基于plc的船舶锅炉控制系统

基于plc的船舶锅炉控制系统内容摘要：

块式 PLC的基本结构 11 PLC，主要由机架、 CPU模块、信号模块、功能模块、 接口模块、通信处理器、电源模块和编程设备组成 (见图 3． 1)，各种模块安装在 机架上。 通过 CPU模块或者通信模块上的通信接口， PLC被连接到通信网络上， 可以与计算机、其他 PLC 或其他设备通信。 （ 1） ． CPU模块 CPU模块主要由微处理器 (CPU芯片 )和存储器组成。 在 PLC控制系统中， CPU模块相当于人的大脑和心脏，它不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新 系统的输出；存储器用水储存程序和数据。 （ 2） ．信号模块 输入 (Input)模块和输出 (Output)模块简称为 I／ O模块，丌关量输入、输 出模块简称为 DI模块和 DO模块，模拟量输入、输出模块简称为 AI模块和 AO 模块，他们统称为信号模块。 信号模块是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现 场设备和 CPU模块的桥梁。 输入模块用来接收和采集输入信号，丌关量输入模块用来接收从按钮、选择开 关、数字拨码丌关、限位丌关、接近丌关、光电丌关、压力继电器等传来的数字 信号；模拟量输入模块用来接收电位器、测速发电动机和各种变送器提供的连续 变化的模拟量电流电压信号。 丌光量输出模块用来控制接触器、 电磁阀、电磁铁、指示灯、数字显示装置和 12 报警装置等输出设备，模拟量输出模块用来控制电动机调节阀、变频器等执行器。 CPU模块内部的工作电压一般是 DC 5V，而 PLC的输入／输出信号电压一般较 高，例如 DC 24V或 AC 220V。 从外部引入的尖刻电压和干扰噪声可能损坏 CPU 模块中的元器件，或使 PLC不能正常工作。 在信号模块中，用光耦合器、光敏晶 闸管、小型继电器等器件来隔离 PLC的内部电路和外部的输入、输出电路。 信号 模块除了传递信号外，还有电平转换与隔离的作用。 （ 3） ．功能模块 为了增强 PLC的功能， 扩大其应用领域，减轻 CPU的负担， PLC厂家为了 丌发各种各样的功能模块。 它们主要用于完成某些对实时性和存储器量要求很高 的控制任务。 （ 4） ．接口模块 CPU模块所在的机架成为中央机架，如果一个机架不能容纳全部模块，可以 增设一个或者多个扩展机架。 接口模块用束实现中央机架与扩展机架之间的通信， 有的几口模块还可以为扩展模块供电。 （ 5）．通信处理器 通信处理器用于 PLC之 I39。 日 J、 PLC与远程 I／ O之问、 PLC与计算机和其他智能 设备之间的通信，可以将 PLC接入 MPI、 PROFIBUS． DP、 AS． i和工业 以太网，或 者用于实现点对点通信等。 （ 6）．电源模块 PLC一般使用 AC220V电源或 DC24V电源，电源模块用于将输入电压转为 DC24V 电压和背板总线一 k 的 DC5V 电压，供其他模块使用。 PLC 系统控制设计流程 对于整个系统的控制程序，在启动系统之后，首先进行参数的初始化程序， 分别对系统累加器、定时器等功能块进行初始化，之后进行模拟量采集，对要求被控制的参数按照一定的时问间隔进行采集，然后调用相应的标度化程序对采集 的参数进行标度化处理，使从外界采集到的实际工程数据转换成PLC内部可以直 接 使用的数据。 在完成以上工作之后，各个回路调用自己相 J观的控制算法对系统 中的四个控制回路的各个参数进行监测控制。 同时启动报警控制程序，监测系统 13 参数的越限情况。 按此情况循环，实现整个系统的循环控制过程。 具体的系统控 制流程图如图 3． 4所示。 单片机工作原理 PLC 有两种工作状态，即运行（ RUN）状态和停止（ STOP）状态。 • 在运行状态， PLC 通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。 为了使 PLC 的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是反复不断地重复执行，直到 PLC 停机或切换到 STOP 工作状态。 • 除了执行用户程序外，每次循环过程中， PLC 不还要完成内部处理、通信处理等工作，一次循环可分为 5 个阶段，如右图所示。 14 PLC的这种周而复始的循环工作方式称为 扫描工作方式。 扫描周期 • 在工作状 态下， 执行一 次上图 所示的 扫描操 作所需 的时间称为 扫描周期。 其典型值为 1100ms。 