xié)議。額定電壓24VDC，最大持續(xù)允許電壓30VDC。2.1.2模擬量模塊EM235 因?yàn)镾7-200的CPU224本身不能處理模擬信號(hào)，所以處理模擬信號(hào)時(shí)需要外加模擬量擴(kuò)展模塊。模擬量擴(kuò)展模塊EM235 有4路模擬量輸入和1路模擬量輸出，輸入輸出都可以為0-10V電壓或是0-20mA電流（由DIP

9、開(kāi)關(guān)設(shè)置）適用于復(fù)雜的控制場(chǎng)合。其內(nèi)部集成有12位的A/D轉(zhuǎn)換器，不用加放大器即可直接與執(zhí)行器和傳感器相連，數(shù)模轉(zhuǎn)換時(shí)間小于250s。EM235模塊能直接和PT100熱電阻相連，供電電源為24V。2.1.3PC-PPI電纜 將PC/PPI電纜連接RS-232(PC)的一端連接到計(jì)算機(jī)上，另外一端連接到PLC的編程口上。它將提供PLC與計(jì)算機(jī)之間的通信，線長(zhǎng)5m, 帶內(nèi)置RS-232C/RS285連接器，用于CPU 22X與PC直接連接。2.2 I/O分配表2-1 I/O口分配2.3流程控制圖（1） 主程序調(diào)用模塊圖2-2主程序調(diào)用模塊流程圖（2） 主程序調(diào)用子程序圖2-3調(diào)用子程序流程圖（3）

10、 中斷子程序模塊圖2-4中斷子程序模塊流程圖2.3.4 PLC程序（1）主程序（2） 子程序部分（3） 中斷程序部分程序運(yùn)行： 單擊水泵控制按鈕，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)關(guān)閉出水口，用手動(dòng)控制進(jìn)水泵速度，使水位達(dá)到滿水位的75%，這時(shí)系統(tǒng)裝載PID參數(shù)，和連接PID中斷服務(wù)程序，裝入回路設(shè)定值，VD104，回路增益VD112,回路采樣時(shí)間VD118,積分時(shí)間VD120,同時(shí)設(shè)定中斷0的時(shí)間（SMB34）,間隔為100ms，設(shè)定定時(shí)中斷執(zhí)行PID程序INT_0。關(guān)閉微分作用VD124。在中斷處，將過(guò)程變量（Pv）轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)數(shù)，首先將整數(shù)轉(zhuǎn)換成雙整數(shù)（AIW0-AC0）,將雙整數(shù)轉(zhuǎn)換為實(shí)數(shù)，而后將數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)化

11、（AC0,32000.0-AC0）,最后將標(biāo)準(zhǔn)化后的Pv存入回路表（AC0-VD100）.而I0.0代表手動(dòng)到自動(dòng)的切換，0代表手動(dòng)，1代表自動(dòng)。自動(dòng)方式下將把輸出值Mn，轉(zhuǎn)換為16位整數(shù)，首先判斷Mn是單極性且非負(fù)的數(shù)，把輸出值送到累加器（VD108,32000.0-AC0）,然后標(biāo)準(zhǔn)化累加器中的值，將實(shí)數(shù)轉(zhuǎn)化成雙整數(shù)，再加雙整數(shù)轉(zhuǎn)化為整數(shù)，最后將數(shù)值寫(xiě)入模擬標(biāo)準(zhǔn)輸出（AC0-AQW0）.3、 PID參數(shù)整定3.1PID算法簡(jiǎn)介眾所周知，要使控制系統(tǒng)具有良好的控制性能，除了必須正確的選取、設(shè)計(jì)控制方案以外，還必須正確的選擇控制算法并進(jìn)行參數(shù)整定。在控制系統(tǒng)中，按照給定信號(hào)和反饋信號(hào)之間的偏差

