【導(dǎo)讀】傳統(tǒng)煤粉制備控制系統(tǒng)，具有控制點(diǎn)少、靠人工測(cè)量、手動(dòng)操作等。特點(diǎn)，隨著生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和產(chǎn)量的提高，控制系統(tǒng)的處理量不斷增大，制設(shè)備落后、安全性低，給整個(gè)系統(tǒng)的生產(chǎn)操作和管理帶來(lái)了很大的困難。分析并設(shè)計(jì)了基于PLC的水泥工藝煤磨段自動(dòng)控制系統(tǒng)。象，重點(diǎn)從上位系統(tǒng)和下位系統(tǒng)介紹了控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程。計(jì)過(guò)程中的主要工作內(nèi)容。

　　

【正文】 準(zhǔn)軟件包，如圖 42所示，該軟件包提供一系列的應(yīng)用程序（工具），它們支持自動(dòng)化項(xiàng)目創(chuàng)建過(guò)程的各個(gè)階段。 第 22 頁(yè) STEP 7 具有硬件配置和參數(shù)設(shè)置、通信組態(tài)、編程、測(cè)試、啟動(dòng)和維護(hù)、文件建檔、運(yùn)行和診斷功能等功能。 STEP 7 的所有功能均有大量的在線(xiàn)幫助，用鼠標(biāo)打開(kāi)或選中某一對(duì)象，按 F1 鍵可以得到該對(duì)象的在線(xiàn)幫助。 使用 STEP 7 軟件包的應(yīng)用程序 （見(jiàn)圖 42） 時(shí) ，無(wú)需分開(kāi)打開(kāi)各個(gè)工具，當(dāng)選擇相應(yīng)功能或打開(kāi)一個(gè)對(duì)象時(shí)它會(huì)自動(dòng)啟動(dòng) [10]。 圖 42 STEP 7 標(biāo)準(zhǔn)軟件包 SIMATIC STEP7 軟件。 打開(kāi)計(jì)算機(jī)后，雙擊桌面 上的 圖標(biāo)，打開(kāi) STEP7 軟件，界面如圖 43： 圖 43 step7 窗口 STEP7 軟件的 SIMATIC MANAGER 中建立新項(xiàng)目。 （ 1） 建立新項(xiàng)目的名字和存儲(chǔ)路徑 點(diǎn)擊 SIMATIC MANAGER 窗口中 圖標(biāo)或者點(diǎn)擊工具欄上的 文件 — 新建 ，彈出如圖 44 的對(duì)話(huà)窗口。 第 23 頁(yè) 圖 44 新建項(xiàng)目窗口 圖 45 項(xiàng)目窗口 在 Name 欄下，填入你要建立的新項(xiàng)目的名稱(chēng)，如： 李金偉 ，然后通過(guò) 瀏覽(B)按鈕選擇你的新項(xiàng)目所要存儲(chǔ)的路徑。最后，點(diǎn)擊 OK 按鈕關(guān)閉改窗口。在SIMATIC MANAGER 將會(huì)出現(xiàn)剛新建的項(xiàng)目 “ 李金 偉 ” ，如圖 45 所示。 （ 2） 建立項(xiàng)目工作站 點(diǎn)擊 插入 站點(diǎn) 2 SIMATIC 300 站點(diǎn) ，建立一個(gè) S7300 的工作站。 如圖 46， 47。 圖 46 新建工作站 第 24 頁(yè) 圖 47 工作站建立完成 PLC 型號(hào)的選擇 在確定了系統(tǒng)的輸入輸出 變量 后，就可以進(jìn)行硬件選型，即模擬 S7300PLC實(shí)物，來(lái)進(jìn)行程序的運(yùn)行和數(shù)據(jù)的處理。 由于煤磨段控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，現(xiàn)場(chǎng)控制站的 PLC 選擇 CPU 315/3152DP。 CPU 3152DP 具有中、大規(guī)模的程序存儲(chǔ)容量和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如果需要可以使用 SIMATIC 功能工具； 對(duì)二進(jìn)制和浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算具有較高的處理性能；具有PROFIBUS DP 主 /從接口?？