基于PLC的DCS控制系统——锅炉内胆水温控制系统的设计
摘要__毕业设计____题目学院自动化与电气工程学院__专业自动化__班级学生胡晓丽__学号__指导教师王新江____二〇一二年六月八日______摘要__温度是工业生产过程中最常检测和控制的热工参数之一，本设计是以西门子S7-200PLC为主控制器，以MCGS62为上位机监控软件来实现对锅炉内胆水温的DCS自动控制。系统主要由一台带有MCGS62组态软件的上位机和应用于__STEP7-MicroWINV40软件、西门子S7-200PLC下位机以及PCPPI电缆、RTGK-2型过程控制系统构成。__通过对下位机S7200PLC的软件编程，完成锅炉内胆温度信号采集、处理以及PID控制，由三相SCR移相调压装置来改变加到锅炉内胆电加热器的两端电压，达到实时控制锅炉内胆水温的目的。同时以MCGS62为上位机监控软件，实时检测锅炉内胆水温的变化情况、报警信息、数据变化，并作出丰富的动态实时、历史曲线，棒图及数字显示SV、PV、OP值，通过系统画面组态、动态组态、和策略组态等，实现锅炉内胆水温的DCS控制。__本设计分别对上位机以及下位机进行了详细设计，并运用工程整定方法，整定出满足系统要求的锅炉内胆水温PID控制参数，得到比较理想的PID控制曲线，实现了对锅炉内胆水温控制的目的，达到了设计要求。____关键词：锅炉内胆；温度；DCS控制；PID；S7200PLC；MCGS62____ABSTRACT__TemperatureisoneofthemostfrequentlytodetectandcontrolthermalparametersinindustrialprocessesInthispaper_thedesignisbasedonSiemensS7-200PLCwhichisthemaincontrollerandMCGS62whichisusedastheSCADAsoftwaretoachievetheDCSautomaticcontrolofwatertemperatureontheboilerinteriorThetemperaturecontrolsystemhardwareisconstitutedbyacomputerwithMCGSandSTEP7MicroWINV40software_SiemensS7-200PLC_thePCPPIcableandRTGK-processcontrolsystems__LowermachineS7200PLCthePIDcontrolalgorithmsoftwareprogrammingtocompletetheboilerinteriortemperaturesignalacquisition_processingandcontrolbythethree-phaseSCRphaseshiftregulatingdevicetochangethevoltageacrosstheaddedtotheboilerinteriorelectricheater_toachievereal-timecontrolthepurposeoftheboilerinteriorwatertemperatureTheMCGS62SCADAsoftware_real-timedetectionofboilerinteriorwatertemperaturechanges_alarminformation_datachanges_andmakearich_dynamicreal-timehistorycurve_bargraphanddigitaldisplayoftheSV_PV_OPvalue_bysystemscreenconfiguration_dynamicconfiguration_andstrategyconfiguration_DCScontroloftheboilerinteriorwatertemperature__Thisdesignontheupperandlowermachine_detaileddesignandapplicationengineeringtuningmethods_theentiresettomeetthesystemrequirementsfortheboilerinteriorwatertemperaturePIDcontrolparameters_theidealPIDcontrolcurveontheboilerinteriorwatertemperaturecontrolthepurposetoachievethedesignrequirements__Keywords：boilerinteriortemperaturecontrolDCScontrolthePIDS7200PLCMCGS62____目录__摘要IABSTRACTII__1前言1__11课题简介1__12锅炉温度控制系统的意义1__13锅炉温度控制系统国内外现状2__2方案设计4__3系统的硬件设计6__31S7-200PLC选型6__311S7200-PLC的CPU模块7__312EM235模拟量输入输出模块8__313PLC控制系统设计的基本原则10__314PLC控制系统设计的一般步骤10__32RTGK-2型系统10__321RTGK-2型系统主要特点10__322RTGK-2型系统实验对象组成结构11__33热电式传感器12__34可控硅加热装置简介13__35PPI总线13__4、系统的软件设计14__41PID控制算法14__411PID控制算法的特点14__412PID控制算法原理14__413PID算法程序实现16__414PID在PLC中的回路指令16__415PID参数整定17__416PID算法的数字化处理17__42MCGS工控组态软件20__421MCGS组态软件概述20__422MCGS软件的系统构成20__423MCGS组态软件的功能和特点22__424MCGS组态软件仿真的基本方法22__43STEP7-MicroWIN3222__44输入输出点配置22__5、系统程序编译24__51炉温实际温度的检测24__52PID算法在S7-200PLC中的实现25__53输出控制量的处理28__6系统组态界面设计30__7通讯46__8、系统联机调试51__结论53__参考文献54__致谢55__附录56__1前言__11课题简介__过程控制就是操纵变量影响工艺条件、过程、状况，目的是为了达到所需的目标。在石油生产加工、化学、热力、材料以及轻工业等行业领域中，我们把以温度、液位、流量、压力等等这些被作为主要的控制对象的系统都称作是“过程控制”。过程控制除了在传统产业改造的过程控制方面有很重要的作用以外，在提高产品质量、节约原材料及能源、保护生态环境、减少环境污染方面以及提高经济效益和劳动效率方面的影响也非常大。现在过程控制已经在我国新建的大规模、结构复杂的工农业生产过程中占据非常重要的地位。__本设计结合实验室RTGK-2型现场总线过程控制系统实验装置，通过PID控制算法，利用西门子S7-200PLC对于实现锅炉内胆的温度控制进行了进一步的研究。RTGK-2型现场总线过程控制系统实验装置包括了流量、压力、液位、温度四大热工参数，同时也包括模拟PID控制、PLC控制、智能仪表控制、计算机控制等多种控制方式，本文仅对PLC控制中的温度控制进行阐述。__12锅炉温度控制系统的意义__当我们进入了21世纪——在这个信息时代，科学、技术快速的发展，同时也推动着计算机以及电子通讯技术、微处理器的前进。计算机控制技术已经经过自动控制理论和设计方法的发展的带动，渗透到了大多数的工业领域。几乎所有的物理变化以及化学反应在发生的过程中都是跟作为国际基本单位之一的温度有很大的关系的。温度是一个描述物体物理特性的冷热程度的物理量，但是对于工业生产、日常生活过程，它却有很重要的作用。测量和控制温度对人类日常生活、工业生产、气象预报、物资仓储等都有关键影响，特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，温度更是重中之重。无论是在生活中还是在工业生产过程中，在某些环节中如果温度发生变化也许会带来不同程度的影响，说不定会导致生活、生产发生严重的安全事故或者给产品的质量和产量带来一系列问题。__在我国经济的快速发展过程中，锅炉在国民经济建设以及人民生活中的重要作用是人所共知的。锅炉是火力发电的三大设备之一，火力发电占我国现有发电装机容量的75；锅炉是工业生产中能源动力供应的主要设备，锅炉在人民生活中也是不可或缺的设备【1】。__锅炉在日常生活生产中的影响非常大。在锅炉里面燃烧化石燃料（比如说煤、石油、天然气等）产生的热水或水蒸汽的可直接提供工农业生产和生活所需要的热能。早在200多年前锅炉就已经问世，但锅炉在工业方面的应用和发展是最近几十年才开始的。