電加熱爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、 密級(jí)： nanchang university 學(xué) 士 學(xué) 位 論 文 thesis of bachelor（2006 2010 年）題 目 鍋爐控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 環(huán)境與化學(xué)工程 系 化工 專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 測(cè)控技術(shù)與儀器 南 昌 大 學(xué)學(xué)士學(xué)位論文原創(chuàng)性申明本人鄭重申明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)的成果。對(duì)本文的研究作出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式表明。本人完全意識(shí)到本申明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名： 日期：學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū)本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有

2、關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)南昌大學(xué)可以將本論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 保密，在 年解密后適用本授權(quán)書(shū)。本學(xué)位論文屬于 不保密。（請(qǐng)?jiān)谝陨舷鄳?yīng)方框內(nèi)打“”）作者簽名： 日期：導(dǎo)師簽名： 日期：南昌大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文鍋爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 專(zhuān)業(yè)：測(cè)控技術(shù)與儀器 學(xué)號(hào)：5801206025 學(xué)生姓名：魏彩昊 指導(dǎo)教師：楊大勇摘要 溫度是流程工業(yè)中極為常見(jiàn)的熱工參數(shù)，對(duì)它的控制也是過(guò)程控制的一個(gè)重點(diǎn)。由于加熱過(guò)程、加熱裝置特殊結(jié)構(gòu)等具體原因，使得

3、過(guò)程對(duì)象經(jīng)常具有大時(shí)滯、非線(xiàn)性、難以建立精確數(shù)學(xué)模型等特點(diǎn)，利用傳統(tǒng)的pid控制策略對(duì)其進(jìn)行控制，難以取得理想的控制效果，而應(yīng)用數(shù)字pid控制算法能得到較好的控制效果。本文主要闡述了一種改進(jìn)型的加熱爐對(duì)象及其工藝流程，采用了plc控制裝置設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)，使加熱爐的恒溫及點(diǎn)火實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制，從而使加熱爐實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)化的控制。此種加熱爐可廣泛應(yīng)用于鋁廠(chǎng)、鋼廠(chǎng)等金屬冶煉、金屬加工行業(yè)以及化工行業(yè)。 此設(shè)計(jì)以工業(yè)中的電加熱爐為原型，以實(shí)驗(yàn)室中的電加熱爐為實(shí)際的被控對(duì)象，采用pid控制算法對(duì)其溫度進(jìn)行控制。提出了一種適合電加熱爐對(duì)象特點(diǎn)的控制算法，并以plc 為核心，組成電加熱爐自適應(yīng)控制系統(tǒng)，其控制精

4、度，可靠性，穩(wěn)定性指標(biāo)均遠(yuǎn)高于常規(guī)儀表組成的系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：溫度；電加熱爐；plc；控制系統(tǒng)control system design of boiler abstracttemperature is a very popular parameter of pyrology in flow industry，so temperature control is an emphases of process control.considering some special condition such as heating mechanism and the special structure of

5、 heater there are often some features such as long time lag，nonlinearity and difficulties of modeling of targets of process.its difficult to control very well by traditional pid algorithm，the digital pid control algorithm can get better control effect.this article described a type of imp roved regen

6、erative heating furnace, whichmakes the temperature invariable and auto ignition using plc. it can be available inaluminum and steelmill and other metal industry, which can bring obvious economicand social benefits.the industrial design of the prototype electric oven to laboratory electric furnace o

7、f the real object, pid control algorithm for temperature control.the paper presents a target for electric furnace characteristics of control algorithms, and plc as the core to form the furnace adaptive control system. control accuracy, reliability and stability indicators are much higher than the sy

8、stem which is consisted of the conventional instrument, thedesign uses pid algorithm to control its temperature.keyword: temperature；heating furnace；plc；control system 目錄摘要iabstractii第一章 緒論11.1選題的背景及意義11.2加熱爐控制研究現(xiàn)狀21.3本設(shè)計(jì)的主要工作及技術(shù)路線(xiàn)31.3.1主要工作31.3.2本論文的技術(shù)路線(xiàn)4第二章 控制方案確定52.1控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型及仿真52.2 電加熱爐控制系統(tǒng)分析:10

9、2.3控制系統(tǒng)的控制過(guò)程112.3.1 溫度-流量串級(jí)控制系統(tǒng)112.3.2 液位-流量串級(jí)控制系統(tǒng)112.4 控制系統(tǒng)主要特色12第三章 plc 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及儀表選型143.1系統(tǒng)特性分析143.2 profibus 現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)介紹143.3電加熱爐plc系統(tǒng)結(jié)構(gòu)153.4 plc控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)163.4.1 恒溫控制系統(tǒng)163.4.2 恒壓控制系統(tǒng)17第四章 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)194.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)194.1.1step-7簡(jiǎn)介194.1.2下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)流程圖214.2上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)224.2.1win cc 簡(jiǎn)介234.2.2監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)24第五章 儀器儀表的選型255.1現(xiàn)場(chǎng)

10、儀表的選型255.1.1控制閥的選型255.1.2節(jié)流裝置的計(jì)算265.1.3電氣閥門(mén)的定位器285.1.4 壓力變送器的選型285.1.5 壓力表的選型295.1.6流量計(jì)的選擇305.1.7 溫度變送器的選型305.1.8浮子液位計(jì)的選型315.2控制室儀表選型325.2.1plc的選型325.2.2 控制柜的選型335.2.3安全柵的選型335.2.4供電箱的選型345.2.5智能調(diào)節(jié)器的選型345.3其他儀器的選型355.3.1水箱的選型355.3.2水泵的選型355.3.4接線(xiàn)箱的選型365.3.5三相調(diào)壓模塊的選型36第六章 總結(jié)和展望386.1 設(shè)計(jì)總結(jié)386.2 課題展望39參

11、考文獻(xiàn)（references）40致謝4243第一章 緒論1.1選題的背景及意義我國(guó)的電加熱鍋爐在10多年前問(wèn)世，由于受到當(dāng)時(shí)電力因素的制約，發(fā)展非常緩慢，只有幾個(gè)非鍋爐行業(yè)的廠(chǎng)家在生產(chǎn)。1998年以來(lái)，特別是2000年，電熱鍋爐市場(chǎng)迅速發(fā)展。行業(yè)內(nèi)許多廠(chǎng)家都已經(jīng)或者正在準(zhǔn)備生產(chǎn)電熱鍋爐。由于起步晚 、規(guī)模小,電加熱鍋爐的控制水準(zhǔn)很低，甚至很原始。電加熱鍋爐的控制與燃油（氣）鍋爐的控制有很大的不同1：1 電流巨大，屬大電流或超大電流控制；2 沒(méi)有現(xiàn)成的燃燒器及其程控器，鍋爐的加熱過(guò)程和控制品質(zhì)完全由自己決定；3 比燃油（氣）鍋爐的自動(dòng)化程度和蓄熱要求更高，外觀(guān)要求也更現(xiàn)代、更美觀(guān)。因此，電熱鍋

