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PLC在锅炉温度串级控制系统中的应用


2013 年 第5 期

仪 表 技 术 与 传 感 器
Instrument Technique and Sensor

2013 No. 5

PLC 在锅炉温度串级控制系统中的应用
丁晓军, 虎恩典, 赵 涛
( 宁夏大学机械工程学院, 宁夏银川 750021 ) S7 - 200PL

C 及 摘要: 根据锅炉温度串级控制系统的结构与 控 制特点, 应 用 MCGS ( 监 视 与 控 制 通 用 系 统 ) 组态软 件、 多主站 PPI 电缆对锅炉夹套和锅炉内胆所组成的温度串级 系 统进 行 控 制。实 验 结 果表明 该 锅炉 温度 串 级 控 制 系 统 与 普 通的单回路锅炉温度控制系统相比, 改善了过程的动态特性、 提高了系统的工作频率、 具有较强的抗扰动能力和 一 定 的 自 适应能力, 实际应用效果良好。 关键词: S7 - 200 ; MCGS; 串级控制; 多主站 PPI 中图分类号: TP29 文献标识码: B 文章编号: 1002 - 1841 ( 2013 ) 05 - 0062 - 03

Application of PLC in Boiler Temperature Cascade Control System
DING XiaoJun, HU EnDian, ZHAO Tao ( School of Mechanical Engineering of the Ningxia University, Yinchuan 750021 , China) Abstract: According to the structure of the boiler temperature cascade control system and control characteristics, the design plan of the control system based on software MCGS( monitor and control generated system) , S7 - 200PLC and multimaster PPI cable to the boiler jacket and boiler liner. Experimental results show that the new control system improves the dynamic charactevistic and operating frequency of the system, and enhances antidisturbance and adaptive ability, and has good application in practical compared with ordinary singleloop boiler temperature control system. Key words: S7 - 200 ; MCGS; cascade control; multimaster PPI 0 引言 随着工业技术的不断发展, 锅炉在工业上的应用越来越广 尤其在钢材制造、 活性炭制造等行业应用更广, 所以急需设 泛, 计一个稳定实用的锅炉温度控制系统 。 而传统的单回路控制 系统可以控制炉温, 但限于只有 1 个调节器的原因, 参数调整 控制品质直线下滑, 所以很难 不当很容易造成响应曲线波动, 满足工艺的要求, 为此串级控制应运而生 。通过查阅大量文献 发现, 基于串级控制这同一原理, 对于系统软硬件选择不当的 很难取得比较好的控制效果 。 基于以上考虑, 设计选用 的话, S7 - 200PLC 作为控制器, 工业组态软件 MCGS 作为上位机, 通 可靠 过 PC / PPI 通信协议实现 PLC 与上位机通讯。 操作简单, 性高。通过观察响应曲线, 发现系统响应速度快、 稳定时间短、 控制系统品质较优。 1 锅炉夹套和锅炉内胆温度串级控制系统原理 锅炉夹套和锅炉内胆温度串级控制系统原理框图如图 1 2 个调节器分别 所示。系统具有 2 个闭合回路和 2 个调节器, 设置在 2 个回路中, 设在主回路的调节器为调节器 1 , 副回路的 调节器为调节器 2 。两调节器相串联, 调节器 1 的输出作为副 回路的给定值, 调节器 2 的输出控制执行元件
[1 ]

图1

串级控制系统原理

善系统的控制品质。选择锅炉内胆温度所在环为内环, 选P控 制规律, 由 PLC 编程实现。 内环扰动由齿轮泵引起, 外环扰动 由变频器控制丹麦泵引起 。 2 锅炉温度串级控制系统硬件设计 S7 - 设计 选 用 的 硬 件 有 Pt100 铂 电 阻、 温 度 变 送 器、 200PLC、 24 V 直流电源、 SCR 单项调压 模拟量扩展模块 EM235 、 模块和上位机。其硬件接线由检测变送电路( 图 2 ) 和主控制 电路( 图 3 ) 2 部分组成。 2. 1 主要硬件选型 ( 1 ) 温度传感器选型: 工业中常用的温度传感器有热电偶 和热电阻, 考虑到经济性, 这里选择 Pt100 铂电阻。 ( 2 ) 温度变送器选型: 选择 SWP - TR - 08 铂电阻温度变送 器, 将热电阻 Pt100 的电阻信号转化为二线制 4 ~ 20 mA 输出。 输出端串联 250 Ω 或 50 Ω 的电阻, 将得到 1 ~ 5 V 和 0. 2 ~ 1 V2 种输出选择。 ( 3 ) 控制 器 选 型: 选 择 小 型 PLC, S7 - 200 系 列 CPU224 / DC / DC / DC. ( 4 ) 模拟量模块选型: 选择模拟量扩展模块 EM235 , 它实现



