毕业设计
基于plc发电厂锅炉水位控制系统设计
摘 要
在锅炉水位监控系统中，水位是一个很重要的控制参数，它间接地反映了锅炉负荷和给水的平衡关系。本次设计是合理控制水位，其控制方案是于GE90-30 PLC实现三冲量调节系统，即前馈-串级复合控制系统。
本文介绍的是基于PLC实现的锅炉水位监控系统设计，设计中主要解决的是确定锅炉水位的控制方案、系统控制设备选型、PLC梯形图的编程、系统配置、IO配置、上位机工艺操作界面组态的设计。本锅炉水自控设计选用的美国GE Fanuc自动化公司的90TM-30系列PLC可编程序控制操作站GE Fanuc自动化公司
用GE90-30 PLC来实现锅炉水位监控，可以提高锅炉的自动化控制水平，维持水位在给定范围内，保证了锅炉安全运行，降低工作人员的劳动强度，取得了较好的经济和社会效益。
关键词： PLC 水位 三冲量调节系统 监控软件
Abstract
feed-forward complThe article describes the design of based on PLC. The problems solved in the article are the control scheme of , equipment selection, the program for ladder diagram of PLC, IO configuration and the design for the technological operation of PLC, in the design, we choose 90TM-30 series PLC made by automation company GE Fanuc in America with programmable controllers as input and output passages, which realizes data testing and output control in the scene. We choose automatic monitored software CIMPLICITY HMI 4.01 (300 points) produced by GE Fanuc automation company in America as operation station which can realize configuration design for operation station and realize data testing and output control in the scene. As a result, this can realize the control for the . GE90-30 PLC. It can not only improve the standard of automatic control of
Key Words: PLC Water Level of Steam Manifold Tri-Impulse Controlling System
Monitoring and Controlling Software
引 言
在锅炉水位监控系统中，水位是一个很重要的控制参数，它间接地反映了锅炉负荷和给水的平衡关系。水位是保证锅炉安全运行的必要条件。锅炉水位过高，会影响水内汽水分离装置的正常工作，造成出口蒸汽中水分过多，结果使过热器受热面结垢而导致过热器烧坏，同时会使过热蒸汽汽温产生急剧变化，直接影响机组运行的经济性和安全性；水位过低，则由于水内的水量较少，当负荷很大时，水的汽化速度很快，因而水内的水量变化速度很快，如不及时有效控制，就会使水内的水全部汽化，导致锅炉被烧坏或爆炸；在燃料量不变的情况下，蒸汽流量突然增加，导致水内压力骤然下降，水内水沸腾加剧，气泡增多，将水位抬高，导致虚假的水位上升。即假水位现象同时高性能的锅炉产生的蒸汽流量很大，而锅筒的体积相对来说较小，所以锅炉水位控制显得非常重要[1-2]。
在锅炉水位控制中被控变量是水位，操作变量是给水流量，给水量的变化不仅影响水位，而且对蒸汽压力、过热蒸汽温度等都有影响。它主要受考虑水内部的物料平衡，使给水量适应锅炉的蒸汽量，维持水中水位在工艺允许范围内。维持水位在给定范围内是保证锅炉安全运行的必要条件。
锅炉水位控制的任务是控制给水流量，使其与蒸发量保持平衡，维持锅筒内水位在允许的范围内变化。锅炉长期在高水位下运行，已成为高参数水锅炉普遍存在的问题。研究水内部实际水位与理想水位差值的成因，并设法修正和消除这个差值，合理控制水位，保证锅炉安全运行有着重要的现实意义。
锅炉水位监控系统在发生扰动的情况下，控制器采用PID控制策略[3]，提高了系统在恶劣情况下的抗干扰能力和控制系统的鲁棒性能，保证了生产过程的稳定和安全。在锅炉水位控制系统中，将PID算法融于PLC控制系统，取得了良好的控制效果。PLC对整个锅炉的运行进行监测、报警、控制，以保证锅炉正常可靠地运行。PLC实现的计算机控制系统可以提高锅炉设备的自动化控制水平，降低工作人员的劳动强度，取得了较好的经济和社会效益[4-6]。
蒸汽锅炉是用于满足生产规模扩大和民用供热的工业锅炉，其操作和控制从人工及仪表进入了微机时代[7]。微机监控装置经历了以下几个阶段：单板机、单片机、一般微机配工业接口板、工控机、可编程调节器、DCS集中分散型系统及PLC计算机控制系统，其发展过程体现了设备档次由低到高，由通用微机设备到工业专用设备，由自制设备到产品化标准设备的演变过程。国外发达国家的工业锅炉，已有成熟的控制系统，例如：日本横河、北辰的YS-80/100、美国霍尼威尔的9000、德国西门子的Teleperm-D等。一般
是仪表的微机化或DCS系统[8-9]。这些装置的优点是可靠性高、功能强、组态灵活，代表着自动控制领域的发展方向，缺点是不适合我国工业锅炉实际情况，成本很高。
先进控制策略的发展主要向预先控制、自适应控制、智能控制、模拟控制等方面发展。目前，国内外水位控制策略采用三冲量控制、模糊控制及PID自校准与自调整的比较多，特别是前2种，其中模糊控制主要是朝智能化方向发展，表现在模糊控制与智能控制的结合，采用遗传算法优化模糊控制等。它避免了只凭经验和试凑法设计模糊控制器所存在的困难和盲目性，有效地提高了模糊控制器的控制品质，FNN 的结构考虑了模糊推理及模糊规则，主要解决的问题是：规则的完整性、规则的优化和控制系统的稳定性；PID自调整、自校正主要采用不同的优化方法对参数进行自调整；预测函数控制、广义预报自适应控制、模型参考自适应控制等基于模型的控制方法发展的比较少，具体在实际应用过程中应用的则更少；前叙的各种水位控制策略各有优缺点，引入水位噪声的因素，并基于这些控制策略开发新的控制策略将是项很有意义的工作，也是可行的[11-12]。
控制设备方面以往的单元组合仪表及计算机集中控制方式（如DDC，SPC等）已被淘汰，目前国内外大多采用商品化的分布式计算机控制系统（DCS）与可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controllers，PLC）计算机控制系统[13]。其控制对象方面：受约束的MIMO（多输入多输出）系统，控制目标考虑操作条件的最优化。其控制方法的发展趋势为：结合最优化技术、计算机网络与数据信息处理技术的现代集成制造系统（CIMS）。
目 录
摘 要 ···················································································· I Abstract ··················································································· II 引 言 ····················································································· III 第1章 系统的总体设计 ································································ 1
1.1设备的选择 ························································································· 1 1.2 PLC与过程监控软件的选择 ··································································· 2 1.3控制方案的选择 ··················································································· 2
第2章 锅炉水位的设计 ······························································· 4
2.1 工艺流程 ···························································································· 4 2.2 自控模型 ···························································································· 4 2.3 技术路线 ···························································································· 6
