九江西门子S7-300代理商

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一、 概述

        锅炉是目前城市的主要空气污染源，尤其是在北方城市，烟筒林立的现象仍然存在。改善这种情况的方案之一是拆除那些设备陈旧、效率低、污染大的小锅炉房，合并成大锅炉房实行集中供热，并采用计算机控制、变频器等先进技术，从而有效地减少污染，tigao效率，节约能源，同时也可以tigao供暖质量，目前很多城市在实施这一方案。
  某高校原有四台个小锅炉房，现改造合并成一座大锅炉房，新建四台锅炉，其中一台15 吨蒸汽锅炉，三台20 吨热水炉，负责全校教学区，宿舍区，家属区的供暖任务，以及食堂，浴池等的供汽任务。我们结合多年设计锅炉控制系统的经验，为新锅炉系统设计了热工控制部分，锅炉的鼓风，引风，炉排，以及供暖循环泵等都采用变频调速控制，锅炉系统则采
用自行设计的计算机集散控制系统，实现了供暖锅炉的现代化控制与管理。本文介绍此
集散控制系统的设计与实现。

二、 系统总体结构

    锅炉系统工作在高温高压条件，有一定的危险性，对控制系统的可靠性要求高，因此在系统结构上，我们采用了集散型控制系统的方案。系统主要由现场控制层、车间监控层和企业管理层三个层次构成。选择研华Adam5511 软PLC 做现场控制单元，每台5511 完成一台锅炉的控制任务；监控层采用奔腾III 工业控制机做上位机操作站，显示实时数据以及操作画面；系统设置有数据库服务器及WEB 服务器，管理人员可以通过internet 浏览锅炉的实时和历史数据，并据工程师站控制站1 控制站4 控制站5操作站1 操作站2 服务器RS-485至企业网及internet以太网1#炉4#炉公共部分此进行系统的运行优化等工作，构成了系统的管理层。现场控制站与操作站之间采用RS485 总线，MODBUS 协议通讯；操作站、工程师站及服务器之间采用以太网连接。整个系统可靠性高，同时又具有先进的控制与管理功能，而其成本较采用进口DCS 低一倍以上，因此是类似系统的方案。系统的总体结构如图1 所示。 PLC

PLC

 
图1 系统总体结构

三、系统功能设计

1） 车间监控层及管理层
    监控层设置两台（或多台）操作员站、一台工程师站，一台服务器。操作员站采用研华奔腾III 工业控制微机，主要用于锅炉系统的数据显示及进行控制操作，工程师站采用奔腾IV 微机，用于进行系统参数设定及系统维护。
    操作员站的主要功能是提供给锅炉系统操作人员一个直观方便的人机界面。系统可具有两个或两个以上的操作员站，他们具有同样的功能并互为备用。操作员站设置有如下显示画面。
􀁺 流程画面：将现场控制站采集的现场数据及工艺参数显示在流程图的相应位置上，通过动画直观的显示锅炉运行状态及各种实时数据。操作人员可根据此画面了解整个锅炉系统的运行情况
􀁺 工艺参数画面：以数据表格的形式实时显示各工艺参数与对应的名称，单位，同时可显示对锅炉耗煤量，产汽（供热）量，用水量等的计算和累积结果。

􀁺 调节画面：将系统各控制回路的运行状态和有关参数以调节棒图的形式显示出来。可以显示回路的手自动状态。操作人员利用键盘或鼠标方便的对各控制回路，的控制参数进行再线修正。
􀁺 报警画面：用于记录何时何地有何报警，以便有关人员查询，同时实现安全连锁控制
􀁺 历史趋势画面：用于记录系统主要工艺参数的长期历史趋势数据，以曲线的形式显示出来，可为分析系统运行情况及效率，查找故障等提供依据。工程师站除具有操作站的全部功能外，还具有参数设定与修改，系统维护等功能。可设定系统的各模拟量测量点的标度变换系数、热电阻、热电偶的线性化参数、孔板liuliang计算参数、给煤量计算参数、锅炉及供热热效率参数、各控制回路组态参数、及
PID 参数等。工程师站负责系统的打印任务，可打印即时报警，历史报警记录以及锅炉运行日志和历史数据表格等。
  系统通过Web 服务器将锅炉系统数据及工艺参数送至校园网或企业内部网，使有关领导可从内部网上看到锅炉系统的运行状况，并可实现系统的远程诊断和维护。管理层实现更的管理功能，位于企业厂长经理室，可通过internet 浏览系统的运行数据，监视系统的运行状态，对系统的运行进行计算统计和优化等。工程技术人员或企业领导无论出差何地，都可查看系统数据，甚至进行系统维护。
2）现场控制层
    现场控制层采用研华公司的产品，称为软PLC 的 Adam5511. 这是一种模块化的工业控制机，固化有dos 操作系统，支持C 语言编程，支持Modbus 通讯协议，每台锅炉由一台Adam5511 负责对其进行数据采集及控制，另有一台Adam5511 负责系统公共部分的数据采集及控制。每台Adam5511 配置16 点模拟量输入，4 点模拟量输出，16 点开关量输入输出。可采集16 点锅炉运行现场数据，组成4 个闭环控制回路。分别控制蒸汽锅炉的水位、汽压、炉膛负压，鼓风四个回路或热水锅炉的出水温度、炉膛负压及鼓风三个回路。

