西门子模块6ES7211-1BE40-0XB0安装调试
1引言
工业蒸汽锅炉汽包水位控制的任务是控制给水**使其与蒸发量保持动态平衡，维持汽包水位在工艺允许的范围内，是保证锅炉安全生产运行的必要条件，也是锅炉正常生产运行的主要指标之一。若水位过高,影响汽水分离的效果,使用气设备发生故障;而水位过低则会破坏汽水循环,严重时导致锅炉爆炸，锅炉汽包水位必须严加控制。为了确保锅炉生产的稳定、可靠和经济运行，我们设计采用了性能**的永宏FBs-PLC、变频调速器、计算机应用等自动化设备组成的锅炉PID自动控制系统。该控制系统通过检测水汽压力、温度，汽包液位等运行物理量，在运行过程中全自动调节，保证了工业锅炉的安全稳定高效运行。
2工业锅炉相关工艺介绍
蒸汽锅炉是厂矿重要的动力设备，其任务是供给合格稳定的蒸汽，以满足负荷的需要。为此，锅炉生产过程的各个主要参数都必须严格控制。而利用余热气体作为热交换介质的余热锅炉在全国占有很大的比例，其节能降耗效果尤为明显。某化工厂硫酸余热锅炉就是利用沸腾炉出来的炉气(主要是SO2)温度过高，将其作为热交换对象，通过余热锅炉副产中压蒸汽供各生产分厂使用，既保证了生产需要，也达到了节能降耗的目的。锅炉是一个较为复杂的调节对象，为保证提供合格的蒸汽以适应负荷的需要，与其配套设计的控制系统必须满足各主要工艺参数的需要。余热锅炉工艺流程如图1所示。
图1 余热锅炉工艺流程图
3控制难点分析
锅炉计算机控制是近年来开发的一项新技术。它是微型计算机软、硬件、自动控制、锅炉节能等几项技术紧密结合的产物，作为锅炉控制装置，其主要任务是保证锅炉的安全、稳定、经济运行，减轻操作人员的劳动强度。采用微计算机控制，能对锅炉进行过程的自动检测、自动控制等多项功能。它的被调量是汽包水位，而调节量则是给水**，通过对给水**的调节，使汽包内部的物料达到动态平衡，变化在允许范围之内，锅炉汽包水位对蒸气**和给水**变化的响应呈积极特性，在负荷(蒸气**)急剧增加时，表现却类似逆响应特性，即所谓的虚假水位。造成这一原因是由于负荷增加时，导致汽包压力下降，使汽包内水的沸点温度下降，水的沸腾突然加剧，形成大量汽泡，而使水位抬高。汽包水位控制系统，实质上是维持锅炉进出水量平衡的系统。它是以水位作为水量平衡与否的控制指标，通过调整进水量的多少来达到进出平衡，将汽包水位维持在汽水分离界面大的汽包中位线附近，以**锅炉的蒸发效率，保证生产安全。由于锅炉水位系统是一个设有自平衡能力的被控对象，运行中存在虚假水位现象，实际应用中可根据情况采用水位单冲量、水位蒸汽量双冲量和水位、蒸汽量、给水量三冲量的控制系统。所谓三冲量调节系统就是把给水**W，汽包水位H，蒸汽**D三个变量通过运算后调节给水阀的调节系统。具体调节过程方框图如图2所示。
图2 三冲量调节方框图
先通过蒸汽**变送器和给水**变送器取得各自的信号乘以相应的比例系数，通过比例系数可以调节蒸汽**或给水**对调节系统的影响力度。通过差压变送器取得水位信号作为主调节信号H。如果水位设定值为G，那么在平衡条件下应有D×Dk-W×Wk+H-G=0的关系式存在。其中Dk为蒸汽**系数Wk为给水**系数。如果再设定时，保证在稳态下D×Dk=W×Wk那么就可以得到H=G。此时调节器的输出就与符合对应，给水阀停在某一位置上。若有一个或多个信号发生变化，平衡状态被破坏，PI调节模块的输出必将发生变化。当水位升高了，则调节模块的输出信号就减小，使得给水调节阀关小。当水位降低时，调节模块的输出值增大，使给水阀开大。实践证明三冲量给水单极自动调节系统能保持水位稳定，且给水调节阀动作平稳。