第1章緒論1.1課題研究的背景人們的生活水平也得到不斷的提高，這也直接體現(xiàn)到我國的工業(yè)發(fā)展上。本次論題研究的工業(yè)加熱爐就是傳統(tǒng)行業(yè)中隨處可見的加熱系統(tǒng)之一。作為工業(yè)生產(chǎn)的重要動力設(shè)備，加熱爐的主要工作時(shí)將工廠中所需加熱的工件或物料加熱至當(dāng)前工作環(huán)節(jié)所需的溫度。加熱爐的溫度具有非線性、時(shí)變性、大滯后和不對稱性等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的控制方式在溫度控制的精度上得不到保障，控制速度也較慢，且需耗費(fèi)較大的人力資源進(jìn)行調(diào)試和管理。溫度是一個(gè)多變且不易控制的模擬量，本次不但需要考慮控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，還要結(jié)合“工業(yè)4.0時(shí)代”催發(fā)下的過程控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)熱爐溫度的高精度閉環(huán)控制。得益于當(dāng)前電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，并且在自動控制理論和設(shè)計(jì)方法發(fā)展的推動下，工控行業(yè)逐漸發(fā)展為利用信息化技術(shù)促進(jìn)產(chǎn)業(yè)變革的時(shí)代，并且控制系統(tǒng)的智能化程度越來越高，而這些也促進(jìn)了結(jié)合過程控制的熱爐溫度串級控制系統(tǒng)的產(chǎn)生應(yīng)用，并且通過PID閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)內(nèi)部參數(shù)自整定、系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)調(diào)試等效果。在以往的加熱爐控制系統(tǒng)中，工廠多采用繼電控制技術(shù)進(jìn)行加熱爐出口溫度的控制，這種方法往往通過傳統(tǒng)的繼電器，溫度傳感器等硬件進(jìn)行控制，這也就導(dǎo)致了在控制過程中存在著不少的缺點(diǎn)。首先，通過該控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的出口溫度控制精度較低，對溫度的控制精度把控不夠，并且在控制的時(shí)候，系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間長，加大了對燃?xì)?、燃料或電能等其他資源的浪費(fèi)，這樣也間接導(dǎo)致共產(chǎn)產(chǎn)能降低。而在另外一方面，通過傳統(tǒng)方式實(shí)現(xiàn)加熱爐出口溫度的控制系統(tǒng)往往采用較多的電子元器件實(shí)現(xiàn)控制及檢測，這樣使得控制系統(tǒng)的體積過于龐大、臃腫等，當(dāng)然，這也就導(dǎo)致了系統(tǒng)故障率的增高，工人在系統(tǒng)維護(hù)及故障檢修時(shí)的難度也增大了。伴隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的壯大，以及以PLC為代表的工業(yè)控制系統(tǒng)的成熟發(fā)展，逐漸取代了傳統(tǒng)的繼電控制系統(tǒng)。這些技術(shù)也輻射到了加熱爐的溫度控制領(lǐng)域，這使得加熱爐溫度控制逐漸朝著結(jié)合現(xiàn)代過程控制技術(shù)的方向發(fā)展。而以PLC作為控制器的控制系統(tǒng)本身經(jīng)濟(jì)，且運(yùn)行穩(wěn)定，對不同環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)大，這也就使得基于PLC控制器為核心的加熱爐溫度控制系統(tǒng)擁有這普遍性意義。加熱爐溫度控制是工業(yè)生產(chǎn)過程中經(jīng)常遇到的過程控制,有些工藝過程對其溫度的控制效果直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量，由于串級控制具有有效改善過程的動態(tài)特性、提高工作頻率、減小等效過程時(shí)間常數(shù)和加快響應(yīng)速度等特點(diǎn)，所以在克服被控系統(tǒng)的時(shí)滯方面能夠取得較好的效果[1]。通過本次基于PLC的熱爐溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行控制時(shí)，其本質(zhì)是通過基于比例-微分-積分控制器（簡稱PID）對溫度進(jìn)行閉環(huán)控制，當(dāng)然，簡單的對加熱爐的出口或者爐膛溫度進(jìn)行控制往往還存在著一些系統(tǒng)上的缺陷，這樣，我們就需要通過串級控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)主-副回路的閉環(huán)控制達(dá)到最終的控制要求。