【導(dǎo)讀】傳統(tǒng)煤粉制備控制系統(tǒng)，具有控制點少、靠人工測量、手動操作等。特點，隨著生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大和產(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，給整個系統(tǒng)的生產(chǎn)操作和管理帶來了很大的困難。分析并設(shè)計了基于PLC的水泥工藝煤磨段自動控制系統(tǒng)。象，重點從上位系統(tǒng)和下位系統(tǒng)介紹了控制系統(tǒng)的設(shè)計過程。計過程中的主要工作內(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），它們支持自動化項目創(chuàng)建過程的各個階段。 第 22 頁 STEP 7 具有硬件配置和參數(shù)設(shè)置、通信組態(tài)、編程、測試、啟動和維護、文件建檔、運行和診斷功能等功能。 STEP 7 的所有功能均有大量的在線幫助，用鼠標(biāo)打開或選中某一對象，按 F1 鍵可以得到該對象的在線幫助。 使用 STEP 7 軟件包的應(yīng)用程序 （見圖 42） 時 ，無需分開打開各個工具，當(dāng)選擇相應(yīng)功能或打開一個對象時它會自動啟動 [10]。 圖 42 STEP 7 標(biāo)準(zhǔn)軟件包 SIMATIC STEP7 軟件。 打開計算機后，雙擊桌面 上的 圖標(biāo)，打開 STEP7 軟件，界面如圖 43： 圖 43 step7 窗口 STEP7 軟件的 SIMATIC MANAGER 中建立新項目。 （ 1） 建立新項目的名字和存儲路徑 點擊 SIMATIC MANAGER 窗口中 圖標(biāo)或者點擊工具欄上的 文件 — 新建 ，彈出如圖 44 的對話窗口。 第 23 頁 圖 44 新建項目窗口 圖 45 項目窗口 在 Name 欄下，填入你要建立的新項目的名稱，如： 李金偉 ，然后通過 瀏覽(B)按鈕選擇你的新項目所要存儲的路徑。最后，點擊 OK 按鈕關(guān)閉改窗口。在SIMATIC MANAGER 將會出現(xiàn)剛新建的項目 “ 李金 偉 ” ，如圖 45 所示。 （ 2） 建立項目工作站 點擊 插入 站點 2 SIMATIC 300 站點 ，建立一個 S7300 的工作站。 如圖 46， 47。 圖 46 新建工作站 第 24 頁 圖 47 工作站建立完成 PLC 型號的選擇 在確定了系統(tǒng)的輸入輸出 變量 后，就可以進行硬件選型，即模擬 S7300PLC實物，來進行程序的運行和數(shù)據(jù)的處理。 由于煤磨段控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，現(xiàn)場控制站的 PLC 選擇 CPU 315/3152DP。 CPU 3152DP 具有中、大規(guī)模的程序存儲容量和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如果需要可以使用 SIMATIC 功能工具； 對二進制和浮點數(shù)運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運行時需要微存儲卡 MMC。 在選型過程中，要注意機架上槽的配置規(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...)或為空 ； 槽 2僅適用于 CPU(例如， 6ES7 314...)； 槽 3 接口模塊 (例如， 6ES7 360.../361...)或為空 ； 槽 4 11：信號或功能模塊、通訊處理器或為空。 硬件選型的步驟如下： （ 1） 點擊 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 Hw configuration，如 圖 411。 （ 3） 在右邊的產(chǎn)品目錄窗口選擇 SIMATIC 300 中的機架，雙擊 Rail，將在右邊的窗口出現(xiàn)帶槽位的機架示意，如圖 39。 第 25 頁 （ 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 模塊連接機架 1 與機架 2。各模塊的訂貨號可查看硬件實物的下方標(biāo)識。切記選中的模塊型號要與實際的模塊型號一致。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，插入的模塊對應(yīng)實際 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 圖 411 Configuration 窗口 圖 412 硬件配置 結(jié)果 第 27 頁 （ 5） 編譯硬件組態(tài)，并下裝到 CPU。 點擊畫面上的 圖標(biāo)，對剛剛完成的硬件組態(tài)進行編譯。