第3章 系列GE90-30 PLC ···························································· 9
3.1系列GE90-30 PLC特点 ········································································· 9 3.2系列90-30 PLC系统配置 ······································································· 9 3.3 PLC安装结构及设备组态 ····································································· 10 3.4 I/O地址分配 ····················································································· 111 3.5 PLC编程软件 ··················································································· 133
第4章PID控制算法及PLC编程 ················································ 133
4.1 PID控制算法 ···················································································· 133
4.1.1控制算法 ················································································· 144 4.1.2 CV幅值和速率极限 ································································ 144 4.2 PID调节器PLC编程 ······································································· 155
第5章 监控软件及组态设计 ······················································· 222
5.1 监控软件CIMPLICITY HMI简介 ························································ 222 5.2 CIMPLICITY HMI运行环境 ································································· 24 5.3 CIMPLICITY HMI操作主画面 ······························································ 24 5.4 调节器组态设计················································································ 255
结 论 ················································································· 277 参考文献 ················································································· 288 附录1 ······················································································ 29
第1章 系统的总体设计
1.1设备的选择
控制设备方面以往的单元组合仪表及计算机集中控制方式（如DDC，SPC等）已被淘汰，目前国内外大多采用商品化的分布式计算机控制系统（DCS）与可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controllers，PLC）计算机控制系统。其控制对象方面：受约束的MIMO（多输入多输出）系统，控制目标考虑操作条件的最优化。其控制方法的发展趋势为：结合最优化技术、计算机网络与数据信息处理技术的现代集成制造系统（CIMS）。
控制设备的选择：首先系统还需对原水量、蒸汽产量及燃料消耗量进行流量计量，以便工厂进行投入产出核算，它是现代数据信息处理技术的重要研究方面。尤其是产品产量及能耗指标的准确性、经济性一直是国内外工程技术人员和科研人员关注热点。合理地原材料消耗及实时性的准确汇总、科学的报表统计，它关系到生产管理、成本核算、提高经济效益大问题。分布式计算机控制系统（CS）和可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controllers，PLC）计算机控制系统配有多种通讯协议，支持多种现场总线技术，为数据信息处理技术的实时性、准确性实现提供了保障。
其次系统生产过程的重要参数和设备运行状态进行实时控制及检测，以往采用众多数字显示仪表进行现场参数检测的方法被取代为计算机分组画面检测，同时实时趋势画面，历史趋势画面，更加有利于多手段、多方面集中监测生产过程运行状态。对于设备运行控制可实现集中操作、故障分散设计手段，且其运行状态配以报警画面及声光提示，更有利于生产设备的安全运行。它是分布式计算机控制系统（DCS）和可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controllers，PLC）计算机控制系统的性能及特点的具体体现，是目前国内外普遍采用的先进的手段。
因此硬件设备将在商品化的DCS系统与PLC计算机控制系统选择。鉴于国外DCS系统硬件成本较高，本着即要充分考虑设备的先进性、运行可靠性、实用性、可维护性，又要保证满足系统功能设计要求，使先进的监控手段得以实现，并要为厂家降低经费投入的硬件设备选择原则，系统硬件设备可以采用国产的DCS系统或国外的PLC计算机控制系统。由于国产的DCS系统比国外的可编程逻辑控制器计算机控制系统成本投入略高，同时国外的PLC控制系统已不仅仅数字逻辑控制，也已具有模拟量输入、输出模块及其它各种多功能模块，使完成系统设计的各项功能已不成问题。同时，系统监控软件
如也选择统一厂家的，将使系统软件和硬件设备有机结合，可保证系统运行可靠性、稳定性。因此系统硬件设备选择PLC系统。
1.2 PLC型号选择
世界著名厂家的可编程控制器及过程监控软件如表1-1所列。
通过下表PLC和过程监控软件的比较和研究内容的需求，最后选择了S7200系列PLC
本系统下位机采用美国GE Fanuc自动化公司的系列90TM-30 PLC可编程序控制器实现对现场设备生产过程的实时监控。该系列PLC模块具有成本低、性能高、安全性好、易于组态和便于安装等特点，它的CPU具有十分强大的功能，内装PID，结构化编程，中断控制，间接寻址及各种功能模块，能方便地完成各种复杂的操作。
表1-1 著名厂家的可编程控制器及过程监控软件
生产厂 AB 松下 OMRON SIMATIC 三菱 GE Fanuc 西门子
可编程控制器 SLC500 FP0系列PLC CJ1系列PLC S7-400/M7-400 PLC
A系列PLC 90-70/30/20系列PLC
S700
过程监控软件 RSview32组态软件 iFix V3.0组态软件 iFix V3.0组态软件 InTouch8.0过程可视化组态软件 Intellution FIX上位组态软件 GE CIMPLICITY HMI WinCC V4.0 监控组态软件
1.3控制方案的选择
典型的锅炉水位控制策略包括单冲量、双冲量和三冲量。由于单冲量、双冲量及单级三冲量控制策略比较简单，并且难以适应现代各种复杂锅炉的控制要求，目前各种锅炉水位控制绝大多数采用三冲量水位控制策略。
锅炉水位的单冲量控制系统：这里指的单冲量即水位，这种控制系统是典型的单回路控制系统。当蒸汽负荷突然大幅度增加时，由于假水位现象，控制器不但不能开大给水阀增加给水量，以维持锅炉的物料平衡，而是关小控制阀的开度减小给水量。等假水位消失后，由于蒸汽量增加，送水量反而减少，将使水位严重下降，波动很厉害，严重
时甚至会使水位降到危险程度以致发生事故。因此对于停留时间短、负荷变动大的情况，这种的系统不能适应，水位不能保证。
锅炉水位的双冲量控制系统：在水位控制中，最主要的扰动是负荷的变化。如果根据蒸汽流量来起校正作用，就可以纠正虚假水位引起的误动作，而且使控制阀的动作十分及时，从而减少水位的波动，改善控制品质。将蒸汽流量信号引入，就构成双冲量控制系统。这是一个前馈（蒸汽流量）加单回路反馈控制的复合控制系统。这里的前馈系统就仅为静态的前馈，若需要考虑两条通道在动态上的差异，需加入动态补偿环节。这个控制系统有两个缺点，控制阀的工作特性不一定成为线性，对于蒸汽负荷变化要做到静态补偿比较困难；而对于给水系统的扰动仍不能克服。
