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某公司于2005年夏天進(jìn)行鍋爐排渣改造，計(jì)劃每臺(tái)爐每側(cè)冷渣器的兩個(gè)事故排渣口出口和正常排渣口出口下設(shè)一臺(tái)刮板輸送機(jī)，經(jīng)刮板輸送機(jī)收集的底渣送至斗式提升機(jī)，由斗式提升機(jī)經(jīng)碎渣機(jī)破碎后送至原有氣力輸送系統(tǒng)送至渣倉。 
　　
　　該系統(tǒng)控制范圍包括從冷渣器正常出口以及事故出口開始到原氣力輸送系統(tǒng)的進(jìn)口之間的所有設(shè)備的控制。 
　　
　　一、系統(tǒng)描述 
　　
　　每臺(tái)冷渣器排渣口，兩個(gè)事故排渣口和正常排渣口下設(shè)一臺(tái)鏈斗式輸送機(jī)和刮板輸送機(jī)將底渣送至冷渣器外，由斗式提升機(jī)提到位于渣斗頂部的破碎機(jī)，由破碎機(jī)破碎后，進(jìn)入氣力輸送系統(tǒng)，由氣力輸送系統(tǒng)送至渣倉。 
　　
　　為保證冷渣器運(yùn)行的正壓以及保證熱空氣不會(huì)從事故排渣口排出，在冷渣器一、二室裝設(shè)壓差檢測(cè)裝置，以壓差信號(hào)來控制事故排渣口插板門開關(guān)，從而控制冷渣器內(nèi)底渣的料高以達(dá)到保證冷渣器內(nèi)熱空氣不會(huì)從事故排渣口排出。 
　　
　　為保證冷渣器中底渣能從正常排渣口全部排出，將原DN420的正常排渣口擴(kuò)至DN550。正常排渣口下裝設(shè)中間渣斗，中間渣斗上設(shè)高、低料位計(jì)，以料位計(jì)控制中間渣斗中料高，從而保證冷渣器中熱空氣不會(huì)排至后續(xù)機(jī)械輸送系統(tǒng)。中間渣斗出口裝設(shè)插板門和電動(dòng)給料機(jī)，以達(dá)從正常排渣口均勻給后續(xù)機(jī)械輸送系統(tǒng)給料。 
　　
　　考慮到從事故排渣口排出的底渣溫度較高，為保證斗式提升機(jī)的安全可靠性，每套系統(tǒng)斗式提升機(jī)設(shè)兩臺(tái)，一臺(tái)運(yùn)行，一臺(tái)備用；斗式提升機(jī)出口設(shè)有就地事故排渣口，以保證后續(xù)氣力輸送系統(tǒng)故障時(shí)能就地排渣。 
　　
　　鑒于以上情況，通過采用PLC（可編程控制器）控制系統(tǒng)，解決當(dāng)前存在的問題。系統(tǒng)的工作原理框圖如下： 
　　
　　系統(tǒng)操作運(yùn)行分別設(shè)有“遠(yuǎn)程自動(dòng)”、“遠(yuǎn)程手動(dòng)”、“就地手動(dòng)”三種工作模式。“遠(yuǎn)程自動(dòng)”模式為正常的主要運(yùn)行方式，根據(jù)系統(tǒng)滿足自動(dòng)順序運(yùn)行的條件，在操作員站（控制室內(nèi)的觸摸屏）上操作完成整個(gè)除渣工藝流程。在自動(dòng)順序執(zhí)行期間，出現(xiàn)任何故障或運(yùn)行人員中斷信號(hào)，都能使正在運(yùn)行的程序中斷并回到安全狀態(tài)，使程序中斷的故障或運(yùn)行人員的指令都將在觸摸屏上實(shí)時(shí)顯示。當(dāng)故障排除后，自動(dòng)控制在確認(rèn)無誤后可再進(jìn)行啟動(dòng)。系統(tǒng)有豐富的保護(hù)和故障界面供操作人員進(jìn)行操作和分析。 “遠(yuǎn)程手動(dòng)”模式為運(yùn)行人員在觸摸屏上點(diǎn)觸每一個(gè)被控對(duì)象。遠(yuǎn)方控制操作有許可條件，以防止運(yùn)行人員誤動(dòng)作。在遠(yuǎn)方手動(dòng)模式下，系統(tǒng)提供了豐富幫助操作指導(dǎo)和反饋信息，指引操作人員的操作，以防止誤操作。“就地手動(dòng)”模式是運(yùn)行人員通過就地控制箱操作被控對(duì)象，就地操作與遠(yuǎn)方程控操作之間有相互連鎖。 
　　
　　1、PLC控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及組成 
　　
　　PLC在現(xiàn)代工業(yè)控制領(lǐng)域中早己得到了廣泛的應(yīng)用。以PLC的控制功能而言，具有嚴(yán)謹(jǐn)、方便、易編程、易安裝、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。它通用性強(qiáng)，適應(yīng)面廣,特別在數(shù)字量輸入/輸出等邏輯控制領(lǐng)域有無可比擬的優(yōu)點(diǎn)。PLC具有豐富的邏輯控制指令和高級(jí)應(yīng)用指令，它提供高質(zhì)量的硬件、高水平的系統(tǒng)軟件平臺(tái)和易學(xué)易編程的應(yīng)用軟件平臺(tái)。另外，PLC即有自身的網(wǎng)絡(luò)體系又有開放I／0及通訊接口，很容易組建網(wǎng)絡(luò)并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問。 