12、的比例（P）、積分（I）和微分（D）進(jìn)行控制的PID控制器是應(yīng)用最為廣泛的一種自動(dòng)控制器8。它具有原理簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、適用面廣、控制參數(shù)相互獨(dú)立、參數(shù)的選定比較簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)；而且在理論上可以證明，對(duì)于過(guò)程控制的典型對(duì)象“一階慣性純滯后”與“二階慣性純滯后”的控制對(duì)象，PID控制器是一種最優(yōu)控制。PID調(diào)節(jié)規(guī)律是連續(xù)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)校正的一種有效方法，它的參數(shù)整定方式簡(jiǎn)便，結(jié)構(gòu)改變靈活，可以方便的改變?yōu)镻I、PD、PID等控制器。   比例調(diào)節(jié)作用對(duì)系統(tǒng)性能的影響：比例系數(shù)加大，使系統(tǒng)的動(dòng)作靈敏，速度加快，穩(wěn)態(tài)誤差減小；比例系數(shù)偏大，振蕩次數(shù)加多，調(diào)節(jié)時(shí)間加長(zhǎng)；系統(tǒng)會(huì)趨于不穩(wěn)定；比

13、例系數(shù)太小，又會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)作緩慢。比例系數(shù)可以選負(fù)數(shù)，這主要是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器以及控制對(duì)象的特性決定的。積分調(diào)節(jié)作用對(duì)系統(tǒng)性能的影響：是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差。提高無(wú)差度。因?yàn)橛姓`差積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行，直至無(wú)差積分調(diào)節(jié)停止，積分調(diào)節(jié)輸出一個(gè)常值。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)Ti。Ti越小積分作用就越強(qiáng)。反之Ti大則積分作用弱，加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢。積分作用常與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合，組成PI調(diào)節(jié)器或PID調(diào)節(jié)器。微分調(diào)節(jié)作用對(duì)系統(tǒng)性能的影響：微分作用反映系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化率，具有預(yù)見(jiàn)性，能預(yù)見(jiàn)偏差變化的趨勢(shì)。因此能產(chǎn)生超前的控制作用，可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。在微分時(shí)間選擇合

14、適情況下可以減少超調(diào)，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。微分作用對(duì)噪聲干擾有放大作用，因此過(guò)強(qiáng)地加大微分調(diào)節(jié)對(duì)系統(tǒng)抗干擾不利。此外微分反應(yīng)的是變化率，當(dāng)輸入沒(méi)有變化時(shí)微分作用輸出為零，因此微分作用不能單獨(dú)使用，需要與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律相結(jié)合組成PD或PID控制器。3.2運(yùn)用試湊法選定PID參數(shù) 進(jìn)行PID參數(shù)整定的時(shí)，根據(jù)比例、積分和微分單元的作用和特點(diǎn)采用試湊法來(lái)確定參數(shù)值，參考各個(gè)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)控制過(guò)程的影響趨勢(shì)，對(duì)參數(shù)實(shí)行先比例、再積分、最后微分的整定順序進(jìn)行調(diào)整。過(guò)程如下：（1） 先整定比例單元，將比例系數(shù)Kp由小變大，同時(shí)觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，知道得到響應(yīng)比較快、超調(diào)量較小的響應(yīng)曲線。如果此時(shí)已經(jīng)得到靜態(tài)誤差小

15、符合要求的曲線，就不在加入積分和微分部分，否則，再加入積分單元。（2） 將調(diào)好的比例系數(shù)Kp縮小為0.8倍左右，給Ti設(shè)置一個(gè)較大的值，然后逐漸減小，并觀察響應(yīng)曲線，直到系統(tǒng)靜態(tài)誤差消除且系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能良好。若反復(fù)調(diào)節(jié)仍得不到理想曲線，再加入微分單元。（3） 將微分系數(shù)Td從0開(kāi)始逐漸增大，同時(shí)適當(dāng)調(diào)節(jié)比例系數(shù)Kp和積分時(shí)間Ti的值，直到得到滿意曲線。圖3-1鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)方塊圖圖3-2PID參數(shù)3.2 MATLAB仿真結(jié)果圖3-3峰值圖1圖3-4峰值2圖3-4 穩(wěn)態(tài)值2%仿真結(jié)果圖4、 組態(tài)設(shè)計(jì) 本次課程設(shè)計(jì)采用組態(tài)王Kingview6.55，以下對(duì)設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)介紹。4.1組態(tài)王簡(jiǎn)介

