基于组态软件的锅炉液位控制系统

第 5期(总第 168期) 2011年 1O月 机 械 工 程 与 自动 化 MECHANICAL ENGINEERING ＆ AUT0MAT【0N No．5 Oet． 文章编号：1672—6413(2011)10-0137—02 基于组态软件的锅炉液位控制系统 史岩鹏，齐向东 (太原科技大学 电子信息 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院，山西 太原 030024) 摘要：介绍了一种基于PLC和变频器的液位 自动控制系统的构成和工作原理。系统采用变频器调节电机转 速，保持锅炉液位恒定。使用PLC实现系统的主要控制功能，使用组态软件进行硬件及其 网络组态；编写 系统程序并使用SIEMENS公司的STEP7一Micro／WIN编程软件中的PID向导对控制系统进行调试，获得最优 的laiD整定参数，使系统较好地完成了预期的控制。 关键词：PID控制；PLC；组态软件；锅炉液位控制系统 中图分类号：TP273：TK223．7 文献标识码：A 0 引言 计算机控制系统由设备层、控制层、监控层、管 理层4个层次构成。设备层将物理信号转换成数字信 号或标准的模拟信号；控制层对现场工艺过程实时监 测与控制；监控层通过对多个控制设备的集中管理 ， 完成对生产运行过程的监控；管理层对生产数据进行 管理、统计和查询。 可编程逻辑控制器 (PLC)的数据运算处理和联 网通信功能使得其向过程控制发展。在过程控制领 域 ，PID是主要的调节器，其原理简单、适用性和鲁 棒性强，最主要的特点是不需要精确的 数学 数学高考答题卡模板高考数学答题卡模板三年级数学混合运算测试卷数学作业设计案例新人教版八年级上数学教学计划 模型，解 决了工业生产过程中精确建模的困难。使用 PLC及 其提供的相应PID控制指令、相应的回路调节软件及 组态软件能使控制系统小型化，形成基本的计算机 自 动控制系统。本文将采用组态软件结合 PLC实现对 锅炉液位的监控。 1 锅炉液位控制系统的组成及工作原理 锅炉液位控制系统采用PID控制，通过液位传感 器测得液位值并传送到 PLC，经过 PID运算输出相应 的模拟控制信号控制变频器，从而调节电机的转速， 实现液位调节。 首先，PLC上电初始化，PID运算初始化 ，液位 要求恒定控制在75％。然后启动系统，液位传感器 将锅炉液位信号转变为0 V一5 V的电压信号，PLC 的模拟输入模块得到相应的电压信号后，进行 A／D 转化，经过PID运算并传送到变频器的控制端口，从 而调节变频器的输出，改变电机转速。当锅炉液位发 生变化时，液位传感器采集数据，再次处理，从而实 现闭环控制，使液位达到设定值，实现锅炉液位的自 动控制。 系统可通过按钮 10．0或上位机界面的启动按钮 启动，液位设定也可通过上位机的液位给定值设定， 液位的变化和实际值可通过锅炉动态画面和液位实际 值窗口观察。 2 系统控制策略 系统采用PID调节的闭环控制，能保证系统偏差 达到预定，使系统稳定运行。PID的控制规律为： (t)= (e(t)+ [‘e(f)dt+ )。 ‘， u 其中：Kp为比例系数； 为积分时间常数； 为微分 时间常数；e(t)为设定值和实际输出值构成的偏差。 PID调节器各校正环节的作用如下： (1)比例环节：反映控制系统的偏差信号，偏 差一旦产生，调节器立即产生控制作用，减小误差。 (2)积分环节：消除系统静差，提高系统的稳 定性，积分时间常数 越大积分作用越弱，反之则 越强。 (3)微分环节：反映偏差的变化趋势，能在偏 差变得太大之前有效地引入早期修正信号，减少系统 的调节时间。 3 控制系统硬件配置 系统的硬件配置包括组态软件、PLC、主回路、 控制回路、变频器等。 3．1 力控组态软件 力控组态软件是对现场生产数据进行采集与过程 控制的软件，其最大的特点是能同各种工业控制厂家 的设备进行网络通讯，达到集中监控的目的，同时还 可以方便地向控制层和管理层提供软、硬件的全部接 收稿 日期 ：2011—04—08；修回日期：2011．05—20 作者简介 ：史岩鹏(1986-)，男．LLJ西运城人，在读硕士研究生 ，研究方向：现代电力电子技术应用。 · 138· 机 械 工 程 与 自动 化 2011年第5期 口，实现与 “第三方”软、硬件系统的集成。 力控组态软件 (Forecontro1)基本的程序及组件 包括工程管理器、人机界面 VIEW、实时数据库 DB、 I／O驱动程序、控制策略生成器以及各种数据服务及 扩展组件。其中实时数据库是系统的核心，实时数据 库把相应的控制点分配到 PLC的输入和输出，通过 PPI串口通讯实现对锅炉的监控。 3．