12、爐控制存在較大難度。1998年我們抓住了市場(chǎng)機(jī)遇，再次把工業(yè)控制技術(shù)應(yīng)用于電加熱鍋爐控制領(lǐng)域 ，把大型電力 負(fù)荷控制的成功經(jīng)驗(yàn)移植到電加熱鍋爐的大電流控制上來(lái)，率先提出了電加熱鍋爐的循環(huán)投切和分段模糊控制的控制模式，較好地解決了電加熱鍋爐控制的理論和實(shí)際問(wèn)題。國(guó)內(nèi)電加熱爐的加熱形式主要有以下兩個(gè)：1 電阻加熱式國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)廠(chǎng)家采用該方式，并選用電阻式管狀電熱元件。電阻加熱方式的電氣特點(diǎn)是鍋水不帶電，但在電加熱元件漏水或爆 裂時(shí)會(huì)使鍋水帶電或稱(chēng)漏電。另外，受電熱元件絕緣導(dǎo)熱層的絕緣程度的影響，電熱管存在一定的泄漏電流。泄漏電流的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)是0.5ma。該方式在結(jié)構(gòu)上易于疊加組合，控制靈活，更換方便

13、。2 電磁感應(yīng)加熱式該方式的加熱原理是：當(dāng)電流通過(guò)加熱線(xiàn)圈時(shí)，就會(huì)形成電磁場(chǎng),把金屬鍋殼置于電磁場(chǎng)之中，就會(huì)使鍋殼產(chǎn)生渦流，并導(dǎo)致其發(fā)熱，從而完成對(duì)鍋水加熱的目的。其電流愈大，發(fā)熱量愈大。電磁感應(yīng)加熱方式在工業(yè)上的應(yīng)用較早，典型的應(yīng)用就是中頻加熱爐。但是把它應(yīng)用到鍋爐上，確屬首次，很有創(chuàng)意值得關(guān)注 。目前國(guó)內(nèi)只有一家廠(chǎng)家生產(chǎn)這種電熱鍋爐。該方式的優(yōu)點(diǎn)是，與水和鍋爐是非接觸式加熱，因此絕無(wú)漏電的可能性；另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是該方式須用可控硅做驅(qū)動(dòng)輸出，因此具有無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)；機(jī)械噪聲小，可多級(jí)或無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，使用壽命長(zhǎng)。該方式的缺點(diǎn)是熱效率比電阻加熱方式要稍低，約96%:。這是因?yàn)楹笳呤侵苯优c鍋水接觸加

14、熱，而前者是間接加熱，況且作為功率驅(qū)動(dòng)元件的可控硅元件，其本身也要消耗一定功率。1.2加熱爐控制研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)電加熱爐控制有四個(gè)發(fā)展階段：第一階段：手動(dòng)控制、溫度儀表顯示處于發(fā)展初期的電加熱鍋爐控制采用溫度儀表顯示溫度，由人工手動(dòng)投切，以達(dá)到逐級(jí)投切和溫度調(diào)節(jié)的目的。還有一種形式是無(wú)論功率多大，均分三個(gè)投切組，二組為手動(dòng)，一組用溫控表控制。第一階段手動(dòng)控制方式自動(dòng)化程度極低，控制效果較差。第二階段：順序控制器或plc程控器 ，溫度儀表參與控制人們把人工手動(dòng)投切改為用順序控制器或plc程控器來(lái)完成逐級(jí)投切，使鍋爐控制基本能夠自動(dòng)化。為了解決逐級(jí)投切的自動(dòng)化，廠(chǎng)家在采用plc作程控器，或開(kāi)發(fā)了電子順

15、序控制器后，不但可以實(shí)現(xiàn)逐級(jí)投切自動(dòng)化，還能定時(shí)啟停鍋爐。然而由于仍然使用溫控表來(lái)進(jìn)行全功率的溫度控制，動(dòng)作頻繁，控制效果較差，甚至產(chǎn)生控制振蕩。第三階段：全plc控制為了滿(mǎn)足市場(chǎng)對(duì)電加熱鍋爐自動(dòng)化的更高要求，有少數(shù)廠(chǎng)家開(kāi)發(fā)了全plc控制系統(tǒng)，全plc控制就是不但使用plc主機(jī)，還配置了溫度輸入模塊和顯示單元（液晶顯示或觸摸屏顯示），在硬件上組成了完整的控制系統(tǒng) 。通過(guò)廠(chǎng)家編制的控制程序，全plc控制可以達(dá)到全部電加熱鍋爐的自動(dòng)化要求，并具有良好的人機(jī)界面。它的缺點(diǎn)是成本很高，應(yīng)用面很窄，控制程序的優(yōu)劣直接與編程人員 的專(zhuān)業(yè)水準(zhǔn)相關(guān)，還需要專(zhuān)業(yè)人員去現(xiàn)場(chǎng)改變現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置。第四階段：專(zhuān)用電腦控制用電

16、加熱鍋爐專(zhuān)用電腦取代通用的plc，更取代溫控表。它具有全plc控制的全部?jī)?yōu)點(diǎn)，并克服了全plc控制的全部缺點(diǎn)，可產(chǎn)品化，成本低，易與各種電熱鍋爐配套，配備最先進(jìn)和成熟的控制程序，現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)可由一般操作人員在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行設(shè)置和解決。因此電加熱鍋爐專(zhuān)用電腦控制器已被廣泛采用。電加熱鍋爐加熱的調(diào)節(jié)方式和控制模型：從電氣角度上看，電加熱鍋爐就是一臺(tái)大功率的電力調(diào)功設(shè)備，鍋爐輸出的熱功率越高，電功率的輸出也應(yīng)越大。電功率的輸出調(diào)節(jié)分有級(jí)功率調(diào)節(jié)和無(wú)級(jí)功率調(diào)節(jié)兩種。無(wú)級(jí)功率調(diào)節(jié)用于調(diào)節(jié)精度要求較高的場(chǎng)合，有級(jí)功率調(diào)節(jié)用于調(diào)節(jié)精度要求較低的場(chǎng)合。由于對(duì)鍋爐輸出熱功率的精度要求一般都不很高，因此國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)電加熱鍋