捎糜诖笠?guī) 模的 I/O 配置或建立分布式 I/O 結(jié)構(gòu)。 CPU運(yùn)行時(shí)需要微存儲(chǔ)卡 MMC。 在選型過(guò)程中，要注意機(jī)架上槽的配置規(guī)則，特定的槽只能添加相應(yīng)的模塊，而不能隨意添加。 插槽 1 僅適用于電源 (例如， 6ES7 307...)或?yàn)榭?； 槽 2僅適用于 CPU(例如， 6ES7 314...)； 槽 3 接口模塊 (例如， 6ES7 360.../361...)或?yàn)榭?； 槽 4 11：信號(hào)或功能模塊、通訊處理器或?yàn)榭铡? 硬件選型的步驟如下： （ 1） 點(diǎn)擊 SIMATIC MANAGER 界面的的左邊窗口的 SIMATIC 300，在右面的窗口出現(xiàn) 硬件 圖 標(biāo)，如圖 410。 （ 2） 雙擊 硬件 圖標(biāo)，打開(kāi) Hw configuration，如 圖 411。 （ 3） 在右邊的產(chǎn)品目錄窗口選擇 SIMATIC 300 中的機(jī)架，雙擊 Rail，將在右邊的窗口出現(xiàn)帶槽位的機(jī)架示意，如圖 39。 第 25 頁(yè) （ 4） 在右邊的目錄窗口選擇相應(yīng)的模塊插入到（ 0） UR 與（ 1） UR 的槽位中去。采用 IM365 模塊連接機(jī)架 1 與機(jī)架 2。各模塊的訂貨號(hào)可查看硬件實(shí)物的下方標(biāo)識(shí)。切記選中的模塊型號(hào)要與實(shí)際的模塊型號(hào)一致。槽位 1，插入電源模塊 PS；槽位 2，插入 CPU，槽位 3，空白；槽位 4 及后面的槽位，插入的模塊對(duì)應(yīng)實(shí)際 I/O 模塊的安裝 順序。全部硬件插入完畢后如圖 412 所示。 圖 48 S7300 的 CPU 圖 49 S7300 的安裝 圖 410 硬件 窗口 第 26 頁(yè) 圖 411 Configuration 窗口 圖 412 硬件配置 結(jié)果 第 27 頁(yè) （ 5） 編譯硬件組態(tài)，并下裝到 CPU。 點(diǎn)擊畫(huà)面上的 圖標(biāo)，對(duì)剛剛完成的硬件組態(tài)進(jìn)行編譯。系統(tǒng)提示編譯成功沒(méi)有錯(cuò)誤后，點(diǎn)擊 圖標(biāo)將硬件的組態(tài)下裝到 CPU?；蛘?，在編譯完成后，關(guān)閉 HW configuration 窗口，返回到 SIMATIC MANAGER 窗 口，用鼠標(biāo)選中SIMATIC 300 圖標(biāo)，然后點(diǎn)擊窗口上的 圖標(biāo)，下裝 剛剛完成的硬件組態(tài)。 在窗口中排列了組件后，對(duì)于缺省屬性的組件，要打開(kāi)屬性對(duì)話(huà)框來(lái)改變其屬性。具體做法是 雙擊該組件，或選擇菜單命令 編輯 對(duì)象屬性 或者鼠標(biāo)右鍵：將光標(biāo)移到組件上，按下鼠標(biāo)右鍵，然后從彈出式菜單中選擇 對(duì)象屬性 命令。 CPU 屬性對(duì)系統(tǒng)特性具有特殊意義。在 CPU 的對(duì)話(huà)框中，可以設(shè)置下列各項(xiàng)，例如：?jiǎn)?dòng)特性、用于中斷的本地?cái)?shù)據(jù)區(qū)及優(yōu)先級(jí)、存儲(chǔ)區(qū)、保持性能、時(shí)鐘存儲(chǔ)器、保護(hù)級(jí)別以及密碼 僅舉其中一小部分實(shí)例。 STEP 7“了 解”可以設(shè)置的內(nèi)容以及設(shè)置范圍。在 CPU 的“常規(guī)”標(biāo)簽頁(yè)中，或通過(guò) CPU 接口屬性，可以將參數(shù)分配給接口 (例如， MPI 或集成 PROFIBUSDP 接口 )。通過(guò)這些對(duì)話(huà)框，還可以訪(fǎng)問(wèn)要與 CPU 連接的相應(yīng)子網(wǎng)的屬性對(duì)話(huà)框。 在輸入輸出模塊添加成功后， STEP 7 會(huì)為其分配輸入輸出地址。這意味著每個(gè)模塊都有一個(gè)起始地址 (第一個(gè)通道的地址 )；剩余通道的地址以這個(gè)起始地址為基礎(chǔ)。 