三冲量控制系统的特点：此系统是前馈-串级控制系统。其前馈控制是根据蒸汽流量来起校正作用，以纠正虚假水位引起的误动作，而且使控制阀的动作非常及时，从而减少水位的波动，改善控制品质，其串级控制对于主要调节器是保证水位的静态准确性，同时副调节器能快速克服给水阀前压力波动干扰。在此设计中也采用三冲量水位控制调节系统。
水位调节重要性是维持水位在一定范围内，它也是保证锅炉安全运行的重要条件
[14-16]
。原因：（1）水位过高会影响水内汽水分离，饱和水蒸汽带水过多，在过热器管
壁结垢，导致损坏。同时过热蒸汽温度急剧下降，会毁坏锅炉。（2）水位过低，水量较少，当负荷较大时，水的汽化速度快，如不及时控制，水内水会全部汽化，导致水冷壁烧坏，甚至爆炸。
根据水位条件的重要性和此设计中对水位的要求使用三冲量控制其优点是（1）系统适合于对于水位要求严格或变化频繁、虚假水位严重的系统。（2）对信号的静态配合要求没有那么严格，主调节器能自动校正信号配合不准所引起的误差。（3）可以实现无差调节（不存在稳态配合问题）。
三冲量调节系统，即前馈-串级复合控制系统，它的设计思想是：以锅炉水位测量信号作为主控制信号，构成主调节回路，以蒸汽流量信号作为前馈信号，构成前馈调节回路，总给水流量作为串级信号，构成副调节回路，由主调节回路、前馈调节回路、副调节回路来共同构成锅炉水位串级三冲量自动控制系统。
第2章 锅炉水位的设计
2.1 工艺流程
本设计的工艺流程是原水→原水前处理→原水罐→水水换热器→汽水换热器→除氧器→储煤器→水液位。
系统具有五个调节回路，如水液位的控制回路、原水液位控制回路、除氧器压力、液位的控制回路、鼓风机压力的控制回路、引风机炉膛负压调节的控制回路，这里是以水液位的控制回路为主，
图2-1 锅炉水位控制系统
2.2 自控模型
锅炉工艺及自控要求某锅炉的工艺设计主要参数为： 蒸汽性质：饱和蒸汽； 蒸发量：35t/h； 蒸汽压力：0. 9MPa；
蒸汽温度：180℃； 给水流量：37m3/h； 给水温度：104℃。
控制系统硬件部分包括小型工作站（上位工控计算机）、GE Fanuc 90TM-30系列PLC可编程序控制器构成的下位机、外部设备、过程输入输出通道、现场工业自动化仪表以及供电系统等组成。它是对工业锅炉生产进行实时控制的物质基础。系统结构框图如图2-2所示。
管理命令 打印、报警输出 上位机部分 D/A PLC A/D 下位机部分 信号驱动 数字量 测量变送 现场部分 生产过程 图2-2系列结构框图
锅炉设备自控系统I/O点规模如表3-1所列。系统共有压力、流量、液位和温度信号64个，其中46个压力、流量及液位信号经现场变送器转换为4～20mADC标准信号后接入控制柜，18个温度信号分别由热电偶、热电阻测出接入控制柜；5个4～20mADC输出信号用于控制调节阀或变频调速器等执行机构，以构成自动调节系统；16个继电器接点开关量输入用于检测现场设备运行状态，16个继电器接点开关量输出用于现场设备的连锁控制。
表2-1 I/O点规模
序号 1
信号类型
模拟量输入（AI）
4～20mA标准信号 热电偶THM 热电阻RTD
2 3 4
4～20mA模拟量输出(AO) 24VDC继电器接点开关量输入(DI) 继电器接点开关量输出(DO)
I/O点数 46 12 6 5 16 16
依据设计院设计要求，本锅炉自控设计选用的美国GE Fanuc自动化公司的90TM-30系列PLC可编程序控制为增强系统的抗干扰能力，模拟量输入及输出均采用信号隔离器。Serial-SNP通讯协议，并通过SNP/RS-232转换器实现与操作站的通讯，操作站GE Fanuc自动化公司。挂接Microsoft Access数据库软件生成数据库，实现能源计量管理。
2.3 技术路线
系统具有五个调节回路，如水液位的控制回路、原水液位控制回路、除氧器压力、液位的控制回路、鼓风机压力的控制回路、引风机炉膛负压调节的控制回路，这里是以水液位的控制回路为主，它的系统方框图如图3-3所示。
△P 蒸汽流量
压力补偿模块 功能模块1 差压变送器 RH EH PH PO EF PC C+CP+CP水位PID调节 流量PID调节 01C2S PF PS H F 给水流量对象 水位对象 功能模块2 差压变送器 功能模块3 水位变送器 △P 图2-3采用PLC实现的汽包水位三冲量调节系统方框图
图中的参数解释具体如下：C0—加法器初始偏置数；C1、C2—加法器系数；EH—水位偏差值；EF—给水量偏差值；F—积水流量；H—水位；PC—水位调节器输出值；PF—
给水流量测量值；PH—水位测量值；PO—给水流量给定值；PS—经压力补偿后的蒸汽流量测量值；RH—水位给定值；△P—差压流量计输出值。
系统通过采用90TM-30 PLC梯形图编程软件，IC641SWM306进行梯形图软件编程，需进行CPU配置、90TM-30 I/O模块配置，以及结构化编制方框图中的功能模块1、功能模块2、饱和蒸汽压力补偿模块、静态前馈控制器模块（C0+C1PC+C2PS）、水位PID调节模块、给水流量PID调节模块等程序。
功能模块1。它是开方运算模块，因为节流式差压流量计是通过变送器检测孔板前后压差的，变送器输出的信号与实际流量Q之间成方根关系。
功能模块2。由于水位是一个沸腾的水位，且水中汽泡量是变化不定的，因此在采用差压变送器测量的水位时，尽管安装时设置了隔离罐，同时变送器设置了一定阻尼系数，其电流输出信号仍存在频繁的周期性波动，因此系统需对该信号进行平滑处理，以保证其控制质量，本系统采用了一阶惯性滤波。
饱和蒸汽压力补偿模块。蒸汽管道内温度、压力改变时饱和蒸汽密度随之改变，而对饱和蒸汽密度影响较为明显的是蒸汽的压力，所以编制了蒸汽流量压力补偿程序。首先将被测蒸汽压力进行量纲转换（即MPa →kg/cm2），再转换为绝对压力（实测为相对压力），然后以设计工作点为界限，分两段采用计算公式实现蒸汽流量压力补偿，经实际检验在工作点附近误差小于1%。
静态前馈控制器模块（C0+C1PC+C2PS）。从表面上看，该子程序模块是构造一个加法器，但其本质上是编制C2起着静态前馈控制器的作用，因锅炉生产的饱和蒸汽仅用作热剂，为保护锅炉其给水流量电动调节阀应采用电关阀为宜，且水位调节器（LICA-101）为正作用，因此C2应为负值。应用中C2 = - 1.054；C1 = 1；C0 = |C2 PS | = 35 ×1.054 = 36.9，应用效果较好。
水位PID调节器、给水流量PID调节器子程序块。用增强型CPU360模版，CPU内装PID标准的ISA PID算法（PID ISA），通过编程实现。PID ISA方块图如图2-4所示。
图2-4 PID ISA方块图
以该PID ISA调节子程序块构造水位三冲量调节系统，需将水位PID调节编制成定值调节（LICA-101），而给水流量PID调节编制成随动调节（FIRQ-102），以构成前馈-串级调节系统。需要注意的是方块图中的比例增益项（Kc）和积分速率增益（Ki），在我国常规PID调节器比例增益项习惯上通常采用比例带δ来设定（δ=1/Kc）；积分增益项通常采用积分时间来设定（Ki=1/Ti）。因此，上位机组态软件对这两个参数进行组态时应进行数据变换。
第3章 系列GE90-30 PLC
3.1系列GE90-30 PLC特点
（1）最具竞争力
系列90TM-30 PLC是GE Fanuc系列90-30可编程序控制器家族的一员，提供最先进的编程特性，易于组态，便于安装，独有的创新结构开辟了一条最经济的工业控制途径。
（2）领先的技术
系列90TM-30 PLC成本低，性能高，能方便地取代从简便的继电器到复杂的中型自动化应用系统场合。几年前需由高档PLC完成的任务现在则由系列90TM-30来代替。GE Fanuc不断地推出新产品，扩大使用范围，显示了其技术的领先地位，它的CPU具有强大的功能，如内装PID，结构化编程，中断控制，间接寻址及各种功能模块，能完成复杂的操作。另外系列90TM-30 PLC有功能很强的特殊模块可供选择，包括轴定位模块，高速计数器模块，BASIC和C语言协处理器模块及Genius通讯模块。GE Fanuc丰富的开关量I/O和模拟量I/O、简化启动和故障自诊以及容易与其他PLC、计算机集成一体的特性，使您确信，系列90TM-30是现在与未来PLC的明智选择。
（3）促进与第三方的合作
促进与第三方的合作。为了及时解决用户的需求，GE Fanuc提供第三家工业设备和软件包，合作的结果进一步扩大了系列90TM-30的能力，通用的产品包括：热电偶、热电阻、步进电机模块、大电流继电器模块。NATURAL LANGUAGE STATE LOGIC CONTROL为那些在系列90TM-30编程方面没有经验的用户提供了新的编程方式。有些厂家具有数据采集和控制软件产品，将用系列90TM-30与个人计算机连机。这些软件包提供的软件和系列90TM-30之间的结合天衣无缝，许多操作接口使用SNP通讯协议与具有内装接口的系列90TM-30进行通讯。
3.2系列90-30 PLC系统配置
本系统下位机采用美国GE Fanuc自动化公司的系列90TM-30 PLC可编程序控制器实现对现场设备生产过程的实时监控。该系列PLC模块具有成本低、性能高、安全性好、易于组态、便于安装等特点，它的CPU具有十分强大的功能，如内装PID，结构化编程，中断控制，间接寻址及各种功能模块，能方便地完成各种复杂的操作。