這樣可以完成更高精度的溫度控制。而對于本次的熱爐溫度控制，其溫度的滯后時(shí)間常數(shù)較大，整個(gè)控制系統(tǒng)也存在很多其他因素的干擾，為滿足高精度，快響應(yīng)的溫度控制要求，采用串級控制能很好的解決這一問題。串級控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)表現(xiàn)在結(jié)合串級控制的控制系統(tǒng)在系統(tǒng)自適應(yīng)能力上很強(qiáng)，在具體控制時(shí)，往往通過主回路及副回路兩個(gè)回路實(shí)現(xiàn)控制，這樣對本次的爐膛溫度（副回路）有著超期控制的作用，減少了對熱爐出口溫度的影響，也間接提高了控制質(zhì)量，達(dá)到雙閉環(huán)控制。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀我國對加熱爐的控制進(jìn)行研究始于上個(gè)世紀(jì)八十年代，這個(gè)起步時(shí)間對于國外來講已經(jīng)很晚了，這也導(dǎo)致目前為止，我國在這方面的技術(shù)與國外先進(jìn)控制技術(shù)仍然存在差距。在加熱爐的使用中，我國的寶鋼、武鋼及鞍鋼熱軋廠主要起到技術(shù)推動的作用，從最初的功能簡單達(dá)到現(xiàn)在的完善體系及更高精度的控制，他們的經(jīng)驗(yàn)大多起到了國內(nèi)一些企業(yè)對加熱爐使用的領(lǐng)航作用。近年來，我國引進(jìn)可控氣氛熱處理爐，大大提高加熱爐的控制及應(yīng)用效果。往往一項(xiàng)技術(shù)的推動都是建立在生產(chǎn)實(shí)際的需要過程中，加熱爐技術(shù)也是如此，我國軋鋼行業(yè)的壯大發(fā)展成就了加熱爐控制技術(shù)的不斷進(jìn)步，但是這些也就對加熱爐溫度控制技術(shù)及控制系統(tǒng)的要求越來越高，從以前的粗略控制到現(xiàn)在的高精度控制，從以前的不計(jì)能耗到現(xiàn)在的節(jié)能減排等，都是對國內(nèi)加熱爐技術(shù)及控制系統(tǒng)的挑戰(zhàn)。國外在加熱爐控制技術(shù)及系統(tǒng)的應(yīng)用與開發(fā)早于國內(nèi)，這使得他們的控制系統(tǒng)針對現(xiàn)在的工業(yè)生產(chǎn)任務(wù)中的加熱爐溫度控制更加的優(yōu)異，在能源使用上也更加的節(jié)約。近年來，國外的工業(yè)用加熱爐的主要研究方向包括：在整體控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程中，偏向通過可編程邏輯器，單片機(jī)，微機(jī)等實(shí)現(xiàn)，這使得整個(gè)系統(tǒng)的自動化程度大大的提高；在控制精度上更加的嚴(yán)格要求，整體控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求更高；在加熱爐的構(gòu)造設(shè)施中，多采用一些耐高溫的材質(zhì)進(jìn)行硬件系統(tǒng)的構(gòu)建，使得受其他因素干擾的可能性更加的降低；在整體加熱爐加熱過程的能源選擇中，國外已經(jīng)優(yōu)先選擇電能作為加熱爐的能源提供，逐漸取代了傳統(tǒng)工藝中使用的煤和氣等不可再生能源。1.3本課題主要研究內(nèi)容本課題所述的加熱爐溫度控制系統(tǒng)結(jié)合其具體工作原理和主要構(gòu)成展開，并結(jié)合PLC控制器對加熱爐溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，在具體實(shí)施的過程中，還將結(jié)合串級控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)加熱爐的溫度串級控制。本次主要研究的內(nèi)容加熱爐溫度控制系統(tǒng)具體工作原理及工作流程，對所需控制的器件進(jìn)行設(shè)計(jì)及選型，對PLC控制器做出選型，結(jié)合本次設(shè)計(jì)的要求完成控制系統(tǒng)的程序編寫及優(yōu)化，并根據(jù)實(shí)際需求對加熱爐出口溫度控制（主回路）及加熱爐爐膛溫度控制（副回路）進(jìn)行PID閉環(huán)控制設(shè)計(jì)，通過PID控制器達(dá)到閉環(huán)控制要求，并對PID參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)雙閉環(huán)的溫度串級控制。每章內(nèi)容安排：第一章：本章為論文緒論環(huán)節(jié)，主要包括對本次控制系統(tǒng)課題研究的背景介紹，對熱爐串級控制的國內(nèi)外研究情況進(jìn)行介紹，并明確本可以主要的研究內(nèi)容。第二章：本章對熱爐的溫度串級控制進(jìn)行相關(guān)工藝及流程分析。