　　
　　PLC采用的Siemens公司生產(chǎn)的S7-300系列，由于現(xiàn)場(chǎng)的PLC系統(tǒng)與控制室的上位機(jī)距離較遠(yuǎn)（800米左右），因此通訊系統(tǒng)需成對(duì)加裝RS-485中繼器，確保系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。 
　　
　　（1） 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及硬件配置 
　　
　　根據(jù)控制需求，CPU模塊采用CPU314、數(shù)字量輸入（DI）采用SM321模塊，數(shù)字量輸出（DO） 采用 SM322模塊，模擬量輸入（AI） 采用 SM331模塊，模擬量輸出（AO） 采用 SM332模塊以及IM365等模塊組成，IM365實(shí)現(xiàn)機(jī)架擴(kuò)展，上位機(jī)采用Easyview公司MT510T真彩觸摸屏進(jìn)行顯示和控制，整個(gè)干渣系統(tǒng)的工藝流程及測(cè)量參數(shù)、控制方式、順序運(yùn)行狀況、控制對(duì)象狀態(tài)等均能夠清楚地顯示在觸摸屏上，當(dāng)參數(shù)越限報(bào)警或控制對(duì)象故障或狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，以不同的顏色進(jìn)行顯示，使操作人員能夠一目了然地了解到系統(tǒng)的運(yùn)行情況，并實(shí)時(shí)地根據(jù)工藝要求進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。 
　　
　　（2） 控制系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn) 
　　
　　PLC程序的編制直接關(guān)系著底渣系統(tǒng)能否正常工作，而程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于編程者對(duì)工藝系統(tǒng)的理解程度和程序編制技術(shù)的靈活應(yīng)用。因此，在程序設(shè)計(jì)中首先考慮了供氣壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的特點(diǎn)，將程序設(shè)計(jì)細(xì)化，分成多個(gè)程序模塊，實(shí)行模塊化編程。這樣既可以方便的增加或刪除程序模塊，便于現(xiàn)場(chǎng)對(duì)工藝的調(diào)整，又可針對(duì)配套設(shè)備可控性對(duì)不同程序模塊進(jìn)行完善。 
　　
　　PLC的編程軟件采用SIEMENS公司的SIMATIC STEP7 V6軟件平臺(tái)用來完成硬件組態(tài)、地址和站址的分配以及編制整個(gè)生產(chǎn)過程的控制程序的。上位機(jī)監(jiān)控軟件采用國產(chǎn)軟件組態(tài)王，全部采用漢化界面，便于系統(tǒng)的開發(fā)與操作，該系統(tǒng)運(yùn)行于Windows2000中文平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的全面監(jiān)控，對(duì)重要參數(shù)形成歷史記錄，以報(bào)表或曲線的形式顯示給操作人員。通過VB語言腳本，可以在主控室的上位機(jī)顯示重要參數(shù)的歷史趨勢(shì)、實(shí)時(shí)趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖調(diào)節(jié)的手自動(dòng)切換、操作、壓力的高、低限報(bào)警、流量數(shù)據(jù)的顯示與累計(jì)，滿足高生產(chǎn)率的調(diào)度需求。 
　　
　　（3） 現(xiàn)場(chǎng)顯示 
　　
　　現(xiàn)場(chǎng)采用MCC屏進(jìn)行參數(shù)控制，觸摸屏程序由組態(tài)軟件來完成，人機(jī)界面采用中文菜單，界面友好，操作方便，功能較強(qiáng)，主要用于現(xiàn)場(chǎng)壓力、流量、閥位的顯示與操作。可作為操作人員現(xiàn)場(chǎng)操作的依據(jù)。 
　　
　　二、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)排渣系統(tǒng)的自動(dòng)控制和監(jiān)控 
　　
　　主要包括如下功能： 
　　
　　（1） 靈活的操作方式以及強(qiáng)大的系統(tǒng)控制功能：系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)操作、控制柜操作和就地手動(dòng)操作； 
