1、XX 工业职业技术毕业论文1毕业论文基于 PLC 的锅炉温度控制系统Based on PLC boiler temperature control system学 生 姓 名： xxx 专 业 班 级： 生产过程自动化 3081 指 导 教 师： xxx 完 成 日 期： Xx 工业职业技术学院Xx Vocational College of Industry and TechnologyXX 工业职业技术毕业论文2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域，在某
2、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计算机控制技术，既提高设备
3、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 XX 工业职业技术毕业论文3ABSTRACTFrom the last century to 90 in the mid 80s, PLC has been rapid development in this period, PLC capability in dealing with analog
4、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 versatility, ease of use, wide adaptation, high r
5、eliability 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 boiler water temperature of the main acc
6、used 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 PLC ladder programming language, programm
7、ing, 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 used mostly for computer control micropr
8、ocessor 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 aspects were described.Through the trans
9、formation 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 PIDXX 工业职业技术毕业论文4目录摘 要 2ABSTRACT 3目录 .4第
10、一章 绪论 61.1 课题背景及研究目的和意义 .61.2 国内外研究现状 61.3 项目研究内容 7第二章 PLC 和组态软件基础 82.1 可编程控制器基础 .82.1.1 可编程控制器的产生和应用 .82.1.2 可编程控制器的组成和工作原理 .82.1.3 可编程控制器的分类及特点 .102.2 组态软件的基础 .112.2.1 组态的定义 .112.2.2 组态王软件的特点 .112.2.3 组态王软件仿真的基本方法 .11第三章 PLC 控制系统的硬件设计 .133.1 PLC 控制系统设计的基本原则和步骤 133.1.1 PLC 控制系统设计的基本原则 .133.1.2 PLC
11、控制系统设计的一般步骤 133.1.3 PLC 程序设计的一般步骤 143.2 PLC 的选型和硬件配置 3.2.1 PLC 型号的选择 .143.2.2 S7-200 CPU 的选择 153.2.3 EM235 模拟量输入/输出模块 153.2.4 热电式传感器 .153.2.5 可控硅加热装置简介 .153.3 系统整体设计方案和电气连接图 16图 3-4 系统硬件连线图 .163.4 PLC 控制器的设计 163.4.1 控制系统数学模型的建立 163.4.2 PID 控制及参数整定 .17第四章 PLC 控制系统的软件设计 .204.1 PLC 程序设计的方法 20XX 工业职业技术毕
12、业论文54.2 编程软件 STEP7-MICRO/WIN 概述 204.2.1 STEP7-MICRO/WIN 简单介绍 .204.2.2 计算机与 PLC 的通信 .214.3 程序设计 .224.3.1 程序设计思路 224.3.2 PID 指令向导 224.3.3 控制程序及分析 28第五章 组态画面的设计 335.1 组态变量的建立及设备连接 .335.1.1 新建项目 335.2 创建组态画面 .375.2.1 新建主画面 375.2.3 新建数据报表 385.2.4 新建实时曲线 385.2.5 新建历史曲线 395.2.6 新建报警窗口 39第六章 系统测试 416.2 实时曲线
13、观察 .416.3 分析历史趋势曲线 .426.4 查看数据报表 .446.5 系统稳定性测试 .45结束语 47参考文献 .48参考文献 .48致 谢 48XX 工业职业技术毕业论文6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
14、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。 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
15、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 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。 51.2 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，