在国外，工农业中对锅炉的控制在五六十年代发展的最快，于七十年代发展至最高点。反观我国，锅炉在新中国成立以后才开始建立和发展在工农业方__面的应用。上海在1953年率先成立了一座上海锅炉厂。鉴于锅炉在工农业生产生活中所扮演的角色的不同，我们把锅炉分为三类：发电厂使用的是电站锅炉；居民所需要的热水和取暖所需要的是生产锅炉；工农业生产需要的驱动机械的能源则是由工业锅炉来提供的。__在锅炉日渐为工农业生产生活提供方便的时候，问题也随之产生，那就是对于锅炉的控制问题。随着科学技术发展，控制理论和技术也有了很大的发展，对于锅炉的自动化控制的掌握程度也在慢慢的提高。__从六十年代第一台计算机在控制中的应用开始，并随着计算机科学技术以及通信、控制技术等等的快速发展，人们对于锅炉的自动化控制中也逐渐的采用了计算机。锅炉的自动控制技术从三四十年代的单参数仪表控制开始，经历了四五十年代单元组合仪表、综合参数仪表控制，一直到六十年代兴起的计算机过程控制，越来越说明了计算机正在成为这一领域的主要角色并且在锅炉的自动控制的适用范围越来越广。在工农业生产生活中，对于一些工艺过程，温度的浮动直接会对产品的质量以及产量产生影响，在这种情况下，设计出一套针对温度的较为理想的控制系统会非常有价值。__13锅炉温度控制系统国内外现状__国外从1970左右就开始研究如何对温度进行控制。在1970年至1979年这段时间内，温度控制技术简单来说就是利用模拟式的组合仪表来采集工农业生产过程中的信息，然后再进行计算、推导，对温度进行记录和控制。一直到1989年左右分布式系统才第一次出现在世人面前。到了21世纪10年代，也就是2012年，世界各国的科学家们已经在开始研发那种由计算机来采集和控制信息的“多因子综合控制系统”了。随着科学技术的快速发展，温度控制技术也随之逐步提高，甚至有些国家已经在向着更高的自动化控制水平——无人化自动控制发展了。__中国虽然在世界上影响力不小，但是中国的发展并比不上发达国家。作为发展中国家，相对于其他发达国家，我国的科学家们在1980年才开始在吸取其他国家技术的基础上慢慢地学习并掌握针对单项环境因子的温度室内微机技术。现如今，我国对涉及到微机的温度控制技术已经由吸取经验到简单应用再向着综合应用方向发展。但是现在我们还没有真正的多参数综合控制系统，比起其他国家，我国在技术上还是落后不少。眼下我国的温度测控技术比起国外工厂化的温度测控技术仍然差得很远，在实际生产中我国的温控系统的软件、硬件资源还是不能共享，不能达到很高的产业化水平，装备也不能很好的配套，这些难题都需要科学家、技术人员去解决。__到现在为止，我国在温度的测量控制方面仍然比较落后，总体水平处于20世纪80年代中后期水平，比起发达国家还是差别比较大，要想用于一些控制滞后、复杂、时变的温度系统控制，还是有不小的困难。至于更高控制要求的智能化、自__适应控制仪表，我们与发达国家相比还是有一定的差距。在形成商品化、控制参数自整定方面，我们还没有开发出性能可靠的自整定软件，控制系统的参数的确定大多都是依靠经验或者现场调试。__随着科学技术的不断发展，温度控制系统的需求已越来越苛刻，高精度、智能化、人性化是国内外温度测控系统发展的必然趋势。____2方案设计__本设计是以西门子S7200PLC为主控制器，以MCGS62为上位机监控软件，来实现锅炉内胆水温的DCS自动控制。设计的目的是在设计过程中能够了解MCGS工控组态软件和S7200PLC是如何被运用于工农业生产过程的。通过系统画面组态、动态组态、和策略组态等，良好完成计算机动态实时监控锅炉内胆水温控制的运行情况，得到完整的实时曲线和历史曲线以及用棒图显示出设定值、测量值和输出值。__本设计中使用的主要硬件如图21所示。____图21系统硬件图__按照设计的具体要求，所有需要设计的环节，都需要逐一进行分析。因此我把锅炉内胆温度控制系统分成两大部分来分别设计软硬件。__系统硬件框图结构如图22所示____图22基于PLC的锅炉内胆水温控制系统方框图____设计中的被控对象是锅炉内胆的温度，利用Pt100铂热电阻传感器来检测被控对象（即锅炉内胆的温度），经过温度变送器给S7-200PLC的EM235模块送入测量到的锅炉内胆温度转换的0～5V的电压信号。然后把比较测量值和设定值所得到的差值经过PID运算后就可以得到的控制信号来控制加热器的电压，这样就能控制锅炉内胆的温度了。S7-200PLC与MCGS组态软件通讯，实现了系统的实时监控。图23为系统的整体结构框图。____图23系统结构框图____
