基于PLC和WinCC的电热锅炉压力监控系统开发

王玉杰，柏艳红，刘玉龙，李　虹

(1.太原科技大学　电子信息工程学院，太原　030024；2.太原科技大学　华科学院，太原　030024)



基于PLC和WinCC的电热锅炉压力监控系统开发

王玉杰1，柏艳红2，刘玉龙1，李虹1

(1.太原科技大学电子信息工程学院，太原030024；2.太原科技大学华科学院，太原030024)

摘要实验室电热锅炉设备开发了以S7-300 PLC为控制器、以WinCC为组态软件的锅炉压力监控系统，作为PLC控制技术课程实践教学的案例。该文构建了PLC控制系统硬件回路，编写了锅炉压力闭环控制PLC程序，完成了上位机监控界面组态。通过实验调试表明，该系统能够将锅炉压力控制在设定值，上位机具有控制系统启停、设置PID参数和锅炉压力、实时显示压力曲线等功能。

关键词可编程逻辑控制器；监控系统；锅炉压力控制

PLC控制技术是一门综合应用性专业课程，具有很强的实践性，实践教学在整个课程教学中具有举足轻重的地位[1-5]。电热锅炉是将水加热变成蒸汽而输出的热能设备，是工业生产过程控制常用的室内温度控制设备。开发锅炉PLC控制系统，需要综合应用计算机技术、自动控制理论、过程控制等专业知识，将其作为PLC控制技术实践教学案例，具有典型性和代表性。本文基于实验室现有资源，针对电热锅炉控制对象，以S7-300PLC为控制器，以WinCC为上位机组态软件，开发锅炉压力监控系统。

1锅炉PLC控制系统硬件构建

实验室电热锅炉系统主要由电加热蒸汽发生器、水泵、散热风扇、水箱和压力传感器等组成，实验装置如图1所示[6]。

图1　电热锅炉实验装置

电热锅炉PLC控制系统原理框图如图2所示。三相固态继电器控制三相发热管，通过脉宽调制信号(pulsewidthmodulation，PWM)控制固态继电器的通断时间来调节施加在发热管上的电压，从而控制锅炉的温度和压力。压力传感器信号经模拟量输入模块输入到PLC，PLC根据一定控制算法得到PWM信号的占空比，输出PWM信号控制固态继电器。PLC为西门子S7-300系列。

图2　电热锅炉PLC控制原理框图

2PLC程序设计

采用PID算法实现锅炉的压力控制。PLC程序设计主要包括定时采样、PID算法、压力信号采集与转换、PWM信号的生成等功能的实现。

2.1定时采样的实现

OB35是PLC系统软件提供的循环中断组织块，其功能是按设定的时间间隔周期性执行程序，采用OB35来实现定时采样[7]。在CPU模块组态中设置OB35循环中断时间，本系统设置为100ms。

2.2PID算法实现

FB41为PID算法功能块，采用的PID算法表达式为[8]

(1)

式中：ev为设定值与反馈值之差；mv是控制器的输出信号；KP为比例系数；TI和TD分别为积分时间和微分时间常数；TS为采样周期；M为积分部分的初始值。

FB41参数GAIN、TI、TD和积分初始值I_ITLVAL分别对应于KP、TI、TD和M。

使用FB41模块首先需要进行初始化，将PID控制器内部参数复位为默认值，在OB100启动组织块中完成。将FB41参数COM-RST设置为TRUE，执行FB41模块即可实现。然后，再将COM-RST复位为FALSE，为后续FB41的使用做准备。

在OB35中调用FB41，实现每个采样周期的PID运算。FB41的参数存储在背景数据块DB1中，其中部分参数由上位机设置或显示，部分参数直接设置，如表1所示，其他参数为默认值。

表1　FB41部分参数说明

2.3压力信号采集与转换

模拟量输入模块提供了4种类型信号的输入，每种信号的测量范围又有多种选择，使用时需要对模拟信号类型的测量范围进行设定。信号类型由量程卡设定，信号范围在模块组态中设置。

锅炉系统中，压力变送器输出为4～20mA标准电流信号，采用的是四线制。因此，输入通道对应的量程卡选“C”(四线制电流)端口。模拟量模块硬件组态时，相应通道选4DMU，测量范围选择0～20mA。

4～20mA电流信号对应的数字量范围为5 530～27 648，实际压力范围为0～1 000kPa。由此得实际值Pv与数字量Pdig之间的关系为：

(2)

2.4PWM信号的生成

2.5程序总体结构

程序中使用了OB1主程序组织块、OB100启动组织块、OB35循环中断组织块。在OB100中初始化FB41，在OB35中调用FB41、FB43和压力信号采集与转换功能FC1，在OB1中编写系统启停控制程序。

3WinCC监控界面组态

上位机采用WinCC组态软件，要求监控系统具有如下功能：控制锅炉系统的启停，设置PID参数，设定锅炉压力，实时显示压力曲线等。主要工作有画面组态、交互数据定义和通信设置等。