2 PLC的选择 可编程控制器采用西门子的 S7—200系列 CPU一 221主机，具有6个输入点和4个输出点、1个 RS一 485通讯编程口、PPI通讯 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 和 MPI通讯协议以及 自由口方式通讯能力。本系统使用 PPI通讯协议实现 PLC与组态软件连接，模拟量输入采用 EM235模块， PLC编程采用 STEP7一Micro／WIN编程软件。 3．3 变频器及控制方式 变频器选用西门子 MM系列，由 PLC通过模拟 量输出0 V～5(10)V或 4 mA～20 mA的信号控制 变频器频率，变频器频率变化范围为0 Hz～50 Hz。 通过组态软件和 PLC通讯实现上位机对系统的控制 和监测。 3．4 力控组态软件与西门子 S7—200的连接 在工程项目导航栏中双击 “IO设备组态”，在弹 出的窗 口中点击 “PLC”前 面 的 “+”，再 点击 “SIEMENS”前 面 的 “+”，然后 双击 “S7—200 (PPI)”，在弹出的画面中定义设备的名称及设备的 地址号。在 I／O配置向导中点击 “下一步”，选择与 I／O通讯的 COM口，点击完成，这样组态软件就可 以和 PLC通讯了。 3．5 系统主 回路 系统主回路由熔断器、变频器、水泵电机以及主 回路控制接触器组成。系统正常工作时通过变频器控 制电机保持液位恒定，当出现需要立即停机的状况 时，可手动操作隔离开关停机。 3．6 系统控制回路 对主回路接触器的控制采用 3个继电器，通过 PLC输出开关量控制其通断。由于液位传感器需要 +24V电压，EM235模块同样需要 +24V电压，因此 使用 PLC的辅助电源对其供电。图 1为系统的控制 回路 4 软件编程 图 1 系统控制回路 4．1 PLC编程 整个 PLC系统既有开关量也有模拟量的输入／输 出，因此在控制软件编程上采用模块式结构，各种功 能的程序通过主程序有机地结合起来，使系统运行稳 定可靠。程序采用定时中断 0来调用子程序，其中 PID起始地址为 VD200，设置定时中断 0的时间寄存 器为 SMB34，设置定时为时间 100 m8。液位控制PLC 程序如下： MAIN Networkl LD 10．0 S oo．0 N rk2 LD 10．O R 00．0 Net、∞“(3 I SM 0．1 CAU SBR—O SBR0 Ne rk1 LD SMO．O MOVER O．75 VD204 MOVER O．25 VD212 MOVER O．1 VI)2l6 MOVE 3O．O VD220 MOVER O．0 VD224 MOVER 1OO SMB34 A I℃H INT—O．1O ENI INT一0 Neh∞rl(1 LD SM0．0 ITD AIW0．ACO DTR AC0．ACO ／R 320oO．O．ACO MOVR Ac0．VD2O0 Network2 LD SMO．O PID VB200．O Network3 LD SM0．0 M0VR VD208．AC0 R 32000．0．ACO R0UND ACO．ACO DT【ACO．Ac0 MOVW AC0，AQW0 4．2 组 态软件编程 4．2．1 创建控制画面 首先在图库 的 “罐”中找出合适的锅炉容器， 在 “管道”中选择合适的管道，在 “泵”中选择电 机、水泵；然后在 “开关” 中选择一个电源开关； 最后制作画面需要的显示文本，操作界面可根据需要 进行修改。完成的上位机界面如图2所示。 4．2．2 定义数据库点及数据连接 本系统使用 5个数据库点，分别为 10．0、10．1、 Qo．0、AIW0、AQW0。数据库的主要数据点参数和 采集设备的通道地址相对应，数据库提供了数据处理 (下转第 141页) 2011年第5期 机 械 工 程 与 自 动 化 ·141· 图6所示，因为从站无法直接修改系统时钟，因此需 要将时钟偏差发送给主站，由主站修改时差。 设定本站为 、 ＼ 兰 ／ i — — 一 同时触发两边 LATCHt~号．锁 存 系统时间 二二[ 读取两边系统时19， 并计算偏差及频差 将偏差及频差发送到主 站，由主站改变同步时差 DC完成后，两个网 段实现时钟同步 图6 网段间时钟同步结构及流程图 LATCH信号锁存系统时间的偏差 ≤12 ns，在硬 件同时激活LATCH信号的情况下，两个网段的参考 时钟的偏差≤12 ns，网段间的时钟同步达到了较理 想的精度。 5 结语 本文在 Et}lerCAT技术的基础上，基于专用从站 控制器 ET1lO0和 ARM9处理器，设计了从站实验平 台软、硬件，保留了Ethe~AT从站的关键功能接 口， 为更深层从站开发建立了硬件基础。提出了EtherCAT 网段间时钟同步的解决 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ，可达到纳秒级同步，适 用于大范围精确同步过程控制。 