基于PLC与组态王的温度控制系统毕业论文.doc
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1、安徽机电职业技术学院毕业设计说明书基于PLC与组态王的温度控制系统设计系 部 电 气 工 程 系 专 业 机 电 一 体 化 班 级 姓 名 学 号 指导教师 白金老师 2010 2011 学年第 一 学期摘 要可编程控制器是一种应用很广泛的自动控制装置,它将传统的继电器控制技术、电脑技术和通讯技术融为一体,具有控制能力强、操作灵活方便、可靠性高、适宜长期连续工作的特点,非常适合温度控制的要求。 在工业领域,随着自动化程度的迅速提高,用户对控制系统的过程监控要求越来越高,人机界面的出现正好满足了用户这一需求。人机界面可以对控制系统进行全面监控,包括过程监测、报警提示、数据记录等功能,从而使控制
2、系统变得操作人性化、过程可视化,在自动控制领域的作用日益显著。本文主要介绍了基于西门子公司S7-200系列的可编程控制器和亚控公司的组态软件组态王的炉温控制系统的设计方案。编程时调用了编程软件STEP 7 -Micro WIN中自带的PID控制模块,使得程序更为简洁,运行速度更为理想。利用组态软件组态王设计人机界面,实现控制系统的实时监控、数据的实时采样与处理。实验证明,此系统具有快、准、稳等优点,在工业温度控制领域能够广泛应用。关键词温度控制;可编程控制器;人机界面;组态王目 录摘要2引言5第一章温度控制系统的介绍 61.1项目的背景和意义61.2温度控制系统的现状 61.3温度控制系统的内
3、容7第二章 PLC控制系统硬件设计 82.1硬件系统组成及工作原理82.1.1硬件系统组成82.1.2硬件系统工作原理82.2 S7-200 CPU的选择82.3 EM231模拟量输入模块82.4 热电式传感器102.5 I/O点分配及电气连接图102.6 控制系统数学模型的建立11第三章 PLC控制系统软件设计 133.1 PID控制及参数整定133.2 程序的设计143.2.1 设计思路143.2.2 控制程序流程图153.2.3 梯形图程序163.2.4 PID指令向导的运用193.3 人机界面HMI设计20第四章 系统运行结果及分析 214.1 系统运行214.2 运行结果分析214.
4、2.1 温度趋势曲线分析214.2.2 报警信息分析24结束语25谢辞26参考文献27引 言随着社会经济的迅速发展,人民对温度的控制系统可靠性的要求不断提高。把先进的自动化技术、控制技术、通讯及网络技术等应用到温度控制领域,成为对温度系统的新要求。温度控制系统集自控技术、电气技术、现代控制技术于一体。采用该系统进行温度控制可以提高供温度系统的稳定性和可靠性,方便地实现温度系统的集中管理与监控;同时系统具有良好的节能效果,这在能量日益紧缺的今天尤为重要,所以研究设计该系统,对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。第一章温度控制系统的介绍1.1项目的背景和意义温度控制
5、在电子、冶金、机械等工业领域应用非常广泛。由于其具有工况复杂、参数多变、运行惯性大、控制滞后等特点,它对控制调节器要求极高。目前,仍有相当部分工业企业在用窑、炉等烘干生产线,存在着控制精度不高、炉内温度均匀性差等问题,达不到工艺要求,造成装备运行成本费用高,产出品品质低下,严重影响企业经济效益,急需技术改造。近年来,国内外对温度控制器的研究进行了广泛、深入的研究,特别是随着电脑技术的发展,温度控制器的研究取得了巨大的发展,形成了一批商品化的温度调节器,如:职能化PID、模糊控制、自适应控制等,其性能、控制效果好,可广泛应用于温度控制系统及企业相关设备的技术改造服务。在工业生产过程中,温度是最常
6、见的过程参数之一。在冶金、化工、电力、机械制造和食品加工等诸多领域中,人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。由于其具有工况复杂、参数多变、运行惯性大、控制滞后等特点,它对控制调节器要求极高。在工程实际中,应用最为广泛的调节器控制规律为PID控制。可编程控制器(PLC)是一种应用非常广泛的自动控制装置,它将传统的继电器控制技术、电脑技术和通讯技术融为一体,具有控制能力强、操作灵活方便、可靠性高、适宜长期连续工作的特点,非常适合温度控制的要求。基于PLC 的温度控制系统以其可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、功能强大、能耗低等优点深受许多用户的青睐,在工业温度控制场合
7、得到了广泛的应用。同时,人机界面的出现可以使用户对控制系统进行全面监控,包括参数监测、信息处理、在线优化、报警提示、数据记录等功能,从而使控制系统变得简单易懂、操作人性化。1.2 温度控系统的现状温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛,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,它只能适应一般温度系统控制,难于控制滞后、复杂、时变温度系统控制。而适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表,国内技术还不十分成熟。形成商
8、品化并在仪表控制参数的自整定方面,国外已有较多的成熟产品,但由于国外技术保密及我国开发工作的滞后,还没开发出性能可靠的自整定软件。控制参数大多靠人工经验及我国现场调试来确定。这些差距,是我们必须努力克服的。随着我国加入WTO,我国政府及企业对此非常重视,对相关企业资源进行了重组,相继建立了一些国家、企业的研发中心,并通过合资、技术合作等方式,组建了一批合资、合作及独资企业,使我国温度仪表等工业得到迅速的发展1。随着科学技术的不断发展,人们对温度控制系统的要求愈来愈高,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趋势。1.3温度控系统的内容 可编程控制器(PLC)是集电脑技术、自动
