三菱plc倒计时指令梯形图南京仪器仪表招标采购

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  基于PLC的混合加热水温控制系统设计 摘 要 本课题采用混合加热水温的控制方式作为研究对象,进行系统设计,达到控制的工艺要求。本系统要求利用热能表检定装置循环水温进行控制的燃气-太阳能加热系统设计,利用参数检测与变换、PC机软件和硬件技术,设计一个热能表检定装置循环水温控制系统,以实现对热能表检定装置所需循环水的温度进行检测、变换、显示和控制,并实现燃气锅炉和太阳能加热的自动切换。 在本系统设计中,采用西门子S7-200系列可编程控制器进行程序设计,采用组态王软件对人机界面进行设计和调试。重点应用到PID控制系统。可编程控制器将检测水箱的出口水的温度信号转化为电流信号送入EM231模块的A路,将检测到的热能表检定装置的热能信号转化为电流信号送入EM231模块的B路。两路模拟信号经过EM231转化为数字信号送入PLC,PLC再通过PID模块进行PID调节控制,将调节的结果进行变频器的速度给定控制和调节阀的开度控制。 [关键词] 温度控制;可编程控制器;人机界面;组态王 ABSTRACT This subject adopts the control method of mixed heating water temperature as the research object, carries on the system design, achieves the control craft request. This system requires the design of the gas-solar heating system controlled by the circulating water temperature of the heat meter verification device, and the use of parameter detection and transformation, PC software and hardware technology to design a heat water table verification device circulating water temperature control system to achieve the verification of the heat energy meter. The temperature of the circulating water required by the device is detected, transformed, displayed and controlled, and automatic switching of the gas boiler and solar heating is realized. In this system design, Siemens S7-200 series programmable controllers are used for program design, and Kingview software is used to design and debug the man-machine interface. Focus on the PID control system. The programmable controller converts the temperature signal of the outlet water of the inspection tank into a current signal and sends it to the A road of the EM231 module, and converts the detected thermal energy signal of the thermal energy meter verification device into a current signal and sends it to the B