1、图书分类号：密 级：基于 PLC 的锅炉加热温度控制系统设计DESIGN OF BOILER TEMPERATURE CONTROL SYSTEM学 生 学 号学 生 姓 名学 院 名 称专 业 名 称指 导 教 师I摘要本文主要介绍了工业温度控制的发展前景、S7-200 系列PLC的基本知识以及锅炉温度控制系统的工作流程、基本原理和组成结构。通过对锅炉温度控制系统设计要求的分析，给出锅炉温度控制系统的I/O口分配表和系统原理图并且以可编程控制器(PLC)为核心，根据系统的控制要求利用STEP 7编程软件设计系统的梯形图。该系统以电热锅炉加热管为被控对象，锅炉水温为被控参数同时兼顾锅炉内压力及
2、水位等条件，以PLC为控制器，锅炉加热管通电时间为控制参数设计了一个温度控制系统。其中调用了西门子公司PLC中自带的PID 模块，以更简洁更方便的方法完成了锅炉温度的自动控制设计。本文从系统的工作原理、系统硬件选型、系统软件编程以及组态监控画面设计等方面进行阐述。关键词 电热锅炉；温度控制；PLC；PID；固态继电器IIAbstractThis article focuses on the industrial development prospects of temperature control, basic knowledge of S7-200 series PLC as well a
3、s the boiler temperature control system made up of work processes, principles, and structure.Through the analysis of boiler temperature control system design, I/O port allocation table of temperature control system of the boiler,system schematics and a programmable logic controller (PLC) as the core
4、, according to the control system requires the use of STEP 7 programming software system design of ladder diagram.The system to electric boiler heating tubes to a charged object, parameters of boiler water temperature to be controlled both the pressure and the water level in the boiler and other con
5、ditions, the PLC controller, boiler heating power parameter design of a temperature control system for control.Which is called the Siemens PLC comes with PID modules, and a more concise and more convenient way to complete the automatic control system design of the boiler temperature. This paper desc
6、ribed the working principle of the system, system hardware selection, system software programming and configuration of the monitor screen design.Keywords Electric boiler Temperature control PLC PID Solid State RelaysI目 录1 绪论 .11.1 课题背景及意义 11.2 国内外研究现状 11.3 本文研究内容 22 温度控制系统设计 .32.1 温度控制系统工作原理 32.2 PI
