锅炉内胆水温控制

目 录

1 系统组成介绍 ................................................................................................................................... 1

1.1 被控对象 ................................................................................................................................ 1 1.2 检测仪表 ................................................................................................................................ 1 1.3 执行机构 ................................................................................................................................ 2 1.5 控制屏组件 ............................................................................................................................ 2 1.6 实验控制系统流程图 ............................................................................................................ 3 1.7 控制原理框图 ........................................................................................................................ 4 2 上位机组态与程序设计 ................................................................................................................... 6

2.1 组态软件介绍 ........................................................................................................................ 6 2.2 WinCC的发展及应用 ............................................................................................................ 6 2.3 Wincc监控组态与程序设计 ................................................................................................. 7 2.4 WiNCC组态软件的通讯...................................................................................................... 14 3 PLC300控制程序 ............................................................................................................................ 17 4 实验内容与步骤 ............................................................................................................................. 21

4.1 实验准备工作 ...................................................................................................................... 21 4.2 控制规律选择参数调节 ...................................................................................................... 21 5 实验结果显示 ................................................................................................................................. 23 总 结 ................................................................................................................................................... 26 参考文献 ............................................................................................................................................... 27

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1 系统组成介绍

本实验装置对象主要由锅炉和盘管三大部分组成。供水系统：一路由三相（380V恒压供水）磁力驱动泵、电动调节阀、涡轮流量计及自动电磁阀组成；另一路由变频器、三相磁力驱动泵（220V变频调速）、涡轮流量计及自动电磁阀组成。

1.1 被控对象

4.5KW三相电加热模拟锅炉(由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭式锅炉夹套构成)

1．模拟锅炉：是利用电加热管加热的常压锅炉，包括加热层（锅炉内胆）和冷却层（锅炉夹套），均由不锈钢精制而成，可利用它进行温度实验。做温度实验时，冷却层的循环水可以使加热层的热量快速散发，使加热层的温度快速下降。冷却层和加热层都装有温度传感器检测其温度，可完成温度的定值控制、串级控制，前馈-反馈控制，解耦控制等实验。

2．盘管：模拟工业现场的管道输送和滞后环节，长37米（43圈），在盘管上有三个不同的温度检测点，它们的滞后时间常数不同，在实验过程中可根据不同的实验需要选择不同的温度检测点。盘管的出水通过阀门的切换既可以流入锅炉内胆，也可以经过涡轮流量计流回储水箱。它可用来完成温度的滞后和流量纯滞后控制实验。

3．管道及阀门：整个系统管道由敷塑不锈钢管连接而成，所有的阀门均采用优质阀，彻底避免了管道系统生锈的可能性。有效提高了实验装置的使用年限。其中储水箱侧面有一个进水阀和出水阀，当水箱需要更换水时，可把球阀打开将水直接接入或排出。

1.2 检测仪表

1．压力传感器、变送器：三个液位传感器分别用来对上、中、下三个水箱的液位进行检测，其量程为0～5KP，精度为0.5级。采用工业用的扩散硅压力变送器，带不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。采用标准二线制传输方式，工作时需提供24V直流电源，输出：4～20mADC。

2．温度传感器：装置中采用了六个Pt100铂热电阻温度传感器，分别用来检测锅炉内胆、锅炉夹套、盘管（有3个测试点）以及上水箱出口的水温。Pt100测温范围：-200～+420℃。经过调节器的温度变送器，可将温度信号转换成4～20mA直流电流信

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号。Pt100传感器精度高，热补偿性较好。

3．流量传感器、变送器：三个涡轮流量计分别用来对由电动调节阀控制的动力支路、由变频器控制的动力支路及盘管出口处的流量进行检测。它的优点是测量精度高，反应快。采用标准二线制传输方式，工作时需提供24V直流电源。流量范围：0～1.2m3/h；精度：1.0%；输出：4～20mADC。

4．锅炉防干烧保护装置：为保证实验效果好、不降低锅炉加热功率的前提下，本套装置配备了良好的防干烧保护系统，当锅炉内胆液位低于红色警戒水位线时，保护装置将切断调压模块输出电压，以有效保护电加热管不被干烧损坏。

1.3 执行机构

1．电动调节阀：采用智能直行程电动调节阀，用来对控制回路的流量进行调节。电动调节阀型号为：QSVP-16K。电源为单相220V，控制信号为4～20mADC或1～5VDC，输出为4～20mADC的阀位信号，使用和校正非常方便。

