电加热器控制系统毕业设计.doc

1、I 摘 要 在 自动 控制系统里 ， 温度 控制 系统是其 重要的 组成部分。它一般由被控对象、传感器 、调节器和执行 器 等部分构成 。 不同 的领域温度控制系统 都有与其 相互配合 的 控制 方案 ，根据 不同共工艺和 生产 情况 ， 采用 不同的 温度控制系统 。 例如石油 、 冶金、机械、食品、化工等各类工业生产中广泛使用的各种反应炉 、 加热炉等加热设备 ， 它们 使用的 燃料有煤气、天然气、电等 不同加热材料 ，因此选用的控制方案就不同 。 由于 温度控制系统的工艺过程比较复杂， 且受到各种因素影响 ，具有很大不确定性，这 些控制 系统 必须 使用更先进 的 控制技术和 更 合理的

2、 控制理论。 本 系统由 PLC、上位机构成了一个典型的 温度 集散控制系统。 PLC作为 控制系统 的大脑， 上位机作为 系统的监视系统。 系统通过采集温度 传感器 数据 ，再由 PLC进行 PID运算 ，结果通过 移相触发模块发送触发信号 给 可控硅，从而可控硅控制电 加热炉 完成 温度控制，本文首先阐述 系统 的背景与意义 ； 其次 简述了 系统的组成； 然后介绍 了系统的硬件；最后设计了系统的软件部分。 关键词 ： 温度 控制 系统 集散控制系统 PLC PID 可控硅 II ABSTRACT In the automatic control system, the temperatu

3、re control system is an important part of the system. It is generally composed of the controlled object, sensor, regulator and actuator. Different temperature control systems have the different control scheme and the different temperature control system is based on the different technology and produ

4、ction situation. For example, petroleum, metallurgy, machinery, food, chemical etc. All kinds of industrial production is widely used in various reaction furnace, heating furnace and other heating equipment,the fuel they used is coal gas, natural gas, electricity and other different heating material

5、s. Therefore, the selection of control scheme is different. The temperature control system of the process is very complex and is affected by various factors,so it has a lot of uncertainty, the control system must use the more advanced control technology and the more reasonable control theory. This s

6、ystem is composed of PLC and PC, which constitutes a typical temperature distributing control system. PLC is used as the brain of the control system, PC is used as a surveillance system. The system is by collecting the data from the temperature sensor , and then the PLC works out through the PID ope

7、ration, the results by means of phase shift trigger module to send a trigger signal to a controllable silicon, and silicon controlled rectifier control the electric heating furnace to accomplish the temperature control. Firstly,this paper expounds the background and significance of the system; Secon

8、dly, the composition of the system will be briefly introduced;then the paper explains the design of the hardware of the system. Finally, i also designs the software of the system. Keywords： temperature control system; distributed control system ; PID; PLC; SCR 目录 摘 要 . I ABSTRACT. II 1 绪 论 . 1 1.1 系

9、统设计背景 . 1 1.2 系统工作原理 . 1 1.3 系统设计目标及技术要求 . 1 1.4 技术综述 . 2 1.5 本章小结 . 3 2 系统设计 . 4 2.1 PID 控制原理 . 4 2.1.1 比例（ P）控制 . 4 2.1.2 积分（ I）控制 . 4 2.1.3 微分（ D）控制 . 4 2.2 编址表和系统结构 . 4 2.2.1 编址表 . 4 2.2.2 系统结构 . 5 2.2.3 系统设计思路 . 6 2.3 本章小结 . 6 3 硬件设计 . 7 3.1 PLC 的基本概 念 . 7 3.1.1 PLC 的基本结构组成 . 7 3.1.2 PLC 的特点 .

10、7 3.2 PLC 的工作原理 . 7 3.2.1 输入采样阶段 . 7 3.2.2 用户程序执行阶段 . 8 3.2.3 输出刷新阶段 . 8 3.3 S7-200PLC 简介 . 8 3.3.1 CPU224 主要技术性能 . 9 3.3.2 数字量输入模块 . 9 3.3.3 数字量输出模块 . 9 3.3.4 模拟量输入模块 . 10 3.3.5 模拟量输出模块 . 10 3.3.6 模拟量输入和输出混合扩展模板 . 10 3.4 其他硬件 . 11 3.4.1 周波控制器 . 11 3.4.2 周波控制器的特点 . 12 3.4.3 温度传感器 . 12 3.4.4 电加热炉 . 1

11、5 3.5 硬件接线图 . 16 3.6 本章小结 . 17 4 软件设计 . 18 4.1 PLC 控制软件设计 . 18 4.1.1 STEP7 编程软件简介 . 18 4.1.2 PLC 程序设计流程图 . 19 4.1.3 PID 控制程序设计 . 20 4.1.4 回路输入输出的数值转换方法 . 23 4.1.5 PLC 程序设计梯形图 . 23 4.1.6 PLC 程序调试 . 29 4.2 上位机软件设计 . 29 4.2.1 组态王 6.53 简介 14. 29 4.2.2 PLC 通信配置与通讯 PPI 协议 . 30 4.2.3 组态王定义外部设备和数据变量 . 30 4.