7、D 控制及参数整定 .32.2.1 PID 控制原理 .32.2.2 PID 参数的整定 43 系统硬件设计 .73.1 PLC 的产生和特点 73.1.1 PLC 的产生与应用 .73.1.2 PLC 的特点 .73.2 PLC 控制系统设计的基本原则和步骤 73.2.1 PLC 控制系统设计的基本原则 .83.2.2 PLC 控制系统设计的一般步骤 .83.3 系统整体设计方案 93.4 PLC 选型 93.4.1 PLC 的主机模块 .93.4.2 PLC 的 I/O 扩展模块 103.4.3 PLC 的选择 .103.5 传感器选型 103.5.1 温度传感器选型 .103.5.2 P
8、T100 温度变送器选型 113.5.3 压力传感器选型 .113.5.4 液位传感器选型 .123.6 固态继电器 123.6.1 固态继电器的原理分析 .123.6.2 固态继电器的组成 .123.6.3 固态继电器的优缺点 .133.7 数码管 133.8 系统工作流程及硬件接线 143.8.1 系统工作流程 .14II3.8.3 系统主电路图 .143.8.4 系统控制电路图 .143.8.5 PLC 硬件连接图 .153.8.6 I/O 端口分配 .174 软件设计 .194.1 系统流程图 194.2 PID 控制器的参数整定 .194.3 PLC 程序 梯形图设计 235 人机界
9、面设计 .335.1 组态软件基础 335.1.1 组态定义 .335.1.2 组态王软件的特点 .335.1.3 组态王软件仿真的基本方法 .335.2 组态变量的建立及设备连接 335.2.1 新建项目 .335.2.1 新建设备 .345.2.3 新建变量 .355.2.4 变量与 PLC 的传输 365.3 创建组态画面 375.3.1 新建主画面 .375.3.2 新建 PID 参数设定窗口 .385.3.3 新建实时曲线 .385.3.4 新建历史曲线 .395.3.5 新建报警窗口 .396 系统仿真及测试 .416.1 系统运行 416.2 运行结果 416.2.1 参数设定画
10、面 .416.2.2 实时趋势曲线 .426.2.3 历史趋势曲线 .426.2.4 报警窗口 .42结论 .44致谢 .45参考文献 .46附录 .4711 绪论1.1 课题背景及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计算机控制技术，既能提高系统的自动化程度又能提高其控制精度。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
11、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。PLC 从上世纪 80 年代至 90 年代中期起发展十分迅速。在这时期，PLC 网络能力、人机接口能力、数字运算能力和处理模拟量能力等发展迅速。由此，PLC 逐渐进入过程控制领域，并在部分应用上取代了原来处于统治地位的 DCS 系统。PLC 具有具有编程方法简单易学、可靠性高、抗干扰能力强、适应性强、通用性好、功能强大、性价比高、体积小、功耗低、设计施工周期短等诸多优点 1。PID 控制是迄今为止应用最广泛的控制方法之一。因为其可靠性高、稳定性好、算法简单，所以在过程控制中被广泛应用，尤其适用对于可建立精确数学模型的确定性系
12、统尤其适用。PID 控制的效果由四个参数决定，即采样周期 TS、比例增益系数 KP、积分时间系数 Ti、微分时间系数 Td。所以，PID 参数的整定与微调一直是自动控制领域着重研究的课题。PID 在工业过程控制中已应用了上百年的时间，在此期间虽然出现了许多新兴算法，但由于 PID 算法自身的特点，再加上人们在此期间所积累的丰富经验，使其经久不衰。在 PID 算法中，对于 P、I、D 三个参数的整定和优化的问题是关键问题 2。1.2 国内外研究现状1970 年以来，因为工业过程控制的发展，尤其是计算机技术和微电子技术以及自动控制理论和方法的发展，国外温控系统的发展极为迅猛，并在自我适应、参数整定
13、和智能化等方面取得了丰富成果。在这方面，以德国、美国、日本、瑞典等国的技术领先，都生产出了一批性能优秀、商品化的温度控制器，并得到了广泛应用。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，温度控制器具有对2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