根據(jù)熱爐溫度串級控制的工藝及要求設(shè)計(jì)三種控制方案，并對最佳控制方案進(jìn)行確認(rèn)。明確后續(xù)設(shè)計(jì)的具體流程。第三章：本章主要針對熱爐的串級控制系統(tǒng)硬件進(jìn)行相關(guān)介紹，并對所選器件的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行列舉。第四章：本章對西門子TIAPROTAL平臺進(jìn)行介紹，并對熱爐的溫度串級控制程序的編寫進(jìn)行介紹，并對熱爐出口及爐膛的雙PID閉環(huán)控制程序進(jìn)行介紹。第五章：本章對TIAPROTAL平臺的仿真功能實(shí)現(xiàn)進(jìn)行介紹，對第四章所述控制程序進(jìn)行部分仿真。紅河學(xué)院本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))PAGE4PAGE32第2章熱爐溫度串級控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案2.1熱爐的工藝分析及工作原理加熱爐一般由輻射室（爐膛），對流室，余熱回收系統(tǒng)，燃燒器和通風(fēng)系統(tǒng)等五個(gè)部分組成[2]，加熱爐的詳細(xì)組成部分及位置如圖2-1所示。從圖中我們可以看出：加熱爐工作時(shí)，輻射室爐管內(nèi)的燃料由對流室爐管內(nèi)流入，這些燃料在輻射市內(nèi)充分燃燒后，其中一部分的熱量散發(fā)傳遞到爐管的外表面，而剩下的傳遞到爐墻上。依次作用及傳遞下，使得出口溫度得以提升。而通過實(shí)際的情況分析得出：加熱爐的加熱溫度能否達(dá)到較高的溫度取決于火焰的強(qiáng)弱程度（爐膛溫度）、爐管表面積和總傳熱系數(shù)的大小[3]。通常要獲得較高的加熱溫度需要大的火焰，且爐管面積也要大，同時(shí)還要保證系統(tǒng)具有良好的傳熱性能。圖2-1熱爐結(jié)構(gòu)2.2控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路熱爐溫度的控制是屬于工業(yè)過程控制。根據(jù)熱爐加熱系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及控制要求，設(shè)計(jì)以下三種方案。方案一：僅僅控制加熱爐出口溫度，工作示意圖如圖2-2所示，在該控制系統(tǒng)中，出口溫度是整個(gè)系統(tǒng)的被控量，而實(shí)現(xiàn)溫度控制需要通過控制燃料的實(shí)時(shí)流量來加以控制。但是該系統(tǒng)卻存在著其他的影響因素：(1)實(shí)際加熱目標(biāo)物的初始溫度值f1(t)；(2)在實(shí)際加熱過程中，往往會產(chǎn)生燃料供應(yīng)時(shí)壓力的波動，而燃料值的變f2(t)也將影響系統(tǒng)運(yùn)行；(3)當(dāng)然，在實(shí)際控制時(shí)，煙囪的實(shí)際抽力也在發(fā)生變化f3(t)；(4)另外，系統(tǒng)中爐膛漏風(fēng)或環(huán)境溫度變化大也將產(chǎn)生較大的影響f4(t)。以此來看，但該控制系統(tǒng)存在一定缺陷，燃料在傳輸、燃燒、傳熱這些流程及環(huán)節(jié)的實(shí)際作用下，將會產(chǎn)生和較大的滯后，大約15分鐘左右，另外，在實(shí)際控制時(shí)，燃油壓力的變化也會造成控制系統(tǒng)的較大偏差。圖2-2控制方案一方案二：僅僅控制加熱爐爐膛溫度，工作示意圖如圖2-3所示，在該控制系統(tǒng)中，爐膛溫度是整個(gè)系統(tǒng)的被控量，通過該方案實(shí)施控制時(shí)，可以解決方案一種第二點(diǎn)及第三點(diǎn)的影響，這樣使得系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)縮短至12分鐘。不過，采用該控制系統(tǒng)也存在著一定的問題，如果燃料流量或者入口溫度受到較大影響，這樣將導(dǎo)致系統(tǒng)無法將出口溫度設(shè)定至定值。圖2-3控制方案三方案三：采用出口溫度及爐膛溫度雙閉環(huán)的串級控制系統(tǒng)，控制示意圖如圖2-4所示。在這個(gè)控制系統(tǒng)中，將加熱爐的爐膛溫度作為副變量控制，而此時(shí)，加熱爐的出口溫度就是系統(tǒng)控制的主變量。針對上述兩種控制方案的不足，采用串級控制的方式解決了方案一中第二點(diǎn)及第三點(diǎn)的影響，在第一點(diǎn)及第四點(diǎn)的影響也將通過串級控制回路進(jìn)行消除。圖2-4控制方案三綜上所述，本次控制系統(tǒng)采用方案三的串級控制方案對熱爐溫度進(jìn)行控制。本次設(shè)計(jì)的加熱爐溫度串級控制系統(tǒng)具體方框圖如圖2-5所示。