基于PLC锅炉盘管出口水温滞后控制系统.docx

本 科 毕 业 设 计（论文） 题 目：基于S7-300锅炉盘管出口水温滞后控制系统专题题目：学 院：电气工程与自动化学院专 业：自动化班 级：093班学 号：2009一八73学 生： 指导教师： 职称：副教授20一三年6月6日摘 要锅炉控制在工业控制中一直富有新意的课题，对于不同的控制对象，有着不同的控制方式和模式。温度系统惯性大，滞后现象严重，难以建立精确的数学模型，给控制过程带来很大难题。本文首先对电锅炉采用的控制方案进行了深入研究，选择一种适合于PLC控制的方案。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，选用西门子CPU314C-2 PN/DP为控制器，构成锅炉温度串级控制系统；采用典型的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。这个方案既满足了系统快速和精确达到平衡，又大大的降低了成本并且简化了编程和调试工作。利用先进的PLC程序编制工具STEP7及杰控组态软件，完成了锅炉控制系统的程序设计和监控画面设计。关键词： PLC控制；锅炉控制；串级控制；PIDAbstract Boiler control has been innovative topics in industrial control, for different controlled objects, different control ways and mode. Temperature system of inertia is big, lag phenomenon is serious, is difficult to establish accurate mathematical model, bring great difficulties to control process. This paper the control scheme of electric boiler adopts the carried on the thorough research, choose a suitable for PLC control scheme. In boiler for controlled object, mainly boiler outlet water temperature was accused of parameters, with the water temperature in the hearth to assistant was accused of parameters, with heating resistance wire voltage as control parameters, selection of Siemens CPU314C - 2 PN/DP as the controller, a boiler temperature cascade control system; USES the typical PID algorithm, using PLC ladder diagram programming language programming, realize the boiler temperature automatic control. This scheme satisfies the system balance quickly and precisely, and greatly reduced the cost and simplify the programming and debugging. Use of advanced PLC programming tool STEP7 and control configuration software, completed the boiler control system programming and monitoring screen design.Key words: PLC control; Boiler control;Cascade control;PID目 录 第一章 绪论1 1.1课题的提出与意义1 1.2研究背景及现状2 1.3该课题的研究目标3 1.4研究的内容及方法4 