14、制系统既有控制精度高、抗干扰能力强、稳定性好的特点。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 3。目前，国外温度控制系统正朝着小型化、高精度、智能化等方面高速发展。但我国目前生产出来的温度控制器，仍处于相对低的水平，同德国、美国等先进国家相比，仍然差距很大。目前，这方面的总体技术水平国内仍然处于上世纪 80 年代中后期水平，产品仍以“点位”控制以及常见的 PID 控制器为主，目前对于一般温度系统控制可以达到要求，但对于时变、滞后、复杂的温度系统控制难以适应，而对于要求较高控制场合的智能化、自适应控制仪表等，国内的技术还达不到要求，可以形成商品化并大范围使用的控制仪表还
15、很少。可见我国在温度控制仪表业还差国外相关行业很远。1.3 本文研究内容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，控制算法的选择和参数的整定、人机界面的设计等。本文使用德国西门子公司的 S7-200 系列 PLC 控制器，系统首先由温度传感器将检测到的实际水温转化为电流信号，经过 EM235 模拟量输入模块转换成数字量信号并送到 PLC 中进行 PID调节，PID 控制器输出量转化成占空比，通过固态继电器控制锅炉加热的通断来实现对水温的控制。对于监控画面，利用亚控公司的组态软件“组态王”绘制。全论文分六章，各章的主要内容说明如下。第一章，
16、对锅炉温度控制系统的背景意义及国内外的发展状况进行了阐述。第二章，简单概述了系统框图及 PID 控制原理。第三章，主要在系统框图基础上根据系统需要选择系统中所需各类硬件型号。同时绘制系统电路图、控制电路图及硬件连接图。第四章，在硬件设计的基础上，通过工程整定法确定系统 PID 控制参数并完成本文的详细程序设计。第五章，详细介绍了利用亚控公司的组态软件“组态王”进行系统监控画面的设计。第六章，对系统进行仿真与测试。32 温度控制系统设计2.1 温度控制系统工作原理在本控制系统中，温度传感器将检测到的水温信号转化为电流信号送入模拟量输入模块 EM235。模拟信号经过 EM235 转化为数字信号送入
17、 PLC，PLC 再通过 PID 模块进行 PID 调节控制。图 2-1 中 SP 为设定温度值，PV 为反馈温度值。图 2-1 锅炉温度控制系统框图 2.2 PID 控制及参数整定2.2.1 PID 控制原理在控制系统中，控制器一般最常用的控制规律是 PID 控制。一般的 PID 控制原理见图 2-2。系统由 PID 控制器及被控对象组成。PID 控制器是一种线性控制器，它由给定值 r(t)与实际输出值 c(t)构成偏差：式(2.1)()(tcrte将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D) 通过线性组合可以构成控制量，对被控对象进行控制，故称 PID 控制器。它的表达式为：式(2.2)tD
18、IPdteTetKtu0)()(1)()(转化成传递函数为：式(2.3)()( sTsEUGDIP积分比例微分被控对象+u(t)e(t)r(t) +-c(t)图 2-2 PID 控制系统原理框图PLC EM235 固态继电器 锅炉电热管EM235 温度传感器SP+ T- PV4式中 为比例系数， 为积分时间常数， 为微分时间常数。PKITDT从系统的稳定性、稳态精度、超调量和响应速度等方面考虑，PID 各环节有如下作用：比例(P)调节作用：能按比例反映系统的偏差，比例调节能在系统出现偏差时立即产生作用。比例作用越大，调节速度越快，但是一旦过大就会降低系统的稳定性，导致不稳定。具体分为对动态特性
19、的影响和对稳态特性的影响：(1)对动态特性的影响：比例控制参数加大使系统动作灵敏，运转速度变快，K P 越大，振荡次数变多，调节时间也相应的变长。当 KP 太大时，系统会不稳定，当 KP 太小时，系统会运行缓慢。(2)对稳态特性的影响：在系统相对稳定的情况下，比例参数 KP 变大，稳态误差就会减少，这样可以提高精度，不过对于消除稳态误差无帮助。积分(I)调节作用：可以消除系统的稳态误差。只要系统产生误差，积分调节就会作用，直至无差时积分调节才会停止。积分作用大小由积分常数 Ti 决定且与之成反比，T i越大，积分作用越弱。系统中加入积分环节会使系统稳定性下降，动态响应变慢。所以积分作用通常是与