road of the EM231 module. Two analog signals are converted into digital signals by EM231 and sent to the PLC. The PLC then performs PID adjustment and control through the PID module. The result of the adjustment is used to control the speed of the inverter and the opening of the regulating valve. [Key words] temperature control; programmable controller; man-machine interface; kingview 目 录 第一章 绪论 4 1.1 选题背景及意义 4 1.2 国内外研究现状 5 1.3 论文设计要求及完成的工作 5 第二章 系统总体方案设计 6 2.1 混合加热系统工作原理 6 2.2 系统硬件方案设计 7 2.3 系统软件方案设计 8 2.4 设计进度安排 9 第三章 系统硬件详细设计 10 3.1 硬件系统组成及工作原理 10 3.2 S7-200 CPU的选择 10 3.3 EM231模拟量输入模块 10 3.4 热电式传感器 12 3.5 I/O点分配及电气连接图 12 第四章 系统软件详细设计 15 4.1 PID控制及参数整定 15 4.2 系统各部分软件设计与编程 17 4.2.1 控制程序结构 17 4.2.2 梯形图程序 19 4.2.3 PID指令向导的运用 22 4.3 人机界面设计与编程 23 第五章 系统软硬件调试与运行 24 5.1 系统软硬件调试 24 5.2 系统运行 24 5.2.1 温度趋势曲线 第六章 总结及展望 28 6.1 工作总结 28 6.2 存在的问题及解决措施 28 6.3 展望 28 参考文献 29 第一章 绪论 随着石化能源的大量消耗和日益严重的自然环境破坏程度,绿色清洁的能源利用备受重视1]。在水温加热中引入更多的绿色清洁能源可以减少污染的排放、节约能源成本。使用太阳能进行预加热,燃气加热作为补充的混合加热方式是目前行之有效的一种方案2]。本文将采用混合加热的方式,使用PLC控制完成一套水温混合加热系统的设计与实现。 选题背景及意义 在自然界存在很多模拟量,比如温度、流量、光度、液位等,对模拟量的研究和控制一直从未间断3]。温度控制是最常见的控制,在生活中,存在大量的温度控制案例,比如水的温度控制,玻璃窑炉的温度控制,炼钢厂高炉的温度控制,加热炉的温度控制等等。特别是水的温度控制,在生活中应用最为广泛。随着科学技术的发展,关于温度、流量、液位等自动控制在现代工业中起着主要的作用,目前已广泛应用于工农业生产及其他建设方面4]。模拟量的自动化是保持生产稳定、降低成本、改善劳动成本、促进文明生产、保证生产安全和提高劳动生产率的重要手段。 在我国以信息化技术带动现代生产力发展的今天,温度控制的技术正在不断提高,使温度控制技术得到了前所未有的迅猛发展。目前世界各国使用较多的有基于PLC的温度控制系统,基于单片机的温度控制系统,集散型温度控制系统(DCS),基于工控机(IPC)的温度控制系统,现场总线]。在温度控制系统研究方面,国外起步较早,始于20世纪70年代。采用模拟式的组合仪表,采集现场信息并进行记录、指示与温度控制,80年代末出现了分布式控制系统。随着技术的进步,目前正在开发和研制计算机数据采集控制系统的多因子综合控制系统。目前世界各国的温度控制技术发展迅速,一些国家在目前已实现自动化的基础上正朝着完全自动化、无人化的方向发展7]。 可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统,是专门为在工业环境下应用而设计的工业控制器。它采用可编程的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作的指令,并通过数字式、模拟式的输入和输出,控制各种类型的机械设备和生产过程8]。