基于PLC的锅炉三冲量给水控制系统设计
摘要
锅炉三冲量给水控制系统在工业控制中是一个典型的控制系统。在锅炉三冲量给水控制系统中，汽包水位是影响锅炉安全运行的一个重要参数,汽包水位过高或者过低的后果都非常严重,因此对汽包水位必须进行严格控制。PLC技术的快速发展使得PLC广泛应用于过程控制领域并极大地提高了控制系统性能,PLC已经成为当今自动控制领域不可缺少的重要设备。本文从控制方案设计、PLC简介和系统软件设计几个方面进行介绍。并且分析影响汽包水位的各种因素出发,重点分析了锅炉汽包水位的“假水位现象”,提出了锅炉汽包水位控制系统的三冲量控制方案。本系统以西门子S7-300来实现锅炉汽包水位自动控制，按照工程整定的方法进行了PID参数整定,并进行了仿真研究。根据仿真结果曲线来看，系统的性能指标都达到了要求。
关键词：PLC;锅炉;三冲量;汽包水位;PID控制
Design of Three- impulse Water Supply
Control System of Boiler Based on PLC
Abstract
The three-impulse water supply control system of boiler is a typical control system in industrial control. In the three- impulse water supply control system of boiler, the steam drum water level is a very important parameter for the boiler safe operation. Both high and low steam drum water level may lead to extremely serious consequence; therefore steam drum water level must be strictly controlled. With the rapid development of PLC technology, PLC is widely applied to the process control domain and makes the performance of control system enhance enormously. PLC has already become the essential important equipment in automatic control domain. The control design, the introduction to PLC, and system software design are introduced in the paper. Also based on the analysis of all kinds of factors which influence steam drum water level, “unreal water level phenomenon”is analyzed specially, and three impulses control scheme of steam drum water level control system is proposed. Siemens S7-300 is adopted to realize automatic control of steam drum water level in the system.PID parameters are regulated by engineering regulation method, and simulation study is done. According to the simulation results, system performance meets the requirements.
Key words: PLC;Boiler; Three Impulses; Steam Drum Water Level; PID C ontrol
目录
摘要....................................................................................................................................... I Abstract .............................................................................................................................. II 1.绪论 . (1)
