基于PLC實現(xiàn)的鍋爐汽包水位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計完成

1、畢業(yè)論文基于PLC實現(xiàn)的鍋爐汽包水位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計學(xué) 生 姓 名： 專 業(yè) 班 級： 指 導(dǎo) 教 師： 完 成 日 期： 摘 要在鍋爐汽包水位監(jiān)控系統(tǒng)中，水位是一個很重要的控制參數(shù)，它間接地反映了鍋爐負荷和給水的平衡關(guān)系。本次設(shè)計是合理控制汽包水位，其控制方案是于GE90-30 PLC實現(xiàn)三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，即前饋-串級復(fù)合控制系統(tǒng)。本文介紹的是基于PLC實現(xiàn)的鍋爐汽包水位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計，設(shè)計中主要解決的是確定鍋爐汽包水位的控制方案、系統(tǒng)控制設(shè)備選型、PLC梯形圖的編程、系統(tǒng)配置、IO配置、上位機工藝操作界面組態(tài)的設(shè)計。本鍋爐汽包自控設(shè)計選用的美國GE Fanuc自動化公司的90TM-30系列PLC可

2、編程序控制操作站GE Fanuc自動化公司用GE90-30 PLC來實現(xiàn)鍋爐汽包水位監(jiān)控，可以提高鍋爐的自動化控制水平，維持汽包水位在給定范圍內(nèi)，保證了鍋爐安全運行，降低工作人員的勞動強度，取得了較好的經(jīng)濟和社會效益。關(guān)鍵詞： PLC 汽包水位 三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng) 監(jiān)控軟件Abstract feed-forward complThe article describes the design of based on PLC. The problems solved in the article are the control scheme of , equipment selection, the

3、program for ladder diagram of PLC, IO configuration and the design for the technological operation of PLC, in the design, we choose 90TM-30 series PLC made by automation company GE Fanuc in America with programmable controllers as input and output passages, which realizes data testing and output con

4、trol in the scene. We choose automatic monitored software CIMPLICITY HMI 4.01 (300 points) produced by GE Fanuc automation company in America as operation station which can realize configuration design for operation station and realize data testing and output control in the scene. As a result, this

5、can realize the control for the . GE90-30 PLC. It can not only improve the standard of automatic control ofKey Words: PLC Water Level of Steam Manifold Tri-Impulse Controlling System Monitoring and Controlling Software引 言在鍋爐汽包水位監(jiān)控系統(tǒng)中，汽包水位是一個很重要的控制參數(shù)，它間接地反映了鍋爐負荷和給水的平衡關(guān)系。汽包水位是保證鍋爐安全運行的必要條件。鍋爐汽包水位過高，會影

6、響汽包內(nèi)汽水分離裝置的正常工作，造成出口蒸汽中水分過多，結(jié)果使過熱器受熱面結(jié)垢而導(dǎo)致過熱器燒壞，同時會使過熱蒸汽汽溫產(chǎn)生急劇變化，直接影響機組運行的經(jīng)濟性和安全性；汽包水位過低，則由于汽包內(nèi)的水量較少，當(dāng)負荷很大時，水的汽化速度很快，因而汽包內(nèi)的水量變化速度很快，如不及時有效控制，就會使汽包內(nèi)的水全部汽化，導(dǎo)致鍋爐被燒壞或爆炸；在燃料量不變的情況下，蒸汽流量突然增加，導(dǎo)致汽包內(nèi)壓力驟然下降，汽包內(nèi)水沸騰加劇，氣泡增多，將水位抬高，導(dǎo)致虛假的水位上升。即假水位現(xiàn)象同時高性能的鍋爐產(chǎn)生的蒸汽流量很大，而鍋筒的體積相對來說較小，所以鍋爐水位控制顯得非常重要1-2。在鍋爐汽包水位控制中被控變量是汽包水

7、位，操作變量是給水流量，給水量的變化不僅影響汽包水位，而且對蒸汽壓力、過熱蒸汽溫度等都有影響。它主要受考慮汽包內(nèi)部的物料平衡，使給水量適應(yīng)鍋爐的蒸汽量，維持汽包中水位在工藝允許范圍內(nèi)。維持汽包水位在給定范圍內(nèi)是保證鍋爐安全運行的必要條件。鍋爐汽包水位控制的任務(wù)是控制給水流量，使其與蒸發(fā)量保持平衡，維持鍋筒內(nèi)水位在允許的范圍內(nèi)變化。鍋爐長期在高水位下運行，已成為高參數(shù)汽包鍋爐普遍存在的問題。研究汽包內(nèi)部實際水位與理想水位差值的成因，并設(shè)法修正和消除這個差值，合理控制汽包水位，保證鍋爐安全運行有著重要的現(xiàn)實意義。鍋爐汽包水位監(jiān)控系統(tǒng)在發(fā)生擾動的情況下，控制器采用PID控制策略3，提高了系統(tǒng)在惡劣情

8、況下的抗干擾能力和控制系統(tǒng)的魯棒性能，保證了生產(chǎn)過程的穩(wěn)定和安全。在鍋爐水位控制系統(tǒng)中，將PID算法融于PLC控制系統(tǒng)，取得了良好的控制效果。PLC對整個鍋爐的運行進行監(jiān)測、報警、控制，以保證鍋爐正?？煽康剡\行。PLC實現(xiàn)的計算機控制系統(tǒng)可以提高鍋爐設(shè)備的自動化控制水平，降低工作人員的勞動強度，取得了較好的經(jīng)濟和社會效益4-6。 蒸汽鍋爐是用于滿足生產(chǎn)規(guī)模擴大和民用供熱的工業(yè)鍋爐，其操作和控制從人工及儀表進入了微機時代7。微機監(jiān)控裝置經(jīng)歷了以下幾個階段：單板機、單片機、一般微機配工業(yè)接口板、工控機、可編程調(diào)節(jié)器、DCS集中分散型系統(tǒng)及PLC計算機控制系統(tǒng)，其發(fā)展過程體現(xiàn)了設(shè)備檔次由低到高，由通