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用户名或电子邮件地址西门子S7200PLC在线调试 - MCGS与西门子PLC的连接与调试
西门子S7200PLC在线调试
我们以西门子S7200PLC 为例，让您知道硬件设备与MCGS 组态软件是如何连接的。具体操作如下：
在MCGS 组态软件开发平台上，单击&设备窗口&，再单击&设备组态&按钮进入设备组态。从&工具条&中单击&工具箱&，弹出&设备工具箱&对话框。单击&设备管理&按钮，弹出&设备管理&对话框。从&可选设备&中双击&通用设备&，找到&串口通讯父设备&双击，选中其下的&串口通讯父设备&双击或单击&增加&按钮，加到右面已选设备。再双击&PLC 设备&，找到&西 门子&双击，再双击&S7-200一PPI&，选中&西门子S7-200PPI&双击或单击&增加&按钮，加到右面已选设备。如下图：
单击&确认&按钮，回到&设备工具箱&如图：
双击&设备工具箱&中的&串口通讯父设备&，再双击&西门子S7-200PPI&，如图：
双击&设备1一［串口通讯父设备］&，弹出&设备属性设置&对话框，如图按实际情况进行设置，西门子默认参数设置为： 波特率9600，8位数据位，1位停止位，偶校验。参数设置完毕，单击&确认&按钮保留。如果是首次使用，请单击&帮助&按钮或选中&查看设备在线帮助&，单击图标，打开&MCGS 帮助系统&，请详细阅读。
计算机串行口是计算机和其它设备通讯时最常用的一种通讯接口，一个串行口可以挂接多个通讯设备（如一个RS485总线上可挂接255 个ADAM 通讯模块，但它们共用一个串口父设备），为适应计算机串行口的多种操作方式，MCGS 组态软件采用在串口通讯父设备下挂接多个通讯子设备的一种通讯设备处理机制，各个子设备继承一些父设备的公有属性，同时又具有自己的私有属性。在实际操作时，MCGS 提供一个串口通讯父设备构件和多个通讯子设备构件，串口通讯父设备构件完成对串口的基本操作和参数设置，通讯子设备构件则为串行口实际挂接设备的驱动程序。
S7-200PPI 构件用于MCGS操作和读写西门子S7_ 21X、S7_ 22X 系列PLC 设备的各种寄存器的数据或状态。本构件使用西门子PPI 通讯协议，采用西门子标准的PC\PPI 通讯电缆或通用的RS232/485 转换器，能够方便、快速地与PLC 通讯。S7-200PPI］，弹出&设备属性设置&对话框，如图，在属性设置之前，建议您双击［西门子先仔细阅读&MCGS 帮助系统&，了解在MCGS 组态软件中如何操作西门子S7-200PPI。
选中&基本属性&中的&设置设备内部属性&，出现图标，单击图标，弹出&西门子S7-200PLC通道属性设置&对话框。如图：
单击&增加通道&，弹出&增加通道&对话框，如图，设置好后按&确认&按钮。
西门子S7_200 PLC 设备构件把PLC 的通道分为只读，只写，读写三种情况，只读用于把PLC 中的数据读入到MCGS 的实时数据库中，只写用于把MCGS 实时数据库中的数据写入到PLC中，读写则可以从PLC 中读数据，也可以往PLC 中写数据。当第一次启动设备工作时，把PLC 中的数据读回来，以后若MCGS不改变寄存器的值则把PLC 中的值读回来。若MCGS 要改变当前值则把值写到PLC 中，这种操作的目的是，防止用户PLC程序中有些通道的数据在计算机第一次启动，或计算机中途死机时不能复位，另外可以节省变量的个数。
&通道连接&如图设置：
在&设备调试&中就可以在线调试&西门子S7-200PPL&，如图：
如果&通讯状态标志&为0 则表示通讯正常，否则MCGS 组态软件与西门子S7_ 200PLC 设备通讯失败。如通讯失败，则按以下方法排除：
1、检查PLC 是否上电。
2、检查PPI 电缆是否正常。
3、确认PLC 的实际地址是否和设备构件基本属性页的地址一致，若不知道PLC 的实际地址，则用编程软件的搜索工具检查，若有则会显示PLC 的地址。
4、检查对某一寄存器的操作是否超出范围。
其它设备如板卡、模块、仪表、PLC 等，在用MCGS 组态软件调试前，请详细阅读硬件使用说明与MCGS 在线帮助系统。
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