干擾f2f3干擾f1T1爐出口溫度對象爐膛溫度對象執(zhí)行器爐膛溫度控制器出口溫度干擾f2f3干擾f1T1爐出口溫度對象爐膛溫度對象執(zhí)行器爐膛溫度控制器出口溫度控制器設(shè)定值設(shè)定值T2T2爐膛爐膛溫度測量、變送爐出口爐出口溫度測量、變送圖2-5熱爐溫度串級控制系統(tǒng)圖而在具體的控制器選擇中，分別可以選擇儀器儀表控制、單片機(jī)控制以及PLC控制[4]。結(jié)合實(shí)際情況，本次將采用PLC作為加熱爐溫度串級控制系統(tǒng)的控制器，具體優(yōu)點(diǎn)如下：1.可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)；2.通過PLC實(shí)現(xiàn)的控制系統(tǒng)編程比單片機(jī)等相對簡單；3.本次采用的編程方式為梯形圖編程，工作人員也易于使用及維護(hù)；4.由于PLC的特性，使得其在使用時(shí)可以適用多種的惡劣環(huán)境，完全勝任本次控制任務(wù)；5．本次的PLC控制器將采用西門子最新的小型PCL控制器，該P(yáng)LC的結(jié)構(gòu)為可拆卸的模塊單元，包括后續(xù)使用到的模擬量輸出及輸入單元但是模塊化的單元，安裝方便，供電簡單。本次所選PLC最多可擴(kuò)展八個(gè)其他功能擴(kuò)展單元。6.當(dāng)前PLC控制系統(tǒng)的發(fā)展已經(jīng)趨于完善，并且PLC在體積上的控制越來越小，使用PLC作為控制器的控制系統(tǒng)能耗低，通用性強(qiáng)。綜合上述熱爐工作流程，本次設(shè)計(jì)通過PLC對熱爐溫度串級控制系統(tǒng)進(jìn)行控制?？刂葡到y(tǒng)主要由以下四部分組成：（1）以工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET協(xié)議為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場PLC和上位機(jī)的以太網(wǎng)通信控制，并通過以太網(wǎng)通信對控制系統(tǒng)[5]運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。（2）通過PLC模擬量擴(kuò)展模塊實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場爐膛及出口溫度的采集，并通過程序進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，對相關(guān)工況情況進(jìn)行控制程序編寫。（3）通過PLC的PID控制器實(shí)現(xiàn)熱爐的溫度串級控制。（4）由PLC組成的控制系統(tǒng)，通過擴(kuò)展子站中的I/0點(diǎn)結(jié)合PID控制器算法計(jì)算結(jié)果實(shí)現(xiàn)對該系統(tǒng)的繼電器輸出的控制，從而達(dá)到溫度控制。2.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程在對熱爐控制系統(tǒng)進(jìn)行軟硬件設(shè)計(jì)時(shí)，既要滿足熱爐生產(chǎn)工藝的要求，又要達(dá)到相應(yīng)的控制精度，體現(xiàn)出該系統(tǒng)的優(yōu)勢。因此在對該熱爐溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)之前，首先需要對熱爐工藝流程以及現(xiàn)場的情況有一定的了解，熟悉現(xiàn)場硬件設(shè)備的工作原理；確定控制目的后，收集系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中所需要的參數(shù)；在此基礎(chǔ)上為該系統(tǒng)選定主控制器以及其他的硬件設(shè)備；使用相應(yīng)的軟件平臺為控制系統(tǒng)編寫下位機(jī)程序；對編寫好的軟件進(jìn)行部分仿真；最后整理資料，對此次課題做出總結(jié)。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)流程如圖2-6所示。軟件部分仿真程序設(shè)計(jì)硬件選型設(shè)計(jì)工藝分析及總體設(shè)計(jì)軟件部分仿真程序設(shè)計(jì)硬件選型設(shè)計(jì)工藝分析及總體設(shè)計(jì)圖2-6設(shè)計(jì)流程第3章控制系統(tǒng)硬件選型及設(shè)計(jì)根據(jù)控制系統(tǒng)要求及設(shè)計(jì)，所需選型器件包括PLC控制器及模擬量采集擴(kuò)展模塊，爐膛內(nèi)溫度及出口溫度檢測傳感器，繼電器，壓力傳感器，按鈕等，燃?xì)忾_關(guān)閥門，助燃電磁閥等總?cè)細(xì)忾_關(guān)等，詳細(xì)選型如表3-1所示。