锅炉温度控制系统的设计

成绩

齐鲁理工学院

课程设计说明书

题 目 基于PID的锅炉温度控制系统的设计

课 程 名 称 过程控制系统与仪表 二 级 学 院 机电工程学院 专 业 自动化 班 级 2014级自动化二班 学 生 姓 名 金高翔 学 号 201410532019 指 导 教 师 黄丽丽

设计起止时间： 2016年12月5日至 2016年12月18日

目 录

摘要 .................................................................... 1 1 绪论 ................................................................. 2

1.1 课程设计的背景： ................................................ 2 1.2 课程设计的任务： ................................................ 2 1.3 课程设计的基本要求： ............................................ 2 2 PLC和组态软件介绍 .................................................... 3

2.1 可编程控制器 .................................................... 3

2.1.1 可编程控制器的工作原理 .................................... 3 2.2 组态软件 ......................................................... 3

2.2.1 组态的定义 ................................................. 3 2.2.2 组态王软件的特点 ........................................... 3 2.2.3组态王软件仿真的基本方法 .................................... 4

3 PID控制及参数整定 ..................................................... 4

3.1.PID控制器的组成 ................................................. 4 3.2.采样周期的分析 ................................................... 5 4 被控对象的建模 ........................................................ 6 5 PLC控制系统的软件设计 ................................................. 8

5．1.程序编写 ........................................................ 8 5.2用指令向导编写PID控制程序 ...................................... 11 6 组态的设计 ........................................................... 14 7 系统测试 ............................................................. 16

7.1 启动组态王 ...................................................... 16 7.2 实时曲线界面 .................................................... 17 7.3历史曲线界面 .................................................... 17 8 结论 ................................................................. 18 参考文献： ............................................................. 19 致谢： ................................................................. 20

基于PID的锅炉温度控制系统的设计

摘要：从上世纪的80年代到90年代中期，PLC得到了飞速的发展，在这个时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到了大幅度的提高，PLC逐渐的进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等优点。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的未来，是无法取代的。

本文介绍了以锅炉为被控对象，以锅炉出口水温为主被控参数，以加热炉电阻丝电压为控制参数，以PLC为控制器，构成锅炉温度控制系统；采用PID算法，运用PLC梯形图编程语言进行编程，实现锅炉温度的自动控制。

锅炉的应用领域相当广泛，在相当多的领域里，锅炉的性能优劣决定了产品的质量好坏。目前锅炉的控制系统大都采用以微处理器为核心的计算机控制技术，既提高设备的自动化程度又提高设备的控制精度。

本文分别就锅炉的控制系统工作原理，温度变送器的选型、PLC配置、组态软件程序设计等几方面进行阐述。通过改造电热锅炉的控制系统具有响应快、稳定性好、可靠性高,控制精度好等特点，对工业控制有现实意义。

关键词： 电热锅炉的控制系统 温度控制 PLC PID

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1 绪论

1.1 课程设计的背景：

根据国内实际情况和环保问题的考虑和要求，燃料锅炉由于污染并且效率不高，已经逐渐被淘汰；燃油和燃气锅炉也存在着燃料供应不方便和安全性等问题。因此在人口密集的居民区、旅馆、医院和学习，电加热锅炉完全替代燃煤、燃油、燃气锅炉。

自70年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国内外温度控制系统的发展迅速，并且在智能化、自适应、参数整定等方面，以日本、美国、德国、瑞典等国家技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪表，并在各行广泛应用。

锅炉采用全新加热方式，它具有无污染、能量转化效率高、结构简单、安全性好、操作简单等优点，且可采用计算机监控，完全实现自动化。使其比其他形式的锅炉更具有吸引力。

由于锅炉是一个具有非线性、大滞后、大惯性、时变性、升温单向性等特点的被控对象，很难用数学的方法建立精确的数学模型，因此用传统的控制理论和方法很难达到很好的控制效果。而这下符合PID控制使用的条件，因而PID控制被广泛地用于电热锅炉的控制中，用来代替传统的控制方法，并获得良好的控制效果。因此，锅炉温度控制系统一直是工业技术人员研究的重点及热点。 1.2 课程设计的任务：

1、熟练掌握各种传感器的使用方法。 2、熟练掌握锅炉的控制方法。

3、编写PLC软件和组态软件完成锅炉的控制过程。

4、通过上位机监控软件能够实时监控锅炉的温度，监控锅炉运行过程中的温度变化曲线和电炉丝加热时的电流曲线，找出控制温度的最佳控制方法和参数。 1.3 课程设计的基本要求：

