高速接縫式自動包裝機的設計和開發(fā) 畢業(yè)論文

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1、 鍋爐內膽水溫 PID 控制系統(tǒng)設計與監(jiān)控 院 、 部： 電氣與信息工程學院 班 級： 自本 0903 班 完成時間： 2013/5/30 摘 要在工業(yè)生產(chǎn)的過程中，經(jīng)常存在一些如溫度，液位，流量和速度等連續(xù)變化的量。對這些變量的控制已成為當今自動化技術發(fā)展的熱點。作為控制系統(tǒng)中的一種，水溫控制系統(tǒng)在自動化領域有著廣泛的應用?；诳删幊炭刂破鳎≒LC）的水溫控制大多是采用 PID 控制，PID 控制由于結構簡單，穩(wěn)定性好，可靠性高，在工業(yè)控制中得到了廣泛的應用。本文的水溫控制采用過程現(xiàn)場總線系統(tǒng)，過程現(xiàn)場總線（PROFIBUS）以其國際化，開放式，高可靠性，高靈活性等優(yōu)勢，在過程自動化，制造自

2、動化，樓宇自動化等領域內得到了廣泛的應用。論文首先簡單做了一些背景資料的介紹，然后重點闡述了 PLC 水溫定值控制系統(tǒng)的設計，包括硬件設計，硬件配置，下位機西門子 PLC S7-300 的主要功能模塊的介紹和程序的設計，上位機的監(jiān)控組態(tài)畫面的設計，以及系統(tǒng)的調試和參數(shù)的整定。系統(tǒng)中應用到了 WinCC 和 STEP 7 兩種軟件，WinCC 軟件主要是做監(jiān)控畫面，對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行監(jiān)控；STEP 7 軟件設計程序，完成對水溫定值控制系統(tǒng)的設計。關鍵詞：現(xiàn)場總線；WinCC；可編程控制器；水溫控制ABSTRACT In the process of industrial production, of

3、ten there are a few such as temperature,liquid level ,flow and speed of the amount of continuous change. For control of these variables has become a hot field in todays automation technology development. As one of the control system, water temperature control system has been widely used in the field

4、 of automation. Based on Programmable Logic Controller temperature control with PID control, PID control because of its simple structure, good stability, high reliability, widely used in industrial control. In this paper, process of water temperature control adopts field bus systems, process field b

5、us (PROFIBUS) in its internationalization, open, high flexibility, high reliability advantages, in process automation, manufacturing automation, building automation and other fields has been widely used. First,thesis introduce simple did some background information , and then expounds the design of

6、the control system of PLC temperature setting value, including hardware design, hardware configuration, the machine of main function module of Siemens PLC S7-300 is introduced and program design, PC monitor configuration screen design, as well as the system debugging and parameter setting .These are

7、 two software are used in the system,such as the WinCC and STEP 7.WinCC software mainly do monitoring, to monitor field data; The STEP 7 software design program, complete the design of the control system of water temperature setting value.Key words: Field bus; WinCC; Programmable Logic Controller; W

8、ater temperature control 目 錄1 緒論.1 1.1 鍋爐.1 1.2 現(xiàn)場總線.12 鍋爐內膽水溫控制系統(tǒng)的設計.3 2.1 控制系統(tǒng)介紹.3 2.1.1 控制系統(tǒng)結構.3 2.1.2 硬件設計.4 2.2 硬件配置.4 2.2.1 生成新項目.4 2.2.2 硬件配置.5 2.3 程序設計.6 2.3.1 FB41 簡介 .6 2.3.2 FC105 簡介 .9 2.3.3 FC106.10 2.3.4 控制程序.11 2.3.5 程序與組態(tài)的連接.12 2.3.6 建站.13 2.4 組態(tài)步驟.143 系統(tǒng)的整定及調試.24 3.1 PID 調節(jié)器 .24 3.1

9、.1 PID 的傳遞函數(shù) .24 3.1.2 控制規(guī)律的選擇.24 3.1.3 PID 控制器參數(shù)整定的方法 .25 3.2 調試步驟及結果.27結束語.31參考文獻.32致 謝.3301 緒論1.1 鍋爐鍋爐是化工、供熱供暖、煉油、發(fā)電等生產(chǎn)中不可或缺的設備。它所產(chǎn)生的高壓蒸汽，既可以作為風機、壓縮機、大型泵類的驅動動力源，又可以作為蒸餾、化學反應、干燥等過程的熱源。隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴大，生產(chǎn)設備的革新，作為動力設備和供熱設備的鍋爐，正在向著更大的容量、更高的系統(tǒng)參數(shù)、更高的效率等方面去發(fā)展。因此為了確保安全，穩(wěn)定生產(chǎn)，鍋爐的控制系統(tǒng)就顯得越發(fā)的重要。電鍋爐也稱電加熱鍋爐、電熱鍋爐，顧名思義，