可编程序及相关设备都应按照易于与工业控制系统集成、易于扩展其功能的原则设计。可编程控制器由于可提供使用的时间继电器和中间继电器,而且其常开、常闭触点可多次重复使用,使得我们在编程中可以随心所欲。用内部编程“软元件”取代继电器逻辑控制电路中大量的时间继电器和中间继电器,简化控制线路、有效提高系统的可靠性,是PLC的突出特点。在混合加热水温控制系统中选用PLC控制,它具有速度快,可靠性高,体积小,功能全,编程简单的特点。使用PLC进行加热水温控制系统的控制可以很好的满足所需要的控制要求,实现控制任务9]。 国内外研究现状 欧美等发达国家由于率先进入工业化时代,更早的意识到石化类能源对自然环境的破坏。所以更早的进入到绿色清洁能源的开发使用之中。欧美等国早已开始使用太阳能这个绿色资源作为替代能源的一部分10,11]。太阳能加热水在普通人民的生活用水中已经有了广泛的应用。而且在畜牧业、制造业等热水的使用中,太阳能加热可以有效的节约资源,并且提供方便的热水。 在我国虽然太阳能的起步较发达国家较晚,但是国家配合出台了多项太阳能优惠政策。我国政府对于清洁能源尤其是太阳能的研发利用上投入巨大。目前在我国居民住宅上,太阳能加热水已经有了大规模的应用。在生产制造的工业领域,太阳能加热水温技术也非常的实用并且节约成本13]。 无论在生活领域还是工业领域,太阳能加热水温已经得到了广泛的应用,但是太阳能是一种不稳定的能源,遇到天气问题可能就无法提供能源支持14]。而且太阳能加热的温度是有限的,有些情况下无法达到所需要的水温。所以在国际上太阳能和石化能源混合加热的技术得到了普遍的支持15]。 本系统研究混合加热水温控制系统,所谓混合加热,是燃气锅炉加热和太阳能加热,燃气锅炉加热通过煤或天然气等介质燃烧进行加热,太阳能加热是利用太阳能的集聚,进行水的加热16]。使用两者结合的方式达到更加节省资源的目的。 论文设计要求完成一套混合加热水温控制系统的设计与实现。为了给热能表检定装置循环水 本文采用了S7-200 PLC控制器连接模拟量模块,采集温度数据,合理分配太阳能加热和燃气加热过程,达到既节能又稳定的循环水温度控制。 系统总体方案设计 混合加热系统工作原理 本课题采用混合加热水温的控制方式作为研究对象,进行系统设计,达到控制的工艺要求。本系统要求对热能表检定装置循环水温进行控制的燃气-太阳能加热系统进行设计,利用参数检测与变换、PC机软件和硬件技术,设计一个热能表检定装置循环水温控制系统,以实现对热能表检定装置所需循环水的温度进行检测、变换、显示和控制,并实现燃气锅炉和太阳能加热的自动切换。 在温度控制上本文采用了PLC作为控制器。通过使用模拟量输入输出模块,收集水箱的出口水的温度信号、热能表检定装置的热能信号、太阳能加热水箱的温度信号。通过模数转换送入PLC控制器,采用PID调节的方法进行水温控制,已达到设定温度值。并通过组态对热能表检定装置所需循环水的温度进行检测、变换、显示和控制。 在加热环节,采用了太阳能加热和燃气燃烧加热的两种方法,使用太阳能加热进行预加热,太阳能加热可达到的温度是有限的。当太阳能加热不足以达到设定循环水温度的时候,打开燃气管道,采取燃气加热辅助的方式,以达到设定温度值。 图1.1 系统设计框图 硬件 本文控制系统采用S7-200CPU226型PLC作为主控制器,EM231模拟量扩展模块作为模拟量输入模块,水泵、各管路电磁阀、开关阀作为执行器,燃气加热器、太阳能加热器作为控制设备,检测水箱水温作为被控对象,设计了总体控制框图。 首先通过检测水箱出水温度传感器、太阳能加热水箱温度传感器、水泵反馈状态、电磁阀反馈状态等输入模拟量,模拟量模块进行转换后输入西门子S7-200PLC控制器中。通过控制程序的计算和PID调节,来对水泵,各路电磁阀做执行操作控制。在组态画面上设计显示各环节温度和热能表检定装置所需循环水的温度进行显示和控制18]。 软件设计需要能够实现各模拟量数字量的采集和转换、PLC逻辑控制功能、太阳能加热和燃气加热的切换、水泵、电磁阀等执行器的控制、组态显示和控制等功能。 图2.2 控制原理框图 件 系统软件设计思路是先使用太阳能加热水温,尽可能的利用太阳能这种清洁能源,当太阳能加热不能达到设定温度T0时,南京仪器仪表招标采购开启燃气辅助加热,以达到设定温度。