9、用微機設(shè)備到工業(yè)專用設(shè)備，由自制設(shè)備到產(chǎn)品化標準設(shè)備的演變過程。國外發(fā)達國家的工業(yè)鍋爐，已有成熟的控制系統(tǒng)，例如：日本橫河、北辰的YS-80/100、美國霍尼威爾的9000、德國西門子的Teleperm-D等。一般是儀表的微機化或DCS系統(tǒng)8-9。這些裝置的優(yōu)點是可靠性高、功能強、組態(tài)靈活，代表著自動控制領(lǐng)域的發(fā)展方向，缺點是不適合我國工業(yè)鍋爐實際情況，成本很高。先進控制策略的發(fā)展主要向預(yù)先控制、自適應(yīng)控制、智能控制、模擬控制等方面發(fā)展。目前，國內(nèi)外汽包水位控制策略采用三沖量控制、模糊控制及PID自校準與自調(diào)整的比較多，特別是前2種，其中模糊控制主要是朝智能化方向發(fā)展，表現(xiàn)在模糊控制與智能控制

10、的結(jié)合，采用遺傳算法優(yōu)化模糊控制等。它避免了只憑經(jīng)驗和試湊法設(shè)計模糊控制器所存在的困難和盲目性，有效地提高了模糊控制器的控制品質(zhì)，F(xiàn)NN 的結(jié)構(gòu)考慮了模糊推理及模糊規(guī)則，主要解決的問題是：規(guī)則的完整性、規(guī)則的優(yōu)化和控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性；PID自調(diào)整、自校正主要采用不同的優(yōu)化方法對參數(shù)進行自調(diào)整；預(yù)測函數(shù)控制、廣義預(yù)報自適應(yīng)控制、模型參考自適應(yīng)控制等基于模型的控制方法發(fā)展的比較少，具體在實際應(yīng)用過程中應(yīng)用的則更少；前敘的各種汽包水位控制策略各有優(yōu)缺點，引入汽包水位噪聲的因素，并基于這些控制策略開發(fā)新的控制策略將是項很有意義的工作，也是可行的11-12?？刂圃O(shè)備方面以往的單元組合儀表及計算機集中控制方

11、式（如DDC，SPC等）已被淘汰，目前國內(nèi)外大多采用商品化的分布式計算機控制系統(tǒng)（DCS）與可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controllers，PLC）計算機控制系統(tǒng)13。其控制對象方面：受約束的MIMO（多輸入多輸出）系統(tǒng)，控制目標考慮操作條件的最優(yōu)化。其控制方法的發(fā)展趨勢為：結(jié)合最優(yōu)化技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)信息處理技術(shù)的現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)（CIMS）。目 錄摘 要IAbstractII引 言III第1章 系統(tǒng)的總體設(shè)計11.1設(shè)備的選擇11.2 PLC與過程監(jiān)控軟件的選擇21.3控制方案的選擇2第2章 鍋爐汽包水位的設(shè)計42.1 工藝流程42.2 自控模型42.3

12、 技術(shù)路線6第3章 系列GE90-30 PLC93.1系列GE90-30 PLC特點93.2系列90-30 PLC系統(tǒng)配置93.3 PLC安裝結(jié)構(gòu)及設(shè)備組態(tài)103.4 I/O地址分配113.5 PLC編程軟件13第4章PID控制算法及PLC編程134.1 PID控制算法13控制算法144.1.2 CV幅值和速率極限144.2 PID調(diào)節(jié)器PLC編程15第5章 監(jiān)控軟件及組態(tài)設(shè)計225.1 監(jiān)控軟件CIMPLICITY HMI簡介225.2 CIMPLICITY HMI運行環(huán)境245.3 CIMPLICITY HMI操作主畫面245.4 調(diào)節(jié)器組態(tài)設(shè)計25結(jié) 論27參考文獻28附錄129附錄2&

13、#183;·················································&

14、#183;·················································&

15、#183;··················32第1章 系統(tǒng)的總體設(shè)計1.1設(shè)備的選擇控制設(shè)備方面以往的單元組合儀表及計算機集中控制方式（如DDC，SPC等）已被淘汰，目前國內(nèi)外大多采用商品化的分布式計算機控制系統(tǒng)（DCS）與可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controllers，PLC）計算機控制系統(tǒng)。其控制對象方面：受約束的MIMO（多輸入多輸出）系統(tǒng)，控制目標考慮操作條件的最優(yōu)化。其控

16、制方法的發(fā)展趨勢為：結(jié)合最優(yōu)化技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)信息處理技術(shù)的現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)（CIMS）?？刂圃O(shè)備的選擇：首先系統(tǒng)還需對原水量、蒸汽產(chǎn)量及燃料消耗量進行流量計量，以便工廠進行投入產(chǎn)出核算，它是現(xiàn)代數(shù)據(jù)信息處理技術(shù)的重要研究方面。尤其是產(chǎn)品產(chǎn)量及能耗指標的準確性、經(jīng)濟性一直是國內(nèi)外工程技術(shù)人員和科研人員關(guān)注熱點。合理地原材料消耗及實時性的準確匯總、科學(xué)的報表統(tǒng)計，它關(guān)系到生產(chǎn)管理、成本核算、提高經(jīng)濟效益大問題。分布式計算機控制系統(tǒng)（CS）和可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controllers，PLC）計算機控制系統(tǒng)配有多種通訊協(xié)議，支持多種現(xiàn)場總線技術(shù)，為數(shù)據(jù)信息

17、處理技術(shù)的實時性、準確性實現(xiàn)提供了保障。其次系統(tǒng)生產(chǎn)過程的重要參數(shù)和設(shè)備運行狀態(tài)進行實時控制及檢測，以往采用眾多數(shù)字顯示儀表進行現(xiàn)場參數(shù)檢測的方法被取代為計算機分組畫面檢測，同時實時趨勢畫面，歷史趨勢畫面，更加有利于多手段、多方面集中監(jiān)測生產(chǎn)過程運行狀態(tài)。對于設(shè)備運行控制可實現(xiàn)集中操作、故障分散設(shè)計手段，且其運行狀態(tài)配以報警畫面及聲光提示，更有利于生產(chǎn)設(shè)備的安全運行。它是分布式計算機控制系統(tǒng)（DCS）和可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controllers，PLC）計算機控制系統(tǒng)的性能及特點的具體體現(xiàn)，是目前國內(nèi)外普遍采用的先進的手段。因此硬件設(shè)備將在商品化的DCS系統(tǒng)

18、與PLC計算機控制系統(tǒng)選擇。鑒于國外DCS系統(tǒng)硬件成本較高，本著即要充分考慮設(shè)備的先進性、運行可靠性、實用性、可維護性，又要保證滿足系統(tǒng)功能設(shè)計要求，使先進的監(jiān)控手段得以實現(xiàn)，并要為廠家降低經(jīng)費投入的硬件設(shè)備選擇原則，系統(tǒng)硬件設(shè)備可以采用國產(chǎn)的DCS系統(tǒng)或國外的PLC計算機控制系統(tǒng)。由于國產(chǎn)的DCS系統(tǒng)比國外的可編程邏輯控制器計算機控制系統(tǒng)成本投入略高，同時國外的PLC控制系統(tǒng)已不僅僅數(shù)字邏輯控制，也已具有模擬量輸入、輸出模塊及其它各種多功能模塊，使完成系統(tǒng)設(shè)計的各項功能已不成問題。同時，系統(tǒng)監(jiān)控軟件如也選擇統(tǒng)一廠家的，將使系統(tǒng)軟件和硬件設(shè)備有機結(jié)合，可保證系統(tǒng)運行可靠性、穩(wěn)定性。因此系統(tǒng)硬件

19、設(shè)備選擇PLC系統(tǒng)。1.2 PLC與過程監(jiān)控軟件的選擇世界著名廠家的可編程控制器及過程監(jiān)控軟件如表1-1所列。通過下表PLC和過程監(jiān)控軟件的比較和研究內(nèi)容的需求，最后選擇了GE Fanuc 的90TM-30系列PLC和GE CIMPLICITY HMI過程監(jiān)控軟件。本系統(tǒng)下位機采用美國GE Fanuc自動化公司的系列90TM-30 PLC可編程序控制器實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備生產(chǎn)過程的實時監(jiān)控。該系列PLC模塊具有成本低、性能高、安全性好、易于組態(tài)和便于安裝等特點，它的CPU具有十分強大的功能，內(nèi)裝PID，結(jié)構(gòu)化編程，中斷控制，間接尋址及各種功能模塊，能方便地完成各種復(fù)雜的操作。表1-1 著名廠家的可編

20、程控制器及過程監(jiān)控軟件生產(chǎn)廠可編程控制器過程監(jiān)控軟件ABSLC500RSview32組態(tài)軟件松下FP0系列PLCiFix V3.0組態(tài)軟件OMRONCJ1系列PLCiFix V3.0組態(tài)軟件SIMATICS7-400/M7-400 PLCInTouch8.0過程可視化組態(tài)軟件三菱A系列PLCIntellution FIX上位組態(tài)軟件GE Fanuc90-70/30/20系列PLCGE CIMPLICITY HMI西門子S700WinCC V4.0 監(jiān)控組態(tài)軟件1.3控制方案的選擇典型的鍋爐汽包水位控制策略包括單沖量、雙沖量和三沖量。由于單沖量、雙沖量及單級三沖量控制策略比較簡單，并且難以適應(yīng)現(xiàn)

21、代各種復(fù)雜鍋爐的控制要求，目前各種鍋爐汽包水位控制絕大多數(shù)采用三沖量水位控制策略。鍋爐汽包水位的單沖量控制系統(tǒng)：這里指的單沖量即汽包水位，這種控制系統(tǒng)是典型的單回路控制系統(tǒng)。當(dāng)蒸汽負荷突然大幅度增加時，由于假水位現(xiàn)象，控制器不但不能開大給水閥增加給水量，以維持鍋爐的物料平衡，而是關(guān)小控制閥的開度減小給水量。等假水位消失后，由于蒸汽量增加，送水量反而減少，將使水位嚴重下降，波動很厲害，嚴重時甚至?xí)蛊唤档轿ｋU程度以致發(fā)生事故。因此對于停留時間短、負荷變動大的情況，這種的系統(tǒng)不能適應(yīng)，水位不能保證。鍋爐汽包水位的雙沖量控制系統(tǒng)：在汽包水位控制中，最主要的擾動是負荷的變化。如果根據(jù)蒸汽流量來起