20、另两种调节环节相结合，组成 PI 调节器或 PID 调节器。 具体分为对动态和稳态特性的影响：(1)积分会引起系统稳定性下降，T i 太小系统会不稳定，甚至会出现振荡； Ti 太大对系统的作用又会缩减，只有当 Ti 相对合适的时候才能出现理想的过度特性。(2)积分可以降低系统的稳态误差同时也能提高系统的精度，不过，当 Ti 太大的时候，积分的作用也很小，稳态误差也就不会减少了。微分(D)调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。因此，可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下，可以减
21、少超调量，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的微分调节，对系统抗干扰不利。此外，微分反应的是变化率，所以当输入没有变化时，微分作用输出为零。微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合，组成 PD 或 PID 控制器。2.2.2 PID 参数的整定PID 调试一般原则 在输出不振荡时，增大比例增益 P。在输出不振荡时，减小积分时间常数 Ti。在输出不振荡时，增大微分时间常数 Td。 计算整定法：进行整定时先进行 P 调节，使 I 和 D 作用无效，观察温度变化曲线，若变化曲线多次出现波形则应该放大比例(P)参数，若变化曲线非常平缓，则应该缩小比例 (P)参数。比例(P)
22、参数设定好后，设定积分(I)参数，积分(I) 正好与 P 参数相反，曲线平缓则需要放大5积分(I)，出现多次波形则需要缩小积分(I) 。比例(P)和积分(I)都设定好以后设定微分(D)参数，微分(D) 参数与比例(P)参数的设定方法是一样的。一般步骤 (1)确定比例增益 P 对比例增益 P 的数值确定时，先直接去掉积分与微分项，即令 Ti=0、T d=0，让 PID调节变为单纯的比例调节。输入设定先定为系统允许的输入最大值的 60%70%，由 0 开始逐步增大比例增益 P，直到该系统发生振荡；然后再反过来，从出现振荡时的比例增益P 值开始缓缓往下减，当系统振荡消失时记录对应的 P 值。系统的
23、PID 调节比例增益 P即设定为此值的 60%70%，调试即完成。 (2)确定积分时间常数 Ti 确定 P 值后，首先确定一个较大的积分时间常数初值，然后逐渐减小 Ti，直到系统发生振荡，之后再反过来，缓缓加大 Ti，当系统振荡消失时记录此时的 Ti，系统的积分时间常数 Ti 即设定为当前值的 150%180%，T i 调试至此完成。 (3)确定积分时间常数 Td Td 一般情况为 0，不另外设定。如有需要，其设定方法同 P 和 Ti 的调试方法，数值设定为不振荡时的 30%。 (4)当系统空载以及带载时联调，然后再进行微调，直至满足系统要求。工程整定法：工程整定法主要依赖经验，在控制系统的直
24、接试验中进行，上手简单方法，比较容易掌握，在实际生活中被广泛采用。PID 控制器参数的工程整定方法，主要有临界衰减法、比例法和反应曲线法这三种方法。这三种方法都各有特点，其的共同点为均通过实验得出结论，对控制器参数整定时依据工程经验公式。采用这三种方法得到的参数仍然需要在实际运行时作调整。扩充临界比例度法：扩充临界比例度法也是实验经验法中应用广泛的一种，它最大的好处是，参数的整定直接在现场整定、简单易行。它对有自平衡特性的受控对象尤其适用，同时扩充了连续时间 PID 控制器参数整定的临界比例度法。扩充比例度法整定数字 PID 控制器参数的步骤是：(1)首先选择一个足够短的采样周期。一般 TS
25、应比受控对象纯延迟时间的十分之一还小。(2)让系统采用此 TS 工作。首先去掉积分与微分作用，将控制变成纯比例控制器，形成闭环。然后将比例放大系数 KP 逐步放大，当系统出现临界振荡时停止，然后将此时的KP 记为 Kr，临界振荡周期则为 Tr。(3)选择控制度。即将连续时间 PID 控制器作为基准，把数字 PID 控制效果与之比较。6控制效果的评价函数一般为误差平方积分。(4)定义控制度。采样周期 TS 的大小会决定采样数据控制系统的品质，相同条件下采样数据控制系统的控制品质会比连续时间的差一些。因此，控制度一般都是要大于 1 的，而且采样数据控制系统的品质好坏与控制度大小成反比。所以系统的控