以锅炉为被控对象，以锅炉出口水温为主被控参数，以炉膛内水温为副被控参数，以加热炉电阻丝电压为控制参数，以PLC为控制器，构成锅炉温度串级控制系统；采用PID算法，运用PLC梯形图编程语言进行编程，实现锅炉温度的自动控制。通过课程设计，学生能够掌握锅炉的控制原理，并且能够熟练掌握通过PLC和组态软件控制锅炉的方法和过程。

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2 PLC和组态软件介绍

2.1 可编程控制器

可编程控制器是是一种工业控制计算机，简称PLC（Programmable logic Controller),它使用可编程序的记忆以存储指令，用来执行逻辑、顺序、计时、计数、和演算等功能，并通过数字或模拟的输入输出，以控制各种机械或生产过程。 2.1.1 可编程控制器的工作原理

PLC的工作方式是一个不断循环的顺序扫描工作方式。每一次扫描所用的时间称为扫描周期或工作周期。 CPU 从第一条指令开始，按顺序逐条地执行用户程序直到用户程序结束，然后返回第一条指令开始新的一轮扫描。 PLC 就是这样周而复始地重复上述循环扫描的。 2.2 组态软件 2.2.1 组态的定义

组态就是用应用软件中提供的工具、方法，完成工程中某一具体任务的过程。组态软件是有专业性的，一种组态软件只能适合在某种领域的应用。组态的概念最早出现在工业计算机控制中，如DCS(集散控制系统)组态，PLC梯形图组态。人机界面生成软件就叫工控组态软件。工业控制中形成的组态结果是用在实时监控的。从表面上看，组态工具的运行程序就是执行自己特定的任务。 工控组态软件也提供了编程手段，一般都是内置编译系统，提供类BASIC语言，有的支持VB，现在有的组态软件甚至支持高级语言。

在当今工控领域，一些常用的大型组态软件主要有：ABB-OptiMax，WinCC，iFix，Intouch，组态王，力控，易控，MCGS等。本设计采用亚控的组态王软件进行组态的设计。 2.2.2 组态王软件的特点

组态王软件具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。尤其考虑三方面问题：画面、数据、动画。通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，

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并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的

生成各种报表。它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。

2.2.3组态王软件仿真的基本方法

(1)图形界面的设计

图形,是用抽象的图形画面来模拟实际的工业现场和相应的工控设备。 (2) 构造数据库

数据,就是创建一个具体的数据库,并用此数据库中的变量描述工控对象的各种属性,比如水位、流量等。

(3)建立动画连接

连接,就是画面上的图素以怎样的动画来模拟现场设备的运行,以及怎样让操作者输入控制设备的指令。

(4)运行和调试

3 PID控制及参数整定

3.1.PID控制器的组成

PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其数学表达式为：

1u(t)Kc[e(t)Tide(t) 0e(t)dtTddt] （3-1）

t(1) 比例系数KC对系统性能的影响：

比例系数加大，使系统的动作灵敏，速度加快，稳态误差减小。Kc偏大，振荡次数加多，调节时间加长。Kc太大时，系统会趋于不稳定。Kc太小，又会使系统的动作缓慢。Kc可以选负数，这主要是由执行机构、传感器以控制对象的特性决定的。如果Kc的符号选择不当对象状态就会离控制目标的状态越来越远，如果出现这样的情况Kc的符号就一定要取反。

(2) 积分控制Ti对系统性能的影响：

积分作用使系统的稳定性下降，Ti小（积分作用强）会使系统不稳定，但能消除稳态误差，提高系统的控制精度。

(3) 微分控制Td对系统性能的影响：

微分作用可以改善动态特性，Td偏大时，超调量较大，调节时间较短。Td偏

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小时，超调量也较大，调节时间也较长。只有Td合适，才能使超调量较小，减短调节时间。 3.2.采样周期的分析

采样周期Ts越小，采样值就越能反应温度的变化情况。但是，Ts太小就会增加CPU的运算工作量，相邻的两次采样值几乎没什么变化，将是PID控制器输出的微分部分接近于0，所以不应使采样时间太小。，确定采样周期时，应保证被控量迅速变化时，能用足够多的采样点，以保证不会因采样点过稀而丢失被采集的模拟量中的重要信息。