串级控制系统的主回路是一个定值控制系统, 对于外环的 选择和主回路的设计, 基本上可以按照单回路控制系统的设计 原则进行
[2 ]

。选择锅炉夹套温度所在环为外环, 选用 PID 或 PI

控制规律, 由 PLC 编程实现。内环的选择应使副回路的时间常 数小, 这样可使等效过程的时间常数减小, 提高响应速度并改
收稿日期: 2012 - 05 - 26 收修改稿日期: 2013 - 03 - 10

第5 期

丁晓军等: PLC 在锅炉温度串级控制系统中的应用

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图4

程序流程图

供软件工具帮助调试和测试程序的功能, 为用户调试程序提供 了有力保障 了 4 路模拟量输入和 1 路模拟量输出功能。 根据工程需要, 设 置 EM235 模拟量扩展模块: 模拟量输入为 0 ~ 5 V 电压输入, 模 拟量输出为 4 ~ 20 mA 电流输出, 数据字格式为单极性。DIP 开 关设置如表 1 所示。 表1 DIP 开关设置
满量程 SW5 OFF OFF SW6 ON ON 输入 0 ~5 V 0 ~ 20 mA
[4 ]



在下载 程 序 之 前 要 作 必 要 的 通 讯 设 置 。 打 开 编 程 软 件 STEP 7 Micro WIN SP6 , 在 SET PG / PC Interface 属性对话框中选 择网络。1 个选定的网络将会作为 1 个接口被使用。 可以访问 这些通讯网络的接口包括: 多主站 PPI 电缆; CP 通讯卡; 以太网 通讯卡。文中选用 PPI 多主站电缆通过 RS - 232 串口进行通 讯。 设置完毕后, 将程序下载到 PLC 中。 4 PID 参数整定 串级控制系统常用的控制参数整定方法有 3 种: 逐步逼近 法、 两步法和一步法
[5 ]

单极性 SW1 ON ON SW2 OFF OFF SW3 OFF OFF SW4 OFF OFF

。具体方法如下:

( 5 ) 调压模块选型: 选用可控硅调压器为执行机构对炉温 进行控制。可控硅调压器从供电电源角度来说可以分为单相 220 V AC、 两相 380 V AC 和三相 380 V AC; 从控制方式来说可 以分为移相调压型和过零调功型; 从控制精度来说可分为开环 控制和闭环控制。选用全金属隔离单相交流调压模块 。 3 PLC 程序设计 S7 - 200 系列小型 PLC 具有运算速度快、 指令丰富、 输入 / 输出点数多、 响应快、 通讯组网能力强、 可靠性高等优点, 广泛 应用于各种自动化系统 3. 1 程序的编写 根据锅炉温度串级控制系统的工艺要求, 完成 PLC 程序流 程图的设计。如图 4 所示。根据程序流程图编写程序, 通过反 复调试和修改得到比较理想的结果 。 3. 2 程序的写入 通过 S7 - 200 系列 PLC 专用编程软件 V4. 0 STEP 7 Micro WIN SP6 , 将程序下载到 PLC 中。 此款软件简单、 易学, 能够解 决复杂的自动化任务。 适用于所有 S7 - 200 PLC 机型软件编 LAD、 FBD 三种编程语言。 更重要的是它提 程, 同时支持 STL、 5
[3 ]

( 1 ) 首先断开主回路, 闭合副回路, 按单回路控制系统的整 定方法整定副回路参数 。 选取采样周期为 T = 0. 2 s, 得 K p2 = 2. 5 。 ( 2 ) 闭合主、 副回路, 保持上步取得的副回路参数, 按单回 路控制系统的整定方法, 整定主控制器参数。选取采样周期为 T = 0. 2 s, T I = 4. 0 。 得 K p1 = 1. 5 , ( 3 ) 在闭合主、 副回路, 主控制器参数保持的情况下, 再次 调整副回路控制器参数 。选取采样周期为 T = 0. 2 s, 得 K' p2 = 2. 0 。 ( 4 ) 至此已完成一个循环, 经过调整, 控制品质已达到规定 指标。如果控制品质未达到规定指标, 返回第二步继续。 K p2 = 2. 0 , TI = 由此, 得 到 了 系 统 控 制 器 参 数 K p1 = 1. 5 , 4. 0 。 PLC 与上位机的通讯 设计选用工业组态软件 MCGS 作为上位机。 MCGS ( Monitor and Control Generated System, 监视与控制通用系统) 全中文 可视化组态软件, 简洁、 大方, 使用方便灵活; 提供近百种绘图 工具和基本图符, 快速构造图形界面; 支持数据采集板卡、 智能