当达到设定温度后,关闭燃气加热,重新采用太阳能加热的方式,以达到最大的经济效益和保护环境的目标。 在温度控制环节上,使用PLC中自带的PID算法进行调节,通过模拟量模块采集的检测水箱温度,来控制水泵的变频器转速和电磁阀的开闭。 图2.3 首先进行硬件设计的选型和接线测试,在硬件系统物理间接和数字信号读取完成之后开始软件的设计与实现。软件设计第一步实现传感器和执行器信号的输入和输出。第二步设计控制程序,完成循环水温度的设定和太阳能与燃气加热的自动切换程序。最后通过手动调试完成软件测试,通过多组实验对温度控制系统整体进行调试检验。 系统硬件设计 系统的框架图如图2.2所示。系统选用西门子S7-200 PLC为控制器,其CPU型号是CPU226。K型热电偶将检测到各水温传给EM231模拟量输入模块,转换成数字量信号并送到PLC,通过PLC控制各管路的电磁阀开闭。并针对温度采用PID控制算法进行调节,通过调节电磁阀的开度和水泵变频器的转速来实现设定温度。设计了组态界面,实现了系统的实时监控。 硬件系统采用S7-200CPU226型PLC作为主控制器,温度信号作为模拟量,通过EM231模拟量模块输入到PLC控制器,水泵、各管路电磁阀、开关阀作为执行器,燃气加热器、太阳能加热器作为控制设备,检测水箱水温作为被控对象。 通过采集温度信号和各执行器的状态,感知硬件系统的状态。在循环水能达到设定温度,就仅使用太阳能加热。当不足以达到设定温度,启用燃气加热进行辅助升温。 S7-200 CPU的选择 S7-200系列的PLC有CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP、CPU226等类型。此系统选用S7-200 CPU226,CPU226集成了24点输入/16点输出,共有40个数字量I/O。可连接7个扩展模块,最大扩展至248点数字量或35点模拟量I/O。还有13KB程序和数据存储空间空间,6个独立的30KHz高速计数器,2路独立的20KHz高速脉冲输出,具有PID控制器。配有2个RS485通讯口,具有PPI,MPI和自由方式通讯能力,波特率最高为38.4 kbit/s,可用于较高要求的中小型控制系统[19]。 本温度控制系统由于输入/输出点数不多,本可以使用CPU224以下的类型,不过为了能调用编程软件STEP 7 里的PID模块,只能采用CPU226及以上机种。 EM231模拟量输入模块 本温度控制系统中,传感器将检测到的温度转换成0~41mv的电压信号,系统需要配置模拟量输入模块把电压信号转换成数字信号再送入PLC中进行处理。在这里,我们选用了西门子EM231 4TC模拟量输入模块。EM231热电偶模块提供一个方便的,隔离的接口,用于七种热电偶类型:J、K、E、N、S、T和R型,它也允许连接微小的模拟量信号(±80mV范围),所有连到模块上的热电偶必须是相同类型,且最好使用带屏蔽的热电偶传感器。EM231模块需要用户通过DIP开关进行组态: SW1~SW3用于选择热电偶类型,SW4没有使用,SW5用于选择断线用于选择是否进行断线用于选择测量单位,SW8用于选择是否进行冷端补偿。本系统用的是K型热电偶,所以DIP开关SW1~SW8组态EM231具体技术指标见表3.1。表3.1 EM231技术指标 型号 EM231模拟量输入模块 总体特性 外形尺寸:71.2mm×80mm×62mm 功耗:3W 输入特性 本机输入:4路模拟量输入 电源电压:标准DC 24V/4mA 输入类型:0~10V,0~5V,±5V,±2.5V,0~20mA 分辨率:12 Bit 转换速度:250μS 隔离:有 耗电 从CPU的DC 5V (I/O总线mA DIP开关 SW1 0, SW2 0, SW3 1(以K型热电偶为例) 表3.2所示为如何使用DIP开关设置EM231模块,开关1、2和3可选择模拟量输入范围20]。所有的输入设置成相同的模拟量输入范围。表中,ON为接通,OFF为断开。 表3.2 EM231选择模拟量输入范围的开关表 单极性 满量程输入 分辨率 SW1 SW2 SW3 ON OFF ON 0到10V 2.5mV ON OFF 0到5V 1.25mV 0到20mA 5uA 双极性 满量程输入 分辨率 SW1 SW2 SW3 OFF OFF ON ±5V 2.5mV ON OFF ±2.5V 1.25mV EM231校准和配置位置图如图3.1所示。 