系統(tǒng)提示編譯成功沒有錯誤后，點擊 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，對于缺省屬性的組件，要打開屬性對話框來改變其屬性。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 對象屬性 命令。 CPU 屬性對系統(tǒng)特性具有特殊意義。在 CPU 的對話框中，可以設(shè)置下列各項，例如：啟動特性、用于中斷的本地數(shù)據(jù)區(qū)及優(yōu)先級、存儲區(qū)、保持性能、時鐘存儲器、保護級別以及密碼 僅舉其中一小部分實例。 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)簽頁中，或通過 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 )。通過這些對話框，還可以訪問要與 CPU 連接的相應(yīng)子網(wǎng)的屬性對話框。 在輸入輸出模塊添加成功后， STEP 7 會為其分配輸入輸出地址。這意味著每個模塊都有一個起始地址 (第一個通道的地址 )；剩余通道的地址以這個起始地址為基礎(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”對話框中，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 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。 圖中的虛線部分由 PLC來實現(xiàn)。檢測元件將被控量實際值 PV測量轉(zhuǎn)換為 1V～ 5V電壓信號或 4mA～20mA 電流信號，該模擬信號接至 PLC 的 AI 模塊，進行 A/D 轉(zhuǎn)換，根據(jù)用戶編寫的 PID 控制程序，將測量值與給定值 SP比較，通過二者的偏差 e(t)進行 PID 算法的運算得到輸出操作信號 u(t)，經(jīng) PLC 的 AO 模塊進行 D/A 轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的信 第 28 頁 號（ 1V～ 5V 電壓信號或 4mA～ 20mA 電流信號）用于驅(qū)動執(zhí)行結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對被控對象的控制。 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)計的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過程的特性確定PID 控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。 PID 參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計算整定法，它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計算確定控制參數(shù)。這種方法所得到 的計算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實際進行調(diào)整和修改；二是工程整定法，它主要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。 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)曲線法和衰減法。三種方法各有其特點，其共同點都是通過試驗，然后按照工程經(jīng)驗公式對控制器參數(shù)進行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實際運行中進行最后調(diào)整與完善。 控制器參數(shù)經(jīng)驗方法實質(zhì)上是一種經(jīng)驗湊試法，是工程技術(shù)人員在長期生產(chǎn)實踐中總結(jié)出來的。它不需要進行事先的計算 和實驗，而是根據(jù)運行經(jīng)驗，先確定一組控制器參數(shù)，并將系統(tǒng)投入運行通過觀察認(rèn)為加入干擾（改變設(shè)定值）后的過渡過程曲線，根據(jù)各種控制作用對過渡過程的不同影響來改變相應(yīng)的控制參數(shù)制，進行反復(fù)湊試，直到獲得滿意的控制質(zhì)量為止。本次設(shè)計就是使用的是經(jīng)驗法，根據(jù)工藝和實際經(jīng)驗獲取 PID 參數(shù)。 PID 控制器 AO 測量變送器 執(zhí)行機構(gòu) 被控對象 AI 給定值 e (t) u(t) SP Pv 實際值 PLC 第 29 頁 主程序的編寫 在 SIMATIC Manager 窗口下雙擊 符號表 圖標(biāo)，如圖 414，彈出符號表窗口，依照系統(tǒng) I/O 點的選取，建立符號，完成后顯示如圖 415。 