具体配置如下：系统采用10槽机架IC693CHS391；电源模板选用IC693PWR321；中央处理器选用的增强型模板CPU360，非常适用于多调节回路场合；过程输入输出通道由模拟量输入通道AI、模拟量输出通道AO和开关量输入输出通道DI、DO所组成。
分别为1个16通道热电偶输入模板HE693THM166；1个6通道RTD输入模板HE693RTD601；3个（4～20mA）16通道模拟量输入模板IC693ALG223；1个（4～20mA）8通道模拟量输出模板IC693ALE392；1个16点24VDC继电器接点输入模板IC693MDL645；1个16点继电器接点输出模板IC693MDL940；采用专用RS-232通讯组件IC690ACC901，并遵循SNP协议实现与上位机串行通讯；其90-30PLC梯形图编程软件采用IC641SWM306，实现PLC结构化编程及程序下载。
3.3 PLC安装结构及设备组态
表3-1 PLC设备组态
设备 PS 1 2
型号 IC693PWR321 IC693CPU360 FOREIGN HE693THM166
模块说明 电源 CPU 16路热偶输入
设备组态
I: 305~320 16 AI: 1~16 16 Byte 1: 1 Byte 2: 011
Byte 3: 1 （0.5F, 华氏度=%AI/2 ）
Byte 4: 0 Byte 5: 06 （S型）
3
FOREIGN HE693RTD600
6路热阻输入
AI: 17~22 6 Byte 1: 1 Byte 2: 011 Byte 3: 00 （Pt100E） Byte 4: 01 （0.5F, 华氏度=%AI/2 ）
4
IC693ALG223
16路模拟输入
AI: 23~38 16 （4~20mA）
I: 321~336 16
5
IC693ALG223
16路模拟输入
AI: 39~54 16 （4~20mA）
I: 337~354 16
6
IC693ALG223
16路模拟输入
AI: 55~70 16 （4~20mA）
I: 353~368 16
7 IC693ALG392 8路模拟输出 AQ: 1~8 （4~20mA） I: 369~376 8
8 9
IC693MDL645 IC693MDL940
16路数字输入 16路数字输出
I: 1~16 16 Q:1~16 16
注：℃=5（oF-32）/9
PLC基板插槽依次为电源模块、CPU模块、热电偶输入模块、4～20mA输入模块（3个）、4～20mA输出模块、24V继电器接点输入模块及24V继电器接点输入模块。GE90-30 PLC安装结构如图4-1所示，各模块型号及设备组态如表3-2所列。
3.4 I/O地址分配
PLC各模块I/O地址分配如表3-2所列。
表3-2 I/O地址分配表
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
仪表位号 TIR-101 TI-102 TI-103 TI-104 TI-105 TI-106 TI-107 TI-108 TI-109 TI-110 TI-111 TI-112 TI-113 TI-114 TI-115 TI-116
量程 0～150 0～1200 0～1200 0～1200 0～1200 0～1200 0～1200 0～1200 0～1200 0～1000 0～1000 0～1000 0～1000 0～300 0～300 0～250
单位 ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃
寄存器 812R 800R 801R 802R 803R 804R 805R 806R 807R 808R 809R 810R 811R 813R 814R 815R
变量名 %R1000 %R1002 %R1004 %R1006 %R1008 %R1010 %R1012 %R1014 %R1016 %R1018 %R1020 %R1022 %R1024 %R1026 %R1028 %R1030
通道 7 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 18 19 20
模块 3 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 3 3 3
输入 热电阻 热电偶 热电偶 热电偶 热电偶 热电偶 热电偶 热电偶 热电偶 热电偶 热电偶 热电偶 热电偶 热电阻 热电阻 热电阻
说 明 锅炉给水调节阀前温度 锅炉沸腾层下层温度 锅炉沸腾层下层温度 锅炉沸腾层下层温度 锅炉沸腾层下层温度 锅炉沸腾层中层温度 锅炉沸腾层中层温度 锅炉沸腾层上层温度 锅炉沸腾层上层温度 炉膛出口烟气温度 炉膛出口烟气温度 对流管束烟气温度 对流管束烟气温度 省煤器入口烟气温度 省煤器入口烟气温度 省煤器出口烟气温度
17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37
TI-117 TIA-118 PIA-101 PIRA-102 PIC-103 PI-104 PI-105 PI-106 PI-107 PIC-108 PI-109 PI-110 PI-110 PI-111 PI-112 PI-113 PI-114 PI-115 PI-116 PI-117 PI-118 PI-119
0～250 0～200 0～2.0 0～1.6 0～30 0～0.5 0～2.0 0～2.0 0～20 -100～0 -100～0 0～10 0～10 0～10 0～10 0～10 -1.0～0 -2.5～0 -5.0～0 -6.0～0 -250～0 -250～0
℃ ℃ MPa Mpa KPa Mpa Mpa Mpa KPa Pa Pa KPa KPa KPa KPa KPa KPa KPa KPa KPa Pa Pa
816R 817R 818R 819R 820R 821R 822R 823R 824R 825R 826R 827R 827R 828R 829R 830R 831R 832R 833R 834R 835R 836R
%R1032 %R1034 %R1036 %R1038 %R1040 %R1042 %R1044 %R1046 %R1048 %R1050 %R1052 %R1054 %R1054 %R1056 %R1058 %R1060 %R1062 %R1064 %R1066 %R1068 %R1070 %R1072
21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41
3 3 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 5 5 5
热电阻 热电阻 4～20mA 4～20mA 4～20mA 4～20mA 4～20mA 4～20mA 4～20mA 4～20mA 4～20mA 4～20mA 4～20mA 4～20mA 4～20mA 4～20mA 4～20mA 4～20mA 4～20mA 4～20mA 4～20mA 4～20mA
省煤器出口烟气温度 省煤器出口水温 给水调节阀前压力 饱和蒸汽压力 除氧器蒸汽压力 除氧器调节阀前压力 给水泵出口水压力 给水泵出口水压力 鼓风机出口风压 炉膛负压 炉膛负压 沸腾炉风室风压 沸腾炉风室风压 沸腾炉风室风压 沸腾炉风室风压 沸腾炉风室风压 陶瓷多管除尘器前负压 陶瓷多管除尘器后负压 脱硫除尘器后负压 引风机前负压 对流管束烟气负压 对流管束烟气负压
表3-3 I/O地址分配表（续）
序号 33 34 35 36 37 38 39
仪表位号 PI-115 PI-116 PI-117 PI-118 PI-119 PI-120 PI-121
量程 -2.5～0 -5.0～0 -6.0～0 -250～0 -250～0 -1.0～0 -1.0～0
单位 KPa KPa KPa Pa Pa KPa KPa
寄存器 832R 833R 834R 835R 836R 837R 838R
变量名 %R1064 %R1066 %R1068 %R1070 %R1072 %R1074 %R1076
通道 37 38 39 40 41 42 43
模块 4 4 5 5 5 5 5
输入 4～20mA 4～20mA 4～20mA 4～20mA 4～20mA 4～20mA 4～20mA
说明
陶瓷多管除尘器后负压 脱硫除尘器后负压 引风机前负压 对流管束烟气负压 对流管束烟气负压 省煤器出口烟气负压 省煤器出口烟气负压
40 41 42 43 44 45 46 47 48 49
PI-122 PI-123 PI-124 FIRQ-101 FIRQ-102 FIRQ-103 FIRQ-104 LICA-101 LICA-102 LIA-103
-300～0 -300～0 0～1.6 0～200 0～50 0～50 0～150 0～400 0～400
200～1800
Pa Pa Pa m3/h m3/h t/h m3/h mm mm mm
839R 840R 841R 842R 843R 844R 845R 846R 847R 848R
%R1078 %R1080 %R1082 %R1084 %R1085 %R1088 %R1090 %R1092 %R1094 %R1096
44 45 46 47 48 49 50 51 52 53
