煤气炉炉底饱和温度 控制

摘要
组态王开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统正以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。

具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。

通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。

其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。

尤其考虑三方面问题：画面、数据、动画。

通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。

组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。

而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。

它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。

关键词：温度控制，可编程控制器，人机界面，组态王
目录
第一章前言 (3)
1.1项目背景、意义 (3)
1.2课程设计研究内容 (4)
第二章基于组态王的HMI设计 (5)
2.1人机界面（HMI）设计 (5)
2.2监控主界面 (7)
2.3实时趋势曲线 (8)
2.4历史趋势曲线 (9)
2.5报警窗口 (10)
2.6设定画面 (11)
2.6.1变量设置 (11)
2.6.2动画连接 (14)
2.7工艺流程图 (17)
结论 (18)
参考文献 (19)
第一章前言
1.1项目背景、意义
温度控制在电子、冶金、机械等工业领域应用非常广泛。

由于其具有工况复杂、参数多变、运行惯性大、控制滞后等特点，它对控制调节器要求极高。

目前,仍有相当部分工业企业在用窑、炉等烘干生产线，存在着控制精度不高、炉内温度均匀性差等问题,达不到工艺要求，造成装备运行成本费用高，产出品品质低下，严重影响企业经济效益，急需技术改造。

近年来，国内外对温度控制器的研究进行了广泛、深入的研究，特别是随着计算机技术的发展，温度控制器的研究取得了巨大的发展，形成了一批商品化的温度调节器，如:职能化PID、模糊控制、自适应控制等，其性能、控制效果好,可广泛应用于温度控制系统及企业相关设备的技术改造服务。

在工业自动化领域内,PLC（可编程控制器）以其可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、功能强大、性价比高、体积小、能耗低等显著特点广泛应用于现代工业的自动控制之中。

目前的工业控制中,常常选用PLC 作为现场的控制设备,用于数据采集与处理、逻辑判断、输出控制；而上位机则是利用HMI 软件来完成工业控制状态、流程和参数的显示,实现监控、管理、分析和存储等功能。

这种监控系统充分利用了PLC 和计算机各自的特点,得到了广泛的应用。

在这种方式的基础上设计了一套温度控制系统。

以基于PLC 的下位机和完成HMI功能的上位机相结合,构建成分布式控制系统,实现了温度自动控制。

PLC 不仅具有传统继电器控制系统的控制功能，而且能扩展输入输出模块，特别是可以扩展一些智能控制模块，构成不同的控制系统，将模拟量输入输出控制和现代控制方法融为一体，实现智能控制、闭环控制、多控制功能一体的综合控制。

现代PLC 以集成度高、功能强、抗干扰能力强、组态灵活、工作稳定受到普遍欢迎，在传统工业的现代化改造中发挥越来越重要的作用,尤其适合
温度控制的要求。

此外，随着工业自动化水平的迅速提高，用户对控制系统的过程监控要求越来越高，人机界面（HMI）的出现正好满足了用户这一需求。

人机界面可以对控制系统进行全面监控，包括参数监测、信息处理、在线优化、报警提示、数据记录等功能，从而使控制系统变得简单易懂、操作人性化，深受广大用户的喜欢。

人机界面（HMI）在自动控制领域的作用日益显著。

HMI正在成为引导工业生产制造走向成功的重要因素，因为这些系统越来越多的用于监控生产过程，让过程变得更加准确、简洁和快速。

HMI其实广义的解释就是“使用者与机器间沟通、传达及接收信息的一个接口”。

举个例子来说，在一座工厂里头，我们要搜集工厂各个区域的温度、湿度以及工厂中机器的状态等等的信息透过一台主控器监视并记录这些参数，并在一些意外状况发生的时候能够加以处理。

这便是一个很典型的SCADA/HMI的运用，一般而言，HMI系统必须有几项基本的能力：
实时的资料趋势显示——把撷取的资料立即显示在屏幕上。

自动记录资料——自动将资料储存至数据库中，以便日后查看。

历史资料趋势显示——把数据库中的资料作可视化的呈现。

报表的产生与打印——能把资料转换成报表的格式，并能够打印出来。

图形接口控制——操作者能够透过图形接口直接控制机台等装置。

警报的产生与记录——使用者可以定义一些警报产生的条件。

比方说温度过度或压力超过临界值，在这样的条件下系统会产生警报，通知作业员处理[1]。

1.2课程设计研究内容
本文研究的是PLC技术在温度监控系统上的应用。

从整体上分析和研究了控制系统的硬件配置、电路图的设计、程序设计，控制对象数学模型的建立、
控制算法的选择和参数的整定，人机界面的设计等。

本文通过德国西门子公司的S7-200系列PLC控制器，温度传感器将检测到的实际炉温转化为电压信号，经过模拟量输入模块转换成数字量信号并送到PLC中进行PID调节，PID控制器输出量转化成占空比，通过固态继电器控制炉子加热的通断来实现对炉子温度的控制。

