1、 基于 PLC 的锅炉温度控制系统 作 者 姓 名 xxx 专 业 自动化 指导教师姓名 xxx 专业技术职务 讲 师 目 录 摘 要 1 第一章 绪论 3 1.1 课题背景及研究目的和意义 3 1.2 国内外研究现状 3 1.3 项目研究内容 4 第二章 PLC和组态软件基础 5 2.1 可编程控制器基础 5 2.1.1 可编程控制器的产生和应用 5 2.1.2 可编程控制器的组成和工作原理 错误 !未定义书签。 2.1.3 可编程控制器的分类及特点 7 2.2 组态软件的基础 8 2.2.1 组态的定义 8 2.2.2 组态王软件的特点 8 2.2.3 组态王软件仿真的基本方法 8 第三章
2、 PLC 控制系统的硬件设计 9 3.1 PLC 控制系统设计 的基本原则和 步骤 9 3.1.1 PLC 控制系统设计的基本原则 9 3.1.2 PLC 控制系统设计的 一般步骤 9 3.1.3 PLC 程序设计的一般步骤 10 3.2 PLC 的选型和硬件配置 11 3.2.1 PLC 型号的选择 11 3.2.2 S7-200CPU 的选择 12 3.2.3 EM235 模拟量输入 /输出模块 12 3.2.4 热电式传感器 12 3.2.5 可控硅加热装置简介 12 3.3 系统整体设计方案和电气连接图 13 3.4 PLC 控制器的设计 14 3.4.1 控制系统数学模型的建立 14
3、 3.4.2 PID 控制及参数整定 14 第四章 PLC 控制系统的软件设计 16 4.1 PLC 程序设计的方法 16 4.2 编程软件 STEP7-Micro/WIN 概述 17 4.2.1 STEP7-Micro/WIN 简单介绍 17 4.2.2 计算机与 PLC 的通信 18 4.3 程序设计 18 4.3.1 程序设计思路 18 4.3.2 PID 指令向导 19 4.3.3 控制程序及分析 25 第五章 组态画面的设计 29 5.1 组态变量的建立及 设备连接 29 5.1.1 新建项目 29 5.2 创建组态画面 33 5.2.1 新建主画面 33 5.2.2 新建 PID
4、参数设定窗口 34 5.2.3 新建数据报表 34 5.2.4 新建实时曲线 35 5.2.5 新建历史曲线 35 5.2.6 新建报警窗口 36 第六章 系统测试 37 6.1 启动组态王 37 6.2 实时曲线观察 38 6.3 分析历史趋势曲线 38 6.4 查看数据报表 40 6.5 系统稳定性测试 42 结束语 43 参考文献 44 致谢 45 山东轻工业学院 2010 届本科生毕业设计（论文） 1 摘 要 从上世纪 80年代至 90年代 中期， PLC得到了快速的发展，在这时期， PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高， PLC逐渐进入过程控制领
5、域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。 PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。 PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。 本文介绍了 以锅炉为被控对象，以锅炉出口水温为主被控参数，以炉膛内水温为副被控参数，以加热炉电阻丝电压为控制参数，以 PLC为控制器，构成锅炉温度串级控制系 统；采用 PID算法，运用 PLC梯形图编程语言进行编程，实现锅炉温度的自动控制。 电热锅炉的应用领域相当广泛，在相当多的领域里，电热锅炉的性能优劣决定了产品的质量好坏。目前电热锅炉的控制系统大都采用以微处理器为核心的
6、计算机控制技术，既提高设备的自动化程度又提高设备的控制精度。 本文分别就 电热锅炉的控制系统 工作原理，温度变送器的选型、 PLC配置、组态软件程序设计等几方面进行阐述。通过改造 电热锅炉的控制系统 具有响应快、稳定性好、可靠性高 ,控制精度好等特点，对工业控制有现实意义。 关键词 ： 电热锅炉的 控制系统 温度控制 串级控制 PLC PID 山东轻工业学院 2010 届本科生毕业设计（论文） 2 ABSTRACT From the last century to 90 in the mid 80s, PLC has been rapid development in this period,
7、 PLC capability in dealing with analog and digital computing power, man-machine interface capabilities and network capabilities are greatly improved, PLC gradually entering the field of process control, replaced in some applications in the field of process control dominant DCS.PLC has the versatilit
8、y, ease of use, wide adaptation, high reliability and strong anti-interference, simple to program and so on.PLC control, especially in the industrial automation sequence control the position, in the foreseeable future, is no substitute. This paper introduces the boiler as the charged object to the b
9、oiler water temperature of the main accused of the export parameters to furnace temperature as deputy accused of parameters to control the heating resistance wire voltage parameters to PLC, controller, constitutes a series of boiler temperaturelevel control system; using PID algorithm, the use of PL
