基于Siemens S7-300 PLC的锅炉DCS系统设计 - 图文

基于Siemens S7-300 PLC的锅

炉DCS系统设计

摘要

工业锅炉是工业生产过程中十分常见的一种工业设备，锅炉控制系统自动化水平的高低对锅炉的安全生产和效率起到关键作用。DCS控制是大中型工业锅炉控制系统的主流控制方式，因此，本课题以工业锅炉模拟系统SMPT-1000为研究对象，研究锅炉DCS的构成原理、DCS系统设计的方法步骤，具有较好的工程实践意义。

本文在首先对集散控制系统的发展过程进行了综述，介绍了集散控制系统的系统结构和特点的基础上，并分析了SMPT-1000工业锅炉模拟系统的工艺流程，列出了工艺流程的设备、检测点、执行机构等列表，并提出了一套基于Siemens S7-300 PLC的锅炉DCS系统设计方案。然后，采用Step 7 编程软件完成了系统的硬件组态、通信组态和控制算法组态及硬件模块测试。接着，利用Siemens公司的WinCC软件开发了系统的人机界面，主要包括锅炉工艺模拟图、实时趋势曲线，PID参数调节器等。最后，实现了对汽包水位、炉膛负压、蒸汽压力等子系统的实时监控。

实验结果表明：本文所设计的锅炉DCS系统的各项功能正确，控制性能指标达到了设计的要求。

关键词：工业锅炉 Profibus 可编程序控制器 集散控制系统

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Design of Boiler’s DCS System Based on

Siemens S7-300 PLC

Abstract

Industrial boilers are very common in industrial processes of industrial equipment, automation level of the boiler control system play a key role in the boiler’s safety and efficiency. DCS control is the main control mode in the large and medium industrial boiler control system. Therefore, the subject based on the industrial boiler simulation system SMPT-1000 as the research object, research constitution principle with the boiler DCS, the methods and steps of DCS system design, with good engineering practice significance.

In this paper, the development of distributed control system was reviewed firstly, then introducing the DCS system of the structure and characteristics and analyzing the technological process of SMPT-1000 industrial boiler simulation system. A list of process equipment, test points, executive institutions and so on, and a DCS system design scheme for a boiler based on Siemens S7-300 PLC was put forwarded. Then, the test for system hardware configuration, communication configuration and control algorithms and hardware modules were completed by step7 programming software. Then, using Siemens WinCC software to develop a system of man-machine interface, including the boiler process simulation graph, real-time trend curve, PID parameter adjustment, etc. Finally, the drum level, furnace pressure, vapor pressure and other subsystems are achieved real-time monitoring.

The results show that: this boiler is designed correctly the features of DCS system, control performance achieved the design requirements.

Keywords: industrial boiler Profibus Programmable Logic Controller Distributed Control System

II

目录

第一章 绪论??????????????????????????1

1.1 课题背景????????????????????????1 1.2 课题目的????????????????????????1 1.3 课题研究内容??????????????????????4 第二章 DCS与锅炉控制系统原理??????????????????5 2.1 DCS的发展历程?????????????????????5 2.2 DCS的系统结构?????????????????????6 2.3 锅炉控制系统简介????????????????????9 第三章 锅炉控制系统控制方案??????????????????14 3.1 控制方案???????????????????????14 3.2 简单控制系统的设计方案????????????????15 第四章 硬件及控制算法组态???????????????????19 4.1 STEP 7编程软件简介???????????????????19 4.2 控制器硬件设置????????????????????19 4.3 Profibus-DP 设置????????????????????21 4.4 符号表编辑器?????????????????????22 4.5 通信设置???????????????????????23 4.6 程序编写???????????????????????23 4.7 程序运行与分析????????????????????26 第五章 人机界面组态??????????????????????29 5.1 创建单用户项目????????????????????29 5.2 创建外部变量?????????????????????29 5.3 创建变量记录?????????????????????31 5.4 图形编辑及画面连接??????????????????33 5.5 运行与分析??????????????????????35 总结?????????????????????????????40 参考文献???????????????????????????41 附录?????????????????????????????42

附录一：OB块的功能表???????????????????42

III

附录二：FB41功能逻辑图??????????????????44 附录三：PID控制输出参数?????????????????44 附录四：PID控制输入参数?????????????????45 致谢?????????????????????????????47

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第一章 绪论

1.1 课题背景

随着现代化工业的飞速发展，对能源利用率的要求越来越高，工业锅炉市场技术的竞争日趋激烈, 锅炉自动控制系统的好坏己成为决定锅炉性能的重要砝码, 其控制质量的优劣不仅关系到锅炉自身运行的效果, 而且还将直接影响到相关装置生产过程的稳定性。

在我国,除了少数大中型锅炉采用了先进的控制技术外,多数中小企业所用的锅炉,大部分还停留在选用仪表和继电器控制,甚至还是人工操作,已难以适应系统发展的要求。因此, 研究与开发功能完备、性能可靠的锅炉自动控制系统,对锅炉控制系统采用先进的控制技术,不仅能够实现安全生产的目的,而且还能够节煤节电并能使排放更环保,具有很好的市场发展空间和投资收益前景[1]。如图1-1所示：

图1-1 循环流化床锅炉系统

1.2 课题目的

锅炉DCS (分散控制系统Distributed Control System)自动控制,是近年来开发的一项新技术,是利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、

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管理和分散控制的新型控制技术。它是由计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、通讯网络技术和人机接口技术相互发展、渗透而产生的。

随着网络化的日趋完善, 锅炉控制系统亦采用网络化的设计方法成为必然。基于Profibus和工业以太网的锅炉集散控制系统的设计开发, 以实现控制系统整体的计算机化、网络化和最优化。同时，我们采用现场总线技术的分布式系统, 将控制模块安置在工业现场, 通过总线传输数据, 比传统的控制系统更具有灵活性, 同时可以节省大量的布线, 以及降低成本。西门子SIMATIC S7-300 集成了Profibus分布式系统的组态功能。这就为智能化纳米级数控系统在网络化方面提供了技术上的保证[2]。如图1-2所示：