第二章 控制系统方案设计5 2.1锅炉自动控制方案5 2.2锅炉控制的结构和原理6 2.2.1锅炉控制的结构7 2.3串级系统的设计7 2.3.1串级控制系统的设计8 2.3.2串级控制系统参数的整定8 2.4 PID的算法9 2.4.1模拟PID9 2.4.2数字的PID算法10 2.5纯滞后的算法11 2.5.1采样周期的分析12 第三章 控制系统的硬件设计一三 3.1控制系统的硬件组成一三 3.2 锅炉控制的系统14 3.3 PLC的选型及硬件配置一五3.3.1模拟量输入模块SM331(AI 812Bit)一五3.3.2模拟量输出模块SM332(AO 412Bit)一五3.3.3控制系统的硬件组态16 3.4 传感器选择16 3.4.1 温度传感器16 3.4.2 流量传感器17 3.5 变送器选择17 3.6电磁调节阀选择一八 3.7变频器MM420一八 第四章 控制系统的软件设计19 4.1 STEP7编程软件19 4.2 PLC控制的程序设计20 4.2.1 主程序的设计21 4.3系统模数转换部分22 4.4 系统PID调节部分26 第五章 人机界面的设计28 5.1 人机界面的特点28 5.1.1人机界面软件仿真的基本方法28 5.2 杰控软件28 5.3杰控的主要功能与实现29 5.3.1人机界面设计流程29 5.4人机界面的运行和显示33 5.4.1历史趋势曲线图33 5.4.2历史报警窗口33 总结与展望35 附录.36 参考文献.43 外文资料.44 致谢.49 江西理工大学20一三届本科生毕业设计（论文）第一章 绪论1.1课题的提出与意义 锅炉是一种工农业生产中常见设备。锅炉可以按其用途不同通常分为动力锅炉和工业锅炉两大类。动力锅炉是用于发电和动力方面的锅炉，如电站锅炉。工业锅炉是用于工农业生产和生活采暖提供蒸汽或热水的锅炉，可分为蒸汽锅炉、热水锅炉、导热油锅炉等。作为供热之源，工业锅炉日益广泛地应用于现代生产和人民生活的各个领域。如在机械制造、化工、纺织、机械、食品加工、医药等行业中，生产工艺需要大量的蒸汽；又如工业和民用建筑的采暖通风、农业温室、城市集中热水供应等也需要蒸汽和热水来提供热能。随着我国工农业生产的迅速发展，以及人民生活水平的不断提高，工业锅炉的应用会更加广泛。因此，对锅炉盘管出口水温滞后控制的研究显得极其重要，具有一定的理论价值和现实意义1。锅炉能够提供热源，还可以作为动力源，为达到要求并保证锅炉本体的安全、经济的运行，锅炉的控制系统就应具备很好的自动检测功能、程序控制功能、保护功能等。考虑锅炉工作系统是个复杂的生产系统，扰动源又比较多，为了保证供给外界达标的蒸汽并满足负荷的运转，对其工作过程中主要工艺参数必须实行严格的控制。电锅炉是将电能转换为热能的能量转换装。具有结构简单、无污染、自动化程度高等特点。与传统的以煤和石化产品为燃料的锅炉相比还是有基本投资少、占地面积小、操作方便、热效率高、能量转化率高等优点。近年来，电锅炉已成为供热采暖的主要设备2。 过程实现自动化具有以下几方面优点：(1)提高机组运行的安全可靠性。安全可靠性是机组运行的首要要求，热力系统复杂，需要监视、控制的项目多，靠人来嘶视和操作，不仅劳动强度大，而且报难胜任，同时极易因误操作而造成事故，采用自动化控制系统来完成监视和操作大大提高机组运行的安全可靠性。(2)提高机组运行的经济性。自动化控制系统能保证机编在良好状态下运行，因此，可以减少事故停机的损失和设备检修费用，可提高热效率，降低供电热耗和煤耗。(3)减少运行人员，提高劳动生产率。(4)改善劳动条件。实现生产过程自动化，可使运行人员从繁忙的体力劳动和紧张的精神负担中解脱出来，值班员除在机组启停时有些操作外，正常运行时只需存控制室内集中监视主设备及自动化仪表的运行情况3。1.2研究背景及现状国外现状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，国外温度控制系统发展迅速，并在智能化，自适应，参数自整定等方面取得成果，在这方面，以日本，美国，德国，瑞典等国技术领先，都生产出了一批商品化的，性能优异的温度控制器及仪器表，并在各行业广泛应用。它们主要具有如下的特点：1.适应于大惯性，大滞后等复杂温度控制系统的控制。2.能够适应于受控制系统数学模型难以建立的温度控制系统的控制。3.能够适应于受控系统过程复杂，参数时变的温度控制系统的控制。4.