【文章內(nèi)容簡介】 ens的SITOP（220v）6EP1 3311SH02 1溫度傳感器Pt100鉑熱電阻 （0—100度）32 208 548 3變頻器西門子變頻器（MM420）6SE64202UC112AA0 1模擬輸入模塊SM331(AI 8．12Bit)6ES73317KF020AB0 1模擬輸出模塊SM332(AO 4．12Bit)6ES73317KF020AB0 1 表31系統(tǒng)硬件配置 PLC的選型及硬件配置目前，PLC 在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂等各個(gè)行業(yè)。本鍋爐控制系統(tǒng)采用德國西門子S7300 PLC。S7300 是一種中型的可編程序控制器，適用于各行各業(yè)，各種場合中的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)及控制的自動(dòng)化。S7300系列的強(qiáng)大功能使其無論在獨(dú)立運(yùn)行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能。S7300采用CPU314C2 PN/DN,工作電壓為DC24v。(AI 8．12Bit)鍋爐控制需要4個(gè)選擇模塊，該模塊的輸入測(cè)量值范圍很寬，可直接輸入電流、電阻、熱電偶等信號(hào)，用于不帶附加放大器的模擬執(zhí)行元件和傳感器，具有12到14位的轉(zhuǎn)換精度，在本系統(tǒng)中用于各流量、爐內(nèi)溫度的檢測(cè)，將各變送器傳過來的兩線制電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)镾7300內(nèi)部處理用的數(shù)字信號(hào)(正常數(shù)值為一27647～+27648)。該模塊的核心部件是A／D轉(zhuǎn)換器，采用積分法轉(zhuǎn)換，可選的積分時(shí)間20ms，對(duì)應(yīng)抑制工頻50Hz，按照我國現(xiàn)有的50Hz供電頻率，此處可選20ms或50Hz。在該模塊中，8個(gè)模擬量輸入通道共用一個(gè)積分式A／D轉(zhuǎn)換器，每兩個(gè)輸入通道構(gòu)成一個(gè)輸入通道組，可以按通道組任意選擇測(cè)量類型和測(cè)量范圍，每個(gè)通道組都可選擇診斷及診斷中斷。(AO 4．12Bit)該模塊可直接輸入電壓或電流信號(hào)，具有12位的轉(zhuǎn)換精度，在本系統(tǒng)中用于輸出加熱和給水的調(diào)節(jié)信號(hào)，將S7300內(nèi)部處理用的數(shù)字信號(hào)(正常數(shù)值為一27647～+27648)轉(zhuǎn)換為執(zhí)行器需要的電壓信號(hào)。該模塊的核心部件是D／A轉(zhuǎn)換器，4個(gè)模擬量輸出通道共用一個(gè)D／A轉(zhuǎn)換器，分別對(duì)電磁閥，加熱器，變頻器控制。另外，每個(gè)輸出通道都可設(shè)置一替代值，在CPU處于STOP狀態(tài)時(shí)，以此值作為輸出值。模塊上需接24VDC的負(fù)載電壓L+，有反接保護(hù)功能，有故障指示(紅燈)。模塊與S7—300 CPU及負(fù)載電壓之間是光電隔離的?？刂破鱏7300的硬件通過在編程軟件SIMATIC Step7的對(duì)電源、CPU31模擬輸入（SM331）、模擬輸出（SM332）進(jìn)行設(shè)置如圖32. 圖32 硬件組態(tài)的設(shè)置 傳感器選擇 溫度傳感器該系統(tǒng)需要的傳感器是將溫度轉(zhuǎn)化為電流，且水溫的范圍是0~100℃，電源是24v。所以選擇Pt100鉑熱電阻傳感器。P100鉑熱電阻，其阻值會(huì)隨著溫度的變化而改變。PT 后的100即表示它在0℃時(shí)阻值為100歐姆，在100℃。它的工作原理：當(dāng)PT100在0攝氏度的時(shí)候他的阻值為100歐姆，它的的阻值會(huì)隨著溫度上升它的阻值成勻速增長。 流量傳感器鍋爐系統(tǒng)需要鍋爐內(nèi)膽的流水穩(wěn)定，對(duì)流量進(jìn)行控制。