17、爐均采用有級(jí)功率調(diào)節(jié)方式2。電功率輸出的元件分為有機(jī)械觸點(diǎn)和無(wú)機(jī)械觸點(diǎn)兩大類(lèi)。前者是交流接觸器，后者是可控硅，交流接觸器只能用作有級(jí)功率調(diào)節(jié)，優(yōu)點(diǎn)是主回路完全電氣隔離，耐過(guò)流和過(guò)壓能力較強(qiáng)、自身耗電小、發(fā)熱量也小、價(jià)格較低，缺點(diǎn)是有機(jī)械動(dòng)作噪聲，觸點(diǎn)壽命較短。可控硅可以用作無(wú)級(jí)功率調(diào)節(jié)，也可用于有級(jí)功率調(diào)節(jié)，優(yōu)點(diǎn)是無(wú)機(jī)械動(dòng)作噪聲，觸點(diǎn)壽命較長(zhǎng)，缺點(diǎn)是主回路不能完全關(guān)斷，過(guò)電流和過(guò)電壓能力差，自身耗電較大，需要強(qiáng)制散熱，價(jià)格較高。因此國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)電加熱鍋爐采用交流接觸器作電功率輸出元件。而中頻感應(yīng)加熱鍋爐因?yàn)殡娐返男枰仨氂每煽毓枳麟姽β瘦敵鲈Ａ硗庑」β始矣缅仩t也適合用可控硅元件。1.3本

18、設(shè)計(jì)的主要工作及技術(shù)路線(xiàn)1.3.1主要工作本設(shè)計(jì)基于pct-型過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置中的電加熱爐被控對(duì)象，要求從工程的角度完成電加熱爐的plc系統(tǒng)的自控專(zhuān)業(yè)施工圖設(shè)計(jì)，通過(guò)本次設(shè)計(jì)，掌握控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的流程和方法。已知：流體介質(zhì)為水，相關(guān)數(shù)據(jù)：閥前壓力；壓降；溫度t = 20c；液體體積流量；管道直徑 。具體內(nèi)容及要求如下：1. 熟悉電加熱爐的工藝流程，掌握溫度、流量、液位等被控對(duì)象的特性；2. 完成控制對(duì)象的數(shù)學(xué)建模及控制系統(tǒng)仿真，確定控制方案，優(yōu)先采用流量變比值控制系統(tǒng)或串級(jí)控制系統(tǒng)；3. 采用plc作為控制元件，并根據(jù)已知條件，進(jìn)行相關(guān)儀器儀表的計(jì)算與選型；4. 繪制自控專(zhuān)業(yè)部分施工圖圖紙，完成

19、畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告。1.3.2本論文的技術(shù)路線(xiàn)plc是一種專(zhuān)門(mén)為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類(lèi)型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。作為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，plc能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。pid 調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的調(diào)節(jié)方法6。大中型plc都有pid 模塊，目前許多小型plc 也具有此功能模塊。pid 處理一般是運(yùn)行專(zhuān)用的pid子程序。過(guò)程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場(chǎng)合有非常廣泛的應(yīng)用。本文研究的是電加熱爐plc 控

20、制系統(tǒng)的總體方案，從技術(shù)上分析、研究設(shè)備的控制系統(tǒng)、溫度控制器、加熱用發(fā)熱元件等的選擇和確定。本文提出一種適合電加熱爐對(duì)象特點(diǎn)的控制算法，并以plc 為核心，組成電加熱爐自適應(yīng)控制系統(tǒng)，其控制精度，可靠性，穩(wěn)定性指標(biāo)均遠(yuǎn)高于常規(guī)儀表組成的系統(tǒng)。為滿(mǎn)足提高恒溫控制精度的實(shí)際需要，針對(duì)溫控過(guò)程的動(dòng)態(tài)特點(diǎn)，由plc進(jìn)行非線(xiàn)性計(jì)算，采用變參數(shù)(占空比）方式動(dòng)態(tài)控制加熱電功率，使控制系統(tǒng)具有自整定和自適應(yīng)能力，達(dá)到了快速實(shí)現(xiàn)較高精度溫度控制的目的。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)考慮了不同控制溫度對(duì)熱電偶的要求，考慮了不同電加熱功率對(duì)可控硅的要求，也考慮了plc的通用接口，因此系統(tǒng)具有較好的通用性。第二章 控制方案確定2.1

21、控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型及仿真在控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)中首先要建立數(shù)學(xué)模型1。而建立控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的方法主要有兩種：機(jī)理分析法和實(shí)驗(yàn)辨識(shí)法。機(jī)理分析法是通過(guò)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)動(dòng)機(jī)理的分析，根據(jù)系統(tǒng)中的物理或化學(xué)變化規(guī)律（比如三大守恒定律等），在合理的近似后推導(dǎo)出系統(tǒng)特性方程。實(shí)驗(yàn)辨識(shí)法一般是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)假定模型的結(jié)構(gòu)，然后對(duì)實(shí)際系統(tǒng)施加某種典型的測(cè)試信號(hào)，如階躍信號(hào)，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的輸出數(shù)據(jù)的處理來(lái)確定模型參數(shù)。本文主要采用機(jī)理分析法來(lái)建立數(shù)學(xué)模型，如下圖所示。- - - -圖 2.1 數(shù)學(xué)模型加熱爐內(nèi)水溫為被控對(duì)象，循環(huán)冷卻水的流量為操縱變量。根據(jù)非穩(wěn)態(tài)下的熱平衡方程可得到：q= ua（ t -t a）+mc

22、q-發(fā)熱量，u-總傳熱系數(shù)，a-傳熱面積，ta -冷卻水平均溫度，t-加熱爐內(nèi)水溫，m-爐內(nèi)水的質(zhì)量，c-水的比熱容把式2-1 整理成一階時(shí)滯模型的形式，即由穩(wěn)態(tài)熱平衡方程，利用對(duì)數(shù)平均溫差的關(guān)系式：f 冷卻水流量，ti 冷卻水入口溫度to 冷卻水出口溫度將上式進(jìn)行拉氏變換，得到了過(guò)程傳遞函數(shù)為：選擇鍋爐的高為和h=400mm，直徑d=200mm，則傳熱面積a=0.5024 體積v=0.0293。冷卻水入口溫度t i=20，冷卻水出口溫度t o=50。帶入已知參數(shù)如下：水的比熱容：c = 4.1868 水的傳熱系數(shù)：u=0.6w/mk水的密度：爐內(nèi)水的質(zhì)量：根據(jù)以上數(shù)學(xué)模型，在matlab中進(jìn)

23、行仿真7。首先創(chuàng)建m文件，輸入matlab仿真程序：clc；clear；sysl=tf（13.89,407,1,iodelay,30）；step（sys1） 圖2.2 在matab中輸入仿真程序然后保存并且運(yùn)行，可加熱爐以得到對(duì)象的響應(yīng)曲線(xiàn)為下圖所示。 圖2.3 加熱爐溫度對(duì)象開(kāi)環(huán)階躍響應(yīng)曲線(xiàn)根據(jù)以上數(shù)學(xué)模型，打開(kāi)matlab中的simulink模塊，選用數(shù)字pid控制，完成各組件連接。 圖2.4 單閉環(huán)控制回路采用工程整定經(jīng)驗(yàn)法10，設(shè)置pid的三個(gè)參數(shù)，如下圖 圖2.5 pid三個(gè)參數(shù)階躍響應(yīng)閉環(huán)控制效果圖如下 圖2.6 pid 控制階躍響應(yīng)曲線(xiàn)（工程整定經(jīng)驗(yàn)法）由上述仿真圖可看出，采用數(shù)