　　（2） 報(bào)警功能：當(dāng)溫度超過工藝要求，可在現(xiàn)場(chǎng)、就地實(shí)現(xiàn)越限報(bào)警； 
　　（3） 簡單、方便的參數(shù)設(shè)定： 壓力調(diào)節(jié)的壓力設(shè)定值、P、I、D等參數(shù)可以在上位機(jī)中設(shè)定。 
　　
　　1 、系統(tǒng)控制功能 
　　
　　（1） 過程控制的功能： 
　　
　　1）系統(tǒng)對(duì)床壓實(shí)現(xiàn)了PID自動(dòng)調(diào)節(jié)控制； 
　　2）對(duì)所采集的模擬信號(hào)進(jìn)行線性化、濾波、工程單位轉(zhuǎn)換處理； 
　　3）實(shí)現(xiàn)了流量信號(hào)的溫、壓補(bǔ)償，提高了儀表的測(cè)量精度。 
　　
　　（2） 邏輯控制 
　　
　　聯(lián)鎖邏輯控制實(shí)現(xiàn)開/關(guān)的控制，邏輯控制及用戶自定義功能塊等。系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)電磁閥控制以及參數(shù)越限報(bào)警等功能 
　　
　　（3） 人機(jī)接口 
　　
　　HMI系統(tǒng)中包含主工藝畫面，分系統(tǒng)畫面，畫面直觀、豐富，具備PID在線調(diào)節(jié)、在線顯示功能，包括過程量變化趨勢(shì)的實(shí)時(shí)趨勢(shì)。 
　　
　　三、軟件設(shè)計(jì) 
　　
　　根據(jù)該系統(tǒng)具體情況，PLC系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)過程中著重要考慮的是以下幾個(gè)方面： 
　　
　　（1） 數(shù)據(jù)采集及工程量轉(zhuǎn)換 
　　（2） PID算法 
　　（3） 流量溫壓補(bǔ)償計(jì)算以及流量的累積計(jì)算 
　　
　　對(duì)于系統(tǒng)中的邏輯控制選用梯形圖（LADDER）編程，直觀、方便；對(duì)于PID回路控制流量溫壓補(bǔ)償計(jì)算以及流量的累積計(jì)算部分則采用語句表（STL）編程，結(jié)構(gòu)緊湊而又靈活。 PID調(diào)節(jié)是該系統(tǒng)中最為重要的控制程序，因此特將PID算法作一重點(diǎn)介紹。 
　　
　　1、PID算法 
　　
　　STEP7提供了兩種常用的PID算法：連續(xù)型PID（FB41）和離散型PID（FB42），根據(jù)實(shí)際要求，選用的是FB41。并在組態(tài)王中使用畫圖功能模擬一個(gè)PID調(diào)節(jié)器的操作面板，完成PID調(diào)節(jié)控制中的手/自動(dòng)切換、給定值輸入、手動(dòng)輸出值輸入、PID參數(shù)（比例系數(shù)、積分時(shí)間）輸入等功能。 
　　
　　PID算法的輸出實(shí)際上是比例（P）、積分（I）、微分（D）三部分作用之和： 
　　
　　Ｍｎ＝ＭＰｎ＋ＭＩｎ＋ＭＤｎ 
　　ＭＰｎ ＝ ＧＡＩＮ?（ＳＰｎ－ ＰＶｎ） 
　　ＭＰｎ ＝ ＧＡＩＮ ? ＴＳ／ ＴＩ?（ＳＰｎ－ ＰＶｎ）＋ ＭＸ 
　　ＭＤｎ ＝ ＧＡＩＮ ? ＴＤ／ ＴＳ?（ＰＶｎ－１－ ＰＶｎ） 
　　Ｍｎ：第ｎ次采樣時(shí)刻的輸出值。 
　　ＭＰｎ：第ｎ次采樣時(shí)刻的比例作用，與偏差成正比。 
　　ＭＩｎ：第ｎ次采樣時(shí)刻的積分作用，可以消除靜差，提高控制品質(zhì)。 
　　ＭＤｎ：第ｎ次采樣時(shí)刻的微分作用，根據(jù)差值的變化率調(diào)節(jié)，可抑制超調(diào)。 
　　ＳＰｎ：第ｎ次采樣時(shí)刻的設(shè)定值。 
　　ＰＶｎ：第ｎ次采樣時(shí)刻的過程值。 
　　ＭＸ：第ｎ－１次采樣時(shí)刻的積分作用，每次采樣計(jì)算后自動(dòng)刷新。 
　　ＧＡＩＮ：回路增益，P參數(shù)。 
　　ＴＩ：積分時(shí)間常數(shù)，即I參數(shù)。 
　　ＴＩ：微分時(shí)間常數(shù)，即D參數(shù)。 
　　ＴＳ：采樣時(shí)間。 
　　
　　從上面的公式中可以看出，參數(shù)P（GAIN）與P、I、D作用都是成正比的，它決定了PID回路的靈敏度，即調(diào)節(jié)速度的快慢；Ｉ參數(shù)越大，積分作用越弱，而D參數(shù)越大，微分作用越強(qiáng)。不能單靠理論計(jì)算來確定PID參數(shù)，唯一的衡量標(biāo)準(zhǔn)就是被控參數(shù)（壓力）的精度和穩(wěn)定度，所以在實(shí)際調(diào)試中，都是參照被控參數(shù)的實(shí)時(shí)曲線，反復(fù)觀察分析，從而達(dá)到最佳的控制效果。