表3-1詳細(xì)選型設(shè)備名稱型號訂貨號參數(shù)控制器S71200CPU1214C6ES7215-1AG40-0XB0工作內(nèi)存:100kB，14DI/10DO,2AI/2AO板載DI14x24VDC漏型/源型，1xPROFINET接口模擬量輸入擴(kuò)展模塊SM12236ES7231-4HD32-0XB0AI4x16位；輸入：1.25V、2.5V、5V、10V和0/4至20mA模擬量輸出擴(kuò)展模塊SM12326ES7231-4HD32-0XB0AQ2x14位；輸出：+/-10V，0到20mA；繼電器RPM22BD24VDC供電，常開電源PM12072.5A6EP1332-1SH71輸出：24V/2.5A；輸入：AC120V-230V50HZ溫度傳感器IRTP-800LS模擬量輸出：0-10V，：供電：12-36VDC。溫度測量范圍：-40-+300℃，精度：0.1℃燃?xì)忾_關(guān)閥門VBA216-050p模擬量信號控制，控制信號0-10VDC信號或4-20mA電流信號。上位機(jī)裝有TIA的PC機(jī)（帶以太網(wǎng)卡）符合TIAPROTAL安裝要求通信電纜TP電纜3.1可編程邏輯控制器選型當(dāng)前自動化領(lǐng)域PLC種類及品牌琳瑯滿目，包括不同廠商：三菱，西門子，歐姆龍等品牌，考慮本次的控制任務(wù)選用西門子的PLC作為控制器[6]，而本次控制任務(wù)采用緊湊型PLC即可完成控制任務(wù)，還可以控制成本。而現(xiàn)如今西門子緊湊型控制器主要包括：s7-200，s7-200Smart,S7-1200[7],考慮當(dāng)前西門子市場占有率及后續(xù)更好與現(xiàn)實(shí)使用接軌，本次采用三款中最近面市的S7-1200PLC作為控制器。根據(jù)本次控制系統(tǒng)需求，參考西門子官方發(fā)布的《S7-1200PLC產(chǎn)品樣本》，該控制器可滿足實(shí)際需求。該系列PLC主要有以下優(yōu)勢：（1）S7-1200與S7-1500機(jī)常類似，前連接器安裝時(shí)具有接線位置，并且提供了專門的電源元件、屏蔽支架以及線卡，能夠讓接線過程更加方便，可靠性更高；CPU上有LED顯示燈，能夠清晰的顯示CPU的狀態(tài)信息和故障信息[8]。（2）S7-1200PLC具有較快的處理速度和較強(qiáng)的聯(lián)網(wǎng)能力，診斷能力強(qiáng)，安全性能與其他系列PLC相比更高。本次選型的PLC具有雙端口交換機(jī)的PROFINET接口，能夠?qū)崿F(xiàn)PLC與上位機(jī)（PC）的TCP/IP通信，并且能實(shí)現(xiàn)PLC與變頻器的PROFINET通訊連接，完成變頻器的驅(qū)動調(diào)速控制。（3）S7-1200PLC的基本數(shù)據(jù)類型長度達(dá)到32位，S7-1200PLC支待Pointer、Any兩種類型指針，使得S7-1200在編程時(shí)具有一定的靈活性。布爾執(zhí)行速度,0.08μs/指令,移動字變量執(zhí)行速度,1.7μs/指令,浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算執(zhí)行速度,2.3μs/指令。該P(yáng)LC實(shí)物圖如圖3-1所示：具體型號為：s7-1200CPU1215CDC/DC/RLY，該CPU訂貨號為6ES7215-1HG40-0XB0，選擇固件版本V4.2。該控制器具有100KB工作存儲器；板載DI14x24VDC漏型/源型，DQ10繼電器和AI2；板載6個(gè)高速計(jì)數(shù)器和4路脈沖輸出；信號板擴(kuò)展板載I/O；多達(dá)3個(gè)用于串行通信的通信模塊；多達(dá)8個(gè)用于I/O擴(kuò)展的信號模塊；0.04ms/1000條指令；PROFINET接口，用于編程、HMI以及PLC間數(shù)據(jù)通信，滿足使用要求。圖3-1、S7-1200實(shí)物圖該CPU具有的資源：本次所選型號的PCL控制器內(nèi)部集成了100KB的工作內(nèi)存，4MB的裝載內(nèi)存，另外包含了14DA/10DO，在模擬量輸入輸出接口上分別有兩個(gè)。圖3-2為CPU接線圖，①接24VDC傳感器電源；②對于漏型輸入將負(fù)責(zé)接到“-”端（如圖示）。圖3-2、CPU接線圖3.2模擬量輸入模塊選型本次設(shè)計(jì)的加熱爐溫度串級控制系統(tǒng)需要溫度傳感器采集現(xiàn)場加熱爐出口及爐膛的溫度，但是傳感器采集到的信號為模擬量，需要將該模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，才能做檢測信號顯示及控制系統(tǒng)使用，配套西門子S7-1200PPLC選擇四輸入模擬量輸入模塊SM1231，固件版本V2.0。該模擬量輸入模塊支持多種模擬量輸入方式，本次采用其0-10VDC輸入信號進(jìn)行模擬量轉(zhuǎn)換，該模擬量輸入模塊的點(diǎn)數(shù)為4個(gè)，完全滿足需求，且其精度為16位，精度高，測量準(zhǔn)。實(shí)物圖如圖3-3所示，接線圖如圖3-4所示。圖3-3、SM1231實(shí)物圖3-4、模擬量輸入模塊接線圖3.3模擬量輸出模塊選型本次設(shè)計(jì)的加熱爐溫度串級控制系統(tǒng)需要通過控制燃料的輸入速度及在總量來控制火力，從而達(dá)到熱爐溫度的控制，想要達(dá)到高精度的控制，就必須采用高精度的模擬量輸出對閥門進(jìn)行開度的控制。