1.1课题背景及目的和意义 (1)
1.2项目研究内容 (2)
2.控制方案设计 (3)
2.1汽包水位控制系统参数选择 (3)
2.2控制方案设计结构选择 (3)
2.2.1单冲量汽包水位控制系统 (3)
2.2.2双冲量汽包水位控制系统 (3)
2.2.3三冲量汽包水位控制系统 (3)
2.3前馈串级控制系统 (4)
2.3.1串级控制系统特点 (4)
2.3.2串级控制系统回路的选择原则 (4)
2.3.3前馈控制系统特点 (5)
2.3.4前馈控制器设计 (5)
2.4被控对象数学模型 (6)
3.PLC简介 (8)
3.1 S7-300硬件 (8)
3.1.1 S7-300的物理结构 (8)
3.1.2硬件组态 (9)
3.1.3信号模块 (10)
3.2 S7-300软件 (10)
3.2.1组织块OB35 (10)
3.2.2功能块FB41 (11)
3.2.3功能块FB100 (12)
3.2.4功能块FC105和FC106 (13)
4. PLC控制系统的设计 (14)
4.1程序设计 (14)
4.2仿真步骤 (24)
4.3仿真曲线 (27)
结论 (29)
致谢 (30)
参考文献 (31)
1.绪论
1.1课题背景及目的和意义
蒸气锅炉是企业重要的动力设备，其任务是供给合格稳定的蒸气产品,以满足负荷的需要。锅炉是一个十分复杂的控制对象,为保证提供合格的蒸气产品以适应负荷的需要,与其配套设计的控制系统必须满足各主要工艺参数的需要。保持锅炉汽包水位在正常范围内是锅炉运行的一项重要的安全性能指标,由于负荷、燃烧状况及给水流量等因素的变化,汽包水位会经常发生变化[1]。因此锅炉汽包水位应当根据设备的运行状况进行实时调节加以严格控制以保证锅炉的安全运行。
工业蒸气锅炉汽包水位控制的任务是控制给水流量使其与蒸发量保持动态平衡,维持汽包水位在工艺允许的范围内,是保证锅炉安全生产运行的必要条件,锅炉汽包水位也是锅炉运行中一个重要的监控参数,它间接地体现了锅炉负荷和给水之间的平衡关系。
传统的控制方法是以各种分立器件的应用为基础,利用各种检测器件对被控参数实时进行检测并反馈给控制器件,再根据自动控制理论的有关算法完成相应的运算并驱动调节机构完成相应的动作,从而达到自动控制的目的。但是这种控制方式受分立器件的性能影响大,系统各部分之间影响较大,自动化水平不高,控制效果并非十分理想,而且容易出现故障,不利于系统的长期安全、高效运行。现在广泛使用的控制技术还有DCS集散控制系统,但由于DCS系统适合有多个控制回路同时工作的复杂系统,而且集散控制系统往往价格昂贵,对于像汽包水位这样的控制系统来说性价比太高,因此对于汽包水位控制系统来说并非理想的选择[2]。
因此需要运用另一种更好的控制系统对其控制。PLC是70年代发展起来的中大规模的控制器，是集CPU、RAM、ROM、I/O接口与中断系统于一体的器件，已经被广泛应用于机械制造、冶金、化工、能源、交通等各种行业[3]。随着计算机在操作系统、应用软件、通信能力上的飞速发展，大大增强了PLC通信能力，丰富了PLC 编程软件和编程技巧，增强了PLC过程控制能力。因此，无论是单机还是多机控制、生产流水线控制及过程控制都可以采用PLC技术。PLC控制锅炉技术是近年来开发的一项新技术。它是PLC软、硬件、自动控制、锅炉节能等几项技术紧密结合的产物。
作为锅炉控制装置，其主要任务是保证锅炉的安全、稳定、经济运行，减轻操作人员的劳动强度。采用PLC 控制技术，能实现对锅炉运行过程的自动检测、自动控制等多项功能。它的被控量是汽包水位，而调节量则是汽包给水流量，通过对汽包水位的实时检测并进行反馈，PLC 对反馈信号和给定信号进行比较，然后根据控制算法对二者的偏差进行相应的运算，运算结果输出给执行机构从而实现给水流量的调节，使汽包内部的物料达到动态平衡，汽包水位变化在允许范围之内。
s T p K i K d K 1.2项目研究内容
（1）设计锅炉汽包水位控制方案
从锅炉汽包水位的动态性能入手，分析影响锅炉汽包水位的主要因素，并对这些因素对锅炉汽包水位动态性能的影响进行理论研究。在此基础之上，根据各个因素对锅炉汽包水位的影响采用汽包水位三冲量方案，达到控制锅炉汽包水位稳定的目的。
（2）PLC 及相关模块的介绍
本次实验的运行环境在在S7-300系列的PLC 中进行的，实验之前要对其有一个大致的了解，熟悉其功能，以便更好地应用。此外，还要了解其中的组织块、功能块等模块，了解引脚的作用。
（3）控制算法的参数整定
根据被控对象的特点以及它的静态、动态特性按照工程整定的方法进行控制器的参数整定，设计调节器的各个参数。在此基础之上对整定结果进行仿真，并对整定结果进行进一步调整判断其可行性，为后续的软件设计工作打下基础。