图1-2 JX-300X DCS系统结构

作为一项比较成熟的工程技术，DCS在全世界范围内取得了巨大的成功，但随着时代的进步，各种新技术的推陈出新，人们对DCS的要求也日益苛刻，所以今天的DCS仍然呈现一些不足的地方。随着现场总线技术的不断发展成熟，新的控制方案和思想对传统的DCS提供了更多的机遇。人们逐步把现场总线技术的优点融入到传统的DCS技术中。即充分结合现场总线技术与DCS系统，将FCS技术融于DCS之中，使得DCS技术得到更加完善，形成新型的网络集成式全分布控制系统。DCS的发展趋势如图1-3所示：

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图1-3 DCS的发展趋势

SIMATIC S7-300 PLC 是模块化、无排风扇结构的设计，适用于中等性能的控制要求。用户可以根据系统的具体情况选择合适的模块，维修时更换模块十分方便。当系统规模扩大和功能复杂时，可以增加模块，满足自动化工程中尤其是生产制造工程中中等性能要求的自动控制应用。

S7-300的CPU模块集成了过程控制功能，用于执行用户程序。不需要附加任何硬件、软件和编程，就可以建立一个MPI（多点接口）网络。如果有Profibus-DP接口，可以建立一个DP网络[3]。如图1-4所示：

IM 361 SM 321 SM 332 CPU模块 处理部件 通信部件 IM 360 FM 351 SM 331 SM 332 MPI网 背面总线 PG OP

其他PLC

图1-4 PLC系统构成框图

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1.3课题研究内容

基于以上的研究，本文的选题目就是基于PLC300在锅炉DCS系统中的运用，锅炉控制系统采用最新一代的高级多功能过程控制实训系统SMPT—1000设备，利用Siemens S7-300 PLC的Profibus-DP现场总线为主站，泓格I-7550为Profibus-DP从站的远程设备装置，把现场SMPT-1000采集到的模拟量信号传给PLC进行转换和控制。输入输出接口采用泓格的I-7051数字量输入、I-7045数字量输出、I-7017C模拟量输入和I-7024模拟量输出这四个模块装置组成。

为了使WinCC组态软件在计算机上实现系统的监视与控制的功能，利用S7-300 PLC 的MPI接口配上MPI适配器接到PC机的USB口上，就能实现 PLC与计算机的相互联系，从而实现了分散控制与集中监视和管理的功能。如图1-7所示：

图1-7 实验系统构成框架

论文第一章主要对课题的内容进行简要的概述，第二章陈述了集散控制系统和锅炉控制系统的相关原理，第三章分析了锅炉控制系统的控制方案，第四章介绍了PLC300在锅炉控制系统中硬件和软件的组态，第五章描述了人机界面组态在锅炉系统中的应用。

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第二章 DCS与锅炉控制系统原理

2.1 DCS的发展历程

DCS是分布式控制系统的英文缩写（Distributed Control System），在国内自控行业又称之为集散控制系统。

DCS自1975年问世以来，大规模集成电路由4位微处理器发展成8位，自动化仪表行业在原来采用中小规模集成电路而形成的数字控制器(DDC)和计算机技术的基础上，开发出了以集中显示操作、分散控制为特征的集散系统，后来逐渐统一称为分散型控制系统(DCS)。在以后的20多年中，DCS虽然在系统的体系结构上没有发生重大改变，但由于技术的进步、外界环境变化和需求的改变，经过不断的发展和完善，其功能和性能都得到了巨大的提高。DCS的发展大体分为三个阶段[4]：

第一阶段：1975-1980年，在这个时期集散控制系统的技术特点表现为： (1) 采用微处理器为基础的控制单元，实现分散控制，有各种各样的算法，通过组态独立完成回路控制，具有自诊断功能

(2) 采用带CRT显示器的操作站与过程单元分离，实现集中监视，集中操作

(3) 采用较先进的冗余通信系统

第二阶段：1980—1985.，在这个时期集散控制系统的技术特点表现为： (1) 微处理器的位数提高，CRT显示器的分辨率提高 (2) 强化的模块化系统

(3) 强化了系统信息管理，加强通信功能

第三阶段：1885年以后，集散系统进入第三代，其技术特点表现为： (1) 采用开放系统管理 (2) 操作站采用32位微处理器 (3) 采用实时多用户多任务的操作系统

进入九十年代以后，尽管在这之前的集散系统的技术水平已经很高, 但存在着一个最主要的弊病是: 各大公司推出的几十种型号的系统, 几乎都是本公司的专利产品, 每个公司为了保护自身的利益, 采用的都是专利网络, 这就为全厂、全企业的管理带来问题。随着工业控制领域中各种新技术

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不断涌现，新的控制方案和思想对传统对DCS的发展提供了更多的机遇。

现场总线被称为21世纪工业过程测控网络标准。它能够提供智能化、简单化、标准化的现场总线设备接口，将使过程控制用户在低成本、易移植、易扩展这样一种友好的环境中进行系统设计、安装和运行，给自动化领域带来了新的革命，有着广泛的应用领域和市场。如今的DCS已经发展到第四代，即充分结合现场总线技术的DCS系统，这种DCS系统既利用了FCS技术的先进性，又适应客观实际。

目前国内DCS主要有：新华XDPS，鲁能的LN2000，国电智深DCS，中控DCS，和利时DCS，浙江中自等。国外的有西屋（艾默生）OVATION、FOXBORO、ABB、西门子PCS7、霍尼韦尔、横河DCS等[5]。