12、2.4 组态王界面 . 31 4.3 本章小结 . 34 5 结论 . 35 参考文献 . 36 致谢 . 错误 !未定义书签。 附录一： PLC 程序 . 错误 !未定义书签。 附录二：电气原理图 . 错误 !未定义书签。 1 1 绪 论 1.1 系统设计背景 早期 应 用 加热炉 控制 系统 的 时候，它 多采用传统的继电器控制方式， 这种 方式 是利用 大量 的接线 完成对 加热炉进行逻辑控制，这样就使系统变大，从而增加系统发生故障的概率，难以保证工业生产的可靠性。 随着 电子 技术 与 计算机技术的 高速 发展， 传统 的 继电器 控制方式 逐渐 被 PLC 控制 技术取代 。 因为

13、PLC 具有独 特的功能和性能， 所以 PLC 控制的温度控制系统 更加 经济 、 稳定 性 更高 和 维护 更 方便。这种温度控制系统对 优化与 改进 传统的继电器控制 的 温度控制 系统 具有 相当 深远 的意义 1。 1.2 系统工作原理 本系统 主要的温度控制系统构造如图 1 所示， PLC 作为 控制 系统 的控制器 ，同时还需要移相触发模块、 周波控制器 (SCR)、加热炉、温度传感器等多个部分组成 。 图 1.1 加热炉温度控制系统基本原理 加热炉的温度控制系统进行控制的过程是 : 首先 通过温度传感器感受炉内的温度变化，并将其转换成 标准的 电压信号 或 标准的 电流信号 传递

14、给西门 子 S7-200PLC， 经过 PLC 内部的 A/D 转换 装置 的处理 后 ，将此电信号变成 能够被 PLC 识别的数字信号 ， 与此 同时 PLC 还 将此 数字 信 号 与已经设定好的温度信息进行比对， 经 过比较之 后， 再 由 PLC 发出 输出 信号，并传递给 PLC 的输出电路，输出电路将此信号发送给 移相触发模块 ，移相触发模块根据输出信号产生相应的 触发脉冲给 可控硅 (SCR)电路 ，从而控制了通过 电热炉电阻两端 大电流 ， 即 控制了电 加 热炉的温度， 在 加热炉温度控制系统 中， PLC 控制器 作为 的 系统 核心部分起重要作用 2 。 1.3 系统设计

15、目标及技术要求 2 本系统由 PLC、上位机构成了一个典型的集散控制系统。 PLC 进行实时的控制，完成温度的采集和转换，人工智能 PID 算法处理和对炉子直接控制， PLC 输出的 0-20mA 控制电流通过移相触发模块触发可控硅 (SCR)，控制电 加热炉所需大电流 。 PLC 与上位机 通过 PPI 通讯接口相互 通讯和数据交换。上位机采用工业计算机实现系统的监控管理，完成加热炉温度控制系统中升温曲线的画面动态显示和参数的设定，修改。其中， PLC 可以脱离上位机独立进行工作。该集散系统实现了集中监视，分散控制，具有丰富的操作和监视功能，增强了系统的可靠性和实用性。 本 系统 针对实验室

16、电加热炉的工作特点及工艺要求，采用分布式控制方案以实现对加热炉的运行和故障检测控制。下位机采用西门子公司的S7-200 PLC， 编写 加热炉的电气控制 程序 ，重点解决加热炉的起、停控制，加热温度的自动调节，故障检测及控制等。上位机采用 PC 机，使用组态王6.53 组态软件 编写 组态 程序 ，实现对加热炉的远程实时控制，重点解决上位机与 下位机的通讯程序设计，监控画面的设计，报警程序设计 等。 本次设计的 技术要求 如下： 理解 实验室的电加热炉装置的工作原理和控制要求，设计系统总体方案； 确定 PLC 电控系统的结构方案、基 于 S7-200 PLC 和上位机确定系统设备配置； 确定

17、基于 S7-200 PLC 的控制程序结构，设计和调试 PLC 应用程序。 确定 基于组态王 6.53 组态软件的上位机控制系统，设计和调试上位机监控程序。 1.4 技术综述 在 20 世纪 70 年代，我国的电加热炉控制系统 诞生了 。受到当时技术等因素的 限制 ，其发展比较缓慢。但进入 21世纪 后 ，由于工业过程控制的需求越来越高 ， 尤其 是在 计算机 技术 和 电子技术 ，以及 先进的 自动控制理论和 合理 的 设计方法的推动下，我国 温度 控制系统得到 了 飞速 发展，在其的自适应、参数 自 整定等方面取得 丰硕 成果 。 在我国温度控制系统应用十分广泛，但是温度控制器与其他发达国