图3.1 DIP配置EM231 热电式传感器 热电式传感器是一种将温度变化转化为电量变化的装置。在各种热电式传感器中,以将温度量转换为电势和电阻的方法最为普遍。其中最常用于测量温度的是热电偶和热电阻,热电偶是将温度变化转换为电势变化,而热电阻是将温度变化转换为电阻的变化。这两种热电式传感器目前在工业生产中已得到广泛应用。 该系统中需要用传感器将温度转换成电压,且炉子的温度最高达几百度,所以我们选择了热电偶作为传感器。热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。国际标准热电偶有S、B、E、K、R、J、T七种类型,在本系统中,我们选用了K型热电偶PT100,其可测量的温度是-50~+420摄氏度。足够满足本文为测量水温的要求,同时也非常廉价,经济效益高。 I/O点分配及电气连接图 该温度控制系统中I/O点分配表和整个硬件连接图如表3.3、3.4、3.5所示。 表3.3 开关量输入分配 开关量输入 符号 代表内容 IO.1 XV01 总启动 I0.2 XV02 总停止 I0.3 XV03 上水启停开关 I0.4 XV04 排水启停开关 I0.5 XV05 太阳能加热启动开关 I0.6 XV06 太阳能加热停止开关 I0.7 XV07 燃气加热启动开关 I1.0 XV08 燃气加热停止开关 I1.1 XV09 太阳能加热水箱进水_电磁阀1启停 I1.2 XV10 燃气加热水箱进水_电磁阀2启停 I1.3 XV11 燃气进气_电磁阀3启停 表3.4 开关量输出分配 开关量输出 符号 代表内容 QO.1 QV01 运行指示灯(绿) Q0.2 QV02 停止指示灯(红) Q0.3 QV03 检测水箱液位上限指示灯 Q0.4 QV04 检测水箱液位下限指示灯 Q0.5 QV05 出水电磁阀 Q0.6 QV06 水泵 Q0.7 QV07 太阳能加热水箱进水_电磁阀1 Q1.0 QV08 燃气加热水箱进水_电磁阀2 Q1.1 QV09 燃气进气_电磁阀3 表3.5 模拟量输入输出分配 模拟量输入输出 符号 代表内容 AI0 AV01 检测水箱水温 AI1 AV02 热能表装置温度 AI2 AV03 太阳能加热水箱温度 AI3 AV04 蓄水池水温 AI4 AV05 检测水箱液位 AQ0 AQ00 太阳能加热水箱进水_电磁阀1开度 AQ1 AQ01 燃气加热水箱进水_电磁阀2开度 AQ2 AQ02 燃气进气_电磁阀3开度 AQ3 AQ03 水泵变频器 通过硬件IO点的设计,使用了数字量输入11个点,数字量输入10个点,模拟量输入5个点,模拟量输出4个点。为保证未来一段时间可能增加的电位和功能,需要保留一部分预留量。PLC的外部接线 PLC接线 模拟量模块接线图 系统软件设计 PID控制及参数整定 图4.1中,R(s)为设定温度的拉氏变换式;E(s)为偏差的拉氏变换式; Gc(s)为控制器的传递函数;Go(s)为广义对象,即控制阀、对象控制通道、测量变送装置三个环节的合并; R(s) + E(s) U(s) Y(s) 图4.1 控制框图 该温度控制系统是具有时滞的一阶闭环系统,传递函数为 (4-1) 式1-1中,三菱plc倒计时指令梯形图为对象放大系数;为对象时间常数;为对象时滞。 (4-2) 由阶跃响应法求得, =0.5;=2.5分钟;=1.2分钟。 比例、积分、微分三种控制方式各有独特的作用。比例控制是一种最基本的控制规律,具有反应速度快,控制及时,但控制结果有余差等特点。积分控制可以消除余差,但是工业上很少单独使用积分控制的,因为与比例控制相比,除非积分速度无穷大,否则积分控制就不可能想比例控制那样及时的对偏差加以响应,所以控制器的输出变化总是滞后与偏差的变化,从而难以对干扰进行及时且有效的控制。微分作用是对偏差的变化速度加以响应的,因此,只要偏差一有变化,控制器就能根据变化速度的大小,适当改变其输出信号,从而可以及时克服干扰的影响,抑制偏差的增长,提高系统的稳定性。