1  引言

    为使工科学生在校期间就受到良好的工程实践锻炼，建设具有实际工程环境的实验室和实训基地一直是自动化实验室建设的重要目标。过程控制是指对连续性工业生产过程中有关物理量(温度、压力、流量及液位四个参数)的自动调节控制。电热锅炉控制系统实验装置是根据自动化专业及相关专业教学的特点，基于过程控制基础上集PLC技术、网络技术和计算机监控为一体的先进的实验装置，采用了多种常用控制方法及理论，除包含常见的PID算法及改进算法外，还增加了模糊控制、人工神经网络控制等国内外先进的控制策略。

2  电加热锅炉控制系统网络结构

    电加热锅炉控制系统实验装置采用两层网络拓扑结构，上层采用工业以太网，用于监控计算机与PLC主站之间的通讯。底层为PROFIBUS现场总线，连接PLC主站DPM1和PLC从站DPS1，其中主站控制电热锅炉控制系统实验装置，从站控制其它过程控制系统实验装置。其网络拓扑结构如图1所示:

图1  电热锅炉控制系统网络结构

2.1  系统功能及软件平台
整个控制系统包括监控级和现场级，监控级由4台PC机作为上位机，通过以太网相连。上位机利用WinCC V5.1编写实验监控应用程序。监控应用程序实现对实验装置的状态监视、数据采集与处理、控制算法的设定计算和优化、实验数据历史趋势曲线显示和实验数据实时显示功能。PLC的控制程序由上位机利用STEP7 V5.1软件编写，并通过以太网对PLC进行硬件组态、通讯组态、程序下载、在线诊断PLC硬件状态、控制PLC的运行状态和I/O通道的状态等。下位机PLC完成所有与控制系统相关的逻辑控制、模拟量的采集及处理、常规PID控制、模糊控制、神经网络控制等实时控制任务。
2.2  PLC的硬件配置
PLC主站选用西门子公司的400系列PLC CPU 412-2DP，它带有一个PROFIBUS-DP和一个MPI接口。由于CPU-412具有强大的处理和运算能力，整个系统(包括主站和从站)只采用一块CPU模块，主站还带有四个信号处理模块(DI 16 、DO 16、AI 16和AO 8)和一个通讯模块CP443-1(用于上位机WinCC站和SIMATIC S7 PLC主站通过工业以太网进行通讯)。从站选用PROFIBUS-DP分布式I/O ET-200M IM 153，带两个信号处理模块(DI 16/DO 16 和 AI 4/AO 2)，PROFIBUS-DP 用于SIMATIC PLC主站与PLC从站之间的通讯。锅炉控制参数和状态模拟量(例如液位、流量、压力、温度等)及开关量(例如继电器、接触器、指示灯等)通过PLC的模拟量和数字量输入输出模块分别连接到PLC主站DPM1和从站DPS1，再通过以太网和监控级交换信息。

3  电热锅炉控制系统实验装置

电热锅炉控制系统实验装置模拟日常生活中的热水锅炉控制系统，将变频器调速技术、计算机和智能控制技术相结合，完成生活中热水锅炉对进水、出水、电加热装置通断时间比的自动控制，使锅炉的进水流量、出水流量、水温、水位保持在最佳状态。实现热水锅炉系统安全、可靠、稳定运行和达到节能降耗的目的。电热锅炉实验装置主要由微型电热锅炉、固态继电器电加热装置(DGT)、变频器(MMV)及相关的检测装置、变送器和执行机构等过程控制仪表组成。
3.1  过程控制实验     
电热锅炉控制系统是一个复杂的多输入多输出(MIMO)的系统。执行机构有:变频器、电动阀、电磁阀和固态继电器电加热装置;被控对象有:进/出水流量、进/出水压力、锅炉液位和锅炉水温。所以在此基础上可以设计流量系统控制实验、压力系统控制实验、液位系统控制实验、温度系统控制实验等过程控制实验。其实验原理框图如图2所示，被控对象输出记为y，变送器检测得到输出的4～20mA的电流反馈信号yf，由PLC的AI模块经A/D转换成数字信号，输入PLC，再与从上位机键盘输入的设定值yr比较，得到偏差信号e，PLC根据偏差信号e，执行控制器算法程序，计算出控制量，经AO模块D/A转换成4～20mA的电流控制信号u，控制广义对象的输出y，使其跟踪设定值yr。