基于plc的锅炉温度控制系统_毕业设计.doc

1、河南职业技术学院毕 业 设 计 （ 论 文 ）题 目 PLC 的锅炉温度控制系统 系 （ 分 院 ） 电 气 工 程 系 学 生 姓 名 孔 永 婷 学 号 11112036 专 业 名 称 电 气 自 动 化 指 导 教 师 徐 瑞 丽 2013 年 11 月 8 日目 录摘 要 11.1 课题背景 11.2 项目内容 2第二章 P LC 和 组 态 软 件 32.1 可编程控制器基础 32.1.1 可编程控制器的产生和应用 32.1.2 可编程控制器的组成和工作原理 32.1.3 可编程控制器的分类及特点 52.2 组态软件的基础 62.2.1 组态的定义 62.2.2 组态王软件的特点和

2、仿真的的基本方法 6第 三 章 PLC 控 制 系 统 的 硬 件 设 计 73.1 PLC 控制系统设计的基本原则和步骤 73.1.1 PLC 控制系统设计的基本原则 73.1.2 PLC 控制系统设计的一般步骤 73.1.3 PLC 程序设计的一般步骤 83.2 PLC 的选型和硬件配置 93.2.1 PLC 型号的选择 93.2.2 S7-200CPU 的选择 93.2.3 EM235 模拟量输入/输出模块 103.2.4 热电式传感器 103.2.5 可控硅加热装置简介 103.3 系统整体设计方案和电气连接图 113.4 PLC 控制器的设计 113.4.1 控制系统数学模型的建立

3、113.4.2 PID 控制及参数整定 12第四章 PLC 控制系统的软件设计 144.1 PLC 程序设计的方法 154.2 编程软件 STEP7-Micro/WIN 概述 154.2.1 STEP7-Micro/WIN 简单介绍 154.2.2 计算机与 PLC 的通信 164.3 程序设计 164.3.1 程序设计思路 164.3.2 PID 指令向导 164.3.3 控制程序及分析 17第五章 组态画面的设计 215.1 组态变量的建立及设备连接 215.1.1 新建项目 215.2 创建组态画面和主画面 225.2.2 新建 PID 参数设定窗口 235.2.3 新建实时曲线 235

4、.2.5 新建报警窗口 24第六章 系统测试 256.1 启动组态王 266.2 实时曲线观察 266.3 查看数据报表 276.4 系统稳定性测试 28结束语 29参考文献 30基于 PLC 的锅炉温度控制系统摘 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

5、。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

6、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 1.1 课题背景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、可靠性高、抗干扰能力强、编程简

7、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 Kp、积分系数 Ki、微分系数 Kd。因

8、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 项目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)

9、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

10、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 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

11、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 ， 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 。7二 PLC

12、和 组 态 软 件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。2.1.1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

13、 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 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 3

14、2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 、 I/O 模 块 、 内 存 、 电 源

15、模 块 、 底 板 或 机 架 。 1 CPUCPU 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

16、 ， 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 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

17、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 。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。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

18、 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。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 P

19、LC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，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

20、 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 构成表决式系统使机器的可靠性更高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 D

21、CS(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 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

22、 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 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

23、 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 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

24、 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

25、 库 ,并 用 此 数 据 库 中 的 变 量 描 述 工 控 对 象 的 各种 属 性 ,比 如 水 位 、 流 量 等 。(3) 建 立 动 画 连 接连 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 试三 PLC 控 制 系 统 的 硬 件 设 计 3.1 PLC 控制系统设计的基本原则和步骤 3.1.1 PLC 控制系统设计的基本原则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：