16、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XX 工业职业技术毕业论
17、文7器具有对控制参数及特性进行自整定的功能。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
18、不十分成熟。随着科学技术的不断发展，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。
19、PLC 技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
20、 的 输 出 作 为 另 一 个调 节 器 的 给 定 值 的 系 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
21、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 ， 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 ，XX 工业职业技术毕业论文8从 而 使 其 控 制 品 质 得 到 进 一 步 提 高 。XX 工业职业技术毕业论文9第二章 PLC 和组态软件基础可编程控制器是是一种工业控制计算机，简称 PLC（Programmable logic Controller),它使用
22、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
23、一 台 可 编 程 控 制 器 。 我 国 从 1974年 开 始 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
24、， 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 、 I/O 模 块 、 内 存 、 电 源 模 块 、 底 板 或 机 架 。 1 CPUCPU 是 PLC 的 核 心 ， 它 按 PLC 的 系
25、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
26、 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 模 。2.I/O 模 块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
27、 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） ，XX 工业职业技术毕业论文10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 电 流 型 （ 4-20mA,0-20mA
28、） 、 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
29、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，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
30、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。XX 工业职业技术毕业论文11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
31、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2561024 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在扫描用户程序的过程中直接读输入刷新输出，它能联接各种特殊功能模块，XX 工业职业技术毕业论文12通讯联网功能更强，指令系统更丰富，内存容量更大，扫描速度更快。(三)大型 PLC一般 I/O 点数在1024 点以上的称为大型 PLC，大型 PLC 的软硬件功能极强，具有极强的自诊断功能、通讯联网功能强，有各种通讯联网的模块可以构成三级通讯网实现工厂生产管理自动化，大型 PLC 还可以采用冗余或三 CPU
32、构成表决式系统使机器的可靠性更高2.2 组态软件的基础2.2.1 组态的定义组 态 就 是 用 应 用 软 件 中 提 供 的 工 具 、 方 法 ， 完 成 工 程 中 某 一 具 体 任 务 的过 程 。 组 态 软 件 是 有 专 业 性 的 ， 一 种 组 态 软 件 只 能 适 合 某 种 领 域 的 应 用 。 组态 的 概 念 最 早 出 现 在 工 业 计 算 机 控 制 中 ， 如 DCS(集 散 控 制 系 统 )组 态 ， PLC梯 形 图 组 态 。 人 机 界 面 生 成 软 件 就 叫 工 控 组 态 软 件 。 工 业 控 制 中 形 成 的 组 态结 果 是 用
33、 在 实 时 监 控 的 。 从 表 面 上 看 ， 组 态 工 具 的 运 行 程 序 就 是 执 行 自 己 特定 的 任 务 。 工 控 组 态 软 件 也 提 供 了 编 程 手 段 ， 一 般 都 是 内 置 编 译 系 统 ， 提供 类 BASIC 语 言 ， 有 的 支 持 VB， 现 在 有 的 组 态 软 件 甚 至 支 持 C#高 级 语 言 。在 当 今 工 控 领 域 ， 一 些 常 用 的 大 型 组 态 软 件 主 要 有 ： ABB-OptiMax， WinCC， iFix， Intouch， 组 态 王 ， 力 控 ， 易 控 ， MCGS 等 。 本 设计 采