同时利用亚控公司的组态软件“组态王”设计一个人机界面（HMI），通过串行口与可编程控制器通信，对控制系统进行全面监控，从而使用户操作更方便。

总体上包括的技术路线：硬件设计，软件编程，参数整定等。

第二章基于组态王的HMI设计
随着自动化技术迅猛发展，控制系统功能越来越强大，控制过程也变得越来越复杂，系统操作最大透明化已经成为一种需要。

人机界面（HMI Human Machine Interface）以其过程可视化、操作员对操作过程可方便的控制等显著特点，很好的满足了这种需求而得到广泛的应用。

工业HMI又称触摸屏监控器，是一种智能化操作控制显示装置。

它一般与PLC等工业控制设备，利用显示屏显示，通过输入单元（如触摸屏、键盘、鼠标等）写入工作参数或输入操作命令，实现人与机器信息交互。

HMI的主要功能有：数据的输入与显示；系统或设备的操作状态方面的实时信息显示；报警处理及打印；数据归档和报表系统。

此外，新一代工业人机界面还具有简单的编程、对输入的数据进行处理、数据登录及配方等智能化控制功能[19]。

2.1人机界面（HMI）设计
HMI监控系统由监控主画面及相应的功能子画面组成，HMI画面设计对于HMI来说是非常关键的。

HMI画面是用组态软件来做的，常见的组态软件有西门子公司的Wincc、罗克韦尔公司的RsView及国产的组态王、力控等。

在本温度
控制系统设计中，我们选择了组态王来完成监控画面的设计。

组态王和其他组态软件相比最大的优势是它操作方便，提供了资源管理器式的操作主界面，并且提供了以汉字作为关键字的脚本语言支持，对于新手来说很容易上手。

我们从北京亚控公司的主页上下载了组态王6.5.3演示版，安装好以后。

双击桌面图标，打开工程管理器，建立工程。

如图5-1所示，最下面的一行是我们新建的工程，工程名称为“组态王”。

双击工程管理器中的工程名，出现工程浏览器。

在工程浏览器中，双击新建图标，新建画面（如图5-2所示）。

在这里我们制作了监控主界面、实时趋势曲线、历史趋势曲线、报警窗口等画面。

下面详细介绍每个画面的设计方法。

图5-1 新建工程
图5-2 新建画面
2.2监控主界面
打开开发系统页面后，点击“图库”，打开图库管理器，把开关、温度仪表、闹钟直接拖进开发页面，再利用工具箱做好“开始”和“停止”按钮以及温度显示、设定画面、报警窗口等按钮。

完整的主界面如图5-3所示。

运行组态王后，点击“开始”按钮，开关变绿色，系统开始运行，目前温度值下面的方框和仪表上都显示当前温度值，闹钟上显示当前日期。

点击“设定画面”会进入参数设定画面，点击“报警窗口”会进入报警画面，实时趋势曲线和历史趋势曲线也是一样。

点击“停止”按钮，系统运行结束，同时开关变红色。

图5-3 主界面
2.3实时趋势曲线
打开开发系统页面后，点击工具箱中的“实时趋势曲线”把实时趋势曲线放进开发页面，然后双击曲线画面，对曲线进行设置，如X轴和Y轴的设置及标示定义等，最后利用工具箱做好“返回主界面”按钮，即可形成如图5-4所示的实时趋势曲线画面。

系统运行时，实时趋势曲线会显示当前温度值的变化趋势和设定温度值。

点击“返回主界面”按钮，就会回到主界面。

图5-4 实时趋势曲线
2.4历史趋势曲线
打开开发系统页面后，点击“图库”，打开图库管理器，双击“历史曲线”把它放进开发页面，再双击历史趋势曲线画面，对曲线进行设置，包括曲线定义，坐标系，操作面板和安全属性等设置，最后利用工具箱做好“返回主界面”按钮，即可形成如图5-5所示的历史趋势曲线画面。

系统运行时，画面上会记录某段时间内设定温度值和当前温度值的变化曲线。

点击“返回主界面”按钮，就会回到主界面。

2.5报警窗口
打开开发系统页面后，点击工具箱中的“报警窗口”把报警窗口放进开发页面，然后双击画面，对报警窗口进行设置，包括通用属性、列属性、操作属性、条件属性、颜色和字体属性的设置。