系統(tǒng)輸出的閥門開度控制量需要通過模擬量輸出模塊轉(zhuǎn)換為模擬量信號后給到閥門，以此完成控制需求。配套西門子S7-1200PPLC選擇四輸入模擬量輸入模塊SM1232，固件版本V2.0。該模擬量輸出模塊包含了兩個(gè)模擬量輸出接口，并且為14位精度控制的模塊，精度高，完全滿足使用需求，本次將通過其0-10V信號輸出對閥門進(jìn)行控制。如圖3-3所示為SM1231的實(shí)物圖。圖3-3、SM1231實(shí)物圖3-4、模擬量輸出模塊接線圖3.4電源選型及設(shè)計(jì)為了本次整個(gè)熱爐溫度串級控制系統(tǒng)的運(yùn)行，需要為PLC添加獨(dú)立的供電電源，本次電源選用S7-1200系列配套電源PM12072.5A。該電源性能指標(biāo)：帶有自動范圍切換功能的交流電壓AC120/230V，輸入電壓工作范圍：AC85...132/176...264V，輸出：穩(wěn)定的無電勢直流電壓(SELV)，直流24V。該電源主要為PLC控制器，模擬I/O，數(shù)字I/O及其他通信提供電源輸出，滿足設(shè)計(jì)要求。圖3-5為電源PM12072.5A的實(shí)物圖。圖3-5PM1207電源實(shí)物圖3.5溫度傳感器選型及設(shè)計(jì)本次控制系統(tǒng)需要對爐膛及出口的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢側(cè)，在對出口及熱爐的溫度檢測時(shí)，首先需要得到溫度的模擬量信號，考慮到加熱爐的特殊應(yīng)用環(huán)境，本次不能采用傳統(tǒng)的PT100進(jìn)行溫度信號采集，需要使用可耐高溫的溫度傳感器進(jìn)行檢測。本次選用溫州上滬電氣的溫度傳感器，型號為IRTP-800LS。該溫度傳感器通過24V直流電源進(jìn)行供電，其相應(yīng)時(shí)間快，僅為100ms，而在實(shí)際的測量中，該溫度傳感器可以測量從0攝氏度到800攝氏度的溫度變化，并且能達(dá)到±1%或±2%的測量精度，完全滿足本次加熱爐溫度控制系統(tǒng)的需要。輸出模擬量電壓信號為：0~10V，其尺寸為：Φ18mmX98mm(L)，溫度傳感器實(shí)物圖如圖3-6所示。圖3-6光纖溫度傳感器實(shí)物3.6燃?xì)忾_關(guān)閥門選擇及設(shè)計(jì)根據(jù)本次設(shè)計(jì)要求，需要通過控制燃?xì)獾倪M(jìn)量來控制熱爐內(nèi)加熱溫度的變化，為了更加可靠的對溫度進(jìn)行控制，需要對燃?xì)獾倪M(jìn)氣量也由于精確的控制，并能通過實(shí)際的溫度檢測反饋與實(shí)際值得變化做出相應(yīng)的變化，以此完成PID控制，故本次選用通過模擬量輸出控制閥門開度的閥門。根據(jù)需求，本次熱爐溫度控制系統(tǒng)燃料的控制將采用Honeywell（霍尼韋爾）公司的電動調(diào)節(jié)閥實(shí)現(xiàn)閥門開度控制，其具體的型號是VBA216-050p。該電動調(diào)節(jié)閥的旋轉(zhuǎn)方向也是可調(diào)的，并且支持在零下20攝氏度到60攝氏度的環(huán)境下進(jìn)行使用，整個(gè)閥門的防護(hù)等級達(dá)到了IP54，并且具備CE認(rèn)證：MVN75/72/61。該電動調(diào)節(jié)閥可通過0-10V電壓型模擬量信號控制，也可通過4-20mA電流型模擬量信號控制。0-10V對應(yīng)閥門的開度為0-90°。滿足本次工作要求，實(shí)物圖如圖3-7所示。圖3-7電動調(diào)節(jié)閥3.6按鈕及繼電器選型根據(jù)現(xiàn)場檢測的具體要求，需要急停按鈕及開始等信號指示按鈕，以及控制熱爐加熱系統(tǒng)啟停的中間繼電器。急停按鈕選用施耐德公司的急停按鈕，具體型號為XB6ETI523P，其實(shí)物圖如圖3-8所示，該急停按鈕通過24V直流電源進(jìn)行供電，包含兩個(gè)常閉觸電，通過按壓即可釋放，并且該急停按鈕帶紅色顯示燈，更加醒目直觀。而在啟動按鈕及停止按鈕的選擇上，同樣選擇施耐德公司的按鈕，其具體型號為XB4BW33B5，該按鈕也是帶綠色的按鈕，通過直流24V電源進(jìn)行供電，具備彈簧復(fù)位操作頭，1NO+1NC，如圖3-16所示。帶LED可插拔式中間繼電器選用施耐德RPM22BD24VDC繼電器，工作電壓24VDC，1/2HP/120VAC1HP/277VAC(功率在1/2馬力時(shí)，觸點(diǎn)的交流工作電壓不得超過120V，在1馬力的功率時(shí)，交流工作電壓不得超過277V，1馬力大約735W，如圖3-17所示。繼電器底座型號為：RPZF2。圖3-8急停按鈕圖3-9按鈕圖3-10繼電器第4章控制系統(tǒng)控制程序設(shè)計(jì)4.1程序設(shè)計(jì)思路本次設(shè)計(jì)通過TIAPROTAL平臺實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)組件組態(tài)及程序編寫，包括S71200PLC，模擬量輸入擴(kuò)展模塊，模擬量輸出模塊等，另外還有通信組態(tài)，包括PLC與PC的PROFINET通信組態(tài)，PLC與PID控制器的工藝參數(shù)組態(tài)等。