基于西门子PLC锅炉控制系统的研究

朱　超　沈　璇　黄少华

(昌吉学院物理系，新疆831100)



基于西门子PLC锅炉控制系统的研究

朱超沈璇黄少华

(昌吉学院物理系，新疆831100)

采用西门子S7-200PLC为核心控制器，采用全新的电加热锅炉温度串级控制系统,同时运用PID算法进行系统数据优化运算，采用梯形图程序设计完成了锅炉温度的优化控制。

数字信号；串级控制系统；PLC；PID

PLC控制技术把计算机技术与继电器控制技术有机地结合起来,以其独特的高性能、运用方便、编程简单、可靠性高、抗干扰能力强等特点在当今工程实践上得到了广泛的应用[1]。在当今时代PLC仍然在高速发展,它的性能更加稳定可靠，并且在人机智能接口与处理器的运算能力方面都有很大的提高，同时PLC也从USB技术中受益匪浅，使用互联网远程编程、修改及监控设备整体运行更加简单快捷。PID控制简单、方便、快捷，但它的质量效果取决于三个系数,即比例系数、积分系数、微分系数[2]，因此PID参数的整定与优化是当今工控领域研究的主要问题之一。

1　锅炉控制系统的研究

1.1PID控制系统基本概述

PID控制系统为比例积分微分控制系统，目前在控制领域中应用广泛，由于其具有众多优势，因此占有较高的地位。PID控制系统结构图如图1所示。

比例控制(P)：偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，快速减少偏差，具有快速性[3]。

积分作用(I)：用于消除偏差，提高系统的控制精度。其强度取决于积分时间常数，时间常数越大，积分作用越弱，反之越强[3]。

图1　PID控制系统结构图Figure 1　Structure diagram of PID control system

微分作用(D)：能反映偏差信号的变化速率，能在偏差信号变化之前引入一个早期修正值而加快系统的响应，减少调节时间，具有预测功能[3]。

PID控制算法公式为：

(1)

式中，u(t)为控制器输出；e(t)为控制器输入；Kp为控制器的比例系数；Ti为控制器的积分时间；Td为控制器的微分时间。

在PID调节器的控制规律中最重要的参数是比例系数、积分系数和微分系数，对这三个参数进行调整并选择合适的参数值，就可以获得良好的调节效果[4]。

1.2仿真组态

模拟仿真技术的高速发展，不仅可以为工业自动化系统的研发节省不小的开支，同时还能在很短的时间内为用户提供方便快捷的系统设计画面——组态画面。通过组态创建可以清晰地看见整个程序的运行流程，而仿真软件可以用来检验用户编写程序的正确性。组态是利用软件中已有的工具构建一套与现场工程系统基本相同的系统，并能够完成实际项目中特定任务的过程[4]。组态软件系统的运行程序就是根据实际工况利用编程语言完成或者测试某一性能的过程。当今工控领域，组态软件种类繁多，各有优缺点，本系统根据设计需要采用组态王软件。

1.3组态王软件应用

组态王软件是基于Windows操作系统的一种通用的工业监控软件，集过程控制设计、现场操作以及工厂资源管理于一体，将一个企业内部的各种生产系统和应用以及信息交流汇集在一起，实现最优化管理[5]。用户可以应用此软件设置工厂企业的网络生产层次,并且在每一个层次上都可以设置系统信息提取点，便于用户实施网络监控，从而提高企业的生产效率、生产要素配置和产品质量。此外用户是可以采用组态王软件来研发控制系统和管理系统等。

组态王软件结构包括：工程管理器、工程浏览器及运行系统[5]。

1.4组态王软件的功能

组态王软件应用领域广阔，同时具有监控和数据采集系统，这样既能缩短系统设计开发时间，又能提高系统的质量。组态王软件为用户提供了丰富而有效的快速应用设计工具，能快速便捷地进行图形维护和数据采集，对研究锅炉运行状态提供了有力的保障[6]。组态王软件具有如下功能：

(1)快速便捷的应用设计；(2)丰富的、可扩充的图形库；(3)对多媒体的支持；(4)灵活便捷的变量定义和管理；(5)强大的控制语言；(6)采集和显示历史数据；(7)全新的灵活多样、操作简单的内嵌式报表；(8)配方管理；(9)温控曲线控件。