可以用下列方式顯示已被使用的輸入輸出地址以及任何地址間隔： （ 1） 打開(kāi)要顯示其地址的站。 （ 2） 選擇菜單命令 視圖 地址總 覽 。 （ 3） 在“地址總覽”對(duì)話(huà)框中，選擇想要顯示其已分配的輸入和輸出的模塊 (如 CPU)。 PLC 控制器的設(shè)計(jì) 基于 PLC 的閉環(huán)控制系統(tǒng) PID 算法 以 PLC 作為控制器構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)， 如圖 413 所示。 圖中的虛線(xiàn)部分由 PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)。檢測(cè)元件將被控量實(shí)際值 PV測(cè)量轉(zhuǎn)換為 1V～ 5V電壓信號(hào)或 4mA～20mA 電流信號(hào)，該模擬信號(hào)接至 PLC 的 AI 模塊，進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，根據(jù)用戶(hù)編寫(xiě)的 PID 控制程序，將測(cè)量值與給定值 SP比較，通過(guò)二者的偏差 e(t)進(jìn)行 PID 算法的運(yùn)算得到輸出操作信號(hào) u(t)，經(jīng) PLC 的 AO 模塊進(jìn)行 D/A 轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的信 第 28 頁(yè) 號(hào)（ 1V～ 5V 電壓信號(hào)或 4mA～ 20mA 電流信號(hào)）用于驅(qū)動(dòng)執(zhí)行結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的控制。 圖 413 基于 PLC 的閉環(huán)控制系統(tǒng) PID 控制及參數(shù)整定 PID 參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過(guò)程的特性確定PID 控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。 PID 參數(shù)整定的方法很多，概括起來(lái)有兩大類(lèi)：一是理論計(jì)算整定法，它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算確定控制參數(shù)。這種方法所得到 的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過(guò)工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改；二是工程整定法，它主要依賴(lài)工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡(jiǎn)單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。 PID 控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線(xiàn)法和衰減法。三種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過(guò)試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無(wú)論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善。 控制器參數(shù)經(jīng)驗(yàn)方法實(shí)質(zhì)上是一種經(jīng)驗(yàn)湊試法，是工程技術(shù)人員在長(zhǎng)期生產(chǎn)實(shí)踐中總結(jié)出來(lái)的。