2.2 DCS的系统结构

2.2.1 DCS的硬件结构

集散控制系统是一种操作显示集中，控制功能分散，采用分级分层体系结构，局部网络通信的计算机综合控制系统。从总体结构上看，DCS是由工作站和通信网络两大部分组成，系统利用通信网络将各工作连接起来，实现集中监视、操作、信息管理和分散控制。如图2-1所示：

人机界面

操作人员、管理人员 集中操作和管理装置 DCS

通信网络 分散过程控制装置 过程界面 工业生产过程

图2-1 DCS的典型结构

(1) 控制站（过程控制单元）

它是由一个微处理器、存储器、I/O输入输出板、A/D、D/A转换器、内总线、电源和通信接口等组成，它可以控制多个回路，可自主地完成回路控

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制任务，并将过程信息经过程控制网络送到上层计算机，实现了分散控制。

(2) 工程师站

工程师站包括系统生成、结构定义、操作组态、流程图画面组态、报表程序编制等，还具有系统维修机能诸如系统维护、保养、远程维护保养等功能。工程师站配有相应的组态软件和系统管理软件。通过组态软件生成适合于生产工艺要求的应用系统，通过系统管理软件可以维护集散控制系统和生成日常的生产管理数据。

(3) 操作站

它是由微处理器、CRT、键盘、打印机、鼠标等组成的人机系统，实现集中显示、集中操作和集中管理的功能。对全系统信息进行信息管理，与现场控制相分离。其中操作站的监控软件是操作人员操作、信息显示、数据管理的环境，是高性能人机接口，具有卓越的流程图机能，多窗口等画面显示功能。

(4) 过程控制网络

它是实现分散控制和集中管理的关键，它是操作站、现场控制站、工程师站和管理计算机的联系纽带。它由通信电缆和通信软件所组成，一般采用实时性较好的通信协议（如符合IEEE802.4协议）。

(5) 管理计算机

它是集散控制系统的主计算机，一般采用小型计算机，具有大规模的复杂的运算能力，具有多输入多输出控制功能。它综合监视全系统的各个工作站，管理全系统的所有信息，可以建立复杂的数学模型，可以高速地进行模型预测预报，为实现复杂的控制策略提供了基础。此外还可以实现全系统的最优控制和全工厂的优化管理[4]。

2.2.2 DCS的网络结构

按照DCS各组成部分的功能分布，所有设备分别处于四个不同的层次，自下而上分别如下所介绍：

（1）现场控制级，是直接与现场生产过程中各类装置相连，对所连接的生产装置实施监测和控制。通过系统网络通信与第二层的过程控制级相连，接收上层的管理信息，向上传递工艺装置的特性数据和采集到的实时数据。 （2）过程管理级，它综合监视过程各站的所有信息，集中显示操作，控制回路与组态，参数修改，历史数据存取和优化过程处理等功能。

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（3）生产管理级，产品规划和控制级完成一系列的功能，根据用户的订货情况、库存情况、能源情况来规划企业的产品结构和规模。根据产品的特点，协调各单元级的参数设定，是产品的总体协调员和控制器。

（4）工厂总体管理和经营管理级，它居于工厂自动化系统的最高一层，它管理的范围很广，包括工程技术方面、经济方面、商业事务方面、人事活动方面以及其他方面的功能。担负全厂的总体协调管理。

集散控制系统的网络结构如图2-2所示：

管理计算机管理计算机打印机数据服务器高层管理网络 操作站历史记录站网桥工程师站过程控制网 PLC接口智能设备 接口JX300JX300JX3001#数据采集站2#3#现场控制站PLC 现场智能仪表 智能控制器 数字记录仪

图2-2 集散控制系统的网络结构

2.2.3 DCS的特点

DCS与常规模拟仪表及中型计算机控制系统相比，具有以下特点： （1）系统构成灵活。系统工作站采用标准化和系列化设计，硬件采用积木搭接配置，软件采用模块化设计，系统采用组态方法构成各种控制回路，很容易对方案进行修改和扩大或缩小系统规模。

（2）操作管理便捷。集中监控管理装置无论采用人机接口系统还是PC系统，操作人员都能方便的监视生产装置乃至整个工厂的运行情况，快捷地操控各种电机设备。

（3）控制功能丰富。DCS不仅可以进行各种连续的、间接的、顺序的控制，而且可以完成简单或复杂的多变量优化控制等功能。

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（4）信息资源共享。DCS采用局部区域网络把各工作站连接起来，实现数据、指令及其他信息的传输，使整个系统信息、资源共享。

（5）安装、调试简单。DCS各单元都安装在标准机柜内，布线量很少，便于装配和更换，系统采用专用软件调试，维修迅速准确。

（6）安全可靠性高。系统采用多微处理机分散控制结构、不间断供电设备，带屏蔽的专用电缆供电，采用危险分散。连续监控。故障报警、横向连锁、分级操作、手动操作等措施，保证全系统安全可靠运行。

（7）性能价格比高。DCS技术先进，功能齐全，可靠性高，适应能力强。它规模越大，平均投资费用越省[4]。

2.3 锅炉控制系统简介

2.3.1锅炉对象描述

被控对象是基于计算机动态仿真技术构建的过程工业领域的加热炉单元。通过加热炉对流传热和辐射传热将一定流量的物料A加热至工艺要求的温度，然后输送给下一单元。其工艺流程图如图2-3所示：

图2-3 加热锅炉工艺流程图

具体设备包括：待加热物料进料单元，换热器，对流段及烟囱，加热炉，燃料泵及鼓风机。

软化水流量为F1106，温度为常温20℃，经由调节阀V1106进入除氧器V1101顶部。除氧蒸汽分两路，一路进入热力除氧头，管线上设有调节阀

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PV1101；另一路进入除氧器下水箱，管线上设有开关阀XV1106。除氧器压力为P1106，除氧器液位为L1101。软化水在除氧器底部经上水泵P1101泵出。