10、它是以電力為能源并將其轉化成為熱能，然后經(jīng)過鍋爐的轉換，向外輸出具有一定熱能的蒸汽、高溫水或有機熱載體的設備。電鍋爐主要由鋼制的殼體、電腦控制系統(tǒng)、低壓電氣系統(tǒng)、電加熱管、進出水管及檢測儀表等組成。電鍋爐的加熱方式有電磁感應加熱方式和電阻（電加熱管）加熱方式兩種。電阻加熱方式又分為不銹鋼加熱管和陶瓷加熱管，電阻加熱方式就是采用電阻式電熱元件進行加熱。電鍋爐的優(yōu)點就是在結構上易于疊加和組合，控制更加靈活，維修更換更方便。 隨著國家經(jīng)濟的快速發(fā)展，自動化控制水平也越來越高，相對的，用戶對鍋爐控制系統(tǒng)工作的效率要求也就越來越高，為了有效的提高鍋爐的工作效率，減少對環(huán)境的污染，利用計算機技術與組態(tài)軟件

11、技術對鍋爐的生產(chǎn)過程進行自動化的控制就有著非常重要的意義。目前，國內的許多地方鍋爐的控制系統(tǒng)主要還是采用分布式控制系統(tǒng) DCS(Distributed Control System)進行控制。因為鍋爐的整個系統(tǒng)的儀器儀表的信號比較多，采用 DCS 系統(tǒng)進行控制的性價比較好。但是隨著 PLC 控制技術的發(fā)展革新，PLC 的功能已經(jīng)得到了很大的強化，在儀表的控制方面也有了較大的突破，用于回路調節(jié)和組態(tài)畫面的功能也在不斷的完善。并且 PLC 的抗干擾能力很強，對電源的質量要求也比較低。1.2 現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線控制技術是當今自動化控制領域技術發(fā)展的熱點之一，它被譽為是自動化領域的計算機局域網(wǎng)，它的出現(xiàn)

12、標志著自動化控制技術又一個新的時代的來臨。現(xiàn)場總線是用于連接控制現(xiàn)場的儀器儀表和控制室內的控制設備之間的數(shù)字化、串行、多站通信的網(wǎng)絡。現(xiàn)場總線技術的出現(xiàn)使傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)結構發(fā)生了革命性的變化，使自動控制系統(tǒng)朝著智能化、數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡化、分散化的方向迅速的邁進，1形成新型的網(wǎng)絡集成式全分布式控制系統(tǒng)-現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) FCS（Fieldbus Control System） ?，F(xiàn)場總線實現(xiàn)了微機化測量控制設備之間實現(xiàn)雙向串行多節(jié)點數(shù)字通信，因為其開放式、數(shù)字化、多站點通信、低帶寬的特性。所以可以很方便地與因特網(wǎng)（Internet） 、企業(yè)內部網(wǎng)（Interanet）相連。22 鍋爐內膽水溫

13、控制系統(tǒng)的設計2.1 控制系統(tǒng)介紹2.1.1 控制系統(tǒng)結構 本系統(tǒng)是以鍋爐的內膽作為被控對象，內膽水溫作為控制系統(tǒng)的被控量。要求當水溫穩(wěn)定至預設好的給定量時，將鉑電阻 TT1 測到的鍋爐內膽水溫溫度作為反饋的信號，在與預設好的給定量進行比較后，它們之間的差值就轉化成調節(jié)器控制的三相調壓模塊的輸出電壓（即三相電阻式電加熱管兩端的電壓） ，以達到控制鍋爐內膽水溫的目的。在鍋爐內膽的水溫定值控制系統(tǒng)中，其參數(shù)整定的方法和其它單回路控制系統(tǒng)是一樣的，但由于加熱過程容量時延較大，所以其控制過渡時間也較長，系統(tǒng)的調節(jié)器可選擇 PI 或 PID 控制。系統(tǒng)結構圖如圖 1 所示。圖 1 系統(tǒng)結構框圖 (a)結

14、構圖 (b)方框圖因此，本系統(tǒng)可以采用兩種方案對鍋爐內膽水溫來進行控制： （1） 鍋爐夾套不加冷卻水（靜態(tài)） （2） 鍋爐夾套加冷卻水（動態(tài)）顯然，兩種方案的控制效果是不一樣的，后者比前者的升溫過程稍慢，降溫過程稍快。無論采用靜態(tài)方式進行控制還是采用動態(tài)方式進行控制，本系統(tǒng)的上位機監(jiān)控界面的操作都是一樣的。3 本設計采取第 1 種方案：鍋爐夾套不加冷卻水（靜態(tài)） 。2.1.2 硬件設計 （1）模擬鍋爐此鍋爐采用不銹鋼制成，由加熱層（內膽）和冷卻層（夾套）組成。做溫度實驗時，冷卻層的循環(huán)水可以使加熱層的熱量快速散發(fā)，使加熱層的溫度快速下降。冷卻層和加熱層都裝有溫度傳感器檢測其溫度。由于本文采用鍋