2．水泵：本装置采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P，流量为30升/分，扬程为8米，功率为180W。泵体完全采用不锈钢材料，以防止生锈，使用寿命长。本装置采用两只磁力驱动泵,一只为三相380V恒压驱动，另一只为三相变频220V输出驱动。

3．电磁阀：本套装置共有17支优质电磁阀配合控制器完成所有实验项目，其阀体为黄铜材质，磁力连接栓为不锈钢榜及弹簧、弹杆、橡皮膜片，以防止生锈，它具有体积小、流量大、耐高温、耐高压、动作快、寿命长等特点。

1.5 控制屏组件

1．通讯线介绍

“THJ-4型高级过程控制系统实验平台”可以挂智能仪表、远程数据采集和S7-200PLC挂件，并可控制对象系统完成相应的实验。屏中布有485通讯线线，从正面看控制屏时，从左边数的五个通讯口挂在一条485总线上，然后引出来一根通讯线，通讯头上标有“1”的字样；最右边的通讯口单独从控制屏后引出一个通讯头，上面标有“6”的字样。485通讯线主要用于仪表和远程数据采集模块与计算机的通讯， 485通讯方式与计算机建立通讯时需接一个转换器到计算机串口上。THJ-4-3面板是与对象系

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统通过2号42芯和3号19芯电缆线相连的接口板，可取来对象上的信号，也可将控制屏上的信号通过它送出；面板上有24V开关电源的输出端子，它不但控制着面板上三路24V直流输出，而且控制着对象系统所有变送器的电源。 2．交流变频控制挂件

MicroMaster440变频器，控制信号输入为

4～20mADC或0～5VDC，交流220V变频

输出用来驱动三相磁力驱动泵。有关变频器的使用请参考使用手册中相关的内容。 3．三相移相SCR调压装置

采用三相可控硅移相触发装置，输入控制信号为4～20mA标准电流信号，其移相触发角与输入控制电流成正比。输出交流电压用来控制电加热器的端电压，从而实现锅炉温度的连续控制。

1.6 实验控制系统流程图

图1.1 实验控制系统流程图

本实验主要涉及两路信号，一路是现场测量信号锅炉内胆温度，另外一路是控制移

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项调压模块输出的控制信号。

锅炉内胆温度的检测装置为PT100热电阻，PT100热电阻检测到的信号传送给温度变送器，本系统采用带PROFIBUS-PA通讯接口的温度变送器，挂接在PROFIBUS-PA总线上，PROFIBUS-PA总线通过LINK和COUPLER组成的DP链路与PROFIBUS-DP总线交换数据，PROFIBUS-DP总线上挂接有控制器CPU315-2 DP，这样就完成了现场测量信号到CPU的传送。

本实验的执行机构为移项调压模块，移项调压模块所需的控制信号是4到20mA电流信号。控制信号由控制器CPU315-2 DP发出，经由PROFIBUS-DP总线到达分布式I/O模块ET200M，模拟量输出模块SM332和分布式I/O模块ET200M直接相连，最后模拟量输出4到20mA电流信号控制移项调压模块的输出电压。

1.7 控制原理框图

本实验系统结构图和方框图如下图所示。以锅炉内胆作为被控对象，内胆的水温为系统的被控制量。本实验要求锅炉内胆的水温稳定至给定量，将铂电阻TT1检测到的锅炉内胆温度信号作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制三相调压模块的输出电压（即三相电加热管的端电压），以达到控制锅炉内胆水温的目的。在锅炉夹套水温的定值控制系统中，其参数的整定方法与其它单回路控制系统一样，但由于锅炉夹套的温度升降是通过锅炉内胆的热传导来实现的，所以夹套温度的加热过程容量时延非常大，其控制过渡时间也较长，系统的调节器可选择PD或PID控制。实验中用变频器支路以固定的小流量给锅炉内胆供循环水，以加快冷却。图（b）为一个单回路的锅炉夹套温度控制系统的结构框图.实验前先给锅炉内胆打适量的水，而锅炉夹套为动态环水,变频器,齿轮泵，锅炉内胆组成循环供水系统。实验投入运行后，变频器以固定得频率使锅炉夹套得水处于循环状态。在单回路的锅炉夹套温度控制系统中，若没有循环水加以快速热交换，散热过程相对比较缓慢，温度调节得效果受对象特性和环境的限制，在精确和稳定性上存在着一定的误差。当增加了循环水系统以后，有利于热交换并提高散热能力。相比与静态温度控制实验，在控制的精确性，快速性上有很大的提高。本系统控制的被控制量锅炉夹套水温，既控制任务是控制锅炉夹套水温等于给定值，并采取工业智能PID调节。