5 5 5 5 5 5 5 5 5 5
4～20mA 4～20mA 4～20mA 4～20mA 4～20mA 4～20mA 4～20mA 4～20mA 4～20mA 4～20mA
省煤器入口烟气负压 省煤器入口烟气负压
锅炉水压力 原水流量 锅炉给水流量 锅炉蒸汽流量 软水流量 锅炉水液位调节 除氧器水箱液位调节
软水箱液位
图3-1 系列90-30PLC安装结构
3.5 PLC编程软件
组态软件使用美国GE Fanuc自动化公司90TM-30 LogicmasterTM90，本系统五个控制回路的控制算法及现场数据（包括模拟量和开关量）的输入输出均采用该编程软件完成组态和编程，并下载至CPU模块IC693CPU360的程序存储器ROM中。这部分性能的好坏对整个控制系统的正常运行起着十分重要的作用[17]。
第4章PID控制算法及PLC编程
4.1 PID控制算法
在计算机控制系统中，PLC的CPU模块相当于常规控制系统中的控制器，它对过程变量的实测值和设定值之间的误差信号进行运算，称为控制算法或控制法则。常用的控制算法有以下几种：
（1）经典的比例、积分、微分控制算法；
（2）根据动态系统的优化理论得到的自适应控制和最优控制方法； （3）根据模糊集合论得到模糊控制算法。
自适应控制和最优化控制方法是建立在精确数学模型基础上的，在实时过程控制中，由于控制对象的精确数学模型难于建立，系统参数经常发生变化，运用控制理论分析综合要花费很大的代价，同时由于所得到的数学模型过于复杂，难于实现，因此在目前的过程控制系统中较少采用这种方法。目前在过程控制中应用较多的还是PID控制算法。
4.1.1控制算法
水位PID调节器、给水流量PID调节器子程序模块：采用增强型CPU360模板，CPU内装PID标准的ISA PID算法（PID ISA），通过编程实现。PID ISA算法方块图如图4-1所示。
图4-1 PID ISA方块图
SP 死PV
累 标准ISA PID算法（PID ISA），对每个比例、微分、积分项加入的比例增益，该
算法实际就是理想模拟PID控制算式（如式4-1所示）的具体应用，并增加了死区、CV限幅、CV值变化速率极限等功能模块。
1 t de ( t )
u(t)Ke(t)e(t)dtTdu0 0 c Tdti （4-1）
4.1.2 CV幅值和速率极限
该功能模块不可直接向CV发送计算后的PID输出。该PID运算可限制输出控制变量的幅值和变化速率。如果规定值大于0，则最大变化速率由100%CV（32000）除以最小旋转时间。例如，若最小旋转时间为100秒，则速率极限为320CV值/秒。若dt解决时间为50ms，则新的CV输出不得大于或16CV值。
CV输出然后与CV上、下箝位值对比。若有一限值超出，则CV输出置位于该箝位值。如果速率或幅值限超出修改的CV值，则内部积分器值会调整至与该限值匹配以避
免重置终结（reset Windup）最后模块会检验输出极性（配置字%Ref+12的第二位）并如果位为1的话，改变输出的符号。
CV=限幅PID输出或输出极性位设置时的限幅PID输出。
如果模块处于Automatic模式，则最终CV置于Manual Command%Ref+13。若模块处于Manual模式，则PID等式会跳过而由Manual Command置位的CV，但所有的速率和幅值极限仍会受检验。此意即Manual Command不能改变大于CV上箝位和小于CV下箝位的值，并且输出不能象最小旋转时间所允许的快速改变。
4.2 PID调节器PLC编程
PID的用途即用于闭环过程控制。Series 90 PID功能模块可对比过程变量反馈（RVF）和期望过程设置（desired process Set Point）并以误差为准进行控制变量输出更新。模块利用PID闭环增益及贮存在40个16位字数组中的其他参数在所希望的时间间隔内进行PID运算。全部参数均为16位整数字，具有16位模拟变量兼容性。由此就可以把%AI存贮器作为输入过程变量，%AQ用做输出控制变量。例如：LICA-101调节器功能模块编程图如图4-2所示。
由于输入设置点（Set Point）、过程变量（Process variable）和输出控制变量（Control variable）使用频繁，故以缩写SP、PV、CV代替。因均为16位整数，所以必须定义成PV计量单位或CV计量单位。例如，SP输入应与PV范围统一，这样PID模块在计算误差时得到这两个输入的偏差。PV和CV值可从-32000或0至匹配的模拟换算值32000，或从0至10000，显示变量为0.00%至100.00%PV和CV值可有不同的定标，此时换算因子已包含在PID增益当中。图4-2中各参数说明如表4-1所列。
表4-1 PID调节器功能模块参数说明
参数 enable SP PV MAN UP DN
说明
当通过一触点使能时，使执行PID功能。
SP为控制闭环的置位点。置位用PV值，PID调节输出CV，使PV与SP匹配。
PV为控制闭环的过程变量，为%AI输入。
当MAN接通时，PID功能模块是处于手动状态。如PID停止手动状态，则处于自动。
当UP接通时，如果处于手动状态，则CV输出值可上调。 当DN接通时，如果处于手动状态，则CV输出值可下调。
Address OK CV
地址为PID控制模块信息的存贮单元。使用不可共享的40个%R字。 如果当功能模块正确无误地执行时，则OK输出便接通。若有错误则为OFF。
CV为控制变量输出，为%AQ模拟输出。
图4-2中各参数除第2输入字和第3手动控制触点外，PID模块还用到RefArray中的13个参数。这些参数必须在调用模块之前设置好。其余参数由PLC使用且为不可组态（non-configurable）。表4-2所列的%Ref与图4-2所示PID模块底部的RefArray Address相同。“+”加与后的编号为数组中的偏置量。例如，如果RefArray从%R100开始，则%R113即为手动命令，用于设置控制变量（CV）和手动方式的积分功能。其PID组态参数一览表如表4-2所列。各参数详细说明如表4-3所列。
表4-2 PID组态参数一览表
寄存器 %Ref+0000
参数 回路数
低位单位 整数
取值范围 0~255仅用于用户显示
%S00007 （enable） PID — （ok）Power flow out if OK IND SP CV PV MAN UP DN %AQ0004 Control Variable +25000 (set point) %R0150 +21000 (process variable) %AI0001 +20950 %M0112 %M0113 %M0114 RefArray is 40 %R Words %R0100 (reference array) 图4-2 LICA-101调节器功能模块编程图
%Ref+0001 %Ref+0002
%Ref+0003 %Ref+0004 %Ref+0005 %Ref+0006 %Ref+0007 %Ref+0008
%Ref+0009 %Ref+0010 %Ref+0011 %Ref+0012 %Ref+0013 %Ref+0014 %Ref+0015 %Ref+0016 %Ref+0017 %Ref+0018 %Ref+0019 %Ref+0020 %Ref+0021 %Ref+0022 %Ref+0023 %Ref+0024 %Ref+0025 %Ref+0026 %Ref+0027 %Ref+0028
算法 采样周期
死区+ 死区- 比例增益—Kp 微分增益—Kd 积分速率—Ki CV偏置/输出偏
置
上限幅值 下限幅值 最小转动时间 组态字 手动命令 控制字 内SP 内CV 内PV 输出 不同项存贮 内部项存贮
转动项存贮 时钟（最末次执行时间）
Y余数存贮 SP.VP的低范围 SP.VP的高范围
N/A；由PLC设定和维护
10ms
PV值 PV值 0.01CV%/PV%
0.01秒 重复/1000秒 CV值
CV值 CV值 秒/全程 低5位 CV值
由PLC维护，除非位1 N/A;由PLC设置 N/A;由PLC设置和维护 N/A;由PLC设置 N/A;由PLC设置 N/A;由PLC设置 N/A;由PLC设置
N/A;由PLC设置 N/A;由PLC设置
N/A;由PLC设置
PV值 PV值
不可组态
0（每次扫描）是65535（10.9分）
90-30PLC最少为10分
0~32000（正值） -32000~0（负值） 0~327.67%/% 0~327.67秒 0~32.767重复/秒
-32000至32000（加到积分输出）
-32000至32000（>%Ref+10）输出限 -32000至32000（>%Ref009）输出限
0至32000秒至移动32000CV 误差+/-的0~2位,输出极性,微分 CV为自动,或置CV为手动 如为1时,低位设置为超驰
不可组态 不可组态 不可组态 不可组态 不可组态 不可组态
不可组态 不可组态
不可组态
-32000至32000（>%Ref+28）输出限 -32000至32000（>%Ref+28）输出限
%Ref+0029 %Ref+0039
留作内部使用 N/A值 不可组态
RefArray数组应为90TM-30 PLC上的%R寄存器。注意，如果全部13个用户参数相同则每次PID模块调用必须使用一个有差别的40个字数组，这是因为该数组中的其余的字用作内部PID模块贮存。应确保该数组不扩充至超出内存。
