【文章內(nèi)容簡介】 棄了傳統(tǒng) DCS中的相對集中現(xiàn)場控制，而將其化整為零，分散于各種現(xiàn)場儀表與設(shè)備，并通過現(xiàn)場總線構(gòu)成相應(yīng)的控制回路，實現(xiàn)了真正的 分散控制。 系統(tǒng)組成 溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計 主要是通過實驗的需要選擇硬件，然后將選擇的硬件組成控制系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖和方框圖如圖 31所示。 在以 PLC 控制為核心，加熱爐為基礎(chǔ)的溫度自動控制系統(tǒng)中， PLC 將加熱爐溫度設(shè)定值與溫度傳感器的測量值之間的偏差經(jīng) PID 運算后得到的信號控制輸出電壓的大小，從而調(diào)節(jié)加熱器加熱，實現(xiàn)溫度自動控制的目的。文章介紹了基于 S7300 溫度控制系統(tǒng)的 PID 調(diào)節(jié)器的實現(xiàn)。 本系統(tǒng)是一個典型的檢測、信號處理、輸入運算到輸出控制電爐加熱功率以實現(xiàn)水溫控制的全過程。因此，應(yīng)以 PLC 為核 心組成一個專用計算機應(yīng)用系統(tǒng)，以滿足檢測、控制應(yīng)用類型的功能要求。另外， PLC 的使用也為實現(xiàn)水溫的智能化控制以及提供完善的人機界面及多機通信皆空提供了可能。 本次課程設(shè)計用 THFCS1 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)實驗設(shè)備構(gòu)成溫度控制系統(tǒng)。以 PLC 為控制器 ，鍋爐內(nèi)膽作為被控對象，內(nèi)膽的水溫為系統(tǒng)的被控制量。試驗中鍋爐內(nèi)膽的水溫穩(wěn)定至給定量，將鉑電阻 TT1 檢測到的鍋爐內(nèi)膽溫度信號作為反饋信號，在與給定量比較后的差值通過調(diào)節(jié)器控制三相調(diào)壓模塊的輸出電壓（即三相電加熱管的端電壓），以達到控制鍋爐內(nèi)膽水溫的目的。 7 THFCS1現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)實驗裝置是由實驗控制對象、實驗控制柜及上位監(jiān)控 PC機三部分組成。本實驗裝置控制柜中的 CPU 模塊 采用 CP5611 網(wǎng)卡進行通訊通訊方式。通訊協(xié)議為 PROFIBUSDP。 圖 31 鍋爐內(nèi)膽溫度特性測試系統(tǒng) a)結(jié)構(gòu)圖 (b)方框圖 本實驗控制系統(tǒng)流程圖如圖 32 所示。 圖 32 實驗控制系統(tǒng)流程圖 8 本實驗主要涉及兩路信號，一路是現(xiàn)場測量信號鍋爐內(nèi)膽溫度，另外一路是控制移項調(diào)壓模塊輸出的控制信號。 鍋爐內(nèi)膽溫度的檢測裝置為 PT100 熱電阻， PT100 熱電阻檢測到的信號傳送給溫度變送器，本系統(tǒng)采用帶 PROFIBUSPA 通訊接口的溫度變送器，掛接在 PROFIBUSPA總線上， PROFIBUSPA 總線通過 LINK 和 COUPLER 組成的 DP 鏈路與 PROFIBUSDP總線交換數(shù)據(jù)， PROFIBUSDP 總線上掛接有控制器 CPU3152 DP，這樣就完成了現(xiàn)場測量信號到 CPU的傳送。 本實驗的執(zhí)行機構(gòu)為移項調(diào)壓塊，移項調(diào)壓模塊所需的控制信號是 4 到 20mA 電流信號?？刂菩盘栍煽刂破?CPU3152 DP 發(fā)出，經(jīng)由 PROFIBUSDP 總 線到達分布式 I/O模塊 ET200M，模擬量輸出模塊 SM332 和分布式 I/O 模塊 ET200M 直接相連，最后模擬量輸出 4 到 20mA 電流信號控制移項調(diào)壓模塊的輸出電壓。 4 實驗過程 本實驗是通過 THFCS1現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)實驗裝置構(gòu)成溫度控制系統(tǒng)，使其鍋爐內(nèi)膽水溫保持在給定值。該系統(tǒng)由水箱、閥門、變頻器、磁力泵、鍋爐內(nèi)膽、三相調(diào)壓裝置、電加熱管、溫度傳感器、可編程邏輯控制器等組成。 PID 控制器通過檢測溫度信號實時控制調(diào)節(jié)閥的開度以及可控硅的電壓，使鍋爐內(nèi)膽水溫保持在給定值左右的一定范圍之內(nèi)。本系統(tǒng)可以通過外部端 子的開關(guān)或者遠程監(jiān)控，使系統(tǒng)自動進行 PID 運算，保證最后鍋爐內(nèi)的水溫。 實驗裝置說明 實驗對象總貌圖如圖 41 所示： 一、本實驗裝置對象主要由水箱、鍋爐和盤管三大部分組成。供水系統(tǒng)有兩路：一路由三相（ 380V 恒壓供水）磁力驅(qū)動泵、電動調(diào)節(jié)閥、電磁閥、渦輪流量計及手動調(diào)節(jié)閥組成；另一路由變頻器、三相磁力驅(qū)動泵、渦輪流量計及手動調(diào)節(jié)閥組成。 