四、系统软件

    系统的操作站软件采用了中文工控组态软件MCGS 设计，MCGS 是全中文工业自动化控制组态软件， 可稳定运行于bbbbbbs95/98/NT 操作系统，集动画显示、流程控制、数据采集、设备控制与输出、网络数据传输、双机热备、工程报表、数据与曲线等诸多强大功能于一身，使生成的系统图文并貌，运行稳定可靠。
    系统的现场控制站的软件采用Turbo C3.0 设计，软件采用模块化的设计方法，它以实时数据库为核心，各种数据采集、处理、运算以及控制功能都设计成功能块的形式，系统的实时数据以及各功能块参数都存于实时数据库中，各功能块通过实时数据库交换数据。可通过在上位机进行组态然后下载 PLC资料网
组态参数至5511 中构成新系统。控制站与操作站之间采用modbus 协议交换数据。

五、 锅炉系统控制回路

    锅炉是一个复杂的控制对象，其控制回路非线性严重，同时控制回路之间有耦合，因此系统采用智能变形PID 算法，配和前馈等控制方法实现对锅炉个回路的控制。
    小型蒸汽锅炉的控制回路主要包括蒸汽压力、汽包水位、炉膛负压和鼓风控制回路；热水锅炉则包括出水温度、炉膛负压和鼓风控制回路。
    锅炉的蒸汽压力（或出水温度）以及炉膛负压、鼓风控制回路构成锅炉的燃烧控制系统其控制方案是采用蒸汽压力或出水温度为主调量，通过调整炉排转速使蒸汽压力或出水温度尽快达到给定值，同时配合风-煤配比控制鼓风量达到经济燃烧，炉膛负压回路则将炉膛内的压力保持在微负压。
    热水炉的出水温度设定值跟随室外温度的变化自动修正，使用户室内的温度保持恒定，同时实现经济供热。温度设定曲线可根据不同供热时期有所变化改变。锅炉水位控制回路使锅炉水位保持恒
定，由于锅炉水位受蒸汽负荷的影响较大，容易产生假水位，因此给水控制回路引入蒸汽liuliang及给水liuliang前馈控制的三冲量控制方案，以消除假水位的影响。 PLC
    除常规控制回路外，对锅炉燃烧控制系统，我们还设计了自动寻优算法。锅炉运行过程中，寻优程序将根据计算出的锅炉热效率以及燃烧情况，自动调整锅炉的风煤配比，使燃烧达到佳，从而实现节煤和减少污染的目标。

六、 结束语

    本文设计的集散型锅炉微机控制系统经实际使用，完全达到了设计要求。该系统的使用使城市小区供热锅炉的控制与管理达到了新的水平，可显著tigao供热系统的运行效率以及供热效果，在节约能源，减少城市污染方面效果显著。根据运行结果初步统计，供热锅炉使用变频器及本文设计的集散
微机控制系统后，可以节电30-40%，节煤3-5%，一年就可收回投资成本，是城市集中供热计算机控制系统的方案。

引言

　　随着电子技术的发展，可编程序控制器（PLC）已经由原来简单的逻辑量控制，逐步具有了计算机控制系统的功能。在现代工业控制中，PLC 占有了很重要的地位，它可以和计算机一起组成控制功能完善的控制系统。在许多行业的工业控制系统中，温度控制都是要解决的问题之一。如塑料挤出机大都采用简单的温控仪表和温控电路进行控制，存在控制精度低、超调量大等缺点，很难生产出高质量的塑料制品。在一些热处理行业都存在类似的问题。为此，设计了较为通用的温度控制系统，具体系统参数或部分器件可根据各行业的要求不同来进行调整。系统采用罗克韦尔SLC500系列PLC，通过PLC串口通信与计算机相连接，界面友好、运行稳定。