15、爐夾套不加冷卻水，所以動態(tài)回流過程可以省略，只是開始用氣動閥門調節(jié)向水箱內注入一定量的冷卻水。（2）水泵本系統(tǒng)采用磁力驅動泵，型號為 16CQ-8P，流量為 32 升/分，揚程為 8 米，功率為 180W。泵體全部采用不銹鋼材料，這樣既可以防止生銹，也能延長水泵使用的壽命。它是使用三相 380V 恒壓驅動的。（3）溫度傳感器本系統(tǒng)的溫度傳感器是采用 Pt100 傳感器，它是帶 PROFIBUS-PA 通訊協(xié)議的溫度變送器，可直接把溫度信號轉化成數(shù)字信號。Pt100 傳感器的測量精度高，熱補償性能好。（4）三相移相調壓裝置該裝置是用可控硅移相觸發(fā)裝置，輸入的控制信號為 420mA 標準的電流信號

16、，輸出的電壓用來控制電阻加熱管進行加熱，從而達到控制鍋爐水溫的目的。 （5）控制器控制器采用 SIEMENS 公司的 S7-300 CPU，型號為 314 IFM，本 CPU 既具有能進行多點通訊功能的 MPI 接口，又具有 PROFIBUS-DP 通訊功能的 DP 通訊接口。該 CPU 工作存儲器容量為 24K 字節(jié)，內部集成 RAM 為 40K 字節(jié)，并自帶 4 位模擬量輸入，一位模擬量輸出。2.2 硬件配置2.2.1 生成新項目 雙擊桌面上的“SIMATIC Manager”圖標，則會啟動 STEP 7 管理器及 STEP 7 新項目創(chuàng)建向導如圖 2 所示。按照向導界面提示，點擊“NEX

17、T” ，選擇好 CUP 型號，本論文選擇的 CPU 型號為 CPU314 IFM，設置 CPU 的 MPI 地址為 2，點擊“NEXT” ，在出現(xiàn)的界面中選擇好你所熟悉的編程語言（本設計選用梯形圖 LAD） ，點擊“FINISH” ，項目生成完畢，啟動后 STEP 7 管理器界面如圖 3 所示。4 圖 2 新項目創(chuàng)建向導 圖 3 管理器界面2.2.2 硬件配置（1）選中 STEP 7 管理器左邊窗口中的“SIMATIC 300 Station”項，單擊鼠標的左鍵，則會在右邊窗口中出現(xiàn)“Hardware”和“CPU314 IFM(1)”兩個項目，雙擊“Hardware” ，打開硬件配置窗口如圖

18、4 所示。圖 4 硬件配置窗口（2）整個硬件配置窗口分為四個部分，左上方為模塊機架，左下方為機架上模塊的詳細內容，右上方是硬件列表，右下方是硬件列表中具體某個模塊的功能說明和訂貨號。5（3）要配置一個新模塊，首先要確定模塊放置在機架上的什么位置，再在硬件列表中找到相對應的模塊，雙擊模塊或者按住鼠標左鍵拖動模塊到安放到選擇好的位置，放好后，會自動彈出模塊屬性對話框，只要設置好模塊的地址和其他參數(shù)即可。（4）按照上面的步驟，逐一按照實際硬件排放順序配置好所有的模塊，編譯通過后，保存所配置的硬件。配置好的硬件配置如圖 5 所示。圖 5 配置好的硬件配置2.3 程序設計2.3.1 FB41 簡介FB4

19、1 模塊被稱為連續(xù)控制的 PID，用于控制連續(xù)變化的模擬量。它是 S7-300 給用戶提供的標準的已經(jīng)編制好的程序的塊，用戶可以直接調用它們，以便高效地編制自己的程序，但是不能修改這些編制好的功能塊。系統(tǒng)功能塊有存儲功能，其變量保存在指定給它的背景數(shù)據(jù)塊中。FB41 不僅實現(xiàn)了設定值和過程值分支的功能，還實現(xiàn)了一個完整的 PID 控制器。FB41“CONT_C”用于在SIMATIC S7 可編程控制器上，控制帶有連續(xù)輸入和輸出變量的工藝過程。在參數(shù)分配期間可以激活或取消激活 PID 控制器的子功能，以使控制器適合實際的工藝過程。其功能模塊引腳圖如圖 6 所示。參數(shù)表如表 1 所示。67圖 6