这些温度控制系统普遍采用自适应控制，自校正控制，模糊控制，人工智能等理论及计算机技术，运用先进的算法，适应的范围广泛。5.普遍温控器具有参数自整定功能。借助计算机软件技术，温度器具有对控制对象参数及特性进行自动整定相关控制参数，以保证控制效果的最优化45。国内现状目前在我们国内，锅炉仍然是各种工业企业的动力设备中重要的组成部分。但是，除了一些大中型锅炉采用了先进的控制技术。一般的小型锅炉的控制仍较落后，仍在使用仪表、继电器作主要的控制手段(如DDZ-II或III型系列仪表)，需要过多的人为参与，不仅工作人员的工作条件差，劳动强度大，而且锅炉的热效率很低，资源浪费严重。即使现在的仪表不少已趋智能化，在锅炉上也实现了自动或半自动控制，但是，由于其不菲的价格、缺乏管理功能等种种原因，其应用受到很大限制6。随着科学技术的发展，锅炉的应用也越来越广泛，锅炉的生产从它的雏型：蒸汽机到现在各式各样的锅炉，它的发展见证了工业的发展状况，现代的锅炉多数是利用燃料或其他能源的热能，把水加热成为热水或蒸汽的机械设备。它包括锅和炉两大部分，锅的原义是指在火上加热的盛水容器，炉是指燃烧燃料的场所。锅炉中产生的热水或蒸汽可直接为生产和生活提供所需要的热能，也可通过蒸汽动力装置转换为机械能，或再通过发电机将机械能转换为电能。提供热水的锅炉称为热水锅炉，主要用于生活，工业生产中也有少量应用。锅炉的作用是烧水产生高温高压的蒸汽，这些蒸汽的温度可达1000多度，这样的蒸汽可以用来消毒、煮饭、加热和提供蒸汽动力。锅炉是当今工厂的一个动力源泉之一，其作用不可忽视。PLC（可编程控制器）作为一种工业控制微型计算机，它以其编程方便、操作简单，尤其是它的高可靠性等优点，在工业生产过程中得到了广泛的应用。而西门子S7-300系列的可编程控制器具有的高稳定性的同时具有自主选择性等特点，给我们搭建自动控制系统提供了选型的方便7。1.3该课题的研究目标针对目前工业型锅炉系统普遍存在成本高、效率低、运行不稳定等问题，设计了由S7300PLC和杰控组态软件构成的工业锅炉控制系统8。从控制系统的总体设计、硬软件配置以及程序设计和监控画面设计等方面进行阐述，实际运行表明该控制系统性能稳定、可靠性高，在安全生产、提高经济效益等方面发挥了重要作用，并为节能降耗提供了技术保证，具有一定的先进性和推广性。在工业生产过程中，有不少被控对象除了具有容积迟延外，往往不同程度地存在着纯滞后，其特点是当控制作用产生后，在时延范围内，被控参数完全没有响应。因此，这样的过程必然会产生较明显的超调量和较长的调节时间，所以，具有纯迟延的过程是较难控制的过程，其难控程度随着纯迟延占整个过程动态的份额的增加而增加，而路径的长度和物流的速度是构成纯滞后的因素。解决纯滞后问题的方法非常多，最简单的是利用常规调节器适应性强、调整方便的特点，经过仔细个别的调整，在控制要求不太苛刻的情况下，满足生产过程的要求。本课题的目标就是在实验室301的环境和熟练应用S7-300下设计一个锅炉内胆水温和盘管出口水温构成的纯滞后串级控制系统。采用PID的算法，来控制锅炉的水温9。电热锅炉控制系统实验装置模拟日常生活中的热水锅炉控制系统，将变频器调速技术、计算机和智能控制技术相结合，完成生活中热水锅炉对进水、出水、电加热装置通断时间比的自动控制，使锅炉的进水流量、出水流量、水温、水位保持在最佳状态10。实现热水锅炉系统安全，可靠，稳定运行和达到节能降耗的目的。电热锅炉实验装置主要由微型电热锅炉、固态继电器电加热装置、变频器及相关的检测装置、变送器和执行机构等过程控制仪表组成11。 图1-1 总结构图1.4研究的内容及方法首先以锅炉为控制对象，以锅炉出口水为主被控参数，以炉膛内水温为副被控制参数，以加热电炉丝电压为控制参数，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梯形图编程语言程序进行编程，实现锅炉温度的自动控制。本文主要研究内容：第一章，简要介绍本课题研究的背景、研究意义、现状和研究的主要内容。第二章，系统总体方案设计。对锅炉温度控制的串级系统，PID算法和纯滞后温度控制进行研究和说明，简介S7-300的特点和具备的功能。第三章，系统硬件的设计。设计系统的硬件结构框图，对该系统的所需要的硬件给予介绍说明。第四章，系统软件的设计。设计PLC 控制器运行框图，主程序的流程图，设计模拟输入，模拟输出和PID算法模块。第五章，组态画面的设计。 