流量傳感器是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理工作的，當(dāng)導(dǎo)電液體沿流量管在交變磁場中作與磁力線成垂直方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)電液體切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。在與測(cè)量管軸線和磁場磁力線相互垂直的管壁上安裝了一對(duì)檢測(cè)電極，將這個(gè)感應(yīng)電勢(shì)檢出。若感應(yīng)電勢(shì)為E，則有： E=BVD …………………………. .（1）式中： B——磁感應(yīng)強(qiáng)度； D——電極間的距離，與測(cè)量管內(nèi)徑相等； V——測(cè)量管內(nèi)被測(cè)流體在截面上的平均流速。式（1）中磁場B是恒定不變值，D是一個(gè)常數(shù)，則感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E與被測(cè)流體流速V成正比。通過測(cè)量管恒截面上的體積流量Q與流速V之間的關(guān)系為： Q=πD2V/4……………………………………..（2）將（1）式帶入（2）式得： Q=πDVE/4B=KE……………………………..（3）式中： K——儀表常數(shù)。由式（3）可知，當(dāng)儀表常數(shù)K確定后，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E與流量Q成正比。E通常為流量信號(hào)，將流量信號(hào)輸入轉(zhuǎn)換計(jì)，經(jīng)過處理，輸出與流量成正比的4～20mADC信號(hào)，可與單元組合儀表配套，對(duì)流量進(jìn)行顯示、記錄、計(jì)算、調(diào)節(jié)等。 變送器選擇變送器的傳統(tǒng)輸出直流電信號(hào)有05V、010V、15V、020mA、420mA等，該系統(tǒng)采用的是用4~20mA電流來傳輸模擬量。采用電流信號(hào)的原因是不容易受干擾。并且電流源內(nèi)阻無窮大，導(dǎo)線電阻串聯(lián)在回路中不影響精度，在普通雙絞線上可以傳輸數(shù)百米。上限取20mA是因?yàn)榉辣囊螅?0mA的電流通斷引起的火花能量不足以引燃瓦斯。下限沒有取0mA的原因是為了能檢測(cè)斷線：正常工作時(shí)不會(huì)低于4mA。 420mA電流本身就可以為變送器供電，變送器在電路中相當(dāng)于一個(gè)特殊的負(fù)載，特殊之處在于變送器的耗電電流在4~20mA之間根據(jù)傳感器輸出而變化。顯示儀表只需要串在電路中即可。這種變送器只需外接2根線，因而被稱為兩線制變送器。工業(yè)電流環(huán)標(biāo)準(zhǔn)下限為4mA，因此只要在量程范圍內(nèi)，變送器至少有4mA供電。這使得兩線制傳感器的設(shè)計(jì)成為可能。電磁調(diào)節(jié)閥在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，執(zhí)行器起著“手腳”的作用，它接受調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)，改變自身開度，進(jìn)而調(diào)節(jié)介質(zhì)流量的大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程中各種變量的控制。但是該系統(tǒng)供水時(shí)通過變頻器進(jìn)行調(diào)節(jié)，我將把電磁調(diào)節(jié)閥開到最大。變頻器MM420是根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速的公式 n=n1(1s)(1) N1=60f/p(2)式中：n電機(jī)轉(zhuǎn)速。n1電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。s滑差。f旋轉(zhuǎn)磁場頻率。P電機(jī)極對(duì)數(shù)可知改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法有改變滑差s、改變旋轉(zhuǎn)磁場頻率f、改變電機(jī)極對(duì)數(shù)p三種。變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用把電壓、頻率固定不變的交流電變成電壓、頻率都可調(diào)的交流電源。