20、FB41 功能模塊引腳圖表 1 FB41 參數(shù)表 82.3.2 FC105 簡介 FC105 功能是通過獲取一個整型值(IN)，并將其轉換成以工程量單位表示的介于 LO_LIM 和 HI_LIM 之間的實型值。然后將轉化后的值送入 OUT 進行輸出。FC105 功能可以使用以下等式。OUT = (FLOAT (IN) -K1)/(K2-1) * (HI_LIM-O_LIM) + LO_LIM （1） 如果輸入整型值大于設定上限值，輸出(OUT)將鉗位于 HI_LIM，并返回一個錯誤。如果輸入整型值小于設定下限值，輸出將鉗位于 LO_LIM，并返回一個錯誤。FC105 的引腳圖如圖 7 所示。F

21、C105 的參數(shù)表如表 2 所示。圖 7 FC105表 2 FC105 參數(shù)說明參數(shù)數(shù)據(jù)類型描述ENBOOL使能輸入端，狀態(tài)為 1 有效ININT輸入值HI_LIMREAL工程單位表示的上限值LO_LIMREAL工程單位表示的下限值輸入BIPOLARBOOL1 為雙極性，0 為單級性92.3.3 FC106FC106 模塊功能為獲取一個以工程量單位表示、且標定于 LO_LIM 和HI_LIM 之間的實型輸入值(IN)，然后通過模塊的內部運算轉化為一個整型值，其結果通過 OUT 輸出。FC106 功能使用以下等式：OUT = (IN-O_LIM)/(HI_LIM-O_LIM) * (K2-1)

22、+ K1 （2）如果輸入值超出 LO_LIM 和 HI_LIM 范圍，輸出(OUT)將鉗位于距其類型(BIPOLAR 或 UNIPOLAR)的指定范圍的下限或上限較近的一方，并返回一個錯誤。FC106 的引腳圖如圖 8 所示。參數(shù)表如表 3 所示。輸出OUTREAL轉換的結果ENOBOOL使能輸出端，狀態(tài)為 1 有效RET_VALWORD狀態(tài)字10圖 8 FC106表 3 FC106 參數(shù)2.3.4 控制程序說明參數(shù)數(shù)據(jù)類型描述ENBOOL使能輸入端，狀態(tài)為 1 有效INREAL輸入值HI_LIMREAL工程單位表示的上限值LO_LIMREAL工程單位表示的下限值輸入BIPOLARBOOL1

23、為雙極性，0 為單級性輸出ENOBOOL使能輸出端，狀態(tài)為 1 有效OUTINT轉換的結果11122.3.5 程序與組態(tài)的連接 點擊窗口工具欄上的電源控制開關，把 CPU 設置成 STOP 模式，返回硬件配置窗口，點擊編譯圖標，然后把 CPU 置于成 RUN 的狀態(tài)，如果 SF 燈不亮，且亮的只有綠燈，表明程序與組態(tài)可以連接。如果 SF 燈亮，則表明程序連接組態(tài)出錯，修改程序，直到成功。如圖 9 所示。圖 9 連接窗口2.3.6 建站選中文件名“S7-XX” ，單擊鼠標的右鍵，選擇“Insert New Object”項，13- “OS”項，就成功建立了一個新的站。如圖 10、11 所示。圖

24、10 建立新站圖 11 建立新站后的窗口2.4 組態(tài)步驟（1）新建工程14點擊菜單“文件”-“新建” ，打開如圖 12 所示的窗口。在打開創(chuàng)建新項目的窗口中，選擇“單用戶項目” ，單擊“確定”按鈕，打開如圖 13 所示的窗口。 圖 12 創(chuàng)建新項目向導 圖 13 輸入項目名稱 填寫好項目名稱后，點擊“創(chuàng)建”按鈕，這樣就新建好一個工程了。（2）添加通訊驅動程序選中變量管理器，單擊鼠標的右鍵，選擇“添加新的驅動程序”項，如圖14 圖 a 所示，之后會出現(xiàn)一個窗口，選擇“SIMATIC S7 Protocol Suite.CHN”項，單擊“打開”按鈕，出現(xiàn)如圖 14 圖 b 所示的窗口。15 圖 a