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表2.1 外部变量 名称 man-on p-select i-select d-select sp1 fushe p i d op pv1 pv2 pvper_on_1 pvper_on_2 3、 建立内部变量

数据类型 二进制变量 二进制变量 二进制变量 二进制变量 浮点数32位IEEE754 浮点数32位IEEE754 浮点数32位IEEE754 浮点数32位IEEE754 浮点数32位IEEE754 浮点数32位IEEE754 浮点数32位IEEE754 浮点数32位IEEE754 二进制变量 二进制变量 参数地址 DB42,D0.1 DB42, D0.3 DB42, D0.4 DB42, D0.7 DB42, DD6 DB41, DD16 DB42, DD20 DB42, DD24 DB42, DD28 DB42, DD72 DB41, DD92 DB42, DD92 DB42.DD0.2 DB42.DD0.2 程序中名称 MAN_ON P_SEL I_SEL D_SEL SP_INT MAN GAIN TI TD LMN PV PV PVPER_ON PVPER_ON 在WINCC中，打开变量管理，点击内部变量，建立新变量ssqx、lsqx、kaiqi。ssqx是用来控制实时曲线显示和隐藏的，llqx是用来控制历史曲线显示和隐藏的，kaiqi是开始按钮控制的水管闪烁的。这三个变量全都为二进制。如表2.2

表2.2 内部变量 名称 lsqx ssqx kaiqi 创建过程画面

说明 历史曲线 实时曲线 开启按钮 参数类型 二进制变量 二进制变量 二进制变量 在图形编辑器中组态画面如图所示。 并根据系统要求组态历史曲线、实时曲线。系统WinCC监控界面如下一章所示 1设置管道动态效果

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选择所有的水管，在属性中选择控件属性，在BlinkMode中静态选择No Flash，右击动态中的动态对话框，在表达式/公式中选择变量“man_on”，在数据类型中选择布尔型。当“是”的时候Blink为No Flash，当“否”的时候Blink为Shaded。Black color和Back color选择浅蓝色。man_on地址为DB42.D0.1。

这一步作用是，当MAN_ON_1置为1时，水管不闪烁，当man_on置为0时，水管开始闪烁，表明PID运行时水管有水通过。 2 PID开关编辑

在对象选项板中选择窗口对象，选择按钮，然后命名为“积分开关”，点击事件中的鼠标属性，在右面的单击左键，设置C动作。添加脚本程序如下：

SetTagBit(\//Return-Type: BOOL 同样在鼠标右击，设置C动作。脚本程序如下： SetTagBit(\//Return-Type: BOOL

以此类推，Td微分开关的开启和关闭按钮都要这么设置。 3输入输出域的设置

对副测量值进行设定，在对象选项板中选择智能对象，然后新建一个输入输出域，在输出值中选择动态对话框，在表达式/公式中选择变量pv1，数据类型选择为直接。pv1的变量地址为DB4.DD92。同样方法设置变频器支路测量值pv2,变量地址DB42.DD92。

(1)电气阀支路测量pv1 (2)变频器支炉测量pv2

图2.6设置寻址方式

对给定值进行设定，在对象选项板中选择智能对象，然后新建一个输入输出域，在输出值中选择变量fushe，fushe的地址为DB41.DD6。

用同样的方法设定Kp、Ti、Td的输入输出域，在输出值中选择变量p、i、d，它们的地址分别为DB41.DD20、DB41.DD24、DB41.DD28。

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4设置开启按钮

在对象选项板中选择窗口对象，选择按钮，然后命名为“开启”，点击事件中的鼠标属性，在右面的单击左键，设置C动作。添加脚本程序如下： SetTagBit(\ SetTagBit(\//Return-Type: BOOL SetTagBit(\//Return-Type: BOOL SetTagBit(\

单击“开启”后，由于管道的动画效果设置，管道会闪烁。Main_on为1时控制循环将被中断，手动值被设置为操作值。由于本设计要求，电动阀的PID “Main_on”保持默认值1。变频器PID“Main_on”设置为0，控制循环不会中断。由于检测量为电动阀支路流量PIW272，变频器支路流量PIW274，为外围设备，故此本设计的两个PID，PVPER_ON应为1状态。