1.5组态画面的创建

通过组态王软件制作锅炉温度控制系统，如图2所示。系统程序运行结果如图3所示。

图2　组态王温度控制系统界面Figure 2　Kingview interface of temperature control system

图3　程序运行结果Figure 3　Results of program running

2　PLC控制系统的软件设计

程序开始运行,地址明细见表1,PID指令表见表2。首先触发特殊继电器SM0.0，使其产生脉冲信号进行锅炉初始化，同时将用户温度的设定值、PID参数值等存入数据寄存器，随后通过温度传感器采集锅炉出口水温度与炉膛水温度。PLC信号转换模块采集到的锅炉出口水温度信号经转换成电流信号，经VW408进入PLC模块，将此信号作为温度控制主回路的反馈值。通过主控制器(PID0)的PID设置，使其运算后产生输出信号并存放在VW272中，将此信号作为副回路的给定值。

同时通过程序运算公式：T=(D-6400)×100/(32000-6400),将VW408中的电流信号转换成可以显示的出口水实际温度存放在VD254中。炉膛水温传感器传回的炉膛水温度信号再经PLC信号转换模块转换成电流信号，通过VW420地址送入PLC控制模块，以此作为副回路的反馈值，经过副控制器(PID1)的PI程序运算使其产生输出信号，然后通过地址VW4输出，再通过上述运算公式将VW420中的电流信号转换成可以显示的炉膛实际水温存放入VD264中。由VW4地址输出的是工业可控电流信号(4～20)mA，此电流信号控制半导体可控硅的导通角，通过导通角的大小控制锅炉电热丝的电压，从而完成对锅炉温度系统的有效控制。当主控制器(PID0)、副控制器(PID1)运算产生的输出信号大于0.95时，将控制加热炉的阀门关闭，停止加热，低于0.95时阀门打开，进行加热。

根据设计思路用PLC梯形图编辑程序，主程序图如图4所示，主调节器程序如图5所示，副调节器程序如图6所示。

3　串级控制系统

串级控制系统是在单回路控制系统的基础上对于控制质量不是很高的系统增加辅助回路或其他环节，组成比较复杂的控制系统。

表1　PLC内存地址分配表Table 1　PLC memory address allocation table

图4　主程序Figure 4　Main program

图5　主调节器程序Figure 5　Main regulator program

串级温度控制系统结构图如图7所示。此系统为闭环控制系统，外层是定值控制系统，内环是随动控制系统。副回路具有抗干扰能力，自然适应能力也得到提高，总体提高了系统的工作频率和动态特性。

4　结论

本文在研究锅炉控制系统时选取锅炉温度这一参数进行控制研究，硬件设备采用西门子(S7-200)PLC，软件部分采用组态王。在硬件、软件相互结合的环境下进行锅炉温度控制系统的优化设计，控制系统使用先进成熟的PID控制，通过改变PID的参数来调节锅炉温度的反应速度、控制精度及稳定性。同时通过使用组态王人机界面，认真编辑程序，并且经过多次程序优化后，使整个系统操作更加简单方便，大大简化了研究高精度温度控制系统的周期。

表2　PID指令表Table 2　PID instruction list

图6　副调节器程序Figure 6　Secondary regulator program

图7　串级温度控制系统结构图Figure 7　Structure diagram of cascade　temperature control system

[1]王本琪. 基于组态王的PLC锅炉温度控制系统的设计[D].山东:中国海洋大学,2012.

[2]戴美红. 基于模糊PID的直升机模型姿态控制[D].辽宁:东北大学,2005.

[3]蒋保涛，周莉莉. 无人潜航器的自动航行系统研究[D].辽宁：大连海事大学，2008.

[4]任福建. 天然气门站监控管理系统[D].山东:山东大学,2013.

[5]陈玉香，关茜，褚超群. 恒压供水监控系统设计——上位机软件设计[J].商情，2010(20).

[6]梁茵. 基于组态王的佛子矿井下机车定位可视化系统的设计研究[D].广西：广西大学，2013.

编辑陈秀娟

Research on the Boiler Control System Based on SIEMENS PLC

Zhu Chao, Shen Xuan, Huang Shaohua

SiemensS7-200PLChasbeentakenasthecorecontroller,andthenewelectricheatingboilertemperaturecascadecontrolsystemhasbeenused,andsystemdataoptimizationhasbeenperformedbyPIDalgorithm,andoptimizedcontrolofboilertemperaturehasbeenreachedbyladderdiagramprogramdesign.

digitalsignal;cascadecontrolsystem;PLC;PID

2016—04—26

朱超(1986—)，硕士，讲师，研究方向为数控技术及微机控制。

2015年自治区本科高校自治区级大学生创新创业训练计划项目。(项目编号：201510997020)

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