設(shè)計(jì)程序有多個(gè)程序模塊組成，主要包括以下子程序：、模擬量輸入轉(zhuǎn)換子程序；、模擬量輸出轉(zhuǎn)換子程序；、爐膛溫度PID控制子程序；、出口溫度PID控制子程序。、出口及爐膛溫度報(bào)警子程序4.2整體設(shè)備組態(tài)4.2.1關(guān)于TIAPORTALTIA博途是全集成自動化軟件TIAportal的簡稱，是西門子工業(yè)自動化集團(tuán)發(fā)布的一款全新的全集成自動化軟件[10]。博途是一個(gè)集成軟件平臺，其組態(tài)功能及兼容性強(qiáng)大，專業(yè)版支持300、400、1200、1500，同時(shí)還支持西門子人機(jī)界面WINCC和部分驅(qū)動器以及PLCSIM仿真部分等[11]。此軟件是自動化工控行業(yè)內(nèi)首個(gè)采用統(tǒng)一的工程組態(tài)和軟件項(xiàng)目環(huán)境的自動化軟件。用該軟件進(jìn)行程序開發(fā)雖然有一定難度，但是其模塊化的編程思維非常適用于當(dāng)前工控行業(yè)多任務(wù)，高效率的工作現(xiàn)狀。根據(jù)設(shè)計(jì)，軟件配置列表如表4-1所示。另外，西門子官方也給出了TIAPROTAL軟件平臺的相關(guān)安裝要求：硬件要求：上位機(jī)主機(jī)的CPU需要滿足一定的要求，另外建議使用的內(nèi)存為16GB，硬盤在安裝TIAPROTAL后，還有大于50GB的剩余空間即可。軟件要求：STEP7Professional/BasicV14.0SP1可以安裝在WIN7/WIN8/WIN10的64位操作系統(tǒng)之下，不支持32位的操作系統(tǒng)安裝，另外，安裝本次的TIAPROTAL需要管理員權(quán)限。通過TIAPROTAL實(shí)現(xiàn)主要器件組態(tài)，包括PLC，I/O擴(kuò)展模塊，模擬量輸入模塊及模擬量輸出模塊等等。另外包括了通信組態(tài)以及通信參數(shù)設(shè)定，主要是PLC與PC的PROFINET通信組態(tài)。表4-1軟件配置列表軟件名稱版本TIAPROTALV14.0SP1GSDMLSM1223TIAPLCSIMV14.0SP1StartDriveV14.0SP14.2.2PLC設(shè)備組態(tài)及以太網(wǎng)通信參數(shù)設(shè)置本次的熱爐溫度串級控制系統(tǒng)的控制器S7-1200通過基于TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)通信實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)（PC）的通信。本次選擇的CPU1214CDC/DC/RLY包含一個(gè)PROFINET通信口，完全滿足了工作的需求，只需要PLC通過PROFINET物理接口是的RJ45口（支持10/100Mb/s）與上位機(jī)連接即可。另外，在網(wǎng)絡(luò)端口組態(tài)中，選擇CPU之后，在CPU的以太網(wǎng)地址中設(shè)定通信地址為（默認(rèn)），其子網(wǎng)掩碼設(shè)定為。當(dāng)然，上位機(jī)需要設(shè)定相同網(wǎng)段的IP地址即可實(shí)現(xiàn)通信。如上位機(jī)設(shè)定為：0。s71200PLC端口網(wǎng)絡(luò)地址設(shè)置如圖4-1所示。圖4-1系統(tǒng)組態(tài)根據(jù)系統(tǒng)需求，對設(shè)備的I/O進(jìn)行分配，I/O分配表如圖4-2所示。其他內(nèi)部變量使用如圖4-3所示。圖4-2I/O分配表圖4-3其他內(nèi)部變量4.3溫度轉(zhuǎn)換子程序本次設(shè)計(jì)需要主要對熱爐的出口溫度及爐膛溫度內(nèi)實(shí)際溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并反饋至PLC，用于PID控制程序的對比，需要通過程序?qū)囟葌鞲衅鳈z測的溫度模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。本次采用的溫度檢測傳感器為0-10V電壓型輸出信號的傳感器，在組態(tài)中，選擇擴(kuò)展AI模塊的通道0作為壓力信號傳輸通道，測量類型設(shè)定為電壓型，電壓范圍選擇±10V，實(shí)際使用0-10V，通過模擬量輸入模塊實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換后，PLC接收到的數(shù)字信號范圍為：0-27648，該信號輸入端口為IW96及IW98。詳細(xì)設(shè)置如圖4-4所示。