1 系统构成

　　基于PLC的温度控制系统一般有两种设计方案，一种是PLC扩展专用热电阻或热电偶温度模块构成，另一种是PLC扩展通用A/D转换模块来构成。

1.1　扩展热电阻/热电偶模块

　　在SLC500控制器扩展模块中，有集温度采集和数据处理于一身的专用智能温度模块—热电阻/电阻信号输入模块（1746-NR4）。在此模块中温度模拟量产生对应的16位A/D数字值，其对热电阻变送的温度信号的分辨率约为1/8度，控制器在数值处理中可以直接使用模块的转换值，无需在硬件级电路上作其他处理。热电阻温度模块的使用十分方便，只需要将热电阻接到模块的接线端子上，不需要任何外部变送器或外围电路，温度信号由热电阻采集，变换为电信号后，直接送人温度模块中。热电偶/毫伏输入模块（1746-NT4）的功能与热电阻/电阻信号输入模块（1746-NR4）类似。系统如图1所示。

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图1 扩展温度模块的温控系统

1.2　扩展通用A/D模块

　　在PLC温度控制系统中，可以用通用模拟量输入输出混合模块构成温度采集和处理系统。通用A/D转换模块不具有温度数据处理功能，因此温度传感器采集到的温度信号要经过外围电路的转换、放大、滤波、冷端补偿和线性化处理后，才能被A/D转换器识别并转换为相应的数字信号。SLC500系列PLC常用的模拟量输入输出混合模块有—2路差分输入/2路电压输出模块（1746-NIO4V），其A/D转换为16位。由A/D转换模块构建的温控系统不但需要外加外围电路，而且其软件和硬件的设计也比较复杂。系统如图2所示。

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图2 通用A/D转换模块温控系统

2 输入输出控制

　　比较而言用温度模块1746-NR4构建的PLC温控系统具有较好的控制效果。SLC500控制器的输入通道中一个热电阻模块多可以接4个温度热电阻温度传感器。输出通道为模拟量输出模块（1746NIO4V），其输出信号是电压信号，可以通过电压调整器控制电源的开度（即一周期内的导通比率），从而控制电源的输出功率。

　　在被控对象要求较高的控温精度时，SLC500控制器可以采用PLC自身具有的PID指令进行PID控制算法的研究。SLC500系列PLC的PID指令使用下列算法：

　　输出=Kc[（E）+1/Ti∫（E）dt+Td·D（PV）/Dt>+bias

　　程序设计时，输入PID指令后，要输入控制块，过程变量和控制变量的地址。对于SLC500 PID指令，过程变量（PV）和控制变量（CV）两者的量度范围为0到16383。在使用工程单位输入时，必须首先把用户的模拟量范围整定在0-16383数字量度范围之内，为了实现这个目的，需要在PID指令之前使用数值整定指令（SCP指令）进行整定。整定原理如图3。

  PLC

图3 数值整定原理

　　整定了PID指令的模拟量I/O范围，用户就能输入适用的小和大的工程单位。过程变量，偏差，设定点和死区将在PID数据监视屏上以工程单位显示。图4为PID指令的设置界面，表1为PID指令各参数的说明。

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图4 PID模块在线参数设定与标志位

　　表1 PID模块参数说明

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　　一般温控系统的控制算法可以采用分段式PID控制，即在系统工作的大多数时间内，为PID控制，其参数由10%电源开度下的温度飞升曲线测得。在温度响应曲线的由初态向设定点的上升段过程中，大致采用三段控制。首先置电源为满开度，以大的功输出克服热惯性;接下来转入PID控制;接近设定点时置电源开度为0，提供一个保温阶段，以适应温度的滞后温升。基于以上要求，PID指令各参数可设置如表2所示。表2 PID模块参数设定