锅炉上水流量为F1101，锅炉上水管线上设有上水泵出口阀XV1101，上水管线调节阀V1101，以及旁路阀HV1101。锅炉上水被分为两路。一路进入减温器E1101预热，预热后与另外一路混合进入省煤器E1102。两路锅炉上水管道上分别设有调节阀V1102和V1103。正常工况时，大部分锅炉上水直接流向省煤器，少部分锅炉上水流向减温器，其流量为F1102。

汽包V1102顶部设放空阀XV1104，汽包压力为P1103。汽包中部设水位检测点L1102。在汽包中通过汽水分离得到的饱和蒸汽温度为T1102，经过炉膛汽相升温得到的过热蒸汽温度为T1103。

过热蒸汽进入减温器E1101，进行温度的微调。最终过热蒸汽压力为P1104，温度为T1104，流量为F1105。过热蒸汽出口管道上设调节阀V1105。 燃料经由燃料泵P1102泵入炉膛F1101的燃烧器，燃料流量为F1103，燃料压力为P1101，燃料流量管线设调节阀V1104，燃料泵出口阀XV1102。空气经由变频风机K1101送入燃烧器，变频器频率为S1101（被归一化到0~100%之间），空气量为F1104。

省煤器烟气出口处的烟气流量为F1107，温度为T1105。烟气含氧量A1101设有在线分析检测仪表。烟道内设有挡板DO1101[6]。

2.3.2锅炉仪表及设备列表

工艺流程图中的仪表及设备具体说明见表2-1—2-5所示

表2-1 设备列表

设备位号 P1101 P1102 K1101 F1101 E1102 E1101 V1102 V1101 10

设备名称 上水泵 燃油泵 鼓风机 炉膛 省煤器 减温器 汽包 除氧器

表2-2 检测点列表

位号 检测点说明 单位 位号 % 检测点说明 单位 MPa MPa MPa MPa MPa ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ AI1101 烟气含氧量 FT1101 锅炉上水流量 FT1102 去减温器的锅炉上水流量 PT1101 燃料压力 kg/h PT1102 炉膛压力 kg/h PT1103 汽包压力 kg/h PT1104 过热蒸汽压力 m3/s PT1106 除氧器压力 kg/h TT1101 炉膛中心火焰温度 kg/h TT1102 kg/h TT1103 % % 汽水分离后的过热蒸汽温度 进入减温器的过热蒸汽温度 FT1103 燃料流量 FT1104 空气量 FT1105 过热蒸汽流量 FT1106 软化水流量 FT1107 烟气流量 LT1101 除氧器液位 LT1102 汽包水位 TT1104 最终过热蒸汽温度 TT1105 烟气温度 表2-3 执行机构列表

位号 执行机构说明 V1101 锅炉上水管线调节阀 V1102 V1103 去省煤器的锅炉上水管线调节阀 去减温器的锅炉上水管线调节阀 位号 V1106 PV1101 S1101 执行机构说明 软化水管线调节阀 除氧蒸汽管线调节阀 鼓风机变频器 V1104 燃料管线调节阀 V1105 过热蒸汽管线调节阀 DO1101 烟道挡板 表2-4 手操阀列表

位号 HV1101

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执行机构说明 锅炉上水管线调节阀旁路阀

表2-5 开关阀列表

位号 执行机构说明 XV1101 XV1102 锅炉上水泵出口阀/截止阀 燃油泵出口阀/截止阀 位号 XV1104 XV1106 执行机构说明 汽包顶部放空阀 通入除氧器下水箱的除氧蒸汽管线阀 2.3.3 锅炉与PLC的通信设备

Profibus-DP Agent是由北京化工大学安全科学与监控工程中心设计的，用于先进化工实训装置—高级多功能过程控制实训系统(SMPT)的Profibus从站通讯和监视软件。 （1）硬件设置

该软件所用的串口默认为串口1，所以在使用该软件前，要对串口进行相应的配置。设置COM1对应参数如图2-4所示：

图2-4 Profibus-DP Agent端口设置

Profibus-DP从站通讯模块使用的是泓格i-7550，要对其在Profibus总线上的地址进行设置，一般选择设置为“7”

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（2）软件设置

Profibus-DP Agent主要有三个功能，通讯连接情况诊断、数据实时监视、数据接收和发送。程序启动后，会自动显示在桌面右下角的任务栏里，双击即可打开主界面，主界面如图2-5所示：

图2-5 Profibus-DP Agent主界面

主界面中，绿色的指示灯，表示与硬件设备及SMPTLab的连接状态。如果所有设备都连接正常，那么指示灯变为绿色，只要有一个设备连接异常，就会显示为红灯。点击该指示灯，就会看到各个设备当前的连接状态。右边的按钮，表征的是当前软件的运行状态，点击可以操作运行和停止。

在“实时数据显示”栏里，显示的是通过Profibus总线传递的数据值。分为“To PLC by Profibus(PV)”和“From PLC by Profibus(MV)”两种，点击不同的按钮分别显示输入和输出偏移地址的值。

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第三章 锅炉控制系统设计方案

3.1 控制方案

基于课题的内容和要求，主要对DCS的过程控制层进行设计，过程控制层主要由1个过程控制站组成，完成对一台锅炉控制系统的单回路控制及监视功能。过程控制层的PS站一方面通过Profibus-DP现场总线网络与现场检测层的远程I/O站进行通讯，采集系统相关的现场传感器、变送器、执行机构和其他设备的运行。另一方面将系统的数据信息通过现场总线上传到操作管理层的工作站进行处理,设计系统总体网络结构如图3-1所示：

图3-1 设计系统总体网络结构

系统采用5个单回路控制分别控制锅炉系统的5个控制阀。其中V1106控制除氧器的液位；V1102控制上汽包的液位；V1103控制蒸发器输入的温度；V1105控制蒸发器输入的流量；V1104控制蒸发器输入的压力；而V1102和V1103的输出相加等于V1101阀门的开度。系统管道仪表流程图如图3-2所示：