25、 圖 b 圖 14 添加通訊驅動程序（3）組態(tài)變量點擊圖 14 圖 b 右側窗口的“SIMATIC S7 PROTOCOL SUITE”項，會出現(xiàn)如圖 15 所示的窗口。圖 15 顯示通道單元在圖 15 中，選中“MPI”項，單擊右鍵，選擇“新建驅動程序連接”項，打開如圖 16 所示的窗口。點擊“確定”按鈕。16圖 16 連接屬性窗口在窗口的右側，單擊右鍵，選擇“新建變量”項，打開如圖 17 所示的窗口。單擊“選擇”項，彈出如圖 18 所示的窗口。用同樣的方法組態(tài)剩下的下變量，組態(tài)好的變量如圖 19 所示。17圖 17 定義變量圖 18 變量地址屬性 18圖 19 定義好的變量 （4）組態(tài)畫面

26、編輯 在窗口的左側，選中“圖形編輯器” ，單擊右鍵，選擇“新建畫面”項。在窗口右側增加了一個文件“NewPdl0.Pdl” ，雙擊“NewPdl0.Pdl” ，打開如圖 20所示的窗口。圖 20 畫面編輯窗口 在對象調色板的智能對象中，選中“棒圖”項，制作成參數(shù)整定中溫度量程的儀表，如圖 21 所示。在對象調色板的智能對象中，選中“輸入/輸出域”項，作成對應的數(shù)字輸入/輸出顯示，如圖 22 所示。在對象調色板的標準對象中，選中“靜態(tài)文本”項，作為輸入/輸出域的文字解釋，如圖 23 所示。組態(tài)好的參數(shù)整定畫面如圖 24 所示。19圖 21 棒圖畫面 圖 22 輸入/輸出域畫面 圖 23 靜態(tài)文本

27、畫面20 圖 24 組態(tài)好的參數(shù)整定畫面 在對象調色板的窗口對象中，選中“按鈕”項，放入畫面編輯窗口中，如圖 25 所示。選中按鈕，單擊右鍵，進行屬性的編譯，如圖 26、27 所示。圖 25 按鈕畫面圖 26 按鈕的屬性設置21圖 27 編輯動作窗口 點擊對象調色板的窗口的“控件”按鈕，如圖 28 所示，選擇“Active 控件”項中的“WinCC Online Trend Control”項，在組態(tài)窗口中，拖一個長方形的區(qū)域，歷史曲線顯示控件被放置到窗口中，如圖 29 所示。雙擊這個控件，打開如圖 30 所示的 WINCC 在線趨勢控件屬性窗口。22 圖 28 控件選項窗口 圖 29 歷史曲

28、線窗口圖 30 WINCC 在線趨勢控件屬性窗口 組態(tài)好的按鈕畫面如圖 31 所示，組態(tài)好的全部畫面如圖 32 所示。 圖 31 組態(tài)好的按鈕畫面23圖 32 組態(tài)好的全部畫面3 系統(tǒng)的整定及調試3.1 PID 調節(jié)器3.1.1 PID 的傳遞函數(shù)本次設計采用 PID 控制的算法，它具有原理簡單、適應性強、魯棒性強的特點。PID 調節(jié)器的微分方程如式（3）所示，傳遞函數(shù)如式（4）所示。 （3） dttdedtte1tetTTKUDIP （4) )SS11 (SESUSTTKGDIPC式中：KP-比例系數(shù)； TI-積分時間常數(shù)；24 TD-微分時間常數(shù)；3.1.2 控制規(guī)律的選擇（1）比例控制(

29、P 調節(jié)） 比例控制器的傳遞函數(shù)如式（5）所示。比例動作的調節(jié)器對擾動有及時而有力的抑制作用，這種調節(jié)器的主要缺點是系統(tǒng)存在靜態(tài)誤差，不能做無靜差調節(jié)。比例值 Kp 增大，穩(wěn)態(tài)誤差減小，但是可能導致系統(tǒng)震蕩加劇，甚至不穩(wěn)定。 (5) 1SKGPC式中 Kp 是比例系數(shù)， 是比例帶。（2）比例-積分(PI)調節(jié)PI 調節(jié)器主要是利用比例調節(jié)來快速消除擾動的影響，同時利用積分調節(jié)來消除穩(wěn)態(tài)誤差，當偏差出現(xiàn)時，比例起粗調作用，積分起細調作用，直到誤差為零。當 Kp 不變時，減小 Ti，積分作用增強，衰減比減小，震蕩加劇，超調量增大。積分作用除消除系統(tǒng)的余差外，也降低了系統(tǒng)的震蕩頻率，使響應速度變慢。