　　温控系统中热电阻模拟量输入模块的电压信号范围一般是0—4124，SCP指令把它整定为0—16383的工程单位，将其值放入PV（过程变量）的内存地址N7:38中，把控制输出值放入N7:39当中。后用MOV指令把N7:39中的过程变量传递到1746NIO4V模拟量输出模块中。控制效果如下：（1）SP-PV≥50时，输出值为大值32767，使电压调节器开度大，即给加热器大电压供电，使被测对象温度快速上升。（2）SP-PV>-30和SP-PV<50时，输出为PID控制输出，此范围为PID参数调节的范围。（3）SP-PV<-30时，输出值为小值0，电压调节器开度为零，即停止加热。

3 显示扩展

　　PLC控制系统显示界面比较单调，一般是通过观察控制柜上的指示灯或PLC的LED灯来了解控制器状态，但对于温控系统这样的显示是不够的，需要采用数码管显示或PC显示。

　　采用数码管显示时，可以选用ZLG7289A芯片[4>，它与控制器采用3线串行接口，只需要占用SLC500的3个输出点，可以驱动8个LED数码显示管，同过级联可以扩展数码显示管的数量，实现多段实时温度显示。SLC500与ZLG7289A的连接如图5所示。

PLC

图5 ZLG7289A与SLC500及显示器的接口

　　图5中CS为片选输入端，此脚为低电平时，可向芯片发送指令;CLK是时钟输入端，;DATA是串行数据输入端，串行数据在时钟CLK的上升沿有效。8个段驱动信号SEG接每个显示器的段，8个位驱动信号DIG0—DIG7分别接显示器的共阴极公共地。

　　SLC500有RS232通信口，可以通过专用电缆与PC机相连。通过Rsview32软件的组态，PC机可以动态显示PLC传送的温度采集数据，还可以通过联网对多台PLC进行网络监控。

4 PLC与PC通信设计

4.1 PLC数据包的信息格式

　　SLC500与上位机进行数据交换是以二进制字节数据进行，它包含四种主要命：读命令，代码：01H;响应读命令，代码：41H;写命令，代码：08H;响应写命令，代码：48H[5>。故PLC数据包的信息格式如图6所示：

PLC

图6 PLC数据包的信息格式

　　DST：一个字节，信息接收方的节点号或文件号;

　　SRC：一个字节，信息发出方的节点号;

　　CMD：一个字节，命令类型如01H，41H，08H或48H;

　　STS：一个字节，通信状态，表示通信有无错误或错误类型，0为无错误;

　　TNS：二个字节，信息包的业务批号，可作为本信息的识别编号;

　　Addata：地址/字节数/数据，具体内容由不同的命令类型决定。

　　PLC与PC机的数据通信采用自由端口通信模式，参数设置成为波特率9600bps，每个字符8位数据，无奇偶校验。采用主从式通信协议，PC机为主机，只有PC机有权主动发送报文，PLC则采用报文接受数据。用RSLogix500软件对SLC500的串口进行如下设置：

　　1） set the module for full duplex BSC （DF1 full duplex）

　　2） set the module for bbbbbded response

　　3） set detect for automatic

　　4） disable duplicate packet detect

　　5） set the baud rate for 9600.

4.2 PC机程序

　　PC机采用VB编程，主要有监控界面、当前温度显示、动态温度曲线显示、温度数据库管理、参数设置以及与PLC通信等方面的设计。通信参数设置程序如下：

　　With MSComm1 //通信参数设置

　　CommPort=1 //通信口COM1

　　Settings=“9600，年n，8，1” //波特率9600bps，无奇偶校验，8位数据，1位停止

　　bbbbbLen=2 //一次读取2个字节

　　bbbbbMode= comLnputModeBinary // 二进制数据格式

　　PortOpen=Ture //打开通信端口

　　End With

　　PC机采用中断方式接受SLC500传来的实时温度。即串口收到数据，VB通信控件会触发OnComm事件，在OnComm事件程序中接受数据并处理。一个温度数据为16位两个字节，SLC500传送温度数据时，按报文传送格式高低字节正好相反，因此，VB程序要对接收的数据进行处理，并按照SLC500温度采集的精度（1/8度）转换成温度值用于显示[6>。

5 结束语

　　本系统设计使用了PLC的热电阻温度采集模块，在上位机的控制下，对工业现场的温度进行实时的采集和监控。本文作者的创新点是，采用了罗克韦尔的SLC500控制器来实现整个系统的设计，并编程实现了SLC500控制器与计算机串口的实时通信。由于PLC可以适应环境恶劣的工业现场，故其使用范围十分的广泛。