因为本系统是温度控制系统，温度具有延迟特性的惯性环节，所以采样时间不能太短，一般是15s～20s，本系统采样17s

经过上述的分析，该温度控制系统就已经基本确定了，在系统投运之前还要进行控制器的参数整定。常用的整定方法可归纳为两大类，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，经过理论的计算（微分方程、根轨迹、频率法等），求得最佳的整定参数。这类方法比较复杂，工作量大，而且用于分析法或实验测定法求得的对象数学模型只能近似的反映过程的动态特征，整定的结果精度不是很高，因此未在工程上受到广泛的应用。

对于工程整定法，工程人员无需知道对象的数学模型，无需具备理论计算所学的理论知识，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的应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、自整定法等。在这里，我们采用经验整定法整定控制器的参数值。整定步骤为“先比例，再积分，最后微分”。

（1）整定比例控制

将比例控制作用由小变到大，观察各次响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。

（2）整定积分环节

若在比例控制下稳态误差不能满足要求，需加入积分控制。先将步骤（1）中选择的比例系数减小为原来的50～80％，再将积分时间置一个较大值，观测响应曲线。然后减小积分时间，加大积分作用，并相应调整比例系数，反复试凑至

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得到较满意的响应，确定比例和积分的参数。

（3）整定微分环节

若经过步骤（2），PI控制只能消除稳态误差，而动态过程不能令人满意，则应加入微分控制，构成PID控制。先置微分时间TD=0，逐渐加大TD，同时相应地改变比例系数和积分时间，反复试凑至获得满意的控制效果和PID控制参数。

4 被控对象的建模

某单容电加热过程如图4.1所示：

图4.1 单容电加热过程热力过程

容器内液体的总热容为C，液体的比热容为Cp，流体流量（流入、流出相等）为q，液体以温度Ti流入加热容器，以温度Tp (Tp同时也是容器中液体的温度)流出加热容器。设容器所在的环境温蒂为Tc（Tp >Tc）。在环境温度Tc、液体流入温度Ti和流量q不变的条件下，建立电加热电压u与液体输出温度Tp之间动态关系的数学模型。

把加热容器看作一个独立的隔离体，根据能量动态平衡关系，单位时间内进入容器的热量Qi与单位时间内流出容器的热量Qn之差等于容器内热量储存的变化率，可得 ：

QiQocdTpdt （4-1）

式中，输入热量由电加热器的发热量Qe和流入液体携带热量qCpTi两部分组成：

QiQeqCpTi （4-2）

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同样，由加热容器输出的热量由流出液体携带热量由流出液体携带热量

qCpTp和容器向周围散发的热量Qr两部分组成：

QoQrqCpTp （4-3）

由热力学可知，单位时间内加热容器向四周散发热量与容器散热面积（设为A）、保温材料的材料的传热系数（设为Kr）以及容器内、外温差成正比：

QrAKr(TpTc)，将上式代入式4-3得：

QoAKr(TpTc)qCpTp （4-4）

加热过程工程在稳态时，Tp保持不变，从加热容器输出热量Qo等于从外部输入的热量Qi，即Qi=Qo，则有：

QiQoCdTpdt0 （4-5）

若以增量形式表示变量相对于稳态值的变化量，即：TpTpTp0；

QiQiQi0；QoQoQo0,由式4-5可知：Qi0Qo00。代入式4-1可得：

QiQoCdTpdt （4-6）

假设q、Ti、Tc不变，QeQeQe0，从式4-2可得：

Qi(QeqCpTi)Qe0Qe （4-7）

从式4-4可得：

Qo[AKr(TpTc)qCpTp](AKrqCp)Tp （4-8）

将式4-7、式4-8代入式4-6得：

Qe(AKrqCp)TpCdTpdt （4-9）

电加热器的发热量与外加电压的平方成正比，故Qe与电压u成非线性关系。为使问题简化，在工作点（u0,Qe0）附近进行线性化处理：在工作点附近的小范围内，以切线代替原来的曲线，可以用下式表示电压变化（增量）u和加热量变化（增量）Qe之间的关系QeKqu，将其代入式4-9得：