30、PI 調節(jié)器是在過程控制中被應用的最多的一種。它的傳遞函數(shù)如式（6）所示。 (6) )S11 (1)S11 (STTKGIIPC式中 Ti 是積分的時間。（3）比例-微分(PD)調節(jié)PD 調節(jié)就是利用微分的超前控制作用。微分反映變化率，可以使系統(tǒng)的動態(tài)特性改善，但微分作用過強，可能導致系統(tǒng)的穩(wěn)定性減弱。對于大時滯系統(tǒng)，微分控制不能改善系統(tǒng)品質。噪聲大的系統(tǒng)也不宜加入微分，容易導致調節(jié)閥開度飽和。它的傳遞函數(shù)如式（7）所示。 (7) )S1 (1)S1 (STTKGDDPC式中 Td 是微分的時間。（4）比例-積分-微分(PID)調節(jié)器PID 調節(jié)器是常規(guī)調節(jié)器中性能最好的一種。它集各種調節(jié)器的

31、優(yōu)點于一身，既能迅速消除外部干擾的影響，消除靜差，又能加快系統(tǒng)的動作速度，減小超調，克服震蕩。三者結合，可以達到快速敏捷，平穩(wěn)準確。它的傳遞函數(shù)如式（8）所示。25 (8) )SS11 (1)SS11 (STTTTKGDIDIPC3.1.3 PID 控制器參數(shù)整定的方法參數(shù)整定的方法一般分為兩種：一種是理論整定法，它是利用對數(shù)頻率特性法和根軌跡法來求得相應的參數(shù)；另一種是工程整定法，它的特點是不需要事先知道過程的數(shù)學模型，可以直接在過程控制系統(tǒng)中進行現(xiàn)場整定，方法簡單，計算簡便，易于掌握。工程整定法包含有以下四種： （1）現(xiàn)場湊試法（也稱經(jīng)驗法） 它是根據(jù)經(jīng)驗先將控制器的參數(shù)設置在某些數(shù)值上，

32、直接在閉環(huán)控制系統(tǒng)中通過改變給定值和施加擾動信號，觀察系統(tǒng)的輸出響應曲線和擾動響應曲線的形狀，根據(jù) ，Ti，Td 對控制系統(tǒng)的影響規(guī)律，現(xiàn)場湊試調整相應的參數(shù)，直到獲得滿意的動、靜特性為止。 （2）臨界比例度法在閉合的控制系統(tǒng)里，將調節(jié)器置于純比例作用下，由大到小逐漸改變調節(jié)器的比例度，得到等幅振蕩的過渡過程，如圖 33 所示。此時的比例度被稱為臨界比例度 k，相鄰兩個波峰間的時間間隔，被稱為臨界振蕩周期 Ts，按表4 所列的經(jīng)驗算式，求取調節(jié)器的參考參數(shù)值。 圖 33 具有周期 TS的等幅振蕩表 4 臨界比例度法整定調節(jié)器參數(shù) 調節(jié)器參數(shù)調節(jié)器名稱TI(S)TD(S)P2kPI2.2kTS/

33、1.2PID1.6k0.5TS0.125TS 26 此法的優(yōu)點是應用簡單方便，但有些事項仍要注意。有的控制系統(tǒng)，臨界比例度非常小，使系統(tǒng)接近兩式控制，調節(jié)閥不是全開就是全關，對控制工業(yè)的生產(chǎn)十分的不利。也有的控制系統(tǒng)，就算把調節(jié)器的比例度 調到最小的刻度值，系統(tǒng)也仍不會產(chǎn)生等幅的振蕩，對此，就可以把最小刻度所對應的比例度看作是臨界比例度 k 來進行調節(jié)器的參數(shù)的整定。（3）衰減曲線法（阻尼振蕩法）圖 34 4：1 衰減曲線法圖形在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，首先把調節(jié)器參數(shù)設置為純比例作用（Ti=，Td=0）使系統(tǒng)開始運行，然后再把比例度 由大逐漸減小，直至出現(xiàn)如圖 34 所示的4：1 衰減過程曲線為止。

34、此時的比例度稱為 4：1 衰減比例度 s，兩個相鄰波峰間的時間間隔，稱為 4：1 衰減周期 Ts。根據(jù) s 和 Ts，運用表 5 所示的經(jīng)驗公式，就可計算出調節(jié)器預整定的參數(shù)值。表 5 衰減曲線法計算公式 調節(jié)器參數(shù)調節(jié)器名稱（%）TI(min)TD(min)PSPI1.2S0.5TSPID0.8S0.3TS0.1 TS （4）動態(tài)特性參數(shù)法這種整定的方法，就是以對象特性的階躍響應曲線為依據(jù)，利用一些已知的經(jīng)驗公式去求取調節(jié)器的被控過程的增益 K、時間常數(shù) T、時滯 。常見的方法有齊格勒-尼科爾斯（Ziegler-Nichols) 法，柯恩-庫恩（Cohen-Coon)法等。利用表 6 所示的