组态用户参数时，选择PID功能块并按F10键进到显示用户参数屏面；然后用箭头键选择字段，键入期望值。用户可用0作为多数缺少值，但不包括CV上限幅值，PID模块的操作CV上限幅值应大于CV下限幅值。如果用户参数（user Parameter）中有错误的话则PID模块无电流通过，所以修改数据时可用一个暂时线圈进行监控。
一旦选定不合适的PID值，就应定义为BLKMOV的常数项，以便必须时可用作重装（reload）缺省PID用户参数。
常规自动操作将在每次扫描时调用PID模块，有电流为Enable，无电流为Manual输入触点。该模块即把当前PLC逝去时钟与上次贮存在内部RefArray的PID解答时间进行比较。如果此时间差大于RefArray的定义在第3个字（%Ref+2）采样周期时，PID运算就用时间差进行解答，且把上次解答时间和控制置变量进行刷新。在Automatic方式下，输出CV置于手动命令参数%Ref+13中。
PID模块可用CV上限幅值和CV下限幅值限制CV输出。如果定义了一个正最小转动时间（Minimum Slew Time），则可用来限制CV输出的修改速率。如果CV范围或速度极限超出，则积分器中存贮值会调节以确保CV仍在范围内。这种防复位（anti-reset）终结功能意味着即使误差试图使CV高于（或低于）限幅值一段时间，CV输出将在误差内改变限幅值。
表4-3 PID组态参数详细说明
数据项 回路数（00）
说 明
回路数是标明PID模块的有较参数。该参数是操作员接口设备所定义的一个无符号整数，可为PLC提供一个公用标志若操作逻辑由Logic master 90-30/30/Micro软件监控，则回路数可在模块地址下加以显示。
算法（01） 是由PLC设置的一个无符号整数，用以识别功能模块正在使用什么算法。ISA算法定义
为算法，而独立算法则定义为算法2。
采样周期（02）
PID算法之间的最短时间，以10ms为增量计时。如，以10为100ms采样周期。UINT值范围为大至65535作为10.9分钟的采样周期。如果为零，则功能块被调用（参考下一节PID模块计划表）。如果当前PLC逝去时间刚好或小于上次PID应答时间加上采样周期的话则PID算法进行。切记，90-30不会使用低于10ms的应答时间。故此扫描会跳过那些比较短扫描时间。该功能作用可补偿实际逝去时间为100us之内。如果其值设置为零，则每次功能模块使能，否则限制为最小值为10ms 。
死区（+/-） INT值定义PV值的上、下死区限。如果不需要死区，则这些值均应为零。如果PID误（03/04） 差（SP—PV）或（PV—SP）介于死区（+）和死区（-）之间，则功能块将用零误差解决
PID计算。如果不是零，则死区（+）必须大于零或花区（-）小于零，或者是PID功能块不发生作用。
4-3 PID组态参数详细说明（续）
数据项 比例增益 -Kp（05）
说 明
即INT数，在ISA版中称为控制器增益，Kp用于确定CV值的变化。以0.00%/%形式显示，隐含两位有效数字，如输入Kp450，则显示为4.50，结果是Kp误差/100或450*误差100为PID输出的精度。Kp为调节PID回路时的主要增益。
微分增益 -Kd（06）
INT值，用以确定CV值的误差。键入代表10ms的低位时间，则显示为0.00秒，且隐含有效数字两位。如Kd为120则显示为1.20秒，其结果是Kd*△误差/△时间或120*4/3精度的PID输出，前提是误差为每30ms变化4个PV值。Kd可用于提高低速回路响应但对PV输入噪音很敏感。
积分速率-Ki （07）
INT值，用以设置积分速率。显示为带3位有效数字0.000Repeats/秒。如，Ki =1400ms，即1400 Repeats/秒，即Ki*误差*dt或1400*0*50/1000，即误差为20PV值和50msPLC扫描时间的精度。（采样周期为零）。Ki为继Kp之后的次级增益。
CV偏置/输出（08）
用以设置偏置项一带符号字的数值，以计数单位计量。正反馈控制可通过调节这一数值以实现CV上/下限幅值时，则防积分饱和（ANTI-RESET WINDUP）将被用于PID积分项。积分项被调成保持输出限幅值的一个数值。
最小旋转时间（11）
字义输出最小旋转时间的正整数的值。该项将限制如何快速地使输出从0变到100%。它还有限制积分容许如何快速地进行防终结变化的效果。如果不要求限制旋转速率。则该项应置为零。旋转速率的限制对满行程给定以秒计量。
配置字 （12）
配置字具有下列格式的一个字的值。
0=误差项。当这一位置0，则CV输出冤魂表示PID计算的输出。当这一位置1，则
CV输出将表示PID计算输出的负值。
=输 出极性，当这一位置0，则CV输出将表示PID计算的输出。当这一位置1，则CV
输出将表示PID计算的输出负值。
2=在 PV上的微分作用。当这一位置0，则微分作用将加于误差项。当这一位置1，则微分作用将加于PV。所有保留位都应为0。
手动指令（13） 带符号字的数值，用以确定手动方式中的输出。 控制字（14） 控制字为一数字数据结构，其中用前5位定位如下格式：
0=超驰；1=自动/手动；2=使能（允许操作）；3=上升； 4=降低
超驰：当超驰位置1，则功能模块根据升速、减速和手动的当前值执行，这些数值将不用离散输入写入功能模件。当超驰位置0，则升速、减速及手动值将设置数值，后者是由功能模块的离散输入定义的，超驰也影响为SP所用的值。如果超驰位置位，则功能模块将不更新SP的值，而将根据数据结构中SP的值执行。
超驰位的用途是允许操作装置的接口设备来控制。此外，由于SP是不更新的，帮操作装置接口单元，也可设置超驰并进行设置点控制。
使能：使能位将通过使能输入端进入功能模块。
手动/上升/下降：这三个位将表示当前超驰位为0时的三个逻辑(布尔)输入的姿态。否则。它们可由外部源进行处置。
SP（15） CV（16） PV（17） 输出（18）
这是一个表示置位点输入功能模块的带符号字的值。 是一个表示功能模块的CV输出的带符号字的值。 这是一个带符号字的值以表示输入功能模块的过程变量。
这是一个带符号字的值，以表示任选可逆应用之前，功能模块的输出。如果没有输出可逆被配置，而且控制字中的输出极性位置为0，则该值将等于CV输出值。如果已选可逆，且输出极性置为1，则该值将等于CV输出的负值。
不同项存贮（19） 内部项贮
为存贮中间值内存用。该存贮单元不进行写入。
表4-4 PID组态参数详细说明（续）
数据项 旋转项存贮（22）
说 明
为存贮中间值内存用。该存贮单元不进行写入。
为存贮中间值内存用。该存贮单元不进行写入。
时钟（23-25） Y余数(26) 降低范围（27） 上升范围（28） 保留（29-39）
内部耗时的存贮（最后执行的时间）。对该存贮单元不进行写入。
保留余数作积分器部分换算的0稳态误差。
SP、PV用于面板显示的降低范围。 SP、PV用于面板显示的上升范围。
留作GE、FANUC使用，对其它用途不能用。29~34留作内用，35-39外用。
这种Automatic方式下Manual Command跟踪CV和Manual方式之间进行无振动（bump less）传送操作。CV上、下限幅值和最小转动时间（Minimum Slew Time）仍用于手动方式的CV输出，而存贮在积分器中的内存值则被刷新。其意义是如果用户即将进入到手动方式的Manual Command，CV输出不会改变最小转动时间速率的限制内容，也不会高过或低于CV上限幅值或CV下限幅值。
如表5-3所述，PID功能块可读取13个用户参数，而使用其余的40字RefArray用于内部PID存贮。一般情况下用户不需进行修改。如果用户在长时间延迟后在Auto模式下正调用PID模块，可用SVC-REQ#16加装当前PLC逝去时间时钟到%Ref+23去更新上次PID解决（处理）时间以避免积分器上发生多级变化。若已设置超驰低位控制字（%Ref+14）至1，紧接的4位控制字必须设置为控制PID模块输入触点，内部SP和PV必须设置。这是因为用户已把PID模块控制从梯形逻辑状态撤出。
第5章 监控软件及组态设计
5.1 监控软件CIMPLICITY HMI简介
GE Fanuc是美国第一批在满足了由国际标准化组织指定的最全面最严格的所有ISO9001制造商认证的公司之一。现在世界上从跨国公司到中小企业，越来越多的商业部门认识到变化的迫切，从而转向使用GE Fanuc的质量一流的工厂自动化设备和软件。经过时间检验过的产品使GE Fanuc产品始终处于当今市场的竞争前列。目前GE Fanuc电气公司的产品不仅在我国的石油、化工、冶金、电力等部门得到了广泛应用，且在国内具有多家代理商，使得用户在得到了高质量产品的同时，还有优良的服务与支持。
基于Microsoft Windows NT和Windows 9x及Windows 2000的CIMPLICITY HMI（人机界面）软件是CIMPLICITY监督与控制产品家族中一个颇具革命性的发展。这些基于Microsoft Windows NT和Windows 9x的功能强大的产品提供高速度，灵活性和易于使用的特点，利用这些特点可以加快应用开发的速度，减少开发成本，降低项目实施和运行周期维护的费用，使用CIMPLICITY HMI，您可以真正做到人与过程的有机结合。
使用CIMPLICITY HMI软件可以保证您始终处在技术的最前沿，不论是对于离散的还是连续的生产过程环境，都能够很容易地创建操作员接口，数据采集，监视与控制等应用。