34、 用 亚 控 的 组 态 王 软 件 进 行 组 态 的 设 计 。2.2.2 组态王软件的特点 组 态 王 软 件 具 有 适 应 性 强 、 开 放 性 好 、 易 于 扩 展 、 经 济 、 开 发 周 期 短 等优 点 。 通 常 可 以 把 这 样 的 系 统 划 分 为 控 制 层 、 监 控 层 、 管 理 层 三 个 层 次 结 构 。其 中 监 控 层 对 下 连 接 控 制 层 ， 对 上 连 接 管 理 层 ， 它 不 但 实 现 对 现 场 的 实 时 监测 与 控 制 ， 且 在 自 动 控 制 系 统 中 完 成 上 传 下 达 、 组 态 开 发 的 重 要 作
35、用 。 尤 其考 虑 三 方 面 问 题 ： 画 面 、 数 据 、 动 画 。 通 过 对 监 控 系 统 要 求 及 实 现 功 能 的 分析 ， 采 用 组 态 王 对 监 控 系 统 进 行 设 计 。 组 态 软 件 也 为 试 验 者 提 供 了 可 视 化 监控 画 面 ， 有 利 于 试 验 者 实 时 现 场 监 控 。 而 且 ， 它 能 充 分 利 用 Windows 的 图形 编 辑 功 能 ， 方 便 地 构 成 监 控 画 面 ， 并 以 动 画 方 式 显 示 控 制 设 备 的 状 态 ， 具有 报 警 窗 口 、 实 时 趋 势 曲 线 等 ， 可 便 利 的
36、 生 成 各 种 报 表 。 它 还 具 有 丰 富 的 设备 驱 动 程 序 和 灵 活 的 组 态 方 式 、 数 据 链 接 功 能 8。2.2.3 组态王软件仿真的基本方法(1)图 形 界 面 的 设 计图 形 ,是 用 抽 象 的 图 形 画 面 来 模 拟 实 际 的 工 业 现 场 和 相 应 的 工 控 设 备 。(2) 构 造 数 据 库数 据 ,就 是 创 建 一 个 具 体 的 数 据 库 ,并 用 此 数 据 库 中 的 变 量 描 述 工 控XX 工业职业技术毕业论文13对 象 的 各 种 属 性 ,比 如 水 位 、 流 量 等 。(3) 建 立 动 画 连 接连
37、接 ,就 是 画 面 上 的 图 素 以 怎 样 的 动 画 来 模 拟 现 场 设 备 的 运 行 ,以 及怎 样 让 操 作 者 输 入 控 制 设 备 的 指 令 。(4) 运 行 和 调 试XX 工业职业技术毕业论文14第三章 PLC 控制系统的硬件设计本 章 主 要 从 系 统 设 计 结 构 和 硬 件 设 计 的 角 度 ， 介 绍 该 项 目 的 PLC 控 制系 统 的 设 计 步 骤 、 PLC 的 硬 件 配 置 、 外 部 电 路 设 计 以 及 PLC 控 制 器 的 设 计参 数 的 整 定 。3.1 PLC 控制系统设计的基本原则和步骤 3.1.1 PLC 控制系
38、统设计的基本原则1充分发挥 PLC 功能，最大限度地满足被控对象的控制要求。2在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用及维修方便。3保证控制系统安全可靠。4应考虑生产的发展和工艺的改进，在选择 PLC 的型号、IO 点数和存储器容量等内容时，应留有适当的余量，以利于系统的调整和扩充。3.1.2 PLC 控制系统设计的一般步骤设计 PLC 应用系统时，首先是进行 PLC 应用系统的功能设计，即根据被控对象的功能和工艺要求，明确系统必须要做的工作和因此必备的条件。然后是进行 PLC 应用系统的功能分析，即通过分析系统功能，提出 PLC 控制系统的结构形式，控制信号的种类、数量，系统的
39、规模、布局。最后根据系统分析的结果，具体的确定 PLC 的机型和系统的具体配置。PLC 控制系统设计可以按以下步骤进行：1熟悉被控对象，制定控制方案 分析被控对象的工艺过程及工作特点，了解被控对象机、电、液之间的配合，确定被控对象对 PLC 控制系统的控制要求。2确定 IO 设备 根据系统的控制要求，确定用户所需的输入(如按钮、行程开关、选择开关等)和输出设备(如接触器、电磁阀、信号指示灯等)由此确定 PLC 的 IO 点数。3选择 PLC 选择时主要包括 PLC 机型、容量、IO 模块、电源的选择。4分配 PLC 的 IO 地址 根据生产设备现场需要，确定控制按钮，选择开关、接触器、电磁阀、
40、信号指示灯等各种输入输出设备的型号、规格、数量；根据所选的 PLC 的型号列出输入输出设备与 PLC 输入输出端子的对照表，以便绘制 PLC 外部 IO 接线图和编制程序。5设计软件及硬件进行 PLC 程序设计，进行控制柜（台）等硬件的设计及现场施工。由于程序与硬件设计可同时进行，因此，PLC 控制系统的设计周期可大大缩短，而对于继电器系统必须先设计出全部的电气控制线路后才能进行施工设计。XX 工业职业技术毕业论文156联机调试 联机调试是指将模拟调试通过的程序进行在线统调。3.1.3 PLC 程序设计的一般步骤1绘制系统的功能图。2设计梯形图程序。3根据梯形图编写指令表程序。4对程序进行模拟
41、调试及修改，直到满足控制要求为止。调试过程中，可采用分段调试的方法，并利用编程器的监控功能。PLC 控制系统的设计步骤可参考图 3-1 ：图 3-1 PLC 控制系统的设计步骤3.2 PLC 的选型和硬件配置3.2.1 PLC 型号的选择本温度控制系统采用德国西门子 S7-200 PLC。S7-200 是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此 S7-200系列具有极高的性能/价格比。XX 工业职业技术毕业论文163.2.2 S7-200 CPU 的选择S7-200 系