但是理想微分控制器的控制结果也不能消除余差,而且控制效果要比纯比例控制器更差。将三种方式加以组合在一起,就是比例积分微分(PID)控制,其数学表达式为 (4-3) 式1-3中:为比例系数,为积分时间常数,为微分时间常数。 根据以上的分析,本温度控制系统适于采用PID控制。 完成了上述内容后,该温度控制系统就已经确定了。在系统投运之前,还需要进行控制器的参数整定。控制器参数整定方法很多。归纳起来可分为两大类,即理论计算整定法和工程整定法。 理论计算整定法是在已知被控对象的数学模型的基础上,根据选取的质量指标,通过理论计算(微分方程、根轨迹、频率法等),来求得最佳的整定参数。这类方法计算繁杂,工作量又大,而且由于用解析法或实验测定法求得的对象数学模型都只能近似的反映过程的动态特性,整定结果的精度是不高的,因而未在工程上受到广泛推广。 对于工程整定法,工程技术人员无需知道对象的数学模型,无需具备理论计算所需的理论知识,就可以在控制系统中直接进行整定,因而简单、实用,在实际工程中被广泛使用。常用的工程整定法有经验整定法、临界比例度法、衰减曲线法、反应曲线法、自整定法等。在这里,我们采用经验整定法来整定控制器的参数值。下面介绍下方法步骤。 经验整定法实质上是一种经验凑试法,是工程技术人员在长期生产实践中总结出来的。它不需要进行事先的计算和实验,而是根据运行经验,先确定一组控制器参数,并将系统投入运行,通过观察人为加入干扰(改变设定值)后的过渡过程曲线,根据各种控制作用对过渡过程的不同影响来改变相应的控制参数值,进行反复凑试,直到获得满意的控制质量为止。 由于比例作用是最基本的控制作用,经验整定法主要通过调整比例度的大小来满足质量指标。整定途径有以下两条: 1)先用单纯的比例(P)作用,即寻找合适的比例度,将人为加入干扰后的过渡过程调整为4:1的衰减振荡过程。然后再加入积分( I )作用,一般先取积分时间T1为衰减振荡周期的一半左右。由于积分作用将使振荡加剧,在加入的积分作用之前,要先衰减比例作用,通常把比例度增大10%-20%。调整积分时间的大小,直到出现4:1的衰减振荡。需要时,最后加入微分(D)作用,即从零开始,逐渐加大微分时间Td,由于微分作用能抑制振荡,在加入微分作用之前,可以把积分时间也缩短一些。通过微分时间的凑试,使过渡时间最短,超调量最小。 2)先根据表选取积分时间Ti和Td,通常取Td=(1/3-1/4)Ti,然后对比例度进行反复凑试,直至得到满意的结果。如果开始时Ti和Td设置的不合适,则有可能得不到要求的理想曲线。这时应适当调整Ti和Td,再重复凑试,使曲线 控制器参数经验数据 控制 变量 规律的选择 比例度 (%) 积分时间 Ti(分钟) 微分时间 Td(分钟) 温度对象容量滞后较大,即参数受干扰后变化迟缓,应小,Ti要长,一般需要微分20-60 3-10 0.5-3 通过经验整定法的整定,PID控制器整定参数值为: 比例系数=120,积分时间=3分钟,微分时间=1分钟。 控制程序结构 PLC运行时,通过特殊继电器SM0.0产生初始化脉冲进行初始化,将温度设定值,PID参数值等,存入有关的数据寄存器,使定时器复位;按启动按钮,系统开始温度采样,采样周期为10秒;K型热电偶传感器把所测量的温度进行标准量转换(0-41毫伏);模拟量输入通道通过读入0-41毫伏的模拟电压量送入PLC;经过程序计算后得出实际测量的温度T,将T和温度设定值比较,根据偏差计算调整量,发出调节命令。 在系统输入设定温度T0进入运行后,本文设计的控制程序流程图如下所示。首先需要通过温度传感器传回的数据:蓄水热水器温度Tx和太阳能加热水箱温度Tt,计算两者差值: (4-6) 设定一个合理的阈值Ty,当TdTy时,认为太阳能加热已经不能满足加热需求,需要使用燃气加热进行辅助增温。 所以需要采取燃气加热进行辅助升温。首先打开燃气加热进水电磁阀2,开启燃气进气电磁阀3,通过PID控制算法,实时计算输出电磁阀3的开度,来达到设定温度T0。当蓄水池的温度达到设定温度,即T=T0,就不需要燃气加热,关闭燃气加热进水电磁阀2,关闭燃气进气电磁阀3。重新采用太阳能加热即可满足设定温度。 