10、C ladder programming language, programming, boiler temperature control. Electric boilers a wide range of applications, in a considerable number of field, the electric boiler performance advantages and disadvantages of the decision The quality of the product.Electric boiler control systems currently
11、used mostly for computer control microprocessor core technology, both to improve the automation equipment have improved the control precision equipment. This paper on the heating boiler control system works, selection of temperature transmitter, PLC configurations, the configuration software design
12、aspects were described.Through the transformation of electric boiler control system has fast response, good stability, high reliability, control accuracy and good features, practical significance for industrial control. Key words: heating boiler control system temperature control cascade control PLC
13、 PID 山东轻工业学院 2010 届本科生毕业设计（论文） 3 第一章 绪论 1.1 课题背景及研究目的和意义 电热锅炉的应用领域相当广泛，电热锅炉的性能优劣决定了产品的质量好坏。目前电热锅炉的控制系统大都采用以微处理器为核心的计 算机控制技术，既提高设备的自动化程度又提高设备的控制精度 。 PLC 的快速发展发生在 上世纪 80 年代至 90年代中期 。 在这时期， PLC 在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到 了很大的提高和发展。 PLC 逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的 DCS 系统。 PLC 具有通用性强、使用方便、适应面广、
14、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。 4 电热锅炉是机电一体化的产品，可将电能直接转化成热能，具有效率高，体积小，无污染，运行安全可靠，供热稳定，自动化程度高的优点，是理想 的节能环保的供暖设备。加上目前人们的环保意识的提高，电热锅炉越来越受人们的重视，在工业生产和民用生活用水中应用越来越普及。电热锅炉目前主要用于供暖和提供生活用水。主要是控制水的温度，保证恒温供水。 PID 控制是迄今为止最通用的控制方法之一。因为其可靠性高、算法简单、鲁棒性好，所以被广泛应用于过程控制中 ,尤其适用于可建立精确数学模型的确定性系统。 PID 控制的效果完全取决于其四个参数 ,即采样周期 ts、比例系数
15、Kp、积分系数 Ki、微分系数 Kd。因而 ,PID 参数的整定与优化一直是自动控制领域研究的重要课题。 PID 在工业过程控制中的应用已有近百年的历史，在此期间虽然有许多控制算法问世 ,但由于 PID 算法以它自身的特点，再加上人们在长期使用中积累了丰富经验，使之在工业控制中得到广泛应用。在 PID 算法中，针对 P、I、 D三个参数的整定和优化的问题成为关键问题。 5 1.2 国内外研究现状 自 70 年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国内外温度控制系统的发展迅速，并在智能化，自适应、参数整定等方面取得成果，在这
16、方面，以日本、美国、德国、瑞典等国技术 领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表，并在各行各业广泛应用。它们主要有以下特点： 1）适应于大惯性、大滞后等复杂的温度控制体统的控制。 2）能适应于受控系统数学模型难以建立的温度控制系统的控制。 3）能适用于受控系统过程复杂、参数时变的温度控制系统的控制。 4）这些温度控制系统普遍采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工山东轻工业学院 2010 届本科生毕业设计（论文） 4 智能等理论及计算机技术，运用先进的算法，适应范围广泛。 5）温度控制器普遍具有参数整定功能。借助于计算机软件技术，温度控制器具有对控制参数及特性进行自整定的
17、功能。有 的还具有自学习功能。 6）温度控制系统既有控制精度高、抗干扰能力强、鲁棒性好的特点。目前，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方向发展。 随温度控制系统在国内各行各业的应用虽然应用很广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比仍然有着较大的差距。目前，我国在这方面总体水平处于 20 世纪 80 年代中后期的水平，成熟产品主要以“点位”控制及常规的 PID 控制器为主，它只能适用于一般的温度系统的控制，难以控制滞后、复杂、时变温度系统控制。能适应于较高的控制场 合的智能化、自适应控制仪表，国内还不十分成熟。 随着科学技术的不
18、断发展，人们对温度控制系统的要求越来越高，因此，高精度、智能化、人性化的温度控制系统是国内外必然发展的趋势。 1.3 项目研究内容 以锅炉为被控对象，以锅炉出口水温为主被控参数，以炉膛内水温为副被控参数，以加热炉电阻丝电压为控制参数，以 PLC 为控制器，构成锅炉温度串级控制系统；采用 PID 算法，运用 PLC 梯形图编程语言进行编程，实现锅炉温度的 自 动控制。 可编程逻辑控制器（ PLC)是集计算机技术、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动控制 装置。其性能优越，已被广泛的应用于工业控制的各个领域，并已经成为工业自动化的三大支柱（ PLC、工业机器人、 CAD/CAM）之一。 PLC技