9、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,已被广泛应用于工业控制的各个领域,并已成为工业自动化的三大支柱(PLC、工业机器人、CAD/CAM)之一。PLC的应用已成为一个世界潮流,在不久的将来PLC技术在我国将得到更全面的推广和应用。本论文研究的是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。本论文通过德国西门子公司的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量信号并送到PLC中进行PID调节,PID
10、控制器输出量转化成占空比,通过固态继电器控制炉子加热的通断来实现对炉子温度的控制。同时利用亚控公司的组态软件“组态王”设计一个人机界面HMI,通过串行口与可编程控制器通信,对控制系统进行全面监控,从而使用户操作更方便。总体上包括的技术路线:硬件设计,软件编程,参数整定等。第二章 PLC控制系统硬件设计2.1硬件系统组成及工作原理2.1.1硬件系统组成系统采用S7-200CPU226型PLC、EM231模拟量扩展模块、热电式传感器、固态继电器、烤炉及其他控制设备组成。系统的框架图如图1所示。电脑PLCEM231模块固态继电器热电偶烤炉 图1 系统框架图2.1.2 工作原理系统选用PLC CPU2
11、26为控制器, K型热电偶将检测到的实际炉温转化为电压信号,经过EM231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炉子加热的通断来实现对炉子温度的控制。PLC和HMI相连接,实现了系统的实时监控。2.2 S7-200 CPU的选择S7-200系列的PLC有CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP、CPU226等类型。此系统选用S7-200 CPU226,CPU226集成了24点输入/16点输出,共有40个数字量I/O。可连接7个扩展模块,最大扩展至248点数字量或35点模拟量I/O。还有13KB程序和数据存
12、储空间空间,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。配有2个RS485通讯口,具有PPI,MPI和自由方式通讯能力,波特率最高为38.4 kbit/s,可用于较高要求的中小型控制系统11。本温度控制系统由于输入/输出点数不多,本可以使用CPU224以下的类型,不过为了能调用编程软件STEP 7 里的PID模块,只能采用CPU226及以上机种。2.3 EM231模拟量输入模块本温度控制系统中,传感器将检测到的温度转换成041mv的电压信号,系统需要配置模拟量输入模块把电压信号转换成数字信号再送入PLC中进行处理。在这里,我们选用了西门子EM231 4T
13、C模拟量输入模块。EM231热电偶模块提供一个方便的,隔离的接口,用于七种热电偶类型:J、K、E、N、S、T和R型,它也允许连接微小的模拟量信号(80mV范围),所有连到模块上的热电偶必须是相同类型,且最好使用带屏蔽的热电偶传感器。EM231模块需要用户通过DIP开关进行组态: SW1SW3用于选择热电偶类型,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用于选择测量单位,SW8用于选择是否进行冷端补偿。本系统用的是K型热电偶,所以DIP开关SW1SW8组态为00100000;EM231具体技术指标见表1。表1 EM231技术指标型号EM231模拟量输入模块
14、总体特性 外形尺寸:71.2mm80mm62mm 功耗:3W输入特性本机输入:4路模拟量输入电源电压:标准DC 24V/4mA输入类型:010V,05V,5V,2.5V,020mA分辨率:12 Bit转换速度:250S隔离:有耗电从CPU的DC 5V I/O总线耗电10mADIP开关SW1 0, SW2 0, SW3 1以K型热电偶为例表2所示为如何使用DIP开关设置EM231模块,开关1、2和3可选择模拟量输入范围。所有的输入设置成相同的模拟量输入范围。表中,ON为接通,OFF为断开。表2 EM231选择模拟量输入范围的开关表单极性满量程输入分辨率SW1SW2SW3ONOFFON0到10V2
15、.5mVONOFF0到5V1.25mV0到20mA5uA双极性满量程输入分辨率SW1SW2SW3OFFOFFON5V2.5mVONOFF2.5V1.25mVEM231校准和配置位置图如图2所示。图2 DIP配置EM2312.4 热电式传感器 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。其中最常用于测量温度的是热电偶和热电阻,热电偶是将温度变化转换为电势变化,而热电阻是将温度变化转换为电阻的变化。这两种热电式传感器目前在工业生产中已得到广泛应用。该系统中需要用传感器将温度转换成电压,且炉子的温度最高达几百度,所以我们选择了热电
16、偶作为传感器。热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。国际标准热电偶有S、B、E、K、R、J、T七种类型,在本系统中,我们选用了K型热电偶分度表如表3所示,其测温范围大约是01000。系统里的烤炉最高温度不过几百度,加上一定的裕度就足够了,另外其成本也不算高2。表3 K型热电偶分度表2.5 I/O点分配及电气连接图该温度控制系统中I/O点分配表和整个硬件连接图如表4和图4所示。 表4 I/O点分配表输入触点功能说明输出触点功能说明IO.1启动按钮Q0.0运行指示灯绿I0.2停止按钮Q0.1停止指示灯红Q0.3固态继电器2.6 控制系统数学模型的建立本温度控制系统中,传感器电热偶将检测到的温度信
17、号转换成电压信号经过温度模块后,与设定温度值进行比较,得到偏差,此偏差送入PLC控制器按PID算法进行修正,返回对应工况下的固态继电器导通时间,调节电热丝的有效加热功率,从而实现对炉子的温度控制。控制系统结构图如图3所示,方框图如图5所示。 PLC控制器固态继电器烤炉温度模块热电偶图3图4Gc(s)Go(s) R(s) + E(s) U(s) Y(s) 图5 控制系统方框图图5中,R(s)为设定温度的拉氏变换式;E(s)为偏差的拉氏变换式; Gc(s)为控制器的传递函数;Go(s)为广义对象,即控制阀、对象控制通道、测量变送装置三个环节的合并;该温度控制系统是具有时滞的一阶闭环系统,传递函数为
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