锅炉给水系统中还有一个比较重要的控制回路是给水压力回路，因为汽包内压力较高，要给锅炉补水必须提供更高的压力，给水压力回路的作用是**水压，使水能够正常注入汽包。但在蒸汽**未达到满负荷时，对给水**的要求也不高。在老式的锅炉系统中一般采用给水泵一直以工频方式运转，用回流阀降低水压防止爆管，现在一般采用通过变频器恒压供水的方式控制水压。锅炉给水量通过汽包液位调节。汽包液位测量选用浮筒液位计。为有效利用转换废热，降低消耗，减低劳动强度，有利于整体工艺稳定，要求汽包液位自动控制，正常生产时波动应小于±5％。PID调节蒸汽出口阀可以很好的控制汽包压力。开车正常后波动范围不大，可以不考虑。转化负荷波动、出预热器锅炉给水温度变化、锅炉负荷波动、排污量变化这几个因素对汽包液位的影响必须考虑。以汽包液位为主调参数、以给水**为副调参数、以蒸汽**为前馈，但调节效果很差。引起汽包液位的大起大落。考虑到该废热锅炉控制参数耦合小，流程简单，产汽量也较稳定，我们从操作人员的操作中得到启发，认为减少给水量的波动从而稳定给水温度成为该废热锅炉液位控制的要点。我们选用“以汽定水＋液位前馈”比值控制方案，方案框图如图3所示。
图3 汽定水＋液位前馈比值控制方案框图
其中系数K为汽水损失率(给水**与蒸汽**的比值)，范围为1.1～1.2。PID参数为P＝300％、I＝0.4、D＝0。这组PID参数可以使阀位波动幅度不大而回路有较快的跟踪效果。液位前馈系数与锅炉额定负荷密切相关，一般是额定负荷越大前馈系数也越大。本项目废热锅炉的额定负荷为35t／h。前馈系数按表一给定，见附表:
附表前馈系数表
投运时投运给水**单回路，调节平稳后，再切换为蒸汽**比值控制，液位前馈起作用。以汽定水＋液位前馈比值控制方案调试投运简单方便，投运后经负荷扰动(产汽量变化)、液位扰动(排污量变化)实验，抗扰动性能良好，投运以来运行平稳，达到工艺要求。图4为2.5h实时液位记录曲线，其中记录了负荷扰动情况。液位波动范围＜±3％。
图4 实时液位记录曲线
4 永宏PLCPID控制系统分析
4.1带PID控制功能的FATEK可编程控制器
PID控制及其控制器或智能PID控制器(仪表)已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的PID控制器产品，作为国产PLC企业，永宏电机股份公司一直致力于PLC的研究开发工作，带PID控制功能的FATEK可编程控制器(PLC)就是利用其闭环控制模块来实现锅炉汽包液位的PID控制，在异常情况下，如液位偏离正常值较大时，通过PLC控制系统控制，可以快速恢复水位，保证锅炉的安全稳定运行。当水位控制和主蒸汽温度控制发生矛盾时，可根据矛盾的主要方面进行两者的协调控制。它包含给水**控制回路和汽包水位控制回路两个控制回路，实质上是蒸汽**前馈与水位－**串级系统组成的复合控制系统。当蒸汽**变化时，锅炉汽包水位控制系统中的给水**控制回路可迅速改变进水量以完成粗调，再由汽包水位调节器完成水位的细调。图5是有永宏PLC组成的控制系统示意图。
图5 永宏PLC控制系统示意图
4.2汽包水位PID控制设计优点
(1)减少干扰对主回路的影响，可由副回路控制器予以校正。
(2)由于副回路的存在减少了相位滞后，从而改善了主回路的响应速度。
(3)对控制阀特性的变化具有较好的鲁棒性。
(4)副回路可以按照主回路的需求对对象实施**控制。