24、字pid控制對(duì)電加熱爐溫度對(duì)象進(jìn)行閉環(huán)單回路控制滯后較大，控制效果不是非常理想，故考慮對(duì)其進(jìn)行串級(jí)控制。 2.2 電加熱爐控制系統(tǒng)分析:電加熱爐的復(fù)雜性及控制的困難性主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面14：1非線(xiàn)性。嚴(yán)格地說(shuō)，所有的工業(yè)過(guò)程都存在非線(xiàn)性，只是非線(xiàn)性的程度不同而己。當(dāng)系統(tǒng)的非線(xiàn)性不很?chē)?yán)重時(shí)，可用線(xiàn)性系統(tǒng)來(lái)近似，這在工程上是可以接受的。但是對(duì)于存在嚴(yán)重非線(xiàn)性環(huán)節(jié)的系統(tǒng)，采用線(xiàn)性化的處理方法常會(huì)產(chǎn)生很大的偏差，甚至?xí)贸鐾耆喾吹慕Y(jié)論。線(xiàn)性系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)有著比較完善和系統(tǒng)的理論方法，而非線(xiàn)性系統(tǒng)的研究雖然取得了一些新成果，但非線(xiàn)性理論遠(yuǎn)非完善，有很多問(wèn)題尚待研究。2大時(shí)滯特性。在電加熱爐的過(guò)程控

25、制中，存在著時(shí)間純滯后與容量滯后。時(shí)滯的存在給系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來(lái)了不利的影響，調(diào)節(jié)作用的不及時(shí)會(huì)導(dǎo)致調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)變差，甚至出現(xiàn)發(fā)散振蕩。因而時(shí)滯對(duì)象被認(rèn)為是最難控制的對(duì)象之一。從50 年代末以來(lái)，在時(shí)滯控制方面先后出現(xiàn)了基于模型的方法(如smith預(yù)估控制、最優(yōu)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制等)和無(wú)模型的方法兩大類(lèi)，然而對(duì)于時(shí)滯系統(tǒng)的模型不確定性和干擾的不可知性，非參數(shù)模型顯得更為有效，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)出各種智能控制方法或以不同的方式結(jié)合在一起，將是解決工業(yè)大時(shí)滯過(guò)程的有效途徑匯。3變參數(shù)及強(qiáng)耦合特性。在電加熱爐的控制過(guò)程中，包含了較多的過(guò)程變量，而且這些變量之間又常以各種形式相互關(guān)聯(lián)著，任何一個(gè)變量的變化

26、往往可能引起其他的變量發(fā)生變化，使系統(tǒng)的控制難以達(dá)到滿(mǎn)意的指標(biāo)。目前，許多單變量控制系統(tǒng)所以能正常工作，是因?yàn)樵谀承┣闆r下變量之間的耦合程度不高。在變量間的關(guān)聯(lián)比較緊密的情況下，不能簡(jiǎn)單地將系統(tǒng)分為若干個(gè)單變量系統(tǒng)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，否則不但得不到滿(mǎn)意的控制效果，甚至得小到穩(wěn)定的控制過(guò)程。所以，如何在電加熱爐控制過(guò)程具有復(fù)雜特性的情況下，找到合理、有效的控制方式解決過(guò)程控制的難題，是非常重要的。加熱爐控制系統(tǒng)包括溫度控制系統(tǒng)、液位控制系統(tǒng)、流量控制系統(tǒng)和壓力控制系統(tǒng)四大部分組成。本方案采用西門(mén)子s7-300系列plc進(jìn)行信號(hào)的采集、分析以及輸出控制。s7-300 適用于各行各業(yè)的檢測(cè)，檢測(cè)以及控制

27、的自動(dòng)化，同時(shí)具有極高的可靠性、豐富的指令集和內(nèi)置的集成功能、強(qiáng)大的通信能力和豐富的擴(kuò)展模塊。 本系統(tǒng)由plc進(jìn)行核心控制，控制程序根據(jù)控制狀態(tài)的變化采用pid 算法，使系統(tǒng)的控制精度大幅度提高。本文提出一種適合電加熱爐對(duì)象特點(diǎn)的控制算法，并以plc 為核心，組成加熱爐自適應(yīng)控制系統(tǒng)，其控制精度，可靠性，穩(wěn)定性指標(biāo)均遠(yuǎn)高于常規(guī)儀表組成的系統(tǒng)。2.3控制系統(tǒng)的控制過(guò)程2.3.1 溫度-流量串級(jí)控制系統(tǒng)溫度控制器流量控制器調(diào)節(jié)閥流量對(duì)象溫度對(duì)象流量變送器溫度變送器圖2.7 溫度流量串級(jí)控制系統(tǒng)該系統(tǒng)為溫度流量串級(jí)控制系統(tǒng)，當(dāng)冷卻水流量變大時(shí)，流量變送器的輸出增大，從而使流量控制閥的開(kāi)度減小，使輸出

28、流量減小。在流量增大的同時(shí)，鍋爐的出口溫度隨著降低，使溫度控制器的輸出減小，從而使差值減小，又使控制閥的開(kāi)度增大，也使鍋爐的出口溫度降低，兩者共同作用，保持鍋爐出口溫度的穩(wěn)定。2.3.2 液位-流量串級(jí)控制系統(tǒng)液位控制器流量控制器調(diào)節(jié)閥流量對(duì)象液位對(duì)象流量變送器液位變送器圖2.8 液位流量串級(jí)控制系統(tǒng)該系統(tǒng)為液位流量串級(jí)控制系統(tǒng)，當(dāng)流量變大時(shí)，流量變送器的輸出增大，從而使控制閥的開(kāi)度減小，使輸出流量減小。在流量增大的同時(shí)，鍋爐的液位隨著降低，使液位控制器的輸出減小，從而使差值減小，又使控制閥的開(kāi)度增大，同時(shí)使鍋爐的液位升高，兩者共同作用，保持鍋爐液位的穩(wěn)定。2.4 控制系統(tǒng)主要特色 1 串級(jí)控