18、家相比还是要 比较差 一些的。目前，我国生产的控制器还是以 简单的顺序 控制以及常规 PID 控制器为主，由于性能 与可靠性 的影响 ，它适应不了现在复杂的控制要求。对于复杂的控制系统 选用控制器时， 我国还需要依靠国3 外先进的智能化程度高的和自适应能力强的成熟的 控制器产品 。 随着科学技术的不断发展，人们对温度控制系统的控制要求也是会越来越高，因此，温度控制系统必定会越来越智能化，越来越人性化， 精度越来越 高。 1.5 本章小结 本章通过对 电加热炉 电控 技术的国内外现状的 深入了解与分析，阐述了 电加热炉 温度控制 系统的 系统结构 的重大意义。 4 2 系统 设计 2.1 PID

19、 控制原理 在工业控制中， 输 入与输出 偏差 的比例（ P）、积分（ I）、微分（ D）组成了PID 控制 。 它具有原理简单、 鲁棒性强 、 容易实现 和适用面广等 优点 。 当 被控对象的结构和参数 没有清晰明了 ，或者我们得不到精确的数学模型 的时候， 依靠经验和现场调试来确定 系统控制器的结构和参数 是一种不错的选择 ， 使用 PID 控制技术控制 未知的 控制 系统 是非常适宜的 。 2.1.1 比例（ P）控制 比例控制是一种最简单的控制方式，其控制器的 输入 与输出 偏差 信号成比例关系 。 偏差 一旦产生，控制器立即产生控制 作用 ，以减少偏差 。 单独使用比例控制 不能消除

20、 系统 余差 ， 那么 在 系统 稳态后系统 稳定 值与设定值有一定的 误差。 2.1.2 积分（ I）控制 积分控制器的 输入与输出 偏差 信号积分成正比关系。 在 一个自动控制系统 中 ,如果 系统 在进入稳态后存在稳态误差 ,就 称这个控制系统是有稳态误差的 系统 。 积分控制器的作用是消除残余误差 ，提高系统的 无 差度 ， 但 却具有一定的滞后 ，也不能快速地对误差进行控制 。 积分的时间 Ti 的大小 决定 了控制器积分能力的强弱 ，随着时间的增加，积分项 的作用 会增大。 它驱 动控制器的输出也会增加 ，使 系统的 稳态误差进一步减小，直到等于零。 2.1.3 微分（ D）控制

21、微分控制器 的 输入与输出 偏差信号的 微分 （即偏差 的变化率） 成 正比关系 。微分 控制器 的 优点是 动作迅速，具有超前调节功能，可有效改善被控对象有较大时间滞后的控制品质； 并能在偏差信号值变得太大之前 ， 引入一个有效 的 早期修正量，从而加快系统的响应，减少调节时间 ， 但是 单独 的微分控制器 不能 消除 余差 3。 比例和微分作用结合，比单纯的比例作用更快。在面 对 滞后 较 大的对象，可以减小动偏差的幅度，节省控制时间， 明显 改善控制质量 。 2.2 编 址 表 和 系统 结构 2.2.1 编址表 本系统共有一个模拟量（温度）输入信号和一个模拟量输出信号，模拟量从 s7-

22、200 PLC 的扩展模块 EM235 输入进 PLC 或输出到外部电路。三个数5 字量由控制 继电器输出和四个数字量输入信号。如表 2.2 所示。 表 2.2 编址表 序号 采样信号名称 性质（开关、模拟） 传感器 占用硬件资源 说明 1 AI0 模拟量 热电 偶 AIW0 从外界读入的温度信 号 2 AQ0 模拟量 AQW0 控制 输出 3 DI0 开关量 I0.0 启动 /停止按钮 4 DI1 开关量 I0.1 报警 解除按钮 5 DI2 开关量 I0.2 加热炉故障 6 DI3 开关量 I0.3 SCR 故障 7 DO0 开关量 Q0.0 加热炉运行 8 DO1 开关量 Q0.1 报警

23、指示灯 9 DO2 开关量 Q0.2 报警蜂鸣器 2.2.2 系统结构 本系统的结构框图如图 2.1 所示。 图 2.1 系统结构框图 由图 2.1 可知，温度传感器采集到数据后送给 PLC， PLC 通过运算后给 SCR 一个控制信号从而控制 通过 加热炉 的电流大小，从而达到控制温度的目的 。上位机是编写 PLC 程序以及监控 软件 对系统的运行情况进行监控 。 6 2.2.3 系统 设计思路 系统设计思路如图 2.2 所示： 图 2.2 系统设计思路 2.3 本章小结 本章 介绍了 控制系统的 的控制 原理 ， 简要 的分析了系统结构和系统设计思路 ，最终得出了 温度控制 系统的整体控制方案，以及控制系统的结构规划 。 测出炉温 与设定值比较 （ SV-PV） 可控硅调功器 （ SCR） 电加热炉 测出炉温 PID 调节 启动电加热炉 开始 初始化 判断模块 是否正 确 NY温度 设定值