对该系统仿真设计，对该系统进行监视和数据的显示，历史曲线图设计。第二章 控制系统方案设计2.1锅炉自动控制方案方案一：仪表控制锅炉控制的仪表控制主要通过电动单元组合仪表来实现。电动仪表系统主要由继电器、时间继电器、程序继电器、电动单元组合仪表和测量仪表等组成，其程序控制为传统继电器控制。电动仪表系统设计经验成熟、价格便宜，但难于实现系统冗余和数据远传，维修也比较困难，更难于实现高级控制方法。现在发展的智能仪表功能上大大增强，也具备了通讯功能，但仍摆脱不了仪表控制的固有缺陷。同时，随着仪表功能的增多、增强，其价格也越来越贵，逐渐失去其价格优势。方案二：PLC控制可编程逻辑控制器简称PLC，采用的是计算机的设计思想，最初主要用于顺序控制，只能进行逻辑运算。随着微电子技术、计算机技术和通信技术的发展，以及工业自动化控制愈来愈高的需求，PLC无论在功能上、速度上、智能化模块以及联网通信上，都有很大的提高。现在的PLC已不只是开关量控制，其功能远远超出了顺序控制、逻辑控制的范围，具备了模拟量控制、过程控制以及远程通信等强大功能。美国电气制造商协会(NEMA)将其正式命名为可编程控制器，简称PC，但是为了和个人计算机的简称PC相区别，人们常常把可编程控制器仍简称为PLC。事实上，PLC就是以嵌入式CPU为核心，配以输入、输出及通讯等模块，可以方便地用于工业控制领域的装置。它以其高可靠性、高稳定性、编程简单和易于使用，在现代工业企业中得到广泛应用，使得整个控制系统在功能的可靠性、配置的灵活性等方面较之过去产生了质的飞跃。方案三：DCS控制集散控制系统是由回路仪表控制系统发展起来的分布式控制系统，成功地解决了系统拓扑结构复杂的问题，划清了上位机与下位机之间的配置功能和组态功能，通过冗余结构和增加设备提高了系统的可靠性。DCS在模拟量处理、回路调节等方面有一定的优势，在锅炉方面一般应用于大型锅炉和锅炉群控，近年来也出现了适用于中型锅炉的小型集散控制系统，女HHoneywell公司推出的S9000系统。在过去的20多年里，DCS逐步走向成熟，并在当今的工控领域中占有较大的市场份额，但是随着时间的推移和人们对控制要求的提高，它的弊端也逐渐暴露出来：价格偏高，系统开放性差，控制仍然相对集中。方案四：FCS控制现场总线(Fieldbus)是八十年代末九十年代初国际上发展形成的用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。现场总线控制系统就是基于现场总线(Fieldbus)基础上形成的自动控制系统。现场总线技术摒弃了DCS传统的多机冗余方式，将DCS的I0彻底分散变成了新型全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场，更完美的实现了传统DCS管理集中与控制分散的初衷12。综上所述，随着PLC成本的下降和性能的提高，普通PLC已能满足小型锅炉的控制要求，且性价比较高。2.2锅炉控制的结构和原理本系统方案是选用西门子S7-300PLC作为控制器。给定锅炉盘管出水口所要达到的温度，用PT100型热电阻将检测到的实际锅炉水温和锅炉盘管出口水温转化为4-20mA电流信号，经过模拟输入模块331转化成数字信号并送到PLC中进行PID调节，以锅炉盘管出水口温度为主被控对象，锅炉内胆为福被控对象，盘管出口水温度和给定温度进行差分比较，将输出的值作为副调节器的给定量和锅炉内胆温度进行PID调节。将输出值通过模拟输出模块332进行对加热器控制达到所要控制的温度，然后用杰控软件对系统进行PID参数调节，画面监管、数据显示和报警。如图2-1。 图 2.1 锅炉温度控制系统原理框图2.2.1锅炉控制的结构锅炉温度控制的工作原理是温度通过传感器和变位器送到模拟输入转换成数字，再到PLC进行PID计算输出模拟量对加热器进行温度控制。本设计采用温度串级控制系统，如图2.2。 图2.2温度串级控制系统2.3串级系统的设计 当调节对象的动态特性比较复杂，而工艺对调节质量的要求又很高的时候，简单的单回路控制系统不能够满足要求。在这种情况下，需要在单回路控制系统的基础上，采取其他措施，组成复杂控制系统，也称为多回路系统，如串级 图2-3 一般串级控制系统控制系统、带有补偿的控制系统一三。如图所示的控制系统在结构上形成了两个闭环。一个闭环在里面，被称为副回路；一个闭环在外面，被称为主回路，以最终保证被调量满足工艺要求。