图 4.2 太阳能和燃气加热切换程序流程 梯形图程序 图4.3 系统运行状态 上述程序中,I0.1和I0.2分别是启动和停止按钮,Q0.0和Q0.1分别是系统运行指示灯(绿灯)和系统停止指示灯(红灯),M0.0和M0.1是中间继电器。 图4.4 调用PID模块 这里用SM0.0直接调用了编程软件自带的PID子程序,即就是用PID指令向导编程。上面的指令中,PV_I为反馈值,也就是热电偶将检测到的当前温度值送入温度模块后输出的模拟电压值AIW0;Setpoint_R为设定值。 每个PID回路都有两个输入变量,给定值SP和过程变量PV。执行PID指令前必须把它们转换成标准的浮点型实数。即先把整数值转换成浮点型实数值,再把实数值进行归一化处理,使其为0.0-1.0之间的实数。归一化的公式为 R1=(R/S+ M) (4-6) 式中,R1为标准化的实数值;R为未标准化的实数值;M为偏置,单极性为0.0,双极性为0.5;S为值域大小,为最大允许值减去最小允许值,单极性为32000,双极性为64000。 在本项目中,R=100,即就是设定温度100度;S=32000,M=0.0,所以按照归一化公式R1=100/32000+0.0=0.03125,即Setpoint_R为0.03125. 图4.5 PID占空比设定 该网络的程序功能是把PID回路输出转换成占空比。因PID回路的输出PID0_Output为0.0-1.0之间的实数值,又因我们设置了采样时间为10秒,所以第一个指令MUL_R中INT2为100.0。ROUND是将实数转换成双整数,DI_I是将双整数转换成整数。VW2和VW4分别是采样周期内的加热时间和非加热时间。 图4.6 定时器控制加热时间 上述程序用了两个100ms的定时器T241和T242来控制加热时间,其中Q0.3为连接固态继电器的输出端子。 图4.7 温度值显示 PID指令向导的运用 该网络的程序是为了在电脑上通过STEP7-Micro/WIN编程软件显示当前温度和设定温度值而写的,其实也就是归一化的逆过程。若无该网络,则显示的温度值都是归一化的实数值,不便于记录和观察。 STEP7-Micro/WIN提供了PID Wizard(PID指令向导),可以帮助用户方便地生成一个闭环控制过程的PID算法。此向导可以完成绝大多数PID运算的自动编程,用户只需在主程序中调用PID向导生成的子程序,就可以完成PID控制任务。PID向导既可以生成模拟量输出PID控制算法,也支持开关量输出;既支持连续自动调节,也支持手动参与控制[4]。本项目程序中就正好运STEP7-Micro/WIN软件自带的PID指令向导。从而使得程序简单易懂,同时也达到了控制要求。 人机界面设计 HMI监控系统由监控主画面及相应的功能子画面组成,HMI画面设计对于HMI来说是非常关键的。HMI画面是用组态软件来做的,常见的组态软件有西门子公司的Wincc、罗克韦尔公司的RsView及国产的组态王、力控等。在本温度控制系统设计中,我们选择了组态王来完成监控画面的设计。组态王和其他组态软件相比最大的优势是它操作方便,提供了资源管理器式的操作主界面,并且提供了以汉字作为关键字的脚本语言支持,对于新手来说很容易上手。 通过组态王创建了组态画面: 图4.8 组态主界面 该组态主界面,描绘了该混合加热水温控制系统,通过太阳能加热水箱、燃气加热水箱、蓄水池的结合使用,达成为热能表鉴定系统提供稳定目标水温的循环水的目的。在画面进入运行之后,点击画面上的可控部件可以进行手动的控制。 系统调试与运行 完成了PLC程序设计和人机界面设计之后,进入系统运行测试阶段。首先在STEP7-Micro/Win编程软件中将设计好的程序下载到PLC中,然后打开组态王,切换到运行模式。 系统 首先需要完成PLC控制器和模拟量模块的安装,通过将温度传感器的传输线接到模拟量模块接线点上,来进行数据采集。通过编写温度显示程序,实现温度的采集。将开关阀、水泵、电磁阀等硬件的各个部分分别接入到PLC的数字输入输出模块和模拟量模块上,分别进行测试。能够实现状态读入和开闭操作后,进入下一步的控制系统编程。 根据软件设计流程,编写PLC控制程序,能够实现温度的显示,需求温度的设定,太阳能和燃气加热的自动切换和PID控制。编写HMI组态界面和点位连接。通过Step7西门子编程软件进行编程和调试。