实际PLC的控制程序采用主副回路进行串级控制，即主回路的输出做为副回路的设定值，经副回路输出作用于被控对象。也可以不用副回路只用主回路形成单回路调解，或手动操作完成。一般常见的过程控制应用，开环回路控制就可以满足大部份的应用要求，但随着使用时间、组件特性变化或受控负载或外界工作环境的变化，开环回路控制因为没有真实将受控程序的实际量反馈到控制器，控制结果可能与实际期望的结果会有些落差，闭环回路PID过程控制是用来克服并解决上述缺点的选择。FBS-PLC提供软件数字化的PID数学表达式，对于一般反应的闭环回路过程控制就可应付，但对于工业锅炉这样的需要有快速反应的闭环回路控制要使用本功能需要事先评估是否可行。典型的闭环回路程控示意图如图6所示。
图6 典型闭环回路程控示意图
根据应用要求，用户将PID控制器设定成比例+积分+微分控制器，其控制器的数字化数学表达式如下:
Mn:“n”时的控制输出量
D4005:增益常数，默认值为1000;可设定范围为1～5000
Pb:比例带(范围:1～5000，单位为0.1%;Kc(增益)=D4005/Pb)
En:“n”时的误差=设定值(SP)-“n”时的过程变数值(PVn)
Ki:积分常数(范围:0～9999，相当于0.00～99.99 Repeats/Minute)
Td:微积分时间常数(范围:0～9999，相当于0.00～99.99Minute)
PVn:“n”时的过程变数值
PVn-1:“n”时的上一次过程变数值
Ts:PID运算的间隔时间(范围:1～3000，单位:0.01S)
Bias:偏置输出量(范围:0～16383)
加上微分项的控制器，目的在于消除程控系统的过度反应，进而使程控系统能够平稳缓和达到稳定。微分项有上述优点，但因其对输出量的贡献相当灵敏，大部分的应用不必使用微分项而将Td设定为0。PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类:一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行PID控制器参数的整定步骤如下:
(1)预选择一个足够短的采样周期让系统工作;
(2)仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期;
(3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。图7是永宏可编程序控制器PID部分程序举例。
图7 永宏可编程序控制器PID部分程序图
除此以外为保证锅炉运行的安全，在进行自动化控制系统设计时，对锅炉水位、锅炉汽包压力等重要参数应设置常规仪表及报警装置，以保证水位和汽包压力有双重甚至三重报警装置，这是必不可少的，以免锅炉发生重大事故。
5结束语
由于采用了PLC进行控制，系统功能完善，结构**合理，能耗小，扩展灵活，便于维
护，并且可靠性高，还极大地**了企业的生产效率和经济效益。该系统自动化程度较高，大大降低了操作者劳动强度，降低了成本，经过近2年的运行，用户给予了很高评价，认为利用国产永宏PLC开发的控制系统功能完善，综合性强，人机界面友好，实用性好。随着国产可编程控制器和高速计算元件的快速发展，锅炉控制系统将会更加完善。
在工业控制系统中，PLC作为一种稳定可靠的控制器已经得到了广泛的应用。由于中小型PLC的人机接口功能不很完善，不能提供给用户一个友好的交互界面，妨碍了对现场运行过程的跟踪与监控。
PLC实际工作中，通常人们采用4种装置为PLC配置人机界面：编程终端、显示终端、工作站及个人计算机。编程终端主要用于编程与调试，其监控功能相对较弱。显示终端的功能比较单一，主要用作现场显示。工作站系统很受用户欢迎，它功能全面、使用简单，但由于要配置组态软件，价格比较昂贵。个人计算机可配备多种语言，提供优良的软件平台，开发各种应用系统，特别是动态画面显示等，与PLC相结合组成一套PC-PLC监控管理系统，能够充分发挥它们各自的优点。在该系统中，关键的问题就是通信，用户对此须做较多的开发工作。