参考文献： [1] 单春荣，刘艳强．工业以太网现场总线 EtherCAT及驱动 程序设计[J]．制造业自动化，2007(11)：79．82． [2] 刘彦强，王建，单春荣．基于EtherCAT的多轴运动控制器 研究[J]．设计与研究，2008(6)：100—103． ARM9-based Design of Industrial Ethernet EtherCAT Slave Station W ANG Ya．nan．TAN Nan．1in (Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China) Abstract：This article introduces the EtherCAT communication theory and related functional modules：a A咖 ．based EtherCAT s]ave station is designed which can serve as a platform to test almost all features of the slave stations；And details of the hardware and software design of the slave station are provided in accordance with the fun ctional mod ules．Finally based on this platform ，a solution is proposed to achieve clock synchronization between two Etl1erCAT segments． Key words：ARM：EtherCAT；industrial ethernet；slave station；clock synchronization (上接第 138页) 的手段。将数据库点与“S7—200”中的数据项联系， 以使这几个点的PV值能与 I／O设备进行实时的数据 交换。双击数据库相应的单元格，再单击“数据连 接”，在相应的界面选择地址完成控制点的数据连接。 5 结束语 图 2 上位机界面 在锅炉控制系统中采用变频调速运行方式，可根 据实际液位的变化 自动调节电机的转速，实现液位恒 定的自动控制，同时延长了电机的使用寿命。采用 PLC与组态软件通讯的控制方式 ，具有一定的先进性。 参考文献： [1] 戴忠达 ．自动控制理论基础[M]．北京：清华大学出版 社。1991． [2] 张万忠．可编程控制器应用技术[M]．北京：化学工业出 版社，2002． [3] 张运刚 ．职业技能培训及视频精讲[M]．北京：人民邮电 出版社，2010． [4] 钟肇新．可编程控制器原理及应用[M]．广州：华南理工 大学出版社，1991． Configuration Software-based Control System for Boiler Liquid Level Sill Yan·peng，QI Xiang-dong (School of Electronic and Information Engineering，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，China) Abstract：The structure and working principle of a liquid level control system based on PLC and inverter is introduced．The system uses the inverter to regulate motor speed SO as to maintain constant boiler liquid leve1．The main control is realized with PLC，an d the configuration software is used to configure hardware and network．System programs are written and debugged by using the STEP7一Micro／WIN programming software PID wizard，and the best PID tuning param eters are obtained．The system is expected to complete a better contro1． Key words：PID control；PLC；configuration software；control system for boiler~quid level