22、校正作用，就可以糾正虛假水位引起的誤動作，而且使控制閥的動作十分及時，從而減少水位的波動，改善控制品質(zhì)。將蒸汽流量信號引入，就構(gòu)成雙沖量控制系統(tǒng)。這是一個前饋（蒸汽流量）加單回路反饋控制的復(fù)合控制系統(tǒng)。這里的前饋系統(tǒng)就僅為靜態(tài)的前饋，若需要考慮兩條通道在動態(tài)上的差異，需加入動態(tài)補償環(huán)節(jié)。這個控制系統(tǒng)有兩個缺點，控制閥的工作特性不一定成為線性，對于蒸汽負荷變化要做到靜態(tài)補償比較困難；而對于給水系統(tǒng)的擾動仍不能克服。三沖量控制系統(tǒng)的特點：此系統(tǒng)是前饋-串級控制系統(tǒng)。其前饋控制是根據(jù)蒸汽流量來起校正作用，以糾正虛假水位引起的誤動作，而且使控制閥的動作非常及時，從而減少水位的波動，改善控制品質(zhì)，其串級

23、控制對于主要調(diào)節(jié)器是保證汽包水位的靜態(tài)準確性，同時副調(diào)節(jié)器能快速克服給水閥前壓力波動干擾。在此設(shè)計中也采用三沖量水位控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)。汽包水位調(diào)節(jié)重要性是維持水位在一定范圍內(nèi)，它也是保證鍋爐安全運行的重要條件14-16。原因：（1）水位過高會影響汽包內(nèi)汽水分離，飽和水蒸汽帶水過多，在過熱器管壁結(jié)垢，導(dǎo)致?lián)p壞。同時過熱蒸汽溫度急劇下降，會毀壞鍋爐。（2）水位過低，水量較少，當(dāng)負荷較大時，水的汽化速度快，如不及時控制，汽包內(nèi)水會全部汽化，導(dǎo)致水冷壁燒壞，甚至爆炸。根據(jù)汽包水位條件的重要性和此設(shè)計中對汽包水位的要求使用三沖量控制其優(yōu)點是（1）系統(tǒng)適合于對于汽包水位要求嚴格或變化頻繁、虛假水位嚴重的系統(tǒng)。

24、（2）對信號的靜態(tài)配合要求沒有那么嚴格，主調(diào)節(jié)器能自動校正信號配合不準所引起的誤差。（3）可以實現(xiàn)無差調(diào)節(jié)（不存在穩(wěn)態(tài)配合問題）。三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，即前饋-串級復(fù)合控制系統(tǒng)，它的設(shè)計思想是：以鍋爐汽包水位測量信號作為主控制信號，構(gòu)成主調(diào)節(jié)回路，以蒸汽流量信號作為前饋信號，構(gòu)成前饋調(diào)節(jié)回路，總給水流量作為串級信號，構(gòu)成副調(diào)節(jié)回路，由主調(diào)節(jié)回路、前饋調(diào)節(jié)回路、副調(diào)節(jié)回路來共同構(gòu)成鍋爐汽包水位串級三沖量自動控制系統(tǒng)。第2章 鍋爐汽包水位的設(shè)計2.1 工藝流程本設(shè)計的工藝流程是原水原水前處理原水罐水水換熱器汽水換熱器除氧器儲煤器汽包液位。系統(tǒng)具有五個調(diào)節(jié)回路，如汽包液位的控制回路、原水液位控制回路、除氧

25、器壓力、液位的控制回路、鼓風(fēng)機壓力的控制回路、引風(fēng)機爐膛負壓調(diào)節(jié)的控制回路，這里是以汽包液位的控制回路為主，圖2-1 鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)2.2 自控模型鍋爐工藝及自控要求某鍋爐的工藝設(shè)計主要參數(shù)為：蒸汽性質(zhì)：飽和蒸汽； 蒸發(fā)量：35t/h；蒸汽壓力：0. 9MPa；蒸汽溫度：180；給水流量：37m3/h；給水溫度：104。現(xiàn)場部分生產(chǎn)過程D/A PLC A/D下位機部分上位機部分管理命令打印、報警輸出信號驅(qū)動 數(shù)字量 測量變送控制系統(tǒng)硬件部分包括小型工作站（上位工控計算機）、GE Fanuc 90TM-30系列PLC可編程序控制器構(gòu)成的下位機、外部設(shè)備、過程輸入輸出通道、現(xiàn)場工業(yè)自動化儀表

26、以及供電系統(tǒng)等組成。它是對工業(yè)鍋爐生產(chǎn)進行實時控制的物質(zhì)基礎(chǔ)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2-2所示。圖2-2系列結(jié)構(gòu)框圖鍋爐設(shè)備自控系統(tǒng)I/O點規(guī)模如表3-1所列。系統(tǒng)共有壓力、流量、液位和溫度信號64個，其中46個壓力、流量及液位信號經(jīng)現(xiàn)場變送器轉(zhuǎn)換為420mADC標準信號后接入控制柜，18個溫度信號分別由熱電偶、熱電阻測出接入控制柜；5個420mADC輸出信號用于控制調(diào)節(jié)閥或變頻調(diào)速器等執(zhí)行機構(gòu)，以構(gòu)成自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)；16個繼電器接點開關(guān)量輸入用于檢測現(xiàn)場設(shè)備運行狀態(tài)，16個繼電器接點開關(guān)量輸出用于現(xiàn)場設(shè)備的連鎖控制。表2-1 I/O點規(guī)模序號信號類型I/O點數(shù)1模擬量輸入（AI）420mA標準信號4