圖4-4、溫度傳感器參數(shù)組態(tài)通過PLC采集到的溫度傳感器信號范圍在0-27648之間，其反饋的壓力值在-40-300℃內(nèi)，使用NORM_X指令對輸入值進(jìn)行標(biāo)定，再通過SCALE_X指令對其進(jìn)行轉(zhuǎn)換，溫度傳感器檢測信號轉(zhuǎn)換程序如圖4-5所示。模擬量轉(zhuǎn)換程序中間變量如圖4-6所示.圖4-5溫度信號轉(zhuǎn)換程序圖4-6溫度轉(zhuǎn)換程序內(nèi)部變量4.4電動調(diào)節(jié)閥子程序本次設(shè)計(jì)需要通過改變?nèi)剂系倪M(jìn)氣量來改變熱爐加熱的溫度，該功能的實(shí)現(xiàn)通過電動調(diào)節(jié)閥實(shí)現(xiàn)。PID程序通過調(diào)整此閥門來達(dá)到實(shí)際溫度的調(diào)節(jié)。通過程序?qū)﹄妱诱{(diào)節(jié)閥開度的調(diào)節(jié)實(shí)際上是通過模擬量輸出的值轉(zhuǎn)換后對電動調(diào)節(jié)閥實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。本次采用的電動調(diào)節(jié)閥為0-10V電壓型輸出信號，在組態(tài)中，選擇擴(kuò)展AO模塊的通道0作為壓力信號傳輸通道，測量類型設(shè)定為電壓型，電壓范圍選擇±10V，實(shí)際使用0-10V，通過模擬量輸入模塊實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換后，PLC發(fā)送的數(shù)字信號范圍為：0-27648，該信號輸入端口為QW112及QW114。圖4-7模擬量輸出轉(zhuǎn)換圖4-8模擬量輸出轉(zhuǎn)換中間變量4.4熱爐溫度PID控制子程序首先根據(jù)本次系統(tǒng)對PID控制器及工藝參數(shù)進(jìn)行組態(tài)進(jìn)行基本參數(shù)設(shè)置。如圖4-9所示。圖4-9PID工藝參數(shù)組態(tài)基本設(shè)置本次出口溫度作為主要控制，采用PID結(jié)構(gòu)進(jìn)行閉環(huán)控制，初始PID參數(shù)如圖4-10所示。圖4-10出口溫度PID控制器參數(shù)設(shè)置對參數(shù)進(jìn)行設(shè)置后，可在組態(tài)界面查看全部工藝參數(shù)，如圖4-11所示。圖4-11PID組態(tài)所以參數(shù)最后，可以在查看PID調(diào)試界面設(shè)定相關(guān)參數(shù)，如圖4-12所示。但由于本次設(shè)計(jì)無法實(shí)際應(yīng)用相關(guān)器件進(jìn)行輸入、輸出接入，故無法進(jìn)行實(shí)際PID調(diào)試。圖4-12PID調(diào)試界面最后，在中斷程序中調(diào)用“PID_Compact”指令，調(diào)用PID控制器進(jìn)行相關(guān)控制。出口溫度及膛爐溫度調(diào)節(jié)PID程序如圖4-13及4-14所示。圖4-13出口溫度調(diào)節(jié)PID圖4-14爐膛溫度調(diào)節(jié)PID4.5系統(tǒng)主程序系統(tǒng)控制主程序在OB1中執(zhí)行，且上電時(shí)執(zhí)行溫度傳感器模擬量信號轉(zhuǎn)換子程序，程序如圖4-15所示：圖4-15主程序運(yùn)行程序后，調(diào)用相關(guān)子程序，如圖4-16所示。圖4-16模擬量轉(zhuǎn)換子程序調(diào)用通過運(yùn)行按鈕，實(shí)現(xiàn)PID指令調(diào)用。如圖4-17所示。圖4-17啟動PID調(diào)試第5章程序部分仿真5.1.1仿真設(shè)置S71200系列PLC在TIAPORTAL中仿真需要通過S7-PLCSIM進(jìn)行仿真，且需版本為PLCSIMV14.0SP1，具體仿真流程及結(jié)果如下。打開TIAPROTAL的仿真功能，自動啟動相應(yīng)的仿真軟件。設(shè)置仿真參數(shù)：將程序全部下載至仿真器中，PG/PC接口選擇PLCSIM。設(shè)定PLC啟動模式為暖啟動，如圖5-1所示。圖5-1程序仿真下載5.1.2子程序調(diào)用仿真程序運(yùn)行后，通過內(nèi)部繼電器狀態(tài)改變啟動程序，如圖4-19所示。隨后程序調(diào)用子程序仿真開啟，如圖5-2所示。5-2啟動仿真通過監(jiān)視程序內(nèi)部DB存儲塊，可以看到預(yù)先設(shè)定的報(bào)警值,如圖5-3所所示。圖5-3預(yù)設(shè)報(bào)警值監(jiān)視由于本次仿真無法對模擬量進(jìn)行更改，故通過更改報(bào)警值，如圖5-4所示，修改后，系統(tǒng)報(bào)警啟動。出口溫度調(diào)用仿真見圖5-5。圖5-4系統(tǒng)報(bào)警圖5-5出口溫度調(diào)用仿真此時(shí)可對PID程序進(jìn)行監(jiān)控，但無法實(shí)際調(diào)試，見圖5-6。PID調(diào)試界面仿真見