Kqu(AKrqCp)TpCdTpdt （4-10）

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令TKqC，K ，则上式可表示为：

AKrqCPAKrqCpTdTpdtTpKu （4-11）

对式4-11取拉氏变换，可得到输出液体温度与电加热器电压之间的传递函数：

Tp(s)U(s)K （4-12） Ts15 PLC控制系统的软件设计

5．1.程序编写

（1）编写程序前，必须先填写PID指令的参数表，参数表如表5.1所示

表5.1 锅炉温度控制PID参数表

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9

地址 VD100 VD104 VD108 VD112 VD116 VD120 VD124 VD128 VD132

参数

过程变量（PVn） 给定值（SPn） 输出值（Mn） 增益（Kc） 采样时间（Ts） 积分时间（Ti） 微分时间（Td） 积分项前值（MX） 过程变量前值（PVn-1）

功能描述

温度经过A/D转换后的标准化数值 0.335（最高温度为1，调节到0.335）

PID回路输出值

-3.0 17 7 0

根据PID运算结果更新 最后一次PID运算过程变量值

（2）编写PLC控制程序

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图5.1 锅炉温度的PLC控制梯形图（一）

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图5.1 锅炉温度的PLC控制梯形图（二）

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5.2用指令向导编写PID控制程序

（1）打开指令向导，选定PID。选中菜单栏中的“工具”，单击其子菜单“指令向导”，弹出如图5.2所示的界面，选定“PID”选项，单击“下一步”按钮。

图5.2 硬件配置图

（2）指定回路号码，如图5.3所示，本例选定回路号码为0，单击“下一步”。

图5.3 指定回路号码

（3）设置回路参数，如图5.4所示，本例将比例系数设定为3，将采样时间设定为0.5s，积分时间设定为20min，微分时间设定为0，即不使用微分项，只使

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用PI控制器，然后单击“下一步”按钮。

图5.4 设置回路参数

（4）为计算指定储存区，如图5.5所示，PID指令使用V储存区中的一个36字节的参数表，储存用于控制回路操作的参数。PID计算还要求一个“暂存区”，用于存储临时结果。先单击“建议地址”，再单击“下一步”按钮，地址自动分配。

图5.5 为计算指定存储区

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（5）指定子程序和中断程序，如图5.6所示，本例使用默认子程序名，只要单击“下一步”按钮即可。如果项目包含一个激活PID配置，已经建立的中断程序名被设为只读。因为项目中的所有配置共享一个公用中断程序，项目中增加的任何新配置不得改变公用中断程序的名称。

图5.6 指定子程序和中断程序

（6）生产PID代码，如图4.7所示，单击“完成”按钮，S7-200PLC指令向导为指定的配置生产程序代码和数据块代码。由向导建立的子程序和中断程序成为项目的一部分。要在程序中使能该配置，每次扫描周期时，使用SM0.0从主程序块调用该子程序。

图5.7 生成PID代码

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（9）编写程序，如图5.8所示

图5.8 程序

6 组态的设计

双击组态王的快捷方式，出现组态王的工程管理器窗口，双击新建按扭，按照弹出的建立向导，填写工程名称。然后打开刚建立的工程。进入组态画面的设计，如图6.1所示：

图6.1 新建工程

因为组态画面要与西门子S7-200 PLC连接之后才能使用，所以要新建S7-200的连接，具体步骤如下图6.2所示：

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图6.2 新建设备

要实现组态王对S7-200的在线监控，就先必须建立两者之间的联系，那就需要建立两者间的数据变量。基本类型的变量可以分为“内存变量”和I/O变量两类。内存变量是组态王内部的变量，不跟被监控的设备进行交换。而I/O变量是两者之间互相交换数据的桥梁，S7-200和组态王的数据交换是双向的。如图6.3、图6.4所示：

图6.3 新建变量

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图6.4 变量表

以上步骤进行完成，开始绘制主监控界面，主控界面实现的是操作者观察仪表，得到锅炉内液体温度和液位的实时信息，在该界面加入菜单项，可以查看历史系统报警，加入实时曲线、历史曲线和开关按钮，可以使操作者更加快捷、准确的实现对系统的控制。如图6.5所示：

图6.5 锅炉温度控制系统主监控界面

7 系统测试

7.1 启动组态王

打开组态王的项目工程管理器，点击窗口栏中“VIEW”或者在画面中点击右键，选择“切换到VIEW”，启动组态王，进入主画面。这个时候，系统会自动打开一个信息窗口，可以通过信息窗口来知道，组态王的运行情况以及和PLC的连接是否成功。如果连接不成功，会出现通信失败的提示语言，那就要查明原因，否则不能监控。如果提示连接设备成功，窗口会显示开始记录数据，那就表示可以开始系统的运行了。组态监控启动之后，会自动显示组态画面。