19、术在温度监控系统上的应用从整体上分析和研究了控制系统的硬件配置、电路图的设计、程序设计，控制对象数学模型的建立、控制算法的选择和参数的整定、人机界面的设计等。论文通过对德国西门子公司的 S7-200 系列 PLC控制器，温度传感器将检测到的实际炉温转化为电压信号，经过模拟量输入模块转换成数字信号送到 PLC 中进行 PID 调节， PID 控制器输出转化为 0-10mA 的电流信号 输入控制可控 硅电压调整器或触发板改变可控硅管导通角的大小来调节输出功率。对于监控画面，利用亚控公司的组态软件 “ 组态王 “ 串级系 统 是由 调节器串联起来工作，其中一个调节器的输出作为另一个调节器的给定值的系
20、统。整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。一次扰动：作用在主被控过程上的，而不包括在副回路范围内的扰动。二次扰动：作用在副被控过程上的，即包括在副回路范围内的扰动。在串级控制系统中，由于引入了一 个副回路，不仅能及早克服进入副回路的扰动，山东轻工业学院 2010 届本科生毕业设计（论文） 5 而且又能改善过程特性。副调节器具有 “ 粗调 ” 的作用，主调节器具有 “ 细调 ” 的作用，从而使其控制品质得到进一步提高。 7 第二章 PLC 和组态软件基础 可编程控制器
21、是是一种工业控制计算机，简称 PLC（ Programmable logic Controller),它使用可编程序的记忆以存储指令，用来执行逻辑、顺序、计时、计数、和演算等功能，并通过数字或模拟的输入输出，以控制各种机械或生产过程。 2.1可编程控制器基础 2.1.1可编程控制器的产生和应用 1969年美 国 数 字设 备公 司成功 研制 世界 第一 台可编 程序 控制器PDP-14，并在 GM公司的汽车自动装配线上首次使用并获得成功。 1971年日本从美国引进这项技术，很快研制出第一台可编程序控制器 DSC-18。 1973年西欧国家也研制出他们的第一台可编程控制器。我国从 1974年开始
22、研制，1977年开始工业推广应用。进入 20世纪 70年代，随着电子技术的发展，尤其是 PLC 采用通讯微处理器之后，这种控制器功能得到更进一步增强。进入 20世纪 80年代，随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的迅猛发展，以 16位和少数 32位微处理器构成的微机 化 PLC，使 PLC 的功能增强，工作速度快，体积减小，可靠性提高，成本下降，编程和故障检测更为灵活，方便。目前， PLC 在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。 2.1.2可编程控制器的组成和工作原理 可编程控制器的组成 : PLC 包括 CPU 模块、
23、 I/O 模块、内存、电源模块、底板或机架。 1 CPU CPU是 PLC 的核心，它按 PLC 的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器 中，同时，诊断电源和 PLC 内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。 CPU 主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成， CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是 PLC 不可缺少的组成单元。 CPU 速度和内存容量是 PLC 的重要参数，它们决定着 PLC 的工作速度， IO 数量及软件容量等，因此限制着控制规
24、模。 2.I/O 模块 山东轻工业学院 2010 届本科生毕业设计（论文） 6 PLC 与电气回路的接口，是通过输入输出部分（ I/O）完成的。 I/O 模块集成了 PLC 的 I/O 电路，其输入暂存器反映输入信号状 态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入 PLC 系统，输出模块相反。 I/O分为开关量输入（ DI），开关量输出（ DO），模拟量输入（ AI），模拟量输出（ AO）等模块。 常用的 I/O 分类如下： 开关量：按电压水平分，有 220VAC、 110VAC、 24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。 模 拟量 ： 按信 号 类型 分， 有
25、 电流 型 （ 4-20mA,0-20mA）、 电 压 型（ 0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有 12bit,14bit,16bit 等。 除了上述通用 IO 外，还有特殊 IO 模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。按 I/O 点数确定模块规格及数量， I/O 模块可多可少，但其最大数受CPU 所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。 3.编程器 编程器的作用是用来供用户进行程序的输入、编辑、调试和监视的。编程器一般分为简易型和智能型两类。简易型只能联机编程，且往往需要将梯形图转化为机器语言助记符后才能送入。而智能型编程器（又称图形编程器），不但可以连机编程
26、，而且还可以脱机编程。操作方便且功能强大。 4.电源 PLC电源用于为 PLC 各模块的集成电路提 供工作电源。同时，有的还为输入电路提供 24V 的工作电源。电源输入类型有：交流电源（ 220VAC 或110VAC），直流电源（常用的为 24VDC）。 6 可编程控制器的工作原理 : PLC 的工作方式是一个不断循环的顺序扫描工作方式。每一次扫描所用的时间称为扫描周期或工作周期。 CPU 从第一条指令开始，按顺序逐条地执行用户程序直到用户程序结束，然后返回第一条指令开始新的一轮扫描。 PLC 就是这样周而复始地重复上述循环扫描的。 PLC 工作的全过程可用图 2-1 所示的运行框图来表示。 山东轻工业学院 2010 届本科生毕业设计（论文） 7 图 2-1 可编程控制器运行框图 2.1.3可编程控制器的分类及特点 (一 )小型 PLC 小型 PLC 的 I/O 点数一般在 128 点以下，其特点是体积小、结构紧凑，整个硬件融为一体，除了开关量 I/O 以外，还可以连接模拟量 I/O 以及其他各种特殊功能模块。它能执行包括逻辑运算、计时、计数、算术、运算数据处理和传送通讯联网以及各种应用指令。 (二 )中型 PLC 中型 PLC 采用模块化结构，其 I/O 点数一般在 256 1024 点之间， I/O 的处理方式除了采用一般 PLC 通用的扫描处理方式外，还能采用直接处理方式即