27、6熱電偶THM12熱電阻RTD62420mA模擬量輸出(AO)5324VDC繼電器接點開關(guān)量輸入(DI)164繼電器接點開關(guān)量輸出(DO)16依據(jù)設(shè)計院設(shè)計要求，本鍋爐自控設(shè)計選用的美國GE Fanuc自動化公司的90TM-30系列PLC可編程序控制為增強系統(tǒng)的抗干擾能力，模擬量輸入及輸出均采用信號隔離器。Serial-SNP通訊協(xié)議，并通過SNP/RS-232轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)與操作站的通訊，操作站GE Fanuc自動化公司。掛接Microsoft Access數(shù)據(jù)庫軟件生成數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)能源計量管理。2.3 技術(shù)路線系統(tǒng)具有五個調(diào)節(jié)回路，如汽包液位的控制回路、原水液位控制回路、除氧器壓力、液位的控制

28、回路、鼓風(fēng)機壓力的控制回路、引風(fēng)機爐膛負壓調(diào)節(jié)的控制回路，這里是以汽包液位的控制回路為主，它的系統(tǒng)方框圖如圖3-3所示。 水位對象 差壓變送器 功能模塊3 水位變送器壓力補償模塊 功能模塊1 差壓變送器 C0+C1PC+C2PS PS水位PID調(diào)節(jié)給水流量對象 流量PID調(diào)節(jié) PC EH PO PF H PH功能模塊2 蒸汽流量 P P EF F圖2-3采用PLC實現(xiàn)的汽包水位三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)方框圖 RH圖中的參數(shù)解釋具體如下：C0加法器初始偏置數(shù)；C1、C2加法器系數(shù)；EH汽包水位偏差值；EF給水量偏差值；F積水流量；H汽包水位；PC汽包水位調(diào)節(jié)器輸出值；PF給水流量測量值；PH汽包水位測量值

29、；PO給水流量給定值；PS經(jīng)壓力補償后的蒸汽流量測量值；RH汽包水位給定值；P差壓流量計輸出值。系統(tǒng)通過采用90TM-30 PLC梯形圖編程軟件，IC641SWM306進行梯形圖軟件編程，需進行CPU配置、90TM-30 I/O模塊配置，以及結(jié)構(gòu)化編制方框圖中的功能模塊1、功能模塊2、飽和蒸汽壓力補償模塊、靜態(tài)前饋控制器模塊（C0+C1PC+C2PS）、水位PID調(diào)節(jié)模塊、給水流量PID調(diào)節(jié)模塊等程序。 功能模塊1。它是開方運算模塊，因為節(jié)流式差壓流量計是通過變送器檢測孔板前后壓差的，變送器輸出的信號與實際流量Q之間成方根關(guān)系。功能模塊2。由于汽包水位是一個沸騰的水位，且水中汽泡量是變化不定的

30、，因此在采用差壓變送器測量的水位時，盡管安裝時設(shè)置了隔離罐，同時變送器設(shè)置了一定阻尼系數(shù)，其電流輸出信號仍存在頻繁的周期性波動，因此系統(tǒng)需對該信號進行平滑處理，以保證其控制質(zhì)量，本系統(tǒng)采用了一階慣性濾波。飽和蒸汽壓力補償模塊。蒸汽管道內(nèi)溫度、壓力改變時飽和蒸汽密度隨之改變，而對飽和蒸汽密度影響較為明顯的是蒸汽的壓力，所以編制了蒸汽流量壓力補償程序。首先將被測蒸汽壓力進行量綱轉(zhuǎn)換（即MPa kg/cm2），再轉(zhuǎn)換為絕對壓力（實測為相對壓力），然后以設(shè)計工作點為界限，分兩段采用計算公式實現(xiàn)蒸汽流量壓力補償，經(jīng)實際檢驗在工作點附近誤差小于1%。靜態(tài)前饋控制器模塊（C0+C1PC+C2PS）。從表面上

31、看，該子程序模塊是構(gòu)造一個加法器，但其本質(zhì)上是編制C2起著靜態(tài)前饋控制器的作用，因鍋爐生產(chǎn)的飽和蒸汽僅用作熱劑，為保護鍋爐其給水流量電動調(diào)節(jié)閥應(yīng)采用電關(guān)閥為宜，且汽包水位調(diào)節(jié)器（LICA-101）為正作用，因此C2應(yīng)為負值。應(yīng)用中C2 = - 1.054；C1 = 1；C0 = |C2 PS | = 35 ×1.054 = 36.9，應(yīng)用效果較好。汽包水位PID調(diào)節(jié)器、給水流量PID調(diào)節(jié)器子程序塊。用增強型CPU360模版，CPU內(nèi)裝PID標準的ISA PID算法（PID ISA），通過編程實現(xiàn)。PID ISA方塊圖如圖2-4所示。圖2-4 PID ISA方塊圖以該PID ISA調(diào)節(jié)