CIMPLICITY HMI软件能够应用在各种不同类型的工业生产过程中，诸如汽车、航天、石油与天然气、化工、石化、食品加工、饮料、制药、纸浆与造纸、管线、金属、水与废水处理、交通以及其它行业。
CIMPLICITY HMI软件包括工业上领先的CIMPLICITY分布式系统结构和开放性的系统设计，此结构和设计借助Microsoft的灵活的客户/服务器体系结构，以及功能强大的为实现系统集成而设计的各种标准。
它为我们带来的好处就是该产品非常易于使用，同时又适合于实时控制和监视，可CIMPLICITY HMI是一个基于客户服务器的结构。CIMPLICITY HMI包括服务器和浏览站。服务器负责数据的采集和分配。游览站连接到服务器，并对所采集的数据用于浏览和控制操作具有完全的访问权限。服务器与浏览站能非常容易地连网，并且您不需要从一个节点到另一个节点复制您的点数据库就能无缝隙地共享点数据。
CIMPLICITY HMI按点数划分有50（不能连网），75，150，300，700，1500，35000和无限I/O点的服务器。所谓I/O点就是从节点上采集到的实际的设备点。虚拟点不被统
以将它配置成从单个节点到多节点的网络系统形成不同的规模，具有很强的可扩展性。
计在内，它仅仅存在于计算机中。为了增加灵活性，任何CIMPLICITY HMI系统可以从另一个系统访问数据点。来自于另一个系统的数据点不计入总的I/O数。浏览站不直接采集I/O，因此可以被当作无限点的系统。
CIMPLICITY HMI也可以划分为开发和运行系统。开发和运行可选项对所有的系统都适用。开发系统允许您创建新工程并能作为一个运行系统来使用。运行系统不支持工程配置。
CIMPLICITY HMI是一个软件包，它提供了一系列强大的功能，从而在监视与控制系统领域中处于领先地位。这些特点包括：
（1）CimView与CimEdit（画图）报警浏览器 （2）趋势 （3）点控制面板 （4）基本控制机制 （5）数据库登录 （6）DDE接口 （7）配置装载/卸出
除了以上这些标准特性外，CIMPLICITY HMI还提供了功能强大的可选项模块用于完善您的应用。这些可选项模块包括：
（1）通讯驱动器 （2）历史数据分析器 （3）服务器冗余 （4）HMI for CNC （5）集成商的开发工具 （6）多个工程支持 （7）配方管理
（8）统计过程控制（SPC） （9）跟踪器
（10）跟踪器显示可选项 （11）Web网关
CIMPLICITY HMI软件关键优势在于易于使用的特性CIMPLICITY HMI软件装在CD-ROM上，安装非常简单。只需插入CD，基于Windows 9X、Windows 2000或者Windows NT 4.0上的Microsoft的自动运行特性将会自动地执行安装程序。接下来
CIMPLICITY安装向导将按步骤地指导您完成安装。然后自动调用CIMPLICITY工程向导，使您能够在10分钟之内创建一个新工程并建立好实际的设备通讯。直观对于衡量任何软件包的易用性都是一个关键的标准。CIMPLICITY HMI被设计成与Microsot的用户接口完全一致，从而从感官上把Microsoft的应用与CIMPLICITY软件的功能很强的实时响应相结合起来。从这个观点上看，任何对Microsot Windows熟悉的用户将会发现使用CIMPLICITY HMI软件是如此的方便容易。
5.2 CIMPLICITY HMI运行环境
本系统要求计算机硬件配置为主频PⅢ500，内存128M，硬盘容量10G，显示器17寸，打印机为LQ1600KⅢ，软件配置为WIN98第二版最终版，ACCESS 97版，组态软件采用GE Fanuc自动化公司
5.3 CIMPLICITY HMI操作主画面
带有调节器锅炉控制系统总画面的操作主画面如图5-1所示。
图5-1 带有调节器的锅炉控制系统
系统具有五个调节回路，如水液位的控制回路、原水液位控制回路、除氧器压力、液位的控制回路、鼓风机压力的控制回路、引风机炉膛负压调节的控制回路，分别串接五个手动操作器。这里是以水液位的控制回路为主。
各调节回路自动→手动切换为无自衡无扰动切换，可直接按手操器A/M按键，实现自动→手动无扰动切换。
各调节回路手动→自动切换为有自衡无扰动切换，应按以下步骤投运：
调节手操器输出使系统运行平稳后，在计算机画面上用鼠标左键单击相应的调节器棒图调出相应回路的调节器画面，在该画面上，SP棒图栏为设定值显示，PV棒图栏为测量值（即被控量）显示，CV棒图栏为调节器输出（即阀位信号）显示，棒图下显示实际值的百分数。按下列步骤将手动切换到自动。
（1）鼠标左键单击调节器手动按钮使本画面上的“手动”按钮显示为红色（即处于手动状态）；
（2）查看手操器输出值，用鼠标左键拖动调节器画面CV棒图上的滑块使滑块位置与手操器输出值相等或用鼠标左键单击在CV棒图下的显示框，通过键盘直接键入手操器输出值（以百分数形式）并按回车键确认；
（3）将手操器打自动，此时手操器“自动”状态指示发光二极管呈常亮状态； （4）查看手操器测量值，用鼠标左键拖动调节器画面CV棒图上的滑块使滑块位置与手操器测量值相等或用鼠标左键单击在CV棒图下的显示框，通过键盘直接键入手操器测量值（以百分数形式）并按回车键确认；
（5）用鼠标左键单击计算机调节器画面上的自动按钮，“自动”按钮显示为红色，通过以上自衡过程系统实现手动→自动无扰动切换。
5.4 调节器组态设计
在系统五个调节回路中主要以水液位的控制回路为主，它的水位调节器（LICA-101）的组态（包括IO点配置、Script脚本编制）具体说明如下：
自动化监控软件CIMPLICITY HMI 4.01版本中的Symbols提供了现成的Series 90 PID Controller组件，直接利用该组件通过组态可实现水位调节器（LICA-101）的各项功能（包括给定值、被控变量、阀位输出的棒图显示及数字显示、自动/手动状态显示及切换、实时趋势、参数设定、给定值和阀位手动输出的游标滑块及键盘数字输入操作等功能），但该组件各控件均为英文标注，为方便现场操作工操作，实际应用将该组件进行了汉化设计，两者对比如图5-2所示。
The configured pointThe device data isstructure ID is invalidcurrently unavailable000000Series 90 PID ControllerSeries 90 PID Controller***LICA-101调节器SP100SP100PV100CV100PV100CV1000.0Units0.0Units0.0Units0.0%0.0%0.0%AutoManualCloseDetailsTrend自动趋趋▲趋趋手动趋趋
Adv.Tune图5-2 LICA－101调节器组
对于水位调节器（LICA-101）需对以下IO点进行组态：（1）水位给定值[%R0150]；（2）水位测量值[846R]；（3）PID输出[%AQ0004]；（4）手动输出[%R0113]；（5）自动/手动状态开关[%M0112]；（6）上升键UP[%M0113]；（7）下降键DOWN[%M0114]；（8）采样周期[%R0102]；（9）比例带δ[%R0105]；（10）积分时间Ti[%R0107]；（11）微分时间TD[%R0107]；（12）调节器显示标志；（13）调节器参数设定显示标志；（14）各变量实时趋势显示标志。其中各模拟量的数据类型均采用INT数值，取值范围为0～32767，部分需进行范围变换，如比例带为0～1000、积分时间0～327.67S。
调节器组件需采用Script脚本语言对控件事件进行脚本软件编制，例如用鼠标点击调节器组件的“设定”按钮，可进入PID参数设定，但系统对此项操作设置了工程师密码，以防止非工程师人员任意更改PID参数，保证调节系统的处于优化控制。
结 论
本次设计通过使用美国GE Fanuc自动化公司的90TM-30系列PLC可编程序控制GE Fanuc自动化公司90TM-30系列PLC具有增强型CPU360模板，CPU内装PID标准的ISA PID算法（PID ISA），具有Series 90 PID功能模块，它可对比过程变量反馈（RVF）和期望过程设置（desired process Set Point）并以误差为准进行控制变量输出更新。自动化监控软件CIMPLICITY HMI 4.01版本中的Symbols提供了现成的Series 90 PID Controller组件，直接利用该组件通过组态可实现水位的各项功能，但该组件各控件均为英文标注，为方便现场操作工操作，实际应用将该组件进行了汉化设计，通过PID的功能模块使上位机和下位机的有机结合在一起。在加上提高了系统在恶劣情况下的抗干扰能力和控制系统的鲁棒性能，控制给水流量，使其与蒸发量保持平衡，缩小水内部实际水位与理想水位差值，维持锅炉内水位在允许的范围内变化。
经理论分析、确定锅炉水位的控制方案、系统控制设备选型、PLC梯形图的编程、系统配置、IO配置、上位机工艺操作界面组态的设计，实现了对锅炉水位的监控，提高锅炉设备的自动化控制水平，经参数优化整定，基本达到了最优控制，保证锅炉的安全运行，降低工作人员的劳动强度,取得了较好的经济和社会效益。
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附录1：
关于锅炉水位调整方案
水位调整原则是采用节流与变速的二段调节方案(调节给水调节阀,再根据给水调整阀压差趋调整给水泵转速.以减少水位的动态惯性和调节的滞后)维持汽水平衡.