（4）PLC 程序和监控界面设计
根据参数整定和仿真的结果利用相关软件进行PLC 梯形图程序设计,最终实现控制算法。同时利用组态软件进行监控界面的设计,实现通过上位机对整个系统运行状态的实时监控功能,使之能够动态显示系统的运行状况,并可以通过监控界面对系统进行相关操作。
2.控制方案设计
2.1汽包水位控制系统参数选择
汽包水位控制系统可直接选择汽包水位作为被控参数。影响汽包水位变化的因素有给水量变化、蒸气流量变化、燃料量变化、汽包压力变化等。汽包压力变化并不直接影响水位，而是通过汽包压力升高时的“自凝结”和压力降低时的“自蒸发”过程影响水位。汽包压力变化往往是蒸气流量变化引起的，可将压力变化因素归在蒸气流量变化中一并考虑，而蒸气流量又是按照用户需要而改变的不可控因素，因而汽包压力和蒸气流量都不能作为汽包水位的控制变量。燃料量的变化要经过燃料系统变成热量后，才能被水吸收，继而影响汽化量并改变水位。这一通道的传输滞后和容量滞后都很大，燃料过程又有专门的调节系统进行控制，因此燃料量也不能作为汽包水位的控制变量[4]。
只有锅炉给水量可作为汽包水位的控制变量。
2.2控制方案设计结构选择
锅炉汽包水位的自动控制的任务是使锅炉的给水量跟踪锅炉的蒸发量并维持
汽包水位在工艺允许的范围内。锅炉汽包水位调节系统常采用以下三种调节方式。2.2.1单冲量汽包水位控制系统
、给水量减少使汽包存水量减少。等到假水位消失后，汽包水位会严重下降，甚至会使汽包水位降到危险的程度，以致发生事故。对于负荷变动较大的大、中型锅炉，2.2.2双冲量汽包水位控制系统
图2.2双冲量水位控制系统框图
2.2.3三冲量汽包水位控制系统
图2.3 三冲量液位控制系统框图
2.3前馈串级控制系统
2.3.1串级控制系统特点
在单回路控制系统中，控制器的参数是在一定的负荷即一定的工作点下，按一定的质量指标要求而整定得到的，也就是说，一定的控制器参数只能适应于一定的负荷。如果对象具有非线性，随着负荷的变化，工作点就会移动，对象的特性就会发生改变。原来基于一定负荷整定的那套控制器参数就不再能适应了，需要重新调整控制器参数以适应新的工作点，否则，控制质量会随之下降。
但是，在串级控制系统中，主回路虽然是一个定值控制系统，而副回路却是一个随动控制系统，它的设定值是随着主控制器的输出而变化的。这样，主控制器就可以按照操作条件和负荷变化相应地调节副控制器的设定值，从而保证在负荷和操作条件发生变化的情况下，控制系统仍然具有较好的控制质量[5]。
2.3.2串级控制系统回路的选择原则
1.主回路的选择就是确定主变量。一般情况下，主变量的选择原则与单回路控制系统被控量的选择原则是一致的，即凡能直接或间接地反映生产过程质量或者安全性能的参数都可被选用为主变量。由于串级控制系统副环的超前作用，使得工艺过程比较稳定，因此，在一定程度上允许主变量有一定的滞后，这就为直接以质量标准为主变量提供了一定的方便。具体的选择原则主要有：用质量指标作为被控量最直接最有效，在条件许可时可选它作为主变量；当不能选用质量指标作为主变量时，应选择一个与产品质量有单值对应关系的参数作为主变量；所选的主变量必须具有足够的灵敏度；应考虑到工艺过程的合理性和实现的可能性。
2.副回路的选择就是确定副变量。由于串级控制系统的种种特点主要来源于它的副环，因此副环设计的好坏决定串级控制系统设计的成败。在主变量确定之后，副变量的选择一般遵循下面几个原则。1o T /2o T 有关。一方面我们希望2o T 小一点以使副回路灵敏些，控制作用快一点。但另一方面，2o T 过小，必然使1o T /2o T 加大，此时对提高系统的工作频率意义不大。同时，2o T 过小将导致副环过于敏感而不稳定。因此，在选择副回路时，主、副对象的时间常数比值应选择适当，一般认为1o T /2o T =310较合适。
因为自动控制系统是为生产服务的，因此在设计系统时，首先要考虑到生产工艺的要求，考虑到所设置的系统会不会影响到工艺系统的正常运行，然后再考虑其他方面的要求，否则将会造成劳而无功，甚至有害于生产。因此，在设计副回路时，必须注意到副回路设定值的变动在工艺上应是可行的。
（）要注意生产上的经济性。
在副回路的设计中，若出现几个可供选择的方案时，应把经济原则和控制质量要求结合起来，能节约的应力求节约。
必须指出，以上选择副回路时应考虑的一些问题，并不是在所有情况下都能适应，更不是每个控制系统都必须全面符合这些原则。应针对不同的问题作具体分析，已解决主要矛盾为上策。
2.3.3前馈控制系统特点
一个前馈控制通道只能抑制一个干扰对被控参数的影响，而对其他干扰对被控参数的影响没有抑制作用。
2.3.4前馈控制器设计
[6]
图2.4前馈-串级复合控制系统结构框图
F(s)对系统输出Y(s)的闭环传递函数