35、經(jīng)驗公式，就可計算出對應于衰減率為 4：1 時調節(jié)器的相關參數(shù)。如果被控對象是一階慣性環(huán)節(jié)，或具有很小滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，若用臨界比例度法或阻尼振蕩法（4：1 衰減）就有難度，此時應采用動態(tài)特性參27數(shù)法進行整定。表 6 經(jīng)驗計算公式調節(jié)器參數(shù)調節(jié)器名稱（%）TITDP100%TKPI1.1100%TK3.3PID0.85100%TK20.53.2 調試步驟及結果本系統(tǒng)選擇鍋爐內膽水溫作為被控制量，仿真之前先將儲水箱貯滿水，將閥門 F1-1、F1-5、F1-13 全開，手動調節(jié)閥門 F1-4 至適當開度，打開電磁閥開關，其余閥門關閉，啟動 380 伏交流磁力泵，給鍋爐內膽貯存一定的水量（要求至

36、少高于液位指示玻璃管的紅線位置） 。接通控制系統(tǒng)電源，打開用作上位監(jiān)控的 PC 機，進入仿真主界面，系統(tǒng)進入正常的測試狀態(tài)，在上位機監(jiān)控界面中點擊 “手動” ，并將輸出值設置為一個合適的值。合上三相電源空氣開關，三相電加熱管通電加熱，適當增加/減少輸出量，使鍋爐內膽的水溫穩(wěn)定于設定值。待鍋爐內膽水溫穩(wěn)定于給定值時，將調節(jié)器切換到“自動”狀態(tài)，待水溫穩(wěn)定后，突增（或突減）設定值的大小，使其有一個正（或負）階躍增量的變化（即階躍干擾，此增量不宜過大，一般為設定值的 515%為宜） ，鍋爐內膽的水溫便離開原平衡狀態(tài)，經(jīng)過一段調節(jié)時間后，水溫穩(wěn)定至新的設定值。點擊仿真界面下邊的切換按鈕，觀察實時曲線、

37、歷史曲線、數(shù)據(jù)報表所記錄的設定值、輸出值，內膽水溫的響應過程曲線將如下圖所示。圖 35 內膽水溫的響應過程曲線28 （1）控制系統(tǒng)采用 P 調節(jié)器時，實驗結果如圖 36 所示。圖 36 采用 P 調節(jié)器時鍋爐內膽靜態(tài)水溫效果圖 （2）控制系統(tǒng)采用 PI 調節(jié)器時，實驗結果如圖 37 所示。29圖 37 采用 PI 調節(jié)器時鍋爐內膽靜態(tài)水溫效果圖 （3）控制系統(tǒng)采用 PD 調節(jié)器時，實驗結果如圖 38 所示。圖 38 采用 PD 調節(jié)器時鍋爐內膽靜態(tài)水溫效果圖 （4）控制系統(tǒng)采用 PID 調節(jié)器時，實驗結果如圖 39 所示。30圖 39 采用 PID 調節(jié)器時鍋爐內膽靜態(tài)水溫效果圖結束語 此次的

38、畢業(yè)設計，主要認識了 STEP 7 軟件的基本編程和 WINCC 組態(tài)畫面的設計,了解了鍋爐內膽水溫控制系統(tǒng)的基本原理，并且學會了如何去設計一個過程控制系統(tǒng)，掌握了基本的設計方法。在通常情況下，主要是由以下幾個部分組成：了解被控對象、設計控制方案、儀器設備的選擇、編寫程序、設計組態(tài)畫面、系統(tǒng)調試等，這種設計方法可以讓設計結果達到最佳的效果，最符合系統(tǒng)的控制要求。通過這次的設計，讓我對過程控制系統(tǒng)有了全新的認知，從無到有，體會到了過程控制系統(tǒng)的強大，明白了過程控制系統(tǒng)的重要性，同時我也學會簡單使用 WINCC 和 STEP 7 這兩款西門子的軟件。本次設計中還調用了PID 控制模塊的 FB41

39、功能模塊，在使用的過程當中，再一次的加深了對 PID 控制器的了解。這次設計讓我在新的領域又學到了新的知識。在這次畢業(yè)設計中，一開始對課題確實不是很了解，而且對需要用到的軟件 WINCC 和 STEP 7 更是完全不懂，通過老師和同學的幫助以及上網(wǎng)查找資料，31逐漸的對課題和軟件有了初步的了解。了解了組態(tài)知識，在畢業(yè)設計中，學會了簡單應用。這個階段也許就是學習的初級階段，最重要的是在無聊中發(fā)現(xiàn)新奇，培養(yǎng)學習的興趣。一開始的時候完全不知道該怎么做，查了一些相關的的課題資料和相關課本知識，在設計過程中也加深了對學過的知識的理解，可以說是溫故而知新，并且在摸索之中設計出組態(tài)圖，不過圖還不是很完整。在