最后利用工具箱做好“返回主界面”按钮，即可形成如图5-6所示的报警窗口画面。

系统运行时，报警窗口会根据当前温度值做出适当的报警。

此项目中我们设置当前温度低于55度时，“报警类型”栏显示当前温度偏低。

当前温度超过65度时，“报警类型”栏显示当前温度偏高。

图5-5 历史趋势曲线
图5-6 报警窗口
2.6设定画面
设定画面的设计和上面4个画面类似，系统运行时该画面会显示增益Kc、积分时间Ti、微分时间Td、采样时间、设定温度等参数的值，未运行时和图6-2基本一样，只是没有值显示出来。

2.6.1变量设置
实际操作打开工程浏览器，点击“数据词典”，再点击“新建”建立“设定温度”、“当前温度”、“启动”、“停止”、“Kc”、“Ti”、“Td”、“采样时间”等变量。

其中变量类型和寄存器是最关键的，在组态王和PLC之间传输的变量都是I/O类型的，只在组态王内部需要的是内存型的。

寄存器和数据类型要与
程序中一致，否则组态王就不能起到监控作用了。

比如“设定稳定”的寄存器为v68,数据类型为float。

“当前稳定”的寄存器为v60,数据类型为float。

下面我们以当前温度设置为例来说明变量设置的步骤和方法。

图5-7为变量“当前温度”基本属性设置图，变量类型设置为I/O实数，连接设备为PLC，寄存器为v60，数据类型是float。

图5-7当前温度基本属性设置
图5-8为变量“当前温度”报警定义设置图，我们设置了当前温度低于55度时，报警当前温度太低。

当前温度大于65时，报警当前温度偏高。

图5-8 当前温度报警定义设置
图5-9为变量“当前温度”记录和安全区设置图，我们设置“记录”为数据变化记录，变化灵敏度设为1.这个主要是为历史趋势曲线服务的，若不设置这个，往往历史趋势曲线就出不来或者效果很差。

图5-9 当前温度记录和安全区设置
2.6.2动画连接
打开主界面，双击“开始”按钮，出现如图5-10的动画连接画面。

在按下时左边打沟，点击“确定”，出现命令语言输入窗口，在该窗口中输入图5-11所示的命令，再点击“确定”，就完成了“开始”按钮的动画连接设置。

这样，点击“开始”后，系统就开始运行，此按钮就相当于PLC硬件图中的绿色启动开关。

“停止”按钮的动画连接设置类似。

图5-10 动画连接
打开主界面，双击目前温度值下面的框，出现如图5-10所示的动画连接画面。

在模拟值输出左边打钩，出现模拟值输出连接画面。

点击表达式框右边的问号，选择变量“当前温度”。

输出格式中设置整数位数为2，小数位数为1，显示格式设置为十进制，最后点击“确定”。

这样，变量“当前温度”的动画连接设置就完成了。

打开主界面，双击“设定画面”按钮，出现如图5-10的动画连接画面。

在按下时左边打沟，点击“确定”，出现命令语言输入窗口，在该窗口中输入图5-12所示的命令，再点击“确定”，就完成了“设定画面”按钮的动画连接设置。

运行时，点击主界面中的“设定画面”就可以进入设定画面了。

其他按钮的动画连接方法和“开始”按钮类似，只是输入的命令稍有不同。

到这里，整个人机界面（HMI）就完成了。

图5-11 开始按钮命令语言输入窗口
图5-12 设定画面命令语言输入窗口
2.7工艺流程图
结论
本文成功的运用了西门子S7-200PLC和组态王设计了一个人机监控的温度控制系统。

系统采用串级PID控制，利用粗调和细调，得到了一个反应比较迅速，控制精度比较高的温度控制系统。

组态王操作方便，有利于我们比较直观的观看控制曲线和温度的变化。

其中的报表、历史曲线和报警显示都是在当今工业控制中常用的。

当然，本控制系统还有很多不足的地方。

例如，系统的自适应能力不强，因为是利用散热来降温的，所以与外界温度环境密接相关，在不同的温度环境下控制精度和控制能力是不同的。

参考文献
1.王再英等.《过程控制系统与仪表》机械工业出版社，2006
2.潘新民，王燕芳.《微型计算机控制技术》高等教育出版社，2001
3.何波，《电气控制及PLC应用》中国电力出版社，2008
4.组态王Version6.53用户手册，2006
5.SIMATLC S7- 200可编程控制器系统手册，西门子公司，2008
6.陈建明.电气控制与PLC应用[M].北京:电子工业出版社,2009.
7.SIMATIC S7-200可编程序控制器系统手册[M].北京:机械工业出版社,2002。