22122222211112222()()()()()()1()()()()()()()()1()()1()()1()()1()()c o f b o f c o c o c o c o c o c o c o G s G s G s G s G s G s G s G s Y s G s G s G s G s F s G s G s G s G s G s G s G s G s ++=+++++ （2.1）
要实现对干扰F(s)完全补偿，应有
()0()
Y s F s =。 从式2.1可得 22122()()()()()01()()c o f b o c o G s G s G s G s G s G s G s +=+ （2.2）
当副回路的工作频率远大于主回路的工作频率时，副回路是一个快速随动系统,其闭环传函
'
22222()()()11()()
c o o c o G s G s G s G s G s =≈+ 代入式2.2可得对干扰F(s)完全补偿的前馈控制器 1()
()()f b o G s G s G s =- （2.3）
由式2.3可知，在前馈-串级复合控制系统中，前馈补偿控制器的数学模型主要由扰动通道和主回路的过程特性之比决定。
2.4被控对象数学模型
引起汽包水位变化的主要扰动是给水流量的变化和流量的变化[7]。如果只考虑主要扰动，汽包水位动态性能可表示为：
2112w D w w w D D d du du d h dh T T T K u T K u dt dt dt dt
+=+-+（）（） 式中h —汽包水位高度；w T —给水流量的时间常数；D T —流量流量的时间常数；w K —给水流量的放大系数；D K —流量的放大系数；1T 2T —时间常数；max d D u D ?=流量变化量相对于最大流量的标定值；max
w W u D ?=
给水流量变化量相对于最大流量的标定值。 (1)如果蒸气流量不变，仅给水流量变化时，汽包水位调节对象的运动方程可以表示为：
21212w w w w du d h dh TT T T K u dt dt dt
+=+ 式中符号意义同上。
对于中压以下（蒸气压力<2.0MPa ）,给水流量项的时间常数w T 较小，可以忽略不计，其简化后的传递函数
12()()()(1)
w w w K H S G S V S ST T S ==+ 对于本次仿真：
0.037()(301)
w G S S S =+ (2)如果给水流量不变，仅蒸气流量变化时，汽包水位调节对象的运动方程可以表示为：
21212D D D d du d h dh TT T T K u dt dt dt
+=-+（） 其传递函数为：
22()1()()1
D D a K H S G S V S T S T S =
=-++ 其中 221
D D K T T K T -=
1a D T T T = 对于本次仿真： 23.0450.037 3.60.037()15151D S G S S S S S
-==-++ 根据前面所述，前馈控制器的公式
1()()()f b o G s G s G s =-
得 23.0450.037
()(82.31)(301) 6.4915()164.67.490.037()151151
(301)
D b w S G S s s S S G s s G S s s S S --++=-=-=-=-+-+++
3.PLC简介
本实验主要应用西门子公司的S7-300系列PLC，下面简单介绍一下有关知识。
3.1 S7-300硬件
3.1.1 S7-300的物理结构
S7-300是模块化的中小型PLC,适应于中等性能的控制要求。品种繁多的CPU
模块、信号模块和功能模块能满足各种领域的自动控制任务，用户可以根据情况选择合适的模块，维修时更换模块也很方便[8]。
S7-300每个CPU都有一个可以使用MPI（多点接口）通信协议的RS-485接口。它不需要附加任何硬件、软件和编程，就可以建立一个MPI网络。有的CPU还带有集成的现场总线PROFIBUS-DP接口、PROFINET接口或PtP(点对点)串行通信接口。
通过调用系统功能和系统功能块，用户可以使用集成在操作系统内的子程序，从而显著地减少所需要的用户存储器容量。它们可以用于中断处理、出错处理、复制和处理数据等。
S7-300有350多条指令，其编程软件STEP7功能强大、使用方便。可以使用多种编程语言。STEP7还用来组态硬件和网络。
CPU用智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常，记录错误的特殊系统事件。S7-300有过程报警、日期时间中断和定时中断等功能。