32、子程序塊構(gòu)造汽包水位三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，需將水位PID調(diào)節(jié)編制成定值調(diào)節(jié)（LICA-101），而給水流量PID調(diào)節(jié)編制成隨動調(diào)節(jié)（FIRQ-102），以構(gòu)成前饋-串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)。需要注意的是方塊圖中的比例增益項（Kc）和積分速率增益（Ki），在我國常規(guī)PID調(diào)節(jié)器比例增益項習(xí)慣上通常采用比例帶來設(shè)定（=1/Kc）；積分增益項通常采用積分時間來設(shè)定（Ki=1/Ti）。因此，上位機組態(tài)軟件對這兩個參數(shù)進行組態(tài)時應(yīng)進行數(shù)據(jù)變換。第3章 系列GE90-30 PLC3.1系列GE90-30 PLC特點（1）最具競爭力系列90TM-30 PLC是GE Fanuc系列90-30可編程序控制器家族的一員，提供最先進

33、的編程特性，易于組態(tài)，便于安裝，獨有的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)開辟了一條最經(jīng)濟的工業(yè)控制途徑。（2）領(lǐng)先的技術(shù)系列90TM-30 PLC成本低，性能高，能方便地取代從簡便的繼電器到復(fù)雜的中型自動化應(yīng)用系統(tǒng)場合。幾年前需由高檔PLC完成的任務(wù)現(xiàn)在則由系列90TM-30來代替。GE Fanuc不斷地推出新產(chǎn)品，擴大使用范圍，顯示了其技術(shù)的領(lǐng)先地位，它的CPU具有強大的功能，如內(nèi)裝PID，結(jié)構(gòu)化編程，中斷控制，間接尋址及各種功能模塊，能完成復(fù)雜的操作。另外系列90TM-30 PLC有功能很強的特殊模塊可供選擇，包括軸定位模塊，高速計數(shù)器模塊，BASIC和C語言協(xié)處理器模塊及Genius通訊模塊。GE Fanuc豐富

34、的開關(guān)量I/O和模擬量I/O、簡化啟動和故障自診以及容易與其他PLC、計算機集成一體的特性，使您確信，系列90TM-30是現(xiàn)在與未來PLC的明智選擇。（3）促進與第三方的合作促進與第三方的合作。為了及時解決用戶的需求，GE Fanuc提供第三家工業(yè)設(shè)備和軟件包，合作的結(jié)果進一步擴大了系列90TM-30的能力，通用的產(chǎn)品包括：熱電偶、熱電阻、步進電機模塊、大電流繼電器模塊。NATURAL LANGUAGE STATE LOGIC CONTROL為那些在系列90TM-30編程方面沒有經(jīng)驗的用戶提供了新的編程方式。有些廠家具有數(shù)據(jù)采集和控制軟件產(chǎn)品，將用系列90TM-30與個人計算機連機。這些軟件包

35、提供的軟件和系列90TM-30之間的結(jié)合天衣無縫，許多操作接口使用SNP通訊協(xié)議與具有內(nèi)裝接口的系列90TM-30進行通訊。3.2系列90-30 PLC系統(tǒng)配置本系統(tǒng)下位機采用美國GE Fanuc自動化公司的系列90TM-30 PLC可編程序控制器實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備生產(chǎn)過程的實時監(jiān)控。該系列PLC模塊具有成本低、性能高、安全性好、易于組態(tài)、便于安裝等特點，它的CPU具有十分強大的功能，如內(nèi)裝PID，結(jié)構(gòu)化編程，中斷控制，間接尋址及各種功能模塊，能方便地完成各種復(fù)雜的操作。具體配置如下：系統(tǒng)采用10槽機架IC693CHS391；電源模板選用IC693PWR321；中央處理器選用的增強型模板CPU36

36、0，非常適用于多調(diào)節(jié)回路場合；過程輸入輸出通道由模擬量輸入通道AI、模擬量輸出通道AO和開關(guān)量輸入輸出通道DI、DO所組成。分別為1個16通道熱電偶輸入模板HE693THM166；1個6通道RTD輸入模板HE693RTD601；3個（420mA）16通道模擬量輸入模板IC693ALG223；1個（420mA）8通道模擬量輸出模板IC693ALE392；1個16點24VDC繼電器接點輸入模板IC693MDL645；1個16點繼電器接點輸出模板IC693MDL940；采用專用RS-232通訊組件IC690ACC901，并遵循SNP協(xié)議實現(xiàn)與上位機串行通訊；其90-30PLC梯形圖編程軟件采用IC6

37、41SWM306，實現(xiàn)PLC結(jié)構(gòu)化編程及程序下載。3.3 PLC安裝結(jié)構(gòu)及設(shè)備組態(tài)表3-1 PLC設(shè)備組態(tài)設(shè)備型號模塊說明設(shè)備組態(tài)PSIC693PWR321電源1IC693CPU360CPU2FOREIGNHE693THM16616路熱偶輸入I: 305320 16AI: 116 16Byte 1: 1Byte 2: 011Byte 3: 1 （0.5F, 華氏度=%AI/2 ）Byte 4: 0Byte 5: 06 （S型）3FOREIGNHE693RTD6006路熱阻輸入AI: 1722 6Byte 1: 1Byte 2: 011Byte 3: 00 （Pt100E）Byte 4: 01

38、（0.5F, 華氏度=%AI/2 ）4IC693ALG22316路模擬輸入AI: 2338 16 （420mA）I: 321336 165IC693ALG22316路模擬輸入AI: 3954 16 （420mA）I: 337354 166IC693ALG22316路模擬輸入AI: 5570 16 （420mA）I: 353368 167IC693ALG3928路模擬輸出AQ: 18 （420mA）I: 369376 88IC693MDL64516路數(shù)字輸入I: 116 169IC693MDL94016路數(shù)字輸出Q:116 16注：=5（oF-32）/9PLC基板插槽依次為電源模塊、CPU模塊、