它不需要進(jìn)行事先的計(jì)算 和實(shí)驗(yàn)，而是根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，先確定一組控制器參數(shù)，并將系統(tǒng)投入運(yùn)行通過(guò)觀(guān)察認(rèn)為加入干擾（改變?cè)O(shè)定值）后的過(guò)渡過(guò)程曲線(xiàn)，根據(jù)各種控制作用對(duì)過(guò)渡過(guò)程的不同影響來(lái)改變相應(yīng)的控制參數(shù)制，進(jìn)行反復(fù)湊試，直到獲得滿(mǎn)意的控制質(zhì)量為止。本次設(shè)計(jì)就是使用的是經(jīng)驗(yàn)法，根據(jù)工藝和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)獲取 PID 參數(shù)。 PID 控制器 AO 測(cè)量變送器 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 被控對(duì)象 AI 給定值 e (t) u(t) SP Pv 實(shí)際值 PLC 第 29 頁(yè) 主程序的編寫(xiě) 在 SIMATIC Manager 窗口下雙擊 符號(hào)表 圖標(biāo)，如圖 414，彈出符號(hào)表窗口，依照系統(tǒng) I/O 點(diǎn)的選取，建立符號(hào)，完成后顯示如圖 415。 程序設(shè)計(jì)流程見(jiàn)圖 416。 根據(jù)程序流程圖以及 Step7為我們提供的編程模塊，可以進(jìn)行程序的編寫(xiě)，在編寫(xiě)程序時(shí)，是分塊進(jìn)行編寫(xiě)的。這里主要有三個(gè)模塊， OB OB3 OB100。其中 OB1中是主程序， OB35是循環(huán)中斷程序， OB100是初始化程序。程序見(jiàn)附頁(yè)。 程序編寫(xiě)完成后，進(jìn)行仿真，檢驗(yàn)程序能否運(yùn)行，以便做進(jìn)一步的修改完善。利用 Step7提供的仿真器來(lái)仿真。在打開(kāi) Step7軟件后，點(diǎn)擊窗口中的 圖標(biāo)，打開(kāi)仿真器窗口，如圖 417所示。 圖 414 符號(hào)表窗口 第 30 頁(yè) 圖 415 建立符號(hào) 圖 416 程序流程圖 采集煤磨電機(jī)電流 轉(zhuǎn)換為工程量實(shí)際值 PID控制算法運(yùn)算 調(diào)節(jié)圓盤(pán)喂料機(jī) 電機(jī)轉(zhuǎn)速 返回 開(kāi)始 計(jì)算電流偏差 第 31 頁(yè) 圖 417 仿真器 選中 SIMATIC 后，點(diǎn)擊窗口中的 圖標(biāo)，將寫(xiě)好的程序下載到 PLC 中，然后打開(kāi) OB1 塊中的主程序。 如圖 418 所示。 圖 418 OB1 主程序 此時(shí)可以將 CPU 置于運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行仿真。在仿真器窗口中的 CPU 小窗口中 RUNP 前打鉤， CPU 開(kāi)始運(yùn)行，程序也開(kāi)始運(yùn)行。點(diǎn)擊程序窗口中的 圖標(biāo)，可以監(jiān)視程序的運(yùn)行狀態(tài)。 如圖 419 所示。 第 32 頁(yè) 如圖 419 OB1 主程序運(yùn)行 在仿真窗口中將地址 置 1，如圖 420 所示。此時(shí)程序運(yùn)行窗口中，觀(guān)察 ，它處于“通 ” 如圖 421 所示。 由于 FC105 模塊的 IN 端輸入值為零，所以它 的 OUT 端也為零，沒(méi)有輸出值 ，見(jiàn)圖 422。在仿真器窗口中為地址為 PIW326 的變量賦值，如圖 423。此時(shí)在IN 端有了輸入，在輸出端也會(huì)有相應(yīng)的輸出值， 如圖 424 所示。 圖 420 仿真器里將 置 1 第 33 頁(yè) 圖 421 “通” 圖 422 羅茨風(fēng)機(jī) 1 電流檢測(cè) 第 34 頁(yè) 圖 423 電流賦值 圖 423 程序運(yùn)行顯示結(jié)果 通過(guò)對(duì)程序的仿真，在仿真窗口中改變相應(yīng)的輸入值，在程序中的輸出值或輸出狀態(tài)也會(huì)相應(yīng)的變化，程序能夠正常運(yùn)行。 