基于PLC的锅炉温度控制系统研究

的可编程控制器。 其模块化结构、 易于实现分布式 的配置以及性价比高、 电磁兼容性强、 抗震动冲击 性能好， 使其在广泛的工业控制领域中， 成为一种 既经济又切合实际的解决方案。 多种性能递增的 CPU 和 丰 富 的 且 带 有 许 多 方 便 功 能 I/O 扩 展 模 块 （包括信号模块 SM、 通信处理器 CP、 接口模块 IM 等）， 用户可以根据实际应用选择合适的模块。
2） 上下位机通信。 将 PLC 与计算机进行连接， 连接完成后在软件上设置通信。 用软件打开编写好 的程序， 然后点击模块通信， 最后点击设置， 完成。
3） 系统调试。 上下位机连接完成后， 反复调 整温度控制 PID 参数以便得到最佳 PID 参数值。 在
制更加灵活便捷， 并且可以拓展到相关工控领域。
2） 积分 （I） 控制。 在积分控制中， 控制器的 输出与输入误差信号的积分成正比关系。 进入稳态 后， 如果控制系统存在稳态误差， 为了消除系统中 存在的稳态误差， 必须加入 “积分项”， 随着时间 增大， 积分项也会增大。 因此， 即便误差比较小， 积分项也会随着时间的增加而加大， 它的存在会进 一步减少稳态误差， 直至为零。 所以， 比例—积分 （PI） 控制器可以使系统进入稳态后无稳态误差。
3） 仪 表 设 备 。 为 了 提 高 抗 干 扰 能 力 ， 选 用 DDZ-III 型仪表， 仪表输出为 4~20 mA 电流， 保证 系统的可靠性。 仪表主要包括: 流量变送器、 压力 变送器、 温度变送器、 液位变送器、 含氧量变送 器、 微压变送器等。
4） 变频控制室。 主要包括电源控制柜、 锅炉 变频控制柜、 循环泵变频控制柜。 控制柜内配有各 样型号的断电器、 接触器、 继电器等低压电器设 备， 以完成电机的启动、 停止。 2.3 温度控制系统软件设计 2.3.1 PID 指令算法
SCI-TECH INNOVATION & PRODUCTIVITY
- 070 - No．4 Apr. 2013，Total No．231
3） 微分 （D） 控制。 在微分控制下， 控制器输 出的微分增加了， 输入误差信号的微分同时也会增 加。 而自动控制系统在对于误差的控制来说， 会出 现别的不必要的问题， 比如波动， 更严重的会失 稳。 这就是说， 在控制器中仅引入 “比例” 项往往 是不够的， 比例项的作用仅是放大误差的幅值， 但 是加入的微分项却能够避免较大的误差出现， 因为 它可以预测误差变化的方向。 但是微分控制会放大 高频噪声， 降低系统的信噪比， 导致系统抑制干扰 的能力下降， 也就是说微分控制不能消除余差[4]。 2.3.3 PID 参数整定
电子科学研究院学报,2006(6):23- 24. [4] 徐璟.PID 参数整定分析[J].广西电业,2010(4):45- 46.
（ 责任编辑 李 洋）
Research on Temperature Control System of Boiler Based on PLC
PID 参数整定主要是调节 P， Ti， Td， 改变系统 的各项特性， 使得系统达到满意指标。 2.3.4 PID 算法程序实现
在 S7-300 PLC 中 PID 功 能 是 通 过 PID 指 令 功 能 块 来 实 现 的 。 通 过 定 时 执 行 PID 功 能 块 ， 按 照 PID 运算规律， 根据当时的给定、 比例-积分-微分 数据， 计算出控制量。 3 PLC 程序设计
表生成、 实时曲线、 历史曲线、 提供报警等功能。
本 系 统 采 用 单 回 路 PID 控 制 ， 通 过 多 次 调 节
首先， 用图形等先将锅炉的现场情况及相应的 PID 参数， 得到一个响应快速、 高精度控制的锅炉
内部情况进行设计。 其次， 创建关于温度、 流量、 温度控制系统， 完成了预定目标。 由于使用组态设
本系统是基于 PLC 的锅炉温度控制， 通过锅炉 内部传感器对温度、 流量等参数的反馈来对系统温 度进行调控， 实现锅炉温度的自动控制。
PLC 可编程控制器是一种将继电器控制器和计 算机结合起来， 通过安装程序， CPU 中央处理单元 为核心与 I/O 设备相连接， 使用在工控领域的计算 机。 其构成与普通计算机略有不同， 主要是由 CPU、 存储单元、 I/O 接口电路、 电源等基础部分， 外加扩展部分、 编程器、 外部设备等方面组成。 PLC 可编程控制器既能替代普通的继电器， 又具有 多种扩展功能， 如 A/D 模块等， 因此， PLC 的运用 为锅炉的自动控制提供了新的解决办法， 使一些先 进的控制方法得以应用。
1） 组态软件设计。 本系统的组态设计部分软 件选择是西门子 WINCC 组态软件。 WINCC 是一种 功能强大， 具有很好的开放性的软件。 各种复杂的 任务， WINCC 均可以处理好。 WINCC 属于人机界 面的组态工具， 其最大的特点是能够以组态方式进 行系统集成， 只要将预设的各种软件模块进行简单 组态， 就可以轻松实现监控层的各项功能， 缩短了 系统集成时间， 提高了工作效率。