29、制系統(tǒng)在工業(yè)控制系統(tǒng)中5：1）用于克服被控過(guò)程較大的容量滯后 在過(guò)程控制系統(tǒng)中，被控過(guò)程的容量滯后較大，特別是一些被控量是溫度等參數(shù)時(shí)，控制要求較高，如果采用單回路控制系統(tǒng)往往不能滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝的要求。利用串級(jí)控制系統(tǒng)存在二次回路而改善過(guò)程動(dòng)態(tài)特性，提高系統(tǒng)工作頻率，合理構(gòu)造二次回路，減小容量滯后對(duì)過(guò)程的影響，加快響應(yīng)速度。在構(gòu)造二次回路時(shí)，應(yīng)該選擇一個(gè)滯后較小的副回路，保證快速動(dòng)作的副回路。2） 用于克服被控過(guò)程的純滯后 被控過(guò)程中存在純滯后會(huì)嚴(yán)重影響控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，使控制系統(tǒng)不能滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝的要求。使用串級(jí)控制系統(tǒng)，在距離調(diào)節(jié)閥較近、純滯后較小的位置構(gòu)成副回路，把主要擾動(dòng)包含在副回路中，

30、提高副回路對(duì)系統(tǒng)的控制能力，可以減小純滯后對(duì)主被控量的影響。改善控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量。 3）用于抑制變化劇烈幅度較大的擾動(dòng) 串級(jí)控制系統(tǒng)的副回路對(duì)于回路內(nèi)的擾動(dòng)具有很強(qiáng)的抑制能力。只要在設(shè)計(jì)時(shí)把變化劇烈幅度大的擾動(dòng)包含在副回路中，即可以大大削弱其對(duì)主被控量的影響。 4）用于克服被控過(guò)程的非線(xiàn)性 在過(guò)程控制中，一般的被控過(guò)程都存在著一定的非線(xiàn)性。這會(huì)導(dǎo)致當(dāng)負(fù)載變化時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的特性發(fā)生變化，影響控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。單回路系統(tǒng)往往不能滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝的要求，由于串級(jí)控制系統(tǒng)的副回路是隨動(dòng)控制系統(tǒng)，具有一定的自適應(yīng)性，在一定程度上可以補(bǔ)償非線(xiàn)性對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響。2 串級(jí)控制系統(tǒng)的工作過(guò)程當(dāng)擾動(dòng)發(fā)生時(shí)，破

31、壞了穩(wěn)定狀態(tài)，調(diào)節(jié)器進(jìn)行工作。根據(jù)擾動(dòng)施加點(diǎn)的位置不同，分種情況進(jìn)行分析：1）擾動(dòng)作用于副回路2）擾動(dòng)作用于主過(guò)程3）擾動(dòng)同時(shí)作用于副回路和主過(guò)程分析可以看到：在串級(jí)控制系統(tǒng)中，由于引入了一個(gè)副回路，不僅能及早克服進(jìn)入副回路的擾動(dòng)，而且又能改善過(guò)程特性。副調(diào)節(jié)器具有“粗調(diào)”的作用，主調(diào)節(jié)器具有“細(xì)調(diào)”的作用，從而使其控制品質(zhì)得到進(jìn)一步提高。3 系統(tǒng)特點(diǎn)及分析121）改善了過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性，提高了系統(tǒng)控制質(zhì)量。2）能迅速克服進(jìn)入副回路的二次擾動(dòng)。3）提高了系統(tǒng)的工作頻率。4）對(duì)負(fù)荷變化的適應(yīng)性較強(qiáng)第三章 plc 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及儀表選型3.1系統(tǒng)特性分析準(zhǔn)確生成有效的爐溫監(jiān)測(cè)信號(hào)是提高恒溫控制精

32、度的前提。通常加熱爐采用熱電偶進(jìn)行爐溫測(cè)量，生成毫伏級(jí)的的電壓信號(hào)。本控制系統(tǒng)能將該信號(hào)進(jìn)行慮波處理和調(diào)整放大，準(zhǔn)確生成爐溫監(jiān)測(cè)的線(xiàn)性控制信號(hào)，以保證爐溫的精確控制。由于熱慣性的存在，使得爐溫控制過(guò)程在電加熱功率與控制溫度之間具有純滯后量大（爐溫滯后于加熱功率）和非線(xiàn)性的特點(diǎn)15。另外由于對(duì)流和輻射引起的熱量散失、加減爐料引起的溫度變化和電源波動(dòng)等因素的影響，使得控制參數(shù)隨時(shí)間變化，其控制過(guò)程很難用數(shù)學(xué)模型表達(dá)。因此本控制系統(tǒng)能連續(xù)監(jiān)測(cè)控制過(guò)程狀態(tài)，根據(jù)控制過(guò)程動(dòng)態(tài)特性及時(shí)測(cè)定過(guò)程偏差并自動(dòng)整定控制參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)溫度的準(zhǔn)確控制。為使控制系統(tǒng)具有通用性，本系統(tǒng)加熱電阻可使用單相和三相負(fù)載，可控硅可

33、選用多種加熱功率，plc和現(xiàn)場(chǎng)的輸入輸出有通用的接口。為適應(yīng)各種場(chǎng)合和不同控制溫度的要求，控制系統(tǒng)能使用k、b、j等不同型號(hào)的熱電偶。3.2 profibus 現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)介紹現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)（fieldbus）是用于過(guò)程自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化、家庭自動(dòng)化等領(lǐng)域的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備互連的通信網(wǎng)絡(luò)，是現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)與控制系統(tǒng)的集成14。其中，profibus是當(dāng)今國(guó)際上現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的一個(gè)重要的組成部分。根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織iso7498 標(biāo)準(zhǔn)，profibus的協(xié)議結(jié)構(gòu)以開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)osi為參考模型，采用了該模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層作為用戶(hù)接口，隱去了第37層，而增加了直接數(shù)據(jù)連接擬合。由于profibus現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)是開(kāi)放

34、的、不依賴(lài)生產(chǎn)廠(chǎng)家通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，所以在各種工業(yè)控制中得到了廣泛的應(yīng)用。profibus是德國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)din19245和歐洲標(biāo)準(zhǔn)en50170的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)。由分散和外圍設(shè)備profibus- dp （decentralized periphery）、報(bào)文規(guī)范profibus- fms（fieldbus message periphery）、過(guò)程自動(dòng)化profibus pa（process automation）組成profibus系列。其中，profibus- dp用于設(shè)備級(jí)的高速數(shù)據(jù)傳送，中央控制器（如plc、pc），通過(guò)高速串行線(xiàn)同分散的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（如i/o, 驅(qū)動(dòng)器, 開(kāi)關(guān)等）進(jìn)行通信。p