本文详细阐述了PC与PLC互连通信的一般方法，并以永宏公司的FATEK-FBSPLC为对象，以实际四层电梯模型监控系统为例，介绍了利用大家都熟悉的编程语言Visual Basic和Step7，实现PLC与上位计算机实时通信的通信过程。
2通信方式
面对众多生产厂家的各种类型PLC，它们各有优缺点，能够满足用户的各种需求，但在形态、组成、功能、编程等方面各不相同，没有一个统一的标准，各厂家制订的通信协议也千差万别。目前，人们主要采用以下三种方式实现PLC与PC的互联通信：
(1)通过使用PLC开发商提供的系统协议和网络适配器，来实现PLC与PC机的互联通信。由于其通信协议是不公开的，互联通信必须使用PLC开发商提供的上位机组态软件，并采用支持相应协议的外设。可以说这种方式是PLC开发商为自己的产品量身定作的，难以满足不同用户的需求。
(2)使用目前通用的上位机组态软件，如组态王、InTouch、WinCC、力控等，来实现PLC与PC机的互连通信。组态软件以其功能强大、界面友好、开发简洁等优点目前在PC监控领域已经得到了广泛的应用，一般价格比较昂贵。组态软件本身并不具备直接访问PLC寄存器或其它智能仪表的能力,必须借助I/O驱动程序来实现。也就是说，I/O驱动程序是组态软件与PLC或其它智能仪表等设备交互信息的桥梁，负责从设备采集实时数据并将操作命令下达给设备，它的可靠性将直接影响组态软件的性能。在大多数情况下，I/O驱动程序是与设备相关的，即针对某种PLC的驱动程序不能驱动其它种类的PLC，组态软件的灵活性也受到了一定的限制。
(3)利用PLC厂商所提供的标准通信端口和由用户自定义的自由口通信方式来实现PLC与PC机的互连通信。这种方式由用户定义通信协议，不需要增加投资，灵活性好，特别适合于小规模的控制系统。
通过上述分析不难得出，掌握如何利用PLC厂商提供的标准通信端口和自由口通信方式以及大家所熟悉的编程语言来实现PC与PLC之间的实时通信是非常必要的。
3FATEK-FBS PLC通信方式及原理
FATEK-FBSPLC内部集成的PPI接口为用户提供了强大的通信功能，可在多种模式下工作：PPI、Profibus-DP、自由口方式等。其中自由口通信方式具有特色，通信协议可完全由梯形图程序控制，通过它可以实现PLC与任何具有通信能力的设备进行互连，在本系统中选用自由口通信方式。
目前PLC与PC机的链接通信有两种方式，一种是PC机始终处于主导地位，数据的传送都由PC机定时发出命令，一种是PLC始终具有优先权。在本电梯模型监控系统中所有的控制信号均为开关量信号，考虑到上位PC机仅实时显示电梯的运行状态，不需向PLC发送控制指令，采用第二种通信方式。利用PLC循环扫描的特点，设备状态一旦改变，PLC立即检测到，并将反映系统状态变化的数据存入指定的数据缓冲区，通过XMT发送指令，将数据通过COM口发至上位机。每个系统的状态对应于数据缓冲区中的一个指定字节，所存储数据均为16进制数据，为保证通信过程的可靠性，上位机对所接受到的数据进行首尾字符校验，如果校验成功，则说明接收到的首末字节之间的数据是正确的，从而进行处理，否则，放弃这批数据，要求对方重发。
4应用实例与程序设计
(1) 系统构成
FATEK-FBSPLC内部集成的PPI接口物理特性为RS485，而上位机的标准串口为RS232，为了实现两者的通信必须进行协议转换，永宏公司提供的PC/PPI电缆带有RS232/RS485电平转换器，再不增加任何硬件的情况下，可以方便的实现二者的互联和协议转换。