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FT1102HV1102LIC1101LIC1101PI1103XV1104TT1104FT1105PT1104V1105TI1103TI1102LT1102V1103LIC1101LIC1101XV1102FI1103PI1101V1104TI1105DO1101AI1101FI1107FT1104TI1101PI1102V1106PI1106FI1106PV1101V1102XV1106LIC1101LT1101HV1101XV1101V1101FI1101 图3-2 工业锅炉系统管道仪表流程图

3.2 简单控制系统的设计方案

简单控制系统是只对一个被控参数进行控制的单回路闭环控制系统。这类结构简单，但却是最基本的过程控制系统。即使在复杂、高水平的过程控制系统中，这类系统仍占大多数。简单控制系统的典型结构框图如图3-3所示：

F(s) R(s) _ Z(s) H(s) E(s) U(s) Q(s) Gf(s)E(s) Gc(s) Gv(s) Go(s)E(s) C(s) 图3-3 简单控制系统的典型结构框图

对于简单控制系统，控制方案的确定主要包括系统被控参数的选择、

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测量信息的获取及变送、控制参数的选择、调节规律的选举、调节阀的选择和调节器的正、反作用的确定等内容。

在工程实际中，控制方案的确定是一件涉及多方面因素的复杂工作。它既要考虑到生产工艺过程控制的实际需求，又要满足技术指标的要求，同时还要顾及客观环境以及经济条件的约束。一个好的控制方案的确定，一方面要依赖有关理论分析和计算，另一方面还要借鉴许多实际工程经验。因此，这里只能给出控制方案确定的一般性原则[7]。

3.2.1 除氧器的液位控制

作为给水处理装置的一个重要参数，如果除氧器水位过低，会影响到锅炉汽包的供水，进而影响到锅炉系统的正常运行；如果除氧器水位过高，不仅影响除氧效果，而且还会影响到除氧器的安全运行。因此，需要对除氧器水位进行控制。

（1）综上所诉，被控变量为除氧器的液位，影响除氧器液位有软化水和除氧蒸汽这两个因素。我们选择软化水的进水流量为操作变量，通过调节阀改变软化水流量调节实现控制液位的功能。

（2）发生故障时必须保证生产安全或者重要设备的安全；当发生故障时，为了确保锅炉不发生干锅，以及保护除氧头不因过热而损坏，应该将软化水流量调节阀打开，将除氧蒸汽流量调节阀关闭，所以软化水流量调节阀门为气关阀。

（3）除氧器水位控制回路中，软化水流量调节阀为气关阀，符号为“负”，流量为正特性，当流量增加时，除氧器液位会升高，所以除氧器水位对象的符号为“正”，变送器的符号为“正”，偏差环节的符号为“负”；而只有负反馈才能确保控制系统的稳定。所以除氧器液位控制器为反作用控制器。

（4）除氧系统对液位的稳定要求比较高，要减少稳态误差；同时，由于软化水流量的波动会对除氧效果造成比较大的影响。流量允许有误差，因此，流量用P（比例）控制器即可。液位要求实现无余差控制，所以采用PI（比例积分）控制器。

3.2.2上汽包的液位控制

汽包水位是自然循环锅炉运行的最重要的参数之一。维持水位在一定范围内，才能保证锅炉运行的安全性和经济性。影响汽包水位变化的根本因素有两个: 蒸汽流量扰动和给水流量扰动。如图3-4,3-5所示：

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WD?W0?Dt0tHHH1HT2H2?0?Ht0?D?K2?tH2??DH1H

图3-4 蒸汽流量扰动下水位动态特性 图3-5 给水流量扰动下水位动态特性

由于课题的原因，设计时仅仅采用单回路控制系统控制给水流量，由于蒸汽流量没有得到有效的控制，因此很难控制好汽包的液位。以下就对给水流量的单回路控制进行分析。

（1）被控变量为汽包的水位，控制通道有两个：蒸汽温度和给水流量。根据控制系统参数选择的一般性原则，我们采用给水通道作为操作变量。

（2）本方案以保护锅炉炉体安全为主，当发生故障时，不希望汽包内发生少水甚至干锅现象，需要阀门一直保持打开状态，所以选气闭形式。

（3）给水流量调节阀为气闭阀，符号为“负”，当给水流量调节阀开大时，给水流量会增加，流量对象的符号为“正”，变送装置的符号为“正”，偏差环节的符号为“负”。因此V1102控制阀应选择负特性。

（4）为了快速消除给水环节的扰动对汽包水位的影响，一般采用比例（P）控制，对水位进行校正，使水位保持在设定值，一般采用比例-积分（PI）控制器或者比例-积分-微分控制器（蒸汽干扰时采用）。

3.2.3 过热蒸汽控制

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过热蒸汽温度是下游工序所要求的，是锅炉设备的重要参数。在整个汽水通道中温度最高的是过热蒸汽温度,而减温室要工作于材料允许的最高温度以内。如果过热蒸汽温度过高,则减温器易损坏;也会使下游工序设备过度的热膨胀严重影响生产运行的安全；过热蒸汽温度偏低,则设备的效率将会降低,同时会不满足下游工况需要。

引起过热蒸汽温度变化的原因很多，如蒸汽流量变化、燃烧工况变化、锅炉给水温度变化、进入过热器的蒸汽温度变化等，这些因素还可能相互制约。归结起来，过热汽温调节对象的扰动主要来自三个方面：蒸汽流量变化，加热烟气的热量变化和减温水流量变化。

为此，我们利用减温器的出口温度TT1104来控制V1103控制阀的开度，当温度升高时V1103的阀度就变大，经过减温器的冷水流量就变多，从而抑制了温度的升高。同时，我们利用减温器的出口压力PT1104来控制燃油进入炉膛的调节阀V1104。当出口压力升高时，V1104的阀度减小，进入炉膛的燃油就减少，减温器输出温度就降低，从而导致输出压力减小。最后过热蒸汽的流量FT1105由调节阀V1105来控制。