42、列的 PLC 有 CPU221、CPU222、CPU224、CPU226等类型。此系统选用的 S7-200 CPU226,CPU 226集成24输入/16输出共40个数字量 I/O 点。可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量 I/O 点或35路模拟量 I/O 点。13K 字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz 高速计数器，2路独立的20kHz 高速脉冲输出，具有 PID 控制器。2个 RS485通讯/编程口，具有 PPI 通讯协议、MPI 通讯协议和自由方式通讯能力。I/O 端子排可很容易地整体拆卸。3.2.3 EM235 模拟量输入/输出模块在温度控制系统中，传感器将检测到的温度
43、转换成4-20mA 的电流信号，系统需要配置模拟量的输入模块把电流信号转换成数字信号再送入 PLC 中进行处理。在这里我们选择西门子的 EM235 模拟量输入 /输出模块。EM235 模块具有4路模拟量输入/一路模拟量的输出。它允许 S7-200连接微小的模拟量信号，80mV 范围。用户必须用 DIP 开关来选择热电偶的类型，断线检查，测量单位，冷端补偿和开路故障方向：SW1SW3用于选择热电偶的类型，SW4没有使用，SW5用于选择断线检测方向，SW6用于选择是否进行断线检测，SW7用于选择测量方向，SW8用于选择是否进行冷端补偿。所有连到模块上的热电偶必须是相同类型。3.2.4 热电式传感器
44、热电式传感器是一种将温度变化转化为电量变化的装置。在各种热电式传感器中，以将温度量转换为电势和电阻的方法最为普遍。其中最为常用于测量温度的是热电偶和热电阻，热电偶是将温度转化为电势变化，而热电阻是将温度变化转化为电阻的变化。这两种热电式传感器目前在工业生产中被广泛应用。该系统需要的传感器是将温度转化为电流，且水温最高是100，所以选择Pt100铂 热 电 阻 传 感 器 。 P100铂 热 电 阻 ， 简 称 为 ： PT100铂 电 阻 ， 其 阻 值 会随 着 温 度 的 变 化 而 改 变 。 PT 后 的 100即 表 示 它 在 0 时 阻 值 为 100欧 姆 ， 在100 时 它
45、 的 阻 值 约 为 138.5欧 姆 。 它 的 工 作 原 理 ： 当 PT100在 0摄 氏 度 的 时候 他 的 阻 值 为 100欧 姆 ， 它 的 的 阻 值 会 随 着 温 度 上 升 它 的 阻 值 成 匀 速 增 长 3。3.2.5 可控硅加热装置简介对于要求保持恒温控制而不要温度记录的电阻炉采用带 PID 调节的数字式温度显示调节仪显示和调节温度，输出010mA 作为直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，完全可以满足要求，投入成本低，操作方便直观并且容易维护。温度测量与控制是热电偶XX 工业职业技术毕业论文17采集信号通过 PID
46、温度调节器测量和输出010mA 或420mA 控制触发板控制可控硅导通角的大小，从而控制主回路加热元件电流大小，使电阻炉保持在设定的温度工作状态。可控硅温度控制器由主回路和控制回路组成。主回路是由可控硅，过电流保护快速熔断器、过电压保护 RC 和电阻炉的加热元件等部分组成。3.3 系统整体设计方案和电气连接图系统选用了 PLC CPU 226为控制器，PT100型热电阻将检测到的实际锅炉水温转化为电流信号，经过 EM231模拟量输入模块转化成数字量信号并送到 PLC中进行 PID 调节，PID 控制器输出转化为010mA 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
47、输出功率，从而调节电热丝的加热。PLC 和组态王连接，实现了系统的实时监控。整体设计方案如图3-3:图3-3 整体设计方案24V 系统硬件连线图如图 3-4: 图 3-4 系统硬件连线图3.4 PLC 控制器的设计控制器的设计是整个控制系统设计中最重要的一步。首先要根据受控对象的数学模型和它的各特性以及设计要求，确定控制器的结构以及和受控对象的连接方式。最后根据所要求的性能指标确定控制器的参数值。3.4.1 控制系统数学模型的建立计算机PLCEM235可控硅PT100 锅炉CPU 226 COM1 COM21M I0.0 - I1.4 2M I1.5-I2.7 M L+M 1L+ Q0.0-Q
48、0.7 2M 2L+ Q1.0-Q1.7 M L +DC输出输入EM235 RA A+ A- RB B+ B- RC C+ C- RD D+ D-M L+ MO VO IO电源 负 载 载TT2TT1XX 工业职业技术毕业论文18在本控制系统中，TT1(出口温度传感器)将检测到的出口水温度信号转化为电流信号送入 EM235 模块的 A 路，TT2(炉膛温度传感器)将检测到的出口水温度信号转化为电流信号送入 EM235 模块的 B 路。两路模拟信号经过 EM235 转化为数字信号送入 PLC，PLC 再通过 PID 模块进行 PID 调节控制。具体流程在第四章程序编写的时候具体论述。由 PLC
49、的串级控制系统框图 3-5如图 3-5 串级控制系统框图3.4.2 PID 控制及参数整定1.PID 控制器的组成PID 控制器由比例单元（P） 、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其数学表达式为：公式（3-dte()Te(t)i1Kc(t)u(t)01）(1) 比 例 系 数 KC 对 系 统 性 能 的 影 响 ：比 例 系 数 加 大 ， 使 系 统 的 动 作 灵 敏 ， 速 度 加 快 ， 稳 态 误 差 减 小 。 c偏大 ， 振 荡 次 数 加 多 ， 调 节 时 间 加 长 。 c太 大 时 ， 系 统 会 趋 于 不 稳 定 。 c太 小 ， 又 会 使 系 统 的 动 作 缓 慢 。 c可 以 选 负 数 ， 这 主 要 是 由 执 行 机 构 、 传感 器 以 控 制 对 象 的 特 性 决 定 的 。 如 果 c的 符 号 选 择 不 当 对 象 状 态 (pv 值 )就 会 离 控 制 目 标 的 状 态 (sv 值 )越 来 越 远 ， 如 果