40、畫組態(tài)圖的過程中，剛開始那是毫無頭緒，也借鑒了很多別人設計好的組態(tài)畫面，最終還是把程組態(tài)圖畫完了。在此期間，我覺得是在解析一道道難題，難免會有心煩意亂的時候,導致不想接著做，但是畢竟確實還是學到了一些知識，這些知識是大學課堂中所沒有涉及的，相信對我今后的工作和生活會有幫助的。這次設計，讓我明白了相互幫助、團隊合作的重要性，自己的方法不一定是最合理的，也不是所有的問題靠自己就能夠解決，相互交流補充能夠讓我們少走許多彎路，同時保證了畢業(yè)設計的順利完成。所以加強團隊合作，對工作學習都有著重要的意義。通過對課題的把握和理解，我著重對編程和組態(tài)軟件進行學習，讓自己對組態(tài)設計保持一定的興趣，對組態(tài)的應用感

41、到好奇?？傊?，畢業(yè)設計一定要按照指導老師要求和步驟，一步步的完成，做到理論聯(lián)系實際，才能更好地完成設計。通過這次鍋爐內膽水溫控制系統(tǒng)的設計，學到了挺多的知識，換句話說，本次設計也提供了一個好的機會，讓我從生疏到入門，從無知到了解，加深了對所學知識的理解。因此，總體來說本次畢業(yè)設計讓我受益匪淺，也是對大學生涯的一個圓滿的總結。參考文獻1 劉華波，王雪組態(tài)軟件 WINCC 及其應用機械工業(yè)出版社，2010 Liu HuaBo,Wang Xue.Configuration software WINCC its application.Mechanical Industry Press,2010 2

42、祁紅芳，王淑紅.PID算法在西門子PLC模擬量閉環(huán)控制忠的實現(xiàn)J機床電器,2005 Qi HongFang,Wang ShuHong.PID algorithm Siemens PLC analog closed-loop control and faithful implementationJ.Electrical machines,20053 廖常初.S7-300/400PLC應用技術M機械工業(yè)出版社,2005 Liao ChangChu.S7-300/400PLC application technologyM.Mechancal Industry Press,20054 李國厚.PLC

43、原理及應用設計化學工業(yè)出版社,2005 Li GuoFu.PLC Principle and application design.Chemical Industry Press,2005325 錢銳.PLC 應用技術M 科學出版社,2006 Qian Rui.PLC application technologyM.Science Press,20066 崔偉群，孫啟發(fā)S7-300/400 可編程序控制器原理與應用M北京航空航天大學出版社,2009 Cui WenQun,Sun QiFa.S7-300/400 Programmable Controllers Principles and Ap

44、plicationM.Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press,20097 羅庚興，寧玉珊基于 WINCC 和 STEP 7 的 PID 控制J.機電工程技術，2009 Luo GengXing,Ning Yushan.WINCC and STEP 7 based PID controlJ.Electrical Engineering Technology，20098 胡壽松. 自動控制原理M. 北京:科學出版社，2007 Hu Shousong. automatic control principle M. Beijin

45、g: science press, 2007 9 王兆案，劉進軍. 電力電子技術M. 北京:機械工業(yè)出版社，2009Wang Zhaoan,Liu Jinjun.Power electronic technology M. Beijing: mechanical industry press, 2009 致 謝 首先我必須感謝我的指導老師羅雪蓮老師，沒有她提供的資料和設計步驟，這次畢業(yè)設計就不可能完成。沒有老師的悉心指導，這次畢業(yè)設計將會屢步維艱。這次基于組態(tài)軟件 WinCC 的鍋爐內膽水溫控制系統(tǒng)設計與監(jiān)控總算是基本完成了，總體感得遇到的難題是非常多的，但總算一個一個解決了，對于這次的畢業(yè)設

46、計我不是很滿意，因為這次的設計不是一個相對完整的設計，能做到現(xiàn)在這一步，離不開學院能給我提供這么好的設計環(huán)境和教育的原因，當然與期間這么多同學的幫助是離不開的。首先是羅雪蓮老師的幫忙，期間有好多關鍵性的問題，都是因為有老師的指導，所以都能很快的解決。在此，我表示深深的謝意。其次，是我的同組成員趙冠東和鄧映禮同學，是他們和我共同的努力下才有了今天設計的完成，對此，我也要表示感謝。最后，在設計時，同學也給了我一定幫助，在很多時候給我指點迷津，幫我解決了不少的問題，對此也表示感謝。今后，不管是在學習中還是在工作中，我都會保持著一顆幫助他人和感謝他人的心態(tài)，并回報每一個幫助過我的人，做一個對社會有用的人。33