作为控制器的FATEK-FBSPLC利用电梯模型自带的电源线实现与四层电梯模型的互连，该电梯模型为教学试验装置，具备一般电梯的基本功能。硬件连接如图1所示。
图1 硬件连接示意图
(2) PLC部分编程
①自由端口的初始化
在自由口通信模式下，通过设置特殊存储器SMB30（端口0），来为自由端口通信选择波特率、奇偶校验和数据位。这些设定必须与PC机设定值相一致。其格式如下：
SMB30
pp为奇偶校验选择，d为数据位选择，bbb为波特率选择。
00为无校验，0为每个字符8位，000为38 400
baud，001为19 200baud；
01为偶校验，1为每个字符7位，010为9 600 baud，011为4 800baud；
10为无校验，100为2 400baud，101为1 200baud；
11为奇校验，110为600baud，111为300baud；
mm为协议选择：00为PPI协议，01为自由口协议，10为PPI/主站模式，11默认为PPI/从站模式。
②FATEK-FBS PLC实时向上位PC机传送数据
图2 下位机程序流程图
在对电梯模型控制中，所有的控制信号均为开关量，基于这一特点，系统状态的改变即为这些开关量信号状态的改变，可通过跟踪这些开关量信号的上升沿信号、下降沿信号的到来，做为系统状态改变的依据。据此在本系统中，通过对同一个开关量信号的上升沿、下降沿分别定义不同的16进制数的方式，来代表信号的产生与结束，当检测到这些信号产生时，便将这些数据存入指定的数据缓冲区中的字节中，并通过COM口发至上位PC机，产生发送完成中断，PLC延迟等待接收来自上位机的应答信号，通过分析存储在接收字符缓冲器SMB2中的数据，判断是否需要重新发送。下位机程序如图2所示。
(3) 上位机部分编程
基于VB处理监控界面图形、数据报表及通信的方便快捷，本课题上位机的编程环境采用VB来实现。VB不仅提供了MSCOMM串行通信控件，也为这个控件提供了标准的事件处理函数，并通过设置它的一些属性对通信接口进行初始化，从而很容易的实现了串行通信的问题。
下面介绍一下有关此控件的属性：
Commport，设置通信连接端口。程序必须指定要使用的串行端口的号码，bbbbbbs使用所设置的通信端口与外界进行通信。
Settings，设置初始化参数。其格式为“BBBB，P，D，S”，其中BBBB为连接速度，P为奇偶校验方式，D为数据位数，S为停止位数。默认值是“9600，n，8，1”。
PortOpen，设置通信连接端口的状态。使用串行端口之前必须先将要使用的串行端口打开。
bbbbb，返回并删除接收缓冲区中的数据流。
bbbbbLen，设置从串行端口读入的字符串长度。
Rthreshold，设置引发接收事件的字符数。
bbbbbMode，设置接收数据数据形式。
OnComm事件，用来处理所有与通信相关的事件。使用事件程序的好处是不需要一直让程序处于检测的状态下，只要事先将程序代码写好，一有事件发生，就会直接执行相对应的程序代码。可见这种事件驱动的方式也为实现实时通信提供了必要的条件。上位机程序如图3所示。PC机根据接收到的信息很容易的实现对每个开关量的状态进行识别，从而控制监控界面的实时显示。
图3 上位机程序流程图
5结语
以上是基于FATEK-FBSPLC自由口通信方式实现与上位机PC实时通信的一个简单应用。经验证，该方法简单、实时性好，可靠性高，对于逻辑控制系统，是能够实现对被控对象实时监控简单易行的方法。