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Instrument Technique and Sensor

May. 2013

PLC、 模块、 智能仪表、 变频器、 网络设备等 700 多种国内外众多 XY 常用设备; 支持温控曲线、 计划曲线、 实时曲线、 历史曲线、 曲线等多种工控曲线等功能, 在自动控制系统中应用较广 与上位机的通讯。 5. 1 在 MCGS 中载入 PPI 通讯驱动程序 软件界面→选择设备窗口 → 工具箱 → 设备管理 → PLC 设 备→S7 - 200PPI. 5. 2 在 MCGS 中调用 PPI 通讯驱动程序 ( 1 ) 串口父设备属性设置: 设置为 COM1 口, 波特率 9 600 , 8 位数据位, 1 位停止位, 偶校验。 ( 2 ) S7 - 200 ( PPI ) 属性设置: 设备名称; 采样周期; PLC 地 址; 通讯超时时间; 初始工作状态; ( 3 ) 内部属性: 内部属性用于对 PLC 的读写通道进行设置, 以便后面对设备通道进行连接, 从而把设备中的数据送入实时 数据库中的指定数据对象或把数据对象的值送入设备指定的 “增加通道 ” 通道输出。通过 按钮添加与 MCGS 进行数据交换 的所有寄存器或继电器并在通道连接窗口与 MCGS 变量进行 数据连接。如图 5 所示。
[6 ]



采用 PC / PPI 通信协议, 通过以下 2 步设置即可实现 PLC

制。它与单回路反馈控制系统比较, 由于在系统结构上多了一 个副回路, 所以容量滞后减少了, 过程的动态特性得到改善, 使 系统的响应加快, 控制更为及时。 同时改善了过程特性, 并具
图5 数据连接

有一定的自适应能力。 试验证明该系统超调量 M p < 20% , 上 升时间 t r < 1 min, 稳定时间 t s < 3 min, 满足控制要求, 控制品质 较优。 参考文献:
[ 1] 肖隽 . 锅炉温度串级控制系统 . 机电工程, 2003 , 20 ( 4 ) : 33 - 35. [ 2] 郭姝梅, 张颖超 . 串级与 Smith 预估补偿相结合的控制系统仿真 2002 , 26 ( 5 ) : 632 - 635. 研究 . 武汉理工大学学报, [ 3] 西门子( 中国) 有限公司自动化驱动集团 . 西门子 S7 - 200PLC. 3 2007 : 4 - 5. 版 . 北京: 北京航空航天大学出版社, [ 4] 吴作明, 杜明星 . 深入浅出西门子 STEP7. 北京: 北京航空航天大 2012 : 1 - 3. 学出版社, [ 5] 王首彬 . 预测 PID 控制器的设计与实现研究: [学位论文] . 河北 2007. 秦皇岛: 燕山大学, [ 6] 张元林 . MCGS 全中文工控组态软件用户指南 . 4 版 . 北京: 高等 2003 : 1 - 3. 教育出版社, 作者简介: 丁晓军: ( 1988 —) , 硕士研究生, 研究方向为机电系统智能控 mail: dxjabc888@ 163. com 制。E-

6 6. 1

上位机软件设计 数据对象 锅炉夹套设定温度 SV1 , 测量温度 PV1 , 输出值 OP1 , 比例

系数 P1 , 积分时间 I1 , 微分时间 D1 ; 锅炉内胆给定温度 SV2 , 测 量温度 PV2 , 输出值 OP2 , 比例系数 P2 , 积分时间 I2 , 微分时间 D2 。 6. 2 组态画面设计 工艺流程图如图 6 所示。 温度串级控制窗口包括: 水泵、 Pt100 热电阻、 电动调节阀、 压力表、 阀、 电磁流量计、 锅炉等由 对象元件库引入并设置; 管道。 由流动块构件实现并设置; 温 标签构件实现并设置。 度的显示。由仪表、 6. 3 7 曲线显示的设置 实时曲线如图 7 所示。 结束语 该系统 选 用 S7 - 200PLC 作 为 控 制 器, 以工业组态软件 MCGS 作为上位机, 使用 PC / PPI 协议实现锅炉温度的自动控


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