是由由主電路和控制帶電路組成的。主電路是給異步電動(dòng)機(jī)提供可控電源的電力轉(zhuǎn)換部分，變頻器的主電路分為兩類，其中電壓型是將電壓源的直流變換為交流的變頻器，直流回路的濾波部分是電容。電流型是將電流源的直流變換為交流的變頻器，其直流回路濾波部分是電感。它由三部分構(gòu)成，將工頻電源變換為直流功率的整流部分，吸收在轉(zhuǎn)變中產(chǎn)生的電壓脈動(dòng)的平波回路部分，將直流功率變換為交流功率的逆變部分。第四章 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) STEP7編程軟件STEP7 是SIEMENS 公司出品的工業(yè)控制軟件。它既提供梯形圖（LAD）、功能塊（FUNCTIONBLOCK）和語句表（STL）等3 種編程語言，還提供SCL 語言選件。STEP7 既可以方便地與下位機(jī)可編程邏輯控制器件連接，也可以與監(jiān)控軟件集成，具有良好的可擴(kuò)展性。可編程控制器的工作原理:PLC 的工作方式是一個(gè)不斷循環(huán)的順序掃描工作方式。每一次掃描所用的時(shí)間稱為掃描周期或工作周期。CPU 從第一條指令開始，按順序逐條地執(zhí)行用戶程序直到用戶程序結(jié)束，然后返回第一條指令開始新的一輪掃描。PLC 就是這樣周而復(fù)始地重復(fù)上述循環(huán)掃描的。PLC 工作的全過程可用圖下所示的運(yùn)行框圖來表示。 圖41可編程控制器運(yùn)行框圖 PLC控制的程序設(shè)計(jì)PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分本在硬件基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹本項(xiàng)目的軟件設(shè)計(jì)，主要包括軟件設(shè)計(jì)的基本步驟、方法、編程軟件SIMATIC Step7 的介紹以及本項(xiàng)目的程序設(shè)計(jì)。SIMATIC Step7運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)圖42所示的界面，該界面是Step7的主窗口。 圖42 Step7的主窗口 主程序的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)設(shè)定一個(gè)溫度的初始值，通過溫度傳感器的溫度測(cè)量值和給定值進(jìn)行PID算法，如果偏差為0，那么控制輸出量不變；如果偏差不為0，那么計(jì)算機(jī)改變它的控制輸出。如圖43. 圖43 鍋爐控制PLC流程圖 在本次的設(shè)計(jì)中，模數(shù)的轉(zhuǎn)換分模擬輸入和模擬輸出分別是FC105和FC106。FC105是通過變送器的模擬量經(jīng)過轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出給PID算法，而FC106是數(shù)字轉(zhuǎn)換成模擬對(duì)執(zhí)行器進(jìn)行控制。 FC105模塊的功能是傳感器的輸入模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，該模塊將對(duì)鍋爐控制系統(tǒng)流量的輸入和3個(gè)溫度的輸入。 圖44 FC105模塊SCALE功能接受一個(gè)整型值(IN)，并將其轉(zhuǎn)換為以工程單位表示的介于下限和上限(LO_LIM和HI_LIM)之間的實(shí)型值。將結(jié)果寫入OUT。FC105的數(shù)值換算公式為：OUT=(IN K1)/(K2K1)*(HI_LIMLO_LIM )+LO_LIM對(duì)雙極性，輸入值范圍為27648到27648，對(duì)應(yīng)K1 =27648，K2 =+27648，對(duì)單極性，輸入值范圍為0到27648，對(duì)應(yīng)K1 =0，K2 =+27648,如果輸入整型值大于K2，輸出(OUT)將鉗位于HI_LIM，并返回一個(gè)錯(cuò)誤。如果輸入整型值小于K1，輸出將鉗位于LO_LIM，并返回一個(gè)錯(cuò)誤。 通過設(shè)置LO_LIM HI_LIM可獲得反向標(biāo)定。使用反向轉(zhuǎn)換時(shí)，輸出值將隨輸入值的增加而減小。 