被控對象 由不銹鋼儲水箱、（上、中、下）三個串接有機玻璃水箱、 三相電加熱模擬鍋爐 (由不銹鋼鍋爐內(nèi)膽加溫筒和封閉式鍋爐夾套構(gòu)成 )、盤管和敷塑不銹鋼管道等組成。 1．水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和儲水箱。 2．模擬鍋爐：是利用電加熱管加熱的常壓鍋爐。 3．盤管：模擬工業(yè)現(xiàn)場的管道輸送和滯后環(huán)節(jié)， 4．管道及閥門：整個系統(tǒng)管道由敷塑不銹鋼管連接而成， 9 圖 41 實驗對象總貌圖 檢測裝置 1．壓力傳感器、變送器：三個壓力傳感器分別 用來對上、中、下 三個 水箱的液位進行檢測 ，其量程為 0～ 5KP， 2．溫度傳感器：裝置中采用了六個 Pt100 鉑熱電阻溫度 傳感器，分別用來檢測鍋爐 內(nèi)膽 、 鍋爐夾套、 盤管 （有 3個測試點）以及 上水箱出口 的 水溫。 3．模擬轉(zhuǎn)換器：三個模擬轉(zhuǎn)換 器（渦輪流量計）分別用來對由電動調(diào)節(jié)閥控制的動力支路、由變頻器控制的動力支路及盤管出口處的流量進行檢測。 10 執(zhí)行機構(gòu) 1．電動調(diào)節(jié)閥：采用智能直行程電動調(diào)節(jié)閥，用來對控制回路的流量進行調(diào)節(jié)。 2．水泵：本裝置采用磁力驅(qū)動泵，型號為 16CQ8P，流量為 30 升 /分，揚程為 8米，功率為 180W。 3．電磁閥：在本裝置中作為電動調(diào)節(jié)閥的旁路，起到階躍干擾的作用。 4．三相電加熱管：由三根 電加熱管星形連接而成，用來對鍋爐內(nèi)膽內(nèi)的水進行加溫，每根加熱管的電阻值約為 50Ω 左右。 二、“ THJ3 型 西門子 PLC 過程控制系統(tǒng)”的控制柜主要由電源控制組件、西門子PLC 控制組件、變頻器控制組件等幾部分組成。 電源控制組件 充分考慮人身安全保護，裝有漏電保護空氣開關(guān)。接上三相四線電源，打開總電源開關(guān)，此時三只電壓表均指示 380V 左右，控制柜后面的插座帶電；打開風(fēng)扇開關(guān)，可以給控制柜散熱；打開控制站電源，西門子 S7300PLC 既可上電。打開三相電源開關(guān)后，打開三相磁力泵和三相電加熱管開關(guān)既可各自上電。打開單相電源開關(guān)后，打開電動調(diào)節(jié)閥、變頻器、電磁閥開關(guān)既可各自上電。 西門子 PLC控制組件 在本裝置中采用了 S7300PLC 控制系統(tǒng)。 S7300PLC 控制系統(tǒng)： 本實驗裝置采用了的中小型 PLC（ CPU3152DP 主機模塊，SM323： 8 路數(shù)字量輸入輸出模塊， SM331： 8 路模擬量輸入模塊， SM332： 4路模擬量輸出模塊， CP3431以太網(wǎng)模塊。）以及一塊西門子 CP5611 專用網(wǎng)卡和一根 MPI網(wǎng)線。 交流變頻器 采用日本三菱公司的 變頻器，控制信號輸入為 4～ 20mADC，交流 220V 變頻 輸出用來驅(qū)動三相磁力驅(qū)動泵。 三相移相 SCR 調(diào)壓裝置 采用三相可控硅移相觸發(fā)裝置，輸入 控制信號為 4～ 20mA 標(biāo)準(zhǔn)電流信號 ，其移相觸發(fā)角與輸入控制電流成正比 。輸出 交流 電壓用來控制 電 加熱器 的端電壓， 從而 實現(xiàn) 鍋爐溫度的 連續(xù) 控制。 三、本裝置中 PLC 控制方案采用了德國西門子公司的 S7300PLC，采用的是 Step 7 11 編程軟件。利用這個軟件可以對 PLC 進行編程、調(diào)試、下裝、診斷。 S7300PLC控制方案采用 WinCC軟件作為上位機監(jiān)控組態(tài)軟件， 西門子公司的 WinCC是 WlndowsControIConter(視窗控制中心 )的簡稱。 WinCC 是結(jié)合西門子在過程自動化領(lǐng)域中的先進技術(shù)和 Microsoft 的強大功能的產(chǎn)物。作為一個國際先進的人機界面(HMI)軟件和 SCADA 系統(tǒng)， WinCC 提供了適用于工業(yè)的圖形顯示、消息、歸檔以及報表的功能模板；并具有高性能的過程耦合、快速的畫面更新、以及可靠的數(shù)據(jù)； WinCC 還為用戶解決方案提供了開放的界面，使得將 WinCC 集成入復(fù)雜、廣泛的自動化項目成為可能。 控制手段 實踐證明溫度對象的特點是 :時間常數(shù)大，滯后現(xiàn)象嚴(yán)重，反應(yīng)在控制系統(tǒng)上，就是被控溫度的變化滯后于調(diào)節(jié)器的輸出。我們知道熱量的傳遞是需要一定時間的，溫度上升的快慢與其熱容量的大小有關(guān)，通常 溫度的上升與下降和時間的關(guān)系是一個指數(shù)曲線關(guān)系。而產(chǎn)生滯后則與熱量的傳遞過程有關(guān)，再者測溫元件也有一定的慣性，這些都會產(chǎn)生滯后