35、rofibus- dp具有快速、即插即用、高效低成本等優(yōu)點(diǎn)。在用于現(xiàn)場(chǎng)層的高速數(shù)據(jù)傳送時(shí), 主站周期地讀取從設(shè)備的輸入信息并周期地向從站設(shè)備發(fā)送輸出信息。除周期性數(shù)據(jù)傳輸外, profibus- dp 還提供了智能化設(shè)備所需要的非周期性通訊以進(jìn)行組態(tài)、診斷和報(bào)警處理。3.3電加熱爐plc系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示，本控制系統(tǒng)主要由profibus-dp現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)中的一臺(tái)pc機(jī)作為主站，西門(mén)子et200s作為從站，通過(guò)它連接受控對(duì)象。其中在pc機(jī)內(nèi)的pci插槽上插有一塊slot plc（cpu412-2 pci），即winac slot 412, 它是一種置于pc的pci總線(xiàn)的板卡式plc控制器，可實(shí)現(xiàn)與s

36、7-300系列處理器cpu412-2dp相同的控制功能，其操作控制性能和指令集也與西門(mén)子s7-300控制器系列一致，板卡上同時(shí)集成了mpi、profibus-dp通訊接口。電源擴(kuò)展板選件用于提供獨(dú)立于pc電源的供電，使winac slot在pc斷電時(shí)也可以正常運(yùn)行。同時(shí)，pc機(jī)上裝有編程組態(tài)軟件step7和監(jiān)控組態(tài)軟件wincc，構(gòu)成控制主站。而通過(guò)profibus-dp現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)連接至slot plc（cpu412-2 pci）的profibus-dp接口上et200s模塊，則作為控制從站。et200s上配有電源模塊（即pm模塊）、開(kāi)關(guān)量和模擬量的輸入輸出模塊（即：di、do、ai、ao模塊）

37、。而受控對(duì)象（電加熱爐）的變送器檢測(cè)信號(hào)和執(zhí)行器的操作信號(hào)將通過(guò)信號(hào)線(xiàn)被準(zhǔn)確地連接到et200s上的ai、ao模塊上15。pc（內(nèi)有wincc和step7）cpu （et200s）圖3.1 電加熱爐plc控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 3.4 plc控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 傳統(tǒng)電阻加熱爐大多采用簡(jiǎn)單位式恒溫控制方式，溫控精度不高。這種控制方式多采用由熱電偶構(gòu)成的反饋控制，對(duì)加熱電阻只進(jìn)行全通和全斷的兩態(tài)控制，難以達(dá)到提高溫度控制精度的要求，控制系統(tǒng)必須在溫度控制的動(dòng)態(tài)過(guò)程中具有自整定和自適應(yīng)控制參數(shù)的功能。3.4.1 恒溫控制系統(tǒng)智能型溫度器用于將溫度設(shè)定值和熱電偶爐溫反饋值進(jìn)行比較，生成溫差電壓?？蛇m配k、s、e、j、

38、t等型號(hào)的熱電偶，以適應(yīng)多種場(chǎng)合和不同溫度值的控制要求。該儀表能實(shí)時(shí)顯示和記錄設(shè)定控制溫度和爐體測(cè)量溫度，可設(shè)定連接熱電偶的溫度補(bǔ)償功能，可將熱電偶反饋的爐溫信號(hào)經(jīng)濾波轉(zhuǎn)換為4-20ma的標(biāo)準(zhǔn)電流號(hào)。plc根據(jù)爐溫控制狀態(tài)進(jìn)行運(yùn)算，生成時(shí)變的占空比控制信號(hào)，動(dòng)態(tài)控制可控硅的供電功率，并完成系統(tǒng)起動(dòng)、停止、保護(hù)等邏輯控制。隔離電路起plc和可控硅電路之間的輸入輸出隔離作用?？煽毓杩筛鶕?jù)不同加熱功率選用不同的輸出電流，也可選用單相或三相加熱方法20。系統(tǒng)將溫度設(shè)定值和爐溫測(cè)定反饋值進(jìn)行比較，生成溫差電壓v作為溫差信號(hào),當(dāng)爐溫t遠(yuǎn)低于設(shè)定溫度to時(shí)，plc輸出全通電平，可控硅全通，快速滿(mǎn)功率加熱。當(dāng)

39、溫差t=to-t逐漸減小時(shí)，誤差電壓vt逐漸下降，plc輸出間斷電平，可控硅間斷導(dǎo)通。隨著vt的下降，為減小熱慣性對(duì)溫度控制速度和精度的影響，系統(tǒng)自動(dòng)修改控制參數(shù)，使間斷控制電平的占空比也下降，可控硅平均導(dǎo)通電流減小，即加熱電功率逐步減小，減緩加熱速度，以便于溫度的精確控制。當(dāng)t=to-t2溫差進(jìn)一步減小，vt低于最低溫差電壓或爐溫t上升過(guò)快時(shí)，plc輸出關(guān)斷電平，可控硅關(guān)斷，電爐電功率為零。進(jìn)入恒溫階段，即to=t或to-t1時(shí)，誤差電壓vt相對(duì)穩(wěn)定，plc輸出相對(duì)穩(wěn)定的間斷控制電平，可控硅間斷導(dǎo)通，使電爐平均電功率與熱損耗達(dá)到平衡，維持爐溫恒定。電爐加料或出料等外界因素會(huì)使?fàn)t溫降低或升高，

40、這時(shí)候vt會(huì)自動(dòng)升高或降低。plc根據(jù)vt數(shù)值的變化進(jìn)行計(jì)算，輸出占空比升高或降低的間斷控制電平，使可控硅平均導(dǎo)通電流增大或減小，增加或減小電功率以適應(yīng)爐溫的波動(dòng)?？梢?jiàn)系統(tǒng)是以改變占空比的控制電平來(lái)適應(yīng)爐溫可能出現(xiàn)的變化，并且以調(diào)節(jié)加熱速度的方式補(bǔ)充或減少供電加熱的功率進(jìn)行自適應(yīng)恒溫控制。誤差電壓vt經(jīng)模擬量輸入模塊輸入plc，plc間隔0.5s對(duì)vt數(shù)值取樣一次，并與預(yù)存于plc數(shù)據(jù)寄存器中的門(mén)限電平值vd、vg（變參數(shù)控制時(shí)vt的變化范圍：vdvtvg)進(jìn)行比較,若vtvg,plc輸出全通電平(高電平),使三相可控硅全通，電阻滿(mǎn)功率加熱；若vdvtvg，根據(jù)占空比數(shù)值的大小，plc經(jīng)過(guò)程序

41、運(yùn)算，輸出相應(yīng)占空比的間斷控制電平，使三相可控硅間斷導(dǎo)通，電熱絲間斷加熱。間斷電平的占空比采用非線(xiàn)性計(jì)算，現(xiàn)使用的計(jì)算公式為：經(jīng)測(cè)試比較，該計(jì)算方法提高了低溫時(shí)的加熱速度，運(yùn)行效果較好。此外，為保證系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，防止控制過(guò)程的振蕩。以0.5s時(shí)間間隔對(duì)vt進(jìn)行取樣判斷,當(dāng)溫升過(guò)快,即：vt-vt-0.5vm（vm為0.5s內(nèi)允許的最大溫升所對(duì)應(yīng)的vt數(shù)值，也預(yù)存于plc數(shù)據(jù)寄存器中)時(shí)也輸出關(guān)斷電平,使三相電熱絲停止加熱。計(jì)算機(jī)電熱爐溫度變送器a/d轉(zhuǎn)換plcd/a轉(zhuǎn)換溫度變送器開(kāi)關(guān)可控調(diào)壓裝置 220v 圖3.2 溫度控制系統(tǒng)3.4.2 恒壓控制系統(tǒng) 恒壓供水控制系統(tǒng)的基本控制策略是：采用