这种由两个调节器串接在一起控制一个调节阀的系统叫做串级控制系统。主调节器具有自己独立的设定值，它的输出作为副调节器的设定值，而副调节器的输出信号则是送到调节阀去控制生产过程14。串级控制系统只比简单控制系统增加了一个测量变送元件和一个调节器，但是控制效果却有显著的提高，具有较好的控制性能，能够改善对象的动态特性，提高系统的工作频率，对负荷或操作条件的变化也有一定的自适应能力。2.3.1串级控制系统的设计串级系统的种种特点都是因为增加副回路的缘故，副回路的设计质量是保证发挥串级系统优点的关键。1、制定串级控制系统的方案，选择或串级温度控制系统。选择主被控参数、副被控参数、主控制器、副控制器来构成主回路、副回路，组成一个完整的串级控制系统。副回路应包含被控对象所受到的主要干扰，副参数的选择应使副回路时间常数小，调节通道短，反应灵敏。2、选择串级控制的主、副控制器。副调节器的任务是要快动作以迅速抵消落在副环内的二次扰动，而且副参数并不要求无差，所以可选用调节速度叫快的P调节器或者PI、PD、PID调节器。主调节器的任务是准确保持被调量符合生产要求，不允许被调量存在偏差，因此，主调节器必须具有积分作用，如PI、PID调节器一五。2.3.2串级控制系统参数的整定串级系统的整定要比简单系统复杂。由于两个调节器串接在一起，互相作用，影响参数的整定。所以在整定时，应尽量加大副调节器的增益以提高副环的频率，使主、副环的频率错开，减少相互之间的影响16。串级系统的整定，有两步整定法和一步整定法。1、两步整定法两步整定法是第一步整定副回路的副调节器，第二步整定主回路的主调节器的串级系统整定方法。（1）先整定副回路。在系统工作状况稳定，主、副回路主调节器在纯比例作用的条件下，将主调节器的比例带置于100%处，按照单回路系统的整定方法来整定副回路。逐渐降低副调节器的比例带，如用4：1衰减法来整定副回路，则求出副参数在4：1衰减时的副调节器比例带2 S和操作周期T2 0。（2）整定主回路。使副调节器比例带置于2 S的数值上，逐渐降低主调节器的比例带1 S，求出同样衰减比时主回路的过渡过程曲线，记录此时主调节器的比例带1 S和操作周期T1 0。将上述步骤中求出的1 S、T1 0、2 S、T2 0 ,根据选用的调节器类型，按照4：1衰减曲线的整定方法，求出主、副调节器的整定参数。（3）按照“先副后主、先比例次积分后微分”的原则，将计算得出的调节器参数置于各调节器之上。（4）加干扰实验进行验证，观察过程参数值，直至记录曲线符合控制要求为止17。2、一步整定法（1）在系统工作状况稳定，主、副回路主调节器在纯比例作用的条件下，按表 5-1 “一步法比例带经验值表”所列数值，将副调节器调节到适当的经验值上。表5-1一步法比例带经验值表副参数比例带2放大倍数KC 2温度206051.7压力307031.4流量40802.51.25液位208051.25（2）利用单回路控制系统的参数整定方法来整定主调节器参数。（3）加干扰试验进行验证，观察过渡过程曲线，根据KC 1、KC 2相匹配的原理，适当调整调节器参数，使主参数控制精度最好。（4）如果出现振荡现象，只要适当加大主、副调节器的任意一个比例带，即可消除振荡。2.4 PID的算法2.4.1模拟PID比例（P）控制比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系但这样会引起振荡，特别是在迟滞环节比较大的时候，比例系数Kp减小，振荡发生的可能性就会减小，但同时也会导致调节速度变慢。比例控制的缺点是不能消除稳态误差，必须要有积分控制来辅助。积分（I）控制 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。为了消除控制系统的稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项会随着时间的增加而增大。因此，就算误差很小，积分项也会慢慢变大，由它推动控制器的输出增大，使稳态误差慢慢减小至零。所以，比例积分 (PI) 控制器可以使系统在进入稳态后无稳态误差。但具有滞后特点，不能快速对误差进行有效的控制。微分（D）控制在微分控制下，控制器的输出的微分增加了，输入误差信号的微分同时也会增加。而自动控制系统在对于误差的控制来说，会出现别的不必要的问题，比如波动，更严重的会失稳。