基于Siemens-S7-300-PLC的锅炉DCS系统设计

基于SiemensS7-300PLC的锅炉DCS系统设计I摘要工业锅炉是工业生产过程中十分常见的一种工业设备，锅炉控制系统自动化水平的高低对锅炉的安全生产和效率起到关键作用。DCS控制是大中型工业锅炉控制系统的主流控制方式，因此，本课题以工业锅炉模拟系统SMPT-1000为研究对象，研究锅炉DCS的构成原理、DCS系统设计的方法步骤，具有较好的工程实践意义。本文在首先对集散控制系统的发展过程进行了综述，介绍了集散控制系统的系统结构和特点的基础上，并分析了SMPT-1000工业锅炉模拟系统的工艺流程，列出了工艺流程的设备、检测点、执行机构等列表，并提出了一套基于SiemensS7-300PLC的锅炉DCS系统设计方案。然后，采用Step7编程软件完成了系统的硬件组态、通信组态和控制算法组态及硬件模块测试。接着，利用Siemens公司的WinCC软件开发了系统的人机界面，主要包括锅炉工艺模拟图、实时趋势曲线，PID参数调节器等。最后，实现了对汽包水位、炉膛负压、蒸汽压力等子系统的实时监控。实验结果表明：本文所设计的锅炉DCS系统的各项功能正确，控制性能指标达到了设计的要求。关键词：工业锅炉Profibus可编程序控制器集散控制系统IIDesignofBoiler’sDCSSystemBasedonSiemensS7-300PLCAbstractIndustrialboilersareverycommoninindustrialprocessesofindustrialequipment,automationleveloftheboilercontrolsystemplayakeyroleintheboiler’ssafetyandefficiency.DCScontrolisthemaincontrolmodeinthelargeandmediumindustrialboilercontrolsystem.Therefore,thesubjectbasedontheindustrialboilersimulationsystemSMPT-1000astheresearchobject,researchconstitutionprinciplewiththeboilerDCS,themethodsandstepsofDCSsystemdesign,withgoodengineeringpracticesignificance.Inthispaper,thedevelopmentofdistributedcontrolsystemwasreviewedfirstly,thenintroducingtheDCSsystemofthestructureandcharacteristicsandanalyzingthetechnologicalprocessofSMPT-1000industrialboilersimulationsystem.Alistofprocessequipment,testpoints,executiveinstitutionsandsoon,andaDCSsystemdesignschemeforaboilerbasedonSiemensS7-300PLCwasputforwarded.Then,thetestforsystemhardwareconfiguration,communicationconfigurationandcontrolalgorithmsandhardwaremoduleswerecompletedbystep7programmingsoftware.Then,usingSiemensWinCCsoftwaretodevelopasystemofman-machineinterface,includingtheboilerprocesssimulationgraph,real-timetrendcurve,PIDparameteradjustment,etc.Finally,thedrumlevel,furnacepressure,vaporpressureandothersubsystemsareachievedreal-timemonitoring.Theresultsshowthat:thisboilerisdesignedcorrectlythefeaturesofDCSsystem,controlperformanceachievedthedesignrequirements.Keywords:industrialboilerProfibusProgrammableLogicControllerDistributedControlSystemIII目录第一章绪论……………………………………………………………………11.1课题背景………………………………………………………………11.2课题目的………………………………………………………………11.3课题研究内容…………………………………………………………4第二章DCS与锅炉控制系统原理………………………………………………52.1DCS的发展历程………………………………………………………52.2DCS的系统结构………………………………………………………62.3锅炉控制系统简介……………………………………………………9第三章锅炉控制系统控制方案………………………………………………143.1控制方案……………………………………………………………143.2简单控制系统的设计方案…………………………………………15第四章硬件及控制算法组态…………………………………………………194.1STEP7编程软件简介…………………………………………………194.2控制器硬件设置……………………………………………………194.3Profibus-DP设置……………………………………………………214.4符号表编辑器………………………………………………………224.5通信