5设置实时曲线历史曲线

在对象选项板中选择窗口对象，选择按钮，然后命名为“实时曲线”，点击事件中的按左键，右击选择C语言。在编辑动作中中插入下列脚本程序：

SetTagBit(\

这条语句的意思是当点击鼠标左键时，“ssqx”置为1。点击确定。

再点击事件中的按右键，右击选择C语言，在编辑动作中插入如下脚本程序： SetTagBit(\

这条语句的意思是当点击鼠标左键时，“ssqx”置为0。点击确定。 如图所示：

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图2.7 实时曲线C动作脚本程序设置

历史曲线按钮设置相同，只需要将“ssqx”改为“lsqx”。

接下来在对象选项板中选择控件中的曲线，对曲线进行编辑，命名为“实时曲线”。在WINCC在线趋势控件的属性中进行编辑，在数据源中选择在线变量，选择公共X轴和公共Y轴以及可调整大小。

在曲线一栏中选择pv1，命名为“电动阀支路流量测量值”，颜色选择为绿色。然后再添加曲线，命名为“变频器支路流量测量值”，在线变量选择为pv2，颜色为蓝色；然后再添加曲线，命名为“变频器支路流量给定值”，在线变量选择为sp1，颜色为红色。

点击曲线属性，然后在显示中选择动态对话框，在表达式/公式中选择变量“ssqx”，数据类型为布尔量，当“是”时，置为1，当“否”时，置为0。

历史曲线的属性同样如此设置。

当鼠标左键点击“实时曲线”按钮时，实时曲线会出现，当鼠标右键点击“实时曲线”按钮时，曲线会隐藏。历史曲线也是这样的效果。

历史曲线设置不同的是在选择数据源时要设置为归档变量，然后选择已经设置好的变量，如图所示：

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图2.8 归档变量选择

2.4 WiNCC组态软件的通讯

（1）给PC和PLC上电，打开SETP 7，打开已建立好的工程。 （2）进入STEP 7软件界面，点击options中的Set PG/PC Interface，选择

CP5611(MPI)，然后选择Diagnostics进行测试，出现OK，在进行下载。如图4.9所示。

图2.9 CP5611

（3）点击Diagnostics对MPI、硬件组态诊断如下图所示。

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图2.10 CP5611（MPI）

图2.11 硬件诊断

（4）将PLC置为run状态，SF灯没有红灯，电磁阀自动开启。无错误。 （5）运行WINCC 目录下的已建立组态界面。点击运行键进入监控画面。

（6）选择SIEMENS\\WINCC\\TOOLs中的WINCC Channel Diagnosis，点击运行，出现如下图所示窗口：

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图2.12 WINCC通讯监测

这表明WINCC 已经跟PLC通讯上了。通讯成功。

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3 PLC300控制程序

实验六、锅炉内胆水温定值控制系统 sy6: L PIW 264 ITD DTR

L 1.000000e+001 /R

T DB41.DBD 10

CALL \ COM_RST := MAN_ON := PVPER_ON:=FALSE P_SEL := I_SEL := INT_HOLD:= I_ITL_ON:= D_SEL := CYCLE := SP_INT := PV_IN := PV_PER := MAN := GAIN := TI := TD := TM_LAG :=

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DEADB_W := LMN_HLM := LMN_LLM :=

PV_FAC :=1.000000e+000 PV_OFF :=0.000000e+000 LMN_FAC :=1.000000e+000 LMN_OFF :=0.000000e+000 I_ITLVAL:= DISV := LMN := LMN_PER :=PQW256 QLMN_HLM:= QLMN_LLM:= LMN_P := LMN_I := LMN_D := PV := ER := NOP 0

CALL \ COM_RST := MAN_ON := PVPER_ON:=FALSE P_SEL := I_SEL := INT_HOLD:= I_ITL_ON:=

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D_SEL := CYCLE := SP_INT := PV_IN := PV_PER := MAN := GAIN := TI := TD := TM_LAG := DEADB_W := LMN_HLM := LMN_LLM :=

PV_FAC :=1.000000e+000 PV_OFF :=0.000000e+000 LMN_FAC :=1.000000e+000 LMN_OFF :=0.000000e+000 I_ITLVAL:= DISV := LMN := LMN_PER :=PQW258 QLMN_HLM:= QLMN_LLM:= LMN_P := LMN_I := LMN_D := PV :=

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