16、 組態(tài)王開(kāi)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)，它以標(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)。組態(tài)王kingview6.55是亞控科技根據(jù)當(dāng)前的自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，面向低端自動(dòng)化市場(chǎng)及應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)企業(yè)一體化為目標(biāo)開(kāi)發(fā)的一套產(chǎn)品。該產(chǎn)品以搭建戰(zhàn)略性工業(yè)應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)為目標(biāo)，集成了對(duì)亞控科技自主研發(fā)的工業(yè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。 它具有適應(yīng)性強(qiáng)、開(kāi)放性好、易于擴(kuò)展、經(jīng)濟(jì)、開(kāi)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(kāi)發(fā)的重要作用。尤其考慮

17、三方面問(wèn)題：畫(huà)面、數(shù)據(jù)、動(dòng)畫(huà)。通過(guò)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(huà)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的圖形編輯功能，方便地構(gòu)成監(jiān)控畫(huà)面，并以動(dòng)畫(huà)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。4.2組態(tài)王對(duì)PLC的設(shè)備組態(tài) 西門(mén)子S7-200使用串口通信，在組態(tài)王中，選擇工程瀏覽器左側(cè)大綱項(xiàng)中的“設(shè)備”COM1選項(xiàng)，在工程瀏覽器右側(cè)雙擊“新建”圖標(biāo)，運(yùn)行“設(shè)備配置向?qū)А?，以此選擇“PLC”中的“西門(mén)子”、“S7-20

18、0系列”、PPI選項(xiàng)，當(dāng)設(shè)備定義完成后，可以在工程瀏覽器的右側(cè)看到新建的外部設(shè)備“S7200”，如圖4-7所示。在定義數(shù)據(jù)庫(kù)變量時(shí)，只要把I/O變量連接到這臺(tái)設(shè)備上，它就可以和組態(tài)王交換數(shù)據(jù)了。4.3組態(tài)王定義數(shù)據(jù)變量在組態(tài)王中，鍋爐汽包水位控制的數(shù)據(jù)詞典如下。表4-1 把數(shù)據(jù)詞典中定義的變量與組態(tài)畫(huà)面的圖素進(jìn)行動(dòng)畫(huà)連接，運(yùn)行控制系統(tǒng)，就可以實(shí)時(shí)控制鍋爐過(guò)熱蒸汽的溫度。4.4組態(tài)王界面 最終設(shè)計(jì)完成的組態(tài)界面如下?？偨Y(jié)本次課程設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是設(shè)計(jì)一個(gè)鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)，建立在可編程控制器PLCS7-200的基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，要求完成PLC的選型，進(jìn)行I/O分配，將液位信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)傳送到PLC或計(jì)算機(jī)，利用PI或PID算法進(jìn)行運(yùn)算。利用計(jì)算結(jié)果調(diào)節(jié)給水電動(dòng)閥閥門(mén)開(kāi)度，控制鍋爐水位，利用組態(tài)王完成上位機(jī)組態(tài)設(shè)計(jì)。 控制時(shí)調(diào)節(jié)時(shí)間小于10s，最大超調(diào)不大于5%。剛拿到題目的時(shí)候，我們覺(jué)得很難，不知道從什么地方下手，經(jīng)過(guò)查找資料，先是明白了整個(gè)任務(wù)，然后進(jìn)行了分工，大家各自討論然后做自己