设置……………………………………………………………234.6程序编写……………………………………………………………234.7程序运行与分析……………………………………………………26第五章人机界面组态…………………………………………………………295.1创建单用户项目……………………………………………………295.2创建外部变量………………………………………………………295.3创建变量记录………………………………………………………315.4图形编辑及画面连接………………………………………………335.5运行与分析…………………………………………………………35总结……………………………………………………………………………40参考文献………………………………………………………………………41附录……………………………………………………………………………42附录一：OB块的功能表…………………………………………………42IV附录二：FB41功能逻辑图………………………………………………44附录三：PID控制输出参数……………………………………………44附录四：PID控制输入参数……………………………………………45致谢……………………………………………………………………………471第一章绪论1.1课题背景随着现代化工业的飞速发展，对能源利用率的要求越来越高，工业锅炉市场技术的竞争日趋激烈,锅炉自动控制系统的好坏己成为决定锅炉性能的重要砝码,其控制质量的优劣不仅关系到锅炉自身运行的效果,而且还将直接影响到相关装置生产过程的稳定性。在我国,除了少数大中型锅炉采用了先进的控制技术外,多数中小企业所用的锅炉,大部分还停留在选用仪表和继电器控制,甚至还是人工操作,已难以适应系统发展的要求。因此,研究与开发功能完备、性能可靠的锅炉自动控制系统,对锅炉控制系统采用先进的控制技术,不仅能够实现安全生产的目的,而且还能够节煤节电并能使排放更环保,具有很好的市场发展空间和投资收益前景[1]。如图1-1所示：图1-1循环流化床锅炉系统1.2课题目的锅炉DCS(分散控制系统DistributedControlSystem)自动控制,是近年来开发的一项新技术,是利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、2管理和分散控制的新型控制技术。它是由计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、通讯网络技术和人机接口技术相互发展、渗透而产生的。随着网络化的日趋完善,锅炉控制系统亦采用网络化的设计方法成为必然。基于Profibus和工业以太网的锅炉集散控制系统的设计开发,以实现控制系统整体的计算机化、网络化和最优化。同时，我们采用现场总线技术的分布式系统,将控制模块安置在工业现场,通过总线传输数据,比传统的控制系统更具有灵活性,同时可以节省大量的布线,以及降低成本。西门子SIMATICS7-300集成了Profibus分布式系统的组态功能。这就为智能化纳米级数控系统在网络化方面提供了技术上的保证[2]。如图1-2所示：图1-2JX-300XDCS系统结构作为一项比较成熟的工程技术，DCS在全世界范围内取得了巨大的成功，但随着时代的进步，各种新技术的推陈出新，人们对DCS的要求也日益苛刻，所以今天的DCS仍然呈现一些不足的地方。随着现场总线技术的不断发展成熟，新的控制方案和思想对传统的DCS提供了更多的机遇。人们逐步把现场总线技术的优点融入到传统的DCS技术中。即充分结合现场总线技术与DCS系统，将FCS技术融于DCS之中，使得DCS技术得到更加完善，形成新型的网络集成式全分布控制系统。DCS的发展趋势如图1-3所示：3图1-3DCS的发展趋势SIMATICS7-300PLC是模块化、无排风扇结构的设计，适用于中等性能的控制要求。用户可以根据系统的具体情况选择合适的模块，维修时更换模块十分方便。当系统规模扩大和功能复杂时，可以增加模块，满足自动化工程中尤其是生产制造工程中中等性能要求的自动控制应用。S7-300的CPU模块集成了过程控制功能，用于执行用户程序。不需要附加任何硬件、软件和编程，就可以建立一个MPI（多点接口）网络。如果有Profibus-DP接口，可以建立一个DP网络[3]。如图1-4所示：图1-4PLC系统构成框图CPU模块处理部件通信部件IM361SM321SM332IM360FM351SM331SM332MPI网背面总线PGOP其他PLC41.3课题研究内容基于以上的研究，本文的选题目就是基于PLC300在锅炉DCS系统中的运用，锅炉控制系统采用最新一代的高级多功能过程控制实训系统SMPT—1000设备，利用SiemensS7-300PLC的Profibus-DP现场总线为主站，泓格I-7550为Profibus-DP从站的远程设备装置，把现场SMPT-1000采集到的模拟量信号传给PLC进行转换和控制。输入输出接口采用泓格的I-7051数字量输入、I-7045数字量输出、I-7017C模拟量输入和I-7024模拟量输出这四个模块装置组成。为了使WinCC组态软件在计算机上实现系统的监视与控制的功能，利用S7-300PLC的MPI接口配上MPI适配器接到PC机的USB口上，就能实现PLC与计算机的相互联系，从而实现了分散控制与集中监视和管理的功能。如图1-7所示：图1-7实验系统构成框架论文第一章主要对课题的内容进行简要的概述，第二章陈述了集散控制系统和锅炉控制系统的相关原理，第三章分析了锅炉控制系统的控制方案，第四章介绍了PLC300在锅炉控制系统中硬件和软件的组态，第五章描述了人机界面组态在锅炉系统中的应用。5第二章DCS与锅炉控制系统原理2.1DCS的发展历程DCS是分布式控制系统的英文缩写（DistributedControlSystem），在国内自控行业又称之为集散控制系统。DCS自1975年问世以来，大规模集成电路由4位微处理器发展成8位，自动化仪表行业在原来采用中小规模集成电路而形成