42、電動(dòng)機(jī)調(diào)速裝置與可編程控制器（plc）構(gòu)成控制系統(tǒng)，進(jìn)行優(yōu)化控制泵組的調(diào)速運(yùn)行，并自動(dòng)調(diào)整泵組的運(yùn)行臺(tái)數(shù)，完成供水壓力的閉環(huán)控制，在管網(wǎng)流量變化時(shí)達(dá)到穩(wěn)定供水壓力和節(jié)約電能的目的。系統(tǒng)的控制目標(biāo)是泵站總管的出水壓力，系統(tǒng)設(shè)定的給水壓力值與反饋的總管壓力實(shí)際值進(jìn)行比較，其差值輸入cpu運(yùn)算處理后，發(fā)出控制指令，控制泵電動(dòng)機(jī)的投運(yùn)臺(tái)數(shù)和運(yùn)行變量泵電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到壓力穩(wěn)定在設(shè)定的壓力值上。系統(tǒng)基本情況 ：系統(tǒng)由變頻器、數(shù)字調(diào)節(jié)器、可編程序控制器（plc）、傳感器、水泵電機(jī)及相關(guān)電氣控制設(shè)備集成而成，是一種具有變頻調(diào)速和全自動(dòng)閉環(huán)控制功能的機(jī)電一體化智能設(shè)備。系統(tǒng)具有控制水泵出口總管壓力恒定、變

43、流量供水功能。系統(tǒng)通過(guò)安裝在出水總管上的壓力傳感器、流量傳感器，實(shí)時(shí)將壓力、流量非電量信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，輸入至可編程控制器（plc）的輸入模塊，信號(hào)經(jīng)cpu運(yùn)算處理后與設(shè)定的信號(hào)進(jìn)行比較運(yùn)算，得出最佳的運(yùn)行工況參數(shù)，由系統(tǒng)的輸出模塊輸出邏輯控制指令和變頻器的頻率設(shè)定值，控制泵站投運(yùn)水泵的臺(tái)數(shù)及變量泵的運(yùn)行工況，并實(shí)現(xiàn)對(duì)每臺(tái)水泵根據(jù)cpu指令實(shí)施軟啟動(dòng)、軟切換及變頻運(yùn)行。系統(tǒng)可根據(jù)用戶(hù)用水量的變化，自動(dòng)確定泵組的水泵的循環(huán)運(yùn)行，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性及供水的質(zhì)量16。系統(tǒng)控制功能 1.水泵起停由plc控制，可具備全循環(huán)軟起動(dòng)功能；2. 具有自動(dòng)、手動(dòng)切換和手動(dòng)操作裝置，不使用控制柜時(shí)，可用手工操作使

44、水泵直接在工頻下運(yùn)行；3.定時(shí)輪換功能：控制水泵（包括備用泵）周期性自動(dòng)交換使用，使水泵壽命基本一致；4.前端貯水池缺水后停泵保護(hù)，有故障顯示功能；5.供水系統(tǒng)中一般還設(shè)有一臺(tái)小泵或氣壓罐，是為了適應(yīng)小流量情況下（如夜間）的使用，系統(tǒng)能自動(dòng)切換并控制（可選功能）；6.具有自動(dòng)用工頻起動(dòng)消防泵功能，或者自動(dòng)變頻以適應(yīng)消防供水要求；7. 缺相、漏電、過(guò)載、瞬時(shí)斷電保護(hù)等電氣保護(hù)功能。 壓力調(diào)節(jié)器變頻調(diào)節(jié)器接觸器組plc保護(hù)報(bào)警壓力傳感器放大器水泵供水管圖3.3 恒壓供水自動(dòng)控制系統(tǒng)的原理框圖系統(tǒng)由壓力傳感器部分、可編程序控制器plc、變頻調(diào)速器、接觸器組和供水泵等部分組成，形成供水壓力負(fù)反饋閉環(huán)控

45、制系統(tǒng)。壓力傳感器將供水管道中的水壓變換為電壓信號(hào)，經(jīng)放大器放大后送至壓力調(diào)節(jié)器與壓力給定信號(hào)相比較，其差值經(jīng)pi運(yùn)算后去控制變頻器的輸出頻率，同時(shí)可編程序控制器控制水泵在電路與變頻器輸出之間進(jìn)行切換，改變泵組的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況和轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)壓力調(diào)節(jié)。第四章 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件兩部分，下位機(jī)軟件是plc內(nèi)的程序，主要用于控制參數(shù)和與上位機(jī)之間的通信。上位機(jī)軟件用于生產(chǎn)和過(guò)程自動(dòng)化中解決可視化和控制任務(wù)的監(jiān)控系統(tǒng)。4.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)4.1.1step-7簡(jiǎn)介下位機(jī)軟件主要是plc控制器內(nèi)程序的設(shè)計(jì)。由于plc內(nèi)有較多的內(nèi)部位存儲(chǔ)器和字存儲(chǔ)器、計(jì)時(shí)器和計(jì)數(shù)器等元

46、件，可以充分地利用它們進(jìn)行邏輯編程，它的輸入輸出各種信號(hào)可以反復(fù)使用，很容易實(shí)現(xiàn)自鎖、互鎖和定值、定位控制。根據(jù)流程圖和具體工藝，可以方便地編制出plc的程序梯形圖。step 7 為自動(dòng)化項(xiàng)目中所有的階段提供功能 從項(xiàng)目規(guī)劃到投入運(yùn)行、測(cè)試和維修。step 7 以此支持整個(gè)的工程流程。step 7 既包含設(shè)備硬件配置，也包含模塊的參數(shù)化。因此不必再進(jìn)行硬件設(shè)置。f 模塊的項(xiàng)目規(guī)劃正如在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃中一樣，使用 hw 配置，即 step 7 配置工具來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖 4.1 step 7中的模塊的參數(shù)化使用 step 7 通過(guò)圖形操作面板確定項(xiàng)目中的通訊連接。帶有 simatic 管理器的 step 7