开始 自诊断 与编程器通信 读入现场信号 执行用户程序 输出结果 STOP RUN 15。 PLC 首先扫描所 有输入端 子，并将各 输入状态存入内存中各对应的输入映像寄存器中。 此时，输入映像寄存器被刷新。 接着进入程序执行阶段，此时输入影响寄存器与外界隔离，无论输入信号如何变化，其内容保持不变，直到下一个扫描周期的输入采样阶段，才重新写入输入端的新内容。 2 ．程序执行阶段。 根据 PLC 梯形图程序 ” 先左后右，先上后下 ” 扫描原则进行逐句扫描。 但遇到程序跳转指令，则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。 当指令中涉及输入、输出状态时， PLC 就从 输入映像寄存器 “ 读入 ” 上一阶段采入的对应输入端子状态，从元件映像寄存器 “ 读入 ” 对应元件 ( “ 软继电器 ” ) 的当前状态。 然后，进行相应的运算，运算结果再存入元件映像寄存器中。 对元件映像寄存器来说，每一个元件 ( “ 软继电器 ” ) 的状态会随着程序执行过程而变化。 3 ．输出刷新阶段。 在所有指令执行完毕后，元件映像寄存器中所有输出继电器的状态（接通 / 断开） 在输出刷新阶段 转存到输出锁存器中，通过一定方式输出，驱动外部负载。 输 入 输 出滞后时 间 • 输入输出滞后时间又称系统响应时间， 是指 PLC 的外部输入信号发生 变化的 时间到 它的控 制的有 关外部 输出信 号发生变化的时刻 之间的 时间间 隔，它 由输入 电路的 滤波时 间、输出 16 电路的滞后时间和因扫描工作方式的滞后时间三部分组成。 • 滞后时间 与模块 的类型 有关。 继电器 输出电 路的滞 后时间一般在 10ms 左右，双向可控硅型输出电路在负载接通时的滞后时间为 1ms，负载断开时的最大滞后时间为 10ms，晶体管型输出电路的滞后时间一般在 1ms 左右。 • 由扫描工作方式引起的滞后时间最长可达 2 个扫描周期。 5 单片机智能辅助锅炉控制系统原理 基于单片机的船舶辅助锅炉控制系统的 工作原理如图 1— 1 所示。 系统的被控对象是锅炉，执行机构是锅炉的风、油门驱动电器，被控参数为锅炉内的压力，本系统利用压力传感器检测锅炉内的压力，传感器输出的电信号经信号变换后送至单片机智能控制器，控制器根据此信号的大小，利用智能控制算法计算出输出控制信号，经放大器放大后以调节风、油门的大小，从而控制锅炉内的压力。 智能控制器的设计 众所周知，二阶系统是工程上最常见而又最重要的一类系统，这一系统的形式代表了许许多多控制系统的动力学特征。 正因为如此，经典控制理论将二阶系统作为典型系统，并通过对二阶系统阶跃响应的过渡过程分析，定义了表示系统控制质量的一些特征量，其中以调节时间、最大超调量和稳态误差 3 个特征量作为性能指标。 但是，控制系统的动态过程是不断变化的，以常规 PID 控制器控制，难以解决稳定性和准确性之间的矛盾，原因在于这种控制方式以不变的统一模式之间的矛盾，原因在于这种控制方式以不变的统一模式来处理变化多端的动态过程。 为 了有 效地 模拟 人的 智能 控制 行为 ，并 采用 微机 实现 智能 控制，在模糊控制中通常采用误差 e 和误差变化率Δ e 作为描述控制系统动态特征的输入变量。 根据船舶辅助锅炉控制系统的特点，从误差 e 和误 差变化率Δ e 这两个基本的模糊控制变量出发，引出两个特征变量 eΔ e 和Δ e／ e，利用这些信息设计智能控制器。 17 系统动态分析 利用 eΔ e 取值量是否大于 0，可以描述系统动态过程误差变化的趋势 对于图 2— 1 所 示典 型 二 阶系 统 阶 跃响 应 动 态曲 线 可 知， 当eΔ e＜ 0 时，如 BC 段和 DE 段，表明系统的动态过程正向着误差减小的方向变化。 当 eΔ e＞ 0 时，在 AB 段和 CD 段，表明系统 的动态过程正向着误差增大的方向变化。 在控制过程中，微机很容易识别 enΔ en 的符号，从而掌握系统动态过程的行为特征，以便更好地制订 下一步控制策略。 利用Δ e／ e 描述系统动态过程中误差变化的姿态 如图 2— 1 中 A、 C、 E 点的｜Δ e／ e｜较大，说明该点处的某一段，动态过程呈现误差小而误差变化率大， B、 D 点的｜Δ e／ e｜较小，说明该点处的某一段，动态过程呈现误差大而误差变化率小。 将Δ e／ e 和 eΔ e 联合使用，可对动态过程作进一步的划分。 如图 2— 1 OA 段， e＞ 0， eΔ e＜ 0，实际值正不断地接近设定值，若Δ e＞ a，（ a 为根据需要而确定的常数）表明实际值趋向设定值的强度较大，为防止过冲，应减小控制器的输出。 此时控制器的输出 U（ k）为： k。