通过在线监控可以有效快捷的进行编程的调试工作。 系统 进入运行画面后,首先点击“开始”按钮,则开关变绿色,系统开始运行,目前温度值开始有数据显示,温度仪表上也显示了当前温度值。图6-1是当前温度为99.9摄氏度。PLC温度采集同时获取了蓄水池实时温度Tx(Tx=99.9),同时也采集太阳能加热水箱温度Tt(此时Tt=96.5),通过计算两者差值Td: 与内设阈值Ty(此处Ty=3)比较,当偏离阈值时,启动燃气加热进行辅助升温。此刻以及偏离阈值3,所以需要采取燃气加热进行辅助升温。 打开燃气加热进水电磁阀2,同时通过PID的计算得到需要的燃气进气电磁阀3的开度。打开电磁阀3,并通过PID计算实时控制开度。 当温度已经达到设定温度T0后,就不需要燃气加热。关闭燃气加热进水电磁阀2,关闭燃气进气电磁阀3。 图5.1 系统运行—主界面 PID参数通过组态可以设置。打开主界面,点击“设定画面”按钮,则切换到设定画面。增益Kc、积分时间Ti、微分时间Td、采样时间、三菱plc倒计时指令梯形图设定温度这几个变量的值也显示在画面上。本项目编写程序时用了PID指令向导,Kc设置了120,Ti设置了3分钟,Td设置了1分钟,则设定画面上也是现实同样的数据。如图6-2所示。温度趋势曲线)打开主界面,南京仪器仪表招标采购点击“实时趋势曲线”按钮,则切换到实时趋势曲线画面。画面中红色曲线表示设定温度,蓝色曲线表示当前温度。由实时趋势曲线图可知,首先设定温度为96度,系统运行后当前温度快速上升到95度,然后稍微缓慢上升到97度左右,最后下降到96度左右稳定下来。其中,当前温度值最大为97.5度,稳定后在95.8度到96.3度之间,与设定温度极为接近。可见,该温控系统超调量很小。图5.3是当前温度在95度到96度设定温度之间缓慢上升的阶段。 图5.2 系统设定画面 2) 打开主界面,点击“历史趋势曲线”按钮,则切换到历史趋势曲线所示,画面中红色曲线表示设定温度,蓝色曲线表示当前温度。其中Y轴不是实际的温度值而是百分比。从曲线可以看出,开始时蓝色曲线快速上升,最后超出红色曲线一点,和它平行,最后差不多重合。由图5.4可知,该温度控制系统从开始运行到趋于稳定需要14分钟 20秒,系统反应快速,控制精确度高,抗干扰能力强。 图5.3实时趋势曲线历史趋势曲线 报警信息 打开主界面,点击“报警窗口”按钮,则切换到报警窗口。 要求当设定温度为T0,规定温度T允许的上下限范围为正负5摄氏度。即: 当温度T超过规定温度T05摄氏度,南京仪器仪表招标采购或者小于T05摄氏度时,产生报警信号。通过报警信号告知操作人员目前的温度状态,可进行适当调整。 总结展望 总结 本文以给热能表检定装置所需循环水提供稳定的水温控制为目的,设计了混合加热水温控制系统。采用了太阳能加热和燃气加热的混合加热方式,可以有效节约能源成本。实现对热能表检定装置所需循环水的温度进行检测、变换、显示和控制,并实现燃气锅炉和太阳能加热的自动切换。 在温度控制上本文采用了PLC作为控制器。通过使用模拟量输入输出模块,收集水箱的出口水的温度信号、热能表检定装置的热能信号、太阳能加热水箱的温度信号。通过模数转换送入PLC控制器,采用PID调节的方法进行水温控制,已达到设定温度值。并通过组态对热能表检定装置所需循环水的温度进行检测、变换、显示和控制。 在加热环节,采用了太阳能加热和燃气燃烧加热的两种方法,使用太阳能加热进行预加热,太阳能加热可达到的温度是有限的。当太阳能加热不足以达到设定循环水温度的时候,打开燃气管道,采取燃气加热辅助的方式,以达到设定温度值。 本文 展望 该温度控制系统也有一些有不足的地方需要改进,编程时我们用了编程软件自带的PID指令向导模块,这样虽然方便,但是使得控制系统超调量和调节时间都稍微偏大,若不直接调用该模块,而是自己编写PID控制子程序的话,控制效果可能会更好。还有人机界面内容不够丰富,若再加上报表系统、打印功能的话,那就更加完整。在温度控制上,可以加入循环水的保温措施,使得循环水的温度更加稳定和持久。 参考文献 姚伟.太阳能利用与可持续发展[J ].中国能源,2007,27(2):46-47. 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