47、包含用于項(xiàng)目管理的集中式工具。 simatic 管理器不僅考慮到 cpu，而且考慮到整個(gè)設(shè)備 與解決方案由多少控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)裝置和 hmi 設(shè)備組成無(wú)關(guān)。使用 step 7 使得通訊連接在項(xiàng)目范圍內(nèi)達(dá)到圖形化確定。結(jié)構(gòu)編程使得應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化。它被分為若干簡(jiǎn)單的、易于測(cè)試的單元，即所說(shuō)的模塊。一個(gè)內(nèi)容廣泛的標(biāo)準(zhǔn)模塊庫(kù)使得程序設(shè)置非常有效率。 s7 分布式安全提供指令、操作和模塊，以實(shí)現(xiàn) kop 和 fup 中的安全程序。為此有附帶預(yù)生產(chǎn)、經(jīng) tv 認(rèn)證的模塊庫(kù)可供用于安全功能。用戶(hù)不需另外的工程技能，因?yàn)榫幊淌窃谑煜さ膕tep 7 環(huán)境中完成的。在安全程序設(shè)計(jì)中 s7 分布式安全也包含故

48、障識(shí)別功能和安全檢查。通過(guò)所謂的 f 從標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用程序中調(diào)出安全程序（例如在一個(gè) ob 中，如 ob 35）。除安全程序外，可以在 cpu上同時(shí)運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)程序。s7 分布式安全支持安全程序的比較，并使用生成的程序語(yǔ)句簡(jiǎn)化設(shè)備的驗(yàn)收。 圖 4.2 s7 分布式安全 4.1.2下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)流程圖vt-vt-0.5vmk=1生成關(guān)斷控制電平 k=0生成間斷控制電平讀k的數(shù)值計(jì)算控制電平占空比k=f(vt) 開(kāi)始間隔5s讀取vtvtvdvtvg生成全通控制電平 圖4.3 plc 溫度控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)4.2上位機(jī)軟件設(shè)計(jì) 本套控制系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控軟件采用siemens 公司的上位監(jiān)控組態(tài)軟件simaticw

49、incc。wincc指的是windows control center，它是在生產(chǎn)和過(guò)程自動(dòng)化中解決可視化和控制任務(wù)的監(jiān)控系統(tǒng)，它提供了適用于工業(yè)的圖形顯示、消息、歸檔以及報(bào)表的功能模板。高性能的功能耦合、快速的畫(huà)面更新以及可靠的數(shù)據(jù)交換使其具有高度的實(shí)用性。4.2.1win cc 簡(jiǎn)介simatic wincc是第一個(gè)使用最新的32位技術(shù)的過(guò)程監(jiān)視系統(tǒng)，具有良好的開(kāi)放性和靈活性。wincc，這一運(yùn)行于microsoft windows 2000和xp下的windows控制中心，已發(fā)展成為歐洲市場(chǎng)中的領(lǐng)導(dǎo)者，乃至業(yè)界遵循的標(biāo)準(zhǔn)。如果你想使設(shè)備和機(jī)器最優(yōu)化運(yùn)行，如果你想最大程度地提高工廠(chǎng)的可用性

50、和生產(chǎn)效率，wincc當(dāng)是上乘之選。wincc 具有突出的優(yōu)點(diǎn)：通用的應(yīng)用程序，適合所有工業(yè)領(lǐng)域的解決方案；多語(yǔ)言支持，全球通用；可以集成到所有自動(dòng)化解決方案內(nèi)；內(nèi)置所有操作和管理功能，可簡(jiǎn)單、有效地進(jìn)行組態(tài)；可基于web持續(xù)延展，采用開(kāi)放性標(biāo)準(zhǔn)，集成簡(jiǎn)便；集成的historian 系統(tǒng)作為it 和商務(wù)集成的平臺(tái)；可用選件和附加件進(jìn)行擴(kuò)展；“全集成自動(dòng)化” 的組成部分，適用于所有工業(yè)和技術(shù)領(lǐng)域的解決方案。wincc集生產(chǎn)自動(dòng)化和過(guò)程自動(dòng)化于一體，實(shí)現(xiàn)了相互之間的整合，這在大量應(yīng)用和各種工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)例中業(yè)已證明，包括：汽車(chē)工業(yè)、化工和制藥行業(yè)、印刷行業(yè)、能源供應(yīng)和分配、貿(mào)易和服務(wù)行業(yè)、塑料和

51、橡膠行業(yè)、機(jī)械和設(shè)備成套工程、金屬加工業(yè)、食品、飲料和煙草行業(yè)、造紙和紙品加工、鋼鐵行業(yè)、運(yùn)輸行業(yè)、水處理和污水凈化。 wincc是simatic pcs 7過(guò)程控制系統(tǒng)及其它西門(mén)子控制系統(tǒng)中的人機(jī)界面組件。wincc 還為垂直市場(chǎng)解決方案提供有豐富的選件(options)和附加件(add-ons)。通過(guò)利用“fda選件”，并在工程與組態(tài)時(shí)采取適當(dāng)?shù)拇胧?這在白皮書(shū)中已闡明 simatic wincc符合制藥和食品行業(yè)fda 21 cfr part 11的要求(fda = 美國(guó)食品和藥物管理局)。眾多的任選件，將使工廠(chǎng)認(rèn)證更為容易，而這種認(rèn)證為這些工業(yè)領(lǐng)域的各種要求更是提供了非常有說(shuō)服力的全面

52、響應(yīng)。wincc提供了所有最重要的通訊通道， 用于連接到s imat i c s5/s7/505控制器(例如通過(guò)s7協(xié)議集)的通訊，以及如profibus-dp/ fms、dde(動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換)和opc(用于過(guò)程控制的ole)，等非專(zhuān)用通道；你亦能以附加件的形式獲得其它通訊通道。由于所有的控制器制造商都為其硬件提供了相應(yīng)的opc服務(wù)器，因而事實(shí)上可以不受限制地將各種硬件連接到wincc。4.2.2監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 西門(mén)子公司的wincc集成了scada、組態(tài)、腳本（script）語(yǔ)言和opc等先進(jìn)技術(shù), 為用戶(hù)提供了windows操作系統(tǒng)環(huán)境下使用各種通用軟件的功能。用戶(hù)可以在wincc友好的界面下進(jìn)行過(guò)程組態(tài)、編程和數(shù)據(jù)管理, 很容易形成需要的操作畫(huà)面、監(jiān)視面面、實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線(xiàn)、歷史數(shù)據(jù)報(bào)表、越限報(bào)警等13。wincc提供了一個(gè)稱(chēng)為“simatic s7 protocol”的通訊驅(qū)動(dòng)程序，這個(gè)通訊程序支持多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和類(lèi)型，通過(guò)它的通道單元可以實(shí)現(xiàn)wincc與各種simatic s7 plc以及winac的通訊。組態(tài)下載前要進(jìn)行端口設(shè)置，在控制面板中的“set pg/pc interface”中選擇“s7 online（step7）”，再選擇“pc internal （lo