程序設(shè)計流程見圖 416。 根據(jù)程序流程圖以及 Step7為我們提供的編程模塊，可以進行程序的編寫，在編寫程序時，是分塊進行編寫的。這里主要有三個模塊， 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。程序見附頁。 程序編寫完成后，進行仿真，檢驗程序能否運行，以便做進一步的修改完善。利用 Step7提供的仿真器來仿真。在打開 Step7軟件后，點擊窗口中的 圖標(biāo)，打開仿真器窗口，如圖 417所示。 圖 414 符號表窗口 第 30 頁 圖 415 建立符號 圖 416 程序流程圖 采集煤磨電機電流 轉(zhuǎn)換為工程量實際值 PID控制算法運算 調(diào)節(jié)圓盤喂料機 電機轉(zhuǎn)速 返回 開始 計算電流偏差 第 31 頁 圖 417 仿真器 選中 SIMATIC 后，點擊窗口中的 圖標(biāo)，將寫好的程序下載到 PLC 中，然后打開 OB1 塊中的主程序。 如圖 418 所示。 圖 418 OB1 主程序 此時可以將 CPU 置于運行狀態(tài)，進行仿真。在仿真器窗口中的 CPU 小窗口中 RUNP 前打鉤， CPU 開始運行，程序也開始運行。點擊程序窗口中的 圖標(biāo)，可以監(jiān)視程序的運行狀態(tài)。 如圖 419 所示。 第 32 頁 如圖 419 OB1 主程序運行 在仿真窗口中將地址 置 1，如圖 420 所示。此時程序運行窗口中，觀察 ，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，沒有輸出值 ，見圖 422。在仿真器窗口中為地址為 PIW326 的變量賦值，如圖 423。此時在IN 端有了輸入，在輸出端也會有相應(yīng)的輸出值， 如圖 424 所示。 圖 420 仿真器里將 置 1 第 33 頁 圖 421 “通” 圖 422 羅茨風(fēng)機 1 電流檢測 第 34 頁 圖 423 電流賦值 圖 423 程序運行顯示結(jié)果 通過對程序的仿真，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)也會相應(yīng)的變化，程序能夠正常運行。 第 35 頁 5 上位 WinCC 監(jiān)控站 設(shè)計 人機界面（ HMI）設(shè)計 上位系統(tǒng)設(shè)計的主要內(nèi)容是人機監(jiān)控畫面的設(shè)計、變量的建立以及 畫面的組態(tài)。人機監(jiān)控畫面其實就是在 WinCC 的圖形編輯器里，利用它所提供的庫中的標(biāo)準(zhǔn)對象來搭建一個模擬現(xiàn)場的畫面，并在畫面中將所要監(jiān)控的參數(shù)在相應(yīng)的位置顯示出來，為操作員提供一個操作平臺，來完成對系統(tǒng)運行過程的監(jiān)控。 項目 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” 對話框，我們一般采用 “ 單用戶項目 ” ，單擊 “ 確定 ” 按鈕關(guān)閉該對話框 。如圖 51所示。 圖 51 WinCC 新建項目窗口 項目新建成功后， 在 WinCC 資源管理器中，右擊項目名稱并在下拉菜單中選擇 “ 屬性 ” ，可以更改項目的屬性，也可以選擇計算機，更改計算機的屬性。 第 36 頁 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 ” ，即可打開新建界面。在該界面中添加全部欲在運行狀態(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)場的實體模型，可以從它提供的庫中選擇，另一部分是“對象選項板”中列出的靜態(tài)文本、輸入輸出域、報警控件等對象，來顯示系統(tǒng)運行時 的參數(shù)。 在這個監(jiān)控畫面中 ，要添加的對象有 風(fēng)機、球磨機、選粉機、收塵器、風(fēng)閥、輸送器等 。 在畫面窗口中打開庫，選擇需要的對象，如圖 52 所示。 在“對象選項板中”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 在運行時的參數(shù)，如溫度、壓力 、電流等 。 依照工藝圖中設(shè)備的位置 ，從庫中選擇相應(yīng)的對象，進行人機畫面的組態(tài)，在添加對象后，右鍵點擊對象，打開屬性對話框，可以更改對象的屬性，如大小、顏色、字體等。在組態(tài)時，對象的大小要適中，合理布局，保證畫面的美觀。對象與對象的連接要得當(dāng)，使得看起來是個整體。 圖 52 WinCC 標(biāo)準(zhǔn)對象庫 工作過程中需要監(jiān)控的參數(shù)有 系統(tǒng)運行時，各設(shè)備的溫度、壓力、電流等 。需要對 設(shè)備 的運行、故障狀態(tài)進行監(jiān)控。在組態(tài)畫面中相應(yīng)的