S7-300采用紧凑的、无槽位限制的模块结构，电源模块（PS）安装在机架最左边的1号槽，CPU模块和接口模块（IM）分别安装在2号槽和3号槽。
S7-300用背板总线将除电源模块之外的各个模块连接起来。背板总线集成在模块上，除了电源模块，其他模块之间通过U形总线连接器相连，后者插在个模块的背后。安装时先将总线连接器插在CPU模块上，将后者固定在导轨上，然后依次安装各个模块。
外部接线接在信号模块和功能模块的前连接器的端子上，前连接器用插线的方式安装在模块前门后面的凹槽上。S7-300的电源模块通过连接器或导线与CPU模块相连。
除了带CPU的中央机架，最多可以增加3个拓展机架，每个机架的4～11号槽
可以插8个信号模块（SM）、功能模块（FM）和通信处理器（CP）。
3.1.2硬件组态
1.硬件组态的任务
就是在STEP7中生成一个与实际的硬件系统完全相同的系统，组态的模块和实际的模块的插槽位置、型号、订货号和固件版本号完全相同。硬件组态确定了PLC 输入/输出变量的地址，为设计用户程序打下了基础。硬件组态包括下列内容：（1）系统组态。从硬件目录中选择机架，将模块分配给机架中的插槽；用接口模块连接多机架系统的各个机架。对于网络控制系统，需要生成网络和网络上的站点。（2）设置CPU和其他模块的参数。如果没有特殊要求，可以使用默认参数。
2.硬件组态工具HW Config
选中SIMLIC管理器左边的站对象，双击右边窗口的“硬件”图标，打开硬件组态工具HW Config。根据实际情况进行组态，组态结果见图3.1所示。
图3.1 硬件组态工具
3.1.3信号模块
输入/输出模块统称为信号模块（SM）,包括数字量（或称开关量）输入（DI）模块、数字量输出（DO）模块、数字量输入/输出（DI/DO）模块、模拟量输入（AI）模块、模拟量输出（AO）和模拟量输入/输出（AI/AO）模块。
S7-300的输入/输出模块的外部接线接在插接式的前连接器的端子上，前连接器插在前盖板后面的凹槽内。更换模块时不需要断开前连接器上的外部接线，只需拆下前连接器，将它插到新的模块上，不需要花费时间重新接线。模块上有两个带顶罩的编码元件，第一次插入时，顶罩永久地插入到前连接器上。为避免更换时发生错误，第一次插入前连接器时，它被编码，以后该前连接器只能插入同样类型的模块。20针的前连接器用于信号模块（32点的模块除外）和功能模块。40针的前连接器用于32点的信号模块。
模块面板上的SF LED用于显示故障和错误，数字量I/O模块面板上的LED用来显示各数字量输入/输出点的信号状态，前面板上有标签区。模块安装DIN标准导轨上，并通过总线连接器与相邻模块连接。
3.2 S7-300软件
3.2.1组织块OB35
组织块（OB）是操作系统调用的，OB没有背景数据块，也不能为OB声明输入、输出参数和静态变量，因此，OB的变量声明表中只有临时变量。OB的临时变量可以是基本数据类型、复杂数据类型或数据类型ANY。
本次实验在在组织块OB35内完成。OB35属于定时中断组织块。西门子S7-300有9个定时中断组织块：OB30、OB31、OB32、OB33、OB34、OB35、OB36、OB37、OB38。
CPU可以定时中断去执行这些模块中的程序，即:每隔一段时间就停止当前的程序，转去执行定时中断组织块中的程序，执行结束后再返回。相当于单片机的定时中断。这9个组织块功能相同，你可以选择其中之一使用，区别是它们的中断优先级不同，如果程序中用到了多个定时中断组织块，应设好它们的执行优先级。
S7-300CPU 可用的定时中断组织模块是OB35，在300站点的硬件组态中，打开CPU属性设置可以看到其它的中断组织块为灰色。OB35默认的调用时间间隔为
100ms ，我们可以根据需要更改，定时范围是1-60000毫秒(ms)。
注意：设置的时间必须大于OB35中程序执行所花费的时间。
3.2.2功能块FB41
PID模块是进行模拟量控制的模块，可以完成恒压、恒温等控制功能，打开Libraries\standard library\PID Control block\FB41,将其调入OB35中，首先分配背景数据块DB41，再给各个管脚输入地址。
本文系统用到的是FB41“CONT_C”以实现连续控制，FB“CONT_C”用于在SIMATIC S7可编程控制器上，控制带有连续输入和输出变量的工艺过程。在参数分配期间，用户可以激活或取消激活PID控制器的子功能，以使控制器适合实际的工艺过程。
可以将控制器用作PID固定设定值控制器。控制器的功能基于采样控制器的PID 控制算法，采样控制器带有一个模拟信号；如果需要的话，还可以扩展控制器的功能，增加一个脉冲生成器环节，以产生脉宽调制的输出信号，用于带有比例执行器的两步或三步控制器。FB41指令主要参数见表3.3所示。
表 3.3FB41指令参数
参数数据类型缺省描述