（1）在此控制方案中，出于安全考虑减温水的流量调节阀V1103要求在无信号时是打开的，所以选用的是气关阀。为了保护炉膛不被烧坏，V1104的控制阀PT1104选用的是气开的。为了不使进入蒸发器的温度过高而烧坏，因此V1105控制阀选择气开的。

（2）由于V1103为气关阀，符号为“负”，且V1103随着温度的升高而变大，变送装置的符号为“正”，偏差环节的符号为“负”。因此V1103控制阀应选择负特性。对于V1104和V1105都为气开阀，故符号为“正”，V1104随出口压力的升高而减小，V1105的变大，流量也跟着变大，因此V1104选择的是负特性，V1105选择的是正特性。

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第四章 硬件及控制算法组态

4.1 STEP 7 编程软件简介

SIEP 7 编程软件用于SIMATIC S7、M7、C7和基于PC的WinAc进行编程、监控和参数设置的标准工具。STEP 7具有以下功能：硬件配置、参数设置、通信组态、编程、测试、启动和维护、文件建档、运行和诊断功能等。工程开发被分为6个阶段，如图4-1所示：

第1阶段 第2阶段 第3阶段 第4阶段 第5阶段 第6阶段 创建工程 通信设置 硬件组态 程序编写 程序调试 组态通信 图4-1 工程开发阶段 4.2 控制器硬件设置

打开SIMATIA Manager软件，单击File,新建一个工程，进入工程编辑窗口。右击工程名，选择“插入新对象”，再选择“SIMATIC 300 站点”，建立了PLC300的一个站点。

选择S7-300，双击硬件，即可进入硬件组态环境。在HW Config窗口中，插入RACK-300机架，然后在机架第一栏中插入电源模块：PS 307 2A，其订货号为：6ES7 307-1BA00-0AA0。第二栏中插入CPU模块：CPU 313C-2 DP，其订货号为：6ES7 313-6CF03-0AB0，固件为V2.6，MPI设置地址为2。双击CPU模块可进入属性进行设置。MPI选187.5Kbps.如图4-2所示：

图4-2 CPU模块属性设置

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第三栏插入的是接口模块，主要在I/O口不够时才需要添加扩展模块的，因此在这里不需要插入。第四栏插入模拟量输入模块，第五栏插入的是模拟量输出模块。具体情况如图4-3所示：

图4-3 硬件模块插入

双击模拟量输入或输出模块可以对其名称、地址和测量类型等进行设置，这些都完成后，单击保存，在工程窗口中添加了CUP 313-2 DP。测量类型的设置如图4-4所示：

图4-4 模拟量I/O属性设置

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4.3 Profibus-DP设置

在HW Config窗口中，目录栏中依次打开“Profibus-DP ”、“Additional Field Devices”、“Gateway”、“i-7550”,拖动该组件到Profibus-DP主站系统线上，弹出组件配置窗口。地址选择“7”。点击“确定”。

通讯软件在实现上依赖于i-7550模块，如果找不到相应的模块，应安装i-7550对应的GSD文件。在HW Config页面下点击“Options”-->“Install GSD File”-->“Browse”找到 i-7550的GSD文件，名为IPDSOBOD.gsd，点击“Install”安装即可。

双击i-7550组件，弹出配置窗口，可设置对应的各项参数，具体设置如图4-5所示：

图4-5 i-7550 DP从站设置

选中i-7550组件，在下面的表格第一行任意右键单击，在弹出菜单中选择“插入对象”、“i-7550”、“System Setting”。然后在下一行中添加AI/AO 、DI/DO接口，并设定他们的起始地址，起始地址很重要，因为输入输出的地址都是通过数据地址+偏移地址得到的，要记住起始地址。如图4-6所示：

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图4-6 i-7550模块设置

4.4 符号表编辑器

STEP 7用符号表编辑器工具管理所有的全局变量；用于定义符号名称、数据类型和全局变量的注释，包括IO地址，数据块重命名等等，以便使得程序具有很好的可读性。使用这一工具生成的符号表可以供所有应用程序使用，所有工具自动识别系统参数的变化。如图4-7所示：

图4-7 符号表编辑器

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4.5 通信设置

打开工程编辑窗口，单击“选项”，选择“设置PG/PC接口”，弹出“设置PG/PC接口”窗口。由于我们使用的是S7-300MPI电缆连接方式，因此选择“PC Adapter(MPI)”，如果没有可以进入“选择”进行安装，注意不要安装其他接口。

双击属性，可对PC Adapter(MPI)和本地连接进行设置。注意一般连接到计算机的串行口1，传输率设置为19200。其他参数不需要设置。如图4-8所示：

图4-8 PG/PC接口设置

4.6 程序编写

在编程中通常将程序分成若干段，每段程序都具有运算功能，将这些程序段称为“块”。块是STEP7程序中运行的主体，包括用户块和系统块。根据用户块在STEP7中的逻辑功能不同，用户块可以分为组织块（OB）、功能（FC）、功能块（FB）和数据块（DB）。如图4-9所示：

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图4-9 STEP7中的各种逻辑块

我们知道，变送器采集得到的信号是4~20mA的模拟信号，被模拟量输入输出模块采集后，数据范围是0~27648。因此我们需要编写一个专门用来进行数值转换的功能块FB1，把0~27648之间的浮点数转换成所需的工程值。如图4-10所示：