3.1主控画面的组态

根据上述监控界面功能要求组态主控画面，如图3所示，主要包括参数设置显示区、按钮控制区和曲线显示区。

图3　上位机监控界面

3.2WinCC与PLC交互数据定义

实现图3监控画面对锅炉PLC控制系统的监控，需要将画面中的按钮、输入/输出域、指示灯、变量归档等控件与PLC中的数据地址进行关联，本系统中交互数据信息如表2所示。

表2　交互数据信息表

3.3通信设置

实现WinCC与S7-300PLC之间通信，包括添加驱动、设置通信方式、设置连接参数[9]。首先在WinCCExplorer的“变量管理”中添加新的驱动程序“SIMATICS7ProtocolSuite.chn”；然后，打开添加的驱动程序，选择通信方式 “TCP/IP”，在驱动程序的属性中为连接命名，并在“连接参数”中设置以太网地址、机架号和插槽号。

4系统调试

在监控界面上，设定压力为50kPa，PID比例系数和积分时间常数分别为6.5s和50s，按下启动按钮，指示灯变红色，表示锅炉开始加热。观察压力实际值和压力响应曲线，压力值达到设定值50kPa后，将设定压力改为135kPa，图4为压力响应曲线。

图4　压力响应曲线

由图4可以看出，锅炉压力经过约4min进入稳态，在8min时产生扰动后，压力仍能调节到设定值。按下停止按钮，指示灯变灰色，表示锅炉停止加热。

调试结果表明，锅炉压力能够调节到期望值，上位机实现了控制启停、设置PID参数、实时显示压力曲线等监控功能。

5结束语

综合应用了在开发电热锅炉监控系统过程中，以PLC为控制器的模拟量控制系统的硬件构建，采用step7软件实现闭环控制和PID算法的编程，脉冲控制信号的产生，采用组态软件设计人机界面等多方面的知识，将作为PLC控制技术教学案例应用于本科生实践教学中。

参 考 文 献

[1]郭西进，任良才.PLC综合实训平台实现[J].实验室研究与探索，2011，30(6):162-165.

[2]苗红霞，齐本胜.PLC控制技术实验教学改革研究与实践[J].实验技术与管理，2010，27(3):136-139.

[3]马永力.“电气与PLC控制技术”教学改革的研究与探索[J].黄石理工学院学报，2012，28(2):67-70.

[4]张金姣.问题解决法应用于PLC实践教学的探索与实现[J].实验科学与技术，2013，11(6):94-96.

[5]韩晓新，吴晓庆，邢绍邦.PLC课程实践教学改革在本科教学中的研究[J].常州信息职业技术学院学报，2009，8(3):22-24.

[6]柏艳红 赵志娟.基于RTWT的锅炉硬件在回路仿真系统开发[J].系统仿真学报，2013，25(2):2-6.

[7]廖常初.S7300/400PLC应用技术[M].北京：机械工业出版社，2012.

[8]赵桂清.基于S7-300的工业锅炉PID控制[J].制造业自动化，2011，33(5):23-26.

[9]刘华波，王雪.组态软件WinCC及其应用[M].北京：机械工业出版社，2009.

Development of Boiler Pressure Monitor and Control SystemBased on PLC and WinCC

WANG Yujie，BAI Yanhong，LIU Yulong，LI Hong

(1.SchoolofElectronicInformationEngineering，TaiyuanUniversityofScienceandTechnology，Taiyuan030024，China；2.HuakeSchool,TaiyuanUniversityofScienceandTechnology,Taiyuan030024,China)

AbstractA monitor and control system for boiler pressure is developed，in which a S7-300 programmable logic controller(PLC) is used as the controller and WinCC as the configuration software of the host computer.The developed system will be used as a laboratory teaching case for“PLC control technology”course.The hardware loop is constructed and the PLC program is written for close-loop control of boiler pressure.The monitoring interface for host computer is configured.Experiment debugging results show that the boiler pressure can be regulated at the desired value and the host computer realizes monitoring functions such as controlling system start-stop，setting PID parameters and boiler desired pressure，displaying real-time pressure curve and so forth.

Key wordsprogrammable logic controller；monitor and control system；boiler pressure control

收稿日期:2015-01-25；修改日期: 2015-03-20

基金项目：山西省高等学校教学改革项目(J2013146)；山西省大学生创新创业训练项目(2013251)；太原科技大学教学改革重点项目(201215)。

作者简介：王玉杰(1990-)，女，本科生，自动化专业。 通信作者：柏艳红(1970-)，女，博士，教授，主要从事计算机控制技术，电液伺服控制方面的研究。

中图分类号TM571.6;TP273+5

文献标志码A

doi:10.3969/j.issn.1672-4550.2016.02.020

·实验仪器研制·