表45 FC105參數(shù)參數(shù)I/O類型數(shù)據(jù)類型存儲(chǔ)區(qū)描述EN輸入BOOLI、Q、M、D、L使能輸入端，信號(hào)為1時(shí)，激活該功能ENO輸出BOOLI、Q、M、D、L如果該功能不出錯(cuò)，使改信號(hào)為1IN輸入INTI、Q、M、D、L、P 常數(shù)欲轉(zhuǎn)換為工程單位表示的實(shí)行值的輸入值HI_LIM輸入REALI、Q、M、D、L、P 常數(shù)以工程單位表示的上限值LO_LIM輸入REALI、Q、M、D、L以工程單位表示下限值BIPOLAR輸入BOOLI、Q、M、D、L信號(hào)狀態(tài)為1表示輸入值為雙極性，相反為單極性O(shè)UT輸出REALI、Q、M、D、L轉(zhuǎn)換的結(jié)果RET_VAL輸出WORDI、Q、M、D、L、P 常數(shù)如果該命令沒有出錯(cuò)，將還回值 FC106模塊的功能是對(duì)輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，來對(duì)執(zhí)行器的控制，該鍋爐控制系統(tǒng)的加熱器輸出和變頻器輸出都要用到該模塊。 圖46 FC106模塊UNSCALE功能發(fā)送一個(gè)以工程單位表示、且標(biāo)定于下限和上限(LO_LIM和HI_LIM)之間的整型輸出值(IN)，并將其轉(zhuǎn)換為一個(gè)實(shí)型值。將結(jié)果寫入OUT。UNSCALE功能使用以下等式： OUT = (INHO_LIM)/(HI_LIMHO_LIM)* (K2K1) ]+ K1，并根據(jù)輸入值是BIPOLAR還是UNIPOLAR設(shè)置常數(shù)K1和K2。 BIPOLAR：假定輸出整型值介于27648和27648之間，因此，K1 = ，K2 = + UNIPOLAR：假定輸出整型值介于0和27648之間，因此，K1 = ，K2 = + 如果輸入值超出LO_LIM和HI_LIM范圍，輸出(OUT)將鉗位于距其類型(BIPOLAR或UNIPOLAR)的指定范圍的下限或上限較近的一方，并返回一個(gè)錯(cuò)誤。如圖 表47 FC106參數(shù)參數(shù)I/O類型數(shù)據(jù)類型存儲(chǔ)區(qū)描述EN輸入BOOLI、Q、M、D、L使能輸入端，信號(hào)為1時(shí)，激活該功能ENO輸出BOOLI、Q、M、D、L如果該功能不出錯(cuò)，使改信號(hào)為1IN輸入INTI、Q、M、D、L、P 常數(shù)欲轉(zhuǎn)換為工程單位表示的實(shí)行值的輸入值HI_LIM輸入REALI、Q、M、D、L、P 常數(shù)以工程單位表示的上限值LO_LIM輸入REALI、Q、M、D、L以工程單位表示下限值BIPOLAR輸入BOOLI、Q、M、D、L信號(hào)狀態(tài)為1表示輸入值為雙極性，相反為單極性O(shè)UT輸出REALI、Q、M、D、L轉(zhuǎn)換的結(jié)果RET_VAL輸出WORDI、Q、M、D、L、P 常數(shù)如果該命令沒有出錯(cuò)，將還回值 系統(tǒng)PID調(diào)節(jié)部分 圖48 FB41模塊（1）常用輸入?yún)?shù)：　　COM_RST: BOOL: 重新啟動(dòng)PID：當(dāng)該位TURE時(shí)：PID執(zhí)行重啟動(dòng)功能，復(fù)位PID內(nèi)部參數(shù)到默認(rèn)值；通常在系統(tǒng)重啟動(dòng)時(shí)執(zhí)行一個(gè)掃描周期，或在PID進(jìn)入飽和狀態(tài)需要退出時(shí)用這個(gè)位；　　MAN_ON： BOOL：手動(dòng)值ON；當(dāng)該位為TURE時(shí)，PID功能塊直接將MAN的值輸出到LMN，這可以在PID框圖中看到；也就是說，這個(gè)位是PID的手動(dòng)/自動(dòng)切換位；　　PEPER_ON： BOOL：過程變量外圍值ON：過程變量即反饋量，此PID可直接使用過程變量PIW（不推薦），也可使用 PIW規(guī)格化后的值（常用），因此，這個(gè)位為FALSE；　　P_SEL： BOOL：比例選擇位：該位ON時(shí)，選擇P（比例）控制有效；一般選擇有效；　　I_SEL： BOOL：積分選擇位；該位ON時(shí)，選擇I（