一、汽机冲车
汽机冲车是锅炉蒸汽量变化的过程，蒸汽压力下降引起工质密度改变（锅炉释放蓄热，炉水迅速气化体积膨胀）使水位瞬间升高形成正虚假水位，当大量蒸汽溢出水面后，水位随即下降。因此汽机冲车前和转速保持暖机中要维持较低水位，升速中逐渐关小旁路保持水压力以遏制升速中特别是冲临界转速时导致的虚假水位，综合判断当水位有回头趋势之际，适当加大给水流量，维持汽水平衡。 调整手段：
（1）锅炉参数符合冲车要求且运行稳定，维持主汽压力5MPA，以上，专人密切监视汽机旁路动作状态以必要时手动控制旁路。
（2）汽机冲车前调整水位-200且运行稳定，调节锅炉连排开度100%，运行给水泵再循环开度100%，给水泵出口压力4MPA以上（旁路自动时防止压力降低高旁自动关闭）。冲车过程中主值要根据转速，气压和水位变化趋势及时与负责调节水位的值班员进行沟通协调操作。
（3）汽机转速2100转升至2900转，升速率自动变为300转时水位扰动，先升后降。开始升速时不要加大给水，调节旁路保持水压力不变或略有回升，当水位虚高回头时适当加大给水。
（4）汽机定速2900转阀切换时控制水位-100 ，阀切换结束引起水位虚高之后下降，要超前调整给水流量。
（5）并网带初负荷控制升负荷率4mw. 二、锅炉灭火汽机未跳闸
水位变化趋势;先下后上。炉膛火焰熄灭，炉水中大量气泡瞬间破碎汽水容积急剧收缩，水位直线下降（负荷在300—600之间水位降幅大约200—250）由于锅炉负荷衰减较慢给水流量大于锅炉蒸发量且随着灭火后蒸汽压力的下降趋势，锅炉要放出蓄热锅水体积膨胀加速水位上升。水位调节要根据负荷的变化和蒸汽流量的减少而减少给水量，使水位保持稳定。 调整手段：
(1)灭火后根据蒸汽压力下降的趋势迅速降负荷减缓气压变化并迅速切除水位自动，灭火后控制水位应以-150为零水位控制点。
(2)灭火后在水位虚低时，应将给水流量增加使大于主汽流量200-400吨（600-300MW）。待水位下降变缓迅速减小给水流量使小于主汽流量50吨左右，再根据水位变化趋势调整给水量与蒸汽量相匹配，稳定水位。
(3)将负荷至300MW解裂一台给水泵使用单台给水泵控制水位，给水倒旁路。调节给水调节阀，再根据给水调整阀压差调整给水泵转速，维持水位。 三、机跳闸炉不灭火时水位的调节
这种情况只适用于起停机过程中的特殊情况，因为当机组负荷大于90MW时时机跳连锁锅炉灭火的， 在正常运行中锅炉的最低稳燃负荷远远大于这一负荷。在这种情况下，机跳闸后若两台给水泵运行必须立即拉掉一台，解除水位，给水泵勺管自动，视虚假水位的程度手动来调节。汽机跳闸后主汽压力会突升，导致水位突降，但这种突升不会太多，视水位情况应提前将给水量降下来。这时要手动开启旁路系统，开旁路时要告诉水位调整人，已提前作出反应。旁路的开启要缓慢以利于水位的调节。 四、机跳闸炉灭火的水位调节：
这种情况虽然不会引起什么恶性事故，但是保持正常水位有利于快速点火重新启动。这种情况下，应立即拉掉一台给水泵，将给水切为手动调整为正常值，等锅炉重新点火开旁路时视水位变化情况精心调整。
五、机组正常运行中安全门动作或旁路突开水位调节：
正常运行中安全门动作或旁路突开，相当于锅炉负荷急剧增加，蒸汽压力迅速下降，相应饱和温度降低，储存在炉水和金属中的热量，以汽化方式释放出来，造成水位迅速升高。压力的突降引起工质状态发生改变，同时汽水物质平衡状态破坏使水位下降锅炉处于亏水状态。在这种情况下，若水位自动跟踪不良时立即切为手动干预，水位虚高较大时，应适当减少给水量，当水位回头时立即加大给水，使给水量与蒸汽量相匹配。 六、跳磨和RB：
跳磨或者送引一次风机磨煤机RB都将造成燃烧减弱而水位下降,水位相对好调.炉水泵跳闸,将首先造成水位升高,其次是RB影响;在启动炉水泵时要预先设定水位高些,防止水位过低.给水泵RB或RD时,注意备用泵的联动情况.锅炉自动检负荷(rb)时原则上不得解除水位自动，必要时手动干预时要参照水位趋势，以汽水平衡为原则调整水位。 七、旁路调整水位变化趋势
开旁路时主气压力下降，引起水位虚高；关小旁路时，主气压力上升，引起水位虚低。调整手段：开关旁路应参照水位，缓慢动作，尽量减少压力波动，从而减少水位波动范围。
八、正常运行方式下的水位监视与调整
锅炉水位调整是锅炉运行调节中最重要的环节。水位的稳定，反映的是锅炉给谁量与蒸汽流量的平衡关系，但由于炉水是汽水两相混合物，炉水的状态也在一定程度上影响水位，故在水位调节时 ，即要注意给水量和蒸汽量的平衡，同时也要注意因气压或燃烧工况变化而引起的虚假水位。
正常情况下水位为自动控制，主要观察水位的变化趋势，水位设定值上下平稳的变化。当机组工况变化和炉膛燃烧不稳时，加强对水位自动调节特性的监视，必要时人为参与调整。当水位突然变化时，要对照蒸汽流量和给水流量，决定增加或减少给水量，要根据当时的水位和水位变化速度决定调节时机。
备用给水泵联动逻辑
现单台给水泵运行，另两台给水泵均可以投备用，而且运行泵跳闸，两台备用泵同时联动，而我们只需要一台泵联动，所以增加：在A或B 单台给水泵运行时，而且泵B和Ca或者在A或Cb均投备用的情况下，若A或B泵跳闸，优先联动B或A泵，若6秒内没有联动成功，发备用泵联动故障信号，立即联动Ca或Cb给水泵
所以单台A电泵运行时，需B，Ca泵投备用；单台B电泵运行时，需A，Cb 泵投备用。 给水泵跳闸后的逻辑
1． 增加运行给水泵跳闸，备用给水泵联动3s后勺管自动投自动逻辑 2． 单台运行，负荷在330——350，运行泵跳闸，备用泵在20s内联起成功，且联动泵3s后勺管自动投自动，处罚RUNDOWN逻辑，将机组负荷减至300MW，以保证水位的快速调节。 3． 单台电泵运行时，机组负荷小于330MW，电泵跳闸，备用泵20S内联起成功，且联动泵勺管3S后自动投自动，维持机组负荷不变。 4． 单台电泵运行，电泵跳闸，20S 内备用泵未启动，但MFT未被触发，触发RUN DOWN 逻辑，自动将机组负荷至180MW。 关于空冷风机最高转速的改动
根据我公司空冷技术协议的规定，在环境温度大于29度时，空冷风机可在110%额定转速下运行，也即空冷风机在60HZ运行，但目前我们所做的逻辑不能实现风机60HZ 运行，只能到55HZ ，在环境温度高时，机组真空很低，处于非经济运行工况。经与厂家协商，厂家同意将空冷变频器输出上限为60HZ 。 关于机组背压高RB的逻辑
1． 机组负荷在400—450之间，且机组背压大于23/330*(机组负荷-120)+25kpa ，且背压上升率大于1.5kpa/30s,延时1s触发rb ,跳闸上层磨，保留三台磨煤机运行，将机组负
荷降至 300MW。 2． 机组负荷大于450 MW，且机组背压大于48kpa，且背压上升率大于1.5kpa/30s,延时1s触发rb ,跳闸上层磨，保留三台磨煤机运行，将机组负荷降至 300MW。 3． 当机组背压大于53KPA，且机组负荷大于400MW，1.5kpa/30s,延时1s触发rb ,跳闸上层磨，保留三台磨煤机运行，将机组负荷降至 300MW。
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