26、制品质好坏决定控制度的选择。(5)参数由查表决定。(6)运行及修正。将上述所得各参数输入 PID 控制器，将系统闭环运行，然后观察相应效果，然后做适当调整。73 系统硬件设计3.1 PLC 的产生和特点3.1.1 PLC 的产生与应用1969 年美国数字设备公司(DEC)根据美国通用汽车公司的这种要求，研制成功了世界上第一台可编程控制器，并在通用汽车公司的自动装配线上试用，取得很好的效果。从此这项技术迅速发展起来。随着 PLC 功能的不断完善，性价比的不断提高，PLC 的应用面也越来越广。目前，PLC 在国内外已经广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文
27、化娱乐等各个行业。PLC 的应用范围通常可分为开关逻辑控制、运动控制、过程控制、机械加工中的数字控制、机器人控制、通信和联网等 4。S7-200PLC是德国西门子公司生产的一种小型 PLC，其许多功能达到大、中型 PLC 的水平，而价格却和小型 PLC 的一样，因此，它一经推出，即受到了广泛的关注。在 2000 年以前，西门子在中国市场的 PLC 产品主要是大中型 PLC，日本的小型 PLC 占据了中国的大部分市场份额。在 S7-200PLC 推出后，这种情况得到了明显改变，最近几年来的小型 PLC 市场上S7-200PLC 成为了主流产品。可编程逻辑控制器(PLC)是集计算机技术、自动控制技
28、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。西门子最小的小型 PLC 产品是在上世纪末推出的 S7-200CPU21*系列的 PLC，但很快就被 CPU22*系列的产品所取代。因为它拥有多个功能模块和人机界面可供选择，所以系统的集成非常方便，并且相对来说比较容易的就组成了 PLC 网络。以此同时它还具有功能完全的编程软件和工业组态软件，这使其可以简单的完成控制系统的设计。现在最新版的 S7-200 系列 PLC 是在 2004 年推出的，它的主要特点是：较高的可靠性、丰富的指令集
29、、丰富的内置集成功能、实时特性强和强大的通信能力。3.1.2 PLC 的特点(1)抗干扰能力强，可靠性高。(2)控制系统结构简单，通用性强。(3)编程方便，易于使用。(4)功能强大，成本低。(5)设计、施工、调试的周期短。(6)维护方便。3.2 PLC 控制系统设计的基本原则和步骤83.2.1 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)考虑生产的发展和工艺的改进，在选择 PLC 的型号、I/O 点数和存储器容量等内容时，应留有适当的余量，
30、以利于系统的调整和扩充。3.2.2 PLC 控制系统设计的一般步骤分析评估控制任务P L C 选型 ， I / O 设备选择I / O 地址分配调试程序电气系统设计程序设计硬件系统安装检查硬件系统满足要求吗调试程序检查修改程序检查硬件接线满足要求吗现场安装调试编制技术文件交付使用YYNN N图 3-1 PLC 控制系统设计一般步骤93.3 系统整体设计方案在第二章基础上，系统整体具体设计方案见图 3-2。P L C( C P U 2 2 6 )报警及显示水位及压力检测固态继电器电热热水锅炉加热管温度检测信号处理P T 1 0 0 温度变送器上位机图 3-2 整体设计方案3.4 PLC 选型3.
31、4.1 PLC 的主机模块本文选择的是西门子 S7-200 系列 PLC，可以单机运行，也可以进行输入 /输出和功能模块的扩展。它价格低廉，结构小巧，可靠性高，运行速度快，有极丰富的指令集，性能价格比非常高，在各行各业中迅速推广，在规模不太大的控制领域是较为理想的控制设备。CPU22*系列 PLC 按 I/O 点数的多少和效能不同而分为五种不同结构的配置，即CPU221、CPU222、CPU224 、CPU224XP 和 CPU226。(1)CPU221 本机集成 6 输入/4 输出，无扩展能力，程序和数据存储容量较小，有一定的高速计数功能和通信功能，非常适合于少数点的或特定的控制系统使用。(