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7.2 实时曲线界面

实时趋势曲线的功能是随着系统的运行，动态的显示出锅炉内液体的温度和液位的变化情况，让用户清楚的看出温度和液位的变化趋势，为下一步控制做出精确地决策。如图7.2所示：

图7.2 实时趋势曲线

7.3历史曲线界面

历史趋势曲线记录了锅炉内液体温度和液位的历史变化，用户可方便查看历史曲线的变化情况。该界面加入了打印按钮，可方便的实现对历史曲线的打印。如图7.3所示：

图7.3 历史趋势曲线

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8 结论

锅炉是化工、供热供暖、炼油、发电等生产中不可或缺的设备，它的应用领域相当广泛，在相当多的领域里，锅炉的性能优劣决定了产品的质量好坏。目前锅炉的控制系统大都采用以微处理器为核心的计算机控制技术，既提高设备的自动化程度又提高设备的控制精度。本次课程设计主要认识了STEP7-Micro/WIN软件的基本编程和组态王画面的设计,了解了锅炉水温控制系统的基本原理，熟悉掌握了各种传感器的使用方法及锅炉的控制方法，并且学会了如何去设计一个过程控制系统，掌握了基本的设计方法。

通过这次课程设计，我对过程控制有了更深刻的了解，把自己所学的过程控制系统的分散理论知识都联系起来，使自己所学的过程控制系统的理论知识形成了一个体系。让我更加清楚的认识到理论与实践的关系----只有把理论与实践紧密结合起来，理论知识才能变成有应用价值的灵活知识。认识到理论知识只有运用于实践才能产生巨大的经济利润和社会价值，而实践只有在科学正确理论指导下才能取得成果。科学正确的理论知识是推动人类实践活动前进的强大精神武器，而实践活动四检验理论正确与否的唯一标准也是理论产生的源泉。理论与实践紧密联系，相互依存。

当然在这次课程设计中，也发现了自己的很多不足之处，比如对所学的过程控制系统的知识原理掌握的还不厚牢固，知识应用于不够灵活，不能举一反三等。在以后的学习中一定要脚踏实地、一丝不苟的对待所学专业知识，认真学习、精益求精为将来的学习、研究和工作奠定坚实的理论基础，在以后的学习中多参与实际生活问题的思考，多参加实践活动！

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参考文献：

[1] 王东署.S7-200PLC基础及应用[M]. 中国电力出版社，2013

[2] 王再英，刘淮霞，陈毅静.过程控制系统与仪表[M]. 机械工业出版社，2006 [3] 周美兰，周封，王岳宇.PLC电气控制与组态设计[M]. 科学出版社，2009 [4] 龚威.实例解读西门子PLC[M]. 中国电力出版社，2013

[5] 高安邦，诸雪莲，韩维民.PLC技术与应用理实一体化教程[M]. 机械工业出版社，2013 [6] 王艳芬，候益坤.PLC应用与组态监控技术[M]. 北京理工大学出版社，2012 [7] 郑凤翼.西门子S7-200系列PLC应用100例[M]. 科学出版社，2009 [8] 王存旭.可编程控制器原理及应用[M]. 高等教育出版社，2013

[9] A water pumping control system with a programmable logic controller (PLC) and industrial wireless modules for industrial plantsan experimental setup ISA Transactions, In Press, Corrected Proof, Available online 3 December 2010 Ramazan Bayindir, Yucel Cetince

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致谢：

经过两周的学习和实践，我的课程设计终于顺利完成。我必须感谢我的指导老师和我的同学们，没有他们的帮助，这次课程设计就不可能完成。首先是我的指导老师给我提供了很多资料和设计步骤，并且耐心给我讲解，期间有好多关键性的问题，都是因为有老师的帮助才能很快的解决。在此，我表示深深的谢意。其次，是我的同组成员们，是他们和我共同的努力下才有了今天设计的完成，对此，我也要表示感谢。最后，在设计时，实验室的同学们也给了我很多帮助，在很多时候给我指点迷津，帮我解决了不少的问题，对此也表示感谢。今后，不管是在学习中还是在工作中，我都会积极帮助他人，并回报每一个帮助过我的人，做一个对社会有用的人。

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