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，但是加入的微分项却能够避免较大的误差出现，因为它可以预测误差变化的方向。但是微分控制会放大高频噪声, 降低系统的信噪比,导致系统抑制干扰的能力下降，也就是说微分控制不能消除余差一八。 基本PID控制系统原理图2.4.2数字的PID算法PID控制本质上是一个二阶线性控制器, 通过调整比例( P)、积分( I)和微分( D)三个参数, 使得大多数工业控制系统获得良好的闭环控制性能。PID控制器的理想计算公式为: (2.1) 公式(2.1)中: u(t)为控制器的输出; e(t)为控制器的输入(常常是设定值与被控量之差, 即e(t)=r(t)-c(t);Kp、Ti、Td 分别为控制器的比例放大系数、积分时间常数、微分时间常数。 设u(k)为第k次采样时刻控制器的输出值(采样周期为T),用一阶向后差分代替微分，用矩形法数值积分代替连续积分，将上式进行离散化处理,可得离散的PID计算公式(2.2): (2.2)式(4.2)为位置式PID控制算法, 其当前采样时刻的输出与过去的状态有关, 计算时要对e(k)进行累加, 运算量大, 因此实际应用中一般采用增量PID控制算法。由式(2.2)可得: (2.3) (2.4) 其中 式(2.3)、(2.4)是增量PID算法的计算公式, 系统的采样周期T选定后, 一旦确定了Kp、Ti、Td, 只要使用前后3次测量的温度偏差值即可由式(2.3)、(2.4)求出控制量19。2.6纯滞后的算法在工业生产过程中，有不少被控对象除了具有容积迟延外，往往不同程度地存在着纯滞后，其特点是当控制作用产生后，在时延范围内，被控参数完全没有响应。因此，这样的过程必然会产生较明显的超调量和较长的调节时间，所以，具有纯迟延的过程是较难控制的过程，其难控程度随着纯迟延占整个过程动态的份额的增加而增加，而路径的长度和物流的速度是构成纯滞后的因素。解决纯滞后问题的方法非常多，最简单的是利用常规调节器适应性强、调整方便的特点，经过仔细个别的调整，在控制要求不太苛刻的情况下，满足生产过程的要求。 当物流沿着一条特定的路径传输时，就会出现纯滞后，路径的长度和物流的速度是构成纯滞后的因素。本实验室是以盘管出水口水温为系统的被控制量并要求它等于给定值。变频器供水系统以固有的频率(恒速)把来自锅炉内的热水恒速输送到盘管。设由锅炉内胆到盘管出水口的管道长度为L米，热水的流速为v m/s、，则内胆打出的热水要经过秒后才能到达被控点其中d=L/v，如果忽略热水在盘管内流动时热损耗，则可近似地把盘管视为纯滞后环节它的传递函数为：G0（s）= es (1)相应的频率特性为 G0（jw）= e-jw (2)有式（2）可知，不同大小的值，将对系统的动态性能产生不同程度的影响。消除纯滞后对系统的不良影响的方法之一是采用Snith预估补偿器，但这种方法的有效性是建立在能精确确定对象数学模型的基础上。另一种常用的方法是常规PID控制，只要参数整定得当，也能取得良好的控制效果20。2.6.1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，一般是一五s20s，本系统采样17s第三章 控制系统的硬件设计3.1控制系统的硬件组成本设计控制系统的硬件组成组要是有控制器PLC模块、电源模块、模拟输入输出模块、锅炉系统模块和各个开关量模块。控制器PLC模块主要有电源、CPU、信号模块（SM）、功能模块（SM）、接口模块（IM）；电源模块主要有控制器电源、锅炉系统电源还有传感器的电源等；模拟输入输出模块有SM331模拟输入模块，SM332模拟输出模块；锅炉系统主要有温度传感器、流量传感器、电磁阀、水泵等，如图3-1。 图3-1 锅炉控制硬件示意图3.2 锅炉控制的系统1.温度控制系统的硬件结构框图 图3-2 温度控制系统硬件结构框图2.锅炉盘管出口水滞后的主要硬件配置 锅炉盘管出口水滞后的主要硬件配置 名称 型号和规格 订货号 数量PLC西门子S7-300（CPU314）6ES7314-6BH04-0AB0 1电源模块Siemens的SITOP（220v）6EP1 331-1SH02 1温度传感器Pt100铂热电阻 （0100度）32 208 548 3变频器西门子变频器（MM420）6SE6420-2UC11-2AA0 1模拟输入模块SM331(AI 812Bit)6ES7331-7KF02-0AB0 1模拟输出模块SM332(AO 412Bit)6ES7331-7KF02-0AB0 1 表3-1系统硬件配置3.3 PLC的选型及硬件配置目前，PLC 在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。