39、熱電偶輸入模塊、420mA輸入模塊（3個）、420mA輸出模塊、24V繼電器接點輸入模塊及24V繼電器接點輸入模塊。GE90-30 PLC安裝結(jié)構(gòu)如圖4-1所示，各模塊型號及設(shè)備組態(tài)如表3-2所列。3.4 I/O地址分配PLC各模塊I/O地址分配如表3-2所列。表3-2 I/O地址分配表序號儀表位號量程單位寄存器變量名通道模塊輸入說 明1TIR-1010150812R%R100073熱電阻鍋爐給水調(diào)節(jié)閥前溫度2TI-10201200800R%R100212熱電偶鍋爐沸騰層下層溫度3TI-10301200801R%R100422熱電偶鍋爐沸騰層下層溫度4TI-10401200802R%R1006

40、32熱電偶鍋爐沸騰層下層溫度5TI-10501200803R%R100842熱電偶鍋爐沸騰層下層溫度6TI-10601200804R%R101052熱電偶鍋爐沸騰層中層溫度7TI-10701200805R%R101262熱電偶鍋爐沸騰層中層溫度8TI-10801200806R%R101472熱電偶鍋爐沸騰層上層溫度9TI-10901200807R%R101682熱電偶鍋爐沸騰層上層溫度10TI-11001000808R%R101892熱電偶爐膛出口煙氣溫度11TI-11101000809R%R1020102熱電偶爐膛出口煙氣溫度12TI-11201000810R%R1022112熱電偶對流管束

41、煙氣溫度13TI-11301000811R%R1024122熱電偶對流管束煙氣溫度14TI-1140300813R%R1026183熱電阻省煤器入口煙氣溫度15TI-1150300814R%R1028193熱電阻省煤器入口煙氣溫度16TI-1160250815R%R1030203熱電阻省煤器出口煙氣溫度17TI-1170250816R%R1032213熱電阻省煤器出口煙氣溫度18TIA-1180200817R%R1034223熱電阻省煤器出口水溫19PIA-10102.0MPa818R%R1036234420mA給水調(diào)節(jié)閥前壓力20PIRA-10201.6Mpa819R%R1038244420

42、mA飽和蒸汽壓力21PIC-103030KPa820R%R1040254420mA除氧器蒸汽壓力22PI-10400.5Mpa821R%R1042264420mA除氧器調(diào)節(jié)閥前壓力23PI-10502.0Mpa822R%R1044274420mA給水泵出口水壓力24PI-10602.0Mpa823R%R1046284420mA給水泵出口水壓力25PI-107020KPa824R%R1048294420mA鼓風(fēng)機出口風(fēng)壓26PIC-108-1000Pa825R%R1050304420mA爐膛負壓27PI-109-1000Pa826R%R1052314420mA爐膛負壓28PI-110010KPa

43、827R%R1054324420mA沸騰爐風(fēng)室風(fēng)壓28PI-110010KPa827R%R1054324420mA沸騰爐風(fēng)室風(fēng)壓29PI-111010KPa828R%R1056334420mA沸騰爐風(fēng)室風(fēng)壓30PI-112010KPa829R%R1058344420mA沸騰爐風(fēng)室風(fēng)壓31PI-113010KPa830R%R1060354420mA沸騰爐風(fēng)室風(fēng)壓32PI-114-1.00KPa831R%R1062364420mA陶瓷多管除塵器前負壓33PI-115-2.50KPa832R%R1064374420mA陶瓷多管除塵器后負壓34PI-116-5.00KPa833R%R106638442

44、0mA脫硫除塵器后負壓35PI-117-6.00KPa834R%R1068395420mA引風(fēng)機前負壓36PI-118-2500Pa835R%R1070405420mA對流管束煙氣負壓37PI-119-2500Pa836R%R1072415420mA對流管束煙氣負壓表3-3 I/O地址分配表（續(xù)）序號儀表位號量程單位寄存器變量名通道模塊輸入說明33PI-115-2.50KPa832R%R1064374420mA陶瓷多管除塵器后負壓34PI-116-5.00KPa833R%R1066384420mA脫硫除塵器后負壓35PI-117-6.00KPa834R%R1068395420mA引風(fēng)機前負壓3

45、6PI-118-2500Pa835R%R1070405420mA對流管束煙氣負壓37PI-119-2500Pa836R%R1072415420mA對流管束煙氣負壓38PI-120-1.00KPa837R%R1074425420mA省煤器出口煙氣負壓39PI-121-1.00KPa838R%R1076435420mA省煤器出口煙氣負壓40PI-122-3000Pa839R%R1078445420mA省煤器入口煙氣負壓41PI-123-3000Pa840R%R1080455420mA省煤器入口煙氣負壓42PI-12401.6Pa841R%R1082465420mA鍋爐汽包壓力43FIRQ-1010

46、200m3/h842R%R1084475420mA原水流量44FIRQ-102050m3/h843R%R1085485420mA鍋爐給水流量45FIRQ-103050t/h844R%R1088495420mA鍋爐蒸汽流量46FIRQ-1040150m3/h845R%R1090505420mA軟水流量47LICA-1010400mm846R%R1092515420mA鍋爐汽包液位調(diào)節(jié)48LICA-1020400mm847R%R1094525420mA除氧器水箱液位調(diào)節(jié)49LIA-1032001800mm848R%R1096535420mA軟水箱液位圖3-1 系列90-30PLC安裝結(jié)構(gòu)3.5 P