32、2)CPU222 本机集成 8 输入/6 输出，和 CPU221 相比，它最多可以扩展 2 个模块，是应用更为广泛的全功能控制器。(3)CPU224 本机集成 14 输入/10 输出，和前两者相比，程序存储容量扩大了一倍，数据的存储容量扩大了四倍，它最多可以扩展 7 个模块，有强大的模拟量和高速计数处理能力。(4)CPU224XP 其大部分功能都和 CPU224 相同，最大的不同是，在主机上增加了 2个输入/1 个输出的模拟量单元和一个通信口。(5)CPU226 本机集成 24 输入/16 输出，与 CPU224 相比，程序存储容量扩大了一倍，它有两个通信口，通信能力更为强大。它可用于点数较多
33、，要求较高的小型或中型控制10系统。3.4.2 PLC 的 I/O 扩展模块当系统所需的 I/O 点数较多或要求执行特殊功能时，必须进行 I/O 扩展。常用的输入/输出扩展模块有：(1)输入扩展模块 EM221：分为 8 点 DC 输入和 8 点 AC 输入两种。(2)输出扩展模块 EM222：分为 8 点 DC 晶体管输出、8 点 AC 输出和 8 点继电器输出三种类型。(3)输入/输出混合扩展模块 EM223 有六种：分别为 4 点(8 点、16 点)DC 输入/4 点(8点、16 点)DC 输出；4 点(8 点、16 点)DC 输入/ 4 点(8 点、16 点)继电器输出。(4)输入扩展
34、模块 EM235：分为 8 点 DC 输入和 8 点 AC 输入两种。3.4.3 PLC 的选择根据系统控制要求分析，系统共需要开关量输入点 3 个，开关量输出点 32 个。因为需调用 PID 模块，所以选用主机为 CPU226；扩展模块 EM223(16 点晶体管输出)用于数码管显示实时温度；模拟量输入输出模块 EM235 用于输入模拟量：预设温度、温度传感器反馈值、锅炉压力和液位传感器的反馈值。整个 PLC 系统的配置见图 3-3。图 3-3 PLC 系统组成3.5 传感器选型3.5.1 温度传感器选型温度传感器即一种将温度变化转化为电量变化的装置。在各类转化方法中，将温度量转换为电势或电
35、阻是最为普遍的。其中最常用的是热电偶和热电阻，热电偶是将温度变化转化为电势变化，热电阻则是转化为电阻的变化。这两种传感器目前在工业生产温度测量中被广泛应用。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。PT100 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 5。PT100 热电阻传感器型号：薄片型铂电
36、阻 WZP023PT100 热电阻温度变送器型号：SBWZ-2460扩展单元EM22316 点晶体管模拟量单元EM2354AI/1AO主机单元CPU226AC/DC 继电器11PT100 是铂热电阻，它的阻值跟温度的变化成正比。它的工业原理：当 PT100 在 0 摄氏度的时候他的阻值为 100 欧姆，它的阻值会随着温度上升而成近似匀速的增长。但他们之间的关系并不是简单的正比的关系，而更应该趋近于一条抛物线。 铂电阻的阻值随温度的变化而变化的计算公式： 式(3.1) 02t )10(10 tCtBARt 式(3.2) 85)(Rt 为 t时的电阻值， R0 为 0时的阻值。公式中的 A，B，系
37、数为实验测定。这里给出标准的系数： ； ； 。3.5.2 PT100 温度变送器选型变送器技术指标：(1)输入信号：PT100 铂电阻信号输入 (2)供电电压：10-30V DC (3)负载电阻：0-500 (4)输出信号：二线制 4-20mA，最大 30mA (5)热电阻温度变送器精度：0.2%FS (6)温度稳定性：零点漂移 标准 0.05%FS/ 量程漂移 标准 0.002%FS/ (7)回路保护：带反向连接保护(防止电源正负极) (8)温度变送器功耗：小于等于 0.5W (9)温度变送器重量：约 35 克 (10)热电阻温度变送器外形尺寸：外径 42mm，高度 H23mm，安装孔距 3