文 章 编 号 ：1674-9146（2013）04－0069－03
讨 Research and Discussion 研 究 与 探
基于 PLC 的锅炉温度控制系统研究
王勇
（ 太原市科技评估中心， 山西 太原 030009）
摘 要：从锅炉的发展情况， PLC 选型， 系统软硬件设计， 上下位机通信， 组 态 程 序 开 发 设 计 等 几 个 方 面 进 行 介 绍 。 通过 PLC 实现的温度控制系统具有调试简洁、 价格低廉、 易于维修等优势， 并且容易拓展到相应的工控领域， 移植 性较好， 对工控发展具有重要的意义。 关 键 词 ：PLC； 传 感 器 ； 温 度 ； 自 动 控 制 中图分类号：TP273 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1674-9146.2013.04.069
1） 比例 （P） 控制。 比例控制是最简单的一种 控制方式。 其控制器的输出与输入误差信号成比例 关系。 若产生偏差， 控制器就发生作用调节控制输 出 ， 使 被 控 量 向 减 小 偏 差 的 方 向 变 化[3]。 偏 差 减 小 的速度由比例系数 Kp 来 决 定 ， Kp 越 大 偏 差 减 小 的 越快。 但这样会引起振荡， 特别是在迟滞环节比较 大的时候， 比例系数 Kp 减 小 ， 振 荡 发 生 的 可 能 性 就会减小， 但同时也会导致调节速度变慢。 比例控 制的缺点是不能消除稳态误差， 必须要有积分控制 来辅助。
压力等参数的数据库， 实时记录观测对象的参数数 计的界面， 使得本系统更加简洁实用， 对温度的控
值 。 最 后 ， 利 用 flash 软 件 将 设 计 出 来 的 图 形 用 动 画形式表现出来， 以及各项指令等要求都用动画表 现出来。 进行调试后， 点击运行。 至此， 整个锅炉 内部情况就完全通过组态软件设计出来。
PLC 控 制 程 序 是 采 用 西 门 子 编 程 软 件 S7 V5.3 来实现。
首先输入模拟信号， 将锅炉的当前电压通过数 值显示出来。 其次观看锅炉目前温度是否正常， 报 警指示灯是否能正常使用。 启动程序， 观察启动后 位置， 初始化 PID 参数。 关闭程序， 清零模拟量， 停止锅炉继续加热但仍显示温度。 设定温度值， 中 断 程 序 ， 调 节 PID 参 数 ， 输 出 PID 运 算 结 果 ， 输 出模拟信号。 4 组态模块设计
讨 Research and Discussion 研 究 与 探
及 修 改 ， 极 大 地 方 便 了 客 户 。 WINCC 利 用 图 形 编 系统中出现震荡现象， 通过加入微分调节， 多次调
辑器、 变量记录编辑器、 报警记录编辑器、 报表编 试后得到最佳 PID 参数。
辑器和脚本编辑器等功能模块， 完成实时监控、 报 5 结束语
1） 主机系统。 使用两台工业控制计算机构成 主机， 其中一台作为主要控制机， 另外一台为辅主 机， 构成双保险。 组态软件使用西门子工控组态软 件 WINCC SP2 6.0。
2） 可 编 程 控 制 器 。 系 统 选 用 西 门 子 公 司 S7300 PLC 可编程控制器， S7-300 是德国西门子生产
收 稿 日 期 ：2013－02－22； 修 回 日 期 ：2013－03－23 作者简介：王 勇（1983-），男，山西运城人，助理工程师，主要从事自动化研究，E-mail：38587946@。
科技创新与生产力
201பைடு நூலகம்年 4 月 总第 231 期 - 069 -
研 究 与 探 讨 Research and Discussion
PID 控 制 器 根 据 系 统 参 数 的 误 差 值 ， 通 过 比 例、 积分、 微分计算出控制量来进行控制， 故称为 PID 控制， 或者 PID 调节。 在工控领域中， PID 至 今仍在广泛使用。 三种控制量各有特点， 单独存在 时优点与缺点都很明显， 一起使用时又会有各种约 束限制的问题， 如何调节出稳定的 PID 参数， 就成 为目前 PID 控制中最为重要的步骤。 2.3.2 PID 控制算法的特点
WINCC 组 态 软 件 以 微 软 系 统 作 为 平 台 ， 提 供 强大的编辑功能， 而且本身载有丰富的图形资源， 方便设计各种工业用图， 而且方便编辑， 同时因为 与计算机的通用性， 减少了工作量。 用户可以自行 设计编辑函数， 充分利用了开放性功能。 由于都属 于西门子公司， 在使用 WINCC 组态软件时， 可以 轻松对 S7-300 PLC 系统 中 的 变 量 进 行 创 建 、 编 辑
本 设 计 以 西 门 子 S7-300 PLC 可 编 程 控 制 器 为 下位机， 两台工业控制机为上位机。 上位机通过工 控软件实现报警等预警功能， 下位机采用西门子 S7-300 PLC 可编程控制器， 实现锅炉内温度、 流量 等自动控制， 控制水平及安全性得到保证。