本锅炉控制系统采用德国西门子S7-300 PLC。S7-300 是一种中型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-300系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。S7-300采用CPU314C-2 PN/DN,工作电压为DC24v。3.3.1模拟量输入模块SM331(AI 812Bit)锅炉控制需要4个选择模块，该模块的输入测量值范围很宽，可直接输入电流、电阻、热电偶等信号，用于不带附加放大器的模拟执行元件和传感器，具有12到14位的转换精度，在本系统中用于各流量、炉内温度的检测，将各变送器传过来的两线制电流信号转变为S7-300内部处理用的数字信号(正常数值为一27647+27648)。该模块的核心部件是AD转换器，采用积分法转换，可选的积分时间20ms，对应抑制工频50Hz，按照我国现有的50Hz供电频率，此处可选20ms或50Hz。在该模块中，8个模拟量输入通道共用一个积分式AD转换器，每两个输入通道构成一个输入通道组，可以按通道组任意选择测量类型和测量范围，每个通道组都可选择诊断及诊断中断。3.3.2模拟量输出模块SM332(AO 412Bit)该模块可直接输入电压或电流信号，具有12位的转换精度，在本系统中用于输出加热和给水的调节信号，将S7-300内部处理用的数字信号(正常数值为一27647+27648)转换为执行器需要的电压信号。该模块的核心部件是DA转换器，4个模拟量输出通道共用一个DA转换器，分别对电磁阀，加热器，变频器控制。另外，每个输出通道都可设置一替代值，在CPU处于STOP状态时，以此值作为输出值。模块上需接24VDC的负载电压L+，有反接保护功能，有故障指示(红灯)。模块与S7300 CPU及负载电压之间是光电隔离的。3.3.3控制系统的硬件组态控制器S7-300的硬件通过在编程软件SIMATIC Step7的对电源、CPU314、模拟输入（SM331）、模拟输出（SM332）进行设置如图3-2. 图3-2 硬件组态的设置 3.4 传感器选择3.4.1 温度传感器该系统需要的传感器是将温度转化为电流，且水温的范围是0100，电源是24v。所以选择Pt100铂热电阻传感器。P100铂热电阻，其阻值会随着温度的变化而改变。PT 后的100即表示它在0时阻值为100欧姆，在100时它的阻值约为一三8.5欧姆。它的工作原理：当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆，它的的阻值会随着温度上升它的阻值成匀速增长。3.4.2 流量传感器锅炉系统需要锅炉内胆的流水稳定，对流量进行控制。流量传感器是根据法拉第电磁感应原理工作的，当导电液体沿流量管在交变磁场中作与磁力线成垂直方向运动时，导电液体切割磁力线产生感应电势。在与测量管轴线和磁场磁力线相互垂直的管壁上安装了一对检测电极，将这个感应电势检出。若感应电势为E，则有： E=BVD . .（1）式中： B磁感应强度； D电极间的距离，与测量管内径相等； V测量管内被测流体在截面上的平均流速。式（1）中磁场B是恒定不变值，D是一个常数，则感应电动势E与被测流体流速V成正比。通过测量管恒截面上的体积流量Q与流速V之间的关系为： Q=D2V/4.（2）将（1）式带入（2）式得： Q=DVE/4B=KE.（3）式中： K仪表常数。由式（3）可知，当仪表常数K确定后，感应电动势E与流量Q成正比。E通常为流量信号，将流量信号输入转换计，经过处理，输出与流量成正比的420mADC信号，可与单元组合仪表配套，对流量进行显示、记录、计算、调节等。3.5 变送器选择变送器的传统输出直流电信号有0-5V、0-10V、1-5V、0-20mA、4-20mA等，该系统采用的是用420mA电流来传输模拟量。采用电流信号的原因是不容易受干扰。并且电流源内阻无穷大，导线电阻串联在回路中不影响精度，在普通双绞线上可以传输数百米。上限取20mA是因为防爆的要求：20mA的电