47、LC編程軟件組態(tài)軟件使用美國GE Fanuc自動化公司90TM-30 LogicmasterTM90，本系統(tǒng)五個控制回路的控制算法及現(xiàn)場數(shù)據(jù)（包括模擬量和開關(guān)量）的輸入輸出均采用該編程軟件完成組態(tài)和編程，并下載至CPU模塊IC693CPU360的程序存儲器ROM中。這部分性能的好壞對整個控制系統(tǒng)的正常運行起著十分重要的作用17。第4章PID控制算法及PLC編程4.1 PID控制算法在計算機控制系統(tǒng)中，PLC的CPU模塊相當(dāng)于常規(guī)控制系統(tǒng)中的控制器，它對過程變量的實測值和設(shè)定值之間的誤差信號進行運算，稱為控制算法或控制法則。常用的控制算法有以下幾種：（1）經(jīng)典的比例、積分、微分控制算法；（2）根

48、據(jù)動態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)化理論得到的自適應(yīng)控制和最優(yōu)控制方法；（3）根據(jù)模糊集合論得到模糊控制算法。自適應(yīng)控制和最優(yōu)化控制方法是建立在精確數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上的，在實時過程控制中，由于控制對象的精確數(shù)學(xué)模型難于建立，系統(tǒng)參數(shù)經(jīng)常發(fā)生變化，運用控制理論分析綜合要花費很大的代價，同時由于所得到的數(shù)學(xué)模型過于復(fù)雜，難于實現(xiàn)，因此在目前的過程控制系統(tǒng)中較少采用這種方法。目前在過程控制中應(yīng)用較多的還是PID控制算法。4.1.1控制算法汽包水位PID調(diào)節(jié)器、給水流量PID調(diào)節(jié)器子程序模塊：采用增強型CPU360模板，CPU內(nèi)裝PID標準的ISA PID算法（PID ISA），通過編程實現(xiàn)。PID ISA算法方塊圖如圖4死

49、 區(qū)積分速度比例增益微分增益累 積SPPV速率極限限幅極性CV偏置-1所示。圖4-1 PID ISA方塊圖 標準ISA PID算法（PID ISA），對每個比例、微分、積分項加入的比例增益，該算法實際就是理想模擬PID控制算式（如式4-1所示）的具體應(yīng)用，并增加了死區(qū)、CV限幅、CV值變化速率極限等功能模塊。 （4-1）4.1.2 CV幅值和速率極限該功能模塊不可直接向CV發(fā)送計算后的PID輸出。該PID運算可限制輸出控制變量的幅值和變化速率。如果規(guī)定值大于0，則最大變化速率由100%CV（32000）除以最小旋轉(zhuǎn)時間。例如，若最小旋轉(zhuǎn)時間為100秒，則速率極限為320CV值/秒。若dt解決時

50、間為50ms，則新的CV輸出不得大于或16CV值。CV輸出然后與CV上、下箝位值對比。若有一限值超出，則CV輸出置位于該箝位值。如果速率或幅值限超出修改的CV值，則內(nèi)部積分器值會調(diào)整至與該限值匹配以避免重置終結(jié)（reset Windup）最后模塊會檢驗輸出極性（配置字%Ref+12的第二位）并如果位為1的話，改變輸出的符號。CV=限幅PID輸出或輸出極性位設(shè)置時的限幅PID輸出。如果模塊處于Automatic模式，則最終CV置于Manual Command%Ref+13。若模塊處于Manual模式，則PID等式會跳過而由Manual Command置位的CV，但所有的速率和幅值極限仍會受檢驗。

51、此意即Manual Command不能改變大于CV上箝位和小于CV下箝位的值，并且輸出不能象最小旋轉(zhuǎn)時間所允許的快速改變。4.2 PID調(diào)節(jié)器PLC編程PID的用途即用于閉環(huán)過程控制。Series 90 PID功能模塊可對比過程變量反饋（RVF）和期望過程設(shè)置（desired process Set Point）并以誤差為準進行控制變量輸出更新。模塊利用PID閉環(huán)增益及貯存在40個16位字數(shù)組中的其他參數(shù)在所希望的時間間隔內(nèi)進行PID運算。全部參數(shù)均為16位整數(shù)字，具有16位模擬變量兼容性。由此就可以把%AI存貯器作為輸入過程變量，%AQ用做輸出控制變量。例如：LICA-101調(diào)節(jié)器功能模塊編

52、程圖如圖4-2所示。由于輸入設(shè)置點（Set Point）、過程變量（Process variable）和輸出控制變量（Control variable）使用頻繁，故以縮寫SP、PV、CV代替。因均為16位整數(shù)，所以必須定義成PV計量單位或CV計量單位。例如，SP輸入應(yīng)與PV范圍統(tǒng)一，這樣PID模塊在計算誤差時得到這兩個輸入的偏差。PV和CV值可從-32000或0至匹配的模擬換算值32000，或從0至10000，顯示變量為0.00%至100.00%PV和CV值可有不同的定標，此時換算因子已包含在PID增益當(dāng)中。圖4-2中各參數(shù)說明如表4-1所列。表4-1 PID調(diào)節(jié)器功能模塊參數(shù)說明參數(shù)說明enable當(dāng)通過一觸點使能時，使執(zhí)行PID功能。SPSP為控制閉環(huán)的置位點。置位用PV值，PID調(diào)節(jié)輸出CV，使PV與SP匹配。PVPV為控制閉環(huán)的過程變量，為%AI輸入。MAN當(dāng)MAN接通時，PID功能模塊是處于手動狀態(tài)。如PID停止手動狀態(tài)