38、3mm，安装孔 5.5m3.5.3 压力传感器选型压力传感器的作用就是检测锅炉炉膛内的压力，防止锅炉内由于加热造成压力过大产生危险。它把测得的压力转换成 4-20mA 的电流信号或者是 1-5V 的电压信号，然后把此模拟量信号输送到 PLC 的扩展模块 EM235 中。选择压力传感器输出量时，为了提高系统的抗干扰能力，本文选用了 4-20mA 输出的压力传感器。压力传感器型号：CYB-11 西安为普仿真计算有限公司3.5.4 液位传感器选型液位传感器的作用是测量炉膛内水位，防止水位过低锅炉空烧或者水位过高产生危险。它是利用液体的压力与深度成正比的原理，将检测到的压力信号经转换变成标准的4-20
39、mA 的电流信号传送给 PLC。782.5120735.4392.12产品采用正装结构，并汲取了智能锅炉汽包液位计的长处，将抗高温、耐高压、抗腐蚀、抗波动性能集于一身，变送部分利用军工器件，使信号输出更加稳定、可靠。该液位计安装简单，维护量小，测控精确，性价比高，是传统的电极式、差压式、磁翻板式液位计理想的换代产品，值得推广普及。液位计传感器型号：UHM-F24 无锡中南液位磁控器厂3.6 固态继电器3.6.1 固态继电器的原理分析固态继电器(Solid State Relay，简称 SSR)与机电继电器相比，是一种没有机械运动，不含运动零件的继电器，但它具有与机电继电器本质上相同的功能。SS
40、R 是一种全部由固态电子元件组成的无触点开关元件，他利用电子元器件的电、磁和光特性来完成输入与输出的可靠隔离，利用大功率三极管，功率场效应管，单向晶闸管和双向晶闸管等器件的开关特性，来达到无触点，无火花地接通和断开被控电路。它是一种四端有源器件，其中两端为输入控制端，另外两端为输出受控端，如图 3-4 所示。图 3-4 固态继电器模块示意图当输入端有控制信号，输出端从关断状态变为导通状态；控制信号撤消后，输出端变为关断状态，从而实现自动控制。固态继电器的输入端、输出端之间采用光电隔离技术，使得弱电和强电隔离，因此从计算机等弱电设备输出的信号可以直接加在固态继电器的控制端上，无需另外的保护电路
41、14。3.6.2 固态继电器的组成固态继电器由三部分组成：输入电路，隔离(耦合)和输出电路。按输入电压的不同，输入电路可分为直流输入电路，交流输入电路和交直流输入电路三种。固态继电器的输入与输出电路的隔离和耦合方式有光电耦合和变压器耦合两种。固态继电器的输出电路也可分为直流输出电路，交流输出电路和交直流输出电路等形式。交流输出时，通常使用两个晶闸管或一个双向晶闸管，直流输出时可使用双极性器件或功率场效应管。3.6.3 固态继电器的优缺点优点：(1)高寿命，高可靠：SSR 没有机械零部件，由固体器件完成触点功能，由于没有运输入模块输出模块13动的零部件，因此能在高冲击，振动的环境下工作，由于组成
42、固态继电器的元器件的固有特性，决定了固态继电器的寿命长，可靠性高。(2)灵敏度高，控制功率小，电磁兼容性好：固态继电器的输入电压范围较宽，驱动功率低，可与大多数逻辑集成电路兼容不需加缓冲器或驱动器。(3)快速转换：固态继电器因为采用固体器件，所以切换速度可从几毫秒至几微秒。(4)电磁干扰小：固态继电器没有输入“线圈” ，没有触点燃弧和回跳，因而减少了电磁干扰。大多数交流输出固态继电器是一个零电压开关，在零电压处导通，零电流处关断，减少了电流波形的突然中断，从而减少了开关瞬态效应。缺点：(1)导通后的管压降大，晶闸管或双相晶闸管的正向降压可达 12V，大功率晶体管的饱和压降在 12V 之间，一般
43、功率场效应管的导通电阻也较机械触点的接触电阻大。(2)半导体器件关断后仍有数微安至数毫安的漏电流，因此不能实现理想的电隔离。(3)由于管压降大，导通后的功耗和发热量也大，大功率固态继电器的体积远远大于同容量的电磁继电器，成本也较高。(4)电子元器件的温度特性和电子线路的抗干扰能力较差，耐辐射能力也较差，如不采取有效措施，则工作可靠性低。(5)固态继电器对过载有较大的敏感性，必须用快速熔断器或 RC 阻离电路对其进行过载保护。固态继电器的负载与环境温度明显有关，温度升高，负载能力将迅速下降。选型：双向晶闸管型的固态继电器 SSR-S340ZF 济南帝诺自动化技术有限公司3.7 数码管数码管显示有