第 35 頁(yè) 5 上位 WinCC 監(jiān)控站 設(shè)計(jì) 人機(jī)界面（ HMI）設(shè)計(jì) 上位系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是人機(jī)監(jiān)控畫(huà)面的設(shè)計(jì)、變量的建立以及 畫(huà)面的組態(tài)。人機(jī)監(jiān)控畫(huà)面其實(shí)就是在 WinCC 的圖形編輯器里，利用它所提供的庫(kù)中的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)象來(lái)搭建一個(gè)模擬現(xiàn)場(chǎng)的畫(huà)面，并在畫(huà)面中將所要監(jiān)控的參數(shù)在相應(yīng)的位置顯示出來(lái)，為操作員提供一個(gè)操作平臺(tái)，來(lái)完成對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程的監(jiān)控。 項(xiàng)目 在 WinCC資源管理器中，單擊菜單上 “ 文件 ” 按鈕并在下拉菜單中選擇 “ 新建 ” 按鈕（或在工具欄上單擊 “ 新建 ” 按鈕），出現(xiàn) “ WinCC Explorer” 對(duì)話(huà)框，我們一般采用 “ 單用戶(hù)項(xiàng)目 ” ，單擊 “ 確定 ” 按鈕關(guān)閉該對(duì)話(huà)框 。如圖 51所示。 圖 51 WinCC 新建項(xiàng)目窗口 項(xiàng)目新建成功后， 在 WinCC 資源管理器中，右擊項(xiàng)目名稱(chēng)并在下拉菜單中選擇 “ 屬性 ” ，可以更改項(xiàng)目的屬性，也可以選擇計(jì)算機(jī)，更改計(jì)算機(jī)的屬性。 第 36 頁(yè) 在 WinCC 資源管理器中，右擊 “ 圖形編輯器 ” 并在下拉菜單中選擇 “ 新建 ” ，即可打開(kāi)新建界面。在該界面中添加全部欲在運(yùn)行狀態(tài)下顯示的內(nèi)容。添加的內(nèi)容包括兩部分，一部分是現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)體模型，可以從它提供的庫(kù)中選擇，另一部分是“對(duì)象選項(xiàng)板”中列出的靜態(tài)文本、輸入輸出域、報(bào)警控件等對(duì)象，來(lái)顯示系統(tǒng)運(yùn)行時(shí) 的參數(shù)。 在這個(gè)監(jiān)控畫(huà)面中 ，要添加的對(duì)象有 風(fēng)機(jī)、球磨機(jī)、選粉機(jī)、收塵器、風(fēng)閥、輸送器等 。 在畫(huà)面窗口中打開(kāi)庫(kù)，選擇需要的對(duì)象，如圖 52 所示。 在“對(duì)象選項(xiàng)板中”中選擇需要的輸入輸出域、靜態(tài)文本等，顯示 煤磨段設(shè)備 在運(yùn)行時(shí)的參數(shù)，如溫度、壓力 、電流等 。 依照工藝圖中設(shè)備的位置 ，從庫(kù)中選擇相應(yīng)的對(duì)象，進(jìn)行人機(jī)畫(huà)面的組態(tài)，在添加對(duì)象后，右鍵點(diǎn)擊對(duì)象，打開(kāi)屬性對(duì)話(huà)框，可以更改對(duì)象的屬性，如大小、顏色、字體等。在組態(tài)時(shí)，對(duì)象的大小要適中，合理布局，保證畫(huà)面的美觀(guān)。對(duì)象與對(duì)象的連接要得當(dāng)，使得看起來(lái)是個(gè)整體。 圖 52 WinCC 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)象庫(kù) 工作過(guò)程中需要監(jiān)控的參數(shù)有 系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，各設(shè)備的溫度、壓力、電流等 。需要對(duì) 設(shè)備 的運(yùn)行、故障狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。在組態(tài)畫(huà)面中相應(yīng)的