图4-10 数据采集模块

同理，设备中阀门接收的信号是浮点数，因此我们需要另一个数据输出功能块FB2，把PID的工程数据转化为浮点数，如图4-11所示：

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图4-11 数据输出模块

另外，PID的时间参数也需要一个时间转换功能模块FB5来进行时间转换。如图4-12所示：

图4-12 时间处理转换模块

建立好功能块后，就可以对主程序OB1进行编程了。首先编写i-7550模块的数据采集程序。再采集5个需要构成单回路的检测点通过FB1传给PID模块的输入值，并把测量得到的数据显示在组态上。接下来再采集需要检测

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的7个测量点并显示在组态上。采集程序写好后，把5个单回路的积分、微分时间进行数据转换之后传到各PID的数据块。最后进行输出处理和显示。由于检测和控制点比较多，因此程序比较长。如图4-13所示：

图4-13 i-7550模块的数据采集程序

4.7 程序运行与分析

程序编好之后，便可把程序下载入PLC进行运行和调试了。注意在下载前最好先清除好CPU。调试的方法非常重要。首先在完成硬件组态时，进行硬件通道的监视和修改。再对程序逻辑进行测试。Step 7 主要提供了两种调试工程的方式：程序状态功能和变量表功能。如图4-15所示：

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图4-15 数据采集的状态监视

从图中可以看出，数据从现场采集回来为16进制数的浮点数，进行数据转换后成为我们需要的工程值。然后再对它们进行显示和送入PID的测量值进行控制。如图4-16所示：

图4-16 PID状态监视

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PID的P、I、D参数可以在组态软件上进行设置。从上面可以看出，当改变检测值PV_IN的数值时，SP_INT设定值会随着检测值改变而改变，直到慢慢接近，基本实现了控制要求。LMN为浮点形式输出的有效操作值，其值直接进入外部设备的地址。LMN_PER为直接输出到外设的操作值，其值通过数据转换后可以显示在组态监视画面上。调节阀通过PID输出的值来改变阀门的开度。如图4-17所示：

图 4-17 S1101开度监视

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第五章 人机界面组态

WinCC由西门子公司开发的上位机组态软件,是基于Microsoft公司的Windows 2000或Windows NT操作系统。本文设计采用WinCC软件进行人机界面组态，组态过程包括：创建单用户项目、创建外部变量、创建变量记录、图形编辑、动画连接和保存运行等[8]。

5.1创建单用户项目

打开WinCC图标，出现WinCC项目管理器，选择单用户项目，按确定。如图5-1所示：

图5-1 创建单用户项目

弹出新建项目窗口，添加名称和保存路径之后，单击创建按钮，即可进入项目管理器的主界面。

5.2 创建外部变量

WinCC项目管理器的主画面包括：标题栏、菜单栏、工具栏、状态栏、浏览窗口和数据窗口。在展开变量管理后，右击鼠标，选择添加新的驱动程序，添加外部变量套件。如图5-2所示：

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图5-2 添加新的驱动程序

在添加新的驱动程序选择框里选择SIMATIC S7 Protocol Suite.chn, 按下打开。之后在变量管理里就添加了我们新添上去的外部变量套件。选择套件里的MPI，单击鼠标右键，选择“新驱动程序的链接”。如图5-3所示。

图5-3 新驱动程序的链接

接着弹出以下连接属性窗口，设置名称为SMPT1000,服务器列表中与计算机名一致，按下“属性”可以对连接进行设置。如图5-4所示：

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图5-4 连接属性设置

选择SMPT1000,右键单击选择“新建变量”，添加我们要添加的外部变量。注意外部变量的类型和地址必须与step7的变量保持一致。如图5-5所示：

图5-5外部变量符号表

5.3创建变量记录

为了显示过程值的发展进程，需要访问历史过程值数据，而WinCC将这些值都保存在过程值归档中。变量记录包含了从过程接管数据的功能，该过程为归档的执行和归档的显示准备数据。接下来我们就创建变量记录。

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在项目管理器主画面中双击变量记录，弹出变量记录对话框。如图5-6所示：

图5-6 变量记录对话框

右键单击变量记录对话框中的归档，选择“归档向导”，然后“下一步”，再“下一步”，在打开变量管理器中单击右边的选择按钮，选择需要用曲线显示的变量，之后选择完成按钮。

这样我们就建立好了需要用曲线显示和记录的变量。单击保存，最后关闭变量记录窗口。如图5-7所示：

图5-7 变量记录表

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5.4 图形编辑及画面连接

图形编辑器是用于创建过程画面，并使其动态化的编辑器，WinCC图形系统可在运行时处理画面上的所有输入和输出。不管是小而简单的操作和监视任务，还是复杂的监控任务，用户都可以用WinCC的图形编辑器为任何应用组态自己的用户界面。

在WinCC浏览主界面中选择“图形编辑器”，右键选择新建画面。初始文件名以“NewPdl”开始排序，可以使用右键重命名来修改名称。由于我们要使用到4个画面显示，因此建立了四个画面文件。如图5-8所示：

图5-8图形编辑文件

双击进入进行编辑，图形编辑器的标准工具栏是默认设置的。标准工具栏按钮包括常用的的windows命令按钮和图形编辑器的特殊按钮。画图时可调用全局库中的库对象进行编辑。如图5-9所示：

图5-9 全局库中的库对象

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此外，还可调用对象窗口的对象进行编辑。如图5-10所示：

图5-10 对象标准选项板

在调用曲线趋势图表时，可通过对象控件里调用WinCC online table control和WinCC online trend control。

对象的形状、外观、位置和过程连接可由“对象属性”来确定。这些属性可以在图形编辑器中根据需要改变。首先我们选中对象，单击右键，选择“属性”便可进入对象属性进行编辑。如图5-11所示：

图5-11 对象属性对话框

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5.5 运行与分析

以上所有步骤都完成以后，在运行之前要对计算机的启动项进行设置，让组态在运行时启动需要运行的功能。在WinCC主画面选择计算机，双击计算机名，进入计算机属性进行设置，选择我们需要运行的变量记录运行系统、保镖运行系统、图形运行系统和用户归档这四个选项。就可以保存并且运行了。如图5-12所示：