44、两种接法：共阳极、共阴极，本设计选择共阴极接法。如图 3-5 所示。图 3-5 数码管的接法3.8 系统工作流程及硬件接线3.8.1 系统工作流程共阴极 共阳极abcdegGNDfdpGNDa bcef gd dpabcdefgdpdpgfedcba 5V（ a） （ b）14系统工作流程：硬件系统接入电源后先判断是否缺相，在不缺相情况下电源信号亮。输入预设水温并按下启动按钮，系统工作。工作后热电阻温度传感器测量锅炉内实际水温并经过温度变送器转换后经 EM235 输入 PLC，PLC 将实际水温与预设水温做差并调用PID 算法计算出输出值，程序根据输出值判断 SSR 状态及通断时间，从而控制锅
45、炉加热管加热时间。3.8.3 系统主电路图系统主电路图如图 3-6 所示。图 3-6 系统主电路图主电路原理：系统经空气开关 QA0 接入电路，熔断器防止系统过流，锅炉加热管与电源间加入热继电器和固态继电器，热继电器防止系统过热。QA0 为电路总开关，当固态继电器导通时锅炉加热管加热；固态继电器断开时，锅炉加热管断电，停止加热。3.8.4 系统控制电路图系统控制电路图如图 3-7 所示。15图 3-7 系统控制电路图控制电路原理：KF 为缺相保护防止电源缺相。SB3 为缺相保护继电开关，SB2 为系统停止按钮，SB1 为系统启动按钮。系统不缺相情况下，按下启动按钮 SB1，线圈 KM1得电，K
46、M1 常开开关闭合，SB1 自锁。PLC 输出 Q0.0 导通后工作灯 Q0.0 亮。Q0.1 输出为正且 Q0.7 输出为 0 时固态继电器工作，系统加热。 Q0.3、Q0.4、Q0.5 或 Q0.6 中有输出为正时相应灯亮且电铃工作，固态继电器停止工作。停止时，按下按钮 SB2，系统停止，Q0.2 得电，停止信号灯亮。3.8.5 PLC 硬件连接图如图 3-8 所示为 PLC 硬件连接图。硬件图原理：SB1( I0.0)是系统启动按钮，SB2(I0.1)为系统停止按钮，SB3(I0.2) 是缺相保护的继电开关。温度传感器用的 PT100 热电阻温度变送器。右边的输出部分为 6 个信号灯、1
47、 个固态继电器和 1 个电铃，还有三个显示锅炉水温的数码管。具体作用见 I/O 端口分配表。16图 3-8 硬件连接图173.8.6 I/O 端口分配本设计中使用的 I/O 口分配如表 3-1 所示。表 3-1 系统 I/O 端口分配名称 地址编号 说明按钮 I0.0 系统启动(SB1)按钮 I0.1 系统停止(SB2)数字量按钮 I0.2 缺相保护(SB3)输入模拟量 AIW0 预设温度温度传感器反馈模拟量 AIW2 锅炉炉内实际炉温输入模拟量 AIW4 预设压力压力传感器反馈模拟量 AIW6 锅炉炉内实际压力输入模拟量 AIW8 预设水位下限输入模拟量 AIW10 预设水位上限输入信号模拟
48、量液位传感器反馈模拟量 AIW12 锅炉炉内实际水位灯 Q0.0 工作信号灯固态继电器 Q0.1 控制通断灯 Q0.2 停止信号灯灯 Q0.3 高温警报灯 Q0.4 高压警报灯 Q0.5 高液位警报灯 Q0.6 低液位警报电铃 Q0.7 起警报作用QB1 数码管 1QB2 数码管 2输出信号 数字量温度显示QB3 数码管 3184 软件设计4.1 系统流程图图 4-1 为系统流程图。图 4-1 锅炉炉温控制流程图4.2 PID 控制器的参数整定PID 校正参数设计方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数，所得到的计算数据虽具有知道意义，
49、最终还必须通过工程实际运行过程加以调试和修改。二是工程整定法，常用方法有临界比例度法、反应曲线法和衰减法等，其共同点都是直接通过系统试验取得相关数据，在按照工程经验公式对控制器参数进行整定，方法简单、易于掌握，在工程实际中被广发采用。本设计采用 Z-N 临界比例度法：Z-N 临界比例度法是一种广泛应用在工程上的一种经典的 PID 控制器参数整定方法。它的主要优势是可以不依赖于对象的数学模型参数，而是归纳总结以前大量的工程经验得到经验公式，然后依据此经验公式计算 PID 控制器的具体参数。用这个方法需要知道两个参数：临界增益 Ku 和临界振荡周期 Tu。设定温度（ S P ）启动水温检测并与设定值比较（ S P - P V ）P I D 计算调节固态继电器通断实际温度与设定温度显示锅炉水温检测 P V开始19Z-N 临界比例度法对闭环系统使用时，先将积分时间常数和微分时间常数设为 0，即消除积分和微分作用，使系统变为纯比例系统；然后调整比例系数 KP，直至系统刚好出现振荡，此时的 KP 的值就是系统的临界增益 Ku，此时图