图5-12 计算机属性设置

在项目管理器的菜单栏上单击5-13所示：

按钮，系统就会进入运行状态。如图

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图5-13 工业锅炉系统流程图

流程图中显示了各变送器采集得到的数据，实现了对锅炉模拟实验装置燃烧、汽包、除氧器、减温器等主要子系统的监视功能。

在设计当中我们采用了5个单回路控制系统分别来控制锅炉的几个部分。其中，除氧器的液位LT1101由调节阀V1106来控制；上汽包的液位LT1102由调节阀V1102来控制；蒸发器进口温度TT1104由调节阀V1103来控制；蒸发器进口流量FT1105由调节阀V1105来控制；蒸发器进口压力PT1104由V1104来控制，而V1102和V1103的开度影响到V1101的开度，即V1102+V1103=V1101。

为了在人机界面上实现控制功能，在WinCC组态监控画面中，设置了5个PID手操器来分别控制5个控制阀的开度。每个PID控制器由检测值、设定值、输出值、手自动切换与参数整定这几个部分组成，画面简洁明了，能够实现系统的控制功能。如图5-14所示：

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图5-14 工业锅炉PID控制器

由于5个控制回路采用的都是单回路控制系统，因此有几个控制效果不是特别好，比例、积分、微分的参数整定不是特别的明显。经过反复的观察和调整，除氧器V1101的液位可以得到比较好的控制效果，如图5-15所示：

图5-15 V1101除氧器液位控制上升曲线图

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由于除氧器V1101液位还受到调节阀V1101的影响，两者之间的联系很紧密，况且调节阀V1101的开度由V1102和V1103来决定，因此V1106调节阀门的开度必须与V1101阀门的开度保持一定的开度，除氧器液位才能取得比较理想的控制效果。如图5-16所示：

图5-16 V1101除氧器液位控制下降曲线图

V1103控制蒸发器进口温度，其控制效果也比较稳定，但调整范围不是很大，只能在小范围调整，当超过调整范围时，不管输出多大，温度还是保持不变。如图5-17所示：

图5-17V1103温度控制曲线图

V1102控制上汽包的液位，由于受到进水流量和蒸汽流量的影响，因此，设定值升高时，检测值也能够有效地上升，但设定值下降时，检测到的数据就很难降到设定值的值。因此此方案应用到前馈串级控制系统来控制给水流

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量和蒸汽流量才能达到理想效果。如图5-18所示：

图5-18 V1102上汽包液位控制曲线图

对于V1104和V1105而言，检测值和设定值范围很小，改变范围很小。控制效果很不好。如图5-19、5-20所示：

图5-19 V1105流量控制曲线图

图5-20 V1104压力控制曲线图

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总结

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参考文献

附录

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附录一：OB块的功能表

中断类型 主程序扫描 组织块 OB 默认优先级 备注 1 周期运行： 开始循环监控时间输出到模块，从模块输入执行程序执行挂起的其他任务。回到开始，重新循环监控时间 按照日期中断 OB10 to OB17 2 按照指定的时间执行一次。 按照指定的时间和时间间隔循环执行 时间延迟中断 OB20 OB21 OB22 OB23 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 25 按照指定的延迟时间执行。 周期性中断 OB30 OB31 OB32 OB33 OB34 OB35 OB36 OB37 OB38 周期性定时中断（默认）：5000 2000 1000 500 200 100 50 20 10毫秒 多处理器同步操作 多处理器中断 OB60 Multicomputin 续OB块的功能表

中断类型 硬件中断 组织块 OB40 42

默认优先级 16 备注 OB41 OB42 OB43 OB44 OB45 OB46 OB47 DPV1 中断 OB 55 OB 56 OB 57 同步循环中断 OB 61 OB 62 OB 63 OB 64 异步错误 OB80 时间错 OB81供电故障 OB82诊断中断错 OB83 插入删除模块错 OB84 CPU硬件故障 OB 85 程序周期错 OB86 机架故障 OB87 通讯故障 启动 OB100 启动(Warm start) OB101热启动 OB102 冷启动 17 18 19 20 21 22 23 2 2 2 25 配置Profibus-DP短的，同样长的过程响应时间 25 错误处理组织块 DPV1设备编程 27 27 27

附录二：FB41功能逻辑图

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附录三：PID控制输出参数

参数 LMN LMN_PER QLMN_HLM QLMN_LLM 数据类型 REAL WORD BOOL BOOL 数据范围 默认值 0.0 描述 以浮点形式输出的有效操作值 W#16#0000 直接输出到外设的操作值 FALSE FALSE 手动操作值达到最高限设置为真 手动操作值达到最低时设置为真 续PID控制输出参数

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参数 LMN_P LMN_I LMN_D QLMN_LLM 数据类型 REAL REAL REAL REAL REAL 数据范围 默认值 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 描述 比例控制产生的操作值 积分控制产生的操作值 微分控制产生的操作值 输出的有效过程变量 输出的误差信号 附录四：PID控制输入参数

参数 COM_RST MAN_ON PVPER_ON P_SEL I_SEL D_SEL INT_HOLD I_ITL_ON CYCLE E SP_INT PV_IN 数据类型 BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL TIM REAL REAL 数据范围 默认值 FALSE TRUE FALSE TRUE TRUE FALSE FALSE FALSE T#1s 0.0 0.0 描述 完全重启，当为真时执行重启程序 手动操作，若为真，控制环中断，操作值手动设定 过程变量直接从外设输入 为真则比例控制起作用 为真则积分控制起作用 为真则微分控制起作用 为真则积分控制的输出不变 为真，使积分器的输出为I_ITLVAL 采样时间 内部的给定点的输入值 过程变量以浮点形式输入的值 >=1ms L -100~100%或者物理量 -100~100%或者物理量

续PID控制输入参数

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ugzw.html